暴雨空?qǐng)?bào)過程原因分析

錢俊 孔令帥

摘要 基于多普勒雷達(dá)產(chǎn)品基數(shù)據(jù)，運(yùn)用雷達(dá)UCP和PUP的鏈接進(jìn)行基數(shù)據(jù)反演，得到反射率、徑向速度、回波頂高、風(fēng)廓線速度方位角顯示以及風(fēng)暴追蹤信息等產(chǎn)品，結(jié)合區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)氣溫、氣壓等資料模擬的海平面氣壓場，對(duì)一次暴雨空?qǐng)?bào)過程進(jìn)行回波結(jié)構(gòu)、徑向速度和風(fēng)廓線速度方位角及氣壓場結(jié)構(gòu)特征分析。結(jié)果表明，此次暴雨空?qǐng)?bào)過程主要由于云團(tuán)分裂導(dǎo)致，其在雷達(dá)回波反射率圖上可以直觀地演示，分裂得到的對(duì)流云回波強(qiáng)度、最大回波頂高、最大回波強(qiáng)度位置等與層狀云存在很大差異，并且對(duì)流云是造成強(qiáng)降水的主導(dǎo)因素；云團(tuán)的徑向速度場和風(fēng)廓線速度方位角分布場，能夠很好地說明其分裂的具體地點(diǎn)、原因以及分裂后層狀云團(tuán)、對(duì)流云團(tuán)的演變發(fā)展和結(jié)構(gòu)特征參數(shù)據(jù)，與實(shí)況降水資料相符合；構(gòu)建云團(tuán)的海平面氣壓場，可以近似印證出云團(tuán)的雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)和徑向速度場，且能很好地解釋云團(tuán)的分裂原因和移動(dòng)方向，但還需要從大量的實(shí)例中去尋找其共性的規(guī)律。

關(guān)鍵詞 暴雨空?qǐng)?bào)；云團(tuán)分裂；轉(zhuǎn)折性天氣；原因分析

中圖分類號(hào) P457.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）04-0186-03

風(fēng)暴云團(tuán)的生命史包括產(chǎn)生、發(fā)展、維持和消亡等階段，由于風(fēng)暴合并是導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣開始發(fā)生的主要因素之一，因而相關(guān)研究成果很多。統(tǒng)計(jì)表明，80%以上的對(duì)流云合并過程中，云團(tuán)合并后的面積和強(qiáng)度都得到發(fā)展，且生命史更長[1]，即多數(shù)合并結(jié)果導(dǎo)致云團(tuán)增強(qiáng)；在上升氣流合并開始時(shí)，合并的效果是正的相互作用[2]；在合并成因的研究方面，有的觀點(diǎn)認(rèn)為是環(huán)境因素，如山區(qū)對(duì)流云合并發(fā)生在水平垂直風(fēng)切變及垂直渦度增大的濕斜壓不穩(wěn)定增強(qiáng)的環(huán)境中[3]；有的觀點(diǎn)認(rèn)為是內(nèi)部因素，在合并的發(fā)展維持階段，氣壓梯度力、輻合抬升、下沉上升環(huán)流加強(qiáng)的內(nèi)部動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化是主要原因[4]。風(fēng)暴分裂也是風(fēng)暴生命史中的現(xiàn)象，與其相伴的多是對(duì)流云團(tuán)的逐步減弱，大體預(yù)示著強(qiáng)對(duì)流天氣的結(jié)束，因而它是反映強(qiáng)對(duì)流天氣截止時(shí)間的一種依據(jù)，也是轉(zhuǎn)折性天氣的來源之一。若未注意到風(fēng)暴分裂的出現(xiàn)時(shí)間，可能會(huì)認(rèn)為其依然會(huì)維持，導(dǎo)致對(duì)后期風(fēng)暴演變過程產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)?？紤]到風(fēng)暴云團(tuán)分裂的重要性以及現(xiàn)有研究結(jié)果不多的現(xiàn)實(shí)，故有必要針對(duì)風(fēng)暴分裂現(xiàn)象作出分析。

2015年5月29日6：00開始，由湖北省境內(nèi)向東至安徽省江淮西部地區(qū)移入一片風(fēng)暴云團(tuán)，導(dǎo)致安慶地區(qū)宿松、太湖和六安地區(qū)金寨出現(xiàn)暴雨，其他大部分地區(qū)均出現(xiàn)中到大雨，其中過程最大降水量為86.3 mm，小時(shí)最大雨強(qiáng)為59.8 mm，均出現(xiàn)在宿松站（圖1）。桐城站（五角星位置）位于安慶地區(qū)的北邊，與六安地區(qū)交界，是這一次風(fēng)暴云團(tuán)外推移動(dòng)路線上可能要經(jīng)過的站點(diǎn)，業(yè)務(wù)人員在29日6：00制作早間天氣預(yù)報(bào)時(shí)參考省局、市局的指導(dǎo)預(yù)報(bào)，發(fā)布本地區(qū)白天時(shí)段內(nèi)陰有中到大陣雨或雷雨，部分地區(qū)大到暴雨。

通過此次過程降水量實(shí)況可以直觀看到，降水量分布很不均勻，降水帶主要集中在江淮之間且普遍在10 mm以上，桐城附近范圍出現(xiàn)低值區(qū)，本站降水量僅3.9 mm，發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)的降水量級(jí)明顯比實(shí)況要大，即桐城站的預(yù)報(bào)有偏差。在總結(jié)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)過跟蹤雷達(dá)降水回波產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)這是一次典型的風(fēng)暴云團(tuán)分裂導(dǎo)致暴雨空?qǐng)?bào)的過程。如果風(fēng)暴云團(tuán)不分裂，桐城市降水將會(huì)較大，正是由于風(fēng)暴發(fā)生了分裂，才導(dǎo)致桐城的降水僅為小雨量級(jí)，遠(yuǎn)小于預(yù)期的雨量，成為轉(zhuǎn)折性天氣。為探明導(dǎo)致此次風(fēng)暴云團(tuán)分裂的原因及分裂后南部局地降水量、降水強(qiáng)度大于北邊的原因，明確層云降水與對(duì)流云降水在雷達(dá)產(chǎn)品上的特征及其相互之間的演變是否存在某種聯(lián)系，現(xiàn)圍繞這3個(gè)方面的問題進(jìn)行探討，以期為今后類似風(fēng)暴云團(tuán)的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 數(shù)據(jù)資料與方法

選取的數(shù)據(jù)資料為安慶雷達(dá)站5月29日多普勒雷達(dá)產(chǎn)品基數(shù)據(jù)、安徽省國家級(jí)氣象站點(diǎn)及區(qū)域六要素站點(diǎn)5月29日6：00—12：00逐小時(shí)氣溫和氣壓數(shù)據(jù)。安慶雷達(dá)站的經(jīng)緯度分別為116°47′24″E、30°36′58″N，海拔高度為386 m。

運(yùn)用雷達(dá)UCP和PUP的鏈接設(shè)置雷達(dá)站點(diǎn)信息，對(duì)雷達(dá)歷史基數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到反射率、徑向速度、回波頂、風(fēng)廓線速度方位角顯示以及風(fēng)暴追蹤信息等產(chǎn)品；通過雷達(dá)基本反射率和組合反射率的時(shí)間演變分析風(fēng)暴云團(tuán)分裂的具體過程；通過基于區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)相應(yīng)時(shí)次的氣溫和本站氣壓數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，并采用壓高公式訂正得到海平面氣壓，模擬得到風(fēng)暴云團(tuán)下部的近地面氣壓場信息。氣溫、氣壓數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要指的是氣溫值、氣壓值與周邊站點(diǎn)的氣溫值、氣壓值是否有明顯差異，如果差異過大且沒有合理的原因，則將其刪除。海拔較高的站點(diǎn)，其氣溫較低時(shí)的數(shù)據(jù)仍然保留；如果氣壓值比周圍站點(diǎn)高于或低于2 hPa，認(rèn)為該數(shù)據(jù)不可信。計(jì)算過程中所涉及的壓高訂正公式為：

P0=Ps×10■（1）

Tm=■+■（2）

式中，P0代表海平面氣壓（hPa）；Ps代表本站氣壓（hPa）；h代表氣壓傳感器拔海高度（m）；Tm代表氣柱平均溫度（℃）；t代表干球溫度（℃）；t12代表觀測前12 h氣溫（℃）。

2 風(fēng)暴云團(tuán)的特征分析

2.1 回波結(jié)構(gòu)

從安慶多普勒雷達(dá)回波來看，本次風(fēng)暴云團(tuán)降水過程為混合云降水，在層狀云中鑲嵌著對(duì)流云，存在著相互演變，而對(duì)流云的分布比較復(fù)雜，其回波強(qiáng)度、尺度和形狀在不同時(shí)間和空間均有所不同。在較為明顯的風(fēng)暴云團(tuán)運(yùn)動(dòng)過程中，有風(fēng)暴分裂的現(xiàn)象，且南側(cè)云團(tuán)強(qiáng)度大于北側(cè)云團(tuán)強(qiáng)度，分裂時(shí)段大約在5月28日6：00—8：00。由圖2（a）可知，云團(tuán)整體于5月28日6：00還位于湖北省境內(nèi)，呈南北向帶狀回波，且與移動(dòng)方向垂直，最大回波強(qiáng)度為43 dBZ，最大回波頂高12 km左右，由西向東開始移入安徽省境內(nèi)；由圖2（b）可知，至7：02云團(tuán)大部分已移入，并且處在不斷發(fā)展中，最大回波強(qiáng)度為48 dBZ，最大回波頂高14 km左右，主要的對(duì)流云降水回波依然位于云團(tuán)的尾部，處在兩省的交界處偏湖北省境內(nèi)；由圖2（c）可知，至7：32在桐城市上游岳西縣的東北角與霍山縣交界處位置云團(tuán)開始分裂，分成南、北2塊，北邊主要為層狀云團(tuán)，最大回波強(qiáng)度為38 dBZ，最大回波頂高7 km左右，南邊主要為對(duì)流云團(tuán)，最大回波強(qiáng)度為48 dBZ，最大回波頂高13 km左右，并處在旺盛發(fā)展階段；由圖2（d）可知，至8：03整個(gè)風(fēng)暴云團(tuán)已經(jīng)完成分裂，北邊的層狀云團(tuán)相對(duì)分裂之前較穩(wěn)定，降水強(qiáng)度不大，小時(shí)最大雨強(qiáng)不超過10 mm，而南邊的對(duì)流云團(tuán)處于宿松縣和太湖縣位置，最大回波強(qiáng)度為52 dBZ，最大回波頂高14 km左右，造成宿松縣、太湖縣出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，其中宿松縣小時(shí)最大雨強(qiáng)達(dá)59.8 mm。從整個(gè)過程的雷達(dá)回波特征來看，層狀云的強(qiáng)度一般為20～35 dBZ，最大回波頂高一般為6～7 km，最大回波強(qiáng)度3～4 km，對(duì)流云的強(qiáng)度一般在35～50 dBZ，最大回波頂高一般為13～14 km，最大回波強(qiáng)度7～8 km，并且對(duì)流云是造成強(qiáng)降水的主導(dǎo)因素。

2.2 徑向速度和風(fēng)廓線速度方位角

由圖3（a）（b）（e）可以看出，6：00開始至7：02云團(tuán)整體沿E—NE方向移動(dòng)，正徑向速度約5 m/s，負(fù)徑向速度約 -5 m/s，云團(tuán)處于不斷發(fā)展中。由圖3（c）可以看出，7：32云團(tuán)主體開始分裂，此時(shí)正徑向速度開始增大，在桐城市上游岳西縣的東北角與霍山縣交界處位置有一速度切變，與圖2（c）中雷達(dá)回波配合完好。由圖3（d）（f）可直觀判斷出云團(tuán)分裂之后的移動(dòng)路徑及對(duì)流發(fā)展情況，北邊的云團(tuán)以層狀云為主體，在主體重心約3 km位置處受到西南風(fēng)向，平均風(fēng)速為10 m/s，受其影響，云團(tuán)以7 m/s的速度向東北方向遠(yuǎn)離徑向移動(dòng)；南邊的云團(tuán)則以對(duì)流云為主體，在主體重心約8 km位置處受到偏西風(fēng)向，平均風(fēng)速為20 m/s，受其影響，云團(tuán)以-7 m/s的速度向東沿徑向移動(dòng)，并且在其東北部存在輻合帶，使得其對(duì)流發(fā)展旺盛，這個(gè)也與實(shí)況降水資料相符合。從風(fēng)廓線速度方位角來分析，屬于順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表示有暖平流經(jīng)過，同時(shí)存在自下而上的速度切變，使對(duì)流云系得以強(qiáng)盛。與徑向速度對(duì)照分析，可以很直觀地找出風(fēng)暴云團(tuán)分裂及其造成強(qiáng)降水的影響因素。

2.3 氣壓場結(jié)構(gòu)

從大氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，導(dǎo)致云團(tuán)分裂首先肯定是受到了力的作用，本文嘗試構(gòu)建云團(tuán)下部的近地面氣壓場，從分析水平氣壓梯度力方向解釋其分裂的原因。可是高空氣壓探測資料空間尺度很大，無法得到這種局地性的云團(tuán)氣壓場，解決途徑就是選取安徽省內(nèi)國家站點(diǎn)和區(qū)域站點(diǎn)的本站氣壓實(shí)時(shí)資料，結(jié)合溫度和海拔高度資料的質(zhì)量控制并經(jīng)過壓高訂正公式統(tǒng)一訂正到海平面氣壓，然后模擬得到云團(tuán)下部的地面氣壓場，通過選取的75個(gè)站點(diǎn)資料，計(jì)算結(jié)果見圖4，圖中星標(biāo)位置為桐城站點(diǎn)。

從圖4可以看出，海平面氣壓場存在高壓中心和低壓中心，可以近似印證出云團(tuán)的雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)和徑向速度場，圖中虛線代表云團(tuán)的分裂處，G、D分別代表高壓中心和低壓中心。D處低壓中心位于分裂處的北側(cè)和桐城市的東南角，G處高壓中心位于分裂處的南側(cè)。水平氣壓梯度力總是由高壓指向低壓，即圖中箭頭所示，分別由近于地面的底部云團(tuán)的中心指向東北和東南方向，這也就能解釋為什么云團(tuán)沒有按照外推路線移動(dòng)，而是在到達(dá)桐城站點(diǎn)之前分裂成南、北2塊。

3 結(jié)語

（1）對(duì)于此次風(fēng)暴云團(tuán)的分裂過程，在雷達(dá)回波反射率圖上可以直觀地演示。通過回波結(jié)構(gòu)特征分析，得到層狀云的回波強(qiáng)度一般為20～35 dBZ，最大回波頂高一般為6～7 km，最大回波強(qiáng)度在3～4 km處；對(duì)流云的回波強(qiáng)度一般為35～50 dBZ，最大回波頂高一般為13～14 km，最大回波強(qiáng)度在7～8 km處，并且對(duì)流云是造成強(qiáng)降水的主導(dǎo)因素。

（2）從雷達(dá)基數(shù)據(jù)反演產(chǎn)品中，選擇云團(tuán)的徑向速度場和風(fēng)廓線速度方位角分布場，討論了其分裂的具體地點(diǎn)、原因以及分裂后層狀云團(tuán)、對(duì)流云團(tuán)的演變發(fā)展和結(jié)構(gòu)特征參數(shù)據(jù)，與實(shí)況降水資料相符合，從整個(gè)過程的風(fēng)廓線速度方位角和徑向速度進(jìn)行對(duì)照分析，可以很直觀地得到風(fēng)暴云團(tuán)分裂及其造成強(qiáng)降水的一個(gè)因素。

（3）嘗試從構(gòu)建云團(tuán)的海平面氣壓場方面著手，分析其受到水平氣壓梯度力的方向來尋找云團(tuán)分裂的原因，雖然可以近似印證出云團(tuán)的雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)和徑向速度場，且能很好地解釋云團(tuán)的分裂原因和移動(dòng)方向，但這種模擬氣壓場只是一種近似嘗試，不能說明高空氣壓梯度力的情況，還需要從大量實(shí)例中去尋找其共性的規(guī)律，可以為以后業(yè)務(wù)工作中出現(xiàn)類似的風(fēng)暴云團(tuán)移動(dòng)路徑提供參考。

4 參考文獻(xiàn)

[1] KOGAN Y L，SHAPIRO A.The Simulation of a Convective Cloud in a 3D Model with Explicit Microphysics. Part II：Dynamical and Microphysical Aspects of Cloud Merger[J].J Atmos Sci，1996，53：2525-2545.

[2] TANAMACHI R L，HEINSELMAN P L，WICKER L J.Impacts of a Storm Merger on the 24 May 2011 El Reno，Oklahoma，Tornadic Supercell[J].Wea Forecasting，2015，30：501-524.

[3] 劉裕祿，邱學(xué)興，黃勇.發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降雨的對(duì)流云合并作用分析[J].暴雨災(zāi)害，2015，34（1）：47-53.

[4] 黃勇，覃丹宇.舟曲泥石流天氣過程中云團(tuán)合并的衛(wèi)星觀測[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2013，24（1）：87-98.