湘潭低空急流暴雨天氣分型及雷達(dá)回波特征分析

戴　勁，何　寧*，袁紅松，黃　娟，田　瑩，林明麗

（1.湘潭市氣象局，湖南　湘潭　411100；2.湖南省氣象局，長沙　410007）

湘潭地處亞洲大陸東部，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，雨水充沛。境內(nèi)大部分為山地和丘陵，地形起伏，處于湘江下游，水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密布。暴雨可造成湘潭地區(qū)河水猛漲，引發(fā)洪澇、山體崩塌、城鄉(xiāng)積澇等災(zāi)害[1]。暴雨是一種中尺度現(xiàn)象，許多專家學(xué)者對其做了深入研究[2-10]，暴雨的產(chǎn)生幾乎都伴有低空急流出現(xiàn)。低空急流是對流層600 hPa以下強(qiáng)而窄的氣流帶，它與高空急流一樣都有強(qiáng)烈的非地轉(zhuǎn)特征，急流兩側(cè)產(chǎn)生氣旋性和反氣旋渦度，對中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展有重要作用。由于急流對暴雨有增幅作用，所以其災(zāi)害性更為嚴(yán)重，常給國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失。

近幾年，隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展和多普勒雷達(dá)探測資料的綜合應(yīng)用，對暴雨的發(fā)生、發(fā)展有了進(jìn)一步的認(rèn)識，對其預(yù)報(bào)預(yù)警取得了很大的進(jìn)展。通常的預(yù)報(bào)方法是用天氣形勢等常規(guī)資料結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品做短期預(yù)報(bào)，用雷達(dá)、衛(wèi)星等非常規(guī)資料做臨近預(yù)報(bào)。常規(guī)觀測能提供各種氣象要素資料，但時(shí)空分辨率低，而天氣雷達(dá)能獲得降水云系的回波強(qiáng)度、徑向速度及譜寬資料等，時(shí)空分辨率高。但對急流暴雨天氣概念模型與雷達(dá)回波強(qiáng)度資料相結(jié)合研究暴雨的工作還不成熟。而全面認(rèn)識暴雨發(fā)生、發(fā)展的原因和機(jī)制，認(rèn)識造成暴雨的中小尺度天氣系統(tǒng)，以及分析在中小尺度天氣系統(tǒng)下的雷達(dá)回波特征，有利于提高暴雨天氣的監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警能力。本文通過對低空急流暴雨天氣背景和雷達(dá)回波資料進(jìn)行分析，了解其成因，為急流暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警和氣象決策服務(wù)提供重要依據(jù)。

1　資料和方法

本文使用的資料為長沙SB型多普勒雷達(dá)資料（體掃模式為降水模式VCP21：6分鐘9個(gè)仰角；主要產(chǎn)品采用其基本反射率因子產(chǎn)品，數(shù)據(jù)等級用dBZ表示）、1°×1°NCEP再分析資料、常規(guī)氣象觀測資料（地面和高空氣象觀測資料）以及高密度區(qū)域自動(dòng)站降水資料。文中選取湘潭2011-2015年10次伴有低空急流的暴雨天氣過程，利用上述氣象資料歸納主要強(qiáng)降水天氣系統(tǒng)及其對應(yīng)的雷達(dá)回波特征，重點(diǎn)分析了7次暴雨過程。7次暴雨過程低空急流的位置、強(qiáng)度、走向及暴雨的分布如表1所示，共有24個(gè)時(shí)次的高空觀測、2200多個(gè)雷達(dá)體掃資料。

表1　低空急流的位置、強(qiáng)度、走向及暴雨的分布Table 1　Location,intensity and direction of low-level jet and the distribution of rain storms

（續(xù)表）

由表1可知，湘潭的低空急流一般為西南或偏南氣流，多出現(xiàn)在副熱帶高壓的西側(cè)或北側(cè)邊緣，有時(shí)在熱帶氣旋移近副熱帶高壓西南側(cè)，或在變性高壓東移出海時(shí)也可出現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，湖南5～6月暴雨中，有75%在出現(xiàn)前1 d有低空急流，20%與低空急流同時(shí)出現(xiàn)，只有5%無低空急流配合，且湘潭夜間（北京時(shí)20-08時(shí)）出現(xiàn)暴雨的機(jī)率略大于白天[1]，其主要成因是低空急流在夜間形成或極值增大。低空急流的位置與暴雨落區(qū)也有較好的對應(yīng)關(guān)系。大多數(shù)暴雨發(fā)生在低空急流左側(cè)200 km范圍內(nèi)，或者低空急流軸的左前側(cè)和850 hPa切變之間[2]。伴有低空急流的降水持續(xù)時(shí)間長、分布均勻，易形成成片暴雨。由于低空急流的位置、強(qiáng)度、走向及西南低渦的位置不同，天氣形勢圖上影響湘潭的冷、暖式切變和低槽會(huì)相互轉(zhuǎn)化，因此一次暴雨過程不一定始終屬于同一種暴雨類型[3]。據(jù)表1統(tǒng)計(jì)，暖式切變線暴雨次數(shù)最多，其次是冷式切變線暴雨，低槽暴雨次數(shù)較少。

2　低槽急流型

2.1　天氣背景

如圖1所示，500 hPa低槽位于 25°～35°N，105°～110°E，副熱帶高壓控制東南沿?；蜓竺嫔?，主要冷平流在四川，華南各地為偏南風(fēng)，湘潭上空為12 m/s以上西南強(qiáng)風(fēng)帶，中低層切變位于湖南北部——貴州，湘潭處急流出口或急流左側(cè)，切變北側(cè)有明顯冷平流，850 hPa～500 hPa T-TD≤5℃。中低層切變主要以冷式切變?yōu)橹鳎豪涫角凶兣浜系孛胬滗h過境，湘潭處冷鋒后部，K指數(shù)≥38℃，降水表現(xiàn)為明顯的陣性，局地差異大，易出現(xiàn)部分暴雨，局部大暴雨天氣。當(dāng)850 hPa長沙風(fēng)向轉(zhuǎn)為平直西風(fēng)或偏北風(fēng)時(shí)，湘潭降水開始減弱。

圖1　低空急流低槽型（a）和低槽切變型（b）天氣模型Fig.1　The weather model of low-level jet through pattern(a)and shear line pattern(b)

2.2　雷達(dá)回波特征

2.2.1　低槽暴雨的回波結(jié)構(gòu)和特征

如圖2（a），低槽型暴雨發(fā)生前在雷達(dá)探測區(qū)域的西部或北部，有一條南北走向的帶狀回波，其前側(cè)多分布零散回波；帶狀回波自西向東移動(dòng)過程中[圖2（b）-（c）]，與其前側(cè)的零散回波合并為長200～300 km以上，寬度為幾十千米，長寬比例為10∶1左右，且呈S-N或NNE-SSW向的帶狀回波，其前沿的回波梯度較大，后部的回波梯度較小，前沿一般有一條強(qiáng)度大于35 dBz的強(qiáng)中尺度對流回波帶，其中有少數(shù)強(qiáng)對流單體發(fā)展較旺盛，強(qiáng)中心可超過50 dBz，回波頂高可達(dá)10 km以上，易形成雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣，在影響后期[圖2（d）]，回波自西向東快速移動(dòng)，后部為強(qiáng)度不大的層狀云降水回波。前部的回波梯度很大，而后部的回波梯度較小。

由此可見，盡管低槽暴雨有強(qiáng)中尺度對流回波帶，易形成強(qiáng)對流天氣，但是中尺度對流回波帶的寬度窄，且移動(dòng)速度較快，降水分布不均勻，總體來說降水量不大，難以出現(xiàn)成片的暴雨[3]。

圖2　低槽型回波演變Fig.2　Radar echo evolution of the through pattern

低槽暴雨過程主要的速度特征（圖略）是：與強(qiáng)中尺度對流回波帶相對應(yīng)的區(qū)域，在底層常常有逆風(fēng)區(qū)和氣旋性的輻合線，對流旺盛，在中層，零速度線與回波走向一致為南北走向，表明中層為偏西風(fēng)，回波向東移動(dòng)，風(fēng)速越大，移動(dòng)速度越快[3]。

2.2.2　冷式切變線暴雨的回波結(jié)構(gòu)和特征

在雷達(dá)探測區(qū)域內(nèi)，如圖3所示，回波為E-W或ENE-WSW向的積層混合性帶狀回波，高仰角上存在零度層亮帶，降水效率較高，中間常有一條或者多條大于35 dBz的強(qiáng)中尺度對流回波帶，和低槽暴雨回波相似，也常有50 dBz以上的強(qiáng)中心出現(xiàn)，但較低槽暴雨的對流強(qiáng)度弱，回波范圍大。回波單體向偏東方向移動(dòng)，回波帶整體以20 km/h左右的速度向東南方向移動(dòng)，強(qiáng)回波核沿著帶狀方向以列車效應(yīng)方式依次影響站點(diǎn)?；夭◣R近測站時(shí)，降水強(qiáng)度增強(qiáng)，一般在3 h左右可達(dá)到暴雨量級，此類降水回波具有對流性，回波頂高度一般會(huì)發(fā)展到10 km以上，垂直液態(tài)水含量常在30～50 kg/m2之間；受深厚的西南急流控制，帶來了充沛的水汽和熱量。

在速度圖上（圖略）有逆風(fēng)區(qū)存在，形成風(fēng)向的輻合輻散，高空的西南風(fēng)較大，3 km左右能達(dá)到16 m/s以上，在有冷鋒鋒面過境的情況下，可觀測到西南風(fēng)或偏北風(fēng)的輻合區(qū)自北向南移，具體表現(xiàn)為“0”線在本站北部有一“L”型拐角，當(dāng)強(qiáng)中尺度回波帶壓過測站時(shí)，零速度線為反“S”型，即風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流。

圖3　冷切型帶狀回波演變Fig.3　Radar echo evolution of the cold shear line pattern

3　副高西側(cè)急流型

3.1　天氣背景

500 hPa副熱帶高壓控制華南，西南氣流明顯加強(qiáng)，長沙風(fēng)速≥12 m/s，東北冷渦或蒙古冷渦槽底伸至湖南，四川盆地以北有明顯冷平流，貴州東部至廣州西部切變呈N-S向，切變線受副高阻擋移動(dòng)緩慢，此時(shí)由于東高西低的形勢，使切變線北側(cè)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，形成暖式切變線。暖式切變配合地面輻合線，暴雨區(qū)位于700 hPa暖式切變南側(cè)和850 hPa暖式切變北側(cè)，兩層切變南側(cè)均為西南急流，強(qiáng)度可達(dá)16 m/s，切變西北側(cè)均有冷平流，850 hPa～500 hPa T-TD≤2℃，Si指數(shù)在-1℃～-2.5℃之間，K指數(shù)40℃左右，地面處冷鋒后部或倒槽暖區(qū)中，降雨持續(xù)時(shí)間長，強(qiáng)度大，全市可出現(xiàn)暴雨、大暴雨天氣。如圖4所示。

圖4　低空急流副高型天氣模型Fig.4　The WPSH pattern of low-level jet model

3.2　雷達(dá)回波特征

暖式切變線暴雨的移動(dòng)和副熱帶高壓、低空急流有很大的關(guān)系，4月至6月中旬，副熱帶高壓脊線位置偏南，降水回波主要影響華南一帶；6月中旬至9月，副熱帶高壓脊線北跳至25°～30°N，副高西側(cè)的西南急流增強(qiáng)，在雷達(dá)探測區(qū)域內(nèi)，回波以積層混合性帶狀形式出現(xiàn)，有時(shí)為塊狀、絮狀，呈NE-SW或E-W走向，在影響6 h之前，湘潭為悶熱高溫天氣，在影響前3～4個(gè)小時(shí)，如圖5（a）-（b），測站責(zé)任區(qū)內(nèi)，副熱帶高壓西端開始出現(xiàn)零散回波，且迅速發(fā)展成塊狀或者帶狀回波，回波帶狀內(nèi)平均強(qiáng)度35～55 dBz，隨著副熱帶高壓西伸北抬，回波帶也伴隨著對流天氣向西北方向移動(dòng)，如圖5（c）-（d），主要以雷雨、局地性強(qiáng)降水天氣為主，暴雨范圍較低槽型和冷式切變型小，但強(qiáng)回波形成發(fā)展速度快，在極短的時(shí)間內(nèi)可出現(xiàn)暴雨，以湘潭為例，暴雨量級有時(shí)在1～2小時(shí)左右完成。

暖式切變線暴雨主要在穩(wěn)定的暖平流環(huán)境中，是水平、垂直方向輻合輻散不是很強(qiáng)的中尺度系統(tǒng)，在強(qiáng)對流天氣過程中常常有中氣旋輻合，有明顯的正負(fù)速度對。在速度圖上（圖略）零速度線常表現(xiàn)為“S”型，為穩(wěn)定的暖平流降水，有低空急流存在。各類暴雨的雷達(dá)回波特征見表2。

圖5　副高邊緣型塊狀回波演變Fig.5　Radar echo evolution of the WPSH pattern

表2　各類暴雨回波的基本特征Table 2　Echo characteristics of rain storms

4　結(jié)論

（1）對2011-2015年10次伴有低空急流的暴雨天氣過程進(jìn)行分析，將暴雨個(gè)例的天氣形勢分為三類，其影響湘潭的主要降水天氣系統(tǒng)所對應(yīng)的雷達(dá)回波特征有帶狀、塊狀、絮狀三類。

（2）對天氣形勢及雷達(dá)回波產(chǎn)品進(jìn)行歸類，初步建立了低空急流暴雨天氣形勢概念模型及雷達(dá)回波特征概念模型，低槽型暴雨的帶狀對流回波帶較窄，移動(dòng)速度快；冷式切變線積層混合性帶狀回波，一般向偏南方向移動(dòng)，強(qiáng)中尺度對流回波帶上常伴有雷陣雨；暖式切變線暴雨常為大范圍的積層性混合性帶狀或塊狀回波，范圍大，降水效率最高。

（3）分析了每種類型降水天氣形勢配置及雷達(dá)演變平均分布情況，對未來短時(shí)、短期暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)提供一些參考閾值。

（4）存在的問題是長沙風(fēng)廓線雷達(dá)資料相對較少，對低空急流變化的把握不精確，其概念模型不管是以點(diǎn)代面還是預(yù)報(bào)時(shí)效都具有一定的局限性，今后隨著樣本的增多，將不斷修正模型的相關(guān)指標(biāo)。

[1]湘潭市氣象局.湖南省湘潭市天氣預(yù)報(bào)手冊[M].北京：氣象出版社，2013.

[2]陶詩言.中國之暴雨[M].北京：科學(xué)出版社，1980.

[3]黃小玉，陳媛，顧松山，等.湖南地區(qū)暴雨的分類及回波特征分析[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，29（5）：635-643.

[4]曾志云，潘益農(nóng)，戴澤軍，等．“2004.6”湘西北低空急流暴雨的中尺度分析[J].氣象科學(xué)，2007（Z1）：157-161．

[5]郭林，陳禮斌，施碧霞，等.閩南地區(qū)短時(shí)區(qū)域暴雨的天氣及多普勒雷達(dá)資料概念模型[J].氣象，2003，29（5）：41-45.

[6]張沛源，陳榮林.多普勒速度圖上的暴雨判據(jù)研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1995，6（3）：373-378.

[7]周文志，唐熠，王艷蘭，等.低空急流暴雨天氣概念模型及其雷達(dá)回波特征分析[J].災(zāi)害學(xué)，2011，26（4）：14-18.

[8]周雨華，黃小玉，黎祖賢，等.副高邊緣暴雨的多普勒雷達(dá)回波特征[J].氣象，2006，32（1）：12-18.

[9]陳習(xí)倫.黔西南東南部一次低空急流暴雨分析與預(yù)報(bào)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（28）：11458-11460，11500.

[10]周文志，唐熠，王艷蘭，等.廣西大范圍低空急流暴雨的分型及雷達(dá)回波特征分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2011，20（4）：159-164.