徐八林,許彥艷,解莉燕,陸 鵬,徐舒揚(yáng),袁東升**
(1. 云南省大氣探測技術(shù)保障中心,云南 昆明 650034;2. 云南省氣象臺,云南 昆明 650034;3. 昆明市氣象局,云南 昆明 650503;4. 成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院(大氣探測學(xué)院),四川 成都 610225)
云南地處低緯高原,地形地貌復(fù)雜,海拔高差懸殊,使得氣候的水平和垂直差異十分顯著,這樣的地形造成局地對流性天氣較多,降水分布不均[1-3],同時(shí)加之陡峭的地形,較易引發(fā)滑坡泥石流災(zāi)害.每年汛期云南因降雨導(dǎo)致山洪、滑坡、泥石流等災(zāi)害常造成數(shù)十億元經(jīng)濟(jì)損失和數(shù)百人傷亡. 2018年9月2日凌晨麻栗坡縣猛硐鄉(xiāng)境內(nèi)遭受強(qiáng)降雨襲擊,一次災(zāi)情造成5人遇難、16人失聯(lián)、7人受傷. 2004年7月4日晚至5日德宏傣族景頗族自治州盈江縣、隴川縣等普降暴雨,造成全州36個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、2個(gè)農(nóng)場發(fā)生了不同程度的山洪滑坡泥石流及洪澇災(zāi)害,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5.3億元人民幣,因?yàn)?zāi)死亡人數(shù)達(dá)17人,失蹤人數(shù)25人. 這些災(zāi)害給群眾生產(chǎn)生活造成巨大損失. 如何有效地監(jiān)測和預(yù)防山洪地質(zhì)災(zāi)害受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,學(xué)者們做了大量工作,取得了較多的成果[4-8]. 如徐慧娟等[9]從規(guī)劃的角度分析表明,蘭坪縣泥石流危險(xiǎn)性高低受降水影響較大,從瀾滄江右岸到左岸再到通甸河,降水逐漸減少,泥石流的危險(xiǎn)性也逐漸降低,結(jié)果可對蘭坪縣大型工程建設(shè)及保障運(yùn)營安全等具有一定的指導(dǎo)意義. 通常認(rèn)為泥石流的一種類型(短歷時(shí)雨強(qiáng)的泥石流)1 h雨量起到主要作用,短時(shí)強(qiáng)降水量對暴雨泥石流實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)模型的建立具有關(guān)鍵作用,對于受影響地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)具有十分重要的意義. 這些研究的降水量基本都是基于地面雨量計(jì)的觀測數(shù)據(jù),由于雨量計(jì)的空間代表性較差,對于高原山地需要布設(shè)較多的雨量計(jì),且獲得面雨量的精度與地形和降水類型密切相關(guān),由于分布較不均勻,現(xiàn)有雨量站數(shù)量仍難以滿足需求. 目前針對業(yè)務(wù)實(shí)際需求,氣象部門建設(shè)了大量的無人自動(dòng)氣象站和新一代天氣雷達(dá)對此類災(zāi)害加以監(jiān)測預(yù)警. 云南氣象部門共建設(shè)自動(dòng)氣象站3 000多個(gè)和12部新一代天氣雷達(dá),自動(dòng)氣象站平均間距達(dá)到12 km以下,但仍不能滿足需求. 新一代天氣雷達(dá)站網(wǎng)的建設(shè),可以較好地探測此類短時(shí)強(qiáng)降水災(zāi)害天氣,同時(shí)雷達(dá)可以探測較大范圍的瞬時(shí)降水分布,但與雨量計(jì)相比,精度較差,兩者結(jié)合可彌補(bǔ)自動(dòng)氣象站對災(zāi)害性強(qiáng)降水監(jiān)測站點(diǎn)不足的問題. 為提高雷達(dá)定量估測降水的精度,研究者們也做出了很多努力和貢獻(xiàn)[10-17]. 在前人研究基礎(chǔ)上,本文結(jié)合云南實(shí)際業(yè)務(wù)的需要,重點(diǎn)應(yīng)用新一代天氣雷達(dá)進(jìn)行降水估測并開展相關(guān)防御,利用自動(dòng)氣象站和C波段多普勒雷達(dá)相互對比配合,對無自動(dòng)氣象站地點(diǎn)的降水量進(jìn)行較合理的估測,通過個(gè)例進(jìn)行分析并加以驗(yàn)證,以期為災(zāi)害防御提供幫助.
采用常規(guī)資料和雷達(dá)資料,雷達(dá)數(shù)據(jù)由國家氣象部門業(yè)務(wù)布點(diǎn)建設(shè)的文山、麗江、昆明3部C波段新一代天氣雷達(dá)提供,型號均為CINRAD/CC(3 830),均是已投入全國氣象業(yè)務(wù)組網(wǎng)運(yùn)行的雷達(dá).雷達(dá)資料格式、探測模式等參數(shù)均采用中國氣象局規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的VCP降水觀測模式和極坐標(biāo)系格式存儲(chǔ),波束寬度1°,雙重復(fù)頻率3∶2,取樣時(shí)間間隔約為6 min一次的連續(xù)體掃,每個(gè)體掃14層,每層掃描有512條徑向線,每一個(gè)徑向庫存儲(chǔ)Z、V、W共500組庫數(shù)據(jù). 使用雷達(dá)體掃的原始基數(shù)據(jù)資料,根據(jù)各庫資料高度,選取相鄰該高度平面的上下2個(gè)仰角的相鄰庫上的數(shù)據(jù),采用九點(diǎn)平滑后插值得到ZCAPPI強(qiáng)度(等高平面位置顯示),形成格點(diǎn)場資料,各格點(diǎn)值為雷達(dá)反射率因子等數(shù)據(jù). 文山雷達(dá)站區(qū)號Z9876(104°15′E,23°28′N),天線海拔高度1 789.3 m;昆明雷達(dá)區(qū)站號Z9871(102°34′E,25°03′N),天線海拔高度2 484.5 m;麗江雷達(dá)區(qū)站號Z9888(100°03′E,26°44′N),天線海拔高度3 178 m.
雷達(dá)資料處理方法為把極坐標(biāo)系下的雷達(dá)反射率體掃資料,經(jīng)九點(diǎn)平滑等質(zhì)量控制后插值到統(tǒng)一的笛卡爾坐標(biāo)系下的網(wǎng)格點(diǎn)上,采用常規(guī)方法、過濾雜波超折射回波、過濾二次回波、過濾地物回波等質(zhì)量控制后,得到格點(diǎn)資料加以應(yīng)用.
2.1 災(zāi)情實(shí)況2018年9月2日凌晨,麻栗坡縣猛硐鄉(xiāng)強(qiáng)降雨引發(fā)山洪災(zāi)害,導(dǎo)致人員傷亡,部分村民房屋被山洪損毀,該鄉(xiāng)電力、通信全部中斷,多處道路塌方,交通中斷. 當(dāng)天造成5人死亡,16人失蹤. 災(zāi)后統(tǒng)計(jì)直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)14億元以上.
2.2 研究區(qū)位置信息云南省文山壯族苗族自治州麻栗坡縣猛硐瑤族鄉(xiāng)位于22°49′~23°N、104°40′~108°48′E之間,最高海拔2 378.6 m,最低海拔246 m,屬典型的熱帶季風(fēng)氣候. 災(zāi)害發(fā)生地(104°42′E,22°52′N)海拔約1 084 m. 災(zāi)害發(fā)生地猛硐鄉(xiāng)周邊雨量站位置如圖1. 站點(diǎn)具體位置如下,①城子上(104°40′E,22°59′N),海拔799 m;②天保(104°50′E,22°56′N),海拔136 m;③楊萬(104°58′E,23°17′N),海拔868 m.
圖1 災(zāi)害發(fā)生地、雷達(dá)站及周邊雨量站位置示意圖Fig. 1 The location of disaster, radar station and surrounding rain station
2.3 天氣系統(tǒng)分析受西移低渦影響,9月2日02:00—06:00出現(xiàn)暴雨局部大暴雨天氣,4 h自動(dòng)氣象站最大累積降雨量出現(xiàn)在猛硐鄉(xiāng),為196.0 mm;其次分別為城子上87.1 mm、天保51.5 mm及楊萬45.3 mm. 猛硐鄉(xiāng)降水量實(shí)況為9月2日24 h累積降水量212.2 mm,9月3日02:00—06:00降水量199 mm(其中02:00—03:00降水量為53 mm、03:00—04:00降水量為97 mm).
2018年8月30日至9月3日期間,500 hPa西太平洋副高勢力強(qiáng)勁,位置偏西偏北,與大陸高壓貫通,占據(jù)四川盆地到江漢平原一帶,而中南半島至南海一帶受反氣旋環(huán)流控制,與大陸高壓形成兩高對峙態(tài)勢,造成中南半島北部—云南南部—兩廣地區(qū)長時(shí)間處于低壓輻合區(qū)內(nèi)(圖2(a)). 受此輻合帶影響,700 hPa頻繁出現(xiàn)閉合低渦,并在高層引導(dǎo)氣流的作用下,向西移動(dòng)(圖2(b)~(d)),將北部灣大量水汽帶入云南,造成滇中以東、以南地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)性中到大雨局部暴雨天氣. 麻栗坡“09.02”特大山洪災(zāi)害發(fā)生在9月2日凌晨,從圖2(c)可以看到,當(dāng)天夜間低渦中心剛好位于文山南部邊緣,強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)和充足的水汽為文山南部的暴雨天氣提供了大尺度環(huán)流背景. 而從圖2(e)鄰近探空站蒙自站的T-lnP圖上可以看到,2日夜間云南南部局地?zé)崃l件非常好,對流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE)值達(dá)到2 184 J/kg,800 hPa~500 hPa相對濕度超過80%,濕層深厚,溫度廓線和露點(diǎn)廓線在2~6 km高度上十分貼近,溫度露點(diǎn)差小于1 ℃,說明當(dāng)?shù)乜諝饣撅柡?,這為麻栗坡縣出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水提供了中尺度環(huán)境場. 大尺度環(huán)流形勢與中小尺度對流擾動(dòng)疊加,致使麻栗坡縣猛硐鄉(xiāng)9月1日20:00至次日20:00累積降水量達(dá)212.2 mm(圖2(f)).
圖2 ECMWF細(xì)網(wǎng)格再分析風(fēng)場與實(shí)況降水量Fig. 2 ECMWF thin-grid reanalysis data of wind and actual rainfall
3.1 雷達(dá)估計(jì)降水的基本原理根據(jù)雷達(dá)回波強(qiáng)度(反射因子)的定義[18],它與空中單位體積內(nèi)降水質(zhì)點(diǎn)的分布N(D)和直徑D有關(guān),
式中,Z為雷達(dá)回波反射率因子的強(qiáng)度(單位:mm6/m3);D的單位為cm,N(D)為雨滴譜函數(shù),表示在單位體積內(nèi)直徑介于D~D+dD范圍內(nèi)的雨粒子數(shù).
雨強(qiáng)I(單位:mm/h)是單位時(shí)間t內(nèi)水平面積上的降水量,水的密度取 ρH≈1 g/cm3,雨強(qiáng)也可用單位時(shí)間內(nèi)水層的厚度來表示,雨強(qiáng)與回波強(qiáng)度之間的關(guān)系為:
雷達(dá)測量的是雨滴的后向散射能量,一旦后向散射能量被測量,Z值可用雷達(dá)方程的簡化形式來估計(jì)如下:
式中,Pr表示雷達(dá)接收到的返回能量(單位:dBz),R是目標(biāo)物距雷達(dá)的距離(單位:km),C是雷達(dá)常數(shù)(決定于雷達(dá)參數(shù)和降水相態(tài)).
當(dāng)降水質(zhì)點(diǎn)的分布采用Marshall-Palmer(以下簡稱M-P)分布,VT(D) 用實(shí)測水滴在靜止大氣中的下降末速度資料,VT(D) 的單位為m/s. 可以導(dǎo)出雨強(qiáng)I與雷達(dá)回波強(qiáng)度Z之間的關(guān)系可表示為:
式中,A、b兩系數(shù)與降水中質(zhì)點(diǎn)分布的參數(shù)有關(guān).
根據(jù)實(shí)測計(jì)算A、b系數(shù),A和b的變化較大,隨著降水性質(zhì)的不同有明顯的差異,通常層狀云降水A≈200,b≈1.60,與M-P分布理論計(jì)算的結(jié)果相近;混合性較大范圍的降水A≈300,b≈1.4;山地地形性降水A≈31、b≈1.71. 這一關(guān)系既是數(shù)學(xué)的又是經(jīng)驗(yàn)的[19-20]. 從以上關(guān)系分析,可以找到雷達(dá)回波強(qiáng)度和雨強(qiáng)的關(guān)系,對雨強(qiáng)進(jìn)行時(shí)間積分可得到雨量值. 這是傳統(tǒng)的雷達(dá)定量估測降水反射率因子(Z)-目標(biāo)物距雷達(dá)的距離(R)關(guān)系法,而上述理論依據(jù)反射率因子(Z)-雨強(qiáng)(I)關(guān)系只適用于所假設(shè)的平均情況,一般某一次降水的雨滴譜等要素實(shí)際上是隨時(shí)間、空間和不同降水類型而變. 所以,雷達(dá)要較精確定量估測降水實(shí)際中還存在一些目前難以確定的因素. 本文出于簡單考慮直接使用這一關(guān)系,采用山地地形性Z-I關(guān)系,并對高山雷達(dá)估測降水的一些特殊性加以訂正.
3.2 資料處理與個(gè)例分析雷達(dá)反演降水方法用固定Z-I關(guān)系,對雷達(dá)回波資料進(jìn)行了簡單的質(zhì)量控制. 反演降水在50 dBz或以上時(shí),通常認(rèn)為是冰雹等產(chǎn)生的雷達(dá)回波,易引起降水估測的誤判,而低于10 dBz產(chǎn)生降水極少,所以在體掃資料中對強(qiáng)度值大于53 dBZ和小于10 dBZ的數(shù)據(jù)剔除,采用中值濾波進(jìn)行平滑處理. 在此基礎(chǔ)上,自主編制了基于C波段高山新一代天氣雷達(dá)的降水反演系統(tǒng)程序. 對此次過程(9月2日02:00—06:00)的雷達(dá)反演降水結(jié)果同雷達(dá)站東南方扇形區(qū)域內(nèi)的災(zāi)害發(fā)生地及雨量站進(jìn)行比對,反演降水結(jié)果如圖3.
圖3(a)為用各比對站點(diǎn)經(jīng)緯度導(dǎo)入雷達(dá)數(shù)據(jù)后,在雷達(dá)圖上顯示的位置,自左至右紅色三角分別為雷達(dá)站位置、城子上雨量站位置、災(zāi)害發(fā)生地猛硐鄉(xiāng)位置、天保雨量站位置及楊萬雨量站位置.
圖3(b)為使用傳統(tǒng)的雷達(dá)定量估測降水Z-I關(guān)系,采用山地地形性降水水A≈31、b≈1.71. 對9月2日02:00—06:00雷達(dá)觀測體掃數(shù)據(jù)進(jìn)行降水反演處理,再對高山雷達(dá)站探測低層回波弱的問題加以訂正,彌補(bǔ)一些海拔高差影響的誤差后,得到反演降水圖. 從圖3(b)可以看出強(qiáng)降水中心位置及降水分布的極不均勻.
圖3(c)為在圖3(b)基礎(chǔ)上,疊加上各站點(diǎn)經(jīng)緯度后局部雷達(dá)反演降水圖,位置標(biāo)注順序同圖1.災(zāi)害發(fā)生地猛硐鄉(xiāng)北偏西有1個(gè)強(qiáng)降水區(qū)域,長約15 km、寬約5 km,該區(qū)域內(nèi)4 h降水強(qiáng)度在150 mm以上,是造成這次災(zāi)害主要原因. 由于猛硐鄉(xiāng)離雷達(dá)站約80 km,在不考慮海拔高差情況下,雷達(dá)最低使用0.5°仰角探測,加之地球曲率,雷達(dá)實(shí)際探測到猛硐鄉(xiāng)上空約1.5 km,即這一高度以下的降水量雷達(dá)未探測到,這樣會(huì)造成對降水量的低估,這也是高山雷達(dá)探測的特殊性.
表1將各測站實(shí)測值與對應(yīng)位置雷達(dá)估測降水量范圍比較. 通過比較發(fā)現(xiàn)雷達(dá)估測與各站點(diǎn)實(shí)測值一致性較好,但存在誤差. 猛硐鄉(xiāng)雨量自動(dòng)站位于雷達(dá)觀測到的強(qiáng)降水中心邊緣,因此在沒有雨量站的強(qiáng)降水中心區(qū)域雷達(dá)估測降水量可能更大,從讀取的雷達(dá)數(shù)據(jù)和估測反演圖的色標(biāo)看,強(qiáng)降水中心區(qū)域應(yīng)已超過250 mm. 采用固定Z-I關(guān)系,通常對于大雨量雷達(dá)估測偏低,對于小雨量雷達(dá)估測偏高. 在發(fā)生災(zāi)害的地方,有時(shí)沒有雨量站,有時(shí)又由于災(zāi)情造成雨量站損壞或通信中斷無法采集雨量數(shù)據(jù). 了解上述情況,則可以從已有站點(diǎn)雨量找出較適合的Z-I關(guān)系,反推估計(jì)出沒有雨量站的區(qū)域大致降水情況,或判斷其它點(diǎn)的降水情況. 雖然存在誤差和不確定因素,但應(yīng)是一種簡易的辦法. 李柏等[21]研究表明,用一個(gè)雨量計(jì)替代一部雷達(dá)的一個(gè)庫的采樣空間(距離分辨率150 m,方位分辨率1°),則在C波段雷達(dá)探測范圍(半徑150 km的區(qū)域內(nèi))大約需要布設(shè)25萬個(gè)以上的雨量計(jì),才能達(dá)到雷達(dá)的分辨率. 李德俊等[22]研究表明,低緯高原地區(qū)多普勒天氣雷達(dá)測量降水時(shí),需要考慮降水對雷達(dá)信號的衰減影響.表1中站點(diǎn)實(shí)測值與雷達(dá)估值存在一定誤差的原因,特別是猛硐鄉(xiāng)站點(diǎn)估值偏低,可能是由于在雷達(dá)電磁波測量到猛硐站上空時(shí),相對于其它3個(gè)站點(diǎn),經(jīng)過了較遠(yuǎn)的距離和穿過較長雨區(qū),雨區(qū)對雷達(dá)電磁波衰減較大,應(yīng)該是造成猛硐鄉(xiāng)站點(diǎn)雷達(dá)估測值偏低的一個(gè)原因.
圖3 各測站位置及反演降水分布Fig. 3 Location of station and precipitation distribution
表1 各測站實(shí)測值與雷達(dá)估測降水量范圍比較Tab. 1 Comparison of rainfall between station and radar estimates
圖4為各時(shí)段的雷達(dá)估測降水情況. 對比色標(biāo)可以看出,圖4(a)為00:00—02:00段的情況,該時(shí)段受災(zāi)地猛硐并不大,2 h降水在20~30 mm;圖4(b)為02:00—03:00段降水量上升到25 mm左右;圖4(c)為03:00—04:00降水量進(jìn)一步上升到50~75 mm;圖4(d)為04:00—05:00段降水量減弱到25~38 mm;圖4(e)為05:00—06:00降水量進(jìn)一步降到15 mm左右. 可見強(qiáng)降水時(shí)段為03:00—04:00,災(zāi)情也應(yīng)該是發(fā)生在之后時(shí)段. 通常雷達(dá)估測的降水量是空中的情況,地面降水量一般有30 min左右的延時(shí),在其它個(gè)例也能看到這樣的情況(如:2015年麗江市華坪縣“09.15”特大暴雨洪澇災(zāi)害;2010年6月26日曲靖市馬龍縣特大洪澇災(zāi)害). 為提高雷達(dá)估測降水精度,對此問題前人也做過研究[21-22]. 另外,在圖4(c)演變到圖4(d)的過程中,可以看到在單體合并的情況下,圖4(c)城子上站和猛硐站上空層狀云降水帶上分別各有一個(gè)中γ尺度單體,隨著天氣系統(tǒng)演變發(fā)生了單體合并,在圖4(d)看到合并完成后強(qiáng)降水減弱在猛硐站西北部的情況. 已有研究表明單體合并可引發(fā)強(qiáng)降水[23-25],在上述兩個(gè)例中也有類似合并現(xiàn)象發(fā)生.許彥艷等[26]研究表明,山脈的強(qiáng)迫抬升機(jī)制迫使其周邊出現(xiàn)顯著的垂直上升運(yùn)動(dòng),山脈對水汽通量的輻合起著加強(qiáng)作用,在山谷相間的區(qū)域,特別是山脈的迎風(fēng)坡處,水汽通量輻合,其增量可達(dá)(0.02~0.07)10-6g·s-1·cm-2·hPa-1,有利于當(dāng)?shù)卮笥旰捅┯甑陌l(fā)生. 在本文“09.02”個(gè)例中,也看到受地形影響中γ尺度單體雨團(tuán)系統(tǒng)的相互作用,降水強(qiáng)度的分布受地形的影響.
通過以上分析可知,從雷達(dá)資料可更加全面、細(xì)致地了解降水分布、強(qiáng)降水時(shí)段和落區(qū);由于雷達(dá)觀測的是空中雨滴的情況,估測值也是空中的,較地面實(shí)測降水量有一定的提前量,對今后災(zāi)害預(yù)警防御應(yīng)有一定的指導(dǎo)意義. 雷達(dá)進(jìn)行估測降水反演出來的是降水量分布圖,也可大致彌補(bǔ)沒有雨量站區(qū)域或雨量站故障區(qū)域的降水情況. 雨團(tuán)系統(tǒng)受地形影響,層狀云中鑲嵌的中γ尺度單體發(fā)生合并有時(shí)可引發(fā)合并區(qū)域下方強(qiáng)降水,這一指標(biāo)對強(qiáng)降水強(qiáng)度和落區(qū)預(yù)報(bào)預(yù)警也有一定的指導(dǎo)作用.
圖4 各時(shí)段的雷達(dá)估測降水情況Fig. 4 Radar estimation of precipitation in each hour
以云南省麻栗坡縣2018年“09.02”特大山洪災(zāi)害為例,結(jié)合其它個(gè)例,分析雷達(dá)估測降水在山洪災(zāi)害中的技術(shù)應(yīng)用,主要得出如下結(jié)果:
(1)誘發(fā)此次山洪災(zāi)害的天氣原因主要是低渦沿兩高間輻合區(qū)西移,受高原山地地形抬升作用影響,造成多個(gè)中γ尺度單體合并,產(chǎn)生局地強(qiáng)降水引發(fā)災(zāi)害;降水分布極不均勻(相距幾千米4 h降水量相差約100 mm). 災(zāi)害形成的原因主要是由于天氣系統(tǒng)和地形共同作用,加之中γ尺度單體合并引發(fā)的強(qiáng)降水造成災(zāi)害.
(2)加入雷達(dá)資料分析,可更加全面、細(xì)致地了解致災(zāi)原因、降水分布、強(qiáng)降水時(shí)段,關(guān)鍵較地面實(shí)測降水量有一定的提前量,這對預(yù)防這類地質(zhì)災(zāi)害造成人員傷亡應(yīng)有一定的指導(dǎo)作用. 進(jìn)行反演降水的估測,也可大致了解沒有雨量站區(qū)域或雨量站故障區(qū)域的降水情況,可用于實(shí)際,發(fā)揮社會(huì)效益.
(3)雷達(dá)觀測到的一些現(xiàn)象,如雨團(tuán)系統(tǒng)的降水強(qiáng)度受地形的影響造成降水分布的不均勻;層狀云中鑲嵌的中γ尺度單體發(fā)生合并可引發(fā)合并區(qū)域下方強(qiáng)降水,高山雷達(dá)估測降水的應(yīng)用、高山雷達(dá)估測降水受海拔影響的一些彌補(bǔ)措施等,這些指標(biāo)和方法對探索高原地區(qū)暴雨引發(fā)泥石流的致災(zāi)機(jī)制,在防災(zāi)減災(zāi)中應(yīng)有一定的指導(dǎo)作用.
致謝:感謝顧萬龍老師對研究的悉心指導(dǎo);感謝云南各雷達(dá)站積極幫助采集資料.