非常規(guī)探測(cè)資料在一次非典型暴雨過(guò)程中的應(yīng)用

林 輝，黃奕丹，許軍輝，程晶晶

（1.漳州市氣象局，福建 漳州 363000；2.平和縣氣象局，福建 漳州 363700）

引言

漳州市地處福建省南部，地形地貌復(fù)雜，強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā)，局地性強(qiáng)，預(yù)報(bào)難度較大，加上常規(guī)探空資料時(shí)空分辨率低，難以對(duì)中尺度天氣特征演變進(jìn)行深入探究。隨著氣象觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，新一代天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)及微波輻射計(jì)等非常規(guī)探測(cè)資料已經(jīng)成為研究強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展的有效手段，特別是風(fēng)廓線雷達(dá)和微波輻射計(jì)資料的使用能夠構(gòu)建測(cè)站上空實(shí)時(shí)的大氣風(fēng)場(chǎng)和溫濕度層結(jié)，極大彌補(bǔ)了常規(guī)探空資料時(shí)間分辨率低的問(wèn)題，有較好的應(yīng)用前景［1-3］。徐靈芝等［4］利用非常規(guī)資料分析了天津沿海一次暴雨過(guò)程，結(jié)果表明云液態(tài)水含量的躍增與地面降水增強(qiáng)有直接關(guān)系，并且風(fēng)廓線雷達(dá)能夠捕捉到對(duì)暴雨具有指示意義的信號(hào)。崔雅琴等［5］將多種非常規(guī)探測(cè)資料應(yīng)用到短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，分析了各種資料的演變特征并結(jié)合判斷對(duì)流天氣的各層物理量變化。莊毅斌等［6］結(jié)合多源資料分析漳州一次中尺度暴雨過(guò)程發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線水平風(fēng)場(chǎng)演變對(duì)降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間具有較好的反饋，而垂直速度對(duì)降水的開始、加強(qiáng)和減弱的時(shí)間段具有指示作用。

綜上所述，不少學(xué)者已經(jīng)陸續(xù)開展了非常規(guī)探測(cè)資料在典型暴雨和強(qiáng)降水過(guò)程中的應(yīng)用研究，但是對(duì)于非典型天氣系統(tǒng)下，特別是副高系統(tǒng)控制下的暴雨過(guò)程還鮮有分析與探討。本文基于地面加密自動(dòng)站資料，結(jié)合多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)等資料，對(duì)2020 年9 月19 日發(fā)生在漳州的一次非典型暴雨過(guò)程進(jìn)行分析和研究，探索非常規(guī)探測(cè)資料在此類強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中應(yīng)用可行性，彌補(bǔ)常規(guī)預(yù)報(bào)手段的不足。

1 天氣實(shí)況及環(huán)流形勢(shì)背景

2020 年9 月19 日漳州市出現(xiàn)了一次大暴雨過(guò)程，此次過(guò)程具有累積雨量大、小時(shí)雨強(qiáng)大、降水效率高等特點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)19 日08 時(shí)至20 日08 時(shí)，漳州市共有55 個(gè)自動(dòng)站雨量超過(guò)50mm，8 個(gè)自動(dòng)站超過(guò)100mm，最大累積雨量為華安沙建鎮(zhèn)的183mm。分析漳州地區(qū)本次過(guò)程的地面自動(dòng)站逐時(shí)降水量可知，降水從午后17 時(shí)開始持續(xù)到20 日04 時(shí)，可分為兩個(gè)時(shí)段。第一時(shí)段17—20 時(shí)，主要在平和、云霄等中南部地區(qū)，第二時(shí)段20 時(shí)至次日03 時(shí)，集中在中北部地區(qū)，同時(shí)也是此次過(guò)程的最強(qiáng)降水時(shí)段，7小時(shí)有16 個(gè)自動(dòng)站雨強(qiáng)超過(guò)50mm，最大1h 雨量為85mm，出現(xiàn)在19 日23 時(shí)的華安縣沙建鎮(zhèn)。

利用歐洲中心提供的ERA5（0.25°×0.25°）逐小時(shí)再分析資料，繪制當(dāng)天的環(huán)流形勢(shì)如圖1 所示，19日08 時(shí)，500hPa 在30°N 以南為強(qiáng)大的帶狀副高控制，漳州市位于高度大于592dgpm 副高脊線附近，下沉氣流較強(qiáng)，總體上抑制對(duì)流發(fā)展，且高空槽位置偏北，引導(dǎo)氣流較弱；低層700hPa 和850hPa 為偏南氣流影響，利于水汽輸送且濕度較大；925hPa 為偏東風(fēng)，廣東省到福建省中西部地區(qū)有明顯切變線維持且具有弱水汽通量輻合，此時(shí)冷空氣暫未明顯南下滲透；分析附近廈門站08 時(shí)探空發(fā)現(xiàn)，整層大氣溫濕廓線垂直分布有上干下濕的結(jié)構(gòu)，假相當(dāng)位溫在850hPa 以下隨高度減小，850hPa 以上基本保持不變，同時(shí)Cape 值和K 值均較小，分別為809J·kg-1和29.3℃，表明此時(shí)整層大氣處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。到了20 時(shí)，500hPa 高空槽東移，槽底逐漸南壓，副高有所東退，漳州市高空轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)利于引導(dǎo)冷空氣南下；700hPa 轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，850hPa 則維持偏南氣流，切變位于福建省中北部；925hPa 逐漸轉(zhuǎn)為偏東到東北風(fēng)，且具有明顯的冷平流，表明冷空氣從沿海一帶加強(qiáng)滲透，水汽通量在西北部地區(qū)具有較強(qiáng)的輻合；從廈門20 時(shí)探空來(lái)看，濕層更加深厚有利于降水的持續(xù)，假相當(dāng)位溫隨高度減小也表明了大氣層較不穩(wěn)定，Cape 值增長(zhǎng)至1430.3J·kg-1，K 值也達(dá)到36.5℃，零度層高度約為5.3km，暖云深厚，表明后續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)降水的可能性增大。

圖1 2020 年9 月19 日500hPa 高度場(chǎng)（紅實(shí)線）、850hPa 風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)羽）及925hPa 水汽通量散度（陰影）分析

綜合以上分析，此次過(guò)程并非典型天氣系統(tǒng)引發(fā)，高空槽快速東移引導(dǎo)冷空氣南下，在低層與偏南暖濕氣流交匯并持續(xù)對(duì)峙是暴雨形成的主要原因。

2 雷達(dá)回波特征

2.1 回波演變特征

此次過(guò)程主要有兩個(gè)降水時(shí)段，第一個(gè)時(shí)段降水落區(qū)主要分布在平和等中南部地區(qū)，本文將在第三節(jié)結(jié)合平和非常規(guī)探測(cè)資料著重分析。第二個(gè)時(shí)段降水落區(qū)則分布在華安等中北部地區(qū)，也是本節(jié)的分析重點(diǎn)。圖2 是9 月19 日19 時(shí)到20 日03 時(shí)龍巖雷達(dá)站組合反射率的演變過(guò)程。

從圖2 中可以看出，第一時(shí)段的降水在19 時(shí)趨于結(jié)束，強(qiáng)回波主要位于平和、南靖境內(nèi)并逐漸移出我市進(jìn)入龍巖境內(nèi)，同時(shí)北部地區(qū)的強(qiáng)回波成塊狀發(fā)展，但發(fā)展范圍較小，強(qiáng)度不大。到了20 時(shí)，華安、長(zhǎng)泰境內(nèi)的回波并未快速發(fā)展，而是維持小塊狀，此時(shí)地面降水以分散性小雨為主。21 時(shí)后我市與龍巖、泉州交界處開始有較強(qiáng)的對(duì)流回波發(fā)展，龍巖境內(nèi)回波向東北緩慢移動(dòng)進(jìn)入華安，而泉州境內(nèi)的回波則穩(wěn)定少動(dòng)，同時(shí)后部的沙建鎮(zhèn)等地區(qū)不斷有新的對(duì)流回波生成與其連成片狀。隨后22 時(shí)，兩條帶狀回波逐漸加強(qiáng)合并進(jìn)入華安境內(nèi)，到了23 時(shí)形成一條明顯強(qiáng)回波雨帶，回波強(qiáng)度普遍達(dá)到40dBz，最強(qiáng)回波中心達(dá)55dBz 出現(xiàn)在沙建鎮(zhèn)，地面降水效率也在此時(shí)段達(dá)到最大（沙建鎮(zhèn)85.0mm·h-1），此后帶狀回波東移南壓，在漳州市區(qū)、南靖、長(zhǎng)泰等地維持了較高的降水強(qiáng)度。直到20 日02 時(shí)，回波開始出現(xiàn)松散，40dBz 以上面積不斷減小，強(qiáng)降水趨于結(jié)束。

圖2 2019 年9 月19 日19 時(shí)到20 日03 時(shí)龍巖雷達(dá)站組合反射率（單位：dBz）

2.2 回波剖面結(jié)構(gòu)

郝瑩等［7］研究表明，強(qiáng)降水雷達(dá)回波可分為有低質(zhì)心結(jié)構(gòu)和高質(zhì)心結(jié)構(gòu)兩類，且兩者的降水特征存在明顯差異。判斷雷達(dá)回波質(zhì)心結(jié)構(gòu)，最有效手段是雷達(dá)剖面圖，因此有必要對(duì)此次過(guò)程的雷達(dá)回波剖面展開分析。

從此次過(guò)程最強(qiáng)回波中心的剖面結(jié)構(gòu)（圖3）看，此次過(guò)程回波整體發(fā)展不高，最強(qiáng)回波的中心高度只達(dá)到4.5km 左右且不存在強(qiáng)回波懸垂，50dBz 高度均在4km 以下，故此次過(guò)程成熟階段回波的垂直結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出低質(zhì)心暖云降水的特點(diǎn)，這是降水效率高的主要原因。

圖3 2020 年9 月19 日23 時(shí)15 分強(qiáng)回波地區(qū)雷達(dá)剖面圖（單位：dBz）

3 非常規(guī)探測(cè)資料融合應(yīng)用

目前，平和是漳州市唯一同時(shí)布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)和微波輻射計(jì)的觀測(cè)站，且本次過(guò)程的第一個(gè)明顯降水時(shí)段主要分布在平和等中南部地區(qū)，故此節(jié)主要分析平和風(fēng)廓線雷達(dá)和微波輻射計(jì)資料在降水前后的演變特征。

3.1 風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析

已有的研究表明［8］，風(fēng)廓線雷達(dá)資料可以相對(duì)連續(xù)地反映測(cè)站上空風(fēng)場(chǎng)的演變特征，對(duì)天氣的演變過(guò)程具有較為直觀的指示意義。圖4（a）為此次降水過(guò)程的水平風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間和高度的變化，從圖中可以看出，高層在降水發(fā)生前以偏西氣流為主，中低層主要由西南風(fēng)控制。從時(shí)間單點(diǎn)看，降水發(fā)生前15∶30開始，低層風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)并且隨高度逆時(shí)針變化，說(shuō)明此時(shí)測(cè)站上空存在冷平流，中高層也有風(fēng)向隨高度順時(shí)針變化的趨勢(shì)，也為即將發(fā)生的降水提供一定的動(dòng)力條件。到了16∶30 降水開始時(shí)，中高層由西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng)表明850～700hPa 高度上有高空槽過(guò)境，低層基本維持偏東風(fēng)且風(fēng)速持續(xù)增大，利于水汽的持續(xù)輸送，此后降水持續(xù)了兩個(gè)多小時(shí)，最大雨強(qiáng)也達(dá)到29.8mm。19∶30 之后，低層偏東風(fēng)減弱并逐漸轉(zhuǎn)為偏南到西南風(fēng)，同時(shí)中高層風(fēng)速不斷減小并轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，不利于降水的維持，隨后降水也減弱并趨于結(jié)束。圖4（b）是垂直風(fēng)速隨時(shí)間高度分布圖，需要說(shuō)明的是福建省風(fēng)廓線雷達(dá)定義垂直風(fēng)向下為正，向上為負(fù)。從圖中可以看出在降水發(fā)生前2 個(gè)小時(shí)，測(cè)站上空垂直速度為-0.8m·s-1，說(shuō)明此期間具有一定的上升氣流，16∶30 垂直速度逐漸增大到2.6m·s-1，預(yù)示著有較強(qiáng)降水發(fā)生。在17∶30～19∶30 期間，垂直速度出現(xiàn)一個(gè)大值區(qū)且正速度的高度也達(dá)到最高達(dá)到6km 左右，此時(shí)地面降水也逐漸增大并維持了一段時(shí)間。到了20∶00 后正速度也落到2.5km 以下且明顯減小，此時(shí)降水也基本結(jié)束。以上分析也表明了垂直速度的大小及方向與降水的開始和結(jié)束相對(duì)應(yīng)，可作為日常對(duì)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)的補(bǔ)充依據(jù)。

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圖4 平和風(fēng)廓線雷達(dá)9 月19 日12 時(shí)—24 時(shí)風(fēng)場(chǎng)演變（單位：m·s-1）

3.2 微波輻射計(jì)資料分析

3.2.1 溫濕廓線演變特征

溫濕廓線分布是微波輻射計(jì)的主要探測(cè)產(chǎn)品，它能反映探測(cè)范圍內(nèi)各層大氣溫度、濕度隨時(shí)間的變化，在日常觀測(cè)中具有重要作用。圖5 是此次過(guò)程中平和縣本站的探測(cè)結(jié)果。從5（a）可知，1.5km 以下溫度從午后開始有明顯增溫趨勢(shì)，而1.5km 的變化較為平緩，這為降水的產(chǎn)生提供了有利的熱力條件。16∶30 開始溫度出現(xiàn)了明顯下降的過(guò)程，表明此時(shí)已經(jīng)有較為明顯的下沉氣流產(chǎn)生，隨后降水產(chǎn)生。圖5（b）從濕度廓線可以看出午后開始，中層大氣有一個(gè)濕度極值區(qū)，同時(shí)低層濕度相對(duì)較小。降水發(fā)生前一個(gè)小時(shí)，本站上空低層相對(duì)濕度顯著增大且中高層濕度急速減小呈現(xiàn)出“上干下濕”的結(jié)構(gòu)，在16∶35達(dá)到干、濕中心達(dá)到峰值，而后降水開始產(chǎn)生，并且這樣濕度結(jié)構(gòu)有利降水持續(xù)。到了20∶00 測(cè)站上空的大氣的溫濕分布相對(duì)平衡，不再有明顯的突變過(guò)程，這也與地面降水分布相吻合。

3.2.2 液態(tài)水含量與地面降水量分布

對(duì)流云團(tuán)的液水分布常呈現(xiàn)不均勻，一旦云中不均勻的液水開始合并下落后，整層液態(tài)水的含量將會(huì)躍增，地面降水隨之產(chǎn)生［4］。圖6 是此次過(guò)程平和測(cè)站垂直液態(tài)水含量及地面降水分布的演變情況。

由圖6（a）可知，垂直液態(tài)水含量從19 日早晨開始，沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，直到16∶00 開始出現(xiàn)了明顯躍增，并在16∶37 達(dá)到了極值12.6mm，隨后的半小時(shí)地面產(chǎn)生了7.5mm 的降水，圖6（b）所示。之后的兩小時(shí)，液態(tài)水含量都維持在較高的10.0mm，地面降水也在17∶00～18∶00 出現(xiàn)了29.8mm 的降水極值，19∶00 后，液態(tài)水含量逐漸減小，地面降水也隨之弱化，轉(zhuǎn)為零星小雨。由此可見，微波輻射計(jì)資料中的垂直液態(tài)水含量與地面降水分布趨勢(shì)吻合，并且具有半小時(shí)左右的提前量，對(duì)降水預(yù)報(bào)具有重要指示意義。

圖5 平和微波輻射計(jì)9 月19 日12 時(shí)—24 時(shí)溫濕度廓線

圖6 19 日05 時(shí)至20 日05 時(shí)（a）平和測(cè)站垂直液態(tài)水含量與（b）地面降水分布情況（單位：mm）

4 結(jié)論

利用地面加密自動(dòng)站、多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)等非常規(guī)探測(cè)資料，對(duì)2020 年9月19 日發(fā)生在漳州的一次非典型暴雨過(guò)程進(jìn)行分析和研究，得到以下結(jié)論：

（1）高空槽東移引導(dǎo)冷空氣快速南下，在低層與偏南暖濕氣流交匯并持續(xù)對(duì)峙，低層偏東風(fēng)持續(xù)的水汽輸送，不穩(wěn)定能量聚集為此次暴雨過(guò)程提供良好的環(huán)流背景，同時(shí)零度層高度達(dá)到5.3km，暖云深厚，利于強(qiáng)降水的發(fā)生。

（2）在主要降水時(shí)段，華安北部地區(qū)對(duì)流發(fā)展穩(wěn)定少動(dòng)，龍巖境內(nèi)的強(qiáng)回波持續(xù)先偏東方向移動(dòng)與其合并，雷達(dá)組合反射率因子40dBz 以上強(qiáng)度的水平范圍大，且50～55dBz 的回波伸展高度約為4.5km，在垂直結(jié)構(gòu)上，強(qiáng)反射率因子表現(xiàn)為低質(zhì)心型，降水效率高。

（3）風(fēng)廓線雷達(dá)和微波輻射計(jì)資料能夠建立測(cè)站上空實(shí)時(shí)連續(xù)的風(fēng)場(chǎng)及溫濕度層結(jié)的演變特征，彌補(bǔ)常規(guī)探空時(shí)間分辨率低的不足，水平風(fēng)隨時(shí)間和高度的演變能直觀反映出測(cè)站上空的中尺度天氣系統(tǒng)情況，降水前為偏西到西南風(fēng)，降水后轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，垂直風(fēng)速的變化跟地面降水的開始、持續(xù)時(shí)間、結(jié)束等具有較強(qiáng)的相關(guān)性，由降水開始前的-0.8m·s-1變?yōu)?.6m·s-1并逐漸減小，對(duì)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)具有指示意義；微波輻射計(jì)的溫濕度廓線直觀反映降水前后測(cè)站上空的溫濕層結(jié)，降水發(fā)生前后低層由增溫增濕變?yōu)闇貪穹植季鶆蚍€(wěn)定，垂直液態(tài)水含量在降水發(fā)生前30min 開始躍增，最大達(dá)到12.6mm，對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生具有較好的提前量。