短時強(qiáng)降水雷達(dá)回波特征分析

程小娟，王長學(xué)，馬中元，陳鮑發(fā)，張春江，孫 芳

(1.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046；2.豐城市氣象局，豐城 331100；3.吉林省梅河口市氣象局，梅河口 135000；4.景德鎮(zhèn)市氣象局，景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

強(qiáng)降水是造成城市內(nèi)澇、積澇、山洪、中小河流洪水和地質(zhì)災(zāi)害等自然災(zāi)害的重要天氣，有時會帶來破壞性的影響，很多專家對其進(jìn)行了研究。江西的強(qiáng)降水多發(fā)生于汛期的降水集中期，而7-8月處副熱帶高壓邊緣，局地強(qiáng)風(fēng)暴多發(fā)，也會導(dǎo)致明顯的短時強(qiáng)降水過程。造成短時強(qiáng)降水的中小尺度系統(tǒng)主要與低空切變(槽)、中小尺度輻合線相關(guān)，副高外圍的強(qiáng)勁西南氣流提供了充沛的水汽條件，雷達(dá)回波多表現(xiàn)為中尺度強(qiáng)回波帶，其移向與回波帶長軸的夾角較小，或為局地發(fā)展少動的強(qiáng)對流單體[1，2]。切變線和地面鋒面是關(guān)鍵影響系統(tǒng)，切變線提供了中低層水汽輻合及對流抬升運動的維持機(jī)制，地面鋒面則為低層對流抬升運動提供了觸發(fā)機(jī)制[3-5]。副高加強(qiáng)西伸北抬，地面低壓倒槽北頂，低空急流風(fēng)速輻合，高空強(qiáng)烈輻散，利于上升運動的加強(qiáng)和維持，從而造成極端短時強(qiáng)降水等天氣過程[6-8]。強(qiáng)降水的雷達(dá)參數(shù)特征量預(yù)警指標(biāo)為回波強(qiáng)度超過38 dBz，回波頂高和最強(qiáng)回波中心高度分別超過7.0 km和3.6 km，VIL高于20 kg/m2。中尺度輻合線、中氣旋和逆風(fēng)區(qū)是強(qiáng)降水觸發(fā)和維持的重要成因，短時強(qiáng)降水發(fā)生時，雷達(dá)回波最強(qiáng)反射率因子≥40 dBz，35 dBz回波頂高大于5 km[9-11]。紅外云圖上，短時強(qiáng)降水強(qiáng)度較弱，亮溫梯度較小，冰雹云團(tuán)邊界清晰，亮溫梯度較大；在雷達(dá)回波特征上冰雹云呈塊狀對流型，短時強(qiáng)降水云為絮狀混合型。冰雹云的回波強(qiáng)度、強(qiáng)回波高度和垂直積分液態(tài)含水量值均明顯高于短時強(qiáng)降水云體[12，13]。不斷產(chǎn)生的小尺度云團(tuán)對流泡往往會導(dǎo)致暴雨等強(qiáng)天氣發(fā)生[14，15]。這些均為研究豐城市強(qiáng)降水提供了理論依據(jù)與參考，但在強(qiáng)降水等強(qiáng)對流研究中，多數(shù)研究為單部雷達(dá)的回波特征，很少應(yīng)用到雷達(dá)拼圖資料；而雷達(dá)拼圖彌補(bǔ)了單部雷達(dá)探測范圍有限、有擋角、靜椎區(qū)等缺陷。

文章將利用天氣形勢、衛(wèi)星云圖、單部雷達(dá)、江西WebGIS雷達(dá)拼圖與風(fēng)暴跟蹤信息STI等資料分析2020-07-27出現(xiàn)在豐城、新干等地的短時強(qiáng)降水天氣過程，以期發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的預(yù)報指標(biāo)與規(guī)律，為后期的預(yù)測提供參考依據(jù)。

1 天氣實況

2020-07-27T17：00-2020-07-27T18：00，受強(qiáng)副高邊緣熱雷雨強(qiáng)回波影響，江西的豐城、新干等局部地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)、強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣(圖1)；其中豐城市國家站出現(xiàn)42.1 mm/h短時強(qiáng)降水，區(qū)域站小港雨量強(qiáng)度為40.1 mm/h。同時，豐城西南方向的新干、峽江、永豐的雷暴回波帶也出現(xiàn)了強(qiáng)對流天氣，其中新干出現(xiàn)77.3 mm/h短時強(qiáng)降水，小時內(nèi)極大風(fēng)速達(dá)19.2 m/s(西北偏西風(fēng))。

圖1 2020-07-27短時強(qiáng)降水天氣實況：(a)2020-07-27 17-18h國家站雨量；(b)區(qū)域站雨量；(c)2020-07-27 17-18h國家站極大風(fēng)速；(d)區(qū)域站極大風(fēng)速

2 短時強(qiáng)降水天氣過程分析

2.1 天氣圖特征

2020-07-27T08：00(圖2)，100 hPa，江西上空為偏東北風(fēng)氣流，整個大陸在大范圍的反氣旋環(huán)流控制之中；500 hPa，江西北部處于副高西北部邊緣，588 dagpm線穿過江西，低槽位于安徽北部經(jīng)湖北中部伸向湖南西部，江西與湖南中東部處高空槽前，盛行西南風(fēng)；850 hPa，安徽中部經(jīng)湖北東南部至湖南北部有偏北風(fēng)與西南風(fēng)之間的切變線，切變線以南的湖南中南部至江西為西南氣流。地面為低壓倒槽形勢，江西中部存在明顯的輻合線。

由此可見，高空100 hPa為大陸高壓控制，江西與湖南處高空槽前；500 hPa江西處副熱帶高壓邊緣；850 hPa有切變線；地面有輻合線。

2.2 衛(wèi)星云圖

圖3為2020-07-27T16：30-2020-07-27T18：00衛(wèi)星云圖，豐城附近和西南面有兩塊中尺度對流云團(tuán)(MCS)逐漸合并成一個范圍較大的MCS云團(tuán)。16：30，豐城附近及西南面有2塊連接在一起的對流云團(tuán)，西南方向的云團(tuán)面積較大；17：00，整個云帶向東北方向移動，西南方向云團(tuán)面積增大；17：30西南方向云團(tuán)繼續(xù)增強(qiáng)發(fā)展，中心云頂亮溫呈黑色區(qū)域面積增大，而豐城附近云團(tuán)變化不大；18：00西南云團(tuán)繼續(xù)東伸，與豐城附近云團(tuán)融合，形成一個范圍更大的中尺度對流云團(tuán)(MCS)，云團(tuán)中心黑色低溫區(qū)范圍更大。豐城處于合并后云團(tuán)的東北部邊緣，新干處于合并后強(qiáng)對流云團(tuán)中心。由于合并后的云團(tuán)呈東北-西南向，范圍更大，強(qiáng)度更強(qiáng)，且由西南向東北方向緩慢移動，不斷影響新干、豐城等地，導(dǎo)致短時強(qiáng)降水的發(fā)生，新干還出現(xiàn)暴雨和大風(fēng)天氣。

圖3 2020-07-27衛(wèi)星云圖：(a)16:30；(b)17:00；(c)17:30；(d)18:00

由此可見，合并后的強(qiáng)對流云團(tuán)，范圍更大、強(qiáng)度增強(qiáng)，在緩慢東移的過程之中造成豐城等地出現(xiàn)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。

2.3 雷暴回波演變

圖4為 2020-07-27T16：30-2020-07-27T18：00江西WebGIS雷達(dá)拼圖。16：30，江西中部和北部有強(qiáng)對流回波A、B發(fā)展，A回波即將影響豐城，回波強(qiáng)度達(dá)到50 dBz，回波尺度不大，僅覆蓋豐城的西南部地區(qū)；宜春附近的B回波為較強(qiáng)的回波短帶，回波強(qiáng)度達(dá)到50～60 dBz，影響峽江、新干和永豐等地。17：00，A回波在500 hPa西南風(fēng)的引導(dǎo)下向東北方向移動，整體進(jìn)入豐城市，開始產(chǎn)生短時強(qiáng)降水；B回波短帶發(fā)展加強(qiáng)，開始出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣。17：30，A回波繼續(xù)向東北方向移動，移入豐城市東北部，豐城出現(xiàn)42.1 mm/h短時強(qiáng)降水；B回波短帶造成新干77.3 mm/h短時強(qiáng)降水和19.2 m/s雷暴大風(fēng)天氣。18：00，A回波后邊界已移至豐城東北部邊界，表明強(qiáng)回波主體基本移出豐城市；但B回波短帶仍造成了永豐17.0 m/s雷暴大風(fēng)天氣。

圖4 2020-07-27江西WebGIS雷達(dá)拼圖：(a)16:30；(b)17：00；(c)17：30；(d)18:00

由此可見，影響豐城、新干的強(qiáng)降水由A強(qiáng)回波和B回波短帶造成。由于A回波和B回波短帶強(qiáng)度都超過50 dBz，具有一定的寬度，回波移動速度偏慢，強(qiáng)回波在一地維持時間較長，因而造成豐城、新干短時強(qiáng)降水天氣。

2.4 風(fēng)暴跟蹤信息STI

風(fēng)暴跟蹤信息STI不僅能夠反映回波系統(tǒng)的強(qiáng)度，還能反映出回波單體的移動速度與移動方向(圖5)。江西境內(nèi)的強(qiáng)對流回波由多個對流單體組成，疊加多部雷達(dá)STI路徑信息，指向表明回波由西南向東北方向移動，圖5中所示的計算(圓圈及標(biāo)尺)表明回波平均STI移動方向50°，平均移動速度30 km/h?？梢钥吹剑瑥?qiáng)對流回波移動緩慢，速度僅為30 km/h，其主要原因是500 hPa引導(dǎo)氣流偏弱，江西中北部上空西南風(fēng)速僅6～12 m/s。由于回波移動緩慢，影響豐城、新干的強(qiáng)對流回波短帶滯留時間長，導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖5 2020-07-27風(fēng)暴跟蹤信息STI移動路徑：(a)16:30；(b)17:00；(c)17:30;(d)18:00

風(fēng)暴跟蹤信息STI是單部多普勒雷達(dá)上描述強(qiáng)回波移動的重要算法與指標(biāo)，為了直觀地判斷回波移向、移速，把多部雷達(dá)的STI信息進(jìn)行平均，形成風(fēng)暴平均移動路徑與速度，以圓圈形式顯示在圖的左下角。圓圈中的時鐘線指向表明回波平均移向，圓圈下的標(biāo)尺內(nèi)紅色小格長度表明回波平均移動速度，1個小格為10 km，若紅色小格有3個，則回波移速為30 km/h，以此類推。此次強(qiáng)降水過程的STI信息表明，強(qiáng)回波主要向東北方向移動，移動速度為30 km/h。STI信息有助于預(yù)報員識別和判斷對流系統(tǒng)的移動，從而做出更為精準(zhǔn)的預(yù)報。

2.5 單部雷達(dá)產(chǎn)品特征

圖6為2020-07-27T17：26的CR、ET、VIL、RHIz、RHIv單部雷達(dá)產(chǎn)品，從CR(組合反射率)產(chǎn)品看，豐城市的強(qiáng)降水是由一個發(fā)展旺盛的強(qiáng)回波單體造成的?；夭ㄖ行膹?qiáng)度達(dá)60～65 dBz，回波頂高14～15 km，并有較明顯的傾斜結(jié)構(gòu)，回波頂高最高處位于強(qiáng)回波的后沿。VIL達(dá)50～60 kg/m2，即VIL強(qiáng)度大，達(dá)到出現(xiàn)冰雹的閾值。

圖6 2020-07-27T17：26 南昌SA雷達(dá)CR、ET、VIL、RHIz、RHIv產(chǎn)品

對17：26的豐城強(qiáng)回波從南北向作剖面，反射率因子剖面上，0 dBz回波頂高17 km，45 dBz的強(qiáng)回波伸展高度達(dá)12 km，60 dBz頂高7.8 km；徑向速度剖面上，大片負(fù)速度區(qū)中有較強(qiáng)的正速度區(qū)，正負(fù)速度之差達(dá)23 m/s，達(dá)到弱中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。以上雷達(dá)回波特征說明回波發(fā)展極為強(qiáng)盛，云中有小冰雹生成，但由于處于7月份，0 ℃層高度高，小冰雹未至地面即融化，因此，地面并沒有出現(xiàn)冰雹。由于回波強(qiáng)度強(qiáng)，瞬時雨強(qiáng)大，且回波移動緩慢，易造成短時強(qiáng)降水。

由于新干的強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)(B回波)與豐城的強(qiáng)降水(A回波)同時出現(xiàn)，強(qiáng)度都達(dá)到60～65 dBz，且兩地距離較近，可以判斷其強(qiáng)回波的結(jié)構(gòu)大致相同。可以看到，新干B回波短帶的強(qiáng)回波面積比豐城A回波面積更大，更加有利于短時強(qiáng)降水的產(chǎn)生，這也是新干短時強(qiáng)降水(77.3 mm/h)比豐城短時強(qiáng)降水(42.1 mm/h)強(qiáng)度更強(qiáng)，并伴隨雷暴大風(fēng)(19.2 m/s)的重要原因。

由此可見，豐城、新干等地的強(qiáng)降水天氣是由發(fā)展旺盛的A強(qiáng)回波單體和B回波短帶造成的?；夭ㄖ行膹?qiáng)度達(dá)60～65 dBz，回波頂高達(dá)14～15 km，液態(tài)含水量達(dá)50～60 kg/m2，45 dBz的強(qiáng)回波伸展高度12 km，有正負(fù)速度對，速度對的強(qiáng)度達(dá)到弱中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

文章利用天氣形勢、地面觀測、衛(wèi)星云圖和江西WebGIS雷達(dá)拼圖等資料，分析了2020-07-27豐城、新干等地的短時強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)強(qiáng)對流天氣過程，主要結(jié)論如下：

1)2020-07-27雷暴大風(fēng)天氣過程發(fā)生在副熱帶高壓邊緣，100 hPa在江西上空有東北風(fēng)急流，500 hPa與850 hPa為西南風(fēng)，地面輻合線是較好的對流觸發(fā)機(jī)制。

2)云圖上表現(xiàn)為2塊中小尺度強(qiáng)對流云團(tuán)的東移與融合，融合后的對流云團(tuán)尺度更大，發(fā)展更為旺盛，由西南向東北緩慢移動，持續(xù)影響豐城市，導(dǎo)致強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣。

3)雷達(dá)上表現(xiàn)為A強(qiáng)回波單體和B回波短帶，回波尺度小，在50 km之內(nèi)，回波中心強(qiáng)度達(dá)60 dBz或以上。強(qiáng)回波單體自西南向東北移入豐城市造成強(qiáng)降水。新干地區(qū)強(qiáng)降水則由寬度較寬的強(qiáng)對流回波短帶造成，由于強(qiáng)回波范圍與面積明顯大于豐城的回波單體，導(dǎo)致降水強(qiáng)度更強(qiáng)。

4)風(fēng)暴跟蹤信息STI移動路徑較好地反映了強(qiáng)對流單體回波的移動方向、速度與路徑，由于江西上空500 hPa高空風(fēng)小，僅為6～12 m/s，導(dǎo)致回波的平均移動速度僅為30 km/h。強(qiáng)回波移動緩慢是造成強(qiáng)降水的主要原因。

5)單部雷達(dá)的反射率因子剖面顯示，45 dBz強(qiáng)回波的發(fā)展高度達(dá)12 km，60 dBz強(qiáng)回波高度達(dá)7.8 km。徑向速度剖面顯示，大片負(fù)速度區(qū)中伴有較強(qiáng)的正速度區(qū)，形成正負(fù)速度對，正負(fù)速度之差達(dá)23 m/s，達(dá)到弱中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。在盛夏季節(jié)，具有冰雹回波特征的強(qiáng)回波單體或回波短帶，不一定產(chǎn)生冰雹天氣，而是以短時強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)天氣出現(xiàn)。因此，在江西判別是否出現(xiàn)冰雹與季節(jié)因素有很大關(guān)系。