X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)在2021年夏季2次強(qiáng)降水過程中的應(yīng)用

汪 莉

許昌市氣象局，河南許昌 461000

X波段雙偏振相控陣天氣雷達(dá)專為氣象部門、民航部門及其他相關(guān)用戶設(shè)計(jì)[1-3]。該雷達(dá)采用了數(shù)字TR組件、雙偏振裂縫天線陣面和多波束信號(hào)處理器等先進(jìn)技術(shù)組件，具有速度快、精度高和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。該雷達(dá)具有高時(shí)空分辨率的探測(cè)能力，可以快速獲取對(duì)流過程中小尺度結(jié)構(gòu)，探測(cè)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，能對(duì)周邊天氣進(jìn)行有效探測(cè)和預(yù)警，可獲取雷達(dá)站周圍上空天氣目標(biāo)的位置、強(qiáng)度、平均徑向速度和速度譜寬等參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)60 km范圍內(nèi)的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的生成、發(fā)展、消散，對(duì)中尺 度風(fēng)暴、暴雨、風(fēng)切變、冰雹、龍卷、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣能進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為用戶提供及時(shí)、精確的氣象探測(cè)資料[4-5]。

1 2021年7月19—22日許昌持續(xù)區(qū)域性大暴雨過程

1.1 天氣實(shí)況

2021年7月17日以來，受副熱帶高壓、黃淮低渦及臺(tái)風(fēng)“煙花”遠(yuǎn)距離影響，許昌市出現(xiàn)持續(xù)3 d的區(qū)域性大暴雨、局地特大暴雨天氣，強(qiáng)降水時(shí)段主要集中在19日白天到21日夜間。19日07:00—22日07:00，過程雨量超過500 mm的站點(diǎn)5個(gè)，250～500 mm的站點(diǎn)72個(gè)，100～250 mm的站點(diǎn)21個(gè)（圖1）；全市平均降水量達(dá)307.8 mm，最大過程降水量禹州莊溝591.6 mm，最大日降水量禹州莊溝411.2 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)鄢陵陶城107.6 mm。

圖1 2021年7月19—22日許昌市降水實(shí)況圖

1.2 環(huán)流背景分析

1.2.1 天氣尺度環(huán)流形勢(shì)500 hPa氣壓面上（圖2），華北地區(qū)是典型的“西低東高”暴雨環(huán)流形勢(shì)，同時(shí)副高西伸，位置偏北，強(qiáng)度偏強(qiáng)，河南正好位于大陸高壓和西太副高之間的低壓區(qū)，很容易形成低層輻合，高空輻散的配置。17日在兩高對(duì)峙的背景下，低渦系統(tǒng)在黃淮南部生成，并向西方向緩慢移動(dòng)，19日08:00移動(dòng)至南陽(yáng)桐柏附近，強(qiáng)度有所減弱，但受低渦北部東風(fēng)倒槽影響，低層河南境內(nèi)出現(xiàn)東北風(fēng)、偏東風(fēng)和東南風(fēng)輻合[6-8]。這種經(jīng)典高低空配置促使對(duì)流層中上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，為暴雨的發(fā)生創(chuàng)造了有力的動(dòng)力條件。高層輻散風(fēng)與低層旋轉(zhuǎn)風(fēng)的分布也明顯反映出這種動(dòng)力結(jié)構(gòu)。

圖2 2021年7月18日20:00 500 hPa高空?qǐng)D

1.2.2 充沛的水汽輸送恰逢副高南側(cè)有臺(tái)風(fēng)“煙花”相伴，華南地區(qū)有臺(tái)風(fēng)“查帕卡”登陸。水汽通量分布可明顯體看出，臺(tái)風(fēng)“煙花”北側(cè)和“查帕卡”東側(cè)氣旋性暖濕氣流西進(jìn)北上，合并后攜帶大量水汽西北向輸送至內(nèi)陸，恰好在河南鄭州附近形成強(qiáng)烈水汽輻合區(qū)。穩(wěn)定維持的副高阻擋了臺(tái)風(fēng)北上，使得水汽供給穩(wěn)定維持[9-12]。早在暴雨發(fā)生前，副高外圍的氣流就與雙臺(tái)風(fēng)環(huán)流共同作用，形成的東南暖濕氣流中攜帶了大量水汽，這支暖濕低空急流一路北上，將水汽源源不斷地從洋面輸送到河南地區(qū)，為后續(xù)暴雨的發(fā)生打開了水汽通道。

1.3 許昌雷達(dá)資料分析

從圖3可以看出，7月21日02:00～03:00鄢陵陶城最大小時(shí)雨強(qiáng)107.6 mm，為有氣象記錄以來第2極值（2019年8月6日16:00～17:00，禹州山貨121.2 mm），并伴有12.6 m/s（6級(jí)）的大風(fēng)。

圖3 2021年7月21日00:00～08:00鄢陵陶城站逐小時(shí)降水實(shí)況圖

從陶城站02:00～03:00數(shù)據(jù)來看，02:30～02:40的 降 水 量 為23.2 mm，02:40～02:50分的降水量為22.7 mm，為最強(qiáng)降水時(shí)段，后面的雷達(dá)資料分析將重點(diǎn)分析該時(shí)段。

回波演變：7月21日01:00開始由多個(gè)強(qiáng)回波單體組成的復(fù)合體從鄢陵西南方入侵，復(fù)合體回波面積較大，回波強(qiáng)度55～60 dBz，并伴有雷電，復(fù)合體回波逼近鄢陵南部，有超級(jí)單體結(jié)構(gòu)，回波強(qiáng)度60～65 dBz。

從組合反射率看，02:00～03:00鄢陵南部不斷有強(qiáng)降水回波經(jīng)過，從西南方往東北方移動(dòng)，典型的“列車效應(yīng)”造成鄢陵南部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)。03:00以后強(qiáng)降水回波移出鄢陵陶城，降水隨之減弱。

強(qiáng)降水回波水平結(jié)構(gòu)：02:00～03:00組合反射率CR為55～60 dBz，02:17回波頂高ET 17～18 km，垂直液態(tài)含水量VIL 25～30 kg/m2，具有強(qiáng)降水的回波特征。

強(qiáng)降水回波垂直結(jié)構(gòu)：在垂直剖面圖上，反射率因子50 dBz強(qiáng)回波伸展高度達(dá)到9 km左右，中低空懸掛高度為2～3 km，屬于低質(zhì)心強(qiáng)降水。在徑向速度圖上，在鄢陵陶城鎮(zhèn)附近可明顯看出底層有徑向輻合，高層輻散，有利于強(qiáng)降水的維持和發(fā)展。

從圖4 QPE（降水估測(cè)）也可以看出，02:10估測(cè)出在鄢陵南部有小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)76.2～101.6 mm的區(qū)域，與實(shí)際位置（鄢陵陶城）和降水強(qiáng)度（107.6 mm）較為吻合。

圖4 2021年7月21日02:10 QPE（1 h降水估測(cè)）圖

2 2021年7月16日許昌局地短時(shí)強(qiáng)降水分析

2.1 天氣實(shí)況

7月16日 白 天1 h內(nèi) 長(zhǎng) 葛 石 固（14:00～15:00）和禹州梁北（11:00～12:00）分別出現(xiàn)55.8和61.2 mm的局地短時(shí)強(qiáng)降水。

2.2 許昌雷達(dá)產(chǎn)品分析

強(qiáng)降水回波演變：禹州梁北強(qiáng)降水回波由原地生成的2個(gè)對(duì)流單體合并后加強(qiáng)，并向西南移動(dòng)，且在后方又有新的對(duì)流單體生成，回波強(qiáng)度達(dá)55～60 dBz。長(zhǎng)葛石固強(qiáng)降水回波由原地生成的對(duì)流單體在向西南向移動(dòng)過程中不斷發(fā)展加強(qiáng)，發(fā)展為典型的超級(jí)單體，有明顯在鉤狀回波特征，回波強(qiáng)度達(dá)60～65 dBz。

強(qiáng)降水回波水平結(jié)構(gòu)：禹州梁北組合反射率CR為55～60 dBz，11:30回波頂高ET 9 km，垂直液態(tài)含水量VIL 10～15 kg/m2，具有較強(qiáng)降水的回波特征[13-15]（圖5）。

圖5 2021年7月16日11:30禹州梁北回波頂高和垂直液態(tài)水含水量圖

長(zhǎng)葛石固組合反射率CR為60～65 dBz，13:42左右回波頂高ET 9～11 km，垂直液態(tài)含水量VIL 25～30 kg/m2，具有強(qiáng)降水的回波特征（圖6）。

圖6 2021年7月16日13:44長(zhǎng)葛石固回波頂高和垂直液態(tài)水含水量圖

強(qiáng)降水回波垂直結(jié)構(gòu)：在垂直剖面圖上，禹州梁北反射率因子50 dBz強(qiáng)回波伸展高度達(dá)到3 km左右，長(zhǎng)葛石固伸展高度達(dá)4～5 km，且都屬于低質(zhì)心強(qiáng)降水，強(qiáng)降水效率較高[16-17]。

從QPE（降水估測(cè)）也可以看出：預(yù)計(jì)2個(gè)測(cè)站有小時(shí)雨強(qiáng)，將達(dá)44.5～50.8 mm，與實(shí)際位置和降水強(qiáng)度（61.2 mm和55.8 mm）較為吻合[18]。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）高時(shí)空分辨率利于監(jiān)測(cè)預(yù)警局地對(duì)流的快速移動(dòng)和迅速生消。

（2）高時(shí)空分辨率利于累積降水的預(yù)測(cè)。OHP范圍和強(qiáng)度基本上與實(shí)況降水一一對(duì)應(yīng)，相控陣?yán)走_(dá)網(wǎng)的敏感性R（KDP）降水估計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)更精確的地面精細(xì)化強(qiáng)降水估計(jì)。

（3）高時(shí)空分辨率利于局地短時(shí)強(qiáng)降水的判斷與短臨預(yù)測(cè)。

（4）高時(shí)空分辨率利于雷暴大風(fēng)的監(jiān)測(cè)。例如禹州地區(qū)出現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)，隨后快速發(fā)展，對(duì)大風(fēng)監(jiān)測(cè)敏銳，時(shí)效性強(qiáng)。

（5）高時(shí)空分辨率的垂直觀測(cè)解析能力強(qiáng)。機(jī)械雷達(dá)體掃垂直方向觀測(cè)能力：6 min只能完成9層跳躍仰角掃描；相控陣?yán)走_(dá)體掃垂直方向觀測(cè)能力：1 min可完成68層無間隔仰角掃描。相控陣?yán)走_(dá)體掃垂直精細(xì)化能力，大幅度提升了重要雷達(dá)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性，包括VIL、降水估計(jì)、冰雹指數(shù)以及風(fēng)暴識(shí)別預(yù)警等。