2014—2020 年梧州市短時(shí)大暴雨雷達(dá)回波特征分析

歐堅(jiān)蓮，湯中明，黃恩恩，蔣玉鳳

（1.梧州市氣象局，廣西 梧州 543002；2.百色市氣象局，廣西 百色 533000）

引言

廣西暴雨洪澇災(zāi)害常見(jiàn)［1］，尤其是短時(shí)大暴雨容易引發(fā)城市內(nèi)澇、山洪、泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害，對(duì)此廣西氣象工作者在暴雨研究方面做了大量的工作，也取得了一定的成果［2-6］。多普勒雷達(dá)資料具有常規(guī)觀測(cè)資料無(wú)可比擬的高時(shí)空分辨率，是研究中小尺度天氣系統(tǒng)的主要手段之一。應(yīng)用多普勒雷達(dá)資料可以跟蹤降水過(guò)程的全貌，為及時(shí)發(fā)布暴雨預(yù)警信號(hào)提供重要的參考依據(jù)。黃埡飛等［7］研究了近41a 來(lái)江南地區(qū)暴雨發(fā)生頻次及強(qiáng)度特征，趙文等［8］研究表明1h 降水量與VIL（垂直累積液態(tài)含水量）有一定的滯后相關(guān)（滯后響應(yīng)）。羅輝等［9］分析了不同類型雷暴群回波在初生階段和成熟階段的結(jié)構(gòu)特征。李明等［10］研究短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)反射率因子呈低質(zhì)心結(jié)構(gòu)，具有熱帶降雨型特征。劉國(guó)強(qiáng)等［11］、陳鮑發(fā)等［12］分析了短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程成因和逆風(fēng)區(qū)的回波演變與強(qiáng)對(duì)流天氣的結(jié)構(gòu)特征。本文主要使用梧州雷達(dá)7a 大暴雨個(gè)例，對(duì)雷達(dá)資料在大暴雨短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中的應(yīng)用做總結(jié)分析，為以后的大暴雨短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 資料與方法

使用2014—2020 年梧州市168 個(gè)自動(dòng)氣象站逐1h 和3h 雨量實(shí)況及梧州多普勒天氣雷達(dá)資料，采用統(tǒng)計(jì)分析、形態(tài)對(duì)比、特征提取等方法分析3h 降雨量100mm 以上的短時(shí)大暴雨天氣過(guò)程的雷達(dá)回波特征。

短時(shí)大暴雨定義：依據(jù)降水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 28592-2012）24h 降雨量100～249.9mm 為大暴雨，以及《廣西壯族自治區(qū)氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)及防御指南》中暴雨紅色預(yù)警信號(hào)為3h 內(nèi)降雨量將達(dá)100mm 以上，或者已達(dá)100mm 以上且降雨可能持續(xù)。這里規(guī)定3h 出現(xiàn)100mm 以上的降水為一次短時(shí)大暴雨天氣過(guò)程。

2 雷達(dá)回波特征分析

2.1 回波強(qiáng)度及強(qiáng)回波持續(xù)時(shí)間特征

利用梧州多普勒雷達(dá)的組合反射率因子圖（CR）、徑向速度圖和風(fēng)暴追蹤信息，統(tǒng)計(jì)分析了發(fā)生在梧州市境內(nèi)的15 次大暴雨過(guò)程的最強(qiáng)回波強(qiáng)度、≥45dBz 回波持續(xù)時(shí)間、≥50dBz 回波持續(xù)時(shí)間、徑向速度特征等。表1 給出了大暴雨與這些特征量的關(guān)系。從表1 可以看出，大暴雨與45dBz 以上的強(qiáng)回波和持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)：出現(xiàn)3h 雨量≥100mm大暴雨的最強(qiáng)回波強(qiáng)度均在53dBz 以上，最強(qiáng)可達(dá)63dBz，≥45dBz 回波持續(xù)時(shí)間在50min 以上（占93%），≥50dBz 回波持續(xù)時(shí)間在10min 以上。此外，從表1 還可以看出最大小時(shí)雨強(qiáng)基本在50mm 以上，徑向速度圖具有逆風(fēng)區(qū)、風(fēng)速輻合等輻合區(qū)特征，表明出現(xiàn)大暴雨時(shí)的雷達(dá)回波強(qiáng)度強(qiáng)，影響時(shí)間較長(zhǎng)，輻合特征明顯，基本上是強(qiáng)回波持續(xù)影響某一地區(qū)，從而形成了大暴雨。分析發(fā)生大暴雨時(shí)的風(fēng)暴追蹤信息質(zhì)心高度發(fā)現(xiàn)，回波質(zhì)心低，90%的質(zhì)心高度在2km 以下，最低可達(dá)200m 左右，且低質(zhì)心持續(xù)時(shí)間在2 個(gè)體掃（12min）以上，基本是維持一段時(shí)間高效率的降雨，形成短時(shí)大暴雨。另外發(fā)現(xiàn)質(zhì)心高度較高的回波（大于2km）均是由于距離雷達(dá)天線較遠(yuǎn)，所探測(cè)到的都是高度較高的回波所致?？梢?jiàn)，低質(zhì)心強(qiáng)回波持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間易形成大暴雨。

2.2 輻合區(qū)特征

統(tǒng)計(jì)分析還發(fā)現(xiàn)，大暴雨與強(qiáng)回波和輻合區(qū)密切相關(guān)。從表1 的徑向速度特征統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大暴雨發(fā)生的強(qiáng)回波具有逆風(fēng)區(qū)、徑向風(fēng)風(fēng)速輻合、徑向風(fēng)切變輻等輻合區(qū)特征，其中，出現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)的個(gè)例最多（10／15），占66%。在低層切變線或輻合線天氣系統(tǒng)的作用下，回波往往組織發(fā)展成團(tuán)（片）狀或帶狀強(qiáng)回波，反射率因子最大超過(guò)50dBz。雷達(dá)跟蹤可見(jiàn)對(duì)流回波或積云層云混合性回波向輻合區(qū)移動(dòng)，回波移入輻合區(qū)后，再經(jīng)歷一個(gè)發(fā)展、組織合并、加強(qiáng)的過(guò)程，然后組織發(fā)展成團(tuán)（片）狀或帶狀強(qiáng)回波，具有輻合特征的強(qiáng)回波持續(xù)影響某一地區(qū)，形成大暴雨。

表1 梧州大暴雨過(guò)程及回波影響特征統(tǒng)計(jì)

2014 年7 月19 日梧州市短時(shí)大暴雨的雷達(dá)回波特征表現(xiàn)見(jiàn)圖1，本次暴雨是受第九號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”倒槽影響而導(dǎo)致，“威馬遜”于19 日7 時(shí)10 分在廣西防城港市光坡鎮(zhèn)沿海以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)第三次登陸，梧州受臺(tái)風(fēng)外圍的東南氣流影響，本次強(qiáng)回波由于臺(tái)風(fēng)外圍螺旋云帶影響造成，具有明顯的帶狀強(qiáng)對(duì)流回波，帶并不寬，僅30km 左右，帶上單體聚合在一起，回波帶密實(shí)，最強(qiáng)55～60dBz，大部分45～55dBz，1h 降雨為56.9mm，3h 雨量達(dá)到105mm，為大暴雨；本次雷達(dá)回波的發(fā)展及移動(dòng)，與逆風(fēng)區(qū)的關(guān)系相當(dāng)密切，逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)時(shí)間比強(qiáng)降雨發(fā)生時(shí)間提前2 個(gè)體掃左右（圖1）。從反射率因子演變圖看，強(qiáng)降雨回波是由雷達(dá)站南部的對(duì)流層狀云混合性回波北移發(fā)展起來(lái)的，19 日13∶33 梧州雷達(dá)站西南部有積云和層云混合性回波向北移，到達(dá)雷達(dá)站西南面30km 處時(shí)，組織發(fā)展為一條西北東南向的較強(qiáng)帶狀回波，中心強(qiáng)度為50dBz，半小時(shí)后回波帶繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，并向東北方向（梧州市城區(qū)）移動(dòng)，14∶01強(qiáng)回波影響梧州市區(qū)西部、南部，移入時(shí)強(qiáng)度中心加強(qiáng)為60dBz，14∶06 起強(qiáng)回波覆蓋整個(gè)梧州市城區(qū)，并維持影響。結(jié)合徑向速度圖分析，13∶37 在2.4°仰角梧州雷達(dá)站南部20km 附近開(kāi)始出現(xiàn)明顯的逆風(fēng)區(qū)，表明低層輻合明顯，逆風(fēng)區(qū)向北面（梧州市城區(qū)方向）移動(dòng)，此時(shí)回波已發(fā)展加強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)55dBz；13∶49 強(qiáng)回波移到雷達(dá)站西南部15km 附近（圖1a），而逆風(fēng)區(qū)已影響到梧州市城區(qū)南部（圖1b）；14∶01 回波繼續(xù)加強(qiáng)北移，開(kāi)始影響梧州市城區(qū)，梧州地面觀測(cè)站開(kāi)始出現(xiàn)明顯降雨，從7 月19日14 時(shí)—18 時(shí)逐小時(shí)雨量看，14∶00—15∶00 梧州站降水量為56.9mm（圖1c），可見(jiàn)逆風(fēng)區(qū)影響時(shí)間比降雨出現(xiàn)時(shí)間提前了10min 左右。14∶14—16∶20 梧州城區(qū)南部不斷回波新生、匯入到城區(qū)的強(qiáng)回波中，致使45dBz 以上的回波面積覆蓋梧州市城區(qū)的中北部，且穩(wěn)定少動(dòng)，造成暴雨，16∶27 以后回波北移，并移出了梧州市城區(qū)，暴雨趨于結(jié)束。

圖1 梧州多普勒雷達(dá)2014 年7 月19 日13 時(shí)37 分2.4°仰角反射率產(chǎn)品（a）和基本徑向速度產(chǎn)品（b）及梧州站2014 年7 月19 日14 時(shí)—18 時(shí)逐小時(shí)雨量（c）

2014 年6 月23 日岑溪市岑城鎮(zhèn)赤水村短時(shí)大暴雨的雷達(dá)回波特征表現(xiàn)見(jiàn)圖2，本次雷達(dá)回波的發(fā)展及移動(dòng)，也與逆風(fēng)區(qū)的關(guān)系相當(dāng)密切，而逆風(fēng)區(qū)的走向決定了強(qiáng)降雨的落區(qū)變化。從反射率因子演變圖看，強(qiáng)降雨回波是由分散的對(duì)流層狀云混合性回波組織發(fā)展起來(lái)的，23 日16—17 時(shí)，岑溪市周邊有分散的積云和層云混合性回波，到17 時(shí)以后，組織發(fā)展為片狀強(qiáng)回波，強(qiáng)回波位于岑溪市中南部，中心強(qiáng)度53dBz，強(qiáng)回波緩慢北移，持續(xù)影響至19 時(shí)后減弱。分析本次強(qiáng)降雨過(guò)程的逐小時(shí)雨量分布，強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在16 時(shí)—19 時(shí)，強(qiáng)降雨落區(qū)主要出現(xiàn)在岑溪市中南部，最大為岑城鎮(zhèn)赤水村2h 雨量達(dá)105mm。南端雨區(qū)主要出現(xiàn)在16—17 時(shí)，中部雨區(qū)則主要出現(xiàn)在17—19 時(shí)。結(jié)合徑向速度產(chǎn)品分析可發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)雨區(qū)在強(qiáng)降雨時(shí)段，均出現(xiàn)了明顯的逆風(fēng)區(qū)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)雨區(qū)程“西北-東南”走向，與逆風(fēng)輻合區(qū)的傳播基本一致，逆風(fēng)輻合區(qū)位置與強(qiáng)降雨落區(qū)十分吻合。分析不同仰角發(fā)現(xiàn)，高仰角輻散區(qū)總是先于低仰角輻合區(qū)出現(xiàn)，提前時(shí)段為3～5 個(gè)體掃，高仰角輻散區(qū)在4.3°仰角及6.0°仰角均表現(xiàn)明顯。從反射率因子演變圖和徑向速度圖對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在回波加強(qiáng)北移的過(guò)程中，低仰角（1.5～2.4°仰角）有明顯的逆風(fēng)區(qū)向北移動(dòng)，表明低層有明顯的輻合區(qū)，低空風(fēng)速增大，甚至達(dá)到急流的標(biāo)準(zhǔn)，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力條件和水汽條件，逆風(fēng)區(qū)與強(qiáng)降水中心區(qū)是相對(duì)應(yīng)的。

圖2 梧州多普勒雷達(dá)2014 年6 月23 日17 時(shí)51 分1.5°仰角反射率產(chǎn)品（a）和基本徑向速度產(chǎn)品（b）及岑溪市岑城鎮(zhèn)赤水村2014 年6 月23 日17 時(shí)—19 時(shí)逐小時(shí)雨量（c）

2.3 列車效應(yīng)特征

從反射率因子場(chǎng)分析得到，強(qiáng)回波帶和列車效應(yīng)相結(jié)合易形成大暴雨。在低層切變、輻合線等天氣系統(tǒng)的組織作用下，往往形成密集的強(qiáng)對(duì)流回波帶，由于回波帶上單體或回波團(tuán)的移動(dòng)方向和回波帶走向一致或者夾角較小，致使多個(gè)強(qiáng)度降雨云團(tuán)先后影響某站，就形成大暴雨，這種現(xiàn)象被稱之為列車效應(yīng)。2016 年8 月10 日形成龍圩站短時(shí)大暴雨的雷達(dá)回波就具有明顯的低質(zhì)心強(qiáng)回波和列車效特征（圖3），回波在龍圩附近組成發(fā)展成密實(shí)的強(qiáng)對(duì)流回波帶（圖3a），1 小時(shí)降雨量135mm，達(dá)到大暴雨；分析暴雨前后的反射率因子演變可以見(jiàn)：強(qiáng)降雨回波是由雷達(dá)站南部的對(duì)流層狀云混合性回波帶北移發(fā)展起來(lái)的，10 日14∶36 龍圩站西南部有一條南北向回波帶，向東北方向移，中心強(qiáng)度為50dBz；15∶06 回波東北移動(dòng)到達(dá)龍圩站，回波帶明顯加強(qiáng)發(fā)展，中心強(qiáng)度達(dá)到55 到60dBz，然后帶上單體和回波團(tuán)沿著回波帶自西南向東北移動(dòng)相繼影響龍圩站，形成了明顯的列車效應(yīng)（圖3b），高強(qiáng)度降雨持續(xù)了1h 左右；從15∶12 的反射率因子剖面圖（圖3b）分析可發(fā)現(xiàn)，影響龍圩站的回波強(qiáng)度強(qiáng)、質(zhì)心低，50dBz 以上的強(qiáng)回波距離地面200m 左右，并且在徑向上有多個(gè)45dBz 以上的強(qiáng)回波向龍圩站移動(dòng)，表明有明顯的列車效應(yīng)影響，造成了短時(shí)大暴雨。

圖3 梧州多普勒雷達(dá)2016 年8 月10 日15 時(shí)12 分2.4°仰角反射率產(chǎn)品（a）和剖面圖（b）及龍圩站2016 年8 月10 日14 時(shí)—18 時(shí)逐小時(shí)雨量（c）

2.4 回波頂高和垂直累積液態(tài)含水量最大值特征

從短時(shí)大暴雨的回波頂高（ET）、垂直累積液態(tài)含水量（VIL）的變化分析看，一些個(gè)例ET、VIL 出現(xiàn)大值的時(shí)間要比強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間提前一些，對(duì)短時(shí)大暴雨的預(yù)報(bào)預(yù)警有一定的指示意義。

分析2014 年7 月19 日14∶00—17∶00 梧州雷達(dá)每6minET、VIL 產(chǎn)品及降水隨時(shí)間的演變。從每10min 雨量來(lái)看，自14∶00 開(kāi)始梧州降水強(qiáng)度加大，14∶10—16∶20 每10min 降水量≥5mm，其中14∶10—14∶20 最大降水量為30.3mm／10min。再來(lái)看ET 和VIL 的變化：13∶00 之前，梧州南部50km 范圍內(nèi)ET一直低于8km；13∶12 開(kāi)始南部40～50km 處ET 達(dá)10km，之后，13∶18—16∶10 維持在12km 以上，特別是13∶18 和14∶10 回波頂高超過(guò)14km；16∶26 起ET又迅速降低至8km 以下。13∶00 之前VIL＜20kg·m-2；之后迅速增加，13∶06—15∶10 在25～35kg·m-2之間，特別是13∶24～14∶10 超過(guò)了30kg·m-2；16∶10 以后，VIL 迅速降低，16∶26 開(kāi)始VIL＜10kg·m-2。通過(guò)以上分析可以看出，ET、VIL 的發(fā)展演變和降水有非常密切的關(guān)系。此次過(guò)程中，ET≥14km、VIL≥30kg·m-2出現(xiàn)的時(shí)間超前強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)間分別為42min 和36min。

分析2014 年8 月7 日19∶00—22∶00 梧州雷達(dá)每6min 的ET、VIL 產(chǎn)品及降水隨時(shí)間的演變。從每10min 雨量來(lái)看，自19∶00 開(kāi)始降水強(qiáng)度加大，19∶10—19∶50 每10min 降水量≥10mm，其中19∶20—19∶30 最大降水量為33.9mm／10min。再來(lái)看ET 和VIL 的變化：18∶05 起梧州南側(cè)40～51km 處ET 最大達(dá)14km；18∶11—19∶50 維持在11km 以上，特別是18∶53 和19∶06 回波頂高超過(guò)15km；19∶18ET 又迅速降低至8km 以下。18∶00 之前VIL 小于20kg·m-2；之后迅速增加，18∶05—19∶10 在25～35kg·m-2之間，特別是18∶23—18∶35 超過(guò)了30kg·m-2；19∶10 以后VIL 迅速降低，19∶24 開(kāi)始VIL 小于10kg·m-2。通過(guò)以上分析可以看出，ET、VIL 的發(fā)展演變和降水有非常密切的關(guān)系。此次過(guò)程中，ET≥14km、VIL≥30kg·m-2出現(xiàn)的時(shí)間超前強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)間分別為36min 和32min。

綜上分析可見(jiàn)，從ET、VIL 的發(fā)展變化能夠預(yù)測(cè)降水的發(fā)展趨勢(shì)，可以利用這些產(chǎn)品及時(shí)做好雨情監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警的服務(wù)工作，ET、VIL 出現(xiàn)大值的時(shí)間要比強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)間早30min 以上，對(duì)短時(shí)大暴雨的預(yù)報(bào)預(yù)警有一定的指示意義。

3 結(jié)論

（1）短時(shí)大暴雨發(fā)生時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)反射率因子超過(guò)50dBz 的強(qiáng)回波，大暴雨與45dBz 以上的強(qiáng)回波持續(xù)時(shí)間關(guān)系密切，低質(zhì)心強(qiáng)回波持續(xù)影響易形成大暴雨。

（2）大暴雨發(fā)生前的強(qiáng)回波往往出現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)、風(fēng)速輻合、切變輻合等輻合特征，輻合區(qū)的移向和回波的發(fā)展有很好的對(duì)應(yīng)作用，強(qiáng)回波和輻合區(qū)相結(jié)合易形成大暴雨。

（3）強(qiáng)回波帶和列車效應(yīng)相結(jié)合易形成大暴雨，強(qiáng)回波帶上對(duì)流單體或回波團(tuán)相繼影響某一地區(qū)，從而形成列車效應(yīng)，易造成大暴雨。

（4）從回波頂高和垂直累積液態(tài)含水量的發(fā)展變化能夠預(yù)測(cè)降水的發(fā)展趨勢(shì)，ET、VIL 出現(xiàn)大值的時(shí)間要比強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間提前一些，對(duì)短時(shí)大暴雨的預(yù)報(bào)預(yù)警有一定的指示意義。