C波段雙偏振雷達在正安碧峰極端短時強降水中的初步應用

肖 蕾，郭曉超，劉紅雙，吳新星，何明遠

(1.貴州省遵義市氣象局，貴州 遵義 563000； 2.貴州省播州區(qū)氣象局，貴州 遵義 563100；3.貴州省務川縣氣象局，貴州 務川 564300; 4.貴州省正安縣氣象局，貴州 正安 563400)

0 引言

極端天氣事件是指某一區(qū)域內少發(fā)或若干年一遇的事件[1]，極端短時強降水是指小時雨量≥50 mm，或3 h雨量≥100 mm 的降水[2]，具有瞬間雨強大、破壞性極強的特點[3]。俞小鼎[4]利用雷達和探空資料分析指出，絕大多數(shù)極端短時強降水是由深厚濕對流產生；深厚濕對流、低質心暖云降水、地形增幅(峽谷、迎風坡、喇叭口)、降水回波的“后向傳播”等特征易產生短時強降水。2014年8月11日貴州遵義習水出現(xiàn)極端特大暴雨，過程最大雨量習水良村鎮(zhèn)333.2 mm(以下簡稱8.11)，突破遵義市有氣象記錄以來歷史極值。8.11極端降水雷達回波呈后向傳播、回波單體“列車效應”特征顯著[5]。與2014年8.11不同的是，2020年6月12日(以下簡稱6.12)，小時雨強突破貴州歷史極值(碧峰163.3 mm·h-1)，本次過程歷時更短、強度更大，而此次2 h累計降水達225.8 mm(02—03時62.5 mm·h-1,03—04時163.3 mm·h-1)，更為罕見，屬于極端短時強降水事件(即1 h雨量≥50 mm或3 h雨量≥100 mm)，可在短時間內使降水迅速積累形成暴洪(Flash Flood)，暴洪是所有相關氣象災害中發(fā)生頻次最高且導致傷亡人數(shù)最多的災害[6]。國內不少專家對不同地區(qū)的極端短時強降水作了分析[2，7]，張羽等[8]分析了廣州雙偏振天氣雷達在短時強降水中的應用，結果顯示較大的ZDR和KDP值表明降水粒子譜中含有大量較大的水滴，是造成該次短時強降雨的主要原因。這些研究得到了大量的極端短時強降水機理特征，但時空不同是否影響因子各異需進一步研究。本文利用常規(guī)高空和地面觀測資料、地面加密觀測資料、新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達資料分析6.12碧峰極端短時強降水，旨在驗證前人總結提煉出的極端短時強降水高影響因子是否具有普適性，并通過分析C波段雙偏振雷達在極端強降水過程中的要素特征，尋求本地化極端短時強降水的預報預警要點，為極端強降水精細化預報預警提供參考依據(jù)。

1 資料說明及降水實況

1.1 資料說明

本文使用資料：常規(guī)高空和地面觀測資料、地面加密觀測資料、NCEP再分析資料、務川新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達資料、FY-2A衛(wèi)星云圖及TBB等資料。

需要說明的是，貴州北部無探空站，重慶沙坪壩探空站是離強降水區(qū)域最近的站點，重慶與貴州北部毗鄰接壤，處于同一氣候區(qū)，所探測資料大體能夠代表強降水發(fā)生區(qū)域周邊大氣環(huán)境狀況。 碧峰位于遵義市北部，遵義新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達、重慶新一代S波段多普勒天氣雷達、務川新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達都能探測到，考慮山脈遮擋和距離衰減及雙偏振雷達的優(yōu)勢，本文選取新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達資料開展分析，務川雷達站距離本次強降水發(fā)生區(qū)域直線距離在50 km左右，探測資料基本能代表強降水區(qū)域周邊大氣環(huán)境，效果更好。

1.2 降水實況及災情

2020年6月11日夜間至12日上午，貴州北部遵義市正安縣碧峰鎮(zhèn)出現(xiàn)罕見極端短時強降水，6月11日22時—12日09時10分(北京時，下同)，遵義市共出現(xiàn)1站特大暴雨(正安碧峰266.4 mm)，3站大暴雨(正安楊興116.2 mm、習水習酒100.8 mm、桐梓木瓜100.5 mm)，26站暴雨(圖1)。最大累計雨量碧峰266.4 mm為遵義有氣象記錄以來歷史排第6位(2014年8月11日習水良村343.3 mm排位第1)，最大小時雨強為正安碧峰163.3 mm(12日03—04時)，突破貴州省有氣象記錄以來歷史極值，其中03時10— 40分30 min累計雨量達到115.3 mm，實屬罕見。根據(jù)俞小鼎[4]、王叢梅等[6]對短時強降水強度等級的劃分，本次過程是一次典型的極端短時強降水過程。

圖1 2020年6月11日20時—12日20時降水實況

此次正安碧峰特大暴雨過程降雨強度大、強降雨時間集中，形成徑流迅速，加之特殊地形原因，導致短時間內山洪暴發(fā)、河水猛漲，造成重大災害，導致正安縣碧峰鎮(zhèn)8人死亡，5人失蹤，直接經濟損失9380萬元。

2 環(huán)流背景及影響系統(tǒng)

2.1 環(huán)流背景

強降水即將發(fā)生時(11日20時)，500 hPa中高緯多低槽活動，巴爾喀什湖南側—貝加爾湖存在一橫槽，西北地區(qū)—四川盆地低槽活躍，西太平洋副熱帶高壓588 dagpm位于福建—廣東沿海，貴州處于川東南—滇東低槽前西南氣流正渦度區(qū)控制，橫槽東段在11日夜間東移，帶動中低緯度短波低槽隨之東移影響。700 hPa貴州處于川東南—滇東切變前西南氣流控制區(qū)，河套西部—川東南存在明顯切變，東北地區(qū)向西南伸展的溫度槽由于地形影響分東西2個冷舌，東段冷舌到達湖北南部，西段弱冷舌位于重慶西部—川東南，貴州北部仍然受暖脊控制。850 hPa，11日08時，四川東部存在低渦，隨著500 hPa低槽東移，引導低層冷空氣南下，到11日20時，低渦發(fā)展加強東移至重慶中部，切變沿河北西南部經山西西部、湖北西部、重慶—貴州北部一線。貴州北部受低渦冷式切變影響，此時貴陽仍為6 m·s-1的偏南風，溫度場顯示，華北至長江流域均為冷舌控制，貴州至西南向東北仍受暖脊控制，冷暖空氣交匯于長江沿線附近，貴州東北部處于冷暖空氣交匯邊緣地區(qū)，東北路徑弱冷空氣的滲透增加大氣層結的不穩(wěn)定度。到過程趨于結束的12日08時，隨著西南氣流在夜間加強(貴陽偏南風12 m·s-1)，在貴州東南部、廣西、湘贛地區(qū)形成明顯的急流軸，低渦北側的暖式切變在高空槽引導下有所東移，但低渦中心及冷切受到副熱帶高壓的阻擋，仍位于重慶中東部，增強少動。從NCEP再分析資料850 hPa (圖2e)可見，11日20時貴州偏南風速在6～12 m·s-1之間，由南往北逐漸較小，在正安境內風速差達到16 m·s-1，風力在夜間明顯加強。12日02時強降水發(fā)生時，偏南急流明顯增強到16 m·s-1，廣西—貴州東北部形成明顯急流軸，急流頂端恰好到達遵義東北部碧峰附近，再往北走驟降到2 m·s-1，甚至在正安、桐梓北部附近降為靜風，說明該時段偏南風急流攜帶的大量水汽在強降水區(qū)域明顯輻合，疊加重慶區(qū)域偏東風與貴州北部偏南氣流，形成明顯的輻合切變共同作用，為強降水提供充沛的水汽和強烈的上升運動。地面處于梅雨鋒西段的高濕區(qū)，潮濕的近地層為強降水的發(fā)生提供了充足水汽。從地面加密觀測資料及NCEP再分析資料10 m風場和100 m風場(圖2f)均可見，12日02—04時在碧峰附近存在中尺度輻合線，正安以南地區(qū)偏南風明顯，以北到重慶南部轉為偏東風控制，且風力較小，說明偏南暖濕氣流比偏東冷平流強得多，強降水區(qū)域恰好處在輻合帶上，中尺度地面輻合線觸發(fā)了強對流的產生，貴州北部受鋒前暖區(qū)潮濕不穩(wěn)定的西南氣流控制，只要在邊界層存在使不穩(wěn)定能量釋放的觸發(fā)機制(地面輻合線)，就會產生暴雨[9]。整個強降水期間，貴州北部處在100 hPa高壓中心控制區(qū)，意味著貴州北部處于高層強輻散區(qū)，低層輻合高層輻散更加有利于強降水天氣的發(fā)生。

圖2 6月11日20時高空100 hPa(a)、500 hPa(b)、700 hPa(c)、850 hPa(d)形勢圖，NCEP再分析850 hPa風場+濕度場(e)，NCEP再分析100 m風場(f)(注：紅色圈內為碧峰所在位置)

綜上所述，本次過程是在西太平洋副熱帶高壓西進北抬，巴爾喀什湖—貝加爾湖橫槽東移南下，西北地區(qū)—四川盆地低槽活躍，而貴州北部地面處于梅雨鋒西段高能高濕區(qū)的背景下產生的，強降雨區(qū)主要出現(xiàn)在低層低渦切變附近及切變右前側南風輻合區(qū)內，屬暖區(qū)性質降水，在大尺度系統(tǒng)高空槽和低層低渦切變強迫下，偏南氣流明顯風速輻合和地面輻合線是正安碧峰特大暴雨的重要直接影響系統(tǒng)。

2.2 環(huán)境條件分析

降水量由雨強和持續(xù)降水時間決定(Chappell CF[10]； Doswell ll CA[11])， 持續(xù)一定時間的較大雨強可產生較強降水。由于本次過程碧峰站降水集中、持續(xù)時間較短，本文著重從降水強度方面分析此次極端降水的產生機理。2.1環(huán)流背景中指出本次過程具備對降水有利的重要天氣系統(tǒng)：高空槽、低渦切變、偏北路徑冷空氣入侵，說明貴州北部已具備發(fā)生強降水的大尺度環(huán)境條件，下面將對探空環(huán)境參數(shù)進行分析。

降水強度(R)可以表達為：R=kEwq，其中：k為比例系數(shù)；E為降水效率；w為云底附近上升氣流；q為云底附近比濕。通常情況下只有在深厚濕對流內部才能產生強烈上升氣流，因此需要有一定大小的環(huán)境對流有效位能，同時對流抑制能不太大，這樣局地某種抬升機制才可觸發(fā)深厚濕對流。臨近強降水發(fā)生的6月11日20時沙坪壩站探空圖(圖3d)和相關數(shù)據(jù)(表1)顯示，925 hPa露點溫度為22.8 ℃，比南面貴陽站的20.2 ℃水汽條件明顯更好；850～ 500 hPa溫差達到22 ℃，層結處于不穩(wěn)定狀態(tài)，K指數(shù)為41.2 ℃，SI指數(shù)為-0.76 ℃，CAPE為551.8 J· kg-1，CIN為47.9 J· kg-1，表明沙坪壩站附近存在一定不穩(wěn)定能量。探空圖整體表現(xiàn)為上干下濕，500 hPa以下濕度均在80%以上，濕層(相對濕度超過80%的厚度)厚度達5000 m，且在480 hPa高度以下層相對濕度均在60%以上，表明濕層深厚，特別是12日08時濕層上升到對流層頂，說明在極端降水發(fā)生的11日夜間強降水區(qū)大氣層有明顯增濕，深厚濕層有利于極端強降水產生。按照Davis[12]劃分的暖云厚度標準，暖云厚度在4 km以上就算很深厚。沙坪壩站探空顯示，抬升凝結高度為916.5 m，0 ℃層高度為5433 m，計算暖云層厚度為4516.5 m，屬于深厚暖云層。大量研究表明，暖云層越厚越有利于高效率強降水的產生[4]，0～6 km風矢量差為0.23 m·s-1，為一個弱垂直風切變，表明沙坪壩周邊的環(huán)境干空氣的夾卷作用弱，有利于周邊較高效率降水發(fā)生。

表1 2020年6月11日20時、6月12日08時沙坪壩站探空站關鍵環(huán)境參數(shù)

圖3 6月11日20時沙坪壩探空圖(a)、6月12日02時沿29°N作濕度場和垂直速度的剖面(b)

綜上所述，據(jù)降水強度公式，碧峰極端降水區(qū)周邊環(huán)境條件有利于產生較強深厚濕對流，因而具有較強云底附近的上升氣流、很高的比濕和高的降水效率，從而有利于極端雨強的出現(xiàn)。

2.3 本地水汽條件

如表2所示，強降水即將來臨前的11日20時，本地水汽含量異常充沛，400 hPa在黃河以南地區(qū)均有1～2 g·kg-1(遵義周邊探空均為1 g·kg-1)比濕存在；500 hPa黃河以南地區(qū)均有3～6 g·kg-1(遵義周邊比濕在3～5 g·kg-1之間)；700 hPa周邊比濕在11～13 g·kg-1之間；850 hPa遵義周邊比濕在14～17 g·kg-1之間，由此可見，強降水區(qū)域整層本地水汽含量均很高，為極端降水產生提供了充足的本地水汽條件。本次過程濕層深厚，由遵義周邊探空站500 hPa、700 hPa和800 hPa溫度露點差可見(表2)，中低層貴州北部處于高濕區(qū)，特別是遵義北部正安等地靠近沙坪壩和恩施的飽和區(qū)。

表2 2020年6月11日20時500 hPa、700 hPa、850 hPa比濕、溫度露點差T-Td

3 雙線偏振雷達在強降水中的應用

本文選用距離強降水地點正安碧峰鎮(zhèn)最近的務川C波段雙偏振多普勒天氣雷達數(shù)據(jù)進行分析，務川雷達站離碧峰鎮(zhèn)約50 km。6月11日22時在遵義市西北部習水境內有降水回波生成并產生了強降水。由圖4可見，6月12日00時02分正安碧峰西南側有弱回波生成后逐漸發(fā)展向東北方向緩慢移動靠近碧峰鎮(zhèn)，此時回波強度較弱，但碧峰西南面不斷有回波單體生成向東北方向移動影響碧峰。碧峰站在00時39分開始出現(xiàn)雨量，但降雨量整體較小，12日02時之前回波整體不強，降雨均較弱，之后隨著西南方向混合型降水回波不斷經過碧峰，形成“列車效應”，回波呈“后向傳播”給碧峰帶來強降水，并在02時25分后隨著低空急流加強，回波不斷發(fā)展增強，在03時15分后迅速增強，最強回波組合反射率因子達到60 dBz。到03時20分后，原碧峰附近對流單體與來自西南方向對流單體的合并增強形成“肥胖弓形”回波，最強反射率因子達65 dBz,強回波維持20 min，對應強回波時段，速度圖(圖5V)上可判別出中尺度渦旋。且通過強回波與差分反射率ZDR對比分析，強回波區(qū)域差分反射率ZDR同樣強，判別云中冰雹干擾較小，主要以濃密的大水滴組成，為強降水回波[13]。對照張培昌等[14]研究內容，當回波強度達到56～60 dBz對應雨強>100 mm·h-1，與實況小時雨強163.3 mm·h-1吻合。03時42分后強回波基本移出碧峰，降雨也隨之明顯減弱。回波頂高資料可見(圖略)，03時15分回波最大頂高達到16.8 km，說明該時段對流非常旺盛。03時15分垂直累積液態(tài)水含量(VIL)最大達到45 kg·m-2，表明水汽異常充沛，分鐘雨量顯示也正是在03時15分—37分降水強度極強，分鐘雨量最大達到6.4 mm·min-1。速度圖顯示(圖5V)，在02時40分—03時26分碧峰附近存在明顯輻合，結合地面加密觀測資料及NCEP再分析10 m風場和100 m風場資料(圖2f)均可見中尺度輻合線存在。在大尺度高空槽、低渦切變強迫下，中尺度輻合系統(tǒng)觸發(fā)深厚濕對流的產生，導致了極端短時強降水，碧峰站雨量顯示，03時25分—35分之間10 min產生64 mm，03時10分—40分之間，30 min雨量達到115.3 mm，對應該時段雷達回波均較強。速度圖顯示中尺度渦旋，回波頂高高、水汽異常充沛。雷達剖面顯示，45 dBz以上強回波超過12 km，對流發(fā)展高度高，結合沙坪壩探空0 ℃高度在6 km左右，表明暖云層厚度較厚，“低質心”高效率暖云降水特征明顯。風廓線顯示(圖6b)，03時09分之前，低層風隨高度順轉，有暖平流，暖平流使低層不穩(wěn)定度增強，有利于不穩(wěn)定能量的集聚，產生更強的降水。03時09分—04時46分后南風分量加大，4.0 km以下均為一致的偏南氣流，在03時09分后風力有所增加，偏南氣流增強，低空急流增強，為強降水提供源源不斷的水汽輸送并增加大氣層結的不穩(wěn)定性，有利于極端強降水的產生。

圖4 不同時次雷達組合反射率回波圖

圖5 6月12日03時26分務川雙偏振多普勒雷達有關參數(shù)

圖6 務川雷達03時15分碧峰附近雷達回波剖面(a)、02時30分—03時26分風廓線(b)

綜合雙偏振雷達參數(shù)(圖5)：差分反射率(ZDR)、相關系數(shù)(CC)、差分傳播相移率(KDP)、粒子分類(HCL)分析，在強回波區(qū)域差分反射率ZDR和差分傳播相移率KDP同樣大，表明降水粒子譜中可能為濃密的大水滴組成，但相關系數(shù)CC較小，說明粒子相態(tài)并不純。結合1.5°和0.5°仰角粒子分類判別，2個仰角均識別出冰雹粒子，表征降水粒子譜中可能還有融化的小冰雹。結合較高的0 ℃層高度，即使在高空有一定含量的小冰雹，因融化層較厚，小冰雹降落到地面有可能完全融化為大雨滴，大量大雨滴短時間內降落極易產生極端短時強降水。張羽等[7]分析了廣州雙偏振天氣雷達在短時強降水中的應用，結果顯示出較大的ZDR和KDP值表明降水粒子譜中含有大量較大的水滴，是造成該次短時強降雨的主要原因，與其結論一致。

圖7 遵義市(a)、正安縣(b)高程圖

4 特殊地形作用

姜玉印等[7]指出極端短時強降水往往與特殊地形密不可分。正安位于貴州省最北端，處于遵義市東北部，大婁山主脈以北的高山溝谷地區(qū)，碧峰鎮(zhèn)位于正安縣城西北面，距縣城37 km。碧峰山高谷深，地勢西高東低，西北兩面山巒重疊，群峰挺拔，山體切割大，溝壑縱橫，素有“七溝八崗十面坡”之稱。集鎮(zhèn)所在地碧峰居三面環(huán)山，開口朝東南方向的“喇叭口”地形內，低層偏南氣流經過芙蓉江水系潮濕下墊面增濕后進入“喇叭口”地形內，遇山脈阻擋，使氣流擾動產生強烈的上升運動和明顯的水汽輻合，地形的動力作用使系統(tǒng)性的風向發(fā)生改變，從而產生地形輻合或輻散，影響垂直運動和降水。朱乾根等[9]指出當盛行風朝著喇叭口地形灌進時，由于地形的收縮，常常引起輻合上升運動的加強和降水量的增大。集鎮(zhèn)所在地中間地勢低洼，4條河流在集鎮(zhèn)處匯入下寺河，上游溪河猛漲，集鎮(zhèn)快速形成洪峰，導致嚴重洪災。

5 結論與討論

①本次過程是在西太平洋副熱帶高壓西進北抬，同時巴爾喀什湖—貝加爾湖橫槽東移南下，西北地區(qū)—四川盆地低槽活躍的背景下產生的。強降雨主要出現(xiàn)在低層低渦切變附近及切變右前側南風輻合區(qū)內，屬暖區(qū)性質降水，偏南氣流明顯風速輻合和地面輻合線是碧峰特大暴雨的重要直接影響系統(tǒng)。

②在北部正安附近低層水汽輻合明顯，高層處于南亞高壓中心控制的強輻散區(qū)，高層輻散抽吸對強降水維持和加強有利；結合“喇叭口”地形特征，低層偏南氣流經過芙蓉江水系潮濕下墊面增濕后進入“喇叭口”地形內，地形對降水增幅作用，使降水更大、雨強更強。

③雷達回波顯示，回波強度強，組合反射率因子最強達到65 dBz,回波頂高高，最高達16.8 km、垂直累積液態(tài)水含量極高(最大45 kg·m-2),均能說明水汽充沛、對流旺盛。雙偏振雷達參數(shù)表明，云中存在大量大雨滴，大量大雨滴短時間內降落極易產生極端短時強降水，加之深厚暖云層、“低質心”高效率降水增加了降水的極端性。

④目前，C波段雙偏振雷達產品在強降水中的應用分析可參考文獻較少，加之所用務川雷達為近兩年新建，其產品的應用研究尚處于試探階段，有待今后進一步深入研究。