佛山相控陣陣列雷達(dá)探測2020年9月4日短時強(qiáng)降水天氣過程的分析*

肖靖宇 楊 玲 俞小鼎 馬舒慶 李彩玲 喬 丹

1 成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，成都 610225 2 中國氣象局大氣探測重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，成都 610225 3 中國氣象局培訓(xùn)中心，北京 100081 4 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081 5 廣東省佛山市氣象局/佛山市龍卷風(fēng)研究中心，佛山 528315 6 雷象科技(北京)有限公司，北京 100089

提 要：為了研究高時空分辨率的相控陣陣列雷達(dá)可否精細(xì)探測強(qiáng)降水的演變，利用質(zhì)量控制后的佛山X波段相控陣陣列天氣雷達(dá)資料，分析了2020年9月4日廣州省佛山市南海區(qū)發(fā)生的一次局地短時強(qiáng)降水天氣過程。分析了16:00—17:30南海區(qū)出現(xiàn)的多單體風(fēng)暴的強(qiáng)度場和三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)，并探究強(qiáng)度場、三維風(fēng)場與降水量之間的關(guān)系。結(jié)果表明：陣列天氣雷達(dá)能夠?qū)?qiáng)對流天氣過程進(jìn)行更精細(xì)的探測。合并階段，觀測到小尺度、短時間內(nèi)多個對流單體的初生、分裂和合并過程。成熟階段，分析γ中尺度氣旋的形成過程以及氣旋式輻合維持時強(qiáng)度場、三維風(fēng)場、散度場和渦度場的結(jié)構(gòu)。消亡階段，分析γ中尺度反氣旋的形成與增強(qiáng)過程。氣旋與反氣旋消失后，單體迅速消亡?；诟邥r空分辨率的強(qiáng)度場和三維風(fēng)場獲得的各統(tǒng)計(jì)量，發(fā)現(xiàn)在自動氣象站降水出現(xiàn)前10～15 min以及最大5分鐘降水出現(xiàn)前5～10 min，反射率因子與水平風(fēng)速有明顯變化。本研究結(jié)果對監(jiān)測預(yù)警短時強(qiáng)降水有預(yù)示作用，為高時空分辨率的相控陣陣列雷達(dá)精細(xì)探測強(qiáng)降水的演變提供了參考依據(jù)。

引 言

短時強(qiáng)降水，主要是指發(fā)生時間短、空間尺度小、降水效率高的對流性降水。1 h雨量≥20 mm或3 h雨量≥50 mm，為典型的中小尺度系統(tǒng)驅(qū)動(俞小鼎，2013；孫繼松，2017)。由于降水強(qiáng)度大，在短時間內(nèi)易形成局地洪水，甚至引發(fā)山體崩塌、滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害，造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失在所有氣象災(zāi)害中是最大的(樊李苗和俞小鼎，2013)。因此研究短時強(qiáng)降水天氣的形成機(jī)制及提前發(fā)布短時臨近預(yù)警，對防災(zāi)減災(zāi)具有非常重要的意義(徐娟等，2014)。

國內(nèi)外許多學(xué)者對短時強(qiáng)降水進(jìn)行了深入的分析。Marks(1985)和Klaassen(1989)對雨強(qiáng)的探測進(jìn)行了深入的研究。張濤等(2012)、陳炯等(2013)、王國榮和王令(2013)、伍紅雨等(2020)研究表明不同區(qū)域受氣候背景、地形和城市下墊面等因素影響，短時強(qiáng)降水表現(xiàn)出一定的時空分布規(guī)律。樊李苗和俞小鼎(2013)、田付友等(2017)、王迪等(2020)研究給出短時強(qiáng)降水天氣的環(huán)境參數(shù)特征。

國內(nèi)眾多學(xué)者利用單部或多部多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行風(fēng)場反演，張勇等(2011)利用組網(wǎng)天氣雷達(dá)產(chǎn)品三維格點(diǎn)反射率因子資料與兩步變分法反演三維風(fēng)場，對2009年第7號臺風(fēng)天鵝的風(fēng)場結(jié)構(gòu)做了分析，結(jié)果表明:兩步變分法較好地反演出“天鵝”臺風(fēng)的水平環(huán)流結(jié)構(gòu)。劉婷婷等(2014)利用單部多普勒雷達(dá)四維變分同化方法反演重慶市兩次局地強(qiáng)降水不同高度水平風(fēng)場，分析了易發(fā)生局地強(qiáng)降水區(qū)域的局地環(huán)流特征，結(jié)果表明:風(fēng)場反演能較準(zhǔn)確地給出低空急流、低層輻合和局地氣旋式渦旋的位置及演變情況。韓頌雨等(2017)研究表明雙雷達(dá)和三雷達(dá)資料能較好地反演降雹超級單體的三維風(fēng)場精細(xì)結(jié)構(gòu)，有助于加深對冰雹云結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，進(jìn)而提高冰雹預(yù)報能力。目前，對于中小尺度天氣系統(tǒng)引起的短時強(qiáng)降水天氣過程的強(qiáng)度場與三維風(fēng)場相互關(guān)系的研究仍有限。

盡管進(jìn)行了大量研究，但是氣象學(xué)界對強(qiáng)對流天氣過程中不同天氣現(xiàn)象的醞釀、發(fā)生、發(fā)展、傳播和消亡等物理過程的認(rèn)識程度遠(yuǎn)不如其他災(zāi)害性天氣過程(如區(qū)域性暴雨、臺風(fēng)等)那樣清晰，這是造成有效預(yù)警能力不足的根本原因(孫繼松等，2014)。目前，相控陣技術(shù)已逐漸應(yīng)用于天氣雷達(dá)領(lǐng)域(吳翀等，2014；劉黎平等，2015)，相控陣?yán)走_(dá)能夠獲取高時空分辨率探測數(shù)據(jù)，對認(rèn)識對流單體中小尺度系統(tǒng)的發(fā)展演變有較大幫助(于明慧等，2019；程元慧等，2020)。利用三個及以上相控陣接收發(fā)射子陣(簡稱子陣)組成的陣列天氣雷達(dá)能夠得到高時空分辨率的強(qiáng)度場和三維反演風(fēng)場，有潛力為強(qiáng)對流天氣過程分析提供技術(shù)支持(馬舒慶等，2019；葉開等，2020)。

本文利用3DVAR(three-dimensional variational data assimilation)風(fēng)場反演算法獲得風(fēng)場(Shapiro et al，2009；Potvin et al，2012；North et al，2017)，該算法已在長沙機(jī)場陣列天氣雷達(dá)進(jìn)行風(fēng)場驗(yàn)證(李渝等，2020)。本文對2020年9月4日佛山市南海區(qū)的一次局地短時強(qiáng)降水天氣過程進(jìn)行分析，展示此次短時強(qiáng)降水的小尺度強(qiáng)度場與三維風(fēng)場等結(jié)構(gòu)特征。選取逐30 s的強(qiáng)度場與三維風(fēng)場反演資料，以及自動氣象站逐5 min降水量資料，研究強(qiáng)度場、三維風(fēng)場與自動站降水量三者之間的聯(lián)系，以期為短時強(qiáng)降水天氣的預(yù)報預(yù)警提供依據(jù)。

1 資料和天氣過程

1.1 資 料

架設(shè)于佛山市的相控陣陣列天氣雷達(dá)(圖 1a)由七個子陣組成，每三個相鄰的子陣為一組進(jìn)行協(xié)同掃描。每個子陣的最大探測距離均為36.48 km，徑向分辨率為30 m。水平方向上每個子陣均采用機(jī)械掃描方式，覆蓋0°～360°方位，垂直方向上采用相控陣多波束掃描技術(shù)，采用4個發(fā)射波束和64個接收波束覆蓋仰角，其中單偏振子陣覆蓋0°～90°仰角，雙偏振子陣覆蓋0°～72°仰角。每三個相鄰的子陣采用近似等邊三角形方式布局，單個子陣體掃時間為30 s，對應(yīng)60°范圍的掃描時間為5 s。理論上，三個子陣的共同覆蓋區(qū)域(簡稱三維精細(xì)探測區(qū))的探測資料時差在5 s以內(nèi)，兩個子陣共同覆蓋區(qū)域的探測資料時差在10 s以內(nèi)，Li et al(2020)研究表明探測資料數(shù)據(jù)時差越小，獲得的風(fēng)場越準(zhǔn)確。三維探測區(qū)外的圓形區(qū)域內(nèi)也有探測資料，這些區(qū)域稱為普通探測區(qū)(圖1b)。

本文所用資料包括2020年9月4日佛山市南海區(qū)(22.90°～23.30°N、112.90°～113.20°E)16—18時(北京時，下同)自動氣象站逐5 min降水資料，9月4日16:00—17:30廣州CINRAD/SA雷達(dá)(簡稱廣州雷達(dá))基數(shù)據(jù)，佛山市陣列天氣雷達(dá)三水潮灣站子陣3(簡稱子陣3)、禪城梧村站子陣6(簡稱子陣6)、南海尖峰嶺子陣7(簡稱子陣7)雷達(dá)基數(shù)據(jù)，以及三部子陣融合強(qiáng)度場與三維風(fēng)場反演資料。廣州雷達(dá)基數(shù)據(jù)僅用于雷達(dá)資料對比驗(yàn)證，本文天氣過程分析均使用陣列天氣雷達(dá)資料，三維風(fēng)場反演資料為單體內(nèi)部風(fēng)場。強(qiáng)度場與三維反演風(fēng)場資料:水平格點(diǎn)間隔為100 m，反演層數(shù)為75層，垂直格點(diǎn)間隔為200 m。

1.2 天氣過程和雷達(dá)回波分析

2020年9月4日東亞大槽加深東移，槽后西北氣流帶動冷空氣南下，佛山處于槽前偏西南氣流中，588 hPa等壓線控制廣東。925 hPa上切變線位于粵北地區(qū)，有一支西南氣流從海南東側(cè)海面向北延伸到珠江三角洲西部，另外有一支東北氣流從臺灣海峽南下影響到珠江三角洲東部地區(qū)，二者在珠三角附近形成輻合，700 hPa和850 hPa上切變線位于長江流域南側(cè)一帶，切變線南側(cè)有偏西風(fēng)急流在湖南和江西北部發(fā)展，200 hPa上珠三角地區(qū)恰好處于偏北顯著氣流和西北顯著氣流兩支氣流直接的分流區(qū)。地面上弱低壓在北部灣維持，本地受類均壓場控制。距離佛山南海區(qū)最近的清遠(yuǎn)探空站2020年9月4日08時探空站資料表明:各層大氣相對濕度較大，對流有效位能(CAPE)值為2 100 J·kg-1，對流抑制能量(CIN)值為0 J·kg-1，不穩(wěn)定能量充足(圖2)。綜上所述，佛山2020年9月4日有充沛的水汽和水汽輻合，地面與700 hPa之間的條件不穩(wěn)定結(jié)合低層水汽條件形成CAPE大值，具有顯著的深厚濕對流潛勢。此外，更大尺度范圍內(nèi)低層輻合，高層輻散，周邊環(huán)境為上升氣流，有利于CAPE增大，CIN減小，深厚濕對流形成的可能性將更大。

圖2 2020年9月4日08時清遠(yuǎn)站T-lnp圖

2020年9月4日16:00—17:00，佛山市南海區(qū)有多個單個單體或多單體結(jié)構(gòu)的對流風(fēng)暴生成，形成多單體風(fēng)暴群，回波演變過程見圖3。合并階段，16:00多單體1、多單體2均在進(jìn)行內(nèi)部合并(簡稱第一次合并)(圖3a1)，16:05多單體1上方出現(xiàn)新的對流單體(簡稱單體1)(圖3a2)，16:11單體1迅速發(fā)展，其右側(cè)出現(xiàn)新的對流單體(簡稱單體2)，此時多單體1、多單體2內(nèi)部合并結(jié)束并分別發(fā)展成為新的對流單體(簡稱單體3、單體4)(圖3a3)，16:11—16:28單體3及單體4開始分裂，單體1、單體2、單體3、單體4逐漸合并(簡稱第二次合并)，并向東北方向移動(圖3a4～3a7)。16:30合并階段結(jié)束，第二次合并后形成的對流單體分裂為兩個新的對流單體(簡稱單體5、單體6)(圖3a8)，單體5進(jìn)入成熟階段。成熟階段，16:30—16:50單體5發(fā)展旺盛并向東北方向緩慢移動，單體6移動更快(圖3b1～3b2)。消亡階段，16:50單體5轉(zhuǎn)為消亡階段，17:15單體5與右側(cè)新生對流單體(簡稱單體7)合并(簡稱第三次合并)(圖3c1～3c4)，之后回波整體向東移動，迅速消亡?；夭ǚ治鲲@示，相控陣?yán)走_(dá)可以精細(xì)地探測對流單體合并、成熟及消亡的演變過程。

圖3 2020年9月4日16:00—17:30在0.1～14.9 km高度上的組合反射率回波演變(a)合并階段:(a1)16:00,(a2)16:05,(a3)16:11,(a4)16:15,(a5)16:18,(a6)16:25,(a7)16:28,(a8)16:30;(b)單體5成熟階段:(b1)16:40,(b2)16:48;(c)單體5消亡階段:(c1)16:50,(c2)17:00,(c3)17:15,(c4)17:30

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

風(fēng)場反演前，對雷達(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行地物雜波濾除、徑向速度退模糊和衰減訂正等質(zhì)量控制(Holleman and Beekhuis，2003；魏萬益等，2020；肖柳斯等，2021)，之后進(jìn)行如下數(shù)據(jù)檢驗(yàn)流程：金屬球定標(biāo)、子陣間徑向速度對比、反演風(fēng)場正確性和合理性檢驗(yàn)。

當(dāng)各收發(fā)子陣架設(shè)后，要檢查徑向速度的正確性。檢查方法如下:

(1)金屬球定標(biāo)。采用金屬球定標(biāo)法對各子陣的徑向速度進(jìn)行機(jī)外標(biāo)定。以子陣3為例進(jìn)行說明，采用快速掃描模式，體掃時間調(diào)整為15 s。在2019年11月24日，獲取連續(xù)10個體掃樣本，利用金屬球相對于子陣3的實(shí)際徑向速度與子陣3所測徑向速度進(jìn)行對比，子陣3的最大徑向速度探測誤差為0.2 m·s-1，滿足徑向速度探測精度為1 m·s-1的設(shè)計(jì)要求。子陣3探測的方位角、俯仰角、距離與金屬球?qū)嶋H的方位角、俯仰角、距離存在一個固定偏差，方位角偏差量平均為2.16°，俯仰角偏差量平均為0.28°，距離偏差量平均為189 m。不符合精度要求，因此后續(xù)對子陣3指北和天線俯仰角及距離庫探測進(jìn)行了相應(yīng)角度的修正。對子陣6、子陣7也采用該方法進(jìn)行正確性檢驗(yàn)，并進(jìn)行相應(yīng)修正。

(2)子陣間徑向速度對比驗(yàn)證。以子陣3與子陣6對比為例，選取2020年9月4日16:01—16:17間隔30 s連續(xù)33個時刻數(shù)據(jù)，0°仰角連線中點(diǎn)處徑向速度進(jìn)行對比(子陣3徑向速度大小取反以便于對比分析)。子陣3與子陣6的各時刻徑向速度均滿足方向相反(即數(shù)值取反)的設(shè)計(jì)要求，徑向速度值之差最大為2 m·s-1(圖4a)。子陣6與子陣7也采用該方法選取2020年9月4日16:27—16:40間隔30 s連續(xù)27個時刻數(shù)據(jù)進(jìn)行徑向速度對比驗(yàn)證(圖4b)。結(jié)果表明，滿足兩部子陣連線中點(diǎn)處徑向速度大小基本相同，方向相反，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 2020年9月4日(a,b)16:01—16:17和(c,d)16：27—16：40子陣連線中點(diǎn)徑向速度對比(a)子陣3與子陣6徑向速度(子陣3數(shù)值取反)，(b)子陣3與子陣6徑向速度絕對值差，(c)子陣6與子陣7徑向速度(子陣7數(shù)值取反)，(d)子陣6與子陣7徑向速度絕對值差

(3)反演風(fēng)場正確性和合理性檢驗(yàn)。李渝等(2020)利用部署在湖南省長沙黃花機(jī)場的陣列天氣雷達(dá)2019年雷達(dá)資料進(jìn)行外場試驗(yàn)，研究結(jié)果表明:1)在穩(wěn)定性降水過程中，反演與風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品較為一致，比較合理；2)陣列天氣雷達(dá)反演風(fēng)場在不同的降水類型下得到的風(fēng)場結(jié)構(gòu)符合各類天氣系統(tǒng)的基本特征，較為合理。

3 強(qiáng)度場與三維風(fēng)場分析

本次強(qiáng)對流天氣過程發(fā)展迅速，涉及多個單體。下文將該次過程分為合并階段、成熟階段和消亡階段進(jìn)行詳細(xì)分析，各階段觀測的對流單體均處于三部及以上子陣所構(gòu)成的三維精細(xì)探測區(qū)內(nèi)。

3.1 雷達(dá)資料對比驗(yàn)證

為進(jìn)一步檢查該個例使用的強(qiáng)度場與三維風(fēng)場反演資料的正確性，利用廣州雷達(dá)和子陣3、子陣6、子陣7基數(shù)據(jù)以及三部子陣融合強(qiáng)度場與三維風(fēng)場反演資料進(jìn)行相互對比驗(yàn)證，由于廣州雷達(dá)與相控陣陣列天氣雷達(dá)子陣波段不同，各項(xiàng)硬件參數(shù)不同，故在大雨滴和冰雹等情況下探測到的回波強(qiáng)度存在固有的不一致，并且兩者空間分辨率也有很大差異，故下文僅從定性的角度進(jìn)行一致性分析。以2020年9月4日16:58廣州雷達(dá)9.78°仰角PPI資料(對應(yīng)高度約為6.3 km)，子陣3在6.3 km高度的CAPPI資料以及6.3 km高度處強(qiáng)度場與反演風(fēng)場資料為例，進(jìn)行對比說明。

強(qiáng)回波指≥45 dBz的回波區(qū)域(韓光，2008)。廣州雷達(dá)、子陣3以及融合強(qiáng)度場(圖5a1～5a3)的回波形狀以及強(qiáng)回波區(qū)域均較為一致。子陣3與廣州雷達(dá)雖然架設(shè)于不同的位置(圖1a)，但徑向速度圖中(圖5b1，5b2)均存在兩處明顯的正負(fù)徑向速度交界線。6.3 km高度上，反演風(fēng)場顯示單體5左側(cè)與右側(cè)分別出現(xiàn)清晰可見的氣旋與反氣旋，且風(fēng)速大值區(qū)與子陣3的徑向速度大值區(qū)一致(圖5a3)。兩部及以上子陣覆蓋區(qū)域與回波區(qū)域大小幾乎相同(圖5b3)。故本次強(qiáng)對流天氣過程資料完整且較為準(zhǔn)確能夠用于分析。

圖5 2020年9月4日16:58雷達(dá)對比(a1,b1)廣州雷達(dá)9.78°仰角(雷達(dá)架設(shè)于圖1a東南方位):(a1)基本反射率因子,(b1)徑向速度;(a2,b2)子陣3在6.3 km高度(子陣架設(shè)于圖1a西北方位):(a2)基本反射率因子,(b2)徑向速度;(a3,b3)6.3 km高度：(a3)強(qiáng)度場(填色)與風(fēng)場(風(fēng)羽),(b3)子陣覆蓋數(shù)量(填色)與風(fēng)場(風(fēng)羽)

3.2 合并階段

16:01—16:10第一次合并，多單體1、多單體2內(nèi)部各對流單體都處于相近的發(fā)展增強(qiáng)階段，合并后發(fā)展增強(qiáng)。16:11—16:30第二次合并(圖3a3～3a8)，單體1、單體2發(fā)展增強(qiáng)，單體3、單體4開始分裂并迅速減弱，之后單體1、單體2與單體3、單體4分裂出的上側(cè)回波合并，回波迅速增強(qiáng)，回波頂迅速升高，之后逐漸合并為一個對流單體，向東北方向緩慢移動，而單體3、單體4分裂出的下側(cè)回波卻減弱。

翟菁等(2012)在數(shù)值模擬中把兩個對流單體云團(tuán)之間的合并分為兩類：第一類合并為發(fā)展強(qiáng)度接近的單體之間的合并，兩個單體都處于相近的發(fā)展增強(qiáng)階段，則合并后單體發(fā)展增強(qiáng)，上文第一次合并與之相同。第二類合并為發(fā)展不同的單體之間的合并，一個單體處于發(fā)展期，而另一個單體處于成熟至成熟后的衰減期，合并過程中一個單體得到增強(qiáng)，而另一個單體卻減弱。上文第二次合并中單體3、單體4分裂時回波迅速減弱，之后分裂出的上側(cè)回波與單體1、單體2合并得到增強(qiáng)，而分裂出的下側(cè)回波逐漸減弱，這與單純的一個單體增強(qiáng)，另一個單體減弱的結(jié)果略有不同。

3.3 成熟階段

16:35強(qiáng)回波中心面積增大，回波頂略微升高至13.1 km，中低層(2.1～5.1 km)在強(qiáng)回波區(qū)域出現(xiàn)氣旋(圖6b1，6b2)，強(qiáng)回波區(qū)域面積增大，氣旋周圍風(fēng)速略微增大。之后回波頂迅速升高至14.9 km，氣旋向上、向下增長，水平范圍擴(kuò)大并逐漸形成閉環(huán)。

16:48單體5回波觸地，回波頂高14.9 km，最大反射率因子約為65 dBz，形成γ中尺度氣旋，直徑最大約為6 km，厚度約為7 km，自1.1 km高度處延伸至8.1 km。2.1 km(圖6c1)高度上，氣旋位于單體5左上側(cè)強(qiáng)回波中心處，直徑約為3 km。氣旋左上側(cè)風(fēng)速較小，右下側(cè)風(fēng)速較大，最大約為12 m·s-1。在4.1 km(圖6c2)高度上，氣旋位置相對2.1 km(圖6c1)高度略向右下側(cè)分布，氣旋直徑顯著增大至6 km 左右。6.1 km(圖6c3)高度上，氣旋位置相對4.1 km(圖6c2)高度略向右下側(cè)分布，氣旋中心反射率因子減小，直徑幾乎不變。該高度上氣旋左下側(cè)風(fēng)速較大，右上側(cè)風(fēng)速較小，最大約為14 m·s-1。散度場、渦度場與風(fēng)場對應(yīng)情況較好，風(fēng)場中氣旋式輻合處以負(fù)散度正渦度為主，最小散度值約為-3.8×10-2s-1，最大渦度值約為7.1×10-2s-1。氣旋外圍表現(xiàn)為較強(qiáng)輻散，氣旋右側(cè)既存在輻合中心又存在輻散中心，但整體表現(xiàn)為負(fù)渦度，形成反氣旋趨勢(圖6d1，6d2)。7.1 km(圖6c4)高度上，氣旋位置相對6.1 km(圖6c3)高度幾乎不變，強(qiáng)回波區(qū)域面積顯著減小，氣旋右側(cè)風(fēng)向出現(xiàn)明顯切變，由6.1 km高度東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，反氣旋趨勢更為明顯。

圖6 2020年9月4日成熟階段(a)16:30,(b)16:35,(c)16:48不同高度的強(qiáng)度場(填色)與三維風(fēng)場(風(fēng)羽)，(d)16:48的(d1)散度場(填色)和(d2)渦度場(填色)與三維風(fēng)場(風(fēng)羽)

該階段單體5發(fā)展旺盛，途徑的各自動站站點(diǎn)逐5 min降水量較多，最大值約為7 mm(圖8a)，單體5從對流層低層直到中高層一直存在氣旋式輻合，且氣旋位置及強(qiáng)回波中心隨高度的增加逐漸向東南方向傾斜，在強(qiáng)降水回波發(fā)展旺盛時輻合區(qū)上空疊加有輻散區(qū)。郝瑩等(2012)分析多次短時強(qiáng)降水的徑向速度場，發(fā)現(xiàn)中小尺度輻合的穩(wěn)定維持是強(qiáng)降水持續(xù)的主要原因，本文成熟階段的強(qiáng)度場與三維風(fēng)場反演資料進(jìn)一步清晰地展示了形成中小尺度氣旋式輻合的過程，氣旋式輻合維持時各高度上強(qiáng)度場與三維風(fēng)場、氣旋最強(qiáng)處散度場與渦度場的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

3.4 消亡階段

16:50中高層(6.1～7.1 km)在強(qiáng)回波區(qū)出現(xiàn)反氣旋(圖7a1，7a2)，之后反氣旋向上略微增長，水平范圍擴(kuò)大并逐漸形成閉環(huán)，氣旋水平范圍逐漸縮小?；夭敻咧饾u降低，強(qiáng)回波面積逐漸減小，單體5移動速度變快。

17:00單體5回波觸地，回波頂高下降至14.1 km，最大反射率因子約為65 dBz，形成γ中尺度反氣旋，直徑最大約為6 km，厚度約為3 km，自6.1 km高度處延伸至9.1 km。2.1 km(圖7b1)高度上氣旋消失，表現(xiàn)為很強(qiáng)的水平風(fēng)切變。4.1 km(圖7b2)高度上，氣旋位于單體5左上側(cè)，與16:48相同高度上(圖6c2)比較，氣旋向左上移動，輻合減弱。最大風(fēng)速由14 m·s-1減小至10 m·s-1，整體風(fēng)速減小，氣旋中心反射率因子顯著降低，強(qiáng)回波面積顯著減小，整個回波面積顯著增大，單體5右側(cè)風(fēng)場出現(xiàn)明顯風(fēng)切變。6.1 km高度(圖7b3)與16:48相同高度上(圖6c3)比較，氣旋受到右側(cè)反氣旋影響，分為左上側(cè)、左下側(cè)兩個氣旋。7.1 km(圖7b4)高度上，氣旋左下側(cè)與反氣旋右上側(cè)風(fēng)速較大，最大約為18 m·s-1，回波強(qiáng)度較強(qiáng)，最大反射率因子約為60 dBz。兩者交界處風(fēng)速較小，最大約為10 m·s-1，回波強(qiáng)度較弱，最大反射率因子約為40 dBz。該層強(qiáng)度場與三維風(fēng)場為外圍強(qiáng)度大，風(fēng)速大，中心強(qiáng)度小，風(fēng)速小的結(jié)構(gòu)。散度場、渦度場與風(fēng)場對應(yīng)情況較好，風(fēng)場中反氣旋式輻散處以正散度負(fù)渦度為主，其中最大散度值約為4.5×10-2s-1，最小渦度值約為-5.7×10-2s-1(圖7e1,7e2)。反氣旋左側(cè)的兩個氣旋中風(fēng)切變較強(qiáng)，以輻合為主，但局部已經(jīng)開始形成輻散，整體表現(xiàn)為正渦度。

圖7 2020年9月4日消亡階段(a)16:50,(b)17:00,(c)17:10,(d)17:22不同高度的強(qiáng)度場(填色)與三維風(fēng)場(風(fēng)羽)，(e)17:00的(e1)散度場(填色)和(e2)渦度場(填色)與三維風(fēng)場(風(fēng)羽)

17:10強(qiáng)回波面積進(jìn)一步減小，反氣旋向下延伸至4.1 km，該高度(圖7c1)與17:00相同高度上(圖7b2)比較，回波面積增大，但強(qiáng)回波面積減小，氣旋處風(fēng)速顯著減小，對應(yīng)位置最大反射率因子由60 dBz顯著減小至45 dBz，氣旋右側(cè)回波強(qiáng)度變化較小，單體5右側(cè)有單體7正在發(fā)展。7.1 km高度(圖7c2)與17:00相同高度上(圖7b4)比較，反氣旋范圍顯著擴(kuò)大，回波強(qiáng)度減弱，面積縮小。

（八） 藥敏試驗(yàn) 采用紙片擴(kuò)散法，用無菌棉簽蘸取分離菌的血清肉湯培養(yǎng)物，均勻涂布于鮮血瓊脂平板，在瓊脂平放上向一個方向均勻涂布然后將平板每轉(zhuǎn)動60度涂布一次，共涂三次最后沿平板邊緣涂布一圈；加蓋后放置5 min，待平板稍干后，用無菌鑷子將各種藥敏紙片分別平貼在培養(yǎng)基表面，并輕壓使其緊貼平板表面，每個平板貼4張藥敏紙片，兩紙片相距25 mm，紙片與平板邊緣不小于15 mm，貼好紙片的平板于37度培養(yǎng)24 h，觀察結(jié)果。結(jié)果按抑菌圈直徑大小和各抗菌藥的具體標(biāo)準(zhǔn)，評定為高度敏感、中度敏感或耐藥。結(jié)果評定參照表2。

17:22單體5回波頂高降至10.1 km，與右側(cè)單體7合并，消亡速度放緩。4.1 km高度(圖7d1)與17:10相同高度(圖7c1)比較，最顯著的變化是氣旋消失，回波強(qiáng)度減弱。7.1 km(圖7d2)與17:10相同高度上(圖7c2)比較，最顯著的變化是反氣旋消失，回波強(qiáng)度減弱。之后對流單體迅速消亡，所經(jīng)過自動站站點(diǎn)逐5 min累計(jì)降水量顯著減少。

4 反射率因子、三維風(fēng)場與自動站降水量的關(guān)系初探

基于陣列天氣雷達(dá)高時空分辨率的特點(diǎn)，選取逐30 s的反射率因子場與三維風(fēng)場反演資料，以及回波移動路徑上的自動氣象站逐5 min累計(jì)降水量資料(圖8a)，探究反射率因子(即強(qiáng)度)場、三維風(fēng)場與自動站降水量三者之間的聯(lián)系。

圖8 2020年9月4日(a)單體5(紅色三角)與單體6(藍(lán)色三角)經(jīng)過的部分自動氣象站16—18時累計(jì)降水量；(b)單體5,(c)單體6經(jīng)過的自動氣象站降水量統(tǒng)計(jì)

選取單體5經(jīng)過的6個自動氣象站站點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖8b)，同時為探究三維風(fēng)場的影響，將各階段發(fā)展情況類似，但沒有形成深厚持久氣旋與反氣旋的單體6經(jīng)過的8個有降水的和3個無降水或降水很少的自動氣象站站點(diǎn)也進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖8c)。單體5經(jīng)過的自動氣象站，最大累計(jì)降水量為27.9 mm。單體6經(jīng)過的自動氣象站，最大累計(jì)降水量為18.6 mm。以各自動氣象站站點(diǎn)為中心，水平范圍1 km×1 km，統(tǒng)計(jì)自動站出現(xiàn)降水的前后20 min之間逐30 s的下列均值:1)垂直范圍0～6 km的反射率因子均值(簡稱反射率因子)；2)垂直范圍0～3 km的水平風(fēng)速均值(簡稱0～3 km風(fēng)速)；3)垂直范圍3～6 km的水平風(fēng)速均值(簡稱3～6 km風(fēng)速)；4)垂直范圍0～6 km的渦度、散度均值(簡稱渦度、散度)；5)垂直范圍0～6 km的正渦度、負(fù)散度均值(簡稱正渦度、負(fù)散度)。

選取以自動站為中心水平范圍1 km×1 km，可以更好地觀測各統(tǒng)計(jì)量，得到相對平穩(wěn)的變化趨勢，利于找出各統(tǒng)計(jì)量之間的關(guān)系。對垂直范圍0.1 km，0～1 km，0～3 km，0～6 km反射率因子統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)四者所繪制的曲線變化趨勢基本一致，但前三者存在較大抖動，故選擇更為平穩(wěn)的0～6 km反射率因子作為統(tǒng)計(jì)量，以更好地觀察與自動氣象站5 min降水量之間的關(guān)系。Wu et al(2020)通過數(shù)值模擬表明風(fēng)場變化對風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和組織有重要影響，對流層中層或低層風(fēng)場的增強(qiáng)有利于對流的發(fā)展。且據(jù)統(tǒng)計(jì)0～6 km風(fēng)速均值與0～6 km正渦度變化趨勢較為一致，故低層風(fēng)場選擇0～3 km，中層風(fēng)場選擇3～6 km，以0～3 km與3～6 km的風(fēng)速均值作為統(tǒng)計(jì)量。

單體5和單體6經(jīng)過的各自動站站點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)量結(jié)果表明(表1):單體5與單體6的反射率因子最大值均為55 dBz，單體5存在深厚持久的氣旋、反氣旋，0～3 km與3～6 km風(fēng)速統(tǒng)計(jì)量最大值均大于單體6，且單體5經(jīng)過的自動站中的最大累計(jì)降水量遠(yuǎn)大于單體6。

表1 單體5與單體6的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)量對比

觀察各站點(diǎn)中各統(tǒng)計(jì)量之間的關(guān)系，得到以下特點(diǎn)(圖9，其余站點(diǎn)略):

圖9 2020年9月4日(a)G6866,(b)G6838,(c)G2280站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量

1)最大反射率因子一般出現(xiàn)在最大5分鐘降水前的5～10 min，降水發(fā)生時，反射率因子會有略微減小，在最大5分鐘降水發(fā)生前略微增大，之后迅速減小。通常出現(xiàn)強(qiáng)降水的站點(diǎn)最大反射率因子遠(yuǎn)大于無降水或降水很少的站點(diǎn)。

2)0～3 km風(fēng)速與反射率因子變化趨勢較為一致，在最大5分鐘降水發(fā)生前5～10 min迅速減小。通常出現(xiàn)強(qiáng)降水的站點(diǎn)0～3 km風(fēng)速最大值均大于2 m·s-1，最大為7 m·s-1，無降水或降水很少的站點(diǎn)0～3 km風(fēng)速最大值均小于2 m·s-1。

3)3～6 km風(fēng)速在降水發(fā)生前10～15 min會達(dá)到第一個極值，在最大5分鐘降水發(fā)生前后 5 min 達(dá)到最大值，通常3～6 km風(fēng)速最大值更大，且后于0～3 km風(fēng)速達(dá)到最大值。

4)正渦度與負(fù)散度變化趨勢基本一致，在最大5分鐘降水發(fā)生前5～10 min迅速減小，與0～3 km風(fēng)速變化趨勢較為一致。

5 結(jié)論與討論

對2020年9月4日佛山市局地短時強(qiáng)降水天氣過程分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)2020年9月4日佛山市滿足強(qiáng)對流天氣發(fā)生所需要的水汽條件，不穩(wěn)定層結(jié)條件和抬升條件，CAPE值充分大，CIN值較小，自動站數(shù)據(jù)表明4日下午佛山市南海區(qū)出現(xiàn)了局地短時強(qiáng)降水天氣過程。

(2)通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和雷達(dá)資料對比等方法驗(yàn)證，證明陣列天氣雷達(dá)徑向速度資料完整，較為準(zhǔn)確，反演風(fēng)場較為合理，能夠用于對此次短時強(qiáng)降水過程的分析。

(3)強(qiáng)度場與三維風(fēng)場分析發(fā)現(xiàn)：合并階段，各單體發(fā)生多次分裂、合并，觀測到兩類不同發(fā)展階段的對流單體之間的合并過程，一類是發(fā)展強(qiáng)度接近的單體之間的合并，合并后單體發(fā)展增強(qiáng)，一類是發(fā)展強(qiáng)度不同的單體之間的合并，處于成熟期的單體分裂成兩個單體，一個單體與發(fā)展期單體合并得到增強(qiáng)，一個單體逐漸減弱。成熟階段，回波中低層風(fēng)場出現(xiàn)較強(qiáng)切變，之后強(qiáng)回波中心迅速形成γ中尺度氣旋，氣旋形成后自動氣象站測得的降水量明顯增加，表明氣旋式輻合的穩(wěn)定維持是強(qiáng)降水持續(xù)的主要原因。消亡階段，強(qiáng)回波區(qū)形成γ中尺度反氣旋，反氣旋逐漸增強(qiáng)，氣旋逐漸減弱，降水量明顯減少，回波移動速度加快。最終，氣旋與反氣旋均消失，對流單體迅速消亡。該次短時強(qiáng)降水天氣過程分析表明，陣列天氣雷達(dá)能夠?qū)?qiáng)對流天氣過程進(jìn)行更為精細(xì)的探測。

(4)強(qiáng)度場、三維風(fēng)場與自動站降水量的關(guān)系初探：從高時空分辨率的強(qiáng)度場、三維風(fēng)場中獲得的各統(tǒng)計(jì)量對短時強(qiáng)降水有一定預(yù)示作用。最顯著的關(guān)系特點(diǎn)為：水平范圍均為1 km×1 km，垂直范圍 0～6 km反射率因子均值、垂直范圍0～3 km風(fēng)速均值、垂直范圍0～6 km正渦度與負(fù)散度均值的最大值通常出現(xiàn)在最大5分鐘降水前5～10 min，垂直范圍3～6 km風(fēng)速均值的第一個極值通常出現(xiàn)在降水前10～15 min，最大值通常出現(xiàn)在最大5分鐘降水前后5 min。

盡管本文對該次局地短時強(qiáng)降水天氣過程進(jìn)行了詳細(xì)的強(qiáng)度場與三維風(fēng)場分析，但并未對垂直速度進(jìn)行分析，因?yàn)榻邓Ｗ酉侣淠┧俣扔?jì)算如果存在較大誤差會使垂直速度的結(jié)果不準(zhǔn)確。未來將開展對降水粒子下落末速度的估算，探索垂直氣流的計(jì)算方法，同時對強(qiáng)度場、三維風(fēng)場與自動站降水量之間的關(guān)系進(jìn)行深入研究，將統(tǒng)計(jì)分析更多個例，進(jìn)一步探究這些特征的形成機(jī)理。