廣東一次特大暴雨的雷達(dá)特征分析及其應(yīng)用

冼星河，李嬋珠，張瑋

（東莞市氣象局，廣東東莞 523000）

天氣雷達(dá)是監(jiān)測冰雹、強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)等天氣的有效方法之一。近幾年業(yè)務(wù)上基于新一代天氣雷達(dá)對強(qiáng)對流天氣做了不少研究［1-9］。在局地性特大暴雨的雷達(dá)研究方面，孫繼松等［6］研究了多單體風(fēng)暴的傳播機(jī)制，認(rèn)為具有“列車效應(yīng)”的多單體雷暴一般發(fā)生在低空暖濕氣流或低空急流附近，環(huán)境大氣表現(xiàn)為條件性靜力不穩(wěn)定，雷暴傳播過程中不斷增強(qiáng)的現(xiàn)象，造成波動排列的多單體雷暴形成的最大降水中心，往往出現(xiàn)在傳播路徑的前端；黃小彥等［7］認(rèn)為低空急流及雷暴的冷池密度出流兩者的變化，造成大別山迎風(fēng)坡的MCS在冷池密度流的前沿逐漸組織化，形成后向傳播特征，造成局地強(qiáng)降水帶；章翠紅［8］對北京中部強(qiáng)降水天氣分析，認(rèn)為雷暴冷池出流和暖濕空氣的邊界層交匯和輻合觸發(fā)新生單體；郭鴻鳴等［9］認(rèn)為超級單體風(fēng)暴的后側(cè)陣風(fēng)鋒可觸發(fā)后側(cè)新對流單體，形成后向傳播特征，上升和下沉運(yùn)動的分離可確保單體維持長時間的發(fā)展。在雙偏振雷達(dá)偏振量的應(yīng)用方面，張羽等［4］利用雙偏振雷達(dá)評價(jià)不同的降水估測方法，認(rèn)為當(dāng)降水強(qiáng)度＞20 mm／h時，采用R（KDP）方法進(jìn)行降水估測效果更好。

2020年5月22日凌晨，廣州及東莞突發(fā)極端強(qiáng)降水，作為一種重要臨近預(yù)報(bào)預(yù)警監(jiān)測手段，廣州雙偏振雷達(dá)獲取了完整的雷達(dá)資料。本研究采用廣東省自動氣象站降雨量資料、廣州市雙偏振多普勒天氣雷達(dá)逐6 min體掃資料、Micaps常規(guī)資料，對雷達(dá)觀測到的對流單體風(fēng)暴演變特征進(jìn)行分析，以期為以后短臨監(jiān)測強(qiáng)降水預(yù)報(bào)提供著眼點(diǎn)。

1 降水的時空分布特征

2020年5月21日20：00至22日08：00（北京時，下同），廣州及東莞市突發(fā)極端降水，過程特點(diǎn)：（1）局地性強(qiáng)、累計(jì)雨量大。特大暴雨集中在廣州黃埔、增城和東莞三地交界水平距離40 km、面積不足120 km2的范圍內(nèi)，局地性強(qiáng)，明顯是受中、小尺度對流系統(tǒng)影響造成，共37個測站降水量超250 mm，最大為東莞高埗鎮(zhèn)為399.3 mm。（2）極端短時強(qiáng)降水持續(xù)時間長。東莞高埗滑動100 mm／h的降水強(qiáng)度持續(xù)了3 h，主要集中在22日01：00—04：00。

該次特大暴雨受災(zāi)嚴(yán)重的廣州黃埔、增城及東莞均發(fā)布了暴雨紅色預(yù)警信號，并出現(xiàn)嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，引起社會的廣泛關(guān)注。

2 引發(fā)特大暴雨的天氣系統(tǒng)配置

2.1 動力條件

2020年5月20日08：00，烏拉爾山及日本海域分別有高壓脊控制，我國東北為一個寬槽區(qū)，為典型的“兩脊一槽型”。20日夜間，寬槽引導(dǎo)短波槽過境導(dǎo)致廣東出現(xiàn)多輪暴雨。21日20：00，高空槽東移，華南轉(zhuǎn)受槽后西北氣流控制，對流層低層仍有低渦切變線處于珠三角地區(qū)，南側(cè)有低空急流，低層輻合強(qiáng)，南側(cè)有從南海北伸的暖脊，高層西北氣流疊加在低層暖脊上，位勢不穩(wěn)定增加［10］；高空位于200 hPa南壓高壓東北側(cè)和西風(fēng)急流入口區(qū)右側(cè)的輻散區(qū)，利于維持旺盛的上升運(yùn)動；0～6及0～3 km垂直風(fēng)切變分別為14及10 m／s，達(dá)中等強(qiáng)度，利于出現(xiàn)強(qiáng)降水?；洷睂α鲗拥蛯拥睦淦搅魑茨苣蠅河绊懼槿堑貐^(qū)，但地面有淺薄的冷空氣從清遠(yuǎn)及韶關(guān)南壓激發(fā)強(qiáng)降水，降水集中在低渦東南部低空急流出口區(qū)左側(cè)。

2.2 水汽條件

珠三角位于低空急流的出口區(qū)左側(cè)，南海水汽往珠三角輸送并輻合；各層溫度露點(diǎn)差均小于4℃；在強(qiáng)降水時段，大氣可降水量一直處于50 mm以上的高位，水汽充沛。

2.3 不穩(wěn)定條件

在距東莞100 km內(nèi)的清遠(yuǎn)站21日20：00的探空曲線（圖略）發(fā)現(xiàn)，對流有效位能CAPE值達(dá)2 489 J／kg，K指數(shù)為44℃，兩者數(shù)值均高，表明珠三角處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，具有良好的對流條件。

3 多單體風(fēng)暴演變特征

3.1 多單體風(fēng)暴的觸發(fā)及維持機(jī)制

該次為一次后向傳播的多單體風(fēng)暴引起的特大暴雨。5月21日22：00，地面氣溫圖（圖略）顯示廣州增城區(qū)有淺薄的弱冷空氣向南滲透，觸發(fā)對流單體A生成，并往東南移動靠近東莞北部；22日23：00，2.4°～3.4°仰角速度圖（圖略）顯示2～3 km一支強(qiáng)度為15～20 m／s的低空西南急流吹向?qū)α鲉误w風(fēng)暴A前沿，低層暖濕氣流不僅有利于層結(jié)不穩(wěn)定增加，同時也能形成較強(qiáng)的水汽輻合中心，利于極端強(qiáng)降水的形成［7］，0.5°～1.5°仰角則顯示單體后側(cè)有東北風(fēng)出流形成的冷池。23：36，單體A最大反射率因子超60 dBz；22日00：12—01：00其移動方向的后側(cè)出現(xiàn)氣旋性切變結(jié)構(gòu)（70°～80°，40～45 km）（圖1a），最大轉(zhuǎn)動速度12～14 m／s；強(qiáng)度圖（圖1b）上呈塊狀，已發(fā)展成熟，生命史近2 h，在東莞高埗穩(wěn)定少動，造成第1次強(qiáng)降水并伴有8到9級短時大風(fēng)，此后30 min內(nèi)單體A逐漸在東莞高埗附近消亡。22日00：12—02：00，地面上（圖1c）弱冷空氣以向南和向西南兩條路徑滲透，單體B在溫度梯度大值區(qū)觸發(fā)（圖1c），其發(fā)展模式與單體A類似，最大反射率因子達(dá)66 dBz，造成高埗第2次降水。單體B在發(fā)展階段，其后西北側(cè)仍有對流單體C以同樣的發(fā)展模式觸發(fā)并向東南移動靠近東莞西北部，造成第3次降水。

圖1 廣州雷達(dá)22日01：00 0.5°仰角基本速度圖（a）、基本反射率因子（黑色實(shí)線為剖面方向（垂直于徑向））（b）、地面氣溫（黑色實(shí)線，單位℃）及溫度平流（填色部分，單位：℃·s-1）（c）

由圖1C可知，21日23：00到22日03：00，弱冷空氣以向南和向西南兩條路徑激發(fā)對流單體，多單體A-B-C先后沿著地面冷區(qū)一側(cè)的溫度梯度大值區(qū)觸發(fā)，并在高空槽后側(cè)的西北風(fēng)引導(dǎo)下以西北-東南走向傳播。單體后側(cè)東北風(fēng)出流造成地面冷池的強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，與單體前側(cè)地面暖舌作用導(dǎo)致溫度梯度不斷加大，利于觸發(fā)對流單體。邊界層西南氣流被冷池強(qiáng)烈輻合抬升，驅(qū)動單體的持續(xù)發(fā)展，造成高度組織化的多單體風(fēng)暴，直至單體消亡［7］；在傳播路徑的頂端，單體因處于成熟階段，強(qiáng)度強(qiáng)，后端新的單體因弱冷空氣的觸發(fā)及舊單體冷池的驅(qū)動并不消亡，反而不斷新生發(fā)展，造成后向傳播特征。在幾個小時的生命史周期內(nèi)整個雨帶的軸線僅有微弱的向西偏移分量，基本呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，東莞高埗鎮(zhèn)一帶處于雷暴傳播路徑的頂端，多單體風(fēng)暴后向傳播導(dǎo)致列車效應(yīng)式降水，3 h內(nèi)均有100 mm／h的小時極端強(qiáng)降水。

3.2 垂直結(jié)構(gòu)

沿垂直于雷達(dá)徑向方向（西北-東南向）（圖1b黑實(shí)線）作剖面，顯示典型的后向傳播特征。自西北向東南呈現(xiàn)多單體風(fēng)暴特征（圖2a），其中速度剖面圖（圖2b）顯示單體A與B中上升氣流及下沉氣流形成強(qiáng)垂直風(fēng)切變，利于單體維持長生命期，形成生命史長的成熟單體［9］，單體C上升氣流強(qiáng)度及高度均較弱，為新生單體，即分別為新生單體C、成熟單體B、A。沿徑向方向上（圖略）單體A及B的中層出現(xiàn)中尺度徑向輻合特征，利于單體強(qiáng)度維持發(fā)展并出現(xiàn)下?lián)舯┝鳎?1］。處于不同發(fā)展階段的風(fēng)暴單體均呈現(xiàn)為垂直回波結(jié)構(gòu)，質(zhì)心在3 km以下，為低質(zhì)心、高效率降水的多單體風(fēng)暴。降水粒子的蒸發(fā)和拖曳引起的下沉氣流導(dǎo)致在成熟單體A及B質(zhì)心的下方及偏后地區(qū)的近地層出現(xiàn)強(qiáng)冷池（圖2b圓圈），驅(qū)動舊單體后側(cè)新單體的發(fā)展。這種反饋?zhàn)饔檬沟脤α黠L(fēng)暴西北側(cè)的新對流單體強(qiáng)度的加強(qiáng)，形成長生命史的西北-東南向的多單體風(fēng)暴系統(tǒng)，引發(fā)特大暴雨出現(xiàn)［12］。

圖2 廣州雷達(dá)22日01：00的反射率因子（a）和基本速度（b）的垂直剖面（剖面方向?yàn)閳D2b中垂直于徑向方向的黑色實(shí)線）

4 K DP與降水的關(guān)系

KDP在近地面層強(qiáng)度達(dá)3（°）／km并成塊狀時被稱為KDP印［13-14］，本過程單體A及B在成熟階段的近地面層均出現(xiàn)KDP印，并與反射率高值區(qū)基本重合，微物理特征為液態(tài)和固態(tài)降水粒子密度高、雨強(qiáng)強(qiáng)的區(qū)域。在對最大降水中心高埗鎮(zhèn)中心村的5 min雨量及其與KDP和組合反射率時間分布的對比中發(fā)現(xiàn)（表1），對于單純的強(qiáng)降水而言，KDP較反射率判斷雨強(qiáng)的優(yōu)勢明顯，同樣的反射率值，KDP大則說明降水更強(qiáng)，對精細(xì)化判斷雨強(qiáng)有參考意義［12］。

表1 22日高埗鎮(zhèn)中心村最大降雨時段5 min雨量與組合反射率CR及差分相移率K DP的關(guān)系

5 結(jié)論

1）該次過程出現(xiàn)在高空槽后西北氣流中，低渦切變線配合低空急流仍具有強(qiáng)的輻合抬升作用，在充沛水汽背景、弱冷空氣的觸發(fā)下出現(xiàn)局地性特大暴雨，降水集中在低渦東南部低空急流出口區(qū)左側(cè)。

2）弱冷空氣分別向南及西南擴(kuò)散先后觸發(fā)多單體風(fēng)暴，在高空西北氣流引導(dǎo)下自西北-東南傳播，路徑頂端的單體最早成熟，新生的單體因舊單體形成的冷池驅(qū)動而不斷發(fā)展，造成高組織化的后向傳播特征，東莞高埗鎮(zhèn)一帶位于傳播路徑頂端，列車效應(yīng)式的回波造成局地特大暴雨。

3）垂直剖面圖清晰展示舊單體對新單體造成的冷池驅(qū)動模式，是一次低質(zhì)心、高降水效率的多單體風(fēng)暴過程；中尺度徑向輻合特征利于單體強(qiáng)度維持或發(fā)展并出現(xiàn)下?lián)舯┝鳌?/p>

4）低層KDP印與強(qiáng)降水中心及對流單體的反射率中心重合，微物理特征為粒子密度高、雨強(qiáng)強(qiáng)的區(qū)域，同樣的反射率值，KDP大則說明降水更強(qiáng)，對判斷雨強(qiáng)有參考意義。

本研究著重分析多單體風(fēng)暴的傳播特征及機(jī)制，下一步工作是分析造成局地特大暴雨的環(huán)境場的極端性及給出天氣模型，對預(yù)報(bào)工作有指示應(yīng)用。