銅鼓一次大暴雨過(guò)程雷達(dá)回波特征分析

劉 娟，馬中元，徐春華，辛珂鈺，張王鵬，李正陳

(1.銅鼓縣氣象局，銅鼓 336200；2.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046)

0 引言

銅鼓縣是江西省宜春市下轄縣，地處贛西北邊陲，東鄰宜豐縣，南接萬(wàn)載縣，西鄰湖南瀏陽(yáng)市、平江縣，北連修水縣，全縣國(guó)土面積1552 km2。銅鼓縣管轄6鎮(zhèn)3鄉(xiāng)4個(gè)國(guó)有林場(chǎng)，常住人口為116，418人。銅鼓的地理環(huán)境決定了銅鼓是降水災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，暴雨、大暴雨、冰雹、雷暴大風(fēng)、地質(zhì)等自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。尤其是大暴雨天氣，給銅鼓縣及鄉(xiāng)鎮(zhèn)村、林場(chǎng)帶來(lái)嚴(yán)重危害。因此，大暴雨天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警、回波特征識(shí)別、短臨預(yù)報(bào)的開(kāi)展是重要的研究課題。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)大暴雨天氣做了大量研究，如造成特大暴雨的強(qiáng)對(duì)流回波帶與近地面層925 hPa輻合區(qū)位置一致，而且回波單體移向與回波帶走向一致[1]。暴雨的雷達(dá)回波特征主要是絮狀回波帶，回波單體強(qiáng)度雖然不強(qiáng)，但維持時(shí)間較長(zhǎng)，反復(fù)經(jīng)過(guò)一地，單體回波呈現(xiàn)“列車效應(yīng)”，最后形成暴雨或大暴雨天氣[2，3]?！?0 mm/10 min的超短時(shí)強(qiáng)降水是構(gòu)成≥30 mm/h和≥50 mm/2 h短時(shí)強(qiáng)降水的重要組成部分[4]。在雷達(dá)拼圖上，絮狀回波帶回波強(qiáng)度為40～45 dBZ，但降水時(shí)間較長(zhǎng)，易形成大暴雨[5，6]。短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)暴雨貢獻(xiàn)率基本在40%以上[7]。通過(guò)對(duì)16 a資料的統(tǒng)計(jì)，低槽類出現(xiàn)最多，占50.3%，熱帶系統(tǒng)類占23.0%，副熱帶高壓控制類占13.7%，副熱帶高壓邊緣類占9.9%[8]。大暴雨中的短時(shí)強(qiáng)降水還與所處的地形條件和邊界層風(fēng)場(chǎng)相關(guān)[9-11]。這些研究成果為文章研究提供了參考。

文章使用MICAPS常規(guī)天氣圖、江西省自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)、江西WebGIS雷達(dá)拼圖等資料，對(duì)2021-08-25銅鼓大暴雨天氣的雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析，總結(jié)出可供識(shí)別短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)回波特征，為銅鼓大暴雨天氣的短臨預(yù)警預(yù)報(bào)提供分析依據(jù)。

1 資料來(lái)源

常規(guī)天氣圖資料來(lái)源于MICAPS平臺(tái)；雨量等氣象資料來(lái)源于江西省自動(dòng)氣象站地面要素查詢平臺(tái)；雷達(dá)回波資料來(lái)源于江西WebGIS雷達(dá)拼圖平臺(tái)。文中涉及的地圖邊界均是基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2017)3320號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，Micaps地圖的審圖號(hào)：GS(2019)3082號(hào)。全文使用北京時(shí)間。

2 天氣實(shí)況、閃電分布和天氣背景

2.1 降水實(shí)況

2021-08-24T20:00—2021-08-25T20:00，江西贛北南部與贛中北部出現(xiàn)1次東—西走向的大暴雨過(guò)程(圖1a)。大暴雨分為3個(gè)中心：銅鼓、南昌、德興。其中銅鼓大暴雨是文章研究重點(diǎn)。銅鼓隸屬宜春市，位于宜春市最北部，也是這次大暴雨過(guò)程的一個(gè)中心(圖1b)。銅鼓縣境內(nèi)多個(gè)區(qū)域站都出現(xiàn)≥100 mm/24 h大暴雨，其中銅鼓103.7 mm/24 h。這次大暴雨主要分布在銅鼓中南和西部(圖1c)，有8個(gè)站≥100 mm/24 h，最大156.1 mm/24 h(高橋)。從4 h雨量(圖1d)上看，銅鼓大暴雨基本上在25日03:00—07:00產(chǎn)生，短時(shí)強(qiáng)降水特征十分明顯，最大雨強(qiáng)36.6 mm/h(高橋)。

圖1 2021-08-25T20:00大暴雨過(guò)程天氣實(shí)況圖(mm/24 h，mm/4 h)

2.2 閃電分布

短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生的大暴雨天氣都是由對(duì)流性雷暴天氣所導(dǎo)致，因此，閃電的活動(dòng)可以判斷出雷暴天氣的活躍度；另一個(gè)方面，伴有閃電活動(dòng)的雷暴云，與普通陣雨相比具有較高的降水效率。因此，閃電次數(shù)的多少、正負(fù)閃電的強(qiáng)度大小是其主要指標(biāo)。

2021-08-24T21:00—2021-08-25T20:00，江西境內(nèi)閃電活動(dòng)以總閃次數(shù)和正負(fù)閃最大兩個(gè)要素來(lái)說(shuō)明(圖2)，數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為10 min，即10 min閃電累積值。25日輻合線上短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段閃電次數(shù)較少，午后局地雷暴閃電次數(shù)增多(圖2a)。這次大暴雨過(guò)程，短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在25日03:00—06:00，但閃電次數(shù)基本上都是≤40次/10 min，這是由于輻合線上強(qiáng)降水的強(qiáng)回波頂高都在6 km以下，閃電并不密集。而午后隨著地面增溫，輻合線南側(cè)局地對(duì)流的發(fā)展加強(qiáng)，閃電開(kāi)始頻繁增多，17:00閃電次數(shù)最高增至≥200次/10 min。從正負(fù)閃強(qiáng)度上分析，03:00—06:00短時(shí)強(qiáng)降水雖然閃電次數(shù)較少，但正負(fù)閃電強(qiáng)度較大，≥200 kV/10 min，而且正負(fù)閃幅度比較對(duì)稱(圖2b)，25日午后局地雷暴正閃強(qiáng)度明顯減小。

由此可見(jiàn)，短時(shí)強(qiáng)降水閃電次數(shù)并不密集，但正負(fù)閃電強(qiáng)度比較大且振幅對(duì)稱。午后熱對(duì)流產(chǎn)生的雷暴閃電次數(shù)增多，但正閃強(qiáng)度明顯減小且正負(fù)閃電振幅不對(duì)稱。

2.3 天氣背景

MICAPS常規(guī)天氣圖是業(yè)務(wù)中最容易得到的基本天氣資料，也是預(yù)報(bào)員分析天氣的基礎(chǔ)平臺(tái)。2021-08-24T20:00，100 hPa(圖3a)，32°N以北是比較強(qiáng)盛的高空急流，急流圍繞低壓底部旋轉(zhuǎn)；28°N以南是副高邊緣盛行的偏東氣流，是副高邊緣形勢(shì)下高空經(jīng)典東風(fēng)急流；南北兩急流之間是輻合帶，西風(fēng)和東風(fēng)的切變帶，風(fēng)速較弱，風(fēng)向較亂。500 hPa(圖3b)，30°N以北低壓底部是西北氣流，30°N以南是西南氣流，風(fēng)較弱；588 dagpm線穿過(guò)江西，江西處在副高邊緣。850 hPa(圖3c)，西北氣流直指江西北部，江西受西南氣流控制，兩氣流之間存在一條切變線。925 hPa(圖3d)，低壓底部氣流有所減弱，江西南部存有超低空西南急流，江西北部是兩氣流輻合線(區(qū))。這條輻合線少動(dòng)是銅鼓大暴雨維持的動(dòng)力機(jī)制。江西多山地，地面風(fēng)場(chǎng)受到較大影響，所以地面圖被省略，用925 hPa代替。

圖2 2021-08-24T21:00—2021-08-25T20:00江西閃電分布圖

圖3 2021-08-20T20:00MICAPS天氣系統(tǒng)分布圖

由此可見(jiàn)，這次銅鼓大暴雨是發(fā)生在地面(925 hPa)輻合線(區(qū))南側(cè)，副高邊緣、低壓底部、中層切變線等天氣條件下。輻合線(區(qū))長(zhǎng)時(shí)間維持在銅鼓—南昌—德興一帶，是形成大暴雨的主要天氣系統(tǒng)。

3 雷達(dá)拼圖回波特征

3.1 輻合線回波特征

2021-08-24T23:00—2021-08-25T08:00，江西雷達(dá)拼圖3 h間隔組合反射率(CR)產(chǎn)品，24日23:00(圖4a)，輻合線南側(cè)發(fā)展一條不連續(xù)對(duì)流回波帶，回波分布雖然不連續(xù)，但可以看出是東—西走向的回波帶。銅鼓位于西段較弱回波之中。25日02:00(圖4b)，東—西走向的回波帶東段排列稍緊密，回波帶西段銅鼓回波有所發(fā)展。05:00(圖4c)，輻合線回波帶進(jìn)一步發(fā)展，東段和西段回波帶開(kāi)始連接；回波帶西段銅鼓回波發(fā)展，組合反射率(CR)達(dá)到45 dBZ，整條輻合線回波帶為混合型(絮狀)回波帶，帶上層狀云降水與對(duì)流云降水的混合。08:00(圖4d)，輻合線回波帶在原地維持少動(dòng)。

由此可見(jiàn)，輻合線南側(cè)回波帶，成為東段和西段不連續(xù)排列的東—西走向的回波帶。銅鼓位于西段回波發(fā)展之中；由于輻合線回波帶在原地維持少動(dòng)，銅鼓大暴雨基本上發(fā)生在25日03:00—07:00，短時(shí)強(qiáng)降水最大雨強(qiáng)36.6 mm/h(高橋)。

圖4 2021-08-24T23:00—2021-08-25T08:00 3 h間隔回波系統(tǒng)演變圖

3.2 短時(shí)強(qiáng)降水回波特征

2021-08-25T03:50—05:20，短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在這個(gè)時(shí)段。03:50(圖5a)，銅鼓受到輻合線回波帶西段混合型回波影響，降水開(kāi)始增大?；夭ū憩F(xiàn)為在大片層狀云中存有對(duì)流云降水的絮狀回波結(jié)構(gòu)，組合反射率(CR)強(qiáng)度40～45 dBZ，回波強(qiáng)度雖然不強(qiáng)，但降水效率比較高，多個(gè)區(qū)域站與之配合出現(xiàn)≥10 mm/10 min的超短時(shí)強(qiáng)降水，10 min超短時(shí)強(qiáng)降水是形成短時(shí)強(qiáng)降水的基本單元。04:20(圖5b)、04:50(圖5c)，回波結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有變化，組合反射率(CR)強(qiáng)度40～45 dBZ，高橋沙坪、高橋花山分別出現(xiàn)36.6 mm/h，32.1 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水。05:20(圖5d)，40～45 dBZ回波面積擴(kuò)大，短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)增多，高橋(47.4 mm/h)、高橋沙坪(32.9 mm/h)、排埠(36.2 mm/h)、銅鼓(32.6 mm/h)、永寧(35.7 mm/h)，銅鼓05:40超短時(shí)強(qiáng)降水12.2 mm/10 min。在宜春SA天氣雷達(dá)PUP產(chǎn)品上(圖略)，05:20，銅鼓上空組合反射率CR中心強(qiáng)度達(dá)到45 dBZ，回波頂ET只有8～9 km，垂直積分液態(tài)水含量VIL只有5.0～10.0 kg/m2，反射率因子垂直剖面RCS上，40 dBZ強(qiáng)回波頂高都在 6 km之下。

由此可見(jiàn)，銅鼓大暴雨是由于輻合線回波帶西段回波產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水所致。西段回波強(qiáng)度40～45 dBZ，回波頂ET只有8～9 km，垂直積分液態(tài)水含量VIL在5.0～10.0 kg/m2，反射率因子垂直剖面RCS上40 dBZ強(qiáng)回波頂高在 6 km之下，降水效率較高，出現(xiàn)多站≥30 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水和≥10 mm/10 min的10 min超短時(shí)強(qiáng)降水。

圖5 2021-08-25T03:50—05:20 30 min間隔雷達(dá)拼圖回波特征圖

4 結(jié)束語(yǔ)

銅鼓大暴雨經(jīng)常發(fā)生，影響天氣系統(tǒng)有所不同。在副高邊緣形勢(shì)下，地面(925 hPa)中尺度輻合線天氣系統(tǒng)十分重要，由于維持少動(dòng)，混合型降水性質(zhì)，降水效率較高，往往造成銅鼓大暴雨天氣。銅鼓大暴雨天氣系統(tǒng)還有多種天氣形勢(shì)場(chǎng)和雷達(dá)回波特征，有待進(jìn)一步討論研究。