一次極端特大暴雨天氣過(guò)程C波段雙偏振雷達(dá)資料分析

李 霞，楊 熠，武正敏，孟慶怡，張?jiān)魄?/p>

(1.貴州省遵義市氣象局，貴州 遵義 563000；2.貴州省黔西南布依族苗族自治州氣象局，貴州 興義 562400)

0 引言

隨著雙偏振雷達(dá)在業(yè)務(wù)上的投入使用，氣象研究者開(kāi)始利用雙偏振雷達(dá)資料對(duì)天氣過(guò)程開(kāi)展更深入的探索，目前在粒子相態(tài)識(shí)別[1-6]和降雨量估測(cè)[7-11]等方面已取得大量的研究成果。近幾年國(guó)內(nèi)氣象研究者開(kāi)始將雙偏振雷達(dá)資料應(yīng)用于暴雨、冰雹等天氣過(guò)程的個(gè)例分析中，并取得較大進(jìn)展。劉黎平等[12]研究發(fā)現(xiàn)，雨滴越大，ZDR越大，降雨強(qiáng)度越大，KDP越大，且液態(tài)水的相關(guān)系數(shù)一般大于0.95。ZDR是識(shí)別效果最好的偏振參量，KDP可以用來(lái)輔助分析不同相態(tài)粒子的含量，CC則可用于輔助判斷地物和降水回波，在實(shí)際應(yīng)用中將各種偏振參量與基數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)分析效果最佳[13]。強(qiáng)降水超級(jí)單體低層相關(guān)系數(shù)小值區(qū)可以指示上升氣流區(qū)，ZDR弧存在于下沉氣流區(qū)，在中層ZDR環(huán)和CC環(huán)圍繞上升氣流，ZDR柱和KDP柱位于主上升氣流附近[14]。在短時(shí)強(qiáng)降水期間，低層偏振參量會(huì)出現(xiàn)增大現(xiàn)象且超前于地面雨強(qiáng)的變化，對(duì)判斷強(qiáng)降水有很好的預(yù)示作用[15]。林文等[16]發(fā)現(xiàn)ZDR柱和KDP柱是不同強(qiáng)度對(duì)流云體內(nèi)普遍存在的動(dòng)力特征，CC谷出現(xiàn)在超級(jí)單體和普通降雹單體近低層，ZDR弧出現(xiàn)在超級(jí)單體成熟階段。以上研究結(jié)果表明雙偏振雷達(dá)資料在災(zāi)害性天氣中的應(yīng)用性較強(qiáng)，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

遵義市CD型多普勒天氣雷達(dá)在2018年4—12月升級(jí)為雙偏振雷達(dá)并投入使用，為局地災(zāi)害性天氣的研究提供了有力的科技支撐，但目前本地對(duì)雙偏振雷達(dá)資料的利用較少。2020年暴雨天氣頻發(fā)，多地山洪暴發(fā)，洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，6月貴州省境內(nèi)發(fā)生罕見(jiàn)的持續(xù)性強(qiáng)降雨天氣。唐紅忠等[17]對(duì)此次持續(xù)性天氣成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為高緯地區(qū)高空槽引導(dǎo)冷空氣南下，副高位置偏西偏北是導(dǎo)致此次連續(xù)性暴雨的重要原因之一。本文將利用遵義市C波段雙偏振雷達(dá)資料及常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)2020年6月12日凌晨遵義市正安縣碧峰鎮(zhèn)發(fā)生的1次極端特大暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行分析,探究新資料在此次極端暴雨天氣過(guò)程中的表現(xiàn)特征，以期為這種極端暴雨天氣過(guò)程提供提前預(yù)警的參考依據(jù)。

1 資料說(shuō)明

2020年6月11日08時(shí)—12日08時(shí)(北京時(shí)，下同)遵義市CD型雙偏振多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)資料、地面自動(dòng)站逐分鐘雨量數(shù)據(jù)以及探空資料。

遵義雙偏振雷達(dá)位于遵義市中心城區(qū)，海拔高度1060 m。2018年12月—2019年12月為遵義C波段雙偏振雷達(dá)試用階段。試用結(jié)果表明：該雷達(dá)地物抑制能力以及穩(wěn)定性等性能較好，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，可用于本地業(yè)務(wù)研究使用。由于雷達(dá)周?chē)艽髪渖缴矫}阻擋，為保證分析結(jié)果的客觀性和嚴(yán)謹(jǐn)性，本文選擇1.5°仰角及以上的雷達(dá)觀測(cè)資料作分析。

2 天氣實(shí)況及環(huán)流形勢(shì)

2.1 天氣實(shí)況

6月12日凌晨正安縣碧峰鎮(zhèn)發(fā)生了1次極端性強(qiáng)降雨，12 h累計(jì)雨量266.4 mm，小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)163.3 mm/h，小時(shí)雨強(qiáng)突破貴州省有氣象記錄以來(lái)的歷史極值。通過(guò)對(duì)碧峰站分鐘雨量數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)(圖1)，12日凌晨02時(shí)10分左右正安碧峰開(kāi)始出現(xiàn)明顯降水，02時(shí)49分碧峰站累積雨量達(dá)52 mm,23 min后超過(guò)100 mm,03時(shí)36分超過(guò)200 mm，最強(qiáng)降水集中在3時(shí)10—40分時(shí)間段內(nèi)，半小時(shí)雨量達(dá)115.3 mm，累積雨量變化曲線呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，具有突發(fā)性強(qiáng)，降雨強(qiáng)度大，強(qiáng)降雨時(shí)間集中且短暫的特點(diǎn)。

圖1 碧峰站分鐘雨量(圖中藍(lán)色、紅色、棕色圓點(diǎn)分別表示暴雨、大暴雨、特大暴雨)

2.2 環(huán)流形勢(shì)

本次碧峰特大暴雨是1次低渦切變型的暖區(qū)性降水過(guò)程。暴雨發(fā)生前，受地面熱低壓及低層西南暖濕氣流影響，遵義市處于高溫高濕狀態(tài)。850 hPa重慶中部有明顯低渦系統(tǒng)，其南側(cè)切變影響遵義市北部區(qū)域，與地面輻合線對(duì)應(yīng)，700 hPa川東存在1條西南—東北向切變線，而中層500 hPa川西北有高原槽活動(dòng)，遵義市位于槽前正渦度平流區(qū)，同時(shí)槽后有明顯的冷平流存在，200 hPa上南亞高壓控制整個(gè)貴州省。低層輻合、高層輻散的高低空配置為本次暴雨的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力條件，隨著夜間500 hPa高原槽的靠近，槽后西北氣流帶動(dòng)冷空氣疊加于低層暖濕氣流之上，促使大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定，進(jìn)而促進(jìn)了本次強(qiáng)降水天氣過(guò)程的爆發(fā)。

3 雙偏振雷達(dá)回波特征

3.1 回波演變特征

從碧峰分鐘雨量數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)降水主要分為2個(gè)階段。第1階段集中在02—03時(shí)，降水強(qiáng)度相對(duì)較弱。第2階段在03時(shí)—03時(shí)40分，該階段降水強(qiáng)度大，時(shí)間集中，為本次碧峰特大暴雨天氣過(guò)程主要強(qiáng)降水階段。從回波變化趨勢(shì)看，本次極端性強(qiáng)降水由2個(gè)局地生成的強(qiáng)降水對(duì)流單體引發(fā)，第2階段對(duì)流單體在03時(shí)左右生成，在原地維持到03時(shí)40分開(kāi)始減弱，從生成發(fā)展到消亡不到1 h，突發(fā)性和局地性強(qiáng)。03時(shí)13分為回波發(fā)展最強(qiáng)階段，回波中心強(qiáng)度達(dá)51.5 dBz(圖2b)。從03時(shí)13分不同仰角回波特征來(lái)看，隨仰角增加，回波中心略偏向西北側(cè)。沿03時(shí)13分4.3°仰角回波中心作剖面(圖2j)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)回波頂高在15 km左右，45 dBz強(qiáng)度的回波伸展到8 km左右，而51 dBz的強(qiáng)回波中心位于低層4 km左右，為發(fā)展深厚的低質(zhì)心高效率降水回波。

圖2 1.5°仰角水平反射率因子演變(a～f)、03時(shí)13分不同仰角反射率因子(g～i)和水平反射率因子剖面(j)(直線為剖面位置)

3.2 中尺度輻合

吳雪亞等[18]在對(duì)同時(shí)期6月29日銅仁1次特大暴雨天氣過(guò)程分析時(shí)發(fā)現(xiàn)有中尺度輻合區(qū)存在且與強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)。在本次極端強(qiáng)降水天氣過(guò)程中，從1.5°仰角徑向速度圖上來(lái)看，強(qiáng)降水發(fā)生前碧峰附近主要吹西南風(fēng)，03時(shí)13分碧峰西北處出現(xiàn)逆風(fēng)造成明顯的中尺度輻合。03時(shí)24分(圖3c)，負(fù)速度增強(qiáng)到-5 m·s-1，正速度約14 m·s-1，正速度值遠(yuǎn)大于負(fù)速度。后正速度區(qū)速度模糊越來(lái)越明顯，說(shuō)明當(dāng)天凌晨南風(fēng)出現(xiàn)快速增強(qiáng)的變化趨勢(shì)，而中尺度輻合區(qū)持續(xù)到03時(shí)40后減弱消失，地面分鐘雨量也在03時(shí)40分后開(kāi)始逐漸減弱，輻合區(qū)持續(xù)時(shí)間與強(qiáng)降雨時(shí)間對(duì)應(yīng)。由此可見(jiàn)低層逆風(fēng)造成的中尺度輻合上升是觸發(fā)本次極端強(qiáng)降水天氣的關(guān)鍵所在。

圖3 1.5°仰角徑向速度演變

3.3 偏振量與地面分鐘雨量的變化

本次強(qiáng)降水過(guò)程中碧峰附近1.5°仰角ZDR、KDP值出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，且超前于地面分鐘雨量變化，對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生有提前指示意義，該結(jié)論與前人[16]研究結(jié)論一致。將雷達(dá)體掃時(shí)間段內(nèi)的分鐘雨量累加，得到觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的雨量數(shù)據(jù)，與碧峰附近1.5°仰角上ZDR、KDP值的變化進(jìn)行對(duì)比(圖4)。02時(shí)46分ZDR值開(kāi)始增大，11 min后出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，03時(shí)13分達(dá)到峰值3.78 dB后逐漸減小。KDP值在02時(shí)57分開(kāi)始增大，03時(shí)18分從2.88°/km躍增到6°/km。從對(duì)應(yīng)時(shí)間段分鐘雨量數(shù)據(jù)的變化來(lái)看，03時(shí)08分雨量開(kāi)始明顯增加，03時(shí)29分達(dá)到峰值27.3 mm(5 min累積雨量)，后降水緩慢減弱。整體來(lái)看，本次過(guò)程中1.5°仰角ZDR值與KDP值的變化與雨量變化趨勢(shì)基本一致，且較雨量變化提前20 min左右，峰值提前15 min左右，ZDR值表現(xiàn)得最明顯，可用于提前判斷強(qiáng)降水，在短臨預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)有較強(qiáng)的參考意義。

圖4 1.5°仰角ZDR、KDP與碧峰分鐘雨量隨時(shí)間的變化

3.4 ZDR與CC特征

3.4.1 ZDR特征 研究表明，降水粒子在氣流中存在篩選機(jī)制，大而重的粒子常常會(huì)集中出現(xiàn)在下沉氣流區(qū)，表現(xiàn)為1條細(xì)長(zhǎng)而淺薄的帶狀ZDR回波[19、20]。因此ZDR回波的分布對(duì)判斷強(qiáng)降雨主要落區(qū)和強(qiáng)度有一定的指示意義。03時(shí)18分，1.5°仰角碧峰處ZDR值增加到3 dB以上，呈塊狀分布，與低層反射率因子大值區(qū)重合(圖5b)，說(shuō)明該處是本次強(qiáng)降雨過(guò)程的主要降雨落區(qū)。自西南向東北方向?qū)?3時(shí)18分1.5°仰角的ZDR作剖面發(fā)現(xiàn)在垂直結(jié)構(gòu)上ZDR存在2個(gè)大值中心，為方便描述將南側(cè)ZDR大值中心稱(chēng)為A，另一個(gè)為B。從剖面圖上看(圖5g),垂直結(jié)構(gòu)上2處大值中心值均在3 dB上下，但B處大值中心高度在4 km左右，而A處接地，說(shuō)明A處已有大量厚重的大雨滴在降落。對(duì)于空中出現(xiàn)ZDR大值區(qū)的現(xiàn)象，潘佳文等[14]認(rèn)為水成物在上升氣流中增大到一定程度時(shí)會(huì)在云中停留形成深厚的ZDR大值區(qū)，位于主上升氣流附近。而在本次過(guò)程中，中尺度輻合區(qū)造成強(qiáng)的上升氣流，將其附近的部分大雨滴卷入上升氣流中與之分離，而后隨著輻合上升氣流進(jìn)一步增強(qiáng)，大雨滴的重力小于向上的浮力被氣流抬到空中，在B處形成懸空的大值中心。

除此以外，碧峰北側(cè)低層ZDR表現(xiàn)為明顯的負(fù)值，且隨著風(fēng)速增強(qiáng)，ZDR不斷減小，03時(shí)24分(圖5c)負(fù)值中心減小到-3 dB，目前未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究解釋說(shuō)明。該處ZDR出現(xiàn)負(fù)值應(yīng)與氣流輻合上升有關(guān)。近地層的樹(shù)葉、雜草、昆蟲(chóng)等碎屑被吸入到上升氣流中，與上升氣流中的降水粒子混合在一起，導(dǎo)致氣流中粒子形態(tài)具有巨大的不規(guī)則性，ZDR因此呈現(xiàn)出明顯負(fù)值。隨著上升氣流的增強(qiáng)，吸入的碎屑增多，氣流中粒子的不規(guī)則性會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，ZDR值隨之減小。

3.4.2 CC特征 相關(guān)系數(shù)(CC)對(duì)粒子相態(tài)的識(shí)別也有很好的指示作用，可以用于判別粒子的均勻一致性，業(yè)務(wù)中常常將兩者結(jié)合使用。有研究認(rèn)為在強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)CC低值區(qū)，而CC值較周?chē)鷾p小主要原因是近地層昆蟲(chóng)、樹(shù)葉等碎片被帶入對(duì)流云團(tuán)上升氣流中，碎片形狀不規(guī)則使得粒子均勻一致性差，導(dǎo)致CC值明顯減小[19]。除此以外，也有學(xué)者認(rèn)為強(qiáng)上升氣流會(huì)將雨滴帶入高層，造成低層水成物缺乏導(dǎo)致返回的信噪低，使得CC值減小[21]。

結(jié)合ZDR分析結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)本次過(guò)程中CC特征作分析。03時(shí)02分碧峰附近1.5°仰角CC值都在0.98以上(圖5d),6 min后3.4.1所提到的ZDR負(fù)值區(qū)內(nèi)CC值出現(xiàn)減小現(xiàn)象，隨后繼續(xù)減小，至03時(shí)24分顯著減小到0.85以下(圖5f)，呈現(xiàn)出1個(gè)開(kāi)口朝北的缺口。對(duì)該缺口作剖面分析其垂直結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)；6 km以下CC值在0.7～0.9之間，大部分區(qū)域小于0.85；6 km以上CC值迅速增大；10～12 km的CC值普遍為0.99。說(shuō)明均勻的水成物粒子主要集中在高層，而中低層粒子性質(zhì)嘈雜，均一性差，該分析結(jié)果與3.4.1吻合。

圖5 1.5°仰角差分反射率因子、1.5°仰角相關(guān)系數(shù)和03時(shí)18分ZDR(g)、CC(h)垂直剖面(直線為剖面位置)

綜上所述，雙偏振參量在本次極端強(qiáng)降水天氣過(guò)程中具有明顯的表現(xiàn)特征。1.5°仰角ZDR、KDP值出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，變化趨勢(shì)超前于地面分鐘雨量變化15～20 min，對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生有提前指示意義。低層ZDR大值區(qū)與反射率因子大值區(qū)重合，呈塊狀分布，是強(qiáng)降水過(guò)程的主要落區(qū)所在。由于中尺度輻合造成強(qiáng)的上升氣流，使得其附近低層的ZDR和CC值顯著減小，同時(shí)部分大雨滴被抬升至4 km高度，在此形成ZDR大值中心。

4 結(jié)論與討論

①本次碧峰極端性暴雨天氣過(guò)程具有突發(fā)性強(qiáng)、降雨強(qiáng)度大、強(qiáng)降雨時(shí)間集中且短暫的特點(diǎn)。強(qiáng)降水產(chǎn)生于高溫高濕的環(huán)境背景下，屬于低渦切變型暖區(qū)性質(zhì)降水，低層輻合、高層輻散的高低空配置為強(qiáng)降水提供了有利的動(dòng)力條件，500 hPa高原槽后干冷空氣的疊加促進(jìn)了強(qiáng)降水天氣過(guò)程的爆發(fā)。

②從回波演變來(lái)看，本次碧峰極端強(qiáng)降水天氣過(guò)程由發(fā)展深厚的低質(zhì)心強(qiáng)降水對(duì)流單體引發(fā)，對(duì)流單體從生成發(fā)展到消亡用時(shí)不到1 h，具有局地性強(qiáng)、降水效率高、維持時(shí)間短的特點(diǎn)。1.5°經(jīng)向速度圖上碧峰附近有中尺度輻合區(qū)存在且與強(qiáng)降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)，中尺度輻合上升是觸發(fā)本次極端強(qiáng)降水天氣過(guò)程的關(guān)鍵所在。

③1.5°仰角ZDR、KDP值變化趨勢(shì)與地面分鐘雨量變化基本一致，在強(qiáng)降水過(guò)程中出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，且超前于地面分鐘雨量變化15～20 min，對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生有提前指示意義。

④低層ZDR大值區(qū)與反射率因子大值區(qū)重合，呈塊狀分布，是強(qiáng)降水過(guò)程的主要落區(qū)所在。中尺度輻合造成強(qiáng)的上升氣流使得低層的ZDR和CC值顯著減小，同時(shí)其附近部分大雨滴被抬升至4 km高度形成ZDR大值中心。