一次局地短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)特征分析

摘 要：利用常規(guī)高空、地面氣象觀測(cè)資料，分析了2023年7月19日許昌市局地短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程成因，重點(diǎn)應(yīng)用X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)基本觀測(cè)資料分析了此次局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程的演變特征及降水粒子特征，以供參考。

關(guān)鍵詞：短時(shí)強(qiáng)降水；天氣成因；X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)

中圖分類號(hào)：P457.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）09–0-03

隨著城市化進(jìn)程加快發(fā)展，短時(shí)強(qiáng)降水引起的城市內(nèi)澇問(wèn)題已經(jīng)成為影響公眾交通出行、威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全等主要問(wèn)題之一。近年來(lái)，天氣雷達(dá)在監(jiān)測(cè)和預(yù)警短時(shí)強(qiáng)降水的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，很多學(xué)者針對(duì)多普勒天氣雷達(dá)、雙線偏振雷達(dá)資料、相控陣?yán)走_(dá)等在短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)特征分析、定量降水估測(cè)等方面的應(yīng)用開(kāi)展了卓有成效的研究[1-5]。選取2023年許昌城區(qū)一次突發(fā)性的局地短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，對(duì)其發(fā)生發(fā)展過(guò)程中X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)特征演變進(jìn)行了深入分析，為該類型短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 使用資料

（1）常規(guī)地面、高空觀測(cè)資料；（2）許昌市城區(qū)（魏都區(qū)、建安區(qū)）及所轄縣（市）109個(gè)常規(guī)地面氣象自動(dòng)觀測(cè)站資料；（3）許昌X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)（34.042°N，113.898°E）資料，其觀測(cè)半徑為60 km，徑向分辨率為30 m，時(shí)間分辨率為60 s，共40個(gè)仰角（0.9°～36°）。

2 天氣實(shí)況

2023年7月19日10：00～14：00，許昌市區(qū)（魏都區(qū)、建安區(qū)）出現(xiàn)局地短時(shí)強(qiáng)降水，自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)顯示，市區(qū)降水量超過(guò)20 mm站點(diǎn)4個(gè)（小時(shí)雨強(qiáng)均超過(guò)20 mm），最大降水量出現(xiàn)在魏都區(qū)科技廣場(chǎng)85 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)64.9 mm（11：00～12：00科技廣場(chǎng)站），10 min最大雨強(qiáng)20 mm（11：00～11：10科技廣場(chǎng)站）（圖1）。此次短時(shí)強(qiáng)降水范圍小、局地性強(qiáng)，短時(shí)雨強(qiáng)大，造成許昌市城區(qū)低洼道路積水嚴(yán)重，對(duì)上午下班至下午上班時(shí)段的交通影響顯著。

3 天氣成因分析

2023年7月19日08：00 500 hPa（圖略），西太平洋副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱副高）控制河南省黃河以南大部分地區(qū)，許昌受副高控制，河套至陜西南部有低槽攜帶冷空氣逐漸東移（槽后負(fù)變溫），副高略東退。700 hPa上，許昌受西南氣流影響，盧氏與南陽(yáng)、鄭州與徐州、阜陽(yáng)間溫度露點(diǎn)差達(dá)到15 ℃和13 ℃，河南中部（自西南向東北）有露點(diǎn)鋒存在，許昌位于露點(diǎn)鋒附近。850、925 hPa和地面風(fēng)場(chǎng)上，河南省中部均有弱輻合，許昌位于輻合區(qū)。

從19日08：00鄭州探空?qǐng)D（圖略）可以看出（許昌距離鄭州80 km左右，以鄭州探空站為代表分析高空層結(jié)），500～925 hPa存在深厚的不穩(wěn)定層結(jié)（-θse/P＜0），整層相對(duì)濕度較小，僅925 hPa上下有淺薄濕層存在。抬升凝結(jié)高度、0 ℃層高度分別為910.2、5 482 m，暖云層深厚，有利于短時(shí)強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

4 X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)特征分析

在此次局地短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，科技廣場(chǎng)站點(diǎn)降水量、小時(shí)雨強(qiáng)和10 min雨強(qiáng)均最強(qiáng)，因此，選取科技廣場(chǎng)站上空雷達(dá)特征進(jìn)行重點(diǎn)分析?？萍紡V場(chǎng)站點(diǎn)位于許昌X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)站西北方，直線距離約5.43 km，在雷達(dá)0.9°～4.5°仰角上存在一定的回波遮擋，因此，以5.4°仰角（高度0.69 km）作為最低仰角進(jìn)行分析。

從科技廣場(chǎng)降水期間逐10 min降雨量（圖2）可以看出，科技廣場(chǎng)10：10后開(kāi)始出現(xiàn)弱降水，11：00前后降水強(qiáng)度迅速增至最強(qiáng)，然后緩慢減弱，13：00前后雨強(qiáng)略有增強(qiáng)后又迅速減弱結(jié)束。強(qiáng)降水主要集中在11：00～12：00。

4.1 雷達(dá)基本產(chǎn)品演變特征分析

4.1.1 基本反射率演變特征

從雷達(dá)基本反射率因子（圖3）演變可以看出，10：10前后低層有弱回波發(fā)展至科技廣場(chǎng)上空，科技廣場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)弱降水。此時(shí)，在襄城境內(nèi)及與建安區(qū)交界附近也有弱回波單體不斷生成，并向東北方向（魏都區(qū)）移動(dòng)。

10：45前后，降水回波一部分向科技廣場(chǎng)移動(dòng)（東偏南方向）并逐漸增強(qiáng)。10：50前后，回波中心移至科技廣場(chǎng)附近，并發(fā)展出明顯的懸垂結(jié)構(gòu)（圖4）?；夭ǔ休d層平均風(fēng)為西南風(fēng)，與回波移動(dòng)方向夾角＞90°，回波單體移動(dòng)路徑為后向傳播，移速緩慢，非常有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

11：05，回波中心移至科技廣場(chǎng)東南方向800 m左右，中心強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)69 dBz后減弱，科技廣場(chǎng)上空5.4°仰角基本反射率因子達(dá)到最強(qiáng)60.5 dBz，此時(shí)科技廣場(chǎng)降水強(qiáng)度也達(dá)到最強(qiáng)，10 min（11：00～11：10）雨強(qiáng)達(dá)20 mm。11：15前后，主降水回波與新移入的弱回波（襄城、建安區(qū)交界附近生成）合并，中心強(qiáng)度增強(qiáng)至66 dBz后，再次逐漸減弱至62 dBz（11：20）。11：33，科技廣場(chǎng)上空回波強(qiáng)度減弱至29.5 dBz ，但隨著新一輪回波單體移入發(fā)展，科技廣場(chǎng)上空回波強(qiáng)度再次略有增強(qiáng)，但強(qiáng)度仍較弱（11：37為48 dBz）。回波強(qiáng)度持續(xù)減弱，科技廣場(chǎng)上空雨強(qiáng)持續(xù)減弱，至12：00前后，原主降水回波已東移出魏都區(qū)境內(nèi)，科技廣場(chǎng)降水迅速減弱。

至降水結(jié)束，先后有2輪較強(qiáng)回波自襄城經(jīng)建安區(qū)移入魏都區(qū)影響科技廣場(chǎng)，均在靠近魏都區(qū)邊緣附近增強(qiáng)，然后迅速減弱，因此，科技廣場(chǎng)降水強(qiáng)度雖然在增加但并不明顯。

從回波中心自北向南作反射率因子剖面（圖4），可以看出，強(qiáng)降水開(kāi)始前（10：54），回波質(zhì)心發(fā)展最高達(dá)27.9°仰角（2.98 km上下），11：10降至6.3°仰角（0.74 km上下），下降明顯，此時(shí)段降水強(qiáng)度增強(qiáng)最為明顯。11：15，雷達(dá)回波中心結(jié)構(gòu)分散減弱、回波質(zhì)心下降減慢，降水也逐漸減弱。強(qiáng)降水開(kāi)始前（10：50），回波懸垂結(jié)構(gòu)發(fā)展最明顯，但高度較低（4 km上下），強(qiáng)降水開(kāi)始后懸垂高度逐漸下降并減弱，11：15前后回波懸垂結(jié)構(gòu)基本消散。至降水結(jié)束，降水回波均未形成懸垂結(jié)構(gòu)，回波中心所在高度無(wú)明顯變化。

4.1.2 平均徑向速度演變特征

分析降水期間平均徑向速度場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，主降水回波發(fā)展初期在雷達(dá)9.0°仰角（1.77 km高度以內(nèi)）以下為大片正速度區(qū)，回波中心西側(cè)有小范圍零速度區(qū)和負(fù)速度區(qū)，風(fēng)速較弱為-1～3 m/s，存在弱的風(fēng)向輻合。隨著高度升高，風(fēng)場(chǎng)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，大片正速度區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)速度區(qū)，回波中心東北側(cè)有小范圍零速度區(qū)和正速度區(qū)，輻合區(qū)風(fēng)場(chǎng)較弱（-9～3 m/s）。輻合區(qū)自低層到高層逐漸向東北方向傾斜。

10：50前后，高層（36°仰角、4.2 km上下）科技廣場(chǎng)上空出現(xiàn)新的輻合中心，科技廣場(chǎng)附近回波迅速增強(qiáng)，輻合區(qū)逐漸向下層傳播。11：05魏都區(qū)主降水回波發(fā)展達(dá)到最強(qiáng)，低層（9.0°仰角及以下）仍以大片正速度區(qū)為主，但隨著降水范圍增大，負(fù)速度區(qū)逐漸增大。高低層輻合區(qū)位置接近，基本重合。

11：40前后，魏都區(qū)主降水回波上空輻合區(qū)自高層（雷達(dá)36°仰角上）到低層逐漸開(kāi)始消亡，11：50前后，低層（5.4°仰角上）輻合區(qū)也消亡，12：00前后主降水回波基本減弱移出魏都區(qū)。

在襄城、建安區(qū)交界附近生成發(fā)展的弱回波，低層（2 km上下）有弱輻合，高層無(wú)輻合。因此，弱降水回波移向魏都區(qū)主降水回波后，中低層形成新的輻合區(qū)，回波有所增強(qiáng)，但由于輻合層不深厚（高層無(wú)輻合），回波強(qiáng)度增強(qiáng)后迅速減弱。

4.2 雙偏振產(chǎn)品特征分析

此次強(qiáng)降水中心科技廣場(chǎng)距離雷達(dá)較近，觀測(cè)到的雷達(dá)回波在4.10 km以下，過(guò)程中雷達(dá)回波中心高度均在0°層以下，同時(shí)結(jié)合雷達(dá)各層基本反射率因子、ZDR、KDP、CC（圖5）分析可知，此次短時(shí)強(qiáng)降水整層降水粒子相態(tài)為雨滴。

附近KDP最強(qiáng)可達(dá)12.2 deg/km，CC值在0.9以上，ZDR范圍變化較大，此時(shí)回波中心附近降水粒子主要為密集的大雨滴和小雨滴混合?？萍紡V場(chǎng)附近及其南側(cè)反射率因子在40 dBz以下，大部分地區(qū)CC在0.9以下，ZDR在2 dB以上，KDP為負(fù)值（受差分衰減影響），降水粒子主要為稀疏的小雨滴和大雨滴的混合。隨著高度降低，反射率因子中心附近ZDR和CC逐漸增大，到雷達(dá)5.4°仰角上，反射率因子中心位于科技廣場(chǎng)附近，與KDP大值區(qū)、ZDR大值區(qū)對(duì)應(yīng)，CC在0.97以上，此時(shí)科技廣場(chǎng)附近強(qiáng)降水粒子以均勻的大雨滴為主。

分析12：00～13：20由襄城、建安區(qū)交界附近生成移入影響科技廣場(chǎng)的2輪降水回波雙偏振特征可以看出（圖略），第一輪降水粒子以相對(duì)均勻的小雨滴為主，第二輪上層下層降水粒子為大雨滴和小雨滴的混合。

5 結(jié)論

（1）此次局地短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程主要是在副高略東退南落過(guò)程中，槽后冷空氣與露點(diǎn)鋒共同觸發(fā)產(chǎn)生的；中低層及地面風(fēng)場(chǎng)輻合為強(qiáng)降水的產(chǎn)生與維持提供了必要的水汽條件和動(dòng)力條件。

（2）強(qiáng)降水是由本地生成回波和新移入回波共同產(chǎn)生的。最強(qiáng)降水階段伴隨回波質(zhì)心高度的迅速下降和回波懸垂結(jié)構(gòu)的減弱消失。輻合區(qū)在降水過(guò)程中始終存在，且輻合區(qū)的發(fā)展或消散由高層向低層傳播，輻合層越深厚，上下層輻合區(qū)越靠近，越有利于回波的發(fā)展維持和降水強(qiáng)度的增強(qiáng)。

（3）強(qiáng)降水中心科技廣場(chǎng)站最強(qiáng)降水時(shí)段高層降水粒子為大小雨滴的混合，低層為大雨滴；弱降水時(shí)段上下層降水粒子為小雨滴；降水即將結(jié)束前略有增強(qiáng)，此時(shí)上下層降水粒子為大小雨滴混合。

此次強(qiáng)降水中心距離雷達(dá)較近，僅分析了強(qiáng)降水中心科技廣場(chǎng)站4.1 km以下雷達(dá)特征，且雷達(dá)5.4°仰角以下有地物遮擋，缺少對(duì)高層和近地面層強(qiáng)降水的雷達(dá)特征分析。

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收稿日期：2024-06-12

基金項(xiàng)目：中國(guó)氣象局、河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用技術(shù)研究基金復(fù)盤總結(jié)專項(xiàng)（KF202447）。

作者簡(jiǎn)介：侯凱（1985—），女，河南駐馬店人，工程師，研究方向?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)預(yù)警。