2015年春末梵净山东侧特大暴雨雷达径向速度特征

方 标

（贵州省江口县气象局，贵州 江口 554400）

2015年春末梵净山东侧特大暴雨雷达径向速度特征

方 标

（贵州省江口县气象局，贵州 江口 554400）

利用贵州铜仁新一代C波段多普勒天气雷达产品，对2015年5月14日夜间发生在梵净山东侧的特大暴雨天气过程中的雷达径向速度和速度二次产品VWP（速度方位显示风廓线）的演变特征进行分析研究。结果表明：强回波的稳定少动造成了此次短时强降水天气。VWP产品上，强降水发生前出现一楔形“ND”区域，在强降雨发生发展过程中大风区位置快速降低，而在强降雨即将结束时对流层中层出现“ND”区域且上下扰动发展。中气旋的出现有利于短时强降雨发生发展，不同高度层出现的逆风区是短时强降雨发生前兆，逆风区的持续预示短时强降雨仍将持续。

特大暴雨；中气旋；逆风区；VWP

方 标．2015年春末梵净山东侧特大暴雨雷达径向速度特征［J］．干旱气象，2016，34（6）：1064－1070，［FANG Biao．Analysis of Radial Velocity Features of Doppler Radar on a Torrential Rainstorm in Eastern Fanjing Mountain in Late Spring of2015［J］．Journalof Arid Meteorology，2016，34（6）：1064－1070］，DOI：10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－1064

引 言

梵净山是黔东北最高山脉，位于贵州省铜仁市印江、江口、松桃3县交界区，其最高峰海拔2 572 m。梵净山是云贵高原向湘西丘陵过渡斜坡上的第一高峰（相对高度达2 000 m），不仅是乌江与沅江的分水岭，还是横亘于贵州、重庆、湖南、湖北4省（市）武陵山脉的最高主峰。近年来，在该区域50 km范围内发生了多次短时强降水天气过程，最大小时雨强达130 mm·h－1，24 h雨量达300 mm以上，强降水主要位于梵净山东侧，较强的短时强降水通常会造成城市严重洪涝，山体滑坡、泥石流等次生灾害，给当地人民生命财产带来很大损失。

一直以来，不少学者对山区局地暴雨进行了研究，得出了一些好的经验：吴红秀等［1］利用雷达产品研究滇西北高原一次局地暴雨时发现，VIL（垂直液态水含量）在强降雨时段表现为单峰型，中尺度逆风区的位置与强降水有很好的对应关系。研究发现，非降水雷达回波的辐合特征预示着强降水的发生，逆风区断裂位置及边缘地带对应着强降水落区，VWP（速度方位显示风廓线）最高位置风向标的突降和中层“ND”区域（静止风）的出现预示着降水即将结束［2－8］。贵州铜仁新一代天气雷达于2013年投入运行，由于起步较晚，对该站雷达探测资料的使用严重不足，通常仅限于强度回波的监测预报预警服务工作，而对速度回波应用很少涉及，常常造成预警不及时，严重影响防灾减灾工作的有序开展。然而，速度回波产品（主要指径向速度和风廓线产品）能够很好地反演出雷达站周围几十千米甚至一二百千米范围内不同高度的水平风向风速，可以较为准确地分析和预报降水的发生、发展和演变过程。为此，本文利用铜仁站雷达回波速度产品，对2015年5月14—15日发生在梵净山区域的局地特大暴雨天气过程进行分析，以期为短时强降水天气预报预警提供参考，更好地做好防灾减灾体系服务。

1 资料来源

利用2015年5月14—15日铜仁站CINRAD／CD型新一代多普勒天气雷达监测产品，该站位于铜仁市碧江区川硐镇云盘村杨石坡，其馈源高度为790．6 m。采集数据时采用了降水模式进行体扫（VCP21），每6 min完成一个体扫。此次暴雨中心黑湾河位于雷达站西侧、梵净山东侧，无山脉遮挡，距离雷达站约 49．5 km，位于VWP产品有效范围内。同时使用了 2015年 5月 14日 18：00—15日09：00（北京时，下同）铜仁市区域内369个自动站（2个气象要素）逐时降水量。

2 降水实况及天气背景

2015年5月14日18：00—15日09：00，黔东北区域出现了入汛以来最强的对流性暴雨天气过程，暴雨主要集中在铜仁市江口县北部、梵净山东侧区域。此次降雨过程共计出现了2站特大暴雨、4站大暴雨、34站暴雨、50站大雨，江口县黑湾河为暴雨中心（图1a）。黑河湾站降雨主要集中在14日21：00—15日01：00（图1b），最大小时雨强达109 mm·h－1，24 h最大降雨量为305．9 mm。此次大暴雨天气造成梵净山区河水猛涨，大面积停水停电，部分道路被冲毁，农作物大量受损，梵净山景区因设施破坏严重停业一周。据该地民政部门统计，此次大暴雨天气造成直接经济损失达6 000多万元。

图1 2015年5月14日18：00—15日09：00铜仁市江口县雨量分布（a，单位：mm）及黑湾河站雨量逐时演变（b）Fig．1 The spatial distribution of precipitation in Jiangkou county（a，Unit：mm）and the hourly evolution of precipitation in Heiwanhe station（b）of Guizhou Province from 18：00 BST 14 to 09：00 BST 15 May 2015

500 hPa高度场（图略）上，14日08：00—15日20：00，贝加尔湖东部至我国东北地区为一低涡控制，西太平洋副热带高压588 dagpm线维持在两广中部。14日20：00（图2a），东北低涡槽底延伸至贵州中东部地区，利于冷空气分裂南下，同时低纬度地区及青藏高原东侧多低槽东移活动，移速慢；15日20：00（图略），西太平洋副热带高压588 dagpm线南压到沿海。700 hPa高度场上，14日08：00（图略），贵州为西南急流北侧的西南气流控制，该急流位于广西北部、湖南、江西中部，最大风速达22 m·s－1；14日20：00（图2a），在重庆北部有一低涡切变线形成，其附近有－7～－1℃的24 h负变温区，利于低涡切变线发展，同时西南急流维持，风速达16～20 m·s－1；15日08：00（图略），切变线东移南压到长江中下游至贵州北部，西南急流南压至广西—湖南—江西一带。850 hPa高度场上（图略），14日20：00—15日08：00期间，重庆北部低涡切变线逐渐东移南压，西南急流维持并北抬，铜仁处于急流轴北侧、低涡切变线中。地面图上，14日08：00，地面为热低压控制，中心气压为1 005 hPa（图略）；14日 20：00，北方冷空气逐渐南压，贵州低压中心降至1 002．5 hPa，积聚了大量不稳定能量，并与暖气流交汇于四川北部至河西走廊一带（图2b）；15日08：00，冷锋沿正北路径南压，贵州东北部受冷空气影响（图略）。

综上所述，此次特大暴雨过程是由500 hPa低涡槽东移加深、中低层低涡切变线、地面弱冷锋共同作用产生的，西南低空急流为暴雨区源源不断地提供水汽，大暴雨发生前能量明显增加，为暴雨的发生、发展提供了充足的能量基础。

3 雷达产品特征

3．1 回波强度场演变特征

由图3雷达组合反射率因子演变过程可知，回波自西向东移动，在经过黑湾河区域时汇聚发展且停滞移动。14日19：51，在黑湾河西北侧有一强度为50 dBZ的强回波。随着回波的缓慢东移，20：14，之前位于黑湾河西北侧的强回波在黑湾河西侧形成一强度为60 dBZ、面积约为20 km2的强回波带，该回波带稳定少动，但强回波面积逐渐减小，演变为一强回波单体。21：17，黑湾河西南侧强回波单体强度达60 dBZ，该回波单体自西南向东北方向移动，移动速度为2 km·h－1。随着时间的推移，黑湾河西南侧的回波单体聚集加强，面积不断扩大，22：31形成一面积达30 km2的超级回波单体，此时该超级单体的垂直剖面上，强度超过35 dBZ的回波已经伸展到12 km以上，说明该云团对流发展极为旺盛。随后，该超级单体回波强度缓慢降低，23：59，该区域的强回波演变为普通降水回波，其移动方向也由之前的西南—东北方向演变为自南向北移动。可见，强回波在黑湾河区域的稳定少动造成了此次暴雨天气过程。

图2 2015年5月14日20：00的500 hPa、700 hPa、850 hPa中尺度环境综合分析（a）及地面影响系统（b）Fig．2 Comprehensive analysis ofmesoscale environment on 500 hPa，700 hPa and 850 hPa（a）and ground affecting system（b）at20：00 BST on 14 May 2015

图3 2015年5月14日19：51—23：59铜仁站多普勒雷达组合反射率因子与22：31反射率因子垂直剖面（单位：dBZ）Fig．3 The composite reflectivity factor from 19：51 BST to 23：59 BST on 14 May and the vertical cross section at22：31 BST on 14 May 2015 of Doppler radar in Tongren station of Guizhou Province（Unit：dBZ）

3．2 VWP产品

3．2．1 降水前“ND”楔形区域的形成

由图4铜仁站多普勒雷达的VWP变化可知，强降水前14日18：58开始，对流层中高层（5—10 km）偏北风加强且向中层传输，在低层1．5 km以下出现弱东南风急流，并向中层扩展，整层风场这种上下扰动变化使原本静稳的大气层结遭到破坏并变得不稳定；中低层（2—5 km），随着时间的推移，风速逐渐增加，“ND”稳静层遭到破坏（ND表示静止风场），低层（2—3 km）上升气流运动加强，与此同时受西南急流的影响，低层风向主要以西南风为主。21：08，中低层有一支西南风气流，形成一较为深厚的水汽通道，整个形成过程历时约2 h。从风场的垂直廓线可看出，在8 km以下，风向随着高度顺时针旋转，呈暖平流特征，而8 km以上，风向随着高度逆时针旋转，呈冷平流特征，从而形成了中低层暖湿、高层干冷的大气不稳定层结，有利于对流性降雨发生。另外，在低层，风速随高度增加而增大，且增大幅度较大，存在着风的垂直切变，同时也存在风的扰动。

图4 2015年5月14日18：58—21：30铜仁站多普勒雷达VWP图（单位：m·s－1）Fig．4 VWP diagram of Doppler radar from 18：58 BST to 21：30 BST on 14 May 2015 in Tongren station of Guizhou Province（Unit：m·s－1）

3．2．2 降水发展期间大风区底高的变化

多普勒天气雷达VWP产品图上，S波段风速＞10 m·s－1或者C波段风速＞5 m·s－1的风场定义为大风区［4］，中高层大风区的出现及其底高位置的变化与降水的发生、维持、加强密不可分。强降水发生阶段（图5），在2．7 km以下，风向杆在西南风的影响下维持较大的垂直向上速度，存在较为明显的上升气流，说明气流向上传送旺盛；在2．7—5．5 km范围内，上升气流速度有所减小，受到西南风的影响，风向发生了一定偏转；在高层8 km以上维持一高空大风区域，大风区的位置随着时间的推移其底高有所降低，在 22：12—22：31期间，大风区的位置下降了2 km（图5中黑色粗线），此时段内梵净山东侧小时雨量达109 mm。此外，降水发展期间暖平流特征明显。由ω方程可知［9］，暖平流产生上升运动，冷平流产生下沉运动，暖平流是维持降水的重要原因。从图5不难看出，在强降水发生阶段，风向杆随着高度增加呈顺时针旋转，西南风向杆的厚度扩展到3 km左右，说明水汽的垂直运动明显，降水将进一步加强，这与张崇莉等［10］发现的滇西北高原短时强降水中VWP以西南气流为主相符合。可见，降水发展期间在VWP上暖平流特征明显，高层大风区位置的下降预示着短时强降水的发生，在实际的短时临近预报中应警惕该特征的变化。

图5 2015年5月14日22：12—23：11铜仁站多普勒雷达VWP图（单位：m·s－1）Fig．5 VWP diagram of Doppler radar from 22：12 BST to 23：11 BST on 14 May 2015 in Tongren station of Guizhou Province（Unit：m·s－1）

3．2．3 降水末期中层“ND”出现及风向杆位置变化

图6 2015年5月15日02：17—03：18铜仁站多普勒雷达VWP图（单位：m·s－1）Fig．6 VWP diagram of Doppler radar from 02：17 BST to 03：18 BST on 15 May 2015 in Tongren station of Guizhou Province（Unit：m·s－1）

在降水趋于结束阶段（图6），15日02：17，VWP图上不同高度层均开始出现“ND”；随着时间的推移，“ND”区域不断向上、下方向蔓延，中层风向杆完整性遭到破坏，说明中层降水云系逐渐消散，而低层“ND”区域面积不断扩大，大气层结趋于稳定；随后，中低层“ND”区域不断上下发展切断了水汽的垂直输送，致使动量无法传输，降水逐渐减弱停止。因此，在实际业务应用过程中，如果不同高度层均出现“ND”取代风向杆的现象，可以确定未来短时间内将不会出现强降雨天气。

综上所述，在实际短时临近预报工作中，对VWP产品的分析尤为重要，大风区位置的移动和“ND”区域的变化能够很好地预示着强降水的开始和结束，这在实际预报中应加以重视。

3．3 径向速度场特征

3．3．1 逆风区

雷达探测的径向速度场中，负径向速度代表入流，正径向速度代表出流，故径向速度 PPI图上的正、负速度反映了气流的辐合、辐散运动情况。“逆风区”是在同一方向的速度区中出现相反方向的速度区，即在正（负）速度区内，出现了负（正）速度区，而被包围的速度区便称为“逆风区”［11］，它反映了风场的中尺度辐合辐散配置，可以作为预报短时暴雨产生的重要依据［12］。研究表明，逆风区的维持与伸展的高度可作为暴雨预报的先兆信号［13］，其发展范围内及其移动路径上，往往会出现强降水［14］，逆风区一般对应着强降水中心区［15］。

从径向速度图上看出，14日22：25，在黑湾河区域内均存在逆风区（图7b和图7c），且逆风区的面积随着高度的抬升逐渐减小，说明该区域的风场垂直辐合比较旺盛，有利于低层水汽向上输送。该逆风区水平尺度最大为25 km2，垂直厚度达4．6 km，逆风区靠近雷达区域一边为辐散区，较远一边为辐合区，形成了产生暴雨的垂直环流结构，且逆风区在该地停滞不动，持续时间达1 h以上，对应该时段内出现了短时强降水，小时雨强达到109 mm·h－1。可见，逆风区的出现影响了该区域水平辐合辐散的强弱和分布，造成中尺度垂直环流的形成；而不同高度层出现逆风区说明垂直环流发展比较旺盛，有利于水汽向上运输，预示着短时强降水发生，逆风区的持续表明水汽的垂直运动持续，强降水也将持续。另外，对比不同仰角的径向速度图发现，1．5°仰角出现逆风区的时间比其他仰角提前5～8个体扫。在21：01的1．5°仰角径向速度PPI图上（图7a），逆风区在黑湾河区域就已出现，这比短时强降水的发生时间提前约1 h，因此在实际短时临近预报服务过程中，可选择在1．5°仰角PPI径向速度图上的特性来判断未来天气。

图7 2015年5月14日21：01（a）、22：25（b、c）铜仁站多普勒雷达1．5°（a、b）和2．4°（c）仰角的径向速度（单位：m·s－1）Fig．7 The radial velocity on 1．5°（a，b）and 2．4°（c）elevation of Doppler radar at21：01 BST（a）and 22：25 BST（b，c）on 14 May 2015 in Tongren station of Guizhou Province（Unit：m·s－1）

3．3．2 中气旋

研究表明［16－20］中气旋的生成有利于低层暖湿空气不断向上输送，促进暴雨的发展，中气旋的长时间存在意味着对流系统不会很快消弱，气旋特征越明显，对流发展越旺盛。从风暴径向速度图可以看出，14日21：30（图8a），2．4°仰角上，在黑湾河附近区域，有一正负速度对，正中心为14．3 m·s－1，负中心为－9．8 m·s－1，其旋转速度12．76 m·s－1，核区直径为4．6 km，为弱中气旋。21：50的2．4°仰角上（图8b），正负速度对范围扩大，但强度有所减弱，其旋转速度达17．36 m·s－1，为中等强度的中气旋。21：57（图8c），中气旋较前一阶段（21：50）的正负速度、面积均有明显增大，在4．3°仰角上仍存在弱中气旋（图8d），说明该区域对流垂直发展比较旺盛。低层中气旋的形成有利于低层降压，气旋发展，上升气流加强。随后的22：25—22：43（图略），黑湾河区域一直存在着强中气旋。在22：00—23：00时段内，黑湾河区域小时雨强达109 mm·h－1。可见，强中气旋的发展及维持，有利于低层暖湿空气向上输送，在实际短时临近预报中应加以充分考虑。

图8 铜仁站多普勒雷达2015年5月14日21：30（a）和21：50（b）2．4°（a、b）以及21：57（c、d）1．5°（c）和4．3°（d）仰角的风暴径向速度（单位：m·s－1）Fig．8 The storm radial velocity on 2．4°（a，b），1．5°（c）and 4．3°（d）of Doppler radar at21：30 BST（a），21：50 BST（b）and 21：57 BST（c，d）on 14 May 2015 in Tongren station of Guizhou Province（Unit：m·s－1）

另外，垂直液态水含量（VIL）显示（图略），在中气旋出现阶段，VIL最大值由24．8 kg·m－2跃迁到57．5 kg·m－2，正对应着此暴雨过程中的最大雨强。当中气旋消失时，VIL值迅速减小，降水强度趋于平缓。可见，VIL值的跳变与风暴的出现具有较好的相关性，风暴发展，低层气流辐合上升，使得水汽向上传输聚集，降水强度增大。

4 结 论

（1）此次特大暴雨过程主要是由强回波在经过梵净山区域时稳定少动、汇聚加强发展所造成。

（2）此次强降水过程的VWP产品演变特征显示：强降水发生前期，“ND”稳静层遭到破坏，对流层中低层以上升气流为主；暖平流、大风区位置的下降有利于降水的维持和加强；中层“ND”区域的出现及上下发展预示着降水即将结束。

（3）径向速度图上，不同高度层上出现的逆风区是短时强降雨发生前兆，逆风区的持续预示短时强降雨仍将持续；中气旋的出现有利于短时强降雨的发生发展。

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Analysis of Radial Velocity Features of Dopp ler Radar on a Torrential Rainstorm in Eastern Fanjing M ountain in Late Spring of 2015

FANG Biao

（Jiangkou Meteorological Station of Guizhou Province，Jiangkou 554400，China）

Based on the reflectivity and radial velocity data of new generation Doppler radar with C band at Tongren station of Guizhou Province and the hourly precipitation data of369 automatic weather stations in Tongren region，the evolution characteristics of the echo，radial velocity and wind profile of a torrential rainstorm occurred in eastern Fanjingmountain on 14 May 2015 were analyzed．The results showed that the strong echo stabilized and gathered in Fanjingmountain，which caused the short－time strong rainfall．The characteristics of wind field in VWP（velocity of the wind profile）diagram were significantly different at different stages of the rainfall．There was a ND area with wedge shape in VWP diagram before the rainfall，the strongwind area appeared inmiddle to upper levels of troposphere，and its bottom height reduced quickly as time goes on．During the development of rainfall，thewarm advection below 8 km and cold advection above 8 km formed the atmospheric unstable stratification，and the wind speed increased with the rise of height in lower layer，thewind vertical shear and disturbancewere obvious．When the areawith ND appeared inmiddle levelof troposphere once again，and developed to upward and downward respectively，which indicated the rainfallwould end．Themeso－cyclonewas conducive to the occurrence and development of short－term heavy rainfall．The PPI diagram appeared the head wind area at different level，which was indicative to the short－term heavy rainfall，and the continuous upwind area would predict to continue for some time of the short－term heavy rainfall．

torrential rainstorm；meso－cyclone；head wind area；VWP

1006－7639（2016）－06－1064－07

10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－1064

P458．1+21．1

A

2016－05－12；改回日期：2016－07－08

黔科合［2016］支撑2813“基于多普勒雷达速度产品的梵净山区域短时强降水预报预警技术研究”、铜市科研（2016）1号“基于多普勒雷达的梵净山区域短时强降水预报预警技术研究”、黔气科合QN［2017］01号“基于雷达回波反射率垂直剖面图的冰雹识别研究”及铜气科合［2016］01号“基于实测降水强度下的铜仁市暴雨Z—R关系研究”共同资助

方标（1987－），男，工程师，本科，主要从事多普勒雷达产品分析工作．E－mail：trqxfangbiao＠sina．com