2014年3·30东莞对流暴雨的天气雷达特征

吴志权， 张劲梅， 莫伟强

(东莞市气象局，广东东莞　523000)



2014年3·30东莞对流暴雨的天气雷达特征

吴志权， 张劲梅， 莫伟强

(东莞市气象局，广东东莞523000)

摘要：利用常规观测资料、多普勒雷达资料，对2014年3月30日广东东莞地区出现的致灾暴雨过程雷达回波特征进行了分析，结果表明：强回波具有反射率因子大、厚度大、回波顶高、持续时间长、垂直液态水含量值大的特征；同时强回波形态均以单体和回波团混合带状为主，移速慢，最强降水区伴有多个强对流回波团或单体出现的“列车效应”；径向速度上有明显的逆风区，该区域低层风的辐合较强，有利对流活动加剧，有利深对流发展，从而出现雷雨大风、冰雹、强降水的强对流天气； 在不稳定层结状态下，环境场对流参数具有CAPE弱、风垂直切变中等、0 ℃层适宜的特征。

关键词：天气学； 对流暴雨； 回波强度； 垂直液体水含量值； 径向速度； 东莞

对流暴雨，即对流系统在短时间内(6 h以内)造成的较大雨量或短时强降水(单站雨强超过20 mm/h)[1-2]，具有突发性、局地性、雨强强、危害重等特点。由于其产生的天气尺度系统小，空间分布复杂，在当前监测、预报服务上仍存在一定难度，而多普勒天气雷达不仅能获得回波强度资料，还可以获得降水粒子的径向速度来推断降水系统的风场结构特征，因而成为当前有效监测、预警对流暴雨的落区、强度及发生时间最佳方法，是研究对流暴雨的主要有效手段之一。近年来许多气象工作者利用多普勒天气雷达探测资料对对流暴雨的临近预警进行了深入的探讨[3-8]，如张家国等[3]分析指出在短时预报业务中，暴雨回波的识别和预警，关键是从整体上要抓住中尺度暴雨回波系统发生发展的特征，而不是孤立地研究一个对流单体的演变；陈永仁等[4]认为短时强降水具有反射率因子大、液态水含量(VIL)高、回波顶(ET)高、强回波厚度大等特征；谌志刚等[9]从天气背景场及多种探测资料对广东近年强对流暴雨的落区及时间作了相关的探讨。

2014年3月29—31日，广东省大部分地区分别出现持续性暴雨到特大暴雨降水过程，并伴有雷电、短时大风、冰雹等强对流天气，是近10年来范围最大的首场强降水和强对流过程，造成严重的洪涝等灾害；位于珠江口东岸的东莞市3月30日(简称“3·30”)出现强对流天气，导致严重的城市积涝和人员伤亡。为此，本研究着重利用广州多普勒天气雷达产品，对对流暴雨的雷达回波、径向速度等特征进行分析，为对流暴雨的落区和强度的确定提供参考，进一步提高临近预警发布能力。

1“3·30”致灾暴雨降水特征

从3月29日夜间起到31日早上，东莞出现了短时强降水，伴有雷雨大风和冰雹的强对流天气。该次过程有如下特点：(1)雨强强、雨量大、覆盖范围广(表略)。1 h最大降水量为84.5 mm，有21.6%自动站降水量≥50 mm；3 h最大降水量为133.5 mm，有13.4%自动站降水量≥100 mm；只有1个站6 h最大降水量为150.6 mm；累计24 h最大降水量为205 mm。(2)降水频次密。24 h内出现了3次较集中降水时段，最强降水时段出现在30日16：00—18：00(北京时，下同)。(3)多种灾害天气并发,该次过程雷雨大风、冰雹、强降水并发，为近年来同期所罕见。

2环流背景及天气过程参数

2.1天气背景中分析

该次过程大天气尺度背景为中低纬多波动、低空西南低涡发展东南压、华南西南急流强盛，在地面边界层弱冷空气触发的背景下产生。从综合中分析(图1)可见，该次过程当天08：00 500、700 hPa有槽线位于西南东部及华南西部，呈偏西北东南向，缓慢向偏东方向移动，850、925 hPa西南低涡东部的南岭附近有呈东西向的暖切变线，两广的中南部处在西南、偏南的低空、超低空急流区域内；地面长江以南地区为东高西低形势，华南等压线呈“川”字型，为典型的华南前汛期暴雨型，弱冷锋位于珠江口以东地区及海面上，在珠江口西侧以西有中尺度辐合线；850 hPa比湿≥12 g/kg区域位于500 hPa槽底的两广中南部附近，对应有南北向的湿轴，槽底的广东西南部对应有850与500 hPa气温差>25 ℃的高能区。可见，中层低槽缓慢东移，有利于不断加剧大气层结不稳定性，而地面弱冷锋则是该次过程暴雨触发的有利机制。暖切变与西南低涡东南侧的低空、超低空急流均有利于充沛水汽输送及汇总堆积，为强降水提供充足的水汽。

图1　2014年3月30日08：00综合中分析图

从当天08：00的卫星红外(图2)、水汽云图可看出，低槽云带与高空500 hPa槽相对应，强盛的对流云团位于槽底，即在广东中北部，已处于对流活跃期，红外云图对流云顶最强的亮温为200～210 K，对流非常旺盛。近年来有研究发现，降水与云顶温度有很好的相关性，TBB(相当黑体亮度温度，Black Body Temperature)温度越低，表明云顶越高，对流越旺盛[10-11]。

图2　2014年3月30日08：00红外卫星云图

2.2环境参数特征

选用与东莞距离较近的3站点(北部的清远、西南部阳江、东南部香港)当天08：00探空资料，对该次对流暴雨过程东莞周围环境主要层结和能量环境参数进行分析(见表1)。3个探空站的K指数为31～33 ℃，其中位于东莞北部清远站为33 ℃，大气层结为中等不稳定状态，对流有效位能(CAPE)为0～200.4 J/kg；最大是西南部的阳江站。利用清远站探空资料及东莞站11：00的温度、露点进行探空订正，强降水发生前3 h，东莞站的CAPE为107.9 J/kg，均属于弱的CAPE。

假相当位温(θse)是综合反映大气温度和湿度条件的一个物理量，850 hPa 的θse为64.3～66.6 ℃，而500与850 hPa的θse差值清远站为1 ℃，为相对对流稳定层结，但阳江站为-13.7 ℃、香港站为-6.1 ℃，均为对流不稳定层结。从风场的垂直结构来看，925～500 hPa(0～6 km)的垂直矢量差13～20 m/s，风随着高度的增大而增大，为中等强度的垂直风切变，有利于对流风暴的发展，因冰雹和雷暴大风等强对流天气需要一定强度的垂直风切变，据3站的探空图资料分析，0 ℃层的高度在4.5 km左右。过程的对流抑制能量(CIN)均较小，抬升凝结高度为973～985 m均较低，表明在高能不稳定状态下，气块很容易出现对流上升运动。

表1　2014年3·30过程08：00周边环境参数

3天气雷达特征

降雨时，雷达反射率因子可以直接反映雨强的强弱，而强回波持续时间长短与很多因素有关，同时充足的水汽也是暴雨产生的条件之一。

3.1回波强度特征

1)反射率因子(R)。

通常来说，反射率因子越大，雨强越强，但这个关系会受到降水类型的很大影响。从该次过程多普勒雷达1.5°仰角反射率因子(图略)来看：在当天16：00—17：00出现了时雨量最大时段，有21.6%的站点时雨量超过50 mm，最大时雨量为84.5 mm，跟踪该时段的反射率因子，发现该时段回波强度普遍为45～50 dBz，影响同一地点的持续时间普遍为20～45 min，为3～6个体扫，局部出现短时55 dBz，持续时间12～18 min(2～3个体扫)。跟踪降雨强盛时刻不同仰角(0.5°～6.0°)体扫的反射率因子(R)垂直分布及垂直剖面(图3a)可见：45 dBz以上强回波顶达到了6 km以上高度，最高达8～9 km，高于-20 ℃所在高度。而且具有低层弱回波和中高层回波悬垂特征，强对流风暴结构明显，因此出现了冰雹和大风；从雷达回波顶(ET)(图略)也可见，ET普遍为9～12 km，最高为15 km，出现在该高度的持续时间，最长持续18 min，说明对流伸展高度高、发展强烈。

2)垂直液态水含量(VIL)。

据文献[3]报道，VIL≥10 kg/m2容易出现暴雨，≥25 kg/m2容易出现雷雨大风，≥35 kg/m2容易出现冰雹。从图3b的VIL值可见，该次强降水盛期VIL普遍为25～55 kg/m2，最强45～55 kg/m2，持续12～18 min，可见，该次过程较高的VIL值与强对流天气短时强降水有关外，还与雷雨大风、冰雹有关。

图3　2014年3月30日16：12 雷达垂直剖面(单位：dBz)(a)和VIL值(单位：kg/m2)(b)

3.2回波形态、移动及传播特征

该次暴雨过程的回波形态以单体和回波团混合带状为主，而雨强的强弱除与回波的强度有关外，还与强回波移动的快慢及方向有关。回波“移动矢量”是由雷暴承载层平均风移动“平流矢量”与由于新单体在雷暴某一端不断生成构成的雷暴回波“传播矢量”之和[1-2]。从图4基本反射率因子(仰角1.5°)前后30 min的移动及当时广州雷达风廓线(图略)分析，在降水强盛时，强回波是由多个中小尺度团状对流回波组成，而新单体在该强回波带的前进方向的右侧不断生成，从垂直风廓线可见在对流层为偏西南风的引导气流，即“平流矢量”东北偏东方向移动，在强对流回波系统的东南段的前侧不断有新生对流单体，显然新生对流单体的位置是向东南变化的，即向东南方向传播，也就是强回波带向东北方向的“平流矢量”和向东南方向“传播矢量”的矢量和决定了中尺度对流暴雨回波系统“移动矢量”向偏东方向移动，移速较慢，有利于强降水的累积，而在一些狭长强对流雨带影响的区域，如图4黑色方框区域，该小尺度的强对流回波带在16：00—16：18的3个体扫内少动，其西南侧伴有多个小尺度强对流回波团向该区域移动(见图4黑色箭头区域)，在16：24—16：30连接呈带状回波，不断移入该区域内，出现所谓的“列车效应”，从而出现该路径上的大暴雨或特大暴雨。

3.3径向速度特征(SRM)

从该次过程的相对平均径向速度分析，东莞地区低层以向着雷达的入流为主，在降水最强16：00—17：00，东莞地区的低层(仰角0.5°)16：06，在距雷达30～40 km、高0.5～0.7 km处有狭长的宽5 km、长15 km逆风区(见图5a红圈处)，16：12演变为狭长的宽3 km、长15 km的小尺度大风区(见图5c红圈处)，最大风速为27 m/s，该大风区缓慢向东北方向移动，移速为每6 min 10 km左右，在16：30后减弱消失，距该狭长的大风带的东侧20 km有东北到偏东急流带向着雷达；在仰角1.5°、距雷达50 km、高1.5～2 km，16：06—16：30仍可见逆风区(见图5b、5d红圈处)，范围渐渐缩小，但在其前侧的东部及东南部伴有向着雷达、风速为15～20 m/s的大风区；在仰角3.4°高度仍可见到大风区(图略)，说明该区域低层辐合较强，有利于低层水汽源源不断抬升输送到高层，有利于深对流的维持、发展。

图5　2014年“3·30”过程降水盛期时低层(仰角0.5°和1.5°)平均相对径向速度(单位：m/s)

4结论

1)过程层结处在不稳定状态；对流环境参数风垂直切变属于中等强度，0 ℃层在4.5 km左右，有利冰雹、大风强对流天气并发。

2)雷达回波强度具有降水盛期强回波具有反射率因子大、厚度大、回波顶高、持续时间长以及VIL值大的特点，这些均有利于出现短时强降水、雷雨大风、冰雹剧烈的对流性天气。

3)强回波形态均以单体和回波团混合带状为主，“平流矢量”与“传播矢量”方向成一定的角度，移速慢，并且在一些狭长强对流雨带影响的区域，伴有多个强对流回波团或单体的降水，出现所谓的“列车效应”，导致雨带路径上的大暴雨或特大暴雨。

4)径向速度图可见在降水最强时，东莞地区的中、低层有逆风区、大风区出现并维持，说明该区域低层辐合较强，有利于低层水汽源源不断向上输送，出现持续降水，并有利于深对流的维持、发展及出现雷雨大风、冰雹强对流天气。

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收稿日期：2015-08-10

作者简介：吴志权(1974年生)，男，工程师，硕士研究生，现主要从事气象监测、预报、服务、防雷等业务及管理工作。E-mail:zhangjm20085@163.com

中图分类号：P44

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.003

Characteristics of a Convective Heavy Rain on March 30, 2014 in Dongguan as Captured by Weather Radars

WUZhi-quan,ZHANGJing-mei,MOWei-qiang

(Meteorological Bureau of Dongguan City, Dongguan 523000)

Abstract：Using conventional observations and Doppler data, we studied the radar echoes of a disaster-inflicting heavy rain that occurred on March 30, 2014 in the area of Dongguan, Guangdong. The result is presented as follows. Strong echoes are characterized by large reflectivity factor, large thickness, high echo top, long duration and large content of vertical liquid water. Meanwhile, the echoes are mainly composed of slowly moving single cells and cell groups and the areas of most intense rain are accompanied with multiple cell groups or cells in the form of “train effect”. There are zones of significant head wind on the radial velocity where convergence is intense from low-level winds to be favorable for the development of convection and deep-layer convection, resulting in thunderstorms, hails and severe rain. Under the conditions of instable stratiform, a relatively weak CAPE, moderate vertical shear and adequate 0 ℃ layer are the characteristics of environmental parameters.

Key words：climate observation; convective heavy rain; echo intensity; vertical liquid water content; radial velocity; Dongguan

吴志权， 张劲梅， 莫伟强.2014年3·30东莞对流暴雨的天气雷达特征[J].广东气象，2016,38(1)：8-12.