黔东南一次暖区暴雨天气过程雷达回波特征分析

余代辉，杨 帆，吴 菲

(1.贵州省黔东南自治州气象局，贵州 凯里 556000；2.贵州省榕江县气象局，贵州 榕江 557200 )

1 引言

暴雨是与中尺度系统相联系的灾害性强对流天气之一，具有生命期短、空间尺度小、突发性强等特点，通常是引发山体滑坡、山洪、城市内涝等灾害的直接因素[1]。由于多普勒天气雷达资料具有很高的空间和时间分辨率，是我国对暴雨、冰雹、大风等强对流天气的临近监测、预报和预警最有效的手段之一。目前国内有许多学者利用多普勒雷达资料在强降水天气的临近预报方面进行大量的研究，赵静等[3]对四川盆地内对流性强降雨天气研究表明对流性强降水风暴单体具有低质心、前倾、悬垂结构等特征,且雨强与低仰角反射率因子的强度有较好对应关系。赵玉广[4]在对一次大暴雨天气过程不同阶段的多普勒雷达资料分析中指出,暴雨是由于强降水回波持续较长时间影响所致,强回波顶高和垂直累积液态水含量的变化较明显。近年来，曹春燕等、刘淑媛等、金巍等、张京英等[5-8]通过分析雷达风廓线资料得出低空急流的脉动和低空急流指数I与降水强度的变化有密切关系。由于黔东南州新一代天气雷达投入业务运行时间相对较晚，目前已有的对当地暴雨的研究绝大多是从常规气象资料出发，重点分析产生暴雨的大尺度影响系统。如周艳等[9]对发生在黔东南州一次区域性暴雨天气过程进行诊断分析,得出副热带高压东退,高原短波槽与山东低槽叠加及中低层低涡切变是造成暴雨发生的主要影响系统；池再香等[10]对1996—2005年黔东南州夏季局地暴雨的主要影响系统进行统计分析，得出黔东南多次局地暴雨都与西太平洋副热带高压位置变化密切相关；顾欣[11]利用MICAPS常规资料和数值预报资料对黔东南州一次连续大范围暴雨和大暴雨天气过程进行总结分析，结果表明此次过程产生是高空低槽和中低层低涡切变相互作用造成的。应用雷达资料对发生在黔东南地区的暴雨研究方面不仅较少，而利用VWP产品对黔东南地区暴雨的研究更是甚少，黔东南只有白慧[12]等利用多普勒天气雷达提供的VWP资料对一次高低空急流脉动与短时强降雨的关系作过尝试性分析研究，得出降雨强度与超低空急流风速脉动有一定的对应关系。本文在常规气象资料分析的基础之上，重点尝试利用多普勒雷达资料，尤其是VWP产品对黔东南地区2016年7月20日大暴雨天气过程进行浅析，希望能找出此次大暴雨过程发生前后及发生期间的VWP垂直风场的变化特征与强降水回波强度的关系，以期为以后对黔东南地区的暴雨临近预报、预警提供参考。

2 天气过程概况

2016年7月20日02时—20日14时黔东南境内出现了一次强降水天气过程，其中锦屏九江水库233 mm、黎平德化221 mm、剑河南哨204 mm特大暴雨；凯里城区152 mm、锦屏城区115 mm等27乡镇36站大暴雨，另有32乡镇51站暴雨，分布在黔东南清水江流域和从江县西部(图1a)。从逐小时最大降雨量以及超过10 mm、25 mm、50 mm的站次序列图来看(图1b)，降水主要集中在05—10时，平均每个时次有54个站次降水量超过10 mm、14个站次超过25 mm；而超过50 mm雨强的时段出现在20日06—13时，共计24站次，其中最大雨强为20日08时92.2 mm(出现在锦屏小河)。

综上，此次强降水天气的主要特征是持续时间较长，局地雨强大，暴雨落区集中，分布为中β尺度。

图1 2016年7月19日20时—20日15时黔东南降水分布(a)7月20日02—14时段逐小时最大降水量、以及大于10 mm、25 mm、50 mm站次(b)Fig.1 July 19, 2016 20 to 20 at 20 Qiandongnan cumulative rainfall distribution (a) July 20 02∶00 to 14∶00 by hour maximum precipitation And more than 10 mm, 25 mm, 50 mm station(b)

3 天气形势环流背景分析

19日08时150 hPa形势场(图略)上，贵州处在南压高压东部脊线附近，这样的形势一直持续到21日08时。从500 hPa形势(图2a)分析来看，2016年7月17日08时，中心位于西西伯利亚平原85°E、70°N有阻塞高压存在，从巴尔喀什湖北侧至贝加尔湖为宽广的低压带，2个低压中心分别位于83°E、55°N以及115°E、63°N，青藏高原北侧和西北侧分别有波动槽存在；副高非常强大，588dagpm西伸脊点到达84°E、27°N。17日20时高原上的2个小波动叠加并移动到高原东部。18日08时巴尔喀什湖北侧低压发展旺盛达最强，中心深达556dagpm。18日20时开始由于阻塞高压后退，低压有所填塞，冷空气分裂南下，此时副高东退南落。19日20时阻塞高压后退到乌拉尔山后少动，而低压中心减弱至564dagpm，冷空气进一步补充南下，低槽亦逐步东南下，低槽北侧移动到河北形成低涡，中段已移动至贵州省中北部，20日20时槽尾端已经移动到贵州省南部边缘地区。从副高演变来看，19日08时以前副高以东退南撤为主，19日08时退到最东南，588西伸脊点为103°E、22°N，此后直至20日20时前均以较小的速度西伸北抬，588dagpm稳定控制华南沿海。从上分析可知在19日08—20日20时这段时间，由于副高和高空槽“相向而行”，他们之间的气压梯度越来越大，低层系统受平均环流层引导，风速加大，低空急流得以建立加强。

对于低层影响系统而言，过程发生前18日08时开始925 hPa、850 hPa、700 hPa从中南半岛东北部至广西一线均有急流建立； 18日20时由于日变化，风速减小为12 m/s以下；19日08时风速增大，三层急流重新建立，尤其是925 hPa、850 hPa在湖南的急流核风速已达到了20 m/s以上，此时850 hPa场上出现140 dagpm的闭合小低压，其南北两侧各伸出一段切变线。从高低空系统的配置来看，此时850 hPa、700 hPa、500 hPa的低槽(切变线)近于重合；19日20时由于冷空气的补充南下，500 hPa槽快速移动超前于低层切变，也就是说系统具备了前倾趋势，有利于对流性降水的发生加强，这使得夜间开始雨强明显增大。此次过程，由于副热带高压加强并西伸北抬，低层偏南风急流强盛，受副高阻挡，850 hPa切变在此次降水过程中始终没有明显南压(图2b)，从地面来看，此次暴雨过程发生期间，主体中心位于青藏高原西部有低压加深，20日02时在高空动力系统东移减压的作用下，在湖北附近也有闭合分裂低压生成，黔东南一直处在这个庞大的低值系统底前部，大部地区维持偏南气流的同时，存在中小尺度辐合线。因此，此次过程为一次典型的暖区暴雨天气过程。

综上，此次过程主要是阻塞高压后退至乌拉尔山导致巴尔喀什湖北侧低涡被填塞，引导冷空气南下，高空槽东移快于低层切变，使得大气环境对流不稳定，由于后期副高稳定并略西伸北抬使得中纬度槽与副高之间位势梯度变大，低空急流尤其是超低空急流的建立加强，建立了南海到贵州的水汽通道，保证了充沛的水汽供应，在中低层切变及地面辐合线触发下，带来了此次强降水天气。

图2 17日08时—20日20时500 hPa高空槽与588dagpm等高线走势(a)；19日08时—20日08时每隔12 h 700 hPa(棕色)/850 hPa(红色)切变线(双实线)走势(自东北向西南)和20日08时海平面气压场(黑实线，单位： hPa)与地面风场(b)Fig.2 July 17, 2017 08∶00 to 20 20∶00 500 hPa high-altitude slot and 588dagpm contour line trend 19 08 to 20 at 08∶00 every 12 hours 700(brown) / 850 hPa (red)shear line movements (from northeast to southwest) and sea level pressure field(Black solid line, unit: hPa) and Ground wind field(b) at 08∶00 BT 20 July 2016

4 物理量分析

选取黔东南周边贵阳、怀化、河池、桂林4个探空站暴雨发生前后的整层比湿积分、850 hPa与500 hPa假相当位温差、K指数、对流有效位能以及抬升凝结高度(表1)进行分析。此次过程黔东南暴雨发生前，19日08时各站点整层比湿均已经超过5 000 g· hPa·kg-1，说明大气整层比较湿，而850 hPa与500 hPa假相当位温差均超过10 ℃，K指数在37 ℃以上，说明由于低空、超低空急流的建立，已经使得黔东南具备高温高湿的环境，大气层结高度不稳定，除桂林外，对流有效位能均超过1 000 J/kg,能量充沛。19日20时除贵阳探空站外，整层比湿积分进一步增大，而怀化、河池K指数也增大，说明环境向着更不稳定的方向发展，此时除桂林外对流有效位能仍然维持在800 J/kg，有利于对流性降水的发生，并且4个探空站点抬升凝结高度明显的变化是相比19日08时明显的降低，这比较有利于暖云降水的发生，降水效率高。20日08时，黔东南北部探空站(贵阳、怀化)整层比湿积分明显下降，各站点抬升凝结高度明显升高，强降水已趋于结束。

表1 (贵阳、怀化、河池、桂林)2016年7月19日08时—20日08时整层比湿积分(IQ)、50 hPa与500 hPa假相当位温差、K指数、对流有效位能以及抬升凝结高度Tab.1 The IQ、θse(850 hPa-500 hPa)、K、Cape and LCL of Guiyang,Huaihua, Hechi,Guilin from July 19, 2016 to 20 at 08∶00

5 雷达反射率因子特征分析

从雷达回波演变来看，20日01时07分黔东南州西南部已经有对流回波单体生成(图略)，并沿地面辐合线不断发展加强，至03时25分左右，对流回波已合并加强成一条长约120 km，宽约25 km的西南—东北向带状(图3a)回波。同时在雷达站附近偏南一带也有对流单体不断生成发展，至05时06分，台站附近对流单体与其西南部的带状回波进一步合并加强成一条长约180 km，宽约60 km的强对流回波带(图略)。06时20分带状对流回波进一步发展，对流单体组织化程度进一步增强，影响范围也进一步增大(图3b)。08时18分回波强度、对流单体组织化程度和影响范围均达到最大，并且强对流回波在东移南压过程中连续不断的经过凯里—台江—剑河—锦屏—天柱一带(图3c)，随后回波在东移南压过程中开始减弱，对流单体组织化程度也进一步降低(图3d)。至13时38分，回波已完全移出黔东南地区(图略)。通过分析可看出，在此次大暴雨过程中，强降水发生时段45～50 dBz强回波整体呈带状，其水平长度为150～250 km，为β中尺度对流系统。而从各个时段回波剖面来看(图3e、3f、3g、3h)，虽然对流回波单体发展高度最高达到12 km，但45～55 dBz的强回波主要分布在5 km以下，据探空资料显示19日20时黔东南周边探空站(贵阳、怀化、桂林、河池)的0 ℃高度为5.47～5.87 km，表明此次强回波主要集中在0 ℃层以下，即为典型低质心、高降水效率的热带降水型回波。

暴雨是一种中尺度现象，它是由组织化中尺度对流系统产生的，反射率因子的变化在一定程度上可以反映中尺度系统的活动[13]。从发展旺盛时期反射率因子剖面(图3e、3f)可以看出(白色直线为剖线)，β尺度的强对流回波带是由多个γ尺度的对流单体组成，且组织化程度较高。从降水整个过程反射率因子的演变来看，多个γ尺度的对流回波单体其移动方向几乎与雨带走向平行，在回波带东移南压过程中，其尾部不断有新的对流单体生成，并且表现出后向传播特征，总体呈明显的“列车效应”。据统计，此次过程40～55 dBz强回波持续影响黔东南时间最长的地区为锦屏县，持续时间超过6 h，据地面雨量站统计，锦屏县内的九江水库(图中黑色☆)累积雨量达233 mm。

在此次强降水预报过程中，黔东南州气象台短临预报员充分利用列车效应与暴雨的关系，于20日04时发布了暴雨黄色预警，提前了3 h，取得良好的社会效益。

图3 2016年7月20日03时25分(a、e)、06时20分(b、f)、08时18分(c、g)、11时55分(d、h)的组合反射率因子(上)和组合反射率因子剖面图(下)Fig.3 The radar combined reflectivity(above) and combined reflectivity cross section(below) at 03∶25(a,e)，06∶20(b,f)，08∶18(c,g)，11∶55(d,h) BT 20 July 2016

6 风场特征分析

6.1 径向速度分析

从多普雷达反射率因子可以了解降水的强度、范围和性质，而从径向速度产品可以分析出低空急流、锋面等影响系统以及逆风区和辐合线。将两者结合可以更有利的分析降水的落区和强度。

从20日00时28分的径向速度图上(图4a)来看，在距离雷达15～50 km，对应高度约为1.5～2.0 km范围内，出现正负2个大值中心(白色圆圈)，正速度值为(+21 m/s)，负速度值达到(-24 m/s)，其平均风速为22.5 m/s，可以判断此高度层出现了平均风速为22.5 m/s的低空西南急流(黑色箭头)。此后整个强降水过程，低空西南急流长时间维持。从零速度线随高度的变化来看，从地面到距雷达站第1圆圈范围(2.3 km)，风向随高度顺转，零速度线随高度变化呈“S”形，表明台站附近区域上空2.3 km高度以下有明显的暖平流，并且零速度线弯向正速度区的曲度大于弯向负速度区的曲度，即在第1圆圈内负速度面积大于正速度面积，呈辐合流场结构。从图中还可以看出在台站北部存在一条长约100 km的辐合线(黑色曲线)，而从相应时刻0.5°仰角的反射率因子图(图4e)可以看到一条位置和形状与辐合线有较好对应的强降水回波带。整个强降水过程中，辐合线都与强回波带有很好的对应。05时08分速度图(图4b)上，雷达站西南方向出现小块“逆风区”(黑色圆圈)，对应位置0.5°仰角的反射率因子(图4f)上反映出回波的强度呈明显加强趋势。张沛源[14]指出逆风区的存在表明在其附近存在明显的水平垂直切变，反映了强对流内上升气流引起的水平动量交换，这种动量交换影响了水平辐合辐散的强弱分布，造成了中尺度垂直环流的形成，是一个很好的暴雨判据。从整个强降雨发生旺盛的径向速度图和对应的反射率因子图来看，逆风区在不同时刻不同地点多次出现(图4a、4c、4d)，与强回波中心均有很好的对应关系(图4b、4g、4h)，根据地面自动气象站监测显示在其移动的路径上已经出现或正在出现暴雨。

6.2 VWP产品应用

VAD 风廓线产品(VWP)是将不同时刻 VAD 算法导出的各个高度上水平风用风标表示在同一幅图上而成，水平轴表示时间，纵坐标表示高度。VWP产品可以实时提供测站上空高空风的分布随时间的变化，可用于分析急流的变化，冷暖平流的变化和空气湿度的变化[15]。下面分析此次过程不同时段逐20 min的VWP产品及对应不同时刻的反射率因子图。

6.2.1 暴雨发生前期 陆大春[16]研究指出，在实际风向不是很紊乱的情况下(如没有锋面、中气旋等风向不连续面经过本站时)，可以粗略地用“ND”来表征含水量相对较少，或称“相对干区”。强降水发生前黔东南雷达VWP资料(图5a)，可看出在19日19时13分之前本站上空9 km以下为连续无资料区(图中“ND”)。

图4 a、b、c、d分别为20日00时28分、05时08分、07时28分、08时34分的0.5°仰角的径向速度图(上), e、f、g、h分别为相应时刻的0.5°仰角反射率因子图(下)Fig.4 The radar base velocity(above) and reflectivity(below) of 0.5 degrees at 00∶28(a,e)、05∶08(b,f)、07∶28(c,g)、08∶34(d,h) BT 20 July 2016

19时13分，“ND”层由中层向上下层开始迅速被破坏，这表明整层水汽含量增加、湿层增厚。从风场随高度的变化来看，19时52分—21时50分,0.9～7.3 km高度均为一致的西南风，中低层出现12～24 m/s的西南急流，从图还中可以看出，中低层风速≥20 m/s的西南风在不同高度层上随时间不断上下脉动，19时52分,在0.9 km高度出现了超低空急流，急流风速达到16 m/s，此后减弱至14 m/s，到21时31分,超低空急流风速又增至16 m/s，在此期间，通过对比17时13分和21时50分的0.5°仰角的反射率因子图可以看出雷达站西北部的回波强度呈明显增强(图5b、5c)，地面自动雨量站也显示在铜仁思南县境内的降雨明显增大，这说明低空和超低空急流风速脉动与降水的强度有一定的对应关系。

图5 2016年7月19日18时34分—21时50分的VWP产品图(a),17时13分(b)、21时50分(c)的0.5°仰角的反射率因子图Fig.5 The VAD Wind Profile products at 18∶34 to 21∶50 BT 19 July 2016(a)，The radar base reflectivity of 0.5 degrees at 17∶13(b)and 21∶50(c) July 20, 2016

6.2.2 暴雨发生初始阶段 从黔东南降水发展初期的VWP产品(图6a)来看，23时48分开始，20 m/s西南风由1.5～3.0 km高度不断上下层扩展，至00时47分，0.6～4.0 km高度层均为≥20 m/s的西南风，说明低空急流进一步增厚增强。01时27分,20 m/s的西南风由4.0 km开始向下萎缩，到02时06分萎缩至2.4 km高度，但0.9 km高度的超低空西南急流仍然存在，其数值维持在18 m/s。从风随高度的垂直变化来看，23时08分—02时26分整个过程中，对流层中低层风速随高度顺转，表明中低层出现明显的暖平流。再通过观察西风随高度的变化可以看出(图6a中白色曲线)，23时08分—12时28分，7.9～10.7 km高度层为西风，风速为10～12 m/s，随后西风开始增大并向下传播，至00时08分西风下传至最低高度(6.1 km)，风速为16 m/s。01时27分—02时26分，西风最低高度维持在6.7 km，风速为12 m/s。西风的下传，说明有干空气侵入。从回波的发展演变来看(图6b、6c)，20日00时08分，0.5°仰角反射率因子图显示在雷达站西南部开始有絮状对流单体生成，但强度较弱。随着大于20 m/s的西南急流开始上下脉动，使得中低层辐合扰动增强，加之中高层干空气的侵入，配合中低层暖平流，增强了对流不稳定，进一步触发不稳定能量强烈释放，到02时06分，0.5°仰角反射率因子图显示雷达站西南部的对流单体已明显合并增强，范围也进一步扩大，并逐渐开始填充整个白色圆圈。

图6 2016年7月19日23时08分—20日02时26分的VWP产品(a), 20日00时08分(b)和02时06分(c)的0.5°仰角的反射率因子图Fig.6 The VAD Wind Profile products at 19 23∶08 to 20 02∶26 July 2016(a)，The radar base reflectivity of 0.5 degrees at 00∶08(b)and 02∶06(c) July 20, 2016

图7 2016年7月20日03时25分—06时40分的VWP产品(a)，05时02分(b)和06时35分(c)的组合反射率因子图Fig.7 The VAD Wind Profile products at 03∶25 to 06∶40 BT 20 July 2016(a)，the radar combined reflectivity at (b)05∶02 and (c)06∶35 BT 20 July 2016

6.2.3 暴雨成熟阶段 从03时25分—06时40分时段的VWP产品(图7a)来看，此个阶段对流层中低层风向随高度顺转，表明仍然有暖平流，中低层西南风气流相比前阶段虽然有所减弱，但风速仍然维持在16～18 m/s，中低层西南气流的存在，源源不断的向暴雨区输送水汽和能量。06时01分开始，4.9～5.5 km高度由西南风转为西风，并迅速上下扩展，至06时20分，2.1～5.5 km高度层几乎全部转为西风控制(图7a中白色椭圆圈所示)，说明干空气层非常深厚，这种干空气入侵使得对流不稳定度进一步增加，更有利于对流活动的发展和维持。从06时01分(图7c)和05时02分(图7b)两个时刻的组合反射率因子可以看出，06时01分组合反射率因子图中40～55 dBz的强回波范围较05时02分有明显增大。

6.2.4 暴雨消散阶段 从07时58分—11时15分的VWP产品(图略)可看出，07时58分，4.3～5.8 km转为西北风控制，0.9～3.4 km和6.1 km为西南风，0.6～5.8 km高度，风向随高度顺转，随时间的推移，中层和近地面层开始出现“ND”层，并且从08时18分以后，“ND”层由中层开始迅速上下扩展，至10时16分，垂直高度上的风场除1.5～2.7 km为西南风外，其余高度均为“ND”层和西风或西北风。从20日08时的高度场可以分析出，此时高空槽已经移至黔东南州南部边缘，黔东南州雷达站处于槽后偏西气流控制，这也很好的证实VWP产品图上的“ND”层即为“相对干区”。从对应的回波反射率来看，08时18分回波已经远离雷达站并移至黔东南州东南部(图略)，雷达站20 km附近的对流回波开始消失，随着影响系统的进一步东移南压，到11时15分强回波基本移出黔东南州，暴雨趋于结束。

7 结论

①此次过程主要为阻塞高压后退至乌拉尔山导致巴尔喀什湖北侧低涡被填塞，引导冷空气南下，高空槽东移快于低层切变，使得大气环境对流不稳定，后期副高稳定并略西伸北抬使得中纬度槽与副高之间位势梯度变大，低空急流尤其是超低空急流的建立与加强，建立了南海到贵州的水汽通道，带来了此次强降水天气。

②低质心、高效率的热带性降水强回波对流单体不断发展东移，其尾部不断有新的对流单体生成，呈明显的后向传播特征，强回波带的移动方向与其走向基本平行，使得这些对流单体依次经过同一地区，表现为“列车效应”的回波特征，为此次区域性暴雨产生的主要原因。

③从速度场分析可以得出：零速度线随高度的变化不仅能识别低空急流，还能反映出台站附近上空的冷暖平流和辐合辐散流场结构；“逆风区”的出现及其所在的位置与PPI强度图上强回波有很好的对应关系，可以为提前对强降水落区的预警提供参考。

④从VWP产品显示在强降雨发生前VWP产品“ND”区逐渐萎缩消失，而强降雨结束前却出现深厚的且稳定的“ND”区即 “相对干区”，可见“ND”区域在对流层中层的出现及增厚均对此次暖区暴雨的消散有很好的指示作用，可为准确预报强降水的变化提供参考；VWP产品能清楚地反映出测站上空风场的时空分布、垂直风场以及冷暖平流的演变，同时也表征出低空西南急流以及超低空急流的脉动与强降雨回波的发生发展有密切关系，亦能反映出强降水的雨强变化。

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