湘潭低空急流暴雨天气分型及雷达回波特征分析

戴　劲，何　宁*，袁红松，黄　娟，田　莹，林明丽

（1.湘潭市气象局，湖南　湘潭　411100；2.湖南省气象局，长沙　410007）

湘潭地处亚洲大陆东部，属亚热带季风湿润气候，雨水充沛。境内大部分为山地和丘陵，地形起伏，处于湘江下游，水系发达，河网密布。暴雨可造成湘潭地区河水猛涨，引发洪涝、山体崩塌、城乡积涝等灾害[1]。暴雨是一种中尺度现象，许多专家学者对其做了深入研究[2-10]，暴雨的产生几乎都伴有低空急流出现。低空急流是对流层600 hPa以下强而窄的气流带，它与高空急流一样都有强烈的非地转特征，急流两侧产生气旋性和反气旋涡度，对中尺度天气系统发展有重要作用。由于急流对暴雨有增幅作用，所以其灾害性更为严重，常给国民经济和人民生命财产造成严重的损失。

近几年，随着数值预报技术的发展和多普勒雷达探测资料的综合应用，对暴雨的发生、发展有了进一步的认识，对其预报预警取得了很大的进展。通常的预报方法是用天气形势等常规资料结合数值预报产品做短期预报，用雷达、卫星等非常规资料做临近预报。常规观测能提供各种气象要素资料，但时空分辨率低，而天气雷达能获得降水云系的回波强度、径向速度及谱宽资料等，时空分辨率高。但对急流暴雨天气概念模型与雷达回波强度资料相结合研究暴雨的工作还不成熟。而全面认识暴雨发生、发展的原因和机制，认识造成暴雨的中小尺度天气系统，以及分析在中小尺度天气系统下的雷达回波特征，有利于提高暴雨天气的监测和预报预警能力。本文通过对低空急流暴雨天气背景和雷达回波资料进行分析，了解其成因，为急流暴雨预报预警和气象决策服务提供重要依据。

1　资料和方法

本文使用的资料为长沙SB型多普勒雷达资料（体扫模式为降水模式VCP21：6分钟9个仰角；主要产品采用其基本反射率因子产品，数据等级用dBZ表示）、1°×1°NCEP再分析资料、常规气象观测资料（地面和高空气象观测资料）以及高密度区域自动站降水资料。文中选取湘潭2011-2015年10次伴有低空急流的暴雨天气过程，利用上述气象资料归纳主要强降水天气系统及其对应的雷达回波特征，重点分析了7次暴雨过程。7次暴雨过程低空急流的位置、强度、走向及暴雨的分布如表1所示，共有24个时次的高空观测、2200多个雷达体扫资料。

表1　低空急流的位置、强度、走向及暴雨的分布Table 1　Location,intensity and direction of low-level jet and the distribution of rain storms

（续表）

由表1可知，湘潭的低空急流一般为西南或偏南气流，多出现在副热带高压的西侧或北侧边缘，有时在热带气旋移近副热带高压西南侧，或在变性高压东移出海时也可出现。据统计，湖南5～6月暴雨中，有75%在出现前1 d有低空急流，20%与低空急流同时出现，只有5%无低空急流配合，且湘潭夜间（北京时20-08时）出现暴雨的机率略大于白天[1]，其主要成因是低空急流在夜间形成或极值增大。低空急流的位置与暴雨落区也有较好的对应关系。大多数暴雨发生在低空急流左侧200 km范围内，或者低空急流轴的左前侧和850 hPa切变之间[2]。伴有低空急流的降水持续时间长、分布均匀，易形成成片暴雨。由于低空急流的位置、强度、走向及西南低涡的位置不同，天气形势图上影响湘潭的冷、暖式切变和低槽会相互转化，因此一次暴雨过程不一定始终属于同一种暴雨类型[3]。据表1统计，暖式切变线暴雨次数最多，其次是冷式切变线暴雨，低槽暴雨次数较少。

2　低槽急流型

2.1　天气背景

如图1所示，500 hPa低槽位于 25°～35°N，105°～110°E，副热带高压控制东南沿海或洋面上，主要冷平流在四川，华南各地为偏南风，湘潭上空为12 m/s以上西南强风带，中低层切变位于湖南北部——贵州，湘潭处急流出口或急流左侧，切变北侧有明显冷平流，850 hPa～500 hPa T-TD≤5℃。中低层切变主要以冷式切变为主：冷式切变配合地面冷锋过境，湘潭处冷锋后部，K指数≥38℃，降水表现为明显的阵性，局地差异大，易出现部分暴雨，局部大暴雨天气。当850 hPa长沙风向转为平直西风或偏北风时，湘潭降水开始减弱。

图1　低空急流低槽型（a）和低槽切变型（b）天气模型Fig.1　The weather model of low-level jet through pattern(a)and shear line pattern(b)

2.2　雷达回波特征

2.2.1　低槽暴雨的回波结构和特征

如图2（a），低槽型暴雨发生前在雷达探测区域的西部或北部，有一条南北走向的带状回波，其前侧多分布零散回波；带状回波自西向东移动过程中[图2（b）-（c）]，与其前侧的零散回波合并为长200～300 km以上，宽度为几十千米，长宽比例为10∶1左右，且呈S-N或NNE-SSW向的带状回波，其前沿的回波梯度较大，后部的回波梯度较小，前沿一般有一条强度大于35 dBz的强中尺度对流回波带，其中有少数强对流单体发展较旺盛，强中心可超过50 dBz，回波顶高可达10 km以上，易形成雷雨大风等强对流天气，在影响后期[图2（d）]，回波自西向东快速移动，后部为强度不大的层状云降水回波。前部的回波梯度很大，而后部的回波梯度较小。

由此可见，尽管低槽暴雨有强中尺度对流回波带，易形成强对流天气，但是中尺度对流回波带的宽度窄，且移动速度较快，降水分布不均匀，总体来说降水量不大，难以出现成片的暴雨[3]。

图2　低槽型回波演变Fig.2　Radar echo evolution of the through pattern

低槽暴雨过程主要的速度特征（图略）是：与强中尺度对流回波带相对应的区域，在底层常常有逆风区和气旋性的辐合线，对流旺盛，在中层，零速度线与回波走向一致为南北走向，表明中层为偏西风，回波向东移动，风速越大，移动速度越快[3]。

2.2.2　冷式切变线暴雨的回波结构和特征

在雷达探测区域内，如图3所示，回波为E-W或ENE-WSW向的积层混合性带状回波，高仰角上存在零度层亮带，降水效率较高，中间常有一条或者多条大于35 dBz的强中尺度对流回波带，和低槽暴雨回波相似，也常有50 dBz以上的强中心出现，但较低槽暴雨的对流强度弱，回波范围大。回波单体向偏东方向移动，回波带整体以20 km/h左右的速度向东南方向移动，强回波核沿着带状方向以列车效应方式依次影响站点。回波带临近测站时，降水强度增强，一般在3 h左右可达到暴雨量级，此类降水回波具有对流性，回波顶高度一般会发展到10 km以上，垂直液态水含量常在30～50 kg/m2之间；受深厚的西南急流控制，带来了充沛的水汽和热量。

在速度图上（图略）有逆风区存在，形成风向的辐合辐散，高空的西南风较大，3 km左右能达到16 m/s以上，在有冷锋锋面过境的情况下，可观测到西南风或偏北风的辐合区自北向南移，具体表现为“0”线在本站北部有一“L”型拐角，当强中尺度回波带压过测站时，零速度线为反“S”型，即风随高度逆转，有冷平流。

图3　冷切型带状回波演变Fig.3　Radar echo evolution of the cold shear line pattern

3　副高西侧急流型

3.1　天气背景

500 hPa副热带高压控制华南，西南气流明显加强，长沙风速≥12 m/s，东北冷涡或蒙古冷涡槽底伸至湖南，四川盆地以北有明显冷平流，贵州东部至广州西部切变呈N-S向，切变线受副高阻挡移动缓慢，此时由于东高西低的形势，使切变线北侧转为东南风，形成暖式切变线。暖式切变配合地面辐合线，暴雨区位于700 hPa暖式切变南侧和850 hPa暖式切变北侧，两层切变南侧均为西南急流，强度可达16 m/s，切变西北侧均有冷平流，850 hPa～500 hPa T-TD≤2℃，Si指数在-1℃～-2.5℃之间，K指数40℃左右，地面处冷锋后部或倒槽暖区中，降雨持续时间长，强度大，全市可出现暴雨、大暴雨天气。如图4所示。

图4　低空急流副高型天气模型Fig.4　The WPSH pattern of low-level jet model

3.2　雷达回波特征

暖式切变线暴雨的移动和副热带高压、低空急流有很大的关系，4月至6月中旬，副热带高压脊线位置偏南，降水回波主要影响华南一带；6月中旬至9月，副热带高压脊线北跳至25°～30°N，副高西侧的西南急流增强，在雷达探测区域内，回波以积层混合性带状形式出现，有时为块状、絮状，呈NE-SW或E-W走向，在影响6 h之前，湘潭为闷热高温天气，在影响前3～4个小时，如图5（a）-（b），测站责任区内，副热带高压西端开始出现零散回波，且迅速发展成块状或者带状回波，回波带状内平均强度35～55 dBz，随着副热带高压西伸北抬，回波带也伴随着对流天气向西北方向移动，如图5（c）-（d），主要以雷雨、局地性强降水天气为主，暴雨范围较低槽型和冷式切变型小，但强回波形成发展速度快，在极短的时间内可出现暴雨，以湘潭为例，暴雨量级有时在1～2小时左右完成。

暖式切变线暴雨主要在稳定的暖平流环境中，是水平、垂直方向辐合辐散不是很强的中尺度系统，在强对流天气过程中常常有中气旋辐合，有明显的正负速度对。在速度图上（图略）零速度线常表现为“S”型，为稳定的暖平流降水，有低空急流存在。各类暴雨的雷达回波特征见表2。

图5　副高边缘型块状回波演变Fig.5　Radar echo evolution of the WPSH pattern

表2　各类暴雨回波的基本特征Table 2　Echo characteristics of rain storms

4　结论

（1）对2011-2015年10次伴有低空急流的暴雨天气过程进行分析，将暴雨个例的天气形势分为三类，其影响湘潭的主要降水天气系统所对应的雷达回波特征有带状、块状、絮状三类。

（2）对天气形势及雷达回波产品进行归类，初步建立了低空急流暴雨天气形势概念模型及雷达回波特征概念模型，低槽型暴雨的带状对流回波带较窄，移动速度快；冷式切变线积层混合性带状回波，一般向偏南方向移动，强中尺度对流回波带上常伴有雷阵雨；暖式切变线暴雨常为大范围的积层性混合性带状或块状回波，范围大，降水效率最高。

（3）分析了每种类型降水天气形势配置及雷达演变平均分布情况，对未来短时、短期暴雨落区预报提供一些参考阈值。

（4）存在的问题是长沙风廓线雷达资料相对较少，对低空急流变化的把握不精确，其概念模型不管是以点代面还是预报时效都具有一定的局限性，今后随着样本的增多，将不断修正模型的相关指标。

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