龙岩地区不同类型短时暴雨雷达特征研究

谢玉华，蔡 菁，赖巧珍

（龙岩市气象局，福建 龙岩 364000）

引 言

短时暴雨是世界多数国家的气象灾害之一，短时暴雨的精细化预报也是预报中的难点。国内外气象学者基于雷达资料对短时暴雨的临近预报的研究工作取得了很多成果。其中章国材［1］编著的《强对流天气分析与预报》中就有对短历时强降水的天气形势分类、雷达识别和临近预报方法研究；曹晓岗［2］等总结了在不同降水类型下不同回波强度造成每小时20、35mm 降雨所需要的时间；伍志方［3］等统计了不同回波强度、移速和液态含水量下强降水的出现几率。但是他们的研究基于不同的个例和地区，而事实上不同地区的强对流还是有不同的雷达回波特征的。气象学者对暴雨也进行过很多的研究。赖巧珍［4］等对龙岩两次局地性暴雨进行了对比分析得出了不同的影响机制下暴雨的落区不同。陈秋萍［5］等对登陆福建的热带气旋短时强降水进行了研究，揭示登陆福建台风短时强降水规律。在另一方面，也有很多学者对暴雨的雷达特征方面进行过研究，如覃靖［6］等分析了2016年5月桂北地区一次对流性暴雨过程中也提到在对流性暴雨在雷达回波图上表现为低质心、高效率的“列车效应”。罗思泽［7］等对前汛期发生在梧州地区的各类强对流天气在梧州多普勒天气雷达上的表现特征进行分析得出：短时强降雨回波常表现为块状回波，回波顶的外形比较平滑整齐，回波中心的强度在45d Bz以上；在速度特征上，在径向速度图上常出现逆风区。杨新［8］等对两次副高边缘特大暴雨进行分析得出两次特大暴雨为局地性强降水，雷达回波均表现为强的反射率因子，回波发展迅速且移动缓慢。纵观很多学者的研究得出结论，在不同的地区和不同的降水类型下，雷达回波会反映出不同的特征。闽西地处内陆山区，地形复杂，尤其是突发性的短时暴雨的影响，可造成严重的洪涝、山洪、山体滑坡等次生灾害，给人民的生命和财产带来严重损失。例如“2015.5.19”长汀、连城北部部分乡镇出现大暴雨，局地短时降水集中，强度强，累积雨量大，受灾严重；“2015.7.22”连城出现大暴雨，属于混合型降水，县城成一片泽国，造成了严重灾情。两次暴雨过程雷达回波有不同特征。并且这种短时强降水往往只能靠临近预报进行跟踪服务，因此雷达的应用就显得极为重要。覃秋忠［9］就曾针对新一代天气雷达资料在县级气象预报中的应用作过探讨。通过多年预报服务经验总结出龙岩地区的致灾性短时暴雨的标准为 60mm·h-1、100mm·（3h）-1， 再利用天气雷达资料和自动站资料，寻找出了龙岩地区的不同类型致灾性短时暴雨与雷达资料特征的关系，为预报致灾性短时暴雨提供参考依据。

1 资料及方法

文中利用2011-2015年间龙岩地区的自动站雨量资料，统计龙岩地区出现60mm·h-1的个例有71 个，100mm·（3h）-1的个例有 82 个，再将个例根据降水类型分类的定义［10］通过雷达回波回放进行分类，即强对流型降水：对于对流云阵性降水，通常降水范围较小，且强度较大，PPI上由许多分散的回波单体所组成，水平尺度较小，紧密、边界清晰、棱角分明，回波强度强，且最大回波强度中心和其周围点的回波梯度较大，持续时间变化大，水平尺度从几公里到几十公里，单体中可能包含许多尺度更小的回波泡。如图1a（见彩页），2015年7月17日16-17时，对流型单体造成连城县梅村头村小时雨量65.7mm，对流单体反射率较大，最大达到57dBz以上，并且单体尺度较小，呈团状，单体的反射率因子梯度也较大。混合型降水：通常是层云和对流云降水的混合，降水范围大，并且存在着很多对流单体，且降水强度较大，其PPI特征为范围大，回波中夹有一个个结实的团块，强度可达40dBZ或以上，有时强回波团块可形成一条短带，偶尔还会出现零度层亮圈。如图1b（见彩页），2013年5月19日5时到8时混合型回波造成永定县多个乡镇3小时雨量超过100mm，回波中可清楚分辨出夹杂有对流单体，并且单体呈现带状分布，单体周围是大片反射率较均匀的稳定性回波。热带型降水：较好判断，通常由热带气旋靠近或热带辐合带系统附近造成的降水，动态PPI图上表现为有一定旋转性，且降水面积较大。如图1c（见彩页），2014年8月12日18时到21时热带辐合带云系造成上杭湖洋3小时雨量达167.8mm，回波呈现一定的螺旋性，稳定型降水：通常降水范围为几百公里，且强度不大，PPI上分片成片，面积较大，回波强度一般在20dBZ左右，通常不会超过35dBZ。如图1b（见彩页）右上角大片反射率均匀的的回波即为稳定型降水。根据分类型降水，对雷达的反射率特征、回波形状特征、速度特征、VIL特征和回波顶特征进行统计分析。

2 致灾性短时暴雨与雷达反射率的关系

针对2011-2015年龙岩地区致灾性短时暴雨个例，进行降水类型分类别统计主要分为三类：对流型、混合型、热带型，稳定型几乎没有出现。两种致灾性短时暴雨的分类中每种类型所占比例有所区别（表1）。可以看到在60mm·h-1的个例中对流型所占比例最大，在100mm·（3h）-1的个例中混合型所占比例最大，两种个例中热带型所占比例都最小。通过经验可以得知这和实际降水情况是吻合的。对流型降水往往降水强度强但是在同一地点维持的时间不长，因此在同一地点容易出现60mm·h-1的降水，但是要在同一地点维持3小时达到100mm是比较困难的，反而混合型的降水在同一地点维持的时间容易达到较长时间，因此，混合型降水在同一地点造成100mm·（3h）-1降水是容易的，另外热带型的降水特征往往较平缓， 要造成 60mm·h-1和 100mm·（3h）-1降水都是比较困难的。综合以上，得出造成致灾性短时暴雨的降水类型中混合型所占比率最高，对流型次之，热带型最少。

通过以上对降水类型进行分类别统计后，再对各种降水类型的雷达回波特征进行统计。首先对雷达反射率进行分类别统计得出：同样时间造成同样降水所需反射率是60mm·h-1个例中对流型最强，混合型次之，热带型最小。这和曹晓岗等（2008）总结了在不同降水类型下不同回波强度造成每小时20、35mm降雨所需要的时间得出的结论较为一致，曹小岗等得出的结论是同样回波强度产生20、35mm·h-1所需要的时间分别是对流型降水时间最长，混合型降水次之，热带型降水用时最少。100mm·（3h）-1的个例中虽然混合型和热带型的反射率因子相差不大，但也大体可以表现出对流型降水效率较低、而混合型和热带型降水效率较高的特征。另外一个造成对流型降水的反射率较高而降水效率较低的原因可能和反射率受0℃层亮带和冰雹影响很大有关，因为在强反射率对流型降水中往往夹杂有冰雹，而冰雹反应的反射率特征就是反射率强而降水效率不高，因此造成相同时间相同降水量的回波特征是对流型的反射率最高。如图1a（见彩页）中经过连城县梅村头村的回波平均反射率达到54dBz，而图1b（见彩页）中造成永定多个乡镇3小时雨量超过100mm的回波平均反射率为43dBz左右，图1c（见彩页）中热带型降水回波造成上杭湖洋乡3小时167.8mm平均反射率才41dBz左右，说明热带型降水回波降水效率非常大。

表1 不同降水类型个例分布

3 致灾性短时暴雨的回波形状特征

对短时暴雨与回波形状特征如图2（见彩页）给出了各种特征对应的个例，进行了统计得出，在60mm/h个例中，对流型降水块状回波出现的几率最高，混合型和热带型降水片状出现的几率最高；在100mm/3h个例中对流型降水带状出现的几率最高，混合型降水片状出现几率最高，热带型降水块状和片状出现的几率相当。这很显然的，降水量和降水持续时间有关，降水持续时间越长，降水量越大，而片状面积是最大的，在同一地能够持续较长时间，因此，混合型和热带型降水片状出现短时暴雨的几率最高，而对于对流型降水，本身出现片状对流型降水的几率就小，块状就能够维持较长时间，但是对流型降水一般都不会超过1小时，因此要产生100mm·（3h）-1降水的对流型回波可以通过带状，即“列车效应”，强降水单体先后经过同一地点，才导致长时间的大的雨量，因此带状出现的几率是最大的。如陈军［11］等分析的一次贵州暖区持续性区域大暴雨就是由对流单体“列车效应”造成的。龙岩地区也经常出现，如图2b中的回波呈现带状，并且回波走向与系统走向平行，强回波连续经过武平县的象洞、上杭县中都等各乡镇，造成多个乡镇3小时雨量超过100mm。

4 致灾性短时暴雨的速度场特征

在径向速度图上，速度场表现出很多种特征（图3，见彩页）。常见的有逆风区型如图3a（见彩页）：造成武平县桃溪2012年8月18日15-16时小时雨量超过60mm的回波速度特征呈现很明显的逆风区型，即在径向速度负速度区包含着正速度区，或在正速度区中包含着负速度区，正、负速度区之间有一个零速度过度带。中尺度辐合型是指尺度在20-200km的辐合，或零速度线向内气旋式弯曲、正速度区在内凹处、负速度在外凸出处，如图3b（见彩页）速度图中，零速度线向正速度区弯曲，并且负速度的最大值达到-27m·s-1，而正速度的最大值仅为15m·s-1左右，说明不仅有风向的辐合，而且还存在风速的辐合，这种辐合形势造成永定湖山等多个乡镇1小时雨量超过60mm，3小时雨量超过100mm。中尺度切变型又分为暖切型和冷切型，如图3c（见彩页）即为冷切变型，2015年7月22日，低层切变南压经过连城县，速度图上能清楚分析出切变线呈东北-西南向，切变形势造成连城县城县大部分乡镇雨量3小时超过100mm，连城县城也成了一片泽国，造成连城巨大经济损失。暖平流型指速度零线呈现正S型弯曲的速度场，如图3d（见彩页），2015年8月31日永定几个乡镇1小时雨量超过60mm，3小时雨量超过100mm的回波速度图就呈现明显的正S型，说明有暖平流存在。其他类型中包含大风区型、小尺度辐合型、中尺度辐散型和没有明显特征的。不同的速度场特征对降水的持续有一定的指示性意义，陈锐［12］等对柳州市强对流暴雨的闪电和雷达回波特征研究表明径向速度不均匀风场结构的存在有利于对流回波的发展，屈梅芳［13］对广西一次连续性暴雨过程进行分析得出逆风区和中小尺度辐合的出现都有利于暴雨的产生，陈关青［14］通过对贵州铜仁暴雨和冰雹雷达回波特征对比分析指出短时强降水发生在逆风区边缘地带、径向速度辐合最大的区域。从表2可以看到，无论是 60mm·h-1和 100mm·（3h）-1个例中，对流型降水的速度场特征都表现得不是很清楚，这和对流型降水表现出的分散性和局地性有一定关系。混合型降水个例中中尺度切变型表现得最为清楚，并且通过统计发现，出现短时暴雨的地点容易出现在切变线附近，热带型降水辐合型所占比率最多。而两种个例总和中也是切变型所占比例较多，而有很大一部分在速度场上没有明显特征。

表2 降水类型速度场特征

5 致灾性短时暴雨的回波顶高、垂直累积液态水含量（VIL）特征

通过分析降水回波的回波顶高特征得出，强降水的回波顶高差异很大，低的回波顶高仅4km，高的可达14km以上，但平均而言，对流型降水回波的回波顶高最高，达10km，混合型降水回波顶高在8km左右，热带型降水回波顶高在7km左右。

垂直累积液态水含量数值的大小对强降水的反映并不十分敏感，分析个例中发现，大的VIL值都能产生大的降水，但有时即使很小的VIL值也能产生大的降水量。因此综合以上，回波顶高和VIL值对于判断是否产生短时暴雨不是很好的指标，只能作为辅助判据。

6 总结

通过统计2011-2015年个例发现，造成龙岩地区致灾性短时暴雨的降水类型主要分为三类：对流型、混合型、热带型，稳定型几乎没有出现。对流型降水最容易造成60mm·h-1致灾性短时暴雨，混合型降水最容易造成100mm·（3h）-1致灾性短时暴雨。

要达到60mm·h-1降水，对流型降水所需平均雷达反射率为48dBz，混合型降水为46dBz，热带型为45dBz；达到 100mm·（3h）-1降水，对流型降水所需平均雷达反射率为47dBz，混合型降水为42dBz，热带型为43dBz。因此，当发现对应的降水类型达到相应的反射率标准时，要关注是否会造成致灾性短时暴雨。

在60mm·h-1个例中，对流型降水块状回波出现的几率最高，混合型和热带型降水片状出现的几率最高；在100mm·（3h）-1个例中对流型降水带状出现的几率最高，混合型降水片状出现几率最高，热带型降水块状和片状出现的几率相当。因此，当各降水类型出现相应回波形状特征时也要关注是否会造成致灾性短时暴雨。

在速度场中，对流型降水较难通过速度场判断是否出现短时暴雨，而混合型短时暴雨大多出现在中尺度切变型速度场中，并且通过判断回波所经过之地的时间长短可以大致判断所经之地是否出现短时暴雨。

回波顶高和VIL值对于判断是否产生短时暴雨不是很好的指标，只能作为辅助判据。

参考文献：

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