天津沿岸一次极端短时强降水的中尺度分析和雷达回波特征

靳振华，庄 庭，卜清军

(天津市滨海新区气象局 天津 300457)

0 引 言

短时强降水是华北沿海地区夏季常见的灾害性天气之一，具有突发性强、降水集中、历时短且局地性强、预报难度大的特点，常常引发严重的洪涝灾害和诱发地质灾害，造成人民生命财产安全的重大损失。随着沿海地区城市迅速发展和人口急剧增长，城市运行对短时强降水的敏感性也日益增强，加强对短时强降水的分析研究及监测预警具有非常重要的意义，对此很多专家做了大量的研究工作。20世纪80年代，Hosking等[1]和 Klaassen[2]对短时强降水进行了研究；在国内，气象工作者从强降水的时空分布特征[3]、发生发展机理[4]、中尺度系统特征和触发因子等[5-7]方面做了大量研究。

随着多普勒天气雷达布网的发展，高时空分辨率的雷达产品极大地增强了对短时和临近灾害性天气的监测和预警能力，目前对短时强降水的雷达特征分析和预警方面，很多专家作了大量的研究工作。国际上为提高局地强对流天气的短时和临近预报能力，Batta[8]很早就利用天气雷达来探测和分析强对流天气的结构和演变特征，指出 50,dBz强度回波的出现标志着降水强度加强，消失标志着降水强度开始减弱[9]；强回波面积是判断强对流天气的一个很好标志[10]。俞小鼎[11]综述了短时强降水主观临近预报的思路和方法，给出雨强和降水持续时间这两个要素在雷达回波上的表现；彭九慧等[12]细致分析了强降水开始前和强降水期间的多普勒雷达特征；徐双柱等[13]研究武汉暴雨过程中的雷达组合反射率因子后指出，反射率因子强度大于或等于 45,dBz对应强降水；李德俊等[14]对比分析了发生在恩施山区强冰雹和短时强降水天气的雷达产品，把组合反射率中心强度、垂直累积液态水含量 VIL密度分别达 43.0,dBz和1.1,g·m-3等条件作为短时强降水临近预警指标。然而，每一次短时强降水天气过程的天气尺度环流背景、中尺度强迫源都不同，因此中小尺度灾害性短时强降水事件仍是当前天气预报中的难点。

本文利用地面加密自动站、卫星、塘沽新一代多普勒天气雷达及常规地面高空观测资料等，对2017年8月 5日天津滨海新区南部极端短时强降水过程进行分析，以期为今后此类短时强降水的短时临近预报总结一些有价值的信息。

1 天气实况

2017年8月5日午后，受高空冷涡影响，天津自西北向东南出现强对流风暴，各地雨量分布不均，滨海新区南部小时雨强 50,mm/h以上的有 4站，最大小时雨强为 74,mm/h，出现在自动站 A2609，大港国家级观测站出现小时雨强 50.6,mm/h的局地极端短时强降水(见图 1)，并伴有强雷暴和最大阵风24.9,m/s(13：10时)的雷雨大风。当日出现了比较严重的城市内涝，城区积水严重，造成交通阻塞，并出现涝灾、风灾等危害农作物的严重灾害，直接经济损失为2,910万元。

图1 2017年 8月 5日 13～14时滨海新区自动站短时强降水分布Fig.1 The distribution of short-time heavy rainfall in Binhai New Area automatic station at 13∶00 —14∶00，August 5，2017

2 天气形势背景

2017年8月5日08时500～700,hPa各层上，内蒙-中国河套为一东北-西南向的冷涡，中心位于内蒙古的东北部，垂直方向上冷涡结构明显前倾，由于西北太平洋台风的阻挡，冷涡东移缓慢，700～850,hPa山东半岛附近有明显的切变线存在，滨海新区位于切变线后部的西北气流中，冷涡前部的西南暖湿气流逐渐影响本区，地面图上，华北小低压与台风外围等值线打通，形成南北向的低压带(见图2)。

图2 2017年8月5日08时天气形势场Fig.2 The weather situation at 08∶00，August 5，2017

3 地面中尺度系统

分析地面加密自动站风场资料发现，12∶00时滨海新区受东南风影响，新区南部温度在 33,℃以上，露点温度 28,℃左右，形成了高温高湿的环境，自动站A2609附近出现了一条西北-东南向暖湿的地面辐合线；13∶00时新区南部出现小范围的偏北风，冷暖空气交汇，加剧了近地面气流的抬升；14∶00时新区南部出现极端短时强降水，自动站 A2609附近的辐合线再次出现，且强降水发生在冷空气影响的范围内，可见地面辐合线的形成和冷空气的影响触发了此次强降水，且提前1～2,h出现(见图3)。

4 中尺度对流云团

8月 5日 13∶00时的卫星云图上(见图 4)，天津上空有大片对流云团，在云区西南方向有2个小块的云团发展；13∶30时对流云团向东南方向移动并发展加强，西南方向的小块云团逐渐并入，发展为较大的块状云团。14∶00发展为较强的对流云团，形成东北-西南向积云线的形态，14∶30时积云线上的云团继续发展，范围有所扩大。

图3 2017年8月5日地面加密自动站分析场Fig.3 The ground encrypted automatic station analysis field on August 5，2017

图4 2017年8月5日卫星云图Fig.4 The satellite cloud chart on August 5，2017

5 雷达回波特征分析

分析 8月 5日极端短时强降水发生时段内的多普勒雷达产品，发现：强降水雷达回波整体为积层混合型回波，层状云中包含有积状云。强降水回波自西北向东南逐渐影响滨海新区，移动速度为 40,km/h，回波形态呈东北-西南向的强回波带，50,dBz的强回波范围逐渐扩大。图5给出2017年 8月 5日13∶00～14∶00强降水期间不同时次天津雷达组合反射率因子CR、垂直累积液态水含量VIL及极端短时强降水6,min雨量的变化。

沿经过发生极端短时强降水所在站点最能体现强降水回波结构的方向剖面，发现8月5日13∶06时50,dBz以上的强回波伸展高度达 11,km 以上，表明对流风暴发展旺盛，对流高度很高。此外，回波存在倾斜特征，有回波悬垂特征出现(见图6)。

图5 强降水过程期间不同时次天津雷达组合反射率因子 CR、垂直累积液态水含量 VIL及极端短时强降水6,min雨量的变化Fig.5 The variation of the combined reflectance factor CR，the vertical accumulative liquid water content VIL and 6,min rainfall of the extreme short-time strong precipitation

图6 2017年8月5日13∶12时径向速度场Fig.6 The radial velocity field at 13∶12 on August 5，2017

逆风区是指在没有速度模糊的情况下，正速度区内包含负速度区或负速度区内包含正速度区[11]。逆风区是中尺度的辐合辐散，是短时暴雨预报的一个判据。从雷达径向速度场分析，8月5日13∶12时，观测站 54,645及附近大片的负速度区中包含正速度区，并有明显的零速度线环绕，即出现了逆风区。逆风区的出现表明此处风向发生了剧烈变化，产生了强的风切变，具有明显的辐合和辐散。

风廓线产品(VWP)代表了雷达上空 60,km左右范围内风向风速随高度的变化，时间分辨率达到6,min，可较清楚地描述风向、风速随时间和空间的不连续变化。塘沽雷达站距观测站 54645约 7,km，VWP资料有一定的代表性。图 7给出 8月 5日13∶00 和 14∶00 天津雷达 VWP 产品。

图7 2017年8月5日风廓线产品VWPFig.7 The wind profile product VWP on August 5，2017

6 结 论

这是一次高空冷涡影响下的强对流天气，冷涡前部的西南暖湿气流为强降水的发生提供水汽条件。

强降水发生前期维持高温高湿的环境，地面切变线的形成和冷空气的入侵加剧了近地面气流的抬升，且较强降水提前1～2,h出现。

VIL值的跃增会产生强烈的对流性天气，并产生强降雨，1个体扫跃增 15.3,kg·m-2，最大值为30.9,kg·m-2，相对于 6,min最大雨量(14,mm)超前1个体扫，且高VIL值(＞5,kg·m-2)维持4个体扫。CR、VIL及强降水 6,min雨量，有相同的变化趋势，降水最强时段和位置与回波最强时段基本对应，VIL的变化较降水量有一定的提前量，该特征可以作为强降水短时预报的有用指标。逆风区的出现表明回波正在强烈发展，逆风区及其移动路径上会产生短时强降水，对短时预报及服务有很好的参考依据。风廓线产品显示西北路径冷空气与近地面东南风汇合有利于位势不稳定的加强，进而有利于强降水的发生。