河源市短时强降水的时空分布及雷达回波特征分析

贺发胜，肖建军，郑金新，甘海，赖晓玲

（河源市气象局，广东河源 517000）

短时强降水是指短时间内降水强度大，降水量达到或超过某一量值的天气现象。此类天气过程具有雨势猛、短时内降水强度大、致灾风险高等特点，容易造成城乡积涝、交通堵塞等影响，山区则容易导致滑坡、山洪、泥石流等灾害，严重威胁人民生命财产安全［1－3］。许多学者对短时强降水的特征和规律研究做了许多研究［4－7］，姚莉等［8］研究了我国1 h雨强的时空分布特征，发现西南、华南地区日变化最为明显，但不同级别雨强的差别却不大；陈训来等［9］研究了深圳市短时强降水的时空分布特征和主要影响天气形势，结果表明深圳短时强降水日数和出现频次在6月最多，且容易发生在下午至傍晚；孙喜艳等［10］分析广东汛期（4—9月）小时强降水变化特征，发现8月份小时强降水的日变化为双峰结构，其余月份日变化均呈现单峰结构，每天16：00（北京时，下同）出现小时强降水次数最多，小时强降水多发区与山脉走向基本一致。从以往的研究中可以发现，不同地区短时强降水的时空分布特征存在很大差异，河源市地处粤东北，多山地，短时强降水是最主要的灾害性天气，但对河源市短时强降水的研究却很少。随着区域自动气象站的建设密度大幅提高及河源多普特天气雷达的投入使用，对河源市短时强降水天气的统计分析及总结认识还有很大的提升空间。通过该研究，可以更充分认识河源地区短时强降水天气的规律和特征，进一步提高短时强降水的预报预警能力。

1 资料选取

降水资料取自河源地区96个区域自动气象站2013—2017年实测小时降水量资料；雷达资料为河源新一代多普勒天气雷达2013—2017年探测资料（每6 min 1次）。

短时强降水定义为1 h降水量≥20 mm的降水，根据1 h雨量的大小，将短时强降水分为20、40和≥60 mm／h 3个等级。本研究中“≥20 mm／h”量级频次是指所有时雨量≥20 mm出现的次数，“20 mm／h”量级频次是指20 mm≤时雨量＜40 mm出现的频次数，与40 mm／h及≥60 mm／h量级频次类似。雷达回波移动方向是指回波的来向，按8个方位表示。

2 结果与分析

2.1 年、月变化

2013—2017年河源地区共出现短时强降水4 085站次，平均每年817站次，2016年出现最多，有1 020站次，2017年最少，只有555站次。年最早出现时间为1月4日（2016年），最迟出现时间为4月19日（2015年）；最早结束时间为10月15日（2017年），最迟结束时间为12月21日（2016年）。

从降水量级分布来看，河源地区短时强降水以20 mm／h为主，占总数的90.1%。随着降水量级增大，次数越少，40 mm／h的站次数占总数的约8.6%，而≥60 mm／h量级的短时强降水只出现47站次，占总站次数的1.2%。最大小时雨量为111.2 mm，出现在2015年5月20日06：00。

从河源地区各量级短时强降水月变化（图1）可以看到，全年各月均有可能发生短时强降水天气，但主要集中在4—9月。各量级逐月变化趋势一致，均呈双峰结构，5月份最多，8月次之。≥60 mm／h的短时强降水主要出现在5—10月，其余月份没有出现。

图1 河源地区短时强降水月变化分布

2.2 日变化

河源地区短时强降水日变化特征如图2所示。从逐时演变来看，20 mm／h和≥40 mm／h的短时强降水均具有双峰型日变化特征，08：00前后出现一个小峰值，16：00前后出现最大峰值，16：00—17：00出现的短时强降水站次数最多。

图2 河源地区短时强降水日变化分布

从各月日变化分布（图略）来看，4和5月呈双峰型分布，峰值出现在08：00和16：00前后，其中08：00出现的次数最多，但5月的16：00前后出现的次数比例比4月大很多。3以及6—10月均呈单峰型分布，3月最多出现在13：00—14：00，6月最多出现在16：00，7月最多出现在15：00—17：00，8月份最多出现在17：00—19：00，9和10月最多出现在17：00。1、2、11和12月因短时强降水出现次数较少，本研究不做分析。

2.3 雷达回波特征

1）径向速度。

短时强降水在多普勒雷达径向速度图上主要表现为逆风区型、大风区型、大范围辐合区型及前3种类型任意2到3种的混合型，其中逆风区型最为常见，有42.2%的短时强降水天气属逆风区型，其次为大范围辐合区型占21.4%，大风区型和混合型较少，只有9.0%和7.3%，另外还有20.1%的短时强降水天气在速度图上特征不明显。在47站次≥60 mm／h的短时强降水中，有30站次属于逆风区型，超过60%，5年间出现的最大小时雨量源城区111.2 mm就是属于此类型。可见逆风区型是短时强降水的主要径向速度图特征，在大量级中尤为明显。

大片正（负）速度区中出现一小片负（正）速度区，并有明显的零速度圆环或半圆环将二者隔开，这种情况称为逆风区。逆风区的出现表明此处的风向发生了剧烈的变化，产生了强烈的风切变和辐合［11］。如图3a所示，在骆湖附近大片正速度区中有一小块的负速度区，是典型的逆风区，该逆风区维持将近1 h，导致骆湖站07：00降雨量达到73 mm。

大范围辐合区型是指站点处在正负速度辐合区中，径向速度往往不是很大，主要由切变线或锋面系统影响产生的。如图3b所示，零径向速度线在雷达的西北侧产生折角，有锋面或切变线影响，锡场位于切变线上，07：00锡场站降雨量为43.5 mm。

大风区型是指最低仰角（0.5°）上径向风速大于15 m／s的区域，在图3b中，锡场站附近径向速度达到15 m／s，时雨量45.2 mm。

2）回波形状及其它产品特征。

根据雷达回波的结构形式、范围大小及有组织程度，将回波形状分为带状、片状、及块状3种类型［11］。通过统计（表略）发现，短时强降水回波主要表现为块状，比例达到58.2%，其次为带状32.8%。逆风区型以块状回波为主，比例达61.5%，其次为带状30.3%；大范围辐合区型的短时强降水有51.6%为带状回波，有37.1%为块状；混合型表现为带状和块状各占1／2，大风区型在3种形状上比例相差不大，块状稍多（42.3%）；而不明显型大部分为块状回波，比例超过82%。

从其它产品的统计看出，短时强降水的最大组合反射率平均值均超过了50 dBz，混合型的反射率因子最大，平均达到55.5 dBz，不明显型最小，平均52.7 dBz。回波顶高（ET）和垂直积分液态水含量（VIL）值也均是混合型最大、不明显型最小。但ET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［12］，在图3中大风区过程（图3c）VIL达到35 kg／m2，ET为14 km，但逆风区过程（图3a）VIL只有10 kg／m2，ET也只有11 km，与表1中平均值规律不一致。

图3 河源多普勒雷达2017年5月24日6：30（a）、2015年5月26日06：06（b）、2016年8月26日15：24（c）仰角为0.5°的PPI速度图像（单位：m／s）

3）雷达回波移动特征。

通过统计短时强降水过程雷达回波移动方向（表1）发现，西南往东北方向移动的回波次数最多，其所占比例达到51.8%，西北往东南移动次之。从逐月回波移动方向比例来看，3—6月雷达回波移动方向以西南往东北为主，尤其是5—6月，比例更达到70%以上，这是因为前汛期主要受西风带系统影响，而5—6月西南季风盛行所致。6月份以后才逐渐出现其他方向移动的回波。另外，1、2、11和12月出现的短时强降水的雷达回波均是西南往东北方向移动（表1中未列出）。

表1 短时强降水雷达回波移动方向比例 %

2.4 空间分布

2013—2017年河源地区平均每站发生短时强降水43次，次数最多的是河源市气象局站84次。从5年间各个区域自动气象站短时强降水次数分布（图4a）可以看到，短时强降水次数大值区主要位于源城区和东源西部，结合地形图分析发现，东源西部位于九连山与罗浮山之间谷地、九连山南缘，源城区位于罗浮山南缘的谷地中。3—6月短时强降水次数分布（图略）与图4a基本一致，大值区也是位于东源西部及源城区；而7—10月分布（图4b）则明显不同，大值区分布散乱，没有明显规律。2.3节指出3—6月雷达回波移动方向以西南往东北为主，尤其是5—6月，比例更达到70%以上，由此可见，低层西南气流在西南东北向的九连山脉和罗浮山脉的地形作用下，辐合抬升加强，使得东源西部及源城区短时强降水多发。

≥40 mm／h的短时强降水站次数分布（图4c）与20 mm／h的分布（图略）基本一致，而≥60 mm／h的47站次中有15站次出现在源城区，可见不同级别雨强的空间分布差别不大，都是多发于源城区及东源西部。

图4 2013—2017年河源短时强降水次数分布（a）；7—10月（b）及≥40 mm／h（c）短时强降水次数分布

3 结论

1）河源市短时强降水天气具有明显的月变化和日变化特征，5和8月出现最多，4、5月呈双峰结构、容易发生在清晨和下午，其余月份呈单峰分布，也容易发生在下午。

2）短时强降水在多普雷达径向速度图上表现为逆风区、大范围辐合区及大风区，逆风区型是主要特征，在大量级中尤为明显；短时强降水回波主要表现为块状；超过1／2的雷达回波西南往东北方向移动，5—6月更超过70%。

3）西南气流在九连山和罗浮山的地形作用下辐合抬升加强，使得3—6月东源西部及源城区短时强降水多发。

4）不同级别雨强的短时强降水在时间和空间分布上差别不大。

通过分析可以看出，了解短时强降水的时间和空间分布规律，有助于提高短时强降水短的期预报，尤其是精细化预报中落区和时段的预报准确率；在短时临近预报和预警信号发布工作中，应分析回波形状、径向速度图等，尤其要注意径向速度图中逆风区的识别。