浙中一次短时大暴雨的双偏振雷达特征分析*

方桃妮 叶延君 叶妍婷 刘圣楠 沈杭锋

(1.金华市气象局,浙江 金华 321000;2.兰溪市气象局,浙江 兰溪 321100;3.杭州市气象局,浙江 杭州 310008)

0 引 言

天气雷达是探测短时强降水的主要工具之一。新一代多普勒天气雷达在暴洪等强对流天气探测方面已经取得了不少成果,但其为单偏振雷达,无法对降水粒子的形状、相态进行进一步分析,在定量降水估测、冰雹识别等方面有一定局限性。双偏振多普勒雷达通过发射水平和垂直2个方向的极化电磁波,除了探测反射率因子、平均径向速度、速度谱宽3个基本参量之外,还可以探测差分反射率因子ZDR、差分传播相移率KDP以及相关系数CC等偏振参量,能更好地描述降水粒子的尺寸、形状以及降水类型等信息,在降水估测和相态识别上有更好的表现。1989年以来,国内气象工作者已经在双偏振雷达资料的应用方面开展了部分研究[1-11],刘黎平等[2]、张鸿发等[3]研究了双线偏振雷达的探测理论、数据控制;董振贤等[4]研究了双偏振雷达的偏振参量及其应用;郑佳锋等[7]研究了双偏振雷达产品的定量降水估测方法的效果及其误差,表明在大雨以上量级的降水中,双偏振雷达的误差较单偏振低;汪舵等[8]的研究表明，引入双偏振参量对不同小时雨量的降水进行估测,其误差更低,稳定性和相关性更好。双偏振雷达是目前国内正在研究开发的新型天气雷达,其应用是未来发展的趋势,国家也正在对原有雷达进行升级,研究双偏振雷达资料的应用具有重要意义。

2020年衢州雷达已由CINRAD/SB改造为双偏振天气雷达,并投入业务使用,通过研究衢州双偏振雷达资料在强对流天气中的应用,可以提高强对流天气的短时临近预报预警能力。本文选取2020年5月9—10日发生在浙江省中南部的一次强对流天气,该过程降水时间短、小时雨强强、累计雨量大、降水时空分布不均,其中过程最大雨量为金华市兰溪站144.2 mm,破有气象记录以来历史同期纪录,发生了较严重的城市内涝等灾害。此次过程分为9日上午和9日夜里2个阶段性爆发,9日上午发生了暴洪,而下午天气晴,回温显著,夜里开始又一波短时暴雨侵袭,且伴随大风。天气预报难度大,具有较好的研究意义。利用常规气象资料、区域自动气象站资料、0.25°×0.25°欧洲天气预报中心(简称EC)再分析资料、双偏振雷达资料分别分析了该过程发生的天气背景、物理量特征和双偏振雷达回波特征,为双偏振雷达资料在当地短时强降水天气预报预警中的应用奠定基础。

1 过程概况

2020年5月9日00时在江西有雷暴生成,且其在东移过程中不断发展,05时左右雷暴进入浙江,影响浙江中西部,造成短时强降水天气。9日下午阶段性降水结束后,浙江中南部出现35 ℃以上的高温,而在两湖交界处生成了新的雷暴,东移发展,20时在江西加强为飑线,东移横扫江西东部、浙江中南部,造成了短时强降水和局地极端大风天气。

分析对流天气的时空分布特征,此过程分为两个阶段:阶段1发生在9日上午,以短时强降水为主,暴雨中心在浙中的金华兰溪市和杭州建德市南部,强降水主要集中在9日07—11时,累计降水量大于100 mm的站点有7个(均在兰溪市),最大为兰溪站134.4 mm(含过程最大小时雨强63.4 mm),破历史同期纪录。阶段2发生在9日后半夜至10日凌晨,暴雨中心在金华永康市,强降水主要集中在9日23时—10日02时,累计降水量大于100 mm的站点有3个,最大为永康西溪111.6 mm(含最大小时雨强81.3 mm),丽水、温州有8～9级雷雨大风。

该过程具有时空分布不均匀、局地性强、短时雨量和累计雨量大等特点,有一定的预报难度,且大降水中心均发生在金华市,故选取金华市境内的强对流进行详细分析,对当地预报员的业务工作有借鉴意义,对更好地推进双偏振雷达资料的应用提供支持。

2 环流形势和影响系统

2020年5月9日08时浙江省处于200 hPa高压环流东北侧,气流分流辐散,高空的抽吸作用有利于强天气的发生。500 hPa副热带高压(简称副高)呈东东北西西南带状分布,脊线在20°N附近,588 dagpm线在浙闽交界一带,浙江省处在副高北缘,有较强的不稳定能量。副高西北侧从华南至浙西700 hPa、850 hPa有一条16～18 m/s的西南急流轴,预报区处在急流轴出口区左侧,有较强的暖湿平流。850 hPa在山东至渤海一带有低涡,其南侧的槽切南伸至长江中下游地区,槽切后部是偏北风急流,与等温线有较大交角,表明有较强冷平流南侵。冷暖平流在预报区上空交汇,为强对流的发生提供了位势不稳定条件。地面冷锋已至江浙皖赣交界一带,触发了强对流天气的发生。根据《中国强对流天气预报手册》中强对流的基本配置可以判断,这是一次斜压锋生类强对流天气过程。

另外,850 hPa形势图(图略)上长江下游以南有一条露点锋,即干线;925 hPa形势图(图略)上从湖南中南部经江西中部至浙中西部有一条中尺度辐合线,干线与超低空辐合线为阶段1的强对流天气提供了中尺度触发机制。

9日白天浙江省上空有一个干暖盖结构(500 hPa温度露点差大于20 ℃,44 ℃的暖中心),有利于积蓄不稳定能量。处在副高北部边缘的浙中南地区最高温度普遍升至35 ℃以上,热力条件明显转好。20时500 hPa高空槽加深东移,低层西南气流增大,冷暖平流进一步加剧,大气斜压性更大,在700 hPa急流轴出口左侧与地面冷锋之间的江西地区,激发出新的对流,此处是850 hPa干线和925 hPa中尺度辐合线所在的位置,为强对流的发生起到中尺度触发作用。

综上所述,2个阶段对流均发生在副高北缘、700 hPa西南急流轴出口、850 hPa湿舌中,地面冷锋、干线和超低空辐合线共同触发了强对流。阶段2高空槽更靠近预报区,斜压性更强,强对流的强度和范围均比阶段1强。

3 大气不稳定度分析

图1a是2020年5月8日20时衢州站探空图,从环境垂直风切变来看,6 km以下风向随高度顺时针旋转,6 km以上风向随高度逆时针旋转,说明低层有暖平流,高层有冷平流,使得温度递减率加大,并且中高层层结曲线和露点曲线分开,低层紧靠,表明大气层结是上干冷下暖湿结构,非常有利于强对流发生发展。有效位能(CAPE)达1 250.3 J/kg,分布呈狭长形,K指数为35.1 ℃,总指数TT为37.8 ℃,表明有强的对流不稳定。抬升凝结高度LFC仅为923.1 hPa,有较低的抬升凝结高度,0 ℃层高度约为5 km,表明暖云层比较厚,对降水有利。925 hPa和850 hPa比湿分别为15.49 g/kg、15.45 g/kg,925 hPa露点温度为19.6 ℃,说明降水区低层水汽饱和,这是大暴雨发生的必要条件[12]。0 ℃、-20 ℃层(8 km以上)高度较高,不利于冰雹的发生。850 hPa与500 hPa温差小于20 ℃,不利于雷雨大风的发生。

图1 2020年5月衢州站探空图(a.8日20时、b.9日20时)

分析结果表明,大气存在强烈的不稳定,且各项指标显示对强降水有利,与阶段1实况相符。

中等以上的环境垂直风切变有利于风暴发展、加强和维持,决定了风暴类型的演变和发展。中高纬度低海拔地区暖季0～6 km垂直风切变平均为10～20 m/s[13],为中等到强垂直风切变[14]。图1b是5月9日20时衢州站探空图,0～6 km垂直风切变为16 m/s,有利于诱发阶段2的飑线。对流不稳定也较第1阶段时更强,CAPE值增至1 930.3 J/kg,K指数增至38.2 ℃,SI指数减至-2.15 ℃,LI指数减至-4 ℃,总指数TT增至45.5 ℃。LFC高度较第1阶段更低,925 hPa、850 hPa比湿分别增至16.91 g/kg、16.25 g/kg,925 hPa露点温度增至21 ℃,低层的水汽条件更好。850 hPa与500 hPa温差增至23.6 ℃,且层结曲线与露点曲线呈“喇叭口”结构,有利于雷雨大风的发生。0 ℃层和-20 ℃层高度仍较高,不利于冰雹的发生。

分析结果表明,大气变得更加不稳定,且低层的水汽条件进一步转好,更有利于强降水发生,同时有出现雷雨大风的可能。与阶段2实况相符。

4 水汽条件

除了分析单站探空曲线的水汽情况外,仍然需要结合降水区水平和垂直方向上的水汽分布情况来判断降水,其中低层的湿度对降水的贡献最为重要。

在5月8日20时、9日08时及20时的925 hPa比湿分布图(图略)上,降水区上空比湿均大于15 g/kg。8日20时起上游地区至浙中是一致的西南急流,有显著湿平流,使得降水区比湿增加,9日08时、20时达18 g/kg以上。表明此次过程低层的水汽非常充沛。

在垂直剖面上,常用相对湿度的剖面来表示空气的饱和程度。从9日08时沿110°E的相对湿度纬度—高度剖面图(图2a)可以看出,水汽主要集中在700 hPa以下,尤其是850 hPa至地面是相对湿度为95%以上的饱和区。从9日20时沿110°E的相对湿度纬度—高度剖面图(图2b)可知，水汽分布略差于08时,90%以上的区域主要在800 hPa以下,不仅湿层略薄,空气的饱和程度也略差。

图2 2020年5月9日沿110°E相对湿度纬度—高度剖面图[a.08时、b.20时(单位：%)]

将一单位面积地区上空整层大气的水汽全部凝结并降至地面的降水量称为该地区的可降水量。9日08时兰溪市可降水量为55 mm,9日20时永康市可降水量为60 mm。水汽通量散度是指单位时间汇入单位体积或从该体积辐散出的水汽量。负值表示四周有水汽向该地区汇集。虽然阶段1可降水量要小于阶段2,但从925 hPa水汽通量散度(图略)可知,9日08时兰溪市附近有-120 g/(cm2·hPa·s)的辐合中心,辐合的方向与低空急流相垂直,表明有源源不断的水汽输送进入降水区，并且在降水区辐合,辐合区与暴雨区有较好的对应,而9日23时 925 hPa水汽通量散度(图略)在永康市附近只有-40 g/(cm2·hPa·s),水汽的辐合不如阶段1好,这是阶段2降水略小的重要原因。

由综合分析得出,两个阶段的低层水汽均非常充沛,但阶段2湿层厚度和空气的饱和程度均比阶段1略差,且低层水汽通量散度也比阶段1小,故阶段2降水总量小于阶段1。

5 双偏振雷达特征

5.1 雷达回波演变情况

9日00时起地面辐合线自南昌—婺源一带逐渐东伸,至04时到达开化—淳安南部一带,雷达监测到上游地区有大片强对流回波沿着地面辐合线东移发展,造成了15～50 mm/h的降水。05时造成浙中短时大暴雨的单体回波分别在开化—上饶、淳安新生,标记为E1、E2,东移过程中小单体逐渐合并加强,回波范围不断扩大,至06时30分,E1东移至建德,靠近兰溪边界,中心强度达50 dBZ,地面有10～30 mm/h的降水。而E2在东移过程中逐渐分裂成南北两块,北回波E2-1与E1逐渐合并成一块范围更大、强度更强的回波E1-21,小时雨强也普遍增至30～40 mm。07时30分回波E1-21的中心强度达55 dBZ,且移速进一步减慢,仅为不到10 km/h,移向则由原先的东移为主转变为向东北移动,与强回波的轴线方向一致,强回波在移动过程中会经过同一地点,且E2-2与E1-21分布在移动的轴线上,开始形成中尺度对流雨带,因E1-21回波范围大强度强,移速缓慢,E2-2逐渐追上E1-21并合并成新的回波E12。08时,在衢州、龙游又原地新生出单体回波E3、E4,它们与E12同样也分布在移动的轴线上,形成了明显的中尺度对流雨带,且其移动方向基本上与其主轴方向一致,对流雨带中的每一个强降水单体依次经过了兰溪,形成“列车效应”。07—11时,这些回波造成兰溪市普降暴雨,面雨量达69.7 mm,最大雨量达134.4 mm。

9日20时起在江西境内的强对流发展成飑线,快速东移至浙江境内,22时起从衢州开始横扫浙江中南部。23时52分飑线前沿强回波区影响永康市,强反射率因子达45～55 dBZ,飑线整体移速约为60 km/h。但从连续几个时次永康境内的回波情况可知,飑线前沿虽然东移,但飑线北段位于永康境内的强回波不断发展,范围增大,且回波的移动方向也呈东北向,移入加强,移出减弱,使得永康市内的高强度回波维持了约1.5 h,构成了一定程度上的“列车效应”。而飑线南段则表现为带状回波快速东移,如丽水松阳站,00时03分强回波还在站点西侧,00时19分,强回波正好位于站点上,00时40分强回波已经移出松阳。

分别对2个阶段对流发展旺盛时期9日08时02分和10日00时40分2个时刻，沿1到2、1到2到3进行剖面(图略)。阶段1 45 dBZ以上的回波基本上分布在4 km以下,因为回波距离衢州站较远,3 km以下的回波雷达探测不到,故剖面无法显示3 km以下的回波分布状态。结合各个仰角的强回波分布中心(图略)比对发现,阶段1的强对流强回波在垂直方向上的分布比较铅直。2个特征均符合强降水回波的特征。阶段2中1到2为飑线北段的剖面,45 dBZ的回波也基本上分布在4 km以下,强降水在垂直方向上的分布呈铅直状,与阶段1形态相似;而2到3为飑线南段的剖面,结果显示强回波的扩展高度超过10 km,且回波出现悬垂结构。结合实况阶段2北部以强降水为主,局部站点出现6级大风,而南段则出现短时强降水和8级以上雷雨大风。

从平均径向速度产品(图略)可知,零等速线呈弓形,开口方向为负速度区,故环境场为辐合场。100 km圈内最大的负速度为20 m/s,最大正速度仅为15 m/s,流入速度大于流出速度,表明预报区上空为辐合。同时,50 km圈内负速度面积大于正速度面积,表示低层也是一个辐合场。在辐合场中,对流容易新生和发展。

5.2 差分反射率因子ZDR、差分传播相移率KDP、相关系数CC的特征

差分反射率因子ZDR是降水粒子水平反射率因子ZH和垂直反射率因子ZV的比值,与降水粒子的尺寸和轴比(粒子的水平轴半径/粒子的垂直轴半径)有关,与降水粒子的数量无关。差分反射率可以有效地识别粒子的尺寸[15]。雨滴越大,ZDR越大[16-17]。对比9日08时02分的0.5°仰角雷达反射率因子和差分反射率因子可知,ZDR与ZH在形状和强度分布上均有很好的对应关系,最大的ZH对应最大的ZDR。30 dBZ以下回波对应ZDR值为0～1 dB,这主要是因为小雨滴更接近球形,因此ZDR接近于0。30 dBZ以上雨滴逐渐变成椭圆形,轴比增大,ZDR逐渐增大。40 dBZ以上回波对应ZDR基本上大于1.2 dB,50 dBZ以上回波对应ZDR大于2 dB,回波越强,ZDR越大,最大值超过3 dB。说明造成此阶段强降水的雨滴直径比较大,根据雨滴直径和ZDR的理论关系,雨滴直径约在1.3～3.0 mm。兰溪市姚郎站9日08时、09时、11时的3个小时降水量分别为43.3 mm、38.8 mm、34.5 mm,相应的ZDR在该站点值均达到1.75 dB以上,60%的时间大于2 dB,最大达3.06 dB。可见在一定的持续时间下,雨滴较大也是累计雨量达到大暴雨的重要因素之一。

差分传播相移率KDP是指在特定距离内水平和垂直偏振回波的相位差。KDP随粒子椭率的增大而增大,与粒子的密度有关。用KDP估测降水时,因其对雨滴谱变化较不敏感,与降水率几乎是线性关系,所以能够得到较为精确的结果,而且不受冰雹影响。9日08时02分KDP的大值分布与ZH回波强度也有很好的对应,并且与35 dBZ以上的强回波分布基本吻合。35 dBZ以下回波对应KDP为0,35 dBZ以上回波强度增加,KDP迅速增加。说明KDP对强降水更敏感,更能反映强降雨的特性。KDP大值在2°/km以上,中心值达到3°/km以上,大值区表明此处有大量呈水平向的粒子,KDP显著增大的区域为强降水区域。

相关系数CC描述水平和垂直极化回波信号变化的相似度,粒子的形状和空间取向以及降水粒子的数量是影响其值的主要因素。从9日08时02分、10日00时40分的CC产品图(图略)可以看出,30 dBZ以上的回波对应的CC为0.995,整体较为平滑,最强回波处对应的CC并不是最强的,但为0.98以上,说明其对强降水的反应不敏感,不能很好地指示强降水区。30 dBZ以下回波对应的CC值比较杂乱零散,很多为0.9以下,主要原因是弱回波信噪比较低,CC受信噪比影响,计算失误较大,数据质量较差。

6 地 形

该次降水过程出现的累计雨量较大的站兰溪站、姚郎站、西溪站均分布在山地迎风坡上,当气流过山时,迎风坡上升运动加强,对降水有增幅作用。其中兰溪、姚郎站所在的北山走向与西南风向夹角接近垂直,其海拔也高于西溪站所在的山脉,地形造成的垂直运动更强,对降水的增幅作用更加显著,是阶段1累计雨量较大的原因之一。另外,兰溪、永康为金华地区的小盆地,盆地走向为东北—西南向,与当日的引导气流风向基本一致,有利于对流单体排列成带状形成中尺度对流系统;阶段2为飑线系统,但其北段在永康境内仍出现了一定程度的列车效应,与其盆地地形呈汇合状有一定的关系,气流在山前辐合,造成新生和加强,并沿盆地移动。

7 结 语

本文分析了2020年5月9—10日发生在浙江中南部的一次短时强降水天气过程。此过程爆发了2波强对流,均有降水时间短、小时雨强强、累计雨量大、降水时空分布不均等特点;阶段1累计雨量更大,阶段2小时雨强更强且伴有8级以上雷雨大风。

通过分析2个阶段的环流背景和物理量发现：(1)2个阶段对流均发生在副高北缘、700 hPa西南急流轴出口、850 hPa湿舌中,地面冷锋、干线和超低空辐合线共同触发了强对流。阶段2高空槽更靠近预报区,西南气流更强,暖平流更明显,冷暖交汇的斜压性更强,深层垂直风切变也增强,强对流的强度和范围均较阶段1强;(2)2个阶段均具备高温高湿的条件,尤其是低层水汽饱和对短时大暴雨的发生有很重要的指示作用;但阶段2湿层厚度和空气的饱和程度均比阶段1略差,且低层水汽通量散度也比阶段1小,故阶段2降水总量小于阶段1。

分析此过程2个阶段的双偏振雷达特征发现:(1)阶段1、2分别爆发了强多单体风暴和飑线;强多单体风暴和飑线北段回波强度在55 dBZ以下且回波质心较低,以短时强降水为主;飑线南段回波强度最大达55 dBZ以上,回波质心达10 km以上,且有垂悬结构,出现短时强降水伴随雷雨大风;阶段1“列车效应”、移动方向上降水系统的尺度均较阶段2明显,降水系统持续的时间也更长,故累计雨量更大;(2)短时暴雨区(ZH为35～55 dBZ)的ZDR、KDP均随着回波强度ZH的增大而增大,ZDR为1.2～4 dB,KDP为1～3°/km,且3者最大中心基本重叠,表明暴雨区雨滴浓度大、直径大、降水效率高;在ZH相同的情况下,更大的ZDR、KDP有更大的降水;(3)35 dBZ以下回波对应的KDP为0,35 dBZ以上回波强度增加，KDP迅速增加,说明KDP对强降水更敏感;(4)30 dBZ以上的回波对应的CC为0.995以上,但最强回波处对应的CC并不是最强的,说明其对强降水的反应不敏感,不能很好地指示强降水区。

此外,地形的迎风坡对此次降水有一定的增幅作用,地形走向与引导气流一致,对“列车效应”有一定的贡献。