青海省海南州短时强降水雷达回波特征分析

辛元瑜，李 博，梁 宁

1.海南州气象局，青海共和 813000；2.兴海县气象局，青海兴海 813300

海南州作为青海省暴雨发生的次高区，每年汛期强降水天气发生概率高，此类天气因其尺度小、发生时间短、来势凶猛，造成的冲毁堤坝、房屋、道路、桥梁、淹没农田、冲刷土壤，以及引起泥石流和山体滑坡等灾害的比例很大，且常伴随雷雨大风、冰雹等剧烈天气。

大量个例分析表明，短时强降水天气发生、发展期间，雷达指标参数具有明显的指示特征。国内外许多专家对这类强天气特征已经有不少研究，都已取得良好的成果。在雷达回波分析方面，杨培才等[1]分析了北京地区对流性暴雨雷达回波特征，认为降水强度较大的回波通常是水平尺度和垂直尺度均较大的回波。项经魁[2]利用雷达监测资料，认为强对流和强降水天气的发生发展运动是不同尺度天气系统地形和本身演变规律互相作用的综合结果。韩宁等[3]统计了陕甘宁三省近6年5—9月短时强降水，认为短时强降水在陕甘宁三省存在4个活跃区和3个不活跃区，7—8月是短时强降水的多发期，两大峰值出现在7月下旬和8月中旬，日变化呈双峰分布，1 h降水量≥30 mm的短时强降水具有夜间多发性。王田寿等[4]分析了青海省短时强降水(强暴雨)特征，结果表明：短时强降水的分布明显受到地形影响，降水次数自西北向东南呈阶梯性递增趋势，在东南部有一高值中心，在青海湖以东、青海南部地区各有1个次高值中心。还有学者分析了黄南州短时强降水天气特征，表明短时强降水天气过程开始前及发生时地面至中空湿度近似饱和，温度露点差小于4 ℃，触发短时强降水的冷空气侵入不同。这些研究大多只局限于各自地区，不一定适用海南州短时强降水，加之海南州雷达2017年才投入试运行，雷达产品资料也较少，该地区的短时强降水雷达特征研究空白，因此对海南州的短时强降水进行研究十分必要且迫切。

1 资料来源和个例选取

1.1 资料来源

选取资料为2017—2018年6—9月海南州新一代多普勒雷达资料和172个地面自动气象站的1 h降水量≥20 mm的降水资料，根据《青海省短时临近天气业务规定(试行)》，短时强降水一般是指1 h降水量≥20 mm的降水。

1.2 个例选取

查询海南州2017—2018年6—9月强降水资料库，从中找出满足课题条件的35个站次降水，并应用雷达产品和自动站降水记录，对35个站次出现的短时强降水进行分类研究，归纳出13个个例(同一天降水归类为1个)进行分析，总结海南州强降水天气主要类型，提炼出海南州强降水雷达预报预警的指标。

表1 2017—2018年的6—9月海南州短时强降水降水量

2 雷达回波特征分析

短时强降水多发生在相对干的环境条件下或西南气流暖湿环境条件下的降水过程[5]。普通对流风暴产生的雷电和局地短时强降水，一般影响不大。强对流风暴造成的短时强降水往往突发性强，在产生雷电、短时强降水的同时，常伴有短时雷暴大风和局地冰雹等强对流天气，这种短时强降水回波强度强，局地对流发展旺盛，雷达回波以多单体或强降水超级单体为主，强回波发展的高度较高，雷暴中的大粒子较多，质心位置较高，往往局地降水强度大，通常情况下持续时间较短。

2.1 回波形状分类

对2017年6—2018年9月出现的35站次雷达有效13个个例短时强降水过程雷达回波系统进行分类(此次分类雷达回波图全部使用组合反射率因子，简称CR产品)：带状回波4次、块状回波6次、片状混合回波3次。图1是3种不同类型雷达回波的典型个例。

2.2 组合反射率因子变化分析

在雷达组合反射率因子的强度变化和形态特征，与雨强有较好的相关性，为定量研究组合反射率的变化特征，归纳总结适用于预报的具体指标，研究短时强降水个例库强降水出现前1 h至发生过程中1 h海南州雷达组合反射率强度变化。从个例分析得知，在强降水开始前1 h，组合反射率的平均值可达到45.0 dBz以上；随着强降水的临近，组合反射率最强回波基本维持在50.0～55.0 dBz之间；在强降水发生的1 h内，最强回波仍能达到55.0 dBz左右；13个个例中发生短时强降水时9个个例最强回波均在60.0 dBz以上，所有个例最强回波都在50.0 dBz以上。短时强降水的发生和大于50.0 dBz的强回波面积的变化相吻合。综上分析可知，50.0 dBz强度回波的出现标志着降水强度增强，消失标志着降水强度开始减弱。在短临预报中可根据组合反射率图中的回波的变化特征，判断强降水的发生，当雷达强回波的覆盖范围不大时，回波强度逐渐减小至45.0 dBz以下，也预示着降水强度减弱，但当强回波范围大且移速缓时，则预示着连续性强降水的发生。

2.3 垂直累积液态水含量特征分析

垂直累积液态水含量VIL反映了降水云体在确定底面区域上垂直柱体内的液态水总量，可用于识别显著风暴单体位置和强度，从而对强降水做出科学的判别。分析2017—2018年海南州短时强降水过程中垂直累积液态水含量VIL特征可知，当出现25 mm左右的短时强降水时，平均VIL值为25.0 kg/m2；当出现30 mm以上短时强降水时，最大VIL可增大至30.5 kg/m2左右，最大值可达59.0 kg/m2。在个例中最大VIL中最小值也达到10.0 kg/m2以上。这可作为小时降水量预报的临界阈值参考。

2.4 回波顶高特征分析

回波顶高可以反映出对流风暴的发展程度，顶高越高说明对流体发展越旺盛，可能造成更剧烈的天气现象。分析个例回波顶高的特征，在强降水发生前1 h回波顶高平均在8 km，当强降水发生时配合的最大回波顶高在11.0～18.4 km之间，平均回波顶高为14.0 km，但13个个例回波顶高均在11.0 km以上，且基本稳定持续在30 min以上。

2.5 短时强降水雷达指标特征

统计分析13个个例雷达回波，海南州雷达回波主要特征如下：

(1)回波强度：最强回波为71.5 dBz，最强回波中低值47.0 dBz，最强回波的平均值为58.0 dBz。

(2)回波顶高：最高顶高达17.6 km，平均顶高为9.4 km，最低顶高为6.5 km，8.0 km以上的顶高维持3个体扫以上。

(3)垂直液态水含量：最大为58.5 kg/m2，平均为28.0 kg/m2，最小为8.5 kg/m2，15.0 kg/m2以上的VIL维持3个体扫以上(表2)。

表2 短时强降水雷达回波指标及阈值

(4)回波形状特征：块状回波、带状回波、片状混合回波等。

3 结论

短时强降水的雷达回波形状主要以带状回波、块状回波、片状混合回波为主。

最强回波一般为41.0～71.5 dBz之间，降水发生时最强回波基本维持在50.0～55.0 dBz之间，50.0 dBz强度回波的出现标志着降水强度增强，消失标志着降水强度开始减弱。

平均VIL值为25.0 kg/m2；当出现30 mm以上短时强降水时，最大VIL可增大至30.5 kg/m2左右，最大值可达59.0 kg/m2。

在强降水发生前1 h回波顶高平均在8.0 km，当强降水发生时配合的最大回波顶高在11.0～18.4 km之间，平均回波顶高为14.0 km，VIL在短时强降水中基本能够稳定持续在30 min以上。