“碧利斯”引發(fā)湘東南特大暴雨的多普勒雷達(dá)回波特征分析

黃小玉,陳江民,葉成志,姚蓉,傅承浩,楊小民

(1.氣象減災(zāi)防災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長沙 410007;2.湖南省氣象局,湖南長沙 410007;3.國家氣象中心,北京 100081)

0 引言

近年來國內(nèi)利用多普勒天氣雷達(dá)、衛(wèi)星等非常規(guī)觀測資料,結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)模式診斷產(chǎn)品,對強(qiáng)對流天氣西風(fēng)帶及臺(tái)風(fēng)暴雨的回波結(jié)構(gòu)特征及機(jī)理進(jìn)行分析,進(jìn)一步加深對其中小尺度特征認(rèn)識(shí)理解[9-11]。張佩源和陳榮林[12]指出,“逆風(fēng)區(qū)”是產(chǎn)生暴雨的中小尺度天氣系統(tǒng)。杜秉玉等[13-16]、黃小玉等[17-18]分析了梅雨鋒暴雨的反射率因子及速度場回波特征。李偉等[19]利用單多普勒雷達(dá)徑向速度的PPI資料,使用模式識(shí)別技術(shù)自動(dòng)探測臺(tái)風(fēng)中心。郭榮芬等[20]分析“伊布都”臺(tái)風(fēng)低壓有明顯氣旋式螺旋帶狀回波結(jié)構(gòu),并伴有多條強(qiáng)回波帶的出現(xiàn)及合并。薛根榮等[21]研究了登陸前后臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和雷達(dá)徑向速度的演變特征。

一般情況下,臺(tái)風(fēng)在海上和沿海地區(qū)影響往往超過內(nèi)陸,大部分研究偏重在臺(tái)風(fēng)前一階段,因此臺(tái)風(fēng)造成內(nèi)陸特大暴雨研究的文獻(xiàn)相對較少。2006年受“碧利斯”強(qiáng)熱帶風(fēng)暴影響,湘東南7月14—17日出現(xiàn)了特大暴雨,造成了嚴(yán)重災(zāi)害損失。滕代高等[22]主要從天氣尺度分析這次過程的暴雨成因。本文主要利用多普勒天氣雷達(dá)資料,分析這次過程的回波特征、中α、β、γ尺度相互作用及形成機(jī)理。

1 過程概況

2006年4號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“碧利斯”在臺(tái)灣登陸后,于14日12:50(北京時(shí),下同)在福建省霞浦再次登陸,隨后繼續(xù)向西北偏西方向移動(dòng),15日下午在江西西南部減弱為熱帶低壓并緩慢轉(zhuǎn)向西偏南方向移動(dòng),經(jīng)過湖南、廣西于18日晚在云南東部減弱并消失。受其影響,湖南、福建、廣東、廣西、江西、云南省(區(qū))部分地區(qū),相繼發(fā)生嚴(yán)重暴雨洪澇、山洪和山體滑坡等災(zāi)害。尤其湘東南出現(xiàn)連續(xù)性特大暴雨,造成417人死亡,109人失蹤,直接經(jīng)濟(jì)損失超過78億元。

據(jù)統(tǒng)計(jì),7月14日08:00—17日08:00,湖南省42縣市降水超過50mm,24縣市超過100mm,11縣市超過200mm,4縣市超過300mm,2縣市超過400mm,其中資興龍溪水文站達(dá)631.8mm,永興為471.9mm(圖1),均超過500a一遇降雨強(qiáng)度。受災(zāi)最嚴(yán)重的郴州、資興、永興兩天的日降水量均超過100mm,24h最大降雨量分別為218mm、192mm、216mm。

2 大尺度環(huán)流形勢演變

500hPa高度場上,13日20:00隨著貝加爾湖高壓脊發(fā)展,華北高壓形成并逐漸西擴(kuò)增強(qiáng),形成大陸高壓與海上副高對峙的態(tài)勢。14日20:00強(qiáng)熱帶風(fēng)暴登陸后,減弱成熱帶低壓環(huán)流,受北部強(qiáng)大的大陸高壓、東部的副高和南部低緯赤道高壓環(huán)流包圍,該低壓環(huán)流維持時(shí)間長達(dá)5d。在其西行過程中,中高緯地區(qū)以緯向環(huán)流為主,冷空氣較弱?！氨汤埂蔽茨芘c冷空氣結(jié)合,而是與南海季風(fēng)涌相互作用,不斷激發(fā)中尺度強(qiáng)降水對流系統(tǒng),對產(chǎn)生湘東南暴雨起到了重要的組織和促進(jìn)作用。

湘東南三面環(huán)山,北部是喇叭狀的洞庭湖區(qū)(圖1),東北風(fēng)沿湘江到達(dá)湘東南,受地形抬升作用,有利于對流發(fā)生,地形對降水的增幅作用十分明顯。

3 回波分析

“碧利斯”強(qiáng)熱帶風(fēng)暴對湖南的影響主要位于東南部,長沙雷達(dá)距強(qiáng)降水較遠(yuǎn),只能觀測回波的高層結(jié)構(gòu)。永州雷達(dá)雖然距特大暴雨區(qū)域較近,但由于其東側(cè)陽明山的地形阻擋作用,觀測效果有限。相對而言,韶關(guān)雷達(dá)對這次過程進(jìn)行了較為理想的全程觀測,故使用韶關(guān)雷達(dá)資料。

與改革開放同行的天脊集團(tuán)，在發(fā)展進(jìn)程中不忘初心、牢記使命，堅(jiān)持“精致生產(chǎn)、市場深耕、流動(dòng)風(fēng)控”工作主線，堅(jiān)定品質(zhì)自信，打造第一品牌，在煤化工領(lǐng)域成為引領(lǐng)。

3.1 反射率因子分析

整個(gè)降水過程中,回波演變主要經(jīng)歷了以下4個(gè)階段。

3.1.1 初始發(fā)展階段

圖1 2006年7月14日—17日降水量(mm;實(shí)線為降水量;陰影為地形高度)Fig.1 Accumulated precipitation during08:00July14—08:00July17,2006(solid line indicates the precipitation,units:mm;topographic altitudes are shaded with different colors)

回波于14日13:00開始在湘東南的衡陽、郴州生成,為形狀不規(guī)則且孤立的對流回波。剖面圖上(圖略),強(qiáng)中心處回波頂高大于10km,但強(qiáng)回波位于6km以下,回波質(zhì)心較低。當(dāng)日0℃層的高度為5.8km左右,因此強(qiáng)回波內(nèi)主要為液態(tài)降水粒子,降水效率高。受到熱帶風(fēng)暴西側(cè)東北風(fēng)的引導(dǎo)作用,回波以50km/h的速度自東北向西南方向移動(dòng),并不斷有新回波生成且強(qiáng)度增強(qiáng),由孤立、無序的回波逐漸轉(zhuǎn)為有序的帶狀回波,17:14雷達(dá)探測范圍內(nèi)存在4條WNW—ESE準(zhǔn)平行的帶狀、具有臺(tái)風(fēng)特點(diǎn)的螺旋帶狀降水回波(圖略)。

3.1.2 螺旋帶狀回波階段

17:14螺旋帶狀回波形成后,由于受到強(qiáng)熱帶風(fēng)暴環(huán)流的影響,回波的西北段自東北向西南方向移動(dòng),而東南段主要向西移動(dòng)。北部回波帶移速更快,22:47兩條回波帶合并,回波迅速加強(qiáng),形狀與其上空強(qiáng)熱帶風(fēng)暴環(huán)流的形狀相似,呈弧型(圖2),北段中β尺度強(qiáng)對流回波帶開始形成“列車效應(yīng)”。

圖2 2006年7月14—15日帶狀回波形成的“列車效應(yīng)”(0.5°反射率因子)Fig.2 The train effect caused by helix band echoes during July14—15,2006(Reflectivity:0.5°)

圖3 2006年7月14日23:06雷達(dá)回波圖 a.0.5°PPI反射率因子;b.反射率因子垂直剖面Fig.3 Radar echoes at23:06BST July14,206 a.PPI reflectivity:0.5°;b.vertical section of reflectivity

14日22:47—15日03:00,湘東南一直維持具有“列車效應(yīng)”的強(qiáng)帶狀回波結(jié)構(gòu)特征(圖2),通過對其大量垂直剖面分析,發(fā)現(xiàn)它們具有共同特點(diǎn)。如23:06在0.5°PPI圖上(圖3),回波的北段位于郴州境內(nèi),形成一條對流回波帶,平均回波強(qiáng)度為40dBZ,強(qiáng)中心為59dBZ。在垂直剖面上回波帶具有多單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu),共有4個(gè)風(fēng)暴單體,分別標(biāo)為A、B、C、D,其水平尺度都為小于20km的中γ尺度對流單體。4個(gè)單體排列有序,回波頂高從左至右呈階梯狀。A回波單體已發(fā)展到成熟階段并趨于減弱,回波頂最高,達(dá)12km以上,其強(qiáng)回波位于5km以下并向左傾斜,說明回波的前部還具有較強(qiáng)的上升氣流;B、C單體處于發(fā)展階段,最大回波頂高小于A回波單體,同樣具有左傾、較強(qiáng)上升氣流的特點(diǎn);而回波頂高最低的D回波單體正處于初生階段。4個(gè)單體大于45dB Z的回波均位于5km以下,屬于低質(zhì)心高效率降水回波?；夭▎误w由東北向西南方向移動(dòng)(圖2、3箭頭所示),A、B、C、D依次經(jīng)過同一地點(diǎn),最終形成“列車效應(yīng)”。從圖2可以看出,“列車效應(yīng)”回波帶一直維持到15日03時(shí)?！傲熊囆?yīng)”造成了15日02:00—03:00資興站67.9mm/h的強(qiáng)降水(圖4)。15日08:00資興24h降水量為167mm,其中“列車效應(yīng)”時(shí)段的降水量為114mm,占總量的68%。這一階段降水強(qiáng)度大,且影響范圍集中,造成資興特大山洪地質(zhì)災(zāi)害,是過程中致災(zāi)程度最重的階段。隨著熱帶低壓中心逐漸西行,強(qiáng)度減弱,降水向西、向南擴(kuò)展,回波范圍增大,強(qiáng)回波帶強(qiáng)度有所減弱,螺旋帶狀回波逐漸演變成彌合型回波。

3.1.3 彌合階段

圖4 2006年7月15日02時(shí)—16日14時(shí)的逐小時(shí)雨量Fig.4 Hourly precipitation from02:00BST July15to14:00BST July16,2006

這一階段回波的特點(diǎn)為積層混合云回波。大片層狀云回波具有一些大于40dB Z的強(qiáng)回波帶,其強(qiáng)度較前一階段有所減弱(圖5a)。垂直剖面上(圖5b),回波頂高參差不齊,回波帶仍由處于不同發(fā)展階段、具有中γ尺度特征的回波單體組成,但回波單體之間結(jié)構(gòu)更加致密。強(qiáng)降水回波位于5km以下,仍為有組織的、低質(zhì)心的多單體降雨回波,這一階段在大范圍的回波區(qū)中,仍有相對較強(qiáng)回波帶沿著同一方向移動(dòng),形成“列車效應(yīng)”(圖5)。7月15日15:00彌合回波逐漸減弱,持續(xù)時(shí)間長達(dá)13h。由于回波范圍大,并且具有“列車效應(yīng)”,造成了永興、宜章、耒陽等地區(qū)強(qiáng)降水(圖4),是大范圍強(qiáng)降水的主要時(shí)段,也是致災(zāi)范圍最廣的階段。

3.1.4 減弱消失階段

7月15日15:00后彌合回波逐漸減弱,主要以層狀云降水為主,回波均勻,平均強(qiáng)度為25dB Z,強(qiáng)中心為35～40dBZ。15日15:00—16日14:00由于低氣壓中心移近雷達(dá)站,回波形成以雷達(dá)站為中心旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)圓型結(jié)構(gòu),螺旋帶狀回波仍較明顯。由于回波旋轉(zhuǎn),持續(xù)時(shí)間長,也造成了較強(qiáng)的降水。7月16日12:00后低壓中心移過湘東南,受低壓尾部西南氣流影響,回波自西南向東北方向移動(dòng)。因湘東南處于南嶺山脈的北側(cè),由迎風(fēng)坡變?yōu)楸筹L(fēng)坡,雖有帶狀回波在廣東韶關(guān)生成,但移過南嶺山脈后,回波迅速減弱消失,此階段湘東南未形成強(qiáng)降水。

3.2 速度場分析

“碧利斯”暴雨過程中受東風(fēng)帶系統(tǒng)影響,初始階段14日14:00零速度線為N E—SW向。隨著低壓中心西行,零速度線呈逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。15日10:00后雷達(dá)北部的零速度線形成折角,北段為N E—SW向,而南段為NW—SE向,即北側(cè)為東北風(fēng),南側(cè)為西南風(fēng),在湘東南有一東北與西南風(fēng)的切變線。16日00:00轉(zhuǎn)為西北—東南向,切變消失,回波減弱。過程在速度圖上沒有出現(xiàn)中小尺度的輻合、輻散、氣旋、反氣旋等速度特征,只是偶爾有中小尺度的“逆風(fēng)區(qū)”[9]出現(xiàn)(圖6d)。

圖5 2006年7月15日02:14雷達(dá)回波圖 a.0.5°PPI反射率因子;b.反射率因子垂直剖面Fig.5 Radar echoes at02:14BST July15,2006 a.PPI reflectivity:0.5°;b.vertical section of reflectivity

圖6 0.5°速度演變 a.14日14:03;b.15日07:15;c.16日00:45;d.16日07:44;e.16日09:30;f.16日16:24Fig.6 Evolution of radical velocity(0.5°) a.14:03BST July14;b.07:15BST July15;c.00:45BST July16;d.07:44BST July16;e.09:30BST July16;f.16:24BST July16

14日23:00至16日09:00在速度圖上一直持續(xù)維持在暖平流上疊加輻合風(fēng)場的特征(圖6c-e),有利于強(qiáng)降水的形成與維持。暖平流風(fēng)場的零速度線呈“S”型,當(dāng)疊加上輻合風(fēng)場以后,暖平流原先呈“S”型的零速度線形狀發(fā)生變化,在雷達(dá)中心兩側(cè)零速度線彎曲程度不再一致,在中心一側(cè)的零速度線隨距離順轉(zhuǎn),彎向正速度區(qū)程度加劇;而另一側(cè)的零速度線隨距離順轉(zhuǎn),彎向負(fù)速度區(qū)的程度減小;與W ood和B row n[23]的研究結(jié)果一致。

多普勒徑向速度只是在雷達(dá)徑向上的投影,實(shí)際風(fēng)速大于或等于多普勒徑向風(fēng)速。對比單體內(nèi)的速度場特征分析,對流層中低層速度大值區(qū)造成的輻合、輻散很可能是造成強(qiáng)降水的主要原因。

強(qiáng)對流回波帶的PPI圖上,沿同一直線分別作強(qiáng)度、多普勒徑向速度及譜寬的垂直剖面。多普勒速度剖面上,對流層中下層速度大于20m/s的中γ尺度“大風(fēng)核”與強(qiáng)回波單體相對應(yīng)(圖7b、c,圖8b、c),圖7b中A、B、C、D四個(gè)中γ尺度強(qiáng)對流單體與圖7c中四個(gè)中γ尺度的大風(fēng)核相對應(yīng)。在“大風(fēng)核”的一側(cè)形成輻合,而另一側(cè)為輻散,因而造成中小尺度次級(jí)垂直環(huán)流。由于這些次級(jí)環(huán)流規(guī)則排列,因而回波單體也十分有序。圖8c與圖8b相對應(yīng),全為負(fù)速度區(qū),9km以下大于20m/s的中γ尺度“大風(fēng)核”與強(qiáng)回波單體相對應(yīng);圖8c對流回波帶穿過正負(fù)速度區(qū),速度剖面圖上正、負(fù)速度同樣具有“大風(fēng)核”特征。但其回波強(qiáng)度較弱,回波頂較低,出現(xiàn)“大風(fēng)核”的高度相對較低、強(qiáng)度較弱。因此這些中γ尺度“大風(fēng)核”可能是“列車效應(yīng)”形成與維持的主要原因之一。

3.3 譜寬分析

譜寬資料是多普勒天氣雷達(dá)的基數(shù)據(jù)產(chǎn)品,但在業(yè)務(wù)實(shí)際中應(yīng)用較少。譜寬是標(biāo)量,其垂直剖面比徑向速度使用更為方便。

“碧利斯”過程中,具有“列車效應(yīng)”特征帶狀回波的譜寬垂直剖面圖上(圖7d),在中低層有較大的譜寬值,極值超過10m/s以上。中層譜寬均勻,其值為2～4m/s。較強(qiáng)的對流單體,6km高度又出現(xiàn)一個(gè)極值,主要原因雷達(dá)采樣體積較小。當(dāng)回波減弱時(shí)(圖8d),低層仍具有較大的譜寬值,高層極值消失,中層譜寬均勻。表明在“碧利斯”過程中,低層由于地面的磨擦作用,具有強(qiáng)列的湍流和亂流,中層平穩(wěn)的大風(fēng)急流也是過程長時(shí)間維持的主要原因之一。

圖7 2006年7月14日23:06雷達(dá)圖(P1:289°,49.5km;P2:359°,135.0km) a.0.5反射率因子;b.反射率因子垂直剖面;c.速度垂直剖面;d.譜寬垂直剖面Fig.7 Radar echoes at23:06BST July14,2006 a.PPI reflectivity:0.5°;b.vertical section of reflectivity;c.verticalsection of velocity;d.vertical section of spectral width

圖8 2006年7月15日07:15雷達(dá)圖(P1:315°,90.6km;P2:130°,102.2km) a.0.5反射率因子;b.反射率因子垂直剖面;c.速度垂直剖面;d.譜寬垂直剖面Fig.8 Radar echoes at07:15BST July15,2006 a.PPI reflectivity:0.5°;b.vertical section of reflectivity;c.vertical section of velocity;d.vertical section of spectral width

4 結(jié)論

(1)受2006年第4號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“碧利斯”外圍云系影響,造成了湘東南特大暴雨天氣過程。地形增幅作用十分明顯。

(2)“碧利斯”為東風(fēng)帶熱帶風(fēng)暴過程,回波經(jīng)歷了初始發(fā)展、螺旋帶狀、彌合、減弱消失階段,回波經(jīng)歷了由北向南、繞雷達(dá)站旋轉(zhuǎn)、由西南向東北方向移動(dòng)三個(gè)階段。低質(zhì)心回波、“列車效應(yīng)”是造成特大暴雨的主要回波特征。

(3)中γ尺度“大風(fēng)核”造成有組織的次級(jí)環(huán)流,可能是“列車效應(yīng)”形成和維持的主要原因。

(4)譜寬圖上表明低層由于地面的磨擦作用,具有強(qiáng)列的湍流和亂流,中層平穩(wěn)的大風(fēng)急流是過程長時(shí)間維持的主要原因之一。

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