天津沿岸一次極端短時強降水的中尺度分析和雷達回波特征

靳振華，莊 庭，卜清軍

(天津市濱海新區(qū)氣象局 天津 300457)

0 引 言

短時強降水是華北沿海地區(qū)夏季常見的災(zāi)害性天氣之一，具有突發(fā)性強、降水集中、歷時短且局地性強、預(yù)報難度大的特點，常常引發(fā)嚴重的洪澇災(zāi)害和誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，造成人民生命財產(chǎn)安全的重大損失。隨著沿海地區(qū)城市迅速發(fā)展和人口急劇增長，城市運行對短時強降水的敏感性也日益增強，加強對短時強降水的分析研究及監(jiān)測預(yù)警具有非常重要的意義，對此很多專家做了大量的研究工作。20世紀80年代，Hosking等[1]和 Klaassen[2]對短時強降水進行了研究；在國內(nèi)，氣象工作者從強降水的時空分布特征[3]、發(fā)生發(fā)展機理[4]、中尺度系統(tǒng)特征和觸發(fā)因子等[5-7]方面做了大量研究。

隨著多普勒天氣雷達布網(wǎng)的發(fā)展，高時空分辨率的雷達產(chǎn)品極大地增強了對短時和臨近災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警能力，目前對短時強降水的雷達特征分析和預(yù)警方面，很多專家作了大量的研究工作。國際上為提高局地強對流天氣的短時和臨近預(yù)報能力，Batta[8]很早就利用天氣雷達來探測和分析強對流天氣的結(jié)構(gòu)和演變特征，指出 50,dBz強度回波的出現(xiàn)標志著降水強度加強，消失標志著降水強度開始減弱[9]；強回波面積是判斷強對流天氣的一個很好標志[10]。俞小鼎[11]綜述了短時強降水主觀臨近預(yù)報的思路和方法，給出雨強和降水持續(xù)時間這兩個要素在雷達回波上的表現(xiàn)；彭九慧等[12]細致分析了強降水開始前和強降水期間的多普勒雷達特征；徐雙柱等[13]研究武漢暴雨過程中的雷達組合反射率因子后指出，反射率因子強度大于或等于 45,dBz對應(yīng)強降水；李德俊等[14]對比分析了發(fā)生在恩施山區(qū)強冰雹和短時強降水天氣的雷達產(chǎn)品，把組合反射率中心強度、垂直累積液態(tài)水含量 VIL密度分別達 43.0,dBz和1.1,g·m-3等條件作為短時強降水臨近預(yù)警指標。然而，每一次短時強降水天氣過程的天氣尺度環(huán)流背景、中尺度強迫源都不同，因此中小尺度災(zāi)害性短時強降水事件仍是當(dāng)前天氣預(yù)報中的難點。

本文利用地面加密自動站、衛(wèi)星、塘沽新一代多普勒天氣雷達及常規(guī)地面高空觀測資料等，對2017年8月 5日天津濱海新區(qū)南部極端短時強降水過程進行分析，以期為今后此類短時強降水的短時臨近預(yù)報總結(jié)一些有價值的信息。

1 天氣實況

2017年8月5日午后，受高空冷渦影響，天津自西北向東南出現(xiàn)強對流風(fēng)暴，各地雨量分布不均，濱海新區(qū)南部小時雨強 50,mm/h以上的有 4站，最大小時雨強為 74,mm/h，出現(xiàn)在自動站 A2609，大港國家級觀測站出現(xiàn)小時雨強 50.6,mm/h的局地極端短時強降水(見圖 1)，并伴有強雷暴和最大陣風(fēng)24.9,m/s(13：10時)的雷雨大風(fēng)。當(dāng)日出現(xiàn)了比較嚴重的城市內(nèi)澇，城區(qū)積水嚴重，造成交通阻塞，并出現(xiàn)澇災(zāi)、風(fēng)災(zāi)等危害農(nóng)作物的嚴重災(zāi)害，直接經(jīng)濟損失為2,910萬元。

圖1 2017年 8月 5日 13～14時濱海新區(qū)自動站短時強降水分布Fig.1 The distribution of short-time heavy rainfall in Binhai New Area automatic station at 13∶00 —14∶00，August 5，2017

2 天氣形勢背景

2017年8月5日08時500～700,hPa各層上，內(nèi)蒙-中國河套為一東北-西南向的冷渦，中心位于內(nèi)蒙古的東北部，垂直方向上冷渦結(jié)構(gòu)明顯前傾，由于西北太平洋臺風(fēng)的阻擋，冷渦東移緩慢，700～850,hPa山東半島附近有明顯的切變線存在，濱海新區(qū)位于切變線后部的西北氣流中，冷渦前部的西南暖濕氣流逐漸影響本區(qū)，地面圖上，華北小低壓與臺風(fēng)外圍等值線打通，形成南北向的低壓帶(見圖2)。

圖2 2017年8月5日08時天氣形勢場Fig.2 The weather situation at 08∶00，August 5，2017

3 地面中尺度系統(tǒng)

分析地面加密自動站風(fēng)場資料發(fā)現(xiàn)，12∶00時濱海新區(qū)受東南風(fēng)影響，新區(qū)南部溫度在 33,℃以上，露點溫度 28,℃左右，形成了高溫高濕的環(huán)境，自動站A2609附近出現(xiàn)了一條西北-東南向暖濕的地面輻合線；13∶00時新區(qū)南部出現(xiàn)小范圍的偏北風(fēng)，冷暖空氣交匯，加劇了近地面氣流的抬升；14∶00時新區(qū)南部出現(xiàn)極端短時強降水，自動站 A2609附近的輻合線再次出現(xiàn)，且強降水發(fā)生在冷空氣影響的范圍內(nèi)，可見地面輻合線的形成和冷空氣的影響觸發(fā)了此次強降水，且提前1～2,h出現(xiàn)(見圖3)。

4 中尺度對流云團

8月 5日 13∶00時的衛(wèi)星云圖上(見圖 4)，天津上空有大片對流云團，在云區(qū)西南方向有2個小塊的云團發(fā)展；13∶30時對流云團向東南方向移動并發(fā)展加強，西南方向的小塊云團逐漸并入，發(fā)展為較大的塊狀云團。14∶00發(fā)展為較強的對流云團，形成東北-西南向積云線的形態(tài)，14∶30時積云線上的云團繼續(xù)發(fā)展，范圍有所擴大。

圖3 2017年8月5日地面加密自動站分析場Fig.3 The ground encrypted automatic station analysis field on August 5，2017

圖4 2017年8月5日衛(wèi)星云圖Fig.4 The satellite cloud chart on August 5，2017

5 雷達回波特征分析

分析 8月 5日極端短時強降水發(fā)生時段內(nèi)的多普勒雷達產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)：強降水雷達回波整體為積層混合型回波，層狀云中包含有積狀云。強降水回波自西北向東南逐漸影響濱海新區(qū)，移動速度為 40,km/h，回波形態(tài)呈東北-西南向的強回波帶，50,dBz的強回波范圍逐漸擴大。圖5給出2017年 8月 5日13∶00～14∶00強降水期間不同時次天津雷達組合反射率因子CR、垂直累積液態(tài)水含量VIL及極端短時強降水6,min雨量的變化。

沿經(jīng)過發(fā)生極端短時強降水所在站點最能體現(xiàn)強降水回波結(jié)構(gòu)的方向剖面，發(fā)現(xiàn)8月5日13∶06時50,dBz以上的強回波伸展高度達 11,km 以上，表明對流風(fēng)暴發(fā)展旺盛，對流高度很高。此外，回波存在傾斜特征，有回波懸垂特征出現(xiàn)(見圖6)。

圖5 強降水過程期間不同時次天津雷達組合反射率因子 CR、垂直累積液態(tài)水含量 VIL及極端短時強降水6,min雨量的變化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

圖6 2017年8月5日13∶12時徑向速度場Fig.6 The radial velocity field at 13∶12 on August 5，2017

逆風(fēng)區(qū)是指在沒有速度模糊的情況下，正速度區(qū)內(nèi)包含負速度區(qū)或負速度區(qū)內(nèi)包含正速度區(qū)[11]。逆風(fēng)區(qū)是中尺度的輻合輻散，是短時暴雨預(yù)報的一個判據(jù)。從雷達徑向速度場分析，8月5日13∶12時，觀測站 54,645及附近大片的負速度區(qū)中包含正速度區(qū)，并有明顯的零速度線環(huán)繞，即出現(xiàn)了逆風(fēng)區(qū)。逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)表明此處風(fēng)向發(fā)生了劇烈變化，產(chǎn)生了強的風(fēng)切變，具有明顯的輻合和輻散。

風(fēng)廓線產(chǎn)品(VWP)代表了雷達上空 60,km左右范圍內(nèi)風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化，時間分辨率達到6,min，可較清楚地描述風(fēng)向、風(fēng)速隨時間和空間的不連續(xù)變化。塘沽雷達站距觀測站 54645約 7,km，VWP資料有一定的代表性。圖 7給出 8月 5日13∶00 和 14∶00 天津雷達 VWP 產(chǎn)品。

圖7 2017年8月5日風(fēng)廓線產(chǎn)品VWPFig.7 The wind profile product VWP on August 5，2017

6 結(jié) 論

這是一次高空冷渦影響下的強對流天氣，冷渦前部的西南暖濕氣流為強降水的發(fā)生提供水汽條件。

強降水發(fā)生前期維持高溫高濕的環(huán)境，地面切變線的形成和冷空氣的入侵加劇了近地面氣流的抬升，且較強降水提前1～2,h出現(xiàn)。

VIL值的躍增會產(chǎn)生強烈的對流性天氣，并產(chǎn)生強降雨，1個體掃躍增 15.3,kg·m-2，最大值為30.9,kg·m-2，相對于 6,min最大雨量(14,mm)超前1個體掃，且高VIL值(＞5,kg·m-2)維持4個體掃。CR、VIL及強降水 6,min雨量，有相同的變化趨勢，降水最強時段和位置與回波最強時段基本對應(yīng)，VIL的變化較降水量有一定的提前量，該特征可以作為強降水短時預(yù)報的有用指標。逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)表明回波正在強烈發(fā)展，逆風(fēng)區(qū)及其移動路徑上會產(chǎn)生短時強降水，對短時預(yù)報及服務(wù)有很好的參考依據(jù)。風(fēng)廓線產(chǎn)品顯示西北路徑冷空氣與近地面東南風(fēng)匯合有利于位勢不穩(wěn)定的加強，進而有利于強降水的發(fā)生。