2008年7月20—22日四川盆地暴雨的中小尺度系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)特征分析

張鵬洲 張艷艷

摘要 本文利用強(qiáng)對(duì)流中小尺度系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)速度回波以及基本反射率因子，結(jié)合天氣實(shí)況，分析了2008年7月20—22日四川盆地強(qiáng)對(duì)流中小尺度天氣系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)特征。結(jié)果表明，在局地暴雨天氣過程中通常不是單一地出現(xiàn)某種特定的中小尺度系統(tǒng)，而是常常多個(gè)同時(shí)出現(xiàn)，只是在發(fā)展強(qiáng)度上有所差異；利用雷達(dá)速度回波和反射率因子相結(jié)合是分析典型中小尺度系統(tǒng)的有效方法。

關(guān)鍵詞 強(qiáng)對(duì)流；中小尺度系統(tǒng)；徑向速度；四川盆地；2008年7月20—22日

中圖分類號(hào) P458.1+21.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）13-0208-03

強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)是引起氣象災(zāi)害的主要因素之一，暴雨、大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害性天氣與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，如何準(zhǔn)確探測(cè)和預(yù)報(bào)災(zāi)害性暴雨是目前農(nóng)業(yè)氣象面臨的難題。新一代天氣雷達(dá)能獲取大氣徑向速度特征，而氣流的輻合輻散特征常常在反射率因子特征出現(xiàn)之前出現(xiàn)，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣有較好的預(yù)警作用，但目前在速度回波特征方面的研究還不完善。吳書君等[1]通過對(duì)濱州強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)徑向速度資料的分析，發(fā)現(xiàn)多普勒徑向速度資料提供的風(fēng)場(chǎng)信息對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展及移向有一定的指示意義。張京英等[2]利用暴雨過程的雷達(dá)風(fēng)廓線資料和小時(shí)雨量資料，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)風(fēng)廓線資料可以清楚地展示暴雨過程中提供充足水汽和能量的風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)，反映出降水過程中的風(fēng)場(chǎng)變化，低空急流指數(shù)增大較高空急流指數(shù)增大對(duì)雨強(qiáng)增大的貢獻(xiàn)明顯。李軍霞等[3]選用太原多普勒雷達(dá)資料對(duì)逆風(fēng)區(qū)進(jìn)行了深入研究，得出絕大部分逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)時(shí)間較降水時(shí)間提前1～2 h。本文通過普查獲得局地暴雨的中小尺度系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)特征，以期為強(qiáng)對(duì)流天氣提供更有效且準(zhǔn)確的預(yù)警方法，減少災(zāi)害性暴雨對(duì)農(nóng)作物的破壞。

暴雨一般泛指降水強(qiáng)度很大的降水事件，在業(yè)務(wù)工作中通常以24 h降水量為標(biāo)準(zhǔn)來定義，日降水量≥50 mm的降水稱為暴雨。暴雨分為暴雨（50～100 mm）、大暴雨（100～200 mm）、特大暴雨（>200 mm）3個(gè)量級(jí)[4-5]。有一定強(qiáng)度的各種回波單體在天氣系統(tǒng)配合下，組成各種中尺度系統(tǒng)，產(chǎn)生暴雨。由于降水量=降水強(qiáng)度×降水持續(xù)時(shí)間。因此，降水要達(dá)到暴雨量級(jí)，需有較強(qiáng)的降水強(qiáng)度，或降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，或兩者綜合。

1 局地暴雨風(fēng)場(chǎng)特征分析

1.1 多普勒雷達(dá)速度

暴雨是天氣尺度背景和多個(gè)中小尺度系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，在暴雨過程中會(huì)出現(xiàn)雷達(dá)站輻合、暖平流、低空急流、中氣旋、逆風(fēng)區(qū)、低空輻合高空輻散的垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)等。

2008年7月20日8：00至22日8：00四川盆地暴雨過程是一次典型的強(qiáng)降水過程，是在高原渦與西南低渦的耦合作用下發(fā)生的[6]。由圖1（a）可以看出，自雷達(dá)中心開始，零等速度線呈“S”型彎曲，即風(fēng)速隨高度順轉(zhuǎn)，表明有暖平流存在，在雷達(dá)站附近為東北氣流，風(fēng)向隨著高度的增加逐漸變?yōu)槠蠚饬?，多普勒徑向速度等值線由中心向外散開，表明該時(shí)次的風(fēng)速不隨高度變化，風(fēng)速比較均勻。在此次強(qiáng)降水的開始階段和降水過程中均有暖平流長(zhǎng)時(shí)間的維持。在邛崍和大邑之間（方位280.66°，距離53.94 km）已經(jīng)開始有速度輻合。由圖1（b）可知，10：49邛崍與大邑之間的輻合明顯加強(qiáng)，正速度最大值達(dá)8.48 m/s，負(fù)速度最大值可達(dá) -7.86 m/s。雷達(dá)測(cè)高公式如下：

H=h0+rsinΦ+r2/（2R′m）（1）

式中，h0為雷達(dá)天線高度，r為目標(biāo)的斜距，R′m為等效地球半徑。計(jì)算得此處的高度為3.48 km。將仰角抬高至7.5°，出現(xiàn)1對(duì)正負(fù)速度中心，正速度中心風(fēng)速為11.59 m/s，負(fù)速度中心速度為-12.41 m/s，零徑向速度線與雷達(dá)掃描基本平行，且負(fù)速度中心在左，正速度中心在右。這正是中尺度氣旋在雷達(dá)速度圖上的反映，此處為弱中氣旋，說明輻合上升氣流非常強(qiáng)，見圖1（c）。由圖1（d）可知，10：49最大回波強(qiáng)度已達(dá)50 dBZ。

由圖2可知，當(dāng)天線仰角為1°時(shí)，有明顯的速度輻合區(qū)，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度回波最大值已達(dá)到50 dBZ；當(dāng)仰角抬高至2°時(shí)，仍有速度輻合區(qū)存在，最大強(qiáng)度為52 dBZ；當(dāng)抬高仰角至4.5°時(shí)，開始出現(xiàn)輻散，最大強(qiáng)度為52 dBZ，這是典型的“低層輻合-高層輻散”的垂直環(huán)流形勢(shì)。根據(jù)逐時(shí)降水量資料顯示，隨后2 h累計(jì)降水量為20 mm，表明“低層輻合-高層輻散”的垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)是隨后降水的重要因素，同時(shí)也表明了風(fēng)場(chǎng)提前于降水1 h左右。

由圖3可知，16：25雷達(dá)站的西南方向開始產(chǎn)生速度的輻合，在新津、彭山、眉山區(qū)域都有較強(qiáng)的強(qiáng)度回波，最大強(qiáng)度達(dá)58 dBZ。此次輻合時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2.5 h，這也是新津、眉山暴雨的主要降水時(shí)段。隨后可見零等速度線呈“S”型彎曲，風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有暖平流產(chǎn)生。零速度線與降水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水一般在零速度線附近。由圖4可知，18：54雷達(dá)站附近東北—西南方向出現(xiàn)弱“牛眼”，正速度中心風(fēng)速為9.31 m/s，負(fù)速度中心風(fēng)速為-11.79 m/s，為弱低空急流，是動(dòng)量、水汽集中的重要因素。由逐時(shí)降水量資料可知，隨后1 h彭山發(fā)生29 mm/h的強(qiáng)降水。因此，低空急流是強(qiáng)降水發(fā)生的有利因素，出現(xiàn)時(shí)間較降水發(fā)生提前1 h左右。

由圖5（a）可知，23：53在測(cè)站東部出現(xiàn)強(qiáng)回波帶，最大強(qiáng)度處為53 dBZ。由圖5（b）可知，在方位81.14°、距離測(cè)站51.62 km處，觀察到有弱輻合型中氣旋存在，正速度中速度中心14.07 m/s，負(fù)速度中心-10.96 m/s；在方位109.38°、距離測(cè)站27.35 km處有逆風(fēng)區(qū)（負(fù)速度區(qū)包含正速度區(qū)）存在。逆風(fēng)區(qū)是中尺度輻合輻散共軛系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)在多普勒雷達(dá)速度圖上的表現(xiàn)形式，有利于對(duì)流的發(fā)生，短時(shí)大暴雨出現(xiàn)在逆風(fēng)區(qū)前沿以及徑向速度輻合最大的區(qū)域。因此，此時(shí)段出現(xiàn)的強(qiáng)降水是中尺度氣旋和逆風(fēng)區(qū)綜合作用的結(jié)果。

1.2 多普勒雷達(dá)垂直速度驗(yàn)證

雷達(dá)距離高度產(chǎn)品（RHI），指當(dāng)雷達(dá)天線通過以固定方位作俯仰掃描的探測(cè)方式所獲取的數(shù)據(jù)，在以雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)的極坐標(biāo)中用不同的色標(biāo)表示數(shù)據(jù)的大小和方向所產(chǎn)生的雷達(dá)圖像產(chǎn)品。

由圖6可知，在垂直方向上有強(qiáng)烈風(fēng)向切變和風(fēng)速切變。綜合20日16：00—18：00對(duì)應(yīng)方位的降水量資料，可得出此時(shí)段對(duì)流性暴雨發(fā)生在具有強(qiáng)烈垂直風(fēng)切變和低層徑向速度輻合最大的地區(qū)。

2 結(jié)論

（1）暴雨的產(chǎn)生是由天氣尺度和中小尺度綜合作用的結(jié)果，暴雨天氣過程中可由多個(gè)中小尺度系統(tǒng)（如中氣旋、逆風(fēng)區(qū)及低空急流）共同作用產(chǎn)生，當(dāng)有暖平流存在時(shí)，有利于持續(xù)性降水。在低空急流軸的左前方有強(qiáng)降水產(chǎn)生。

（2）通過對(duì)典型中小尺度系統(tǒng)雷達(dá)的徑向速度分析研究，不能單從雷達(dá)的徑向速度來明確區(qū)分，而要配合相應(yīng)的反射率因子等才能判斷，將雷達(dá)速度回波和反射率因子相結(jié)合是分析典型中小尺度系統(tǒng)的有效方法。

3 參考文獻(xiàn)

[1] 吳書君，王鳳嬌，王立靜.強(qiáng)對(duì)流天氣的多普勒徑向速度分析[J].山東氣象，2002，22（4）：27-29.

[2] 張京英，漆梁波，王慶華.用雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品分析一次暴雨與高低空急流的關(guān)系[J].氣象，2005，31（12）：41-45.

[3] 李軍霞，湯達(dá)章，李培仁，等.中小尺度的多普勒徑向速度場(chǎng)特征分析[J].氣象科學(xué)，2007，27（5）：557-563.

[4] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法[M].北京：氣象出版社，2007.

[5] 張杰.中小尺度天氣學(xué)[M].北京：氣象出版社，2005.

[6] 周春花，顧清源，何光碧.高原渦與西南渦相互作用暴雨天氣過程的診斷分析[J].氣象科技，2009，37（5）：538-544.