雅安市一次暖區(qū)強降水過程中多普勒雷達回波特征分析

閔 濤，吳 筱，高文良，周學(xué)云，吳亞平

(1.四川省雅安市氣象局，四川 雅安 625000；2.四川省九寨溝縣氣象局，四川 九寨溝 623400)

0 引言

暖區(qū)暴雨突發(fā)性強、強度大，容易造成氣象次生災(zāi)害，因此一直以來都是氣象工作者的研究重點。由于觸發(fā)暖區(qū)暴雨的天氣尺度擾動信號弱，而多普勒雷達資料較常規(guī)觀測資料具有高時空分辨率優(yōu)勢，更能捕捉到產(chǎn)生強降水的中小尺度對流系統(tǒng)，因此被廣泛應(yīng)用于暖區(qū)暴雨的研究。

關(guān)于強降水落區(qū)以及強降水產(chǎn)生原因與回波的關(guān)系研究較多，并且取得較好的成果，但關(guān)于回波發(fā)展傳播機制的研究相對較少，近年來這方面的研究也逐漸增多，體現(xiàn)了回波發(fā)展傳播機制的重要性，而且在這方面的研究也的確取得了很好的成果。孫敏[1]等在對上海地區(qū)一次強對流天氣的分析中對對流系統(tǒng)的傳播進行總結(jié)：沿順風(fēng)方向傳播;低層輻合造成的傳播;沿不穩(wěn)定梯度的傳播;邊界層相互作用。陳淑琴[4]等在對浙北沿海連續(xù)3次颮線演變過程的分析中指出強雷暴單體的下沉氣流在近地面形成冷池，其前側(cè)冷空氣向外擴散形成的陣風(fēng)鋒通過迫使鋒前暖濕氣流抬升，在陣風(fēng)鋒附近產(chǎn)生新的對流單體，從而形成對流系統(tǒng)的傳播。孫敏[1]等的研究也表明陣風(fēng)鋒可導(dǎo)致地面風(fēng)場輻合加強以及陣風(fēng)鋒兩側(cè)溫、濕度的加大，這些對于對流的發(fā)展和維持非常有利。鄭媛媛等[2]通過對一次特大暴雨過程的分析得出造成強回波在特定區(qū)域保持相對靜止?fàn)顟B(tài)的原因是新的對流單體不斷在西側(cè)產(chǎn)生，出現(xiàn)后向傳播。

研究雷達回波的發(fā)展傳播機制對于分析回波的發(fā)展演變趨勢有重要意義，因此針對2018年7月14日雅安市發(fā)生的一次暖區(qū)強降水過程，本文將利用多普勒天氣雷達、常規(guī)觀測和加密自動站觀測資料，對此次過程發(fā)生的環(huán)境條件進行分析，并著重對雷達回波的發(fā)展傳播機制進行探討，以期為今后雅安地區(qū)強降水預(yù)報提供參考依據(jù)。

圖1 2018年7月14日20時—15日20時雅安地區(qū)累積降水量分布圖(a)；黃龍水庫站逐小時降水量變化(b)Fig.1 Accumulated precipitation (unit:mm) over Yaan from 20∶00 BT 14 to 20∶00 BT 15 July 2018. and (b) hourly rainfall (unit:mm) at Huanglongshuiku from 17∶00 BT 14 to 19∶00 BT 15 July 2018

1 過程概況

2018年7月14日夜間，雅安地區(qū)出現(xiàn)了一次強降水過程，全市402個自動雨量測站資料顯示，7月14日20時—15日20時的24 h累計降水量達暴雨標(biāo)準(zhǔn)的有107站,大暴雨標(biāo)準(zhǔn)的有30站, 全市最大值出現(xiàn)在雨城黃龍水庫，雨量為161.2 mm，最大小時雨強60.1 mm，主要降水區(qū)域在雅安市中部縣區(qū)和市南部的石棉縣西南部。降水從14日17時左右開始，強度較弱，強降水主要集中在14日21時—15日00時，持續(xù)大約3 h。雨強大，強降雨時段集中，具有明顯的中小尺度系統(tǒng)特征，整個降水過程無冷空氣參與，是典型的暖區(qū)暴雨。

2 中尺度對流系統(tǒng)形成的天氣形勢背景分析

2.1 高低空主要影響系統(tǒng)配置

14日08時(圖略)，500 hPa副高控制我國華東大部地區(qū)，高原東部有一切變，700 hPa和850 hPa上分別有一支偏南風(fēng)暖濕氣流，在盆地中部有明顯的風(fēng)速輻合。20時(圖2)，副高穩(wěn)定略有西伸，同時，高原切變東移至盆地西部，700 hPa和850 hPa偏南風(fēng)暖濕氣流維持。在低層暖濕氣流的作用下，700 hPa及以下層次形成一個高濕區(qū)，并且低層暖濕氣流的輸送對不穩(wěn)定度的加大也十分有利。從過程臨近時，20時高低空流場配置圖可以看到，東移的高原切變提供了有利的大尺度動力抬升條件。

圖2 2018年7月14日20時高低空主要影響系統(tǒng)配置Fig.2 Superposition of the major weather influencing systems in high and low altitude at 20∶00 BT on 14 July 2018

2.2 環(huán)境場條件分析

2.2.1 水汽條件 過程發(fā)生之前，14日08時雅安地區(qū)700 hPa及以下層次氣溫和露點溫度就非常接近，均處于高濕區(qū)內(nèi)。在低層偏南風(fēng)暖濕氣流的作用下，水汽條件進一步改善。20時盆地西部代表站溫江探空站資料顯示700 hPa比濕達11.76 g/kg，850 hPa比濕達17.3 g/kg，表明低層含水量豐富。此時整層大氣的可降水量均達到50 mm及以上(圖略)，這為強降水的產(chǎn)生提供了有利的水汽條件。

2.2.2 熱力和不穩(wěn)定條件 14日20時溫江探空資料顯示，850 hPa假相當(dāng)位溫達89.25 K，SI指數(shù)為-2.23 ℃，K指數(shù)為42 ℃，對流有效位能達3 840 J/kg，表明當(dāng)日溫江站上空大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。另外從探空曲線圖可以看到對流有效位能呈狹長結(jié)構(gòu)，而抬升凝結(jié)高度為898 m，對流凝結(jié)高度為877 m，自由對流高度為862 m，這3個指標(biāo)的高度均較低，對流抑制僅有10.9 J/kg，表明對流天氣的觸發(fā)對抬升條件的要求不高，且一旦觸發(fā)易造成強降水天氣。

圖3 2018年7月14日20時溫江站T-lnp圖Fig.3 The T-lnp at Wenjiang station at 20∶00 BT on 14 July 2018

2.3 對流初生階段觸發(fā)機制分析

從上述分析可以看到，此次過程雅安地區(qū)濕層深厚，低層含水量大，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且具有較強的對流不穩(wěn)定能量，為中尺度對流系統(tǒng)的形成提供了有利的環(huán)境場條件，只要有一定的抬升觸發(fā)機制，就可以使對流不穩(wěn)定能量得到釋放，從而造成對流性天氣，產(chǎn)生強降水。高原東移的切變提供了大尺度的上升運動條件，但從降水情況來看，此次過程降水強度大，降水集中，表明降水時的垂直速度很大，明顯是由中小尺度天氣系統(tǒng)造成的。

從圖(4a)可以看出，回波先在雅安西部生成，但回波強度較弱，且結(jié)構(gòu)松散，回波的位置和分布狀況與雅安西部山區(qū)地形穩(wěn)合(圖6)，這表明該回波主要是由于地形的抬升作用而發(fā)展起來的。

3 雷達回波特征分析

分析雷達回波的組合反射率因子圖(圖4)。在雅安西部受地形抬升觸發(fā)的對流回波很快減弱消散，19時04分(圖4b)雅安境內(nèi)回波很弱，且呈零散分布，與雅安東南部接壤的樂山境內(nèi)有強度>45 dBz的回波生成。20時03分(圖4c)，雅安境內(nèi)回波仍呈零散分布，強度變化不大，但樂山境內(nèi)的回波已明顯發(fā)展，結(jié)構(gòu)變得密實，并連接成線狀，回波強度普遍在45 dBz以上，隨后該回波沿偏西北路徑朝雅安移動。20時59分(圖4d)，隨著樂山境內(nèi)回波移入雅安，雅安出現(xiàn)成片強回波，回波強度普遍在40 dBz以上。此后雅安境內(nèi)成片的強回波維持了3 h左右，且回波質(zhì)心高度較低，與強降水集中時段對應(yīng)較好。15日00時后回波強度開始減弱，降水也逐漸減弱結(jié)束。

圖4 2018年7月14—15日雅安雷達組合反射率因子Fig.4 The composite reflectivity of Yaan radar from 14 to 15 July 2018

根據(jù)上述分析得知，初始回波是由地形抬升觸發(fā)，所以下面將對發(fā)展階段回波的移入以及維持階段強回波的準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)進行分析，以此來探討此次過程回波的發(fā)展傳播機制。

3.1 回波發(fā)展階段

研究表明[3]對流系統(tǒng)的移動向量是對流單體平流和傳播兩部分合成。每個對流單體平流往往隨著對流層850～300 hPa(約為1 500～9 000 m高度)的平均風(fēng)方向運動；新生對流單體在出流(密度流)邊界層前緣的低層垂直風(fēng)切變方向上不斷生成，由此引起的風(fēng)暴運動稱為傳播[5]。通常情況下，若整層風(fēng)速都較弱，對流系統(tǒng)隨整層大氣的平均風(fēng)速移動。平均風(fēng)方向與出流邊界層或雷達回波走向接近，對流單體的傳播方向與平流就接近，并將導(dǎo)致對流系統(tǒng)移速大于平均風(fēng)速，移動較快[6]。

分析樂山雷達站和雅安雷達站的風(fēng)廓線圖(圖5)，可以看到，兩個站點均顯示整層風(fēng)速都較弱。溫江20時探空資料顯示850 hPa高度為1 420 m，300 hPa高度為9 770 m，而兩個站點的風(fēng)廓線圖均顯示此高度范圍內(nèi)風(fēng)向較一致，環(huán)境平均風(fēng)方向近似為東南風(fēng)。圖(4c)中樂山境內(nèi)強回波呈線狀分布，并且其走向為西北—東南向，與環(huán)境平均風(fēng)走向基本一致，此后此回波也快速沿平均風(fēng)方向移入雅安，導(dǎo)致雅安回波增強。

通過以上分析可知，在分析雷達回波未來的發(fā)展傳播方向時，可結(jié)合雷達風(fēng)廓線圖和回波走向。當(dāng)回波走向與環(huán)境平均風(fēng)較一致時，可判斷未來回波將沿環(huán)境平均風(fēng)方向發(fā)展傳播。

3.2 強回波維持階段

從雷達回波的發(fā)展演變特征可以看到，大片強回波在雅安中部呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，持續(xù)大概3 h左右。從回波移動情況來看，并未向發(fā)展階段那樣隨環(huán)境場平均風(fēng)移動，這可能是由于雅安西部高大地形的阻擋作用。這可以從雅安周邊高于3 km的地形圖可以看到(圖6)，雅安西邊地形普遍高于3 km，而強度>40 dBz的回波普遍在3 km及以下，如圖4所示。因此下面將著重討論強回波長時間維持的原因。

圖5 雅安雷達風(fēng)廓線圖(a)，樂山雷達風(fēng)廓線圖(b)Fig.5 (a) Radar profile of Yaan station,(b) Radar profile of Leshan station

圖6 雅安市高于3 000 m高程分布Fig.6 Height distribution above 3 000 meters in Ya'an

研究表明[3]，降水過程中降水粒子產(chǎn)生的拖曳下沉氣流將環(huán)境較干的空氣卷夾進去，導(dǎo)致雨滴劇烈蒸發(fā)冷卻，使得下沉氣流在近地面形成冷池，在近地面向外擴散并強迫抬升暖濕氣流而產(chǎn)生新的對流單體。這種系統(tǒng)內(nèi)部的再觸發(fā)機制對暴雨的發(fā)生和維持起著關(guān)鍵作用。

從雅安中部雨城區(qū)氣象觀測站的氣壓和溫度變化情況可以看到(圖7)，20時20分左右，當(dāng)對流系統(tǒng)到達觀測站點上時，氣壓開始上升，同時氣溫開始陡降，這表明下沉氣流在近地面形成了冷池，并且氣溫下降時間段與氣壓上升時間段基本一致，在20時20分—00時左右，說明此期間不斷有下沉氣流形成冷池，這個時段也與強降水集中時間段對應(yīng)較好。

圖7 雨城觀測站近地面氣壓和氣溫的時間序列圖Fig.7 Time series diagram of air pressure and temperature which near surface in Yucheng observation station

分析雅安站0.5°仰角的徑向速度圖(圖8)，發(fā)現(xiàn)低層?xùn)|南風(fēng)暖濕氣流持續(xù)較長時間，表明不斷有暖濕氣流向雅安輸送。受冷池的抬升作用，有利于新對流單體的不斷產(chǎn)生，從而導(dǎo)致雅安境內(nèi)強回波長時間維持。

綜上所述，在以后的預(yù)報中可通過分析地面氣象要素氣壓和氣溫的變化判斷冷池是否形成，氣壓陡升和氣溫驟降表明地面冷池已經(jīng)形成，而兩者變化趨勢重疊的時間段可判斷為冷池持續(xù)出現(xiàn)。此時若雷達低層風(fēng)場顯示不斷有暖濕氣流輸送過來，有利與對流系統(tǒng)內(nèi)部不斷觸發(fā)新的對流單體，這種對流系統(tǒng)內(nèi)部的再觸發(fā)機制有利于強回波的長時間維持。

圖8 雅安雷達0.5°仰角的徑向速度圖Fig.8 Radial velocity chart at 0.5° elevation from Yaan Doppler weather radar

4 小結(jié)

①深厚的濕層、較強的對流不穩(wěn)定能量以及高原東移切變?yōu)橹谐叨葘α飨到y(tǒng)的產(chǎn)生提供了有利的水汽、不穩(wěn)定以及大尺度上升運動條件。

②雅安西部出現(xiàn)的初始回波主要是由于地形的抬升作用觸發(fā)，但回波的發(fā)展及維持主要是由于上游對流系統(tǒng)的移入以及對流系統(tǒng)內(nèi)部的再觸發(fā)機制。

③在分析雷達回波未來的發(fā)展傳播方向時，可結(jié)合雷達風(fēng)廓線圖和回波走向。當(dāng)回波走向與環(huán)境平均風(fēng)較一致時，可判斷未來回波將沿環(huán)境平均風(fēng)方向發(fā)展傳播。

④通過分析地面氣象要素氣壓和氣溫的變化可判斷冷池是否形成，氣壓陡升和氣溫驟降表明地面冷池已經(jīng)形成，而兩者變化趨勢重疊的時間段表明冷池持續(xù)出現(xiàn)。此時若雷達低層風(fēng)場不斷有暖濕氣流輸送過來，有利于對流系統(tǒng)內(nèi)部不斷觸發(fā)新的對流單體，這種對流系統(tǒng)內(nèi)部的再觸發(fā)機制有利于強回波的長時間維持。