副熱帶高壓背景下極端短時(shí)強(qiáng)降水的雙偏振相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)分析*

潘佳文 彭婕 魏鳴 鄭秀云 吳偉杰 高珊 吳舉秀 蔡菁

1.廈門(mén)市海峽氣象開(kāi)放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廈門(mén)市氣象局，廈門(mén)，361012

2.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州，350001

3.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京，210044

4.福建省氣象臺(tái)，福州，350001

5.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，濟(jì)南，250031

6.龍巖市氣象局，龍巖，364000

1 引言

暴雨是中國(guó)最主要的氣象災(zāi)害之一。在全球變暖的背景下，強(qiáng)降水的頻率和強(qiáng)度都在不斷增大（IPCC，2021），極端短時(shí)強(qiáng)降水事件也日益增多（吳夢(mèng)雯，2019）。同時(shí)，中國(guó)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程正處于高速發(fā)展的階段，極端短時(shí)強(qiáng)降水事件所引發(fā)的城市內(nèi)澇災(zāi)害也愈發(fā)頻繁。然而，此類(lèi)事件因其突發(fā)性、局地性強(qiáng)的特點(diǎn)，給預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。對(duì)其進(jìn)行研究，增進(jìn)對(duì)其發(fā)生、發(fā)展演變規(guī)律的認(rèn)知，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

極端強(qiáng)降水一般指遠(yuǎn)強(qiáng)于某地氣候態(tài)降水強(qiáng)度且具有極低發(fā)生概率的降水事件（李建等，2013）。俞小鼎（2013）進(jìn)一步將1 h雨量≥50 mm或3 h雨量≥100 mm的降水事件定義為極端短時(shí)強(qiáng)降水事件。

得益于中國(guó)氣象探測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展和業(yè)務(wù)觀測(cè)體系的顯著改善，近年來(lái)對(duì)于極端短時(shí)強(qiáng)降水事件的研究方興未艾，相關(guān)研究也推進(jìn)到了直接產(chǎn)生暴雨的對(duì)流演變過(guò)程，并揭示了一些重要的中尺度現(xiàn)象（羅亞麗等，2020）。例如，俞小鼎（2012）、陳明軒等（2013）、劉璐等（2015）分別對(duì)2012年北京“7.21”特大暴雨的天氣背景、觸發(fā)與傳播機(jī)制進(jìn)行了研究。

隨著研究的不斷深入，極端短時(shí)降水事件根據(jù)天氣背景被分為多個(gè)類(lèi)型，其中有一類(lèi)事件發(fā)生在副熱帶高壓（副高）背景下，具有弱天氣尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫特征。此類(lèi)事件的突發(fā)性、局地性強(qiáng)，預(yù)報(bào)難度極大（何麗華等，2020；唐佳等，2021）。吳夢(mèng)雯（2019）針對(duì)1981—2015年中國(guó)的小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)39.0%的極端短時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生在副高控制等弱天氣尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫背景下，在華南沿海這一比例可達(dá)46.2%。田付友等（2018）、伍志方等（2018）、陳濤等（2019）從對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)與維持機(jī)制、數(shù)值可預(yù)報(bào)性等角度對(duì)2017年廣州“5.7”極端短時(shí)強(qiáng)降水事件進(jìn)行了分析，并指出：現(xiàn)有的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)于副高背景下的極端短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)能力仍較為有限，需要對(duì)其云物理過(guò)程進(jìn)行更加深入的分析，以獲得強(qiáng)降水的形成機(jī)制。以往針對(duì)暴雨過(guò)程的數(shù)值模擬也表明：在相同動(dòng)力框架下，不同云物理過(guò)程將導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)明顯差異（孫晶等，2011）。在不同的氣候與環(huán)境下，降水云物理過(guò)程有顯著差別，因此，需要更多的觀測(cè)資料以增進(jìn)對(duì)降雨云物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)（諶蕓等，2019）。

降水現(xiàn)象的發(fā)生是天氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程與云物理過(guò)程相互作用的結(jié)果（孫繼松，2014）。對(duì)于前者，隨著中國(guó)新一代多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)的建成，降水系統(tǒng)內(nèi)部的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)已能夠被較好地獲取，至于后者，則是當(dāng)前中國(guó)對(duì)天氣雷達(dá)網(wǎng)進(jìn)行雙偏振體制升級(jí)的目的。雙偏振雷達(dá)可以發(fā)射水平和垂直兩種偏振電磁波，除獲得反射率因子（ZH）外，還可得到差分反射率因子（ZDR）、差分傳播相移率（KDP）、相關(guān)系數(shù)（CC）等雙偏振參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)降水粒子的相態(tài)、形狀、空間取向和分布等具有高敏感性，在不同云物理過(guò)程中會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，可用于識(shí)別特定的云物理過(guò)程。劉黎平等（1996）用C波段雙偏振雷達(dá)研究了云內(nèi)粒子的相態(tài)及尺度的空間分布。潘佳文等（2020）使用S波段雙偏振雷達(dá)對(duì)發(fā)生在廈門(mén)地區(qū)的一次極端短時(shí)強(qiáng)降水事件做了分析，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)的雙偏振特征對(duì)于降水系統(tǒng)的發(fā)展演變具有預(yù)示性。

此外，相控陣天氣雷達(dá)也是未來(lái)天氣雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)之一（劉黎平等，2016；馬舒慶等，2019）?，F(xiàn)有的業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)受到機(jī)械掃描方式的限制，體掃間隔普遍長(zhǎng)達(dá)6 min，這就使其對(duì)演變迅速的對(duì)流風(fēng)暴的觀測(cè)會(huì)出現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)失真現(xiàn)象。較少的采樣層數(shù)也限制了其對(duì)風(fēng)暴精細(xì)三維結(jié)構(gòu)的探測(cè)。相控陣?yán)走_(dá)的電子掃描方式具有快速掃描、多波束形成能力，這些優(yōu)勢(shì)顯著提升了天氣雷達(dá)探測(cè)的時(shí)、空分辨率，可以快速獲取對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

目前中國(guó)不少地區(qū)已開(kāi)始布設(shè)X波段相控陣?yán)走_(dá)網(wǎng)，并取得了一些成果（吳翀，2018；于明慧等，2019），但相關(guān)研究對(duì)于極端短時(shí)強(qiáng)降水事件的關(guān)注度仍較低。2021年8月11日，廈門(mén)地區(qū)發(fā)生了一次副高控制下的極端短時(shí)強(qiáng)降水事件，最大小時(shí)雨量達(dá)115 mm。這次降水過(guò)程正好位于廈門(mén)X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)網(wǎng)的觀測(cè)范圍內(nèi)，故使用雙偏振相控陣?yán)走_(dá)對(duì)降水系統(tǒng)的雷達(dá)雙偏振特征進(jìn)行分析，并結(jié)合雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)分析降水系統(tǒng)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)及云物理機(jī)制。通過(guò)分析，有助于加深對(duì)副高天氣背景下極端短時(shí)強(qiáng)降水事件的認(rèn)識(shí)，尤其是在風(fēng)暴發(fā)展演變過(guò)程中相關(guān)云物理過(guò)程及動(dòng)力特征在雙偏振參數(shù)上的體現(xiàn)，為今后使用雙偏振相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行極端短時(shí)強(qiáng)降水事件的監(jiān)測(cè)、預(yù)警提供參考依據(jù)。

2 資料及分析方法

2.1 資料來(lái)源

分析使用的雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)分別來(lái)自廈門(mén)海滄S波段雙偏振雷達(dá)（SPOL）和3部X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)（XDPAR），各雷達(dá)位置分布如圖1所示，其中海滄X波段雷達(dá)位于海滄S波段雷達(dá)東北方向約100 m處。X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technique parameters of X-band dualpolarization phased-array radar

圖1 觀測(cè)儀器分布（a）及廈門(mén)島南部地形（b）Fig.1 Distribution of observation stations（a）and digital elevation map of the southern Xiamen island（b）

相較于S波段雙偏振雷達(dá)，X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)具有更高的時(shí)、空分辨率：其徑向分辨率由S波段雙偏振雷達(dá)的250 m提升至30 m，體掃間隔則由6 min減少至約1 min。較短的雷達(dá)波長(zhǎng)也使得X波段雷達(dá)的降雨衰減比S波段雷達(dá)明顯，需要進(jìn)行額外的衰減訂正。此外，X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)所采用的固態(tài)發(fā)射機(jī)雖然具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，更方便布設(shè)，但其較弱的發(fā)射功率也在一定程度上制約了對(duì)弱回波的探測(cè)能力。由廠家提供的技術(shù)手冊(cè)可知，在距離雷達(dá)10 km處，其最小可測(cè)回波強(qiáng)度為10 dBz。相關(guān)研究針對(duì)該型號(hào)雷達(dá)與業(yè)務(wù)S波段雙偏振雷達(dá)的對(duì)比分析結(jié)果（程元慧等，2020；蘇永彥等，2022）表明：二者在回波強(qiáng)度與徑向速度上具有較一致的探測(cè)效果，但S波段雙偏振雷達(dá)具有更高的靈敏度，可獲得更完整的回波形態(tài)和徑向速度場(chǎng)，尤其是后者，因?yàn)閺较蛩俣葹槭噶?，無(wú)法通過(guò)組網(wǎng)拼圖進(jìn)行彌補(bǔ)，也在一定程度上制約了雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演算法的適用范圍。

基于S波段雙偏振雷達(dá)和X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)的上述特點(diǎn)，先使用S波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)分析對(duì)流系統(tǒng)的整體特征，繼而利用X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)的高時(shí)、空分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析導(dǎo)致本次極端短時(shí)強(qiáng)降水的對(duì)流風(fēng)暴精細(xì)結(jié)構(gòu)特征。

潘佳文等（2018）針對(duì)福州地區(qū)一次短時(shí)強(qiáng)降水事件的分析表明：福建沿海的丘陵地形容易使氣流隨山脈走向出現(xiàn)繞流與低層輻合現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)降水的持續(xù)。在弱天氣尺度系統(tǒng)背景下，局地地形的影響作用得以被凸顯。因此，使用30 m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)匹配相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)，探討廈門(mén)島南部地形（圖1b）在這次極端短時(shí)強(qiáng)降水事件中可能起的作用。

2.2 質(zhì)量控制

在強(qiáng)降水過(guò)程中對(duì)X波段雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減訂正尤為必要。通過(guò)采用自適應(yīng)約束訂正方法（Bringi，et al，2001）對(duì)降雨衰減進(jìn)行訂正，并利用自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V波器（Siggia，et al，2004）對(duì)地物雜波進(jìn)行抑制，可獲得較好的X波段相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3 組網(wǎng)拼圖

本研究使用的3部X波段雷達(dá)的最高仰角僅為20.9°，受限于較小的最大探測(cè)距離（42 km），單部雷達(dá)對(duì)于高層回波的探測(cè)能力較為有限。因此，需要對(duì)這3部雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行組網(wǎng)拼圖，以獲得更加豐富的信息。使用吳翀（2018）所提出的X波段雷達(dá)組網(wǎng)方法，將各單站雷達(dá)的數(shù)據(jù)格點(diǎn)化，繼而對(duì)所有格點(diǎn)進(jìn)行拼接，形成三維雷達(dá)拼圖。針對(duì)相鄰雷達(dá)站點(diǎn)探測(cè)區(qū)域相互重合的現(xiàn)象通過(guò)采取加權(quán)平均等方法以盡可能地保留原有降水系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)和連續(xù)性。

2.4 風(fēng)場(chǎng)反演方法

由于S波段和X波段雷達(dá)的時(shí)、空分辨率存在較大差異，僅使用X波段相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)用于雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演。采用羅昌榮等（2012）改進(jìn)的雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演方法來(lái)分析對(duì)流系統(tǒng)的三維動(dòng)力結(jié)構(gòu)。該方法是在Ray等（1980）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，并將直角坐標(biāo)系改為地球坐標(biāo)系，便于同其他氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。通過(guò)與探空和風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，該風(fēng)場(chǎng)反演算法能夠合理地反映實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的分布狀況（王葉紅等，2019）。

3 天氣背景

3.1 降水過(guò)程概述

2021年8月11日02時(shí)（北京時(shí)，下同）起，閩南沿海自南向北依次出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水天氣，02—05時(shí)的3 h累計(jì)雨量分布如圖2所示，這次過(guò)程的降水分布極不均勻，主雨帶呈東北—西南向，閩南沿海共有45個(gè)自動(dòng)雨量站的3 h雨量超50 mm，更有6個(gè)站超100 mm。強(qiáng)降水中心位于廈門(mén)島南部，其中最大降雨量出現(xiàn)在廈門(mén)市思明區(qū)的濱海街道，3 h雨量達(dá)153.7 mm，最大小時(shí)累計(jì)雨量達(dá)115 mm。短歷時(shí)的強(qiáng)降水導(dǎo)致廈門(mén)島南部多處路段出現(xiàn)嚴(yán)重積澇。

圖2 2021年8月11日02—05時(shí)閩南地區(qū)3 h累計(jì)降水量Fig. 2 Accumulated 3 h precipitation（unit：mm）in southern Fujian from 02：00 to 05：00 BT 11 August 2021

3.2 天氣形勢(shì)分析

2021年8月10日20時(shí)，副熱帶高壓588 dagpm等值線(xiàn)北抬至30°N，中國(guó)東南沿海被副高控制，700與850 hPa在長(zhǎng)江中下游存在切變線(xiàn)，切變以南為一致的西南氣流，且風(fēng)速較弱，為4—10 m/s。

10日20時(shí)廈門(mén)站的探空資料顯示：T－Td≤4℃的區(qū)域位于700 hPa以下，925 hPa的比濕可達(dá)17 g/kg，低層的水汽較為充沛。此時(shí)，對(duì)流有效位能（CAPE）為561.5 J/kg，K指數(shù)達(dá)35.2℃，表明大氣層結(jié)具有一定的熱力不穩(wěn)定條件。抬升凝結(jié)高度（962.5 hPa）和對(duì)流凝結(jié)高度（926 hPa）均較低，容易觸發(fā)對(duì)流。且0℃層高度達(dá)5484 m，說(shuō)明暖云深厚，有利于提高降水效率（圖3）。

圖3 2021年8月10日20時(shí)中尺度分析（a）和廈門(mén)站T-lg p圖（b）Fig.3 Mesoscale analysis（a）and T-lg p diagram at Xiamen station （b）at 20：00 BT 10 August 2021

3.3 觸發(fā)機(jī)制

強(qiáng)降水的發(fā)生除需具備上述條件外，還要滿(mǎn)足一定的抬升觸發(fā)機(jī)制。10日夜間在閩南沿海一直維持著一條東北—西南走向的地面輻合線(xiàn)（圖略），該輻合線(xiàn)由偏北風(fēng)和西南風(fēng)構(gòu)成，系海風(fēng)與陸風(fēng)對(duì)峙的產(chǎn)物。地面輻合線(xiàn)使得水汽沿輻合線(xiàn)相對(duì)集中，造成抬升從而觸發(fā)對(duì)流。汪玲瑤等（2018）的統(tǒng)計(jì)分析亦表明：副高型暖區(qū)暴雨多發(fā)生于邊界層中尺度輻合線(xiàn)附近。

此外，閩南地區(qū)的海岸線(xiàn)為東北—西南走向且多丘陵地形，因此海陸風(fēng)的風(fēng)向常與海岸線(xiàn)平行，而非垂直于海岸線(xiàn)的經(jīng)典模式（吳濱等，2013）。這就使得輻合線(xiàn)易受沿海山脈的側(cè)向摩擦影響減速停滯，從而延長(zhǎng)降水時(shí)間（王堅(jiān)紅等，2017）。

綜上，在這次極端降水發(fā)生前，閩南地區(qū)缺乏明顯的天氣尺度系統(tǒng)影響。天氣尺度的動(dòng)力、熱力、水汽條件相對(duì)較弱，雖具備一定的觸發(fā)條件，但尚不足以支撐預(yù)報(bào)員從中提取極端降水發(fā)生、發(fā)展的征兆。此外，各家數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品也均未對(duì)本次極端降水有所體現(xiàn)。伍志方等（2018）針對(duì)廣州“5.7”暖區(qū)特大暴雨的可預(yù)報(bào)性分析后指出：短期時(shí)效內(nèi)的數(shù)值模式難以對(duì)弱風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的暴雨做出預(yù)報(bào)，且現(xiàn)有的短時(shí)強(qiáng)降水概念模型多以天氣尺度為主，需建立風(fēng)暴尺度的概念模型。下文將從風(fēng)暴尺度出發(fā)，進(jìn)一步發(fā)掘這次極端降水發(fā)生、發(fā)展的演變特征。

4 對(duì)流系統(tǒng)演變

2021年8月10日23時(shí)29分，在 海 滄S波 段雷達(dá)西南側(cè)約75 km處開(kāi)始有對(duì)流單體初生，在其向下游（東北方向）移動(dòng)的過(guò)程中，不斷有新的對(duì)流單體在后側(cè)生成，并入原有的對(duì)流系統(tǒng)，逐漸形成線(xiàn)狀對(duì)流系統(tǒng)（圖略）。Schumacher等（2005）的研究表明：后向傳播是弱天氣尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫背景下線(xiàn)狀對(duì)流系統(tǒng)的中尺度傳播機(jī)制，常導(dǎo)致極端降水事件。

8月11日02時(shí)21分該線(xiàn)狀對(duì)流系統(tǒng)位于廈門(mén)島東南側(cè)（圖4a），長(zhǎng)度可達(dá)100 km，其強(qiáng)回波（ZH＞50 d Bz）區(qū)域已觸及廈門(mén)島南部。此時(shí)在線(xiàn)狀對(duì)流系統(tǒng)附近存在一條由西北風(fēng)和西南風(fēng)組成的切變線(xiàn)（圖4b），該切變線(xiàn)為線(xiàn)狀對(duì)流內(nèi)部對(duì)流單體的發(fā)生、發(fā)展提供了低層輻合上升條件。

圖4 2021年8月11日02時(shí)21分海滄S波段雷達(dá)1.5°仰角反射率因子（a）及徑向速度（b）Fig.4 Z H （a） and V r （b）from Haicang S-band radar taken at 1.5°elevation at 02：21 BT 11 August 2021

隨著切變線(xiàn)的逐漸北抬，線(xiàn)狀對(duì)流系統(tǒng)也隨之向西北方向擴(kuò)展，并向海滄相控陣?yán)走_(dá)所在的山脈靠近（圖5a—c）。在這一過(guò)程中，廈門(mén)島的南部山區(qū)一直維持著較高的ZH值，并未隨著線(xiàn)狀對(duì)流系統(tǒng)的北抬而減弱。徑向速度場(chǎng)上廈門(mén)島南部山區(qū)存在正、負(fù)速度相間的現(xiàn)象，說(shuō)明此處存在徑向速度切變（圖5d、e）。張沛源等（1995）認(rèn)為在此類(lèi)徑向速度切變附近存在水平風(fēng)向的垂直切變，反映了強(qiáng)對(duì)流內(nèi)部上升氣流所引起的水平動(dòng)量交換過(guò)程，并導(dǎo)致中尺度垂直環(huán)流的形成，是一個(gè)很好的暴雨判據(jù)。

至04時(shí)切變線(xiàn)已移至海滄相控陣?yán)走_(dá)的西北側(cè)（圖5f），廈門(mén)島南部的徑向速度切變已經(jīng)消失，徑向速度場(chǎng)上表現(xiàn)為一致的西南氣流，對(duì)流系統(tǒng)不再是狹長(zhǎng)帶狀（圖5c），后向傳播機(jī)制消失，強(qiáng)降水逐漸停止。

圖5 2021年8月11日03時(shí)（a、d）、03時(shí)30分（b、e）和04時(shí)（c、f）海滄X波段相控陣?yán)走_(dá)0.9°仰角反射率因子（a—c）及徑向速度（d—f）（圖5a中黑色矩形框?yàn)閳D6的雷達(dá)回波分析區(qū)域）Fig.5 Z H（a—c）and V r（d—f）from Haicang X-band phased array radar taken at 0.9°elevation at 03：00 BT（a，d），03：30 BT （b，e）and 04：00 BT （c，f）on 11 August 2021（the black rectangular box in Fig.5a denotes the radar echo analysis region of Fig.6）

5 雙偏振參數(shù)演變

由對(duì)流系統(tǒng)的演變可知，在廈門(mén)島南側(cè)山區(qū)不斷出現(xiàn)的強(qiáng)回波是導(dǎo)致本次極端短時(shí)強(qiáng)降水的主要原因。對(duì)于這一復(fù)雜的演變過(guò)程，上述PPI圖像僅能提供某個(gè)時(shí)次的有限片段信息，尚不足以全面刻畫(huà)對(duì)流系統(tǒng)的時(shí)、空演變過(guò)程。因此，下文將通過(guò)對(duì)各雙偏振參數(shù)的水平和垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果以獲得廈門(mén)島南部對(duì)流系統(tǒng)的微物理特征演變規(guī)律。

5.1 水平結(jié)構(gòu)

5.1.1 雙偏振參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

圖6為對(duì)流關(guān)鍵區(qū)（圖5a中黑色矩形框）的逐分鐘雙偏振參數(shù)哈默圖，分別描述了4 km（圖6a—f）和1 km（圖6g—l）高度的雙偏振參數(shù)時(shí)空演變特征。由探空資料可知，廈門(mén)站8月10日20時(shí)的0℃層高度為5484 m，將4 km高度作為中層的代表，可在一定程度上避免0℃層亮帶的影響。由圖6可知，該區(qū)域的對(duì)流活躍期為02時(shí)30分至04時(shí)，對(duì)流系統(tǒng)的整體移動(dòng)路徑為西南—東北走向。04時(shí)之前各雙偏振參數(shù)在迎風(fēng)坡處均存在明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象，且大值區(qū)多位于迎風(fēng)坡一側(cè)，說(shuō)明在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段迎風(fēng)坡處存在高濃度的大雨滴，這一現(xiàn)象的持續(xù)導(dǎo)致了極端短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。

此外，在東西方向上各雙偏振參數(shù)的大值區(qū)存在向西傳播繼而東移的趨勢(shì)。由圖5e可知03時(shí)30分低層切變線(xiàn)北抬至雷達(dá)所在位置，雷達(dá)回波也隨之向海滄雷達(dá)所在山脈移動(dòng)（圖5b），但由圖5c亦可看到，對(duì)流系統(tǒng)的主體并未繼續(xù)西行越過(guò)海滄雷達(dá)所在的山脈。各雙偏振參數(shù)大值區(qū)在中層的演變（圖6a虛線(xiàn)）可更清晰地呈現(xiàn)這一移動(dòng)趨勢(shì)，這可能是因?yàn)榘l(fā)展旺盛的對(duì)流風(fēng)暴更容易將大而密集的水凝物抬升至高空，因此，中層的雙偏振參數(shù)大值區(qū)可以更好地反映對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)中心的移動(dòng)信息。

圖6 雷達(dá)回波分析區(qū)域（圖5a黑色矩形框內(nèi)）的東西向 （a、c、e、g、i、k）和南北向（b、d、f、h、j、l）平均反射率因子 （a、b、g、h）、差分反射率因子（c、d、i、j） 和差分傳播相移率（e、f、k、l）的時(shí)間-距離哈默圖（a—f.4 km高度，g—l.1 km高度）及最大地形高度（m—r）Fig.6 Time-distance Hovm?ller diagrams of longitudinal（a，c，e，g，i，k）and latitudinal（b，d，f，h，j，l）mean Z H（a，b，g，h），Z DR （c，d，i，j）and K DP（e，f，k，l）over the analysis domain （black rectangle in Fig.5a），（a—f）taken at 4 km，（g—l）taken at 1 km，and the maximum topographic profile（m—r ）

通過(guò)對(duì)雙偏振參數(shù)大值的出現(xiàn)頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可進(jìn)一步揭示雙偏振參數(shù)在上述兩個(gè)高度層的水平分布規(guī)律，其中，ZH的閾值為40 dBz，ZDR和KDP的閾值分別為1 dB和1°/km。由圖7可知，各雙偏振參數(shù)的頻率分布依舊呈現(xiàn)東北—西南走向，與線(xiàn)狀對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)路徑一致。各雙偏振參數(shù)的高頻區(qū)均位于廈門(mén)島南部山區(qū)。在低層，該區(qū)域的ZH（圖7d）和KDP（圖7f）大值出現(xiàn)頻率為50%—90%，ZDR大值的出現(xiàn)頻率相對(duì)較低（圖7e），僅為10%—40%。三個(gè)參數(shù)的極大值均在迎風(fēng)坡處，說(shuō)明山脈地形的阻擋使得此處的水凝物粒子變得密集，地形的抬升作用也使得粒子碰并增長(zhǎng)導(dǎo)致大粒子的出現(xiàn)頻率增大。中層ZH（圖7a）和KDP（圖7c）大值的出現(xiàn)頻率較低層均有所下降，但ZDR大值的出現(xiàn)頻率卻較低層明顯增大（圖7b），三者的極值依舊位于迎風(fēng)坡一側(cè)。這一現(xiàn)象說(shuō)明，廈門(mén)島南部山區(qū)的迎風(fēng)坡有利于對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展，旺盛的對(duì)流單體更容易將水凝物抬升至中層，使此處頻繁地出現(xiàn)更大、更濃密的降水粒子。

圖7 2021年8月11日強(qiáng)降水時(shí)段（02時(shí)—04時(shí)30分） 的反射率因子（a、d）、差分反射率因子（b、e）和差分傳播相移率（c、f）大值的頻率分布（a—c.4 km高度，d—f. 1 km高度）Fig.7 Frequency distributions of high Z H（a，d），Z DR（b，e）and K DP（c，f）during the heavy rainfall period from 02：00 to 04：30 BT 11 August 2021（a—c.taken at 4 km height，d—f.taken at 1 km height）

5.1.2 動(dòng)力及微物理結(jié)構(gòu)

強(qiáng)降水的發(fā)生是對(duì)流云宏觀動(dòng)力過(guò)程和微觀降水過(guò)程間相互作用的結(jié)果，且雷達(dá)雙偏振特征的形成也是水凝物隨流場(chǎng)聚積的產(chǎn)物，因此結(jié)合雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演方法可進(jìn)一步探究上述雙偏振參數(shù)特征的形成原因。

由地面自動(dòng)氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)（圖10）可知：此次極端短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程以02時(shí)45分和03時(shí)40分為節(jié)點(diǎn)可大致分為3個(gè)階段。分別選取3個(gè)降水階段的一個(gè)代表時(shí)次進(jìn)行雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演，以尋求三者之間的異同之處。

在2 km高度的水平風(fēng)場(chǎng)（圖8）上可以看到，廈門(mén)島南部山區(qū)的低層風(fēng)場(chǎng)并非均勻變化，其風(fēng)向隨地形走勢(shì)發(fā)生偏折。由圖1可知，本次降雨極值濱海街道位于一個(gè)山谷的入口處，該山谷為一向北逐漸收縮的喇叭口地形，在其北側(cè)存在一條東南—西北走向的峽谷分隔東坪山與御屏山。這一地形特征使得山脈北側(cè)的氣流可穿過(guò)峽谷形成西北氣流，并與山脈南側(cè)的偏南氣流相遇形成低層輻合上升運(yùn)動(dòng)（圖8a1—c1白色箭頭）。在第一和第三階段，低層輻合區(qū)則位于峽谷的南端出口（圖8a1、c1中藍(lán)色圓圈處），在山谷地形的抬升作用下形成上升運(yùn)動(dòng)（圖8a5、c5），有利于對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展。第二階段的偏北氣流則較為強(qiáng)勁，穿過(guò)峽谷進(jìn)入山谷，形成輻散下沉氣流（圖8b5中黃色圓圈處），并與偏南氣流于近海形成低層輻合（圖8b1中藍(lán)色圓圈處）。

由4 km高度的水平風(fēng)場(chǎng)（圖9）可知，第二和第三階段在廈門(mén)島南部山區(qū)均存在風(fēng)場(chǎng)輻合（圖9b1、c1中藍(lán)色圓圈處），并以第二階段最為明顯，此時(shí)的中層輻合區(qū)內(nèi)存在上升-下沉氣流相間的現(xiàn)象（圖9b5）。

綜合南部山區(qū)的中、低層上升（下沉）速度分布可知，在第一和第三階段二者的位置基本重合，表現(xiàn)為垂直上升（下沉）運(yùn)動(dòng)，但在第二階段垂直速度則表現(xiàn)為上層上升（圖9b5）下層下沉（圖8b5）的配置。這一差異可能是導(dǎo)致第二階段的雨強(qiáng)明顯大于其余兩個(gè)階段的原因，下文將結(jié)合垂直風(fēng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行分析。

水平風(fēng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步影響了雙偏振參數(shù)的分布，結(jié)合圖8與圖9可知：KDP大值區(qū)多位于風(fēng)速輻合區(qū)和風(fēng)速大值區(qū)，說(shuō)明氣流的匯合使得降水粒子在此匯聚；ZDR的大值區(qū)則多位于山脈四周上升-下沉氣流交雜的區(qū)域，并伴有相關(guān)系數(shù)的下降，結(jié)合垂直風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)（圖11）推測(cè)其原因可能是：降水粒子在這些區(qū)域容易在下落的過(guò)程中穿越上升與下沉氣流之間的邊界重新進(jìn)入上升氣流區(qū)，進(jìn)而通過(guò)循環(huán)增長(zhǎng)形成大雨滴。

圖8 2021年8月11日3個(gè)時(shí)次（a.02時(shí)28分，b.03時(shí)05分，c.03時(shí)52分）2 km高度的反射率因子（a1—c1）、差分反射率因子（a2—c2）、差分傳播相移率 （a3—c3）、相關(guān)系數(shù)（a4—c4）和垂直速度（a5—c5）Fig.8 CAPPI plots of Z H（a1—c1），Z DR（a2—c2），K DP（a3—c3），CC（a4—c4）and vertical wind（a5—c5）at 2 km height at 02：28 BT（a），03：05 BT（b），03：52 BT（c）11 August 2021

圖9 同圖8，但為4 km高度Fig.9 Same as Fig.8 but at 4 km height

5.2 垂直結(jié)構(gòu)

5.2.1 雙偏振參數(shù)演變特征

為了探究廈門(mén)島南部山區(qū)雷達(dá)回波在垂直方向的演變特征，對(duì)濱海街道上空的雙偏振參數(shù)隨高度-時(shí)間演變情況（圖10）進(jìn)行分析。

第一階段的回波發(fā)展高度較低，ZH≥35 dBz的回波伸展高度基本位于0℃層以下，在其余兩階段對(duì)流云體迅速發(fā)展，ZH≥35 dBz的回波伸展高度可達(dá)7 km以上（圖10a），且存在ZDR≥1 d B（圖10b）與KDP≥1°/km（圖10c）區(qū)域延伸至0℃層以上的現(xiàn)象，即存在ZDR柱和KDP柱現(xiàn)象。作為對(duì)流風(fēng)暴中較常見(jiàn)的雙偏振雷達(dá)特征，ZDR柱與KDP柱往往與風(fēng)暴體內(nèi)的上升氣流相對(duì)應(yīng)（Kumjian，et al，2008；潘佳文等，2020）。在第二與第三階段，ZDR柱和KDP柱伸展高度的演變對(duì)于地面雨強(qiáng)的變化均具有提前量，尤其是03時(shí)30—50分ZDR柱和KDP柱的再度發(fā)展預(yù)示著降水系統(tǒng)的再次增強(qiáng)。潘佳文等（2021）的研究亦指出ZDR柱伸展高度可指示對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)部上升氣流的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于風(fēng)暴的再度增強(qiáng)具有預(yù)示性。

圖10 2021年8月11日濱海街道的X波段相控陣?yán)走_(dá)反射率因子（a）、差分反射率因子 （b）、差分傳播相移率（c）和相關(guān)系數(shù)（d）的時(shí)間-高度演變Fig.10 Time-height evolution of Z H（a），Z DR （b），K DP（c）and CC（d）from X-band phased array radar at the Binhai street site on 11 August 2021

在0℃層以下，ZH和KDP的數(shù)值均隨著高度的降低而增大，但ZDR大值與KDP大值并非總是同時(shí)出現(xiàn)，KDP大值出現(xiàn)的時(shí)間要滯后于ZDR大值，這說(shuō)明雨滴在下落過(guò)程中通過(guò)重力碰并快速增長(zhǎng)為大雨滴，其形態(tài)變得扁平，ZDR值也隨之增大，當(dāng)雨滴增大到一定尺度又將破碎成若干小雨滴，產(chǎn)生雨滴繁生過(guò)程，這又導(dǎo)致了KDP值的上升。

在地面降水發(fā)生前，云體低層存在ZDR大值區(qū)，并伴有較低的ZH、KDP和CC值（圖10黑色圓圈處），說(shuō)明此處存在稀疏的大雨滴，這些大雨滴相比于小雨滴具有更大的下落末速度，可更早出現(xiàn)在低層，是降水系統(tǒng)內(nèi)部的一種粒子分選機(jī)制。Ryzhkov等（2019）指出，在不斷發(fā)展的對(duì)流云下方常出現(xiàn)大的雨滴，并可在低仰角觀測(cè)到高ZDR、低ZH值的組合，這一現(xiàn)象對(duì)于即將出現(xiàn)的降雨增強(qiáng)具有5—15 min的預(yù)報(bào)提前量。

此外，第二階段KDP的強(qiáng)度（數(shù)值及大值區(qū)的范圍）明顯大于其余兩個(gè)階段，ZDR則未出現(xiàn)明顯增強(qiáng)。這說(shuō)明：在強(qiáng)降水狀態(tài)下，雨滴的破碎與碰并增長(zhǎng)間處于接近平衡的狀態(tài)（Hu，et al，1995），此時(shí)雨滴的粒徑近似于常數(shù)（Bringi，et al，2003），雨強(qiáng)的再度增大取決于雨滴數(shù)濃度的升高。Wang等（2003）的研究也表明，強(qiáng)降水時(shí)雨滴數(shù)濃度可隨雨強(qiáng)的增大而顯著升高，但雨滴譜寬度卻未顯著變寬。

5.2.2 動(dòng)力及微物理結(jié)構(gòu)

沿圖8b1中的線(xiàn)段AB和CD分別做東西和南北兩個(gè)剖面，二者交叉處即為本次強(qiáng)降水極值站點(diǎn)濱海街道所在的位置。東西剖面上，在上升氣流附近存在ZDR柱（圖11c），說(shuō)明此時(shí)上升氣流處存在大的過(guò)冷水滴和濕冰粒子。在下沉氣流處則伴有ZDR低值區(qū)降至0℃層之下的現(xiàn)象，且隨著高度下降ZDR值和KDP值劇增（圖11c、e黑色方框處），此時(shí)在垂直方向上存在較大范圍的CC低值區(qū)（圖11g中黑色方框處），說(shuō)明此處存在霰等冰相粒子融化的現(xiàn)象。融化的冰相粒子與云滴碰并可加速雨水的產(chǎn)生（肖輝等，2004），這可能是該階段KDP值明顯增大的原因。

圖11 2021年8月11日03時(shí)05分沿圖8b中線(xiàn)段AB（a、c、e、g）和CD （b、d、f、h）所做垂直剖面并疊加沿剖面地形高度（a、b.反射率因子，c、d.差分反射率因子，e、f.差分傳播相移率，g、h.相關(guān)系數(shù)，i. 東西向地形高度，j.南北向地形高度）Fig.11 Vertical cross sections along line AB（a，c，e，g）and CD（b，d，f，h）shown in Fig.8b at 03：05 BT 11 August 2021 and （i，j）the cross section of topographic profile（a，b.Z H，c，d.Z DR，e，f. K DP，g，h.CC，i.east-west，j.south-north）

由閃電觀測(cè)數(shù)據(jù)可知：強(qiáng)降水區(qū)附近存在閃電活動(dòng)，且以云閃（IC）為主，地閃（CG）頻次較少（圖12a），云閃出現(xiàn)的時(shí)間與強(qiáng)降水時(shí)段一致（圖12b），說(shuō)明此時(shí)在對(duì)流云內(nèi)部存在著霰等冰相粒子。冰相粒子在對(duì)流風(fēng)暴的起電機(jī)制中起重要作用（Saunders，et al，2006），Williams等（1989）的研究則表明云閃活動(dòng)的增強(qiáng)對(duì)應(yīng)著對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)冰相粒子的顯著增加。此外，較少的閃電頻次也表明對(duì)流云內(nèi)的冰相粒子濃度較低。由圖10亦可知：本次強(qiáng)降雨過(guò)程的冰相粒子融化現(xiàn)象基本位于3 km高度之上，在低層仍以暖雨過(guò)程為主，冰相過(guò)程的存在主要起到加速雨水生成的作用。

圖12 2021年8月11日強(qiáng)降水時(shí)段（02時(shí)—04時(shí)30分）的閃電活動(dòng)分布（a）和時(shí)間演變（b）Fig.12 Distribution（a）and temporal evolution（b）of lightning activities during the heavy rainfall period from 02：00 to 04：30 BT 11 August 2021

在南北剖面中層存在兩支上升氣流的輻合區(qū)，并伴有ZH和ZDR的大值區(qū)（圖11b、d中黑色方框處），說(shuō)明此處較強(qiáng)的上升氣流有利于大粒子的駐留和長(zhǎng)大，形成大粒子累積區(qū)。當(dāng)粒子的尺寸增大至上升氣流無(wú)法托載時(shí)，將下瀉形成強(qiáng)降雨（許煥斌，2012）。在大粒子的下瀉過(guò)程存在ZDR隨高度下降減小，KDP相應(yīng)增大的現(xiàn)象（圖11d、f中白色方框處），說(shuō)明大雨滴在下落過(guò)程中破碎成若干小雨滴，雨滴的繁生過(guò)程使得KDP值上升。

此時(shí)位于大粒子累積區(qū)下部的傾斜下沉氣流與上游的偏南氣流相遇并觸發(fā)傾斜上升運(yùn)動(dòng)（圖11b），促進(jìn)了后側(cè)回波的發(fā)展，形成了后向傳播機(jī)制。傾斜上升（下沉）的配置也使得大粒子的下瀉過(guò)程不會(huì)影響上升氣流，有利于降水系統(tǒng)的發(fā)展與維持。

6 結(jié)論和討論

針對(duì)2021年8月11日廈門(mén)地區(qū)的一次極端短時(shí)強(qiáng)降水事件，基于廈門(mén)X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)降水系統(tǒng)的雷達(dá)雙偏振參數(shù)演變進(jìn)行了分析，并結(jié)合雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)和高精度地形數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析降水系統(tǒng)的動(dòng)力及微物理結(jié)構(gòu)演變，探討了這次極端短時(shí)強(qiáng)降水的形成機(jī)制。結(jié)果表明：

（1）這次過(guò)程為發(fā)生在副高控制之下的極端短時(shí)強(qiáng)降水事件。在強(qiáng)降水發(fā)生前，閩南沿海地區(qū)存在平行于海岸線(xiàn)的地面輻合線(xiàn)，線(xiàn)狀對(duì)流系統(tǒng)沿輻合線(xiàn)組織成型，并沿著低層切變線(xiàn)向東北方向移動(dòng)。廈門(mén)島南部山區(qū)的雷達(dá)回波平流特征不明顯，存在后向傳播現(xiàn)象，強(qiáng)回波的穩(wěn)定少動(dòng)導(dǎo)致了局地極端強(qiáng)降水的發(fā)生。

（2）圖13為這次極端強(qiáng)降水的降水系統(tǒng)概念模型。降水系統(tǒng)內(nèi)的上升氣流使得中層存在大粒子累積區(qū)，大粒子的下瀉導(dǎo)致雨強(qiáng)增大。此時(shí)傾斜上升（下沉）的配置使得大粒子的下瀉不會(huì)影響上升氣流，有利于對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展與維持。傾斜下沉氣流與下游的偏南氣流相遇，又觸發(fā)了下游對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展，形成后向傳播。

圖13 2021年8月11日副高背景下極端短時(shí)強(qiáng)降水事件的降水系統(tǒng)概念模型Fig.13 Conceptual model of the precipitation system for extreme flash rain event under the background of subtropical high on 11 August 2021

（3）強(qiáng)降水發(fā)生階段，各雙偏振參數(shù)在廈門(mén)島南部山區(qū)的迎風(fēng)坡處均明顯增大，且大值區(qū)在此維持。結(jié)合風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果可知，此處的局地地形使得山區(qū)北側(cè)的氣流得以穿過(guò)峽谷與偏南氣流形成低層輻合。雨滴在輻合區(qū)附近聚集導(dǎo)致KDP值增大，上升運(yùn)動(dòng)使得雨滴的粒徑增長(zhǎng)，ZDR值升高。最終使得此處較其他區(qū)域更頻繁地出現(xiàn)更大、更濃密的降水粒子，形成極高的降雨效率。

（4）暖雨過(guò)程和冰相過(guò)程在這次極端降水事件中同時(shí)存在，前者起主導(dǎo)作用，冰相粒子的融化加速了雨水的形成。

（5）在垂直結(jié)構(gòu)上可見(jiàn)上升氣流將過(guò)冷水輸送到0℃層以上形成ZDR柱和KDP柱，二者發(fā)展高度的演變相對(duì)地面雨強(qiáng)的變化具有預(yù)報(bào)提前量，ZDR柱和KDP柱的再度發(fā)展說(shuō)明上升氣流再度增強(qiáng)，預(yù)示著降水系統(tǒng)的再次增強(qiáng)。

（6）在0℃層以下，ZH、ZDR和KDP的數(shù)值均隨著高度的降低而增大，且KDP數(shù)值的增大滯后于ZDR，說(shuō)明雨滴在下落過(guò)程中碰并增長(zhǎng)為大雨滴，ZDR值隨之增大，大雨滴繼而破碎成若干小雨滴，雨滴繁生過(guò)程有助于KDP值的上升。需要注意的是：雨強(qiáng)最大階段的KDP要明顯大于其他階段，ZDR則無(wú)此變化。說(shuō)明此時(shí)雨滴的破碎和碰并增長(zhǎng)處于接近平衡的狀態(tài)，雨滴的粒徑變化較小，雨強(qiáng)的增大更多取決于雨滴濃度的增加。

在副高天氣背景下，局地地形對(duì)于降水系統(tǒng)的影響作用得以被凸顯，使人們能夠探尋局地地形對(duì)于中小尺度對(duì)流結(jié)構(gòu)及其云物理過(guò)程的影響。但考慮到與地形有關(guān)的降水系統(tǒng)發(fā)展演變機(jī)理的復(fù)雜程度，本研究所得到的結(jié)論僅為一次降水事件的觀測(cè)結(jié)果，今后仍需通過(guò)更多的觀測(cè)事實(shí)增進(jìn)對(duì)此類(lèi)事件的了解。同時(shí)可通過(guò)開(kāi)展高分辨的數(shù)值模擬試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證其中的微物理機(jī)制。