吳志權(quán)， 張勁梅， 莫偉強(qiáng)

(東莞市氣象局，廣東東莞　523000)

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2014年3·30東莞對(duì)流暴雨的天氣雷達(dá)特征

吳志權(quán)， 張勁梅， 莫偉強(qiáng)

(東莞市氣象局，廣東東莞523000)

摘要：利用常規(guī)觀測資料、多普勒雷達(dá)資料，對(duì)2014年3月30日廣東東莞地區(qū)出現(xiàn)的致災(zāi)暴雨過程雷達(dá)回波特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：強(qiáng)回波具有反射率因子大、厚度大、回波頂高、持續(xù)時(shí)間長、垂直液態(tài)水含量值大的特征；同時(shí)強(qiáng)回波形態(tài)均以單體和回波團(tuán)混合帶狀為主，移速慢，最強(qiáng)降水區(qū)伴有多個(gè)強(qiáng)對(duì)流回波團(tuán)或單體出現(xiàn)的“列車效應(yīng)”；徑向速度上有明顯的逆風(fēng)區(qū)，該區(qū)域低層風(fēng)的輻合較強(qiáng)，有利對(duì)流活動(dòng)加劇，有利深對(duì)流發(fā)展，從而出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、冰雹、強(qiáng)降水的強(qiáng)對(duì)流天氣； 在不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)下，環(huán)境場對(duì)流參數(shù)具有CAPE弱、風(fēng)垂直切變中等、0 ℃層適宜的特征。

關(guān)鍵詞：天氣學(xué)； 對(duì)流暴雨； 回波強(qiáng)度； 垂直液體水含量值； 徑向速度； 東莞

對(duì)流暴雨，即對(duì)流系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)(6 h以內(nèi))造成的較大雨量或短時(shí)強(qiáng)降水(單站雨強(qiáng)超過20 mm/h)[1-2]，具有突發(fā)性、局地性、雨強(qiáng)強(qiáng)、危害重等特點(diǎn)。由于其產(chǎn)生的天氣尺度系統(tǒng)小，空間分布復(fù)雜，在當(dāng)前監(jiān)測、預(yù)報(bào)服務(wù)上仍存在一定難度，而多普勒天氣雷達(dá)不僅能獲得回波強(qiáng)度資料，還可以獲得降水粒子的徑向速度來推斷降水系統(tǒng)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征，因而成為當(dāng)前有效監(jiān)測、預(yù)警對(duì)流暴雨的落區(qū)、強(qiáng)度及發(fā)生時(shí)間最佳方法，是研究對(duì)流暴雨的主要有效手段之一。近年來許多氣象工作者利用多普勒天氣雷達(dá)探測資料對(duì)對(duì)流暴雨的臨近預(yù)警進(jìn)行了深入的探討[3-8]，如張家國等[3]分析指出在短時(shí)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，暴雨回波的識(shí)別和預(yù)警，關(guān)鍵是從整體上要抓住中尺度暴雨回波系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的特征，而不是孤立地研究一個(gè)對(duì)流單體的演變；陳永仁等[4]認(rèn)為短時(shí)強(qiáng)降水具有反射率因子大、液態(tài)水含量(VIL)高、回波頂(ET)高、強(qiáng)回波厚度大等特征；諶志剛等[9]從天氣背景場及多種探測資料對(duì)廣東近年強(qiáng)對(duì)流暴雨的落區(qū)及時(shí)間作了相關(guān)的探討。

2014年3月29—31日，廣東省大部分地區(qū)分別出現(xiàn)持續(xù)性暴雨到特大暴雨降水過程，并伴有雷電、短時(shí)大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，是近10年來范圍最大的首場強(qiáng)降水和強(qiáng)對(duì)流過程，造成嚴(yán)重的洪澇等災(zāi)害；位于珠江口東岸的東莞市3月30日(簡稱“3·30”)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，導(dǎo)致嚴(yán)重的城市積澇和人員傷亡。為此，本研究著重利用廣州多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品，對(duì)對(duì)流暴雨的雷達(dá)回波、徑向速度等特征進(jìn)行分析，為對(duì)流暴雨的落區(qū)和強(qiáng)度的確定提供參考，進(jìn)一步提高臨近預(yù)警發(fā)布能力。

1“3·30”致災(zāi)暴雨降水特征

從3月29日夜間起到31日早上，東莞出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，伴有雷雨大風(fēng)和冰雹的強(qiáng)對(duì)流天氣。該次過程有如下特點(diǎn)：(1)雨強(qiáng)強(qiáng)、雨量大、覆蓋范圍廣(表略)。1 h最大降水量為84.5 mm，有21.6%自動(dòng)站降水量≥50 mm；3 h最大降水量為133.5 mm，有13.4%自動(dòng)站降水量≥100 mm；只有1個(gè)站6 h最大降水量為150.6 mm；累計(jì)24 h最大降水量為205 mm。(2)降水頻次密。24 h內(nèi)出現(xiàn)了3次較集中降水時(shí)段，最強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在30日16：00—18：00(北京時(shí)，下同)。(3)多種災(zāi)害天氣并發(fā),該次過程雷雨大風(fēng)、冰雹、強(qiáng)降水并發(fā)，為近年來同期所罕見。

2環(huán)流背景及天氣過程參數(shù)

2.1天氣背景中分析

該次過程大天氣尺度背景為中低緯多波動(dòng)、低空西南低渦發(fā)展東南壓、華南西南急流強(qiáng)盛，在地面邊界層弱冷空氣觸發(fā)的背景下產(chǎn)生。從綜合中分析(圖1)可見，該次過程當(dāng)天08：00 500、700 hPa有槽線位于西南東部及華南西部，呈偏西北東南向，緩慢向偏東方向移動(dòng)，850、925 hPa西南低渦東部的南嶺附近有呈東西向的暖切變線，兩廣的中南部處在西南、偏南的低空、超低空急流區(qū)域內(nèi)；地面長江以南地區(qū)為東高西低形勢，華南等壓線呈“川”字型，為典型的華南前汛期暴雨型，弱冷鋒位于珠江口以東地區(qū)及海面上，在珠江口西側(cè)以西有中尺度輻合線；850 hPa比濕≥12 g/kg區(qū)域位于500 hPa槽底的兩廣中南部附近，對(duì)應(yīng)有南北向的濕軸，槽底的廣東西南部對(duì)應(yīng)有850與500 hPa氣溫差>25 ℃的高能區(qū)?？梢姡袑拥筒劬徛龞|移，有利于不斷加劇大氣層結(jié)不穩(wěn)定性，而地面弱冷鋒則是該次過程暴雨觸發(fā)的有利機(jī)制。暖切變與西南低渦東南側(cè)的低空、超低空急流均有利于充沛水汽輸送及匯總堆積，為強(qiáng)降水提供充足的水汽。

圖1　2014年3月30日08：00綜合中分析圖

從當(dāng)天08：00的衛(wèi)星紅外(圖2)、水汽云圖可看出，低槽云帶與高空500 hPa槽相對(duì)應(yīng)，強(qiáng)盛的對(duì)流云團(tuán)位于槽底，即在廣東中北部，已處于對(duì)流活躍期，紅外云圖對(duì)流云頂最強(qiáng)的亮溫為200～210 K，對(duì)流非常旺盛。近年來有研究發(fā)現(xiàn)，降水與云頂溫度有很好的相關(guān)性，TBB(相當(dāng)黑體亮度溫度，Black Body Temperature)溫度越低，表明云頂越高，對(duì)流越旺盛[10-11]。

圖2　2014年3月30日08：00紅外衛(wèi)星云圖

2.2環(huán)境參數(shù)特征

選用與東莞距離較近的3站點(diǎn)(北部的清遠(yuǎn)、西南部陽江、東南部香港)當(dāng)天08：00探空資料，對(duì)該次對(duì)流暴雨過程?hào)|莞周圍環(huán)境主要層結(jié)和能量環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析(見表1)。3個(gè)探空站的K指數(shù)為31～33 ℃，其中位于東莞北部清遠(yuǎn)站為33 ℃，大氣層結(jié)為中等不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)流有效位能(CAPE)為0～200.4 J/kg；最大是西南部的陽江站。利用清遠(yuǎn)站探空資料及東莞站11：00的溫度、露點(diǎn)進(jìn)行探空訂正，強(qiáng)降水發(fā)生前3 h，東莞站的CAPE為107.9 J/kg，均屬于弱的CAPE。

假相當(dāng)位溫(θse)是綜合反映大氣溫度和濕度條件的一個(gè)物理量，850 hPa 的θse為64.3～66.6 ℃，而500與850 hPa的θse差值清遠(yuǎn)站為1 ℃，為相對(duì)對(duì)流穩(wěn)定層結(jié)，但陽江站為-13.7 ℃、香港站為-6.1 ℃，均為對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)。從風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)來看，925～500 hPa(0～6 km)的垂直矢量差13～20 m/s，風(fēng)隨著高度的增大而增大，為中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變，有利于對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展，因冰雹和雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣需要一定強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變，據(jù)3站的探空?qǐng)D資料分析，0 ℃層的高度在4.5 km左右。過程的對(duì)流抑制能量(CIN)均較小，抬升凝結(jié)高度為973～985 m均較低，表明在高能不穩(wěn)定狀態(tài)下，氣塊很容易出現(xiàn)對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)。

表1　2014年3·30過程08：00周邊環(huán)境參數(shù)

3天氣雷達(dá)特征

降雨時(shí)，雷達(dá)反射率因子可以直接反映雨強(qiáng)的強(qiáng)弱，而強(qiáng)回波持續(xù)時(shí)間長短與很多因素有關(guān)，同時(shí)充足的水汽也是暴雨產(chǎn)生的條件之一。

3.1回波強(qiáng)度特征

1)反射率因子(R)。

通常來說，反射率因子越大，雨強(qiáng)越強(qiáng)，但這個(gè)關(guān)系會(huì)受到降水類型的很大影響。從該次過程多普勒雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(圖略)來看：在當(dāng)天16：00—17：00出現(xiàn)了時(shí)雨量最大時(shí)段，有21.6%的站點(diǎn)時(shí)雨量超過50 mm，最大時(shí)雨量為84.5 mm，跟蹤該時(shí)段的反射率因子，發(fā)現(xiàn)該時(shí)段回波強(qiáng)度普遍為45～50 dBz，影響同一地點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間普遍為20～45 min，為3～6個(gè)體掃，局部出現(xiàn)短時(shí)55 dBz，持續(xù)時(shí)間12～18 min(2～3個(gè)體掃)。跟蹤降雨強(qiáng)盛時(shí)刻不同仰角(0.5°～6.0°)體掃的反射率因子(R)垂直分布及垂直剖面(圖3a)可見：45 dBz以上強(qiáng)回波頂達(dá)到了6 km以上高度，最高達(dá)8～9 km，高于-20 ℃所在高度。而且具有低層弱回波和中高層回波懸垂特征，強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)明顯，因此出現(xiàn)了冰雹和大風(fēng)；從雷達(dá)回波頂(ET)(圖略)也可見，ET普遍為9～12 km，最高為15 km，出現(xiàn)在該高度的持續(xù)時(shí)間，最長持續(xù)18 min，說明對(duì)流伸展高度高、發(fā)展強(qiáng)烈。

2)垂直液態(tài)水含量(VIL)。

據(jù)文獻(xiàn)[3]報(bào)道，VIL≥10 kg/m2容易出現(xiàn)暴雨，≥25 kg/m2容易出現(xiàn)雷雨大風(fēng)，≥35 kg/m2容易出現(xiàn)冰雹。從圖3b的VIL值可見，該次強(qiáng)降水盛期VIL普遍為25～55 kg/m2，最強(qiáng)45～55 kg/m2，持續(xù)12～18 min，可見，該次過程較高的VIL值與強(qiáng)對(duì)流天氣短時(shí)強(qiáng)降水有關(guān)外，還與雷雨大風(fēng)、冰雹有關(guān)。

圖3　2014年3月30日16：12 雷達(dá)垂直剖面(單位：dBz)(a)和VIL值(單位：kg/m2)(b)

3.2回波形態(tài)、移動(dòng)及傳播特征

該次暴雨過程的回波形態(tài)以單體和回波團(tuán)混合帶狀為主，而雨強(qiáng)的強(qiáng)弱除與回波的強(qiáng)度有關(guān)外，還與強(qiáng)回波移動(dòng)的快慢及方向有關(guān)。回波“移動(dòng)矢量”是由雷暴承載層平均風(fēng)移動(dòng)“平流矢量”與由于新單體在雷暴某一端不斷生成構(gòu)成的雷暴回波“傳播矢量”之和[1-2]。從圖4基本反射率因子(仰角1.5°)前后30 min的移動(dòng)及當(dāng)時(shí)廣州雷達(dá)風(fēng)廓線(圖略)分析，在降水強(qiáng)盛時(shí)，強(qiáng)回波是由多個(gè)中小尺度團(tuán)狀對(duì)流回波組成，而新單體在該強(qiáng)回波帶的前進(jìn)方向的右側(cè)不斷生成，從垂直風(fēng)廓線可見在對(duì)流層為偏西南風(fēng)的引導(dǎo)氣流，即“平流矢量”東北偏東方向移動(dòng)，在強(qiáng)對(duì)流回波系統(tǒng)的東南段的前側(cè)不斷有新生對(duì)流單體，顯然新生對(duì)流單體的位置是向東南變化的，即向東南方向傳播，也就是強(qiáng)回波帶向東北方向的“平流矢量”和向東南方向“傳播矢量”的矢量和決定了中尺度對(duì)流暴雨回波系統(tǒng)“移動(dòng)矢量”向偏東方向移動(dòng)，移速較慢，有利于強(qiáng)降水的累積，而在一些狹長強(qiáng)對(duì)流雨帶影響的區(qū)域，如圖4黑色方框區(qū)域，該小尺度的強(qiáng)對(duì)流回波帶在16：00—16：18的3個(gè)體掃內(nèi)少動(dòng)，其西南側(cè)伴有多個(gè)小尺度強(qiáng)對(duì)流回波團(tuán)向該區(qū)域移動(dòng)(見圖4黑色箭頭區(qū)域)，在16：24—16：30連接呈帶狀回波，不斷移入該區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)所謂的“列車效應(yīng)”，從而出現(xiàn)該路徑上的大暴雨或特大暴雨。

3.3徑向速度特征(SRM)

從該次過程的相對(duì)平均徑向速度分析，東莞地區(qū)低層以向著雷達(dá)的入流為主，在降水最強(qiáng)16：00—17：00，東莞地區(qū)的低層(仰角0.5°)16：06，在距雷達(dá)30～40 km、高0.5～0.7 km處有狹長的寬5 km、長15 km逆風(fēng)區(qū)(見圖5a紅圈處)，16：12演變?yōu)楠M長的寬3 km、長15 km的小尺度大風(fēng)區(qū)(見圖5c紅圈處)，最大風(fēng)速為27 m/s，該大風(fēng)區(qū)緩慢向東北方向移動(dòng)，移速為每6 min 10 km左右，在16：30后減弱消失，距該狹長的大風(fēng)帶的東側(cè)20 km有東北到偏東急流帶向著雷達(dá)；在仰角1.5°、距雷達(dá)50 km、高1.5～2 km，16：06—16：30仍可見逆風(fēng)區(qū)(見圖5b、5d紅圈處)，范圍漸漸縮小，但在其前側(cè)的東部及東南部伴有向著雷達(dá)、風(fēng)速為15～20 m/s的大風(fēng)區(qū)；在仰角3.4°高度仍可見到大風(fēng)區(qū)(圖略)，說明該區(qū)域低層輻合較強(qiáng)，有利于低層水汽源源不斷抬升輸送到高層，有利于深對(duì)流的維持、發(fā)展。

圖5　2014年“3·30”過程降水盛期時(shí)低層(仰角0.5°和1.5°)平均相對(duì)徑向速度(單位：m/s)

4結(jié)論

1)過程層結(jié)處在不穩(wěn)定狀態(tài)；對(duì)流環(huán)境參數(shù)風(fēng)垂直切變屬于中等強(qiáng)度，0 ℃層在4.5 km左右，有利冰雹、大風(fēng)強(qiáng)對(duì)流天氣并發(fā)。

2)雷達(dá)回波強(qiáng)度具有降水盛期強(qiáng)回波具有反射率因子大、厚度大、回波頂高、持續(xù)時(shí)間長以及VIL值大的特點(diǎn)，這些均有利于出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、冰雹劇烈的對(duì)流性天氣。

3)強(qiáng)回波形態(tài)均以單體和回波團(tuán)混合帶狀為主，“平流矢量”與“傳播矢量”方向成一定的角度，移速慢，并且在一些狹長強(qiáng)對(duì)流雨帶影響的區(qū)域，伴有多個(gè)強(qiáng)對(duì)流回波團(tuán)或單體的降水，出現(xiàn)所謂的“列車效應(yīng)”，導(dǎo)致雨帶路徑上的大暴雨或特大暴雨。

4)徑向速度圖可見在降水最強(qiáng)時(shí)，東莞地區(qū)的中、低層有逆風(fēng)區(qū)、大風(fēng)區(qū)出現(xiàn)并維持，說明該區(qū)域低層輻合較強(qiáng)，有利于低層水汽源源不斷向上輸送，出現(xiàn)持續(xù)降水，并有利于深對(duì)流的維持、發(fā)展及出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣。

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收稿日期：2015-08-10

作者簡介：吳志權(quán)(1974年生)，男，工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事氣象監(jiān)測、預(yù)報(bào)、服務(wù)、防雷等業(yè)務(wù)及管理工作。E-mail:zhangjm20085@163.com

中圖分類號(hào)：P44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.003

Characteristics of a Convective Heavy Rain on March 30, 2014 in Dongguan as Captured by Weather Radars

WUZhi-quan,ZHANGJing-mei,MOWei-qiang

(Meteorological Bureau of Dongguan City, Dongguan 523000)

Abstract：Using conventional observations and Doppler data, we studied the radar echoes of a disaster-inflicting heavy rain that occurred on March 30, 2014 in the area of Dongguan, Guangdong. The result is presented as follows. Strong echoes are characterized by large reflectivity factor, large thickness, high echo top, long duration and large content of vertical liquid water. Meanwhile, the echoes are mainly composed of slowly moving single cells and cell groups and the areas of most intense rain are accompanied with multiple cell groups or cells in the form of “train effect”. There are zones of significant head wind on the radial velocity where convergence is intense from low-level winds to be favorable for the development of convection and deep-layer convection, resulting in thunderstorms, hails and severe rain. Under the conditions of instable stratiform, a relatively weak CAPE, moderate vertical shear and adequate 0 ℃ layer are the characteristics of environmental parameters.

Key words：climate observation; convective heavy rain; echo intensity; vertical liquid water content; radial velocity; Dongguan

吳志權(quán)， 張勁梅， 莫偉強(qiáng).2014年3·30東莞對(duì)流暴雨的天氣雷達(dá)特征[J].廣東氣象，2016,38(1)：8-12.