靳振華,莊 庭,卜清軍
(天津市濱海新區(qū)氣象局 天津 300457)
短時(shí)強(qiáng)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(qiáng)、降水集中、歷時(shí)短且局地性強(qiáng)、預(yù)報(bào)難度大的特點(diǎn),常常引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害和誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,造成人民生命財(cái)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(yùn)行對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的敏感性也日益增強(qiáng),加強(qiáng)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的分析研究及監(jiān)測預(yù)警具有非常重要的意義,對(duì)此很多專家做了大量的研究工作。20世紀(jì)80年代,Hosking等[1]和 Klaassen[2]對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行了研究;在國內(nèi),氣象工作者從強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征[3]、發(fā)生發(fā)展機(jī)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(dá)布網(wǎng)的發(fā)展,高時(shí)空分辨率的雷達(dá)產(chǎn)品極大地增強(qiáng)了對(duì)短時(shí)和臨近災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警能力,目前對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)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(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)和臨近預(yù)報(bào)能力,Batta[8]很早就利用天氣雷達(dá)來探測和分析強(qiáng)對(duì)流天氣的結(jié)構(gòu)和演變特征,指出 50,dBz強(qiáng)度回波的出現(xiàn)標(biāo)志著降水強(qiáng)度加強(qiáng),消失標(biāo)志著降水強(qiáng)度開始減弱[9];強(qiáng)回波面積是判斷強(qiáng)對(duì)流天氣的一個(gè)很好標(biāo)志[10]。俞小鼎[11]綜述了短時(shí)強(qiáng)降水主觀臨近預(yù)報(bào)的思路和方法,給出雨強(qiáng)和降水持續(xù)時(shí)間這兩個(gè)要素在雷達(dá)回波上的表現(xiàn);彭九慧等[12]細(xì)致分析了強(qiáng)降水開始前和強(qiáng)降水期間的多普勒雷達(dá)特征;徐雙柱等[13]研究武漢暴雨過程中的雷達(dá)組合反射率因子后指出,反射率因子強(qiáng)度大于或等于 45,dBz對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水;李德俊等[14]對(duì)比分析了發(fā)生在恩施山區(qū)強(qiáng)冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水天氣的雷達(dá)產(chǎn)品,把組合反射率中心強(qiáng)度、垂直累積液態(tài)水含量 VIL密度分別達(dá) 43.0,dBz和1.1,g·m-3等條件作為短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)警指標(biāo)。然而,每一次短時(shí)強(qiáng)降水天氣過程的天氣尺度環(huán)流背景、中尺度強(qiáng)迫源都不同,因此中小尺度災(zāi)害性短時(shí)強(qiáng)降水事件仍是當(dāng)前天氣預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)。
本文利用地面加密自動(dòng)站、衛(wèi)星、塘沽新一代多普勒天氣雷達(dá)及常規(guī)地面高空觀測資料等,對(duì)2017年8月 5日天津?yàn)I海新區(qū)南部極端短時(shí)強(qiáng)降水過程進(jìn)行分析,以期為今后此類短時(shí)強(qiáng)降水的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)總結(jié)一些有價(jià)值的信息。
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(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴,各地雨量分布不均,濱海新區(qū)南部小時(shí)雨強(qiáng) 50,mm/h以上的有 4站,最大小時(shí)雨強(qiáng)為 74,mm/h,出現(xiàn)在自動(dòng)站 A2609,大港國家級(jí)觀測站出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng) 50.6,mm/h的局地極端短時(shí)強(qiáng)降水(見圖 1),并伴有強(qiáng)雷暴和最大陣風(fēng)24.9,m/s(13:10時(shí))的雷雨大風(fēng)。當(dāng)日出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的城市內(nèi)澇,城區(qū)積水嚴(yán)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(yán)重災(zāi)害,直接經(jīng)濟(jì)損失為2,910萬元。
圖1 2017年 8月 5日 13~14時(shí)濱海新區(qū)自動(dòng)站短時(shí)強(qiáng)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
2017年8月5日08時(shí)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(tái)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(tái)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(shí)天氣形勢場Fig.2 The weather situation at 08∶00,August 5,2017
分析地面加密自動(dòng)站風(fēng)場資料發(fā)現(xiàn),12∶00時(shí)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(diǎn)溫度 28,℃左右,形成了高溫高濕的環(huán)境,自動(dòng)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(shí)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(shí)新區(qū)南部出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水,自動(dòng)站 A2609附近的輻合線再次出現(xiàn),且強(qiáng)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(qiáng)降水,且提前1~2,h出現(xiàn)(見圖3)。
8月 5日 13∶00時(shí)的衛(wèi)星云圖上(見圖 4),天津上空有大片對(duì)流云團(tuán),在云區(qū)西南方向有2個(gè)小塊的云團(tuán)發(fā)展;13∶30時(shí)對(duì)流云團(tuán)向東南方向移動(dòng)并發(fā)展加強(qiáng),西南方向的小塊云團(tuán)逐漸并入,發(fā)展為較大的塊狀云團(tuán)。14∶00發(fā)展為較強(qiáng)的對(duì)流云團(tuán),形成東北-西南向積云線的形態(tài),14∶30時(shí)積云線上的云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展,范圍有所擴(kuò)大。
圖3 2017年8月5日地面加密自動(dòng)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
分析 8月 5日極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段內(nèi)的多普勒雷達(dá)產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn):強(qiáng)降水雷達(dá)回波整體為積層混合型回波,層狀云中包含有積狀云。強(qiáng)降水回波自西北向東南逐漸影響濱海新區(qū),移動(dòng)速度為 40,km/h,回波形態(tài)呈東北-西南向的強(qiáng)回波帶,50,dBz的強(qiáng)回波范圍逐漸擴(kuò)大。圖5給出2017年 8月 5日13∶00~14∶00強(qiáng)降水期間不同時(shí)次天津雷達(dá)組合反射率因子CR、垂直累積液態(tài)水含量VIL及極端短時(shí)強(qiáng)降水6,min雨量的變化。
沿經(jīng)過發(fā)生極端短時(shí)強(qiáng)降水所在站點(diǎn)最能體現(xiàn)強(qiáng)降水回波結(jié)構(gòu)的方向剖面,發(fā)現(xiàn)8月5日13∶06時(shí)50,dBz以上的強(qiáng)回波伸展高度達(dá) 11,km 以上,表明對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展旺盛,對(duì)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(qiáng)降水過程期間不同時(shí)次天津雷達(dá)組合反射率因子 CR、垂直累積液態(tài)水含量 VIL及極端短時(shí)強(qiáng)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(shí)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(fù)速度區(qū)或負(fù)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(shí)暴雨預(yù)報(bào)的一個(gè)判據(jù)。從雷達(dá)徑向速度場分析,8月5日13∶12時(shí),觀測站 54,645及附近大片的負(fù)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(qiáng)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(dá)上空 60,km左右范圍內(nèi)風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化,時(shí)間分辨率達(dá)到6,min,可較清楚地描述風(fēng)向、風(fēng)速隨時(shí)間和空間的不連續(xù)變化。塘沽雷達(dá)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(dá) 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
這是一次高空冷渦影響下的強(qiáng)對(duì)流天氣,冷渦前部的西南暖濕氣流為強(qiáng)降水的發(fā)生提供水汽條件。
強(qiáng)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(qiáng)降水提前1~2,h出現(xiàn)。
VIL值的躍增會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流性天氣,并產(chǎn)生強(qiáng)降雨,1個(gè)體掃躍增 15.3,kg·m-2,最大值為30.9,kg·m-2,相對(duì)于 6,min最大雨量(14,mm)超前1個(gè)體掃,且高VIL值(>5,kg·m-2)維持4個(gè)體掃。CR、VIL及強(qiáng)降水 6,min雨量,有相同的變化趨勢,降水最強(qiáng)時(shí)段和位置與回波最強(qiáng)時(shí)段基本對(duì)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(qiáng)降水短時(shí)預(yù)報(bào)的有用指標(biāo)。逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)表明回波正在強(qiáng)烈發(fā)展,逆風(fēng)區(qū)及其移動(dòng)路徑上會(huì)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水,對(duì)短時(shí)預(yù)報(bào)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(qiáng),進(jìn)而有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。