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(qiáng)、強(qiáng)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(diǎn)。由于觸發(fā)暖區(qū)暴雨的天氣尺度擾動(dòng)信號(hào)弱，而多普勒雷達(dá)資料較常規(guī)觀測(cè)資料具有高時(shí)空分辨率優(yōu)勢(shì)，更能捕捉到產(chǎn)生強(qiáng)降水的中小尺度對(duì)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(qiáng)降水落區(qū)以及強(qiáng)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(jī)制的研究相對(duì)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(jī)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(duì)上海地區(qū)一次強(qiáng)對(duì)流天氣的分析中對(duì)對(duì)流系統(tǒng)的傳播進(jìn)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(duì)浙北沿海連續(xù)3次颮線演變過程的分析中指出強(qiáng)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(kuò)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(duì)流單體，從而形成對(duì)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(chǎng)輻合加強(qiáng)以及陣風(fēng)鋒兩側(cè)溫、濕度的加大，這些對(duì)于對(duì)流的發(fā)展和維持非常有利。鄭媛媛等[2]通過對(duì)一次特大暴雨過程的分析得出造成強(qiáng)回波在特定區(qū)域保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的原因是新的對(duì)流單體不斷在西側(cè)產(chǎn)生，出現(xiàn)后向傳播。

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

圖1 2018年7月14日20時(shí)—15日20時(shí)雅安地區(qū)累積降水量分布圖(a)；黃龍水庫站逐小時(shí)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(qiáng)降水過程，全市402個(gè)自動(dòng)雨量測(cè)站資料顯示，7月14日20時(shí)—15日20時(shí)的24 h累計(jì)降水量達(dá)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(shí)雨強(qiáng)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(shí)左右開始，強(qiáng)度較弱，強(qiáng)降水主要集中在14日21時(shí)—15日00時(shí)，持續(xù)大約3 h。雨強(qiáng)大，強(qiáng)降雨時(shí)段集中，具有明顯的中小尺度系統(tǒng)特征，整個(gè)降水過程無冷空氣參與，是典型的暖區(qū)暴雨。

2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)形成的天氣形勢(shì)背景分析

2.1 高低空主要影響系統(tǒng)配置

14日08時(shí)(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(shí)(圖2)，副高穩(wěn)定略有西伸，同時(shí)，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(gè)高濕區(qū)，并且低層暖濕氣流的輸送對(duì)不穩(wěn)定度的加大也十分有利。從過程臨近時(shí)，20時(shí)高低空流場(chǎng)配置圖可以看到，東移的高原切變提供了有利的大尺度動(dòng)力抬升條件。

圖2 2018年7月14日20時(shí)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(chǎng)條件分析

2.2.1 水汽條件 過程發(fā)生之前，14日08時(shí)雅安地區(qū)700 hPa及以下層次氣溫和露點(diǎn)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(jìn)一步改善。20時(shí)盆地西部代表站溫江探空站資料顯示700 hPa比濕達(dá)11.76 g/kg，850 hPa比濕達(dá)17.3 g/kg，表明低層含水量豐富。此時(shí)整層大氣的可降水量均達(dá)到50 mm及以上(圖略)，這為強(qiáng)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(shí)溫江探空資料顯示，850 hPa假相當(dāng)位溫達(dá)89.25 K，SI指數(shù)為-2.23 ℃，K指數(shù)為42 ℃，對(duì)流有效位能達(dá)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(duì)流有效位能呈狹長結(jié)構(gòu)，而抬升凝結(jié)高度為898 m，對(duì)流凝結(jié)高度為877 m，自由對(duì)流高度為862 m，這3個(gè)指標(biāo)的高度均較低，對(duì)流抑制僅有10.9 J/kg，表明對(duì)流天氣的觸發(fā)對(duì)抬升條件的要求不高，且一旦觸發(fā)易造成強(qiáng)降水天氣。

圖3 2018年7月14日20時(shí)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(duì)流初生階段觸發(fā)機(jī)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(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定能量，為中尺度對(duì)流系統(tǒng)的形成提供了有利的環(huán)境場(chǎng)條件，只要有一定的抬升觸發(fā)機(jī)制，就可以使對(duì)流不穩(wěn)定能量得到釋放，從而造成對(duì)流性天氣，產(chǎn)生強(qiáng)降水。高原東移的切變提供了大尺度的上升運(yùn)動(dòng)條件，但從降水情況來看，此次過程降水強(qiáng)度大，降水集中，表明降水時(shí)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(qiáng)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(dá)回波特征分析

分析雷達(dá)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(duì)流回波很快減弱消散，19時(shí)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(qiáng)度>45 dBz的回波生成。20時(shí)03分(圖4c)，雅安境內(nèi)回波仍呈零散分布，強(qiáng)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(shí)，并連接成線狀，回波強(qiáng)度普遍在45 dBz以上，隨后該回波沿偏西北路徑朝雅安移動(dòng)。20時(shí)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(qiáng)回波，回波強(qiáng)度普遍在40 dBz以上。此后雅安境內(nèi)成片的強(qiáng)回波維持了3 h左右，且回波質(zhì)心高度較低，與強(qiáng)降水集中時(shí)段對(duì)應(yīng)較好。15日00時(shí)后回波強(qiáng)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(dá)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(duì)發(fā)展階段回波的移入以及維持階段強(qiáng)回波的準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析，以此來探討此次過程回波的發(fā)展傳播機(jī)制。

3.1 回波發(fā)展階段

研究表明[3]對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)向量是對(duì)流單體平流和傳播兩部分合成。每個(gè)對(duì)流單體平流往往隨著對(duì)流層850～300 hPa(約為1 500～9 000 m高度)的平均風(fēng)方向運(yùn)動(dòng)；新生對(duì)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(yùn)動(dòng)稱為傳播[5]。通常情況下，若整層風(fēng)速都較弱，對(duì)流系統(tǒng)隨整層大氣的平均風(fēng)速移動(dòng)。平均風(fēng)方向與出流邊界層或雷達(dá)回波走向接近，對(duì)流單體的傳播方向與平流就接近，并將導(dǎo)致對(duì)流系統(tǒng)移速大于平均風(fēng)速，移動(dòng)較快[6]。

分析樂山雷達(dá)站和雅安雷達(dá)站的風(fēng)廓線圖(圖5)，可以看到，兩個(gè)站點(diǎn)均顯示整層風(fēng)速都較弱。溫江20時(shí)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(gè)站點(diǎn)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(qiáng)回波呈線狀分布，并且其走向?yàn)槲鞅薄獤|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(qiáng)。

通過以上分析可知，在分析雷達(dá)回波未來的發(fā)展傳播方向時(shí)，可結(jié)合雷達(dá)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(shí)，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(qiáng)回波維持階段

從雷達(dá)回波的發(fā)展演變特征可以看到，大片強(qiáng)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(dòng)情況來看，并未向發(fā)展階段那樣隨環(huán)境場(chǎng)平均風(fēng)移動(dòng)，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(qiáng)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(qiáng)回波長時(shí)間維持的原因。

圖5 雅安雷達(dá)風(fēng)廓線圖(a)，樂山雷達(dá)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(jìn)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(kuò)散并強(qiáng)迫抬升暖濕氣流而產(chǎn)生新的對(duì)流單體。這種系統(tǒng)內(nèi)部的再觸發(fā)機(jī)制對(duì)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(cè)站的氣壓和溫度變化情況可以看到(圖7)，20時(shí)20分左右，當(dāng)對(duì)流系統(tǒng)到達(dá)觀測(cè)站點(diǎn)上時(shí)，氣壓開始上升，同時(shí)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(shí)間段與氣壓上升時(shí)間段基本一致，在20時(shí)20分—00時(shí)左右，說明此期間不斷有下沉氣流形成冷池，這個(gè)時(shí)段也與強(qiáng)降水集中時(shí)間段對(duì)應(yīng)較好。

圖7 雨城觀測(cè)站近地面氣壓和氣溫的時(shí)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(shí)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(duì)流單體的不斷產(chǎn)生，從而導(dǎo)致雅安境內(nèi)強(qiáng)回波長時(shí)間維持。

綜上所述，在以后的預(yù)報(bào)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(shì)重疊的時(shí)間段可判斷為冷池持續(xù)出現(xiàn)。此時(shí)若雷達(dá)低層風(fēng)場(chǎng)顯示不斷有暖濕氣流輸送過來，有利與對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部不斷觸發(fā)新的對(duì)流單體，這種對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部的再觸發(fā)機(jī)制有利于強(qiáng)回波的長時(shí)間維持。

圖8 雅安雷達(dá)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(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定能量以及高原東移切變?yōu)橹谐叨葘?duì)流系統(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(yùn)動(dòng)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(duì)流系統(tǒng)的移入以及對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部的再觸發(fā)機(jī)制。

③在分析雷達(dá)回波未來的發(fā)展傳播方向時(shí)，可結(jié)合雷達(dá)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(shí)，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(shì)重疊的時(shí)間段表明冷池持續(xù)出現(xiàn)。此時(shí)若雷達(dá)低層風(fēng)場(chǎng)不斷有暖濕氣流輸送過來，有利于對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部不斷觸發(fā)新的對(duì)流單體，這種對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部的再觸發(fā)機(jī)制有利于強(qiáng)回波的長時(shí)間維持。