浙中一次短時大暴雨的雙偏振雷達特征分析*

方桃妮 葉延君 葉妍婷 劉圣楠 沈杭鋒

(1.金華市氣象局,浙江 金華 321000;2.蘭溪市氣象局,浙江 蘭溪 321100;3.杭州市氣象局,浙江 杭州 310008)

0 引 言

天氣雷達是探測短時強降水的主要工具之一。新一代多普勒天氣雷達在暴洪等強對流天氣探測方面已經取得了不少成果,但其為單偏振雷達,無法對降水粒子的形狀、相態進行進一步分析,在定量降水估測、冰雹識別等方面有一定局限性。雙偏振多普勒雷達通過發射水平和垂直2個方向的極化電磁波,除了探測反射率因子、平均徑向速度、速度譜寬3個基本參量之外,還可以探測差分反射率因子ZDR、差分傳播相移率KDP以及相關系數CC等偏振參量,能更好地描述降水粒子的尺寸、形狀以及降水類型等信息,在降水估測和相態識別上有更好的表現。1989年以來,國內氣象工作者已經在雙偏振雷達資料的應用方面開展了部分研究[1-11],劉黎平等[2]、張鴻發等[3]研究了雙線偏振雷達的探測理論、數據控制;董振賢等[4]研究了雙偏振雷達的偏振參量及其應用;鄭佳鋒等[7]研究了雙偏振雷達產品的定量降水估測方法的效果及其誤差,表明在大雨以上量級的降水中,雙偏振雷達的誤差較單偏振低;汪舵等[8]的研究表明，引入雙偏振參量對不同小時雨量的降水進行估測,其誤差更低,穩定性和相關性更好。雙偏振雷達是目前國內正在研究開發的新型天氣雷達,其應用是未來發展的趨勢,國家也正在對原有雷達進行升級,研究雙偏振雷達資料的應用具有重要意義。

2020年衢州雷達已由CINRAD/SB改造為雙偏振天氣雷達,并投入業務使用,通過研究衢州雙偏振雷達資料在強對流天氣中的應用,可以提高強對流天氣的短時臨近預報預警能力。本文選取2020年5月9—10日發生在浙江省中南部的一次強對流天氣,該過程降水時間短、小時雨強強、累計雨量大、降水時空分布不均,其中過程最大雨量為金華市蘭溪站144.2 mm,破有氣象記錄以來歷史同期紀錄,發生了較嚴重的城市內澇等災害。此次過程分為9日上午和9日夜里2個階段性爆發,9日上午發生了暴洪,而下午天氣晴,回溫顯著,夜里開始又一波短時暴雨侵襲,且伴隨大風。天氣預報難度大,具有較好的研究意義。利用常規氣象資料、區域自動氣象站資料、0.25°×0.25°歐洲天氣預報中心(簡稱EC)再分析資料、雙偏振雷達資料分別分析了該過程發生的天氣背景、物理量特征和雙偏振雷達回波特征,為雙偏振雷達資料在當地短時強降水天氣預報預警中的應用奠定基礎。

1 過程概況

2020年5月9日00時在江西有雷暴生成,且其在東移過程中不斷發展,05時左右雷暴進入浙江,影響浙江中西部,造成短時強降水天氣。9日下午階段性降水結束后,浙江中南部出現35 ℃以上的高溫,而在兩湖交界處生成了新的雷暴,東移發展,20時在江西加強為颮線,東移橫掃江西東部、浙江中南部,造成了短時強降水和局地極端大風天氣。

分析對流天氣的時空分布特征,此過程分為兩個階段:階段1發生在9日上午,以短時強降水為主,暴雨中心在浙中的金華蘭溪市和杭州建德市南部,強降水主要集中在9日07—11時,累計降水量大于100 mm的站點有7個(均在蘭溪市),最大為蘭溪站134.4 mm(含過程最大小時雨強63.4 mm),破歷史同期紀錄。階段2發生在9日后半夜至10日凌晨,暴雨中心在金華永康市,強降水主要集中在9日23時—10日02時,累計降水量大于100 mm的站點有3個,最大為永康西溪111.6 mm(含最大小時雨強81.3 mm),麗水、溫州有8～9級雷雨大風。

該過程具有時空分布不均勻、局地性強、短時雨量和累計雨量大等特點,有一定的預報難度,且大降水中心均發生在金華市,故選取金華市境內的強對流進行詳細分析,對當地預報員的業務工作有借鑒意義,對更好地推進雙偏振雷達資料的應用提供支持。

2 環流形勢和影響系統

2020年5月9日08時浙江省處于200 hPa高壓環流東北側,氣流分流輻散,高空的抽吸作用有利于強天氣的發生。500 hPa副熱帶高壓(簡稱副高)呈東東北西西南帶狀分布,脊線在20°N附近,588 dagpm線在浙閩交界一帶,浙江省處在副高北緣,有較強的不穩定能量。副高西北側從華南至浙西700 hPa、850 hPa有一條16～18 m/s的西南急流軸,預報區處在急流軸出口區左側,有較強的暖濕平流。850 hPa在山東至渤海一帶有低渦,其南側的槽切南伸至長江中下游地區,槽切后部是偏北風急流,與等溫線有較大交角,表明有較強冷平流南侵。冷暖平流在預報區上空交匯,為強對流的發生提供了位勢不穩定條件。地面冷鋒已至江浙皖贛交界一帶,觸發了強對流天氣的發生。根據《中國強對流天氣預報手冊》中強對流的基本配置可以判斷,這是一次斜壓鋒生類強對流天氣過程。

另外,850 hPa形勢圖(圖略)上長江下游以南有一條露點鋒,即干線;925 hPa形勢圖(圖略)上從湖南中南部經江西中部至浙中西部有一條中尺度輻合線,干線與超低空輻合線為階段1的強對流天氣提供了中尺度觸發機制。

9日白天浙江省上空有一個干暖蓋結構(500 hPa溫度露點差大于20 ℃,44 ℃的暖中心),有利于積蓄不穩定能量。處在副高北部邊緣的浙中南地區最高溫度普遍升至35 ℃以上,熱力條件明顯轉好。20時500 hPa高空槽加深東移,低層西南氣流增大,冷暖平流進一步加劇,大氣斜壓性更大,在700 hPa急流軸出口左側與地面冷鋒之間的江西地區,激發出新的對流,此處是850 hPa干線和925 hPa中尺度輻合線所在的位置,為強對流的發生起到中尺度觸發作用。

綜上所述,2個階段對流均發生在副高北緣、700 hPa西南急流軸出口、850 hPa濕舌中,地面冷鋒、干線和超低空輻合線共同觸發了強對流。階段2高空槽更靠近預報區,斜壓性更強,強對流的強度和范圍均比階段1強。

3 大氣不穩定度分析

圖1a是2020年5月8日20時衢州站探空圖,從環境垂直風切變來看,6 km以下風向隨高度順時針旋轉,6 km以上風向隨高度逆時針旋轉,說明低層有暖平流,高層有冷平流,使得溫度遞減率加大,并且中高層層結曲線和露點曲線分開,低層緊靠,表明大氣層結是上干冷下暖濕結構,非常有利于強對流發生發展。有效位能(CAPE)達1 250.3 J/kg,分布呈狹長形,K指數為35.1 ℃,總指數TT為37.8 ℃,表明有強的對流不穩定。抬升凝結高度LFC僅為923.1 hPa,有較低的抬升凝結高度,0 ℃層高度約為5 km,表明暖云層比較厚,對降水有利。925 hPa和850 hPa比濕分別為15.49 g/kg、15.45 g/kg,925 hPa露點溫度為19.6 ℃,說明降水區低層水汽飽和,這是大暴雨發生的必要條件[12]。0 ℃、-20 ℃層(8 km以上)高度較高,不利于冰雹的發生。850 hPa與500 hPa溫差小于20 ℃,不利于雷雨大風的發生。

圖1 2020年5月衢州站探空圖(a.8日20時、b.9日20時)

分析結果表明,大氣存在強烈的不穩定,且各項指標顯示對強降水有利,與階段1實況相符。

中等以上的環境垂直風切變有利于風暴發展、加強和維持,決定了風暴類型的演變和發展。中高緯度低海拔地區暖季0～6 km垂直風切變平均為10～20 m/s[13],為中等到強垂直風切變[14]。圖1b是5月9日20時衢州站探空圖,0～6 km垂直風切變為16 m/s,有利于誘發階段2的颮線。對流不穩定也較第1階段時更強,CAPE值增至1 930.3 J/kg,K指數增至38.2 ℃,SI指數減至-2.15 ℃,LI指數減至-4 ℃,總指數TT增至45.5 ℃。LFC高度較第1階段更低,925 hPa、850 hPa比濕分別增至16.91 g/kg、16.25 g/kg,925 hPa露點溫度增至21 ℃,低層的水汽條件更好。850 hPa與500 hPa溫差增至23.6 ℃,且層結曲線與露點曲線呈“喇叭口”結構,有利于雷雨大風的發生。0 ℃層和-20 ℃層高度仍較高,不利于冰雹的發生。

分析結果表明,大氣變得更加不穩定,且低層的水汽條件進一步轉好,更有利于強降水發生,同時有出現雷雨大風的可能。與階段2實況相符。

4 水汽條件

除了分析單站探空曲線的水汽情況外,仍然需要結合降水區水平和垂直方向上的水汽分布情況來判斷降水,其中低層的濕度對降水的貢獻最為重要。

在5月8日20時、9日08時及20時的925 hPa比濕分布圖(圖略)上,降水區上空比濕均大于15 g/kg。8日20時起上游地區至浙中是一致的西南急流,有顯著濕平流,使得降水區比濕增加,9日08時、20時達18 g/kg以上。表明此次過程低層的水汽非常充沛。

在垂直剖面上,常用相對濕度的剖面來表示空氣的飽和程度。從9日08時沿110°E的相對濕度緯度—高度剖面圖(圖2a)可以看出,水汽主要集中在700 hPa以下,尤其是850 hPa至地面是相對濕度為95%以上的飽和區。從9日20時沿110°E的相對濕度緯度—高度剖面圖(圖2b)可知，水汽分布略差于08時,90%以上的區域主要在800 hPa以下,不僅濕層略薄,空氣的飽和程度也略差。

圖2 2020年5月9日沿110°E相對濕度緯度—高度剖面圖[a.08時、b.20時(單位：%)]

將一單位面積地區上空整層大氣的水汽全部凝結并降至地面的降水量稱為該地區的可降水量。9日08時蘭溪市可降水量為55 mm,9日20時永康市可降水量為60 mm。水汽通量散度是指單位時間匯入單位體積或從該體積輻散出的水汽量。負值表示四周有水汽向該地區匯集。雖然階段1可降水量要小于階段2,但從925 hPa水汽通量散度(圖略)可知,9日08時蘭溪市附近有-120 g/(cm2·hPa·s)的輻合中心,輻合的方向與低空急流相垂直,表明有源源不斷的水汽輸送進入降水區，并且在降水區輻合,輻合區與暴雨區有較好的對應,而9日23時 925 hPa水汽通量散度(圖略)在永康市附近只有-40 g/(cm2·hPa·s),水汽的輻合不如階段1好,這是階段2降水略小的重要原因。

由綜合分析得出,兩個階段的低層水汽均非常充沛,但階段2濕層厚度和空氣的飽和程度均比階段1略差,且低層水汽通量散度也比階段1小,故階段2降水總量小于階段1。

5 雙偏振雷達特征

5.1 雷達回波演變情況

9日00時起地面輻合線自南昌—婺源一帶逐漸東伸,至04時到達開化—淳安南部一帶,雷達監測到上游地區有大片強對流回波沿著地面輻合線東移發展,造成了15～50 mm/h的降水。05時造成浙中短時大暴雨的單體回波分別在開化—上饒、淳安新生,標記為E1、E2,東移過程中小單體逐漸合并加強,回波范圍不斷擴大,至06時30分,E1東移至建德,靠近蘭溪邊界,中心強度達50 dBZ,地面有10～30 mm/h的降水。而E2在東移過程中逐漸分裂成南北兩塊,北回波E2-1與E1逐漸合并成一塊范圍更大、強度更強的回波E1-21,小時雨強也普遍增至30～40 mm。07時30分回波E1-21的中心強度達55 dBZ,且移速進一步減慢,僅為不到10 km/h,移向則由原先的東移為主轉變為向東北移動,與強回波的軸線方向一致,強回波在移動過程中會經過同一地點,且E2-2與E1-21分布在移動的軸線上,開始形成中尺度對流雨帶,因E1-21回波范圍大強度強,移速緩慢,E2-2逐漸追上E1-21并合并成新的回波E12。08時,在衢州、龍游又原地新生出單體回波E3、E4,它們與E12同樣也分布在移動的軸線上,形成了明顯的中尺度對流雨帶,且其移動方向基本上與其主軸方向一致,對流雨帶中的每一個強降水單體依次經過了蘭溪,形成“列車效應”。07—11時,這些回波造成蘭溪市普降暴雨,面雨量達69.7 mm,最大雨量達134.4 mm。

9日20時起在江西境內的強對流發展成颮線,快速東移至浙江境內,22時起從衢州開始橫掃浙江中南部。23時52分颮線前沿強回波區影響永康市,強反射率因子達45～55 dBZ,颮線整體移速約為60 km/h。但從連續幾個時次永康境內的回波情況可知,颮線前沿雖然東移,但颮線北段位于永康境內的強回波不斷發展,范圍增大,且回波的移動方向也呈東北向,移入加強,移出減弱,使得永康市內的高強度回波維持了約1.5 h,構成了一定程度上的“列車效應”。而颮線南段則表現為帶狀回波快速東移,如麗水松陽站,00時03分強回波還在站點西側,00時19分,強回波正好位于站點上,00時40分強回波已經移出松陽。

分別對2個階段對流發展旺盛時期9日08時02分和10日00時40分2個時刻，沿1到2、1到2到3進行剖面(圖略)。階段1 45 dBZ以上的回波基本上分布在4 km以下,因為回波距離衢州站較遠,3 km以下的回波雷達探測不到,故剖面無法顯示3 km以下的回波分布狀態。結合各個仰角的強回波分布中心(圖略)比對發現,階段1的強對流強回波在垂直方向上的分布比較鉛直。2個特征均符合強降水回波的特征。階段2中1到2為颮線北段的剖面,45 dBZ的回波也基本上分布在4 km以下,強降水在垂直方向上的分布呈鉛直狀,與階段1形態相似;而2到3為颮線南段的剖面,結果顯示強回波的擴展高度超過10 km,且回波出現懸垂結構。結合實況階段2北部以強降水為主,局部站點出現6級大風,而南段則出現短時強降水和8級以上雷雨大風。

從平均徑向速度產品(圖略)可知,零等速線呈弓形,開口方向為負速度區,故環境場為輻合場。100 km圈內最大的負速度為20 m/s,最大正速度僅為15 m/s,流入速度大于流出速度,表明預報區上空為輻合。同時,50 km圈內負速度面積大于正速度面積,表示低層也是一個輻合場。在輻合場中,對流容易新生和發展。

5.2 差分反射率因子ZDR、差分傳播相移率KDP、相關系數CC的特征

差分反射率因子ZDR是降水粒子水平反射率因子ZH和垂直反射率因子ZV的比值,與降水粒子的尺寸和軸比(粒子的水平軸半徑/粒子的垂直軸半徑)有關,與降水粒子的數量無關。差分反射率可以有效地識別粒子的尺寸[15]。雨滴越大,ZDR越大[16-17]。對比9日08時02分的0.5°仰角雷達反射率因子和差分反射率因子可知,ZDR與ZH在形狀和強度分布上均有很好的對應關系,最大的ZH對應最大的ZDR。30 dBZ以下回波對應ZDR值為0～1 dB,這主要是因為小雨滴更接近球形,因此ZDR接近于0。30 dBZ以上雨滴逐漸變成橢圓形,軸比增大,ZDR逐漸增大。40 dBZ以上回波對應ZDR基本上大于1.2 dB,50 dBZ以上回波對應ZDR大于2 dB,回波越強,ZDR越大,最大值超過3 dB。說明造成此階段強降水的雨滴直徑比較大,根據雨滴直徑和ZDR的理論關系,雨滴直徑約在1.3～3.0 mm。蘭溪市姚郎站9日08時、09時、11時的3個小時降水量分別為43.3 mm、38.8 mm、34.5 mm,相應的ZDR在該站點值均達到1.75 dB以上,60%的時間大于2 dB,最大達3.06 dB?？梢娫谝欢ǖ某掷m時間下,雨滴較大也是累計雨量達到大暴雨的重要因素之一。

差分傳播相移率KDP是指在特定距離內水平和垂直偏振回波的相位差。KDP隨粒子橢率的增大而增大,與粒子的密度有關。用KDP估測降水時,因其對雨滴譜變化較不敏感,與降水率幾乎是線性關系,所以能夠得到較為精確的結果,而且不受冰雹影響。9日08時02分KDP的大值分布與ZH回波強度也有很好的對應,并且與35 dBZ以上的強回波分布基本吻合。35 dBZ以下回波對應KDP為0,35 dBZ以上回波強度增加,KDP迅速增加。說明KDP對強降水更敏感,更能反映強降雨的特性。KDP大值在2°/km以上,中心值達到3°/km以上,大值區表明此處有大量呈水平向的粒子,KDP顯著增大的區域為強降水區域。

相關系數CC描述水平和垂直極化回波信號變化的相似度,粒子的形狀和空間取向以及降水粒子的數量是影響其值的主要因素。從9日08時02分、10日00時40分的CC產品圖(圖略)可以看出,30 dBZ以上的回波對應的CC為0.995,整體較為平滑,最強回波處對應的CC并不是最強的,但為0.98以上,說明其對強降水的反應不敏感,不能很好地指示強降水區。30 dBZ以下回波對應的CC值比較雜亂零散,很多為0.9以下,主要原因是弱回波信噪比較低,CC受信噪比影響,計算失誤較大,數據質量較差。

6 地 形

該次降水過程出現的累計雨量較大的站蘭溪站、姚郎站、西溪站均分布在山地迎風坡上,當氣流過山時,迎風坡上升運動加強,對降水有增幅作用。其中蘭溪、姚郎站所在的北山走向與西南風向夾角接近垂直,其海拔也高于西溪站所在的山脈,地形造成的垂直運動更強,對降水的增幅作用更加顯著,是階段1累計雨量較大的原因之一。另外,蘭溪、永康為金華地區的小盆地,盆地走向為東北—西南向,與當日的引導氣流風向基本一致,有利于對流單體排列成帶狀形成中尺度對流系統;階段2為颮線系統,但其北段在永康境內仍出現了一定程度的列車效應,與其盆地地形呈匯合狀有一定的關系,氣流在山前輻合,造成新生和加強,并沿盆地移動。

7 結 語

本文分析了2020年5月9—10日發生在浙江中南部的一次短時強降水天氣過程。此過程爆發了2波強對流,均有降水時間短、小時雨強強、累計雨量大、降水時空分布不均等特點;階段1累計雨量更大,階段2小時雨強更強且伴有8級以上雷雨大風。

通過分析2個階段的環流背景和物理量發現：(1)2個階段對流均發生在副高北緣、700 hPa西南急流軸出口、850 hPa濕舌中,地面冷鋒、干線和超低空輻合線共同觸發了強對流。階段2高空槽更靠近預報區,西南氣流更強,暖平流更明顯,冷暖交匯的斜壓性更強,深層垂直風切變也增強,強對流的強度和范圍均較階段1強;(2)2個階段均具備高溫高濕的條件,尤其是低層水汽飽和對短時大暴雨的發生有很重要的指示作用;但階段2濕層厚度和空氣的飽和程度均比階段1略差,且低層水汽通量散度也比階段1小,故階段2降水總量小于階段1。

分析此過程2個階段的雙偏振雷達特征發現:(1)階段1、2分別爆發了強多單體風暴和颮線;強多單體風暴和颮線北段回波強度在55 dBZ以下且回波質心較低,以短時強降水為主;颮線南段回波強度最大達55 dBZ以上,回波質心達10 km以上,且有垂懸結構,出現短時強降水伴隨雷雨大風;階段1“列車效應”、移動方向上降水系統的尺度均較階段2明顯,降水系統持續的時間也更長,故累計雨量更大;(2)短時暴雨區(ZH為35～55 dBZ)的ZDR、KDP均隨著回波強度ZH的增大而增大,ZDR為1.2～4 dB,KDP為1～3°/km,且3者最大中心基本重疊,表明暴雨區雨滴濃度大、直徑大、降水效率高;在ZH相同的情況下,更大的ZDR、KDP有更大的降水;(3)35 dBZ以下回波對應的KDP為0,35 dBZ以上回波強度增加，KDP迅速增加,說明KDP對強降水更敏感;(4)30 dBZ以上的回波對應的CC為0.995以上,但最強回波處對應的CC并不是最強的,說明其對強降水的反應不敏感,不能很好地指示強降水區。

此外,地形的迎風坡對此次降水有一定的增幅作用,地形走向與引導氣流一致,對“列車效應”有一定的貢獻。