多普勒雷達回波在一次大暴雨中的應用分析＊

宿海良,陳 艷,吳 洪,張曉東,白春燕,袁雷武,馬前進

(1.河北省唐山市氣象局,河北唐山 063000;2.中國氣象局培訓中心,北京 100081; 3.河北省滄州市氣象局,河北滄州 061001)

多普勒雷達回波在一次大暴雨中的應用分析＊

宿海良1,陳 艷1,吳 洪2,張曉東1,白春燕3,袁雷武1,馬前進1

(1.河北省唐山市氣象局,河北唐山 063000;2.中國氣象局培訓中心,北京 100081; 3.河北省滄州市氣象局,河北滄州 061001)

利用多部新一代天氣雷達資料結合常規探空資料和逐小時的自動站資料,對2007年7月18日發生在河北省東部平原(以下簡稱冀東平原)的一次區域性暴雨過程進行分析。結果發現:低層中α尺度切變線的南壓、東移及“人”字形輻合線是本次降水過程的主要影響系統;降水發生前西南暖濕氣流和冀東平原近地層偏東風是“人”字形輻合線形成的直接原因;在不穩定層結存續條件下,急流方向上上游雷達站中尺度低空急流的脈動對下游臺站的短時暴雨預報具有一定時效的指示意義。

雷達回波;大暴雨;應用分析;冀東平原

0 引言

河北是我國暴雨多發的區域之一,近幾年,氣象工作者對大的環流背景下引發的暴雨過程研究比較多[1-4],隨著新一帶天氣雷達的投入使用,對突發性中小尺度暴雨的研究也逐漸增多[5-7]。2007年6月29日承德、秦皇島新一代天氣雷達開始投入業務試運行,此外我們從區域中心得到了天津、北京的新一代天氣雷達共享資料,這使我們對冀東地區的區域性暴雨過程進行全面的中尺度分析成為可能。2007年7月18日的區域性暴雨天氣過程,是承德、秦皇島新一代天氣雷達有觀測資料以來,觀測到的最強的一次降水過程。本文利用天津、承德、秦皇島三部多普勒雷達的資料并結合逐小時的自動站資料過程進行了分析。

受低層冷切變線影響,從7月18日早晨開始到中午結束,冀東平原自西向東先后出現強降水天氣。天津的寶坻、河北的香河、玉田、遵化、遷西、豐潤、唐山、豐南、灤縣、盧龍、秦皇島十一個縣市的降雨量達到50 mm以上(圖1),其中香河、玉田、豐潤雨量超過100 mm,豐潤的水務局降雨量最大達到191.8 mm。這次降水過程有四個明顯特點:①﹥50 mm的短時強降水落區集中在香河到秦皇島一線約200 km范圍內,具有明顯的中β尺度天氣特征;②降水時間短,強度大,由強對流云團造成的強降水從06時香河開始出現到12時在秦皇島結束,歷時僅有6 h,豐潤站08-10時降水量達到136 mm;③短時強降水落區具有明顯的自西向東移動發展的時空變化特征;④50 mm以上降水區集中在燕山山脈南麓的平原地帶上,地形作用明顯。

1 天氣形勢分析

7月17日08 時-18日08時,西太平洋副熱帶高壓逐漸增強西伸,與中緯度大陸高壓脊在115°E度附近的華東沿海同位相疊加,使得中緯度環流經向度增大(圖略)。7月17日20時-18日08時700 hPa天氣圖上貝湖低渦南掉至東北北部, -8℃的冷中心也隨之南掉,但始終落后低渦中心10個經度左右,以致長時間向華北、東北地區輸送強冷平流。同時17日20時河套中部有一西風帶淺槽不斷東移發展,四川盆地有西南渦維持少動,二者東部存在一個暖中心,形成指向華北地區的西南向暖平流。500 hPa與700 hPa天氣形勢大致相同,但冷平流不如700 hPa強。

200 hPa天氣圖上,17日08時在新疆至內蒙東部初步形成一條西風帶急流,最強中心在新疆東部達50 m·s-1,到20時急流帶向東加強延伸至內蒙古中東部,最大風速加強到56 m·s-1,此時冀東地區剛好處于急流出口的右側,為暴雨落區提供了高空輻散場,其抽吸作用為中低層強對流的發生發展創造了有利條件。

圖1 2007年7月18日06-12時降水量分布圖

7月17日20時850 hPa流場和全風速分析圖(圖2)上東北北部和四川盆地中部各有一低渦維持,在西南渦和東北渦兩低之間從河套中部沿山西、河北與內蒙的交界至承德北部形成一條WS W-ENE向的中α尺度切變線,在西南渦、切變線和副高之間存在一條最大風速達20 m·s-1的西南低空急流帶,為華北中東部輸送了大量的暖濕空氣,初步形成了中高層干冷低層暖濕的不穩定層結,之后隨副高減弱切變線的東移南壓觸發了河北東部、南部和山東大部的強降水天氣。

由以上天氣尺度的分析可見,高低空急流的耦合作用以及高空輻散低層輻合的氣壓場配置為這次暴雨過程提供了有利的動力條件,而中層強冷平流與低層西南暖濕氣流在華北東部的交匯觸發了強對流降水的發生。然而這些都只是大暴雨產生的前提條件而非必然條件。事實上,在整個降水期間從天氣尺度上中低層并不能發現明顯的低值系統和強風速輻合區,這也正是在這種有利的天氣條件下河北并沒有出現大范圍暴雨的重要原因。以下利用多部新一代天氣雷達的高時空分辨率資料進行分析,結合逐小時的自動站降水資料,試圖從中尺度系統找出冀東平原出現大暴雨的可能原因。

2 中尺度對流系統的多普勒雷達圖特征分析

2.1 回波演變特征與強降水的關系

從雷達反射率因子圖上可以看到,這次過程屬混合云降水。從大于45 dBz以上回波帶的演變特征看,本次降水過程大致經歷“人”字形回波和“弓”狀回波兩個階段。

7月18日08:18在1.5°仰角的天津多普勒雷達反射率因子(以下簡稱PPI(Z))圖上(圖3a),在雷達站西北約80 km處和雷達站東北100 km處各出現一條S W-NE走向和SE-NW走向的帶狀回波,兩條帶狀回波帶在雷達站正北約110 km處交匯形成“人”字形回波,回波最強區位于兩條回波交界處。08:18至10:00 S W-NE走向回波在東移過程中, 55 dBz以上的強回波區向東北方向傳遞并增強(圖3a-c),開始向“弓”形演變,造成了玉田-豐潤的強降水,豐潤站08-10時2 h雨量達136 mm。同時SE-NW走向回波向東北方向移動,逐漸減弱斷裂成多個短帶回波(圖3d、3e),造成09-10時盧龍26 mm·h-1和秦皇島36 mm·h-1的短時暴雨。

此后人字形東支迅速減弱東移消散,S W-NE走向回波逐漸轉成“弓”狀回波(圖3b-3d),并開始出現轉豎的趨勢。“弓”狀回波繼續東移,回波帶上不時有回波單體生消發展(圖3d、3e),給下游的大部分地區造成了20～30 mm·h-1二次降水,至12:03 45 dBz以上回波移出秦皇島強降水結束。

2.2 中尺度低空急流

陶詩言指出[8]:暴雨區中的低空急流是一種中尺度現象,不要與低壓前面和副高西北側見到的天氣尺度的低空急流相混淆。為此劉洪恩[9]給出了一個可供多普勒雷達徑向速度分析中參考的中尺度低空急流判斷標準:急流中心的水平距離≥80 km,高度在3 km以下,時間尺度≥2 h,存在水平風速≥10 m·s-1且風向一致的低空強風速區。

圖3 2007年7月18日新一代天氣雷達1.5°仰角反射率因子

在18日06:00天津1.5°仰角的多普勒徑向速度平顯(以下簡稱PPI(V))(圖4a)上,雷達站東北和西南兩側對稱出現正、負速度大值(10～15 m·s-1)區,覆蓋范圍從距雷達站10 km延伸到距雷達站50 km處,此后覆蓋范圍進一步擴大延伸,06:42雷達站東北30～60 km處出現了15～20 m·s-1正徑向速度大值區(圖4b),到07:42大值區覆蓋范圍從15 km一直延伸到90 km處(圖4c),根據標準大氣折射下的測高公式推算,強風速區達到700 hPa(3 km左右)高度。據此判斷雷達站上空顯然存在一支正在向上傳遞的中尺度低空西南急流。由低空西南急流的流出方向推斷急流剛好指向燕山山脈霧靈山北側的承德雷達站,而承德雷達(此時850 hPa切變線尚未經過雷達站) PPI(V)(圖略)雖表明中低層維持著西南氣流但并沒有對稱的出入流速度大值區出現,說明燕山山脈對該支中尺度低空急流具有一定的阻擋作用,致使該中尺度西南急流攜帶的大量暖濕空氣在燕山山脈南部的冀東平原形成堆積,為08～10時豐潤站2 h 136 mm強降水前在中低層形成了深厚的暖濕層結,積蓄了大量不穩定能量。

對05:42秦皇島PPI(V)(圖4d)分析發現,該地區有兩支急流存在但不如天津-玉田的急流深厚。表現在PPI(V)圖上雷達站正北偏東和正南偏西10～50 km處有對稱的正、負速度大值區出現,正負徑向速度最大值達到10～15 m·s-1,說明850 hPa以下有SS W-NNE向低空急流存在。此外在雷達站東北和西南100 km處有另一對正負速度大值區出現,正負徑向速度極大值達到15～ 20 m·s-1,說明該區700 hPa高度層存在一支S W-NE向的急流。

圖4 2007年7月18日新一帶天氣雷達徑向速度圖(1.5°)

以上分析表明,冀東平原的西北部是低空西南急流,而東南部700 hPa高度上是西南急流, 850 hPa以下是偏南低空急流。低空急流的存在為暴雨的產生提供了水汽、有利于不穩定層結的建立,并觸發了冀東平原對流不穩定能量的釋放,使中尺度上升運動加強。

2.3 垂直風廓線產品

2.3.1 中尺度低空急流的脈動

由以上分析可以看出豐潤位于天津雷達站東北90 km處正徑向速度大值區內。我們以水平風速12 m·s-1并假設在中尺度西南低空急流存續期間急流區風場變化是連續的,推算天津雷達站低層的風場變化大約在2 h后傳遞至豐潤。下面我們分析塘沽站30 min間隔的垂直風廓線產品,以推斷強降水發生前豐潤—塘沽的垂直風場變化。

劉淑媛等對華南暴雨的研究發現中尺度低空急流的脈動對本地區強烈天氣和強降水有一定的指示意義[10]。從圖5可以看出從05時到09時降水發生前從300～2700 m高度有西南低空急流存在,這與對PPI(V)上關于低空急流的分析是一致的。進一步分析又可以發現這支急流整層從6時開始發生脈動,而后向上。這種中尺度低空急流在垂直方向上的脈動傳遞到豐潤時,擾動引起強對流,造成了大暴雨。

圖5 2007年7月18日05時-12時天津雷達站(塘沽)間隔30 min的垂直風廓線圖(粗實線為12 m·s-1風廓線)

2.3.2 高空急流動量下傳和近地面偏東風

分析秦皇島雷達站(位于盧龍)的垂直風廓線的變化(圖6)可以看出,高空急流在08:38和09:33分別出現兩次較強的下傳,從06:30到08:00,高空急流從6.1 km下傳到了5.2 km,而在08:00到08:38迅速加強下傳到2.4 km,在短時間減弱收縮到3.0 km后又于09:33加強下傳至2.1 km。兩次下傳分別引起了兩時段26 mm·h-1和29 mm·h-1的降水強度,說明高空急流下傳引發的垂直層面上的動量下傳對降水具有增幅作用。

此外從圖6還可看出,在300 m以下近地面層一直維持具有很大偏東分量的東南風,說明降水以前冀東平原上盛行偏東風,這從04時至10時1 h一次的地面自動站資料可以得到充分的證實。近地面偏東風的形成和長時間維持與冀東平原南臨渤海北靠燕山山脈的特殊地形有關。分析表明,近地面偏東風的存在使降水初期冀東平原上出現了除了西北干冷氣團和西南的濕暖氣團外的第三種性質的氣團,即弱冷的相對中性氣團。正是這三種不同性質的氣團在冀東平原上相遇產生了“人”字形的中尺度輻合線(圖7)。而后因為第三種性質的氣團相對較弱且只存在于近地面的邊界層,致使“人”字形的中尺度輻合線的東支相對較弱在NW向冷平流加強,被“西風”壓倒后迅速減弱消失,“人”字形的輻合線變成“弓形”。

圖6 2007年7月18日04時至11時秦皇島雷達站間隔18分鐘的垂直風廓線圖

圖7 “人”字形中尺度輻合線形成示意圖

“人”字形回波的形成和發展、東移并演變成“弓”狀回波,是造成本次區域性暴雨的主要天氣系統。

3 結論

(1)850 hPa中α尺度切變線的南壓、東移及“人”字形輻合線是本次降水過程的主要影響系統。

(2)中尺度低空急流對大暴雨的產生起到了關鍵作用,為暴雨區積蓄了大量水汽和不穩定能量,觸發了冀東平原對流不穩定能量的釋放。

(3)在不穩定層結存續條件下,急流方向上上游雷達站中尺度低空急流的脈動對下游臺站的暴雨預報具有T0(T0=Ri/Vr,Ri是預報臺站到雷達站的直線距離,Vr是VWP產品上的中尺度低空急流速度)時間的預報時效。

[1] 陳艷,宿海良.CAPE等環境參數在華北罕見秋季大暴雨中的應用[J].氣象,2005,31(10):56-60.

[2] 陳艷,宿海良.“麥莎”臺風造成冀東大暴雨的數值模擬和診斷分析[J].應用氣象學報,2008,19(2):209-217.

[3] 陳艷,宿海良.華北秋季大暴雨的天氣分析與數值模擬[J].氣象,2006,32(5):87-93.

[4] 宿海良,陳艷.一次大暴雨過程的中尺度特征分析[J].河北氣象,2007,26(4):16-21.

[5] 伍志方,曾沁.短時大暴雨的多普勒雷達探測及暴雨預警信號發布[J].災害學,2006,21(2):59-63.

[6] 鄭祚芳,王迎春.一次局地災害性強降水過程的數值模擬分析[J].災害學,2004,19(2):7-12.

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[8] 陶詩言.有關暴雨分析預報的一些問題[J].大氣科學, 1977,1(1):64-72.

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Analysis on an Application of Doppler Radar Echo in a Heavy Rain

Su Hailiang1,Chen Yan1,Wu Hong2,Zhang Xiaodong1,Bai Chunyan3, Yuan Leiwu1andMa Qianjin1

(1.Tangshan M eteorological Bureau,Tangshan063000,China;2.CMA Training Center, B eijing100081,China;3.Cangzhou M eteorological Bureau,Cangzhou061001,China)

Based on the Doppler radar echo data and conventional sounding data as well as hourly rainfall data,a regional heavy rain event occurred in eastern Hebei plain on July 18,2007 is analyzed.The results show that the southward and eas tward moving of a meso-α-scale shear over low-level and the convergence line are the main influential systems.The convergence line is caused by both the maintaining southwest-moist-jet before the rainfall and the surface layer easterly airflow over eastern Hebei plain.Under the unstable stratification condition, the perturbation of meso-scale low-level jet of upstream radar stations is of significance for downstream stations' rainfall forecasting.

radar echo;rainstor m;application analysis;eastern Hebei plain

TN958

A

1000-811X(2010)01-0064-05

2009-07-10

河北省氣象局科研基金項目資助(2008ky20)

宿海良(1971-),男,河北灤南人,高級工程師,主要從事天氣氣候預報及研究.E-mail:tshlsu@tom.com