一次致洪暴雨的多普勒雷達回波分析

李東川,萬 敏,周 明,袁明清,廖曉荔

(1.重慶市萬州區氣象局,重慶 萬州 404000,2.重慶市北碚區氣象局,重慶 北碚 400700,3.重慶市涪陵區氣象局,重慶 涪陵 408000)

一次致洪暴雨的多普勒雷達回波分析

李東川1,萬 敏2,周 明1,袁明清1,廖曉荔3

(1.重慶市萬州區氣象局,重慶 萬州 404000,2.重慶市北碚區氣象局,重慶 北碚 400700,3.重慶市涪陵區氣象局,重慶 涪陵 408000)

利用常規觀測資料和多普勒雷達探測資料,對 2010年 7月 9日凌晨發生在重慶市萬州區西部的大暴雨過程的天氣形勢和雷達回波特征進行了分析,著重從強度 PPI、速度 VPPI、回波頂 ET、垂直積分液態含水量 V IL等多普勒雷達產品資料分析其特征。初步探討了副高邊緣弱西南氣流下我區短時強降水天氣的多普勒回波特征,積累經驗,為暴雨的臨近預報預警建立預報指標提供依據。

雷達回波;暴雨;逆風區;中尺度氣旋;臨近預報

1 引言

2010年 7月 8日夜間發生在萬州、梁平、忠縣交界地區的一場突如其來的大暴雨,由于時間短,強度大,暴雨中心的集中降雨時段只有不到 2h,而最大雨量卻達 180.5mm,迅速匯聚的雨水使河流猛漲,淹沒城鎮、田地,沖毀房舍、道路、橋梁。我區的分水鎮全鎮被淹,水深齊腰,雖然短中期、臨近預警各種預報準確及時,提前防范及救災搶險有力,無人傷亡,但暴雨仍然造成巨大的經濟損失。暴雨是我區的主要自然災害,進一步提高暴雨預報的精細化程度對促進防災減災能力作用重大,我區多普勒雷達投入應用將使暴雨、強對流天氣等突發災害天氣的預報能力逐步改善,使災害性天氣的損失降到最低。

2 降雨天氣實況

2010年 7月 9日 02時到 08時萬州、梁平、忠縣部分鄉鎮出現了暴雨,根據重慶市區域自動站觀測網監測的雨量值得知,在我區的雨量主要時段為03—06時,降雨中心雨量為西部靠近梁平的孫家,3h雨量達 117.9mm,最大小時雨量為 73mm,其次為郭村的 3h雨量 81.3mm,其最大小時雨量則為44.4mm。而防洪辦在分水鎮的雨量監測站監測到的雨量竟達 180.5mm,應為這次暴雨的降雨中心。

3 天氣形勢及影響系統分析

過程開始前 8日 08時 500hPa亞洲中高緯在巴湖有一強大深厚低渦,貝湖地區為高脊,我國東北到俄羅斯遠東地區為低渦區的兩槽一脊型,中低緯副高脊線約在 23°N,高原上為高壓,兩高之間在漢中—成都—川西南部一線有弱切變,達州為偏西風,我區處于副高邊緣弱西南氣流中。到 8日 20時,雖然高度場上重慶還在 588邊緣,但副高脊線已明顯南撤,達州、恩施風向轉為 NW,渝東北轉為北支氣流的西北氣流影響,四川東部為弱脊,切變西退至武都—巴塘—林芝一線。到 9日 08時達州為北風、恩施偏東北風,我區以南的渝東南附近有氣旋性環流中心,中心西側可以分析一小槽,約在貴州北部。蘭州—甘孜—林芝一線有新的低槽出現,而豫陜南部和湘鄂皖贛交界有完整反氣旋環流,可以推斷 8日夜有短波低值系統經過,即是位于貴州北部的小槽。700hPa形勢較為清楚,8日 08時漢中—成都—四川西南部有切變,達州為西南風,到20時其北端南壓,達州轉為偏北風,切變也轉為近E-W走向,我區為切變東北端,9日 08時切變越過我區,位于長江上游沿線江南一側,達州、恩施轉為東南風,重慶風向近 NW風,出現明顯氣旋性環流,低渦中心以東到湖南東北部為暖式切變,以西為冷式切變,明顯在 500hPa小槽之后,可知 500hPa夜間越過我區的小槽為前傾槽,這就是觸發這次大暴雨的影響系統,它是由 8日 20時武都—巴塘—林芝一線的切變線結合從新疆直到華中的西北氣流中東傳,由巴湖低槽中分裂的冷空氣后快速南下而來的。這種前傾槽由于帶有冷平流又位于低層槽前的暖濕氣流上空,極易引起強對流天氣。9日 02時地面圖上四川盆地到重慶為熱低壓,梁平、萬州間有中尺度輻合,04時重慶區域自動站風向風力資料的風場顯示我區西部—梁平東部及墊江東部有中尺度輻合線,在高空冷平流和 700hPa切變線影響下就產生了強對流天氣。

4 熱動力及水汽條件的簡約診斷分析

對流天氣系統的發生要具備不穩定層結、充足的水汽和上升運動 3個條件。由于前期天氣晴好,又處于副高邊緣,熱力條件十分有利,降雨開始前的 8日 20時我區周邊的達州、重慶、恩施 3站 K指數都在 40℃左右,SI指數都為-1℃以下,Cape＞1 000J·kg-1,離我區最近的達州各項最有利：SI=-1.82℃,Cape=1686.2J·kg-1。但是在水汽條件和動力條件方面卻少有強降水天氣常見的明顯特征。這應該是這次過程雖然雨強大,但持續時間較短,范圍也較小的主要原因。

5 暴雨雷達回波資料分析

5.1 回波演變過程

8日 23時 30云圖上位于川東北的對流云團,其前沿對應的帶狀回波越過宣漢從東北逐漸南下,同時東南方開始有分散的積狀小對流回波生成,9日 01：05梁平、忠縣有多個強對流回波生成,距離雷達站 80-90Km西北—東南向近似呈弧形排列,中心強度均達 50dBz以上。這些回波之后消散、新生、合并,到 02：00分別在梁平、忠縣形成 2個近似弓型的塊狀對流回波,以下分別稱對流回波①、回波②,強中心均為 58 dBz。這時我區西端開始出現生命史極短的積狀小對流回波,其間對流回波①緩慢東移發展,在其前方也有新的回波生成,并在東移過程中有部分與我區西部的回波相互合并,03：27我區西部有強中心超過 55 dBz的對流回波生成,V IL達33kg/m2,ET為 11Km。對流回波①此時北段減弱,南端與向北發展的對流回波②逐漸連接,到 03：51合并成沿雷達約 250°方向的帶狀回波,此時我區西部的 3個主要的強對流單體合并發展成塊狀弓形回波 ③,最強中心為 63dBz,V IL達 48kg/m2,ET17Km。帶狀回波東段繼續向北發展與塊狀弓形回波③合并,回波③強度雖未增強,但對流高度發展到最強時刻 4：16的 18Km,回波②的南側向南發展逐漸斷開,但我區正南方在之前不斷有小的積狀對流回波生成發展,形成帶狀回波,并向西移動并入新的回波③中,4：46在我區西部邊緣形成 NWSE向的寬帶回波,其中有多個 ＞60 dBz的強度中心,原來的回波③位于其 NW段,ET又出現 18Km的高度。北方來的帶狀回波已進入墊江、梁平南下,在其前進的左側不斷有新的回波生成,并向東移,強回波的東邊已靠近寬帶回波的東北端。4：59南下回波強中心與本地生成發展而來的寬帶回波合并,＞45dBz回波形成向西延展向東北凸起的弓狀回波,原先的回波③處在頂部。北方來的大片回波在梁平以西繼續很快南下,我區西部的弓形回波沒能維持太久,05：42仍在合并處斷裂,整個回波減弱消散成幾個強中心,東側減弱消散得更快,05：48我區西部原來的回波③也開始減弱消散,到 6：06強度就減弱到 40dBz,ET為 11Km。至此我區西部強降水趨于結束,之后減弱的塊狀回波西移合并到大的片狀回波中。從 3：14第一個強塊狀回波在我區生成,不斷發展、更替、合并,＞50dBz強回波在我區西部維持近 3h,其間較長時間中心正位于分水鎮附近,對應地面降水中心,可見水利部門的 180.5mm的監測雨量是真實可信的。

5.2 基本徑向速度圖分析

02：00基本速度 0.5°仰角速度圖上雷達站為東北風,風速 4m/s左右,高度在 1.8K m以下,萬州西部為正速度區,距離 100K m一帶有不連續零速度線,對應 02：00基本反射率因子圖有 2個較大的塊狀回波,3：14時刻 1.4Km以下近地層風速開始加大到 8～10m/s,風向接近東北風,逐漸形成低空急流,并出現小的最大風速中心,最大風速各達正負 24m/s。3：27時刻正負速度區都有所擴大,但負速度擴大較多,正負速度交界明顯向東推進,零速度線上折角較多,正負速度相互交錯,正負速度區中均出現逆風區,顯示低層有風向氣旋性切變輻合線,并有較強上升運動產生,對應該時段的反射率因子圖上梁平、忠縣及我區西部不斷頻繁生成的強回波。到 3：51正負速度區范圍變化不大,交界約有西退,零速度線折角變小,但幾個逆風區穩定維持,在正速度區我區西部生成 1個逆風區,這與此時反射率因子圖上我區西部發展出最強中心為 63dBz的塊狀弓形回波對應,這是暴雨回波的發展階段。跟蹤位于萬州、忠縣之間的逆風區,發現和反射率因子圖上回波②路徑一致,北上并增強,合并我區西部的逆風區。

圖 1 2010年 7月 9日凌晨萬州雷達 0.5°仰角回波演變

新的逆風區是變大的負速度中心,與其北邊的正速度區中的最大速度中心形成一個γ-中尺度氣旋輻合,4：53最大正負速度均達 12m/s,速度差值達到 24m/s,1.5°情況相似、2.4°、3.4°仰角則是成為純粹的正負速度對 (如圖 2),這已經基本成為一個中氣旋,這時正是我區西部暴雨強盛期。對該反射率因子圖作剖面分析 (如圖 3),可以看到類似超級單體風暴的一些特征：懸垂回波、弱回波區WER等結構,只是強度、范圍不如引起大風冰雹的經典超級單體風暴,強回波高度也較低,整體在 6Km以下,卻正是高效率降水回波的特征。之后雖略有減弱,但一直維持γ-中尺度氣旋輻合,轉動速度約在5～10m/s,到 5：54減弱消散成一般的逆風區。正是因為這個弱中氣旋的存在,才導致我區西部罕見的短時大暴雨。

從上述分析可見,這次暴雨在速度圖上的主要特征是低層逆風區,這由 0.5°仰角上最大的逆風區的移動路徑正好與實況最強雨區對應得到很好說明,逆風區從忠縣東北部北上到我區西部,在移動中負速度區右側與正速度區形成強烈輻合上升運動,引起暴雨。

5.3 回波頂 ET分析

回波頂高反映對流發展的程度,深厚的對流產生強烈的上升運動是暴雨發生的重要條件,分析 8日夜雷達回波頂 ET產品資料,以期了解在發生強降水的時段對流發展情況。8日 23時前我區基本無回波,之后在西北方有回波生成向東南移動,00：34進入我區,高度 9～13Km,西南方也有回波,高度普遍在 9Km以下,但在移動中西北回波逐漸減弱,西南回波移動較慢卻發展升高,進入我區西北部的孤立回波 01：48減弱到 7Km以下,西南方回波發展到 11～13Km,西北方的片狀回波主體向南移動,高度在 9～14Km,對應在衛星云圖上是對流云團,500hPa高空是西北氣流中的小波動槽,其東側靠近我區的西端開始不斷有小的對流回波生成,但高度都沒超過 11Km,直到 03：51東南方移來的回波靠近后,才突然躍升到 18Km高度,隨后一直維持,有時雖有減弱,但沒有低于 15Km,04：46與南面北上的回波合并,又一次升到 18Km,面積猛然擴大,達 10個像素點,近 150Km2,之后高度逐漸降低,最高中心向東南偏離,到 05：54高度基本降到 13Km以下。對流高度的變化過程與降水實況較為吻合,表明在較短時間產生的強降水是由強烈的上升運動引起的。

5.4 垂直積分液態含水量 V IL分析

垂直積分液態含水量 V IL值在 03：27以前較小,基本在 25kg/m2以下,之后雖有上升但分布不均,相鄰像素點相差近 30kg/m2,03：51V IL值出現躍升,暴雨發生區內均 ＞25kg/m2,最大值為 48kg/m2,以后略有減弱 ,在 20～40kg/m2之間 ,04：53有所增強,為 20～45kg/m2,但不久開始逐漸減弱,以后在 5：42整體下降到 25kg/m2以下。分水周圍大部時刻為最大值。以上V IL值的演變與降雨實況吻合較好。對流天氣中存在的強烈輻合輻散運動使大氣中的水汽分布迅速變化,產生水汽的輻合輻散,垂直積分液態含水量 V IL值能及時反映出水汽的輻合輻散情況,在對流天氣發展變化中有很強的指示作用。

6 結論

①天氣形勢及物理量場分析表明,萬州西部處于暖濕水汽的輻合抬升區,高能高濕的不穩定條件為強對流天氣的產生提供了有利的環境場。

圖 4 2010年 7月 9日 04：53：01基本徑向速度圖

②此次萬州西部的致洪大暴雨天氣是逆風區、γ－中尺度輻合氣旋影響形成的。被正速度 (負速度區)包圍的負速度區 (正速度區)移動中右側 (左側)在正速度區 (負速度區)形成強烈輻合上升運動,引起暴雨。具有較大轉動速度的γ-中尺度輻合氣旋引起的強烈輻合上升運動是形成暴雨的重要原因。中氣旋是WSR-98D雷達算法按一定判據識別出的達到一定強度的γ-中尺度輻合氣旋,對強天氣有較好的指示作用。中氣旋的判據包括切變、持續性、垂直范圍等 3個方面,算法的具體指標在我國業務中應用,應做相應調整,還有待更多的監測資料。

③與強上升氣流有關的多普勒雷達產品,如回波頂高 ET、垂直積分液態含水量 V IL的明顯躍增反映了降雨區內物理特征量的短時急驟變化并顯示暴雨的一些特點,能對暴雨的預報預警提供指示作用。

④垂直積分液態含水量 V IL是判斷強降水、強對流天氣的有效工具之一,通過分析垂直積分液態含水量 V IL的大值區,為預測暴雨落區提供了一定的科學依據。

⑤在中低仰角的 VPPI上出現的負速度區包圍正速度區或正速度區包圍負速度區的逆風區,說明有強風向輻合,因而可以維持著從低層到中高層的強上升運動。張沛源等進行的深入研究發現,逆風區出現 1h后一般都有短時暴雨出現,逆風區對暴雨有較好的指示作用,但制約和影響逆風區移向的因素及機制還需更進一步研究,這對及時準確預報強降水落區有重要意義。

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1003-6598(2010)增刊-0064-05

2010-09-10

李東川 (1969-),男,高工,主要從事短期天氣預報工作。