皖南山區(qū)突發(fā)性局地強(qiáng)對流天氣雷達(dá)回波特征分析

汪小鵬++王晉文++汪強(qiáng)

摘要 本文利用常規(guī)氣象資料、NCEP再分析資料、黃山和銅陵雷達(dá)回波資料，對2013年8月17日發(fā)生在黃山地區(qū)一次強(qiáng)對流天氣過程的回波特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，此次強(qiáng)對流天氣過程發(fā)生在不利的水汽條件下，由臺(tái)風(fēng)倒槽的輻合抬升和地形抬升共同觸發(fā)形成的非超級單體強(qiáng)風(fēng)暴造成，該風(fēng)暴具有后側(cè)V型無回波區(qū)和強(qiáng)VIL等強(qiáng)降水單體強(qiáng)風(fēng)暴的回波特征；從雷達(dá)資料對比分析可以看出，銅陵雷達(dá)資料對黃山地區(qū)強(qiáng)對流天氣的觀測和預(yù)警更具使用價(jià)值。具體表現(xiàn)在基本反射率和基本速度圖上表現(xiàn)的回波細(xì)節(jié)更加清晰；雷達(dá)與天氣區(qū)之間距離合適，離黃山地區(qū)最北段約50 km，距最南端約150 km，既減小了仰角高度限制造成的回波頂高誤差，也在基本速度的有效探測距離內(nèi)；低仰角速度產(chǎn)品對地面大風(fēng)和強(qiáng)降水開始時(shí)間有預(yù)警指示作用；V型無回波區(qū)的出現(xiàn)時(shí)間和與強(qiáng)中心的相對位置對強(qiáng)降水開始和結(jié)束時(shí)間有指示意義。

關(guān)鍵詞 強(qiáng)對流天氣；短時(shí)強(qiáng)降水；雷達(dá)回波；非超級單體強(qiáng)風(fēng)暴；V型缺口；皖南山區(qū)

中圖分類號 P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 1007-5739（2017）23-0177-03

2013年8月17日，黃山區(qū)境內(nèi)出現(xiàn)了突發(fā)強(qiáng)對流天氣，15：20—17：32景區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)雷電，在黃山蓮花峰發(fā)生雷擊事故，造成1人死亡、3人受傷。黃山區(qū)測站在16：20—16：40出現(xiàn)了小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到暴雨的短時(shí)強(qiáng)降水。

突發(fā)性強(qiáng)對流天氣所產(chǎn)生的雷電現(xiàn)象對黃山風(fēng)景區(qū)旅游安全造成極大威脅，同時(shí)，短時(shí)強(qiáng)降水在皖南山區(qū)也極易引發(fā)山洪、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。隨著區(qū)域自動(dòng)站、新一代多普勒天氣雷達(dá)、閃電定位儀、電場儀等氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化探測裝備的建設(shè)，為識(shí)別和預(yù)警突發(fā)性和局地性強(qiáng)的強(qiáng)對流天氣發(fā)揮了巨大的作用，極大地保護(hù)了人們生命財(cái)產(chǎn)安全。本文利用銅陵和黃山雷達(dá)站的回波資料，結(jié)合常規(guī)探測資料、NCEP再分析資料，詳細(xì)分析了此次突發(fā)強(qiáng)對流天氣的移動(dòng)發(fā)展規(guī)律，嘗試找出此類強(qiáng)天氣過程的特征和臨近預(yù)報(bào)指標(biāo)，借此提高對此類災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警能力。

1 天氣實(shí)況

2013年8月17日16：00—17：00，黃山區(qū)境內(nèi)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水和雷雨大風(fēng)天氣（圖1、2），其中降水最大值出現(xiàn)在黃山區(qū)氣象站，1 h降雨量達(dá)68.3 mm，主要強(qiáng)降水時(shí)段為16：20—16：40，16：13、16：37分別在三口鎮(zhèn)和黃山區(qū)城區(qū)出現(xiàn)雷雨大風(fēng)天氣。

2 環(huán)流形勢

從2013年8月17日14：00高度場上看，588 dagpm線斷裂為2段，西段在黃河下游，東段在東海上空，東北有一低壓中心，華南也存在低壓環(huán)流，此低壓為2013年第11號臺(tái)風(fēng)“尤特”減弱的低壓，黃山地區(qū)位于副高南部較遠(yuǎn)地區(qū)，臺(tái)風(fēng)低壓的外圍，584～586 hPa之間。在850 hPa和700 hPa風(fēng)場上可以看到，黃山地區(qū)位于其臺(tái)風(fēng)低壓倒槽區(qū)中，表現(xiàn)為偏東風(fēng)和東南的切變區(qū)，為該地區(qū)輻合上升提供了一定的動(dòng)力條件，但850 hPa切變兩側(cè)風(fēng)力較弱，偏弱的東南氣流不利于暖濕氣流的大量輸送。從14：00低層的溫度露點(diǎn)差來看，黃山地區(qū)低層為干區(qū)控制，850 hPa相對濕度在70%以下，700 hPa相對濕度更小，對強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展不利，特別是短時(shí)強(qiáng)降水天氣（圖3）。

安慶探空站距此次強(qiáng)對流區(qū)域約100 km，從8月17日8：00的T-lnP圖上可以看出，CAPE值為1 528，不穩(wěn)定能量較大，沙氏指數(shù)SI為-3.47，K指數(shù)為31 ℃，自由對流高度在770 hPa左右，從以往強(qiáng)對流的指標(biāo)看，以上數(shù)值均不是特別有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生[1]。

因此，無論從天氣形勢還是探空資料來看，提前判斷強(qiáng)對流天氣的發(fā)生存在困難。為更好地對此類天氣進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和預(yù)警，最大限度減輕天氣災(zāi)害帶來的損失，需借助衛(wèi)星或雷達(dá)等短時(shí)臨近預(yù)報(bào)資料作為預(yù)報(bào)和預(yù)警的補(bǔ)充。

3 衛(wèi)星云圖

17日13：30—17：00黃山地區(qū)云圖演變情況如圖4所示，13：30華南分布有臺(tái)風(fēng)低壓云系，黃山地區(qū)上空為無云區(qū)。14：00黃山和宣城地區(qū)分別有2塊對流云團(tuán)生成，此時(shí)云頂高度較低，并與華南的臺(tái)風(fēng)低壓云系距離較遠(yuǎn)，之后逐漸隨中層風(fēng)方向向偏西方向發(fā)展，其中宣城境內(nèi)的低云移動(dòng)并發(fā)展至黃山區(qū)境內(nèi)，最終成為本次風(fēng)暴的強(qiáng)對流云系。特別是16：00—17：00之間發(fā)展最為強(qiáng)烈，此次對流云系從開始生成至發(fā)展成熟共經(jīng)歷4 h。

4 雷達(dá)回波分析

黃山和銅陵CINRAD/SA多普勒天氣雷達(dá)均探測到此次強(qiáng)對流天氣的全過程，雷達(dá)站所在地的海拔分別為1 841.3、511.2 m，距強(qiáng)降水落區(qū)分別約為20、70 km。下面對兩者的探測資料進(jìn)行對比分析，嘗試找出此類過程的臨近預(yù)報(bào)特征和指標(biāo)。

4.1 風(fēng)暴演變

在基本反射率產(chǎn)品上可以看出，16：00前，回波主要在績溪、旌德與黃山區(qū)邊界附近發(fā)展變化，呈現(xiàn)多單體風(fēng)暴特征，16：00后，逐漸在光明頂以北的黃山區(qū)境內(nèi)發(fā)展為強(qiáng)單體風(fēng)暴，具有典型的右移強(qiáng)風(fēng)暴的特征，移動(dòng)和傳播方向偏向于對流云中層風(fēng)的右側(cè)，17：00風(fēng)暴開始減弱。

4.2 反射率因子

在銅陵雷達(dá)的基本反射率圖上可以看出，15：56在回波區(qū)的后側(cè)開始形成一個(gè)明顯V型的無回波區(qū)（圖5），并且從0.5、1.5、2.4° 3層仰角上均可見，表明此處有強(qiáng)上升氣流持續(xù)流入。隨著強(qiáng)降水的發(fā)生，由于強(qiáng)降水的拖拽作用逐漸削弱上升氣流的強(qiáng)度，表現(xiàn)為無回波區(qū)逐漸與強(qiáng)中心靠近，至強(qiáng)降水逐漸結(jié)束時(shí)，V型缺口逐漸被降雨回波填塞，所以V型缺口的出現(xiàn)和填塞可以作為強(qiáng)降水開始和結(jié)束的預(yù)警指標(biāo)。

在黃山雷達(dá)的基本反射率圖上也可以看出上述的V型無回波區(qū)，但由于雷達(dá)海拔較高，上升氣流區(qū)降水滴子比較豐富，故無回波上升區(qū)表現(xiàn)得沒有前者明顯，在預(yù)警中使用前者的回波資料比較合適。

4.3 回波頂高度endprint

在回波頂高算法中，回波頂高取自最高仰角的數(shù)據(jù)，離雷達(dá)越近，最高仰角掃描的高度越低。由于上述2部雷達(dá)距強(qiáng)降水區(qū)的距離不同，在回波頂高度圖上，高值區(qū)范圍和位置均有明顯的區(qū)別。從黃山雷達(dá)資料看，回波高度色塊圍繞雷達(dá)站呈現(xiàn)環(huán)狀分布，在強(qiáng)降雨區(qū)域的最大頂高為10 km，由于大部分強(qiáng)對流回波均可以達(dá)到此高度，無法確定回波的準(zhǔn)確高度。而從銅陵雷達(dá)資料看，該區(qū)域最大頂高達(dá)14 km，與周邊回波高度對比明顯，可以比較準(zhǔn)確地確定回波的真實(shí)高度，在強(qiáng)降水過程中，回波高度變化較小（圖6）。鑒于上述區(qū)別，在今后的預(yù)警和分析中，在應(yīng)用回波頂高度資料時(shí)，要特別注意雷達(dá)離風(fēng)暴的距離對回波頂高度的影響。

4.4 徑向速度特征

從銅陵雷達(dá)0.5°仰角的速度圖上可看出（圖7），16：08在強(qiáng)中心的前方開始出現(xiàn)17 m/s負(fù)速度，對應(yīng)高度為1.5 km，表明此處有強(qiáng)下沉輻散氣流出現(xiàn)；隨后16：13在三口鎮(zhèn)出現(xiàn)大風(fēng)天氣，因而利用速度圖可提前5 min對大風(fēng)作出預(yù)警；而強(qiáng)下沉輻射氣流的產(chǎn)生同時(shí)意味著強(qiáng)降水的開始，正好與實(shí)況對應(yīng)，此時(shí)結(jié)合VIL值，也可發(fā)布短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)警[2]。

從黃山雷達(dá)的速度圖上看，在強(qiáng)回波區(qū)始終為正速度區(qū)，與上層的引導(dǎo)氣流一致，基本看不到低層風(fēng)暴前方輻射下沉氣流，故在黃山地區(qū)短時(shí)強(qiáng)對流天氣預(yù)警時(shí)，選擇銅陵雷達(dá)資料作為分析對象比較合適。

4.5 VIL特征

垂直液態(tài)含水量VIL定義為單位面積的垂直柱體中的總含水量，計(jì)算公式如下：

式中，Zi表示第i層高度上的雷達(dá)反射率因子，單位為mm6/m3；Δhi為第i層與第i+1層之間的高度差，單位為m；N為雷達(dá)體積掃描的仰角總數(shù)[3]。

從2部雷達(dá)的VIL資料來看，由于用來累計(jì)VIL的資料高度不同，數(shù)值有明顯的差別。其中，銅陵雷達(dá)回波資料上的VIL較強(qiáng)，最強(qiáng)值達(dá)到63 kg/m2；而黃山雷達(dá)上的VIL較小，最大值為48 kg/m2，一方面由于距離遠(yuǎn)近造成的取值誤差，另一方面也和對流云的結(jié)構(gòu)有關(guān)系，表明此次過程的雨滴主要集中在較低的位置。從VIL的演變來看，在黃山以東地區(qū)發(fā)展的回波移動(dòng)方向主要為偏西方向，當(dāng)?shù)竭_(dá)黃山后，回波向偏北方向發(fā)展和增強(qiáng)。

4.6 中氣旋特征

深厚持久的中氣旋是區(qū)別超級單體與非超級單體的唯一特征，鉤狀回波是中氣旋的直接表現(xiàn)，在本次過程中，在反射率圖沒有觀察到鉤狀回波，在速度圖上也沒有觀察到達(dá)到中氣旋速度特征，在PUP程序提供的中氣旋特征產(chǎn)品上也沒有中氣旋特征報(bào)警出現(xiàn)，故可以判定本次過程屬于非超級單體強(qiáng)風(fēng)暴造成。

5 地形分析

地形對降水的影響主要是動(dòng)力作用和熱力作用。當(dāng)大氣在地表上空運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然會(huì)受到地形動(dòng)力作用的影響，地形動(dòng)力作用所引起的大氣垂直運(yùn)動(dòng)主要由2個(gè)部分組成：一是地形強(qiáng)迫抬升引起的垂直運(yùn)動(dòng)；二是摩擦作用引起的垂直運(yùn)動(dòng)。國內(nèi)外的研究也證明雖然地形抬升引起的垂直運(yùn)動(dòng)伸展高度比較小，但當(dāng)大氣低層濕度較大時(shí)，也可能造成較大降水[4]。本次過程中，低層濕度小，由于地形抬升和倒槽內(nèi)的輻合抬升作用，也能造成短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)天氣（圖8）。

6 結(jié)論

（1）此次強(qiáng)對流天氣過程發(fā)生在不利的水汽條件下，由臺(tái)風(fēng)倒槽的輻合抬升和地形抬升共同觸發(fā)形成的非超級單體強(qiáng)風(fēng)暴造成，該風(fēng)暴具有后側(cè)V型無回波區(qū)和強(qiáng)VIL等強(qiáng)降水單體強(qiáng)風(fēng)暴的回波特征。

（2）從雷達(dá)資料對比分析可以看出，銅陵雷達(dá)資料對黃山地區(qū)強(qiáng)對流天氣的觀測和預(yù)警更具使用價(jià)值。具體表現(xiàn)：在基本反射率和基本速度圖上表現(xiàn)的回波細(xì)節(jié)更加清晰；雷達(dá)與天氣區(qū)之間距離合適，離黃山地區(qū)最北段約50 km，距最南端約150 km，既減小了仰角高度限制造成的回波頂高誤差，又在基本速度的有效探測距離內(nèi)。

（3）低仰角速度產(chǎn)品對地面大風(fēng)和強(qiáng)降水開始時(shí)間有預(yù)警指示作用。

（4）V型無回波區(qū)的出現(xiàn)時(shí)間和與強(qiáng)中心的相對位置對強(qiáng)降水開始和結(jié)束時(shí)間有指示意義。

7 參考文獻(xiàn)

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