天津沿岸一次極端短時強降水的中尺度分析和雷達回波特征

靳振華，莊 庭，卜清軍

(天津市濱海新區氣象局 天津 300457)

0 引 言

短時強降水是華北沿海地區夏季常見的災害性天氣之一，具有突發性強、降水集中、歷時短且局地性強、預報難度大的特點，常常引發嚴重的洪澇災害和誘發地質災害，造成人民生命財產安全的重大損失。隨著沿海地區城市迅速發展和人口急劇增長，城市運行對短時強降水的敏感性也日益增強，加強對短時強降水的分析研究及監測預警具有非常重要的意義，對此很多專家做了大量的研究工作。20世紀80年代，Hosking等[1]和 Klaassen[2]對短時強降水進行了研究；在國內，氣象工作者從強降水的時空分布特征[3]、發生發展機理[4]、中尺度系統特征和觸發因子等[5-7]方面做了大量研究。

隨著多普勒天氣雷達布網的發展，高時空分辨率的雷達產品極大地增強了對短時和臨近災害性天氣的監測和預警能力，目前對短時強降水的雷達特征分析和預警方面，很多專家作了大量的研究工作。國際上為提高局地強對流天氣的短時和臨近預報能力，Batta[8]很早就利用天氣雷達來探測和分析強對流天氣的結構和演變特征，指出 50,dBz強度回波的出現標志著降水強度加強，消失標志著降水強度開始減弱[9]；強回波面積是判斷強對流天氣的一個很好標志[10]。俞小鼎[11]綜述了短時強降水主觀臨近預報的思路和方法，給出雨強和降水持續時間這兩個要素在雷達回波上的表現；彭九慧等[12]細致分析了強降水開始前和強降水期間的多普勒雷達特征；徐雙柱等[13]研究武漢暴雨過程中的雷達組合反射率因子后指出，反射率因子強度大于或等于 45,dBz對應強降水；李德俊等[14]對比分析了發生在恩施山區強冰雹和短時強降水天氣的雷達產品，把組合反射率中心強度、垂直累積液態水含量 VIL密度分別達 43.0,dBz和1.1,g·m-3等條件作為短時強降水臨近預警指標。然而，每一次短時強降水天氣過程的天氣尺度環流背景、中尺度強迫源都不同，因此中小尺度災害性短時強降水事件仍是當前天氣預報中的難點。

本文利用地面加密自動站、衛星、塘沽新一代多普勒天氣雷達及常規地面高空觀測資料等，對2017年8月 5日天津濱海新區南部極端短時強降水過程進行分析，以期為今后此類短時強降水的短時臨近預報總結一些有價值的信息。

1 天氣實況

2017年8月5日午后，受高空冷渦影響，天津自西北向東南出現強對流風暴，各地雨量分布不均，濱海新區南部小時雨強 50,mm/h以上的有 4站，最大小時雨強為 74,mm/h，出現在自動站 A2609，大港國家級觀測站出現小時雨強 50.6,mm/h的局地極端短時強降水(見圖 1)，并伴有強雷暴和最大陣風24.9,m/s(13：10時)的雷雨大風。當日出現了比較嚴重的城市內澇，城區積水嚴重，造成交通阻塞，并出現澇災、風災等危害農作物的嚴重災害，直接經濟損失為2,910萬元。

圖1 2017年 8月 5日 13～14時濱海新區自動站短時強降水分布Fig.1 The distribution of short-time heavy rainfall in Binhai New Area automatic station at 13∶00 —14∶00，August 5，2017

2 天氣形勢背景

2017年8月5日08時500～700,hPa各層上，內蒙-中國河套為一東北-西南向的冷渦，中心位于內蒙古的東北部，垂直方向上冷渦結構明顯前傾，由于西北太平洋臺風的阻擋，冷渦東移緩慢，700～850,hPa山東半島附近有明顯的切變線存在，濱海新區位于切變線后部的西北氣流中，冷渦前部的西南暖濕氣流逐漸影響本區，地面圖上，華北小低壓與臺風外圍等值線打通，形成南北向的低壓帶(見圖2)。

圖2 2017年8月5日08時天氣形勢場Fig.2 The weather situation at 08∶00，August 5，2017

3 地面中尺度系統

分析地面加密自動站風場資料發現，12∶00時濱海新區受東南風影響，新區南部溫度在 33,℃以上，露點溫度 28,℃左右，形成了高溫高濕的環境，自動站A2609附近出現了一條西北-東南向暖濕的地面輻合線；13∶00時新區南部出現小范圍的偏北風，冷暖空氣交匯，加劇了近地面氣流的抬升；14∶00時新區南部出現極端短時強降水，自動站 A2609附近的輻合線再次出現，且強降水發生在冷空氣影響的范圍內，可見地面輻合線的形成和冷空氣的影響觸發了此次強降水，且提前1～2,h出現(見圖3)。

4 中尺度對流云團

8月 5日 13∶00時的衛星云圖上(見圖 4)，天津上空有大片對流云團，在云區西南方向有2個小塊的云團發展；13∶30時對流云團向東南方向移動并發展加強，西南方向的小塊云團逐漸并入，發展為較大的塊狀云團。14∶00發展為較強的對流云團，形成東北-西南向積云線的形態，14∶30時積云線上的云團繼續發展，范圍有所擴大。

圖3 2017年8月5日地面加密自動站分析場Fig.3 The ground encrypted automatic station analysis field on August 5，2017

圖4 2017年8月5日衛星云圖Fig.4 The satellite cloud chart on August 5，2017

5 雷達回波特征分析

分析 8月 5日極端短時強降水發生時段內的多普勒雷達產品，發現：強降水雷達回波整體為積層混合型回波，層狀云中包含有積狀云。強降水回波自西北向東南逐漸影響濱海新區，移動速度為 40,km/h，回波形態呈東北-西南向的強回波帶，50,dBz的強回波范圍逐漸擴大。圖5給出2017年 8月 5日13∶00～14∶00強降水期間不同時次天津雷達組合反射率因子CR、垂直累積液態水含量VIL及極端短時強降水6,min雨量的變化。

沿經過發生極端短時強降水所在站點最能體現強降水回波結構的方向剖面，發現8月5日13∶06時50,dBz以上的強回波伸展高度達 11,km 以上，表明對流風暴發展旺盛，對流高度很高。此外，回波存在傾斜特征，有回波懸垂特征出現(見圖6)。

圖5 強降水過程期間不同時次天津雷達組合反射率因子 CR、垂直累積液態水含量 VIL及極端短時強降水6,min雨量的變化Fig.5 The variation of the combined reflectance factor CR，the vertical accumulative liquid water content VIL and 6,min rainfall of the extreme short-time strong precipitation

圖6 2017年8月5日13∶12時徑向速度場Fig.6 The radial velocity field at 13∶12 on August 5，2017

逆風區是指在沒有速度模糊的情況下，正速度區內包含負速度區或負速度區內包含正速度區[11]。逆風區是中尺度的輻合輻散，是短時暴雨預報的一個判據。從雷達徑向速度場分析，8月5日13∶12時，觀測站 54,645及附近大片的負速度區中包含正速度區，并有明顯的零速度線環繞，即出現了逆風區。逆風區的出現表明此處風向發生了劇烈變化，產生了強的風切變，具有明顯的輻合和輻散。

風廓線產品(VWP)代表了雷達上空 60,km左右范圍內風向風速隨高度的變化，時間分辨率達到6,min，可較清楚地描述風向、風速隨時間和空間的不連續變化。塘沽雷達站距觀測站 54645約 7,km，VWP資料有一定的代表性。圖 7給出 8月 5日13∶00 和 14∶00 天津雷達 VWP 產品。

圖7 2017年8月5日風廓線產品VWPFig.7 The wind profile product VWP on August 5，2017

6 結 論

這是一次高空冷渦影響下的強對流天氣，冷渦前部的西南暖濕氣流為強降水的發生提供水汽條件。

強降水發生前期維持高溫高濕的環境，地面切變線的形成和冷空氣的入侵加劇了近地面氣流的抬升，且較強降水提前1～2,h出現。

VIL值的躍增會產生強烈的對流性天氣，并產生強降雨，1個體掃躍增 15.3,kg·m-2，最大值為30.9,kg·m-2，相對于 6,min最大雨量(14,mm)超前1個體掃，且高VIL值(＞5,kg·m-2)維持4個體掃。CR、VIL及強降水 6,min雨量，有相同的變化趨勢，降水最強時段和位置與回波最強時段基本對應，VIL的變化較降水量有一定的提前量，該特征可以作為強降水短時預報的有用指標。逆風區的出現表明回波正在強烈發展，逆風區及其移動路徑上會產生短時強降水，對短時預報及服務有很好的參考依據。風廓線產品顯示西北路徑冷空氣與近地面東南風匯合有利于位勢不穩定的加強，進而有利于強降水的發生。