X波段雙偏振相控陣雷達在2021年夏季2次強降水過程中的應用

汪 莉

許昌市氣象局，河南許昌 461000

X波段雙偏振相控陣天氣雷達專為氣象部門、民航部門及其他相關用戶設計[1-3]。該雷達采用了數字TR組件、雙偏振裂縫天線陣面和多波束信號處理器等先進技術組件，具有速度快、精度高和穩定性好等特點。該雷達具有高時空分辨率的探測能力，可以快速獲取對流過程中小尺度結構，探測強對流系統內部的精細結構，能對周邊天氣進行有效探測和預警，可獲取雷達站周圍上空天氣目標的位置、強度、平均徑向速度和速度譜寬等參數，實時監測60 km范圍內的強對流天氣系統的生成、發展、消散，對中尺 度風暴、暴雨、風切變、冰雹、龍卷、大風等災害性天氣能進行有效的監測和預警，為用戶提供及時、精確的氣象探測資料[4-5]。

1 2021年7月19—22日許昌持續區域性大暴雨過程

1.1 天氣實況

2021年7月17日以來，受副熱帶高壓、黃淮低渦及臺風“煙花”遠距離影響，許昌市出現持續3 d的區域性大暴雨、局地特大暴雨天氣，強降水時段主要集中在19日白天到21日夜間。19日07:00—22日07:00，過程雨量超過500 mm的站點5個，250～500 mm的站點72個，100～250 mm的站點21個（圖1）；全市平均降水量達307.8 mm，最大過程降水量禹州莊溝591.6 mm，最大日降水量禹州莊溝411.2 mm，最大小時雨強鄢陵陶城107.6 mm。

圖1 2021年7月19—22日許昌市降水實況圖

1.2 環流背景分析

1.2.1 天氣尺度環流形勢500 hPa氣壓面上（圖2），華北地區是典型的“西低東高”暴雨環流形勢，同時副高西伸，位置偏北，強度偏強，河南正好位于大陸高壓和西太副高之間的低壓區，很容易形成低層輻合，高空輻散的配置。17日在兩高對峙的背景下，低渦系統在黃淮南部生成，并向西方向緩慢移動，19日08:00移動至南陽桐柏附近，強度有所減弱，但受低渦北部東風倒槽影響，低層河南境內出現東北風、偏東風和東南風輻合[6-8]。這種經典高低空配置促使對流層中上升運動增強，為暴雨的發生創造了有力的動力條件。高層輻散風與低層旋轉風的分布也明顯反映出這種動力結構。

圖2 2021年7月18日20:00 500 hPa高空圖

1.2.2 充沛的水汽輸送恰逢副高南側有臺風“煙花”相伴，華南地區有臺風“查帕卡”登陸。水汽通量分布可明顯體看出，臺風“煙花”北側和“查帕卡”東側氣旋性暖濕氣流西進北上，合并后攜帶大量水汽西北向輸送至內陸，恰好在河南鄭州附近形成強烈水汽輻合區。穩定維持的副高阻擋了臺風北上，使得水汽供給穩定維持[9-12]。早在暴雨發生前，副高外圍的氣流就與雙臺風環流共同作用，形成的東南暖濕氣流中攜帶了大量水汽，這支暖濕低空急流一路北上，將水汽源源不斷地從洋面輸送到河南地區，為后續暴雨的發生打開了水汽通道。

1.3 許昌雷達資料分析

從圖3可以看出，7月21日02:00～03:00鄢陵陶城最大小時雨強107.6 mm，為有氣象記錄以來第2極值（2019年8月6日16:00～17:00，禹州山貨121.2 mm），并伴有12.6 m/s（6級）的大風。

圖3 2021年7月21日00:00～08:00鄢陵陶城站逐小時降水實況圖

從陶城站02:00～03:00數據來看，02:30～02:40的 降 水 量 為23.2 mm，02:40～02:50分的降水量為22.7 mm，為最強降水時段，后面的雷達資料分析將重點分析該時段。

回波演變：7月21日01:00開始由多個強回波單體組成的復合體從鄢陵西南方入侵，復合體回波面積較大，回波強度55～60 dBz，并伴有雷電，復合體回波逼近鄢陵南部，有超級單體結構，回波強度60～65 dBz。

從組合反射率看，02:00～03:00鄢陵南部不斷有強降水回波經過，從西南方往東北方移動，典型的“列車效應”造成鄢陵南部部分鄉鎮的短時強降水的出現。03:00以后強降水回波移出鄢陵陶城，降水隨之減弱。

強降水回波水平結構：02:00～03:00組合反射率CR為55～60 dBz，02:17回波頂高ET 17～18 km，垂直液態含水量VIL 25～30 kg/m2，具有強降水的回波特征。

強降水回波垂直結構：在垂直剖面圖上，反射率因子50 dBz強回波伸展高度達到9 km左右，中低空懸掛高度為2～3 km，屬于低質心強降水。在徑向速度圖上，在鄢陵陶城鎮附近可明顯看出底層有徑向輻合，高層輻散，有利于強降水的維持和發展。

從圖4 QPE（降水估測）也可以看出，02:10估測出在鄢陵南部有小時雨強達76.2～101.6 mm的區域，與實際位置（鄢陵陶城）和降水強度（107.6 mm）較為吻合。

圖4 2021年7月21日02:10 QPE（1 h降水估測）圖

2 2021年7月16日許昌局地短時強降水分析

2.1 天氣實況

7月16日 白 天1 h內 長 葛 石 固（14:00～15:00）和禹州梁北（11:00～12:00）分別出現55.8和61.2 mm的局地短時強降水。

2.2 許昌雷達產品分析

強降水回波演變：禹州梁北強降水回波由原地生成的2個對流單體合并后加強，并向西南移動，且在后方又有新的對流單體生成，回波強度達55～60 dBz。長葛石固強降水回波由原地生成的對流單體在向西南向移動過程中不斷發展加強，發展為典型的超級單體，有明顯在鉤狀回波特征，回波強度達60～65 dBz。

強降水回波水平結構：禹州梁北組合反射率CR為55～60 dBz，11:30回波頂高ET 9 km，垂直液態含水量VIL 10～15 kg/m2，具有較強降水的回波特征[13-15]（圖5）。

圖5 2021年7月16日11:30禹州梁北回波頂高和垂直液態水含水量圖

長葛石固組合反射率CR為60～65 dBz，13:42左右回波頂高ET 9～11 km，垂直液態含水量VIL 25～30 kg/m2，具有強降水的回波特征（圖6）。

圖6 2021年7月16日13:44長葛石固回波頂高和垂直液態水含水量圖

強降水回波垂直結構：在垂直剖面圖上，禹州梁北反射率因子50 dBz強回波伸展高度達到3 km左右，長葛石固伸展高度達4～5 km，且都屬于低質心強降水，強降水效率較高[16-17]。

從QPE（降水估測）也可以看出：預計2個測站有小時雨強，將達44.5～50.8 mm，與實際位置和降水強度（61.2 mm和55.8 mm）較為吻合[18]。

3 結語

（1）高時空分辨率利于監測預警局地對流的快速移動和迅速生消。

（2）高時空分辨率利于累積降水的預測。OHP范圍和強度基本上與實況降水一一對應，相控陣雷達網的敏感性R（KDP）降水估計，可以實現更精確的地面精細化強降水估計。

（3）高時空分辨率利于局地短時強降水的判斷與短臨預測。

（4）高時空分辨率利于雷暴大風的監測。例如禹州地區出現逆風區，隨后快速發展，對大風監測敏銳，時效性強。

（5）高時空分辨率的垂直觀測解析能力強。機械雷達體掃垂直方向觀測能力：6 min只能完成9層跳躍仰角掃描；相控陣雷達體掃垂直方向觀測能力：1 min可完成68層無間隔仰角掃描。相控陣雷達體掃垂直精細化能力，大幅度提升了重要雷達產品的準確性，包括VIL、降水估計、冰雹指數以及風暴識別預警等。