青海省海南州短時強降水雷達回波特征分析

辛元瑜，李 博，梁 寧

1.海南州氣象局，青海共和 813000；2.興海縣氣象局，青海興海 813300

海南州作為青海省暴雨發生的次高區，每年汛期強降水天氣發生概率高，此類天氣因其尺度小、發生時間短、來勢兇猛，造成的沖毀堤壩、房屋、道路、橋梁、淹沒農田、沖刷土壤，以及引起泥石流和山體滑坡等災害的比例很大，且常伴隨雷雨大風、冰雹等劇烈天氣。

大量個例分析表明，短時強降水天氣發生、發展期間，雷達指標參數具有明顯的指示特征。國內外許多專家對這類強天氣特征已經有不少研究，都已取得良好的成果。在雷達回波分析方面，楊培才等[1]分析了北京地區對流性暴雨雷達回波特征，認為降水強度較大的回波通常是水平尺度和垂直尺度均較大的回波。項經魁[2]利用雷達監測資料，認為強對流和強降水天氣的發生發展運動是不同尺度天氣系統地形和本身演變規律互相作用的綜合結果。韓寧等[3]統計了陜甘寧三省近6年5—9月短時強降水，認為短時強降水在陜甘寧三省存在4個活躍區和3個不活躍區，7—8月是短時強降水的多發期，兩大峰值出現在7月下旬和8月中旬，日變化呈雙峰分布，1 h降水量≥30 mm的短時強降水具有夜間多發性。王田壽等[4]分析了青海省短時強降水(強暴雨)特征，結果表明：短時強降水的分布明顯受到地形影響，降水次數自西北向東南呈階梯性遞增趨勢，在東南部有一高值中心，在青海湖以東、青海南部地區各有1個次高值中心。還有學者分析了黃南州短時強降水天氣特征，表明短時強降水天氣過程開始前及發生時地面至中空濕度近似飽和，溫度露點差小于4 ℃，觸發短時強降水的冷空氣侵入不同。這些研究大多只局限于各自地區，不一定適用海南州短時強降水，加之海南州雷達2017年才投入試運行，雷達產品資料也較少，該地區的短時強降水雷達特征研究空白，因此對海南州的短時強降水進行研究十分必要且迫切。

1 資料來源和個例選取

1.1 資料來源

選取資料為2017—2018年6—9月海南州新一代多普勒雷達資料和172個地面自動氣象站的1 h降水量≥20 mm的降水資料，根據《青海省短時臨近天氣業務規定(試行)》，短時強降水一般是指1 h降水量≥20 mm的降水。

1.2 個例選取

查詢海南州2017—2018年6—9月強降水資料庫，從中找出滿足課題條件的35個站次降水，并應用雷達產品和自動站降水記錄，對35個站次出現的短時強降水進行分類研究，歸納出13個個例(同一天降水歸類為1個)進行分析，總結海南州強降水天氣主要類型，提煉出海南州強降水雷達預報預警的指標。

表1 2017—2018年的6—9月海南州短時強降水降水量

2 雷達回波特征分析

短時強降水多發生在相對干的環境條件下或西南氣流暖濕環境條件下的降水過程[5]。普通對流風暴產生的雷電和局地短時強降水，一般影響不大。強對流風暴造成的短時強降水往往突發性強，在產生雷電、短時強降水的同時，常伴有短時雷暴大風和局地冰雹等強對流天氣，這種短時強降水回波強度強，局地對流發展旺盛，雷達回波以多單體或強降水超級單體為主，強回波發展的高度較高，雷暴中的大粒子較多，質心位置較高，往往局地降水強度大，通常情況下持續時間較短。

2.1 回波形狀分類

對2017年6—2018年9月出現的35站次雷達有效13個個例短時強降水過程雷達回波系統進行分類(此次分類雷達回波圖全部使用組合反射率因子，簡稱CR產品)：帶狀回波4次、塊狀回波6次、片狀混合回波3次。圖1是3種不同類型雷達回波的典型個例。

2.2 組合反射率因子變化分析

在雷達組合反射率因子的強度變化和形態特征，與雨強有較好的相關性，為定量研究組合反射率的變化特征，歸納總結適用于預報的具體指標，研究短時強降水個例庫強降水出現前1 h至發生過程中1 h海南州雷達組合反射率強度變化。從個例分析得知，在強降水開始前1 h，組合反射率的平均值可達到45.0 dBz以上；隨著強降水的臨近，組合反射率最強回波基本維持在50.0～55.0 dBz之間；在強降水發生的1 h內，最強回波仍能達到55.0 dBz左右；13個個例中發生短時強降水時9個個例最強回波均在60.0 dBz以上，所有個例最強回波都在50.0 dBz以上。短時強降水的發生和大于50.0 dBz的強回波面積的變化相吻合。綜上分析可知，50.0 dBz強度回波的出現標志著降水強度增強，消失標志著降水強度開始減弱。在短臨預報中可根據組合反射率圖中的回波的變化特征，判斷強降水的發生，當雷達強回波的覆蓋范圍不大時，回波強度逐漸減小至45.0 dBz以下，也預示著降水強度減弱，但當強回波范圍大且移速緩時，則預示著連續性強降水的發生。

2.3 垂直累積液態水含量特征分析

垂直累積液態水含量VIL反映了降水云體在確定底面區域上垂直柱體內的液態水總量，可用于識別顯著風暴單體位置和強度，從而對強降水做出科學的判別。分析2017—2018年海南州短時強降水過程中垂直累積液態水含量VIL特征可知，當出現25 mm左右的短時強降水時，平均VIL值為25.0 kg/m2；當出現30 mm以上短時強降水時，最大VIL可增大至30.5 kg/m2左右，最大值可達59.0 kg/m2。在個例中最大VIL中最小值也達到10.0 kg/m2以上。這可作為小時降水量預報的臨界閾值參考。

2.4 回波頂高特征分析

回波頂高可以反映出對流風暴的發展程度，頂高越高說明對流體發展越旺盛，可能造成更劇烈的天氣現象。分析個例回波頂高的特征，在強降水發生前1 h回波頂高平均在8 km，當強降水發生時配合的最大回波頂高在11.0～18.4 km之間，平均回波頂高為14.0 km，但13個個例回波頂高均在11.0 km以上，且基本穩定持續在30 min以上。

2.5 短時強降水雷達指標特征

統計分析13個個例雷達回波，海南州雷達回波主要特征如下：

(1)回波強度：最強回波為71.5 dBz，最強回波中低值47.0 dBz，最強回波的平均值為58.0 dBz。

(2)回波頂高：最高頂高達17.6 km，平均頂高為9.4 km，最低頂高為6.5 km，8.0 km以上的頂高維持3個體掃以上。

(3)垂直液態水含量：最大為58.5 kg/m2，平均為28.0 kg/m2，最小為8.5 kg/m2，15.0 kg/m2以上的VIL維持3個體掃以上(表2)。

表2 短時強降水雷達回波指標及閾值

(4)回波形狀特征：塊狀回波、帶狀回波、片狀混合回波等。

3 結論

短時強降水的雷達回波形狀主要以帶狀回波、塊狀回波、片狀混合回波為主。

最強回波一般為41.0～71.5 dBz之間，降水發生時最強回波基本維持在50.0～55.0 dBz之間，50.0 dBz強度回波的出現標志著降水強度增強，消失標志著降水強度開始減弱。

平均VIL值為25.0 kg/m2；當出現30 mm以上短時強降水時，最大VIL可增大至30.5 kg/m2左右，最大值可達59.0 kg/m2。

在強降水發生前1 h回波頂高平均在8.0 km，當強降水發生時配合的最大回波頂高在11.0～18.4 km之間，平均回波頂高為14.0 km，VIL在短時強降水中基本能夠穩定持續在30 min以上。