黔東南一次大暴雨過程雷達回波特征分析

余代輝，楊 帆，安海全，李路長

(貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

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黔東南一次大暴雨過程雷達回波特征分析

余代輝，楊 帆，安海全，李路長

(貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

利用常規氣象資料、地面區域自動站降水資料及雷達資料對2015年6月17—18日黔東南暴雨過程進行了分析。結果表明：①熱帶降水型回波連續、依次經過同一地區的“列車效應”為此次暴雨產生的直接原因；②速度圖上顯示“逆風區”與強回波中心、雨強大值區有很好的對應關系；③中層冷空氣入侵，低層西南暖濕氣流建立及加強，低層風切變存在有利于觸發強對流天氣的發生發展。

大暴雨；黔東南 ；雷達回波特征；逆風區

1 引言

近年來隨著多普勒雷達布網工作的開展,有關以多普勒雷達資料為基礎的強降水天氣臨近預報技術發展較快，余小鼎等[1]在對風暴降水率的研究指出,降水持續時間取決于降水系統的大小、移動速度的大小和系統走向與移動方向的夾角。趙玉廣等[2]在一次大暴雨過程的雷達資料分析中指出,暴雨天氣過程是由于強降水回波持續時間較長所造成的,有多個回波中心核,回波頂高和垂直累積液態水含量的變化較明顯。趙靜等[3]的研究則表明四川盆地內對流性強降雨天氣的強風暴單體具有前傾、低質心、懸垂結構等特征,且低仰角反射率因子強度與雨強有較好對應關系。田密[4]等用C波段多普勒雷達觀測資料對一次暴雨過程進行分析，得出譜寬大值區域與暴雨強中心相對應，垂直累積液態含水量在30～45 kg/m2之間時，易產生暴雨天氣的結論。陳永仁[5]在2013年短時強降水中應用雷達預警指標是發現，預警指標對預警短時強降水是可行的，且預警時效在0～2 h內效果較佳。

黔東南是以農業生產為主的地區，暴雨天氣對工農業生產和經濟建設有著很大影響，因而受到政府和廣大人民群眾的高度重視。由于黔東南州新一代天氣雷達投入業務運行時間較晚，從已有的當地暴雨的研究來看，多是從常規氣象資料出發，側重分析產生暴雨的大尺度影響系統，如池再香等[6]對1996—2005年黔東南州夏季局地暴雨的主要影響系統分析，得出9次局地暴雨都與西太平洋副熱帶高壓位置變化密切相關；周艷[7]等對發生在黔東南州一次區域性暴雨天氣過程進行診斷分析,得出副熱帶高壓東退,高原短波槽與山東低槽疊加及中低層低渦切變是造成暴雨發生的主要影響系統；顧欣[8]利用Micaps常規資料和數值預報資料對發生在黔東南州一次連續大范圍暴雨和大暴雨天氣過程進行分析，結果表明此次過程是高空低槽和中低層低渦切變相互作用造成的。本文在常規氣象資料的基礎之上，重點討論了2015年6月18日黔東南暴雨過程的雷達回波特征，以期為黔東南以后的暴雨預報尤其是短時臨近預警提供參考。

2 暴雨過程概述

2015年6月17日15時—18日15時，貴州省出現了區域性暴雨天氣過程，據區域自動站監測顯示，本次暴雨天氣影響范圍廣，全省境內累計降水量113站大暴雨，551站暴雨，暴雨及以上量級降水主要分布在省中部以南略偏東的地區(圖略)。就黔東南而言，全州共43站大暴雨，118站暴雨，116站大雨，其中累積降雨量最大出現在凱里市萬潮鎮達193.5 mm，從17日15時—18日15時黔東南降水落區分布圖(圖1a)可以看到，大暴雨和暴雨主要集中在清水江流域附近。此次暴雨過程的降雨強度大，從黔東南境內逐小時降雨情況來看，雨強超過20 mm/h短時強降水標準的總站次達211站次，其中17日23時—18日05時，短時強降水站次均超過了20站(圖1b折線)，其中17日23時—18日04各時刻最大雨強均超過60 mm(圖1b柱形)，最大值高達73.9 mm/h。另外，此次暴雨過程，除了部分站點出現較弱雷電外，并沒有伴隨冰雹、大風等更強烈的天氣。

圖1 2015年6月17日15時—18日15時黔東南累計雨量(單位：mm)分布(a)同時段雨強R≥20 mm的短時強降水站次(折線)以及小時最大雨強(柱形，單位：mm)(b)Fig.1 (a)The accumulated precipitation distribution(unit:mm) from June 17, 2015 to 18 at 15 ,(b)the corresponding station numbers of rainfall intensity R≥20 mm/h(line) and the maximum rainfall intensity(column,unit:mm)

3 天氣背景

6月17日08時(圖略)，500 hPa東亞地區中高緯上空為多波動型，西太平洋副高588線控制福建、華南沿海地區，貴州省受其外圍西南氣流影響,其中重慶西南部至四川南部有短波槽存在；700 hPa切變線位于重慶至貴州北部；850 hPa切變線位于貴州北部邊緣，貴州大部為偏南風，且風速較16日20時明顯增強，其中懷化、桂林的西南風速分別從14 m/s與12 m/s增大到20 m/s與16 m/s，此時貴陽與懷化的比濕分別為17 g/kg與16 g/kg；從地面場來看，貴州北部、湖南中部、江南一線有靜止鋒存在，貴州中南部地區大部為偏南風，多個站點南風風速達6 m/s以上,貴州中東部露點溫度均大于20 ℃，為顯著濕區。午后以黔西南為中心有熱低壓發展起來，貴州中南部地面最高氣溫普遍在30 ℃以上，并且地面偏南風維持水汽輸送，高溫高濕使得潛在不穩定能量增強；16時左右開始隨著高空短波槽帶動地面弱冷空氣南下，靜止鋒鋒生活躍略有南移，在畢節、銅仁南部觸發了多個離散的中γ對流云泡的發生。17日20時(圖2)，重慶西南部的短波槽東移后減弱，但西藏南部及云南西南部又有新的小槽發展，700 hPa切變南壓至貴州北部，而850 hPa切變則位置少動，此兩層切變位置近于重合； 850 hPa切變南側風速雖然減小，但是由西南風轉為偏南風，更有利于取近道從南海輸送水汽，貴陽、懷化的比濕增加為18 g/kg與17 g/kg；地面由于弱冷空氣的補充，靜止鋒活躍繼續南壓，其西段位于貴州中部，此時沿著靜止鋒生成的多個對流云泡逐步發展并合并，在貴州中東部與中西部分別形成了橢圓狀的中α云團，即MCSs。 18日08時(圖略)探空資料可看出，西藏南部與云南縣南部小槽已同位相疊加發展為深槽，500 hPa副高略東退，但仍控制華南沿海，副高阻擋使得此槽東移緩慢，受高空系統引導850 hPa切變線與地面靜止鋒在貴州南部持續較長時間，維持了較長時間的動力輻合，而切變線南側河池、桂林偏南風從17日20時的6 m/s與12 m/s增大到12 m/s與16 m/s，這就保證了暴雨區的水汽來源，正是這樣的天氣背景下，17日夜間—18日凌晨，貴州中西部與東部的兩個MCSs之間不斷有新的對流云生成發展，使得他們連接為帶狀，發展為完整的鋒面云系，在此期間為降雨最強時段。到了18日白天過后，500 hPa高空槽繼續東移，貴州上空為西北氣流控制，而低層雖然有切變線維持在貴州南部，但強度已經大大減弱，地面場上貴州大部分地區轉為鋒后偏北風，降水減弱。

另外，從貴陽、懷化T_lop探空資料分析來看,17日08—20時兩站80%的濕層厚度均從地面伸展到700 hPa以上。而從對流有效位能Cape及地面—6 km的風垂直切變來看(表1)，隨著午后的增溫增濕，貴陽探空站Cape值從08時的713 J/kg, 14時增加到1 657 J/kg,而20時繼續增大為1 663 J/kg；懷化探空站Cape值從08時的249 J/kg,14時增加到2 453 J/kg,20時仍有346 J/kg，這樣大的能量，在觸發后迅速釋放，是這次對流性強降水的原因之一。另外從風垂直切變來看，過程始終，貴陽、懷化兩站地面—6 km的風垂直切變均小于12 m/s,屬于弱垂直風切變，這就很好的解釋了此次除了短時強降水和一些較弱的雷電天氣外，沒有更強對流發生的原因。

綜上可知，高空多個短波槽不斷加深東移，攜帶冷空氣南下影響貴州，中低層配合有切變線東移南壓，切變線南側低空急流源源不斷輸送水汽至黔東南地區，加上午后地面升溫，積累了不穩定能量。隨著地面弱冷空氣南下，靜止鋒鋒生并南壓，其位于貴州省的西段觸發了對流不穩定能量釋放，使得中γ對流云泡迅速發展成中α對流云團并連接成鋒面云系，在此過程中，副高穩定維持在華南沿海，使得高低層降水系統長時間停滯在黔東南上空，黔東南出現了區域性暴雨天氣，從暴雨落區來看，暴雨主要分布在切變線南側，沿著17日20時靜止鋒分布。

圖2 2015年6月17日20時500 hPa高度場、850 hPa風場以及各層影響系統配置圖，其中黑色實線為500 hPa等高線(單位：dgpm)；風羽為850 hPa風；藍色實線為500 hPa槽線；棕(紅)色雙實線為700 hPa(850 hPa)切變線； 為靜止鋒；綠色陰影區為暴雨落區Fig.2 The 500 hPa geopotential height field ( black solid line,unit:dagpm) 、850 hPa wind field(unit:m/s) and impact system configuration at 20∶00 BT 17 June 2015(blue solid lines show the trough at 500 hPa, brown(red)double solid lines show the shear line at 700 hPa(850 hPa), show the stationary front; green shaded areas mark the positions of heavy rain fall)

地名時間貴陽16日08時16日14時16日20時懷化16日08時16日14時16日20時Cape/(J/kg)7131657166324924533460～6km風垂直切變(m/s)9.48.47.810.311.311.2

4 雷達回波特征分析

4.1 反射率因子特征分析

4.1.1 組合反射率因子演變 從6月17日—18日的組合反射率因子演變來看，17日15時左右開始在黔東南的鎮遠、岑鞏中部一帶有孤立的對流單體生成，在偏西氣流的引導下，逐漸東移南壓。19時03分(圖3a)福泉附近也有對流單體生成并逐漸向東移入黔東南，而鎮遠、岑鞏一帶的對流單體逐漸合并且向西南方向移動。21時10分(圖3b)鎮遠、岑鞏、玉屏一帶的對流單體與湖南境內的對流單體已合并發展成東北—西南走向的帶狀回波，此時強中心位于三穗雷達站附近，中心強度達55 dBz。同一時刻在清水江上游福泉、麻江、凱里、雷山境內亦有多個孤立小尺度對流系統生成，并沿地面輻合線合并、發展、東移。22時12分(圖3c)這些對流泡合并發展，也連成一條西南走向的帶狀回波，且與東部的帶狀回波逐步靠攏，在黔東南州中部一線進一步發展。23時09分(圖3d)兩條對流回波帶相互合并相連，形成一條長約200 km，寬約25 km的西南走向的“一”字形帶狀回波。18日00時26分(圖3e)帶狀回波發展至最強，最強反射率因子強度達60 dBz，02時25分帶狀回波西段開始斷裂，其寬度開始向南北延伸。03時06分(圖3f)帶狀回波已完全分裂，發展成以塊狀對流回波為主的混合型降水回波，并在西南氣流的引導下緩慢東移。03時50分(圖3g)州中部偏西一帶回波再一次發展，此時黔南境內的塊狀對流回波也緩慢移入黔東南州黃平、凱里、麻江、丹寨境內，黔東南州境內受降水回波影響范圍進一步擴大，此后一段時間內并持續影響黔東南州西部縣市。11時02分(圖3h)可看出，各地回波明顯減弱，強度基本小于30 dBz，以層狀云降水為主，雨強大大減弱。

從上分析可看出，對流雨帶移動方向基本與其走向平行，且移動過程中不斷有新的回波單體生成，表現出明顯的后向傳播，并依次經過黔東南州的丹寨、麻江、凱里、臺江、劍河、三穗、天柱一帶，呈明顯的“列車效應”。黔東南清水江流域附近縣市在此次過程中，受40～60 dBz強降水回波影響的持續時間平均達3～4 h之久，其中影響凱里萬潮的時間累計達5 h，從而造成了該地累積雨量達193.9 mm的大暴雨。

圖3 三穗多普勒雷達2015年6月17日19時03分(a)、 22時12分(b)、23時09分(c)、18日00時26分(d)、02時25分(e)、03時06分(f) 、03時50分(g) 、11時02分(h)組合反射率因子；紅色箭頭為強回波的移動方向Fig.3 The radar combined reflectivity at(a)19∶03, (b) 22∶12, (c)23∶09 BT 17 June 2015,(d)00∶26, (e)02∶25、(f)03∶06, (g)03∶50, (h)11∶02 BT 18 June 2015，Red arrows show the Moving direction of strong echo

4.1.2 反射率因子垂直結構特征 圖4中a、b、c、d為對流回波發展旺盛時期不同時刻的雷達組合反射率因子，e、f、g、h分別對應a、b、c、d的組合反射率因子的垂直剖面圖，圖中紅色直線為剖線。從反射率因子圖中可看出，在回波帶中有多個γ尺度對流單體，最大反射率因子為55 dBz。而從剖面圖來看，一些強的單體發展高度達12 km，表明對流發展旺盛。17日20時貴陽、懷化的探空資料顯示0 ℃和-20 ℃等溫線高度均超過了5.2 km和8.6 km，但剖面顯示看出45～60 dBz回波主要分布在0 ℃層以下，-20 ℃等溫線以上反射率因子強度不超過30 dBz，因此降大冰雹該概率非常小，這說明0 ℃以下超過40 dBz的對流雨區在很大程度上是由于液態雨滴散射的結果，受冰雹的影響不大，因此雨強(降水率)比較大，也即是說此次過程強回波呈典型低質心、降水效率高的熱帶降水型特征。據實況監測顯示，此帶狀回波所帶來的降水，小時雨強集中在30～60 mm/h，其中劍河縣南明鎮的自動雨量監測到小時雨強達到了73.3 mm/h。

4.2 徑向速度分析

4.2.1 逆風區 張沛源[9]等在1990年提出逆風區的概念:在低仰角PPI沒有速度模糊的速度圖上，在同一方向的速度區中出現另一方向的速度區，即正(負)多普勒速度區內出現負(正)多普勒速度區，且不能跨越測站原點。

前文已經討論到地面靜止鋒西段觸發了中小尺度對流單體發展并逐步加強組織成帶狀，這在0.5°徑向速度上表現為一條完整的正負速度相反的輻合狹窄帶(圖略)，而在1.5°、2.4°仰角速度圖上(圖5c、5d)，可看出多個逆風區(圖中黑色圓圈所在)的存在,并且與逆風區相對應回波強度一直很強，基本上都在40 dBz以上，強中心值達50～55 dBz(圖5a、5b)。22時02分的1.5°仰角徑向速度(圖5c)凱里市旁海鄉(圖中紅色箭頭所指示處)，此逆風區正負差值達到了20 m/s，表明存在強烈的風切變和風速輻合，同時刻的反射率因子中心值超過了50 dBz。 22時58分(圖略)旁海鄉的逆風區范圍進一步擴大，發展高度也進一步抬升，對應的強回波范圍也進一步擴大。至23時50分旁海鄉境內的逆風區(圖5d)仍然存在，回波強度也一直維持在40～45 dBz(圖5b)。18日00時16分，逆風區開始移出旁海進入萬潮鎮，45～55 dBz強回波也隨之開始移出旁海，據自動雨量站統計，從17日22時—18日00時，凱里市旁海鄉雨量為70.8 mm，進入萬潮鎮后，18日00時—04時該鎮降雨量高達156.1 mm。由此可知，逆風區與強回波中心以及強降雨落區都有較好的對應關系。

圖4 三穗多普勒雷達2015年6月17日22時58分(a、e)、 23時29分(b、f)、18日00時21分(c、g)、01時13分(d、h)組合反射率因子(上)及反射率因子垂直剖面(下)Fig.4 The radar combined reflectivity (above) and corresponding vertical section (below) at(a, e)22∶58, (b, f)23∶29 BT 17 June 2015，(c, g)00∶21, (d, h)01∶13 BT 18 June 2015

4.2.2 零速度線變化 大面積降水的產生、維持和消散往往和中低層的大尺度輻合輻散有關，中低層輻合，有利于降水的產生和維持，輻散則相反。胡明寶[10]等，胡志群[11]等從大量的觀測實踐中，總結出大尺度風場往往是冷暖平流與大尺度輻合輻散運動相結合的結果。

劉小弟等[12]指出，晴空回波可作為風場“示蹤器”，通過多普勒雷達速度場資料，可揭示大氣邊界層輻合、輻散等動力結構，可用于監測風暴的發生、發展過程。晴空回波圖像定性識別法就是利用多普勒天氣雷達速度場圖像特征來判斷大氣風場結構，從而揭示風暴發展的動力、熱力結構。圖6a和圖6d為黔東南三穗雷達臺站附近強降雨發生前期的晴空回波圖，圖中第1個圓圈距雷達站30 km，高度為1.35 km。由此圖可以看出，零速度線為“S”形，風向從RAD處(地面)的西南風變為第1距離圈高度處(1.35 km)的西風，風向隨高度順轉，表示有暖平流的存在；在第1距離圈內，零速度線彎向正速度區的程度明顯大于彎向負速度區的程度，即負速度區的面積明顯大于正速度區的面積，表示存在明顯的風向輻合；在5.5～7.5 km之間存在風速大值區，風速最大值達19 m/s，說明高空存在大風速準急流。底層輻合加暖平流，高空有大風速準急流的抽吸作用，有利于對流的發生發展。

圖6b和圖6e為強降雨發展旺盛時期的回波圖，從圖6e中可以看出，在第1個距離圈距內，零速度線呈“S”形，地面為偏北風，到第1距離圈高度處(2 km)轉為東南風，風向隨高度增加順時針旋轉，表明在2 km以下高度層存在暖平流。在第1距離圈內，零速度線彎向正速度區的程度明顯大于彎向負速度區的程度，即負速度區的面積明顯大于正速度區的面積，存在風向輻合。地面吹偏北風，表明地面冷空氣已開始入侵，并抬升暖濕氣流，觸發對流活動。從徑向速度圖和強度圖的對比分析可以發現，強回波與“逆風區”或“風速輻合線”均有很好的對應關系。

圖5 三穗多普勒雷達2015年6月17日22時02分1.5°仰角(a、c)、 23時50分2.4°仰角(b、d)反射率因子(上)和徑向速度圖(下)；黑色圓圈為“逆風區”，紅色箭頭指示處為凱里市旁海鄉Fig.5 (a, c)The radar reflectivity of 1.5 degrees elevation at 22∶02 BT 17 June 2015(b, d)The radar reflectivity of 2.4 degrees elevation at 23∶50 BT 17 June 2015(above)and corresponding radar radial velocity(below)Black circles show adverse wind areas and Red arrow marks the Panghai town of Kaili

圖6 三穗多普勒雷達2015年6月17日 20時34分 1.5°仰角(a、d)、18日02時25分2.4°仰角(b、e)、18日08時44分3.4°仰角(c、f)的反射率因子(上)和徑向速度圖(下)。黑色圓圈為“逆風區”，黑色曲線為風速輻合帶Fig.6 (a, d)The radar reflectivity of 1.5 degrees elevation at 20∶34 BT 17 June 2015(b, e)The radar reflectivity of 2.4 degrees elevation at 02∶25 BT 18 JUN 2015(c, f)The radar reflectivity of 3.4 degrees elevation at 08∶44 BT 18 June 2015(above)and corresponding radar radial velocity(below)Black circles show adverse wind areas and the black curves show wind speed convergence areas

18日08時44分的徑向速度圖6f進行分析，零速度線呈反“S”形，地面為東北風，隨高度增加，到第2距離圈高度附近(5.6 km)轉為西南風，風向隨高度逆轉，表示存在冷平流，在第1距離圈高度(3.0 km)以下，零速度線彎向負速度區的程度大于彎向正速度區的程度，即正速度區面積大于負速度區的面積。而且，最大正速度(+10 m/s)面積也明顯大于最大負速度(-10 m/s)的面積，表明存在風向和風速輻散。在第1距離圈高度(3.0 km)到第2距離圈高度(5.6 km)之間，正速度區面積小于負速度區的面積，最大正速度的色標值(+7 m/s)及面積也明顯小于最大負速度的色標值(-24 m/s)及面積。表明在3.0～5.6 km高度之間存在風速和風向的輻合。因此，雖然中空存在西南急流(黑色箭頭所在高度)，但在底層輻散加冷平流和中高層輻合的環境場中，對流活動被抑制，最終雨勢減弱，以層狀云穩定降水為主。

5 結論

①此次暴雨是在有利的天氣背景下產生的，低空急流持續輸送水汽，午后地面熱低壓發展，高濕及增溫使得大氣層結不穩定，高空短波槽東移攜帶冷空氣南下，地面靜止鋒活躍鋒生觸發了對流云團的發生發展，在此過程中，副高穩定維持在華南沿海，使得高低層降水系統長時間停滯在黔東南上空，黔東南出現了區域性暴雨天氣。

②低質心、高效率的熱帶性降水強回波對流單體沿地面輻合線不斷生成、發展，且呈明顯的后向傳播特征，強回波帶的移動方向與其走向基本平行，使得這些對流單體依次經過同一地區，表現為“列車效應”的回波特征，為此次區域性暴雨產生的主要原因。

③逆風區與本次暴雨天氣過程中強回波中心、雨強有著良好的對應關系；逆風區先在低仰角觀測到，隨后發展高度加厚，范圍變寬，逆風區在某一地區的發展與維持可以給當地帶來強降雨。

④利用多普勒天氣雷達速度場圖像特征來判斷大氣風場結構，在強降水發生初期，可以通過對晴空回波的徑向速度場圖像特征來判斷大氣風場結構，此次過程分析得出低層輻合加暖平流，高空有大風速準急流的抽吸作用，有利于對流的發生發展；在強降水發生旺盛時期，低層輻合加暖平流的環境場，有利于對流活動的加強和維持；當環境場出現低層輻散加冷平流和中高層輻合，對流活動被抑制，降水趨于結束。

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Analysis of Doppler radar echo features of a heavy rainfall process in Qian Dongnan, Guizhou Province

YU Daihui，YANG Fan，AN Haiquan，LI Luchang

(Meteorological Bureau of Qian Dongnan Prefecture, Guizhou Province，Kaili 556000，China)

Based on the conventional observation data，the automatic station precipitation data and Doppler Radar Data，the heavy rainfall event occurred on 16-18 Jun 2015 in Qian Dongnan, Guizhou Province, was analyzed，the results show that：①The "train effect" caused by tropical precipitation echoes went through the same area one by one continuously was the direct cause of the heavy rain process. ②It can be seen on the Doppler velocity chart that the strong echo centers and the severe rainfall intensity centers were closely connected with the adverse wind area. ③The invasion of cold air in middle-level, the establishment and strengthening of warm and moist southwest flows and the wind shear in low-level were conductive to trigger the occurrence and development of strong convective weather.

heavy rainfall; Qian Dongnan;, Radar echo characteristics; adverse wind area

1003-6598(2016)06-0020-08

2015-11-04

余代輝(1985—)，男(侗族)，助工，主要從事短時臨近天氣預報預警工作，E-mail:yudaihui2007@126.com。

P458.1+21.1

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