皖南山區突發性局地強對流天氣雷達回波特征分析

汪小鵬++王晉文++汪強

摘要 本文利用常規氣象資料、NCEP再分析資料、黃山和銅陵雷達回波資料，對2013年8月17日發生在黃山地區一次強對流天氣過程的回波特征進行分析。結果表明，此次強對流天氣過程發生在不利的水汽條件下，由臺風倒槽的輻合抬升和地形抬升共同觸發形成的非超級單體強風暴造成，該風暴具有后側V型無回波區和強VIL等強降水單體強風暴的回波特征；從雷達資料對比分析可以看出，銅陵雷達資料對黃山地區強對流天氣的觀測和預警更具使用價值。具體表現在基本反射率和基本速度圖上表現的回波細節更加清晰；雷達與天氣區之間距離合適，離黃山地區最北段約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；低仰角速度產品對地面大風和強降水開始時間有預警指示作用；V型無回波區的出現時間和與強中心的相對位置對強降水開始和結束時間有指示意義。

關鍵詞 強對流天氣；短時強降水；雷達回波；非超級單體強風暴；V型缺口；皖南山區

中圖分類號 P458 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）23-0177-03

2013年8月17日，黃山區境內出現了突發強對流天氣，15：20—17：32景區出現強雷電，在黃山蓮花峰發生雷擊事故，造成1人死亡、3人受傷。黃山區測站在16：20—16：40出現了小時雨強達到暴雨的短時強降水。

突發性強對流天氣所產生的雷電現象對黃山風景區旅游安全造成極大威脅，同時，短時強降水在皖南山區也極易引發山洪、滑坡、泥石流等自然災害。隨著區域自動站、新一代多普勒天氣雷達、閃電定位儀、電場儀等氣象業務現代化探測裝備的建設，為識別和預警突發性和局地性強的強對流天氣發揮了巨大的作用，極大地保護了人們生命財產安全。本文利用銅陵和黃山雷達站的回波資料，結合常規探測資料、NCEP再分析資料，詳細分析了此次突發強對流天氣的移動發展規律，嘗試找出此類強天氣過程的特征和臨近預報指標，借此提高對此類災害性天氣的監測和預警能力。

1 天氣實況

2013年8月17日16：00—17：00，黃山區境內出現短時強降水和雷雨大風天氣（圖1、2），其中降水最大值出現在黃山區氣象站，1 h降雨量達68.3 mm，主要強降水時段為16：20—16：40，16：13、16：37分別在三口鎮和黃山區城區出現雷雨大風天氣。

2 環流形勢

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，華南也存在低壓環流，此低壓為2013年第11號臺風“尤特”減弱的低壓，黃山地區位于副高南部較遠地區，臺風低壓的外圍，584～586 hPa之間。在850 hPa和700 hPa風場上可以看到，黃山地區位于其臺風低壓倒槽區中，表現為偏東風和東南的切變區，為該地區輻合上升提供了一定的動力條件，但850 hPa切變兩側風力較弱，偏弱的東南氣流不利于暖濕氣流的大量輸送。從14：00低層的溫度露點差來看，黃山地區低層為干區控制，850 hPa相對濕度在70%以下，700 hPa相對濕度更小，對強對流天氣發生發展不利，特別是短時強降水天氣（圖3）。

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

因此，無論從天氣形勢還是探空資料來看，提前判斷強對流天氣的發生存在困難。為更好地對此類天氣進行準確預報和預警，最大限度減輕天氣災害帶來的損失，需借助衛星或雷達等短時臨近預報資料作為預報和預警的補充。

3 衛星云圖

17日13：30—17：00黃山地區云圖演變情況如圖4所示，13：30華南分布有臺風低壓云系，黃山地區上空為無云區。14：00黃山和宣城地區分別有2塊對流云團生成，此時云頂高度較低，并與華南的臺風低壓云系距離較遠，之后逐漸隨中層風方向向偏西方向發展，其中宣城境內的低云移動并發展至黃山區境內，最終成為本次風暴的強對流云系。特別是16：00—17：00之間發展最為強烈，此次對流云系從開始生成至發展成熟共經歷4 h。

4 雷達回波分析

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

4.1 風暴演變

在基本反射率產品上可以看出，16：00前，回波主要在績溪、旌德與黃山區邊界附近發展變化，呈現多單體風暴特征，16：00后，逐漸在光明頂以北的黃山區境內發展為強單體風暴，具有典型的右移強風暴的特征，移動和傳播方向偏向于對流云中層風的右側，17：00風暴開始減弱。

4.2 反射率因子

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

在黃山雷達的基本反射率圖上也可以看出上述的V型無回波區，但由于雷達海拔較高，上升氣流區降水滴子比較豐富，故無回波上升區表現得沒有前者明顯，在預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據，離雷達越近，最高仰角掃描的高度越低。由于上述2部雷達距強降水區的距離不同，在回波頂高度圖上，高值區范圍和位置均有明顯的區別。從黃山雷達資料看，回波高度色塊圍繞雷達站呈現環狀分布，在強降雨區域的最大頂高為10 km，由于大部分強對流回波均可以達到此高度，無法確定回波的準確高度。而從銅陵雷達資料看，該區域最大頂高達14 km，與周邊回波高度對比明顯，可以比較準確地確定回波的真實高度，在強降水過程中，回波高度變化較小（圖6）。鑒于上述區別，在今后的預警和分析中，在應用回波頂高度資料時，要特別注意雷達離風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0.5°仰角的速度圖上可看出（圖7），16：08在強中心的前方開始出現17 m/s負速度，對應高度為1.5 km，表明此處有強下沉輻散氣流出現；隨后16：13在三口鎮出現大風天氣，因而利用速度圖可提前5 min對大風作出預警；而強下沉輻射氣流的產生同時意味著強降水的開始，正好與實況對應，此時結合VIL值，也可發布短時強降水預警[2]。

從黃山雷達的速度圖上看，在強回波區始終為正速度區，與上層的引導氣流一致，基本看不到低層風暴前方輻射下沉氣流，故在黃山地區短時強對流天氣預警時，選擇銅陵雷達資料作為分析對象比較合適。

4.5 VIL特征

垂直液態含水量VIL定義為單位面積的垂直柱體中的總含水量，計算公式如下：

式中，Zi表示第i層高度上的雷達反射率因子，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為雷達體積掃描的仰角總數[3]。

從2部雷達的VIL資料來看，由于用來累計VIL的資料高度不同，數值有明顯的差別。其中，銅陵雷達回波資料上的VIL較強，最強值達到63 kg/m2；而黃山雷達上的VIL較小，最大值為48 kg/m2，一方面由于距離遠近造成的取值誤差，另一方面也和對流云的結構有關系，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，在黃山以東地區發展的回波移動方向主要為偏西方向，當到達黃山后，回波向偏北方向發展和增強。

4.6 中氣旋特征

深厚持久的中氣旋是區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，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到中氣旋速度特征，在PUP程序提供的中氣旋特征產品上也沒有中氣旋特征報警出現，故可以判定本次過程屬于非超級單體強風暴造成。

5 地形分析

地形對降水的影響主要是動力作用和熱力作用。當大氣在地表上空運動時，必然會受到地形動力作用的影響，地形動力作用所引起的大氣垂直運動主要由2個部分組成：一是地形強迫抬升引起的垂直運動；二是摩擦作用引起的垂直運動。國內外的研究也證明雖然地形抬升引起的垂直運動伸展高度比較小，但當大氣低層濕度較大時，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的輻合抬升作用，也能造成短時強降水和雷暴大風天氣（圖8）。

6 結論

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

（2）從雷達資料對比分析可以看出，銅陵雷達資料對黃山地區強對流天氣的觀測和預警更具使用價值。具體表現：在基本反射率和基本速度圖上表現的回波細節更加清晰；雷達與天氣區之間距離合適，離黃山地區最北段約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。

（3）低仰角速度產品對地面大風和強降水開始時間有預警指示作用。

（4）V型無回波區的出現時間和與強中心的相對位置對強降水開始和結束時間有指示意義。

7 參考文獻

[1] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學原理與方法[M].北京：氣象出版社，2000：10.

[2] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業務應用[M].北京：氣象出版社，2006：171.

[3] 金飛勝，黃飛羽，方素青，等.一次早春多單體冰雹分析[J].氣象科技，2010，10（5）：577-580.

[4] 黃飛羽，黃曉英，查廣英，等.皖南山區一次局地強降水天氣過程分析[J].氣象與減災，2014（4）：50-52.endprint