龍巖地區不同類型短時暴雨雷達特征研究

謝玉華，蔡 菁，賴巧珍

（龍巖市氣象局，福建 龍巖 364000）

引 言

短時暴雨是世界多數國家的氣象災害之一，短時暴雨的精細化預報也是預報中的難點。國內外氣象學者基于雷達資料對短時暴雨的臨近預報的研究工作取得了很多成果。其中章國材［1］編著的《強對流天氣分析與預報》中就有對短歷時強降水的天氣形勢分類、雷達識別和臨近預報方法研究；曹曉崗［2］等總結了在不同降水類型下不同回波強度造成每小時20、35mm 降雨所需要的時間；伍志方［3］等統計了不同回波強度、移速和液態含水量下強降水的出現幾率。但是他們的研究基于不同的個例和地區，而事實上不同地區的強對流還是有不同的雷達回波特征的。氣象學者對暴雨也進行過很多的研究。賴巧珍［4］等對龍巖兩次局地性暴雨進行了對比分析得出了不同的影響機制下暴雨的落區不同。陳秋萍［5］等對登陸福建的熱帶氣旋短時強降水進行了研究，揭示登陸福建臺風短時強降水規律。在另一方面，也有很多學者對暴雨的雷達特征方面進行過研究，如覃靖［6］等分析了2016年5月桂北地區一次對流性暴雨過程中也提到在對流性暴雨在雷達回波圖上表現為低質心、高效率的“列車效應”。羅思澤［7］等對前汛期發生在梧州地區的各類強對流天氣在梧州多普勒天氣雷達上的表現特征進行分析得出：短時強降雨回波常表現為塊狀回波，回波頂的外形比較平滑整齊，回波中心的強度在45d Bz以上；在速度特征上，在徑向速度圖上常出現逆風區。楊新［8］等對兩次副高邊緣特大暴雨進行分析得出兩次特大暴雨為局地性強降水，雷達回波均表現為強的反射率因子，回波發展迅速且移動緩慢?？v觀很多學者的研究得出結論，在不同的地區和不同的降水類型下，雷達回波會反映出不同的特征。閩西地處內陸山區，地形復雜，尤其是突發性的短時暴雨的影響，可造成嚴重的洪澇、山洪、山體滑坡等次生災害，給人民的生命和財產帶來嚴重損失。例如“2015.5.19”長汀、連城北部部分鄉鎮出現大暴雨，局地短時降水集中，強度強，累積雨量大，受災嚴重；“2015.7.22”連城出現大暴雨，屬于混合型降水，縣城成一片澤國，造成了嚴重災情。兩次暴雨過程雷達回波有不同特征。并且這種短時強降水往往只能靠臨近預報進行跟蹤服務，因此雷達的應用就顯得極為重要。覃秋忠［9］就曾針對新一代天氣雷達資料在縣級氣象預報中的應用作過探討。通過多年預報服務經驗總結出龍巖地區的致災性短時暴雨的標準為 60mm·h-1、100mm·（3h）-1， 再利用天氣雷達資料和自動站資料，尋找出了龍巖地區的不同類型致災性短時暴雨與雷達資料特征的關系，為預報致災性短時暴雨提供參考依據。

1 資料及方法

文中利用2011-2015年間龍巖地區的自動站雨量資料，統計龍巖地區出現60mm·h-1的個例有71 個，100mm·（3h）-1的個例有 82 個，再將個例根據降水類型分類的定義［10］通過雷達回波回放進行分類，即強對流型降水：對于對流云陣性降水，通常降水范圍較小，且強度較大，PPI上由許多分散的回波單體所組成，水平尺度較小，緊密、邊界清晰、棱角分明，回波強度強，且最大回波強度中心和其周圍點的回波梯度較大，持續時間變化大，水平尺度從幾公里到幾十公里，單體中可能包含許多尺度更小的回波泡。如圖1a（見彩頁），2015年7月17日16-17時，對流型單體造成連城縣梅村頭村小時雨量65.7mm，對流單體反射率較大，最大達到57dBz以上，并且單體尺度較小，呈團狀，單體的反射率因子梯度也較大。混合型降水：通常是層云和對流云降水的混合，降水范圍大，并且存在著很多對流單體，且降水強度較大，其PPI特征為范圍大，回波中夾有一個個結實的團塊，強度可達40dBZ或以上，有時強回波團塊可形成一條短帶，偶爾還會出現零度層亮圈。如圖1b（見彩頁），2013年5月19日5時到8時混合型回波造成永定縣多個鄉鎮3小時雨量超過100mm，回波中可清楚分辨出夾雜有對流單體，并且單體呈現帶狀分布，單體周圍是大片反射率較均勻的穩定性回波。熱帶型降水：較好判斷，通常由熱帶氣旋靠近或熱帶輻合帶系統附近造成的降水，動態PPI圖上表現為有一定旋轉性，且降水面積較大。如圖1c（見彩頁），2014年8月12日18時到21時熱帶輻合帶云系造成上杭湖洋3小時雨量達167.8mm，回波呈現一定的螺旋性，穩定型降水：通常降水范圍為幾百公里，且強度不大，PPI上分片成片，面積較大，回波強度一般在20dBZ左右，通常不會超過35dBZ。如圖1b（見彩頁）右上角大片反射率均勻的的回波即為穩定型降水。根據分類型降水，對雷達的反射率特征、回波形狀特征、速度特征、VIL特征和回波頂特征進行統計分析。

2 致災性短時暴雨與雷達反射率的關系

針對2011-2015年龍巖地區致災性短時暴雨個例，進行降水類型分類別統計主要分為三類：對流型、混合型、熱帶型，穩定型幾乎沒有出現。兩種致災性短時暴雨的分類中每種類型所占比例有所區別（表1）。可以看到在60mm·h-1的個例中對流型所占比例最大，在100mm·（3h）-1的個例中混合型所占比例最大，兩種個例中熱帶型所占比例都最小。通過經驗可以得知這和實際降水情況是吻合的。對流型降水往往降水強度強但是在同一地點維持的時間不長，因此在同一地點容易出現60mm·h-1的降水，但是要在同一地點維持3小時達到100mm是比較困難的，反而混合型的降水在同一地點維持的時間容易達到較長時間，因此，混合型降水在同一地點造成100mm·（3h）-1降水是容易的，另外熱帶型的降水特征往往較平緩， 要造成 60mm·h-1和 100mm·（3h）-1降水都是比較困難的。綜合以上，得出造成致災性短時暴雨的降水類型中混合型所占比率最高，對流型次之，熱帶型最少。

通過以上對降水類型進行分類別統計后，再對各種降水類型的雷達回波特征進行統計。首先對雷達反射率進行分類別統計得出：同樣時間造成同樣降水所需反射率是60mm·h-1個例中對流型最強，混合型次之，熱帶型最小。這和曹曉崗等（2008）總結了在不同降水類型下不同回波強度造成每小時20、35mm降雨所需要的時間得出的結論較為一致，曹小崗等得出的結論是同樣回波強度產生20、35mm·h-1所需要的時間分別是對流型降水時間最長，混合型降水次之，熱帶型降水用時最少。100mm·（3h）-1的個例中雖然混合型和熱帶型的反射率因子相差不大，但也大體可以表現出對流型降水效率較低、而混合型和熱帶型降水效率較高的特征。另外一個造成對流型降水的反射率較高而降水效率較低的原因可能和反射率受0℃層亮帶和冰雹影響很大有關，因為在強反射率對流型降水中往往夾雜有冰雹，而冰雹反應的反射率特征就是反射率強而降水效率不高，因此造成相同時間相同降水量的回波特征是對流型的反射率最高。如圖1a（見彩頁）中經過連城縣梅村頭村的回波平均反射率達到54dBz，而圖1b（見彩頁）中造成永定多個鄉鎮3小時雨量超過100mm的回波平均反射率為43dBz左右，圖1c（見彩頁）中熱帶型降水回波造成上杭湖洋鄉3小時167.8mm平均反射率才41dBz左右，說明熱帶型降水回波降水效率非常大。

表1 不同降水類型個例分布

3 致災性短時暴雨的回波形狀特征

對短時暴雨與回波形狀特征如圖2（見彩頁）給出了各種特征對應的個例，進行了統計得出，在60mm/h個例中，對流型降水塊狀回波出現的幾率最高，混合型和熱帶型降水片狀出現的幾率最高；在100mm/3h個例中對流型降水帶狀出現的幾率最高，混合型降水片狀出現幾率最高，熱帶型降水塊狀和片狀出現的幾率相當。這很顯然的，降水量和降水持續時間有關，降水持續時間越長，降水量越大，而片狀面積是最大的，在同一地能夠持續較長時間，因此，混合型和熱帶型降水片狀出現短時暴雨的幾率最高，而對于對流型降水，本身出現片狀對流型降水的幾率就小，塊狀就能夠維持較長時間，但是對流型降水一般都不會超過1小時，因此要產生100mm·（3h）-1降水的對流型回波可以通過帶狀，即“列車效應”，強降水單體先后經過同一地點，才導致長時間的大的雨量，因此帶狀出現的幾率是最大的。如陳軍［11］等分析的一次貴州暖區持續性區域大暴雨就是由對流單體“列車效應”造成的。龍巖地區也經常出現，如圖2b中的回波呈現帶狀，并且回波走向與系統走向平行，強回波連續經過武平縣的象洞、上杭縣中都等各鄉鎮，造成多個鄉鎮3小時雨量超過100mm。

4 致災性短時暴雨的速度場特征

在徑向速度圖上，速度場表現出很多種特征（圖3，見彩頁）。常見的有逆風區型如圖3a（見彩頁）：造成武平縣桃溪2012年8月18日15-16時小時雨量超過60mm的回波速度特征呈現很明顯的逆風區型，即在徑向速度負速度區包含著正速度區，或在正速度區中包含著負速度區，正、負速度區之間有一個零速度過度帶。中尺度輻合型是指尺度在20-200km的輻合，或零速度線向內氣旋式彎曲、正速度區在內凹處、負速度在外凸出處，如圖3b（見彩頁）速度圖中，零速度線向正速度區彎曲，并且負速度的最大值達到-27m·s-1，而正速度的最大值僅為15m·s-1左右，說明不僅有風向的輻合，而且還存在風速的輻合，這種輻合形勢造成永定湖山等多個鄉鎮1小時雨量超過60mm，3小時雨量超過100mm。中尺度切變型又分為暖切型和冷切型，如圖3c（見彩頁）即為冷切變型，2015年7月22日，低層切變南壓經過連城縣，速度圖上能清楚分析出切變線呈東北-西南向，切變形勢造成連城縣城縣大部分鄉鎮雨量3小時超過100mm，連城縣城也成了一片澤國，造成連城巨大經濟損失。暖平流型指速度零線呈現正S型彎曲的速度場，如圖3d（見彩頁），2015年8月31日永定幾個鄉鎮1小時雨量超過60mm，3小時雨量超過100mm的回波速度圖就呈現明顯的正S型，說明有暖平流存在。其他類型中包含大風區型、小尺度輻合型、中尺度輻散型和沒有明顯特征的。不同的速度場特征對降水的持續有一定的指示性意義，陳銳［12］等對柳州市強對流暴雨的閃電和雷達回波特征研究表明徑向速度不均勻風場結構的存在有利于對流回波的發展，屈梅芳［13］對廣西一次連續性暴雨過程進行分析得出逆風區和中小尺度輻合的出現都有利于暴雨的產生，陳關青［14］通過對貴州銅仁暴雨和冰雹雷達回波特征對比分析指出短時強降水發生在逆風區邊緣地帶、徑向速度輻合最大的區域。從表2可以看到，無論是 60mm·h-1和 100mm·（3h）-1個例中，對流型降水的速度場特征都表現得不是很清楚，這和對流型降水表現出的分散性和局地性有一定關系?；旌闲徒邓畟€例中中尺度切變型表現得最為清楚，并且通過統計發現，出現短時暴雨的地點容易出現在切變線附近，熱帶型降水輻合型所占比率最多。而兩種個例總和中也是切變型所占比例較多，而有很大一部分在速度場上沒有明顯特征。

表2 降水類型速度場特征

5 致災性短時暴雨的回波頂高、垂直累積液態水含量（VIL）特征

通過分析降水回波的回波頂高特征得出，強降水的回波頂高差異很大，低的回波頂高僅4km，高的可達14km以上，但平均而言，對流型降水回波的回波頂高最高，達10km，混合型降水回波頂高在8km左右，熱帶型降水回波頂高在7km左右。

垂直累積液態水含量數值的大小對強降水的反映并不十分敏感，分析個例中發現，大的VIL值都能產生大的降水，但有時即使很小的VIL值也能產生大的降水量。因此綜合以上，回波頂高和VIL值對于判斷是否產生短時暴雨不是很好的指標，只能作為輔助判據。

6 總結

通過統計2011-2015年個例發現，造成龍巖地區致災性短時暴雨的降水類型主要分為三類：對流型、混合型、熱帶型，穩定型幾乎沒有出現。對流型降水最容易造成60mm·h-1致災性短時暴雨，混合型降水最容易造成100mm·（3h）-1致災性短時暴雨。

要達到60mm·h-1降水，對流型降水所需平均雷達反射率為48dBz，混合型降水為46dBz，熱帶型為45dBz；達到 100mm·（3h）-1降水，對流型降水所需平均雷達反射率為47dBz，混合型降水為42dBz，熱帶型為43dBz。因此，當發現對應的降水類型達到相應的反射率標準時，要關注是否會造成致災性短時暴雨。

在60mm·h-1個例中，對流型降水塊狀回波出現的幾率最高，混合型和熱帶型降水片狀出現的幾率最高；在100mm·（3h）-1個例中對流型降水帶狀出現的幾率最高，混合型降水片狀出現幾率最高，熱帶型降水塊狀和片狀出現的幾率相當。因此，當各降水類型出現相應回波形狀特征時也要關注是否會造成致災性短時暴雨。

在速度場中，對流型降水較難通過速度場判斷是否出現短時暴雨，而混合型短時暴雨大多出現在中尺度切變型速度場中，并且通過判斷回波所經過之地的時間長短可以大致判斷所經之地是否出現短時暴雨。

回波頂高和VIL值對于判斷是否產生短時暴雨不是很好的指標，只能作為輔助判據。

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