陜西關中地區一次突發性暴雨的雷達回波特征分析

劉 帆，高 萌，謝逸雯，王瑾婷，王 英

（咸陽市氣象局，陜西 咸陽712000）

暴雨的發生多數是中小尺度系統直接造成的。陜西位于我國內陸腹地，是我國冷暖空氣的交匯地，也是我國暴雨多發地區之一。而陜西突發性暴雨由于其歷時短、強度大、面積小的特點，給人民生產和生活帶來嚴重的影響，造成的洪澇災害也相當嚴重。

國內外很多研究發現中小尺度系統是短時暴雨發生的主要原因[1-4]，也有學者認為對流不穩定和對稱不穩定（即混合型不穩定），配合低層充足的水汽條件，也可能會引發強降水[5-14]。近年來，許多陜西氣象工作者研究發現，造成陜西夏季短時局地強降水的條件是有利于觸發中小尺度系統發生及其發展[4]，而秋季連陰雨過程中也多出現暴雨，主要是受西風帶短波槽及西南渦東移與西太平洋副熱帶高壓西側的東南暖濕氣流交匯產生[15，16]。

隨著多普勒雷達在中尺度對流系統監測方面的發展，許多學者對暴雨的雷達回波形態、結構特征及其在強對流預報中的應用等方面做了大量研究。國外學者很早就發現30 dBz雷達回波達到-20℃高度層之后5分鐘將會發生閃電放電過程[17]，在-10℃高度，連續2個雷達體掃的反射率都達到40 dBz對雷電預報有很好的指示意義[18]。王福俠等[19]發現β中尺度輻合線、β中尺度輻合、γ中尺度輻合、高空急流和深厚持久的低空急流是河北中南部暴雨的主要雷達徑向速度特征。徐雙柱等[20]認為≥45 dBz的強回波區或回波帶與強降水區對應。紀曉玲等[21]發現逆風區與強降水的發生有很好的對應關系，且逆風區出現的時間相對強降水發生提前了20~30 min。但是，對于西北地區夏季短時暴雨的雷達回波特征分析研究不多。

2016年7月18日陜西省關中地區出現了短時暴雨，并伴有強烈的雷電天氣，暴雨范圍大，莊稼被毀、城市內澇，對關中地區造成嚴重的經濟損失。本文利用西安的多普勒雷達探測的回波資料，對此次暴雨的成因和雷達回波特征進行了詳細分析，旨在尋找關中地區暴雨易發的雷達回波特征指標，提高短時暴雨預報、監測能力，并為人工影響天氣提供可靠依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

本文研究區域為陜西省關中平原地區，位于106°18′～110°38′E，33°35′～35°52′N；平均海拔 520 m，介于陜北高原與秦巴山脈之間，包括寶雞、咸陽、西安、銅川、渭南等5個市及楊凌示范區；屬于大陸性季風氣候，年平均氣溫10.0～13.6℃，干濕季節分明，雨熱同季，多年平均降水量在550～700 mm，年降水的地理分布有顯著差異，西部降水多于東部，北部多于南部。

陜西關中盆地處于少暴雨區，且區域性暴雨發生概率較低；關中暴雨大多表現為夜雨型，常發生在7月到9月上旬；關中暴雨的主要特點為：歷時短、強度大、面積小。

1.2 資料來源

本文所采用的氣象資料為研究區域內46個自動氣象站（圖1）逐時、逐十分鐘降水量、溫度、氣壓、風速等數據，NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料，雷達資料為西安新一代多普勒天氣雷達CINRAD/SA雷達產品，包括 5 個仰角（分別為 0.5°、1.5°、2.4°和 3.4°）的基本反射率因子、對應各層徑向速度、回波頂高和垂直累積液態水含量等。

2 天氣概況

2.1 空間分布

7月18日08時—19日08時關中地區累積降水見圖1，可以看出，除關中東南部為中雨外，其余地區均達到大雨量級，其中19站出現了暴雨。西南部和東北部有兩處強降水帶，中心雨量在80 mm以上，分別位于岐山（80.7 mm）和澄城（91.5 mm）。此次降水范圍大，降水相對分散，西南部地區降水持續時間長、強度變化大、小時雨強大；中部地區降水持續時間長、強度變化小、小時雨強小；而東部降水則表現為持續時間短、強度變化大，短時雨強大等強對流降水特點。

圖1 關中地區區域自動站和18日08時—19日08時累積降水量分布

2.2 時間分布

從降水時序分布來看，西部降水主要集中在18日16—23時，東部降水主要集中在19日05—08時。其中，扶風的強降水時段在18日19—22時，3 h累積降水量達到56.2 mm；武功的強降水時段在21—23時，3 h累積降水量為63.5 mm，其中最大瞬時雨強達到了40.5 mm（21時）；澄城的主要降水時段在19日06—08時，3 h降水量達到了73.6 mm，其中最大瞬時雨強為58.6 mm（19日07時）（圖2）。

圖2 扶風、武功、澄城7月18日16時—19日08時逐小時降水量

3 環境條件

3.1 大尺度環流形勢與影響系統

此次暴雨是在大、中尺度天氣系統和高、中緯環流相互作用的背景下產生的，影響此次暴雨的主要因子有西太平洋副熱帶高壓、西北路弱冷空氣、切變線、偏南和偏東風急流等。

強降水發生前2016年7月18日08時（圖3a），500 hPa上亞洲中高緯呈兩槽一脊形勢，高空槽東移，冷空氣下滑，表明有干空氣從中高層入侵；584 dagpm線控制30°N以南并逐漸北抬，西脊點（34°N，109°E）位于陜西東南部，其西部的西南風有利于水汽輸送、匯集以及不穩定能量的聚集和釋放；河套東部至四川為深厚的低槽區，其南北長度約10個緯距，關中處于低槽前側西南氣流中。700 hPa上，從孟加拉灣經云貴地區、重慶至陜西關中地區，打開了水汽輸送通道，在甘肅與陜西交界處有顯著的西北—偏南向風切變，表明低層有利于暖濕氣流的水平輻合；700 hPa的偏南急流和850 hPa的東風急流向關中地區輸送明顯的熱量和水汽，有利于暴雨發生前不穩定層結的建立。地面上四川盆地維持西南渦，關中、陜南是顯著的西北—東南向風向輻合，關中西部存在干線，有一定的不穩定條件。這種高低空的配置形成了大氣的不穩定，有利于垂直上升運動的迅速發展。

14時（圖3b），500 hPa高空槽東移加強，隨著高層冷空氣下滑，副熱帶高壓緩慢東移，低空急流加強，在關中西部形成了冷暖空氣交綏，高空槽、低空急流和關中西部切變線配合產生對流云團，出現短時強降水。

3.2 水汽和動力條件

水汽條件是強降水發生的先決條件。此次降水的水汽輸送最強的位置主要集中在850~700 hPa。從強降水前期18日08時850 hPa的水汽通量矢量來看（圖4a），水汽的主要來源和路徑是孟加拉灣的水汽經云貴地區、重慶到陜西與甘肅交界處，東海的水汽也經江蘇、合肥、鄭州至關中和陜南西部。兩股水汽與西北路干空氣在甘肅東部和關中西部交匯輻合，輻合中心值為-2 g/（cm·hPa·s），此時水汽通量中心強度達12 g/（cm·hPa·s）。

到18日14時，水汽輸送路徑保持不變，但水汽通量中心強度明顯增強，輻合區東移至關中西北部，與暴雨落區對應（圖4b）。

從暴雨區（34°N）垂直速度的高度—經度垂直剖面（圖5）可以看出，強降水發生前期18日08時關中暴雨區處于垂直上升運動的東側，到14時垂直上升運動區東移，范圍擴大，強度增強，關中西部已經處于強烈的垂直上升區，東西跨越500 km左右，中心強度達2 Pa/s，位于700~500 hPa，1.0 Pa/s的上升速度區在高空伸展至300 hPa；強上升運動區東部為寬厚的下沉運動區，中心位置略低（750 hPa），中心強度為3.0 Pa/s。

圖3 7月18日08時、14時500 hPa高度（等值線，單位：dagpm）和700 hPa風場

圖4 7月18日08（a）和14時（b）850 hPa水汽通量和水汽通量散度（陰影）

圖5 7月18日14時垂直速度沿34°N緯向剖面

4 多普勒雷達特征分析

此次降水過程為大片層狀云穩定降水回波中夾雜有少量積狀云對流降水回波，積云降水范圍小，且對流性相對明顯。

4.1 基本反射率與徑向速度產品

從降水過程中反射率因子和徑向速度圖演變來看（圖6），18日8：02寶雞西部開始出現層云降水回波，最大回波為35～40 dBz；之后回波不斷擴大、加強，整體回波移動緩慢，以50 km/h的速度向東北方向移動；到12：45降水回波尺度擴大到寶雞整市、咸陽北部和銅川，最大反射率為43 dBz，出現在麟游北部（紅圈內）；平均徑向速度圖上的零速度線呈“S”型，風向隨高度不斷增強且順時針旋轉，雷達處為東北風，表明有暖平流，有利于降水的發生。此時關中西部地區開始出現穩定降水，小時降水量在2 mm左右。

16：47在大片的20～40 dBz層云降水回波中出現了45～50 dBz的對流降水回波（圖6中A處），回波頂高為8 km，但強回波高度中心高度較低，超過35 dBz的回波高度在2～7 km，最強回波中心（45～55 dBz）高度在 2～4 km，回波質心低，且此時對流回波處（3.8 km左右高度）已有逆風區存在（白圈內），扶風西部低層小范圍負速度區被大面積入流速度區所包圍，風速在7 m/s左右，逆風區維持了一個多小時，之后與大片正速度區合并，而扶風的較強降水天氣在18時之后產生。

18：02此對流云團發展至最旺盛，中心強度達到55～60 dBz，對流云團A已經發展分裂為2個單體，以10 km/h的速度移至扶風境內，A2對流云團對應徑向速度圖上又出現了小范圍的逆風區（4.2 km左右高度上）。對流云團A西部鳳翔又有小片的對流塊B生成，范圍不斷擴大，并緩慢向東北方向移動，中心強度為45～50 dBz，之后逐漸減弱。

19：52對流云團B中心強度范圍減小，又移至扶風境內，A、B的相繼影響，造成扶風持續3 h的短時強降水；而A范圍擴大，移至武功境內，回波頂高達到10 km，最強回波中心（50～55 dBz）高度在6 km以下，回波質心低，徑向速度達到12 m/s，20時之后武功出現了強降水。

此次暴雨過程出現的逆風區屬于“少動型”[22]，移動速度在10 km/h，該類型逆風區的存在有利于強對流天氣發生，逆風區與強降水中心區是對應的，且逆風區與強回波中心位置相對應，也有利于強回波的維持或加強，這與前人的研究結果一致[23-26]。

4.2 垂直累積液態水含量（VIL）

圖 6 12：45、16：47、18：02 和 19：52 雷達 1.5°仰角的反射率因子（單位：dBz）和徑向速度圖（單位：m/s）

圖7 16—22時的對流單體A的組合反射率和VIL的時間演變

對比分析本次強降水過程（16：01—21：59）的對流單體A的組合反射率和垂直液態水含量的時間演變圖（圖7），發現VIL與組合反射率的變化趨勢基本一致，但振蕩更明顯，VIL達到峰值再回落至低值，可能是由于強降水和破壞性大風的的發生[27]。在17：16出現第一次躍增，從17 kg/m2增加至25 kg/m2，但只持續了一個體掃，出現在扶風境內，該對流單體組合反射率中心強度為58 dBz，回波頂高為8 km。第二次躍增出現在18：19，VIL值從13 kg/m2增加至23 kg/m2，小幅震蕩了3個體掃后減弱至13 kg/m2，此時組合反射率因子基本保持在58 dBz，對流單體移動至扶風西南。第三次躍增是在20：03-20：15，持續時間相對較長，VIL值在26 kg/m2左右，對應對流單體為關中西部的單體裂變后不斷擴大，反射率因子先減小，移至武功后不斷加強，組合反射率因子在58 dBz左右。第四次躍增是在21：24，VIL出現次峰值，為23 kg/m2，此時對流單體擴大增強后移至武功和禮泉交界，對應組合反射率因子為58 dBz，回波頂高為7 km。VIL的大值區與強回波區對應較好。

降水開始時垂直累積液態水含量較小，在1～5 kg/m2，以穩定降水為主，之后對流云產生、發展，VIL值變化很大。從 16：47 開始 VIL 達到 15 kg/m2，17：16時增加至25 kg/m2，只持續了一個體掃，出現在扶風境內，之后維持在20 kg/m2。20：03時VIL在武功境內，增加至 25～30 kg/m2，斷續地維持了近 0.5 h，之后降到15～23 kg/m2移除出武功（圖8）。20—21時VIL出現了一個峰值，之后武功也出現了40.5 mm的短時強降水。VIL峰值的出現時間與強降水時段對應較好。前人在對強對流天氣的預報、跟蹤及估測降水也發現了此結論[28]。

圖8 降水過程中組合反射率和垂直液態水含量演變

5 結論

本文對2016年7月18日關中一次突發性暴雨天氣過程進行分析，得到以下結論：

（1）影響這次暴雨的主要因子有西太平洋副熱帶高壓、西北路弱冷空氣、切變線、偏南和偏東風急流等。水汽來源主要是孟加拉灣和東海。

（2）此次過程回波頂高在8～11 km，但強回波高度中心高度較低，最強回波中心（45～55 dBz）高度在6 km以下，屬于低質心強降水回波，對預報關中短時強降水明顯參考價值。

（3）徑向速度圖上零速度線呈“S”型、風向輻合和逆風區等特征均有利于短時強降水的發生。逆風區與強降水中心區、強回波中心位置有很好的對應關系，對短時強降水發生有很好的預報作用。

（4）VIL的大值區與強回波區、強降水中心區相對應，當VIL中心值持續在25～30 kg/m2時，可能會出現小時雨強超過20 mm的短時強降水。

本文著眼于短時臨近預報的角度，通過環流形勢和影響系統判斷此次暴雨產生的環境背景，著重分析了此次層積混合對流降水的雷達回波特征，由于暴雨突發性較強，從雷達回波上看不出典型形狀特征，但仍能發現逆風區和VIL對短時強降水發生有很好的預報意義。逆風區的強度和厚度與短時強降水的雨強是否有相關性、確定本地區VIL的閾值是否可以區分一般性降水和短時強降水，仍需更多的天氣個例進行統計分析，從而更好地為短時臨近預報提供參考依據。