福建西南部一次特大暴雨的雙偏振雷達特征分析

張紅梅, 張深壽, 連晨方

(福建省龍巖市氣象局，福建 龍巖 364000)

引 言

華南暴雨是我國暴雨研究的熱點之一。近些年的觀測事實表明，華南強降水區、特別是一些罕見的特大暴雨，通常不是出現在鋒區或鋒后，而是位于鋒前暖區，說明暖區暴雨是華南暴雨顯著的特點，于是逐漸開始了對暖區暴雨的研究。黃士松基于李真光、黃士松和陶詩言等的研究成果，以及華南野外科學實驗的觀測事實，給出了暖區暴雨定義、暖區暴雨分布特征和天氣特征。暖區暴雨廣泛定義是指發生在地面鋒面南側暖區的暴雨，或南嶺附近至南海北部沒有鋒面存在、華南未受冷空氣或變形冷高壓脊控制時產生的暴雨。此類暴雨大多發生在地面鋒面系統前端200 km至300 km位置，有時則發生在西南風和東南風的匯合氣流中，甚至無切變的西南氣流里。此類暴雨局地性較強，降水集中，對流性明顯，同時降水量較一般鋒面降水量多3～5倍[1-4]。李真光等[5]研究表明，鋒前暖區暴雨在熱低壓的東南象限與越赤道氣流結合，在850 hPa上形成強偏南類低空急流。林良勛[6]將華南暖區暴雨典型環流特征歸納為3種類型：回流暴雨型、高空槽型和強西南季風型。趙玉春等[7]研究結果發現：在華南雙雨帶暴雨過程中，暖區雨帶與鋒面雨帶在中尺度雨團的活動、系統的動力結構、大氣的不穩定機制和大氣的加熱結構等存在明顯差異，同時在水汽的輸送、中尺度背景及與強降水有關的垂直環流之間也存在著不同。彭麗英等[3]通過對華南前汛期暴雨氣候特征進行研究發現，福建暴雨63%發生在前汛期。

福建暴雨是華南暴雨的組成部分，也是影響福建省的主要災害性天氣之一，尤其是鋒前暖區暴雨，其特點為雨區范圍小、降水強度強、突發性強，預報難度大，可造成局地洪水、山體滑坡等災害，是天氣預報業務中的重點問題。福建省氣象工作者對前汛期暴雨和臺風暴雨研究比較多[8-9]，其中也有不少是圍繞暖區暴雨的環流特征、中小尺度特征和熱力動力條件等方面進行分析，但是針對暖區暴雨的雙偏振雷達特征研究還比較少。本文利用龍巖S波段雙偏振天氣雷達資料、常規氣象探測資料及再分析資料，對2019年5月16日發生在福建西南部的特大暴雨過程進行了分析，探討了雙偏振雷達產品對短時強降水過程的監測預警作用，以期為雙偏振天氣雷達的業務應用提供參考依據。

1 降水實況

2019年5月16日08時-17日08時，福建省出現一次較大范圍的暴雨過程。圖1為此次過程福建省24 h累積降水分布(降水分布圖插值方法為Cressman算法)。由圖1可看出，大暴雨(24 h降水量超過100 mm)落區主要位于福建的龍巖北部、三明南部、泉州西部、莆田西部、漳州北部和南平南部。全省有139個鄉鎮自動站超過100 mm，其中4個鄉鎮自動站超過250 mm(24 h降水量超過250 mm為特大暴雨)，均位于福建西南部，以龍巖市連城縣姑田鎮大洋地村自動站的277.3 mm為最大；1 h、3 h最大雨量分別為龍巖市連城縣蓮峰自動站的93.8 mm和龍巖市連城縣揭樂自動站的159.2 mm。強降水主要集中在16日23時至17日06時(圖2)。從自動站逐小時降水強度可見，此次降水過程具有短時強降水的典型強對流性質。

圖1 2019年5月16日08時-17日08時福建省24 h降水量分布星標為龍巖S波段雙偏振天氣雷達站

圖2 2019年5月16日18時-17日06時連城縣北部3個鄉鎮自動站逐小時降水量

2 天氣背景分析

此次暖區暴雨發生期間，200 hPa南亞高壓位于中南半島，福建高空為南亞高壓東側輻散分流區。高層的輻散作用，有利于上升運動的發展和維持，并使新鮮潮濕空氣不斷補充，增加了降水的強度，導致暴雨的產生和發展。500 hPa中高緯地區為寬槽型(圖3，圖中地圖為等經緯度投影)，烏拉爾山至鄂霍次克海為寬廣槽區，寬槽內多短波槽東移，巴爾喀什湖和貝加爾湖均有較深的高空槽，槽底到達40°N，副熱帶高壓588線16日08時控制華南南部，17日08時南落到南海北部。16日20時，700 hPa低空急流位于華南南部，暴雨區位于低空急流左前方；850 hPa低空西南急流與700 hPa的位置一致，從四川東部東移出來的西南渦位于湖北東南部，福建位于低空西南急流前端和西南渦切變南側；925 hPa與低空急流對應位置下方有超低空急流建立，最大風速區位于兩廣一帶，西南風風速達12 m/s，而福建南部沿海為4 m/s的偏南風，福建北部為4 m/s的東南風，邊界層風向及風速輻合均十分顯著，為暴雨區提供了充足的水汽[10-11]。低空急流和超低空急流位置的重疊陡直，在其左前端易形成水汽的大量堆積，動量、熱量和水汽的高度集中，也促進低層強暖濕空氣的平流，加強層結的不穩定性，并且能加強低層的擾動，觸發不穩定能量的釋放，特大暴雨落區就發生在切變線南側及低空急流和超低空急流的左前側[12-15]。地面在華南西部有低壓中心發展，福建南部受其東側倒槽東伸影響，16日午后最高氣溫上升到30～34 ℃，能量得到積累；夜間在福建西部還有多條小尺度地面輻合線發展東移南壓，有利于對流系統穩定維持發展。

圖3 2019年5月16日20時500 hPa位勢高度場(實線)和850 hPa風場星標為3個探空站所在位置

由于龍巖市沒有探空站，所以本文分析了此次暴雨過程天氣系統上游的廣東河源和江西贛縣及下游福建廈門3個氣象站16日20時的探空數據(表1)。由表1可知，華南北部不穩定能量(CAPE)在1500 J/kg以上，尤其是上游廣東東北部達到了2946.1 J/kg，對流抑制能量小(CIN)，均在40.0 J/kg以下，對流極易被觸發；K值均大于40 ℃，SI≤-1.54 ℃、廈門達到了-4.12 ℃；自由對流高度(LFC_P)和抬升凝結高度(TCL_P)較低，且兩層間高度差小，垂直風切變中等偏弱，說明暴雨發生前，在西南急流作用下大的對流有效位能和水汽輸送到暴雨區，抬升凝結高度和自由對流高度低有利于氣層整體抬升，暖云厚度大，深厚的濕層配合較弱的垂直風切變，雨滴不容易蒸發，有利于產生高效率降水。

表1 2019年5月16日20時廣東河源站、江西贛縣站和福建廈門站探空對流指標

3 雙偏振雷達參數特征

3.1 反射率因子特征

從龍巖雙偏振天氣雷達反射率因子演變分析可知，2019年5月16日雷達回波演變主要有三個階段：16日10時至21時，16日21時至17日01時和17日01時至17日07時。

第一階段回波演變：16日10時至21時。16日10時從江西和廣東有小塊狀回波自西南向東北方向移入福建西南部，在龍巖北部發展加強，回波強度達55 dBZ。第二階段：16日21時至17日01時。回波從21時起由江西移入的小塊對流回波自西北向東南方向南壓，并在龍巖北部至三明南部一帶連成大塊狀，強回波主要位于長汀東部和連城北部，23時起，強回波主體右后側約10 km處(圖4a紅圈內)還有新生回波單體向東北方向發展，并與強回波合并，使強回波得以維持并持續向東偏南方向移動。強回波經過長汀和連城北部，形成列車效應[16-17]，造成此次的短時強降水過程。第三個階段：17日01時至17日07時。17日01時起，龍巖北部和西南部回波開始轉變移動方向，由之前的西北向東南變成了西南向東北方向移動，其中17日01-03時強回波再次持續經過連城北部鄉鎮，而龍巖東部的回波繼續由西北向東南方向移動，此時位于龍巖東部的漳平出現了較明顯的降水過程。17日4時之后以分散小塊狀回波為主，17日07時回波逐漸移出龍巖，強降水趨于結束。

從特大暴雨鄉鎮自動站逐小時降水可見(圖2)，強回波造成連城縣城區及周邊鄉鎮如揭樂鄉、塘前鄉等地從16日23時至17日03時連續4～5個時次出現1 h雨強大于20 mm/h的短時強降水天氣過程，其中連城縣城區石門湖站1 h雨量達到了93.8 mm(任意1 h雨量以揭樂鄉的104.1 mm為最大)，3 h雨量揭樂鄉達到159.2 mm。對該時段雷達反射率因子進行剖面發現，大于50 dBZ強回波上升到了7 km高度。據此判斷該時段的降水為大陸型對流降水，反射率回波也反映了此次過程的降水回波以積狀云降水回波為主。從自動站逐小時累積降水與自動站2 min風場對比發現，在16日14時、16時、22-23時及17日00-04時小時累積降水中心對應地面區域均有小尺度輻合線出現(圖4b)。當對流單體在地面輻合線附近生成時，對流單體將進入西南氣流輻合區及不穩定能量大值區，使回波加強發展產生強降水，是對流系統能夠穩定維持的重要原因之一。

圖4 2019年5月16日23:10雷達基本反射率因子(a)和地面風場資料(b)

3.2 徑向速度特征

徑向速度圖產品分析結果表明，16日白天福建西南部在0.5°仰角速度圖上有西北風與西南風和東南風三股氣流的輻合，16日18時一條東北-西南向約30 km的零速度線從龍巖中部緩慢南壓至龍巖東部，于20時左右減弱，18-19時連城北部鄉鎮出現最大小時雨強(27.1 mm)。21時又有一條零速度線從三明南部至龍巖北部交界自西北向東南方向再次南壓，南壓速度相比之前的緩慢，17日01時才移出連城進入新羅和漳平北部，17日03時在漳平減弱。該零速度線西北側是朝向雷達的負速度，東南側是離開雷達的正速度，說明在這一帶有西北風與東南風負向輻合，輻合帶與低層中小尺度切變線相對應。從風廓線雷達水平風拼圖可看出，在850 hPa存在有中小尺度切變線(圖略)。21:42起，在0.5°仰角零速度線西北方約35 km處出現輻合區，輻合區從0.5°仰角逐漸擴展到6.6°仰角。21:42在0.5°仰角長汀東北部出現輻合區，22:04輻合區向上擴展到1.5°仰角。22:21輻合區向上擴展到2.4°仰角。22:43在3.3°仰角上出現了明顯的速度對，且正負速度直徑小于4 km，表明有中氣旋的存在，且持續了6個體掃。23:05在6.0°仰角上也出現了明顯的速度對，并持續了3個體掃(圖5)。輻合區維持在連城境內期間，連城北部4個自動站出現極端短時強降水。同時，16日15時起在2.4°仰角2-3 km高度有風速≥12 m/s的低空西南風急流建立，并一直持續到17日11時左右，也為此次短時強降水提供了有利的條件。

圖5 2019年5月16日23:10雷達3.3°仰角(a)和6.0°仰角(b)速度對

3.3 雙偏振雷達參數特征

3.3.1 相關系數CC

相關系數CC用來衡量脈沖采樣體內水平和垂直偏振脈沖返回信號變化的相關程度，其大小對于粒子的橢率(橢圓扁平度)變化、傾斜角、形狀不規則性及相態等比較敏感，主要應用于區分非氣象回波、相態識別、0 ℃層識別、冰雹識別[18]，液態水的CC值為0.90～0.99。此次降水過程主要以強降水為主，整個強降水時段內CC一直保持在0.93～0.99。最大雨強降水時(圖6a)，由于以大雨滴為主，還有部分小水滴，CC值稍低，為0.93～0.97，且強降水區后側有徑向的較低值區(0.93～0.97)。強降水結束后，CC值上升到0.97～0.99。如23:54的CC圖中(圖6b)，降水區的CC大都在0.97～0.99，而最大強降水的區域(紅色矩形內)，CC有一處0.93～0.97的較低值，這是由于降水強度強，包含較寬的雨滴譜，致使相關系數較低。

3.3.2 差分反射率因子ZDR和差分相移率KDP

差分反射率因子ZDR是水平偏振的反射率因子和垂直偏振的反射率因子之比，其比值的大小與降水粒子大小和形狀的扁圓程度密切相關[18]。此次過程強降水期間，低層(仰角0.5°到1.5°)ZDR值為1～5 dB，雨滴較大，根據ZDR和雨滴直徑的對應表值，雨滴直徑為1～5 mm，非強降水區域ZDR值小于2.5 dB，而且回波比較嘈雜不均勻。在強降水時段，如在23:54連城揭樂鄉和塘前鄉附近的ZDR值達到4～5 dB(圖6d)，且較為連續集中不散亂，雨滴的水平直徑大于4 mm，對應的KDP為2.0～4.7°/km，可以判斷扁平大雨滴數濃度高，雨滴大、數濃度高是短時強降水的典型特征。強降水結束時ZDR值迅速降低至0.2～1.2 dB，主要的雨滴直徑小于1.2 mm。

差分相移率KDP是單位距離的差分相移參量，對識別強降水區很有作用，其正值大小和強降水的扁平大水滴數量的正相關性非常好，可以很好地估計液態含水量，它通常用于強降水估測、冰雹識別、降水類型識別等[19-25]。整個強降水期間，KDP值為1.0～4.7°/km，而且2～4°/km的回波范圍比較大。23:54，當ZDR值達到4～5 dB時，KDP值也達到4°/km(圖6c)，說明極端強降水中心的降水雨滴直徑大而且數濃度相當大。23:55-00:55累積1 h雨量揭樂鄉為104.1 mm，達到了此次過程最大的小時雨量。進一步分析22:59、00:00、00:22的KDP圖(圖7a)，可以看到揭樂鄉有大范圍的KDP正值持續不斷地經過，KDP值2.0～4.7°/km的大值對應了非常強的降水，22:50-23:05、23:55-00:45揭樂鄉5 min降水大于6 mm，最大5 min降水達16.8 mm，23:55-00:05僅10 min雨量就達到了28.6 mm(圖7b)。

圖6 2019年5月16日23:54龍巖雙偏振雷達參數

(a)2019年5月16日22:59、2019年5月17日00：00和00:22的差分相移率KDP圖

對22:43影響連城的單體作了多參數的徑向剖面(圖8)。圖8中，強回波中心達到55 dBZ，多普勒速度場有明顯的去向和來向上升氣流的速度對，并伸展到了7 km，對應的位置存在ZDR柱和KDP柱，且也伸展到7 km，表明此處的上升氣流強盛，使水滴突破融化層形成大片的過冷水滴；對應位置在5-7 km高度的CC值較低，為0.92～0.97，是因為5 km處在0 ℃的融化層，同時存在水相和冰相粒子。

圖8 2019年5月16日22:43雙偏振雷達產品剖面

3.3.3 雙偏振雷達參數小結

此次強降水過程，整個強降水時段內CC一直保持在0.93～0.99，強降水前和強降水結束后CC值在0.97～0.99，在強降水時段CC值下降到0.93～0.97，且強降水區后側有徑向低CC值(0.93～0.97)的特征。

非強降水期間ZDR值小于2.5 dB，回波比較嘈雜且不均勻；強降水時段的ZDR值達到4～5 dB，而且回波較為連續集中，表明強降水以大雨滴為主。

KDP是指示強降水的最典型指標。整個強降水期間KDP值在1.0～4.7°/km，KDP值為2～4°/km時的回波范圍比較大。最大降水強度時，KDP值大于4°/km，其對應的ZDR值也在4～5 dB，說明極端強降水中心的降水雨滴直徑大而且數濃度相當大，達到了此次過程最大的小時雨量。

根據單體最強回波位置進行剖面，還可以發現強上升氣流對應的“ZDR柱”和“KDP柱”的特征。

3.4 雙偏振雷達風廓線VWP特征

從雙偏振雷達風廓線產品(VWP)可知，暴雨發生前一天(15日)在2.1-3.0 km高度附近西南急流已經建立，風速為12～16 m/s。16日13時，5.5-7.0 km高度的西風風速開始加大，并于15時風速達到20 m/s。與此同時，1.8 km高度的風速也加大，并達到急流標準。21時起，5.0 km以上高度的西風急流下傳至3.0 km高度，3.0 km高度的風速達到了20 m/s，并持續至17日03：18。急流下傳1～2 h后，正好是降水最強最集中時段。這是急流的第一次下傳。之后，3.0-5.0 km高度的風速減弱至14～16 m/s。17日04:18在5.0 km以上的西風急流第二次下傳。05：02在3.0 km高度的風速再次增至20 m/s(圖9a)，此時龍巖東部也出現了1 h雨量大于20 mm的短時強降水(圖9b)。兩次急流下傳，致使低空急流風速增大，并達到峰值。低空急流峰值較降水峰值提前1～2 h出現，說明高層動量下傳有利于強降水的發生。低空急流峰值的提前出現，對強降水有一定的預報參考意義。從低層西南風到高層西北風風向順轉分析，龍巖上空為暖平流影響。

圖9 2019年5月16日08時-17日08時雙偏振雷達VWP風場(a)和漳平市溪南自動站雨量時間演變圖(b)

4 結 論

(1)此次暖區暴雨過程中高緯為寬槽型，南支槽東移、低空西南急流維持，以及低層中小尺度切變線和地面輻合線的南壓，是此次暖區暴雨的主要影響系統。低層高能高濕，高層輻散、低層輻合，為強降水的發生提供了充足的水汽、熱力和動力條件。特大暴雨落區發生在切變線南側及低空急流和超低空急流的左前側。在低空西南急流的作用下，暴雨區南側大的對流有效位能和水汽輸送到暴雨區，對流抑制小，抬升凝結高度和自由對流高度低，有利于氣層整體抬升，暖云厚度大，深厚的濕層配合較弱的垂直風切變，雨滴不容易蒸發，有利于產生高效率降水。

(2)速度圖上多次出現弱的中氣旋或尺度較大的渦旋，并伴隨著兩次切變線南壓過程，尤其是第二次切變線后部深厚持久的中氣旋給連城北部造成局地特大暴雨。反射率回波反映了此次過程的降水回波以積狀云降水回波為主，大于50 dBZ強回波上升到了7 km高度，判斷此次降水為大陸型對流降水。強回波右后側新生回波單體發展合并加強，形成了持續短時強降水過程。強降水產生在中尺度對流系統發展為線狀對流系統及對流單體后向傳播階段，存在明顯的列車效應。對流單體在地面輻合線附近生成，并移入西南氣流輻合區及不穩定能量大值區，使回波加強發展及產生強降水，是對流系統能夠穩定維持的重要原因之一。雙偏振雷達的風廓線VWP風隨高度順轉，兩次急流下傳致使低空急流風速增大并達到峰值。低空急流峰值較降水峰值提前1～2 h出現，說明高層動量下傳有利于強降水的發生，而低空急流峰值的提前出現對強降水有一定的預報參考意義。

(3)KDP是指示強降水的最典型指標，強降水和KDP對應非常好，大范圍的KDP指示了強降水的影響時間和降雨強度。整個強降水期間，KDP值在1.0～4.7°/km，最大降水強度時KDP值大于4.0°/km，而且對應的ZDR值也達到4～5 dB，說明極端強降水中心的降水雨滴直徑大而且數濃度相當大。整個強降水時段內，CC一直保持在0.93～0.99，強降水前和強降水結束后CC值為0.97～0.99，在強降水時段CC值下降到0.93～0.97，且強降水區后側有徑向低CC值(0.93～0.97)的特征。徑向剖面顯示多普勒速度的上升氣流區，ZDR柱、KDP柱指示強上升氣流對應的過冷水滴集聚區。