吳志權(quán), 張勁梅, 莫偉強
(東莞市氣象局,廣東東莞 523000)
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2014年3·30東莞對流暴雨的天氣雷達(dá)特征
吳志權(quán), 張勁梅, 莫偉強
(東莞市氣象局,廣東東莞523000)
摘要:利用常規(guī)觀測資料、多普勒雷達(dá)資料,對2014年3月30日廣東東莞地區(qū)出現(xiàn)的致災(zāi)暴雨過程雷達(dá)回波特征進行了分析,結(jié)果表明:強回波具有反射率因子大、厚度大、回波頂高、持續(xù)時間長、垂直液態(tài)水含量值大的特征;同時強回波形態(tài)均以單體和回波團混合帶狀為主,移速慢,最強降水區(qū)伴有多個強對流回波團或單體出現(xiàn)的“列車效應(yīng)”;徑向速度上有明顯的逆風(fēng)區(qū),該區(qū)域低層風(fēng)的輻合較強,有利對流活動加劇,有利深對流發(fā)展,從而出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、冰雹、強降水的強對流天氣; 在不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)下,環(huán)境場對流參數(shù)具有CAPE弱、風(fēng)垂直切變中等、0 ℃層適宜的特征。
關(guān)鍵詞:天氣學(xué); 對流暴雨; 回波強度; 垂直液體水含量值; 徑向速度; 東莞
對流暴雨,即對流系統(tǒng)在短時間內(nèi)(6 h以內(nèi))造成的較大雨量或短時強降水(單站雨強超過20 mm/h)[1-2],具有突發(fā)性、局地性、雨強強、危害重等特點。由于其產(chǎn)生的天氣尺度系統(tǒng)小,空間分布復(fù)雜,在當(dāng)前監(jiān)測、預(yù)報服務(wù)上仍存在一定難度,而多普勒天氣雷達(dá)不僅能獲得回波強度資料,還可以獲得降水粒子的徑向速度來推斷降水系統(tǒng)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征,因而成為當(dāng)前有效監(jiān)測、預(yù)警對流暴雨的落區(qū)、強度及發(fā)生時間最佳方法,是研究對流暴雨的主要有效手段之一。近年來許多氣象工作者利用多普勒天氣雷達(dá)探測資料對對流暴雨的臨近預(yù)警進行了深入的探討[3-8],如張家國等[3]分析指出在短時預(yù)報業(yè)務(wù)中,暴雨回波的識別和預(yù)警,關(guān)鍵是從整體上要抓住中尺度暴雨回波系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的特征,而不是孤立地研究一個對流單體的演變;陳永仁等[4]認(rèn)為短時強降水具有反射率因子大、液態(tài)水含量(VIL)高、回波頂(ET)高、強回波厚度大等特征;諶志剛等[9]從天氣背景場及多種探測資料對廣東近年強對流暴雨的落區(qū)及時間作了相關(guān)的探討。
2014年3月29—31日,廣東省大部分地區(qū)分別出現(xiàn)持續(xù)性暴雨到特大暴雨降水過程,并伴有雷電、短時大風(fēng)、冰雹等強對流天氣,是近10年來范圍最大的首場強降水和強對流過程,造成嚴(yán)重的洪澇等災(zāi)害;位于珠江口東岸的東莞市3月30日(簡稱“3·30”)出現(xiàn)強對流天氣,導(dǎo)致嚴(yán)重的城市積澇和人員傷亡。為此,本研究著重利用廣州多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品,對對流暴雨的雷達(dá)回波、徑向速度等特征進行分析,為對流暴雨的落區(qū)和強度的確定提供參考,進一步提高臨近預(yù)警發(fā)布能力。
1“3·30”致災(zāi)暴雨降水特征
從3月29日夜間起到31日早上,東莞出現(xiàn)了短時強降水,伴有雷雨大風(fēng)和冰雹的強對流天氣。該次過程有如下特點:(1)雨強強、雨量大、覆蓋范圍廣(表略)。1 h最大降水量為84.5 mm,有21.6%自動站降水量≥50 mm;3 h最大降水量為133.5 mm,有13.4%自動站降水量≥100 mm;只有1個站6 h最大降水量為150.6 mm;累計24 h最大降水量為205 mm。(2)降水頻次密。24 h內(nèi)出現(xiàn)了3次較集中降水時段,最強降水時段出現(xiàn)在30日16:00—18:00(北京時,下同)。(3)多種災(zāi)害天氣并發(fā),該次過程雷雨大風(fēng)、冰雹、強降水并發(fā),為近年來同期所罕見。
2環(huán)流背景及天氣過程參數(shù)
2.1天氣背景中分析
該次過程大天氣尺度背景為中低緯多波動、低空西南低渦發(fā)展東南壓、華南西南急流強盛,在地面邊界層弱冷空氣觸發(fā)的背景下產(chǎn)生。從綜合中分析(圖1)可見,該次過程當(dāng)天08:00 500、700 hPa有槽線位于西南東部及華南西部,呈偏西北東南向,緩慢向偏東方向移動,850、925 hPa西南低渦東部的南嶺附近有呈東西向的暖切變線,兩廣的中南部處在西南、偏南的低空、超低空急流區(qū)域內(nèi);地面長江以南地區(qū)為東高西低形勢,華南等壓線呈“川”字型,為典型的華南前汛期暴雨型,弱冷鋒位于珠江口以東地區(qū)及海面上,在珠江口西側(cè)以西有中尺度輻合線;850 hPa比濕≥12 g/kg區(qū)域位于500 hPa槽底的兩廣中南部附近,對應(yīng)有南北向的濕軸,槽底的廣東西南部對應(yīng)有850與500 hPa氣溫差>25 ℃的高能區(qū)??梢?,中層低槽緩慢東移,有利于不斷加劇大氣層結(jié)不穩(wěn)定性,而地面弱冷鋒則是該次過程暴雨觸發(fā)的有利機制。暖切變與西南低渦東南側(cè)的低空、超低空急流均有利于充沛水汽輸送及匯總堆積,為強降水提供充足的水汽。
圖1 2014年3月30日08:00綜合中分析圖
從當(dāng)天08:00的衛(wèi)星紅外(圖2)、水汽云圖可看出,低槽云帶與高空500 hPa槽相對應(yīng),強盛的對流云團位于槽底,即在廣東中北部,已處于對流活躍期,紅外云圖對流云頂最強的亮溫為200~210 K,對流非常旺盛。近年來有研究發(fā)現(xiàn),降水與云頂溫度有很好的相關(guān)性,TBB(相當(dāng)黑體亮度溫度,Black Body Temperature)溫度越低,表明云頂越高,對流越旺盛[10-11]。
圖2 2014年3月30日08:00紅外衛(wèi)星云圖
2.2環(huán)境參數(shù)特征
選用與東莞距離較近的3站點(北部的清遠(yuǎn)、西南部陽江、東南部香港)當(dāng)天08:00探空資料,對該次對流暴雨過程東莞周圍環(huán)境主要層結(jié)和能量環(huán)境參數(shù)進行分析(見表1)。3個探空站的K指數(shù)為31~33 ℃,其中位于東莞北部清遠(yuǎn)站為33 ℃,大氣層結(jié)為中等不穩(wěn)定狀態(tài),對流有效位能(CAPE)為0~200.4 J/kg;最大是西南部的陽江站。利用清遠(yuǎn)站探空資料及東莞站11:00的溫度、露點進行探空訂正,強降水發(fā)生前3 h,東莞站的CAPE為107.9 J/kg,均屬于弱的CAPE。
假相當(dāng)位溫(θse)是綜合反映大氣溫度和濕度條件的一個物理量,850 hPa 的θse為64.3~66.6 ℃,而500與850 hPa的θse差值清遠(yuǎn)站為1 ℃,為相對對流穩(wěn)定層結(jié),但陽江站為-13.7 ℃、香港站為-6.1 ℃,均為對流不穩(wěn)定層結(jié)。從風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)來看,925~500 hPa(0~6 km)的垂直矢量差13~20 m/s,風(fēng)隨著高度的增大而增大,為中等強度的垂直風(fēng)切變,有利于對流風(fēng)暴的發(fā)展,因冰雹和雷暴大風(fēng)等強對流天氣需要一定強度的垂直風(fēng)切變,據(jù)3站的探空圖資料分析,0 ℃層的高度在4.5 km左右。過程的對流抑制能量(CIN)均較小,抬升凝結(jié)高度為973~985 m均較低,表明在高能不穩(wěn)定狀態(tài)下,氣塊很容易出現(xiàn)對流上升運動。
表1 2014年3·30過程08:00周邊環(huán)境參數(shù)
3天氣雷達(dá)特征
降雨時,雷達(dá)反射率因子可以直接反映雨強的強弱,而強回波持續(xù)時間長短與很多因素有關(guān),同時充足的水汽也是暴雨產(chǎn)生的條件之一。
3.1回波強度特征
1)反射率因子(R)。
通常來說,反射率因子越大,雨強越強,但這個關(guān)系會受到降水類型的很大影響。從該次過程多普勒雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(圖略)來看:在當(dāng)天16:00—17:00出現(xiàn)了時雨量最大時段,有21.6%的站點時雨量超過50 mm,最大時雨量為84.5 mm,跟蹤該時段的反射率因子,發(fā)現(xiàn)該時段回波強度普遍為45~50 dBz,影響同一地點的持續(xù)時間普遍為20~45 min,為3~6個體掃,局部出現(xiàn)短時55 dBz,持續(xù)時間12~18 min(2~3個體掃)。跟蹤降雨強盛時刻不同仰角(0.5°~6.0°)體掃的反射率因子(R)垂直分布及垂直剖面(圖3a)可見:45 dBz以上強回波頂達(dá)到了6 km以上高度,最高達(dá)8~9 km,高于-20 ℃所在高度。而且具有低層弱回波和中高層回波懸垂特征,強對流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)明顯,因此出現(xiàn)了冰雹和大風(fēng);從雷達(dá)回波頂(ET)(圖略)也可見,ET普遍為9~12 km,最高為15 km,出現(xiàn)在該高度的持續(xù)時間,最長持續(xù)18 min,說明對流伸展高度高、發(fā)展強烈。
2)垂直液態(tài)水含量(VIL)。
據(jù)文獻(xiàn)[3]報道,VIL≥10 kg/m2容易出現(xiàn)暴雨,≥25 kg/m2容易出現(xiàn)雷雨大風(fēng),≥35 kg/m2容易出現(xiàn)冰雹。從圖3b的VIL值可見,該次強降水盛期VIL普遍為25~55 kg/m2,最強45~55 kg/m2,持續(xù)12~18 min,可見,該次過程較高的VIL值與強對流天氣短時強降水有關(guān)外,還與雷雨大風(fēng)、冰雹有關(guān)。
圖3 2014年3月30日16:12 雷達(dá)垂直剖面(單位:dBz)(a)和VIL值(單位:kg/m2)(b)
3.2回波形態(tài)、移動及傳播特征
該次暴雨過程的回波形態(tài)以單體和回波團混合帶狀為主,而雨強的強弱除與回波的強度有關(guān)外,還與強回波移動的快慢及方向有關(guān)?;夭ā耙苿邮噶俊笔怯衫妆┏休d層平均風(fēng)移動“平流矢量”與由于新單體在雷暴某一端不斷生成構(gòu)成的雷暴回波“傳播矢量”之和[1-2]。從圖4基本反射率因子(仰角1.5°)前后30 min的移動及當(dāng)時廣州雷達(dá)風(fēng)廓線(圖略)分析,在降水強盛時,強回波是由多個中小尺度團狀對流回波組成,而新單體在該強回波帶的前進方向的右側(cè)不斷生成,從垂直風(fēng)廓線可見在對流層為偏西南風(fēng)的引導(dǎo)氣流,即“平流矢量”東北偏東方向移動,在強對流回波系統(tǒng)的東南段的前側(cè)不斷有新生對流單體,顯然新生對流單體的位置是向東南變化的,即向東南方向傳播,也就是強回波帶向東北方向的“平流矢量”和向東南方向“傳播矢量”的矢量和決定了中尺度對流暴雨回波系統(tǒng)“移動矢量”向偏東方向移動,移速較慢,有利于強降水的累積,而在一些狹長強對流雨帶影響的區(qū)域,如圖4黑色方框區(qū)域,該小尺度的強對流回波帶在16:00—16:18的3個體掃內(nèi)少動,其西南側(cè)伴有多個小尺度強對流回波團向該區(qū)域移動(見圖4黑色箭頭區(qū)域),在16:24—16:30連接呈帶狀回波,不斷移入該區(qū)域內(nèi),出現(xiàn)所謂的“列車效應(yīng)”,從而出現(xiàn)該路徑上的大暴雨或特大暴雨。
3.3徑向速度特征(SRM)
從該次過程的相對平均徑向速度分析,東莞地區(qū)低層以向著雷達(dá)的入流為主,在降水最強16:00—17:00,東莞地區(qū)的低層(仰角0.5°)16:06,在距雷達(dá)30~40 km、高0.5~0.7 km處有狹長的寬5 km、長15 km逆風(fēng)區(qū)(見圖5a紅圈處),16:12演變?yōu)楠M長的寬3 km、長15 km的小尺度大風(fēng)區(qū)(見圖5c紅圈處),最大風(fēng)速為27 m/s,該大風(fēng)區(qū)緩慢向東北方向移動,移速為每6 min 10 km左右,在16:30后減弱消失,距該狹長的大風(fēng)帶的東側(cè)20 km有東北到偏東急流帶向著雷達(dá);在仰角1.5°、距雷達(dá)50 km、高1.5~2 km,16:06—16:30仍可見逆風(fēng)區(qū)(見圖5b、5d紅圈處),范圍漸漸縮小,但在其前側(cè)的東部及東南部伴有向著雷達(dá)、風(fēng)速為15~20 m/s的大風(fēng)區(qū);在仰角3.4°高度仍可見到大風(fēng)區(qū)(圖略),說明該區(qū)域低層輻合較強,有利于低層水汽源源不斷抬升輸送到高層,有利于深對流的維持、發(fā)展。
圖5 2014年“3·30”過程降水盛期時低層(仰角0.5°和1.5°)平均相對徑向速度(單位:m/s)
4結(jié)論
1)過程層結(jié)處在不穩(wěn)定狀態(tài);對流環(huán)境參數(shù)風(fēng)垂直切變屬于中等強度,0 ℃層在4.5 km左右,有利冰雹、大風(fēng)強對流天氣并發(fā)。
2)雷達(dá)回波強度具有降水盛期強回波具有反射率因子大、厚度大、回波頂高、持續(xù)時間長以及VIL值大的特點,這些均有利于出現(xiàn)短時強降水、雷雨大風(fēng)、冰雹劇烈的對流性天氣。
3)強回波形態(tài)均以單體和回波團混合帶狀為主,“平流矢量”與“傳播矢量”方向成一定的角度,移速慢,并且在一些狹長強對流雨帶影響的區(qū)域,伴有多個強對流回波團或單體的降水,出現(xiàn)所謂的“列車效應(yīng)”,導(dǎo)致雨帶路徑上的大暴雨或特大暴雨。
4)徑向速度圖可見在降水最強時,東莞地區(qū)的中、低層有逆風(fēng)區(qū)、大風(fēng)區(qū)出現(xiàn)并維持,說明該區(qū)域低層輻合較強,有利于低層水汽源源不斷向上輸送,出現(xiàn)持續(xù)降水,并有利于深對流的維持、發(fā)展及出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、冰雹強對流天氣。
參考文獻(xiàn):
[1]俞小鼎,周小剛,Lemon L,等.強對流天氣臨近預(yù)報[M].北京:氣象出版社,2011:81-89,109-113.
[2]俞小鼎.強對流天氣的多普勒天氣雷達(dá)探測和預(yù)警[J].氣象科技進展,2011,1(3):31-41.
[3]張家國,王玨,周金蓮,等.暴雨多普勒天氣雷達(dá)回波特征分析及臨近預(yù)警[J].暴雨災(zāi)害,2008,27(4):326-329.
[4]陳永仁,李躍清.基于SWAN 產(chǎn)品的短時強降水雷達(dá)特征及預(yù)警分析[J].高原山地研究,2013,33(1):72-79.
[5]馮晉勤,湯達(dá)章,曹長堯.福建西部山區(qū)短時暴雨雷達(dá)回波特征及中小尺度系統(tǒng)分析[J].氣象,2014,40(3):297-304.
[6]郝璧,姚葉青,鄭緩援,等.短時強降水的多尺度分析及近預(yù)警[J].氣象,2012,38(8):903-912.
[7]孫瑩,王艷蘭,唐熠,等.短時暴雨天氣雷達(dá)回波概念模型的建立[J].高原氣象,2011,30(1):235-244.
[8]葉成志,唐明暉,陳紅專,等.2013年湖南首場致災(zāi)強對流天氣過程成因分析[J].暴雨災(zāi)害,2013,32(1):1-10.
[9]諶志剛,張維,王婷,等.“2010.5.2223”廣東強對流過程綜合分析[J].廣東氣象,2011,33(4):12-15.
[10]曹亞平,林中慶,祁秀香,等.廣州南沙區(qū)一次暖區(qū)暴雨過程分析[J].廣東氣象,2011,33(5):13-16.
[11]黃卓禹,王萍,顧敬,等.一次典型暴雨的TRMM 衛(wèi)星觀測及特征分析[J].廣東氣象,2011,33(6):4-7.
收稿日期:2015-08-10
作者簡介:吳志權(quán)(1974年生),男,工程師,碩士研究生,現(xiàn)主要從事氣象監(jiān)測、預(yù)報、服務(wù)、防雷等業(yè)務(wù)及管理工作。E-mail:zhangjm20085@163.com
中圖分類號:P44
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.003
Characteristics of a Convective Heavy Rain on March 30, 2014 in Dongguan as Captured by Weather Radars
WUZhi-quan,ZHANGJing-mei,MOWei-qiang
(Meteorological Bureau of Dongguan City, Dongguan 523000)
Abstract:Using conventional observations and Doppler data, we studied the radar echoes of a disaster-inflicting heavy rain that occurred on March 30, 2014 in the area of Dongguan, Guangdong. The result is presented as follows. Strong echoes are characterized by large reflectivity factor, large thickness, high echo top, long duration and large content of vertical liquid water. Meanwhile, the echoes are mainly composed of slowly moving single cells and cell groups and the areas of most intense rain are accompanied with multiple cell groups or cells in the form of “train effect”. There are zones of significant head wind on the radial velocity where convergence is intense from low-level winds to be favorable for the development of convection and deep-layer convection, resulting in thunderstorms, hails and severe rain. Under the conditions of instable stratiform, a relatively weak CAPE, moderate vertical shear and adequate 0 ℃ layer are the characteristics of environmental parameters.
Key words:climate observation; convective heavy rain; echo intensity; vertical liquid water content; radial velocity; Dongguan
吳志權(quán), 張勁梅, 莫偉強.2014年3·30東莞對流暴雨的天氣雷達(dá)特征[J].廣東氣象,2016,38(1):8-12.