低空急流暴雨天气概念模型及其雷达回波特征分析*

周文志，唐熠，王艳兰，孙莹，蒋丽娟

(桂林市气象局，广西桂林541001)

暴雨是影响我国重大灾害性天气现象之一，也是广西重大灾害性天气现象之一。由于急流对暴雨有增幅作用，所以其灾害性更为严重，常给国民经济和人民生命财产造成严重的损失。暴雨是一种中尺度现象，很多学者早就对其作过深入研究[1－19]，巢纪平[1]、Charney[2]、叶笃正等[3]系统地总结了青藏高原对大气环流和天气气候系统的影响，钱永甫等[4]还用数值试验方法，验证了青藏高原对天气气候系统各种动力影响的表现方式。在中小尺度地形的动力影响方面，陶诗言[5]、黄士松等[6]就迎(背)风坡、狭谷和喇叭口地形对局地气流运行方式、降水空间分布、过境冷空气和雷暴云移动方式的影响做过系统总结。在地形的热力影响方面，朱抱真[7]对大地形的热力影响曾有重要论述和总结。钱永甫等[4]用模式试验结果讨论了青藏高原热力作用对天气气候系统的影响，还特别讨论了高原地表热力作用日变化对当地天气系统日变化的影响。Blackadar[8]用地表温度变化造成的大气层结日变化讨论了北美低空急流的日变化。周军则用海陆温差日变化解释了南海边界层急流的日变化。周永生[14]对副热带高压北跳时高压南侧东南气流加强与东风波槽后的东南气流叠加形成急流影响下发生的暴雨进行诊断分析。曾志云等[15]在常规气象观测资料基础上，应用T213资料对2004年6月23－24日湘西北特大暴雨期间的大尺度环流形势和一些基本物理量进行分析;利用精度更高的多普勒雷达、逐小时自记资料和MM5中尺度数值模式输出资料，初步探讨了此次低空急流暴雨过程若干中尺度特征。罗建英等[16]普查1998－1999年6－7月共122 d资料，在确认东亚温、压、风场、梅雨降水均存在显著日变化的基础上以1998年7月20－22日发生在长江中游武汉一黄石段的一次持续时间长、过程总降水量大、日变化明显的特大梅雨暴雨为对象，就梅雨降水日变化的基本原因展开了研究。王春红[17]还尝试在无中尺度资料的情况下利用ECMWF的2.5°×2.5°网格资料做初始场，利用MM4模式模拟一次中－a尺度低空急流引起的华南大范围暴雨天气过程。

近几年，随着数值预报技术的发展和卫星、多普勒雷达等新型探测资料的综合应用，对暴雨的发生、发展有了进一步的认识，并取得了很大的进展[18－19]。在广西对急流暴雨天气概念模型与雷达回波强度资料相结合研究暴雨的工作还不多，而全面认识暴雨发生、发展的原因和机制，认识造成暴雨的中小尺度天气系统，以及分析在中小尺度天气系统下的雷达回波特征，有利于提高暴雨天气的监测和预报预警能力。本文通过对急流暴雨天气背景进行分析，形成急流暴雨天气概念模型，再通过分析天气概念模型暴雨的雷达回波资料，包括形状、强度和移动情况，以了解急流暴雨的成因，为急流暴雨预报预警和气象决策服务提供重要依据。

1 急流暴雨的基本概况

通过对广西2002－2010年有急流的暴雨时日降水资料进行统计，发现24 h降水达到50 mm以上的急流暴雨个例有12个过程。12个过程均发生在4－7月，这是因为4－8月是中尺度系统频繁活动时期。所以，通过对12个急流暴雨的降水过程进行分析，对于短期暴雨的研究具有代表意义。

2 急流暴雨天气概念模型及其雷达回波特征分析

2.1 低空急流涡旋型

2.1.1 天气背景

天气背景(图1):500 hPa槽在25°～40°N，90°～110°E区域内有西风槽或低压，副热带高压588线西伸华南地区或沿海，华南各站为偏南风，中层700 hPa在重庆附近有低压或27°N以北为气旋性低压或气旋族，低层850 hPa低涡在贵阳到重庆之间，桂林在12 m/s以上的急流中，风速常常在16 m/s以上，地面桂林本站处于冷锋前或静止锋附近。

图1 低空急流涡旋天气模型

2.1.2 雷达回波特征

由于低涡、切变、锋面等降水系统均自西向东、自北向南移动，最先影响是桂北，再就是桂林，广西第1部多普勒雷达就安装在这里，雷达资料比较多，所以，我们分析的雷达资料均为桂林雷达资料;即使是副高西端急流型同样是以桂林雷达资料分析为例，这样会更有意义。

回波强度演变特征分析(图2):由于低层是低涡形势，所以该型的雷达回波主要是涡旋状回波，这一类回波移动比较慢，不断把南部的水汽和能量卷入低涡中心，造成了影响范围大、持续时间长、雨强强度大的降水，而且降水量级比较均匀。在涡旋状回波形成前12 h，责任区内有分散的块状回波，强烈发展，最强的回波可造成局地暴雨;涡旋状回波形成前3 h，责任区内回波出现絮状回波;涡旋状回波的形成、发展、成熟、消亡的时间大概在5 h时左右;强降水主要发生在涡旋中心附近，但最强的降水往往出现在低涡的东南部、东部，以及东北部方向。

图2 涡旋状回波演变

雷达产品特征综述:在反射率回波图上(图略)呈涡旋状，强中心位于涡旋中心，强度均可达50 dBz以上。回波的南部有明显的尾状回波，将水汽、能量卷挟进入涡旋中心。暴雨发生在涡旋中心强回波经过的路径上。在径向速度图上，高低层吹东南风，风速随高度增加，近地层低压中心附近，吹弱东北风，有逆风区。回波顶高多为6～11 km，回波顶最高位于低压中心位置和尾状回波处，可达11 km。垂直液态水在低压中心位置最强，可达到20 kg/m2。涡旋回波造成的暴雨范围大、大暴雨站数多，可以造成全区性暴雨，但最强的降水主要集中在低涡的东南部、东部，以及东北部方向。由于低涡移动的路径和地形的作用，桂北、桂东大多比桂南降雨量大，特别是湘桂铁路的桂林段，由于狭管效应的结果，使铁路沿线兴安到永福出现大暴雨，甚至特大暴雨。

低涡系统的前期回波多为零散状回波，但单体强度较强，能达到40～50 dBz，回波沿西南急流向东北方向移动，在移动过程中逐渐加强，发展成组织性涡旋状的强回波块状。这类回波出现在系统性降水的前部，后期会逐渐发展成絮状或者带状回波，造成范围较大的降水。随着低涡到达的测站，强回波由西南急流向东北方向移动逐渐转为随北风向南移动，回波形成涡旋式运动，覆盖面大，但强度逐渐减弱。整个回波最后演变成自北向南移动。

这类回波在雷达监测范围内强度比较均匀(图略)，但在山地的迎风面和喇叭口处有明显增强现象。强降水落区决定于低涡的位置和移动路径以及整个系统的配置，全区均可以发生，但以桂北、桂东居多。特别是兴安、灵川、桂林、临桂、永福、融安、融水、昭平等地极易出现暴雨。

2.2 川槽急流切变型

2.2.1 天气背景

天气背景(图3)。500 hPa槽位于北纬25°～35°N，东经95°～105°E之间，但主要以四川槽(槽的主要部位及冷平流在四川)为主，副热带高压588线西伸华南地区或沿海，华南各站为偏南风;中层700 hPa在湖北、湖南北部到贵州北部为冷性切变线，切变线后有较明显的平流;低层850 hPa切变线在湖北南部、湖南南部到贵州南部，芷江、贵阳多为弱偏北风，桂林在低空西南急流中，风速大于16m/s，700 hPa与850 hPa切变线近于垂直，在近地面，桂林以北有静止锋或处于冷静前部暖区中，SI指数在－3～－5℃左右。

图3 川槽低空急流切变型天气模型

2.2.2 雷达回波特征

回波演变特征分析(图4)。回波带长在300 km以上，宽60～30 km，甚至更窄。长宽比例10∶1左右，有强回波核，直径约为10 km，强度在50 dBz以上，回波整体以20 km/h左右的速度向东南方向移动，单体向东北方向移动，移速以30 km/h左右。强回波核沿着回波带状方向以列车效应式依次影响暴雨站点。这类回波在强降水发生前4～6 h，责任区内多以分散的对流回波为主，强降水发生前2～4 h形成带状回波;冷空气型带状回波在原地发展，造成局地强降水。

图4 急流切变型带状回波演变

强降水发生后，带状回波从西北向东移南压影响前方测站，移速30 km/h左右。在回波带接近或通过测站时，降水强度增强，常出现暴雨降水，暴雨以上降水一般在3 h左右完成。地面为暖区的回波源地是从西北方向移来，强度较强，移速30 km/h以上。在回波带接近或通过测站时，极易发生雷雨大风、冰雹等强对流天气。回波带在南压过测站后，带状回波逐渐演变成絮状回波，并对下一测站造成较大降水。

在径向速度图(图略)上有逆风区，形成风向的辐合辐散，引起高低层垂直环流的发生，辐合向冷空气一侧倾斜;回波整体较强，降水具有对流性，回波顶发展高度往往在10 km以上。急流输送含水量较大，VIL值较大，常在30～50 kg/m2之间;受深厚的西南急流控制，带来了丰沛的水汽和热量。风廓线上ND层的高度，与强降水的发生和结束密切相关。低层有浅薄的冷空气扩散，使得暖湿气流得以抬升，从而形成触发暴雨的有利条件。

这类形势的回波源地、路径有两种(以桂林为例，图略)。一是冷空气型回波源地位于桂林东北方向100 km以内，东北－西南方向，与湘桂走廊相一致的弱回波区，在原地发展加强，回波发展前的回波区，是暖区西风急流遇到桂北近于东北西南向的山脉抬升形成的回波，在高空槽东移过程中与低层的对流系统相遇，激发了对流，使对流加强，带状回波发展;二是以西北方向100 km以外为源地，呈带状东南移，东南移过程中强度维持，这类回波在经过桂林后，桂林各测站往往转变成絮状回波。这类回波的强降水主要易出现在东北部的全州、兴安、灌阳，特殊地形的永福，资源、龙胜和荔浦降雨量都较小。

回波特征综述:这类回波具有明显突发性、生命史短和移动快的特征，回波较接近雷暴、冰雹等强灾害性回波，只是强度稍弱，回波发展高度低，顶高一般低于9～12 km。回波以对流性回波为主，尺度小，从几千米到几十千米。内部结构密实，边界清晰，回波强度在45～55 dBz，移动速度较快。一般由局地发展的回波加强到50 dBz以上或者局地回波和上游移来回波块的合并加强造成。在径向速度图上表现为色块零散，不同于层云、混合云具有大片的连续风场结构，也没有明显的牛眼。零线不连续，强降水区与逆风区、中气旋区，辐合区有关，这类强对流暴雨的预报，应从水平风场上注意中小尺度的扰动，垂直风场存在风向的“巨变”。

2.3 副高西端急流型

2.3.1 天气背景

这类急流暴雨的天气形势有两种情况(图5)。副热带高压西伸，西南气流明显加强，500 hPa588线控制华南，广西位于西南强风带中，中低层500～850 hPa桂林为偏南风≥12m/s甚至≥16m/s的强急流。850 hPa指数:Si≤0.0℃，KI≥36℃，相对湿度≥85%，地面处于高压后部或倒槽暖区中。

图5 副高西端急流型天气模型

2.3.2 雷达回波特征

雷达回波演变特征分析，在基本反射率图上，主要是以块状为主(图6)，在影响前6 h，测站责任区内主要以闷热高温为主，没有回波。在影响前3～4 h，测站责任区内，副热带高压西端开始出现零散回波，1 h后回波迅速发展成带状回波，回波带状内平均强度40～60 dBz，特别是60 dBz的回波核增多，随着副热带高压快速西北伸，回波带也伴随着雷雨大风、强雷暴、冰雹甚至龙卷风等对流天气西北移，当遇到迎风坡及喇叭口辐合等有利地形时回波加强，从而造成强降水及强对流天气;在基本速度图上，从低层到中高层都是明显的急流增强，但没有出现明显的中气旋，正负速度对或逆风区不是很明显。回波顶高为10～14 km。垂直液态水普遍为20～35 kg/m2。强对流天气以桂东南、桂东到桂北居多。

图6 副高西端型絮状回波演变

回波特征综述:两种影响系统移速都很快，所以整个回波的移动速度也很快。以桂林责任区为例，前者从影响到结束，只需4～5 h，后者只需2～3 h;前者天气主要以强降水为主，有的测站会达到大暴雨量级，锋面过境时会形成雷雨大风、冰雹甚至龙卷风等对流天气;后者主要是以雷雨大风、冰雹甚至龙卷风等对流天气为主，也伴随着强降水，暴雨雨量量级往往在1 h左右完成，但很少达到大暴雨量级。在反射率回波图上，前者由块状回波发展到絮状回波到完整的带状回波，后者以块状回波、絮状回波为主。在径向速度图上，前者南转北风切换时间很清晰，可见单体发展、其范围大约为9 km×9 km中气旋，有明显的正负速度对，后者是明显南风急流往北推进，没有出现明显的中气旋，正负速度对或逆风区不是很明显。

3 小结

通过对广西2002－2010年低空急流暴雨过程的统计分析，认为造成暴雨的天气概念模型分为三类，对短时临近的雷达回波按强度回波形状分为块状、带状、絮状、涡旋状等四种类型。

对每种类型的天气形势背景、雷达强度回波、径向速度回波、回波顶高、垂直液态水含量、风廓线等多种产品进行综合分析，归纳主要降水天气系统、回波强度范围阈值、回波源地、加强区、移速等典型特征，初步建立低空急流暴雨天气概念模型以及在这种形势下发展的雷达回波概念模型。

统计分析每种类型降水天气形势配置和雷达回波演变平均分布值，对未来进行短期、短时暴雨临近落区预报提供一些具体的参考阈值。

低空急流暴雨往往是低空急流与其它天气尺度相配合相互作用的结果，在与其它天气尺度相互作用下，雨量出现明显的增幅。

存在的问题是历史样本相对较少，其概念模型不管是以点代面还是预报时效都具有一定的局限性，随着样本的增多，要不断修正模型的相关指标;在回波成熟期之前，其预报准确率比成熟期要低得多，有待于与卫星动力结合开发应用以增加预报时效。另外，短时暴雨预报从落区再精确到落点还具有很大的研究难度。

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