小时雨量100mm以上强降水单体雷达回波特征分析

2016-03-22赵振东刁秀广

海洋气象学报 2016年4期

关键词：个例强降水反射率

赵振东，刁秀广

（1．泰安市气象局，山东泰安 271000；2．山东省气象台，济南 250031）

小时雨量100mm以上强降水单体雷达回波特征分析

赵振东1，刁秀广2

（1．泰安市气象局，山东泰安 271000；2．山东省气象台，济南 250031）

利用地面观测资料和多普勒天气雷达探测资料，对2015-2016年山东省11站次，小时降水量超过100mm的强降水单体的风暴参数特征和形态结构演变特征及10分钟雨量变化情况进行了分析。10分钟雨量变化情况表明，15～20mm降水量出现次数最多，约 85%的降水量≥10mm，65%的降水量≥15mm；最大雨量多数在25mm以上，平均值是27.6mm；最大降水量所对应的站点上空最大反射率因子平均值为52.5dBZ，所对应Z-R关系与Z=250R1.28非常接近。强降水单体风暴参数和形态结构演变特征表明，强降水阶段C-VIL值多数在17～37kg·m-2之间，平均值为28kg·m-2，明显小于冰雹预警C-VIL阈值；DBZM值多数在52～58dBZ之间，平均值为55dBZ；HT值多数在2.2～5.8km之间，平均值为4.2km；TOP值多数在7.5～12km之间，平均值为9.9km；ET值多数在11～15km之间，平均值为13.1km；盛夏季节，强降水单体具有低质心特征，降水强度较大；强降水单体演变具有“列车效应”或移动缓慢特征。

强降雨；Z-R关系；风暴参数；单体演变

引言

短时强降水具有持续时间短、雨强大、突发性强等特点，易形成暴雨洪涝，引发山体滑坡、泥石流等山地次生灾害。极端性的短时强降水更是难以防范，容易造成更大的危害，严重威胁人类生命安全。对于灾害性强降雨，国内外气象学者做了大量研究[1-9]，揭示了灾害性强降雨形成机制及某些中小尺度特征。谌芸等[10]对2012年7月21日北京特大暴雨进行了分析和思考，认为此次极端强降水中雷达回波具有明显的“列车效应”，并具有明显的后向传播特征。万明波等[11]对2011年7月25日乳山强降水（小时降水量127.8mm）分析表明，强降水风暴强中心基本在50～56dBZ，回波顶高12km以上，有时达到16km以上，风暴中层气旋性涡旋利于回波发展与维持，同时使高值区维持在风暴中层及以下高度，产生降水效率较高的强降水。陈善炳等[12]对2012年9月21日胶南强降水（小时最大降水量93.1mm）分析表明，对流单体在胶南及其南部的沿海陆地维持，强降水阶段单体最大强度维持在60～65dBZ。高留喜[13]等对山东极端强降雨标准的界定问题进行了分析，采用降水99%分位法进行处理，选择平方根法，计算出山东省1小时极端强降雨的阈值为82.6mm。

利用地面观测资料和多普勒天气雷达探测资料，对2015-2016年发生在山东省区域内的11站次，小时降水量超过100mm的强降水单体风暴参数特征和形态结构演变特征进行了分析研究，以提高对这类极端性的强降水临近预报预警能力。

1 强降水个例和10分钟降水量特征分析

2015年和2016年山东省共有11个观测站整点观测时间出现100mm·h-1以上强降水，详见表1。1次出现在国家自动气象站，其余10次都出现在区域自动气象站；1次出现在6月，其余10次都出现在7月、8月。

表1 100mm·h-1以上强降水个例

对11次强降水个例的地面观测10分钟降水量（整点算起）特征进行统计分析，共有66个 10分钟降水量样本。10分钟降水量分为[0，5）、[5，10）、[10，15）、[15，20）、[20，25）、[25，30）、[30，35）、[35，40）8个区间（图1a），15～20mm之间降水出现次数最多，为17次，其次是10～15mm降水，多数集中在10～30mm之间。10分钟降水量箱体图显示（图1b），约 85%的降水量≥10mm，1小时内平均约有5个10分钟的时间出现≥10mm降水；65%的降水量≥15mm，1小时内平均约有4个10分钟的时间出现≥15mm降水；20mm以上降水占40%左右，25mm以上降水占20%左右，30mm以上降水仅占5%左右；所有10分钟降水平均值为17.7mm，15mm以上10分钟降水量平均值为22.4mm。11次强降水个例10分钟最大雨量变化显示（图1c），多数在25mm以上，平均值是27.6mm，换算成小时降水强度是165.6mm ；极大值是38.3mm，出现在临沂市河东区刘店子，换算成小时降水强度是229.8mm。图1d是每个个例10分钟最大降水量时段所对应的站点上空雷达最大反射率因子及其平均值，11个单体有10个反射率因子≦54dBZ，最小值是47.5dBZ，最大值是65.5dBZ，去掉最大、最小值后的平均值为52.5dBZ，按照小时降水强度165.6mm反算Z-R关系，与Z=250R1.28非常接近，该关系式计算的52.5dBZ反射率因子对应的小时雨强是169.1mm；而雷达默认的Z=300R1.4关系式计算的52.5dBZ反射率因子对应的小时雨强是95.6mm，明显小于实际降雨量。

图1 10分钟降水量特征

2 强降水单体风暴参数特征分析

对11次强降水个例对应的新一代天气雷达探测的单体风暴参数进行统计分析（图2）。风暴参数包括单体最大反射率因子（DBZM）、单体垂直积分液态含水量（C-VIL）、单体强中心高度（HT）、单体顶高（TOP）和单体回波顶高（ET）。每个个例统计时间段是10分钟降水量≥15mm所对应的时间段，共有87个雷达体扫数据（每个体扫时间是6分钟）。可以看出，C-VIL值多数（60%）在17～37kg·m-2之间，平均值为28kg·m-2，中值为27kg·m-2，平均值略大于中值，说明多数体扫C-VIL数据偏低，同时C-VIL平均值明显小于冰雹预警C-VIL阈值[14]；DBZM值多数（60%）在52～58dBZ之间，平均值为55dBZ，中值为54.5dBZ，两者相差较小；DBZM值有20%出现在58dBZ以上，C-VIL值有20%出现在37kg·m-2以上，说明风暴核内有大的粒子出现。强中心高度HT值多数（60%）在2.2～5.8km之间，平均值和中值均为4.2km，7月、8月环境0℃层高度基本在5km左右，因此，强降水单体具有低质心特征；单体顶高TOP值多数（60%）在7.5～12km之间，平均值为9.9km，中值均为10.4km，两者相差0.5km，说明多数单体顶高高度较高；回波顶高ET值多数（60%）在11～15km之间，平均值为13.1km，中值均为13.8km，两者相差0.7km，说明多数体扫回波顶高度较高。

图2 强降水单体风暴参数

3 强降水单体演变特征

11次强降水个例单体演变基本分为两类，一类是具有“列车效应”特征，即降水回波呈带状分布，单体移动方向与带状整体移动方向基本一致，另一类是移动缓慢，强降水单体生成或减弱阶段移动较快，而在旺盛阶段突然变得移动缓慢或在某地维持少动。两种类型都可造成某点降水历时较长，从而产生非常强的降水。11次强降水个例具有“列车效应”特征的有6次，具有移动缓慢特征的有5次，“列车效应”略占优势。

图3给出了几次强降水个例单体的典型特征。图3a是2015年7月31日01:19济南雷达组合反射率因子（CR）产品，可以看出，强降水回波呈东西带状分布，带状回波南压较慢，带内单体由西向东移动，具有明显“列车效应”，其前沿汶上县次丘站监测实况出现强降水，10分钟10mm以上降水主要出现在01:10-02:00，持续近50分钟，最大10分钟降水量34.0mm。图3b是2015年8月2日20:09济南雷达CR产品，可以看出，强降水回波基本呈东西带状分布，带状回波南压较慢，带内单体由西向东移动，具有明显“列车效应”，惠民县皂户李站在20:00-21:00一直维持 10分钟10mm以上降水，最大10分钟降水量26.6 mm。图3c是2016年6月23日12:04济南雷达CR产品，可以看出，强降水回波基本呈西南—东北向带状分布，带状回波与单体移动方向一致，带内单体由西南向东北方向移动，具有明显“列车效应”，泗水县杨柳站在12:00-12:50一直维持 10分钟10mm以上降水，最大10分钟降水量26.0mm；该次强降水在所有11次强降水个例中是最弱的一个，而降水强度并不小，杨柳站距雷达距离较远（130km左右），最低仰角观测到的高度是2.3km，无法监测到2.3km以下的回波状态，因此不能判定低层是否存在稍强的反射率因子。图3d是2015年7月30日15:15潍坊雷达CR产品，可以看出，强降水回波基本呈东西带状分布，强风暴X0尺度较大，强度较强，在寒亭区朱里镇周围缓慢移动并产生冰雹，14:51最大反射率因子达到65dBZ，所在高度7.5km，典型的冰雹云特征，15:00-16:00一直维持 10分钟10mm以上降水，最大10分钟降水量27.8mm。图3e是2015年8月2日19:46济南雷达CR产品，可以看出，强降水单体O1移动较为缓慢，中心位置基本在惠民西部维持少动，19:20-20:00惠民县气象站基本维持 10分钟15mm以上降水，最大10分钟降水量29.6mm。图3f是2016年8月7日04:59潍坊雷达CR产品，可以看出，强降水单体I6移动较为缓慢，中心位置基本在沂源县东里镇南部维持少动，04:00-05:00一直维持 10分钟10mm以上降水，最大10分钟降水量24.7mm。图3g、图3h是2016年8月8日06:03和06:50潍坊雷达CR产品，两个时次比较可以看出，强降水单体B1移动较为缓慢，中心位置基本在五莲县马家坪周围维持少动，06:00-06:50一直维持 10分钟15mm以上降水，最大10分钟降水量23.4mm。

图3 雷达组合反射率因子（CR）产品（a：2015年7月31日01:19，b：2015年8月2日20:09，c：2016年6月23日12:04，d：2015年7月30日15:15，e：2015年8月2日19:46，f：2016年8月7日04:59，g：2016年8月8日06:03，h：2016年8月8日06:50）

4 结语

（1）强降水个例地面观测10分钟降水量变化表明，15～20mm之间降水出现次数最多，其次是10～15mm降水，约 85%的降水量≥10mm，65%的降水量≥15mm；10分钟最大雨量多数在25mm以上，平均值是27.6mm；10分钟最大降水量时段所对应的站点高空最大反射率因子平均值为52.5dBZ，所对应Z-R关系与Z=250R1.28非常接近。

（2）强降水个例在强降水阶段风暴参数有如下特征：C-VIL值多数在17～37kg·m-2之间，平均值为28kg·m-2，明显小于冰雹预警C-VIL阈值；DBZM值多数在52～58dBZ之间，平均值为55dBZ；HT值多数在2.2～5.8km之间，平均值为4.2km；TOP值多数在7.5～12km之间，平均值为9.9km；ET值多数在11～15km之间，平均值为13.1km。

（3）盛夏季节，强降水单体具有低质心特征，降水强度较大。强降水单体演变具有“列车效应”或移动缓慢的特征。

（4）实际应用中，对于低质心强降水回波，可将54dBZ作为强降水反射率因子最高阈值，超过这一阈值后，会出现冰雹或者大的降水粒子干扰，而不会产生更大的降雨。

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