梵净山一次局地特大暴雨雷达回波特征分析

杨 群，陈关清，方 标，安 祥，陈方远，茅海祥

(贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300)



梵净山一次局地特大暴雨雷达回波特征分析

杨 群，陈关清，方 标，安 祥，陈方远，茅海祥

(贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300)

利用铜仁市新一代天气雷达资料及贵阳和怀化探空站资料，对2015年5月14—15日发生在铜仁梵净山东侧的一次特大暴雨天气过程进行诊断分析。结果表明：高空向南加深的槽结合中低层低涡切变线、地面弱冷空气共同作用造成此次特大暴雨；近地层，暖湿气流北上受东北回流冷空气及梵净山地形的横向阻挡作用被迫抬升，使得对流回波维持，对特大暴雨的形成起到重要作用；对流有效位能(CAPE)值的突增是对流暴雨发生的一个重要指标；降水回波伸展高度较高、云层深厚是此次对流暴雨云团的主要特点；垂直液态水含量的突然跃增且高的VIL值长时间维持，可作为短时强降水发生的预报预警参考；较强回波伸展高度较高及强中气旋的发展及维持，为短时暴雨的发生提供了有利的动力条件。

特大暴雨；垂直风切变；中气旋

引 言

梵净山是黔东北最高山脉，位于铜仁市印江县、江口县、松桃县三县边境，最高峰海拔2 572 m，是云贵高原向湘西丘陵过渡斜坡上的第一高峰(相对高度达2 000 m)，它不仅是乌江与沅江的分水岭，而且还是横亘于贵州、重庆、湖南、湖北四省(市)的武陵山脉的最高主峰。近年来该区域50 km范围内发生多次短时强降水天气过程，小时雨强达130 mm之多，24 h过程雨量达300 mm以上，强降水主要位于梵净山东侧，即江口县、松桃县境内。

针对短时强降水天气，许多学者从天气系统、地形、雷达回波等方面进行了系统的分析和研究，如晏理华等[1]从天气系统、水汽条件、不稳定度等方面，对黔东北一次对流性暴雨进行了分析；张剑明等[2]对湖南省湘中地区一次大暴雨天气过程的环流背景、物理量场、卫星雷达资料等进行了天气学诊断分析；吴红秀等[3]研究滇西北高原一次局地暴雨过程时运用雷达产品进行分析；李峰等[4]在北京一次局地强对流天气的分析中，指出垂直液态水含量(VIL)值在强降雨时段表现为单峰型，与降雨量、雨强对应较好；柴东红等[5]在研究地形暴雨的雷达回波特征时，指出受地形影响，无论回波移动方向如何，较强回波均在迎风坡加强(或有新生)；方标等[6]对铜仁市一次局地大暴雨天气过程进行分析，得出在混合降水回波中存在多个对流回波柱，且强回波核位于云体中下部的回波垂直结构特性是识别、判断局地大暴雨天气的重要特征；徐娟等[7]在研究山东聊城大暴雨中指出大暴雨存在中气旋和逆风区，并且对应于暴雨和灾害性天气的发生区域。大量的局地暴雨研究为短时临近预报提供了参考，但针对梵净山区域的局地暴雨研究较少，其原因之一是缺少雷达产品资料。2013年1月铜仁雷达站开始业务试运行，它的试运行为梵净山区域局地大暴雨的研究提供了基础条件。本文利用铜仁雷达回波产品，对2015年5月14日夜间—15日凌晨发生在梵净山区域的局地特大暴雨天气过程进行诊断分析，寻找短时暴雨的预报思路和方法。

1 资 料

雷达产品资料来自铜仁新一代天气雷达站，该站位于铜仁市碧江区川硐镇云盘村杨石坡，其馈源高度为790.6 m，为CINRAD/CD型新一代多普勒天气雷达；该雷达获取径向速度的模式为：双脉冲重复频率(PRF)模式，最大不模糊速度为24.76 m·s-1。采集数据时采用降水模式进行体扫(VCP21)，每6 min一个体扫，有效范围在半径150 km以内。分析该次过程时用到的雷达产品有反射率因子、速度图、垂直液态水含量(有效范围内125 km，由于静锥区影响，距离太近，VIL值被低估，太远则VIL值可信度较低，最佳距离在40～120 km)、VAD风廓线(VWP有效范围为水平方向距雷达站60 km的范围内)等产品，此次暴雨强中心黑湾河位于雷达站西侧、梵净山东侧，该处没有受到梵净山山脉遮挡，距离雷达站约49.5 km，选取的产品数据可用性较高，由此所提取的数据基本准确、客观。雨量资料是铜仁区域内两要素自动站资料。

2 降水实况

2015年5月14日20:00—15日08:00(北京时，下同)，贵州铜仁市中部出现强降雨天气，梵净山东侧出现大暴雨到特大暴雨。据区域自动站监测显示，暴雨区主要分布在铜仁市的中东部江口县、松桃县、碧江区一带(图1a)，共出现2站特大暴雨、4站大暴雨、34站暴雨、50站大雨，江口县黑湾河附近是暴雨中心(图1b)。强降水主要集中在14日21:00—15日01:00，最大小时雨强出现在江口黑湾河(109 mm·h-1)，24 h最大降雨量为305.9 mm。

3 环境条件

3.1 环流背景与影响系统

从500 hPa高度场(图略)看，14日08:00—15日20:00，中高纬环流经向度大，贝加尔湖东部至东北地区为一大低涡控制，14日20:00(图2a)东北低涡槽底延伸至贵州中东部一线，利于冷空气分裂南下；低纬度及高原东侧多低槽东移活动，移速慢；西太平洋副热带高压588 dagpm 线14日08:00—15日08:00维持在两广中部。贵州东部处于高空槽前偏西南气流中，风速为12～14 m·s-1，贵州西部至重庆为西北风，风速为6～10 m·s-1，南风明显强于北风，利于高空槽的停滞及维持。14日08:00，700 hPa西南急流带位于广西北部—湖南、江西中部，最大风速22 m·s-1，贵州省位于西南急流北侧的西南气流中；14日20:00，重庆北部形成低涡切变线，低涡西部冷切变线附近有-7～-1 ℃的24 h负变温区，冷平流从低涡西部入侵，利于低涡切变线的东移发展，同时西南急流维持，风速达16～20 m·s-1；15日08:00，切变线东移南压到长江中下游—贵州北部，西南急流南压至广西—湖南—江西一线。850 hPa 14日20:00—15日08:00重庆北部低涡切变线逐渐东移南压，西南急流维持并北抬，铜仁处于急流轴北侧、低涡切变线中。地面14日08:00为热低压控制，低压中心为1 005.0 hPa；14日20:00(图2b)北方冷空气逐渐南压，贵州低压中心达1 002.5 hPa，积聚了大量的不稳定能量，其冷暖气流交汇于四川北部至河西走廊一带，铜仁处于东北风与西南风辐合之间；15日08:00冷锋沿东北路径渗透南下影响铜仁。

图1 2015年5月14日20:00—15日08:00江口县累计雨量(a,单位：mm)和14日13:00—15日12:00江口县黑湾河站雨量演变(b)

图2 2015年5月14日20:00 500 hPa、700 hPa和850 hPa中尺度环境分析综合叠加图(a)及地面影响系统分析(b)

综上所述，500 hPa槽东移加深、中低层低涡切变、地面弱冷空气共同作用造成此次降水过程；西南低空急流为暴雨区提供源源不断的水汽，并不断将水汽输送到贵州中东部地区，为降水的形成提供了良好的水汽条件；大暴雨发生前能量明显增加为暴雨的发生、发展提供了充足的能量基础。

3.2 探空资料分析

江口县黑湾河介于怀化和贵阳2个探空站之间，从2015年5月14日贵阳和怀化各时次的CAPE、K指数、SI指数及0 ℃、-20 ℃层高度参数变化(表1)和14日20:00怀化和贵阳探空曲线(图3)来看，14日20:00两站上空温度层结曲线与露点曲线是下部靠紧、上部分离，表现为“上干下湿”的对流性不稳定层结状态。从上下配置来看，又呈“喇叭状”，且从低层到高层的风向演变来看，风随高度顺转，有一定的暖平流向上输送，进一步增加了大气的温湿不稳定。此时两站上空的K指数达40 ℃以上，SI<-2 ℃，有利于强对流天气的发生。14日08:00—20:00怀化站的SI急剧减小，贵阳站的K指数急剧增大，对流有效位能(CAPE)怀化和贵阳分别猛增至2 522.9 J·kg-1和1 679.6 J·kg-1，则大气中的可转换对流有效位能正在迅速上升，不稳定能量加大。彭双姿等[8]在研究湘中强降雨过程时曾指出暴雨发生前不稳定能量有加大的过程。同时0 ℃层高度较高(5 km以上)，-20 ℃层高度在8 km以上，融化层深厚，不利于冰雹天气发生，以液态降水为主，加上能量的迅速增加，由此判断利于暴雨天气发生。15日08:00，暴雨发生后，怀化、贵阳探空资料显示相对湿度>80%的湿层伸展至400 hPa以上，湿层深厚(图略)，贵阳站CAPE降低到7.4 J·kg-1，怀化站CAPE降低到653.6 J·kg-1，K指数下降到34 ℃。

表1 贵阳和怀化探空站CAPE、K指数、SI指数及0 ℃、-20 ℃层高度变化

3.3 垂直风切变特征

暴雨常常发生在弱垂直风切变环境条件下，而雹云发展常与较大的风速垂直切变有关系。从图4中可以看到，暴雨发生前(14日20:00)及发生时(15日02:00)，梵净山区域垂直风切变均<1×10-3s-1，为弱垂直风切变，不利于冰雹天气发生，由此考虑过程以液态降雨为主。

3.4 复杂地形影响

图5为地形与地面气压场叠加图，可以看到，梵净山处于贵州省东北部、铜仁市中部，其东侧为向东北方向开口的地形低洼区(海拔高度在200 m左右)，西南侧是海拔高度为1 870 m的佛顶山。此次天气过程，冷气流沿东北路径南下，经湖北到湖南回流进入铜仁。当西南暖湿气流沿低洼地区入侵时，一方面受梵净山及西南侧地势较高的佛顶山阻挡，暖湿气流在梵净山附近被迫抬升；另一方面，受东北冷气流阻挡，暖湿气流从冷空气移动方向的侧面被抬升。地形及东北冷气流的阻挡，使得冷暖气流形成较长时间的对峙，对特大暴雨的形成起到重要作用。

图3 2015年5月14日20:00怀化(a)和贵阳(b)站探空曲线(绿色阴影区为相对湿度>80%的湿层厚度，蓝色线为层结曲线，棕色线为状态曲线，层结曲线与状态曲线相交的正面积红色阴影区为CAPE，绿色线为露点曲线)

图4 2015年5月14日20:00(a)和15日02:00(b)0～6 km垂直风切变场(单位：10-3 s-1，圆点为梵净山)

图5 2015年5月14日20:00地形与地面气压场(单位:hPa)叠加图

4 雷达回波特征

4.1 强度场演变特征

从14日19:00—15日01:00铜仁雷达站雷达回波组合反射率因子强度变化(图6)可知，19:51(图6a)，黑湾河区域西北侧有强度为56 dBZ的回波生成(A云团)；20:07(图6b)开始，A云团在黑湾河区域逐渐发展增强并分解形成B、C、D对流回波，其西侧的梵净山东南面的强对流降水回波强度增强达60 dBZ，并缓慢东移至黑湾河区域与之前的回波连成一片，回波面积约为100 km2，该回波长时间停留在黑湾河区域，维持少动；21:50(图6c)，黑湾河区域强回波对流单体强度继续增强，B和C对流回波合并，强度达到64 dBZ，D云团往东北方向移动减弱，此时沿梵净山最强回波中心作剖面(图6e)，可以发现回波伸展高度达到18 km，>40 dBZ的回波中心也伸展到了13 km，表示云层非常深厚；22:12(图6d)，中心强度超过60 dBZ的B、C对流云团在黑湾河区域继续维持，直到22:48回波强度才减弱为57.5 dBZ。可见>60 dBZ的强回波在黑湾河停留时间长达3 h以上，对应的黑湾河3 h雨量达169.6 mm，小时最大雨强达109 mm。

图6 2015年5月14日19:51(a)、20:07(b)、21:50(c)、22:12(d)雷达组合反射率及21:50从雷达中心沿梵净山最强回波中心(图6c实线)的反射率因子垂直剖面(e)(单位：dBZ)

4.2 垂直液态水含量

垂直液态水含量(VIL)是一种导出产品，反映云底上部单位面积上悬挂的可降水质量[9]。赵静等[10]研究对流性强降雨过程中发现垂直液态水含量在强降雨发生前的5～7个体扫(即25～30 min)，有跃增并缓慢增加，当垂直液态水含量达35 kg·m-2以上时，降雨强度增大。从黑湾河站点局地短时特大暴雨发生时VIL变化(图7)可看出，随着强度>60 dBZ的对流回波移进黑湾河，VIL值在14日20:07—22:18时段内迅速增大，22:18达最大(63 kg·m-2)；且高VIL值(>33 kg·m-2)一直维持到22:43，此时段内黑湾河小时雨强达109 mm，随后随着强度>50 dBZ的对流回波逐渐减弱移出黑湾河站，VIL值也减小，23:16减小为18 kg·m-2，强降水也逐渐减弱；00:18后，VIL值快速减小，强降水过程逐渐结束。

图7 2015年14日20:00—15日00:00黑湾河VIL演变

4.3 垂直风廓线

分析此次过程的垂直风廓线变化(图8)可知，14日20:30之前(图略)，南风伸展高度在2.7 km以下，2.7 km以上为“ND”区即为少云区，说明铜仁上空云层较浅薄；20:36以后，降水开始，南风伸展高度逐渐增高，到20:53其伸展高度达4.0 km；结合黑湾河小时雨强演变来看，21:00后南风伸展高度逐渐升高(即云层逐渐增厚时段)，降水强度也开始增大。同时，在20:53发现0.3～4.6 km从低层到高层风向表现为由东南风转为西南风再转西北风，风随着高度顺转，表示中低层有强烈的暖湿平流和正涡度发生，易产生辐合上升运动。

在强降水持续增强阶段，22:12，5.5 km以下为整层的南风气流，利于水汽向暴雨区输送，为强降水的持续提供了有利的水汽条件；22:18开始，3.4 km以上中高层维持西风或偏西北风，以下为一致的西南风，且低层2.4 km以下西南风风速逐渐增强，达12 m·s-1及以上，低空急流建立，辐合抬升和不稳定大气层结进一步增强，高低空南北风辐合切变位于3.4～4.0 km，表明铜仁中高层转为槽后的西风或偏西北风，低层仍处于槽前或辐合切变线前强西南急流的不稳定环流天气系统形势下，利于强对流天气发生，此时段内铜仁梵净山小时雨强达109 mm。

4.4 径向速度中气旋分析

图9是雷达产品风暴径向速度图，21:30(图9a)，江口县黑湾河附近有一正负速度对，正中心为14.3 m·s-1，负中心为-23.6 m·s-1，其旋转速度达18.95 m·s-1，为中等强度中气旋。此刻，其右侧黑湾河小时雨强达40mm以上；21:50(图9b)，正负速度对范围增大，强度增强，旋转速度达21.25 m·s-1，为强中气旋；21:57(图9c)，强中气旋继续发展，范围扩大，向上伸展至3.56 km，向下延伸至距离地面1.29 km(图9d)，发展为深厚的中气旋，低层中气旋的形成有利于低层降压，气旋发展，上升气流加强。22:25 1.5°仰角速度图(图略)上，有一明显的正负速度对组成的中尺度辐合系统，对应着黑湾河西侧B、C对流单体的加强和维持。随后在22:25、22:31、22:36、22:43这4个体扫数据中，黑湾河一直存在强中气旋，远离雷达的速度中心值为20.47～21.64 m·s-1，朝向雷达的速度中心值为-22.81～-24.70 m·s-1，其旋转速度为21.46～23.2 m·s-1，属于强中气旋。14日22:00—23:00，黑湾河区域小时雨强达100 mm以上，黑湾河自动站雨量达到109 mm。可见强中气旋的发展及维持，其右侧气压梯度力最大区域上升气流发展，利于短时强降水的发生和维持。

图8 2015年5月14日20:53—23:11垂直风廓线图(单位：m·s-1)

图9 2015年5月14日多时刻多仰角风暴径向速度图(单位：m·s-1)(a)21:30(2.4°)，(b)21:50 (2.4°)，(c)21:57(4.3°)，(d)21:57 (1.5°)

5 结 论

(1)此次暴雨天气过程是在500 hPa高空槽东移加深、与中低层低涡切变及地面弱冷空气共同作用下产生；低空西南急流的建立为暴雨的形成提供了良好的水汽条件及能量基础；同时西南暖湿气流受地面东北冷空气流及梵净山地形阻挡作用下，气流被迫抬升，这对局地特大暴雨的形成起到一定的触发作用。在不稳定的大气环流背景下，对流有效位能(CAPE)值的突增是对流暴雨发生的一个重要指标。

(2)在弱的500 hPa引导气流及弱垂直风切变环境背景下，对流回波呈块状且在黑湾河境内停滞少动，云体逐渐发展深厚，使得局地特大暴雨发生。

(3)从垂直风廓线上可以看到，中高层转为槽后的西风或偏西北风，低层仍处于槽前或辐合切变线前的强西南急流的不稳定环流天气系统形势下，利于铜仁强对流天气的发生。

(4)垂直液态水含量的突然跃增并继续增大可作为预测未来短时强降雨出现的可能，当>33 kg·m-2的垂直液态水含量值持续维持时，利于短时强降雨发生。

(5)暴雨区附近长时间维持中气旋，其右侧气压梯度力最大区域上升气流发展，利于短时强降水的发生和维持。

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Analysis of Radar Echo Features of a Local Torrential Rain in Fanjing Mountain

YANG Qun, CHEN Guanqing, FANG Biao, AN Xiang, CHEN Fangyuan, MAO Haixiang

(TongrenMeteorologicalBureauofGuizhouProvince,Tongren554300,China)

Based on new generation Doppler weather radar data of Tongren and the sounding data of Guiyang and Huaihua, a local torrential rain occurring in east side of Fanjing Mountain from 21:00 on 14 to 02:00 on 15 May 2015 was analyzed. The results show that the integrated effect of the trough deepening southward in upper level, low vortex shear line in the low and middle level and the weak cold air of ground layer caused this torrential rain. Near surface layer, the warm and wet air moving north was blocked by the northeast reflux cold air and Fanjing Mountain and forced to uplift, which made the convection echo maintain and caused the torrential rain. At the same time, the sudden increase of CAPE value could be an important index of convective storm. The precipitation echo top extending more higher and the deep cloud were the main features of the convective storm cloud. The vertical liquid water increasing abruptly and high VIL content for a long time to maintain，this can be used as a short-term strong precipitation forecast warning reference .The higher stretching height of stronger echo and the development and maintenance of strong meso-cyclone provided the favorable dynamic condition for the appearance of this local torrential rain.

torrential rain; vertical wind shear; meso-cyclone

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0820

2015-11-05 ；改回日期：2016-01-19

贵州省气象局气象科技开放研究基金(黔气科合KF[2015] 05号)、中国气象局预报员专项(CMAYBY2015-069)、西南区域重大科研业务项目(2014-3)、西南区域强降水创新团队和黔科合[2016]支撑2813项目共同资助

杨群(1983-)，女，工程师，主要从事短期、短临天气预报工作.E-mail：315314378@qq.com

1006-7639(2016)-05-0820-08 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0820

P458.1+21.1

A

杨 群，陈关清，方 标，等.梵净山一次局地特大暴雨雷达回波特征分析[J].干旱气象，2016，34(5)：820-827, [YANG Qun, CHEN Guanqing, FANG Biao, et al. Analysis of Radar Echo Features of a Local Torrential Rain in Fanjing Mountain[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):820-827],