陕西关中地区一次突发性暴雨的雷达回波特征分析

刘 帆，高 萌，谢逸雯，王瑾婷，王 英

（咸阳市气象局，陕西 咸阳712000）

暴雨的发生多数是中小尺度系统直接造成的。陕西位于我国内陆腹地，是我国冷暖空气的交汇地，也是我国暴雨多发地区之一。而陕西突发性暴雨由于其历时短、强度大、面积小的特点，给人民生产和生活带来严重的影响，造成的洪涝灾害也相当严重。

国内外很多研究发现中小尺度系统是短时暴雨发生的主要原因[1-4]，也有学者认为对流不稳定和对称不稳定（即混合型不稳定），配合低层充足的水汽条件，也可能会引发强降水[5-14]。近年来，许多陕西气象工作者研究发现，造成陕西夏季短时局地强降水的条件是有利于触发中小尺度系统发生及其发展[4]，而秋季连阴雨过程中也多出现暴雨，主要是受西风带短波槽及西南涡东移与西太平洋副热带高压西侧的东南暖湿气流交汇产生[15，16]。

随着多普勒雷达在中尺度对流系统监测方面的发展，许多学者对暴雨的雷达回波形态、结构特征及其在强对流预报中的应用等方面做了大量研究。国外学者很早就发现30 dBz雷达回波达到-20℃高度层之后5分钟将会发生闪电放电过程[17]，在-10℃高度，连续2个雷达体扫的反射率都达到40 dBz对雷电预报有很好的指示意义[18]。王福侠等[19]发现β中尺度辐合线、β中尺度辐合、γ中尺度辐合、高空急流和深厚持久的低空急流是河北中南部暴雨的主要雷达径向速度特征。徐双柱等[20]认为≥45 dBz的强回波区或回波带与强降水区对应。纪晓玲等[21]发现逆风区与强降水的发生有很好的对应关系，且逆风区出现的时间相对强降水发生提前了20~30 min。但是，对于西北地区夏季短时暴雨的雷达回波特征分析研究不多。

2016年7月18日陕西省关中地区出现了短时暴雨，并伴有强烈的雷电天气，暴雨范围大，庄稼被毁、城市内涝，对关中地区造成严重的经济损失。本文利用西安的多普勒雷达探测的回波资料，对此次暴雨的成因和雷达回波特征进行了详细分析，旨在寻找关中地区暴雨易发的雷达回波特征指标，提高短时暴雨预报、监测能力，并为人工影响天气提供可靠依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

本文研究区域为陕西省关中平原地区，位于106°18′～110°38′E，33°35′～35°52′N；平均海拔 520 m，介于陕北高原与秦巴山脉之间，包括宝鸡、咸阳、西安、铜川、渭南等5个市及杨凌示范区；属于大陆性季风气候，年平均气温10.0～13.6℃，干湿季节分明，雨热同季，多年平均降水量在550～700 mm，年降水的地理分布有显著差异，西部降水多于东部，北部多于南部。

陕西关中盆地处于少暴雨区，且区域性暴雨发生概率较低；关中暴雨大多表现为夜雨型，常发生在7月到9月上旬；关中暴雨的主要特点为：历时短、强度大、面积小。

1.2 资料来源

本文所采用的气象资料为研究区域内46个自动气象站（图1）逐时、逐十分钟降水量、温度、气压、风速等数据，NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料，雷达资料为西安新一代多普勒天气雷达CINRAD/SA雷达产品，包括 5 个仰角（分别为 0.5°、1.5°、2.4°和 3.4°）的基本反射率因子、对应各层径向速度、回波顶高和垂直累积液态水含量等。

2 天气概况

2.1 空间分布

7月18日08时—19日08时关中地区累积降水见图1，可以看出，除关中东南部为中雨外，其余地区均达到大雨量级，其中19站出现了暴雨。西南部和东北部有两处强降水带，中心雨量在80 mm以上，分别位于岐山（80.7 mm）和澄城（91.5 mm）。此次降水范围大，降水相对分散，西南部地区降水持续时间长、强度变化大、小时雨强大；中部地区降水持续时间长、强度变化小、小时雨强小；而东部降水则表现为持续时间短、强度变化大，短时雨强大等强对流降水特点。

图1 关中地区区域自动站和18日08时—19日08时累积降水量分布

2.2 时间分布

从降水时序分布来看，西部降水主要集中在18日16—23时，东部降水主要集中在19日05—08时。其中，扶风的强降水时段在18日19—22时，3 h累积降水量达到56.2 mm；武功的强降水时段在21—23时，3 h累积降水量为63.5 mm，其中最大瞬时雨强达到了40.5 mm（21时）；澄城的主要降水时段在19日06—08时，3 h降水量达到了73.6 mm，其中最大瞬时雨强为58.6 mm（19日07时）（图2）。

图2 扶风、武功、澄城7月18日16时—19日08时逐小时降水量

3 环境条件

3.1 大尺度环流形势与影响系统

此次暴雨是在大、中尺度天气系统和高、中纬环流相互作用的背景下产生的，影响此次暴雨的主要因子有西太平洋副热带高压、西北路弱冷空气、切变线、偏南和偏东风急流等。

强降水发生前2016年7月18日08时（图3a），500 hPa上亚洲中高纬呈两槽一脊形势，高空槽东移，冷空气下滑，表明有干空气从中高层入侵；584 dagpm线控制30°N以南并逐渐北抬，西脊点（34°N，109°E）位于陕西东南部，其西部的西南风有利于水汽输送、汇集以及不稳定能量的聚集和释放；河套东部至四川为深厚的低槽区，其南北长度约10个纬距，关中处于低槽前侧西南气流中。700 hPa上，从孟加拉湾经云贵地区、重庆至陕西关中地区，打开了水汽输送通道，在甘肃与陕西交界处有显著的西北—偏南向风切变，表明低层有利于暖湿气流的水平辐合；700 hPa的偏南急流和850 hPa的东风急流向关中地区输送明显的热量和水汽，有利于暴雨发生前不稳定层结的建立。地面上四川盆地维持西南涡，关中、陕南是显著的西北—东南向风向辐合，关中西部存在干线，有一定的不稳定条件。这种高低空的配置形成了大气的不稳定，有利于垂直上升运动的迅速发展。

14时（图3b），500 hPa高空槽东移加强，随着高层冷空气下滑，副热带高压缓慢东移，低空急流加强，在关中西部形成了冷暖空气交绥，高空槽、低空急流和关中西部切变线配合产生对流云团，出现短时强降水。

3.2 水汽和动力条件

水汽条件是强降水发生的先决条件。此次降水的水汽输送最强的位置主要集中在850~700 hPa。从强降水前期18日08时850 hPa的水汽通量矢量来看（图4a），水汽的主要来源和路径是孟加拉湾的水汽经云贵地区、重庆到陕西与甘肃交界处，东海的水汽也经江苏、合肥、郑州至关中和陕南西部。两股水汽与西北路干空气在甘肃东部和关中西部交汇辐合，辐合中心值为-2 g/（cm·hPa·s），此时水汽通量中心强度达12 g/（cm·hPa·s）。

到18日14时，水汽输送路径保持不变，但水汽通量中心强度明显增强，辐合区东移至关中西北部，与暴雨落区对应（图4b）。

从暴雨区（34°N）垂直速度的高度—经度垂直剖面（图5）可以看出，强降水发生前期18日08时关中暴雨区处于垂直上升运动的东侧，到14时垂直上升运动区东移，范围扩大，强度增强，关中西部已经处于强烈的垂直上升区，东西跨越500 km左右，中心强度达2 Pa/s，位于700~500 hPa，1.0 Pa/s的上升速度区在高空伸展至300 hPa；强上升运动区东部为宽厚的下沉运动区，中心位置略低（750 hPa），中心强度为3.0 Pa/s。

图3 7月18日08时、14时500 hPa高度（等值线，单位：dagpm）和700 hPa风场

图4 7月18日08（a）和14时（b）850 hPa水汽通量和水汽通量散度（阴影）

图5 7月18日14时垂直速度沿34°N纬向剖面

4 多普勒雷达特征分析

此次降水过程为大片层状云稳定降水回波中夹杂有少量积状云对流降水回波，积云降水范围小，且对流性相对明显。

4.1 基本反射率与径向速度产品

从降水过程中反射率因子和径向速度图演变来看（图6），18日8：02宝鸡西部开始出现层云降水回波，最大回波为35～40 dBz；之后回波不断扩大、加强，整体回波移动缓慢，以50 km/h的速度向东北方向移动；到12：45降水回波尺度扩大到宝鸡整市、咸阳北部和铜川，最大反射率为43 dBz，出现在麟游北部（红圈内）；平均径向速度图上的零速度线呈“S”型，风向随高度不断增强且顺时针旋转，雷达处为东北风，表明有暖平流，有利于降水的发生。此时关中西部地区开始出现稳定降水，小时降水量在2 mm左右。

16：47在大片的20～40 dBz层云降水回波中出现了45～50 dBz的对流降水回波（图6中A处），回波顶高为8 km，但强回波高度中心高度较低，超过35 dBz的回波高度在2～7 km，最强回波中心（45～55 dBz）高度在 2～4 km，回波质心低，且此时对流回波处（3.8 km左右高度）已有逆风区存在（白圈内），扶风西部低层小范围负速度区被大面积入流速度区所包围，风速在7 m/s左右，逆风区维持了一个多小时，之后与大片正速度区合并，而扶风的较强降水天气在18时之后产生。

18：02此对流云团发展至最旺盛，中心强度达到55～60 dBz，对流云团A已经发展分裂为2个单体，以10 km/h的速度移至扶风境内，A2对流云团对应径向速度图上又出现了小范围的逆风区（4.2 km左右高度上）。对流云团A西部凤翔又有小片的对流块B生成，范围不断扩大，并缓慢向东北方向移动，中心强度为45～50 dBz，之后逐渐减弱。

19：52对流云团B中心强度范围减小，又移至扶风境内，A、B的相继影响，造成扶风持续3 h的短时强降水；而A范围扩大，移至武功境内，回波顶高达到10 km，最强回波中心（50～55 dBz）高度在6 km以下，回波质心低，径向速度达到12 m/s，20时之后武功出现了强降水。

此次暴雨过程出现的逆风区属于“少动型”[22]，移动速度在10 km/h，该类型逆风区的存在有利于强对流天气发生，逆风区与强降水中心区是对应的，且逆风区与强回波中心位置相对应，也有利于强回波的维持或加强，这与前人的研究结果一致[23-26]。

4.2 垂直累积液态水含量（VIL）

图 6 12：45、16：47、18：02 和 19：52 雷达 1.5°仰角的反射率因子（单位：dBz）和径向速度图（单位：m/s）

图7 16—22时的对流单体A的组合反射率和VIL的时间演变

对比分析本次强降水过程（16：01—21：59）的对流单体A的组合反射率和垂直液态水含量的时间演变图（图7），发现VIL与组合反射率的变化趋势基本一致，但振荡更明显，VIL达到峰值再回落至低值，可能是由于强降水和破坏性大风的的发生[27]。在17：16出现第一次跃增，从17 kg/m2增加至25 kg/m2，但只持续了一个体扫，出现在扶风境内，该对流单体组合反射率中心强度为58 dBz，回波顶高为8 km。第二次跃增出现在18：19，VIL值从13 kg/m2增加至23 kg/m2，小幅震荡了3个体扫后减弱至13 kg/m2，此时组合反射率因子基本保持在58 dBz，对流单体移动至扶风西南。第三次跃增是在20：03-20：15，持续时间相对较长，VIL值在26 kg/m2左右，对应对流单体为关中西部的单体裂变后不断扩大，反射率因子先减小，移至武功后不断加强，组合反射率因子在58 dBz左右。第四次跃增是在21：24，VIL出现次峰值，为23 kg/m2，此时对流单体扩大增强后移至武功和礼泉交界，对应组合反射率因子为58 dBz，回波顶高为7 km。VIL的大值区与强回波区对应较好。

降水开始时垂直累积液态水含量较小，在1～5 kg/m2，以稳定降水为主，之后对流云产生、发展，VIL值变化很大。从 16：47 开始 VIL 达到 15 kg/m2，17：16时增加至25 kg/m2，只持续了一个体扫，出现在扶风境内，之后维持在20 kg/m2。20：03时VIL在武功境内，增加至 25～30 kg/m2，断续地维持了近 0.5 h，之后降到15～23 kg/m2移除出武功（图8）。20—21时VIL出现了一个峰值，之后武功也出现了40.5 mm的短时强降水。VIL峰值的出现时间与强降水时段对应较好。前人在对强对流天气的预报、跟踪及估测降水也发现了此结论[28]。

图8 降水过程中组合反射率和垂直液态水含量演变

5 结论

本文对2016年7月18日关中一次突发性暴雨天气过程进行分析，得到以下结论：

（1）影响这次暴雨的主要因子有西太平洋副热带高压、西北路弱冷空气、切变线、偏南和偏东风急流等。水汽来源主要是孟加拉湾和东海。

（2）此次过程回波顶高在8～11 km，但强回波高度中心高度较低，最强回波中心（45～55 dBz）高度在6 km以下，属于低质心强降水回波，对预报关中短时强降水明显参考价值。

（3）径向速度图上零速度线呈“S”型、风向辐合和逆风区等特征均有利于短时强降水的发生。逆风区与强降水中心区、强回波中心位置有很好的对应关系，对短时强降水发生有很好的预报作用。

（4）VIL的大值区与强回波区、强降水中心区相对应，当VIL中心值持续在25～30 kg/m2时，可能会出现小时雨强超过20 mm的短时强降水。

本文着眼于短时临近预报的角度，通过环流形势和影响系统判断此次暴雨产生的环境背景，着重分析了此次层积混合对流降水的雷达回波特征，由于暴雨突发性较强，从雷达回波上看不出典型形状特征，但仍能发现逆风区和VIL对短时强降水发生有很好的预报意义。逆风区的强度和厚度与短时强降水的雨强是否有相关性、确定本地区VIL的阈值是否可以区分一般性降水和短时强降水，仍需更多的天气个例进行统计分析，从而更好地为短时临近预报提供参考依据。