非常规探测资料在一次非典型暴雨过程中的应用

林 辉，黄奕丹，许军辉，程晶晶

（1.漳州市气象局，福建 漳州 363000；2.平和县气象局，福建 漳州 363700）

引言

漳州市地处福建省南部，地形地貌复杂，强对流天气多发，局地性强，预报难度较大，加上常规探空资料时空分辨率低，难以对中尺度天气特征演变进行深入探究。随着气象观测技术的进步，新一代天气雷达、风廓线雷达及微波辐射计等非常规探测资料已经成为研究强降水发生发展的有效手段，特别是风廓线雷达和微波辐射计资料的使用能够构建测站上空实时的大气风场和温湿度层结，极大弥补了常规探空资料时间分辨率低的问题，有较好的应用前景［1-3］。徐灵芝等［4］利用非常规资料分析了天津沿海一次暴雨过程，结果表明云液态水含量的跃增与地面降水增强有直接关系，并且风廓线雷达能够捕捉到对暴雨具有指示意义的信号。崔雅琴等［5］将多种非常规探测资料应用到短时强降水过程中，分析了各种资料的演变特征并结合判断对流天气的各层物理量变化。庄毅斌等［6］结合多源资料分析漳州一次中尺度暴雨过程发现风廓线水平风场演变对降水强度和持续时间具有较好的反馈，而垂直速度对降水的开始、加强和减弱的时间段具有指示作用。

综上所述，不少学者已经陆续开展了非常规探测资料在典型暴雨和强降水过程中的应用研究，但是对于非典型天气系统下，特别是副高系统控制下的暴雨过程还鲜有分析与探讨。本文基于地面加密自动站资料，结合多普勒天气雷达、风廓线雷达、微波辐射计等资料，对2020 年9 月19 日发生在漳州的一次非典型暴雨过程进行分析和研究，探索非常规探测资料在此类强天气预报业务中应用可行性，弥补常规预报手段的不足。

1 天气实况及环流形势背景

2020 年9 月19 日漳州市出现了一次大暴雨过程，此次过程具有累积雨量大、小时雨强大、降水效率高等特点。统计19 日08 时至20 日08 时，漳州市共有55 个自动站雨量超过50mm，8 个自动站超过100mm，最大累积雨量为华安沙建镇的183mm。分析漳州地区本次过程的地面自动站逐时降水量可知，降水从午后17 时开始持续到20 日04 时，可分为两个时段。第一时段17—20 时，主要在平和、云霄等中南部地区，第二时段20 时至次日03 时，集中在中北部地区，同时也是此次过程的最强降水时段，7小时有16 个自动站雨强超过50mm，最大1h 雨量为85mm，出现在19 日23 时的华安县沙建镇。

利用欧洲中心提供的ERA5（0.25°×0.25°）逐小时再分析资料，绘制当天的环流形势如图1 所示，19日08 时，500hPa 在30°N 以南为强大的带状副高控制，漳州市位于高度大于592dgpm 副高脊线附近，下沉气流较强，总体上抑制对流发展，且高空槽位置偏北，引导气流较弱；低层700hPa 和850hPa 为偏南气流影响，利于水汽输送且湿度较大；925hPa 为偏东风，广东省到福建省中西部地区有明显切变线维持且具有弱水汽通量辐合，此时冷空气暂未明显南下渗透；分析附近厦门站08 时探空发现，整层大气温湿廓线垂直分布有上干下湿的结构，假相当位温在850hPa 以下随高度减小，850hPa 以上基本保持不变，同时Cape 值和K 值均较小，分别为809J·kg-1和29.3℃，表明此时整层大气处于相对稳定状态。到了20 时，500hPa 高空槽东移，槽底逐渐南压，副高有所东退，漳州市高空转为偏北风利于引导冷空气南下；700hPa 转为偏西风，850hPa 则维持偏南气流，切变位于福建省中北部；925hPa 逐渐转为偏东到东北风，且具有明显的冷平流，表明冷空气从沿海一带加强渗透，水汽通量在西北部地区具有较强的辐合；从厦门20 时探空来看，湿层更加深厚有利于降水的持续，假相当位温随高度减小也表明了大气层较不稳定，Cape 值增长至1430.3J·kg-1，K 值也达到36.5℃，零度层高度约为5.3km，暖云深厚，表明后续出现强降水的可能性增大。

图1 2020 年9 月19 日500hPa 高度场（红实线）、850hPa 风场（风羽）及925hPa 水汽通量散度（阴影）分析

综合以上分析，此次过程并非典型天气系统引发，高空槽快速东移引导冷空气南下，在低层与偏南暖湿气流交汇并持续对峙是暴雨形成的主要原因。

2 雷达回波特征

2.1 回波演变特征

此次过程主要有两个降水时段，第一个时段降水落区主要分布在平和等中南部地区，本文将在第三节结合平和非常规探测资料着重分析。第二个时段降水落区则分布在华安等中北部地区，也是本节的分析重点。图2 是9 月19 日19 时到20 日03 时龙岩雷达站组合反射率的演变过程。

从图2 中可以看出，第一时段的降水在19 时趋于结束，强回波主要位于平和、南靖境内并逐渐移出我市进入龙岩境内，同时北部地区的强回波成块状发展，但发展范围较小，强度不大。到了20 时，华安、长泰境内的回波并未快速发展，而是维持小块状，此时地面降水以分散性小雨为主。21 时后我市与龙岩、泉州交界处开始有较强的对流回波发展，龙岩境内回波向东北缓慢移动进入华安，而泉州境内的回波则稳定少动，同时后部的沙建镇等地区不断有新的对流回波生成与其连成片状。随后22 时，两条带状回波逐渐加强合并进入华安境内，到了23 时形成一条明显强回波雨带，回波强度普遍达到40dBz，最强回波中心达55dBz 出现在沙建镇，地面降水效率也在此时段达到最大（沙建镇85.0mm·h-1），此后带状回波东移南压，在漳州市区、南靖、长泰等地维持了较高的降水强度。直到20 日02 时，回波开始出现松散，40dBz 以上面积不断减小，强降水趋于结束。

图2 2019 年9 月19 日19 时到20 日03 时龙岩雷达站组合反射率（单位：dBz）

2.2 回波剖面结构

郝莹等［7］研究表明，强降水雷达回波可分为有低质心结构和高质心结构两类，且两者的降水特征存在明显差异。判断雷达回波质心结构，最有效手段是雷达剖面图，因此有必要对此次过程的雷达回波剖面展开分析。

从此次过程最强回波中心的剖面结构（图3）看，此次过程回波整体发展不高，最强回波的中心高度只达到4.5km 左右且不存在强回波悬垂，50dBz 高度均在4km 以下，故此次过程成熟阶段回波的垂直结构呈现出低质心暖云降水的特点，这是降水效率高的主要原因。

图3 2020 年9 月19 日23 时15 分强回波地区雷达剖面图（单位：dBz）

3 非常规探测资料融合应用

目前，平和是漳州市唯一同时布设风廓线雷达和微波辐射计的观测站，且本次过程的第一个明显降水时段主要分布在平和等中南部地区，故此节主要分析平和风廓线雷达和微波辐射计资料在降水前后的演变特征。

3.1 风廓线雷达资料分析

已有的研究表明［8］，风廓线雷达资料可以相对连续地反映测站上空风场的演变特征，对天气的演变过程具有较为直观的指示意义。图4（a）为此次降水过程的水平风场随时间和高度的变化，从图中可以看出，高层在降水发生前以偏西气流为主，中低层主要由西南风控制。从时间单点看，降水发生前15∶30开始，低层风向逐渐转为偏东风并且随高度逆时针变化，说明此时测站上空存在冷平流，中高层也有风向随高度顺时针变化的趋势，也为即将发生的降水提供一定的动力条件。到了16∶30 降水开始时，中高层由西南风逐渐转为西北风表明850～700hPa 高度上有高空槽过境，低层基本维持偏东风且风速持续增大，利于水汽的持续输送，此后降水持续了两个多小时，最大雨强也达到29.8mm。19∶30 之后，低层偏东风减弱并逐渐转为偏南到西南风，同时中高层风速不断减小并转为偏北风，不利于降水的维持，随后降水也减弱并趋于结束。图4（b）是垂直风速随时间高度分布图，需要说明的是福建省风廓线雷达定义垂直风向下为正，向上为负。从图中可以看出在降水发生前2 个小时，测站上空垂直速度为-0.8m·s-1，说明此期间具有一定的上升气流，16∶30 垂直速度逐渐增大到2.6m·s-1，预示着有较强降水发生。在17∶30～19∶30 期间，垂直速度出现一个大值区且正速度的高度也达到最高达到6km 左右，此时地面降水也逐渐增大并维持了一段时间。到了20∶00 后正速度也落到2.5km 以下且明显减小，此时降水也基本结束。以上分析也表明了垂直速度的大小及方向与降水的开始和结束相对应，可作为日常对强降水的预报的补充依据。

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图4 平和风廓线雷达9 月19 日12 时—24 时风场演变（单位：m·s-1）

3.2 微波辐射计资料分析

3.2.1 温湿廓线演变特征

温湿廓线分布是微波辐射计的主要探测产品，它能反映探测范围内各层大气温度、湿度随时间的变化，在日常观测中具有重要作用。图5 是此次过程中平和县本站的探测结果。从5（a）可知，1.5km 以下温度从午后开始有明显增温趋势，而1.5km 的变化较为平缓，这为降水的产生提供了有利的热力条件。16∶30 开始温度出现了明显下降的过程，表明此时已经有较为明显的下沉气流产生，随后降水产生。图5（b）从湿度廓线可以看出午后开始，中层大气有一个湿度极值区，同时低层湿度相对较小。降水发生前一个小时，本站上空低层相对湿度显著增大且中高层湿度急速减小呈现出“上干下湿”的结构，在16∶35达到干、湿中心达到峰值，而后降水开始产生，并且这样湿度结构有利降水持续。到了20∶00 测站上空的大气的温湿分布相对平衡，不再有明显的突变过程，这也与地面降水分布相吻合。

3.2.2 液态水含量与地面降水量分布

对流云团的液水分布常呈现不均匀，一旦云中不均匀的液水开始合并下落后，整层液态水的含量将会跃增，地面降水随之产生［4］。图6 是此次过程平和测站垂直液态水含量及地面降水分布的演变情况。

由图6（a）可知，垂直液态水含量从19 日早晨开始，没有出现明显变化，直到16∶00 开始出现了明显跃增，并在16∶37 达到了极值12.6mm，随后的半小时地面产生了7.5mm 的降水，图6（b）所示。之后的两小时，液态水含量都维持在较高的10.0mm，地面降水也在17∶00～18∶00 出现了29.8mm 的降水极值，19∶00 后，液态水含量逐渐减小，地面降水也随之弱化，转为零星小雨。由此可见，微波辐射计资料中的垂直液态水含量与地面降水分布趋势吻合，并且具有半小时左右的提前量，对降水预报具有重要指示意义。

图5 平和微波辐射计9 月19 日12 时—24 时温湿度廓线

图6 19 日05 时至20 日05 时（a）平和测站垂直液态水含量与（b）地面降水分布情况（单位：mm）

4 结论

利用地面加密自动站、多普勒天气雷达、风廓线雷达、微波辐射计等非常规探测资料，对2020 年9月19 日发生在漳州的一次非典型暴雨过程进行分析和研究，得到以下结论：

（1）高空槽东移引导冷空气快速南下，在低层与偏南暖湿气流交汇并持续对峙，低层偏东风持续的水汽输送，不稳定能量聚集为此次暴雨过程提供良好的环流背景，同时零度层高度达到5.3km，暖云深厚，利于强降水的发生。

（2）在主要降水时段，华安北部地区对流发展稳定少动，龙岩境内的强回波持续先偏东方向移动与其合并，雷达组合反射率因子40dBz 以上强度的水平范围大，且50～55dBz 的回波伸展高度约为4.5km，在垂直结构上，强反射率因子表现为低质心型，降水效率高。

（3）风廓线雷达和微波辐射计资料能够建立测站上空实时连续的风场及温湿度层结的演变特征，弥补常规探空时间分辨率低的不足，水平风随时间和高度的演变能直观反映出测站上空的中尺度天气系统情况，降水前为偏西到西南风，降水后转为偏东风，垂直风速的变化跟地面降水的开始、持续时间、结束等具有较强的相关性，由降水开始前的-0.8m·s-1变为2.6m·s-1并逐渐减小，对强降水预报具有指示意义；微波辐射计的温湿度廓线直观反映降水前后测站上空的温湿层结，降水发生前后低层由增温增湿变为温湿分布均匀稳定，垂直液态水含量在降水发生前30min 开始跃增，最大达到12.6mm，对强降水的发生具有较好的提前量。