新型观测数据在东莞一次大暴雨过程中的综合应用

冼星河，张 玮，陈楚梦

(广东省东莞市气象局，广东 东莞 523000)

引言

华南前汛期(4—6 月)期间，冷空气减弱，西南季风逐渐加强，常出现暴雨甚至大暴雨，往往造成一定的社会经济及人员安全影响。研究暴雨的发生发展规律至关重要，我国的气象工作人员对此做了大量的研究工作［1-7］。张劲梅［4］等人研究东莞大暴雨形势，发现浅薄冷空气的触发是关键，在充足的水汽条件下可触发大暴雨；黄巾旗［6］认为地面辐合线及强烈的上升运动对暴雨有触发作用；邹德龙［7］和周芯玉［8］利用风廓线雷达研究强降水，表明垂直风切变和低空急流对其发生发展具有指示作用；蔡奕萍［9］发现东莞多通道微波辐射计中的综合水汽含量和对流有效位能在强降水发生前会出现激增现象。东莞每年前汛期发生大暴雨的次数虽然仅有几次，特别是全市性范围的大暴雨次数罕见，但分析前汛期大暴雨发生的环流特征，并利用各种监测手段进行短临监测，是日常预报预警业务的重要工作。尝试分析发生在2019 年6 月10 日龙舟水期间的一次全市性大暴雨过程的新型观测设备提供的高分辨率资料变化特征，提炼新型观测设备资料综合应用指标，为前汛期东莞大暴雨的短期和短临预报提供一些参考。

1 资料

使用的资料包括常规气象观测资料、区域自动气象站资料、风廓线雷达、微波辐射计资料。

2 大暴雨过程特点

2019 年6 月10 日，东莞出现一轮大暴雨过程，为该年度最强降雨过程，10 日08 时至11 日08 时共17 个镇(街)的29 个站点录得超过100mm 降水，最大为寮步镇146.8mm，40 个站点小时雨强大于50mm，最大为大朗镇95.2mm。降水集中高效，时间长达3.5h，伴有大范围8 级大风。

3 大暴雨形成的天气形势背景分析

3.1 大尺度环流特征

6 月10 日08 时，华南处于南亚高压东侧扇形辐散区，有利于高空抽吸辐散，500hPa 高空槽东南压影响粤东北，850hPa 切变线位于两广以北，印度-南海西南季风建立，低层有暖脊自北部湾北伸至珠江口，地面有浅薄冷空气自粤东北沿着粤中东部入侵，是一次季风北涌及弱冷空气共同触发的大暴雨，冷空气入侵后，降水停止。

3.2 水汽条件及稳定度条件分析

选择东莞上游100km 左右清远站的10 日08时探空资料，用东莞11 时(强天气12 时发生)的地面温度、露点温度替换08 时探空数据，得到发生强天气前的探空曲线。对比9 日20 时发现，10 日08时地面到850hPa 的温度露点差减小，至08 时均小于4℃，925hPa 以下比湿有2g·kg-1左右的增幅，显示低层水汽条件变好，为大暴雨提供充足水汽条件。抬升凝结高度(979.6hPa)、对流凝结高度(969hPa)和自由对流高度(959.6hPa)均较低，接近地面。6 日起，华南连续一周最高气温33℃以上，积累大量不稳定能量，对流有效位能(3199.2J·kg-1)和K 指数(40℃)高，这些都表明10 日清远及周边处于极不稳定状态，一旦有弱的触发条件，强天气就会发生。

4 强降水的触发及维持机制

利用新型地面自动站资料绘制地面流场、散度场、温度场及温度平流场。6 月10 日11—13 时，弱冷空气从粤北自增城渗透南压，形成25℃冷中心(图1a)，触发零散降水回波，雨滴冲击地面形成辐散的偏北风场，与珠江口的西南风在白云及东莞北对峙，形成中尺度辐合线，降水后侧冷池维持，与白云的34℃暖中心及东莞北32℃的暖中心构成强水平温度梯度，降水发生在辐合线及温度梯度密集带；14 时，白云区的温度梯度最大，冷暖中心差8℃，触发新降雨回波(图1b)；15—16 时，降雨回波沿着水平温度梯度密集带东南移动影响东莞，第一波降雨触发，录得50～70mm 的雨量。

6 月10 日16 时，一飑线东移至佛山，后侧有-20k·s-1的冷平流，温度梯度8℃·(50km)-1，强降水出现在温度梯度最大处，冷池驱动其向东南移动(图1c)；雷达显示飑线与影响东莞的降雨回波并未相连，但在地面上，两者的中尺度辐合线及温度梯度密集区已经合并，呈“人字形”分布，东莞为三支气流汇合区，辐合强度-6×10-5s-1(图1d)；17 时，辐合线东移影响东莞，冷暖平流对峙激烈，温度平流-15k·s-1，飑线的温度平流-20k·s-1，雷达图显示(图略)该“人字形”流场对应飑线及东莞强降雨中心，东莞触发第二波降雨，小时雨量为88.6mm。两条辐合线的“碰撞”现象，有利于触发新对流［6］，在交汇附近区域新生的对流单体使后续降水强度继续维持和发展。

图1 6 月10 日12 时(a)及14 时(b)地面温度场及温度平流场(填色，k·s-1)，16 时地面流场、散度场(c)(10－5·s-1)、地面温度(t)、温度平流场(d)

5 风廓线雷达特征

5.1 低空急流和超低空急流与强降水的演变特征

低空急流和超低空急流被认为是强降雨形成及维持的条件。由于东莞无风廓线雷达，故以40km 外的增城站为参考。由图2 可知，10 日01 时至10 时，850hpa 有低空急流，波动上升，925hPa 未达急流强度，波动下降，10 时，850hPa 低空急流达峰值19.5m·s-1，925hPa 风速达最小值6.2m·s-1，增城降水开始，但小时雨强不足5mm；此后850hPa 低空急流迅速减弱，925hPa 风速波动增强，后者11 时达急流强度，11—12 时增城降水持续，小时雨强仍不足10mm；13 时，850hPa 风速减弱至6.7m·s-1，925hPa风速达峰值15.4m·s-1，增城出现小时雨强24.2mm降水；14—17 时降水减弱，雨强不足5mm，850hPa及925hPa 风速维持急流强度以下。两者在强降水开始前，呈负相关关系，前者在降水开始前最强，在强降水开始前最弱，后者则相反，当强降水结束后，两者的变化趋势一致；850hPa 低空急流在强降水开始2h 前强度最大，维持6h 以上，长时间持续的低空急流意味着强降水的出现，此后动量下传，使低层风速增强，超低空急流建立和增强，引起低空扰动加强，低层垂直风切变加强，为暴雨提供有利的动力条件。925hPa 风速在强降水发生2h 开始增大，数值跃升时，强降水出现。850hPa 低空急流变化特征与王彦［10］等研究结论基本一致，其在强降水开始前高度下降的特征则与周芯玉等［8］研究结论一致。

图2 6 月10 日06 时至11 日22 时增城风廓线雷达850hPa、925hPa 风速(m·s-1)及东莞小时雨强(mm)随时间(h)变化

5.2 垂直风切变与强降水的演变特征

应用风廓线雷达资料计算相对地面的0～3km及0～6km 的垂直风切变(图3)，分析强降水发生前的环境风场特征。10 时降雨开始前，0～3km 风切变波动上涨，到10 时达峰值18m·s-1，0～6km 在10 时达峰值25.7m·s-1；10—12 时增城小雨，0～3km 风切变减弱，0～6km 风切变在11 时减弱后激增，到13 时增城强降水时，前者稳定在低值，而后者达到小峰值14.9m·s-1，强的垂直风切变可以使上升气流倾斜，减少降水粒子的拖曳作用，亦加强中层干冷空气的卷入，使下沉气流和低层冷空气外流增强，迫使流入的暖湿气流强烈抬升，在降雨开始前低空垂直风切变达中等强度，满足对流风暴维持、发展的环境风条件，在强降雨开始前2h 达峰值，对强降雨的发生发展有指示作用。

图3 6 月10 日06 时至11 日22 时增城风廓线雷达0～3km(m)、0～6km(m)及东莞小时雨强(mm)随时间(h)变化

6 微波辐射计特征

6.1 综合水汽含量演变特征

多通道微波辐射计已广泛应用于各领域，并取得显著的效果［11-14］。本节从对流有效位能(CAPE)及综合水汽含量IWV 两方面分析。10 日东莞站共出现4 次降雨：第一次12 时20 分，小阵雨；第二次13时35 分，小阵雨；第三次14 时45 分，小阵雨持续至第四次15 时40 分，累计大雨。

综合水汽含量(IWV)表示单位面积上的水汽质量，直观反映大气中水汽状态。降水开始前，大气水汽含量明显波动，云液态水含量明显增加，对降水发生有指示意义，可用于判断云系是否处于降水产生阶段，对暴雨的监测十分有利。分析发现(图4)，10日的IWV 充沛，峰值87.1kg·m-2，属于较为极端的水汽条件［15］。IWV 在首次降水开始前2h 小幅增大，在20min 前迅速增大，增幅14kg·m-2，降水发生在IWV 快速增长的波峰上。此后三次降雨前IWV 均下降，但维持高值状态，这是由于在降水结束后出现天线附着水及空气湿度大等问题，易导致数据失真，这种影响完全消除需要4～6h 的时间［16］，过程4 次降雨相隔均小于4h，可判断为同一次过程，所以微波辐射计的综合水汽含量指数仅对首次降雨有指示作用，提前20min 的数值增长具有参考性，与蔡奕萍等［9］研究的结论相似。

图4 10 日东莞国家基本站微波辐射计IWV 值日变化

6.2 有效位能演变特征

对流有效位能CAPE 表征大气稳定度，反映不稳定潜势能量的大小，数值越大代表强对流越容易发展。分析东莞10 日CAPE 值随时间演变特征(图5)，08 时从最低1140J·kg-1持续上涨，能量聚集，临近降雨前15min 达峰值2300J·kg-1，增幅1000J·kg-1，此后急剧下降，降水出现，表明对流发生前能量有部分释放，降水结束后迅速回落至较低水平，能量大量释放，第2 至4 次的降水均有上述现象，CAPE 值提前15～25min 出现峰值。4 次雷雨前，其峰值基本都高于2000J·kg-1，属中等偏强对流不稳定，较强的CAPE 值有利于气块加速通过暖云层，降水历时短而急，与10 日小时雨强大并伴有大风的特点吻合，对短时强降水及强对流的发生有指示作用。

图5 10 日东莞国家基本站微波辐射计CAPE 值日变化

7 结论

(1) 大暴雨发生在前期高温、高层强辐散形势中，低层有西南风急流，水汽充沛，利于出现强降水，低层浅薄冷空气入侵激发前期不稳定能量，东莞出现大暴雨及短时大风。

(2) 弱冷空气触发降水，雷雨的偏北出流与珠江口的西南风对峙形成中尺度辐合线，冷池驱动第一波降水；飑线与地面辐合线合并，冷暖平流对峙，交汇区新生的对流单体使后续降水强度维持和发展，东莞触发第二波降雨。

(3) 风廓线雷达分析发现850hPa 低空急流在强降水开始2h 前最强，长时间持续的低空急流意味着强降水的出现，925hPa 风速在强降水发生2h 开始增大，数值跃升时，强降水出现；低层垂直风切变在强降雨开始前2h 达峰值，满足对流风暴维持、发展的环境风条件，对强降雨的发生发展有指示作用；

(4) 微波辐射计的综合水汽含量指数仅对首次降雨有指示作用，提前20min 的数值增长具有参考性；CAPE 值提前15～25min 出现峰值，其峰值基本高于2000J·kg-1，属中等偏强对流不稳定，对强天气的发生有指示作用。