X波段双偏振相控阵雷达在2021年夏季2次强降水过程中的应用

汪 莉

许昌市气象局，河南许昌 461000

X波段双偏振相控阵天气雷达专为气象部门、民航部门及其他相关用户设计[1-3]。该雷达采用了数字TR组件、双偏振裂缝天线阵面和多波束信号处理器等先进技术组件，具有速度快、精度高和稳定性好等特点。该雷达具有高时空分辨率的探测能力，可以快速获取对流过程中小尺度结构，探测强对流系统内部的精细结构，能对周边天气进行有效探测和预警，可获取雷达站周围上空天气目标的位置、强度、平均径向速度和速度谱宽等参数，实时监测60 km范围内的强对流天气系统的生成、发展、消散，对中尺 度风暴、暴雨、风切变、冰雹、龙卷、大风等灾害性天气能进行有效的监测和预警，为用户提供及时、精确的气象探测资料[4-5]。

1 2021年7月19—22日许昌持续区域性大暴雨过程

1.1 天气实况

2021年7月17日以来，受副热带高压、黄淮低涡及台风“烟花”远距离影响，许昌市出现持续3 d的区域性大暴雨、局地特大暴雨天气，强降水时段主要集中在19日白天到21日夜间。19日07:00—22日07:00，过程雨量超过500 mm的站点5个，250～500 mm的站点72个，100～250 mm的站点21个（图1）；全市平均降水量达307.8 mm，最大过程降水量禹州庄沟591.6 mm，最大日降水量禹州庄沟411.2 mm，最大小时雨强鄢陵陶城107.6 mm。

图1 2021年7月19—22日许昌市降水实况图

1.2 环流背景分析

1.2.1 天气尺度环流形势500 hPa气压面上（图2），华北地区是典型的“西低东高”暴雨环流形势，同时副高西伸，位置偏北，强度偏强，河南正好位于大陆高压和西太副高之间的低压区，很容易形成低层辐合，高空辐散的配置。17日在两高对峙的背景下，低涡系统在黄淮南部生成，并向西方向缓慢移动，19日08:00移动至南阳桐柏附近，强度有所减弱，但受低涡北部东风倒槽影响，低层河南境内出现东北风、偏东风和东南风辐合[6-8]。这种经典高低空配置促使对流层中上升运动增强，为暴雨的发生创造了有力的动力条件。高层辐散风与低层旋转风的分布也明显反映出这种动力结构。

图2 2021年7月18日20:00 500 hPa高空图

1.2.2 充沛的水汽输送恰逢副高南侧有台风“烟花”相伴，华南地区有台风“查帕卡”登陆。水汽通量分布可明显体看出，台风“烟花”北侧和“查帕卡”东侧气旋性暖湿气流西进北上，合并后携带大量水汽西北向输送至内陆，恰好在河南郑州附近形成强烈水汽辐合区。稳定维持的副高阻挡了台风北上，使得水汽供给稳定维持[9-12]。早在暴雨发生前，副高外围的气流就与双台风环流共同作用，形成的东南暖湿气流中携带了大量水汽，这支暖湿低空急流一路北上，将水汽源源不断地从洋面输送到河南地区，为后续暴雨的发生打开了水汽通道。

1.3 许昌雷达资料分析

从图3可以看出，7月21日02:00～03:00鄢陵陶城最大小时雨强107.6 mm，为有气象记录以来第2极值（2019年8月6日16:00～17:00，禹州山货121.2 mm），并伴有12.6 m/s（6级）的大风。

图3 2021年7月21日00:00～08:00鄢陵陶城站逐小时降水实况图

从陶城站02:00～03:00数据来看，02:30～02:40的 降 水 量 为23.2 mm，02:40～02:50分的降水量为22.7 mm，为最强降水时段，后面的雷达资料分析将重点分析该时段。

回波演变：7月21日01:00开始由多个强回波单体组成的复合体从鄢陵西南方入侵，复合体回波面积较大，回波强度55～60 dBz，并伴有雷电，复合体回波逼近鄢陵南部，有超级单体结构，回波强度60～65 dBz。

从组合反射率看，02:00～03:00鄢陵南部不断有强降水回波经过，从西南方往东北方移动，典型的“列车效应”造成鄢陵南部部分乡镇的短时强降水的出现。03:00以后强降水回波移出鄢陵陶城，降水随之减弱。

强降水回波水平结构：02:00～03:00组合反射率CR为55～60 dBz，02:17回波顶高ET 17～18 km，垂直液态含水量VIL 25～30 kg/m2，具有强降水的回波特征。

强降水回波垂直结构：在垂直剖面图上，反射率因子50 dBz强回波伸展高度达到9 km左右，中低空悬挂高度为2～3 km，属于低质心强降水。在径向速度图上，在鄢陵陶城镇附近可明显看出底层有径向辐合，高层辐散，有利于强降水的维持和发展。

从图4 QPE（降水估测）也可以看出，02:10估测出在鄢陵南部有小时雨强达76.2～101.6 mm的区域，与实际位置（鄢陵陶城）和降水强度（107.6 mm）较为吻合。

图4 2021年7月21日02:10 QPE（1 h降水估测）图

2 2021年7月16日许昌局地短时强降水分析

2.1 天气实况

7月16日 白 天1 h内 长 葛 石 固（14:00～15:00）和禹州梁北（11:00～12:00）分别出现55.8和61.2 mm的局地短时强降水。

2.2 许昌雷达产品分析

强降水回波演变：禹州梁北强降水回波由原地生成的2个对流单体合并后加强，并向西南移动，且在后方又有新的对流单体生成，回波强度达55～60 dBz。长葛石固强降水回波由原地生成的对流单体在向西南向移动过程中不断发展加强，发展为典型的超级单体，有明显在钩状回波特征，回波强度达60～65 dBz。

强降水回波水平结构：禹州梁北组合反射率CR为55～60 dBz，11:30回波顶高ET 9 km，垂直液态含水量VIL 10～15 kg/m2，具有较强降水的回波特征[13-15]（图5）。

图5 2021年7月16日11:30禹州梁北回波顶高和垂直液态水含水量图

长葛石固组合反射率CR为60～65 dBz，13:42左右回波顶高ET 9～11 km，垂直液态含水量VIL 25～30 kg/m2，具有强降水的回波特征（图6）。

图6 2021年7月16日13:44长葛石固回波顶高和垂直液态水含水量图

强降水回波垂直结构：在垂直剖面图上，禹州梁北反射率因子50 dBz强回波伸展高度达到3 km左右，长葛石固伸展高度达4～5 km，且都属于低质心强降水，强降水效率较高[16-17]。

从QPE（降水估测）也可以看出：预计2个测站有小时雨强，将达44.5～50.8 mm，与实际位置和降水强度（61.2 mm和55.8 mm）较为吻合[18]。

3 结语

（1）高时空分辨率利于监测预警局地对流的快速移动和迅速生消。

（2）高时空分辨率利于累积降水的预测。OHP范围和强度基本上与实况降水一一对应，相控阵雷达网的敏感性R（KDP）降水估计，可以实现更精确的地面精细化强降水估计。

（3）高时空分辨率利于局地短时强降水的判断与短临预测。

（4）高时空分辨率利于雷暴大风的监测。例如禹州地区出现逆风区，随后快速发展，对大风监测敏锐，时效性强。

（5）高时空分辨率的垂直观测解析能力强。机械雷达体扫垂直方向观测能力：6 min只能完成9层跳跃仰角扫描；相控阵雷达体扫垂直方向观测能力：1 min可完成68层无间隔仰角扫描。相控阵雷达体扫垂直精细化能力，大幅度提升了重要雷达产品的准确性，包括VIL、降水估计、冰雹指数以及风暴识别预警等。