C波段双偏振雷达在正安碧峰极端短时强降水中的初步应用

肖 蕾，郭晓超，刘红双，吴新星，何明远

(1.贵州省遵义市气象局，贵州 遵义 563000； 2.贵州省播州区气象局，贵州 遵义 563100；3.贵州省务川县气象局，贵州 务川 564300; 4.贵州省正安县气象局，贵州 正安 563400)

0 引言

极端天气事件是指某一区域内少发或若干年一遇的事件[1]，极端短时强降水是指小时雨量≥50 mm，或3 h雨量≥100 mm 的降水[2]，具有瞬间雨强大、破坏性极强的特点[3]。俞小鼎[4]利用雷达和探空资料分析指出，绝大多数极端短时强降水是由深厚湿对流产生；深厚湿对流、低质心暖云降水、地形增幅(峡谷、迎风坡、喇叭口)、降水回波的“后向传播”等特征易产生短时强降水。2014年8月11日贵州遵义习水出现极端特大暴雨，过程最大雨量习水良村镇333.2 mm(以下简称8.11)，突破遵义市有气象记录以来历史极值。8.11极端降水雷达回波呈后向传播、回波单体“列车效应”特征显著[5]。与2014年8.11不同的是，2020年6月12日(以下简称6.12)，小时雨强突破贵州历史极值(碧峰163.3 mm·h-1)，本次过程历时更短、强度更大，而此次2 h累计降水达225.8 mm(02—03时62.5 mm·h-1,03—04时163.3 mm·h-1)，更为罕见，属于极端短时强降水事件(即1 h雨量≥50 mm或3 h雨量≥100 mm)，可在短时间内使降水迅速积累形成暴洪(Flash Flood)，暴洪是所有相关气象灾害中发生频次最高且导致伤亡人数最多的灾害[6]。国内不少专家对不同地区的极端短时强降水作了分析[2，7]，张羽等[8]分析了广州双偏振天气雷达在短时强降水中的应用，结果显示较大的ZDR和KDP值表明降水粒子谱中含有大量较大的水滴，是造成该次短时强降雨的主要原因。这些研究得到了大量的极端短时强降水机理特征，但时空不同是否影响因子各异需进一步研究。本文利用常规高空和地面观测资料、地面加密观测资料、新一代C波段双偏振多普勒天气雷达资料分析6.12碧峰极端短时强降水，旨在验证前人总结提炼出的极端短时强降水高影响因子是否具有普适性，并通过分析C波段双偏振雷达在极端强降水过程中的要素特征，寻求本地化极端短时强降水的预报预警要点，为极端强降水精细化预报预警提供参考依据。

1 资料说明及降水实况

1.1 资料说明

本文使用资料：常规高空和地面观测资料、地面加密观测资料、NCEP再分析资料、务川新一代C波段双偏振多普勒天气雷达资料、FY-2A卫星云图及TBB等资料。

需要说明的是，贵州北部无探空站，重庆沙坪坝探空站是离强降水区域最近的站点，重庆与贵州北部毗邻接壤，处于同一气候区，所探测资料大体能够代表强降水发生区域周边大气环境状况。 碧峰位于遵义市北部，遵义新一代C波段双偏振多普勒天气雷达、重庆新一代S波段多普勒天气雷达、务川新一代C波段双偏振多普勒天气雷达都能探测到，考虑山脉遮挡和距离衰减及双偏振雷达的优势，本文选取新一代C波段双偏振多普勒天气雷达资料开展分析，务川雷达站距离本次强降水发生区域直线距离在50 km左右，探测资料基本能代表强降水区域周边大气环境，效果更好。

1.2 降水实况及灾情

2020年6月11日夜间至12日上午，贵州北部遵义市正安县碧峰镇出现罕见极端短时强降水，6月11日22时—12日09时10分(北京时，下同)，遵义市共出现1站特大暴雨(正安碧峰266.4 mm)，3站大暴雨(正安杨兴116.2 mm、习水习酒100.8 mm、桐梓木瓜100.5 mm)，26站暴雨(图1)。最大累计雨量碧峰266.4 mm为遵义有气象记录以来历史排第6位(2014年8月11日习水良村343.3 mm排位第1)，最大小时雨强为正安碧峰163.3 mm(12日03—04时)，突破贵州省有气象记录以来历史极值，其中03时10— 40分30 min累计雨量达到115.3 mm，实属罕见。根据俞小鼎[4]、王丛梅等[6]对短时强降水强度等级的划分，本次过程是一次典型的极端短时强降水过程。

图1 2020年6月11日20时—12日20时降水实况

此次正安碧峰特大暴雨过程降雨强度大、强降雨时间集中，形成径流迅速，加之特殊地形原因，导致短时间内山洪暴发、河水猛涨，造成重大灾害，导致正安县碧峰镇8人死亡，5人失踪，直接经济损失9380万元。

2 环流背景及影响系统

2.1 环流背景

强降水即将发生时(11日20时)，500 hPa中高纬多低槽活动，巴尔喀什湖南侧—贝加尔湖存在一横槽，西北地区—四川盆地低槽活跃，西太平洋副热带高压588 dagpm位于福建—广东沿海，贵州处于川东南—滇东低槽前西南气流正涡度区控制，横槽东段在11日夜间东移，带动中低纬度短波低槽随之东移影响。700 hPa贵州处于川东南—滇东切变前西南气流控制区，河套西部—川东南存在明显切变，东北地区向西南伸展的温度槽由于地形影响分东西2个冷舌，东段冷舌到达湖北南部，西段弱冷舌位于重庆西部—川东南，贵州北部仍然受暖脊控制。850 hPa，11日08时，四川东部存在低涡，随着500 hPa低槽东移，引导低层冷空气南下，到11日20时，低涡发展加强东移至重庆中部，切变沿河北西南部经山西西部、湖北西部、重庆—贵州北部一线。贵州北部受低涡冷式切变影响，此时贵阳仍为6 m·s-1的偏南风，温度场显示，华北至长江流域均为冷舌控制，贵州至西南向东北仍受暖脊控制，冷暖空气交汇于长江沿线附近，贵州东北部处于冷暖空气交汇边缘地区，东北路径弱冷空气的渗透增加大气层结的不稳定度。到过程趋于结束的12日08时，随着西南气流在夜间加强(贵阳偏南风12 m·s-1)，在贵州东南部、广西、湘赣地区形成明显的急流轴，低涡北侧的暖式切变在高空槽引导下有所东移，但低涡中心及冷切受到副热带高压的阻挡，仍位于重庆中东部，增强少动。从NCEP再分析资料850 hPa (图2e)可见，11日20时贵州偏南风速在6～12 m·s-1之间，由南往北逐渐较小，在正安境内风速差达到16 m·s-1，风力在夜间明显加强。12日02时强降水发生时，偏南急流明显增强到16 m·s-1，广西—贵州东北部形成明显急流轴，急流顶端恰好到达遵义东北部碧峰附近，再往北走骤降到2 m·s-1，甚至在正安、桐梓北部附近降为静风，说明该时段偏南风急流携带的大量水汽在强降水区域明显辐合，叠加重庆区域偏东风与贵州北部偏南气流，形成明显的辐合切变共同作用，为强降水提供充沛的水汽和强烈的上升运动。地面处于梅雨锋西段的高湿区，潮湿的近地层为强降水的发生提供了充足水汽。从地面加密观测资料及NCEP再分析资料10 m风场和100 m风场(图2f)均可见，12日02—04时在碧峰附近存在中尺度辐合线，正安以南地区偏南风明显，以北到重庆南部转为偏东风控制，且风力较小，说明偏南暖湿气流比偏东冷平流强得多，强降水区域恰好处在辐合带上，中尺度地面辐合线触发了强对流的产生，贵州北部受锋前暖区潮湿不稳定的西南气流控制，只要在边界层存在使不稳定能量释放的触发机制(地面辐合线)，就会产生暴雨[9]。整个强降水期间，贵州北部处在100 hPa高压中心控制区，意味着贵州北部处于高层强辐散区，低层辐合高层辐散更加有利于强降水天气的发生。

图2 6月11日20时高空100 hPa(a)、500 hPa(b)、700 hPa(c)、850 hPa(d)形势图，NCEP再分析850 hPa风场+湿度场(e)，NCEP再分析100 m风场(f)(注：红色圈内为碧峰所在位置)

综上所述，本次过程是在西太平洋副热带高压西进北抬，巴尔喀什湖—贝加尔湖横槽东移南下，西北地区—四川盆地低槽活跃，而贵州北部地面处于梅雨锋西段高能高湿区的背景下产生的，强降雨区主要出现在低层低涡切变附近及切变右前侧南风辐合区内，属暖区性质降水，在大尺度系统高空槽和低层低涡切变强迫下，偏南气流明显风速辐合和地面辐合线是正安碧峰特大暴雨的重要直接影响系统。

2.2 环境条件分析

降水量由雨强和持续降水时间决定(Chappell CF[10]； Doswell ll CA[11])， 持续一定时间的较大雨强可产生较强降水。由于本次过程碧峰站降水集中、持续时间较短，本文着重从降水强度方面分析此次极端降水的产生机理。2.1环流背景中指出本次过程具备对降水有利的重要天气系统：高空槽、低涡切变、偏北路径冷空气入侵，说明贵州北部已具备发生强降水的大尺度环境条件，下面将对探空环境参数进行分析。

降水强度(R)可以表达为：R=kEwq，其中：k为比例系数；E为降水效率；w为云底附近上升气流；q为云底附近比湿。通常情况下只有在深厚湿对流内部才能产生强烈上升气流，因此需要有一定大小的环境对流有效位能，同时对流抑制能不太大，这样局地某种抬升机制才可触发深厚湿对流。临近强降水发生的6月11日20时沙坪坝站探空图(图3d)和相关数据(表1)显示，925 hPa露点温度为22.8 ℃，比南面贵阳站的20.2 ℃水汽条件明显更好；850～ 500 hPa温差达到22 ℃，层结处于不稳定状态，K指数为41.2 ℃，SI指数为-0.76 ℃，CAPE为551.8 J· kg-1，CIN为47.9 J· kg-1，表明沙坪坝站附近存在一定不稳定能量。探空图整体表现为上干下湿，500 hPa以下湿度均在80%以上，湿层(相对湿度超过80%的厚度)厚度达5000 m，且在480 hPa高度以下层相对湿度均在60%以上，表明湿层深厚，特别是12日08时湿层上升到对流层顶，说明在极端降水发生的11日夜间强降水区大气层有明显增湿，深厚湿层有利于极端强降水产生。按照Davis[12]划分的暖云厚度标准，暖云厚度在4 km以上就算很深厚。沙坪坝站探空显示，抬升凝结高度为916.5 m，0 ℃层高度为5433 m，计算暖云层厚度为4516.5 m，属于深厚暖云层。大量研究表明，暖云层越厚越有利于高效率强降水的产生[4]，0～6 km风矢量差为0.23 m·s-1，为一个弱垂直风切变，表明沙坪坝周边的环境干空气的夹卷作用弱，有利于周边较高效率降水发生。

表1 2020年6月11日20时、6月12日08时沙坪坝站探空站关键环境参数

图3 6月11日20时沙坪坝探空图(a)、6月12日02时沿29°N作湿度场和垂直速度的剖面(b)

综上所述，据降水强度公式，碧峰极端降水区周边环境条件有利于产生较强深厚湿对流，因而具有较强云底附近的上升气流、很高的比湿和高的降水效率，从而有利于极端雨强的出现。

2.3 本地水汽条件

如表2所示，强降水即将来临前的11日20时，本地水汽含量异常充沛，400 hPa在黄河以南地区均有1～2 g·kg-1(遵义周边探空均为1 g·kg-1)比湿存在；500 hPa黄河以南地区均有3～6 g·kg-1(遵义周边比湿在3～5 g·kg-1之间)；700 hPa周边比湿在11～13 g·kg-1之间；850 hPa遵义周边比湿在14～17 g·kg-1之间，由此可见，强降水区域整层本地水汽含量均很高，为极端降水产生提供了充足的本地水汽条件。本次过程湿层深厚，由遵义周边探空站500 hPa、700 hPa和800 hPa温度露点差可见(表2)，中低层贵州北部处于高湿区，特别是遵义北部正安等地靠近沙坪坝和恩施的饱和区。

表2 2020年6月11日20时500 hPa、700 hPa、850 hPa比湿、温度露点差T-Td

3 双线偏振雷达在强降水中的应用

本文选用距离强降水地点正安碧峰镇最近的务川C波段双偏振多普勒天气雷达数据进行分析，务川雷达站离碧峰镇约50 km。6月11日22时在遵义市西北部习水境内有降水回波生成并产生了强降水。由图4可见，6月12日00时02分正安碧峰西南侧有弱回波生成后逐渐发展向东北方向缓慢移动靠近碧峰镇，此时回波强度较弱，但碧峰西南面不断有回波单体生成向东北方向移动影响碧峰。碧峰站在00时39分开始出现雨量，但降雨量整体较小，12日02时之前回波整体不强，降雨均较弱，之后随着西南方向混合型降水回波不断经过碧峰，形成“列车效应”，回波呈“后向传播”给碧峰带来强降水，并在02时25分后随着低空急流加强，回波不断发展增强，在03时15分后迅速增强，最强回波组合反射率因子达到60 dBz。到03时20分后，原碧峰附近对流单体与来自西南方向对流单体的合并增强形成“肥胖弓形”回波，最强反射率因子达65 dBz,强回波维持20 min，对应强回波时段，速度图(图5V)上可判别出中尺度涡旋。且通过强回波与差分反射率ZDR对比分析，强回波区域差分反射率ZDR同样强，判别云中冰雹干扰较小，主要以浓密的大水滴组成，为强降水回波[13]。对照张培昌等[14]研究内容，当回波强度达到56～60 dBz对应雨强>100 mm·h-1，与实况小时雨强163.3 mm·h-1吻合。03时42分后强回波基本移出碧峰，降雨也随之明显减弱。回波顶高资料可见(图略)，03时15分回波最大顶高达到16.8 km，说明该时段对流非常旺盛。03时15分垂直累积液态水含量(VIL)最大达到45 kg·m-2，表明水汽异常充沛，分钟雨量显示也正是在03时15分—37分降水强度极强，分钟雨量最大达到6.4 mm·min-1。速度图显示(图5V)，在02时40分—03时26分碧峰附近存在明显辐合，结合地面加密观测资料及NCEP再分析10 m风场和100 m风场资料(图2f)均可见中尺度辐合线存在。在大尺度高空槽、低涡切变强迫下，中尺度辐合系统触发深厚湿对流的产生，导致了极端短时强降水，碧峰站雨量显示，03时25分—35分之间10 min产生64 mm，03时10分—40分之间，30 min雨量达到115.3 mm，对应该时段雷达回波均较强。速度图显示中尺度涡旋，回波顶高高、水汽异常充沛。雷达剖面显示，45 dBz以上强回波超过12 km，对流发展高度高，结合沙坪坝探空0 ℃高度在6 km左右，表明暖云层厚度较厚，“低质心”高效率暖云降水特征明显。风廓线显示(图6b)，03时09分之前，低层风随高度顺转，有暖平流，暖平流使低层不稳定度增强，有利于不稳定能量的集聚，产生更强的降水。03时09分—04时46分后南风分量加大，4.0 km以下均为一致的偏南气流，在03时09分后风力有所增加，偏南气流增强，低空急流增强，为强降水提供源源不断的水汽输送并增加大气层结的不稳定性，有利于极端强降水的产生。

图4 不同时次雷达组合反射率回波图

图5 6月12日03时26分务川双偏振多普勒雷达有关参数

图6 务川雷达03时15分碧峰附近雷达回波剖面(a)、02时30分—03时26分风廓线(b)

综合双偏振雷达参数(图5)：差分反射率(ZDR)、相关系数(CC)、差分传播相移率(KDP)、粒子分类(HCL)分析，在强回波区域差分反射率ZDR和差分传播相移率KDP同样大，表明降水粒子谱中可能为浓密的大水滴组成，但相关系数CC较小，说明粒子相态并不纯。结合1.5°和0.5°仰角粒子分类判别，2个仰角均识别出冰雹粒子，表征降水粒子谱中可能还有融化的小冰雹。结合较高的0 ℃层高度，即使在高空有一定含量的小冰雹，因融化层较厚，小冰雹降落到地面有可能完全融化为大雨滴，大量大雨滴短时间内降落极易产生极端短时强降水。张羽等[7]分析了广州双偏振天气雷达在短时强降水中的应用，结果显示出较大的ZDR和KDP值表明降水粒子谱中含有大量较大的水滴，是造成该次短时强降雨的主要原因，与其结论一致。

图7 遵义市(a)、正安县(b)高程图

4 特殊地形作用

姜玉印等[7]指出极端短时强降水往往与特殊地形密不可分。正安位于贵州省最北端，处于遵义市东北部，大娄山主脉以北的高山沟谷地区，碧峰镇位于正安县城西北面，距县城37 km。碧峰山高谷深，地势西高东低，西北两面山峦重叠，群峰挺拔，山体切割大，沟壑纵横，素有“七沟八岗十面坡”之称。集镇所在地碧峰居三面环山，开口朝东南方向的“喇叭口”地形内，低层偏南气流经过芙蓉江水系潮湿下垫面增湿后进入“喇叭口”地形内，遇山脉阻挡，使气流扰动产生强烈的上升运动和明显的水汽辐合，地形的动力作用使系统性的风向发生改变，从而产生地形辐合或辐散，影响垂直运动和降水。朱乾根等[9]指出当盛行风朝着喇叭口地形灌进时，由于地形的收缩，常常引起辐合上升运动的加强和降水量的增大。集镇所在地中间地势低洼，4条河流在集镇处汇入下寺河，上游溪河猛涨，集镇快速形成洪峰，导致严重洪灾。

5 结论与讨论

①本次过程是在西太平洋副热带高压西进北抬，同时巴尔喀什湖—贝加尔湖横槽东移南下，西北地区—四川盆地低槽活跃的背景下产生的。强降雨主要出现在低层低涡切变附近及切变右前侧南风辐合区内，属暖区性质降水，偏南气流明显风速辐合和地面辐合线是碧峰特大暴雨的重要直接影响系统。

②在北部正安附近低层水汽辐合明显，高层处于南亚高压中心控制的强辐散区，高层辐散抽吸对强降水维持和加强有利；结合“喇叭口”地形特征，低层偏南气流经过芙蓉江水系潮湿下垫面增湿后进入“喇叭口”地形内，地形对降水增幅作用，使降水更大、雨强更强。

③雷达回波显示，回波强度强，组合反射率因子最强达到65 dBz,回波顶高高，最高达16.8 km、垂直累积液态水含量极高(最大45 kg·m-2),均能说明水汽充沛、对流旺盛。双偏振雷达参数表明，云中存在大量大雨滴，大量大雨滴短时间内降落极易产生极端短时强降水，加之深厚暖云层、“低质心”高效率降水增加了降水的极端性。

④目前，C波段双偏振雷达产品在强降水中的应用分析可参考文献较少，加之所用务川雷达为近两年新建，其产品的应用研究尚处于试探阶段，有待今后进一步深入研究。