梵净山区域暴雨过程中小时降水雷达回波特征分析

胡 萍,夏 阳，蔡成瑶，陈 军，杜小玲

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300；2.贵州省六盘水市气象局，贵州 六盘水 553000；3.贵州省沿河县气象局，贵州 沿河 565300；4.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

0 引言

梵净山是云贵高原向湘西丘陵过渡斜坡上的第一高峰，国家级5A级风景区，世界自然遗产，位于铜仁市江口、印江、松桃3县交界处，自北向南纵贯铜仁市中部，是乌江与沅江的分水岭，也是横亘于贵州、重庆、湖南、湖北4省(市)的武陵山脉最高主峰。由于地势显著隆起及山脉的走向可作为水汽对流活动的触发机制，梵净山区域易形成局地强降雨天气。较强的短时强降水通常会造成城市严重洪涝，山体滑坡、泥石流等次生灾害，危胁当地人民生命财产安全。随着多普勒天气雷达的布网、业务化运行和广泛应用，以雷达数据为基础对强降水的研究和应用也越来越深入[1-3]，其中运用雷达径向速度数据进行强降水特征分析、预报预警方面的研究也有很多，大范围强降水的多普勒径向速度特征是冷、暖平流和辐合、辐散2种运动相结合的风场[4-6]。杨群等[7]对梵净山特大暴雨雷达回波特征分析后认为，垂直液态水含量的突然跃增且高VIL值长时间维持，可作为短时强降水发生的预报预警参考；中气旋的出现有利于短时强降雨发生发展，不同高度层出现的逆风区是短时强降雨发生的前兆[8-9]；中心强度超过40 dBz的强回波单体形成明显“列车效应”是造成暴雨、大暴雨的重要原因[10-11]；罗王军等[12]指出降水集中在回波开始合并增强到趋于减弱的近2 h内，垂直积分液态水含量>1.00 kg·m-2的时段每10 min降水量基本在10 mm以上。对于暴雨或短时强降水的雷达回波特征分析已得出不少研究成果，但对于逐小时降水的雷达回波分析多出现在暴雨个例的中尺度分析中。近年来在梵净山避暑的游客量骤升，景区客流量不断增加，而夏季也是强对流天气频发的季节，由于梵净山特殊的地形常突发短时强降水天气，因此对降雨的准确预报，尤其是短时临近预报已成为公众的需求。近年来政府常有气象保障要求，需要实时提供短时临近(1～2 h)天气预报，所以不仅短时强降水预报有研究意义，短临精细化预报也尤为重要，这也是我们未来研究的方向。本文利用铜仁市雷达回波产品，对2017—2018年出现在梵净山周边区域的暴雨个例，根据本地需要制定的逐小时降水进行分级研究，以期为短时临近天气预报预警提供参考，更好地做好防灾减灾体系服务。

1 资料和方法

梵净山周边区域即江口、松桃及印江县内(168个观测站点)2017—2018年出现6个以上(含6个)区域自动站24 h内(20时—次日20时)降水≥50 mm为1个暴雨日数。利用贵州省气象数据查询与显示系统对地面加密自动站降水资料进行筛选，共选出25个区域暴雨个例，用于分析梵净山周边区域暴雨的时空分布特征。根据公众对梵净山旅游短临天气预报的需求和政府对精细化预报的要求，结合铜仁市本地小时雨强造成的不同等级灾害特征，按逐小时雨量分成不同等级降雨(小雨:1 h以内降雨量≤2.5 mm；中雨:1 h内降雨量2.6～8.0 mm；大雨:l h内降雨量8.1～15.9 mm；暴雨:l h内降雨量≥16 mm[13])，得出梵净山周边区域不同等级降水的时间分布特征，利用铜仁市雷达每6 min 1次输出的反射率因子、径向速度、回波顶高、液态水含量等产品分析产生不同等级降雨的回波类型及雷达回波特征。

2 梵净山周边区域暴雨时空分布及不同等级降水时间分布

2.1 梵净山周边区域暴雨空间分布

根据梵净山周边区域2017—2018年区域自动站暴雨日数空间分布(图1)可以看出，由于梵净山南北向的分布特征，其总体空间分布呈东多西少，北多南少。梵净山东侧为暴雨多发区，位于江口县北部和松桃县西南部交界处，其中发生暴雨日数最多为江口县的快场站18次，为暴雨中心；其次是松桃县的平头站、桃花源站及印江县的板溪站，均为14次；梵净山南部及松桃南部为暴雨少发区。

图1 梵净山周边区域2017—2018年区域自动站暴雨日数空间分布Fig.1 The spatial distribution of the number of rainstorm days in the area around Fanjing Mountain from 2017 to 2018

2.2 梵净山周边区域暴雨及不同等级降雨时间分布特征

2.2.1 暴雨及不同等级降水的月分布特征 根据2017—2018年梵净山周边区域暴雨个例月变化分布(图2折线图)来看，梵净山区域暴雨一般在5—9月，其中6月暴雨最多为7次(占28%)，5月和8月次之为6次(占24%)，10月—次年4月在2017—2018年发生区域性暴雨的次数为0。

对梵净山周边区域不同等级降水总站次进行分月统计(图2柱状图)可以看出，各类降水均是在6月出现年均站次累计值最多，其中小雨达2242次，远高于其他类降水，可见梵净山周边区域性暴雨主要是由于小时降水的叠加造成日降水量超过50 mm的暴雨，而暴雨也最多，达312.5次；其次是8、9月，小雨和大雨的年均站次相当，8月中雨站次大于9月，而暴雨站次略小于9月；5月各类降水的年均站次远低于6—9月，表明5月的暴雨主要以单点暴雨为主。

图2 梵净山周边区域2017—2018年分级降水年均站次总数的月变化分布Fig.2 Distribution of monthly changes in the total number of annual average stations of graded precipitation in the area around Fanjing Mountain from 2017 to 2018

2.2.2 不同等级降水的日分布特征 分析梵净山周边区域分级降水年均站次总数的日变化分布(图3)发现，小雨、中雨、大雨年均站次总数的日变化均呈双峰型分布，23时—次日07时前呈逐渐增加的趋势，而在07—23时小雨与中雨、大雨呈反相增加趋势。小雨的易发时段在08—09时和18—20时，23时—次日01时和12—14时是少发时段。中雨的易发时段在06—07时和12—14时，17时—次日01时和10时是少发时段。大雨的易发时段在05—06时和11时，15时后逐渐减少，在20时达最少。而暴雨年均站次总数日变化分布呈现单峰型特点，其主要发生时段为01—06时，07时过后暴雨站次逐渐减少，有很明显的夜雨特征，这也是铜仁市暴雨灾害较重的一个原因。

图3 梵净山周边区域2017—2018年分级降水年均站次总数的日变化分布Fig.3 Distribution of daily variation of the total number of annual average stations of graded precipitation in the area around Fanjing Mountain from 2017 to 2018

3 梵净山区域不同等级降水雷达回波特征

3.1 雷达回波分型

为使分级降水雷达回波特征和模型具有典型性，剔除局地性暴雨个例以及由于梵净山遮挡导致印江区域暴雨过程的雷达回波不可见的个例，利用铜仁市雷达产品，通过对2017—2018年的15个梵净山区域典型暴雨的降水时段反射率因子回波形态和演变方式的分析，得出铜仁市梵净山区域暴雨过程的雷达反射率因子分型。可以发现，造成梵净山区域暴雨天气的雷达回波，基本为强单体风暴或多单体风暴弥合加强呈带状或片状积云或积层混合云回波[14]。按照影响方式可分为以下3种类型:

本地发展型，占比13%。以2018年7月6日暴雨个例为例(图4)。由图可以看出，受环境流场汇合影响，5日19时在松桃县南部局地生成对流云团，21时移动至松桃县城附近并迅速发展。对60 dBz以上的强回波中心作垂直剖面，发现30 dBz回波伸展到8 km的高度，质心在4 km以下。22时分散对流云团发展为块状回波，强回波中心范围增大，对强回波中心作剖面发现30 dBz回波伸至12 km高度处，质心仍维持在4 km高度处，具有强回波中心的块状回波一直维持到次日01时。此类回波生成发展速度快，一般降水范围较小，移动速度慢，持续时间在2～5 h左右，因其突发性和局地性强，回波强度也较强，预警的提前时间小，因此给降水地区造成的影响也较大。此种类型造成区域暴雨天气较少，仅出现2次，分别发生在5月、7月，多引起本地局地或单点暴雨天气的发生。

图4 本地发展型(2018年7月5日)1.5°仰角雷达反射率因子Fig.4 Locally developed radar reflectivity factor at 1.5° elevation angle (on July 5, 2018)

移入型，可分为一般移入型和“列车效应”移入型。

一般移入型(图5)，占比最多，达33%。以2017年6月4日暴雨个例为例。08时在石阡县东部—岑巩县一带有块状对流云团生成发展，2个体扫沿60°方向移入江口县西南部，09时已经移至江口县北部，10时后回波逐渐减弱，降水减缓。此种类型造成的暴雨天气过程最多，表现为位于上游的降水回波随高空引导气流移入本地，其中60%的对流云团在石阡县东部或遵义市东南部生成发展，沿60°方向移入造成暴雨，具有持续时间较短、移动速度快的特点，1 h降水一般持续在4～6个体扫内，可造成单站或区域性的强降水。

图5 一般移入型(2017年6月4日)1.5°仰角雷达反射率因子Fig.5 The reflectivity factor of 1.5° elevation angle radar for general moving-in type (on June 4, 2017)

“列车效应”移入型(图6)，占比达27%。以2018年5月22日暴雨个例为例。09时在梵净山东侧迎风坡生成对流云团，10时随着高空引导气流发展东移至松桃县中西部，呈长度约60 km的东北—西南向带状云团。对50 dBz以上的强回波中心作垂直剖面，发现30 dBz回波高度伸展到8 km，质心在4 km以下。12时带状回波持续发展并东移至松桃县中东部，在其后部不断有新的对流云团生成发展向松桃县境内移动，具有“列车效应”。此种类型暴雨，表现为沿高空引导气流的方向有2个以上的对流单体侧向排列，回波传播的方向与排列方向夹角较小，在移动过程中相继影响同一地区。在梵净山东侧迎风坡处(占比75%)或遵义东南部(占比25%)不断生成对流云团，沿60°方向移入造成梵净山大部区域的暴雨。具有持续时间长、移动速度慢、影响范围广的特点，易造成持续性的强降水，有时可达大暴雨。

图6 列车效应移入型(2018年5月22日)1.5°仰角雷达反射率因子Fig.6 The reflectivity factor of the 1.5° elevation angle radar of the train effect moving-in type (on May 22, 2018)

合并加强型(图7)，占比达27%。以2017年6月24日暴雨个例为例。23日22时在沿河县北部、酉阳县北部生成点状对流云团，受中小尺度系统辐合影响，点状对流云团合并发展。次日00时沿东南方向移至松桃县境内，由带状发展成片状回波。分析00时45分时次反射率因子回波，并沿最大回波中心作垂直剖面发现，30 dBz回波伸展到8 km的高度，质心在4 km附近,低层具有弱回波悬垂，具有超级单体的回波特征，随后继续向东南方向移动，造成区域性暴雨。此种类型暴雨，通常在上游存在2个小尺度对流云团，沿着高空引导气流的方向，不断移动发展合并加强成中尺度对流云团，75%的暴雨个例沿60°方向移动、25%沿120°方向移动造成本地暴雨天气，具有回波强度较强、停滞时间较长、影响范围大的特点，易造成区域性暴雨天气。

3.2 不同等级降水雷达回波特征

利于铜仁市雷达每6 min 1次的产品资料，分析不同等级降雨(小雨、中雨、大雨、暴雨)发生时对应的雷达回波产品特征，从雷达回波强度、移动速度、回波形态、回波伸展高度、液态水含量大小、径向速度等特征,分析不同等级降雨发生时雷达回波特征。

3.2.1 1.5°仰角雷达反射率因子特征 雷达反射率因子的强度变化和形态特征，与雨强有较好的相关性。图8给出了2017—2018年5—9月不同等级降水的回波强度平均值和移动速度平均值的特征。可以看出，雨强与回波强度呈正相关，雨强越大，回波强度越大，随时间呈“W”型走势，与移动速度则呈反相关特征。对雷达反射率因子回波大值区作垂直剖面发现20 dBz回波伸展高度与回波强度走势一致，均在7月最大。表明回波强度越强，伸展高度越高，风暴体越大，移动速度越慢，雨强越大。

图7 合并加强型(2017年6月23日)1.5°仰角雷达反射率因子Fig.7 Combined enhanced (on June 23, 2017) 1.5° elevation radar reflectivity factor

小雨量级降水在7月的回波强度平均值达45 dBz，移动速度最小为27 km·h-1，20、30 dBz回波伸展高度分别达8、5 km，其余月份的回波强度平均值在30～35 dBz之间，移动速度在33～40 km·h-1之间，20 dBz回波伸展高度到6 km左右，质心较小较低，位于25～30 dBz之间、4 km以下。通常在遵义东南部或石阡东部生成新单体回波，沿60°方向移动影响梵净山周边区域，回波形状多呈均匀片状弱回波，边界较模糊，呈棉絮状，强度在20～25 dBz之间，多出现在风暴云体初生期或消亡期，伸展高度低、回波强度弱、速度快、小时雨强小。

中雨量级降水与小雨量级降水的回波特征相似，回波伸展高度与小雨量级降水相同，但回波强度有所增强，平均值达41 dBz以上，平均移动速度是所有量级降水中最快的，其中7月回波强度最强达47.5 dBz、移动速度最小为32 km·h-1，20、30 dBz回波伸展高度分别达8、6 km。多在遵义东南部或石阡东部及梵净山东侧生成新单体回波，沿60°方向移动，少数对流单体在沿河、德江北部生成，沿120°、30°方向移动，影响梵净山周边区域，回波形状呈均匀片状或分散块状回波，强度在25～35 dBz之间，多出现风暴云体发展期或消散期，伸展高度略增高，回波强度明显增大，但移动速度较快。

大雨量级降水的回波强度明显增强。7月的回波强度平均值达51.5 dBz，移动速度最小为22 km·h-1，20、30 dBz回波伸展高度分别达10、7 km。其余月份的回波强度平均值在43.5～47.5 dBz之间，大值回波区在30 dBz以上，移动速度在30～35 km·h-1之间，20、30 dBz回波伸展高度分别伸展到8、6 km以上。通常5、7、9月的新单体回波在梵净山东侧生成，沿60°方向移动,8月则在沿河东南部生成沿90°方向移动，而6月多在遵义东南部生成对流单体，向东移动影响梵净山周边区域。回波形状多呈均匀片状或分散块状回波，有时能发展成带状回波，强度在30～40 dBz之间，多出现在风暴云体发展旺盛期前期，回波中心强度明显增强，伸展高度明显增高，速度慢，小时雨强逐渐增大。

暴雨量级降水的回波强度最强，伸展高度最高，平均移动速度与大雨量级相当，尤其是7月回波强度平均值达到57 dBz，20、30 dBz回波伸展高度分别达16、10 km，风暴云体发展旺盛，而平均移动速度只有20 km·h-1。其余月份的平均回波强度在46～53 dBz之间，回波中心区均在30～35 dBz以上，30 dBz回波伸展高度一般能伸展到8 km以上。多在遵义东南部或梵净山东侧生成，沿60°方向移动影响梵净山周边区域，回波形状多块状或带状回波，强回波边界清晰，棱角分明，且强度在35～45 dBz之间。多出现在风暴云体发展旺盛期，伸展高度达最高，回波中心强度最强，移动速度较慢，造成暴雨量级的降水，通常能达到20～40 mm·h-1的降水，有时能达到60～80 mm·h-1的降水，当强回波中心长时间停滞在某一地区甚至能达到100 mm·h-1的极端性降水，突发性强、局地性强，造成的灾害也较大。

图8 不同等级降水的回波强度(a)和移动速度(b)特征Fig.8 Characteristics of echo intensity(a) and moving speed(b) of different grades of precipitation

3.2.2 径向速度特征 为进一步分析多普勒天气雷达径向速度场，研究与降水强度的相关性，以下给出了不同等级降水量级相应的典型个例的径向速度特征及沿最大速度区作垂直剖面。

从小雨量级降水的径向速度和垂直剖面(图9)可以看出，零速度线边缘模糊不清晰，宽度较大，多西南风影响，风速较小为2～4 m·s-1，垂直方向上基本为整层的负或正速度影响，没有辐合辐散旋转特征。

图9 小雨量级降水(2017年6月30日01时09分)1.5°径向速度(a)和沿(a)中蓝线作垂直剖面(b)Fig.9 The 1.5° radial velocity(a) and vertical profile along the blue line in (a)(b) of light rainfall (01∶09 on June 30, 2017)

从雨量级降水的径向速度和垂直剖面特征(图10)可以看出，低层具有明显的“S”型暖平流特征，低层随高度由偏东向偏南风顺转，速度为4～6 m·s-1，降水区域的径向速度方向多以远离雷达为主，垂直方向上4 km以下为正速度，4 km以上为负速度，无明显辐合辐散特征，仅在6、8月有少数个例存在弱辐合特征。

分析大雨量级的径向速度特征可知(图11)，冷空气影响下多东北气流影响，有时可形成急流，风速明显增强，呈冷性降水，无冷空气影响时多偏南风影响，为暖性降水，径向速度为4～8m·s-1，且有50%的个例在出现大雨时有明显的辐合辐散特征，伴有弱γ尺度的逆风区，位于强回波后边界区，持续3个体扫，但没有中气旋存在，沿逆风区作垂直剖面发现没有明显的中低层径向辐合特征。

图10 中雨量级降水(2018年7月6日01时15分)0.5°径向速度(a)和沿(a)中蓝线作垂直剖面(b)Fig.10 The 0.5° radial velocity(a)and vertical profile along the blue line in (a)(b)of medium rainfall(01∶15 July 6,2018)

图11 大雨量级降水(2017年6月1日00时37分)0.5°径向速度(a)和沿(a)中蓝线作垂直剖面(b)Fig.11 The 0.5° radial velocity(a)and vertical profile along the blue line in (a)(b)of heavy rainfall (00∶37 on June 1, 2017)

分析暴雨量级的径向速度特征可知(图12)，径向速度明显增强，存在低空东北或西南急流，且大多有明显的γ尺度逆风区存在，长度约6～8 km。有时有2个逆风区同时存在，少数能发展到β尺度，位于强回波后边界区，持续5～8个体扫，且有速度对存在，在13 m·s-1以上，有时能发展成中气旋，速度对的强度越大，持续的时间越长，造成的暴雨区域越大，强度越强。沿暴雨典型个例的逆风区作垂直剖面显示，0～3 km高度上的速度为4～8 m·s-1的东到东南风，方框区域内0～2 km高度存在负速度区，其靠近雷达一侧与东南风形成明显的低层辐合入流，离开雷达一侧与环境气流形成辐散结构，对应下沉气流到达地面后离开雷达一侧的出流，逆风区前侧水平风辐合，利于风暴发展与持续。

图12 暴雨量级降水(2017年6月22日23时43分)1.5°径向速度(a)和沿(a)中蓝线作垂直剖面(b)Fig.12 The 1.5° radial velocity(a)and vertical profile along the blue line in (a)(b)of heavy rainfall (23∶43 on June 22, 2017)

3.2.3 垂直累计液态水含量特征及回波顶高高度 垂直累积液态水含量VIL反映了降水云体在确定底面区域上垂直柱体内的液态水总量，回波顶高高度能表明风暴云体发展的高度，可用于识别显著风暴单体位置和强度，从而对强降水做出判别。分析不同等级降水的垂直累计液态水含量和回波顶高高度得出，小雨量级的平均VIL值在0.1～1.0 kg·m-2，回波顶高高度6～8 km;中雨量级的平均VIL值在0.5～2.0 kg·m-2，回波顶高高度7～9 km；大雨量级的平均VIL值在1.0～2.5 kg·m-2，回波顶高高度9～11 km；暴雨量级的平均VIL值在2.0～10.0 kg·m-2，最大值达20.0 kg·m-2以上，回波顶高高度10～12 km。其中5月的回波顶高高度较6—9月低。可以看出，垂直累计液态水含量大值区及回波顶高高度与反射率因子大值区能很好的对应，VIL值越大，回波越强，对流云体发展越高，雨强越大。

4 结论与讨论

本文利用地面加密自动站降水资料及多普勒雷达资料，对梵净山周边区域暴雨按逐小时分等级降水进行分析，得出以下结论:

①梵净山区域暴雨总体空间分布呈东多西少，北多南少，其中在6月发生暴雨最多(占比28%)，5月和8月次之(占比24%)。小雨、中雨、大雨年均站次总数的日变化均呈双峰型分布，而暴雨年均站次总数日变化分布呈现单峰型特点，具有很明显的夜雨特征。

②造成梵净山区域暴雨天气的雷达回波基本为强单体风暴或多单体风暴弥合加强呈带状或片状积云或积层混合云回波，按影响方式分为本地发展型、移入型和合并加强型3种。

③雨强与回波强度呈正相关性，与移动速度呈反相特征。回波强度越强，伸展高度越高，风暴体越大，移动速度越慢，雨强越大。

④径向速度随雨强的增大而增大，有时可达急流强度。中雨量级降水有弱辐合特征，大雨量级降水出现弱的逆风区结构，暴雨量级降水有明显的辐合辐散、速度对特征，且存在逆风区结构，低层具有径向辐合特征，逆风区位置对应强回波中心。

⑤垂直累计液态水含量大值区及回波顶高高度与反射率因子大值区能很好的对应，VIL值越大，回波越强，对流云体发展越高，雨强越大。

在研究过程中，主要针对区域性暴雨个例进行分级降水的雷达特征分析，得出7月大雨和暴雨站次均少于6、8月、但其回波强度(移动速度)高(慢)于6、8月的结论，是由于7月仅出现1次本地发展型回波(回波强度达63 dBz)，而6月和8月暴雨日数分别为7次和6次，均为移入型和合并加强型，最大回波强度均在60 dBz以下，由于时间仅有2 a，个例不是很具典型性，今后将多收集个例，用以验证此结论。另外，文章主要就雷达回波特征进行分析，对于梵净山特殊地形对对流云团的生消影响会在今后作进一步的研究。