铜鼓一次大暴雨过程雷达回波特征分析

2022-11-09马中元徐春华辛珂钰张王鹏李正陈

气象水文海洋仪器 2022年3期

刘娟，马中元，徐春华，辛珂钰，张王鹏，李正陈

(1.铜鼓县气象局，铜鼓 336200；2.江西省气象科学研究所，南昌 330046)

0 引言

铜鼓县是江西省宜春市下辖县，地处赣西北边陲，东邻宜丰县，南接万载县，西邻湖南浏阳市、平江县，北连修水县，全县国土面积1552 km2。铜鼓县管辖6镇3乡4个国有林场，常住人口为116，418人。铜鼓的地理环境决定了铜鼓是降水灾害多发地区，暴雨、大暴雨、冰雹、雷暴大风、地质等自然灾害时有发生。尤其是大暴雨天气，给铜鼓县及乡镇村、林场带来严重危害。因此，大暴雨天气的监测预警、回波特征识别、短临预报的开展是重要的研究课题。

国内学者对大暴雨天气做了大量研究，如造成特大暴雨的强对流回波带与近地面层925 hPa辐合区位置一致，而且回波单体移向与回波带走向一致[1]。暴雨的雷达回波特征主要是絮状回波带，回波单体强度虽然不强，但维持时间较长，反复经过一地，单体回波呈现“列车效应”，最后形成暴雨或大暴雨天气[2，3]。≥10 mm/10 min的超短时强降水是构成≥30 mm/h和≥50 mm/2 h短时强降水的重要组成部分[4]。在雷达拼图上，絮状回波带回波强度为40～45 dBZ，但降水时间较长，易形成大暴雨[5，6]。短时强降水对暴雨贡献率基本在40%以上[7]。通过对16 a资料的统计，低槽类出现最多，占50.3%，热带系统类占23.0%，副热带高压控制类占13.7%，副热带高压边缘类占9.9%[8]。大暴雨中的短时强降水还与所处的地形条件和边界层风场相关[9-11]。这些研究成果为文章研究提供了参考。

文章使用MICAPS常规天气图、江西省自动气象站数据、江西WebGIS雷达拼图等资料，对2021-08-25铜鼓大暴雨天气的雷达回波特征进行分析，总结出可供识别短时强降水的雷达回波特征，为铜鼓大暴雨天气的短临预警预报提供分析依据。

1 资料来源

常规天气图资料来源于MICAPS平台；雨量等气象资料来源于江西省自动气象站地面要素查询平台；雷达回波资料来源于江西WebGIS雷达拼图平台。文中涉及的地图边界均是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)3320号的标准地图制作，Micaps地图的审图号：GS(2019)3082号。全文使用北京时间。

2 天气实况、闪电分布和天气背景

2.1 降水实况

2021-08-24T20:00—2021-08-25T20:00，江西赣北南部与赣中北部出现1次东—西走向的大暴雨过程(图1a)。大暴雨分为3个中心：铜鼓、南昌、德兴。其中铜鼓大暴雨是文章研究重点。铜鼓隶属宜春市，位于宜春市最北部，也是这次大暴雨过程的一个中心(图1b)。铜鼓县境内多个区域站都出现≥100 mm/24 h大暴雨，其中铜鼓103.7 mm/24 h。这次大暴雨主要分布在铜鼓中南和西部(图1c)，有8个站≥100 mm/24 h，最大156.1 mm/24 h(高桥)。从4 h雨量(图1d)上看，铜鼓大暴雨基本上在25日03:00—07:00产生，短时强降水特征十分明显，最大雨强36.6 mm/h(高桥)。

图1 2021-08-25T20:00大暴雨过程天气实况图(mm/24 h，mm/4 h)

2.2 闪电分布

短时强降水产生的大暴雨天气都是由对流性雷暴天气所导致，因此，闪电的活动可以判断出雷暴天气的活跃度；另一个方面，伴有闪电活动的雷暴云，与普通阵雨相比具有较高的降水效率。因此，闪电次数的多少、正负闪电的强度大小是其主要指标。

2021-08-24T21:00—2021-08-25T20:00，江西境内闪电活动以总闪次数和正负闪最大两个要素来说明(图2)，数据时间间隔为10 min，即10 min闪电累积值。25日辐合线上短时强降水时段闪电次数较少，午后局地雷暴闪电次数增多(图2a)。这次大暴雨过程，短时强降水主要集中在25日03:00—06:00，但闪电次数基本上都是≤40次/10 min，这是由于辐合线上强降水的强回波顶高都在6 km以下，闪电并不密集。而午后随着地面增温，辐合线南侧局地对流的发展加强，闪电开始频繁增多，17:00闪电次数最高增至≥200次/10 min。从正负闪强度上分析，03:00—06:00短时强降水虽然闪电次数较少，但正负闪电强度较大，≥200 kV/10 min，而且正负闪幅度比较对称(图2b)，25日午后局地雷暴正闪强度明显减小。

由此可见，短时强降水闪电次数并不密集，但正负闪电强度比较大且振幅对称。午后热对流产生的雷暴闪电次数增多，但正闪强度明显减小且正负闪电振幅不对称。

2.3 天气背景

MICAPS常规天气图是业务中最容易得到的基本天气资料，也是预报员分析天气的基础平台。2021-08-24T20:00，100 hPa(图3a)，32°N以北是比较强盛的高空急流，急流围绕低压底部旋转；28°N以南是副高边缘盛行的偏东气流，是副高边缘形势下高空经典东风急流；南北两急流之间是辐合带，西风和东风的切变带，风速较弱，风向较乱。500 hPa(图3b)，30°N以北低压底部是西北气流，30°N以南是西南气流，风较弱；588 dagpm线穿过江西，江西处在副高边缘。850 hPa(图3c)，西北气流直指江西北部，江西受西南气流控制，两气流之间存在一条切变线。925 hPa(图3d)，低压底部气流有所减弱，江西南部存有超低空西南急流，江西北部是两气流辐合线(区)。这条辐合线少动是铜鼓大暴雨维持的动力机制。江西多山地，地面风场受到较大影响，所以地面图被省略，用925 hPa代替。

图2 2021-08-24T21:00—2021-08-25T20:00江西闪电分布图

图3 2021-08-20T20:00MICAPS天气系统分布图

由此可见，这次铜鼓大暴雨是发生在地面(925 hPa)辐合线(区)南侧，副高边缘、低压底部、中层切变线等天气条件下。辐合线(区)长时间维持在铜鼓—南昌—德兴一带，是形成大暴雨的主要天气系统。

3 雷达拼图回波特征

3.1 辐合线回波特征

2021-08-24T23:00—2021-08-25T08:00，江西雷达拼图3 h间隔组合反射率(CR)产品，24日23:00(图4a)，辐合线南侧发展一条不连续对流回波带，回波分布虽然不连续，但可以看出是东—西走向的回波带。铜鼓位于西段较弱回波之中。25日02:00(图4b)，东—西走向的回波带东段排列稍紧密，回波带西段铜鼓回波有所发展。05:00(图4c)，辐合线回波带进一步发展，东段和西段回波带开始连接；回波带西段铜鼓回波发展，组合反射率(CR)达到45 dBZ，整条辐合线回波带为混合型(絮状)回波带，带上层状云降水与对流云降水的混合。08:00(图4d)，辐合线回波带在原地维持少动。

由此可见，辐合线南侧回波带，成为东段和西段不连续排列的东—西走向的回波带。铜鼓位于西段回波发展之中；由于辐合线回波带在原地维持少动，铜鼓大暴雨基本上发生在25日03:00—07:00，短时强降水最大雨强36.6 mm/h(高桥)。

图4 2021-08-24T23:00—2021-08-25T08:00 3 h间隔回波系统演变图

3.2 短时强降水回波特征

2021-08-25T03:50—05:20，短时强降水主要发生在这个时段。03:50(图5a)，铜鼓受到辐合线回波带西段混合型回波影响，降水开始增大。回波表现为在大片层状云中存有对流云降水的絮状回波结构，组合反射率(CR)强度40～45 dBZ，回波强度虽然不强，但降水效率比较高，多个区域站与之配合出现≥10 mm/10 min的超短时强降水，10 min超短时强降水是形成短时强降水的基本单元。04:20(图5b)、04:50(图5c)，回波结构基本没有变化，组合反射率(CR)强度40～45 dBZ，高桥沙坪、高桥花山分别出现36.6 mm/h，32.1 mm/h短时强降水。05:20(图5d)，40～45 dBZ回波面积扩大，短时强降水站数增多，高桥(47.4 mm/h)、高桥沙坪(32.9 mm/h)、排埠(36.2 mm/h)、铜鼓(32.6 mm/h)、永宁(35.7 mm/h)，铜鼓05:40超短时强降水12.2 mm/10 min。在宜春SA天气雷达PUP产品上(图略)，05:20，铜鼓上空组合反射率CR中心强度达到45 dBZ，回波顶ET只有8～9 km，垂直积分液态水含量VIL只有5.0～10.0 kg/m2，反射率因子垂直剖面RCS上，40 dBZ强回波顶高都在 6 km之下。

由此可见，铜鼓大暴雨是由于辐合线回波带西段回波产生短时强降水所致。西段回波强度40～45 dBZ，回波顶ET只有8～9 km，垂直积分液态水含量VIL在5.0～10.0 kg/m2，反射率因子垂直剖面RCS上40 dBZ强回波顶高在 6 km之下，降水效率较高，出现多站≥30 mm/h的短时强降水和≥10 mm/10 min的10 min超短时强降水。