方 標

（貴州省江口縣氣象局，貴州 江口 554400）

2015年春末梵凈山東側特大暴雨雷達徑向速度特征

方 標

（貴州省江口縣氣象局，貴州 江口 554400）

利用貴州銅仁新一代C波段多普勒天氣雷達產(chǎn)品，對2015年5月14日夜間發(fā)生在梵凈山東側的特大暴雨天氣過程中的雷達徑向速度和速度二次產(chǎn)品VWP（速度方位顯示風廓線）的演變特征進行分析研究。結果表明：強回波的穩(wěn)定少動造成了此次短時強降水天氣。VWP產(chǎn)品上，強降水發(fā)生前出現(xiàn)一楔形“ND”區(qū)域，在強降雨發(fā)生發(fā)展過程中大風區(qū)位置快速降低，而在強降雨即將結束時對流層中層出現(xiàn)“ND”區(qū)域且上下擾動發(fā)展。中氣旋的出現(xiàn)有利于短時強降雨發(fā)生發(fā)展，不同高度層出現(xiàn)的逆風區(qū)是短時強降雨發(fā)生前兆，逆風區(qū)的持續(xù)預示短時強降雨仍將持續(xù)。

特大暴雨；中氣旋；逆風區(qū)；VWP

方 標．2015年春末梵凈山東側特大暴雨雷達徑向速度特征［J］．干旱氣象，2016，34（6）：1064－1070，［FANG Biao．Analysis of Radial Velocity Features of Doppler Radar on a Torrential Rainstorm in Eastern Fanjing Mountain in Late Spring of2015［J］．Journalof Arid Meteorology，2016，34（6）：1064－1070］，DOI：10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－1064

引 言

梵凈山是黔東北最高山脈，位于貴州省銅仁市印江、江口、松桃3縣交界區(qū)，其最高峰海拔2 572 m。梵凈山是云貴高原向湘西丘陵過渡斜坡上的第一高峰（相對高度達2 000 m），不僅是烏江與沅江的分水嶺，還是橫亙于貴州、重慶、湖南、湖北4?。ㄊ校┪淞晟矫}的最高主峰。近年來，在該區(qū)域50 km范圍內(nèi)發(fā)生了多次短時強降水天氣過程，最大小時雨強達130 mm·h－1，24 h雨量達300 mm以上，強降水主要位于梵凈山東側，較強的短時強降水通常會造成城市嚴重洪澇，山體滑坡、泥石流等次生災害，給當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)帶來很大損失。

一直以來，不少學者對山區(qū)局地暴雨進行了研究，得出了一些好的經(jīng)驗：吳紅秀等［1］利用雷達產(chǎn)品研究滇西北高原一次局地暴雨時發(fā)現(xiàn)，VIL（垂直液態(tài)水含量）在強降雨時段表現(xiàn)為單峰型，中尺度逆風區(qū)的位置與強降水有很好的對應關系。研究發(fā)現(xiàn)，非降水雷達回波的輻合特征預示著強降水的發(fā)生，逆風區(qū)斷裂位置及邊緣地帶對應著強降水落區(qū)，VWP（速度方位顯示風廓線）最高位置風向標的突降和中層“ND”區(qū)域（靜止風）的出現(xiàn)預示著降水即將結束［2－8］。貴州銅仁新一代天氣雷達于2013年投入運行，由于起步較晚，對該站雷達探測資料的使用嚴重不足，通常僅限于強度回波的監(jiān)測預報預警服務工作，而對速度回波應用很少涉及，常常造成預警不及時，嚴重影響防災減災工作的有序開展。然而，速度回波產(chǎn)品（主要指徑向速度和風廓線產(chǎn)品）能夠很好地反演出雷達站周圍幾十千米甚至一二百千米范圍內(nèi)不同高度的水平風向風速，可以較為準確地分析和預報降水的發(fā)生、發(fā)展和演變過程。為此，本文利用銅仁站雷達回波速度產(chǎn)品，對2015年5月14—15日發(fā)生在梵凈山區(qū)域的局地特大暴雨天氣過程進行分析，以期為短時強降水天氣預報預警提供參考，更好地做好防災減災體系服務。

1 資料來源

利用2015年5月14—15日銅仁站CINRAD／CD型新一代多普勒天氣雷達監(jiān)測產(chǎn)品，該站位于銅仁市碧江區(qū)川硐鎮(zhèn)云盤村楊石坡，其饋源高度為790．6 m。采集數(shù)據(jù)時采用了降水模式進行體掃（VCP21），每6 min完成一個體掃。此次暴雨中心黑灣河位于雷達站西側、梵凈山東側，無山脈遮擋，距離雷達站約 49．5 km，位于VWP產(chǎn)品有效范圍內(nèi)。同時使用了 2015年 5月 14日 18：00—15日09：00（北京時，下同）銅仁市區(qū)域內(nèi)369個自動站（2個氣象要素）逐時降水量。

2 降水實況及天氣背景

2015年5月14日18：00—15日09：00，黔東北區(qū)域出現(xiàn)了入汛以來最強的對流性暴雨天氣過程，暴雨主要集中在銅仁市江口縣北部、梵凈山東側區(qū)域。此次降雨過程共計出現(xiàn)了2站特大暴雨、4站大暴雨、34站暴雨、50站大雨，江口縣黑灣河為暴雨中心（圖1a）。黑河灣站降雨主要集中在14日21：00—15日01：00（圖1b），最大小時雨強達109 mm·h－1，24 h最大降雨量為305．9 mm。此次大暴雨天氣造成梵凈山區(qū)河水猛漲，大面積停水停電，部分道路被沖毀，農(nóng)作物大量受損，梵凈山景區(qū)因設施破壞嚴重停業(yè)一周。據(jù)該地民政部門統(tǒng)計，此次大暴雨天氣造成直接經(jīng)濟損失達6 000多萬元。

圖1 2015年5月14日18：00—15日09：00銅仁市江口縣雨量分布（a，單位：mm）及黑灣河站雨量逐時演變（b）Fig．1 The spatial distribution of precipitation in Jiangkou county（a，Unit：mm）and the hourly evolution of precipitation in Heiwanhe station（b）of Guizhou Province from 18：00 BST 14 to 09：00 BST 15 May 2015

500 hPa高度場（圖略）上，14日08：00—15日20：00，貝加爾湖東部至我國東北地區(qū)為一低渦控制，西太平洋副熱帶高壓588 dagpm線維持在兩廣中部。14日20：00（圖2a），東北低渦槽底延伸至貴州中東部地區(qū)，利于冷空氣分裂南下，同時低緯度地區(qū)及青藏高原東側多低槽東移活動，移速慢；15日20：00（圖略），西太平洋副熱帶高壓588 dagpm線南壓到沿海。700 hPa高度場上，14日08：00（圖略），貴州為西南急流北側的西南氣流控制，該急流位于廣西北部、湖南、江西中部，最大風速達22 m·s－1；14日20：00（圖2a），在重慶北部有一低渦切變線形成，其附近有－7～－1℃的24 h負變溫區(qū)，利于低渦切變線發(fā)展，同時西南急流維持，風速達16～20 m·s－1；15日08：00（圖略），切變線東移南壓到長江中下游至貴州北部，西南急流南壓至廣西—湖南—江西一帶。850 hPa高度場上（圖略），14日20：00—15日08：00期間，重慶北部低渦切變線逐漸東移南壓，西南急流維持并北抬，銅仁處于急流軸北側、低渦切變線中。地面圖上，14日08：00，地面為熱低壓控制，中心氣壓為1 005 hPa（圖略）；14日 20：00，北方冷空氣逐漸南壓，貴州低壓中心降至1 002．5 hPa，積聚了大量不穩(wěn)定能量，并與暖氣流交匯于四川北部至河西走廊一帶（圖2b）；15日08：00，冷鋒沿正北路徑南壓，貴州東北部受冷空氣影響（圖略）。

綜上所述，此次特大暴雨過程是由500 hPa低渦槽東移加深、中低層低渦切變線、地面弱冷鋒共同作用產(chǎn)生的，西南低空急流為暴雨區(qū)源源不斷地提供水汽，大暴雨發(fā)生前能量明顯增加，為暴雨的發(fā)生、發(fā)展提供了充足的能量基礎。

3 雷達產(chǎn)品特征

3．1 回波強度場演變特征

由圖3雷達組合反射率因子演變過程可知，回波自西向東移動，在經(jīng)過黑灣河區(qū)域時匯聚發(fā)展且停滯移動。14日19：51，在黑灣河西北側有一強度為50 dBZ的強回波。隨著回波的緩慢東移，20：14，之前位于黑灣河西北側的強回波在黑灣河西側形成一強度為60 dBZ、面積約為20 km2的強回波帶，該回波帶穩(wěn)定少動，但強回波面積逐漸減小，演變?yōu)橐粡娀夭▎误w。21：17，黑灣河西南側強回波單體強度達60 dBZ，該回波單體自西南向東北方向移動，移動速度為2 km·h－1。隨著時間的推移，黑灣河西南側的回波單體聚集加強，面積不斷擴大，22：31形成一面積達30 km2的超級回波單體，此時該超級單體的垂直剖面上，強度超過35 dBZ的回波已經(jīng)伸展到12 km以上，說明該云團對流發(fā)展極為旺盛。隨后，該超級單體回波強度緩慢降低，23：59，該區(qū)域的強回波演變?yōu)槠胀ń邓夭?，其移動方向也由之前的西南—東北方向演變?yōu)樽阅舷虮币苿印？梢?，強回波在黑灣河區(qū)域的穩(wěn)定少動造成了此次暴雨天氣過程。

圖2 2015年5月14日20：00的500 hPa、700 hPa、850 hPa中尺度環(huán)境綜合分析（a）及地面影響系統(tǒng)（b）Fig．2 Comprehensive analysis ofmesoscale environment on 500 hPa，700 hPa and 850 hPa（a）and ground affecting system（b）at20：00 BST on 14 May 2015

圖3 2015年5月14日19：51—23：59銅仁站多普勒雷達組合反射率因子與22：31反射率因子垂直剖面（單位：dBZ）Fig．3 The composite reflectivity factor from 19：51 BST to 23：59 BST on 14 May and the vertical cross section at22：31 BST on 14 May 2015 of Doppler radar in Tongren station of Guizhou Province（Unit：dBZ）

3．2 VWP產(chǎn)品

3．2．1 降水前“ND”楔形區(qū)域的形成

由圖4銅仁站多普勒雷達的VWP變化可知，強降水前14日18：58開始，對流層中高層（5—10 km）偏北風加強且向中層傳輸，在低層1．5 km以下出現(xiàn)弱東南風急流，并向中層擴展，整層風場這種上下擾動變化使原本靜穩(wěn)的大氣層結遭到破壞并變得不穩(wěn)定；中低層（2—5 km），隨著時間的推移，風速逐漸增加，“ND”穩(wěn)靜層遭到破壞（ND表示靜止風場），低層（2—3 km）上升氣流運動加強，與此同時受西南急流的影響，低層風向主要以西南風為主。21：08，中低層有一支西南風氣流，形成一較為深厚的水汽通道，整個形成過程歷時約2 h。從風場的垂直廓線可看出，在8 km以下，風向隨著高度順時針旋轉，呈暖平流特征，而8 km以上，風向隨著高度逆時針旋轉，呈冷平流特征，從而形成了中低層暖濕、高層干冷的大氣不穩(wěn)定層結，有利于對流性降雨發(fā)生。另外，在低層，風速隨高度增加而增大，且增大幅度較大，存在著風的垂直切變，同時也存在風的擾動。

圖4 2015年5月14日18：58—21：30銅仁站多普勒雷達VWP圖（單位：m·s－1）Fig．4 VWP diagram of Doppler radar from 18：58 BST to 21：30 BST on 14 May 2015 in Tongren station of Guizhou Province（Unit：m·s－1）

3．2．2 降水發(fā)展期間大風區(qū)底高的變化

多普勒天氣雷達VWP產(chǎn)品圖上，S波段風速＞10 m·s－1或者C波段風速＞5 m·s－1的風場定義為大風區(qū)［4］，中高層大風區(qū)的出現(xiàn)及其底高位置的變化與降水的發(fā)生、維持、加強密不可分。強降水發(fā)生階段（圖5），在2．7 km以下，風向桿在西南風的影響下維持較大的垂直向上速度，存在較為明顯的上升氣流，說明氣流向上傳送旺盛；在2．7—5．5 km范圍內(nèi)，上升氣流速度有所減小，受到西南風的影響，風向發(fā)生了一定偏轉；在高層8 km以上維持一高空大風區(qū)域，大風區(qū)的位置隨著時間的推移其底高有所降低，在 22：12—22：31期間，大風區(qū)的位置下降了2 km（圖5中黑色粗線），此時段內(nèi)梵凈山東側小時雨量達109 mm。此外，降水發(fā)展期間暖平流特征明顯。由ω方程可知［9］，暖平流產(chǎn)生上升運動，冷平流產(chǎn)生下沉運動，暖平流是維持降水的重要原因。從圖5不難看出，在強降水發(fā)生階段，風向桿隨著高度增加呈順時針旋轉，西南風向桿的厚度擴展到3 km左右，說明水汽的垂直運動明顯，降水將進一步加強，這與張崇莉等［10］發(fā)現(xiàn)的滇西北高原短時強降水中VWP以西南氣流為主相符合?？梢?，降水發(fā)展期間在VWP上暖平流特征明顯，高層大風區(qū)位置的下降預示著短時強降水的發(fā)生，在實際的短時臨近預報中應警惕該特征的變化。

圖5 2015年5月14日22：12—23：11銅仁站多普勒雷達VWP圖（單位：m·s－1）Fig．5 VWP diagram of Doppler radar from 22：12 BST to 23：11 BST on 14 May 2015 in Tongren station of Guizhou Province（Unit：m·s－1）

3．2．3 降水末期中層“ND”出現(xiàn)及風向桿位置變化

圖6 2015年5月15日02：17—03：18銅仁站多普勒雷達VWP圖（單位：m·s－1）Fig．6 VWP diagram of Doppler radar from 02：17 BST to 03：18 BST on 15 May 2015 in Tongren station of Guizhou Province（Unit：m·s－1）

在降水趨于結束階段（圖6），15日02：17，VWP圖上不同高度層均開始出現(xiàn)“ND”；隨著時間的推移，“ND”區(qū)域不斷向上、下方向蔓延，中層風向桿完整性遭到破壞，說明中層降水云系逐漸消散，而低層“ND”區(qū)域面積不斷擴大，大氣層結趨于穩(wěn)定；隨后，中低層“ND”區(qū)域不斷上下發(fā)展切斷了水汽的垂直輸送，致使動量無法傳輸，降水逐漸減弱停止。因此，在實際業(yè)務應用過程中，如果不同高度層均出現(xiàn)“ND”取代風向桿的現(xiàn)象，可以確定未來短時間內(nèi)將不會出現(xiàn)強降雨天氣。

綜上所述，在實際短時臨近預報工作中，對VWP產(chǎn)品的分析尤為重要，大風區(qū)位置的移動和“ND”區(qū)域的變化能夠很好地預示著強降水的開始和結束，這在實際預報中應加以重視。

3．3 徑向速度場特征

3．3．1 逆風區(qū)

雷達探測的徑向速度場中，負徑向速度代表入流，正徑向速度代表出流，故徑向速度 PPI圖上的正、負速度反映了氣流的輻合、輻散運動情況。“逆風區(qū)”是在同一方向的速度區(qū)中出現(xiàn)相反方向的速度區(qū)，即在正（負）速度區(qū)內(nèi)，出現(xiàn)了負（正）速度區(qū)，而被包圍的速度區(qū)便稱為“逆風區(qū)”［11］，它反映了風場的中尺度輻合輻散配置，可以作為預報短時暴雨產(chǎn)生的重要依據(jù)［12］。研究表明，逆風區(qū)的維持與伸展的高度可作為暴雨預報的先兆信號［13］，其發(fā)展范圍內(nèi)及其移動路徑上，往往會出現(xiàn)強降水［14］，逆風區(qū)一般對應著強降水中心區(qū)［15］。

從徑向速度圖上看出，14日22：25，在黑灣河區(qū)域內(nèi)均存在逆風區(qū)（圖7b和圖7c），且逆風區(qū)的面積隨著高度的抬升逐漸減小，說明該區(qū)域的風場垂直輻合比較旺盛，有利于低層水汽向上輸送。該逆風區(qū)水平尺度最大為25 km2，垂直厚度達4．6 km，逆風區(qū)靠近雷達區(qū)域一邊為輻散區(qū)，較遠一邊為輻合區(qū)，形成了產(chǎn)生暴雨的垂直環(huán)流結構，且逆風區(qū)在該地停滯不動，持續(xù)時間達1 h以上，對應該時段內(nèi)出現(xiàn)了短時強降水，小時雨強達到109 mm·h－1?？梢姡骘L區(qū)的出現(xiàn)影響了該區(qū)域水平輻合輻散的強弱和分布，造成中尺度垂直環(huán)流的形成；而不同高度層出現(xiàn)逆風區(qū)說明垂直環(huán)流發(fā)展比較旺盛，有利于水汽向上運輸，預示著短時強降水發(fā)生，逆風區(qū)的持續(xù)表明水汽的垂直運動持續(xù)，強降水也將持續(xù)。另外，對比不同仰角的徑向速度圖發(fā)現(xiàn)，1．5°仰角出現(xiàn)逆風區(qū)的時間比其他仰角提前5～8個體掃。在21：01的1．5°仰角徑向速度PPI圖上（圖7a），逆風區(qū)在黑灣河區(qū)域就已出現(xiàn)，這比短時強降水的發(fā)生時間提前約1 h，因此在實際短時臨近預報服務過程中，可選擇在1．5°仰角PPI徑向速度圖上的特性來判斷未來天氣。

圖7 2015年5月14日21：01（a）、22：25（b、c）銅仁站多普勒雷達1．5°（a、b）和2．4°（c）仰角的徑向速度（單位：m·s－1）Fig．7 The radial velocity on 1．5°（a，b）and 2．4°（c）elevation of Doppler radar at21：01 BST（a）and 22：25 BST（b，c）on 14 May 2015 in Tongren station of Guizhou Province（Unit：m·s－1）

3．3．2 中氣旋

研究表明［16－20］中氣旋的生成有利于低層暖濕空氣不斷向上輸送，促進暴雨的發(fā)展，中氣旋的長時間存在意味著對流系統(tǒng)不會很快消弱，氣旋特征越明顯，對流發(fā)展越旺盛。從風暴徑向速度圖可以看出，14日21：30（圖8a），2．4°仰角上，在黑灣河附近區(qū)域，有一正負速度對，正中心為14．3 m·s－1，負中心為－9．8 m·s－1，其旋轉速度12．76 m·s－1，核區(qū)直徑為4．6 km，為弱中氣旋。21：50的2．4°仰角上（圖8b），正負速度對范圍擴大，但強度有所減弱，其旋轉速度達17．36 m·s－1，為中等強度的中氣旋。21：57（圖8c），中氣旋較前一階段（21：50）的正負速度、面積均有明顯增大，在4．3°仰角上仍存在弱中氣旋（圖8d），說明該區(qū)域對流垂直發(fā)展比較旺盛。低層中氣旋的形成有利于低層降壓，氣旋發(fā)展，上升氣流加強。隨后的22：25—22：43（圖略），黑灣河區(qū)域一直存在著強中氣旋。在22：00—23：00時段內(nèi)，黑灣河區(qū)域小時雨強達109 mm·h－1?？梢?，強中氣旋的發(fā)展及維持，有利于低層暖濕空氣向上輸送，在實際短時臨近預報中應加以充分考慮。

圖8 銅仁站多普勒雷達2015年5月14日21：30（a）和21：50（b）2．4°（a、b）以及21：57（c、d）1．5°（c）和4．3°（d）仰角的風暴徑向速度（單位：m·s－1）Fig．8 The storm radial velocity on 2．4°（a，b），1．5°（c）and 4．3°（d）of Doppler radar at21：30 BST（a），21：50 BST（b）and 21：57 BST（c，d）on 14 May 2015 in Tongren station of Guizhou Province（Unit：m·s－1）

另外，垂直液態(tài)水含量（VIL）顯示（圖略），在中氣旋出現(xiàn)階段，VIL最大值由24．8 kg·m－2躍遷到57．5 kg·m－2，正對應著此暴雨過程中的最大雨強。當中氣旋消失時，VIL值迅速減小，降水強度趨于平緩?？梢?，VIL值的跳變與風暴的出現(xiàn)具有較好的相關性，風暴發(fā)展，低層氣流輻合上升，使得水汽向上傳輸聚集，降水強度增大。

4 結 論

（1）此次特大暴雨過程主要是由強回波在經(jīng)過梵凈山區(qū)域時穩(wěn)定少動、匯聚加強發(fā)展所造成。

（2）此次強降水過程的VWP產(chǎn)品演變特征顯示：強降水發(fā)生前期，“ND”穩(wěn)靜層遭到破壞，對流層中低層以上升氣流為主；暖平流、大風區(qū)位置的下降有利于降水的維持和加強；中層“ND”區(qū)域的出現(xiàn)及上下發(fā)展預示著降水即將結束。

（3）徑向速度圖上，不同高度層上出現(xiàn)的逆風區(qū)是短時強降雨發(fā)生前兆，逆風區(qū)的持續(xù)預示短時強降雨仍將持續(xù)；中氣旋的出現(xiàn)有利于短時強降雨的發(fā)生發(fā)展。

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［19］汪小康，廖移山．2015年6月1日江漢平原大暴雨過程診斷分析［J］．暴雨災害，2015，34（2）：184－190．

［20］張琳娜，郭銳，何娜，等．“7·21”北京特大暴雨過程龍卷形成可能性探究［J］．高原氣象，2015，34（4）：1074－1083．

Analysis of Radial Velocity Features of Dopp ler Radar on a Torrential Rainstorm in Eastern Fanjing M ountain in Late Spring of 2015

FANG Biao

（Jiangkou Meteorological Station of Guizhou Province，Jiangkou 554400，China）

Based on the reflectivity and radial velocity data of new generation Doppler radar with C band at Tongren station of Guizhou Province and the hourly precipitation data of369 automatic weather stations in Tongren region，the evolution characteristics of the echo，radial velocity and wind profile of a torrential rainstorm occurred in eastern Fanjingmountain on 14 May 2015 were analyzed．The results showed that the strong echo stabilized and gathered in Fanjingmountain，which caused the short－time strong rainfall．The characteristics of wind field in VWP（velocity of the wind profile）diagram were significantly different at different stages of the rainfall．There was a ND area with wedge shape in VWP diagram before the rainfall，the strongwind area appeared inmiddle to upper levels of troposphere，and its bottom height reduced quickly as time goes on．During the development of rainfall，thewarm advection below 8 km and cold advection above 8 km formed the atmospheric unstable stratification，and the wind speed increased with the rise of height in lower layer，thewind vertical shear and disturbancewere obvious．When the areawith ND appeared inmiddle levelof troposphere once again，and developed to upward and downward respectively，which indicated the rainfallwould end．Themeso－cyclonewas conducive to the occurrence and development of short－term heavy rainfall．The PPI diagram appeared the head wind area at different level，which was indicative to the short－term heavy rainfall，and the continuous upwind area would predict to continue for some time of the short－term heavy rainfall．

torrential rainstorm；meso－cyclone；head wind area；VWP

1006－7639（2016）－06－1064－07

10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－1064

P458．1+21．1

A

2016－05－12；改回日期：2016－07－08

黔科合［2016］支撐2813“基于多普勒雷達速度產(chǎn)品的梵凈山區(qū)域短時強降水預報預警技術研究”、銅市科研（2016）1號“基于多普勒雷達的梵凈山區(qū)域短時強降水預報預警技術研究”、黔氣科合QN［2017］01號“基于雷達回波反射率垂直剖面圖的冰雹識別研究”及銅氣科合［2016］01號“基于實測降水強度下的銅仁市暴雨Z—R關系研究”共同資助

方標（1987－），男，工程師，本科，主要從事多普勒雷達產(chǎn)品分析工作．E－mail：trqxfangbiao＠sina．com