周雪松，馮勇，陳澍，劉思宇

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250031；2.山東省氣象信息中心，山東 濟(jì)南 250031)

引言

我國是世界上氣象災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，暴雨歷來是我國氣象工作者關(guān)注和研究的重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。臺風(fēng)往往帶來長時(shí)間暴雨等氣象災(zāi)害，給我國社會生產(chǎn)和人民生活帶來嚴(yán)重影響，如2018年8月17—20日，第18號臺風(fēng)“溫比亞”直接影響我國華東區(qū)域，造成了嚴(yán)重氣象災(zāi)害，除在長江口和巢湖等地方造成大的風(fēng)浪外[2-3]，還給安徽、河南、山東等地帶來了大范圍強(qiáng)降雨，部分地區(qū)出現(xiàn)大暴雨和特大暴雨，形成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害[4-6]。

隨著人民生活和社會發(fā)展對暴雨預(yù)報(bào)精細(xì)化水平要求的日益提高，臺風(fēng)暴雨分析研究更加深入、詳盡和精細(xì)[7]。特別是近年來，對暴雨中尺度雨團(tuán)和暴雨精細(xì)落區(qū)的研究也日益增多。牛淑貞等[8]在研究“海棠”臺風(fēng)時(shí)認(rèn)為中尺度雨團(tuán)和雷達(dá)強(qiáng)回波有很好的對應(yīng)關(guān)系。周文志等[9]還分階段研究了臺風(fēng)暴雨中尺度雨團(tuán)的發(fā)展規(guī)律。吳家富等[10]對閩西北前汛期暴雨雨團(tuán)的移動(dòng)特征進(jìn)行了分析。陳博和李新峰[11]則對臺風(fēng)暴雨開展了診斷分析研究。鄭怡等[6]在分析臺風(fēng)“溫比亞”時(shí)發(fā)現(xiàn)低層強(qiáng)風(fēng)速帶在魯中山區(qū)迎風(fēng)坡強(qiáng)迫抬升不斷觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)，在中高層氣流引導(dǎo)和地形作用下產(chǎn)生“列車效應(yīng)”，這也是造成局地特大暴雨的重要因素。綜上所述，前期關(guān)于臺風(fēng)暴雨雨團(tuán)的研究已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展，但是以上研究主要還是以針對暴雨的天氣學(xué)診斷分析為主，缺少使用更高分辨率數(shù)據(jù)資料對臺風(fēng)暴雨中尺度雨團(tuán)進(jìn)行的定量分析和統(tǒng)計(jì)研究，暴雨高時(shí)空分辨率監(jiān)測和短時(shí)臨近精準(zhǔn)預(yù)警難題還需要進(jìn)一步研究解決。

本文借助山東省廣泛使用的多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)，建立了高時(shí)空分辨率的三維雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)集，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合使用自動(dòng)氣象觀測站和其他常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，詳細(xì)研究分析臺風(fēng)“溫比亞”影響山東期間暴雨中尺度雨團(tuán)的發(fā)生、發(fā)展和變化規(guī)律，以期通過對暴雨雨團(tuán)的定量分析給出山東此次特大暴雨發(fā)生、發(fā)展和造成嚴(yán)重洪水災(zāi)害背后的短歷時(shí)強(qiáng)降雨細(xì)節(jié)，為進(jìn)一步做好短時(shí)與短期之間無縫隙天氣預(yù)報(bào)，更好地發(fā)揮氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線作用提供更好的參考和依據(jù)。

1 臺風(fēng)過程概述

1.1 臺風(fēng)路徑

2018年第18號臺風(fēng)“溫比亞”是一個(gè)月內(nèi)3個(gè)連續(xù)密集影響山東的臺風(fēng)中的最后一個(gè)。2018年8月15日早晨在東海東南部海面生成熱帶低壓；17日04時(shí)(北京時(shí)間，下同)在上海浦東登陸，中心最大風(fēng)力為9級(熱帶風(fēng)暴級)；后經(jīng)過江蘇、安徽，18日03時(shí)進(jìn)入河南固始，在河南南部長時(shí)間滯留，19日05時(shí)從河南駐馬店轉(zhuǎn)向東北移動(dòng)，于19日傍晚進(jìn)入山東菏澤。“溫比亞”進(jìn)入山東境內(nèi)后，陣風(fēng)維持在7～8級，穿過山東的西部于20日07時(shí)由東營進(jìn)入渤海，進(jìn)入渤海后又顯著增強(qiáng)，中心風(fēng)力達(dá)到7～8級，陣風(fēng)10～11級(圖1a)。該臺風(fēng)具有生成快、發(fā)展迅速的特點(diǎn)，登陸北上長時(shí)間影響山東，移速慢，殘余環(huán)流強(qiáng)，風(fēng)大雨大。此次暴雨也是山東1951年有記錄以來到2018年最強(qiáng)的一次暴雨過程。

圖1 第18號臺風(fēng)“溫比亞”移動(dòng)路徑(a)和過程總降雨量(b；色階，單位：mm)Fig.1 Track (a) and total precipitation (b; color scale, units: mm) of Typhoon RUMBIA (2018)

1.2 臺風(fēng)暴雨

受臺風(fēng)影響，山東出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降雨。2018年8月17日17時(shí)，山東受其外圍影響開始出現(xiàn)降水，至20日14時(shí)影響基本結(jié)束。全省出現(xiàn)大范圍大暴雨天氣，部分地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，全省平均降水量為135.5 mm，3市平均降水量超過200 mm，8市平均降水量超過100 mm，其中尤以東營(245.3 mm)、泰安(209.3 mm)、菏澤(200.9 mm)、濟(jì)寧(185.0 mm)和濰坊(178.7 mm)最大。單站最大降水量為511.2 mm(泰安徂徠土門村)，廣饒(258.0 mm)等9個(gè)國家級氣象觀測站8月19日的降水量突破本站歷史極值，魚臺(214.3 mm)等12個(gè)國家級氣象觀測站的3日連續(xù)降水量突破本站歷史極值(圖1b)。

1.3 臺風(fēng)災(zāi)害

受臺風(fēng)影響山東省部分地區(qū)出現(xiàn)大暴雨，局部特大暴雨，造成濰坊、菏澤、濟(jì)寧等13市81個(gè)縣(市、區(qū))的626個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)不同程度受災(zāi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全省518.46萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積61.63萬hm2，倒塌房屋13 317間，直接經(jīng)濟(jì)損失215.13億元。濰坊市災(zāi)情最重，其中壽光境內(nèi)的彌河出現(xiàn)險(xiǎn)情，全市152.86萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積16.79萬hm2，倒塌房屋10 335間，直接經(jīng)濟(jì)損失174.73億元。

8月19日16時(shí)50分，泰安高新區(qū)天寶鎮(zhèn)年家峪村東一自然村，因強(qiáng)降雨引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害；多地交通受到影響，G20青銀高速濟(jì)青段(濟(jì)青高速北線)K178(昌樂站以西2 km)丹河橋梁護(hù)壩被沖塌；多列火車晚點(diǎn)，多個(gè)高速路段、收費(fèi)站臨時(shí)限行或關(guān)閉，多地城區(qū)積水路段采取交通管制。在此次臺風(fēng)過程中，據(jù)統(tǒng)計(jì)山東省各級氣象部門共發(fā)布了433個(gè)暴雨、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣預(yù)警信號，也為多年來少有。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 主要數(shù)據(jù)

研究中使用的高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)主要包括：2018年8月17日08時(shí)—2018年8月21日08時(shí)的地面高空常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，其中國家基本(準(zhǔn))站、一般氣象站和區(qū)域氣象觀測站共1 536個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率1 h，研究前對該數(shù)據(jù)進(jìn)行了認(rèn)真的分析質(zhì)控以提高數(shù)據(jù)可用性。多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)主要是濟(jì)南、青島、煙臺、濰坊、臨沂、濱州、威海等7個(gè)S波段多普勒天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)，共6 842個(gè)體積掃描數(shù)據(jù)，間隔6 min。另外，為研究天氣學(xué)背景，還使用了NCEP再分析資料，時(shí)間分辨率6 h，空間分辨率1°×1°。

2.2 多普勒天氣雷達(dá)立體拼圖方法

在進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)拼圖算法設(shè)計(jì)中，雷達(dá)拼圖算法總體參考肖艷姣和劉黎平[12]使用的拼圖算法，將每個(gè)雷達(dá)基數(shù)據(jù)所包含的各個(gè)仰角數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，匹配到地面0.01°×0.01°格點(diǎn)上；然后在水平面上使用最大值方法進(jìn)行雷達(dá)二維拼圖，在垂直方向上使用反距離加權(quán)(inverse distance weighted，IDW)插值方法進(jìn)行三維插值拼圖，最終得到二維的雷達(dá)組合反射率拼圖數(shù)據(jù)和三維的反射率因子數(shù)據(jù)。

最終，通過雷達(dá)拼圖算法計(jì)算獲得的雷達(dá)組合反射率因子和三維反射率因子數(shù)據(jù)集，其水平范圍為113.2°～124.3°E、32.8°～39.8°N，水平分辨率為0.01°約1 km，時(shí)間分辨率為10 min，數(shù)據(jù)涵蓋山東省全境及部分周邊區(qū)域。三維反射率因子數(shù)據(jù)在垂直方向上從200 m開始一直到14 000 m，垂直分辨率為200 m。數(shù)據(jù)集時(shí)間段為2018年8月17日08時(shí)—21日08時(shí)。

通過多普勒天氣雷達(dá)拼圖技術(shù)的使用，得到了一個(gè)完整的三維立體雷達(dá)回波數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集比原來的單站雷達(dá)數(shù)據(jù)更好地保證了暴雨觀測的完整性和客觀性。首先，三維雷達(dá)拼圖算法很好地保持了原始雷達(dá)信息基本一致，對比檢驗(yàn)證明雷達(dá)強(qiáng)回波的范圍和強(qiáng)度，雷達(dá)回波的輪廓等均很好地進(jìn)行了重現(xiàn)，如2018年8月19日16:02，在118.7°E雷達(dá)反射率因子剖面圖上，位于36.8°N附近的45 dBZ以上的強(qiáng)回波區(qū)均得到很好的保留(圖2)。同時(shí)，采用三維拼圖后，原單站雷達(dá)觀測不到的盲區(qū)，雷達(dá)回波信號也得到了很好的呈現(xiàn)，如圖2a中位于35.6°N以南的強(qiáng)回波區(qū)由于低仰角探測原因，使用單站雷達(dá)不能很好地探測到，但是在雷達(dá)三維拼圖(圖2b)中，2 km以下的底層雷達(dá)回波得到很好的補(bǔ)充?？梢钥闯?，通過三維雷達(dá)拼圖，可以得到更加真實(shí)的回波結(jié)構(gòu)，使得分析此次臺風(fēng)暴雨的中尺度雨團(tuán)更加科學(xué)、客觀和有效。

圖2 2018年8月19日16:02左右濰坊雷達(dá)反射率因子沿118.7°E剖面(a.單站，b.拼圖；色階，單位：dBZ)Fig.2 Cross profile of Weifang radar along 118.7°E at about 16:02 BST 19 August 2018 (a. Weifang Station, b. mosaic; color scale, units: dBZ)

3 臺風(fēng)暴雨雨團(tuán)特征分析

關(guān)于此次臺風(fēng)暴雨和大風(fēng)過程，有關(guān)學(xué)者已經(jīng)做了很多的研究。前期大量研究分析認(rèn)為，此次臺風(fēng)持續(xù)時(shí)間較長，并且階段特征明顯，且部分階段降雨非常集中。鄭怡等[6]認(rèn)為“溫比亞”及其殘骸長時(shí)間影響山東引發(fā)特大暴雨可分為三個(gè)階段，分別受臺風(fēng)外圍螺旋云系、倒槽和變性后溫帶氣旋冷鋒影響。其中，弱冷空氣與臺風(fēng)倒槽相互作用對強(qiáng)降水的產(chǎn)生和維持起到了重要作用。上述分析階段主要是從天氣學(xué)角度進(jìn)行的分析和階段劃分。為更客觀、細(xì)致地分析強(qiáng)降雨不同階段的特征，使用了全省區(qū)域自動(dòng)氣象站高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而進(jìn)行更加詳細(xì)的階段分析研究。

3.1 降雨的時(shí)間分布特征

為更客觀地分析此次暴雨過程的階段性特征，從全省平均降雨量、最大雨強(qiáng)和大于20 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降雨站數(shù)三個(gè)維度對此次暴雨過程的時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行了深入分析。由全省平均降雨量時(shí)間演變圖(圖3a)，可以清楚地看到，此次臺風(fēng)“溫比亞”暴雨過程中，全省平均降水量有三個(gè)峰值對應(yīng)三個(gè)階段，分別是18日上午、18日夜間和19日白天到夜間。由每個(gè)階段的最大雨強(qiáng)的變化趨勢(圖3b)來看，階段性相對比較明顯，但差別不是太大，但是在第三階段雨強(qiáng)較為特殊，雨強(qiáng)達(dá)到最大，達(dá)124.1 mm·h-1。另外，由全省強(qiáng)降水站數(shù)(圖3c)來看，三個(gè)階段強(qiáng)降水站數(shù)逐次增加，特別是在2018年8月19日21—22時(shí)，全省出現(xiàn)大于20 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)達(dá)到106個(gè)，為短時(shí)強(qiáng)降雨最活躍時(shí)段，也是整個(gè)暴雨過程降水量最大的時(shí)段。

圖3 臺風(fēng)過程中山東逐小時(shí)平均雨量(a，單位：mm)、最大小時(shí)雨量(b，單位：mm)和強(qiáng)降雨站數(shù)統(tǒng)計(jì)(c)Fig.3 Statistics of mean rainfall intensity (a), maximum rainfall intensity (b), and the number of heavy rainfall stations (c) in Shandong during the typhoon

3.2 臺風(fēng)降雨的空間分布特征

從空間角度看，此次暴雨過程中，強(qiáng)降雨空間變化也較大。由整個(gè)臺風(fēng)暴雨過程逐12 h降雨量(圖4)分析來看，從2018年8月17日下午降雨開始到18日18時(shí)，降雨主要出現(xiàn)在魯南和魯中南部，其中最主要集中在兩個(gè)區(qū)域，分別是淄博、泰安東部和臨沂北部的強(qiáng)降雨區(qū)，菏澤、棗莊和濟(jì)寧南部的強(qiáng)降雨區(qū)(圖4a、b)。此后，強(qiáng)降雨區(qū)從魯西南地區(qū)開始(圖4c)，覆蓋魯中(圖4d)、魯西北地區(qū)(圖4e)，最后到半島結(jié)束(圖4f)。通過時(shí)間維度分析可以看出，此次暴雨過程強(qiáng)降水區(qū)域空間差異性很大，這與降雨的移動(dòng)性特征有很大的關(guān)系。為此，下面將從空間和時(shí)間維度上更加詳細(xì)地分析此次暴雨過程的特征。

圖4 2018年8月17日17:00—20日16:00各時(shí)段降雨量(a. 17日17:00—18日06:00，b. 18日06:00—18:00，c. 18日18:00—19日06:00，d. 19日06:00—18:00，e. 19日18:00—20日06:00，f. 20日06:00—16:00；色階，單位:mm)Fig.4 Precipitation of different time periods from 17:00 BST 17 to 16:00 BST 20 August 2018 (a. from 17:00 BST 17 to 06:00 BST 18, b. from 06:00 BST 18 to 18:00 BST 18, c. from 18:00 BST 18 to 06:00 BST 19, d. from 06:00 BST 19 to 18:00 BST 19, e. from 18:00 BST 19 to 06:00 BST 20, f. from 06:00 BST 20 to 16:00 BST 20; color scale, units: mm)

由上述分析可知，山東不同區(qū)域的降水時(shí)段不盡相同。更進(jìn)一步從不同城市平均降雨量變化(圖5)進(jìn)行分析，可以看到此次暴雨過程階段性更為顯著，并且可以分類為單峰型(日照、聊城)、雙峰型(菏澤、青島、煙臺)、三峰型(臨沂、淄博、東營、濰坊、濱州)、四峰型(棗莊、濟(jì)寧、泰安、濟(jì)南、德州、威海)。從地理分布上看，除單峰型外，其他不同類型降雨城市相對臨近，且這些城市主要是南北走向分布，這表明不同降雨雨團(tuán)的移動(dòng)可能是造成不同城市處于不同降水階段的一個(gè)重要原因。此次臺風(fēng)暴雨過程中暴雨中尺度雨團(tuán)與降雨階段性特征的關(guān)系需要進(jìn)一步深入研究和認(rèn)識。

圖5 臺風(fēng)過程中各市平均雨強(qiáng)(單位：mm·h-1)隨時(shí)間的變化Fig.5 Evolution of mean rainfall intensity (units: mm·h-1) in 16 cities of Shandong during the typhoon

3.3 臺風(fēng)暴雨的雨強(qiáng)分布特征

分析上述各城市的暴雨時(shí)間演變，可以看到南北相鄰的城市降雨雨強(qiáng)變化具有一定的相關(guān)性。為更好地研究此次臺風(fēng)降雨在地理空間上的相關(guān)性，沿118.5°E自南向北選取臨朐九山、臨朐、青州、青州何官、壽光臺頭、東營、墾利共7個(gè)臺站(各臺站相距約幾十公里)作為研究對象，分析了這些站點(diǎn)在此次臺風(fēng)暴雨過程中雨強(qiáng)的變化(圖6)?？梢员容^明顯地看到，2018年8月18日夜間，臨朐九山在19時(shí)達(dá)到最大雨強(qiáng)，為35 mm·h-1(圖6a)，而臨朐站在20時(shí)雨強(qiáng)顯著增大，在21時(shí)為到最大雨強(qiáng)，為15.2 mm·h-1(圖6b)，青州站在22時(shí)達(dá)到最大雨強(qiáng)，為22.6 mm·h-1(圖6c)，青州何官在23時(shí)達(dá)到最大雨強(qiáng)，為6.6 mm·h-1(圖6d)，東營和墾利則分別在19日02時(shí)和03時(shí)達(dá)到最大雨強(qiáng)。這種隨時(shí)間和空間變化的演變特征非常清晰，在一定程度上表明降雨雨團(tuán)的移動(dòng)是造成強(qiáng)降水空間變化的重要原因。

圖6 南北臨近站點(diǎn)雨強(qiáng)變化(a.臨朐九山，b.臨朐，c.青州，d.青州何官，e.壽光臺頭，f.東營，g.墾利；單位：mm·h-1)Fig.6 Evolution of rainfall intensity at 7 nearby stations from south to north along 118.5°E (a. Jiushan of Linqu, b. Linqu, c. Qingzhou, d. Heguan of Qingzhou, e. Taitou of Shouguang, f. Dongying, g. Kenli; units: mm·h-1)

分析表明， 19日白天到夜間的強(qiáng)降水階段也存在類似的特征，且更為明顯。臨朐九山在19日18時(shí)雨強(qiáng)為30.8 mm·h-1，此后19時(shí)臨朐和青州雨強(qiáng)分別達(dá)20.8 mm·h-1和39.4 mm·h-1，青州何官在20時(shí)達(dá)到最大雨強(qiáng)，為24.7 mm·h-1，此后更靠北的壽光臺頭在21時(shí)達(dá)到最大雨強(qiáng)51.2 mm·h-1。分析研究表明該時(shí)段暴雨雨團(tuán)移動(dòng)和空間相關(guān)性也非常強(qiáng)(圖6)。

針對此次臺風(fēng)暴雨雨團(tuán)的移動(dòng)，本文對上述站點(diǎn)逐小時(shí)氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速演變特征等與降水強(qiáng)度進(jìn)行了對比分析和深入研究。分析研究表明海平面氣壓在部分時(shí)段，存在由南向北前導(dǎo)變化特征，但是大部分時(shí)段降水與氣壓變化相關(guān)性不強(qiáng)，風(fēng)向風(fēng)速由于受地形和其他因素影響與降水聯(lián)系更弱。

對于臺風(fēng)暴雨來說，在降雨過程中往往對應(yīng)很多典型的強(qiáng)降雨時(shí)段。在此次臺風(fēng)暴雨過程中，分20～30 mm·h-1、30～50 mm·h-1、50～80 mm·h-1、大于80 mm·h-1等四類統(tǒng)計(jì)了短時(shí)強(qiáng)降水不同量級占比。由圖7a可以看到，雨強(qiáng)在20～30 mm·h-1的站次最多占58.9%，在30～40 mm·h-1的站次占22.4%，在40～50 mm·h-1的站次占10.0%，在50～60 mm·h-1的站次占4.9%，以上總共占比達(dá)96.2%，而雨強(qiáng)大于60 mm·h-1的占比僅為3.8%。盡管如此，雨強(qiáng)在50 mm·h-1以上的降水仍是造成過此次臺風(fēng)暴雨災(zāi)害的重要原因。

圖7 短時(shí)強(qiáng)降雨全過程(a)和分時(shí)段(b)分布情況Fig.7 Distribution of short-time heavy rainfall during whole process (a) and each time period (b)

研究發(fā)現(xiàn)，在短時(shí)強(qiáng)降雨中，20～30 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水是此次臺風(fēng)暴雨過程三個(gè)階段短時(shí)強(qiáng)降雨的主體，很好地體現(xiàn)了此次臺風(fēng)暴雨三次高峰時(shí)段。而30～50 mm·h-1的強(qiáng)降雨在三個(gè)階段都有涉及，但后兩個(gè)階段占比明顯更大，甚至在第三階段該強(qiáng)度強(qiáng)降雨占總強(qiáng)降雨的近三分之一，這也是第三階段強(qiáng)降雨形成的主要原因。50～80 mm·h-1的強(qiáng)降水主要分布在第二階段和第三階段，基本上每個(gè)時(shí)次都存在。大于80 mm·h-1的強(qiáng)降雨較為極端，強(qiáng)降水零星分布在第二階段和第三階段，第一階段則沒有超過80 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水(圖7b)。

綜合分析可以看出，此次臺風(fēng)暴雨過程中短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)間分布和量級與降雨各個(gè)階段的關(guān)系相對比較清楚；此次臺風(fēng)暴雨中，長時(shí)間的強(qiáng)降水既是造成暴雨的主要原因，也是極端降水的重要因素。

4 臺風(fēng)暴雨雷達(dá)回波分析

下面使用多普勒天氣雷達(dá)的二、三維拼圖數(shù)據(jù)，主要從雷達(dá)回波的時(shí)空變化特征、雷達(dá)回波的強(qiáng)度分布特征、暴雨雨團(tuán)的移動(dòng)特征和中尺度雨團(tuán)的三維分布特征等幾個(gè)維度進(jìn)行研究分析。

4.1 雷達(dá)回波的時(shí)空變化特征

此次臺風(fēng)暴雨過程降水主要發(fā)生在第三階段，造成的暴雨災(zāi)害也主要發(fā)生在第三階段。臺風(fēng)暴雨相對集中的濰坊市、壽光市、青州市、臨朐縣在19日12時(shí)至20日00時(shí)累計(jì)降水量分別為132.1 mm、206.3 mm、206.7 mm和148.4 mm，分別占降雨過程總量的72%、78%、70%和65%。因此主要以第三階段暴雨過程作為研究對象，這些演變規(guī)律在暴雨發(fā)生的其他幾個(gè)階段也有類似的情況。而這一階段降水強(qiáng)度大、范圍廣。特別是淄博、濰坊等地出現(xiàn)強(qiáng)降水。

圖8a為暴雨過程中降雨較為集中的2018年8月19日18時(shí)多普勒天氣雷達(dá)組合反射率因子拼圖。由圖中可以看到從魯南到魯北都大面積存在強(qiáng)降水回波，大范圍強(qiáng)降水也相對集中，并且從南向北存在較為明顯的帶狀分布，特別是在臨沂東部至濰坊北部一線。這表明，臺風(fēng)暴雨具有較好的組織性和系統(tǒng)性。

圖8 2018年8月19日18時(shí)全省雷達(dá)組合反射率因子(a；色階，單位：dBZ)和2018年8月19日16—20時(shí)不同站點(diǎn)雷達(dá)組合反射率因子變化(b；黑線：青州，綠線：臨朐九山；單位：dBZ)Fig.8 Composite reflectivity (a; color scale, units: dBZ) at 18:00 BST 19 in Shandong and evolution of composite reflectivity (b; units: dBZ) at Qingzhou Station (black line) and Jiushan Station of Linqu (green line) from 16:00 BST to 20:00 BST 19 August 2018

在該降雨時(shí)段，由間隔10 min的雷達(dá)組合反射率因子拼圖產(chǎn)品(圖略)分析可以看到，雷達(dá)回波不僅具有帶狀分布特征，在時(shí)間上還存在不斷北移的運(yùn)動(dòng)過程。暴雨中尺度雨團(tuán)的北移，可以通過南北相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)觀測站上空雷達(dá)組合反射率因子的變化得到類似反映。圖8b為臨朐九山和該站北面相距約50 km的青州站雷達(dá)反射率因子的變化曲線對比，從中可以很清晰地看到，17—18時(shí)這一時(shí)間段，青州站的雷達(dá)反射率因子位相明顯落后于臨朐九山站約40 min，且變化趨勢基本一致。因此可以分析認(rèn)為該暴雨中尺度雨團(tuán)具有很大的移動(dòng)特征，是造成降雨區(qū)變化的重要原因。

為了更客觀深入地分析雨團(tuán)移動(dòng)方向和速度，沿118.5°E和沿36.5°N在南北和東西方向上分別做了雷達(dá)組合反射率的緯度-時(shí)間剖面和經(jīng)度-時(shí)間剖面(圖9)，以便分析該降雨雨團(tuán)在南北和東西方向上的移動(dòng)特征。

圖9 2018年8月19日沿118.5°E(a)和沿36.5°N(b)的組合反射率因子(單位：dBZ)經(jīng)緯度-時(shí)間剖面Fig.9 Latitude-time cross section of composite reflectivity (units:dBZ) along 118.5°E (a) and 36.5°N (b) on 19 August 2018

由圖9a可以看到，總體上看雷達(dá)組合反射率形狀向右上角傾斜，表明隨著時(shí)間的變化，回波向高緯度移動(dòng)。在南北方向，18時(shí)開始，36.4°N高反射率回波區(qū)一直延伸到19：30的37.2°N。從中可以分析認(rèn)為在1.5 h的時(shí)間范圍內(nèi)，高反射率回波區(qū)向北移動(dòng)了0.8緯度，即表明強(qiáng)降雨相關(guān)的雷達(dá)回波向北1 h移動(dòng)了0.53緯度，風(fēng)暴移動(dòng)的南北分量較大，也表明暴雨雨團(tuán)向北方向移動(dòng)較快。

對圖9b進(jìn)行同樣的分析，從19時(shí)的118.8°E發(fā)展到20：30的119.2°E，同樣1.5 h，但雷達(dá)回波向東發(fā)展了僅0.4緯度，即移動(dòng)速度1 h僅為0.27緯度，風(fēng)暴移動(dòng)的東西分量較小。因此，通過雷達(dá)回波空間-時(shí)間剖面分析，可以得出該中尺度雨團(tuán)存在北偏東移動(dòng)的趨勢，以向北移動(dòng)為主。

但是，到整個(gè)臺風(fēng)暴雨的第三階段后期，隨著臺風(fēng)環(huán)流的調(diào)整，降雨回波移動(dòng)的主流方向發(fā)生了很大的變化。分析雷達(dá)回波移動(dòng)特征(圖略)，可以看到在20日00時(shí)以后，降水回波移動(dòng)盡管還是向東北移動(dòng)，但是已經(jīng)轉(zhuǎn)變成以向東移動(dòng)為主，向北分量已經(jīng)很小。

4.2 雷達(dá)回波的強(qiáng)度分布特征

前面研究分析中，已經(jīng)對整個(gè)暴雨過程中雨強(qiáng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，表明短時(shí)強(qiáng)降水是此次暴雨過程的主要特征，且降雨雨強(qiáng)超過30 mm·h-1甚至50 mm·h-1的降水占了很大比重，這也是在很短的時(shí)間內(nèi)造成突破歷史極值降水的重要原因。

為分析強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)對應(yīng)的雷達(dá)回波強(qiáng)度的特征，把整個(gè)暴雨過程短時(shí)強(qiáng)降雨分為20～30 mm·h-1、30～50 mm·h-1、50～80 mm·h-1、大于80 mm·h-1等四類對其相應(yīng)的雷達(dá)組合反射率因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖10)。研究表明，不同降雨強(qiáng)度相對應(yīng)的雷達(dá)組合反射率因子數(shù)值分布范圍較大，其中25%至75%分位點(diǎn)間雨強(qiáng)差距也較大，但中值相對比較穩(wěn)定。這表明，此次暴雨過程盡管暴雨范圍和總雨量都很大，但是短時(shí)強(qiáng)降雨具有很強(qiáng)的局地性特征，且隨時(shí)間變化很快，總降雨量很大的暴雨是由較小的短時(shí)強(qiáng)降雨累計(jì)形成的，短時(shí)間內(nèi)雨強(qiáng)變化很大，不均勻。

圖10 降雨過程中逐小時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水對應(yīng)的組合反射率因子分布Fig.10 Distribution of composite reflectivity corresponding to hourly short-time heavy rainfall

同時(shí)，統(tǒng)計(jì)分析(表略)表明，四類強(qiáng)度的強(qiáng)降雨對應(yīng)的一小時(shí)內(nèi)逐10 min雷達(dá)拼圖組合反射率中值分別是35.65 dBZ、37.6 dBZ、39.5 dBZ和45.05 dBZ；而相應(yīng)的均值分別為31.92 dBZ、35.02 dBZ、38.34 dBZ和42.54 dBZ。因此，從統(tǒng)計(jì)學(xué)特征上看，盡管隨著雨強(qiáng)的增大，相應(yīng)的雷達(dá)回波強(qiáng)度在增強(qiáng)，但是總體上組合反射率因子均值和中值相對來說都不是特別大。這主要是由于此次臺風(fēng)暴雨具有較為典型的熱帶型降雨回波特征，即雷達(dá)回波強(qiáng)度不是太強(qiáng)，但是降水效率和雨強(qiáng)特別大[13]。同時(shí)，也說明了在整個(gè)降水過程中存在較多的低回波強(qiáng)度時(shí)間段、弱降水或甚至無降水時(shí)間段，降水短時(shí)性較強(qiáng)且連續(xù)性不好，過程總降水量是由較多的短時(shí)間強(qiáng)降水組成的。

4.3 暴雨雨團(tuán)的移動(dòng)特征

多普勒天氣雷達(dá)組合反射率因子強(qiáng)度可以很好地表征暴雨中降雨雨團(tuán)的降雨強(qiáng)度，因此雷達(dá)反射率因子的移動(dòng)與降雨雨團(tuán)的移動(dòng)也具有很好的對應(yīng)關(guān)系。上節(jié)分析中，已表明暴雨第三階段的前半段暴雨雨團(tuán)以向北北東方向移動(dòng)為主，后半段暴雨雨團(tuán)向東東北方向移動(dòng)為主。選取第三階段降雨中相對具有代表性的19日18—19時(shí)和20日00—01時(shí)這兩個(gè)典型時(shí)間段進(jìn)行對比分析研究，從而更詳細(xì)分析每個(gè)暴雨雨團(tuán)的移動(dòng)方向和速度特征。

圖11a為山東省2018年8月19日18時(shí)開始每隔20 min雷達(dá)組合反射率因子中大于45 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)位置?？梢钥吹?，在該段時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)降水雨團(tuán)基本上呈南北向帶狀分布，并且雨團(tuán)移動(dòng)基本上以北向運(yùn)動(dòng)為主，方向略偏東；雨團(tuán)還具有不斷生消的情況，部分雨團(tuán)合并發(fā)展，因此分析認(rèn)為該時(shí)段雨團(tuán)連續(xù)性強(qiáng)、發(fā)展穩(wěn)定，同時(shí)在一定程度上具有“列車效應(yīng)”，即大量的強(qiáng)降水雨團(tuán)不斷重復(fù)向北經(jīng)過，造成連續(xù)性強(qiáng)降雨。這種“列車效應(yīng)”降水也是造成出現(xiàn)極端降水，破歷史極值暴雨災(zāi)害的重要原因之一。

圖11 2018年8月19日18—19時(shí)(a)和20日00—01時(shí)(b)中尺度雨團(tuán)移動(dòng)情況(紅色區(qū)域?yàn)槌跏紩r(shí)次位置，綠色、藍(lán)色、黃色分別為此后20、40、60 min位置)Fig.11 Movement of mesoscale clusters from 18:00 to 19:00 BST 19 (a) and from 00:00 to 01:00 BST 20 (b) August 2018 (red area for initial time, area in green, blue, and yellow line for 20 min, 40 min, and 60 min later)

而在20日00時(shí)以后的第三階段后期半島地區(qū)降水(圖11b)，與第三階段前期降水和降雨雨團(tuán)移動(dòng)有較大的區(qū)別。一是雷達(dá)組合反射率更強(qiáng)，達(dá)50 dBZ以上，表明此時(shí)雨強(qiáng)相對更大；二是降雨雨團(tuán)帶狀分布特征更明顯，雨帶更規(guī)則，同樣是南北向分布，但是，降雨雨團(tuán)的移動(dòng)方向與前期過程移動(dòng)方向有顯著差異，該時(shí)段雨團(tuán)以向東移動(dòng)為主，略偏北。盡管降雨強(qiáng)度很大，但是由于降雨雨團(tuán)移動(dòng)方向和帶狀分布方向不一致，因此沒有很好地形成“列車效應(yīng)”。該時(shí)段盡管降雨強(qiáng)度大，但是降雨時(shí)間短，沒有造成很強(qiáng)的累計(jì)降雨，因此沒有形成明顯的暴雨災(zāi)害。

4.4 中尺度雨團(tuán)的三維分布特征

盡管在以往的研究中，很多情況下對暴雨雨團(tuán)的二維研究較多，但實(shí)際上暴雨與雨團(tuán)的三維結(jié)構(gòu)和演變分析也非常重要，相關(guān)研究可以很好地分析降雨強(qiáng)度特征和時(shí)間演變規(guī)律。針對2018年9月18日傍晚前后臨朐、青州附近典型強(qiáng)降雨階段，做了空間結(jié)構(gòu)和時(shí)間演變特征的分析，以便更好地對此次臺風(fēng)暴雨雨團(tuán)有更深入的認(rèn)識。

分析了臨朐九山至青州附近沿118.5°E，從地面至14 km高度暴雨雨團(tuán)雷達(dá)反射率因子的垂直結(jié)構(gòu)(圖12a、b)。分析研究可知， 2018年8月19日17:50，沿118.5°E有三個(gè)強(qiáng)對流區(qū)域A、B、C，分別位于36.2°N、36.6°N和36.7°N，對應(yīng)三個(gè)強(qiáng)降水雨團(tuán)，中心相對獨(dú)立，主要回波都集中在5 km以下。10 min以后，隨著系統(tǒng)的發(fā)展，在18時(shí)原來的三個(gè)中心均明顯北移了約0.1緯度，分別位于36.3°N、36.7°N和36.8°N；同時(shí)，在A和B的中間生成了新的強(qiáng)回波區(qū)D，位于36.5°N，而原來的B、C進(jìn)一步發(fā)展合并，形成了一個(gè)組合的B、C聯(lián)合體。研究表明三維結(jié)構(gòu)的分析可以很好地識別雨團(tuán)垂直結(jié)構(gòu)，如果僅僅分析二維的雷達(dá)組合反射率因子拼圖(圖8a)，這些與雨團(tuán)緊密相關(guān)的發(fā)展特征很難被發(fā)現(xiàn)和識別。

圖12 2018年8月19日17:50(a)、18：00(b)沿118.5°E雷達(dá)反射率因子經(jīng)向剖面和16—20時(shí)青州(c)、臨朐九山(d)雷達(dá)廓線時(shí)間演變(色階，單位：dBZ)Fig.12 Meridional cross section of radar reflectivity along 118.5°E at 17:50 BST (a) and 18:00 BST (b) 19 and evolution of radar profiles at Qingzhou Station (c) and Jiushan Station of Linqu (d) from 16:00 BST to 20:00 BST 19 August 2018 (color scale, units: dBZ)

對應(yīng)于暴雨雨團(tuán)的空間結(jié)構(gòu)和發(fā)展、合并等演變，對于局地氣象臺站，需要分析連續(xù)且不斷變化的本站降水過程變化。圖12c為2018年8月19日16—20時(shí)經(jīng)過青州上空的多普勒天氣雷達(dá)反射率因子時(shí)間-高度剖面圖，由圖可以清晰地看到，16:00、17:30至18:30是兩個(gè)相對集中的強(qiáng)回波階段，此時(shí)雷達(dá)反射率因子強(qiáng)，強(qiáng)回波伸展高、厚度大，是造成強(qiáng)降水的重要特征。同樣(圖12d)，臨朐九山也存在類似的情況。

5 結(jié)論與討論

本文使用多普勒天氣雷達(dá)、區(qū)域氣象觀測站等數(shù)據(jù)，以一次影響山東造成重大暴雨災(zāi)害的典型臺風(fēng)暴雨過程為例，使用三維雷達(dá)拼圖技術(shù)深入研究了臺風(fēng)暴雨中的中尺度雨團(tuán)雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)和發(fā)展變化特征等，得出一些有益的結(jié)論。

1)2018年臺風(fēng)“溫比亞”造成的山東暴雨過程中，三個(gè)降雨階段雨強(qiáng)特征有較大差異，特別是最后一個(gè)階段長時(shí)間強(qiáng)降雨是造成災(zāi)害性暴雨的主要因素之一。

2)此次臺風(fēng)暴雨雨團(tuán)具有很強(qiáng)的移動(dòng)特征，且不同時(shí)段和區(qū)域，移動(dòng)方向和速度均不同，是否形成“列車效應(yīng)”是能否造成災(zāi)害性暴雨的重要因素。

3)雷達(dá)三維拼圖數(shù)據(jù)可以清晰地識別和分析強(qiáng)降水過程中的中尺度雨團(tuán)的移動(dòng)、合并和發(fā)展規(guī)律，這些對于準(zhǔn)確監(jiān)測預(yù)報(bào)暴雨的發(fā)生至關(guān)重要。

在本研究中，僅使用了多普勒天氣雷達(dá)反射率因子三維拼圖對臺風(fēng)暴雨的中尺度系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，也得到了一系列較好的結(jié)論，但是還存在一定的不足。主要是，雷達(dá)數(shù)據(jù)研究中僅使用了反射率因子作為研究數(shù)據(jù)，盡管可以對暴雨中尺度系統(tǒng)的強(qiáng)度等作出較好分析，但是對暴雨雨團(tuán)的動(dòng)力學(xué)、微物理特征等不能很好地分析研究。臺風(fēng)暴雨具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)[7,14]，隨著雙偏振多普勒天氣雷達(dá)在濟(jì)南、青島、煙臺等雷達(dá)站建設(shè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用，未來可以使用更多的雷達(dá)產(chǎn)品要素拼圖和反演數(shù)據(jù)對中尺度臺風(fēng)暴雨系統(tǒng)進(jìn)行研究，以便更好地為強(qiáng)降水預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考和借鑒。