短时强降水雷达回波特征分析

程小娟，王长学，马中元，陈鲍发，张春江，孙 芳

(1.江西省气象科学研究所，南昌 330046；2.丰城市气象局，丰城 331100；3.吉林省梅河口市气象局，梅河口 135000；4.景德镇市气象局，景德镇 333000)

0 引言

强降水是造成城市内涝、积涝、山洪、中小河流洪水和地质灾害等自然灾害的重要天气，有时会带来破坏性的影响，很多专家对其进行了研究。江西的强降水多发生于汛期的降水集中期，而7-8月处副热带高压边缘，局地强风暴多发，也会导致明显的短时强降水过程。造成短时强降水的中小尺度系统主要与低空切变(槽)、中小尺度辐合线相关，副高外围的强劲西南气流提供了充沛的水汽条件，雷达回波多表现为中尺度强回波带，其移向与回波带长轴的夹角较小，或为局地发展少动的强对流单体[1，2]。切变线和地面锋面是关键影响系统，切变线提供了中低层水汽辐合及对流抬升运动的维持机制，地面锋面则为低层对流抬升运动提供了触发机制[3-5]。副高加强西伸北抬，地面低压倒槽北顶，低空急流风速辐合，高空强烈辐散，利于上升运动的加强和维持，从而造成极端短时强降水等天气过程[6-8]。强降水的雷达参数特征量预警指标为回波强度超过38 dBz，回波顶高和最强回波中心高度分别超过7.0 km和3.6 km，VIL高于20 kg/m2。中尺度辐合线、中气旋和逆风区是强降水触发和维持的重要成因，短时强降水发生时，雷达回波最强反射率因子≥40 dBz，35 dBz回波顶高大于5 km[9-11]。红外云图上，短时强降水强度较弱，亮温梯度较小，冰雹云团边界清晰，亮温梯度较大；在雷达回波特征上冰雹云呈块状对流型，短时强降水云为絮状混合型。冰雹云的回波强度、强回波高度和垂直积分液态含水量值均明显高于短时强降水云体[12，13]。不断产生的小尺度云团对流泡往往会导致暴雨等强天气发生[14，15]。这些均为研究丰城市强降水提供了理论依据与参考，但在强降水等强对流研究中，多数研究为单部雷达的回波特征，很少应用到雷达拼图资料；而雷达拼图弥补了单部雷达探测范围有限、有挡角、静椎区等缺陷。

文章将利用天气形势、卫星云图、单部雷达、江西WebGIS雷达拼图与风暴跟踪信息STI等资料分析2020-07-27出现在丰城、新干等地的短时强降水天气过程，以期发现相应的预报指标与规律，为后期的预测提供参考依据。

1 天气实况

2020-07-27T17：00-2020-07-27T18：00，受强副高边缘热雷雨强回波影响，江西的丰城、新干等局部地区出现大风、强降水等强对流天气(图1)；其中丰城市国家站出现42.1 mm/h短时强降水，区域站小港雨量强度为40.1 mm/h。同时，丰城西南方向的新干、峡江、永丰的雷暴回波带也出现了强对流天气，其中新干出现77.3 mm/h短时强降水，小时内极大风速达19.2 m/s(西北偏西风)。

图1 2020-07-27短时强降水天气实况：(a)2020-07-27 17-18h国家站雨量；(b)区域站雨量；(c)2020-07-27 17-18h国家站极大风速；(d)区域站极大风速

2 短时强降水天气过程分析

2.1 天气图特征

2020-07-27T08：00(图2)，100 hPa，江西上空为偏东北风气流，整个大陆在大范围的反气旋环流控制之中；500 hPa，江西北部处于副高西北部边缘，588 dagpm线穿过江西，低槽位于安徽北部经湖北中部伸向湖南西部，江西与湖南中东部处高空槽前，盛行西南风；850 hPa，安徽中部经湖北东南部至湖南北部有偏北风与西南风之间的切变线，切变线以南的湖南中南部至江西为西南气流。地面为低压倒槽形势，江西中部存在明显的辐合线。

由此可见，高空100 hPa为大陆高压控制，江西与湖南处高空槽前；500 hPa江西处副热带高压边缘；850 hPa有切变线；地面有辐合线。

2.2 卫星云图

图3为2020-07-27T16：30-2020-07-27T18：00卫星云图，丰城附近和西南面有两块中尺度对流云团(MCS)逐渐合并成一个范围较大的MCS云团。16：30，丰城附近及西南面有2块连接在一起的对流云团，西南方向的云团面积较大；17：00，整个云带向东北方向移动，西南方向云团面积增大；17：30西南方向云团继续增强发展，中心云顶亮温呈黑色区域面积增大，而丰城附近云团变化不大；18：00西南云团继续东伸，与丰城附近云团融合，形成一个范围更大的中尺度对流云团(MCS)，云团中心黑色低温区范围更大。丰城处于合并后云团的东北部边缘，新干处于合并后强对流云团中心。由于合并后的云团呈东北-西南向，范围更大，强度更强，且由西南向东北方向缓慢移动，不断影响新干、丰城等地，导致短时强降水的发生，新干还出现暴雨和大风天气。

图3 2020-07-27卫星云图：(a)16:30；(b)17:00；(c)17:30；(d)18:00

由此可见，合并后的强对流云团，范围更大、强度增强，在缓慢东移的过程之中造成丰城等地出现强降水、雷暴大风等强对流天气。

2.3 雷暴回波演变

图4为 2020-07-27T16：30-2020-07-27T18：00江西WebGIS雷达拼图。16：30，江西中部和北部有强对流回波A、B发展，A回波即将影响丰城，回波强度达到50 dBz，回波尺度不大，仅覆盖丰城的西南部地区；宜春附近的B回波为较强的回波短带，回波强度达到50～60 dBz，影响峡江、新干和永丰等地。17：00，A回波在500 hPa西南风的引导下向东北方向移动，整体进入丰城市，开始产生短时强降水；B回波短带发展加强，开始出现雷暴大风天气。17：30，A回波继续向东北方向移动，移入丰城市东北部，丰城出现42.1 mm/h短时强降水；B回波短带造成新干77.3 mm/h短时强降水和19.2 m/s雷暴大风天气。18：00，A回波后边界已移至丰城东北部边界，表明强回波主体基本移出丰城市；但B回波短带仍造成了永丰17.0 m/s雷暴大风天气。

图4 2020-07-27江西WebGIS雷达拼图：(a)16:30；(b)17：00；(c)17：30；(d)18:00

由此可见，影响丰城、新干的强降水由A强回波和B回波短带造成。由于A回波和B回波短带强度都超过50 dBz，具有一定的宽度，回波移动速度偏慢，强回波在一地维持时间较长，因而造成丰城、新干短时强降水天气。

2.4 风暴跟踪信息STI

风暴跟踪信息STI不仅能够反映回波系统的强度，还能反映出回波单体的移动速度与移动方向(图5)。江西境内的强对流回波由多个对流单体组成，叠加多部雷达STI路径信息，指向表明回波由西南向东北方向移动，图5中所示的计算(圆圈及标尺)表明回波平均STI移动方向50°，平均移动速度30 km/h。可以看到，强对流回波移动缓慢，速度仅为30 km/h，其主要原因是500 hPa引导气流偏弱，江西中北部上空西南风速仅6～12 m/s。由于回波移动缓慢，影响丰城、新干的强对流回波短带滞留时间长，导致强降水的发生。

图5 2020-07-27风暴跟踪信息STI移动路径：(a)16:30；(b)17:00；(c)17:30;(d)18:00

风暴跟踪信息STI是单部多普勒雷达上描述强回波移动的重要算法与指标，为了直观地判断回波移向、移速，把多部雷达的STI信息进行平均，形成风暴平均移动路径与速度，以圆圈形式显示在图的左下角。圆圈中的时钟线指向表明回波平均移向，圆圈下的标尺内红色小格长度表明回波平均移动速度，1个小格为10 km，若红色小格有3个，则回波移速为30 km/h，以此类推。此次强降水过程的STI信息表明，强回波主要向东北方向移动，移动速度为30 km/h。STI信息有助于预报员识别和判断对流系统的移动，从而做出更为精准的预报。

2.5 单部雷达产品特征

图6为2020-07-27T17：26的CR、ET、VIL、RHIz、RHIv单部雷达产品，从CR(组合反射率)产品看，丰城市的强降水是由一个发展旺盛的强回波单体造成的。回波中心强度达60～65 dBz，回波顶高14～15 km，并有较明显的倾斜结构，回波顶高最高处位于强回波的后沿。VIL达50～60 kg/m2，即VIL强度大，达到出现冰雹的阈值。

图6 2020-07-27T17：26 南昌SA雷达CR、ET、VIL、RHIz、RHIv产品

对17：26的丰城强回波从南北向作剖面，反射率因子剖面上，0 dBz回波顶高17 km，45 dBz的强回波伸展高度达12 km，60 dBz顶高7.8 km；径向速度剖面上，大片负速度区中有较强的正速度区，正负速度之差达23 m/s，达到弱中气旋标准。以上雷达回波特征说明回波发展极为强盛，云中有小冰雹生成，但由于处于7月份，0 ℃层高度高，小冰雹未至地面即融化，因此，地面并没有出现冰雹。由于回波强度强，瞬时雨强大，且回波移动缓慢，易造成短时强降水。

由于新干的强降水和雷暴大风(B回波)与丰城的强降水(A回波)同时出现，强度都达到60～65 dBz，且两地距离较近，可以判断其强回波的结构大致相同。可以看到，新干B回波短带的强回波面积比丰城A回波面积更大，更加有利于短时强降水的产生，这也是新干短时强降水(77.3 mm/h)比丰城短时强降水(42.1 mm/h)强度更强，并伴随雷暴大风(19.2 m/s)的重要原因。

由此可见，丰城、新干等地的强降水天气是由发展旺盛的A强回波单体和B回波短带造成的。回波中心强度达60～65 dBz，回波顶高达14～15 km，液态含水量达50～60 kg/m2，45 dBz的强回波伸展高度12 km，有正负速度对，速度对的强度达到弱中气旋标准。

3 结束语

文章利用天气形势、地面观测、卫星云图和江西WebGIS雷达拼图等资料，分析了2020-07-27丰城、新干等地的短时强降水和雷暴大风强对流天气过程，主要结论如下：

1)2020-07-27雷暴大风天气过程发生在副热带高压边缘，100 hPa在江西上空有东北风急流，500 hPa与850 hPa为西南风，地面辐合线是较好的对流触发机制。

2)云图上表现为2块中小尺度强对流云团的东移与融合，融合后的对流云团尺度更大，发展更为旺盛，由西南向东北缓慢移动，持续影响丰城市，导致强降水等强对流天气。

3)雷达上表现为A强回波单体和B回波短带，回波尺度小，在50 km之内，回波中心强度达60 dBz或以上。强回波单体自西南向东北移入丰城市造成强降水。新干地区强降水则由宽度较宽的强对流回波短带造成，由于强回波范围与面积明显大于丰城的回波单体，导致降水强度更强。

4)风暴跟踪信息STI移动路径较好地反映了强对流单体回波的移动方向、速度与路径，由于江西上空500 hPa高空风小，仅为6～12 m/s，导致回波的平均移动速度仅为30 km/h。强回波移动缓慢是造成强降水的主要原因。

5)单部雷达的反射率因子剖面显示，45 dBz强回波的发展高度达12 km，60 dBz强回波高度达7.8 km。径向速度剖面显示，大片负速度区中伴有较强的正速度区，形成正负速度对，正负速度之差达23 m/s，达到弱中气旋标准。在盛夏季节，具有冰雹回波特征的强回波单体或回波短带，不一定产生冰雹天气，而是以短时强降水和雷暴大风天气出现。因此，在江西判别是否出现冰雹与季节因素有很大关系。