广东一次特大暴雨的雷达特征分析及其应用

冼星河，李婵珠，张玮

（东莞市气象局，广东东莞 523000）

天气雷达是监测冰雹、强降水、雷雨大风等天气的有效方法之一。近几年业务上基于新一代天气雷达对强对流天气做了不少研究［1-9］。在局地性特大暴雨的雷达研究方面，孙继松等［6］研究了多单体风暴的传播机制，认为具有“列车效应”的多单体雷暴一般发生在低空暖湿气流或低空急流附近，环境大气表现为条件性静力不稳定，雷暴传播过程中不断增强的现象，造成波动排列的多单体雷暴形成的最大降水中心，往往出现在传播路径的前端；黄小彦等［7］认为低空急流及雷暴的冷池密度出流两者的变化，造成大别山迎风坡的MCS在冷池密度流的前沿逐渐组织化，形成后向传播特征，造成局地强降水带；章翠红［8］对北京中部强降水天气分析，认为雷暴冷池出流和暖湿空气的边界层交汇和辐合触发新生单体；郭鸿鸣等［9］认为超级单体风暴的后侧阵风锋可触发后侧新对流单体，形成后向传播特征，上升和下沉运动的分离可确保单体维持长时间的发展。在双偏振雷达偏振量的应用方面，张羽等［4］利用双偏振雷达评价不同的降水估测方法，认为当降水强度＞20 mm／h时，采用R（KDP）方法进行降水估测效果更好。

2020年5月22日凌晨，广州及东莞突发极端强降水，作为一种重要临近预报预警监测手段，广州双偏振雷达获取了完整的雷达资料。本研究采用广东省自动气象站降雨量资料、广州市双偏振多普勒天气雷达逐6 min体扫资料、Micaps常规资料，对雷达观测到的对流单体风暴演变特征进行分析，以期为以后短临监测强降水预报提供着眼点。

1 降水的时空分布特征

2020年5月21日20：00至22日08：00（北京时，下同），广州及东莞市突发极端降水，过程特点：（1）局地性强、累计雨量大。特大暴雨集中在广州黄埔、增城和东莞三地交界水平距离40 km、面积不足120 km2的范围内，局地性强，明显是受中、小尺度对流系统影响造成，共37个测站降水量超250 mm，最大为东莞高埗镇为399.3 mm。（2）极端短时强降水持续时间长。东莞高埗滑动100 mm／h的降水强度持续了3 h，主要集中在22日01：00—04：00。

该次特大暴雨受灾严重的广州黄埔、增城及东莞均发布了暴雨红色预警信号，并出现严重的城市内涝，引起社会的广泛关注。

2 引发特大暴雨的天气系统配置

2.1 动力条件

2020年5月20日08：00，乌拉尔山及日本海域分别有高压脊控制，我国东北为一个宽槽区，为典型的“两脊一槽型”。20日夜间，宽槽引导短波槽过境导致广东出现多轮暴雨。21日20：00，高空槽东移，华南转受槽后西北气流控制，对流层低层仍有低涡切变线处于珠三角地区，南侧有低空急流，低层辐合强，南侧有从南海北伸的暖脊，高层西北气流叠加在低层暖脊上，位势不稳定增加［10］；高空位于200 hPa南压高压东北侧和西风急流入口区右侧的辐散区，利于维持旺盛的上升运动；0～6及0～3 km垂直风切变分别为14及10 m／s，达中等强度，利于出现强降水。粤北对流层低层的冷平流未能南压影响珠三角地区，但地面有浅薄的冷空气从清远及韶关南压激发强降水，降水集中在低涡东南部低空急流出口区左侧。

2.2 水汽条件

珠三角位于低空急流的出口区左侧，南海水汽往珠三角输送并辐合；各层温度露点差均小于4℃；在强降水时段，大气可降水量一直处于50 mm以上的高位，水汽充沛。

2.3 不稳定条件

在距东莞100 km内的清远站21日20：00的探空曲线（图略）发现，对流有效位能CAPE值达2 489 J／kg，K指数为44℃，两者数值均高，表明珠三角处于极不稳定状态，具有良好的对流条件。

3 多单体风暴演变特征

3.1 多单体风暴的触发及维持机制

该次为一次后向传播的多单体风暴引起的特大暴雨。5月21日22：00，地面气温图（图略）显示广州增城区有浅薄的弱冷空气向南渗透，触发对流单体A生成，并往东南移动靠近东莞北部；22日23：00，2.4°～3.4°仰角速度图（图略）显示2～3 km一支强度为15～20 m／s的低空西南急流吹向对流单体风暴A前沿，低层暖湿气流不仅有利于层结不稳定增加，同时也能形成较强的水汽辐合中心，利于极端强降水的形成［7］，0.5°～1.5°仰角则显示单体后侧有东北风出流形成的冷池。23：36，单体A最大反射率因子超60 dBz；22日00：12—01：00其移动方向的后侧出现气旋性切变结构（70°～80°，40～45 km）（图1a），最大转动速度12～14 m／s；强度图（图1b）上呈块状，已发展成熟，生命史近2 h，在东莞高埗稳定少动，造成第1次强降水并伴有8到9级短时大风，此后30 min内单体A逐渐在东莞高埗附近消亡。22日00：12—02：00，地面上（图1c）弱冷空气以向南和向西南两条路径渗透，单体B在温度梯度大值区触发（图1c），其发展模式与单体A类似，最大反射率因子达66 dBz，造成高埗第2次降水。单体B在发展阶段，其后西北侧仍有对流单体C以同样的发展模式触发并向东南移动靠近东莞西北部，造成第3次降水。

图1 广州雷达22日01：00 0.5°仰角基本速度图（a）、基本反射率因子（黑色实线为剖面方向（垂直于径向））（b）、地面气温（黑色实线，单位℃）及温度平流（填色部分，单位：℃·s-1）（c）

由图1C可知，21日23：00到22日03：00，弱冷空气以向南和向西南两条路径激发对流单体，多单体A-B-C先后沿着地面冷区一侧的温度梯度大值区触发，并在高空槽后侧的西北风引导下以西北-东南走向传播。单体后侧东北风出流造成地面冷池的强度不断加强，与单体前侧地面暖舌作用导致温度梯度不断加大，利于触发对流单体。边界层西南气流被冷池强烈辐合抬升，驱动单体的持续发展，造成高度组织化的多单体风暴，直至单体消亡［7］；在传播路径的顶端，单体因处于成熟阶段，强度强，后端新的单体因弱冷空气的触发及旧单体冷池的驱动并不消亡，反而不断新生发展，造成后向传播特征。在几个小时的生命史周期内整个雨带的轴线仅有微弱的向西偏移分量，基本呈准静止状态，东莞高埗镇一带处于雷暴传播路径的顶端，多单体风暴后向传播导致列车效应式降水，3 h内均有100 mm／h的小时极端强降水。

3.2 垂直结构

沿垂直于雷达径向方向（西北-东南向）（图1b黑实线）作剖面，显示典型的后向传播特征。自西北向东南呈现多单体风暴特征（图2a），其中速度剖面图（图2b）显示单体A与B中上升气流及下沉气流形成强垂直风切变，利于单体维持长生命期，形成生命史长的成熟单体［9］，单体C上升气流强度及高度均较弱，为新生单体，即分别为新生单体C、成熟单体B、A。沿径向方向上（图略）单体A及B的中层出现中尺度径向辐合特征，利于单体强度维持发展并出现下击暴流［11］。处于不同发展阶段的风暴单体均呈现为垂直回波结构，质心在3 km以下，为低质心、高效率降水的多单体风暴。降水粒子的蒸发和拖曳引起的下沉气流导致在成熟单体A及B质心的下方及偏后地区的近地层出现强冷池（图2b圆圈），驱动旧单体后侧新单体的发展。这种反馈作用使得对流风暴西北侧的新对流单体强度的加强，形成长生命史的西北-东南向的多单体风暴系统，引发特大暴雨出现［12］。

图2 广州雷达22日01：00的反射率因子（a）和基本速度（b）的垂直剖面（剖面方向为图2b中垂直于径向方向的黑色实线）

4 K DP与降水的关系

KDP在近地面层强度达3（°）／km并成块状时被称为KDP印［13-14］，本过程单体A及B在成熟阶段的近地面层均出现KDP印，并与反射率高值区基本重合，微物理特征为液态和固态降水粒子密度高、雨强强的区域。在对最大降水中心高埗镇中心村的5 min雨量及其与KDP和组合反射率时间分布的对比中发现（表1），对于单纯的强降水而言，KDP较反射率判断雨强的优势明显，同样的反射率值，KDP大则说明降水更强，对精细化判断雨强有参考意义［12］。

表1 22日高埗镇中心村最大降雨时段5 min雨量与组合反射率CR及差分相移率K DP的关系

5 结论

1）该次过程出现在高空槽后西北气流中，低涡切变线配合低空急流仍具有强的辐合抬升作用，在充沛水汽背景、弱冷空气的触发下出现局地性特大暴雨，降水集中在低涡东南部低空急流出口区左侧。

2）弱冷空气分别向南及西南扩散先后触发多单体风暴，在高空西北气流引导下自西北-东南传播，路径顶端的单体最早成熟，新生的单体因旧单体形成的冷池驱动而不断发展，造成高组织化的后向传播特征，东莞高埗镇一带位于传播路径顶端，列车效应式的回波造成局地特大暴雨。

3）垂直剖面图清晰展示旧单体对新单体造成的冷池驱动模式，是一次低质心、高降水效率的多单体风暴过程；中尺度径向辐合特征利于单体强度维持或发展并出现下击暴流。

4）低层KDP印与强降水中心及对流单体的反射率中心重合，微物理特征为粒子密度高、雨强强的区域，同样的反射率值，KDP大则说明降水更强，对判断雨强有参考意义。

本研究着重分析多单体风暴的传播特征及机制，下一步工作是分析造成局地特大暴雨的环境场的极端性及给出天气模型，对预报工作有指示应用。