张红梅, 张深寿, 连晨方

(福建省龙岩市气象局，福建 龙岩 364000)

引 言

华南暴雨是我国暴雨研究的热点之一。近些年的观测事实表明，华南强降水区、特别是一些罕见的特大暴雨，通常不是出现在锋区或锋后，而是位于锋前暖区，说明暖区暴雨是华南暴雨显著的特点，于是逐渐开始了对暖区暴雨的研究。黄士松基于李真光、黄士松和陶诗言等的研究成果，以及华南野外科学实验的观测事实，给出了暖区暴雨定义、暖区暴雨分布特征和天气特征。暖区暴雨广泛定义是指发生在地面锋面南侧暖区的暴雨，或南岭附近至南海北部没有锋面存在、华南未受冷空气或变形冷高压脊控制时产生的暴雨。此类暴雨大多发生在地面锋面系统前端200 km至300 km位置，有时则发生在西南风和东南风的汇合气流中，甚至无切变的西南气流里。此类暴雨局地性较强，降水集中，对流性明显，同时降水量较一般锋面降水量多3～5倍[1-4]。李真光等[5]研究表明，锋前暖区暴雨在热低压的东南象限与越赤道气流结合，在850 hPa上形成强偏南类低空急流。林良勋[6]将华南暖区暴雨典型环流特征归纳为3种类型：回流暴雨型、高空槽型和强西南季风型。赵玉春等[7]研究结果发现：在华南双雨带暴雨过程中，暖区雨带与锋面雨带在中尺度雨团的活动、系统的动力结构、大气的不稳定机制和大气的加热结构等存在明显差异，同时在水汽的输送、中尺度背景及与强降水有关的垂直环流之间也存在着不同。彭丽英等[3]通过对华南前汛期暴雨气候特征进行研究发现，福建暴雨63%发生在前汛期。

福建暴雨是华南暴雨的组成部分，也是影响福建省的主要灾害性天气之一，尤其是锋前暖区暴雨，其特点为雨区范围小、降水强度强、突发性强，预报难度大，可造成局地洪水、山体滑坡等灾害，是天气预报业务中的重点问题。福建省气象工作者对前汛期暴雨和台风暴雨研究比较多[8-9]，其中也有不少是围绕暖区暴雨的环流特征、中小尺度特征和热力动力条件等方面进行分析，但是针对暖区暴雨的双偏振雷达特征研究还比较少。本文利用龙岩S波段双偏振天气雷达资料、常规气象探测资料及再分析资料，对2019年5月16日发生在福建西南部的特大暴雨过程进行了分析，探讨了双偏振雷达产品对短时强降水过程的监测预警作用，以期为双偏振天气雷达的业务应用提供参考依据。

1 降水实况

2019年5月16日08时-17日08时，福建省出现一次较大范围的暴雨过程。图1为此次过程福建省24 h累积降水分布(降水分布图插值方法为Cressman算法)。由图1可看出，大暴雨(24 h降水量超过100 mm)落区主要位于福建的龙岩北部、三明南部、泉州西部、莆田西部、漳州北部和南平南部。全省有139个乡镇自动站超过100 mm，其中4个乡镇自动站超过250 mm(24 h降水量超过250 mm为特大暴雨)，均位于福建西南部，以龙岩市连城县姑田镇大洋地村自动站的277.3 mm为最大；1 h、3 h最大雨量分别为龙岩市连城县莲峰自动站的93.8 mm和龙岩市连城县揭乐自动站的159.2 mm。强降水主要集中在16日23时至17日06时(图2)。从自动站逐小时降水强度可见，此次降水过程具有短时强降水的典型强对流性质。

图1 2019年5月16日08时-17日08时福建省24 h降水量分布星标为龙岩S波段双偏振天气雷达站

图2 2019年5月16日18时-17日06时连城县北部3个乡镇自动站逐小时降水量

2 天气背景分析

此次暖区暴雨发生期间，200 hPa南亚高压位于中南半岛，福建高空为南亚高压东侧辐散分流区。高层的辐散作用，有利于上升运动的发展和维持，并使新鲜潮湿空气不断补充，增加了降水的强度，导致暴雨的产生和发展。500 hPa中高纬地区为宽槽型(图3，图中地图为等经纬度投影)，乌拉尔山至鄂霍次克海为宽广槽区，宽槽内多短波槽东移，巴尔喀什湖和贝加尔湖均有较深的高空槽，槽底到达40°N，副热带高压588线16日08时控制华南南部，17日08时南落到南海北部。16日20时，700 hPa低空急流位于华南南部，暴雨区位于低空急流左前方；850 hPa低空西南急流与700 hPa的位置一致，从四川东部东移出来的西南涡位于湖北东南部，福建位于低空西南急流前端和西南涡切变南侧；925 hPa与低空急流对应位置下方有超低空急流建立，最大风速区位于两广一带，西南风风速达12 m/s，而福建南部沿海为4 m/s的偏南风，福建北部为4 m/s的东南风，边界层风向及风速辐合均十分显著，为暴雨区提供了充足的水汽[10-11]。低空急流和超低空急流位置的重叠陡直，在其左前端易形成水汽的大量堆积，动量、热量和水汽的高度集中，也促进低层强暖湿空气的平流，加强层结的不稳定性，并且能加强低层的扰动，触发不稳定能量的释放，特大暴雨落区就发生在切变线南侧及低空急流和超低空急流的左前侧[12-15]。地面在华南西部有低压中心发展，福建南部受其东侧倒槽东伸影响，16日午后最高气温上升到30～34 ℃，能量得到积累；夜间在福建西部还有多条小尺度地面辐合线发展东移南压，有利于对流系统稳定维持发展。

图3 2019年5月16日20时500 hPa位势高度场(实线)和850 hPa风场星标为3个探空站所在位置

由于龙岩市没有探空站，所以本文分析了此次暴雨过程天气系统上游的广东河源和江西赣县及下游福建厦门3个气象站16日20时的探空数据(表1)。由表1可知，华南北部不稳定能量(CAPE)在1500 J/kg以上，尤其是上游广东东北部达到了2946.1 J/kg，对流抑制能量小(CIN)，均在40.0 J/kg以下，对流极易被触发；K值均大于40 ℃，SI≤-1.54 ℃、厦门达到了-4.12 ℃；自由对流高度(LFC_P)和抬升凝结高度(TCL_P)较低，且两层间高度差小，垂直风切变中等偏弱，说明暴雨发生前，在西南急流作用下大的对流有效位能和水汽输送到暴雨区，抬升凝结高度和自由对流高度低有利于气层整体抬升，暖云厚度大，深厚的湿层配合较弱的垂直风切变，雨滴不容易蒸发，有利于产生高效率降水。

表1 2019年5月16日20时广东河源站、江西赣县站和福建厦门站探空对流指标

3 双偏振雷达参数特征

3.1 反射率因子特征

从龙岩双偏振天气雷达反射率因子演变分析可知，2019年5月16日雷达回波演变主要有三个阶段：16日10时至21时，16日21时至17日01时和17日01时至17日07时。

第一阶段回波演变：16日10时至21时。16日10时从江西和广东有小块状回波自西南向东北方向移入福建西南部，在龙岩北部发展加强，回波强度达55 dBZ。第二阶段：16日21时至17日01时。回波从21时起由江西移入的小块对流回波自西北向东南方向南压，并在龙岩北部至三明南部一带连成大块状，强回波主要位于长汀东部和连城北部，23时起，强回波主体右后侧约10 km处(图4a红圈内)还有新生回波单体向东北方向发展，并与强回波合并，使强回波得以维持并持续向东偏南方向移动。强回波经过长汀和连城北部，形成列车效应[16-17]，造成此次的短时强降水过程。第三个阶段：17日01时至17日07时。17日01时起，龙岩北部和西南部回波开始转变移动方向，由之前的西北向东南变成了西南向东北方向移动，其中17日01-03时强回波再次持续经过连城北部乡镇，而龙岩东部的回波继续由西北向东南方向移动，此时位于龙岩东部的漳平出现了较明显的降水过程。17日4时之后以分散小块状回波为主，17日07时回波逐渐移出龙岩，强降水趋于结束。

从特大暴雨乡镇自动站逐小时降水可见(图2)，强回波造成连城县城区及周边乡镇如揭乐乡、塘前乡等地从16日23时至17日03时连续4～5个时次出现1 h雨强大于20 mm/h的短时强降水天气过程，其中连城县城区石门湖站1 h雨量达到了93.8 mm(任意1 h雨量以揭乐乡的104.1 mm为最大)，3 h雨量揭乐乡达到159.2 mm。对该时段雷达反射率因子进行剖面发现，大于50 dBZ强回波上升到了7 km高度。据此判断该时段的降水为大陆型对流降水，反射率回波也反映了此次过程的降水回波以积状云降水回波为主。从自动站逐小时累积降水与自动站2 min风场对比发现，在16日14时、16时、22-23时及17日00-04时小时累积降水中心对应地面区域均有小尺度辐合线出现(图4b)。当对流单体在地面辐合线附近生成时，对流单体将进入西南气流辐合区及不稳定能量大值区，使回波加强发展产生强降水，是对流系统能够稳定维持的重要原因之一。

图4 2019年5月16日23:10雷达基本反射率因子(a)和地面风场资料(b)

3.2 径向速度特征

径向速度图产品分析结果表明，16日白天福建西南部在0.5°仰角速度图上有西北风与西南风和东南风三股气流的辐合，16日18时一条东北-西南向约30 km的零速度线从龙岩中部缓慢南压至龙岩东部，于20时左右减弱，18-19时连城北部乡镇出现最大小时雨强(27.1 mm)。21时又有一条零速度线从三明南部至龙岩北部交界自西北向东南方向再次南压，南压速度相比之前的缓慢，17日01时才移出连城进入新罗和漳平北部，17日03时在漳平减弱。该零速度线西北侧是朝向雷达的负速度，东南侧是离开雷达的正速度，说明在这一带有西北风与东南风负向辐合，辐合带与低层中小尺度切变线相对应。从风廓线雷达水平风拼图可看出，在850 hPa存在有中小尺度切变线(图略)。21:42起，在0.5°仰角零速度线西北方约35 km处出现辐合区，辐合区从0.5°仰角逐渐扩展到6.6°仰角。21:42在0.5°仰角长汀东北部出现辐合区，22:04辐合区向上扩展到1.5°仰角。22:21辐合区向上扩展到2.4°仰角。22:43在3.3°仰角上出现了明显的速度对，且正负速度直径小于4 km，表明有中气旋的存在，且持续了6个体扫。23:05在6.0°仰角上也出现了明显的速度对，并持续了3个体扫(图5)。辐合区维持在连城境内期间，连城北部4个自动站出现极端短时强降水。同时，16日15时起在2.4°仰角2-3 km高度有风速≥12 m/s的低空西南风急流建立，并一直持续到17日11时左右，也为此次短时强降水提供了有利的条件。

图5 2019年5月16日23:10雷达3.3°仰角(a)和6.0°仰角(b)速度对

3.3 双偏振雷达参数特征

3.3.1 相关系数CC

相关系数CC用来衡量脉冲采样体内水平和垂直偏振脉冲返回信号变化的相关程度，其大小对于粒子的椭率(椭圆扁平度)变化、倾斜角、形状不规则性及相态等比较敏感，主要应用于区分非气象回波、相态识别、0 ℃层识别、冰雹识别[18]，液态水的CC值为0.90～0.99。此次降水过程主要以强降水为主，整个强降水时段内CC一直保持在0.93～0.99。最大雨强降水时(图6a)，由于以大雨滴为主，还有部分小水滴，CC值稍低，为0.93～0.97，且强降水区后侧有径向的较低值区(0.93～0.97)。强降水结束后，CC值上升到0.97～0.99。如23:54的CC图中(图6b)，降水区的CC大都在0.97～0.99，而最大强降水的区域(红色矩形内)，CC有一处0.93～0.97的较低值，这是由于降水强度强，包含较宽的雨滴谱，致使相关系数较低。

3.3.2 差分反射率因子ZDR和差分相移率KDP

差分反射率因子ZDR是水平偏振的反射率因子和垂直偏振的反射率因子之比，其比值的大小与降水粒子大小和形状的扁圆程度密切相关[18]。此次过程强降水期间，低层(仰角0.5°到1.5°)ZDR值为1～5 dB，雨滴较大，根据ZDR和雨滴直径的对应表值，雨滴直径为1～5 mm，非强降水区域ZDR值小于2.5 dB，而且回波比较嘈杂不均匀。在强降水时段，如在23:54连城揭乐乡和塘前乡附近的ZDR值达到4～5 dB(图6d)，且较为连续集中不散乱，雨滴的水平直径大于4 mm，对应的KDP为2.0～4.7°/km，可以判断扁平大雨滴数浓度高，雨滴大、数浓度高是短时强降水的典型特征。强降水结束时ZDR值迅速降低至0.2～1.2 dB，主要的雨滴直径小于1.2 mm。

差分相移率KDP是单位距离的差分相移参量，对识别强降水区很有作用，其正值大小和强降水的扁平大水滴数量的正相关性非常好，可以很好地估计液态含水量，它通常用于强降水估测、冰雹识别、降水类型识别等[19-25]。整个强降水期间，KDP值为1.0～4.7°/km，而且2～4°/km的回波范围比较大。23:54，当ZDR值达到4～5 dB时，KDP值也达到4°/km(图6c)，说明极端强降水中心的降水雨滴直径大而且数浓度相当大。23:55-00:55累积1 h雨量揭乐乡为104.1 mm，达到了此次过程最大的小时雨量。进一步分析22:59、00:00、00:22的KDP图(图7a)，可以看到揭乐乡有大范围的KDP正值持续不断地经过，KDP值2.0～4.7°/km的大值对应了非常强的降水，22:50-23:05、23:55-00:45揭乐乡5 min降水大于6 mm，最大5 min降水达16.8 mm，23:55-00:05仅10 min雨量就达到了28.6 mm(图7b)。

图6 2019年5月16日23:54龙岩双偏振雷达参数

(a)2019年5月16日22:59、2019年5月17日00：00和00:22的差分相移率KDP图

对22:43影响连城的单体作了多参数的径向剖面(图8)。图8中，强回波中心达到55 dBZ，多普勒速度场有明显的去向和来向上升气流的速度对，并伸展到了7 km，对应的位置存在ZDR柱和KDP柱，且也伸展到7 km，表明此处的上升气流强盛，使水滴突破融化层形成大片的过冷水滴；对应位置在5-7 km高度的CC值较低，为0.92～0.97，是因为5 km处在0 ℃的融化层，同时存在水相和冰相粒子。

图8 2019年5月16日22:43双偏振雷达产品剖面

3.3.3 双偏振雷达参数小结

此次强降水过程，整个强降水时段内CC一直保持在0.93～0.99，强降水前和强降水结束后CC值在0.97～0.99，在强降水时段CC值下降到0.93～0.97，且强降水区后侧有径向低CC值(0.93～0.97)的特征。

非强降水期间ZDR值小于2.5 dB，回波比较嘈杂且不均匀；强降水时段的ZDR值达到4～5 dB，而且回波较为连续集中，表明强降水以大雨滴为主。

KDP是指示强降水的最典型指标。整个强降水期间KDP值在1.0～4.7°/km，KDP值为2～4°/km时的回波范围比较大。最大降水强度时，KDP值大于4°/km，其对应的ZDR值也在4～5 dB，说明极端强降水中心的降水雨滴直径大而且数浓度相当大，达到了此次过程最大的小时雨量。

根据单体最强回波位置进行剖面，还可以发现强上升气流对应的“ZDR柱”和“KDP柱”的特征。

3.4 双偏振雷达风廓线VWP特征

从双偏振雷达风廓线产品(VWP)可知，暴雨发生前一天(15日)在2.1-3.0 km高度附近西南急流已经建立，风速为12～16 m/s。16日13时，5.5-7.0 km高度的西风风速开始加大，并于15时风速达到20 m/s。与此同时，1.8 km高度的风速也加大，并达到急流标准。21时起，5.0 km以上高度的西风急流下传至3.0 km高度，3.0 km高度的风速达到了20 m/s，并持续至17日03：18。急流下传1～2 h后，正好是降水最强最集中时段。这是急流的第一次下传。之后，3.0-5.0 km高度的风速减弱至14～16 m/s。17日04:18在5.0 km以上的西风急流第二次下传。05：02在3.0 km高度的风速再次增至20 m/s(图9a)，此时龙岩东部也出现了1 h雨量大于20 mm的短时强降水(图9b)。两次急流下传，致使低空急流风速增大，并达到峰值。低空急流峰值较降水峰值提前1～2 h出现，说明高层动量下传有利于强降水的发生。低空急流峰值的提前出现，对强降水有一定的预报参考意义。从低层西南风到高层西北风风向顺转分析，龙岩上空为暖平流影响。

图9 2019年5月16日08时-17日08时双偏振雷达VWP风场(a)和漳平市溪南自动站雨量时间演变图(b)

4 结 论

(1)此次暖区暴雨过程中高纬为宽槽型，南支槽东移、低空西南急流维持，以及低层中小尺度切变线和地面辐合线的南压，是此次暖区暴雨的主要影响系统。低层高能高湿，高层辐散、低层辐合，为强降水的发生提供了充足的水汽、热力和动力条件。特大暴雨落区发生在切变线南侧及低空急流和超低空急流的左前侧。在低空西南急流的作用下，暴雨区南侧大的对流有效位能和水汽输送到暴雨区，对流抑制小，抬升凝结高度和自由对流高度低，有利于气层整体抬升，暖云厚度大，深厚的湿层配合较弱的垂直风切变，雨滴不容易蒸发，有利于产生高效率降水。

(2)速度图上多次出现弱的中气旋或尺度较大的涡旋，并伴随着两次切变线南压过程，尤其是第二次切变线后部深厚持久的中气旋给连城北部造成局地特大暴雨。反射率回波反映了此次过程的降水回波以积状云降水回波为主，大于50 dBZ强回波上升到了7 km高度，判断此次降水为大陆型对流降水。强回波右后侧新生回波单体发展合并加强，形成了持续短时强降水过程。强降水产生在中尺度对流系统发展为线状对流系统及对流单体后向传播阶段，存在明显的列车效应。对流单体在地面辐合线附近生成，并移入西南气流辐合区及不稳定能量大值区，使回波加强发展及产生强降水，是对流系统能够稳定维持的重要原因之一。双偏振雷达的风廓线VWP风随高度顺转，两次急流下传致使低空急流风速增大并达到峰值。低空急流峰值较降水峰值提前1～2 h出现，说明高层动量下传有利于强降水的发生，而低空急流峰值的提前出现对强降水有一定的预报参考意义。

(3)KDP是指示强降水的最典型指标，强降水和KDP对应非常好，大范围的KDP指示了强降水的影响时间和降雨强度。整个强降水期间，KDP值在1.0～4.7°/km，最大降水强度时KDP值大于4.0°/km，而且对应的ZDR值也达到4～5 dB，说明极端强降水中心的降水雨滴直径大而且数浓度相当大。整个强降水时段内，CC一直保持在0.93～0.99，强降水前和强降水结束后CC值为0.97～0.99，在强降水时段CC值下降到0.93～0.97，且强降水区后侧有径向低CC值(0.93～0.97)的特征。径向剖面显示多普勒速度的上升气流区，ZDR柱、KDP柱指示强上升气流对应的过冷水滴集聚区。