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摘要 本文利用强对流中小尺度系统的多普勒雷达速度回波以及基本反射率因子，结合天气实况，分析了2008年7月20—22日四川盆地强对流中小尺度天气系统的风场特征。结果表明，在局地暴雨天气过程中通常不是单一地出现某种特定的中小尺度系统，而是常常多个同时出现，只是在发展强度上有所差异；利用雷达速度回波和反射率因子相结合是分析典型中小尺度系统的有效方法。
关键词 强对流；中小尺度系统；径向速度；四川盆地；2008年7月20—22日
中图分类号 P458.1 21.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）13-0208-03
强对流天气系统是引起气象灾害的主要因素之一，暴雨、大风、冰雹等灾害性天气与现代农业生产密切相关，如何准确探测和预报灾害性暴雨是目前农业气象面临的难题。新一代天气雷达能获取大气径向速度特征，而气流的辐合辐散特征常常在反射率因子特征出现之前出现，对强对流天气有较好的预警作用，但目前在速度回波特征方面的研究还不完善。吴书君等[1]通过对滨州强对流天气系统的多普勒雷达径向速度资料的分析，发现多普勒径向速度资料提供的风场信息对强对流天气系统的发生发展及移向有一定的指示意义。张京英等[2]利用暴雨过程的雷达风廓线资料和小时雨量资料，发现雷达风廓线资料可以清楚地展示暴雨过程中提供充足水汽和能量的风场的垂直结构，反映出降水过程中的风场变化，低空急流指数增大较高空急流指数增大对雨强增大的贡献明显。李军霞等[3]选用太原多普勒雷达资料对逆风区进行了深入研究，得出绝大部分逆风区出现时间较降水时间提前1～2 h。本文通过普查获得局地暴雨的中小尺度系统的风场特征，以期为强对流天气提供更有效且准确的预警方法，减少灾害性暴雨对农作物的破坏。
暴雨一般泛指降水强度很大的降水事件，在业务工作中通常以24 h降水量为标准来定义，日降水量≥50 mm的降水称为暴雨。暴雨分为暴雨（50～100 mm）、大暴雨（100～200 mm）、特大暴雨（>200 mm）3个量级[4-5]。有一定强度的各种回波单体在天气系统配合下，组成各种中尺度系统，产生暴雨。由于降水量=降水强度×降水持续时间。因此，降水要达到暴雨量级，需有较强的降水强度，或降水持续时间长，或两者综合。
1 局地暴雨风场特征分析
1.1 多普勒雷达速度
暴雨是天气尺度背景和多个中小尺度系统共同作用的结果，在暴雨过程中会出现雷达站辐合、暖平流、低空急流、中气旋、逆风区、低空辐合高空辐散的垂直环流结构等。
2008年7月20日8：00至22日8：00四川盆地暴雨过程是一次典型的强降水过程，是在高原涡与西南低涡的耦合作用下发生的[6]。由图1（a）可以看出，自雷达中心开始，零等速度线呈“S”型弯曲，即风速随高度顺转，表明有暖平流存在，在雷达站附近为东北气流，风向随着高度的增加逐渐变为偏南气流，多普勒径向速度等值线由中心向外散开，表明该时次的风速不随高度变化，风速比较均匀。在此次强降水的开始阶段和降水过程中均有暖平流长时间的维持。在邛崃和大邑之间（方位280.66°，距离53.94 km）已经开始有速度辐合。由图1（b）可知，10：49邛崃与大邑之间的辐合明显加强，正速度最大值达8.48 m/s，负速度最大值可达 -7.86 m/s。雷达测高公式如下：
H=h0 rsinΦ r2/（2R′m）（1）
式中，h0为雷达天线高度，r为目标的斜距，R′m为等效地球半径。计算得此处的高度为3.48 km。将仰角抬高至7.5°，出现1对正负速度中心，正速度中心风速为11.59 m/s，负速度中心速度为-12.41 m/s，零径向速度线与雷达扫描基本平行，且负速度中心在左，正速度中心在右。这正是中尺度气旋在雷达速度图上的反映，此处为弱中气旋，说明辐合上升气流非常强，見图1（c）。由图1（d）可知，10：49最大回波强度已达50 dBZ。
由图2可知，当天线仰角为1°时，有明显的速度辐合区，对应强度回波最大值已达到50 dBZ；当仰角抬高至2°时，仍有速度辐合区存在，最大强度为52 dBZ；当抬高仰角至4.5°时，开始出现辐散，最大强度为52 dBZ，这是典型的“低层辐合-高层辐散”的垂直环流形势。根据逐时降水量资料显示，随后2 h累计降水量为20 mm，表明“低层辐合-高层辐散”的垂直环流结构是随后降水的重要因素，同时也表明了风场提前于降水1 h左右。
由图3可知，16：25雷达站的西南方向开始产生速度的辐合，在新津、彭山、眉山区域都有较强的强度回波，最大强度达58 dBZ。此次辐合时间长达2.5 h，这也是新津、眉山暴雨的主要降水时段。随后可见零等速度线呈“S”型弯曲，风向随高度顺时针旋转，有暖平流产生。零速度线与降水有较好的对应关系，强降水一般在零速度线附近。由图4可知，18：54雷达站附近东北—西南方向出现弱“牛眼”，正速度中心风速为9.31 m/s，负速度中心风速为-11.79 m/s，为弱低空急流，是动量、水汽集中的重要因素。由逐时降水量资料可知，随后1 h彭山发生29 mm/h的强降水。因此，低空急流是强降水发生的有利因素，出现时间较降水发生提前1 h左右。
由图5（a）可知，23：53在测站东部出现强回波带，最大强度处为53 dBZ。由图5（b）可知，在方位81.14°、距离测站51.62 km处，观察到有弱辐合型中气旋存在，正速度中速度中心14.07 m/s，负速度中心-10.96 m/s；在方位109.38°、距离测站27.35 km处有逆风区（负速度区包含正速度区）存在。逆风区是中尺度辐合辐散共轭系统风场在多普勒雷达速度图上的表现形式，有利于对流的发生，短时大暴雨出现在逆风区前沿以及径向速度辐合最大的区域。因此，此时段出现的强降水是中尺度气旋和逆风区综合作用的结果。
1.2 多普勒雷达垂直速度验证
雷达距离高度产品（RHI），指当雷达天线通过以固定方位作俯仰扫描的探测方式所获取的数据，在以雷达为坐标原点的极坐标中用不同的色标表示数据的大小和方向所产生的雷达图像产品。
由图6可知，在垂直方向上有强烈风向切变和风速切变。综合20日16：00—18：00对应方位的降水量资料，可得出此时段对流性暴雨发生在具有强烈垂直风切变和低层径向速度辐合最大的地区。
2 结论
（1）暴雨的产生是由天气尺度和中小尺度综合作用的结果，暴雨天气过程中可由多个中小尺度系统（如中气旋、逆风区及低空急流）共同作用产生，当有暖平流存在时，有利于持续性降水。在低空急流轴的左前方有强降水产生。
（2）通过对典型中小尺度系统雷达的径向速度分析研究，不能单从雷达的径向速度来明确区分，而要配合相应的反射率因子等才能判断，将雷达速度回波和反射率因子相结合是分析典型中小尺度系统的有效方法。
3 参考文献
[1] 吴书君，王凤娇，王立静.强对流天气的多普勒径向速度分析[J].山东气象，2002，22（4）：27-29.
[2] 张京英，漆梁波，王庆华.用雷达风廓线产品分析一次暴雨与高低空急流的关系[J].气象，2005，31（12）：41-45.
[3] 李军霞，汤达章，李培仁，等.中小尺度的多普勒径向速度场特征分析[J].气象科学，2007，27（5）：557-563.
[4] 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法[M].北京：气象出版社，2007.
[5] 张杰.中小尺度天气学[M].北京：气象出版社，2005.
[6] 周春花，顾清源，何光碧.高原涡与西南涡相互作用暴雨天气过程的诊断分析[J].气象科技，2009，37（5）：538-544.
关键词 强对流；中小尺度系统；径向速度；四川盆地；2008年7月20—22日
中图分类号 P458.1 21.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）13-0208-03
强对流天气系统是引起气象灾害的主要因素之一，暴雨、大风、冰雹等灾害性天气与现代农业生产密切相关，如何准确探测和预报灾害性暴雨是目前农业气象面临的难题。新一代天气雷达能获取大气径向速度特征，而气流的辐合辐散特征常常在反射率因子特征出现之前出现，对强对流天气有较好的预警作用，但目前在速度回波特征方面的研究还不完善。吴书君等[1]通过对滨州强对流天气系统的多普勒雷达径向速度资料的分析，发现多普勒径向速度资料提供的风场信息对强对流天气系统的发生发展及移向有一定的指示意义。张京英等[2]利用暴雨过程的雷达风廓线资料和小时雨量资料，发现雷达风廓线资料可以清楚地展示暴雨过程中提供充足水汽和能量的风场的垂直结构，反映出降水过程中的风场变化，低空急流指数增大较高空急流指数增大对雨强增大的贡献明显。李军霞等[3]选用太原多普勒雷达资料对逆风区进行了深入研究，得出绝大部分逆风区出现时间较降水时间提前1～2 h。本文通过普查获得局地暴雨的中小尺度系统的风场特征，以期为强对流天气提供更有效且准确的预警方法，减少灾害性暴雨对农作物的破坏。
暴雨一般泛指降水强度很大的降水事件，在业务工作中通常以24 h降水量为标准来定义，日降水量≥50 mm的降水称为暴雨。暴雨分为暴雨（50～100 mm）、大暴雨（100～200 mm）、特大暴雨（>200 mm）3个量级[4-5]。有一定强度的各种回波单体在天气系统配合下，组成各种中尺度系统，产生暴雨。由于降水量=降水强度×降水持续时间。因此，降水要达到暴雨量级，需有较强的降水强度，或降水持续时间长，或两者综合。
1 局地暴雨风场特征分析
1.1 多普勒雷达速度
暴雨是天气尺度背景和多个中小尺度系统共同作用的结果，在暴雨过程中会出现雷达站辐合、暖平流、低空急流、中气旋、逆风区、低空辐合高空辐散的垂直环流结构等。
2008年7月20日8：00至22日8：00四川盆地暴雨过程是一次典型的强降水过程，是在高原涡与西南低涡的耦合作用下发生的[6]。由图1（a）可以看出，自雷达中心开始，零等速度线呈“S”型弯曲，即风速随高度顺转，表明有暖平流存在，在雷达站附近为东北气流，风向随着高度的增加逐渐变为偏南气流，多普勒径向速度等值线由中心向外散开，表明该时次的风速不随高度变化，风速比较均匀。在此次强降水的开始阶段和降水过程中均有暖平流长时间的维持。在邛崃和大邑之间（方位280.66°，距离53.94 km）已经开始有速度辐合。由图1（b）可知，10：49邛崃与大邑之间的辐合明显加强，正速度最大值达8.48 m/s，负速度最大值可达 -7.86 m/s。雷达测高公式如下：
H=h0 rsinΦ r2/（2R′m）（1）
式中，h0为雷达天线高度，r为目标的斜距，R′m为等效地球半径。计算得此处的高度为3.48 km。将仰角抬高至7.5°，出现1对正负速度中心，正速度中心风速为11.59 m/s，负速度中心速度为-12.41 m/s，零径向速度线与雷达扫描基本平行，且负速度中心在左，正速度中心在右。这正是中尺度气旋在雷达速度图上的反映，此处为弱中气旋，说明辐合上升气流非常强，見图1（c）。由图1（d）可知，10：49最大回波强度已达50 dBZ。
由图2可知，当天线仰角为1°时，有明显的速度辐合区，对应强度回波最大值已达到50 dBZ；当仰角抬高至2°时，仍有速度辐合区存在，最大强度为52 dBZ；当抬高仰角至4.5°时，开始出现辐散，最大强度为52 dBZ，这是典型的“低层辐合-高层辐散”的垂直环流形势。根据逐时降水量资料显示，随后2 h累计降水量为20 mm，表明“低层辐合-高层辐散”的垂直环流结构是随后降水的重要因素，同时也表明了风场提前于降水1 h左右。
由图3可知，16：25雷达站的西南方向开始产生速度的辐合，在新津、彭山、眉山区域都有较强的强度回波，最大强度达58 dBZ。此次辐合时间长达2.5 h，这也是新津、眉山暴雨的主要降水时段。随后可见零等速度线呈“S”型弯曲，风向随高度顺时针旋转，有暖平流产生。零速度线与降水有较好的对应关系，强降水一般在零速度线附近。由图4可知，18：54雷达站附近东北—西南方向出现弱“牛眼”，正速度中心风速为9.31 m/s，负速度中心风速为-11.79 m/s，为弱低空急流，是动量、水汽集中的重要因素。由逐时降水量资料可知，随后1 h彭山发生29 mm/h的强降水。因此，低空急流是强降水发生的有利因素，出现时间较降水发生提前1 h左右。
由图5（a）可知，23：53在测站东部出现强回波带，最大强度处为53 dBZ。由图5（b）可知，在方位81.14°、距离测站51.62 km处，观察到有弱辐合型中气旋存在，正速度中速度中心14.07 m/s，负速度中心-10.96 m/s；在方位109.38°、距离测站27.35 km处有逆风区（负速度区包含正速度区）存在。逆风区是中尺度辐合辐散共轭系统风场在多普勒雷达速度图上的表现形式，有利于对流的发生，短时大暴雨出现在逆风区前沿以及径向速度辐合最大的区域。因此，此时段出现的强降水是中尺度气旋和逆风区综合作用的结果。
1.2 多普勒雷达垂直速度验证
雷达距离高度产品（RHI），指当雷达天线通过以固定方位作俯仰扫描的探测方式所获取的数据，在以雷达为坐标原点的极坐标中用不同的色标表示数据的大小和方向所产生的雷达图像产品。
由图6可知，在垂直方向上有强烈风向切变和风速切变。综合20日16：00—18：00对应方位的降水量资料，可得出此时段对流性暴雨发生在具有强烈垂直风切变和低层径向速度辐合最大的地区。
2 结论
（1）暴雨的产生是由天气尺度和中小尺度综合作用的结果，暴雨天气过程中可由多个中小尺度系统（如中气旋、逆风区及低空急流）共同作用产生，当有暖平流存在时，有利于持续性降水。在低空急流轴的左前方有强降水产生。
（2）通过对典型中小尺度系统雷达的径向速度分析研究，不能单从雷达的径向速度来明确区分，而要配合相应的反射率因子等才能判断，将雷达速度回波和反射率因子相结合是分析典型中小尺度系统的有效方法。
3 参考文献
[1] 吴书君，王凤娇，王立静.强对流天气的多普勒径向速度分析[J].山东气象，2002，22（4）：27-29.
[2] 张京英，漆梁波，王庆华.用雷达风廓线产品分析一次暴雨与高低空急流的关系[J].气象，2005，31（12）：41-45.
[3] 李军霞，汤达章，李培仁，等.中小尺度的多普勒径向速度场特征分析[J].气象科学，2007，27（5）：557-563.
[4] 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法[M].北京：气象出版社，2007.
[5] 张杰.中小尺度天气学[M].北京：气象出版社，2005.
[6] 周春花，顾清源，何光碧.高原涡与西南涡相互作用暴雨天气过程的诊断分析[J].气象科技，2009，37（5）：538-544.