c强对流暴雨的多普勒天气雷达个例分析

气 象 科 技第 卷第 期 年 月 ∏ ∞×∞ ≤ ≥≤ ∞ ≤∞ ×∞≤ ≠

局地强对流暴雨的多普勒天气雷达个例分析

丁青兰 秦勇 陈明轩 谭晓光

北京 中国气象局大气探测技术中心 北京 北京城市气象研究所 北京 北京市气象台

摘要 从天气背景的分析出发 利用多普勒天气雷达的强度!速度资料以及由速度资料反演的垂直风廓线和二维

这次局地强对流暴雨是大尺度系风场对一次北京局地暴雨从开始到强降水结束时段做了详细的分析 分析发现

大尺度环流为暴雨提供了充沛的水汽 本站层结有很大的不稳定度 为强对流风统和中尺度系统共同作用的结果

低层中尺度辐合线起到了触发对流和加强对流的作用 暴的产生提供了必要条件

关键词 局地暴雨 中气旋 垂直风廓线 °风场

引言

随着中国新一代天气雷达网的建设 目前全国

已陆续布设了近百部多普勒天气雷达 这些雷达在

监测冰雹!雷雨大风以及局地暴雨等突发性灾害天

各雷达站也根据本地实气过程中发挥了重要作用

际情况开展了多普勒天气雷达在强对流天气短时预

报中的应用研究≈ 年 月 日北京出现

了局地强对流暴雨 以下简称/ 就北京 0暴雨

而言 局地暴雨大多发生在山区的迎风坡或喇叭口

地形处 而/ 0暴雨区集中在城区实属罕见 由

于常规探测网的时间和空间分辨率很低 很难对

定点预报 / 1 0这种中小尺度天气系统作出定时!

而多普勒天气雷达具有时空分辨率高的优点 其距

离分辨率可达几百米 即可完成一次体积

扫描 利用雷达资料 再结合常规探测资料!自动站

有望提高局地资料以及卫星云图等开展临近预报

暴雨的预报时效 从而减小其的损失 北京市气象

局的≤波段多普勒天气雷达连续!完整地监测了这

次局地暴雨 本文利用这部雷达的资料对这次暴雨

过程从开始到强降水结束时段作详细的分析 降水情况及灾情从 年 月 日 北京城区出 开始 现了罕见的局地强对流暴雨 至 强降水结束时 城区平均降水量为 降水达到 其中位于中心城区的紫竹院降水量为 为暴雨 !天坛为 达到大暴雨的量级 图

图 年 月 日 北京市城区

雨量 分布 3为雷达位置

/十五0国家科技攻关计划课题/奥运气象保障技术研究0 ! 年北京市重大科技计划项目/奥运会气象保障科学技术试验与研究0 和/十五0国家科技攻关计划课题奥运科技专项/北京奥运会国际天气预报示范计划关键技术研究0 共同资助

作者简介 丁青兰 女 硕士 工程师 从事短时天气预报工作 ∞ 年生

收稿日期 定稿日期 年 月 日 年 月 日

这次局地暴雨的主要特征是 ≠范围小!局地性

很强 超过 的降水区域主要位于石景山!丰

台!门头沟东部和中心城区 图 降水强度很

大 丰台气象站 最大降水量为 最

大降水 ≈突发性强 从对流云团开始形成

到强对流暴雨出现的时间只有

图 年 月 日 北京地区雨量分布

单位

这次局地暴雨造成城区严重积水 东城!西城!

崇文!宣武 个内城区的大多数道路在急降雨期间

积水超过 造成大量平房和楼房地下室进水

另外 市区西!南环路立交桥下积水造成交通阻断

环路其余部分也有不同程度积水引起交通拥堵 造

成很大的社会影响

天气背景

. 天气形势分析

年 月 日 图略 ° 和

° 天气图上河套出现低涡!低槽 槽前为西南

或偏南气流 而北京还是西北气流 日 图

略 低涡位置几乎没有变化 槽线缓慢移至河套东

侧 本站已转为东南风

° 天气图上 从 日 图略 开始河

套的东北侧已出现低涡和切变线 北京位于切变线

前为偏南气流 日 图略 低涡和切变线位

置几乎没有变化 北京为西南风 日 图

略 切变线移至北京附近 北京仍为西南气流 这次

暴雨过程从天气图上看虽然有明显的天气系统 但 日 北京的低层并没有系统性上升运动 大尺度环流主要为局地暴雨的发生提供了水汽条件 . 气象条件分析 月 日 本站的对流层中!低层Η 随高度减小 由地面的 ε减小到 ° 的最小值 ε 气层是对流性不稳定的 另外 Κ指数为 ε 沙氏指数 ≥ 为 ε 表明气层很不稳定 月 日 北京单站Τ2 π图 图略 显示 本站气层有较大的不稳定能量 且不稳定层次达到 ° 以上 层结曲线与露点曲线之间呈向上开口喇叭状 这种下湿上干的配置有利于产生强对流天气 多普勒雷达回波分析 年 月 日 北京西南部的房山和河北境内开始有对流单体群生成 这些对流单体不断发展加强并向西北方向缓慢移动 形成两条首尾相连的弧形回波带 其中位于雷达站西侧的弧形回波带中单体呈弥散状态 对北京地区基本没有产生影响 图 为 年 月 日雷达图 见图版 位于雷达站西南部从河北易县一带发展起来的弧形回波带结构较紧密 带上强对流单体的最大回波强度为 高度为 强对流单体的速度场中有多个中Χ尺度的辐合 其中位于房山的为气旋性辐合 方位 β!距离 以辐合为主 位于辐合区的两块强回波单体合并后迅速增强 强度达到 高度为 图 合并后回波的速度场由气旋性辐合发展成核直径为 !旋转速度为 # 的弱中气旋 方位 β!距离 图 而 在紧邻雷达站的海淀!石景山和丰台等地新生的对流回波此时已发展成一条长 !宽 西南)东北向的强回波短带 图 最大回波强度为 由于回波离雷达太近 雷达探测不到对流云顶 回波高度应在 以上 其速度场中出现逆风区 这条回波带在门头沟 产生了 的强降水 强回波短带的东北端开始减弱消散 其西南端在向西北方向移动的过程中不断有对流单体并入 回波向雷达站西侧的门头沟发展 这时上述在房山合并的强回波开始分裂 一部分向东北偏北方向发展增强 逐渐脱离回波带向门头沟回波靠近 另一部分向西北方向移动 雷达站东南 附近的天安

门!天坛一带开始有一些回波单体新生 这些单体在

向西北方向缓慢移动的过程中迅速发展 后

回波的速度场出现中Χ尺度辐合 回波向辐合区发

展 回波的最大强度为 强回波的速

度场中出现弱中气旋 方位 β!距离 图

图 气旋核直径为 最大入流为

# 最大出流为 # 旋转速度为

# 最大出流 最大入流 这个强对流

风暴给中心城区造成很大的降水 其中天安门

降水 天坛 降水 1 此时上述

向东北偏北方向发展的强回波与门头沟回波合并后

迅速增强 发展成一条准南北向长 !宽

的强回波短带 图 强度为 其速度场中

出现两个尺度和强度相当的气旋性辐合 方位

β!距离 方位 β!距离 图

以旋转为主 两个气旋性辐合的正!负速度中心距离

均为 左右 北侧气旋性辐合的正速度极值为

# 负速度极值为 # 南侧气旋性

辐合的正速度极值为 # 负速度极值为

# 两个气旋性辐合外侧的速度极值远大于其

相邻的速度极值是因为相邻部分速度方向相反相互

抵消了一部分≈ 强回波基本覆盖了中心城

区 图 并向北缓慢移动 上述相邻的两个气旋

性辐合此时合并形成一个尺度更大!强度更强的气

旋性辐散 方位 β!距离 图 合并后

的回波开始减弱 从图 中还可以看出 雷达站和

天坛一带有逆风区和气旋性辐合 方位 β!距离

以辐合为主 负速度极值为 # 正速

度极值为 # 辐合仍然维持 速度图中

出现两个大风中心 图 正速度极值为

# 方位 β!距离 !高度 负速

度极值为 # 方位 β!距离 !高度

表明低层水汽输送明显增强 丰

台有对流回波新生发展 图 向东偏北方向移

动 逐渐靠近中心城区的回波 并入城区回波

后形成一条南北向的长 !宽 的强回波

带 图 最大回波强度为 城区回波的速

度场很复杂 正速度区向负速度区伸展 而伸展的正

速度区中又包含有封闭的负速度区 逆风区 图

表明对流仍然很强 这条回波带向偏北方向移

动 给丰台!紫竹院等地带来强降水 其中丰台

降水 降水 此后 回波带的北端逐渐减弱 但雷达站西南 之间有对流回波生成 逐渐发展并入回波带的南端 形成一条西南南)东北北向的回波带 带长为 左右 带宽为 左右 主要为积层混合性降水回波 这时回波的速度场也开始变得越来越有规则 这条回波带持续移过市区 给市区带来较大的降水 回波开始减弱 回波带变宽 北京城区仍然为回波所覆盖 强度较弱 为 基本为层状云降水回波 此时回波速度场中的零速度线经过测站并且比较整齐 低层为西南风 垂直风廓线分析垂直风廓线是比较常用的多普勒天气雷达二次产品 图 是利用雷达的速度立体扫描资料 根据 ∏ 方法制作的不同时次垂直风廓线

图 年 月 日强降水时段的垂直风廓线从图 可以看出 在整个强降水时段 对流层中!低层均有南风分量 为北京源源不断地输送了水汽 中层由偏西风转为偏东风 低层风速明显加大 增加了水汽的输送 另外 从北京南郊观象台的风廓线图 图略 和图 中可以看出 当天对流层中!低层风速都不大 风速垂直变化小 只有风向有一些变化 本站垂直风切变较弱 不利于强对流风暴如超级单体风暴的发展!组织和维持 风暴单体的发展主要靠地面辐合和老单体的下沉气流向外扩散促使环境空气抬升的作用≈

ΑΠ风场分析

陶祖钰≈ 提出用单多普勒雷达的速度资料反

演二维风场的方法 ° ∏ ° 2

这种方法原理比较简单 但有较好的反演效

果 图 是利用 β仰角多普勒速度资料 根据

°方法反演的这次强对流暴雨的风场

图 年 月 日 !

和 的 °风场 距离圈间隔

月 日 存在一条经过雷达站的弧形

中尺度辐合线 图 降水开始后这条辐合线仍

然存在 图 位置几乎没有变化 地面强降水带

和回波分布与辐合线位置是一致的 图 !图 从

图 中还可以看出 位于辐合线上的丰台!石景山

方位 β!距离 和天安门!天坛 方位 β!

距离 一带出现两个辐合中心 最强的降水就

出现在这附近 又出现一条经过雷达站的弧

形辐合线 强回波带与辐合线的位置基本一致 图

!图 另外 北京城区有比较稠密的地面自动

站网 地面自动站资料也证实了这些辐合线的存在

月 日强降水开始前北京低层吹东南风 与北京

西南部和西部山脉的走向 西南)东北向 几乎垂

直 地形的作用和城市的热力作用可能是产生地面

辐合线的原因≈ 回波的移动包括平流和传播 当

风暴承载层平均风的风向与辐合线方向不同时 因

为风速较小 回波的移动以传播为主 在辐合线上不

断有对流单体生成 导致回波沿辐合线分布 当风暴

承载层平均风的风向与辐合线方向相同时 回波在

辐合线上得到加强 结论与讨论 这次局地强对流暴雨是大!中尺度系统共同作用的结果 大尺度环流为暴雨提供了充沛的水汽 本站层结有很大的不稳定度 为强对流的产生提供了必要条件 低层中尺度辐合线起到了触发对流和加强对流的作用 速度图不仅可以用来分析大尺度环境流场 还可以用来分析与风暴相联系的中小尺度流场 这次暴雨的速度场出现了多个辐合!中气旋和逆风区结构 °方法对对流性降水反演的风场虽然没有对层状云降水反演的效果好 但仍有一定的参考价值 这次局地暴雨的二维风场中有明显的中尺度辐合线 定量测量降水一直是雷达应用中的一个重点 也是一个难点 尤其是对强对流降水的估测 这次降水过程我们对降水量的估测不足 通过对北京市气象局 ≤波段多普勒雷达增加双偏振功能 将来有望提高降水估测的能力 参考文献≈ 王令 康玉霞 焦热光 等 北京地区强对流天气雷达回波特征≈ 气象 ≈ 夏文梅 张亚萍 汤达章 等 暴雨多普勒天气雷达资料的分析≈≤ Μ中国气象局北京城市气象研究所 中美强对流天气临近预报技术国际研讨会文集 ≈ 姚叶青 石春娥 张平 两场暴雨多普勒雷达回波的对比分析≈≤ Μ中国气象局北京城市气象研究所 中美强对流天气临近预报技术国际研讨会文集 ≈ 胡明宝 高太长 汤达章 多普勒天气雷达资料分析与应用≈ 北京 解放军出版社 ≈ 斯公望 暴雨和强对流环流系统≈ 北京 气象出版社 ≈ 陶祖钰 从单 速度场反演风矢量的 °方法≈ 气象学报 ≈ 陆晨 谭晓光 北京强对流天气中尺度系统和地形效应介绍

≈≤ Μ中国气象局北京城市气象研究所 中美强对流天气临近

预报技术国际研讨会文集

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