引言
目前，新一代天气雷达仍然是暴雨天气临近预警业务利用的主要工具，随着雷达观测布网逐步加密和观测资料的广泛应用，暴雨天气的监测预警水平得到很大提高。已有很多研究针对不同地区暴雨天气典型个例或批量个例进行了雷达产品特征分析，并建立了基于雷达回波的暴雨天气预警方法（傅朝等，2015；王宝鉴等，2016；张继东，2016；谌芸等，2018；王晓娟等，2018；刘帆等，2019；刘红武等，2021；苟阿宁等，2022；袁凯等，2023）。例如西宁地区强降水天气常与雷达径向速度的逆风区相伴，且对混合性强降水影响更多，以逆风区作为预警指标可使强降水预警时间提前20~152 min（谢启玉等，2020）；广西地区低空急流暴雨天气回波顶高为10~14 km、垂直液态水含量普遍为20~35 kg·m-2（周文志等，2011）。通过对多次个例分析表明，多个雷达回波经过同一地区形成“列车效应”，是形成特大暴雨的主要原因（张家国等，2011；方标，2016；杨磊等，2017；刘一玮和王颖，2020；胡振菊等，2022；吴古会等，2023）。另外分析雷达垂直风廓线产品（Vertical Wind Profile，VWP），显示强降水发生前期，对流层中低层以上升气流为主，暖平流、大风区位置下降有利于降水的维持和加强，中层“ND”区域的出现表明降水即将结束，中气旋对短时强降雨的发生发展有很好的指示作用（孙莹等，2011）。
陇南新一代天气雷达于2016年9月通过验收测试并开始业务运行，该雷达的布设大幅度提高了陇东南地区灾害性天气的监测、预警能力，但目前针对该地区典型天气的雷达回波特征分析开展相对较少。因此，基于雷达观测开展典型个例分析讨论，全面总结天气系统特征，从而提高该地区暴雨天气监测预警能力是一项极为迫切的工作。2017年8月，陇南地区暴雨、短时强降水天气与往年相比强度明显偏大，其中8月6—7日、19—20日的2次暴雨天气过程具有明显的中尺度对流发展特征，雨强大、持续时间长，2次暴雨过程中有多站日降水量超过150 mm，武都区观测到69 mm·h-1的极端短时强降水事件，礼县、武都气象站24 h降水量分别突破自1960、1951年有气象站记录以来的历史极值，属极端性大暴雨天气过程。本文在天气环流背景和物理量特征分析基础上，重点分析这2次暴雨天气过程的雷达回波特征，建立该类天气的雷达回波预警指标，以期为该地区暴雨天气的监测预警提供参考。
1 资料和降水实况
1.1 资料
所用资料包括2017年8月6—7日、19—20日的常规气象观测资料和地面加密观测数据，采用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts， ECMWF）第5代全球大气再分析产品ERA5逐1 h、0.25°×0.25°再分析数据分析环流背景和物理量特征，采用Himawari-8红外卫星观测和陇南雷达观测资料分析降水天气过程的中尺度特征。日降水量为当日08：00（北京时，下同）至次日08：00的24 h降水量。
文中附图涉及地图均基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）1824号的标准地图制作，底图无修改。
1.2 降水实况
2017年8月6—7日，陇南市出现暴雨过程，暴雨区主要出现在陇南市北部及中东部，呈片状分布，共计79个点（52个乡镇）出现大暴雨，最大累积降水量为礼县龙林乡万家（215.6 mm）。此次降水过程持续时间长，主要从6日14：00开始至7日18：00结束；降水强度及累积降水量均较大，出现短时强降水共计174站次，最大小时降水量达68.8 mm（6日22：00—23：00武都区五凤山）；另外，2017年8月7日礼县、武都气象站24 h降水量分别突破自1960、1951年有气象站记录以来的历史极值[图1（a）]。
图1
图1
2017年8月6—7日（a）及19—20日（b）甘肃陇南24 h累积降水量分布（单位：mm）
Fig.1
The distribution of 24 h accumulative precipitation in Longnan of Gansu Province from 6 to 7（a） and from 19 to 20（b） August 2017（Unit： mm）
8月19—20日，陇南市再次出现暴雨天气过程，此次降水主要集中在陇南市东南部，呈带状分布，共出现大暴雨12站、暴雨60站，最大累积降水量为152.9 mm（成县小路村）、最大小时雨量出现在20日08：00—09：00（成县东大寨村51.9 mm）。此次降水过程持续时间更长，自19日10：00开始至21日09：00结束，但相对8月6日暴雨过程，降水强度偏弱[图1（b）]。
2 天气形势
2.1 环流特征
2017年8月6日08：00（图略），新疆北部低槽底部锋区南压，高原西部低槽生成，但低槽东移过程中，由于高原热力作用，高原西北部高压发展，低槽分裂为两段；20：00[图2（a）]，500 hPa高度场上588 dagpm线呈东高西低，低槽南段位于沱沱河以南为高压横切变，北段为青海湖上空的高原短波槽，甘肃东南部588 dagpm线呈南落趋势；7日08：00（图略），高原短波槽东移出高原主体，槽后的青海上空有明显高空锋区，导致低槽向南加深，此时陇南位于槽前588 dagpm线西北侧。6日20：00，700 hPa河套东侧冷性反气旋高压底部有偏东气流与偏南气流切变，甘肃中部偏南地区呈现冷暖对峙，为冷、暖高压间鞍型场切变（图略）；7日08：00，切变东移南压，影响陇南地区。可以看出，8月6—7日陇南暴雨过程出现在高原短波槽东移、副热带高压（简称“副高”）南落的形势背景下；暴雨发生前，陇南处于副高边缘的高温高湿区，高原槽前中层、低层偏南气流有利于环境高温高湿维持，导致不稳定能量和湿度积累；高原槽后较强冷平流和下坡的位涡守恒效应是低槽向南加深的主因，形成了较好的气旋性抬升动力条件；低层700 hPa切变线属冷式切变，是触发对流的主要影响系统，由于陇南位于高压之间的鞍型场中，切变系统移动较为缓慢，有利于该区域对流系统不断生成、发展。
图2
图2
2017年8月 6日20：00（a）与 20日08：00（b）500 hPa高度场（黑色实线，单位：dagpm）、温度场（红色虚线，单位：℃）和风场（风矢，单位：m·s-1）分布
Fig.2
The 500 hPa height field（black solid lines， Unit： dagpm），temperature field（red dotted lines， Unit： ℃） and wind field（wind vectors， Unit： m·s-1） at 20：00 on 6（a） and 08：00 on 20（b） August 2017
2017年8月19日20：00，500 hPa高空形势（图略）上，西风带长波槽进入甘肃西部，同时高原槽位于青海东部；槽前副高控制甘肃省河东地区，新疆和青海上空有明显锋区，冷平流明显；同时我国东部渤海上空有稳定的低涡冷槽。至20日08：00[图2（b）]，西风槽东移较快且向南加深并与缓慢移动的高原槽呈叠加趋势；由于偏南气流增强，控制甘肃河东地区的副高有所加强，588 dagpm线明显北抬；另外我国东部的低值系统位置少动，有利于影响系统在本地区长时间维持。20日08：00 700 hPa高空形势（图略）上，甘肃河东大部位于河西—阿拉善反气旋前部的低压带上，切变线位于河东中部及河套地区，均为偏北气流前部的冷式切变，是地面锋线后部的低空辐合区，甘肃陇南受偏南气流控制。至20：00，河套切变线南压与南段切变合并，主要影响甘肃陇东地区，同时反气旋前部的偏北气流进入陇南，切变区位于两个低值系统之间的鞍型场中，切变系统东移缓慢，特别是南段切变。可以看出，我国东部低值系统稳定少动，上下游效应导致高原槽东移缓慢，与之相应，副高短期内无明显南压，甚至出现短暂北抬；陇南降水主要出现在700 hPa切变线暖区一侧，降水发生时伴随着中层南风加强且副高北抬，属暖区暴雨，与当天发生的陇东暴雨在形成机理上完全不同；20日陇南位于副高内部，受中、低层偏南气流影响，有利于较高的温度、湿度条件维持，但是由于中层为暖平流，不稳定能量较小。
2.2 物理量分析
从2017年8月6日08：00 700 hPa比湿分布（图略）可以看出，甘南地区比湿为12 g·kg-1；至20：00[图3（a）]，12 g·kg-1比湿范围开始逐渐扩大至陇南大部分地区；7日08：00，12 g·kg-1比湿范围继续东移，陇南、天水及川北、陕南部分地区比湿明显增大，对应降水时段8月6日夜间至7日凌晨。暴雨的发生除了本地水汽条件要好，还需要水汽源源不断地输送至暴雨区，水汽通量能够反映一个地区水汽输送的强度和方向。由700 hPa水汽通量场（图略）可以看出，8月6日08：00陇南地区存在水汽辐合，至7日08：00，陇南地区水汽通量达最大，存在明显的水汽辐合。从风场及对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）可以看出，6日20：00[图3（b）]陇南地区存在一个涡旋，之后涡旋消失转化为切变线，但偏南气流逐渐增大，有利于水汽输送；随着时间推移700 hPa陇南地区CAPE逐渐减小，至7日08：00降水结束，CAPE小于100 J·kg-1。
图3
图3
2017年8月6日20：00 700 hPa比湿（a，等值线，单位：g·kg-1）与风场（箭矢，单位：m·s-1）、对流有效位能（等值线，单位：J·kg-1）（b）分布（阴影为地形，单位：m）
Fig.3
The 700 hPa specific humidity（a， isolines， Unit： g·kg-1）， wind field（arrows vectors， Unit： m·s-1）， CAPE（isolines， Unit： J·kg-1）（b） at 20：00 on 6 August 2017（The shaded is for terrain altitude， Unit： m）
图4
图4
2017年8月20日08：00 700 hPa比湿（a，等值线，单位：g·kg-1）与风场（箭矢，单位：m·s-1）、对流有效位能（等值线，单位：J·kg-1）（b）分布
（阴影为地形高度，单位：m）
Fig.4
The 700 hPa specific humidity（a， isolines， Unit： g·kg-1）， wind field（arrow vectors， Unit： m·s-1）， CAPE（isolines， Unit： J·kg-1）（b） at 08：00 on 20 August 2017
（The shaded is for terrain altitude， Unit： m）
3 卫星云图观测特征
2017年8月6日17：00，30°N—35°N之间青藏高原东西向中高云带位于高原横切变附近，其前缘四川盆地和甘肃、陕西南部是588 dagpm线附近或南侧的冷暖交汇区或低层偏南气流影响区，为对流系统多发区域；在此背景下，8月6—7日，中尺度对流云团影响陇南地区。8月6日16：45[图5（a）]，甘肃定西南部和陇南北部一带分别有中尺度对流系统，其中陇南北部对流系统分布较为分散；19：45，定西南部对流系统明显减弱，陇南北部则明显增强（图略）。对流云团缓慢东移南压，21：45，云图MCC（Mesoscale Convective Complex，MCC）特征明显[图5（b）]，MCC影响陇南东部地区；7日01：45，南部云团迅速减缩，北部云团依然强盛，并略有东移；02：45，MCC云团主体移出陇南，明显减弱（图略）；03：45，原位于天水西南部的对流云团东移南压至麦积区—礼县北部一带，移动缓慢并有增强趋势；至05：45，云团突然增强，分布在天水北道—陇南成县一带；06：45，中尺度云团逐渐演变为切变对流云带，云带中可以看到3个对流较为旺盛的更小尺度云团，切变云带尾部对流发展；07：45云图（图略）表现为增大的密实云团，东移过程中主要影响陇南东北部，至08：45主体移出陇南。
图5
图5
2017年8月6日16：45（a）与21：45（b）FY-2E红外云图黑体亮温分布（单位：℃）
Fig.5
The distribution of black body temperature on infrared cloud image of FY-2E satellite at 16：45（a） and 21：45（b） on 6 August 2017（Unit： ℃）
图6
图6
2017年8月20日03：30（a）与07：30（b）FY-2E红外云图黑体亮温分布（单位：℃）
Fig.6
The distribution of black body temperature on infrared cloud image of FY-2E satellite at 03：30（a） and 07：30（b） on 20 August 2017（Unit： ℃）
对比2次过程的对流活动演变特征可以看出，8月6日先后有2次中尺度对流云团影响陇南地区，对流系统发展过程伴随强降水的发生。其中第1次对流云团在天水礼县、西和为中心的附近区域形成，对流系统尺度较大，主要影响时段在6日傍晚到7日02：00，6日21：00—22：00在陇南境内达到最强，呈现一定的MCC特征；7日凌晨生成的对流系统尺度较小，且组织结构较松散，东移过程中在陇南境内处于发展阶段，主要影响徽成盆地和康县部分及武都区偏北地区。8月20日凌晨开始，在副高内部暖区中，受偏南气流触发和引导，有中尺度对流云团在四川盆地北部形成并缓慢东移发展，造成陇南东部地区的暴雨；其间，对流系统在陇南境内有2次发展过程，第1次发展出现在20日上午，在陇南东南部边缘达到最强；第2次发展出现在20日中午，在陇南东部达到最强；对流系统尺度基本维持在100 km以内，对陇南境内的影响维持时间长达6 h以上。
4 雷达观测特征
4.1 回波特征
2017年8月6日17：00（图略），礼县南部—西和一线出现55 dBZ以上的块状回波，呈东北—西南向带状分布，回波顶高达到11.4 km，大于50 dBZ的强回波达到8.4 km，超过6日-10 ℃层高度，而最强回波中心高度也达到3.9 km；至20：02[图7（a）]，强回波向东南方向移动并快速发展，形成大面积带状回波，回波中心位于礼县南部及武都北部，中心强度达65 dBZ、厚度2.7 km（底高2.4 km，顶高5.1 km），回波顶高达16.0 km，随后武都出现较大范围强降水天气；强回波继续维持并向东南方向移动[图7（b）、（c）]，至22：29[图7（d）]，中心强度超过60 dBZ，垂直累积液态水含量达12.5 kg·m-2，且结构非常紧密，影响区域范围不断扩展，其移动方向与回波长轴基本垂直，此时武都城郊出现10 min 达13.7 mm的强降水；6日23：03[图7（e）]之后，强回波体结构变得松散，回波中心强度降到50 dBZ以下，垂直累积液态水含量约3.0 kg·m-2，回波体强度明显减弱，随后逐渐消散，区域站降水也下降到10 min约1.0 mm以下。
图7
图7
2017年8月6日陇南雷达组合反射率因子演变（单位：dBZ）
（a）20：02，（b）21：27，（c）22：01，（d）22：29，（e）23：03
Fig.7
Evolution of the combined reflectivity factor of Longnan radar on 6 August 2017（Unit： dBZ）
（a） 20：02，（b） 21：27，（c） 22：01，（d） 22：29，（e） 23：03
2017年8月20日06：00[图8（a）]，在低层暖式切变线东侧（文县南部—成县）出现反射率因子为45 dBZ以上的带状回波，回波中心强度为49 dBZ、高度7.8 km，超过当日-10 ℃层高度（7.2 km）；08：00[图8（b）]，回波发展增强，强回波中心大于50 dBZ，高度4.9 km，30 dBZ回波顶高达10.0 km，强回波体垂直累积液态水含量达12.5 kg·m-2，影响范围不断扩大并向北延伸，强回波中心大致呈南北向带状分布，其移动和传播方向与回波长轴方向基本一致，大致沿文县南部—成县一线自南向北移动发展，此时段区域站泥阳出现10 min最大降水量16.8 mm；10：00—14：00[图8（c）、（d）、（e）]，强回波移动减慢，强度维持在45 dBZ，大致呈南北方向，但影响范围急剧扩大；至16：00（图略），回波强度明显减弱，只零星分布有大于30 dBZ的小范围层云回波区。
图8
图8
2017年8月20日陇南雷达组合反射率因子演变（单位：dBZ）
（a）06：00，（b）08：00，（c）10：00，（d）12：00，（e）14：00
Fig.8
Evolution of the combined reflectivity factor of Longnan radar on 20 August 2017（Unit： dBZ）
（a） 06：00，（b） 08：00，（c） 10：00，（d） 12：00，（e） 14：00
4.2 区域站降水与反射率因子对比
图9为 2017年8月7日06：00—07：00西和大桥站（105.28°E、33.74°N）与08：00—09：00成县毕河村（105.55°E、33.57°N）强降水期间逐10 min降水量与逐6 min反射率因子对比。大桥站和毕河村站位于距雷达东北约50 km处降水中心，并且2站几乎同在距雷达50 km距离圈附近，考虑到雷达探测的降水衰减订正因素，降水区域的同一距离圈具有较一致的观测质量，有利于对比分析。8月7日06：00—07：00[图9（a）]，大桥站出现51.7 mm的降水，10 min降水强度变化较大，反射率因子变化幅度也相对明显、持续时间较短，最大降水出现在06：00—06：10（11.4 mm），此时反射率因子达到最大42 dBZ，回波中心高度8.0 km（-10 ℃层高度），随后3个时次反射率因子均维持在40 dBZ以上，相应的10 min降水均在8.0~10.0 mm，07：00以后反射率因子迅速减弱，降至35 dBZ以下，同时10 min降水也下降到5.0 mm以下。08：00—09：00[图9（b）]，毕河村站出现51.6 mm的降水，反射率因子维持在35 dBZ以上；10 min最大降水出现在08：30—08：40（15.8 mm），同时反射率因子达到最大42 dBZ；09：00以后，反射率因子减弱至30 dBZ以下，降水明显减小。分析可知，此次降水过程组合反射率因子演变与全国不同地区多个个例总结结论相似，即暴雨层积混合云系中尺度对流回波强度在35 dBZ以上，但强中心反射率因子一般小于50 dBZ；大桥、毕河村站组合反射率因子波动形态具有较高的一致性，其波段振幅极为相似，2站降水时间相差3 h，大桥位于毕河村西北方向，直线距离约30 km，符合强回波自西北向东南移动、传播的观测事实。
图9
图9
2017年8月7日06:00—07:00大桥站（a）与08:00—09:00毕河村站（b）对应位置逐6 min组合反射率因子和逐10 min降水量演变
Fig.9
Evolution of 6-minute combined reflectivity factor and 10-minute precipitation at the corresponding location of the automatic weather station at Daqiao at 06:00-07:00 (a) and Bihe at 08:00-09:00 (b) on 7 August 2017
图10为8月20日09：00—10：00小路村（105.50°E、33.71°N）、11：00—12：00黄陈（105.57°E、33.62°N）站强降水期间逐10 min降水量与逐6 min反射率因子对比。小路村和黄陈站均位于陇南市成县，距武都站雷达约65 km，两站直线距离15 km。8月20日09：00—10：00[图10（a）]，小路村降水量为44.6 mm，从09：00开始，小路村站上空反射率因子不断增强，09：10开始出现大于35 dBZ的强回波，随着时间推移，强回波厚度不断增大，高度也更高，同时降水逐渐增强，最大10 min降水量出现在09：50—10：00（14.1 mm），反射率因子最大为43 dBZ。10：00以后反射率因子逐渐减小到35 dBZ以下，10 min降水量也减小到5.0 mm以下。黄陈站11：00—12：00[图10（b）]小时降水量为44.5 mm，降水强度相对平稳，基本处于5.0~10.0 mm，反射率因子变化幅度较小（30~35 dBZ），持续较长时间。可以看出，由冷式切变线引起的系统对流性较强，反射率因子值较高（65 dBZ）、中心高度较低（6 km以下），降水率较大，但持续时间短；暖区降水反射率因子值较低（45 dBZ）、中心高度较高（7 km），降水率较小，可以较长时间维持；对比10 min降水量与反射率因子演变，均具有较好的一致性。
图10
图10
2017年8月20日09:00—10:00小路村（a）与11:00—12:00黄陈站（b）对应位置逐6 min组合反射率因子和逐10 min降水量演变
Fig.10
Evolution of 6-minute combined reflectivity factor and 10-minute precipitation at the corresponding location of the automatic weather station at Xiaolu at 09：00-10：00（a） and Huangchen at 11：00-12：00（b） on 20 August 2017
4.3 多普勒速度特征
图11为2017年8月6日20：00与7日02：00雷达观测1.5°仰角径向速度。可以发现，6日20：00[图11（a）]，雷达西北方向50~70 km范围内冷式切变系统开始进入，低层东南暖湿气流已经建立，风速为10.0 m·s-1，此时在切变线附近强回波发展旺盛（最大回波中心为65 dBZ）；22：00（图略），雷达探测范围内低层为一致的偏南气流，风向随高度由偏东风逐渐转东南风再偏南风的顺转结构（正“S”形态）；7日02：00[图11（b）]，切变线移至距离雷达25 km处，锋后为明显的西北气流，锋前偏南风达到最大（14.0 m·s-1），并且正负速度中心对称分布在雷达南北两侧25~45 km处，并出现速度模糊现象。另外，2.4°~6.0°等4个仰角层（图略）具有以上相同特征，各仰角正负速度区分布情况以及风向、风速特征一致性较高，具有较大尺度连续性风场的特征。
图11
图11
2017年8月6日20：00（a）与7日02：00（b）陇南雷达1.5°仰角径向速度（单位：m·s-1）
Fig.11
Radial velocity at elevation of 1.5° of Longnan radar at 20：00 on 6（a） and at 02：00 on 7（b） August 2017（Unit： m·s-1）
8月20日06：00—14：00，从1.5°仰角径向速度图（图12）上可以看出，雷达东侧为一致的偏南气流，距离雷达75 km的180°方位出现14.0 m·s-1以上的负速度中心，90°方位出现13.5 m·s-1以上的正速度中心，正、负速度中心海拔高度大约为5 km，陇南雷达海拔高度为2.243 km，说明距地面3 km厚度内为暖湿气流影响。此低空急流对陇南东部地区的持续影响（06：00—14：00）是此次大暴雨过程的主要特征，深厚持久的低空急流同时也是暴雨天气过程的主要影响系统。
图12
图12
2017年8月20日08：00（a）与14：00（b）陇南雷达1.5°仰角径向速度（单位：m·s-1）
Fig.12
Radial velocity at elevation 1.5° of Longnan radar at 08：00（a） and 14：00（b） 20 August 2017（Unit： m·s-1）
5 总结与讨论
2017年8月，在地形条件复杂的陇南地区发生了2次暴雨天气过程，强降水均出现在西风槽偏北气流与中低层偏南暖湿气流交汇处，但是2次过程的主要影响系统及触发条件不同。8月6—7日暴雨过程冷空气更加明显，700 hPa切变线属冷式切变，使得对流活动更强、降水强度更大；19—20日暴雨过程偏南暖湿气流更加明显，属于暖区暴雨，无论是雨强还是降水范围都比前者弱，但降水持续时间更长。
8月6日暴雨过程回波强度超过60 dBZ，同时回波中心高度及顶高均显示此次过程对流活动明显，另外回波移动方向与回波长轴基本垂直也说明冷空气影响更加明显；8月20日暴雨过程回波的移动和传播方向与回波长轴方向基本一致，属于暖区暴雨过程，另外无论从回波强度还是强回波高度，都显示此次过程强对流活动明显偏弱。
通过所选站点资料对比分析表明，回波强度及时空尺度与局地强降水效率有着很好的对应关系，同时雷达径向速度观测揭示了陇南地区中低层辐合及低空偏南急流较长时间的持续，因此大气不稳定能量能够维持，水汽得到不断补充，并有利于复杂地形下中尺度对流系统不断触发。但是，地形地貌、地面感热等因素对中小尺度天气系统的动力及热力影响机制还有待讨论，下一步将对此通过数值模拟等方式进行更细致的研究。
参考文献
基于风廓线雷达的湖北梅雨期暴雨中小尺度特征
[J].
针对2016年湖北梅雨期3次(“6·19”、“7·5”和“7·19”)暴雨过程,首先对比了汉口站探空数据与汉口、咸宁两个风廓线雷达站水平风速、风向,发现“6·19”和“7·5”过程汉口风廓线雷达站3 km以下水平风速和探空数据较为接近,而3次过程中咸宁风廓线雷达站8 km以下水平风向、风速和汉口站探空数据基本吻合。在此基础上利用风廓线雷达资料并结合常规、加密自动气象站资料,对3次过程中水平风场、平均垂直速度及其变率、水平风速垂直切变、大气折射率结构常数($C_{n}^{2}$)等进行分析。结果表明:(1)降水开始前西南风速明显增大,中层干冷空气入侵和地面冷池形成的中尺度偏东气流是“6·19”过程50站出现大于等于17.2 m·s -1大风的主要原因,“7·5”和“7·19”过程西南急流长时间维持及1 km以下的偏东气流则是短时强降水持续时间较长的诱因;(2)梅雨期暴雨期间风廓线雷达观测的水平风速垂直切变、平均垂直速度及其变率随高度变化较小,较强上升运动区域主要集中在4 km高度以下;(3) $C_{n}^{2}$显示强降水发生前大气水汽含量有一增加过程,且整层水汽含量深厚,$C_{n}^{2}$大值区的消失对应降水结束。
一次典型东风波极端暴雨的中尺度特征及地形影响分析
[J].利用湖南省常规气象观测资料、区域自动站资料、NCEP再分析资料、常德多普勒雷达资料,分析2016年8月8—15日在多个东风波倒槽接力影响下,湘北地区反复出现的极端暴雨天气的中尺度特征,并利用WRF-ARW中尺度数值模式,对8月10—11日湘北地区极端暴雨过程进行数值模拟和地形敏感性试验。结果表明:(1)1604号台风在广东深圳登陆后沿西北路径移动和1605号台风在西北太平洋向北移动后,副热带高压快速西伸控制华东及沿海地区,其底部的东风波扰动为极端暴雨提供了环流背景;(2)近地面不均匀加热为东风波槽附近强对流提供了充足的热力不稳定条件,地面中尺度辐合线为对流的触发和加强起到重要作用;(3)东风波槽带来的边界层暖湿气流在武陵山东侧激发深厚中尺度涡旋,是极端暴雨形成的主要原因;(4)地形敏感性试验进一步验证了东风波暖湿气流在武陵山脉地形抬升和阻挡作用下,在迎风坡上游地区形成气旋性辐合导致暴雨增幅。
短时暴雨天气雷达回波概念模型的建立
[J].通过对2005—2007年桂林39个短时暴雨个例进行普查分析， 发现造成桂林短时暴雨的回波主要有块状、 带状、 絮状和涡旋状4种类型。通过对天气背景进行分析， 形成了中尺度型块状回波、 台风外围型块状回波、 有无急流型带状回波、 絮状回波、 涡旋状回波6类雷达回波概念模型。建立了包括天气背景、 强度回波特征、 回波演变、 其他产品特征、 回波的源地移动和暴雨落区等的概念模型， 以期为短时暴雨临近预报提供参考依据。
贵州一次辐合线锋生极端暴雨过程的中尺度特征分析
[J].利用地面常规观测资料及加密自动站观测资料、FY-2G卫星云图、多普勒天气雷达产品和ERA5再分析资料，对2021年5月10日贵州东部和北部的一次辐合线锋生极端暴雨过程中尺度特征进行分析，初步探讨其形成机制。结果表明：此次极端暴雨过程发生在低涡切变背景下，低层强盛的南风为中尺度对流系统发生发展输送了充足的水汽和不稳定能量，地面辐合线及锋生提供了触发条件，暴雨区主要位于云团云顶亮温低值中心西侧或南侧梯度大值区，并沿地面辐合线呈东西向带状分布，最强降水发生在对流云团合并阶段。辐合线锋生作用在其西侧频繁触发对流单体，新生对流单体沿地面辐合线东移发展，持续影响贵州东部和北部地区。在降水最强的两个阶段，雷达回波呈现暖云和悬垂结构特征。地面辐合线及其锋生、上游降水带来的降温增压以及持续增强的南风有利于暴雨区水汽辐合增强，而垂直方向上纬向、经向中尺度次级环流上升支正好位于特大暴雨中心附近，有利于中尺度对流系统维持和增强。
“8·16”辽宁特大暴雨多尺度特征分析
[J].利用常规观测资料和区域自动气象站、多普勒雷达、风廓线雷达、地基GPS水汽观测仪等非常规观测资料以及NCEP（1°×1°）再分析资料，对辽宁省清原县2013年8月16日特大暴雨过程的多尺度对流系统特征进行分析。结果表明：低涡切变线和东北低压是本次暴雨过程的主要影响系统。700 hPa与地面之间假相当位温差达43 K，表明大气强烈的对流性不稳定结构。850 hPa辽宁大部分地区比湿达14 g·kg-1，比湿大值区存在明显的水汽通量辐合，沈阳站监测到的大气可降水量达55 mm，可见本次过程水汽充沛。5次雷达回波依次经过清原地区形成“列车效应”，导致该地区特大暴雨。地面辐合线触发的对流单体受其两侧风场的强弱影响，中低层西南风的加强有利于加大新生单体的垂直风切变和水汽条件。短时强降水导致的冷池与其周边暖气流交汇可能触发新的对流单体。在地形影响下，中-β尺度云团和α云系合并过程中的微物理作用可能是导致强降水的主要原因之一。
深度学习模型在2021年汛期武汉市雷达回波临近预报中的应用评估
[J].近年来，人工智能技术在图像识别领域取得了突破性进展，为探寻人工智能模型在武汉地区雷达回波临近预报中的应用价值，本文利用湖北武汉市2015—2020年雷达回波和降水量观测资料，对PredRNN++、MIM、CrevNet和PhyDNet 4种深度学习模型进行雷达回波临近预报训练，并基于2021年汛期雷达回波资料进行雷达回波临近预报。在此基础上，通过降水强度和降水面积指数筛选降水过程，并以均方误差（Mean Square Error， MSE）、结构相似性指数（Structural Similarity Index Measurement， SSIM）、命中率（Probability of Detection， POD）、空报率（False Alarm Rate， FAR）和临界成功指数（Critical Success Index， CSI）为指标，检验评估上述4种深度学习模型和光流法对2021年汛期武汉地区雷达回波的临近预报性能。结果表明：（1）整体来看，MIM模型的MSE最小、POD最高，MIM和PredRNN++模型的SSIM并列最高；所有深度学习模型的FAR均低于光流法，且PhyDNet模型的FAR最低；除CrevNet模型外，其余3种深度学习模型的CSI均高于光流法，且MIM模型的CSI最高。（2）预报的前12 min，光流法的CSI最高，而在18~120 min MIM模型的CSI最高，显示了深度学习模型长预报时效的优势。（3）随着回波强度增加，深度学习模型和光流法的POD和CSI均迅速降低，而FAR光流法与各模型则表现出不同的变化规律。（4）随着区域性降水强度增加，深度学习模型的预报能力均先降低后明显增强，而光流法对降水强度变化的敏感性较弱，故在强降水背景下深度学习模型的CSI较光流法增幅最大；对于局地一般对流性降水过程，所有深度学习模型和光流法的预报能力均大幅降低。（5）暴雨个例分析结果表明，深度学习模型不仅具备一定回波强度变化的预报能力，而且对回波运动的预报能力也明显高于光流法，展示了深度学习模型良好的应用前景。
