第 5 期赵淑芳等 : 山东极端强降雨分钟雨量 Z-R 关系和风暴结构演变特征 807 大, 实际业务应用中难以把握虽然短时强降水的形成机理和中小尺度特征有诸多研究, 但对于除台风外的小时极端强降水不仅研究较少, 而且也没有统一的雨量标准, 对强降雨分钟雨量变化特征的统计和研究工作就更少高留喜

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1 第 35 卷第 5 期 2017 年 10 月干旱气象 JournalofAridMeteorology Vol.35 No.5 Oct,2017 赵淑芳, 张立文, 王倩, 等. 山东极端强降雨分钟雨量 Z-R 关系和风暴结构演变特征 [J]. 干旱气象,2017,35(5): ,[ZHAOShu fang,zhangliwen,wangqian,etal.analysisofminutelyrainfal,z-rrelationshipandstructuralevolutionforextremerainfalstormsin ShandongProvince[J].JournalofAridMeteorology,2017,35(5): ],DOI: /j.isn (2017) 山东极端强降雨分钟雨量 Z-R 关系和风暴结构演变特征赵淑芳 1, 张立文 1, 王倩 1, 丁洁 1 2, 刁秀广 (1. 山东省枣庄市气象局, 山东枣庄 ;2. 山东省气象台, 山东济南 ) 摘要 : 利用地面气象观测资料和多普勒天气雷达探测资料, 对山东省年 31 站次小时降水量超过 80mm 强降水天气的分钟降水量变化特征降水强度 Z-R 关系单体风暴参数特征和形态结构演变特征进行分析结果表明, 较大的对流有效位能 (CAPE) 值较高的 K 指数和较低的抬升指数 (LI), 同时低层比湿在 13g kg -1 以上时易发生小时极端强降水 ; 强降水单体演变具有明显的列车效应或移动缓慢特征, 具有列车效应特征的有 15 次, 移动缓慢的有 8 次, 同时具有两种特征的有 8 次, 降水持续时间基本在 57~58min,5min 和 6min 最大降水量均在 15mm 和 17mm 左右 ; 用 6min 最大降水量平均值 17.3mm 作为强降水雨强, 所对应站点低空反射率因子平均值为 50.3dBZ, Z-R 关系近似于 Z=200R 1.22 ; 风暴最大反射率因子基本为 50~59dBZ, 液态累积含水量 (VIL) 基本为 15~40kg m -2, 强回波中心高度基本在 0 层高度以下, 风暴单体顶高 8km 以上, 回波顶高 11km 以上, 重心较低, 降水强度大, 适用于 Z=200R 1.22 关系进行降水强度估测关键词 : 强降雨 ;Z-R 关系 ; 单体演变文章编号 : (2017) DOI: /j.isn (2017) 中图分类号 :P 文献标志码 :A 引言短时强降水具有持续时间短雨强大突发性强等特点, 易形成暴雨洪涝, 引发山体滑坡泥石流等山地次生灾害极端性的短时强降水更是难以防范, 容易造成更大危害, 严重威胁人类生命安全对于灾害性强降水, 国内外气象工作者做了大量研究, 揭示了灾害性强降水形成机制及某些中小尺度特征 [1-18] [19] 刘利民等对甘肃河东一次区域性暴雨天气过程分析表明, 低空偏南急流为暴雨区提供了大量不稳定能量, 对不稳定层结的建立和维持起到 [20] 重要作用 ; 彭九慧等对承德市 39 次短时强降水天气的雷达产品资料分析表明, 中低层有入流急流或逆风区, 入流急流导致的中低层中尺度辐合和逆风区形成的中小尺度辐合, 是形成短时强降水的根 [21] 本原因 ; 曲晓黎等对河北省中南部一次 MCC 造成的暴雨过程分析表明,850hPa 湿正压位涡项负值区 (MPV1<0) 与湿斜压位涡项正值区 (MPV2>0) [22] 的叠加对暴雨落区有较好的指示作用 ; 谌芸等对 2012 年 7 月 21 日北京特大暴雨进行分析和思考, 认为此次极端强降水中雷达回波具有明显的列车 [23] 效应, 并具有明显的后向传播特征 ; 李峰等对北京一次局地强对流天气分析指出, 垂直累积液态水含量 (VIL) 在强降雨时段表现为单峰型, 与降雨量 [24] 雨强对应较好 ; 杨群等对梵净山一次局地特大暴雨雷达回波特征分析指出,VIL 的突然跃增且高的 VIL 值长时间维持, 可作为短时强降水发生的预报预警参考, 较强回波伸展高度较高及强中气旋的发展及维持, 为短时暴雨的发生提供了有利的动力条件天气雷达对强降水估测主要是通过固定 Z-R 关系和动态拟合 Z-R 关系 [25-26], 但由于对流性降水回波的波动性较大, 不同对流单体之间的降水效率和降水强度差别也较大, 以及对流单体移动快慢等因素, 天气雷达对对流性降水的估测误差往往较收稿日期 : ; 改回日期 : 基金项目 : 山东省自然科学基金项目 (ZR2016DM20) 及山东省气象局课题 (2012sdqxz05,2016sdqxz01) 共同资助作者简介 : 赵淑芳 (1968 ), 女, 山西晋中人, 工程师, 主要从事天气预报工作. qxt @126.com

2 第 5 期赵淑芳等 : 山东极端强降雨分钟雨量 Z-R 关系和风暴结构演变特征 807 大, 实际业务应用中难以把握虽然短时强降水的形成机理和中小尺度特征有诸多研究, 但对于除台风外的小时极端强降水不仅研究较少, 而且也没有统一的雨量标准, 对强降雨分钟雨量变化特征的统计和研究工作就更少高留喜 [27] 等对山东极端强降雨标准的界定问题进行分析, 采用降水 99% 分位法进行处理, 选择平方根法, 计算出山东省 1h 极端强降雨的阈值为 82.6mm; 万 [28] 明波等对 2011 年 7 月 25 日乳山强降水 ( 小时降水量 127.8mm) 分析表明, 强降水风暴强中心基本为 50~56dBZ, 回波顶高 12km 以上, 有时达到 16km 以上, 风暴中层气旋性涡旋利于回波发展与维持, 同时使高值区维持在风暴中层及以下高度, 产 [29] 生降水效率较高的强降水盛杰等对华北飑线海南热带系统和梅雨系统 3 种不同类型强降水过程中分钟雨量的对比分析表明, 华北飑线过程单站降水主要以一次强降水时段为主, 持续时间短降水效率高和雨势变化大以及时空分布不均匀 ; 而海南热带系统的单站降水一般包含多次强降水时段, 持续时间长, 降水效率相对较低, 雨势变化不大且时空分布均匀 ; 梅雨系统的降水特点介于飑线与热带系统之间, 既有持续降水的可能性, 又有降水率大的情况本文利用地面气象观测资料和多普勒天气雷达探测资料, 对山东省年 31 站次小时降水量超过 80mm 的强降水分钟雨量分布强降水单体风暴参数和形态结构演变等特征进行分析, 从较小的时间尺度上揭示山东地区夏季强降水特点, 以 6min 降水量作为雨强, 对强降雨 Z-R 关系进行初步探讨, 以期对这类极端性的强降水临近预报预警有所帮助 1 实况与环境物理量年山东省共有 31 个观测站次整点观测时间出现 80mm h -1 以上强降水, 时间地点及影响系统环境物理量详见表 1 其中 3 站次出现在国家自动气象站, 其余 28 站次出现在区域自动气象站最小小时降水量为 81.3mm, 最大小时降水量为 112.6mm, 平均小时降水量为 94.5mm 降水过程共有 11 次 ( 仅有 1 次出现冰雹天气 ), 其中 6 月 1 次,7 月 3 次 (1 次伴有冰雹 ),8 月 7 次切变线影响的有 5 次, 高空槽和冷涡各 2 次, 低槽冷锋 1 次, 台风外围 1 次对应探空资料表明, 有 2 站次对应 K 指数为 31, 其他站次 K 33 ;3 站次对应 LI>-2, 其他站次 LI -2 ;3 站次对流有效位能 CAPE<500J kg -1, 其他 CAPE>500J kg -1 ; 有 3 站次 925hPa 比湿 q 13g kg -1, 其他站次 q 15g kg -1 ;4 站次 850hPaq 11g kg -1, 其他 q 13g kg -1 ; 有 2 次过程 0 层高度在 4.5km 以下,3 次过程 -20 层高度低于 8km,0 和 -20 层平均高度约 5.0km 和 8.3km 11 次过程对应的探空资料基本具有较大的 CAPE 值较高的 K 指数和较低的抬升指数 (LI), 有利于强对流天气的发生 ; 低层具有较高的水汽含量, 说明有暖湿空气的输送和水汽累积, 利于低质心强降水风暴生成, 并产生短时强降雨 2 分钟降水量变化特征 2.1 分钟降水量区间分布 31 站次共有 1793 个有效分钟降水 ( 0.1mm) 样本, 数据主要集中在 0.1~3.0mm,1.0~2.0mm 的降水出现最多图 1 为分钟降水量区间的分布情况, 可以看出, 降水量在 (1.0,2.0] 区间的降水出现次数最多 (813 次 ), 占总次数的 45.34%, 降水量在 (0.0,1.0] 和 (2.0,3.0] 区间的降水出现次数分别是 449 次和 409 次, 分别占总次数的 25.04% 和 22.81%, 降水量在 (3.0,4.0] 和 (4.0,5.0] 区间的降水分别是 110 次和 11 次, 而 (5.0,6.0] 区间降水只出现 1 次图 1 分钟降水量区间分布 Fig.1 Theintervaldistributionofminutelyrainfal 2.2 分钟最大降水量变化 31 站次观测到的分钟最大降水量差别明显 ( 图 2), 最小 2.6mm, 最大 5.5mm[2015 年 8 月 8 日 14:26 14:27( 北京时, 下同 ) 出现在临沂市河东区相公镇自动气象站 ( 简称相公站 )], 平均值是 3.6mm; 分钟最大降水量在 (2.0,3.0] 区间的有 9 个数据, (3.0,4.0] 区间有 16 个数据,(4.0,5.0] 和 (5.0, 6.0] 区间数据分别为 5 个和 1 个, 分钟最大降水量主要集中在 (3.0,4.0] 同时, 计算出 31 站连续 min 最大降水量的平均值分别是 6.7mm 9.6mm 12.2mm 14.8mm 17.3mm

3 808 干旱气象 35 卷表 1 降水时间地点及环境物理量 Tab.1 Time,locationandenvironmentalphysicalparametersofhourlyrainfals 序号日期时间小时降水量 / (mm h -1 ) 站点 ( 所属区县 ) K,LI/ CAPE/ (J kg -1 ) 925,850hPa 0,-20 q/(g kg -1 ) 高度 /km 影响系统雷达演变 :00 21: 南泉镇 ( 即墨 ) 38, ,15 5.5,9.1 切变线青岛 SA :00 12: 汉章泊村 ( 荣成 ) 36, ,14 5.2,8.6 切变线烟台 SA 移动缓慢 :00 08: 潍坊港 ( 潍坊 ) 38, ,14 5.2,8.5 切变线潍坊 SA 列车效应 :00 07: 马家坪 ( 五莲 ) 38, ,14 5.2,8.7 切变线潍坊 SA 移动缓慢 :00 05: 东里镇 ( 沂源 ) 33, ,13 5.4,8.7 低槽冷锋潍坊 SA :00 15: 李庄 ( 郯城 ) 40, ,17 5.2,8.3 切变线连云港 SA 列车效应 :00 13: 中册 ( 泗水 ) 40, ,17 5.2,8.3 切变线济南 SA 列车效应 :00 13: 杨柳 ( 泗水 ) 40, ,17 5.2,8.3 切变线济南 SA 列车效应 :00 14: 苍山县站 ( 苍山 ) 40, ,17 5.2,8.3 切变线徐州 SA 列车效应 :00 19: 韩屯 ( 茌平 ) 42, ,15 4.6,8.2 冷涡济南 SA 移动缓慢 :00 09: 八仙桥 ( 宁阳 ) 35, ,11 4.5,8.2 冷涡济南 SA 移动缓慢 :00 09: 东疏 ( 宁阳 ) 35, ,11 4.5,8.2 冷涡济南 SA 移动缓慢 :00 16: 桑园 ( 莒县 ) 31, ,13 5.1,8.5 冷涡连云港 SA 移动缓慢 :00 00: 虎滩 ( 利津 ) 31, ,14 5.2,8.4 切变线滨州 SA 列车效应 :00 16: :00 21: 朱里 ( 寒亭 ) ( 冰雹 ) 岱崮 ( 蒙阴 ) ( 冰雹 ) 43, ,14 4.9,8.2 切变线潍坊 SA 移动缓慢和 40, ,18 5.1,8.1 切变线潍坊 SA 列车效应 :00 22: 野店镇 ( 蒙阴 ) 40, ,18 5.1,8.1 切变线潍坊 SA 移动缓慢和 :00 00: 桃曲 ( 蒙阴 ) 40, ,18 5.1,8.1 切变线潍坊 SA 列车效应 :00 00: 阴河 ( 齐河 ) 40, ,18 5.1,8.1 切变线济南 SA 列车效应 :00 01: 平阴县站 ( 平阴 ) 40, ,18 5.1,8.1 切变线济南 SA 列车效应 :00 01: 平阴孝直 ( 平阴 ) 40, ,18 5.1,8.1 切变线济南 SA 列车效应 :00 02: 徐集 ( 梁山 ) 40, ,18 5.1,8.1 切变线济南 SA 列车效应 :00 02: 次丘 ( 汶上 ) 40, ,18 5.1,8.1 切变线济南 SA 列车效应 :00 20: 惠民县站 ( 惠民 ) 39, ,15 5.1,8.7 冷涡济南 SA 列车效应 :00 20: 孙武镇 ( 惠民 ) 39, ,15 5.1,8.7 冷涡济南 SA 列车效应 :00 21: 皂户李 ( 惠民 ) 39, ,15 5.1,8.7 冷涡济南 SA 列车效应 :00 13: 白旄 ( 临沭 ) 36, ,14 4.9,7.7 切变线连云港 SA 列车效应 :00 15: 河东相公 ( 临沂 ) 34, ,11 5.0,8.0 台风外围徐州 SA 移动缓慢 :00 18: 济南大学 ( 济南 ) 33, ,10 4.3,7.7 高空槽济南 SA 移动缓慢 :00 10: 三河湖 ( 滨州 ) 35, ,10 3.8,7.0 高空槽济南 SA 移动缓慢和 :00 14: 仙河 ( 东营 ) 35, ,10 3.8,7.0 高空槽济南 SA 列车效应平均 ,8.27

4 第 5 期赵淑芳等 : 山东极端强降雨分钟雨量 Z-R 关系和风暴结构演变特征 809 图 2 分钟最大降水量和平均值 Fig.2 Theminutelymaximumrainfalanditsaveragevalue 2.3 不同区间降水量持续时间图 3 是分钟降水量 0.1mm 2mm 和 >2mm 的降水持续时间可以看出,31 站次中有 20 站次降水持续时间为 60min, 最少 41min, 平均值为 57.8min, 也就是说对于小时降水量超过 80mm 的极端降水过程持续时间较长分钟降水量 2mm 的降水持续时间最长达 55min, 最短的是 20min, 平均值为 40.7min; 分钟降水量 >2mm 的降水持续时间最长达 30min, 最短的是 3min, 平均值为 17.1min 图 3 分钟降水量 0.1mm 2mm 和 >2mm 的降水持续时间 Fig.3 Durationofrainfalswithminutelyrainfalmore than0.1mm,lesthan2mmandmorethan2mm 3 强降水风暴演变对流性暴雨主要由 2 个要素确定, 即雨强大小和降水持续时间 [30] 较大的雨强持续较长时间, 往往会产生强降水甚至是极端性强降水降水风暴移动缓慢或者维持少动, 以及列车效应是常见的强降水风暴演变特征图 4 给出具有移动缓慢和列车效应特征的 2 个强降水个例, 其一是 2015 年 8 月 8 日发生在相公站的强降水,14:00 16:00 降水量为 107.2mm, 其中 14:00 15:00 为 104.3mm; 另一个是 2015 年 7 月 30 日发生在蒙阴县岱崮自动气象站 ( 简称岱崮站 ) 的强降水,20:00 22:00 降水量为 145.4mm, 其中 20:00 21:00 降水量为 93.1mm 从图 4(a) 可以看出, 相公站在 14:08 14:31 分钟降水量基本都在 3mm 以上,23min 降水量达到 80.6mm, 分钟降水量平均值为 3.5mm,14:31 之后降水明显减弱 ;14:26 14:27 分钟降水量达到 5.5mm, 假设风暴一直维持此强度, 小时雨强可达 330.0mm 相公站风暴低层( 徐州雷达 0.5 仰角 ) 反射率因子在 14:08 14:31 基本维持在 51dBZ 左右,14:48 之后减弱到 45dBZ 以下, 而风暴最大反射率因子 (DBZM) 基本在 54dBZ 左右 ; 同时通过风暴跟踪信息可以看出, 风暴路径在 14:13 14:19 有转折现象, 在相公站附近维持 4 个体扫, 说明强降水阶段风暴移动速度较慢, 如图 4(c) 所示该风暴较为孤立, 旺盛阶段移动缓慢且强度大, 是造成相公站极端强降水的关键因素从图 4(b) 可以看出, 岱崮站在 20:37 20:48 分钟降水量基本都在 3mm 以上,11min 降水量达到 38.9mm, 分钟降水量平均值为 3.5mm, 与相公站降水强盛阶段的平均值基本相当岱崮站风暴低层 ( 潍坊雷达 0.5 仰角 ) 反射率因子在 20:35 之前基本在 45dBZ 以下, 降水也较弱,20:35 之后基本维持在 50~53dBZ; 而风暴最大反射率因子 (DBZM) 在 20:53 之前基本维持在 60dBZ 以上, 最大达 70dBZ, 说明风暴有冰雹粒子同时通过风暴跟踪信息可以看出,20:23 之前风暴维持少动, 如图 4(d) 所示, 风暴质心在岱崮站北侧维持 20:23 之后的降水是后继新生风暴发展并向东北方向移动造成, 如图 4(e) 图 4(f) 所示 20:23 之前虽然风暴强度较强, 但风暴质心偏北, 岱崮站低层风暴反射率因子较弱, 未产生大的降水,20:23 之后岱崮站西南方向有新生单体迅速发展, 移动缓慢, 强度较强, 造成强降水,20:29 次新生单体西南方向又有新的单体生成, 至 20:41 由多个降水单体形成列车效应, 在 20:41 20:59 产生 49.5mm 的降水, 在 21:00 22:00 又产生 52.3mm 的强降水强降水阶段回波移动缓慢, 降水强度大, 后期列车效应明显, 降水维持时间长, 造成岱崮站极端强降水相公站分钟降水量呈单峰分布, 与风暴移动缓慢相匹配, 而岱崮站分钟降水量呈双峰分布, 与前半小时风暴移动缓慢和后半小时列车效应相匹配

８干旱气象图４５年８月８日４５临沂市河东区相公观测站及５年７月３日临沂市蒙阴县岱崮观测站ｂ分钟降水量５年８月８日４３６徐州ｃ和５年７月３日与对应反射率因子３ｄ９ｅ和４ｆ潍坊雷达站雷达组合反射率因子单位ｄＢＺＦ４Ｒｅｆｅｃｖｙｆｃｄｆｆｍ４ＢＳＴ

5 ８干旱气象图４５年８月８日４５临沂市河东区相公观测站及５年７月３日临沂市蒙阴县岱崮观测站ｂ分钟降水量５年８月８日４３６徐州ｃ和５年７月３日与对应反射率因子３ｄ９ｅ和４ｆ潍坊雷达站雷达组合反射率因子单位ｄＢＺＦ４Ｒｅｆｅｃｖｙｆｃｄｆｆｍ４ＢＳＴ５ＢＳＴ８Ａｓ５ＸｓＨｅｄＤｓｃｆｌｙｆｍＢＳＴＢＳＴ３Ｊｙ５ＤｓＭｅｙＣｙｆｌｙＣｙｂｃｍｐｓｅｅｆｅｃｖｙＵｄＢＺｆｘｚｈｄ４３６ＢＳＴ８Ａｓ５ｃｄｗｅｆｄ３ＢＳＴｄ９ＢＳＴｅ４ＢＳＴｆ３Ｊｙ５３５卷

6 第 5 期赵淑芳等 : 山东极端强降雨分钟雨量 Z-R 关系和风暴结构演变特征 811 按照图 4 所示个例的风暴演变特征, 对 31 次强降水风暴反射率因子演变特征进行统计, 仅具有列车效应特征的风暴有 15 次, 仅具有移动缓慢特征的风暴有 8 次, 同时具有列车效应和移动缓慢两种特征的风暴有 8 次, 对应的降水特征列于表 2 列车效应降水回波呈带状分布, 单体移动方向与带状回波整体移动方向基本一致移动缓慢的强降水单体较为孤立, 生成或减弱阶段移动较快, 而在旺盛阶段突然变得移动缓慢或在某地维持少动 3 种演变特征对应的降水历时较长, 降水持续时间基本为 57~58min, 分钟降水量 1mm 的持续时间基本为 43~47min,5min 和 6min 最大降水量都在 15mm 和 17mm 左右, 降水强度较大同时,3 种演变特征所对应的降水特征也存在差异, 列车效应特征对应的平均降水量最大, 同时小时降水量大于 100mm 出现比例最高, 分钟降水量 2mm 的维持时间相对较长, 平均 21min,5min 和 6min 最大降水量略小于其他 2 种 ; 移动缓慢特征和两者兼具特征对应的平均小时雨量 5min 和 6min 最大降水量以及降水持续时间基本相当 ; 列车效应且移动缓慢特征对应分钟降水量 1mm 维持时间长于其他 2 种情况, 分钟降水量 2mm 维持时间最短, 只有 16min 4 降水强度与风暴结构 4.1 Z-R 关系分析雨强的临近估计主要根据天气雷达反射率因子和雨强的经验关系, 即通常所说的 Z-R 关系不同对流降水类型采用不同的 Z-R 关系 [30] : 即大陆性强对流型 Z=300R 1.4, 热带性降水型 Z=230R 1.25 所用雷达资料的雷达观测模式都是 VCP21 模式, 体扫间隔 6min, 因此, 用 6min 最大降水量作为降雨强度及对应的反射率因子来分析 Z-R 关系图 5 是 31 站次 6min 最大降水量及对应站点上空的格点垂直累积液态水含量 (G-VIL) 和低空反射率因子可以看出,6min 最大降水量波动性较大, 最小值是 12.2mm(2016 年 6 月 23 日苍山气象站 ), 最大值是 26.2mm(2015 年 8 月 8 日相公站 ), 中值是 16.9mm, 平均值是 17.3mm,15~20mm 之间有 16 次,15mm 以下有 9 次,20mm 以上有 6 次 6min 最大降水量所对应的反射率因子也存在较大波动, 最小为 47dBZ(2015 年 7 月 31 日 01:00 02:00 次丘站强降水 ), 最大为 55dBZ(2015 年 7 月 23 日 15:00 16:00 桑园强降水 ), 平均值是 50.3dBZ, 反射率因子 48dBZ 有 26 次, 占总数的 83.9%, 反射率因子 49dBZ 有 24 次, 占总数的 77.4%, 反射率因子 50dBZ 有 21 次, 占总数的 67.7% 6min 最大降水量所对应的 G-VIL 波动性更加显著, 最小为 10kg m -2 (2016 年 6 月 23 日 12:00 13:00 泗水中册区域站强降水 ), 最大为 63 kg m -2 (2015 年 7 月 30 日 20:00 21:00 岱崮站强降水,G-VIL 值明显高出冰雹单体的平均值 [31], 说明有冰雹粒子干扰 ), 去掉冰雹干扰数据后的 G-VIL 平均值是 22.5kg m -2, G-VIL 值 13 kg m -2 的有 27 次, 占总数的 87.1%,G-VIL 值 14kg m -2 的有 24 次, 占总数的 77.4%,G-VIL 值 15kg m -2 的有 21 次, 占总数的 67.7% 反射率因子和 G-VIL 的变化与 6min 最大降水量变化并不一致, 说明对于强降水单体并不是反射率因子越大或者 G-VIL 值越大降水强度也越大, 主要原因是不同单体之间降水效率存在明显不同以 6min 最大降水量平均值 17.3mm 作为雨强, 反推小时雨强为 173mm 左右, 平均反射率因子是 50.3dBZ,Z-R 关系与 Z=200R 1.22 非常接近, 该关系式计算的 50.3dBZ 反射率因子对应的小时雨强是 172.5mm 雷达默认的 Z=300R 1.4 关系式计算的 50.3dBZ 反射率因子对应的小时雨强是 66.6mm, 差别较为显著热带性降水 Z=230R 1.25 关系式计算的 50.3dBZ 反射率因子对应的小时雨强是 136.3mm Z=230R 1.25 和 Z=200R 1.22 两个关系式计算出的反射率与雨强对应值见表 3 表 2 不同演变方式强降水风暴对应降水特征 Tab.2 Precipitationcharacteristicsforrainstormswithdiferentevolutionpaterns 演变特征平均小时降水量 /mm 小时降水量 >100mm 次数 / 次分钟降水量持续时间 /min 0.1mm 1mm 2mm 最大降水量 /mm 5min 6min 列车效应移动缓慢列车效应且移动缓慢

7 812 干旱气象 35 卷图 5 6min 最大降水量与对应的反射率因子和对应站点上空的格点垂直累积液态含水量 Fig.5 The6-minutemaximumrainfaland corespondingreflectivityfactor,based-grid verticalyintegratedliquidwatercontent 表 3 Z-R 关系 Tab.3 Z-Rrelationship R/mm Z/dBZ Z=230R 1.25 Z=200R 不同的雨强可以对应相同的反射率因子, 不同的反射率因子也可以产生相同的雨强, 因此, 无论哪种 Z-R 关系估测降水都是一种近似, 再加上风暴移动及强度变化难以把握, 实际业务应用难度也较大, 这是实际应用中需要注意的 4.2 风暴结构新一代天气雷达系统中风暴结构 (62 号 ) 产品主要包含自动识别出的风暴参数信息, 如基于风暴单体的垂直累积液态含水量 (C-VIL) 最大反射率因子 (DBZM) 及所在高度 (HT) 风暴顶高度 (TOP) 等图 6 是 6min 最大降水量所对应的风暴参数, 可以看出,DBZM 为 48~70dBZ, 仅有 2 个风暴 DBZM<50dBZ, 有 3 个风暴 DBZM 60dBZ, 多数为 50~59dBZ, 平均 54.7dBZ;C-VIL 为 10~79kg m -2, 平均 28.1kg m -2, 多数为 15~40kg m -2, 有 2 个风暴 C-VIL 值异常偏高, 同时对应 60dBZ 以上的反射率因子, 这 2 个风暴在产生强降雨的同时也产生了冰雹天气, 去掉这个高值后 C-VIL 平均值是 25kg m -2 HT 为 1.7~8.7km, 平均值 4.4km, 有 21 个单体的 HT 在 5.0km 以下 ( 基本在 0 层高度以下 );TOP 为 7.2 ~15km, 平均值 10.2km, 多数在 8km 之上 ;ET( 回波顶高 ) 为 9.5 ~16km, 平均值 13.2km, 多数在 11km 之上从风暴结构来看, 风暴顶高 ( 风暴上层顶 30dBZ 对应高度 ) 和回波顶高 ( 风暴上层 18dBZ 对应高度 ) 较高, 说明强降水单体上升气流较强, 但强中心高度基本在 0 层高度以下, 强中心高度偏低, 利于强降雨而不利于地面产生冰雹盛夏季节, 副热带高压北上, 其脊线与 120 E 经线交点在 23 N 以北, 西伸点在 110 E 130 E 时, 同时 90 E 附近的西风带高压脊为低槽所替代, 是山东雨季开始的重要标志 [32], 对应月份是每年 6 月底或 7 月初至 8 月底受副高或副高外围西南气流影响, 低层 (925hPa 或 850hPa) 高温高湿, 低层比湿基本在 13g kg -1 以上, 同时湿层较深厚,K 33, LI -2, 高的 CAPE 值,31 站次小时极端强降水基本发生在这种环境形势下, 利于高强度降水的产生至于某一点或某一地是否会产生极端性的强降水, 还要根据回波演变特征和风暴参数, 结合 Z-R 关系进行估测降水风暴最大反射率因子基本为 50~59dBZ, 回波强中心在 5.0km 以下, 垂直累积液态含水量基本在 15~40kg m -2, 风暴顶高在 8km 以上, 回波顶高在 11km 以上, 这种情况回波区主要位于低层, 重心较低, 降水强度大, 适用于 Z=200R 1.22 估测降水强度图 6 6min 最大降水量对应风暴参数 Fig.6 Stormparameterscoresponding to6-minutemaximumrainfal

8 第 5 期赵淑芳等 : 山东极端强降雨分钟雨量 Z-R 关系和风暴结构演变特征 813 如果有明显的列车效应, 某一点或某一地发生小时极端强降水的可能性极大对于具有移动缓慢特征的风暴预警预测难以把握, 个例研究表明, 往往是风暴旺盛期风暴突然移动减缓, 维持少动, 目前技术手段难以解释, 更难以估测 5 结论 (1)31 站次强降水分钟降水量变化表明,1min 降水量为 1.0~2.0mm 降水出现的次数最多, 其次是 2.0~3.0mm 31 站次强降水分钟最大降水量之间差别明显, 最小 2.6mm, 最大 5.5mm, 平均值是 3.6mm 2mm 以上的分钟降水量是地面强降水主要贡献者, 其持续时间平均值约为 17min (2) 强降水单体演变具有明显的列车效应或移动缓慢特征 31 次强降水仅具有列车效应特征的有 15 次, 仅具有移动缓慢特征的有 8 次, 同时具有两种特征的有 8 次对小时极端强降水而言, 3 种演变形式降水历时较长, 降水持续时间基本为 57~58min, 分钟降水量 1mm 的持续时间基本为 43~47min,5min 和 6min 最大降水量都在 15mm 和 17mm 左右, 降水强度较大 (3)6min 最大降水量所对应的站点上空最大反射率因子平均值为 50.3dBZ, 用 6min 最大降水量平均值 17.3mm 作为强降水雨强, 反算出的 Z-R 关系与 Z=200R 1.22 非常接近 (4) 强降水过程具有较大的对流有效位能 CAPE 较高的 K 指数和较低的抬升指数 (LI) 低层具有较高的水汽含量, 比湿在 13g kg -1 以上, 说明有暖湿空气的输送和水汽累积山东雨季, 强降水风暴最大反射率因子基本为 50~59dBZ, 液态累积含水量基本为 15~40kg m -2, 强中心高度基本在 5km 下, 单体顶高和回波顶高分别在 8km 和 11km 以上, 强回波区主要位于低层, 重心较低, 降水强度大, 适用于 Z=200R 1.22 关系估测降水强度参考文献 : [1]MADDOXRA,ChappelCF,HPXITLR.Synopticandmeso-α scaleaspectsofflashfloodevents[j].bulamermeteorsoc, 1979,60(2): [2]CHAPPELLCF.Quasi-stationaryconvectiveevents[M]//RAY PS.MesoscaleMeteorologyandForecasting.Boston:AmerMeteor Soc,1986: [3]JUNKERNW,SCHNEIDERRS,FAUVERSL.Astudyofheavy rainfaleventsduringthegreatmidwestfloodof1993[j].wea Forecasting,1999,14(5): [4]LINYL,DEALRL,KULIEM S.Mechanismsofcelregenera tion,developmentandpropagationwithinatwo-dimensionalmulti celstorm[j].jatomssci,1998,55(10): [5] 段旭, 李英. 滇中暴雨的湿位涡诊断分析 [J]. 高原气象,2000, 19(2): [6] 慕建利, 李泽椿, 李耀辉, 等. 高原东侧特大暴雨过程秦岭山脉的作用 [J]. 高原气象,2009,28(6): [7] 张小玲, 陶诗言, 孙建华. 基于配料的暴雨预报 [J]. 大气科学,2010,34(4): [8] 苗爱梅, 武捷, 赵海英, 等. 低空急流与山西大暴雨的统计关系及流型配置 [J]. 高原气象,2010,29(4): [9] 江新安, 王敏仲. 伊犁河谷汛期一场短时强降水雨滴谱特征分析 [J]. 沙漠与绿洲气象,2015,9(5): [10] 梅婵娟, 张灿, 李宏江.2011 年 7 25 山东乳山特大暴雨成因分析 [J]. 气象与环境科学,2016,39(3): [11] 彭军, 周雪英, 赵威, 等. 新疆巴州 6 4 罕见大暴雨中尺度特征分析 [J]. 沙漠与绿洲气象,2016,10(1): [12] 胡容, 史小康, 李耀东. 重庆一次暴雨过程的诊断分析 [J]. 气象与环境科学,2016,39(1): [13] 阿不力米提, 于碧馨, 李海燕. 乌鲁木齐风廓线雷达资料在暴雨天气过程中的应用 [J]. 沙漠与绿洲气象,2014,8(3): [14] 王芬, 唐浩鹏, 陈晓燕. 黔西南一次低涡切变型暴雨的中尺度分析 [J]. 沙漠与绿洲气象,2015,9(5): [15] 张淑敏, 淡会星, 吴宁, 等渭河区域性大暴雨天气过程分析 [J]. 沙漠与绿洲气象,2014,8(1):1-5. [16] 张一平, 孙景兰, 牛淑贞, 等. 河南区域暴雨的若干雷达回波特征 [J]. 气象与环境科学,2015,38(3): [17] 高洁, 漆梁波. 上海地区短时强降水特点及其影响 [J]. 气象与环境科学,2015,38(3): [18] 袁小超.2012 年春季河南一次区域暴雨的诊断分析 [J]. 气象与环境科学,2015,38(3): [19] 刘利民, 德庆措姆, 孟丽霞. 甘肃河东一次区域性暴雨天气过程分析 [J]. 干旱气象,2009,27(3): [20] 彭九慧, 易永力, 吴显春, 等. 河北省承德市短时强降水的多普勒雷达特征分析 [J]. 干旱气象,2010,28(2): [21] 曲晓黎, 段宇辉, 秦宝国, 等. 河北省中南部一次 MCC 造成的暴雨过程分析 [J]. 干旱气象,2011,29(1): [22] 谌芸, 孙军, 徐堵, 等. 北京 7 21 特大暴雨极端性分析及思考 ( 一 ) 观测分析及思考 [J]. 气象,2012,38(10): [23] 李峰, 周薇, 张乐坚, 等. 北京 6 23 局地强对流天气的雷达产品特征分析 [J]. 干旱气象,2014,32(4): [24] 杨群, 陈关清, 方标, 等. 梵净山一次局地特大暴雨雷达回波特征分析 [J]. 干旱气象,2016,34(5): [25] 俞小鼎, 姚秀萍, 熊廷南, 等. 多普勒天气雷达原理与业务应用 [M]. 北京 : 气象出版社,2006: [26] 杨杰, 刘黎平, 赵城城, 等. 雷达估测对流性降水的误差空间分布及 Z-R 关系的优化 [J]. 高原气象,2015,34(6): [27] 高留喜, 李静, 刘畅, 等. 山东省短时极端强降水标准研究 [J]. 气象科技,2014,42(3): [28] 万明波, 刁秀广, 杨晓霞, 等山东乳山强降水中尺度分析 [J]. 山东气象,2015,35(2): [29] 盛杰, 张小雯, 孙军, 等. 三种不同天气系统强降水过程中分钟

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气象第卷第期对流不稳定度

气象第卷第期对流不稳定度张芳华张涛周庆亮杨克明国家气象中心北京中国气象科学研究院灾害天气重点实验室利用上海自动观测站资料的逐小时分析资料水汽云图和多普勒雷达探测等资料对年月日上海飑线天气过程进行天气动力学诊断分析结果表明上海处在上干冷下暖湿的不稳定大气层结中对流层上层干冷空气的侵入和边界层暖湿气流强烈辐合是飑线天气的触发机制飑线以断续线型与后续线型相结合的型式形成在对流单体的右侧不断新生单体