西宁副高外围两次降水天气雷达资料对比分析

李昌玉 李京梅 周琴

（西宁市气象台，西宁810016）

摘要：利用西宁常规观测资料和天气雷达资料，对2020年8月23日和29日副高外围的两次降水过程进行了对比分析，结果发现：两次天气过程都是北方干冷空气与副高外围西南暖湿气流交汇造成的降水天气，但“8.23”是冷锋造成的中到大雨天气过程，“8.29”是锢囚锋造成的区域性暴雨天气过程，并配合地面中小尺度辐合线和地面干线触发下发生的。从天气雷达资料分析，“8.29”回波高度、Z≧35dBZ持续时间、VIL产品、低层暖平流和西南气流明显大于“8.23”，“8.29”径向速度图上第一次逆风区的出现可作为暴雨的判据，最大负速度的前沿风速辐合区对应强降水，风廓线产品3.7km处东南风风速≧20m/s，3.0km以下东风转为东北风，预示短时强降水的出现。

关键词：西宁；副高外围；强降水；风廓线；逆风区

中图分类号:P458.1 21 文献标识码:A

文章编号:1005-9393(2022)02-0081-05

作者简介:李昌玉(1972-),女,副研级高级工程师,从事天气预报与气象服务工作。E-mail:614946556@qq.com。

1前言

西宁市位于青藏高原东北部湟水谷地，地势西北高、东南低，境内沟壑丛生，产生的大到暴雨天气突发性强、实效短，具有独特的高原特征。近年来不少学者应用天气雷达对西宁强对流天气研究较多，如对流性暴雨^[1-4]、冰雹^[5-7]等。本文针对2020年8月西宁地区出现的副高外围两次降水天气过程中降水量级、强度、持续时间不同，主要利用常规观测资料、雷达资料进行对比分析，找出相似天气环流背景下造成不同降水量级的原因，为当地副高外围降水的天气预报、预警凝练指标、提高预报准确率提供经验和方法依据。

2实况

2020年8月23日（以下称“8.23”），西宁出现中到大雨天气过程。最大降水量出现在湟中区上五庄镇水峡为33.0mm。降水过程持续时间长达15h，最大雨强5.9mm/h（图1a）。8月29日西宁出现区域性暴雨天气（以下称“8.29”），其中58个站达到暴雨，1个站达到大暴雨，最大降水出现在湟源波航乡波航村为102.7mm，在年降水量不足400mm的地方实属罕见。湟源县测站降水量超过历史极值，降水过程持续时间7~8h，最大雨强29.8mm/h。此次降水造成大通县、湟中区、城北区、湟源县4个县区32个乡镇194个村13583户42776人遭受洪涝灾害，直接经济损失4433.631万元。

3天气背景

两次降水过程500hPa高空图上都是西亚大槽底部下滑的短波槽与副高外围西南暖湿气流在青海东部交汇造成的降水。“8.23”副高584dagpm线呈东西走向(图1a)，西南气流到达河西走廊的中段。“8.29”副高584dagpm线呈东北-西南走向(图1b)，有利于青海东部降水形势^[8-9]，西南气流把孟加拉湾充沛的水汽源源不断地向高原输送，输送位置较“8.23”更靠北，到达内蒙古西端。两次降水过程500hPa西宁地区有湿舍，200hPa上有急流。“8.29”西宁的位置更接近急流出口区的右侧，更有利于抽吸作用。700hPa上低压中心位置“8.29”比“8.23”靠北，相应地其外围的西南气流到达位置“8.29”比“8.23”也更靠北，说明低层的暖湿气流“8.29”比“8.23”更强盛。地面冷空气中心强度“8.29”达到1015.0hPa，远远大于“8.23”冷空气中心强度1007.5hPa，强冷空气和强暖湿气流在青海东部交汇，产生强烈的辐合上升运动，使得“8.29”降水更大。另外8月22日20时地面干线位于青海和新疆交界处，而“8.29”有东西两条干线夹击西宁高湿区，地面辐合线和干线的抬升触发作用以及长时间的维持，使得西宁天气不稳定，加上青海湖锢囚锋的作用，使得地面降水得以加强和维持。经分析高空到地面环境场，“8.29”有利于“8.23”，所以“8.29”过程降水量大。

图1 2020年8月22日20：00（a）、28日20：00（b）500hPa位势高度和风场

4卫星云图演变与多普勒天气雷达资料分析

4.1卫星云图演变

8月22日19时青海南部地区有三个MCC的对流云团，对流云团在东移过程中不断减弱，密实的对流单体逐渐分裂成松散的多个单体，并呈西南-东北向排列向东移动，主体并未影响西宁，而是主体云系的北部边缘扫过西宁，云顶亮温达到230k。

8月28日20时高空槽前部多个密实的云块自西南向东北移动，28日21时南北两个对流云团合并加强向东北移动影响西宁地区，云顶亮温达到210k，并且其后部还有源源不断的云团影响西宁，03时主体云系移出西宁，随后南部又有云系发展，经过西宁地区发展加强，云顶亮温达到213k，维持到10时整个主体云系移出西宁。云系影响达13h，是造成大到暴雨的原因。

4.2雷达回波特征分析

8月22日21时降水回波自西向东影响西宁，回波强度大都在30dBZ，分布较分散（图2a）。湟源测站、湟中上五庄、大通青林有三块较密实的降水回波，主体在35dBZ，偶有零星最强回波45dBZ，回波顶高5Km以下，此时造成大通青林乡最大雨强9.6mm/h。整个降水期回波较弱，以稳定性降水为主，故“8.23”产生的降水量不大，最大量级为大雨。

29日00时之后回波首先进入西端的湟源境内，回波总体不强，大都在30~35dBZ之间，零星最强回波45dBZ。00:43在湟源大华镇回波强度45dBZ，回波顶高9Km以下，生命史28min，对应此处雨强（00~01时）18.9mm/h。04:30西路冷空气到达湟源测站处，此时在湟源测站处有地面辐合线生成，一直维持到06:50，随着辐合线的生成和维持，04~06时湟源本站至波航乡附近40dBZ的回波原地维持将近2h，回波顶高8Km以下，中心嵌有45dBZ零星回波（图2b），降水量增大，波航乡和湟源本站05时雨强达到29.8mm/h和22.9mm/h。29日00~10时，西宁及以南河湟谷地的地面露点大于10℃，地面是高湿区，03~05时地面辐合线维持在西宁城北至城西区并逐渐移向城东区。04时在西宁东部祁连山和湟源西部有明显的两条干线，东西两条干线夹击西宁的高湿区，随着两条干线的逐步夹击，06时干线包围了整个西宁的西北部和东部，并一直维持到09时，地面辐合线和干线的抬升触发作用以及长时间的维持，使得04~06时雷达回波40dBZ长时间维持，降水得以增大。05时东路冷空气加强，地面东风风速增大，西宁市区的辐合线稍稍西退。45dBZ回波依然维持在西宁市区，导致西宁市区降水得以持续和发展,造成西宁区域性暴雨天气。

图2“8.23”21:28(a)、“8.29”04:44(b)基本反射率因子

4.3雷达速度分布特征

西宁主要的水汽来源于孟加拉湾，因此稳定维持的偏南风是提供充足水汽输送的最佳大尺度环境风场。“8.23”过程，分析4.3°仰角（V27）产品，8月22日从降水开始至结束呈“S”型流场，负速度中心在东南面，正速度中心在西北面，环境风场为东南风，为降水提供了水汽通道，21~22时距地面3km为17m/s东南风（图3a），东南风速强度较“8.29”小。

“8.29”过程，分析3.4°仰角（V27）产品，1:43西宁速度图呈正“S”型，零速度线穿过测站，整层暖平流，正负速度为17m/s，低层由东南气流控制。03:00在第一个距离圈距地面3km高度出现一对最大、最小径向速度，具有“牛眼”特征，最大径向风速为正负24m/s，呈西北-东南向（图3b），形成东南风急流，表明暖湿气流输送加强。4:00径向正速度 12m/s，负速度-24m/s，最大入流绝对值和出流绝对值之差达到12m/s，风速辐合较强，降水量增大，一直维持到09时。经过分析，最大负速度前沿速度的辐合区有较强的回波对应，造成此处05~09时多个测站小时雨强大于10.0mm。02:00~07:22可以看到湟源径向辐合一直存在，风向辐合区处有强回波配合，且维持时间长，是湟源出现暴雨的原因。05:22西宁城北区出现正速度包裹负速度的逆风区，一直维持到7:38（图3c），逆风区是短时暴雨预报的一个判据^[10]，维持时间长达4h，导致西宁市区出现暴雨，05~07时市区部分站点小时雨强较大。在同一地区8:16~9:11第二次出现逆风区，降水比前一小时明显增大，最大雨强16.4mm/h。9:17正速度不变为 12m/s而负速度减弱为-17m/s，表明水汽输入减弱，降水开始趋于减弱和结束。

图3 “8.23”21:00（a），“8.29”3:55（b）、05:22（c）雷达基本速度

4.4垂直风廓线分析

“8.23”垂直风廓线图上降水开始时“ND”区逐渐消失，出现完整的风廓线，从低层到高层风向随高度呈顺时针旋转，即整层暖平流控制^[11]。与“8.29”不同，整个降水期间风场资料更加连续完整、伸展高度更高在2.4~9km（图4a），降水最强时段高低层风速明显小于“8.29”，这也是小时雨强小、降水更稳定的一个特征。

从“8.29”降水过程风廓线图上可以看出，28日23:50开始，中高层（4~7km）“ND”区开始消失(图4b)，预示降水开始，从低层到高层风向随高度呈顺时针旋转，即整层暖平流控制，从低层到高层均为一致的偏南风，风速在16~18m/s，为降水的发生提供充沛稳定的水汽通道。29日00:54~01:16在3.7km处，东南风风速增大到20m/s，低层具有明显的东南风急流，说明低层暖平流加强，造成00~01湟源大华镇出现18.9mm/h雨强，并且29日01:00开始，风场伸展高度从9km降低到6km（图4c），暖湿层高度随之降低，后续降水维持。随着冷空气从河西走廊东灌进入河湟谷地，29日04:44~5:273.0km以下东风转为东北风（图4d），说明低层有冷空气侵入，刚好配合此时地面出现辐合线，天气不稳定，西边湟源附近、东边河湟谷地地面辐合线处回波增强，是产生20mm/h以上强降水的有利条件。07时后风场向上扩展，风场厚度为3.7~12.2km，风场伸展厚度达到最大，整层偏南气流控制，降水趋于稳定，10时之后整层风速减小到12m/s以下，预示着降水趋于结束。分析风廓线数据：暴雨开始之前和暴雨初期，各层风速较小，在降水较大时风速增大，特别是中低层风速，另外低层风向由东风转东北风说明低层有冷空气侵入，可造成20mm/h雨强，降水持续期间，风场伸展厚度增大，廓线强弱有起伏变化，降水后期风速减小，降水逐渐减弱。

图4“8.23”（a）、“8.29”降水过程雷达风廓线图(b、c、d)

4.5垂直积分液态水含量 

“8.23”整个降水过程的垂直积分液态水含量VIL在2~3kg/m²，过程最大降水量VIL为4kg/m²。说明降水弱，VIL值较小。

“8.29”降水前期垂直积分液态水含量VIL在3~5kg/m²，随着降水增大VIL逐步增大，强降水出现后的一小时即5:27VIL达到13kg/m²，随着降水减弱VIL逐渐减小。说明稳定性降水的VIL不是很大，并且在局部短强发生后VIL开始剧增。

4.6风暴总降水

风暴总降水是根据反射率因子和降水率之间的正相关关系，用经验公式求得的估计值，对两次降水过程最强时刻降水量、有气象站点的雨量、风暴总降水进行验证。

“8.23”，21~22时和22~23时在降水最大位置及湟中上五庄、大通青林、湟源大华有零星STP产品值达到15.2mm，与实测值湟中上五庄降水量6.5mm、湟源大华降水量5.3mm、大通青林乡最大雨强9.6mm相比偏大。

“8.29”，4~5时降水量最大，04:54对应风暴总降水产品，在湟源县、湟中共和以及大通斜沟零星点出现大值，最大值25.4mm，与湟源波航乡此时降水量29.8mm相比偏小。湟中共和乡风暴总降水量值为15.2mm，实况降水量18.3mm；大通斜沟风暴总降水量值为7.6mm，实况降水量9.5mm，风暴总降水量较实况偏低。后期降水维持阶段15.2mm的区域逐渐增大，分析两次降水过程的风暴总降水量产品，能很好地反映降水中心位置。

4.7雷达1小时降水估测检验

22日21~22时，雷达估测图上（图略）显示2mm以下的降水估测值，对应此时实况小时雨强5.9mm。当实况小时雨强不超过10mm时，雷达估测图上仅显示2mm以下的降水估测值。

29日04:54，雷达估测图上（图略）湟源测站显示有6~12mm的降水，量级比实况小时雨强偏小17.8mm，但对过程中的两个时次短强降水开始、结束时间、降水中心指示有意义。0~2mm估测区主要可以反映出大范围区域性降水的存在及降水开始、结束时间。

5结果与讨论

（1）这两次降水过程都是北方干冷空气与副高外围西南暖湿气流交汇造成的降水天气，“8.23”是冷锋造成的中雨天气过程；“8.29”是锢囚锋造成的区域性暴雨天气过程，并配合地面中小尺度辐合线和地面干线触发下发生的，冷空气强度强于“8.23”。

（2）“8.23”云系结构松散，主体云并没有影响西宁，云顶亮温达到230k；“8.29”主体云系不断经过西宁，云顶亮温达到210k。

（3）“8.23”整个降水期回波较弱，大都在30dBZ，且分布较分散，面积较小；“8.29”30dBZ回波面积较大，成片状分布。两次降水过程都有45dBZ零星最强回波，回波顶高“8.23”低于“8.29”，“8.29”≧35dBZ的回波维持时间较长。

（4）两次降水过程雷达径向速度图呈“S”型流场，“8.23”东南风速强度较“8.29”小。“8.29”有逆风区出现，第一次逆风区可作为暴雨的判据。最大负速度的前沿风速的复合区有短强出现。负速度减弱，降水开始趋于减弱和结束。

（5）垂直风廓线图上，两次降水开始时出现完整的风廓线资料，整层暖平流控制，不同的是“8.23”整个降水期间风场伸展高度在2.4~9km，比“8.29”更高。“8.29”中低层东南风速增大到20m/s，单点可出现大于15mm/h短强，另外低层风向由东风转东北风，可造成20mm/h短强。降水持续期间，风场伸展厚度增大，廓线强弱有起伏变化，降水后期风速减小，降水逐渐减弱。

（6）“8.23”VIL最大值为4kg/m²；“8.29”VIL在3~5kg/m²,最大达到13kg/m2，出现在短强发生后。

（7）两次降水过程的风暴总降水量产品，能很好地反映降水中心位置。

（8）雷达估测值两次过程都比实况偏小。但对短强降水开始、结束时间、降水中心指示有意义。

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