渤海海峽雷雨大風的多普勒雷達回波特征

郭慶利，薛波，黨英娜

（1.南京大學大氣科學系，江蘇南京210093；2.煙臺市氣象局，山東煙臺 264003）

渤海海峽雷雨大風的多普勒雷達回波特征

郭慶利1,2，薛波2，黨英娜2

（1.南京大學大氣科學系，江蘇南京210093；2.煙臺市氣象局，山東煙臺 264003）

通過對煙臺北部沿海近5年發生雷電時伴有8級（極大風速達到17.3 m/s）以上大風，煙臺多普勒雷達產生的回波進行分析，得出災害性雷雨大風發生時多普勒雷達徑向速度回波有4種類型，分別是大風區型、逆風區型、近地層輻散型、中氣旋型；反射率因子回波強度一般在45 dbz以上，反射率因子形狀大致分成五類:帶狀、線狀、塊狀、弓形或颮線、V形或鉤狀。

雷雨大風；徑向速度；中氣旋；特征

1 引言

雷暴是指伴有陣風驟雨、雷電的積雨云系統的統稱。它是由強烈的大氣對流引起的中小尺度天氣系統。強烈的雷暴可以引起暴雨、冰雹和大風，有時還有龍卷風[1]。雷雨大風就是雷暴的一種發生形式，是對流天氣發展較為旺盛的時候所產生的一種嚴重災害性天氣。雷雨大風的產生一般是對流天氣發展到成熟階段產生的。云中產生的下沉氣流沖到地面附近時，向四周散開，因而造成陣風。移動緩慢的雷暴，云下的流出氣流幾乎是徑向的。多數情況下，雷暴移向的下風方的風速要大于上風方。在特別強烈的雷暴發生時，還可能引發颮。雷暴發生時，并非每次都伴有大風。一般來說，強雷暴才會引起大風。經驗認為，雷暴大風是由于雷暴云中下沉的冷空氣強烈輻散造成的[3～5]。

2 資料來源

本研究設定雷雨大風的標準為強雷暴造成的地面測站或自動站測得的極大風速大于17.3 m/s（8級）的地面強風，大風資料選取2004～2008年（4～10月）煙臺北部沿海6個基本站（長島、蓬萊、龍口、福山、牟平、煙臺）及其所轄的自動站（2007年和2008年）資料，雷達產品資料為煙臺多普勒雷達觀測的雷達產品。

3 渤海海峽雷雨大風的時空分布規律

雷雨多發生在春夏兩季，因自動站沒有天氣現象資料，因此使用長島站（唯一的海島人工觀測站）的地面觀測資料，分析的結果可以代表渤海海峽雷雨大風的時空分布規律。2004～2008年（4～10月），發現長島共出現102個雷暴日，伴有8級以上雷雨大風有25次，其中6月出現次數最多，7月次之，10月最少。在雷雨大風出現時間上，有48%出現在凌晨，24%出現在中午，28%出現在傍晚。從雷雨大風出現的風向特點來來看，61%為偏西風，39%為東南風。

4 多普勒雷達徑向速度圖特征

新一代天氣雷達即多普勒雷達與常規天氣雷達相比，最大的優勢在于能夠提取降水云體中的風場信息，對災害性大風，特別是與風害和冰雹相伴隨的災害性大風有很好的監測和預警作用。徑向風場的分析可以根據典型風場的徑向分量表現出的特殊結構特征，對強對流天氣伴隨的典型風場進行識別。

徑向速度分布圖是判斷強對流天氣的一種有效工具，在識別風害時特別有效。強對流天氣的出現和發展往往和氣流的輻合、輻散以及氣流的旋轉有關[2]。徑向速度圖中可以看出以上特征，并可給出定性和半定量的估算。通過分析雷雨大風發生時徑向速度回波特征，總結歸納出4種類型：大風區型、逆風區型、近地層輻散型、中氣旋型。

4.1 大風區型

水平尺度在150 km范圍內、高度在2 km以下，0.5°仰角雷達徑向速度在20 m/s以上的區域為大風區域。大風區內地面常會出現極大風速8級以上的大風天氣，且實際地面風速大小與徑向速度值大小成正比。大風區的位置不同，所表征的物理意義不盡相同。當大風區位于強對流回波帶的前方時，是雷暴體內的下沉氣流形成的雷暴出流；而當大風區位于強回波帶的后側時，是作為后側入流進入云體的，使對流回波向前凸起，形成弓狀。前者預示著雷暴回波已進人消散期，將很快減弱，雷雨大風將停止。后者則預示著線狀強回波帶處于發展一成熟期，雷暴回波發展速度減緩，回波強度將基本維持，所經之處仍將出現明顯的雷雨大風天氣。這種實例很多，可以作為出現雷雨大風的預報指標。例如2007年7月28日，多普勒雷達0.5°仰角的徑向速度圖上（見圖1a,b），前期（龍口、蓬萊附近，其極大風速分別是22.8 m/s、21.3 m/s）大風區位于強回波帶后側，雷暴處于發展狀態，此后一直以20 m/s以上的速度朝向雷達站移動，經過雷達站以后，大風區逐漸移到強回波帶前端，經過牟平區后迅速減弱，說明雷暴已進入消散期。根據自動站資料對比可以看出，煙臺北部沿海地區出現8～9級雷雨大風，與大風區的移動路徑基本一致。

4.2 逆風區型

逆風區型是指在大片正（負）速度區中，出現了一片負（正）速度區，并有明顯的零速度圓環或半圓環將二者隔開[2]。逆風區的出現表明此處的風向發生了劇烈的變化，產生了強烈的風切變和輻合。當云團進入“逆風區”時，發展更加強盛，回波強度往往增強。如圖2（a）中，雷達東北方向的牟平區附近（距離雷達中心約28 km），有小塊逆風區，2005年6月14日中午牟平區觀測極大風速20.5 m/s。再如圖2（b）中，雷達西北方向的長島附近有一逆風區，2004年5月16日中午長島觀測極大風速21.3 m/s。

4.3 近地層輻散型

近地層輻散型是指100 km范圍內、500 m高度以下、沿徑向排列的、正負速度中心相距不遠（＜10 km）的速度偶，指向雷達的負速度位于靠近雷達一側，而離開雷達的正速度位于遠離雷達的一側[2]。一般來說，速度隨距離增加意味著有疏散氣流存在;反之，速度沿距離減少表明有輻合氣流存在。

在多普勒速度圖上，輻散（合）表現為正負速度區沿徑向排列、負（正）速度位于靠近雷達一側，正（負）速度位于遠離雷達[2]。近地層輻散型是多普勒速度圖上輻散類中的一種特殊類型。

例如2005年8月2日，0.5°徑向速度圖上（見圖3），距離雷達20 km，高度500 m處有一類似牛眼的正負速度偶，正負中心速度值最大分別為+27 m/s和-27 m/s，且零速度線彎向正速度中心，說明實際風向在各高度層時為匯合。地面實況：半島北部出現大風天氣，其中長島縣極大風速24.1 m/s，蓬萊市極大風速20.3 m/s，并伴有冰雹。

再如2008年5月25日早晨煙臺市區出現雷雨大風，從0.5°仰角速度圖中可以看出在4點59分時零速度線呈直角曲線彎曲，距離雷達站水平50 km內，零速度線呈東北-西南走向，說明低層風向為東南風。并且在同一高度上風向發生180°的逆轉，說明低層存在很強的輻散場。在50 km處零速度線突然呈直角順轉90°彎向正速度區，說明此時風向轉為西南風。這種風向在垂直方向上的不連續性，說明大范圍風場中存在中小尺度的強輻合上升系統。隨后回波整體向東移動，5點11分達到成熟階段（見圖4），此時地面自動站測得芝罘島附近海域極大風速最大，東口自動站極大風速28.3 m/s。近地面處于輻散區，此時風速仍然較大。到6點30分左右，回波整體移出煙臺市區域，風力減弱為6級以下。1.5°和2.4°仰角，入流區域遠遠大于出流區域，說明中層有明顯的輻合存在。地面實況：煙臺五區和蓬萊市東部地區的大多數自動站的極大風速都達到8級以上，且站點分布情況與回波移動路徑基本一致。

圖1 2007年7月28日0.5°仰角徑向速度

圖2 0.5°仰角徑向速度

圖3 2005年8月2日0.5°仰角徑向速度

圖4 2008年5月25日0.5°仰角徑向速度

4.4 中氣旋型

根據中尺度渦旋的理想環流模型—藍金模式[2]，在多普勒速度圖上，沿方位排列、負速度中心位于雷達徑向左側、正速度中心在右側的速度偶，稱之為純氣旋。沿雷達徑向排列、正速度中心靠近雷達一側、負速度中心遠離雷達一側的速度偶，稱之為純輻合。當速度偶的正負速度中心既不等距離也不在同一個雷達徑向時，若正速度中心更靠近雷達，且負速度中心位于雷達徑向的左側時，稱之為氣旋式輻合。氣旋式輻合型是指尺度在2～20 km的純氣旋、純輻合和氣旋式輻合。

中氣旋型是滿足下述判據的純氣旋或氣旋式輻合[2]：（1）核區直徑〔最大入流速度（正速度）和最大出流速度（負速度）間的距離小于等于10 km；（2）轉動速度（最大入流速度和最大出流速度絕對值之和的二分之一）超過“中氣旋識別的轉動速度判據示意圖”[1]中相應的數值；（3）垂直伸展厚度大于等于3 km；（4）滿足上面三類指標的持續時間至少為兩個體掃（每個體掃約6分鐘）。在實際識別時，伸展厚度要求沒有這么嚴格，一般取伸展2～4個掃描仰角的高度。在多普勒速度圖上，中氣旋型與近地層輻散型最大的不同在于正負速度中心的相對位置。中氣旋型的速度偶基本上是沿方位排列，且負速度中心位于雷達左側，而輻散型的速度偶基本上是沿徑向排列，且負速度中心靠近雷達。

圖5是2005年6月1日08:31時多普勒徑向速度（仰角為0.5°）和中尺度氣旋疊加圖。圖中，雷達站西北約90 km左右存在著一對速度偶，核區直徑約8 km,轉動速度為21 m/s，根據“中氣旋識別的轉動速度判據示意圖”（見《多普勒天氣雷達原理與業務應用》書中圖5.36），已超過該距離上中等強度的中氣旋轉動速度判據。疊加的中尺度氣旋圖上該區域持續出現多個中氣旋。在8:19時，該速度偶就已出現，持續了6個體掃，因此可判定該速度偶為中氣旋。地面實況:長島出現極大風速25.1 m/s的西北大風，蓬萊出現極大風速21.7 m/s西北西大風，并伴有冰雹。

圖5 2005年6月1日0.5°仰角徑向速度

5 反射率因子特征

雷雨大風屬于強對流天氣的一種，對流降水的多普勒雷達反射率回波強度一般在45 dbz以上[4]。在反射率因子中，最直觀的特征之一就是回波形狀。根據雷達氣象學的定義，同時為方便歸納統計，本研究中將反射率因子形狀大致分成五類:帶狀、線狀、塊狀、弓形或颮線、V形或鉤狀。帶狀回波是指由多個回波單體組成的回波帶;線狀回波是指多個單體所組成的回波帶寬度遠遠小于其長度，塊狀是指單個回波或多個回波單體組成的團塊。

弓形是線狀回波中的特殊類型，在低仰角（0.5°，1.5°）的反射率因子圖上，反射率因子梯度最大處是最容易出現災害性天氣的區域。弓形回波具有移動速度快、回波向移動方向凸出的特點，往往產生災害性大風。最強的反射率因子和最大的風速一般位于弓形回波的頂部[3]，在回波頂點的后側，可見明顯的入流急流進人云體內，因而弓形回波頂也是移動最快的部分。在實際強對流天氣中，弓形回波是比較常見的一種回波形態。例如2004年5月16日、2004年6月18日、2005年4月19日都是比較明顯的弓形回波。其地面大風區域基本都位于弓形回波的前端，越靠近前端風速越大。

圖6 2004年6月18日0.5°仰角反射率因子圖

以2004年6月18日為例，在0.5°仰角反射率因子圖上，3點47分弓形回波初步形成，并向東北方向移動，4點04分首先經過龍口市，且龍口站位于弓形最突出的部位，大部分回波強度在50～55 dbz，其中最強達到60 dbz。隨后影響蓬萊市和長島縣。蓬萊市也處于弓形回波的頂部，長島則處于上邊緣部分（見圖6）。地面實況：龍口、蓬萊的極大風速都為20.9 m/s，長島為19.4 m/s。可以看出，與上述結論基本吻合。

颮線是呈線狀排列的對流單體族，其長和寬之比大于5:1。颮線的發展較快，開始時是尺度、強度和數量均呈增長之勢的分散風暴。隨著風暴的發展加強下曳氣流和外流，這有助于陣風鋒從母風暴中向外伸展和加速。圖7中可以清楚地看出東北西南向的一條颮線，長約300 km長，寬約60 km，前面有明顯的外流邊界（陣風鋒）。根據颮線向假相當位溫高值區移動的原理，可以得出，該颮線未來向東移動，從西向東掃過煙臺。而且該回波有明顯的兩條斷裂帶，颮線結構越均勻（線性），則沿著颮線越不可能產生災害性天氣[2]。強天氣往往發生在颮線的斷裂處。如颮線移近某些低層邊界（指某種不連續面，如鋒面、干線、輻合線和切變線等），則在颮線和邊界的交匯處附近的風暴可能成為強風暴，甚至成為超級單體風暴，并且一直持續到颮線離開邊界之時。實況資料表明，斷裂處經過的地方，風力比其他地方明顯偏大，而且颮線移過的地方，風力明顯增強10～20 m/s，與書中分析一致。

圖7 2005年4月19日0.5°仰角反射率因子圖

6 其他雷達產品回波特征

圖8 2005年4月19日VWP場

圖9 2006年6月20日VWP場

從回波頂高、風廓線以及垂直累積液態含水量等特征分析，產生8級以上雷雨大風時，其共同特點是風場的垂直切變較強，一般在2 km左右高度，有時表現為風速的切變，有時表現為風向的切變。如圖8，風向隨高度逆轉，說明有雷暴高壓存在，而且在系統的前部3 km以上為西南風，有輻合，系統影響時為西北氣流，氣流隨著雷暴高壓前緣輻散下沉，產生下擊暴流，造成災害性天氣。再如圖9，在1.5 km高空附近形成一個風速變化帶，兩個層次上風速相差12 m/s以上，實況地面出現大風天氣。

從VIL產品特征分析，雷雨大風是風暴發展到較強程度時出現的天氣現象，因此，經常伴隨著較大VIL值。一般當VIL值大于30 kg·m-2時，說明風暴發展強度較強，出現8級以上雷雨大風的可能性也較大。

7 結論

這里主要根據煙臺新一代天氣雷達的徑向速度和反射率因子及其導出產品，歸納幾種類型的中小尺度天氣的多普勒特征，將有助于提高對新一代天氣雷達資料及其產品分析和強對流識別的能力。

（1）雷雨大風在徑向速度圖上經常表現為大風區型，大風區離地面越近，發生下擊暴流、造成地面災害性大風的可能性就越大。徑向速度峰值越高，地面風速就越大。這是預報雷雨大風的指標，一般可以提前20～30分鐘發出預警；

（2）近地層輻散型、逆風區型也是雷暴大風的重要指標；

（3）中氣旋特征出現的幾率雖然不高，但卻是強烈天氣的重要標志。一旦出現中氣旋特征，往往預示著短時暴雨或大暴雨、冰雹、災害性大風等強烈天氣的發生；

（4）產生雷雨大風的反射率因子回波以線狀回波居多。弓形和颮線、鉤狀或V型等特殊形狀回波與強烈天氣的發生密切相關；

（5）雷雨大風出現時，風場上表現為較為明顯的垂直切變；

（6）造成雷雨大風的回波強度強，移速快，垂直累積含水量也高得多。

[1]朱乾根,林錦瑞,壽紹文等.天氣學原理與方法[M].北京:氣象出版社,2000.

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P732

A

1003-0239（2011）01-0013-06

2010-04-10

郭慶利（1979-），女，工程師，主要從事天氣預報服務業務。E-mail:gqlyt@sina.com.