大連地區雷暴大風探空資料和雷達回波特征分析

劉曉初 李瀟瀟 李燕 李雪松 黃振

摘要利用加密自動站、探空、天氣雷達等資料對2011—2016年5—9月大連地區的16個雷暴大風過程進行研究，分析了雷暴大風發生前的探空特征、雷達回波演變特征以及雷達產品識別指標。結果表明，按照雷達回波形態演變，將雷暴大風劃分為低層徑向速度大值區、單體型和弓狀型3種類型，影響大連地區最多的是低層徑向速度大值區型雷暴大風。探空資料方面，單體型和弓狀型雷暴大風發生前均顯示一定程度的層結不穩定和中等強度對流有效位能，尤其是低層充沛的水汽條件；單體型和弓狀型大風均產生在中等強度垂直風切變條件下。3種類型大風的雷達產品特征有一定差異。對單體型雷暴大風的預警難度較大，對弓狀型雷暴大風可以做到提前1 h以內的預警。

關鍵詞雷暴大風；探空資料；雷達回波；雷達產品；大連地區

中圖分類號S165文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）11-0176-06

AbstractUsing the data of encrypted automatic station， sounding， weather radar and so on， 16 thunderstorm gales were studied in Dalian area from May to September during 2011-2016.The characteristics of sounding， radar echo evolution and radar product identification index were analyzed before thunderstorm gale.The results showed that the thunderstorm gales were divided into three types： the lowelevation radial velocity high value region，the haplotype and the arcuate type according to the radar echo evolution. The lowlevel radial velocity high value region type was most frequently observed in Dalian area.In the case of sounding data， both the haplotype and arcuate thunderstorm gale showed a certain degree stratified instability and moderate intensity convective potential energy， especially the abundant water vapor conditions in the lower layer.The haplotype and arcuate gale were produced under moderateintensity vertical wind shear conditions. There were some differences in the characteristics of the radar products of the three types of winds.The warning of haplotype thunderstorm gale was more difficult，the arcuate thunderstorm gale could be done within one hour ahead of the warning.

Key wordsThunderstorm gale；Sounding data；Radar echo；Radar products；Dalian area

雷暴大風是由對流風暴產生的龍卷以外的地面直線型大風，風速≥17 m/s[1-2]。雷暴大風具有空間尺度小、突發性強、破壞力大等特點，一直是預報預警的重點和難點。強對流天氣臨近預報（0～2 h）主要依靠加密自動站、衛星云圖、天氣雷達、閃電定位儀等觀測設備對風暴單體演變進行觀測分析[2]，對風暴未來強度和移向移速的變化進行判斷做出預警。另外，作為強對流潛勢預報[3-4]中的重要資料，探空資料能夠反映強對流天氣發生前周圍大氣垂直方向上的溫濕結構。某些物理量的差異能夠一定程度上表征特定中尺度環境下某種強對流天氣更容易發生。廖曉農等[5]研究發現，北京地區大多數雷暴大風個例中伴隨有干冷空氣的入侵。雷蕾等[6]在利用探空資料判別北京地區夏季強對流天氣分類中發現，0 ℃層高度、-20 ℃層高度、500 hPa與850 hPa溫差等物理量的差異能夠區分出冰雹和短時暴雨天氣。但預報中常用的對流有效位能（CAPE）、K指數能用來判斷強對流潛勢，無法判別強對流的種類。樊李苗等[7]分析探空資料發現，探空資料特征為“漏斗”狀，上干下濕，850 hPa以下為濕層，對流層中層存在明顯干層，容易出現雷暴大風。

目前，新一代天氣雷達是揭示對流風暴結構特征的最有效工具之一。預報員通常通過雷達回波的演變特征和雷達產品特征量閾值來進行預報預警。吳翠紅等[8]根據回波形態演變將產生雷暴大風的雷達回波分為單體型、弓狀型和颮線型3種，并且對每種類型的雷達回波強度、回波頂高、CAPE等產品特征進行統計分析。近年來，利用雷達拼圖數據對雷暴大風進行定量、自動識別的系統和方法不斷出現[9-10]。大連地區5—9月強對流天氣頻發，氣象臺針對每次災害性強對流過程進行過雷達回波個例分析，但尚未對不同類型的強對流天氣的探空資料和雷達回波特征進行分類研究。筆者利用加密自動站、探空、天氣雷達等資料對2011—2016年5—9月大連地區的16個雷暴大風過程進行研究，主要對雷暴大風發生前的探空特征、雷達回波演變特征以及雷達產品識別指標進行分析，以期為雷暴大風預警提供指導依據。

1資料與方法

采用2011—2016年5—9月大連地區自動站觀測資料、大連本站探空資料以及大連、秦皇島和營口3個雷達站（表1）的雷達資料和災情上報信息對46次強對流過程進行分析。

一次過程中同時觀測到多種強對流天氣，為了便于分類研究，將災情上報信息和多種觀測資料結合確定為某種強對流天氣。如災情上報信息中致災天氣現象為雷暴大風，并且出現災情附近自動站極大風風速≥17 m/s，雷達回波符合雷暴大風特征，認為此次過程是雷暴大風個例。如果災情上報信息中表述為雷暴大風，即使附近自動站無大風觀測記錄，只要雷達回波有明顯的雷暴大風特征，也認為是一次雷暴大風個例。其他強對流個例（冰雹、短時強降雨）分類方法與雷暴大風相同。另外，如果災情上報信息、雷達回波特征和自動站資料均不明顯指向某種強對流天氣現象，則認為是一般混合性強對流過程。46次過程中包括雷暴大風16次、冰雹8次、短時強降雨16次、混合型6次。

2探空特征

從2011—2016年46次強對流個例發生前每種個例探空資料部分特征量的平均值（表2）可以看出，冰雹的0 ℃層和-20 ℃層高度最低，分別為3.5和6.6 km，短時強降雨的2個特征層高度最高，這可能由于大連地區冰雹經常發生在春秋季節，而短時強降雨通常發生在7—8月盛夏時節。雷暴大風的0 ℃和-20 ℃層高度與混合型強對流的差別很小，特征不明顯。雷暴大風的700 hPa與500 hPa溫差最??；雷暴大風的地面露點溫度、850 hPa與500 hPa溫差和1.5 km高度露點溫度的平均值介于冰雹和其他兩類之間。0～6 km垂直風切變，雷暴大風平均值最大，為15 m/s，達到中等以上強度。1.5 km高度溫度露點差平均值，雷暴大風最大，達7.3 ℃，明顯大于其他3種強對流分類平均值，符合對流層中低層存在一層相對干層的特征。

不同類型的雷暴大風的探空值也表現出不同特征。從伴隨雷暴大風的雷達回波形態演變特征上劃分，大連地區雷暴大風個例分為低層徑向速度大值區、單體型、弓狀型（包括颮線型）3種。其中，低層徑向速度大值區有7個個例，單體型有3個個例，弓狀型有6個個例。嚴格地，低層徑向速度大值區對應的大風不是由對流風暴的下沉氣流和出流邊界導致的陣風鋒造成，大多數個例對應的是由低空急流造成和伴有雷暴的沿海站點的大風觀測值。

從表3可看出，低層徑向速度大值區個例，K指數為-2～34 ℃，CAPE值為0～1 087.7 J/kg，由于該型大風不是真正概念上的雷暴大風，對流發生前不一定對應強烈的不穩定層結特征。單體型對應的K指數為28～36 ℃，CAPE值為1 084.4～1 270.7 J/kg；弓狀型對應的K指數為21～44 ℃，CAPE值為605.2～2 241.1 J/kg，這2種類型雷暴大風發生前探空資料上均顯示一定程度的層結不穩定和中等強度對流有效位能。地面露點溫度和1.5 km高度露點不僅指示低層水汽條件，也能夠指示低層不穩定能量條件。低層徑向速度大值區個例中，低層水汽條件變化范圍大，無明顯特征。但單體型和弓狀型雷暴大風則是伴隨強烈的不穩定能量釋放，因此需要大量的低層水汽和不穩定能量；低層水汽條件相對更好，地面露點溫度在17～25 ℃。

850 hPa露點溫度由于中高層干冷空氣侵入的強度不同，差別較大，3種類型無明顯差異。700 hPa與500 hPa溫差（△T75）、850 hPa與500 hPa溫差（△T85）反映的是中低層大氣層結的穩定度，低層徑向速度大值區類型的△T75為14～17 ℃，△T85為21～29 ℃。單體型的△T75為15～17 ℃，△T85為27～28 ℃；弓狀型的△T75為15～18 ℃，△T85為24～30 ℃；沒有明顯特征區別。雷暴大風對應較強的0～6 km垂直風切變，低層徑向速度大值區類型的大風個例的風切變為6～22 m/s，變化范圍較大。但單體型和弓狀型由對流風暴造成雷暴大風需要在中等強度以上的垂直風切變環境下（10～18 m/s）。1.5 km高度溫度露點差只是某一層的數值，不能完全指示干空氣侵入強度；所有個例中，差別也很大。較大的對流層中下層的溫度直減率有利于保持下沉氣流在下沉增溫過程中其溫度始終低于環境溫度，保持向下加速度。單體型和弓狀型個例的探空曲線上中低層的溫度直減率相對較大。

安徽農業科學2017年3雷達回波演變特征與產品識別

根據雷達回波形態演變和雷達產品特征，將產生雷暴大風的雷達回波分為低仰角徑向速度大風、單體型雷暴大風、弓狀型（包括颮線）雷暴大風3種類型。嚴格意義上，低仰角大風不屬于由對流風暴造成的雷暴大風，而是地面自動站觀測到瞬時大風時伴有雷暴和降水。大連地區該型地面大風頻發，在此一并討論。

3.1低層徑向速度大值區大風此類大風個例有7個。其特征為：如果在低空（距離地面1 km高度以內，對于0.5°仰角，標準大氣壓下，距離雷達站水平距離65 km范圍內）徑向速度出現20 m/s以上的大值區，可以判斷該區域的地面風也很大，該風速大值區未來移向的區域將會出現地面大風。

該型大風的雷達回波特征決定了只有在雷達站附近才有可能識別地面大風。以2016年6月30日個例展開分析。從17∶34的0.5°仰角徑向速度（圖1a）可以看出，大連雷達站西南側距離雷達站5～10 km，0.3 km高度附近有負徑向速度最大值為26 m/s、正徑向速度最大值為27 m/s的大風區。18∶40大連本站出現21.4 m/s的西南風，距離徑向速度圖上的大風特征出現約60 min。僅從同時刻基本反射率圖（圖1b）上看，雷達回波為大范圍片狀混合性回波，嵌入其中的最大強度為45～50 dBz強回波位于南部渤海海峽，影響大連本站附近的回波最大強度為30～40 dBz，剛剛達到強對流標準（35 dBz），強對流天氣以對流性降雨為主，地面大風只能從低層徑向速度大值區判別。該型大風往往出現在低空偏南圖12016年6月30日17∶34 0.5°仰角徑向速度（a）和基本反射率因子（b）

Fig.1Radial velocity（a）and basic reflectivity factor（b）at 0.5°elevation at 17∶34 June 30，2016或西南急流中。

從雷達產品特征值（表4）上看，7個個例中回波的最大強度為38～53 dBz，回波頂高范圍是8～11 km，回波移速為20～40 km/h，這3種雷達產品特征與由下沉氣流和陣風鋒造成的雷暴大風個例區別不大。但垂直累積液態水含量（VIL）最大值（3～28 kg/m2）、垂直累積液態水含量密度（VILD）（0.4～2.5 g/m3）小于對流風暴產生的雷暴大風特征值。VIL隨時間變率與單體型雷暴大風和弓狀型雷暴大風無明顯差異。VILD變化范圍為0.4～2.5 g/m3，原因是盡管回波頂高變化范圍較小，但VIL最大值變化范圍較大，造成兩者比率變化范圍較大，總體上明顯小于單體型和弓狀型雷暴大風VILD。雷達產品中最重要的特征出現在徑向速度圖上，在雷達站半徑高度1 km以內均識別到接近或大于20 m/s的徑向速度大值區。

3.2單體型雷暴大風從單體型雷暴大風3個個例的探空資料（表3）來看，地面露點為20～22 ℃，近地面水汽條件較好，0～6 km垂直風切變為12 m/s，屬于中等強度。從其他各項探空指標（表3）上看，環境大氣的穩定度較差，有利于對流風暴的產生和發展。單體型雷暴大風往往與強風暴單體的后側下沉氣流對應，也通常伴隨有中氣旋特征指示。

3個個例均處在高空偏北流場背景場下，風暴總體向南移動，強度迅速加強，出流邊界特征不明顯。以2014年6月30日過程為例，15∶04瓦房店站觀測到20.4 m/s的瞬時極大風，大連中部地區存在2個對流風暴單體，南側強風暴最大回波強度達63 dBz，回波頂高達13 km，VIL最大值達38 kg/m2，風暴處于成熟階段（圖2a和表5）。同時刻強度剖面圖（圖2b）顯示，最大強度回波處于3 km高度以下。徑向速度剖面圖上（圖2c），3～5 km高度附近為徑向輻合，6～13 km高度為徑向輻散，無中氣旋產品對應。此時觀測到的地面大風并非確切指向下沉氣流到達近地面輻散后造成。另外，強風暴單體水平尺度僅為幾到幾十公里，生命史為幾十分鐘到幾小時，地面雷暴大風預警提前時間和落區難度較大。

分析單體型雷暴大風發生時對應的部分雷達產品指標（表5）發現，3個個例的最大回波強度均達63 dBz，VIL最大值達38～48 kg/m2，回波頂高達11～14 km，成熟階段對流發展非常旺盛；對流風暴單體總體的移動方向均為朝向雷達站，與徑向方向基本平行，移速達30～40 km/h；VIL從最大值到下一個體掃的變量達10～15 kg/m2，其較大的時間變率與地面大風對應；VILD達3.0～4.5 g/m3。

3.3弓狀型（颮線型）雷暴大風影響大連地區的弓狀型回波通常由上游位于西側的渤海中部海域東移或位于西北側的渤海北部東南移過來，時長為幾十分鐘到幾小時，一般初始階段的弓狀型回波在秦皇島（西側）或營口（西北側）雷達站顯示出的弓狀型特征不是十分明顯，由于弓狀型回波發展迅速，移速較快，到達大連西部沿海地區時對流風暴系統多數已處于弓狀型的成熟階段。因此，大連上游雷達站（秦皇島和營口）的雷達回波探測識別尤為重要。

以2013年8月5日凌晨為例。5日02∶06，瓦房店本站觀測到20 m/s的極大風。秦皇島雷達站（圖3）顯示，4日22∶00回波處于發展階段，雷達站西側南北2個短帶回波東移過程中合并加強，最大回波強度達60 dBz，組織性逐漸加強，帶狀結構明顯，能夠識別出弓狀的演變趨勢，并且強回波帶后部有片狀相對弱回波區；5日00∶06，前部帶狀強回波東移進入渤海，回波組織性和強度稍有減弱，并且有逐漸脫離后部混合性片狀回波趨勢；01∶46，帶狀強回波靠近營口到大連一線沿海地區，回波再次發展加強，最大回波強度恢復到60 dBz，移速達60 km/h，能夠識別出“V”型缺口特征，其北側孤立的對流單體組織性加強；02∶10對流風暴達到成熟階段，最大回波強度維持在60 dBz，弓狀回波彎曲程度進一步加強，“V”型缺口特征明顯，其北側呈明顯線狀排列對流風暴，一般最強的地面大風出現在弓形頂點處，其南側帶狀排列的對流風暴影響大連地區，造成局地雷暴大風。從5日00∶06帶狀回波進入渤海，組織性加強，雷達特征識別，再到02∶06瓦房店本站觀測到雷暴大風，該型雷暴大風能夠做到提前1 h的預警。

表6顯示，弓狀型回波成熟階段，回波最大強度達58～63 dBz，VIL最大值差異較大，為28～48 kg/m2，回波頂高達11～14 km，回波移速達30～60 km/h，VIL從最大值到下一體掃的變量達5～10 kg/m2，VILD為2.0～4.5 g/m3，這些雷達產品特征為雷暴大風預警提供重要指示信息。

4小結與討論

（1）利用災情上報信息、大連自動站資料、探空資料和大連、營口、秦皇島3個雷達站的雷達資料，從發生在大連地區2011—2016年5—9月的46次強對流過程中找出16次雷暴大風個例。按照雷達回波形態演變劃分出3種類型的雷暴大風：低仰角徑向速度大值區、單體型和弓狀型（其中包括颮線型）。盡管嚴格意義上，低仰角徑向速度大值區大風不是雷暴大風，而是由夏季伴有雷暴的降雨天氣時雷達回波上能夠觀測到的低空偏南急流造成的。低仰角徑向速度大值區大風的個例最多，共7次，占44%；單體型3次，占19%；弓狀型6次，占37%。

（2）探空資料方面，700 hPa與500 hPa溫差雷暴大風最小，地面露點溫度、850 hPa與500 hPa溫差和1.5 km高度露點的平均值，雷暴大風介于冰雹和短時強降水之間。較大的0～6 km垂直風切變值和1.5 km高度溫度露點差值是雷暴大風區別于其他強對流天氣的重要特征。不同種類的雷暴大風之間，低層徑向速度大值區大風發生前不一定對應較強的不穩定層結、較強的對流有效位能和較充沛的低空水汽條件。相反地，單體型和弓狀型雷暴大風發生前探空資料上均顯示一定程度的層結不穩定和中等強度對流有效位能，尤其是低層充沛的水汽條件。另外，后2種大風均產生在中等強度垂直風切變條件下。

（3）雷達回波形態演變方面，低層徑向速度大值區大風只能在最低仰角距離雷達站水平幾十公里內觀測到，不一定非得對應正負速度對。單體型雷暴大風一般對應的是相互孤立的對流風暴單體，在偏北背景流場下南移，成熟階段徑向速度剖面圖上觀測到低層輻合、高層輻散特征。弓狀型雷達回波初始階段孤立短帶回波逐漸合并，組織性加強，成熟階段能夠識別出“V”型缺口特征，頂點兩側帶狀回波均發展加強；對于該型雷暴大風能夠做到提前1 h以內的預警。

（4）雷達產品特征方面，最大回波強度方面，單體型最大，達63 dBz，弓狀型變化范圍為50～63 dBz，低層徑向速度大值區大風變化范圍最大，為38～58 dBz，3種類型大風有一定差異。VIL最大值、VILD低層徑向速度大值區大風明顯小于單體型和弓狀型雷暴大風，指示作用較大。風暴移速、ET、VIL隨時間變率各類型大風差異不大。

（5）實際業務中，一次強對流過程中很可能伴有多種災害性強對流天氣現象。對于大連地區雷暴大風以及其他強對流天氣現象（冰雹、短時強降水等）的雷達回波形態演變和產品特征值得進一步開展研究。今后，應利用更多觀測設備和資料，完善大連地區強對流天氣的預警指標體系，更有效地應用于預警服務中。

參考文獻

[1] 俞小鼎.強對流天氣臨近預報[M].北京：氣象出版社，2012：55-71.

[2] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業務應用[M].北京：氣象出版社，2006：155-169.

[3] 楊曉霞，胡順起，姜鵬，等.雷暴大風落區的天氣學模型和物理量參數研究[J].高原氣象，2014，33（4）：1057-1068.

[4] 孫繼松.從天氣動力學角度看云物理過程在降水預報中的作用[J].氣象，2014，40（1）：1-6.

[5] 廖曉農，于波，盧麗華.北京雷暴大風氣候特征及短時臨近預報方法[J].氣象，2009，35（9）：18-28.

[6] 雷蕾，孫繼松，魏東.利用探空資料判別北京地區夏季強對流的天氣類別[J].氣象，2011，37（2）：136-141.

[7] 樊李苗，俞小鼎.中國短時強對流天氣的若干環境參數特征分析[J].高原氣象，2013，32（1）：156-165.

[8] 吳翠紅，韋惠紅，牛奔.湖北東部雷暴大風雷達回波特征分析[J].大氣科學學報，2012，35（1）：64-72.

[9] 李國翠，劉黎平，連志鸞，等.利用雷達回波三維拼圖資料識別雷暴大風統計研究[J].氣象學報，2014，72（1）：168-181.

[10] 李國翠，劉黎平，張秉祥，等.基于雷達三維組網數據的對流性地面大風自動識別[J].氣象學報，2013，71（6）：1160-1171.