一次颮線過程多普勒天氣雷達資料分析

姜勇強 韓銳 姜明波 周育鋒 陳超輝 王華文

摘要?利用江蘇省多部S波段多普勒天氣雷達資料，對2012年5月16日江蘇北部的一次颮線過程進行分析。結果表明，颮線發生前500 hPa東北冷渦南側高空槽迅速南壓，江蘇北部槽后強冷平流與低空暖平流形成強烈的位勢不穩定層結。颮線發生、發展直至消亡過程中共出現2條帶狀回波，一條是從徐州附近開始發展，另一條則是在連云港附近的海上開始發展，隨后2條颮線合并而強烈發展。颮線中的強回波具有明顯的超級單體風暴特征，存在懸掛回波和穹隆。徑向速度分析表明，中層存在深厚的中尺度渦旋對，雙渦之間可以吸入更多的空氣，能有效地維持風暴內部的高速上升氣流，使風暴能得到維持而不受環境風的干擾。垂直累積液態含水量（VIL）在連云港西南部160 km處冰雹發生時，由16日15：35的47.2 kg/m2躍增至15：41的98.8 kg/m2;而當VIL由62.5 kg/m2劇減至10.2 kg/m2時，連云港西南部約53 km處出現了大風，表明VIL的劇烈變化對冰雹和大風的發生具有指示作用。

關鍵詞?颮線;組合反射率因子;徑向速度;渦旋對;垂直累積液態含水量

中圖分類號?P?458.1+21文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）01-0222-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.01.067

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of a Squall Line Process with Doppler Weather Radar Data

JIANG Yong?qiang1， HAN Rui2， JIANG Ming?bo3 et al

（1. College of Meteorology and Oceanography， National University of Defense Technology， Nanjing， Jiangsu 211101;2. Army 93117 of PLA， Nanjing， Jiangsu 210018;3. Army 61540 of PLA， Beijing 100029）

Abstract?Using S?band Doppler weather radar data of Jiangsu Province， a squall line process in northern Jiangsu Province on May 16， 2012 was analyzed. The results showed that the 500 hPa trough to the south of the northeast cold vortex rapidly moved southward before the squall line occurred， and the strong cold advection behind the trough in northern Jiangsu formed a strong potential instability stratification with the low?level warm advection. During the occurrence， development and extinction of the squall line， two band echoes appeared. One began to develop near Xuzhou， the other began to develop in the sea near Lianyungang， and then the two squall lines merged and developed strongly. The strong echoes in squall line had obvious supercell storm characteristics， and there were suspended echo and vault. Radial velocity analysis shows that there was a mesoscale vortex couple in the middle layer， and more air could be inhaled between the two vortices， which could effectively maintain the high?speed updraft in the storm， so that the storm could be maintained without the interference of environmental wind. Vertically integrated liquid （VIL） quickly increased from 47.2 kg/m2 at 15：35 to 98.8 kg/m2 at 15：41 when hail occurred about 160 km to southwest of Lianyungang. When VIL was dramatically reduced from 62.5 kg/m2 to 10.2 kg/m2， strong winds appeared about 53 km to the southwest of Lianyungang， indicating that the drastic changes of VIL could indicate the occurrence of hail and gale.

Key words?Squall line;Composite reflectivity;Radial velocity;Vortex couple;Vertically integrated liquid

颮線的預報是當前天氣預報的一個難題，部分颮線通過數值預報可以得到較好的預報，這取決于模式初始場和數值預報的分辨率及模式物理過程等。但大部分颮線因為初始場缺乏足夠的中尺度信息，或者沒有選擇合適的模式物理過程，特別是云微物理過程或積云對流參數化過程，導致颮線的短期預報極為困難。由于常規探空觀測資料難以準確分析其結構和發生發展的演變情況，因此，利用多普勒天氣雷達資料分析颮線的結構及颮線的發生、發展機理，對颮線的預報以及防災減災具有重要意義。

多普勒天氣雷達回波很早就得到分析和應用[1]。夏麗花等[2]認為颮線在多普勒天氣雷達回波中是一種帶（線）狀的中尺度對流系統或狹窄的活躍雷暴帶。漆梁波等[3]在對長江三角洲颮線的分析中得到，鑲嵌在颮線中的強雷暴或超級單體風暴常常引起局地地面風向突變、風速劇增、氣壓躍升、氣溫劇降，并伴有雷暴、冰雹、龍卷等災害性天氣。張沛源等[4]分析指出，颮線發生時，中低層為暖平流，高層為冷平流。戴建華等[5]對2009年6月5日上海部分地區出現的一個颮線前超級單體雷暴進行分析，并基于常規天氣觀測、多普勒天氣雷達、風廓線儀和自動氣象站等資料得到該風暴呈現出“指”狀、“楔”狀、弱回波區（WER）等超級單體雷達反射率特征。鄭媛媛等[6]對2002年5月27日14：00—20：00發生在皖北地區的一次典型的超級單體風暴過程進行了分析，結果表明，該超級單體左前方的低層組合反射率因子呈現明顯的倒“V”型結構，沿入流方向穿過最強回波位置的組合反射率因子垂直剖面呈現出典型的有界弱回波區（穹隆）、強大的回波懸垂和有界弱回波區左側的回波墻。刁秀廣等[7]對2002年9月27日、2003年6月28日和2004年6月24日山東部分地區的3次典型超級單體強度結構、流場結構及其演變過程進行了分析，結果表明，風暴形成階段表現為不同的演變特征以及風暴旺盛成熟階段表現為典型的超級單體特征，包括有界弱回波區（BWER）和中氣旋。俞小鼎等[8]對2005年7月30日發生在安徽北部的伴隨強烈龍卷和暴雨的強降水超級單體風暴的環境條件和回波結構演變特征進行分析，將該超級單體的演化歸結為帶狀回波—典型強降水超級單體—弓形回波3個階段。從以上研究可以看出，對于不同的颮線，結構也有所不同，因此需要對颮線的回波特征進行更深入研究，并通過分析颮線系統多普勒雷達風場的演變，研究颮線的發生發展和傳播機制。

2012年5月16日，在江蘇北部地區發生一次颮線天氣過程。對流初生位置是在徐州附近，隨后逐漸發展強盛，并在連云港附近出現了最強盛的對流單體，此時另一條颮線在連云港附近的海上位置開始發展，這2條颮線在后來的發展過程中連成一片，向東南方向移動，到達鹽城時該颮線強度減弱并逐漸消亡。筆者利用NCEP再分析資料，分析此次颮線形成的大尺度形勢，利用江蘇省多普勒雷達資料，分析回波特征、徑向速度和垂直累積液態含水量，探討颮線的發生發展機制。

1?颮線天氣過程

2012年5月16日發生在江蘇北部地區的一次颮線天氣過程，該颮線發生發展直至消亡歷時約7 h，自江蘇徐州沿路途經宿遷、淮安、連云港、鹽城，出海消亡，初生位置是在徐州附近的柳泉站（114.2°E，39.5°N）。16日14：34，柳泉開始出現幾個孤立的對流單體，隨后發展逐漸強盛，對流單體也連成一片，并且在0.5°仰角多普勒雷達組合反射率因子圖上呈現出一條帶狀結構，相應的回波強度為50～60 dBz;16：31，對流單體發展到最強盛，強度達到最大值65 dBz，此時雷達回波圖上呈現2條帶狀結構，并且都是自西北向東南方向移動。17：01，2條帶狀結構在組合反射率因子圖上開始出現回波的相接與合并，隨后連成一整片，但強度開始減弱。19：04，整片對流單體移至鹽城，此時強度已經很弱直至入海消失。在這過程中蘇北大片地區出現大風、冰雹和強降水天氣，這些地區出現的最大風速達24 m/s，1 h降水量最大達20 mm，地面氣溫最低降至14 ℃，海平面氣壓最高躍升至1 005 hPa。

2?大尺度形勢分析

此次罕見的颮線天氣過程主要受東北冷渦的影響，蘇北地區高空氣溫比較低，而近地面氣溫又比較高，形成了很強的位勢不穩定層結。在東北冷渦天氣背景條件下，高空槽的迅速南壓導致中高層的流場發生了迅速的變化。

圖1為采用NCEP 1°×1°資料繪制的2012年5月16日08：00形勢場。200 hPa高空圖上，颮線發生位置位于高空西風急流區域內，從溫度場上看，蘇北地區位于冷渦底部。500 hPa高空圖上，颮線發生位置對應于低壓南側，高空西風急流區域內風速較大，高空急流是地面颮線發生發展的有利條件。700 hPa高空圖上，颮線發生位置對應于低壓南側，槽線西側風場西風分量較大，風速較大，且位于西南氣流和西北氣流的輻合帶中，有利于上升運動的發展，冷暖空氣交匯，斜壓性較強，易形成不穩定能量，可為颮線的發展提供一定的能量來源。850 hPa高空圖上，颮線發生位置位于槽線前緣，南側盛行西南氣流，北側盛行西北氣流，西南氣流和西北氣流在此交匯輻合，上升運動明顯，易形成對流性天氣，釋放不穩定能量。

3?多普勒雷達資料分析

3.1?組合反射率因子分析

資料采用江蘇省各地區的雷達基數據，包括組合反射率因子和徑向風速。從2012年5月16日連云港站0.5°仰角組合反射率因子演變過程（圖2）可以看出，14：28在徐州附近柳泉站（相對于雷達的位置方位261°，198 km）開始有孤立單體生成，此后對流單體發展加強并向東偏南方向移動;16：02，該系統已發展成由多個對流單體連成一片、尺度約為200 km的中尺度對流系統;16：31，中尺度對流系統中有2條發展比較強盛的帶狀結構，其中西南部一條發展最強，東北部一條發展也比較強盛;17：01，上述的2條帶狀結構在仰角為0.5°的組合反射率因子上顯示出回波的合并與相接;18：09，在距離鹽城10 km處新生一條強度較強的帶狀回波，其后回波強度逐漸減弱;19：00，颮線消失東移入海。

圖3a為圖2c所示實線AA′穿過主要回波帶的組合反射率因子垂直剖面圖。由圖可見，颮線帶狀回波帶中鑲嵌著一個個強回波區，最大組合反射率因子超過60 dBz，此時颮線對流發展到最強盛階段;該片區域出現了大風和冰雹，且最大風力達24 m/s。對于圖2c中最強回波區（AA′和BB′交叉處），該強回波區水平尺度約25 km，與超級單體風暴尺度相當。圖3b為圖2c所示實線BB′穿過最強回波位置的組合反射率因子垂直剖面圖。回波具有明顯的超級單體風暴特征，回波主要在8 km高度以下，超過50 dBz的回波主要在4 km高度以下，主回波區向前傾斜，前方有黃色區域懸掛回波，懸掛回波和主回波區之間有相對弱的回波區，為穹隆。因為該單體強度比典型的超級大體風暴弱，因此，懸掛回波和穹隆特征不夠典型。

3.2?徑向速度分析

從5月16日16：31連云港2.4°仰角徑向速度圖（圖4a）可看出，連云港南部（東南部）距雷達約30 km處，有一個正-負-正排列的徑向速度區，南部正速度中心達11.5 m/s，負速度中心為-8.0 m/s，速度差達19.5 m/s;而在連云港東南部的正速度區，其最大中心值為17.5 m/s，該速度對一直伸展到約6 km高度。根據這種排列的徑向速度可以判斷出該處存在一個渦旋對，西南方為氣旋，東北方為反氣旋。此時環境風場為西北風，即沿著背景風場，右側為氣旋，左側為反氣旋。對流層的這一雙渦結構，主要是因為對流體上升運動中含有大量凝結物，可以看成剛性結構，當環境風遇到對流體時產生繞流，氣流繞過風暴前進方向右側有利于形成氣旋性渦旋，氣流繞過左側有利于形成反氣旋。同時在風暴中層發展起來的渦旋對，其旋轉方向有助于把環境氣流阻塞住，而低層氣流由于同環境相對風的方向相反，雙渦之間便將吸入更多的空氣，能有效地維持風暴內部的高速上升氣流，從而風暴能維持而不受環境風的干擾。

Eagleman等[9]根據雙多普勒雷達的聯合觀測表明，在風暴的中間層（3～7 km）有明顯的雙渦發展，而且在5～6 km高度上發展得最強。分析通過中尺度氣旋中心東北—西南向的徑向速度的垂直剖面（圖4b）可以看出，徑向速度剖面中最顯著的一個特征是從低層向上擴展到約6 km存在中尺度負速度區。負速度區隨高度范圍變小，其兩邊為正速度區包圍，表明對流云體中確實存在中尺度渦旋。

3.3?垂直累積液態含水量分析

垂直累積液態含水量被定義為云底上部單位面積上懸掛的可降水質量。分析此次颮線發生、發展至消亡過程垂直累積液態含水量（VIL）變化發現，在颮線發生期間，VIL值出現明顯的躍增和劇減，同時伴隨著激烈的天氣現象。

王煒等[10]對天津市2000年汛期11次天氣過程的研究指出，VIL值的迅猛增加對冰雹預報有很好的指示意義，當VIL≥20 kg/m2時，出現冰雹天氣的可能性極大。房春琴等[11]研究指出，雷達探測范圍50～150 km，VIL≥50 kg/m2會出現降雹，VIL≥60 kg/m2時可出現大冰雹。5月16日15：35連云港西南部距離雷達位置約160 km（114°E，39°N）處，VIL由47.2 kg/m2躍增至15：41的98.8 kg/m2（圖5紅色圓圈處），實況該處出現冰雹天氣。而俞小鼎等[12]分析指出，快速降低的VIL值也許意味著破壞性大風的開始。連云港西南部距離雷達位置約53 km（116°E，39°N）處，VIL由16：12的62.5 kg/m2劇減至16：18的10.2 kg/m2，該處出現了大風，這與上述觀點是一致的，表明VIL的劇烈變化對冰雹和大風的發生具有指示作用。

4?結論

該研究采用NCEP再分析資料和S波段多普勒天氣雷達資料對2012年5月16日發生在江蘇蘇北地區颮線的背景以及發生發展過程進行了分析，分別對各個仰角的組合反射

率因子、徑向速度、垂直累積液態含水量進行研究，得出以下主要結論：

（1）在東北冷渦天氣背景條件下，高空槽的迅速南壓導致中高層的流場發生較為迅速的變化，而其后部的高空強冷平流與低空暖平流形成的強不穩定層結是此次強對流天氣發生、發展的主要背景。

（2）颮線中的強回波具有明顯的超級單體風暴特征，存在懸掛回波和穹隆。

（3）不同仰角徑向速度分析表明，中層存在中尺度渦旋對，雙渦之間可以吸入更多的空氣，能有效地維持風暴內部的高速上升氣流，使風暴能得到維持而不受環境風的干擾。

（4）VIL值的迅猛增加對冰雹預報有很好的指示意義，快速降低的VIL值也許意味著破壞性大風的開始。

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