一次雷暴回波短帶產(chǎn)生強天氣的特征分析

杜 強,段和平

(江西省氣候中心,330046,南昌)

0 引言

雷暴是一種常見的天氣現(xiàn)象,其特征為強烈的降水和頻繁的閃電活動。雷暴回波短帶是指雷暴單體排列在一起形成的較短的回波帶,一般伴隨著地面輻合線存在。雷暴回波短帶是一種強天氣回波,通常與強降水和雷暴大風等強天氣事件相關(guān)。因此,深入研究雷暴天氣對于提高天氣預報準確率及降低災害風險具有重要的意義。

國內(nèi)專家學者通過對不同天氣系統(tǒng),包括常規(guī)氣象觀測、數(shù)值預報、雷達圖像分析和氣象衛(wèi)星技術(shù)等分析,雷暴大風的識別和分析方法、形成機制等進行了詳細的綜述[1-4]。雷暴大風天氣個例時有發(fā)生,也是監(jiān)測預警中重要的一個內(nèi)容[5-6]。江西副高邊緣出現(xiàn)的雷暴大風以雷暴回波短帶為主,雷暴回波短帶所經(jīng)之地常出現(xiàn)大風、強降水和強雷電天氣[7-9]。短時強降水的氣象變量對研究降水量、降水強度和降水頻率等的形成機制、變化趨勢和空間分布等特征具有重要的意義。同時,考慮到氣候變化、人類活動和地形等因素對強降水的影響,為短時強降水的預防和減災提供科學依據(jù)[10-12]。雷達氣象技術(shù)是研究雷暴天氣的重要手段,雷達探測到的回波反映了大氣中的微物理過程,因此,其形態(tài)和性質(zhì)對于研究雷暴天氣具有重要意義。

本文旨在研究雷暴回波短帶在強降水和大風事件中的特征,并分析其在不同條件下的天氣系統(tǒng)配置、閃電信息、回波演變和回波特征,為雷暴監(jiān)測和預報提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

本研究使用江西地面極大風速、累計雨量等要素獲得雷暴回波短帶所產(chǎn)生的大風和短時強降水等信息。使用江西二維和三維閃電觀測數(shù)據(jù),在閃電數(shù)據(jù)處理中,使用了閃電定位算法和閃電頻次算法等方法,以獲得總閃電次數(shù)、負閃電次數(shù)、正閃電次數(shù)和正負閃電強度(KA)等信息。使用MICAPS平臺分析中尺度天氣系統(tǒng),獲得不同高度上中尺度天氣系統(tǒng)的分布情況。使用江西WebGIS雷達拼圖組合反射率因子CR產(chǎn)品圖,分析雷暴回波短帶的移動和演變;在雷達數(shù)據(jù)處理中,使用了多部雷達相互彌補、雙線性插值和中值濾波等方法,以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和拼圖美觀度,突出雷達回波經(jīng)典時刻回波特征,對雷暴回波短帶在強降水和大風事件中的回波特征進行分析。

2 天氣實況和天氣系統(tǒng)配置

2.1 天氣實況

2.1.1 雷暴大風和強降水 2023年5月17日,江西中北部出現(xiàn)一次由于雷暴回波短帶造成的強對流天氣過程。過程維持時間約6 h,地面伴隨雷暴大風(圖1(a))和短時強降水(圖1(b)),區(qū)域站降水達到暴雨量級(圖1(c))。

(a)國家站6小時極大風速 ;(b)國家站6小時雨量 ;(c)區(qū)域站6小時雨量

2.1.2 較強的閃電活動 閃電是雷暴天氣中能量釋放的結(jié)果,對于預測強降水和大風的發(fā)生具有較高的參考價值。雷暴一般發(fā)生在氣壓低、溫度高、濕度大、對流不穩(wěn)定的天氣條件下。在這種情況下,空氣中的水蒸氣會被加熱上升,形成積雨云。當云體發(fā)展到一定程度時,云中產(chǎn)生的靜電會不斷積累。當靜電達到一定強度時,會發(fā)生放電現(xiàn)象,就是人們常說的閃電。

研究表明,雷暴回波短帶的閃電密度較高,出現(xiàn)強天氣現(xiàn)象前閃電次數(shù)出現(xiàn)一個高峰,強天氣出現(xiàn)后閃電次數(shù)又出現(xiàn)一個高峰,整個閃電過程中展現(xiàn)出明顯的多峰特征(圖2(a))。閃電強度(kV)基本上在100 kV之內(nèi),正負閃強度對稱(圖2(b))。閃電信息在預測其強降水和雷暴大風的能力方面有較好的預報指示意義。

(a)總閃、正閃和負閃次數(shù) ;(b)正負閃電強度(kA)

2.2 天氣系統(tǒng)配置

天氣系統(tǒng)和雷暴之間存在著密切的關(guān)系,了解天氣系統(tǒng)的動態(tài)變化情況對于預測和防范雷暴事件至關(guān)重要。

2023年5月17日08時,200 hPa(圖3(a))存在一支風速≥40 m/s的大風區(qū)橫穿江西北部,這支氣流被稱為“出流區(qū)”。500 hPa(圖3(b))江西處在槽前西南氣流中,江西以北(32°N)附近有一低渦發(fā)展。850 hPa(圖3(c))江西北部受低渦切變線影響,盛行西南氣流,南昌達到20 m/s,這支西南急流為強降水創(chuàng)造了很好的水汽條件。11時地面(圖3(d))整個江西中北部受低氣壓影響,低層輻合加強,地面輻合線位于江西中北部,輻合力量較強,個別站達到22 m/s,這為午后雷暴回波短帶的形成提供了觸發(fā)機制。低層濕熱,高層干冷,上干下濕層結(jié)構(gòu)形成極不穩(wěn)定的大氣層結(jié),有利于雷暴回波短帶的發(fā)展和加強。

(a)200 hPa ;(b)500 hPa ;(c)850 hPa ;(d)地面11時

3 雷達回波特征

3.1 雷暴回波短帶回波演變

雷暴回波短帶在強降水和大風事件中的回波演變規(guī)律。在雷暴發(fā)展初期12:00,雷暴回波短帶通常呈現(xiàn)出不是很強的回波和較弱的閃電活動(圖4(a))。在低渦回波團(絮狀回波團后側(cè))地面輻合線附近發(fā)展。隨著時間的推移,13:00回波特征逐漸變化,回波強度快速增強發(fā)展,閃電開始增多(圖4(b))。14:00(圖4(c)),位于進賢的強回波單體,產(chǎn)生24 m/s雷暴大風。15:00(圖4(d)),雷暴回波短帶形成,萬年、進賢等站出現(xiàn)強降水。16:00(圖4(e)),鷹潭、貴溪等站出現(xiàn)強降水。17:00(圖4(f)),橫峰等站出現(xiàn)強降水。

(a)12:00 ;(b)13:00 ;(c)14:00 ;(d)15:00 ;(e)16:00 ;(f)17:00

雷暴回波短帶由多個雷暴單體強回波組成,單體回波強度CR在50～55 dBZ之間,明顯比江西冰雹超級單體回波偏弱。但雷暴回波短帶產(chǎn)生強降水的可能性較大,一些55 dBZ強單體回波會導致雷暴大風天氣的發(fā)生。雷暴回波短帶的持續(xù)時間較短,從14時產(chǎn)生強天氣開始到結(jié)束強天氣,一般在1—3 h之間,比起超級單體或強颮線回波系統(tǒng)維持時間要短。

3.2 雷暴回波短帶回波特征

雷暴回波通常表現(xiàn)為比較強烈的回波單體結(jié)構(gòu),其特征往往取決于回波的強度和形狀。雷暴回波短帶是由多個雷暴回波單體排列成帶所組成的回波帶,其特征包括回波強度較強(50～55 dBZ)、回波頂較高(10～12 km左右)、回波帶較短(相比冷鋒回波帶和颮線回波帶),影響區(qū)域較小,持續(xù)時間較短,短帶上回波單體強度分布不均勻等。雷暴回波短帶通常在局部產(chǎn)生強降水,有時可能伴隨著雷暴大風等極端天氣事件。不同類型的雷暴回波表明了一些特定天氣現(xiàn)象,而雷暴回波短帶則是其中最常見的一種類型。

這次雷暴回波短帶有2個時刻出現(xiàn)強天氣,一是14:00(圖5(a))雷暴回波短帶南段強回波單體造成進賢24.5 m/s雷暴大風;二是15:00(圖5(b))雷暴回波短帶中段強回波單體不斷已過萬年站造成33.0 mm/h短時強降水。

(a)14:00 ;(b)15:00

3.3 雷暴回波短帶垂直結(jié)構(gòu)

垂直積分液態(tài)水含量 (VIL) 是一種雷達降水估算中常用的指標,用于估算垂直方向上的降水。它是由雷達反射率因子與垂直方向變化的積分值相乘得到的。在雷達反射率因子雷達方程中,探測目標物直徑越大反射率因子越強。這就是為什么冰雹回波的VIL普遍強于其他回波VIL的原因。降水粒子永遠大不過冰雹胚胎,因此,強降水的VIL在20～25 kg/m2附近,而一般降水的VIL都在10 kg/m2以下。

VIL圖上,雷暴大風單體VIL和強降水單體VIL都在20～25 kg/m2附近,表明雷暴大風和強降水的VIL還較大。沿進賢雷暴大風(圖6(a))和萬年強降水(圖6(c))的強中心做徑向剖面,得到2個強雷暴單體的垂直結(jié)構(gòu)。13:58(圖6(b))南昌SA雷達觀測到進賢24.5 m/s雷暴大風,中心強度達到60 dBZ,55 dBZ回波頂在6 km,50 dBZ回波頂在7 km,強回波頂上方出現(xiàn)虛假旁瓣回波,回波垂直結(jié)構(gòu)具有傾斜。14:32(圖6(b))上饒SA雷達觀測到萬年33.0 mm/h短時強降水,中心強度達到60 dBZ,55 dBZ回波頂在5 km,50 dBZ回波頂在6 km,回波垂直結(jié)構(gòu)直上直下。回波垂直結(jié)構(gòu)反映云體垂直分布狀態(tài),能夠有效地描述回波的發(fā)展狀態(tài)。當55 dBZ強回波單體發(fā)展比較高時(6 km以上),垂直結(jié)構(gòu)具有明顯傾斜,意味著其出現(xiàn)雷暴大風的可能性較高。當55 dBZ強回波單體發(fā)展比較低時(6 km以下),垂直結(jié)構(gòu)直上直下,意味著其出現(xiàn)強降水的可能性較高。在垂直結(jié)構(gòu)上,雷暴回波單體的高度分布表明其形成與對流活動強弱密切相關(guān)。

(a)VIL;(b)RCS 13:58 南昌(9791)雷達;(c)VIL;(d)RCS 14:32 上饒(9793)雷達

4 結(jié)論

本文研究了雷暴回波短帶與強降水和大風的關(guān)系及其回波特征和回波演變。通過對多組實例數(shù)據(jù)的分析,得出如下結(jié)論。

1)雷暴回波短帶造成較大面積短時強降水和雷暴大風等強天氣,閃電密度較高,閃電出現(xiàn)多峰特征,閃電強度在100 kV之內(nèi)。雷暴回波短帶發(fā)生在200 hPa“出流區(qū)”、500 hPa槽前西南氣流低渦發(fā)展、850 hPa低渦切變線西南氣流大氣環(huán)流中,地面低氣壓和輻合線發(fā)展,為午后雷暴回波短帶的形成提供了觸發(fā)機制。

2)雷暴回波短帶在強降水和雷暴大風事件中的回波演變。在雷暴發(fā)展初期12:00,雷暴回波短帶通常呈現(xiàn)出不是很強的回波和較弱的閃電活動。在低渦回波團(絮狀回波團后側(cè))地面輻合線附近發(fā)展。隨著時間的推移,13:00回波特征逐漸變化,回波強度快速增強發(fā)展,閃電開始增多。14:00,位于進賢的強回波單體,產(chǎn)生24 m/s雷暴大風。15:00,雷暴回波短帶形成,萬年、進賢等站出現(xiàn)強降水。16:00,鷹潭、貴溪等站出現(xiàn)強降水。17:00,橫峰等站出現(xiàn)強降水。

3)雷暴回波短帶是由多個雷暴回波單體排列成帶所組成的回波帶,其特征包括回波強度較強(50～55 dBZ)、回波頂較高(10～12 km左右)、回波帶較短(相比冷鋒回波帶和颮線回波帶),影響區(qū)域較小,持續(xù)時間較短,短帶上回波單體強度分布不均勻等。雷暴回波短帶通常在局部產(chǎn)生強降水,有時可能伴隨著雷暴大風等極端天氣事件。

4)垂直積分液態(tài)水含量 (VIL) 是一種雷達降水估算中常用的指標,用于估算垂直方向上的降水。它是由雷達反射率因子與垂直方向變化的積分值相乘得到的。在雷達反射率因子雷達方程中,探測目標物直徑越大反射率因子越強。這就是為什么冰雹回波的VIL普遍強于其他回波VIL的原因。降水粒子永遠大不過冰雹胚胎,因此,強降水的VIL在20～25 kg/m2附近,而一般降水的VIL都在10 kg/m2以下。