郭慶利，薛波，黨英娜

（1.南京大學(xué)大氣科學(xué)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(fēng)的多普勒雷達(dá)回波特征

郭慶利1,2，薛波2，黨英娜2

（1.南京大學(xué)大氣科學(xué)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(fā)生雷電時伴有8級（極大風(fēng)速達(dá)到17.3 m/s）以上大風(fēng)，煙臺多普勒雷達(dá)產(chǎn)生的回波進(jìn)行分析，得出災(zāi)害性雷雨大風(fēng)發(fā)生時多普勒雷達(dá)徑向速度回波有4種類型，分別是大風(fēng)區(qū)型、逆風(fēng)區(qū)型、近地層輻散型、中氣旋型；反射率因子回波強(qiáng)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(fēng)；徑向速度；中氣旋；特征

1 引言

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

2 資料來源

本研究設(shè)定雷雨大風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)雷暴造成的地面測站或自動站測得的極大風(fēng)速大于17.3 m/s（8級）的地面強(qiáng)風(fēng)，大風(fēng)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(dá)產(chǎn)品資料為煙臺多普勒雷達(dá)觀測的雷達(dá)產(chǎn)品。

3 渤海海峽雷雨大風(fēng)的時空分布規(guī)律

雷雨多發(fā)生在春夏兩季，因自動站沒有天氣現(xiàn)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(jié)果可以代表渤海海峽雷雨大風(fēng)的時空分布規(guī)律。2004～2008年（4～10月），發(fā)現(xiàn)長島共出現(xiàn)102個雷暴日，伴有8級以上雷雨大風(fēng)有25次，其中6月出現(xiàn)次數(shù)最多，7月次之，10月最少。在雷雨大風(fēng)出現(xiàn)時間上，有48%出現(xiàn)在凌晨，24%出現(xiàn)在中午，28%出現(xiàn)在傍晚。從雷雨大風(fēng)出現(xiàn)的風(fēng)向特點來來看，61%為偏西風(fēng)，39%為東南風(fēng)。

4 多普勒雷達(dá)徑向速度圖特征

新一代天氣雷達(dá)即多普勒雷達(dá)與常規(guī)天氣雷達(dá)相比，最大的優(yōu)勢在于能夠提取降水云體中的風(fēng)場信息，對災(zāi)害性大風(fēng)，特別是與風(fēng)害和冰雹相伴隨的災(zāi)害性大風(fēng)有很好的監(jiān)測和預(yù)警作用。徑向風(fēng)場的分析可以根據(jù)典型風(fēng)場的徑向分量表現(xiàn)出的特殊結(jié)構(gòu)特征，對強(qiáng)對流天氣伴隨的典型風(fēng)場進(jìn)行識別。

徑向速度分布圖是判斷強(qiáng)對流天氣的一種有效工具，在識別風(fēng)害時特別有效。強(qiáng)對流天氣的出現(xiàn)和發(fā)展往往和氣流的輻合、輻散以及氣流的旋轉(zhuǎn)有關(guān)[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(fēng)發(fā)生時徑向速度回波特征，總結(jié)歸納出4種類型：大風(fēng)區(qū)型、逆風(fēng)區(qū)型、近地層輻散型、中氣旋型。

4.1 大風(fēng)區(qū)型

水平尺度在150 km范圍內(nèi)、高度在2 km以下，0.5°仰角雷達(dá)徑向速度在20 m/s以上的區(qū)域為大風(fēng)區(qū)域。大風(fēng)區(qū)內(nèi)地面常會出現(xiàn)極大風(fēng)速8級以上的大風(fēng)天氣，且實際地面風(fēng)速大小與徑向速度值大小成正比。大風(fēng)區(qū)的位置不同，所表征的物理意義不盡相同。當(dāng)大風(fēng)區(qū)位于強(qiáng)對流回波帶的前方時，是雷暴體內(nèi)的下沉氣流形成的雷暴出流；而當(dāng)大風(fēng)區(qū)位于強(qiáng)回波帶的后側(cè)時，是作為后側(cè)入流進(jìn)入云體的，使對流回波向前凸起，形成弓狀。前者預(yù)示著雷暴回波已進(jìn)人消散期，將很快減弱，雷雨大風(fēng)將停止。后者則預(yù)示著線狀強(qiáng)回波帶處于發(fā)展一成熟期，雷暴回波發(fā)展速度減緩，回波強(qiáng)度將基本維持，所經(jīng)之處仍將出現(xiàn)明顯的雷雨大風(fēng)天氣。這種實例很多，可以作為出現(xiàn)雷雨大風(fēng)的預(yù)報指標(biāo)。例如2007年7月28日，多普勒雷達(dá)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(fēng)速分別是22.8 m/s、21.3 m/s）大風(fēng)區(qū)位于強(qiáng)回波帶后側(cè)，雷暴處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，此后一直以20 m/s以上的速度朝向雷達(dá)站移動，經(jīng)過雷達(dá)站以后，大風(fēng)區(qū)逐漸移到強(qiáng)回波帶前端，經(jīng)過牟平區(qū)后迅速減弱，說明雷暴已進(jìn)入消散期。根據(jù)自動站資料對比可以看出，煙臺北部沿海地區(qū)出現(xiàn)8～9級雷雨大風(fēng)，與大風(fēng)區(qū)的移動路徑基本一致。

4.2 逆風(fēng)區(qū)型

逆風(fēng)區(qū)型是指在大片正（負(fù)）速度區(qū)中，出現(xiàn)了一片負(fù)（正）速度區(qū)，并有明顯的零速度圓環(huán)或半圓環(huán)將二者隔開[2]。逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)表明此處的風(fēng)向發(fā)生了劇烈的變化，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的風(fēng)切變和輻合。當(dāng)云團(tuán)進(jìn)入“逆風(fēng)區(qū)”時，發(fā)展更加強(qiáng)盛，回波強(qiáng)度往往增強(qiáng)。如圖2（a）中，雷達(dá)東北方向的牟平區(qū)附近（距離雷達(dá)中心約28 km），有小塊逆風(fēng)區(qū)，2005年6月14日中午牟平區(qū)觀測極大風(fēng)速20.5 m/s。再如圖2（b）中，雷達(dá)西北方向的長島附近有一逆風(fēng)區(qū)，2004年5月16日中午長島觀測極大風(fēng)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(nèi)、500 m高度以下、沿徑向排列的、正負(fù)速度中心相距不遠(yuǎn)（＜10 km）的速度偶，指向雷達(dá)的負(fù)速度位于靠近雷達(dá)一側(cè)，而離開雷達(dá)的正速度位于遠(yuǎn)離雷達(dá)的一側(cè)[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(xiàn)為正負(fù)速度區(qū)沿徑向排列、負(fù)（正）速度位于靠近雷達(dá)一側(cè)，正（負(fù)）速度位于遠(yuǎn)離雷達(dá)[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(dá)20 km，高度500 m處有一類似牛眼的正負(fù)速度偶，正負(fù)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(fēng)向在各高度層時為匯合。地面實況：半島北部出現(xiàn)大風(fēng)天氣，其中長島縣極大風(fēng)速24.1 m/s，蓬萊市極大風(fēng)速20.3 m/s，并伴有冰雹。

再如2008年5月25日早晨煙臺市區(qū)出現(xiàn)雷雨大風(fēng)，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(dá)站水平50 km內(nèi)，零速度線呈東北-西南走向，說明低層風(fēng)向為東南風(fēng)。并且在同一高度上風(fēng)向發(fā)生180°的逆轉(zhuǎn)，說明低層存在很強(qiáng)的輻散場。在50 km處零速度線突然呈直角順轉(zhuǎn)90°彎向正速度區(qū)，說明此時風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng)。這種風(fēng)向在垂直方向上的不連續(xù)性，說明大范圍風(fēng)場中存在中小尺度的強(qiáng)輻合上升系統(tǒng)。隨后回波整體向東移動，5點11分達(dá)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(fēng)速最大，東口自動站極大風(fēng)速28.3 m/s。近地面處于輻散區(qū)，此時風(fēng)速仍然較大。到6點30分左右，回波整體移出煙臺市區(qū)域，風(fēng)力減弱為6級以下。1.5°和2.4°仰角，入流區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于出流區(qū)域，說明中層有明顯的輻合存在。地面實況：煙臺五區(qū)和蓬萊市東部地區(qū)的大多數(shù)自動站的極大風(fēng)速都達(dá)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(jù)中尺度渦旋的理想環(huán)流模型—藍(lán)金模式[2]，在多普勒速度圖上，沿方位排列、負(fù)速度中心位于雷達(dá)徑向左側(cè)、正速度中心在右側(cè)的速度偶，稱之為純氣旋。沿雷達(dá)徑向排列、正速度中心靠近雷達(dá)一側(cè)、負(fù)速度中心遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)的速度偶，稱之為純輻合。當(dāng)速度偶的正負(fù)速度中心既不等距離也不在同一個雷達(dá)徑向時，若正速度中心更靠近雷達(dá)，且負(fù)速度中心位于雷達(dá)徑向的左側(cè)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(jù)的純氣旋或氣旋式輻合[2]：（1）核區(qū)直徑〔最大入流速度（正速度）和最大出流速度（負(fù)速度）間的距離小于等于10 km；（2）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動速度判據(jù)示意圖”[1]中相應(yīng)的數(shù)值；（3）垂直伸展厚度大于等于3 km；（4）滿足上面三類指標(biāo)的持續(xù)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(yán)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(fù)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(fù)速度中心位于雷達(dá)左側(cè)，而輻散型的速度偶基本上是沿徑向排列，且負(fù)速度中心靠近雷達(dá)。

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(dá)站西北約90 km左右存在著一對速度偶，核區(qū)直徑約8 km,轉(zhuǎn)動速度為21 m/s，根據(jù)“中氣旋識別的轉(zhuǎn)動速度判據(jù)示意圖”（見《多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用》書中圖5.36），已超過該距離上中等強(qiáng)度的中氣旋轉(zhuǎn)動速度判據(jù)。疊加的中尺度氣旋圖上該區(qū)域持續(xù)出現(xiàn)多個中氣旋。在8:19時，該速度偶就已出現(xiàn)，持續(xù)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(xiàn)極大風(fēng)速25.1 m/s的西北大風(fēng)，蓬萊出現(xiàn)極大風(fēng)速21.7 m/s西北西大風(fēng)，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(fēng)屬于強(qiáng)對流天氣的一種，對流降水的多普勒雷達(dá)反射率回波強(qiáng)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(jù)雷達(dá)氣象學(xué)的定義，同時為方便歸納統(tǒng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長度，塊狀是指單個回波或多個回波單體組成的團(tuán)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(xiàn)災(zāi)害性天氣的區(qū)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(chǎn)生災(zāi)害性大風(fēng)。最強(qiáng)的反射率因子和最大的風(fēng)速一般位于弓形回波的頂部[3]，在回波頂點的后側(cè)，可見明顯的入流急流進(jìn)人云體內(nèi)，因而弓形回波頂也是移動最快的部分。在實際強(qiáng)對流天氣中，弓形回波是比較常見的一種回波形態(tài)。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(fēng)區(qū)域基本都位于弓形回波的前端，越靠近前端風(fēng)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(jīng)過龍口市，且龍口站位于弓形最突出的部位，大部分回波強(qiáng)度在50～55 dbz，其中最強(qiáng)達(dá)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(fēng)速都為20.9 m/s，長島為19.4 m/s?？梢钥闯觯c上述結(jié)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(fā)展較快，開始時是尺度、強(qiáng)度和數(shù)量均呈增長之勢的分散風(fēng)暴。隨著風(fēng)暴的發(fā)展加強(qiáng)下曳氣流和外流，這有助于陣風(fēng)鋒從母風(fēng)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(fēng)鋒）。根據(jù)颮線向假相當(dāng)位溫高值區(qū)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(jié)構(gòu)越均勻（線性），則沿著颮線越不可能產(chǎn)生災(zāi)害性天氣[2]。強(qiáng)天氣往往發(fā)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(xù)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(fēng)暴可能成為強(qiáng)風(fēng)暴，甚至成為超級單體風(fēng)暴，并且一直持續(xù)到颮線離開邊界之時。實況資料表明，斷裂處經(jīng)過的地方，風(fēng)力比其他地方明顯偏大，而且颮線移過的地方，風(fēng)力明顯增強(qiáng)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(dá)產(chǎn)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(fēng)廓線以及垂直累積液態(tài)含水量等特征分析，產(chǎn)生8級以上雷雨大風(fēng)時，其共同特點是風(fēng)場的垂直切變較強(qiáng)，一般在2 km左右高度，有時表現(xiàn)為風(fēng)速的切變，有時表現(xiàn)為風(fēng)向的切變。如圖8，風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，說明有雷暴高壓存在，而且在系統(tǒng)的前部3 km以上為西南風(fēng)，有輻合，系統(tǒng)影響時為西北氣流，氣流隨著雷暴高壓前緣輻散下沉，產(chǎn)生下?lián)舯┝?，造成?zāi)害性天氣。再如圖9，在1.5 km高空附近形成一個風(fēng)速變化帶，兩個層次上風(fēng)速相差12 m/s以上，實況地面出現(xiàn)大風(fēng)天氣。

從VIL產(chǎn)品特征分析，雷雨大風(fēng)是風(fēng)暴發(fā)展到較強(qiáng)程度時出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象，因此，經(jīng)常伴隨著較大VIL值。一般當(dāng)VIL值大于30 kg·m-2時，說明風(fēng)暴發(fā)展強(qiáng)度較強(qiáng)，出現(xiàn)8級以上雷雨大風(fēng)的可能性也較大。

7 結(jié)論

這里主要根據(jù)煙臺新一代天氣雷達(dá)的徑向速度和反射率因子及其導(dǎo)出產(chǎn)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(dá)資料及其產(chǎn)品分析和強(qiáng)對流識別的能力。

（1）雷雨大風(fēng)在徑向速度圖上經(jīng)常表現(xiàn)為大風(fēng)區(qū)型，大風(fēng)區(qū)離地面越近，發(fā)生下?lián)舯┝?、造成地面?zāi)害性大風(fēng)的可能性就越大。徑向速度峰值越高，地面風(fēng)速就越大。這是預(yù)報雷雨大風(fēng)的指標(biāo)，一般可以提前20～30分鐘發(fā)出預(yù)警；

（2）近地層輻散型、逆風(fēng)區(qū)型也是雷暴大風(fēng)的重要指標(biāo)；

（3）中氣旋特征出現(xiàn)的幾率雖然不高，但卻是強(qiáng)烈天氣的重要標(biāo)志。一旦出現(xiàn)中氣旋特征，往往預(yù)示著短時暴雨或大暴雨、冰雹、災(zāi)害性大風(fēng)等強(qiáng)烈天氣的發(fā)生；

（4）產(chǎn)生雷雨大風(fēng)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(qiáng)烈天氣的發(fā)生密切相關(guān)；

（5）雷雨大風(fēng)出現(xiàn)時，風(fēng)場上表現(xiàn)為較為明顯的垂直切變；

（6）造成雷雨大風(fēng)的回波強(qiáng)度強(qiáng)，移速快，垂直累積含水量也高得多。

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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(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)。E-mail:gqlyt@sina.com.