大连地区雷暴大风探空资料和雷达回波特征分析

《大连地区雷暴大风探空资料和雷达回波特征分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大连地区雷暴大风探空资料和雷达回波特征分析（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、大连地区雷暴大风探空资料和雷达回波特征分析刘晓初1，李潇潇1，李 燕1，李雪松1，黄振2【摘 要】摘要：利用加密自动站、探空、天气雷达等资料对 20112016 年 59 月大连地区的 16 个雷暴大风过程进行研究，分析了雷暴大风发生前的探 空特征、雷达回波演变特征以及雷达产品识别指标。结果表明，按照雷达回波 形态演变，将雷暴大风划分为低层径向速度大值区、单体型和弓状型 3 种类型， 影响大连地区最多的是低层径向速度大值区型雷暴大风。探空资料方面，单体 型和弓状型雷暴大风发生前均显示一定程度的层结不稳定和中等强度对流有效 位能，尤其是低层充沛的水汽条件；单体型和弓状型大风均产生在中等强度垂 直

2、风切变条件下。3 种类型大风的雷达产品特征有一定差异。对单体型雷暴大 风的预警难度较大，对弓状型雷暴大风可以做到提前1h以内的预警。期刊名称】安徽农业科学年(卷),期】2017(045)011总页数】6关键词】雷暴大风；探空资料；雷达回波；雷达产品；大连地区雷暴大风是由对流风暴产生的龙卷以外的地面直线型大风，风速17 m/s1-2。雷暴大风具有空间尺度小、突发性强、破坏力大等特点，一直是预报预警的重 点和难点。强对流天气临近预报(02 h)主要依靠加密自动站、卫星云图、天气雷达、闪电定位仪等观测设备对风暴单体演变进行观测分析 2，对风暴未来 强度和移向移速的变化进行判断做出预警。另外，作为强对

3、流潜势预报 3-4中 的重要资料，探空资料能够反映强对流天气发生前周围大气垂直方向上的温湿 结构。某些物理量的差异能够一定程度上表征特定中尺度环境下某种强对流天气更容易发生。廖晓农等5研究发现，北京地区大多数雷暴大风个例中伴随有 干冷空气的入侵。雷蕾等6在利用探空资料判别北京地区夏季强对流天气分类 中发现，0 C层高度、-20 C层高度、500 hPa与850 hPa温差等物理量的差 异能够区分出冰雹和短时暴雨天气。但预报中常用的对流有效位能 (CAPE)、 K 指数能用来判断强对流潜势，无法判别强对流的种类。樊李苗等7分析探空资 料发现，探空资料特征为“漏斗”状，上干下湿， 850 hPa

4、以下为湿层，对流 层中层存在明显干层，容易出现雷暴大风。目前，新一代天气雷达是揭示对流风暴结构特征的最有效工具之一。预报员通 常通过雷达回波的演变特征和雷达产品特征量阈值来进行预报预警。吴翠红等 8根据回波形态演变将产生雷暴大风的雷达回波分为单体型、弓状型和飑线型3 种，并且对每种类型的雷达回波强度、回波顶高、 CAPE 等产品特征进行统 计分析。近年来，利用雷达拼图数据对雷暴大风进行定量、自动识别的系统和 方法不断出现9-10。大连地区 59 月强对流天气频发，气象台针对每次灾 害性强对流过程进行过雷达回波个例分析，但尚未对不同类型的强对流天气的 探空资料和雷达回波特征进行分类研究。笔者利用

5、加密自动站、探空、天气雷 达等资料对 20112016 年 59 月大连地区的 16 个雷暴大风过程进行研究， 主要对雷暴大风发生前的探空特征、雷达回波演变特征以及雷达产品识别指标 进行分析，以期为雷暴大风预警提供指导依据。1 资料与方法采用 20112016 年 59 月大连地区自动站观测资料、大连本站探空资料以 及大连、秦皇岛和营口 3 个雷达站(表 1)的雷达资料和灾情上报信息对 46 次强 对流过程进行分析。一次过程中同时观测到多种强对流天气，为了便于分类研究，将灾情上报信息 和多种观测资料结合确定为某种强对流天气。如灾情上报信息中致灾天气现象 为雷暴大风，并且出现灾情附近自动站极大风

6、风速17 m/s,雷达回波符合雷 暴大风特征，认为此次过程是雷暴大风个例。如果灾情上报信息中表述为雷暴 大风，即使附近自动站无大风观测记录，只要雷达回波有明显的雷暴大风特征， 也认为是一次雷暴大风个例。其他强对流个例 （冰雹、短时强降雨 ）分类方法与 雷暴大风相同。另外，如果灾情上报信息、雷达回波特征和自动站资料均不明 显指向某种强对流天气现象，则认为是一般混合性强对流过程。46 次过程中包 括雷暴大风16 次、冰雹8次、短时强降雨16次、混合型6次。2 探空特征从 20112016 年 46 次强对流个例发生前每种个例探空资料部分特征量的平均值（表2）可以看出，冰雹的0 C层和-20 C层高

7、度最低，分别为3.5和6.6km ，短时强降雨的2个特征层高度最高，这可能由于大连地区冰雹经常发生在 春秋季节，而短时强降雨通常发生在78月盛夏时节。雷暴大风的0 C和- 20 C层高度与混合型强对流的差别很小，特征不明显。雷暴大风的700 hPa 与500 hPa温差最小；雷暴大风的地面露点温度、850 hPa与500 hPa温差 和1.5 km高度露点温度的平均值介于冰雹和其他两类之间。06 km垂直风 切变，雷暴大风平均值最大，为15 m/s，达到中等以上强度。1.5 km高度温 度露点差平均值，雷暴大风最大，达7.3 C,明显大于其他3种强对流分类平 均值，符合对流层中低层存在一层相对

8、干层的特征。不同类型的雷暴大风的探空值也表现出不同特征。从伴随雷暴大风的雷达回波 形态演变特征上划分,大连地区雷暴大风个例分为低层径向速度大值区、单体 型、弓状型(包括飑线型)3种。其中，低层径向速度大值区有7个个例，单体型 有 3 个个例，弓状型有 6 个个例。严格地，低层径向速度大值区对应的大风不 是由对流风暴的下沉气流和出流边界导致的阵风锋造成，大多数个例对应的是 由低空急流造成和伴有雷暴的沿海站点的大风观测值。从表3可看出，低层径向速度大值区个例，K指数为-234 J CAPE值为 0 1 087.7 J/kg，由于该型大风不是真正概念上的雷暴大风，对流发生前不一 定对应强烈的不稳定层

9、结特征。单体型对应的K指数为28 36 J, CAPE值 为1 084.4 -1 270.7 J/kg ;弓状型对应的K指数为21-44 J, CAPE值为605.2 2 241.1 J/kg，这2种类型雷暴大风发生前探空资料上均显示一定程度 的层结不稳定和中等强度对流有效位能。地面露点温度和 1.5 km 高度露点不 仅指示低层水汽条件,也能够指示低层不稳定能量条件。低层径向速度大值区 个例中,低层水汽条件变化范围大,无明显特征。但单体型和弓状型雷暴大风 则是伴随强烈的不稳定能量释放,因此需要大量的低层水汽和不稳定能量;低 层水汽条件相对更好,地面露点温度在17 - 25 J。850 hPa

10、 露点温度由于中高层干冷空气侵入的强度不同,差别较大, 3 种类型 无明显差异。700 hPa与500 hPa温差T75)、850 hPa与500 hPa温差 (T85)反映的是中低层大气层结的稳定度，低层径向速度大值区类型的订75 为 14 -17 J,T85 为 21-29 C。单体型的订75 为 15 -17 J,T85 为 27-28 C;弓状型的订75为15 -18 C,T85为24-30 C;没有明显特 征区别。雷暴大风对应较强的0-6 km垂直风切变，低层径向速度大值区类型 的大风个例的风切变为6-22 m/s,变化范围较大。但单体型和弓状型由对流 风暴造成雷暴大风需要在中等强度

11、以上的垂直风切变环境下(10-18 m/s)。1.5 km 高度温度露点差只是某一层的数值，不能完全指示干空气侵入强度；所有 个例中，差别也很大。较大的对流层中下层的温度直减率有利于保持下沉气流 在下沉增温过程中其温度始终低于环境温度，保持向下加速度。单体型和弓状 型个例的探空曲线上中低层的温度直减率相对较大。3 雷达回波演变特征与产品识别 根据雷达回波形态演变和雷达产品特征，将产生雷暴大风的雷达回波分为低仰 角径向速度大风、单体型雷暴大风、弓状型（包括飑线）雷暴大风 3 种类型。严 格意义上，低仰角大风不属于由对流风暴造成的雷暴大风，而是地面自动站观 测到瞬时大风时伴有雷暴和降水。大连地区该

12、型地面大风频发，在此一并讨论。 3.1 低层径向速度大值区大风 此类大风个例有7个。其特征为：如果在低空（距 离地面 1 km 高度以内，对于 0.5仰角，标准大气压下，距离雷达站水平距离 65 km范围内）径向速度出现20 m/s以上的大值区，可以判断该区域的地面风 也很大，该风速大值区未来移向的区域将会出现地面大风。该型大风的雷达回波特征决定了只有在雷达站附近才有可能识别地面大风。以2016年6月30日个例展开分析。从17:34的0.5仰角径向速度（图1a）可以 看出，大连雷达站西南侧距离雷达站5-10 km, 0.3 km高度附近有负径向速 度最大值为26 m/s、正径向速度最大值为27

13、 m/s的大风区。18:40大连本 站出现21.4 m/s的西南风，距离径向速度图上的大风特征出现约60 min。仅 从同时刻基本反射率图（图1b）上看，雷达回波为大范围片状混合性回波，嵌入 其中的最大强度为 45-50 dBz 强回波位于南部渤海海峡，影响大连本站附近 的回波最大强度为30 - 40 dBz ，刚刚达到强对流标准（35 dBz） ，强对流天气以 对流性降雨为主，地面大风只能从低层径向速度大值区判别。该型大风往往出 现在低空偏南或西南急流中。从雷达产品特征值（表4）上看，7个个例中回波的最大强度为38-53 dBz，回 波顶高范围是8-11 km,回波移速为20-40 km/h

14、，这3种雷达产品特征与 由下沉气流和阵风锋造成的雷暴大风个例区别不大。但垂直累积液态水含量 （VIL）最大值（328 kg/m2）、垂直累积液态水含量密度（VILD）（0.42.5 g/m3） 小于对流风暴产生的雷暴大风特征值。 VIL 随时间变率与单体型雷暴大风和弓 状型雷暴大风无明显差异。VILD变化范围为0.4-2.5 g/m3，原因是尽管回波 顶高变化范围较小，但 VIL 最大值变化范围较大，造成两者比率变化范围较大， 总体上明显小于单体型和弓状型雷暴大风VILD。雷达产品中最重要的特征出现 在径向速度图上，在雷达站半径高度 1 km 以内均识别到接近或大于 20 m/s 的径向速度大

15、值区。3.2 单体型雷暴大风从单体型雷暴大风3个个例的探空资料（表3）来看，地面露 点为20 22 C,近地面水汽条件较好,0-6 km垂直风切变为12 m/s，属 于中等强度。从其他各项探空指标（表3）上看，环境大气的稳定度较差，有利于 对流风暴的产生和发展。单体型雷暴大风往往与强风暴单体的后侧下沉气流对 应,也通常伴随有中气旋特征指示。3 个个例均处在高空偏北流场背景场下,风暴总体向南移动,强度迅速加强, 出流边界特征不明显。以2014年6月30日过程为例,15:04瓦房店站观测 到 20.4 m/s 的瞬时极大风,大连中部地区存在 2 个对流风暴单体,南侧强风 暴最大回波强度达63 dB

16、z，回波顶高达13 km , VIL最大值达38 kg/m2，风 暴处于成熟阶段（图2a和表5）。同时刻强度剖面图（图2b）显示，最大强度回波 处于3 km高度以下。径向速度剖面图上（图2c）,3-5 km高度附近为径向辐 合,6-13 km高度为径向辐散，无中气旋产品对应。此时观测到的地面大风并非确切指向下沉气流到达近地面辐散后造成。另外，强风暴单体水平尺度仅 为几到几十公里，生命史为几十分钟到几小时，地面雷暴大风预警提前时间和 落区难度较大。分析单体型雷暴大风发生时对应的部分雷达产品指标（表 5）发现，3 个个例的最 大回波强度均达63 dBz , VIL最大值达38-48 kg/m2，回

17、波顶高达11 14 km，成熟阶段对流发展非常旺盛；对流风暴单体总体的移动方向均为朝向雷达 站，与径向方向基本平行，移速达 30-40 km/h；VIL 从最大值到下一个体扫 的变量达10 -15 kg/m2，其较大的时间变率与地面大风对应；VILD达3.0 - 4.5 g/m3。3.3 弓状型（飑线型）雷暴大风 影响大连地区的弓状型回波通常由上游位于西侧 的渤海中部海域东移或位于西北侧的渤海北部东南移过来，时长为几十分钟到 几小时，一般初始阶段的弓状型回波在秦皇岛（西侧）或营口（西北侧）雷达站显示 出的弓状型特征不是十分明显，由于弓状型回波发展迅速，移速较快，到达大 连西部沿海地区时对流风暴

18、系统多数已处于弓状型的成熟阶段。因此，大连上 游雷达站（秦皇岛和营口）的雷达回波探测识别尤为重要。以2013年8月5日凌晨为例。5日02:06,瓦房店本站观测到20 m/s的极 大风。秦皇岛雷达站（图3）显示，4日22:00回波处于发展阶段，雷达站西侧 南北2个短带回波东移过程中合并加强，最大回波强度达60 dBz ，组织性逐渐 加强，带状结构明显，能够识别出弓状的演变趋势，并且强回波带后部有片状 相对弱回波区；5 日 00:06，前部带状强回波东移进入渤海，回波组织性和强度稍有减弱，并且有逐渐脱离后部混合性片状回波趋势；01:46，带状强回波 靠近营口到大连一线沿海地区，回波再次发展加强，最

19、大回波强度恢复到 60 dBz，移速达60 km/h，能够识别出“V”型缺口特征，其北侧孤立的对流单 体组织性加强；02:10对流风暴达到成熟阶段，最大回波强度维持在60 dBz， 弓状回波弯曲程度进一步加强，“V”型缺口特征明显，其北侧呈明显线状排 列对流风暴，一般最强的地面大风出现在弓形顶点处，其南侧带状排列的对流 风暴影响大连地区，造成局地雷暴大风。从 5 日 00:06 带状回波进入渤海， 组织性加强，雷达特征识别，再到 02:06 瓦房店本站观测到雷暴大风，该型 雷暴大风能够做到提前1 h的预警。表6显示，弓状型回波成熟阶段，回波最大强度达58 63 dBz , VIL最大值差 异较

20、大，为28-48 kg/m2，回波顶高达11-14 km，回波移速达30-60 km/h , VIL从最大值到下一体扫的变量达5-10 kg/m2 , VILD为2.0-4.5 g/m3，这些雷达产品特征为雷暴大风预警提供重要指示信息。4 小结与讨论(1) 利用灾情上报信息、大连自动站资料、探空资料和大连、营口、秦皇岛 3 个 雷达站的雷达资料，从发生在大连地区 20112016 年 59 月的 46 次强对 流过程中找出 16 次雷暴大风个例。按照雷达回波形态演变划分出 3 种类型的 雷暴大风：低仰角径向速度大值区、单体型和弓状型 (其中包括飑线型)。尽管 严格意义上，低仰角径向速度大值区大

21、风不是雷暴大风，而是由夏季伴有雷暴 的降雨天气时雷达回波上能够观测到的低空偏南急流造成的。低仰角径向速度 大值区大风的个例最多，共 7 次，占 44%；单体型 3 次，占 19%；弓状型 6 次，占37%。(2) 探空资料方面，700 hPa 与 500 hPa 温差雷暴大风最小，地面露点温度、850 hPa与500 hPa温差和1.5 km高度露点的平均值，雷暴大风介于冰雹和短时强降水之间。较大的06 km垂直风切变值和1.5 km高度温度露点差值是雷暴大风区别于其他强对流天气的重要特征。不同种类的雷暴大风之间，低 层径向速度大值区大风发生前不一定对应较强的不稳定层结、较强的对流有效 位能和

22、较充沛的低空水汽条件。相反地，单体型和弓状型雷暴大风发生前探空 资料上均显示一定程度的层结不稳定和中等强度对流有效位能，尤其是低层充 沛的水汽条件。另外，后2种大风均产生在中等强度垂直风切变条件下。(3) 雷达回波形态演变方面，低层径向速度大值区大风只能在最低仰角距离雷达 站水平几十公里内观测到，不一定非得对应正负速度对。单体型雷暴大风一般 对应的是相互孤立的对流风暴单体，在偏北背景流场下南移，成熟阶段径向速 度剖面图上观测到低层辐合、高层辐散特征。弓状型雷达回波初始阶段孤立短 带回波逐渐合并，组织性加强，成熟阶段能够识别出“V”型缺口特征，顶点 两侧带状回波均发展加强；对于该型雷暴大风能够做

23、到提前1h以内的预警。(4) 雷达产品特征方面，最大回波强度方面，单体型最大，达63 dBz，弓状型 变化范围为50-63 dBz，低层径向速度大值区大风变化范围最大，为38-58 dBz , 3种类型大风有一定差异。VIL最大值、VILD低层径向速度大值区大风 明显小于单体型和弓状型雷暴大风，指示作用较大。风暴移速、 ET、VIL 随时 间变率各类型大风差异不大。(5) 实际业务中，一次强对流过程中很可能伴有多种灾害性强对流天气现象。对 于大连地区雷暴大风以及其他强对流天气现象 (冰雹、短时强降水等)的雷达回 波形态演变和产品特征值得进一步开展研究。今后，应利用更多观测设备和资 料，完善大连

24、地区强对流天气的预警指标体系，更有效地应用于预警服务中。参考文献：1 俞小鼎强对流天气临近预报M.北京：气象出版社，2012 : 55-71.2 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等多普勒天气雷达原理与业务应用M.北京： 气象出版社，2006：155-169.3 杨晓霞，胡顺起，姜鹏，等.雷暴大风落区的天气学模型和物理量参数研究J.高原气象，2014,33(4) : 1057-1068.4 孙继松从天气动力学角度看云物理过程在降水预报中的作用J.气象，2014 , 40(1)：1-6.5 廖晓农，于波，卢丽华北京雷暴大风气候特征及短时临近预报方法J.气象， 2009，35(9)：18-28. 雷蕾，孙继

25、松，魏东利用探空资料判别北京地区夏季强对流的天气类别J. 气象，2011 , 37(2) : 136-141.7 樊李苗，俞小鼎中国短时强对流天气的若干环境参数特征分析J.高原气象， 2013 , 32(1) : 156-165.8 吴翠红，韦惠红，牛奔湖北东部雷暴大风雷达回波特征分析J.大气科学学 报，2012 , 35(1) : 64-72.9 李国翠，刘黎平，连志鸾，等 利用雷达回波三维拼图资料识别雷暴大风统 计研究J.气象学报，2014,72(1) : 168-181.10 李国翠，刘黎平，张秉祥，等基于雷达三维组网数据的对流性地面大风自 动识别J.气象学报，2013 , 71(6) : 1160-1171.