渤海海峡雷雨大风的多普勒雷达回波特征

2011-12-23郭庆利薛波党英娜

海洋预报 2011年1期

关键词：雷雨大风径向速度气旋

郭庆利，薛波，党英娜

（1.南京大学大气科学系，江苏南京210093；2.烟台市气象局，山东烟台 264003）

渤海海峡雷雨大风的多普勒雷达回波特征

郭庆利1,2，薛波2，党英娜2

（1.南京大学大气科学系，江苏南京210093；2.烟台市气象局，山东烟台 264003）

通过对烟台北部沿海近5年发生雷电时伴有8级（极大风速达到17.3 m/s）以上大风，烟台多普勒雷达产生的回波进行分析，得出灾害性雷雨大风发生时多普勒雷达径向速度回波有4种类型，分别是大风区型、逆风区型、近地层辐散型、中气旋型；反射率因子回波强度一般在45 dbz以上，反射率因子形状大致分成五类:带状、线状、块状、弓形或飑线、V形或钩状。

雷雨大风；径向速度；中气旋；特征

1 引言

雷暴是指伴有阵风骤雨、雷电的积雨云系统的统称。它是由强烈的大气对流引起的中小尺度天气系统。强烈的雷暴可以引起暴雨、冰雹和大风，有时还有龙卷风[1]。雷雨大风就是雷暴的一种发生形式，是对流天气发展较为旺盛的时候所产生的一种严重灾害性天气。雷雨大风的产生一般是对流天气发展到成熟阶段产生的。云中产生的下沉气流冲到地面附近时，向四周散开，因而造成阵风。移动缓慢的雷暴，云下的流出气流几乎是径向的。多数情况下，雷暴移向的下风方的风速要大于上风方。在特别强烈的雷暴发生时，还可能引发飑。雷暴发生时，并非每次都伴有大风。一般来说，强雷暴才会引起大风。经验认为，雷暴大风是由于雷暴云中下沉的冷空气强烈辐散造成的[3～5]。

2 资料来源

本研究设定雷雨大风的标准为强雷暴造成的地面测站或自动站测得的极大风速大于17.3 m/s（8级）的地面强风，大风资料选取2004～2008年（4～10月）烟台北部沿海6个基本站（长岛、蓬莱、龙口、福山、牟平、烟台）及其所辖的自动站（2007年和2008年）资料，雷达产品资料为烟台多普勒雷达观测的雷达产品。

3 渤海海峡雷雨大风的时空分布规律

雷雨多发生在春夏两季，因自动站没有天气现象资料，因此使用长岛站（唯一的海岛人工观测站）的地面观测资料，分析的结果可以代表渤海海峡雷雨大风的时空分布规律。2004～2008年（4～10月），发现长岛共出现102个雷暴日，伴有8级以上雷雨大风有25次，其中6月出现次数最多，7月次之，10月最少。在雷雨大风出现时间上，有48%出现在凌晨，24%出现在中午，28%出现在傍晚。从雷雨大风出现的风向特点来来看，61%为偏西风，39%为东南风。

4 多普勒雷达径向速度图特征

新一代天气雷达即多普勒雷达与常规天气雷达相比，最大的优势在于能够提取降水云体中的风场信息，对灾害性大风，特别是与风害和冰雹相伴随的灾害性大风有很好的监测和预警作用。径向风场的分析可以根据典型风场的径向分量表现出的特殊结构特征，对强对流天气伴随的典型风场进行识别。

径向速度分布图是判断强对流天气的一种有效工具，在识别风害时特别有效。强对流天气的出现和发展往往和气流的辐合、辐散以及气流的旋转有关[2]。径向速度图中可以看出以上特征，并可给出定性和半定量的估算。通过分析雷雨大风发生时径向速度回波特征，总结归纳出4种类型：大风区型、逆风区型、近地层辐散型、中气旋型。

4.1 大风区型

水平尺度在150 km范围内、高度在2 km以下，0.5°仰角雷达径向速度在20 m/s以上的区域为大风区域。大风区内地面常会出现极大风速8级以上的大风天气，且实际地面风速大小与径向速度值大小成正比。大风区的位置不同，所表征的物理意义不尽相同。当大风区位于强对流回波带的前方时，是雷暴体内的下沉气流形成的雷暴出流；而当大风区位于强回波带的后侧时，是作为后侧入流进入云体的，使对流回波向前凸起，形成弓状。前者预示着雷暴回波已进人消散期，将很快减弱，雷雨大风将停止。后者则预示着线状强回波带处于发展一成熟期，雷暴回波发展速度减缓，回波强度将基本维持，所经之处仍将出现明显的雷雨大风天气。这种实例很多，可以作为出现雷雨大风的预报指标。例如2007年7月28日，多普勒雷达0.5°仰角的径向速度图上（见图1a,b），前期（龙口、蓬莱附近，其极大风速分别是22.8 m/s、21.3 m/s）大风区位于强回波带后侧，雷暴处于发展状态，此后一直以20 m/s以上的速度朝向雷达站移动，经过雷达站以后，大风区逐渐移到强回波带前端，经过牟平区后迅速减弱，说明雷暴已进入消散期。根据自动站资料对比可以看出，烟台北部沿海地区出现8～9级雷雨大风，与大风区的移动路径基本一致。

4.2 逆风区型

逆风区型是指在大片正（负）速度区中，出现了一片负（正）速度区，并有明显的零速度圆环或半圆环将二者隔开[2]。逆风区的出现表明此处的风向发生了剧烈的变化，产生了强烈的风切变和辐合。当云团进入“逆风区”时，发展更加强盛，回波强度往往增强。如图2（a）中，雷达东北方向的牟平区附近（距离雷达中心约28 km），有小块逆风区，2005年6月14日中午牟平区观测极大风速20.5 m/s。再如图2（b）中，雷达西北方向的长岛附近有一逆风区，2004年5月16日中午长岛观测极大风速21.3 m/s。

4.3 近地层辐散型

近地层辐散型是指100 km范围内、500 m高度以下、沿径向排列的、正负速度中心相距不远（＜10 km）的速度偶，指向雷达的负速度位于靠近雷达一侧，而离开雷达的正速度位于远离雷达的一侧[2]。一般来说，速度随距离增加意味着有疏散气流存在;反之，速度沿距离减少表明有辐合气流存在。

在多普勒速度图上，辐散（合）表现为正负速度区沿径向排列、负（正）速度位于靠近雷达一侧，正（负）速度位于远离雷达[2]。近地层辐散型是多普勒速度图上辐散类中的一种特殊类型。

例如2005年8月2日，0.5°径向速度图上（见图3），距离雷达20 km，高度500 m处有一类似牛眼的正负速度偶，正负中心速度值最大分别为+27 m/s和-27 m/s，且零速度线弯向正速度中心，说明实际风向在各高度层时为汇合。地面实况：半岛北部出现大风天气，其中长岛县极大风速24.1 m/s，蓬莱市极大风速20.3 m/s，并伴有冰雹。

再如2008年5月25日早晨烟台市区出现雷雨大风，从0.5°仰角速度图中可以看出在4点59分时零速度线呈直角曲线弯曲，距离雷达站水平50 km内，零速度线呈东北-西南走向，说明低层风向为东南风。并且在同一高度上风向发生180°的逆转，说明低层存在很强的辐散场。在50 km处零速度线突然呈直角顺转90°弯向正速度区，说明此时风向转为西南风。这种风向在垂直方向上的不连续性，说明大范围风场中存在中小尺度的强辐合上升系统。随后回波整体向东移动，5点11分达到成熟阶段（见图4），此时地面自动站测得芝罘岛附近海域极大风速最大，东口自动站极大风速28.3 m/s。近地面处于辐散区，此时风速仍然较大。到6点30分左右，回波整体移出烟台市区域，风力减弱为6级以下。1.5°和2.4°仰角，入流区域远远大于出流区域，说明中层有明显的辐合存在。地面实况：烟台五区和蓬莱市东部地区的大多数自动站的极大风速都达到8级以上，且站点分布情况与回波移动路径基本一致。

图1 2007年7月28日0.5°仰角径向速度

图2 0.5°仰角径向速度

图3 2005年8月2日0.5°仰角径向速度

图4 2008年5月25日0.5°仰角径向速度

4.4 中气旋型

根据中尺度涡旋的理想环流模型—蓝金模式[2]，在多普勒速度图上，沿方位排列、负速度中心位于雷达径向左侧、正速度中心在右侧的速度偶，称之为纯气旋。沿雷达径向排列、正速度中心靠近雷达一侧、负速度中心远离雷达一侧的速度偶，称之为纯辐合。当速度偶的正负速度中心既不等距离也不在同一个雷达径向时，若正速度中心更靠近雷达，且负速度中心位于雷达径向的左侧时，称之为气旋式辐合。气旋式辐合型是指尺度在2～20 km的纯气旋、纯辐合和气旋式辐合。

中气旋型是满足下述判据的纯气旋或气旋式辐合[2]：（1）核区直径〔最大入流速度（正速度）和最大出流速度（负速度）间的距离小于等于10 km；（2）转动速度（最大入流速度和最大出流速度绝对值之和的二分之一）超过“中气旋识别的转动速度判据示意图”[1]中相应的数值；（3）垂直伸展厚度大于等于3 km；（4）满足上面三类指标的持续时间至少为两个体扫（每个体扫约6分钟）。在实际识别时，伸展厚度要求没有这么严格，一般取伸展2～4个扫描仰角的高度。在多普勒速度图上，中气旋型与近地层辐散型最大的不同在于正负速度中心的相对位置。中气旋型的速度偶基本上是沿方位排列，且负速度中心位于雷达左侧，而辐散型的速度偶基本上是沿径向排列，且负速度中心靠近雷达。

图5是2005年6月1日08:31时多普勒径向速度（仰角为0.5°）和中尺度气旋叠加图。图中，雷达站西北约90 km左右存在着一对速度偶，核区直径约8 km,转动速度为21 m/s，根据“中气旋识别的转动速度判据示意图”（见《多普勒天气雷达原理与业务应用》书中图5.36），已超过该距离上中等强度的中气旋转动速度判据。叠加的中尺度气旋图上该区域持续出现多个中气旋。在8:19时，该速度偶就已出现，持续了6个体扫，因此可判定该速度偶为中气旋。地面实况:长岛出现极大风速25.1 m/s的西北大风，蓬莱出现极大风速21.7 m/s西北西大风，并伴有冰雹。

图5 2005年6月1日0.5°仰角径向速度

5 反射率因子特征

雷雨大风属于强对流天气的一种，对流降水的多普勒雷达反射率回波强度一般在45 dbz以上[4]。在反射率因子中，最直观的特征之一就是回波形状。根据雷达气象学的定义，同时为方便归纳统计，本研究中将反射率因子形状大致分成五类:带状、线状、块状、弓形或飑线、V形或钩状。带状回波是指由多个回波单体组成的回波带;线状回波是指多个单体所组成的回波带宽度远远小于其长度，块状是指单个回波或多个回波单体组成的团块。

弓形是线状回波中的特殊类型，在低仰角（0.5°，1.5°）的反射率因子图上，反射率因子梯度最大处是最容易出现灾害性天气的区域。弓形回波具有移动速度快、回波向移动方向凸出的特点，往往产生灾害性大风。最强的反射率因子和最大的风速一般位于弓形回波的顶部[3]，在回波顶点的后侧，可见明显的入流急流进人云体内，因而弓形回波顶也是移动最快的部分。在实际强对流天气中，弓形回波是比较常见的一种回波形态。例如2004年5月16日、2004年6月18日、2005年4月19日都是比较明显的弓形回波。其地面大风区域基本都位于弓形回波的前端，越靠近前端风速越大。

图6 2004年6月18日0.5°仰角反射率因子图

以2004年6月18日为例，在0.5°仰角反射率因子图上，3点47分弓形回波初步形成，并向东北方向移动，4点04分首先经过龙口市，且龙口站位于弓形最突出的部位，大部分回波强度在50～55 dbz，其中最强达到60 dbz。随后影响蓬莱市和长岛县。蓬莱市也处于弓形回波的顶部，长岛则处于上边缘部分（见图6）。地面实况：龙口、蓬莱的极大风速都为20.9 m/s，长岛为19.4 m/s。可以看出，与上述结论基本吻合。

飑线是呈线状排列的对流单体族，其长和宽之比大于5:1。飑线的发展较快，开始时是尺度、强度和数量均呈增长之势的分散风暴。随着风暴的发展加强下曳气流和外流，这有助于阵风锋从母风暴中向外伸展和加速。图7中可以清楚地看出东北西南向的一条飑线，长约300 km长，宽约60 km，前面有明显的外流边界（阵风锋）。根据飑线向假相当位温高值区移动的原理，可以得出，该飑线未来向东移动，从西向东扫过烟台。而且该回波有明显的两条断裂带，飑线结构越均匀（线性），则沿着飑线越不可能产生灾害性天气[2]。强天气往往发生在飑线的断裂处。如飑线移近某些低层边界（指某种不连续面，如锋面、干线、辐合线和切变线等），则在飑线和边界的交汇处附近的风暴可能成为强风暴，甚至成为超级单体风暴，并且一直持续到飑线离开边界之时。实况资料表明，断裂处经过的地方，风力比其他地方明显偏大，而且飑线移过的地方，风力明显增强10～20 m/s，与书中分析一致。

图7 2005年4月19日0.5°仰角反射率因子图

6 其他雷达产品回波特征

图8 2005年4月19日VWP场

图9 2006年6月20日VWP场

从回波顶高、风廓线以及垂直累积液态含水量等特征分析，产生8级以上雷雨大风时，其共同特点是风场的垂直切变较强，一般在2 km左右高度，有时表现为风速的切变，有时表现为风向的切变。如图8，风向随高度逆转，说明有雷暴高压存在，而且在系统的前部3 km以上为西南风，有辐合，系统影响时为西北气流，气流随着雷暴高压前缘辐散下沉，产生下击暴流，造成灾害性天气。再如图9，在1.5 km高空附近形成一个风速变化带，两个层次上风速相差12 m/s以上，实况地面出现大风天气。

从VIL产品特征分析，雷雨大风是风暴发展到较强程度时出现的天气现象，因此，经常伴随着较大VIL值。一般当VIL值大于30 kg·m-2时，说明风暴发展强度较强，出现8级以上雷雨大风的可能性也较大。