一次超級(jí)單體風(fēng)暴雷達(dá)產(chǎn)品特征及氣流環(huán)境結(jié)構(gòu)分析

王 芬，段 榮，王洪宇，楊 玲

(1.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400;2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

一次超級(jí)單體風(fēng)暴雷達(dá)產(chǎn)品特征及氣流環(huán)境結(jié)構(gòu)分析

王 芬1，2，段 榮1，王洪宇1，楊 玲1

(1.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400;2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

2011年5月1日黔西南部分地區(qū)遭受了不同程度的災(zāi)害性天氣，通過(guò)興義多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)表明是超級(jí)單體風(fēng)暴所致。利用興義多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)資料及自動(dòng)站觀測(cè)資料對(duì)這次典型超級(jí)單體的基本產(chǎn)品及導(dǎo)出產(chǎn)品進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：風(fēng)暴表現(xiàn)為單體自身發(fā)展型，基本屬于右移風(fēng)暴，風(fēng)暴從發(fā)展到消亡的各個(gè)階段其強(qiáng)度、最大強(qiáng)中心高度、垂直累積液態(tài)水含量、頂高、中氣旋等產(chǎn)品均有不同的演變特征，風(fēng)暴成熟階段表現(xiàn)為典型的超級(jí)單體特征，有界弱回波區(qū)(BWER)及弱回波區(qū)(WER)明顯，回波強(qiáng)中心高度及頂高上升明顯，垂直流場(chǎng)表現(xiàn)為低層氣旋性輻合，高層氣流輻散。

超級(jí)單體風(fēng)暴;雷達(dá)產(chǎn)品;氣流環(huán)境結(jié)構(gòu)

1 引言

天氣雷達(dá)是探測(cè)降水系統(tǒng)的主要手段，是對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警的主要工具之一，新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)的實(shí)時(shí)回波強(qiáng)度、徑向速度、速度譜寬的圖像中，提供了豐富的有關(guān)強(qiáng)對(duì)流天氣的信息?；夭◤?qiáng)度圖的分析和應(yīng)用研究與常規(guī)天氣雷達(dá)相似，而徑向風(fēng)場(chǎng)的分析可以根據(jù)典型風(fēng)場(chǎng)的徑向分量表現(xiàn)出的特殊結(jié)構(gòu)形態(tài)，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣伴隨的典型風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行識(shí)別。20世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)雷達(dá)氣象學(xué)者在雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)應(yīng)用上做了大量的工作，特別是在如何探測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)及如何識(shí)別分析氣流結(jié)構(gòu)上做了大量的努力，1962年Browning首先提出了超級(jí)單體風(fēng)暴一詞，并給出了風(fēng)暴內(nèi)部氣流的二維模式［1］。刁秀廣［2］、鄭媛媛［3］等對(duì)超級(jí)單體個(gè)例也進(jìn)行過(guò)仔細(xì)的分析和研究。本文對(duì)興義CINRAD/CD雷達(dá)探測(cè)到的2011年5月1日發(fā)生在黔西南州境內(nèi)的一次超級(jí)單體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)、氣流結(jié)構(gòu)、演變過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

2 天氣實(shí)況及形勢(shì)

2.1 天氣實(shí)況

5月1日下午，受高空切變及熱低壓的共同影響，我州晴隆、貞豐、興仁縣出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨中夾降冰雹，其中晴隆縣紫馬鄉(xiāng)、中營(yíng)鎮(zhèn)和長(zhǎng)流鄉(xiāng)降了大雨和冰雹，降雹持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為18 min，冰雹小的如豌豆，大的如大拇指，地面上冰雹粒積有1 cm左右厚?；佚堟?zhèn)于5月1日16時(shí)20分－16時(shí)50分降雹，大山鎮(zhèn)于5月1日15時(shí)40分－16時(shí)00分降雹。冰雹造成相關(guān)地區(qū)農(nóng)作物受災(zāi)近1 333 hm2，受災(zāi)人口上萬(wàn)人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千萬(wàn)元。

2.2 天氣形勢(shì)

5月1日08時(shí)500 hPa在四川到昆明有一淺槽，700 hPa在貴州西部有切變線，地面為熱低壓控制，但在5月1日14時(shí)地面圖上，貴州省中部以西有一條西北東南向輻合線(圖略)。說(shuō)明中高層多小槽或切變線影響，大氣從低層到中高層都有對(duì)流不穩(wěn)定存在，有利于產(chǎn)生冰雹強(qiáng)對(duì)流。5月1日08時(shí)500 hPa上有冷平流從河套東側(cè)向四川、貴州下滑入侵，地面至700 hPa都為較強(qiáng)的暖平流，有一暖舌從廣西經(jīng)貴州向高原伸展，暖平流在850 hPa最明顯，850 hPa在黔桂交接處有暖切變(圖1)，暖切變加強(qiáng)了低層大氣輻合，使大氣上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，同時(shí)高層冷平流、低層暖平流的存在，使黔西南地區(qū)大氣不穩(wěn)定性增強(qiáng)，冰雹強(qiáng)對(duì)流就產(chǎn)生在低層暖平流和高層冷平流相疊置的區(qū)域。

圖1 2011 年 5月1日 08 時(shí) 500 hPa、700 hPa、850 hPa溫度場(chǎng)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)(其中虛線為500 hPa等溫線 ，細(xì)實(shí)線為700 hPa等溫線，粗實(shí)線為850 hPa等溫線，陰影區(qū)為出現(xiàn)雷雨冰雹區(qū)，雙實(shí)線為暖切變線)

3 風(fēng)暴單體雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

雷達(dá)系統(tǒng)提供了較高靈敏度及較高分辨率的反射率因子、平均徑向速度及譜寬3種基數(shù)據(jù)，在RPG中基數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法處理可形成39個(gè)種類的分析產(chǎn)品，本文選取有典型意義的幾個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行分析。

3.1 中氣旋特征分析

中氣旋是超級(jí)單體風(fēng)暴的典型特征，是與強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的上升氣流和后側(cè)下沉氣流緊密相聯(lián)的小尺度渦旋，切變、持續(xù)性和垂直范圍的判據(jù)可以有效地用來(lái)識(shí)別中氣旋。中氣旋算法首先搜索平均徑向速度數(shù)據(jù)，尋找距雷達(dá)相同距離處具有速度值順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)增加的相鄰方位角的距離庫(kù)，直到速度值不再增加時(shí)構(gòu)成的一維距離庫(kù)序列稱為一個(gè)型矢量。在一個(gè)仰角掃描的數(shù)據(jù)由上述檢驗(yàn)過(guò)濾之后，把相鄰的型矢量合成在一起構(gòu)成二維特征，然后一個(gè)仰角上的二維特征與其上面或下面的仰角上的二維特征進(jìn)行垂直相關(guān)分析，這就是中氣旋的算法。中氣旋產(chǎn)品是用來(lái)顯示與三種方位切變類型的識(shí)別有關(guān)的信息，即非相關(guān)切變、三維的相關(guān)切變及中氣旋［1］。圖2給出這次超級(jí)單體風(fēng)暴過(guò)程中氣旋特征。

圖2 超級(jí)單體的中氣旋演變情況(豎線為中氣旋底部與頂部的連線，折線為最強(qiáng)切變高度連線，單位： km)

由圖2可以看出此超級(jí)單體的中氣旋特征維持近1.5 h，16時(shí)06分－16時(shí)32分未出現(xiàn)中氣旋，在中氣旋中夾雜1個(gè)三維切變(16時(shí)26分)，中氣旋厚度較厚，平均6.9 km，最高達(dá)到7.6 km，中氣旋底部整體平均較低，約為4.6 km，最低為2.7 km，最強(qiáng)切變高度平均5.9 km，最強(qiáng)為7.3 km。從16時(shí)39分開始中氣旋明顯加強(qiáng)并維持時(shí)間較長(zhǎng)，而地面對(duì)應(yīng)有冰雹出現(xiàn)。

3.2 垂直累積液態(tài)水含量分析

垂直累積液態(tài)水表示將反射率因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成等價(jià)的液態(tài)水值，并且假設(shè)反射率因子完全由液態(tài)水反射得到。VIL方程為：M=3.44×10－3Z417這里M為液態(tài)水含量(g·m－3)，Z為雷達(dá)反射率因子(mm6.m－3)。從每個(gè)4 km×4 km網(wǎng)格里導(dǎo)出值M，然后再垂直積分得到VIL，VIL值的單位是kg·m－2，VIL的值可從 RPG 產(chǎn)品中直接獲得［1］。雹云單體在演變過(guò)程中VIL的變化具有共性，即均存在“爆發(fā)式增長(zhǎng)”和“爆發(fā)式降低”現(xiàn)象。雹云單體在發(fā)展演變過(guò)程中VIL都是先增加，后減少;在時(shí)間序列曲線中都表現(xiàn)為峰形特征［4］。圖3給出了此超級(jí)單體從發(fā)展、成熟至消亡的VIL演變情況。

圖3 超級(jí)單體的VIL演變情況(單位：kg·m－2)

由圖3可以看出，風(fēng)暴VIL在數(shù)值上發(fā)展至成熟階段存在明顯的躍增，15時(shí)14分－15時(shí)22分從21 kg/m2增加到43 kg/m2，而后又繼續(xù)增長(zhǎng)，至15時(shí)30分已達(dá)50 kg/m2，此時(shí)興仁大山開始降雹，與此對(duì)應(yīng)的風(fēng)暴也基本維持一個(gè)較高的VIL值，17時(shí)04分后，風(fēng)暴開始消散，VIL迅速減小。

3.3 單體高度變化

回波頂產(chǎn)品(ET)是以平均海平面為參考的，它是在雷達(dá)230 km內(nèi)的4 km×4 km笛卡兒網(wǎng)格上。ET定義如下：在≥18 dBz反射率因子被探測(cè)時(shí)，顯示以最高仰角為基礎(chǔ)的回波頂高度。圖4給出了此超級(jí)單體從發(fā)展、成熟至消亡的高度變化情況。

圖4 超級(jí)單體的高度變化(單位：km)

從圖4可以看出，此超級(jí)單體風(fēng)暴15時(shí)07分時(shí)高度約為9 km左右，在15時(shí)22分迅速增長(zhǎng)，達(dá)到13.7 km，此后回波一直維持一個(gè)較高的高度，與之相對(duì)應(yīng)的地面開始降雹，16時(shí)49分后，回波高度略有下降，平均約為11 km左右，與之相對(duì)應(yīng)的地面降雹結(jié)束，17時(shí)33分后迅速下降，于之相對(duì)應(yīng)的回波強(qiáng)度場(chǎng)也迅速減弱。

4 單體移動(dòng)路徑及發(fā)展演變

4.1 風(fēng)暴跟蹤信息分析

風(fēng)暴單體識(shí)別與跟蹤算法用于識(shí)別風(fēng)暴單體并追蹤它的信息，其中包括移動(dòng)方向、移動(dòng)速度等。首先要在雷達(dá)徑向上找尋大的反射率因子區(qū)，而后在二維錐面上找尋大的反射率因子區(qū)，再給這些二維的分量尋求垂直相關(guān)。它采用了多種新技術(shù)：使用多閾值識(shí)別、特征核抽取、2D單體識(shí)別和相近單體處理等［1］。根據(jù)雷達(dá)風(fēng)暴追蹤信息產(chǎn)品STI，給出了這次超級(jí)單體風(fēng)暴的移動(dòng)路徑(見(jiàn)圖5)。

圖5 超級(jí)單體移動(dòng)路徑圖

從圖5可以看出，風(fēng)暴初期受引導(dǎo)氣流影響基本是向東移動(dòng)，發(fā)展成熟后向東南方向移動(dòng)，屬于右移風(fēng)暴，消散階段又向東偏北移動(dòng)。此超級(jí)單體風(fēng)暴移動(dòng)方向、維持時(shí)間具體如下：從發(fā)展至成熟階段為東南移，偏向風(fēng)暴承載層平均風(fēng)右側(cè)約40°，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(14時(shí)02分－17時(shí)15分)，17時(shí)21分開始進(jìn)入消散階段，在其進(jìn)入消散階段后，轉(zhuǎn)為東偏北移動(dòng)。風(fēng)暴生成于14時(shí)02分，消散于18時(shí)，維持約4 h，產(chǎn)生了冰雹和一般雷雨大風(fēng)天氣。

4.2 風(fēng)暴發(fā)展演變

圖6給出了風(fēng)暴發(fā)展演變情況，圖中所示為組合反射率38號(hào)產(chǎn)品(CR)產(chǎn)品，可以看出此超級(jí)單體風(fēng)暴演變發(fā)展?fàn)顩r：14時(shí)59分在興仁北部初始單體A生成，平均強(qiáng)度達(dá)50 dBz，此時(shí)并未降雹，對(duì)流單體也處于發(fā)展階段，緩慢向東偏南方向移動(dòng)，15時(shí)14分單體明顯加強(qiáng)，回波最大強(qiáng)度達(dá)83 dBz，15時(shí)30分單體成熟，強(qiáng)度為50 dBz以上的回波面積增大，系統(tǒng)深厚強(qiáng)大，此時(shí)對(duì)應(yīng)地面(興仁大山)開始降雹(15時(shí)40分－16時(shí)00分)，15時(shí)58分，單體A繼續(xù)穩(wěn)定維持(同時(shí)在其上方有一單體B生成)并繼續(xù)向東偏南方向移動(dòng)，在此過(guò)程中16時(shí)20分－16時(shí)50分興仁回龍也出現(xiàn)降雹，16時(shí)46分以后單體開始稍有減弱，17時(shí)44分減弱明顯，進(jìn)入消散階段。

圖6 超級(jí)單體風(fēng)暴組合反射率(CS)演變示意圖

回波的垂直剖面是判斷回波性質(zhì)的一個(gè)重要方面，通過(guò)它可以直觀的判斷回波的頂高、有界弱回波區(qū)(BWER)、弱回波區(qū)(WER)、回波墻等。圖7給出了此次超級(jí)單體風(fēng)暴16時(shí)46分垂直于運(yùn)動(dòng)方向的RCS剖面圖。

圖7 16時(shí)46分超級(jí)單體垂直剖面圖(RCS)

從16時(shí)46分的垂直剖面圖上可以看出，風(fēng)暴成熟階段存在弱回波區(qū)(WER)、有界弱回波區(qū)(BWER)及回波墻，有界弱回波區(qū)下存在強(qiáng)烈的上升氣流區(qū)，有利于冰雹的形成，低層為風(fēng)暴的入流，位于反射率因子較大的一側(cè)，同時(shí)，弱回波區(qū)和回波頂也偏向于低層入流一側(cè)，即靠近雷達(dá)方向。

5 風(fēng)暴單體氣流環(huán)境結(jié)構(gòu)分析

5.1 垂直氣流分析

由這次超級(jí)單體風(fēng)暴16時(shí)46分多層平均徑向速度 PPI(圖略)。可以看出，低層(0.5°、1.5°)的平均徑向速度圖存在大片的正值區(qū)，風(fēng)速約為12 m/s，在這片正速度區(qū)上出現(xiàn)了一塊小負(fù)速度區(qū)，速度最大值達(dá)到－25 m/s，即出現(xiàn)了逆風(fēng)區(qū)(如圖中圓圈標(biāo)注)。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，逆風(fēng)區(qū)的存在是識(shí)別冰雹的重要判據(jù)，逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)表明此處風(fēng)向發(fā)生了劇烈的變化，產(chǎn)生了風(fēng)的強(qiáng)切變，具有明顯的輻合。逆風(fēng)區(qū)隨西北氣流快速地向東南方向移動(dòng)，比較反射率因子圖及其實(shí)況場(chǎng)可以看出，風(fēng)暴的發(fā)展、演變以及移動(dòng)、冰雹的落區(qū)都與這個(gè)“逆風(fēng)區(qū)”密切相關(guān)，對(duì)流發(fā)展最強(qiáng)烈的地方都出現(xiàn)在“逆風(fēng)區(qū)”移動(dòng)方向的前沿。對(duì)風(fēng)暴整層分析可知：風(fēng)暴低層存在氣旋式輻合(0.5～1.5°，2.5 km以下)，中層存在氣旋性旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(2.4～4.3°，3.4～5.9 km)，高層存在輻散氣流(6.0°，8.0 km)

5.2 垂直風(fēng)廓線分析

垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品表示相同水平區(qū)域中不同高度上的平均風(fēng)向風(fēng)速。它在VAD產(chǎn)品的基礎(chǔ)上得到平均風(fēng)向風(fēng)速隨高度變化的垂直廓線，應(yīng)用相繼時(shí)間的體掃資料，即可獲得平均風(fēng)向和平均風(fēng)速隨高度和時(shí)間變化的剖面圖形。多普勒天氣雷達(dá)測(cè)速功能可以測(cè)量其探測(cè)范圍內(nèi)任意點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度，通過(guò)算法對(duì)一個(gè)體掃的徑向速度資料進(jìn)行處理，還可以得到雷達(dá)上空60 km左右范圍內(nèi)全風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化，即風(fēng)的垂直廓線［1］。分析此超級(jí)單體風(fēng)暴成熟從階段的3張風(fēng)廓線產(chǎn)品VWP可知(圖略)，在1.2 km高度基本吹東南風(fēng)，1.2～1.5 km高度風(fēng)向轉(zhuǎn)為南風(fēng)，1.5～2.1 km高度風(fēng)向又轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)9.3 m/s，存在風(fēng)切變，風(fēng)隨高度有順轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，這是造成該地區(qū)降雹的主要原因。

6 小結(jié)

①此次超級(jí)單體風(fēng)暴移動(dòng)路徑為東偏南，屬于右移路徑，低層輻合，高層氣流輻散。風(fēng)暴成熟階段表現(xiàn)為典型的超級(jí)單體特征，有界弱回波區(qū)(BWER)及弱回波區(qū)(WER)明顯。

②中氣旋維持時(shí)間較長(zhǎng)，厚度較厚，平均6.9 km，最高達(dá)到7.6 km，最強(qiáng)切變高度平均5.9 km，最強(qiáng)為7.3 km。

③垂直累積液態(tài)含水量隨著對(duì)流單體的發(fā)展變化明顯，在發(fā)展階段其VIL值是逐漸增加的，在降雹前一至兩個(gè)體掃出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，冰雹降落時(shí)間基本是在VIL值達(dá)到最大時(shí)開始，降雹結(jié)束后，VIL值迅速下降。

④回波頂高度變化明顯，在降雹前的2個(gè)體掃時(shí)間內(nèi)迅速增加至14 km左右，而后繼續(xù)維持在較高的高度，在16時(shí)30分回波高度開始略有降低，17時(shí)33分后迅速下降。

多普勒天氣雷達(dá)資料對(duì)短時(shí)臨近預(yù)報(bào)有較好的參考意義，特別是對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴，但是，即使同是冰雹天氣也會(huì)由于天氣形勢(shì)的不同導(dǎo)致回波的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其演變過(guò)程有較大差異，具體的異同有待于更深一步的研究。

［1］俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用［M］.北京：氣象出版社，2005：10－280.

［2］刁秀廣，朱君鑒，劉志紅.三次超級(jí)單體風(fēng)暴雷達(dá)產(chǎn)品特征及氣流結(jié)構(gòu)差異性分析［J］. 氣象學(xué)報(bào)，2009，67(1)：133－146.

［3］鄭媛媛，謝亦峰，吳林林，等.多普勒雷達(dá)定量估測(cè)降水的三種方法比較試驗(yàn)［J］. 熱帶氣象學(xué)報(bào)，2004，20(2)：192 －197

［4］王芬，李腹廣.黔西南地區(qū)冰雹云VIL演變特征分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，(15)：9 047 －9 050.

P58.1+21

B

1003－6598(2012)05－0030－05

2011－07－06

王芬(1978—)，女，工程師，主要從事雷達(dá)產(chǎn)品應(yīng)用研究工作。