兩次不同類型暴雪的雷達回波特征分析

盧秉紅，楊 青，高松影，韓江文，閻 琦，梁 寒，蘇 航，劉 碩

(1. 遼寧省人工影響天氣辦公室，遼寧 沈陽 110166；2.沈陽中心氣象臺，遼寧 沈陽 110166；3.遼寧省丹東市氣象臺，遼寧 丹東 118000)

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兩次不同類型暴雪的雷達回波特征分析

盧秉紅1，楊 青2，高松影3，韓江文2，閻 琦2，梁 寒2，蘇 航2，劉 碩2

(1. 遼寧省人工影響天氣辦公室，遼寧 沈陽 110166；2.沈陽中心氣象臺，遼寧 沈陽 110166；3.遼寧省丹東市氣象臺，遼寧 丹東 118000)

利用常規(guī)天氣資料和雷達資料對遼寧省2次不同影響系統(tǒng)暴雪過程的雷達回波特征及成因進行分析。結(jié)果表明：倒槽暴雪和蒙古氣旋暴雪的雷達回波特征存在明顯差異。倒槽暴雪時速度零線總體呈直線經(jīng)過測站，風(fēng)廓線上偏北風(fēng)冷墊厚(1.5 km)，強冷空氣南下形成的強動力和持續(xù)降溫作用觸發(fā)降雪，雖然低層強冷空氣下沉不利于降雪維持，但中層西南風(fēng)增強和南北風(fēng)徑向輻合造成的輻合上升運動使得降雪維持并產(chǎn)生暴雪；在倒槽暴雪中，冷墊最厚、中低層西南風(fēng)速最大提前于強降雪5 h，對暴雪預(yù)報預(yù)警有先兆意義。蒙古氣旋暴雪降雪時速度零線由明顯的“S”型迅速轉(zhuǎn)為反“S”型，雖然風(fēng)廓線上東北風(fēng)冷墊淺薄，但由于降雪過程中總體維持偏南氣流，有利于氣旋暴雪產(chǎn)生；暖空氣沿邊界層冷墊的爬升增強了邊界層動力作用；基本速度的旋轉(zhuǎn)特征，表明冷暖空氣交匯，輻合上升運動加強，當(dāng)基本速度總體呈現(xiàn)偏北氣流特征時降雪接近結(jié)束，這和倒槽暴雪明顯不同， 倒槽暴雪降雪時基本速度始終維持偏北氣流特征。

雷達回波特征；徑向速度；風(fēng)廓線；冷墊；中層輻合

引 言

暴雪災(zāi)害是遼寧省冬季的主要氣象災(zāi)害，不但對交通、電力和設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成影響，也會嚴重威脅到人民生命安全。遼寧東部是東北暴雪集中出現(xiàn)區(qū)域之一，近幾十年來暴雪量呈現(xiàn)出一定的增加趨勢[1]，暴雪過程次數(shù)也呈上升趨勢[2]。隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，暴雪的影響更加顯著。據(jù)遼寧省氣象臺對1971—2011年遼寧暴雪的統(tǒng)計分析表明，遼寧省暴雪的4種天氣學(xué)分型中，倒槽型和蒙古氣旋南路型占67.1%，因此有必要對這2種類型的暴雪天氣進行深入研究。

近年來多普勒雷達在暴雪觀測中得到廣泛應(yīng)用。方海義等[3]指出河北特大暴雪中的切變回流降雪雷達回波呈混合云(對流性層云和積云)回波特征，西風(fēng)槽降雪雷達回波呈層狀云回波特征且無0 ℃層亮帶；易笑園[4]和劉建勇[5]等指出暴雪的降雪回波形態(tài)具有人字形和帶狀結(jié)構(gòu)，降雪回波頂高在3～4 km，強降雪回波強度在35～40 dBZ，具有短時弱對流特征；王榮基等[6]分析遼寧東南部大連地區(qū)的暴雪天氣雷達徑向速度回波特征時，指出暖式切變型暴雪過程中速度零線從“S”型不明顯到明顯，最后轉(zhuǎn)為反“S”型和輻散式“弓”型，暴雪發(fā)生時近地面層常常伴有東風(fēng)或東北風(fēng)形成的冷墊[7-8]，冷墊高度在1.2 km及以下。

2011年11月18日和22日，遼寧省中東部分別出現(xiàn)倒槽型和蒙古氣旋型暴雪天氣，本文使用常規(guī)高空地面觀測資料及沈陽與營口的雷達觀測資料，對2場暴雪天氣過程進行分析診斷。

1 天氣實況與環(huán)流形勢

1.1 倒槽型暴雪

2011年11月17—18日，遼寧中部和東北部出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)暴雪天氣，受倒槽影響，降雪發(fā)生在強偏北冷空氣南下過程中，此次過程具有降雪集中、強度大的特點。17—18日午前以降雨為主，降雪主要發(fā)生在18日14:00—20:00(北京時，下同)，最大雪強為3.5 mm·h-1，最大降雪出現(xiàn)在遼陽為16 mm。

11月18日500 hPa巴爾克什湖地區(qū)高壓脊強烈發(fā)展，脊前貝加爾湖地區(qū)的橫槽轉(zhuǎn)豎，與河套地區(qū)槽合并加強形成高空深槽，遼寧位于深槽前，產(chǎn)生降水的動力條件好(圖略)；850 hPa槽前與海上高壓之間形成長達1 500 km的西南風(fēng)急流，這在冬季比較罕見(圖1a)，為降水提供了豐富的水汽和熱能。850 hPa遼寧上空強烈的冷暖空氣對峙，形成斜壓性很強的強鋒區(qū)，溫度梯度達到2.9 ℃·(100 km)-1(圖1b)，這在倒槽型暴雪中也很少見，使得遼寧上空輻合動力作用非常強，上升運動明顯；地面倒槽和冷鋒之間距離較近，兩者相互作用增強地面抬升作用(圖1c)，為暴雪的出現(xiàn)提供了有利的環(huán)流背景。

1.2 蒙古氣旋型暴雪

2011年11月22日，受蒙古氣旋暖鋒影響，除大連地區(qū)和丹東南部地區(qū)，遼寧其他地區(qū)都出現(xiàn)降雪, 其中遼寧北部到東北部出現(xiàn)暴雪，降雪集中在14:00—23:00，最大雪強為2.5 mm·h-1，最大降雪出現(xiàn)在開原(20 mm)。

11月22日氣旋型暴雪過程中，500 hPa貝加爾湖地區(qū)西部的高壓脊強烈發(fā)展，脊前貝加爾湖地區(qū)到蒙古地區(qū)階梯槽東南移，冷空氣持續(xù)南下。850 hPa槽前形成從渤海到遼寧長達750 km的西南急流，急流將黃、渤海的水汽輸送到遼寧上空，為降雪提供了一定的水汽條件(圖1d)；850 hPa華北為斜壓性強的鋒區(qū)，溫度梯度達到1.5 ℃·(100 km)-1，遼寧處于高空暖脊控制下，有利于地面氣旋生成發(fā)展(圖1e)；22日14:00—20:00，地面蒙古氣旋暖鋒到達遼寧中東部，暖鋒北部東北冷空氣與暖濕空氣結(jié)合，加上內(nèi)蒙東部的副冷鋒后部西北冷空氣的補充，蒙古氣旋暖鋒附近降雪加強(圖1f)。

兩場暴雪降雪前期均有暖濕水汽輸送，當(dāng)?shù)蛯託庑⑶凶兒透呖盏筒垡七^遼寧時，造成中低層和近地面層空氣的強烈抬升，從而產(chǎn)生強降雪天氣。

圖1 2011年11月18日(a,b,c)和22日(d,e,f)850 hPa(a,b,d,e)和地面(c,f)天氣形勢 (a,b,d,e中實線為等高線，單位：dagpm；虛線為等溫線，單位：℃； c,f中實線為海平面氣壓，單位：hPa)

2 暴雪天氣雷達回波特征

2.1 基本反射率

對雷達基本反射率因子產(chǎn)品(圖略)分析，看到2次暴雪的基本反射率區(qū)別不大，都呈現(xiàn)為典型的層狀云降水回波特點，回波強度分布比較均勻，邊緣模糊，片狀回波中夾雜一些對流回波，兼有混合性特征，雨雪區(qū)之間沒有明顯區(qū)別。整個降雪期間大部分回波強度在15～33 dBZ之間，回波頂高在4 km以下。根據(jù)遼寧地區(qū)回波與降水強度的對應(yīng)關(guān)系(Z-R關(guān)系)可知，降水強度約1～2 mm·h-1，由于夾雜著弱對流回波，最大降水強度達到2.5～3.5 mm·h-1。

2.2 基本速度

倒槽型降雪的基本速度特征是速度場呈現(xiàn)偏北風(fēng)速度輻合特征，中層維持強南北風(fēng)徑向速度輻合，降雪前冷墊形成，降雪時冷墊深厚(1.5 km)。蒙古氣旋型暴雪基本速度呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)輻合的特征，降雪開始后，淺薄冷墊(0.6～0.9 km)逐漸形成。

2011年11月17日營口雷達站上空徑向速度場呈現(xiàn)均勻西南氣流特征，徑向速度零線呈較強的“S”型彎曲，暖平流強盛，為暖區(qū)降雨。18日02:48近地面層已經(jīng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，之后逐漸向邊界層擴展，形成冷墊(圖2a)；隨著偏北氣流的擴展，到09:57的速度圖上出現(xiàn)風(fēng)速核，形成弱的“牛眼”結(jié)構(gòu)，沿著“牛眼”結(jié)構(gòu)，測站的南側(cè)中層出現(xiàn)速度模糊，表明偏北風(fēng)很大，垂直風(fēng)切變較大，有利于降水發(fā)生(圖2b)，同時冷墊增厚增強，低層(1.5 km)以下的偏北風(fēng)很強，構(gòu)成的冷下墊面冷卻低層大氣，暖濕空氣也受冷墊強迫抬升，有利于之后的雨轉(zhuǎn)雪，11:33(圖2c)，零徑向速度線變?yōu)闁|西向的直線，說明低層暖平流減弱，冷空氣向南擴散，流入速度大于流出速度，出現(xiàn)偏北氣流的徑向輻合特征，降雨逐漸轉(zhuǎn)為降雪，中層有西南風(fēng)和偏北風(fēng)的徑向輻合，且逐漸增強并維持到17:00；13:03(圖2d)，零徑向速度線仍為直線型，低層持續(xù)的冷平流造成氣溫不斷下降，降雪范圍擴大、強度加強；18日20:00徑向速度圖上表現(xiàn)為一致的偏北風(fēng)，此時降雪基本結(jié)束。

11月22日降水初期，徑向速度圖上表現(xiàn)為均勻的西南氣流，沈陽雷達站附近(50 km以內(nèi))零徑向速度線具有較明顯的“S”型彎曲特征，低層暖平流強盛；22日13:20(圖2e)，近地面層(500 m以下)徑向速度圖上表現(xiàn)為偏南風(fēng)開始逆時針旋轉(zhuǎn)，分離出東南氣流，降雨逐漸轉(zhuǎn)為降雪；15:32(圖2f)，東南氣流轉(zhuǎn)為偏東氣流，預(yù)示冷墊將形成；17:59(圖2g)，繼續(xù)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，范圍擴大，風(fēng)向的轉(zhuǎn)變表明地面低壓在沈陽雷達站南側(cè)經(jīng)過，雷達站位于地面低壓頂部。同時低層出現(xiàn)強度較弱的“牛眼”結(jié)構(gòu)，表明高度較低的冷墊已經(jīng)形成。近地面層以上維持強的西南風(fēng)，暖濕氣流輸送仍然強盛，且有近地面層冷墊的抬升作用，此時段降雪達到最強，對應(yīng)基本反射率此時也達到最強。之后近地面層偏北風(fēng)逐漸加強，并向上擴展；21:29(圖2h)，近地面零速度線轉(zhuǎn)為反“S”型，整體呈“弓形”輻散偏北氣流，造成低空暖濕輸送減弱，降雪隨之減弱。

圖2 2011年11月18日02:48—13:03營口(a, b, c, d)和22日13:20—21:29 沈陽(e, f, g, h)雷達0.5°仰角基本速度演變(單位：m·s-1)

2.3 風(fēng)廓線產(chǎn)品

由風(fēng)廓線產(chǎn)品(圖3a)可以看出，11月17日營口雷達站上空為一致的偏南氣流，風(fēng)向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，近地面層(0.3 km)風(fēng)速達到12 m·s-1，風(fēng)速向上逐漸增大，暖濕氣流輸送非常強盛；18日凌晨開始營口雷達站上空整層風(fēng)速開始減小，同時低層(1 km以下)風(fēng)向開始逆時針旋轉(zhuǎn)，暖濕氣流輸送減弱，降雨減弱；18日05:00，1 km以下轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，冷空氣開始南侵，近地面冷墊形成。同時3 km高度上西南風(fēng)再次加強，說明在低層冷空氣加強南侵的同時中層暖濕氣流輸送也在加強，預(yù)示降水將加強并將持續(xù)；18日08:00， 0 ℃層高度為1.8 km；09:00左右，1.5 km高度上風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東，0.6 km東北風(fēng)速達到18 m·s-1，低空被冷氣團控制，冷墊增厚，降水逐漸轉(zhuǎn)為降雪，此時3.4 km高度上西南風(fēng)繼續(xù)增強和維持，風(fēng)速達到16m·s-1，風(fēng)的垂直切變很大，有利于垂直運動發(fā)展，表明中低空冷暖空氣強烈對峙；11:00后1.5 km以上風(fēng)向開始順時針旋轉(zhuǎn)，高空槽接近雷達站上空，降雪逐漸增強并持續(xù)；18:12， 3 km高度上西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，暖濕氣流輸送結(jié)束，降雪趨于停止。

圖3 2011年11月17—18日營口(a)和22日沈陽(b)雷達風(fēng)廓線(VWP)圖

由圖3b看出，22日12:42，降水開始時沈陽雷達站上空整層為一致的西南氣流并隨高度順轉(zhuǎn)，0.9～1.5 km高度上風(fēng)速達到12 m·s-1，整層暖平流有利于降雨， 12:48開始0.6 km和0.9 km高度上風(fēng)向開始逆時針旋轉(zhuǎn)，到19:11先后轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，說明受到地面氣旋影響。其中15:32—18:36，1.5～1.8 km高度上偏南風(fēng)速增強到10 m·s-1，暖濕輸送增強，有利于降水，此時段近地面層風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，形成厚達0.6 km的冷墊，冷空氣抬升作用增強，對應(yīng)雷達反射率因子產(chǎn)品上雷達回波達到最強，也是降雪最強時段。19:59—21:05，1.2 km高度上風(fēng)向開始順時針轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，說明低層切變到達雷達站上空， 1.2 km以上各層風(fēng)向也做順時針旋轉(zhuǎn)且隨高度增加風(fēng)向旋轉(zhuǎn)開始時間逐漸拖后，表明1.2 km以上是后傾的低槽東移，這時0.6 km東北風(fēng)速增大到14 m·s-1，冷墊高達0.9 km，在高空槽和低層切變的作用下，降雪又有所加強。

倒槽降雪天氣冷墊形成早，發(fā)展深厚達到1.5 km。同時中低層西南風(fēng)增大了8 m·s-1，增大非常明顯，維持時間長，3.4 km處西南風(fēng)最大達到16 m·s-1，冷墊形成和中低層西南風(fēng)加大提前于強降雪9 h，冷墊達到最厚及中低層西南風(fēng)達到最大的時間提前于強降雪5 h，這對于暴雪的預(yù)報預(yù)警有前兆意義。氣旋暴雪開始降雪時沒有明顯的冷墊，降雪加強時，低層西南風(fēng)增大并維持，1.2 km處最大風(fēng)速達到10 m·s-1，冷墊達到0.9 km，較淺薄。強降雪在冷墊形成和西南風(fēng)加大時開始。

3 結(jié)論和討論

(1)2次暴雪過程降雪前期速度零線都呈現(xiàn)“S”型彎曲，降水過程中零徑向速度“S”型彎曲轉(zhuǎn)為反“S”型彎曲，基本速度場上呈現(xiàn)“牛眼”結(jié)構(gòu)特征。風(fēng)廓線產(chǎn)品上都出現(xiàn)不同厚度的冷墊，表明中低層偏北氣流的存在和侵入，使得低層大氣變冷，起到降低邊界層氣溫和抬升暖濕空氣的作用，同時大氣穩(wěn)定度增強，在基本反射率圖上表現(xiàn)為典型的層狀云降水回波，具有穩(wěn)定性降水的性質(zhì)。

(2)降雪物理機制的不同，使得倒槽暴雪和蒙古氣旋暴雪在雷達回波圖上顯示出不同的特征?；舅俣葓錾系共郾┭┻^程中速度零線總體呈直線經(jīng)過測站，呈偏北風(fēng)速度輻合，中層出現(xiàn)南北徑向速度輻合，風(fēng)廓線上偏北風(fēng)冷墊厚(1.5 km)。這是由于降雪前暖層深厚，強冷空氣南下的持續(xù)降溫和強動力作用，冷卻抬升深厚暖層中的暖空氣，引起降雪；中層西南風(fēng)的增強，與北風(fēng)的徑向輻合，使得降雪維持達到暴雪量級?；舅俣葓錾厦晒艢庑┭┻^程中速度零線由明顯的“S”型轉(zhuǎn)為反“S”型彎曲，總體呈偏南氣流特征，風(fēng)廓線上東北風(fēng)冷墊淺薄，由于偏南氣流持續(xù)補充暖濕空氣，有利于濕度條件不十分充足的氣旋暴雪的產(chǎn)生；受低層氣旋影響，冷暖空氣交匯造成輻合上升使得基本速度在低層出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)特征。

(3)倒槽暴雪基本速度場上牛眼結(jié)構(gòu)中心高，中層偏南風(fēng)強，垂直切變大，對流性強一些，雪強比蒙古氣旋降雪大。倒槽暴雪中風(fēng)廓線產(chǎn)品上冷墊達到最厚、中層西南風(fēng)速達到最大的時間提前強降雪5 h，這對強降雪臨近預(yù)報預(yù)警有先兆意義。

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LU Binghong1, YANG Qing2, GAO Songying3, HAN Jangwen2,YAN Qi2, LIANG Han2, SU Hang2, LIU Shuo2

(1.LiaoningProvincialWeatherModificationOffice,Shenyang110166,China; 2.ShenyangCentralMeteorologicalObservatory,Shenyang110166,China；3.DandongMeteorologicalObservatoryofLiaoningProvince，Dandong118000，China)

The influencing system, characteristics of radar echoes and formation mechanism of two snowstorm weather processes caused by inverted-trough moving north and the Mongolia cyclone moving south in Liaoning were analyzed. The results indicated that there were significant differences about radar echoes for these two kinds of snowstorm weather. The zero speed line of radar presented straight through station and the cold air pad was thicker (1.5 km) according to the vertical wind profile (VWP) product during the inverted trough snowstorm process. A strong motivation and continuous cooling effect caused by strong cold air moving southward triggered the snowstorm, although low-level sinking cold air was not conducive to snowfall lasting, the vertical movement in middle level caused by southwest wind enhancement and radial convergence of north and south wind resulted in continuous snowfall and then the snowstorm occurred. During the inverted trough snowstorm process, it was a signal for forecasting and early warning five hours ahead of snowstorm that the cold pad was thickest and southwest wind velocity was maximum in the low and middle level. The zero speed line turned quickly from “S” to anti “S” during the Mongolia cyclone snowstorm, although the cold air pad was shallow according to the VWP, the southerly airflow maintained overall during the whole snowfall process, which caused the cyclone snowstorm. The base velocity of radar presented rotation character under the influence of the low-level cyclone, which led to convergence of cold and warm air, then the vertical movement enhanced at the low-level. When the basic velocity presented overall northerly flow feature, the snowfall was near the end, which was different from the inverted trough snowstorm (the radial velocity presented consistent northerly wind feature).

radar echo characteristics; radial velocity; wind profiler; cold pad; middle-level convergence

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0836

2015-07- 22；改回日期：2015-11-22

遼寧省氣象局課題(201416)和遼寧省暴雪專家團隊共同資助

盧秉紅，男，(1972-)，高級工程師，主要從事雷達觀測及其資料的分析研究. E-mail:lubinghongchdd @163.com

楊青，女，E-mail:yangqingchdd@163.com

1006-7639(2016)-05-0836-05 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0836

P458

A

盧秉紅，楊 青，高松影，等.兩次不同類型暴雪的雷達回波特征分析[J].干旱氣象，2016，34(5)：836-840, [LU Binghong, YANG Qing, GAO Songying, et al. Doppler Radar Echo Features About Two Kinds of Snowstorm Weather Process[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):836-840],