粵西北對流性大風的物理參數(shù)及雷達回波特征

鄧福興，賴旭強，高必通

（1.連山壯族瑤族自治縣氣象局，廣東連山 513200；2.連州市氣象局，廣東連州 513400）

強對流天氣是在特定條件下觸發(fā)的短時災害性天氣，具有發(fā)生發(fā)展劇烈、影響范圍較小，持續(xù)時間較短、制災性強的特點［1］。近年來，已有眾多學者對強對流天氣進行研究，并取得了許多實用的成果，梁釗楊等［2］從強對流的成因進行了研究；李耀東等［3］、胡娟等［4］、姜帥等［5］從強對流天氣的物理量參數(shù)進行了分析；龐古乾等［6］從強對流的潛勢預報方法上進行了探討。隨著雙偏振雷達資料及產(chǎn)品的普及和應用，強對流天氣的研究進入了更深層次的階段［7-8］，王洪等［9］分析了超級單體風暴的雙偏振雷達特征，指出反射率中心南側存在著相關系數(shù)降低、差分反射率增大的現(xiàn)象；東高紅等［10］指出VIL可以看作是大風的一個預警指標，VIL值達到最大后的快速減小意味著將出現(xiàn)地面災害性大風，VIL值快速減小后的突然躍增則是地面出現(xiàn)災害性大風開始的重要指標。由于物理參數(shù)和雷達特征在不同地區(qū)表現(xiàn)不同，而在粵西北又缺乏系統(tǒng)性的分析，在實際預報預警業(yè)務中難以應用。本研究主要對粵西北對流性大風天氣的物理參數(shù)、雷達產(chǎn)品特征進行統(tǒng)計分析，總結提煉出粵西北對流性大風天氣的預報預警指標。

1 資料和方法

1.1 研究資料

本研究對流性大風天氣是指某觀測站或區(qū)域站出現(xiàn)風速＞17.2 m/s的大風。由于冰雹的出現(xiàn)往往伴隨著大風的出現(xiàn)，因此對冰雹天氣一同進行分析，并區(qū)分特點。

對篩選出的2015—2019年粵西北地區(qū)發(fā)生的60個大風和冰雹天氣個例的物理參數(shù)、雷達產(chǎn)品進行分析?；诨浳鞅钡牡乩砦恢茫猿恢?、桂林、梧州、清遠4地的探空站每日08：00（北京時，下同）和20：00探空數(shù)據(jù)代表粵西北地區(qū)的大氣環(huán)境，選取對流性大風個例發(fā)生時之前的時刻的探空資料進行分析。雷達產(chǎn)品則使用清遠連州雙偏振多普勒天氣雷達的數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

利用天氣學原理、統(tǒng)計分析等方法，對對流性大風天氣個例的熱力能量類、層結穩(wěn)定類、大氣溫濕類、特殊高度類、動力指數(shù)類等物理參數(shù)進行綜合分析，并在此基礎上分析其雷達回波強度、徑向速度、垂直累積液態(tài)水含量（VIL）、回波頂高（ET）、雙偏振量等雷達回波特征，總結歸納出粵西北對流性大風天氣的物理參數(shù)閾值和雷達回波特征，得出對流性大風天氣的預報預警指標。

2 物理參數(shù)的特征

2.1 熱力能量類參數(shù)

熱力能量類參數(shù)主要包括K指數(shù)、總指數(shù)（TT）、CAPE、t700-t500和t850-t500，由不同高度層的溫度、露點計算得到，低空水汽越充沛、層結越不穩(wěn)定，熱力能量指數(shù)值越大，2015—2019年各參數(shù)變化如圖1所示。

圖1 2015—2019年粵西北地區(qū)對流性大風個例物理參數(shù)變化

從K指數(shù)逐月變化（圖略）來看，在春季K指數(shù)穩(wěn)定在20～32℃，到夏季K指數(shù)則穩(wěn)定在35℃左右。當粵西北出現(xiàn)對流性大風時，超過50%以上的個例K指數(shù)≥35℃，而且夏季普遍高于春季，其中各地K指數(shù)在夏季主要穩(wěn)定在35～42℃；在春季的變化較大，在10～42℃之間均有可能出現(xiàn)對流性大風，但主要分布在27～40℃之間，而出現(xiàn)冰雹時K指數(shù)普遍≥32℃，表明粵西北在春季熱力條件相對較弱的情況下也能夠觸發(fā)對流性大風天氣。由圖1a可知，粵西北出現(xiàn)對流性大風時，各地總指數(shù)（TT）在夏季為42～46℃，同一個個例中梧州、清遠、郴州、桂林各地變化較??；對流性大風的TT在春季的變化較大，主要分布在30～55℃，且同一個個例中梧州、清遠、郴州、桂林各區(qū)域變化也較大，具有南高北低的特點。由此可知，K指數(shù)、總指數(shù)對對流性大風有一定的指示意義。

分析可知，粵西北出現(xiàn)對流性大風前CAPE的變化很大，但大部分個例中北部郴州、桂林的CAPE在100～1 200 J/kg，南部梧州、清遠的CAPE在1 000～2 000 J/kg，表明粵西北出現(xiàn)對流性大風前高空觀測計算的對流不穩(wěn)定能量不一定很大。

t700-t500和t850-t500為垂直溫度遞減率，用于判斷大氣穩(wěn)定度，通過對粵西北出現(xiàn)大風和冰雹個例分析（圖1b），t700-t500的變化范圍分別為14～18、16～23℃，且春季普遍較夏季變化大；t850-t500的變化范圍分別為22～31、24～29℃。當t700-t500＞14℃、t850-t500＞22℃可以判斷大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，上冷下暖的層結分布較為顯著，具有對流性天氣出現(xiàn)的必要條件，且冰雹天氣的t700-t500和t850-t500大于大風，說明冰雹發(fā)生時所需要的條件性不穩(wěn)定能量更大。

2.2 層結穩(wěn)定類指數(shù)

沙氏指數(shù)（SI）反映大氣穩(wěn)定狀態(tài)的物理量，當SI＜0℃時，且負值越大，大氣層結不穩(wěn)定的程度越大，反之則表示氣層是穩(wěn)定的。從SI逐月變化來分析（圖略），各地在春季SI＞0℃，夏季SI穩(wěn)定在-1℃左右。由圖1c分析可見，粵西北出現(xiàn)對流性大風時65%的個例SI＜0℃，但SI在春季變化大，各地SI在夏季主要集中在-3～0℃；出現(xiàn)冰雹時，各地SI普遍較低，70%的個例SI＜-1.6℃，表明SI的指示意義有一定的局限性，但是可以確定春季SI＜0℃、夏季SI＜-1℃，出現(xiàn)大風的可能性較大，SI＜-1.6℃時，出現(xiàn)冰雹的可能性較大。從對流穩(wěn)定度指數(shù)IC逐月變化看（圖略），各地春季IC在-25～-5，到夏季IC則穩(wěn)定在-20～-10。當粵西北出現(xiàn)大風時，超過80%以上的個例IC＜-5，出現(xiàn)冰雹時，超過80%以上的個例IC＜-8。

2.3 濕度類指數(shù)

整層比濕積分IQ指空氣中可降水量和整層水汽含量，與地面露點溫度td均表征近地面的水汽含量。大風和冰雹發(fā)生前，近地面濕度條件較好。從圖1d看，春季各地td、IQ較夏季變化大且要低，td在春季、夏季主要范圍分別為13～25、20～27℃。IQ在春季、夏季主要范圍分別為2 800～5 000、4 200～6 600 g·hPa·kg-1，可作為判斷對流性天氣的閾值。

2.4 特殊溫度層高度類指數(shù)

粵西北出現(xiàn)大風、冰雹時，春夏兩季節(jié)的0℃層高度、-20℃層高度不盡相同，春季的0℃層高度和-20℃層高度均較夏季偏低（圖1e）。春季0℃層高度主要在3 500～5 000 gpm、-20℃層高度在6 600～8 500 gpm，夏季0℃層高度4 700～5 600 gpm、-20℃層高度8 000～9 000 gpm。0℃層高度、-20℃層高度是通常人們所公認的適宜冰雹成長的高度，值得注意的是，與大風相比，兩者均無太大差異，冰雹出現(xiàn)時的0℃層高度、-20℃層高度平均值分別約為4 420 gpm和7 300 gpm。春季粵西北出現(xiàn)對流性大風時，梧州區(qū)域的0℃層高度最高，其次是清遠，郴州、桂林相近；而-20℃層高度則南邊梧州、清遠區(qū)域相同，北邊區(qū)域郴州、桂林相同。0℃層高度和-20℃層高度針對不同的個例變化比較小，同一個個列中0℃層高度和-20℃層高度變化趨勢是一致的，且具有南高北低的特點。夏季粵西北出現(xiàn)對流性大風時，0℃層高度和-20℃層高度不同的個例變化比較大，同一個個例中梧州、清遠、郴州、桂林各區(qū)域0℃層高度、-20℃層高度變化幅度較大，但基本分布在5 000～5 500 gpm。

2.5 動力指數(shù)類

從圖1f分析各地的垂直風切變（vws）可以看到，粵西北對流性大風80%以上的個例vws＜2.0 m/s，處于較弱的垂直風切變環(huán)境中，各地在春季的vws在1.0～2.5 m/s，到夏季vws則穩(wěn)定在0.7～1.5 m/s，出現(xiàn)冰雹時vws值普遍較大風大，說明在弱切邊環(huán)境下，出現(xiàn)對流性天氣的概率很高。從最大抬升指數(shù)（BLI）歷年逐月變化（圖略）來看，春、夏季分別集中在0.5～2、1.5～2.5。各地的各個例春季BLI集中在1～6，夏季BLI則穩(wěn)定在1～4，說明BLI具有較好的指示意義。

通過對個例物理量參量的對比分析，不同季節(jié)強對流天氣的熱力、動力、水汽和特殊高度條件不盡相同，為此總結出粵西北大風和冰雹天氣物理參數(shù)的預報指標如表1所示。

表1 粵西北對流性大風、冰雹天氣各區(qū)域物理參數(shù)預報指標

（續(xù)表）

3 多普勒雷達特征

在分析大風、冰雹個例的物理量參數(shù)的基礎上，統(tǒng)計出有雷達數(shù)據(jù)支撐的大風個例38個、冰雹12個。由雷達回波演變可以看出，大風由強盛的雷暴云團造成，春季雷達回波特征多為帶狀和塊狀，部分為颮線狀。強度為50～65 dBz，強回波與＞12 m/s大速度區(qū)配合，回波頂高（ET）10～13 km，大速度區(qū)前方多形成明顯的弧狀突起，有時伴有“弓形”、有界弱回波區(qū)等明顯特征，大風一般出現(xiàn)在弧狀突起前（圖2a）。VIL的強度在30 kg/m2以上，并有急增或者急降現(xiàn)象，在一次明顯躍增后迅速減小時，對應著大風的出現(xiàn)。冰雹天氣時往往伴隨著大風出現(xiàn)，多為超級單體，強度在60 dBz或以上，ET為12～18 km，VIL為40 kg/m2以上，部分三體散射、旁瓣回波現(xiàn)象明顯，強中心后方出現(xiàn)回波的V形缺口，反射率因子剖面上顯示低層的有界弱回波區(qū)和中高層的回波懸垂結構（圖2b）。夏季出現(xiàn)大風的雷達回波特征以點狀、塊狀發(fā)展為主，基本原地生消或移動緩慢，強度在55 dBz以上，風速大于12 m/s、ET為12～13 km。VIL的強度在25～30 kg/m2或以上，同樣具有急增或者急降現(xiàn)象。雙偏振量差分反射率（ZDR）和差分相移率（KDP）與粒子形狀密切相關，冰雹發(fā)生時ZDR和KDP有較明顯的極大值中心，其值分別為2.4～3.8和2.8～4.5 dBz，對冰雹則具有較好的指示作用，并與VIL大值中心相對應（圖2c）。

圖2 連州雷達對流性大風雷達1.5°仰角徑向速度（單位：m/s）（a）、3.3°仰角回波強度（單位：dBz）（b）以及1.5°仰角差分相移率（單位：dBz）（c）

綜合以上分析，總結出粵西北大風、冰雹天氣雷達預警指標如表2所示。

表2 粵西北大風、冰雹天氣雷達預警指標

4 結論

1）粵西北對流性大風的物理參數(shù)有明顯的季節(jié)性和地域性。

2）在對流性大風、冰雹的潛勢預報中，K指數(shù)、TT、t700-t500、t850-t500、IC、BLI等物理參數(shù)有一定的指示意義，其中SI、vws、特殊高度層等指示意義有一定的局限性，因此根據(jù)總結出的物理參數(shù)閾值有針對性地在強對流天氣預報、預警中應用。

3）雷達回波的形狀、回波強度、徑向速度、VIL、ET、雙偏振量等在強對流天氣的臨近預報中有較好的反映，總結出的雷達回波特征能較好的適用于粵西北地區(qū)對流性大風、冰雹天氣的預警。

由于個例數(shù)有限以及地形地域的影響，本研究提出的預報、預警指標還有待在實際運用中不斷驗證和訂正，才能得到更有效的對流性大風、冰雹的預報和預警閾值，才能為粵西北強對流天氣的氣象防災減災提供一些參考。