雷達(dá)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品在2021 年強(qiáng)對(duì)流天氣中的應(yīng)用分析

楊金紅，吳 蕾，李瑞義，孟昭林，姚 聃

（中國氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081）

引言

中國氣象局氣象探測(cè)中心于2018 年啟動(dòng)綜合氣象觀測(cè)產(chǎn)品系統(tǒng)建設(shè)，研發(fā)了多種類綜合氣象觀測(cè)產(chǎn)品，其中雷達(dá)三維組網(wǎng)產(chǎn)品、組網(wǎng)冰雹識(shí)別產(chǎn)品等經(jīng)過近兩年的修改完善，在強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)、暴雨監(jiān)測(cè)，以及重大活動(dòng)氣象保障服務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

目前國內(nèi)外對(duì)雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷發(fā)生機(jī)理做了許多統(tǒng)計(jì)或研究，余蓉等［1］對(duì)華北、華中、華東區(qū)域雷暴大風(fēng)的空間分布及年代際變化進(jìn)行詳細(xì)分析，初步討論造成這種變化的可能原因。龍柯吉等［2］對(duì)四川盆地出現(xiàn)雷暴、大風(fēng)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并指出這些特征可對(duì)雷暴大風(fēng)的預(yù)警提前10min。丁青蘭等［3］總結(jié)了北京暖季雷暴大風(fēng)的地理分布和氣候概率，以及柴東紅等諸多學(xué)者［4－7］對(duì)雷暴大風(fēng)環(huán)境的天氣氣候?qū)W特征、時(shí)空分布變化、成因等進(jìn)行分析和研究，都提出了一些有意義的特征指標(biāo)。李國翠等［8］利用雷達(dá)三維拼圖、地面災(zāi)害大風(fēng)等數(shù)據(jù)，并基于模糊邏輯法建立并識(shí)別大風(fēng)的算法，為預(yù)警大風(fēng)出現(xiàn)的位置提供了基礎(chǔ)。王福俠等［9］對(duì)多個(gè)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)個(gè)例回波特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出雷暴大風(fēng)預(yù)警的3 個(gè)指標(biāo)，出現(xiàn)其中一個(gè)或多個(gè)特征均可發(fā)布雷暴大風(fēng)預(yù)警。彭建東等［10］、許云杰等［11］、覃皓等［12］基于單站雷達(dá)對(duì)冰雹的特征進(jìn)行了分析，提出了幾個(gè)冰雹預(yù)警的關(guān)鍵性指標(biāo)。

針對(duì)龍卷天氣，近年來隨著雷達(dá)雙偏振技術(shù)的升級(jí)，對(duì)龍卷的觀測(cè)與識(shí)別取得了顯著進(jìn)展［13－15］。多地開展的S 波段雷達(dá)與X 波段雷達(dá)協(xié)同觀測(cè)和精細(xì)化探測(cè)試驗(yàn)為龍卷等小尺度天氣的捕捉提供了精細(xì)化探測(cè)手段，相控陣天氣雷達(dá)的出現(xiàn)，更是將龍卷的捕捉、結(jié)構(gòu)特征的顯示向前邁進(jìn)了一步［16］，這些新技術(shù)、新試驗(yàn)在一定程度上能夠提高龍卷的監(jiān)測(cè)能力，但都處于試驗(yàn)階段。劉俊等［17］為了支撐蘇北龍卷監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)，研究了蘇北龍卷雷達(dá)組網(wǎng)策略，取得較好的效果。在龍卷分析與算法識(shí)別上，大都僅限于WSR－88D 算法，其識(shí)別的虛警率較高，中國氣象局氣象探測(cè)中心在原算法基礎(chǔ)上做了些質(zhì)控，降低了虛警率，研發(fā)了龍卷渦旋特征識(shí)別移動(dòng)路徑組網(wǎng)產(chǎn)品，在2021 年發(fā)生的兩個(gè)龍卷監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了效益。

本文主要利用中國氣象局氣象探測(cè)中心研發(fā)的雷達(dá)三維組網(wǎng)產(chǎn)品、雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演產(chǎn)品、冰雹識(shí)別組網(wǎng)產(chǎn)品、龍卷渦旋特征識(shí)別移動(dòng)路徑產(chǎn)品對(duì)2021 年發(fā)生的4 次強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行復(fù)盤分析，以便發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)中雷達(dá)觀測(cè)產(chǎn)品存在哪些短板，進(jìn)一步完善雷達(dá)觀測(cè)產(chǎn)品，更好地發(fā)揮雷達(dá)產(chǎn)品在強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)的應(yīng)用效益。

1 雷達(dá)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品在“4·30”江蘇雷暴大風(fēng)、冰雹中的應(yīng)用分析

受東北冷渦和高空冷空氣的影響，2021 年4 月30 日17∶00—21∶00，華東地區(qū)遭受雷暴大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣襲擊，涉及山東、安徽、江蘇、浙江等省份，其中江蘇省大部分地區(qū)日極大風(fēng)速達(dá)8 級(jí)以上，南通沿海監(jiān)測(cè)到15 級(jí)的陣風(fēng)。徐州、宿遷、連云港等9 個(gè)市出現(xiàn)冰雹，其中宿遷和淮安局部地區(qū)最大冰雹直徑5cm，屬于大冰雹。

中國氣象局氣象探測(cè)中心研發(fā)的雷達(dá)三維組網(wǎng)產(chǎn)品是基于全國業(yè)務(wù)運(yùn)行236 部雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)資料，經(jīng)過一系列非降水回波質(zhì)量控制后，通過格點(diǎn)插值將質(zhì)控后的基數(shù)據(jù)從極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到笛卡兒坐標(biāo)系，形成全國1km×1km 分辨率的三維網(wǎng)格組網(wǎng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地生成多種全國組網(wǎng)產(chǎn)品，產(chǎn)品時(shí)間分辨率10min。該產(chǎn)品不同于目前業(yè)務(wù)上使用的基于雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)研發(fā)的拼圖產(chǎn)品，它是基于雷達(dá)基數(shù)據(jù)的組網(wǎng)產(chǎn)品，包含的信息量更多些，另一方面，大多數(shù)質(zhì)控算法是基于雷達(dá)基數(shù)據(jù)研發(fā)，而探測(cè)中心集成了多種質(zhì)控算法于雷達(dá)三維組網(wǎng)產(chǎn)品上，從數(shù)據(jù)質(zhì)量角度來看，三維組網(wǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量要好些。

1.1 雷達(dá)三維組網(wǎng)產(chǎn)品對(duì)冰雹監(jiān)測(cè)分析

從4 月30 日17∶00—20∶00 雷達(dá)三維組網(wǎng)產(chǎn)品疊加冰雹識(shí)別產(chǎn)品演變過程可看出，17∶00，在江蘇北部的徐州、宿遷一帶有強(qiáng)對(duì)流回波發(fā)展，17∶20 兩個(gè)60dBZ 的強(qiáng)回波中心生成，淮安市西北方向冰雹識(shí)別產(chǎn)品顯示有冰雹發(fā)生，地面淮安五里鎮(zhèn)、沭陽縣吳集鎮(zhèn)等多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，之后，回波快速地向東南方向移動(dòng)，且強(qiáng)回波單體不斷地加強(qiáng)，18∶00 在淮安上空分裂成兩個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體，在18∶10 風(fēng)暴單體演變成超級(jí)單體，最大回波強(qiáng)度達(dá)到69dBZ，60dBZ強(qiáng)回波頂高達(dá)到8～9km 左右，表明對(duì)流發(fā)展旺盛，此時(shí)冰雹產(chǎn)品識(shí)別出強(qiáng)冰雹概率96%，冰雹最大直徑58mm，而地面報(bào)告淮安市區(qū)、淮陰區(qū)、淮安區(qū)、漣水等地出現(xiàn)冰雹，最大直徑50mm。19∶00 鹽城、南通北部多地識(shí)別出有冰雹發(fā)生，識(shí)別出的最大冰雹直徑24mm，災(zāi)情直報(bào)系統(tǒng)實(shí)況描述出現(xiàn)的冰雹最大直徑約20mm 左右。20∶00 冰雹識(shí)別產(chǎn)品顯示鹽城東臺(tái)市東部地區(qū)有冰雹發(fā)生，冰雹直徑25mm，地面報(bào)告冰雹直徑10～20mm?？梢?，雷達(dá)三維組網(wǎng)疊加冰雹識(shí)別產(chǎn)品能夠連續(xù)揭示長時(shí)間序列的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，且冰雹尺寸識(shí)別接近地面報(bào)告實(shí)況。

1.2 雷達(dá)三維組網(wǎng)產(chǎn)品對(duì)雷暴與大風(fēng)的監(jiān)測(cè)分析

19∶00 在冰雹發(fā)生區(qū)域的后方（圖略），有一強(qiáng)對(duì)流單體在發(fā)展，在該對(duì)流單體移動(dòng)的前方出現(xiàn)了弱陣風(fēng)鋒，到19∶50 該對(duì)流單體有所減弱，20∶10 該對(duì)流單體與前方的強(qiáng)對(duì)流單體合并加強(qiáng)，觸發(fā)了一條200km 左右的陣風(fēng)鋒，之后陣風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加粗，橫掃揚(yáng)州、泰州、鎮(zhèn)江、南通、常州一帶，造成這些地區(qū)地面出現(xiàn)大范圍大風(fēng)天氣，此階段地面大風(fēng)范圍最廣，風(fēng)力最大，且大風(fēng)區(qū)域出現(xiàn)在陣風(fēng)鋒前進(jìn)方向的后方。據(jù)30 日16∶00—22∶00 江蘇地面考核站出現(xiàn)大風(fēng)站點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，受陣風(fēng)鋒的影響，在江蘇省沿江及以北地區(qū)有455 個(gè)站風(fēng)速達(dá)到8 級(jí)以上（17.2m·s-1），20∶46 江蘇海區(qū)三友站監(jiān)測(cè)到極大風(fēng)速達(dá)到45.4m·s-1。20∶50 南通一帶由陣風(fēng)鋒又觸發(fā)生成了新的對(duì)流單體，導(dǎo)致南通多個(gè)地方出現(xiàn)大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。一直到22∶00，大風(fēng)開始減弱。

從17∶00—22∶00 雷達(dá)三維組網(wǎng)產(chǎn)品疊加雷電活動(dòng)演變情況看，雷電現(xiàn)象主要出現(xiàn)在45dBZ 以上的回波處，回波強(qiáng)度越大，出現(xiàn)負(fù)閃的次數(shù)越多，且回波單體排列的越緊密或呈條形狀時(shí)，雷電活動(dòng)也較密集，而回波單體排列較分散，則雷電活動(dòng)也較分散，且雷電活動(dòng)最多的時(shí)間段出現(xiàn)在17∶30—19∶00。統(tǒng)計(jì)30 日16∶00—22∶00 江蘇省雷電活動(dòng)，共出現(xiàn)1194 次雷電活動(dòng)，其中正閃476 次，負(fù)閃718 次，雷電活動(dòng)較密集的時(shí)段出現(xiàn)在18∶00—20∶00，三個(gè)時(shí)次分別為345 次、553 次、222 次，表明雷電活動(dòng)在19∶00 達(dá)到峰值。

2 雷達(dá)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品在龍卷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

2.1 5 月14 日江蘇、武漢龍卷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

5 月14 日19∶00—21∶00，江蘇省蘇州市吳江區(qū)盛澤鎮(zhèn)、湖北省武漢市蔡甸區(qū)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等地分別發(fā)生局地強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣并出現(xiàn)龍卷。

2.1.1 蘇州龍卷雷達(dá)監(jiān)測(cè)分析

從青浦雷達(dá)1.5°仰角基本反射率產(chǎn)品上看，在19∶00，江蘇蘇州吳江地區(qū)龍卷過程存在明顯的鉤狀回波（圖略），從垂直剖面圖可看出在距離雷達(dá)22～30km 之間低層存在有界弱回波區(qū)，揭示此區(qū)域存在上升氣流區(qū)，上升氣流區(qū)的上部中高層回波懸垂結(jié)構(gòu)特征明顯，回波隨高度向低層暖濕入流一側(cè)傾斜。從放大的反射率因子圖（略）可以看出鉤狀回波非常清晰，速度圖上顯示，在鉤狀回波附近出現(xiàn)了明顯的中氣旋。

從1.5°仰角差分反射率圖上看，對(duì)應(yīng)鉤狀回波附近其差分反射率值在0.2～0.8dBZ 之間，對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)值在0.85 以下，最小相關(guān)系數(shù)在0.5 左右，而其周圍的相關(guān)系數(shù)值較高，形成一種明顯的“盆地”現(xiàn)象，相比較而言，這種相關(guān)系數(shù)圖上出現(xiàn)的“盆地”現(xiàn)象比差分反射率圖上出現(xiàn)的“盆地”現(xiàn)象要明顯得多，相關(guān)系數(shù)“盆地”現(xiàn)象的出現(xiàn)表明地面有龍卷發(fā)生，是由龍卷抽吸到空中的垃圾或碎屑造成的。

龍卷渦旋特征識(shí)別產(chǎn)品是龍卷探測(cè)算法的輸出結(jié)果，識(shí)別出的龍卷渦旋信號(hào)表明此地有龍卷發(fā)生的可能。探測(cè)中心在原算法基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)并進(jìn)行組網(wǎng)顯示，形成龍卷渦旋特征識(shí)別移動(dòng)路徑組網(wǎng)產(chǎn)品。對(duì)于江蘇蘇州市吳江區(qū)“5·14”龍卷災(zāi)害，該產(chǎn)品顯示至少有3 部雷達(dá)先后25 次監(jiān)測(cè)到TVS，常州雷達(dá)在16∶48—17∶30 監(jiān)測(cè)到6 次，青浦雷達(dá)17∶12—18∶36 監(jiān)測(cè)到7 次，杭州雷達(dá)17∶40—19∶27 監(jiān)測(cè)到12 次，相關(guān)風(fēng)暴由西向東偏南方向移動(dòng)了約122km。

雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演產(chǎn)品可以揭示龍卷的旋轉(zhuǎn)程度，從青浦雷達(dá)與實(shí)況分析場(chǎng)融合反演的2021 年5 月14 日2km 高度和1km 高度水平風(fēng)場(chǎng)可以看到在2km 高度上，在鉤狀回波及弱回波區(qū)處有明顯的中氣旋結(jié)構(gòu)，且在其南側(cè)有大于20m·s-1的西南急流。在1km 高度，旋轉(zhuǎn)特征不明顯，但也存在氣旋性環(huán)流，且有入流存在。在低層出現(xiàn)中氣旋及氣旋性環(huán)流，這為龍卷的發(fā)生提供了有利條件。

2.1.2 武漢龍卷雷達(dá)監(jiān)測(cè)分析

5 月14 日20∶24 武漢雷達(dá)基本反射率因子上顯示，風(fēng)暴單體此時(shí)已演變成超級(jí)風(fēng)暴單體，反射率因子達(dá)到60dBZ，風(fēng)暴前進(jìn)方向的前方出現(xiàn)窄帶回波陣風(fēng)鋒，出現(xiàn)大風(fēng)天氣，20∶30 陣風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)更加明顯（圖略），風(fēng)暴達(dá)到最強(qiáng)盛階段，最大反射率因子達(dá)到64dBZ，出現(xiàn)了鉤狀回波，55dBZ 的回波高度達(dá)到12km，可見，存在旺盛的上升氣流，此時(shí)在徑向速度圖上出現(xiàn)了速度模糊。20∶36 回波的強(qiáng)度開始略微減弱，鉤狀回波仍維持，20∶54 從垂直剖面圖（略）可以看出在距離雷達(dá)20km 附近存在弱回波區(qū)，上升氣流區(qū)的懸垂結(jié)構(gòu)較明顯。從徑向速度場(chǎng)也可以看出鉤狀回波附近存在著中氣旋，最大旋轉(zhuǎn)速度20.7m·s-1，距地約0.9km。在徑向速度的垂直剖面圖上也表明系統(tǒng)底部輻合、中高空輻散明顯。

在龍卷渦旋特征識(shí)別移動(dòng)路徑組網(wǎng)產(chǎn)品上，武漢天氣雷達(dá)在19∶48 和20∶36 監(jiān)測(cè)到2 次相應(yīng)龍卷渦旋特征TVS，具體移動(dòng)路徑及發(fā)生時(shí)間（圖略）。地面實(shí)況報(bào)告在21∶00 武漢開發(fā)區(qū)突發(fā)龍卷風(fēng)和強(qiáng)降雨?？梢?，龍卷渦旋特征識(shí)別移動(dòng)路徑產(chǎn)品對(duì)龍卷的預(yù)警具有一定的指示意義。

2.2 8 月25 日遼寧葫蘆島龍卷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

受高空冷渦配合低空急流影響，2021 年8 月25日遼寧渤海灣、遼河平原出現(xiàn)大范圍雷暴大風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流天氣，16∶00 左右葫蘆島市龍港地區(qū)望海寺出現(xiàn)龍卷風(fēng)天氣。

營口雙偏振雷達(dá)單站監(jiān)測(cè)產(chǎn)品顯示，8 月25 日15∶35 左右，遼寧葫蘆島龍港地區(qū)附近有強(qiáng)對(duì)流回波在發(fā)展，最大回波強(qiáng)度達(dá)60dBZ，之后回波逐漸向東北方向移動(dòng)，16∶00 出現(xiàn)了兩條陣風(fēng)鋒（圖略），地面出現(xiàn)大風(fēng)，在1.5°仰角上，出現(xiàn)了明顯的旁瓣回波，地面有冰雹出現(xiàn)，16∶12 龍港地區(qū)附近已無較強(qiáng)的雷達(dá)回波，葫蘆島東北部回波強(qiáng)度減弱至30～35dBZ，但兩條陣風(fēng)鋒的長度更長，結(jié)構(gòu)更加緊密清晰。16∶00的徑向速度圖顯示葫蘆島地區(qū)有中氣旋存在。從這些分析中可知，地面出現(xiàn)大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，但還無從判斷有龍卷發(fā)生。從營口雙偏振雷達(dá)相關(guān)系數(shù)產(chǎn)品上看（圖略），在鉤狀回波處的相關(guān)系數(shù)在0.5 以下，比周圍相關(guān)系數(shù)值要低很多，形成了明顯的相關(guān)系數(shù)“盆地”現(xiàn)象，表明確有龍卷風(fēng)發(fā)生。

3 結(jié)論

通過以上對(duì)2021 年發(fā)生的冰雹、雷暴大風(fēng)、龍卷等4 個(gè)強(qiáng)對(duì)流天氣過程的監(jiān)測(cè)分析，得出如下結(jié)論：

（1）江蘇“4·30”雷暴大風(fēng)、冰雹過程涉及范圍廣、強(qiáng)度大，從山東境內(nèi)一直向偏南方向移動(dòng)發(fā)展，歷經(jīng)江蘇大部分地區(qū)，在19 時(shí)就出現(xiàn)出流邊界一直到22 時(shí)基本結(jié)束。雷達(dá)三維組網(wǎng)產(chǎn)品、冰雹識(shí)別組網(wǎng)產(chǎn)品、以及疊加地面單站大風(fēng)和雷電產(chǎn)品可以完整地記錄雷暴天氣整個(gè)發(fā)展演變過程，相比于單站雷達(dá)探測(cè)出流邊界陣風(fēng)鋒信息量要豐富些。

（2）冰雹識(shí)別組網(wǎng)產(chǎn)品能較好地識(shí)別出冰雹發(fā)生區(qū)域，但在冰雹尺寸上識(shí)別結(jié)果略高于實(shí)際發(fā)生情況，這也驗(yàn)證了冰雹識(shí)別算法在強(qiáng)冰雹天氣情況下的準(zhǔn)確性，為下一步冰雹識(shí)別算法的中試評(píng)估做好鋪墊，以便更好地改進(jìn)冰雹識(shí)別算法。

（3）經(jīng)過質(zhì)量控制后的龍卷渦旋特征移動(dòng)路徑產(chǎn)品在龍卷的監(jiān)測(cè)中給出了很好的指示，在一定程度上能夠?yàn)辇埦淼念A(yù)警、災(zāi)調(diào)提供依據(jù)。雙偏振雷達(dá)相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)的“盆地”現(xiàn)象為識(shí)別龍卷的發(fā)生更往前邁進(jìn)了一步。

（4）雷達(dá)三維反演風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品可以很好地揭示龍卷的旋轉(zhuǎn)程度，這在江蘇吳江區(qū)龍卷的發(fā)生過程中得到了很好的驗(yàn)證。