天津雷暴大風天氣的環(huán)流場及雷達回波特征分析

王艷春，陳 宏，尉英華*，張 慶，張 楠，林曉萌

（1.天津市海洋氣象重點實驗室，天津300074；2.天津市氣象臺，天津300074）

雷暴大風是指對流風暴產(chǎn)生的龍卷以外的地面直線型風害[1]。我國雷暴大風出現(xiàn)概率東部大于西部，北方高于南方，主要集中在華北、華東、江南和華南地區(qū)[2-4]。華北地區(qū)雷暴大風主要分布在北京西北部山區(qū)、京津冀沿海地區(qū)以及西北部高原，多出現(xiàn)在6—7 月[5-6]。天津地處華北平原東北部，東臨渤海，北枕燕山，汛期（4—9 月）由強對流天氣造成的雷暴大風發(fā)生頻繁且致災(zāi)嚴重，如2020 年6 月25 日天津出現(xiàn)大范圍災(zāi)害性大風過程，最大陣風風力達13 級（41.4 m·s-1），50 a 一遇的大風造成大量農(nóng)作物倒伏，車輛和瓜果蔬菜受損，農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積達65.191 km2，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失達2.4 億元；2017 年7 月9 日天津靜海區(qū)出現(xiàn)下?lián)舯┝鞔箫L，22 個加密自動站最大陣風風力達8 級以上，監(jiān)測到最大陣風達12 級（33.8 m·s-1）。

關(guān)于我國不同地區(qū)雷暴大風的環(huán)流形勢和雷達特征，眾多學者開展了相關(guān)研究，并得到一些有意義的結(jié)論。陳曉欣等[4]將我國雷暴大風事件的天氣流型分為西太平洋副熱帶高壓邊緣型、弱槽型、高空干冷平流強迫型和強槽型4 種。一些學者分別對京津冀地區(qū)、山東地區(qū)、湖北地區(qū)和海南島地區(qū)雷暴大風天氣的環(huán)流形勢和環(huán)境參數(shù)進行了統(tǒng)計分析，并建立了各地區(qū)雷暴大風的天氣流型和環(huán)境參數(shù)閾值指標[5，7-9]。隨著多普勒天氣雷達的廣泛應(yīng)用和雷達資料的不斷積累，為深入研究雷暴大風的臨近預(yù)報預(yù)警方法，一些學者對不同地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風的雷達回波形態(tài)及產(chǎn)品特征進行統(tǒng)計分析。美國地區(qū)致災(zāi)最嚴重的雷暴大風雷達回波類型為弓形回波、颮線和多單體風暴[10]。中層徑向輻合、弓形回波、陣風鋒和徑向速度大值區(qū)對雷暴大風有很好的指示作用[11]。我國河北地區(qū)雷暴大風的主要雷達回波特征表現(xiàn)為弓形回波、陣風鋒和徑向速度大值區(qū)，出現(xiàn)以上一個或多個特征即可發(fā)布雷暴大風預(yù)警[12]。楊璐等[13]通過對北京地區(qū)雷暴大風天氣不同生命期內(nèi)的雷達回波進行統(tǒng)計分析得出，徑向速度大值區(qū)能對77%的帶狀回波和100%的弓形回波造成的雷暴大風天氣提前發(fā)布預(yù)警。龍柯吉等[14]統(tǒng)計分析了四川盆地雷暴大風的對流組織類型和雷達回波特征，發(fā)現(xiàn)82%的雷暴大風站點具有風速大值區(qū)。

天津地區(qū)關(guān)于雷暴大風的研究多集中于個例分析[15-17]，有利于雷暴大風出現(xiàn)的天氣形勢尚待歸納總結(jié)，針對雷暴大風多普勒雷達特征的統(tǒng)計工作開展較少。本文統(tǒng)計分析了天津地區(qū)2018—2020 年雷暴大風的時空分布特征、天氣形勢以及雷達回波特征，以期為雷暴大風的短時臨近預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與方法介紹

1.1 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)包括（1）2018—2020 年4—9 月地面加密自動站資料、閃電定位儀資料；（2）美國大氣環(huán)境中心（NCEP）提供的全球分析資料（final operation global analysis，F(xiàn)NL），時間分辨率為6 h，水平分辨率為1°×1°，以下簡稱FNL 資料；（3）雷達資料：天津塘沽CINRAD-SA 型新一代天氣雷達（117.72°E，39.04°N）提供的基本產(chǎn)品和分析產(chǎn)品。

1.2 個例篩選

基于2018—2020 年4—9 月地面加密自動站資料、閃電定位儀資料和多普勒雷達資料篩選雷暴大風個例，雷暴大風過程需滿足2 個條件，（1）6 h 內(nèi)天津地區(qū)有3 個或以上自動站瞬時風速達到或超過17.2 m·s-1，若大風站點較為分散且自動站站數(shù)較少，不計入研究過程；（2）大風發(fā)生前后30 min 內(nèi)，大風站周邊100 km 范圍內(nèi)有閃電觀測記錄和雷暴回波?；谝陨显瓌t，共篩選出天津地區(qū)47 次雷暴大風天氣過程作為本文研究的雷暴大風個例。

1.3 雷達回波特征分析方法

基于雷達回波形態(tài)的對流風暴分類有很多種，被業(yè)界廣泛認可的是Browning 提出的4 種風暴類型：普通單體風暴、多單體風暴、多單體線狀風暴（包含颮線）和超級單體風暴[18]。除上述4 種風暴類型外，易導致雷暴大風的對流風暴有一種被稱為“弓形回波”[4]，它可以是孤立的單體風暴，可以是呈現(xiàn)弓形的多單體風暴，更多的是作為颮線的一部分鑲嵌其中[19]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合分析造成天津地區(qū)雷暴大風的雷達回波形態(tài)，發(fā)現(xiàn)超級單體風暴多鑲嵌在多單體風暴或颮線當中，因此不做單獨分類。最終將天津地區(qū)雷暴大風的風暴類型分為5種：非線狀多單體風暴、線狀多單體風暴（不包含颮線）、颮線、弓形回波和普通單體風暴。具體分類操作流程如圖1，以雷達組合反射率因子為基礎(chǔ)，（1）判斷引起雷暴大風的回波是否為孤立的單體，若是定為普通單體風暴，若不是則進行下一步；（2）依據(jù)俞小鼎等[1]對中國地區(qū)颮線的定義來判斷回波形態(tài)是否滿足颮線特征，若滿足將風暴類型定為颮線，若不滿足則進行下一步；（3）判斷風暴中是否存在弓形單體或弓形結(jié)構(gòu)的多單體回波，若存在將風暴類型定義為弓形回波，若不存在則進行下一步；（4）判斷回波單體是否呈線狀排列，將單體呈線狀排列的風暴定為線狀多單體風暴，將單體無明顯線狀排列特征的風暴定為非線狀多單體風暴。

2 時空分布

2.1 雷暴大風的空間分布

天津地區(qū)北部緊鄰燕山，東部瀕臨渤海，呈現(xiàn)自北向南逐級下降的地形。圖2 為天津地區(qū)2018—2020 年雷暴大風過程的空間分布散點圖，天津地區(qū)雷暴大風空間分布不均勻，雷暴大風發(fā)生次數(shù)超過10 次的站點共有16 站，其中北部薊州山區(qū)有4 站，東部臨海的濱海新區(qū)有7 站，其他區(qū)縣均不超過2站，可見，雷暴大風的高發(fā)區(qū)主要分布在北部薊州山區(qū)和東部沿海地區(qū)。

圖2 2018—2020 年天津地區(qū)雷暴大風過程空間分布

2.2 雷暴大風的月分布

對天津地區(qū)雷暴大風出現(xiàn)的次數(shù)進行月統(tǒng)計（圖3a）可知，天津地區(qū)雷暴大風主要出現(xiàn)在春季和夏季，6—8 月出現(xiàn)頻次較高，其中6 月出現(xiàn)雷暴大風次數(shù)最多，這與春末夏初冷空氣活躍、夏季西南氣流和西太平洋副熱帶高壓（簡稱“副高”）北上有關(guān)。6月天津地區(qū)冷暖空氣交匯頻繁，干冷空氣疊加在暖濕空氣之上，有利于產(chǎn)生雷暴大風。7—8 月受北上的西南氣流和增強北跳的副高影響，能量條件較好，邊界層弱的輻合條件便可導致對流發(fā)展增強。

圖3 2018—2020 年天津地區(qū)雷暴大風分布特征

2.3 雷暴大風的時次分布

對天津地區(qū)雷暴大風出現(xiàn)的次數(shù)進行時次統(tǒng)計（圖3b），天津地區(qū)雷暴大風的時次分布表現(xiàn)出明顯的日變化特征，05 時—次日11 時雷暴大風出現(xiàn)次數(shù)最少，13 時開始大幅增加，傍晚到前半夜是高發(fā)時段，峰值出現(xiàn)在16—17 時。原因為午后到傍晚，熱力效應(yīng)造成地面增溫大，使得傍晚前后大氣層結(jié)不穩(wěn)定度加大，有利于風暴的形成和發(fā)展，故雷暴大風最多。

2.4 雷暴大風的持續(xù)時間

對天津地區(qū)雷暴大風的持續(xù)時間（末站雷暴大風結(jié)束時間與首站雷暴大風開始時間之差）進行統(tǒng)計得到圖3c，天津雷暴大風過程的持續(xù)時間多為1～4 h，占比達74.5%，其中持續(xù)時間為1～2 h 的次數(shù)最多，占比達44.7%。出現(xiàn)上述特征的主要原因是，造成雷暴大風的對流多為颮線、弓形回波等中小尺度系統(tǒng)[4]，此類系統(tǒng)的生命史一般較短，因此導致雷暴大風的持續(xù)時間較短。

3 環(huán)流場特征分析

研究雷暴大風發(fā)生時或發(fā)生前的天氣環(huán)流背景對于雷暴大風預(yù)報具有一定的指示意義。利用FNL資料對天津地區(qū)47 次雷暴大風過程的影響系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)500 hPa 環(huán)流形勢主要有四類：冷渦型、西北氣流型、低槽型和副高邊緣型。圖4 為四種天氣流型出現(xiàn)次數(shù)、月分布直方圖及500 hPa 環(huán)流形勢合成圖。冷渦型在所有天氣流型中出現(xiàn)頻次最高，共出現(xiàn)16 次，主要在5—8 月。在此類天氣流型中，天津位于500 hPa 冷渦底部的槽區(qū)，冷渦影響下的中層大氣較為干冷，垂直減溫率大，易導致較大的對流有效位能，有利于產(chǎn)生雷暴大風等對流天氣[20]；西北氣流型出現(xiàn)次數(shù)僅次于冷渦型，共出現(xiàn)14 次，6月出現(xiàn)次數(shù)明顯高于其他月份。在此類天氣流型中，天津位于西風槽后，受西北氣流控制；低槽型共出現(xiàn)12 次，主要在6—7 月。在此類天氣流型中，500 hPa低槽呈準南北向分布，天津處于槽前西南氣流中；副高邊緣型出現(xiàn)次數(shù)最少，僅5 次，主要出現(xiàn)在7—8月，其中以8 月最多。在此類天氣流型中，天津位于副高西北側(cè)的西南氣流中，其北側(cè)有低槽配合，有利于暖濕氣流與干冷氣流匯合。

圖4 四種天氣流型出現(xiàn)次數(shù)（a）和月分布（b）及天津雷暴大風500 hPa 環(huán)流場特征

4 雷達回波特征分析

4.1 造成雷暴大風的對流風暴類型

由不同類型對流風暴的分布特征（圖5）可知，颮線是產(chǎn)生雷暴大風數(shù)量最多的風暴類型，共18次，天氣流型以冷渦型和低槽型為主，主要出現(xiàn)在7、8 月；非線狀多單體風暴產(chǎn)生的雷暴大風數(shù)量次之，為13 次，最常發(fā)生在西北氣流型天氣背景下，主要出現(xiàn)在6、8 月；弓形回波產(chǎn)生的雷暴大風數(shù)量排第3 位，為8 次，對應(yīng)最多的天氣流型是冷渦型，6月數(shù)量最多；線狀多單體風暴產(chǎn)生的雷暴大風數(shù)量較少，為7 次，對應(yīng)的天氣流型主要有副高型、低槽型和西北氣流型，主要出現(xiàn)在6、8 月；普通單體風暴是產(chǎn)生雷暴大風數(shù)量最少的風暴類型，僅有1 次，出現(xiàn)在6 月，為冷渦型。

圖5 天津雷暴大風過程中對流風暴的分布特征

4.2 強度回波特征

為表現(xiàn)雷達回波的總體分布及在不同天氣流型和不同風暴類型（由于普通單體風暴僅出現(xiàn)1 次，所以此處不對其做單獨的統(tǒng)計分析）中的具體分布特征，利用小提琴圖對最大反射率因子（指組合反射率產(chǎn)品中的最大反射率因子，下同）和強回波中心下降率2 個強度回波特征進行統(tǒng)計分析。小提琴圖是箱線圖與核密度圖的結(jié)合，近年來有學者用其代替箱線圖來分析強對流天氣的雷達特征[21]。小提琴圖的優(yōu)勢在于，一方面可通過箱線部分展示出數(shù)據(jù)的中位數(shù)、上下四分位數(shù)、最大值和最小值，另一方面又可通過核密度曲線顯示出數(shù)據(jù)的整體分布和多峰值分布等特征。以圖6a 為例，圖中黑色粗短線代表中位數(shù)，黑色方框的上下邊框分別為上下四分位點，細黑線代表須，白色圓點代表離群值，外部曲線形狀為核密度估計（kernel density estimation，KDE），以下簡稱KDE，曲線較寬的部分為KDE 大值區(qū)，代表觀測值取值概率高，較窄部分則對應(yīng)較低的概率。

圖6 最大反射率因子小提琴圖

4.2.1 最大反射率因子

圖6a 是最大反射率因子的小提琴圖。天津地區(qū)雷暴大風的最大反射率因子通常為52.5～78 dBZ，中位數(shù)為62 dBZ，上下四分位數(shù)分別為63.9 和58 dBZ，KDE 大值區(qū)位于61 dBZ 附近。當最大反射率因子值＜58 dBZ 時發(fā)生雷暴大風的可能性很小，當最大反射率因子值＜52.5 dBZ 時可不考慮雷暴大風發(fā)生的可能性，當最大反射率因子為61 dBZ 左右時發(fā)生雷暴大風的可能性最高。

對不同天氣流型和不同風暴類型中最大反射率因子進一步統(tǒng)計分析得到圖6b 和6c。在4 種天氣流型中，雷暴大風的最大反射率因子差異明顯，其中冷渦型和副高邊緣型的分布相對集中，KDE 大值區(qū)分別位于60 和58 dBZ 附近，其他兩種流型分布則較為分散；在4 種風暴類型中，非線狀多單體風暴的核密度曲線出現(xiàn)的3 個峰值，其中在62 dBZ 左右時發(fā)生雷暴大風的概率最高，線狀多單體風暴的KDE大值區(qū)與非線狀多單體風暴接近，颮線的分布較為分散，弓形回波的各分位值相對其他三種風暴類型明顯偏高3～6 dBZ。

4.2.2 強回波中心下降率

若雷暴大風發(fā)生前強回波中心未出現(xiàn)連續(xù)下降持續(xù)2 個體掃或以上，則認為強回波中心下降率為0；若雷暴大風發(fā)生前強回波中心出現(xiàn)連續(xù)下降持續(xù)2 個體掃或以上，則將強回波中心連續(xù)下降期間平均每分鐘內(nèi)降低的高度定義為強回波中心下降率，單位為m·min-1。

天津地區(qū)有85%的雷暴大風過程出現(xiàn)了強回波中心下降。由強回波中心下降率的小提琴圖（圖7a）可知，天津地區(qū)雷暴大風的強回波中心下降率的分布較為集中，主要集中在150～350 m·min-1，中位數(shù)為250 m·min-1，KDE 大值區(qū)位于260 m·min-1左右。當強回波中心下降率在260 m·min-1左右時發(fā)生雷暴大風的可能性最高。對不同天氣流型和不同風暴類型中強回波中心下降率進一步統(tǒng)計分析得到圖7b 和7c。在4 種天氣流型中，西北氣流型和低槽型分布較為集中，雷暴大風常發(fā)生在強回波中心下降率為250 m·min-1左右時；在4 種風暴類型中，非線狀多單體風暴和線狀多單體風暴的分布比較集中，強回波中心下降率在280～300 m·min-1時發(fā)生雷暴大風的概率最高，颮線和弓形回波的分布較為分散，較高的強回波中心下降率主要集中在這兩種風暴類型中。

圖7 強回波中心下降率小提琴圖

4.3 低層速度場特征

低層徑向速度大值區(qū)往往對于地面大風的臨近預(yù)警有重要指示作用[22-23]，圖8 給出了不同風暴類型的雷暴大風過程中低層徑向速度大值區(qū)出現(xiàn)次數(shù)百分比及相對于地面大風的提前量。低層徑向速度大值區(qū)對非線狀多單體風暴雷暴大風的指示意義不強，低層徑向速度大值區(qū)出現(xiàn)次數(shù)百分比僅為15.4%。但對于其他3 種風暴類型雷暴大風，低層徑向速度大值區(qū)的指示意義都較好，有42.9%的線狀多單體風暴雷暴大風、66.7%的颮線雷暴大風和62.5%的弓形回波雷暴大風都伴隨低層徑向速度大值區(qū)。從提前量來看，大多數(shù)情況可根據(jù)低層徑向速度大值區(qū)提前發(fā)布預(yù)警。根據(jù)低層徑向速度大值區(qū)，可對15.4%的非線狀多單體風暴、14.3%的線狀多單體風暴和22.2%的颮線雷暴大風提前30 min 發(fā)布預(yù)警。對于弓形回波雷暴大風，由于其尺度小、生命期短，故預(yù)警提前量相對較低，大多數(shù)為1～15 min。

圖8 不同風暴類型雷暴大風中低層徑向速度大值區(qū)出現(xiàn)次數(shù)百分比（a）和相對于地面大風的提前量（b）

4.4 雷暴大風極端值與風暴類型的關(guān)系討論

圖9 為雷暴大風極端值在不同天氣流型和不同風暴類型中的分布。在不同天氣流型中，30～40 m·s-1的雷暴大風主要出現(xiàn)在低槽型天氣背景下，≥40 m·s-1的雷暴大風主要出現(xiàn)在低槽型和西北氣流型天氣背景下。在低槽型天氣背景下，出現(xiàn)最多的風暴類型是颮線。在不同風暴類型中，30～40 m·s-1的雷暴大風主要出現(xiàn)颮線過程中，≥40 m·s-1的雷暴大風僅出現(xiàn)在弓形回波過程中?？梢?，颮線和弓形回波是造成雷暴大風極端值的主要風暴類型。

圖9 雷暴大風極端值在不同天氣流型（a）和不同風暴類型（b）中的分布

5 結(jié)論

利用加密自動站、閃電定位儀、FNL 和多普勒雷達資料對2018—2020 年汛期（4—9 月）天津地區(qū)出現(xiàn)的47 次雷暴大風過程的時空分布、天氣形勢和雷達回波特征進行統(tǒng)計分析，得到以下結(jié)論：

（1）天津地區(qū)雷暴大風空間分布不均，多出現(xiàn)在北部薊州山區(qū)和東部沿海地區(qū)，表現(xiàn)出明顯的月變化和日變化特征，高發(fā)月份為6—8 月，多出現(xiàn)在傍晚到前半夜，持續(xù)時間多為1～4 h。

（2）根據(jù)500 hPa 影響系統(tǒng)，將天津地區(qū)雷暴大風的天氣形勢分為西北氣流型、冷渦型、低槽型和副高邊緣型。冷渦型出現(xiàn)頻次最高，主要出現(xiàn)在5—8月，西北氣流型次之，6 月出現(xiàn)次數(shù)明顯高于其他月份，再次是低槽型，主要出現(xiàn)在6—7 月，副高邊緣型出現(xiàn)頻次最低，多在7—8 月出現(xiàn)。

（3）基于雷達回波形態(tài)將造成天津地區(qū)雷暴大風的對流風暴分為5 種類型：非線狀多單體風暴、線狀多單體風暴（不包含颮線）、颮線、弓形回波和普通單體風暴。颮線數(shù)量最多，主要出現(xiàn)在7—8 月，以冷渦型和低槽型為主；非線狀多單體風暴數(shù)量次之，多發(fā)生于6 月，以西北氣流型為主；弓形回波數(shù)量較少，多集中在6 月，以冷渦型為主；線狀多單體風暴出現(xiàn)7 次，對應(yīng)的天氣流型主要有副高型、低槽型和西北氣流型，主要出現(xiàn)在6、8 月；普通單體風暴僅在6 月出現(xiàn)1 次，為冷渦型。

（4）當最大反射率因子為61 dBZ、強回波中心下降率為260 m·min-1左右時發(fā)生雷暴大風的可能性最高；弓形回波的最大反射率因子相對其他3 種風暴類型明顯偏高約3～6 dBZ，較高的強回波中心下降率主要集中在颮線和弓形回波過程中。

（5）根據(jù)低層徑向速度大值區(qū)，可對15.4%的非線狀多單體風暴、14.3%的線狀多單體風暴和22.2%的颮線雷暴大風提前30 min 發(fā)布預(yù)警；颮線和弓形回波是造成雷暴大風極端值的主要風暴類型。

在短時臨近預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)中，可根據(jù)本文研究得到的天津地區(qū)雷暴大風時空分布特征，重點加強對雷暴大風高發(fā)區(qū)域和高發(fā)時段的監(jiān)測，并結(jié)合環(huán)流形勢、對流風暴類型及雷達回波特征預(yù)判雷暴大風可能發(fā)生的強度和時長。但目前的工作仍停留在統(tǒng)計分析層面，未來還需開展基于雷達參數(shù)指標的雷暴大風短時臨近客觀預(yù)報方法研究，以為雷暴大風的預(yù)報預(yù)警提供技術(shù)支撐和客觀產(chǎn)品。