一次雷暴回波短帶產(chǎn)生強(qiáng)天氣的特征分析

杜 強(qiáng),段和平

(江西省氣候中心,330046,南昌)

0 引言

雷暴是一種常見(jiàn)的天氣現(xiàn)象,其特征為強(qiáng)烈的降水和頻繁的閃電活動(dòng)。雷暴回波短帶是指雷暴單體排列在一起形成的較短的回波帶,一般伴隨著地面輻合線存在。雷暴回波短帶是一種強(qiáng)天氣回波,通常與強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)等強(qiáng)天氣事件相關(guān)。因此,深入研究雷暴天氣對(duì)于提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率及降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)專家學(xué)者通過(guò)對(duì)不同天氣系統(tǒng),包括常規(guī)氣象觀測(cè)、數(shù)值預(yù)報(bào)、雷達(dá)圖像分析和氣象衛(wèi)星技術(shù)等分析,雷暴大風(fēng)的識(shí)別和分析方法、形成機(jī)制等進(jìn)行了詳細(xì)的綜述[1-4]。雷暴大風(fēng)天氣個(gè)例時(shí)有發(fā)生,也是監(jiān)測(cè)預(yù)警中重要的一個(gè)內(nèi)容[5-6]。江西副高邊緣出現(xiàn)的雷暴大風(fēng)以雷暴回波短帶為主,雷暴回波短帶所經(jīng)之地常出現(xiàn)大風(fēng)、強(qiáng)降水和強(qiáng)雷電天氣[7-9]。短時(shí)強(qiáng)降水的氣象變量對(duì)研究降水量、降水強(qiáng)度和降水頻率等的形成機(jī)制、變化趨勢(shì)和空間分布等特征具有重要的意義。同時(shí),考慮到氣候變化、人類活動(dòng)和地形等因素對(duì)強(qiáng)降水的影響,為短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)防和減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)[10-12]。雷達(dá)氣象技術(shù)是研究雷暴天氣的重要手段,雷達(dá)探測(cè)到的回波反映了大氣中的微物理過(guò)程,因此,其形態(tài)和性質(zhì)對(duì)于研究雷暴天氣具有重要意義。

本文旨在研究雷暴回波短帶在強(qiáng)降水和大風(fēng)事件中的特征,并分析其在不同條件下的天氣系統(tǒng)配置、閃電信息、回波演變和回波特征,為雷暴監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

本研究使用江西地面極大風(fēng)速、累計(jì)雨量等要素獲得雷暴回波短帶所產(chǎn)生的大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等信息。使用江西二維和三維閃電觀測(cè)數(shù)據(jù),在閃電數(shù)據(jù)處理中,使用了閃電定位算法和閃電頻次算法等方法,以獲得總閃電次數(shù)、負(fù)閃電次數(shù)、正閃電次數(shù)和正負(fù)閃電強(qiáng)度(KA)等信息。使用MICAPS平臺(tái)分析中尺度天氣系統(tǒng),獲得不同高度上中尺度天氣系統(tǒng)的分布情況。使用江西WebGIS雷達(dá)拼圖組合反射率因子CR產(chǎn)品圖,分析雷暴回波短帶的移動(dòng)和演變;在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中,使用了多部雷達(dá)相互彌補(bǔ)、雙線性插值和中值濾波等方法,以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和拼圖美觀度,突出雷達(dá)回波經(jīng)典時(shí)刻回波特征,對(duì)雷暴回波短帶在強(qiáng)降水和大風(fēng)事件中的回波特征進(jìn)行分析。

2 天氣實(shí)況和天氣系統(tǒng)配置

2.1 天氣實(shí)況

2.1.1 雷暴大風(fēng)和強(qiáng)降水 2023年5月17日,江西中北部出現(xiàn)一次由于雷暴回波短帶造成的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。過(guò)程維持時(shí)間約6 h,地面伴隨雷暴大風(fēng)(圖1(a))和短時(shí)強(qiáng)降水(圖1(b)),區(qū)域站降水達(dá)到暴雨量級(jí)(圖1(c))。

(a)國(guó)家站6小時(shí)極大風(fēng)速 ;(b)國(guó)家站6小時(shí)雨量 ;(c)區(qū)域站6小時(shí)雨量

2.1.2 較強(qiáng)的閃電活動(dòng) 閃電是雷暴天氣中能量釋放的結(jié)果,對(duì)于預(yù)測(cè)強(qiáng)降水和大風(fēng)的發(fā)生具有較高的參考價(jià)值。雷暴一般發(fā)生在氣壓低、溫度高、濕度大、對(duì)流不穩(wěn)定的天氣條件下。在這種情況下,空氣中的水蒸氣會(huì)被加熱上升,形成積雨云。當(dāng)云體發(fā)展到一定程度時(shí),云中產(chǎn)生的靜電會(huì)不斷積累。當(dāng)靜電達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象,就是人們常說(shuō)的閃電。

研究表明,雷暴回波短帶的閃電密度較高,出現(xiàn)強(qiáng)天氣現(xiàn)象前閃電次數(shù)出現(xiàn)一個(gè)高峰,強(qiáng)天氣出現(xiàn)后閃電次數(shù)又出現(xiàn)一個(gè)高峰,整個(gè)閃電過(guò)程中展現(xiàn)出明顯的多峰特征(圖2(a))。閃電強(qiáng)度(kV)基本上在100 kV之內(nèi),正負(fù)閃強(qiáng)度對(duì)稱(圖2(b))。閃電信息在預(yù)測(cè)其強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)的能力方面有較好的預(yù)報(bào)指示意義。

(a)總閃、正閃和負(fù)閃次數(shù) ;(b)正負(fù)閃電強(qiáng)度(kA)

2.2 天氣系統(tǒng)配置

天氣系統(tǒng)和雷暴之間存在著密切的關(guān)系,了解天氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化情況對(duì)于預(yù)測(cè)和防范雷暴事件至關(guān)重要。

2023年5月17日08時(shí),200 hPa(圖3(a))存在一支風(fēng)速≥40 m/s的大風(fēng)區(qū)橫穿江西北部,這支氣流被稱為“出流區(qū)”。500 hPa(圖3(b))江西處在槽前西南氣流中,江西以北(32°N)附近有一低渦發(fā)展。850 hPa(圖3(c))江西北部受低渦切變線影響,盛行西南氣流,南昌達(dá)到20 m/s,這支西南急流為強(qiáng)降水創(chuàng)造了很好的水汽條件。11時(shí)地面(圖3(d))整個(gè)江西中北部受低氣壓影響,低層輻合加強(qiáng),地面輻合線位于江西中北部,輻合力量較強(qiáng),個(gè)別站達(dá)到22 m/s,這為午后雷暴回波短帶的形成提供了觸發(fā)機(jī)制。低層濕熱,高層干冷,上干下濕層結(jié)構(gòu)形成極不穩(wěn)定的大氣層結(jié),有利于雷暴回波短帶的發(fā)展和加強(qiáng)。

(a)200 hPa ;(b)500 hPa ;(c)850 hPa ;(d)地面11時(shí)

3 雷達(dá)回波特征

3.1 雷暴回波短帶回波演變

雷暴回波短帶在強(qiáng)降水和大風(fēng)事件中的回波演變規(guī)律。在雷暴發(fā)展初期12:00,雷暴回波短帶通常呈現(xiàn)出不是很強(qiáng)的回波和較弱的閃電活動(dòng)(圖4(a))。在低渦回波團(tuán)(絮狀回波團(tuán)后側(cè))地面輻合線附近發(fā)展。隨著時(shí)間的推移,13:00回波特征逐漸變化,回波強(qiáng)度快速增強(qiáng)發(fā)展,閃電開(kāi)始增多(圖4(b))。14:00(圖4(c)),位于進(jìn)賢的強(qiáng)回波單體,產(chǎn)生24 m/s雷暴大風(fēng)。15:00(圖4(d)),雷暴回波短帶形成,萬(wàn)年、進(jìn)賢等站出現(xiàn)強(qiáng)降水。16:00(圖4(e)),鷹潭、貴溪等站出現(xiàn)強(qiáng)降水。17:00(圖4(f)),橫峰等站出現(xiàn)強(qiáng)降水。

(a)12:00 ;(b)13:00 ;(c)14:00 ;(d)15:00 ;(e)16:00 ;(f)17:00

雷暴回波短帶由多個(gè)雷暴單體強(qiáng)回波組成,單體回波強(qiáng)度CR在50～55 dBZ之間,明顯比江西冰雹超級(jí)單體回波偏弱。但雷暴回波短帶產(chǎn)生強(qiáng)降水的可能性較大,一些55 dBZ強(qiáng)單體回波會(huì)導(dǎo)致雷暴大風(fēng)天氣的發(fā)生。雷暴回波短帶的持續(xù)時(shí)間較短,從14時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)天氣開(kāi)始到結(jié)束強(qiáng)天氣,一般在1—3 h之間,比起超級(jí)單體或強(qiáng)颮線回波系統(tǒng)維持時(shí)間要短。

3.2 雷暴回波短帶回波特征

雷暴回波通常表現(xiàn)為比較強(qiáng)烈的回波單體結(jié)構(gòu),其特征往往取決于回波的強(qiáng)度和形狀。雷暴回波短帶是由多個(gè)雷暴回波單體排列成帶所組成的回波帶,其特征包括回波強(qiáng)度較強(qiáng)(50～55 dBZ)、回波頂較高(10～12 km左右)、回波帶較短(相比冷鋒回波帶和颮線回波帶),影響區(qū)域較小,持續(xù)時(shí)間較短,短帶上回波單體強(qiáng)度分布不均勻等。雷暴回波短帶通常在局部產(chǎn)生強(qiáng)降水,有時(shí)可能伴隨著雷暴大風(fēng)等極端天氣事件。不同類型的雷暴回波表明了一些特定天氣現(xiàn)象,而雷暴回波短帶則是其中最常見(jiàn)的一種類型。

這次雷暴回波短帶有2個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)強(qiáng)天氣,一是14:00(圖5(a))雷暴回波短帶南段強(qiáng)回波單體造成進(jìn)賢24.5 m/s雷暴大風(fēng);二是15:00(圖5(b))雷暴回波短帶中段強(qiáng)回波單體不斷已過(guò)萬(wàn)年站造成33.0 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水。

(a)14:00 ;(b)15:00

3.3 雷暴回波短帶垂直結(jié)構(gòu)

垂直積分液態(tài)水含量 (VIL) 是一種雷達(dá)降水估算中常用的指標(biāo),用于估算垂直方向上的降水。它是由雷達(dá)反射率因子與垂直方向變化的積分值相乘得到的。在雷達(dá)反射率因子雷達(dá)方程中,探測(cè)目標(biāo)物直徑越大反射率因子越強(qiáng)。這就是為什么冰雹回波的VIL普遍強(qiáng)于其他回波VIL的原因。降水粒子永遠(yuǎn)大不過(guò)冰雹胚胎,因此,強(qiáng)降水的VIL在20～25 kg/m2附近,而一般降水的VIL都在10 kg/m2以下。

VIL圖上,雷暴大風(fēng)單體VIL和強(qiáng)降水單體VIL都在20～25 kg/m2附近,表明雷暴大風(fēng)和強(qiáng)降水的VIL還較大。沿進(jìn)賢雷暴大風(fēng)(圖6(a))和萬(wàn)年強(qiáng)降水(圖6(c))的強(qiáng)中心做徑向剖面,得到2個(gè)強(qiáng)雷暴單體的垂直結(jié)構(gòu)。13:58(圖6(b))南昌SA雷達(dá)觀測(cè)到進(jìn)賢24.5 m/s雷暴大風(fēng),中心強(qiáng)度達(dá)到60 dBZ,55 dBZ回波頂在6 km,50 dBZ回波頂在7 km,強(qiáng)回波頂上方出現(xiàn)虛假旁瓣回波,回波垂直結(jié)構(gòu)具有傾斜。14:32(圖6(b))上饒SA雷達(dá)觀測(cè)到萬(wàn)年33.0 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水,中心強(qiáng)度達(dá)到60 dBZ,55 dBZ回波頂在5 km,50 dBZ回波頂在6 km,回波垂直結(jié)構(gòu)直上直下?；夭ù怪苯Y(jié)構(gòu)反映云體垂直分布狀態(tài),能夠有效地描述回波的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。當(dāng)55 dBZ強(qiáng)回波單體發(fā)展比較高時(shí)(6 km以上),垂直結(jié)構(gòu)具有明顯傾斜,意味著其出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的可能性較高。當(dāng)55 dBZ強(qiáng)回波單體發(fā)展比較低時(shí)(6 km以下),垂直結(jié)構(gòu)直上直下,意味著其出現(xiàn)強(qiáng)降水的可能性較高。在垂直結(jié)構(gòu)上,雷暴回波單體的高度分布表明其形成與對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)弱密切相關(guān)。

(a)VIL;(b)RCS 13:58 南昌(9791)雷達(dá);(c)VIL;(d)RCS 14:32 上饒(9793)雷達(dá)

4 結(jié)論

本文研究了雷暴回波短帶與強(qiáng)降水和大風(fēng)的關(guān)系及其回波特征和回波演變。通過(guò)對(duì)多組實(shí)例數(shù)據(jù)的分析,得出如下結(jié)論。

1)雷暴回波短帶造成較大面積短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)等強(qiáng)天氣,閃電密度較高,閃電出現(xiàn)多峰特征,閃電強(qiáng)度在100 kV之內(nèi)。雷暴回波短帶發(fā)生在200 hPa“出流區(qū)”、500 hPa槽前西南氣流低渦發(fā)展、850 hPa低渦切變線西南氣流大氣環(huán)流中,地面低氣壓和輻合線發(fā)展,為午后雷暴回波短帶的形成提供了觸發(fā)機(jī)制。

2)雷暴回波短帶在強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)事件中的回波演變。在雷暴發(fā)展初期12:00,雷暴回波短帶通常呈現(xiàn)出不是很強(qiáng)的回波和較弱的閃電活動(dòng)。在低渦回波團(tuán)(絮狀回波團(tuán)后側(cè))地面輻合線附近發(fā)展。隨著時(shí)間的推移,13:00回波特征逐漸變化,回波強(qiáng)度快速增強(qiáng)發(fā)展,閃電開(kāi)始增多。14:00,位于進(jìn)賢的強(qiáng)回波單體,產(chǎn)生24 m/s雷暴大風(fēng)。15:00,雷暴回波短帶形成,萬(wàn)年、進(jìn)賢等站出現(xiàn)強(qiáng)降水。16:00,鷹潭、貴溪等站出現(xiàn)強(qiáng)降水。17:00,橫峰等站出現(xiàn)強(qiáng)降水。

3)雷暴回波短帶是由多個(gè)雷暴回波單體排列成帶所組成的回波帶,其特征包括回波強(qiáng)度較強(qiáng)(50～55 dBZ)、回波頂較高(10～12 km左右)、回波帶較短(相比冷鋒回波帶和颮線回波帶),影響區(qū)域較小,持續(xù)時(shí)間較短,短帶上回波單體強(qiáng)度分布不均勻等。雷暴回波短帶通常在局部產(chǎn)生強(qiáng)降水,有時(shí)可能伴隨著雷暴大風(fēng)等極端天氣事件。

4)垂直積分液態(tài)水含量 (VIL) 是一種雷達(dá)降水估算中常用的指標(biāo),用于估算垂直方向上的降水。它是由雷達(dá)反射率因子與垂直方向變化的積分值相乘得到的。在雷達(dá)反射率因子雷達(dá)方程中,探測(cè)目標(biāo)物直徑越大反射率因子越強(qiáng)。這就是為什么冰雹回波的VIL普遍強(qiáng)于其他回波VIL的原因。降水粒子永遠(yuǎn)大不過(guò)冰雹胚胎,因此,強(qiáng)降水的VIL在20～25 kg/m2附近,而一般降水的VIL都在10 kg/m2以下。