線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)統(tǒng)計(jì)特征分析

王俊

(山東省人民政府人工影響天氣辦公室，山東 濟(jì)南 250031)

線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)統(tǒng)計(jì)特征分析

王俊

(山東省人民政府人工影響天氣辦公室，山東 濟(jì)南 250031)

利用濟(jì)南CINRAD/SA新一代多普勒天氣雷達(dá)資料，統(tǒng)計(jì)分析了2004—2015年約15萬(wàn)km2區(qū)域內(nèi)發(fā)生的148個(gè)線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)(linear mesoscale convective systems，簡(jiǎn)稱LMCSs)的多普勒雷達(dá)回波特征。主要分析了LMCSs的年和月分布、典型尺度、典型回波強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特征以及初始回波出現(xiàn)時(shí)間、位置、LMCSs持續(xù)時(shí)間、演變過(guò)程回波合并特征、移動(dòng)速度和方向、發(fā)展后期回波演變特征、組織類型等。LMCSs存在明顯的年際變化，不同年份之間有很大的差別，而每年的6月和7月是LMCSs的高發(fā)期；80%的LMCSs是大于50 km的中-β尺度，20%屬于中-α尺度，成熟期97.3% LMCSs的最大回波強(qiáng)度在55～70 dBz間；10—22時(shí)之間易開(kāi)始形成LMCSs，14—16時(shí)是峰值，凌晨不易形成LMCSs，而LMCSs持續(xù)時(shí)間在2～18 h之間，6～8 h是峰值；一半的LMCSs在演變過(guò)程出現(xiàn)回波合并，合并過(guò)程可以分為與孤立對(duì)流單體合并、與對(duì)流回波群合并和與對(duì)流回波帶合并三類；地形對(duì)LMCSs的觸發(fā)有重要影響，太行山脈、魯中山區(qū)的北麓和西麓容易觸發(fā)形成LMCSs。這些研究為認(rèn)識(shí)LMCSs發(fā)生、演變、減弱各階段的特征，進(jìn)一步提高對(duì)LMCSs的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、短時(shí)預(yù)警水平提供了基礎(chǔ)。

新一代多普勒雷達(dá)； 線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)； 回波合并； 組織類型

引言

線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)(linear mesoscale convective systems，簡(jiǎn)稱LMCSs)是根據(jù)雷達(dá)回波形態(tài)確定的強(qiáng)對(duì)流類型，根據(jù)PPI(平面位置顯示)或CR(組合反射率)資料，確定35 dBz以上對(duì)流回波區(qū)域的長(zhǎng)寬之比大于5，并且長(zhǎng)度最少為50 km[1-3]。LMCSs是造成暴雨、冰雹、雷雨大風(fēng)和龍卷等災(zāi)害性天氣的重要系統(tǒng)，基于雷達(dá)觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)研究表明，在瑞士[4]、美國(guó)東部[2]和西班牙加泰羅尼亞地區(qū)[5]，LMCSs約占中尺度對(duì)流系統(tǒng)的二分之一，具有強(qiáng)的降水和冰雹災(zāi)情記錄。Jirak et al.[6]統(tǒng)計(jì)分析了美國(guó)4—8月的387個(gè)MCSs ，首先利用衛(wèi)星資料識(shí)別中尺度對(duì)流系統(tǒng)(mesoscale convective systems，簡(jiǎn)稱MCSs)，然后利用雷達(dá)資料進(jìn)行分類研究，結(jié)果表明：LMCSs占16.3%，并出現(xiàn)最高頻率的大風(fēng)、降雨量和較高頻率的冰雹和龍卷災(zāi)害。岳治國(guó)等[7]利用711雷達(dá)資料，分析了陜西渭北地區(qū)335例中尺度對(duì)流系統(tǒng)(主要是中-β和中-γ尺度)的組織演變模型，在單體、線狀、區(qū)域型3大類MCSs中，LMCSs約占總數(shù)的21.2%，并且具有最高的降雹概率，雹災(zāi)面積廣，災(zāi)情最重。

因此，對(duì)以颮線為主的LMCSs的研究一直受到氣象學(xué)家的廣泛關(guān)注，在LMCSs的分類、時(shí)空分布、平均生成環(huán)境、組織模型等方面已經(jīng)有了很多統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果。Bluestein and Jain[1]利用Oklahoma風(fēng)暴試驗(yàn)11 a的雷達(dá)資料，將52例強(qiáng)颮線分為斷裂線型、后部擴(kuò)建型、破碎區(qū)域型和嵌入?yún)^(qū)域型4種，它們產(chǎn)生的環(huán)境條件(垂直風(fēng)切變、CAPE值、理查遜數(shù)等)存在差別，而有利于中緯度颮線產(chǎn)生的環(huán)境特征，一是大尺度環(huán)境對(duì)流層為位勢(shì)不穩(wěn)定，即存在很大的對(duì)流有效位能；二是平均風(fēng)的最大垂直切變?cè)诘蛯?，切變向量在順時(shí)針?lè)较蚱x颮線45°左右。Houze et al.[8]根據(jù)成熟階段中緯度颮線系統(tǒng)的對(duì)稱程度，將其分為對(duì)稱型和不對(duì)稱型。Parker and Johnson[9]將美國(guó)中部LMCSs分為3類，即拖曳層狀(trailing stratiform，TS)、先導(dǎo)層狀(leading stratiform，LS)和平行層狀(parallel stratiform，PS)MCSs，3類LMCSs的對(duì)流有效位能、抬升凝結(jié)高度、對(duì)流凝結(jié)高度和抬升指數(shù)等熱力學(xué)要素存在不同。

丁一匯等[10]研究我國(guó)颮線的生成環(huán)境表明，切變線、冷性高壓后部、冷渦、冷鋒、露點(diǎn)鋒、輻合線甚至地形都是颮線形成的背景條件。岳治國(guó)等[11]根據(jù)雷達(dá)回波的形態(tài)，把陜西渭北7 a間71次帶狀MCSs個(gè)例分為拖曳層狀、先導(dǎo)層狀、平行層狀和斷裂帶狀MCSs 4種類型，分析了4類帶狀MCSs的雷達(dá)回波統(tǒng)計(jì)特征。段鶴等[12]統(tǒng)計(jì)歸納出滇南普洱市2004—2009 年18 次颮線發(fā)生前的天氣形勢(shì)及物理量場(chǎng)特征、颮線的時(shí)間分布特征、颮線的移動(dòng)路徑等，根據(jù)災(zāi)害類型和颮線中單體的結(jié)構(gòu)將颮線分為5 種類型。

濟(jì)南位于華北東南部，周邊區(qū)域是MCSs的多發(fā)區(qū)之一[13]，山東和渤海區(qū)域也是我國(guó)北方(35°N以北)MCSs和MαCS較為活躍的區(qū)域[14]。卓鴻等[15]利用13 a逐小時(shí)衛(wèi)星資料研究了黃河下游中尺度對(duì)流系統(tǒng)的氣候特征。近10 a來(lái)，這一區(qū)域幾乎每年都有強(qiáng)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生，如2001年8月23日的強(qiáng)颮線、2004年6月21日較大范圍颮線、2005年7月12日弓狀回波、2006年4月28日弓狀回波、2007年7月18日大暴雨、2009年6月2—3日的強(qiáng)颮線等過(guò)程[16-23]，暴雨、大風(fēng)、冰雹和龍卷等災(zāi)害性天氣造成了嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

本文利用濟(jì)南CINRAD/SA新一代多普勒雷達(dá)產(chǎn)品資料，統(tǒng)計(jì)分析了2004—2015年148例LMCSs的多普勒雷達(dá)回波特征。主要統(tǒng)計(jì)分析了LMCSs的年和月分布、典型尺度、典型回波強(qiáng)度、初始回波出現(xiàn)時(shí)間和位置、持續(xù)時(shí)間、演變過(guò)程回波合并特征、移動(dòng)速度和方向、發(fā)展后期回波演變規(guī)律、組織類型等基本特征。為認(rèn)識(shí)LMCSs發(fā)生、演變、減弱各階段的雷達(dá)回波特征，進(jìn)一步提高對(duì)LMCSs的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、短時(shí)預(yù)警水平提供基礎(chǔ)。

1 資料說(shuō)明

使用的資料主要是濟(jì)南CINRAD/SA(36°48′10″N，116°46′51″E)的37、38號(hào)產(chǎn)品，分析的個(gè)例在成熟階段的對(duì)流回波三分之二位于區(qū)域(35°00′～38°35′N，114°32′～119°011′E)，即37號(hào)產(chǎn)品的200 km探測(cè)范圍，面積約15萬(wàn)km2，包括山東大部、河北東南部和河南東北部小部分區(qū)域(圖5中虛線方形區(qū)域)。而38號(hào)產(chǎn)品主要用于分析一些個(gè)例的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間以及源地和結(jié)束地點(diǎn)。

統(tǒng)計(jì)時(shí)間是2004—2015年共12 a，每年的4—9月。LMCSs的判別標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)CR或PPI資料，40 dBz以上對(duì)流回波區(qū)域的長(zhǎng)寬之比大于5，長(zhǎng)度大于等于50 km，最大回波強(qiáng)度大于50 dBz。

2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.1 年、月分布

統(tǒng)計(jì)表明，12 a總計(jì)有148個(gè)LMCSs個(gè)例(表1)。每年出現(xiàn)線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的次數(shù)存在明顯差別，最多是2008年，有23個(gè)個(gè)例，2005—2008年個(gè)例較多，而2010年以來(lái)LMCSs的個(gè)例明顯減少，2011年和2010年是低值,只有3個(gè)和4個(gè)，2012年以后有增加的趨勢(shì)。

不同月份LMCSs的出現(xiàn)有明顯差別，6、7月出現(xiàn)的頻數(shù)最高，這兩個(gè)月共占總數(shù)的64.9%，是LMCSs出現(xiàn)的主要月份。另外，不同年份各月出現(xiàn)的頻數(shù)不同，但峰值基本是在6月或者7月。9月只有4例LMCSs，2012年9月27日的LMCSs是統(tǒng)計(jì)個(gè)例中出現(xiàn)最晚的。4月出現(xiàn)了一定數(shù)量的個(gè)例，最早過(guò)程是2006年4月6—7日，而2006年4月28日發(fā)生的弓狀回波則產(chǎn)生較強(qiáng)的災(zāi)害[19]。

表1不同年、月線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)

Table 1 Statistics of linear mesoscale convective systems for different years and months 個(gè)

2.2 典型尺度統(tǒng)計(jì)

LMCSs的典型尺度是指成熟時(shí)大于40 dBz回波區(qū)的連續(xù)長(zhǎng)度，為了較為詳細(xì)地了解系統(tǒng)回波的長(zhǎng)度，間隔50 km分為一級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，大于300 km的歸為一檔，主要是考慮尺度比較大時(shí)單雷達(dá)不易給出全貌。統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)表明，LMCSs的典型尺度為100～150 km，共有45個(gè)個(gè)例，占總數(shù)的30.4%；50～100 km具有次高的幾率，共有40個(gè)個(gè)例，約占27.0%；150～200 km間有28個(gè)個(gè)例，占總數(shù)的18.9%。大于200 km的中-α尺度一共出現(xiàn)35次，占總數(shù)的23.6%。表明分析個(gè)例中LMCSs的尺度主要是大于50 km的中-β尺度，約占總數(shù)的五分之四，而中-α尺度約占五分之一。

表2線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)典型尺度統(tǒng)計(jì)

Table 2 Statistics of linear mesoscale convective systems on typical scales 個(gè)

2.3 典型回波強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析

典型回波強(qiáng)度是指LMCSs成熟期時(shí)的最大回波強(qiáng)度，間隔5 dBz進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)。結(jié)果(表3)表明，最大回波強(qiáng)度主要出現(xiàn)在55～70 dBz間，出現(xiàn)幾率約為97.3%，其中60～65 dBz具有最大幾率，出現(xiàn)64次，約占總數(shù)的43.2%。50～55 dBz出現(xiàn)的幾率較小，一共只有4個(gè)個(gè)例。

另外，不同年份最大回波強(qiáng)度的分布略有不同，如2004年最大回波強(qiáng)度偏小，出現(xiàn)幾率較大的是55～65 dBz，而2008年最大回波強(qiáng)度偏大，出現(xiàn)幾率較大的是60～70 dBz。

表3典型回波強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

Table 3 Statistics of linear mesoscale convective systems on typical reflectivity 個(gè)

2.4 開(kāi)始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析

開(kāi)始時(shí)間是指形成LMCSs的雷達(dá)初始回波(≥15 dBz)出現(xiàn)的時(shí)刻。由于雷達(dá)回波不斷生消變化，需要仔細(xì)分析才能確定直接形成線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)初始回波。如2005年7月12日弓狀回波產(chǎn)生過(guò)程[18]，12日01:19(北京時(shí)，下同)在山西的陽(yáng)泉附近有回波生成，經(jīng)過(guò)一系列發(fā)展演變，12日10:13在清河附近有新回波產(chǎn)生，而這新生回波直接發(fā)展成弓狀回波，這種情況下開(kāi)始時(shí)間是指直接發(fā)展成LMCSs的回波出現(xiàn)的時(shí)刻。

持續(xù)時(shí)間是指LMCSs的開(kāi)始時(shí)間到回波結(jié)束之間的時(shí)間。所謂回波結(jié)束，在此是指最大回波強(qiáng)度小于40 dBz，原因是線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)在減弱階段有時(shí)回波很快消散結(jié)束，有時(shí)候則轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠓秶e層混合云，持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，有時(shí)單雷達(dá)跟蹤不到回波完全消散結(jié)束，并且由于后期回波性質(zhì)已發(fā)生變化，回波轉(zhuǎn)變成積層混合云，所以采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

LMCSs開(kāi)始時(shí)間的統(tǒng)計(jì)(表4)表明，一天的絕大部分時(shí)間都可以開(kāi)始形成線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)， 10—22時(shí)之間易產(chǎn)生LMCSs，共有115個(gè)個(gè)例，占總數(shù)的77.7%。午后14—16時(shí)是峰值，產(chǎn)生LMCSs的機(jī)會(huì)比較大。22時(shí)之后逐漸減少，特別是00—08時(shí)之間不易產(chǎn)生LMCSs。

表4開(kāi)始時(shí)間統(tǒng)計(jì)

Table 4 Statistics on initial time 個(gè)

持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)(表5)表明，LMCSs持續(xù)時(shí)間為2～18 h，4～12 h出現(xiàn)的幾率比較大，共出現(xiàn)124次，占總個(gè)例的83.8%，其中6～8 h是峰值，共出現(xiàn)42次，占總個(gè)例的28.4%，持續(xù)時(shí)間超過(guò)16 h和小于4 h的個(gè)例都比較少?？偟膩?lái)說(shuō)，大部分線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波持續(xù)時(shí)間在7 h左右。

2.5 線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)后期演變特征

LMCSs在后期的演變存在很大差別，有些個(gè)例在減弱階段回波減弱消散得很快，而有些個(gè)例則減弱成大范圍的積層混合云，可以持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，這對(duì)于分析LMCSs的持續(xù)時(shí)間以及臨近預(yù)報(bào)服務(wù)都會(huì)產(chǎn)生重要影響。下面對(duì)LMCSs后期的演變特征進(jìn)行簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)分析，判斷大范圍積層混合云的標(biāo)準(zhǔn)是20≤Z<40 dBz的積層混合云回波區(qū)長(zhǎng)和寬分別大于200 km和100 km。

表5持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

Table 5 Statistics on duration time 個(gè)

統(tǒng)計(jì)表明，大范圍積層混合云共出現(xiàn)20個(gè)個(gè)例，占總數(shù)的13.5%。圖1給出了2次典型個(gè)例的組合反射率，圖1a是2004年6月22日颮線過(guò)程后期02:59的組合反射率圖，此時(shí)對(duì)流帶后面的積層混合云的長(zhǎng)和寬分別大于200 km和150 km。圖1b是2007年7月18日LMCSs在20:04的組合反射率圖，此時(shí)對(duì)流帶后面的積層混合云長(zhǎng)度大于300 km，而寬度在最大處也超過(guò)了100 km。因此，過(guò)程在短時(shí)強(qiáng)降水結(jié)束后，還有較長(zhǎng)時(shí)間的積層混合云降水。

圖1 具有大范圍積層混合云的LMCSs個(gè)例——2004年6月22日02:59(a)和2007年7月18日20:04(b)組合反射率Fig.1 Cases of LMCSs with mixed convective-stratiform clouds (Composite reflectivity:a.at 02:59 BST on 22 Jun. 2004, b. at 20:04 BST on 18 Jul. 2007)

2.6 組織類型

利用組合反射率產(chǎn)品(37和38號(hào)產(chǎn)品)，按照Parker and Johnson[9]對(duì)線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的分類標(biāo)準(zhǔn)，分析成熟期時(shí)LMCSs的組織類型。統(tǒng)計(jì)表明，TS型是LMCSs的主要類型，總計(jì)91個(gè)個(gè)例，占總數(shù)的61.5%。LS型有27個(gè)例，占總數(shù)的18.2%。PS型有30個(gè)例，占總數(shù)的20.3%。

另外，Parker and Johnson研究表明，LMCSs的類型在發(fā)展演變過(guò)程不是固定不變的，各種類型之間存在相互轉(zhuǎn)化，PS型轉(zhuǎn)成其它類型的概率比較大，我們的統(tǒng)計(jì)分析也有類似的結(jié)果，特別是由于運(yùn)動(dòng)方向的改變，PS型易轉(zhuǎn)變成其他類型。典型TS型LMCSs的雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)由Houze et al.[24]給出，目前國(guó)內(nèi)對(duì)LMCSs的研究主要集中在TS型。LS型線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)只有很少的個(gè)例分析[25]，而PS型中尺度對(duì)流系統(tǒng)還未見(jiàn)相關(guān)研究。圖1中的個(gè)例都是典型TS型LMCSs，下面給出其他兩種類型的典型個(gè)例。

2.6.1 先導(dǎo)層狀型

2006年4月6日是一次較典型的LS型線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)(圖2)，09:35時(shí)成熟階段的積層混合云區(qū)范圍不大，10:24時(shí)減弱階段積層混合云區(qū)范圍明顯增大。與TS型的積層混合云相比，我們統(tǒng)計(jì)的LS型LMCSs的積層混合云區(qū)一般要小得多。

許多研究表明，由于低層入流的來(lái)源不同又可以把LS型LMCSs分成RFLS(rear-fed leading stratiform)和FFLS(front-fed leading stratiform)兩種[26]。FFLS突出的特征[27]是在系統(tǒng)的層狀降水區(qū)低層前方有一個(gè)由上而下、從前向后加速的入流、翻轉(zhuǎn)的上升氣流和中上層形成從后向前的氣流，這個(gè)從后向前的氣流攜帶了大量的暖濕水汽是系統(tǒng)前方層狀云形成的主要來(lái)源。而RFLS除了有FFLS的特征氣流外，還有一股從后向前的對(duì)流層低層入流。本文只給出了各種類型的雷達(dá)回波特征，各種類型LMCSs形成的環(huán)境條件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特征需要深入研究更多個(gè)例。

圖2 2004年4月6日不同時(shí)刻LMCSs組合反射率(a. 09:35, b. 10:24)Fig.2 Composite reflectivity of LMCSs at different time on 6 Apr. 2004 (a. 09:35 BST, b. 10:24 BST)

2.6.2 平行層狀型

2008年5月14日是一次PS型線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)個(gè)例(圖3a)，成熟階段強(qiáng)對(duì)流回波位于右端(相對(duì)于白色箭頭所示的前進(jìn)反方向)，層狀云區(qū)位于左側(cè)，運(yùn)動(dòng)方向基本與強(qiáng)對(duì)流回波的走向垂直，移動(dòng)速度61 km/h，方向326°。

2012年7月29日是PS型轉(zhuǎn)TS型個(gè)例(圖3b、c)，29日 15:15在濟(jì)南東部的鄒平—章丘一帶有孤立對(duì)流回波發(fā)展，回波緩慢向東北方向移動(dòng)，17:20已發(fā)展成為L(zhǎng)MCSs，長(zhǎng)約70 km， 回波強(qiáng)度64 dBz，積層混合云在對(duì)流回波帶的前方。17:50時(shí)線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)開(kāi)始緩慢向偏南方向移動(dòng)，層狀云區(qū)逐漸轉(zhuǎn)向LMCSs的左后側(cè)，即成為T(mén)S型LMCSs。以上兩個(gè)個(gè)例具有不同的特點(diǎn)，2008年5月14日LMCSs的運(yùn)動(dòng)方向與對(duì)流回波帶垂直，而2012年7月29日LMCSs具有較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特征，前期的運(yùn)動(dòng)方向平行于對(duì)流回波帶、后期則垂直于對(duì)流回波帶。

Parker[28-29]基于雷達(dá)觀測(cè)和數(shù)值模擬等研究總結(jié)出了PS型LMCSs的概念模型，可能由于典型PS型LMCSs的尺度偏小，這類中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觀測(cè)研究還較少。

圖3 平行層狀型LMCSs組合反射率(a.2008年5月14日15:36，白色箭頭指示移動(dòng)方向，b. 2012年7月29日17:20，c. 2012年7月29日19:07)Fig.3 Composite reflectivity of parallel layer type LMCSs (a. at 15:36 BST on 14 May 2008, the white arrow indicates moving direction,b. at 17:20 BST， and c. 19:07 BST on 29 Jul. 2012)

2.7 合并特征

回波合并在LMCSs的演變過(guò)程起到重要作用，研究合并過(guò)程不僅對(duì)搞清楚很多LMCSs的形成過(guò)程有意義，而且對(duì)已有LMCSs和孤立雷暴(或者雷暴群)合并的研究有助于搞清楚許多突發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生的原因，對(duì)臨近預(yù)報(bào)服務(wù)也有積極意義。Jirak et al.[6]統(tǒng)計(jì)表明，MCSs具有通過(guò)合并形成的傾向，71%的中尺度對(duì)流系統(tǒng)在生成、發(fā)展階段出現(xiàn)合并，而49.2%的LMCSs存在合并過(guò)程，合并個(gè)例有更強(qiáng)的龍卷、冰雹、大風(fēng)災(zāi)害。不同尺度對(duì)流回波通過(guò)合并可以形成線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)[25]，而LMCSs與局地對(duì)流回波(或回波帶)合并可造成災(zāi)害性暴雨和大風(fēng)[30-31]。

統(tǒng)計(jì)表明，合并個(gè)例共計(jì)有80例，占總數(shù)54.1%，即一半以上的個(gè)例出現(xiàn)合并過(guò)程。另外，分析表明合并過(guò)程可以發(fā)生在不同尺度回波之間，也可以在相近尺度回波之間產(chǎn)生合并。既存在不同移動(dòng)方向、較大回波間的合并，也有LMCSs與較小尺度回波間的合并。下面進(jìn)一步分類分析LMCSs與其他回波合并的初步特征。

1)LMCSs與孤立對(duì)流單體回波合并，合并次數(shù)一般在5次以下。一共有36例，占合并個(gè)例的45%。合并后LMCSs一般有加強(qiáng)或者變化不大，減弱的個(gè)例較少。另外，一般是靠近過(guò)程孤立回波發(fā)展得較強(qiáng)，而回波合并后變化不劇烈。單體與LMCSs的距離一般較近，約10 km，統(tǒng)計(jì)個(gè)例中如2005年7月12日被合并單體距離線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)75 km的情況并不多見(jiàn)。

2)LMCSs與對(duì)流回波群合并，合并次數(shù)5次以上。一共有30例，占合并個(gè)例的37.5%。圖4a、b是2006年5月4日LMCSs與對(duì)流回波群合并個(gè)例，21:24在線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)L1的尾部前方C區(qū)有對(duì)流回波群發(fā)展，L1在向東北方向移動(dòng)過(guò)程中逐漸與對(duì)流回波合并，至22:06合并結(jié)束。合并過(guò)程形成了L1的新尾部回波，而原有的尾部回波逐漸分離。

3)LMCSs與對(duì)流回波帶合并。一共有14例，占合并個(gè)例的17.5%。2006年7月31日是LMCSs與對(duì)流回波帶間的合并(圖4c)，線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)L1為拖曳層狀型LMCSs，向東北方向移動(dòng)，其前面的對(duì)流回波帶L2屬于平行層狀型，移動(dòng)速度偏慢，L1追上L2后兩者逐漸合并，而合并處回波強(qiáng)度基本無(wú)變化。

圖4 回波合并個(gè)例的組合反射率(a、b. 2006年5月4日LMCSs與對(duì)流回波群合并， c. 2006年7月31日LMCSs與對(duì)流回波帶間的合并個(gè)例)Fig.4 Composite reflectivity during echo merger (a,b.merger between LMCSs and convective echo groups on 4 May 2006,c.merger between LMCSs and convective echo bands on 31 Jul. 2006)

2.8 初始回波源地

圖5是LMCSs初始回波源地分布圖?？梢钥闯?，大部分區(qū)域都可以開(kāi)始出現(xiàn)線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)，但是也存在一些比較集中的區(qū)域，說(shuō)明在這些區(qū)域更容易開(kāi)始產(chǎn)生LMCSs。源地1位于廣靈—五臺(tái)一帶，有近30個(gè)個(gè)例。源地2位于昔陽(yáng)—左權(quán)一帶以及以西的區(qū)域，有23個(gè)個(gè)例。這兩個(gè)源地都位于太行山附近。源地3位于濟(jì)南東西兩側(cè)，東面的區(qū)域在濟(jì)南—萊蕪—章丘附近，位于魯中山區(qū)的北麓，共有9個(gè)個(gè)例，而西面5個(gè)個(gè)例位于魯中山區(qū)西北側(cè)且沿黃河一帶。另外，沿靜?！蠈m一帶有20多個(gè)個(gè)例，也是比較集中的區(qū)域。

Morel and Senest[32]對(duì)4—9月歐洲6 000個(gè)MCSs的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，其大多形成于山脈附近，地形是觸發(fā)MCSs的重要因素。馬禹等[13]統(tǒng)計(jì)表明，黃河和長(zhǎng)江中下游地區(qū)是MαCS的多發(fā)區(qū)。鄭永光等[14]利用10 a資料統(tǒng)計(jì)35°N以北MCSs的活動(dòng)頻率發(fā)現(xiàn)，河套地區(qū)向東MCSs的活動(dòng)頻率逐漸增加，在山東中東部、渤海與黃海一帶達(dá)到極值。這些結(jié)果是根據(jù)衛(wèi)星資料分析成熟時(shí)MCSs分布規(guī)律得出的結(jié)論，并不能完全指示MCSs起源的詳細(xì)位置，而雷達(dá)回波資料可以較為準(zhǔn)確地分析形成MCSs的初始回波形成的地點(diǎn)和時(shí)間。上述資料分析表明，一半以上的個(gè)例初始回波出現(xiàn)在山地地形附近，特別是太行山脈附近處于分析區(qū)域的上游，也是位于西風(fēng)槽影響路徑上，所以在有利的天氣系統(tǒng)影響下，加上地形作用，利于觸發(fā)形成MCSs的初始回波。

利用38號(hào)產(chǎn)品分析初始回波的出現(xiàn)時(shí)間和初始位置存在不足，由于雷達(dá)仰角和地球曲率的影響，在0.5°仰角的情況下，昔陽(yáng)和五臺(tái)對(duì)應(yīng)的最低高度分別超過(guò)7 km和10 km，因此，這些區(qū)域出現(xiàn)的初始回波可能已經(jīng)發(fā)展到一定的高度和強(qiáng)度，所以初始回波出現(xiàn)的位置應(yīng)該更遠(yuǎn)，而在時(shí)間上更早。

圖5 初始回波發(fā)生源地圖(圖中虛框是分析區(qū)域) Fig.5 Source area of initial echoes (the dashed frame indicates the analysis area)

2.9 移動(dòng)速度方向統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)分析了LMCSs在成熟期前后的移動(dòng)速度、方向(圖略)，結(jié)果表明，LMCSs移動(dòng)速度為5～90 km/h，具有比較大的范圍，其中25～70 km/h之間出現(xiàn)101次，占總數(shù)的84.2%，35～40 km/h、45～50 km/h兩個(gè)區(qū)間分別出現(xiàn)17次、16次，具有最大和次大的出現(xiàn)頻率。

LMCSs的移動(dòng)方向比較集中，出現(xiàn)在168°～101°之間(順時(shí)針)，特別是281°～326°之間是明顯的峰值，共有59次，占總數(shù)的49.2%，也就是說(shuō)，西偏北和西北是LMCSs的主要來(lái)向。

系統(tǒng)的移動(dòng)速度、方向并不是固定的，而是存在變化，特別是方向的變化更加明顯。

3 結(jié)論與討論

利用新一代多普勒雷達(dá)產(chǎn)品資料，統(tǒng)計(jì)分析了2004—2015年約15萬(wàn)km2區(qū)域內(nèi)發(fā)生的148個(gè)線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)回波特征。

1)線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的年、月分布特征表明，LMCSs存在明顯的年際變化，最多一年有23例，而最少僅有3例。不同月份LMCSs的出現(xiàn)頻次也有明顯差別，7月最多，6月次之，這兩個(gè)月份出現(xiàn)的LMCSs約占總數(shù)的69.7%。

2)大于50 km的中-β尺度LMCSs個(gè)例約占總數(shù)的五分之四，中-α尺度個(gè)例約占五分之一。97.3%的最大回波強(qiáng)度出現(xiàn)在55～70 dBz間，而43.2%的最大回波強(qiáng)度在60～65 dBz之間。

3)線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)初始回波出現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表明，10—22時(shí)之間易開(kāi)始形成LMCSs，14—16時(shí)是峰值，而凌晨不易形成LMCSs。LMCSs持續(xù)時(shí)間在2～18 h之間，6～8 h是峰值，總的來(lái)說(shuō)，線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波持續(xù)時(shí)間在7 h左右。

4)成熟時(shí)期線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)主要是TS型，約占總數(shù)的61.5%；LS型和PS型分別占18.2%、20.3%。而13.5%的線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)在后期演變成大范圍積層混合云，產(chǎn)生較大范圍的弱降水。

5)一半的線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變過(guò)程出現(xiàn)回波合并，合并過(guò)程可以分為與孤立對(duì)流單體合并、與對(duì)流回波群合并和與對(duì)流回波帶合并三類。地形對(duì)LMCSs的觸發(fā)有重要影響，太行山脈、魯中山區(qū)的北麓和西麓易觸發(fā)形成LMCSs。

本文對(duì)線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波特征進(jìn)行了初步統(tǒng)計(jì)分析，還有許多方面沒(méi)有涉及或者沒(méi)有深入研究，如僅根據(jù)層狀云區(qū)的位置進(jìn)行了分類，還可以根據(jù)最強(qiáng)回波在LMCSs中的位置進(jìn)行分類研究，而這種研究對(duì)于地面災(zāi)害的臨近預(yù)報(bào)更有意義。另外，下一步需要與衛(wèi)星、天氣資料、地面災(zāi)情等各種資料結(jié)合，分析產(chǎn)生LMCSs的有利天氣形勢(shì)、地面災(zāi)害分布以及LMCSs的衛(wèi)星云圖特征等。

[1] Bluestein H B，Jain M H. Formation of mesoscale lines of precipitation:Severe squall lines in Oklahoma during the spring[J]. J Atmos Sci,1985,42(16):1711-1732.

[2] Geerts B. Mesoscale convective systems in the southeast United States during 1994-95: A survey[J]. Wea Forecasting,1998,13(3):860-869.

[3] 俞小鼎.強(qiáng)對(duì)流天氣的多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)警[J].氣象科技進(jìn)展，2011，1(3)：31-41.

[4] Schiesser H H,Houze R A Jr,Huntrieser H. The mesoscale structure of severe precipitation systems in Switzerland[J]. Mon Wea Rev,1995,123(7):2070-2097.

[5] Rigo T, Llasat M C. Analysis of mesoscale convective systems in Catalonia using meteorological radar for the period 1996-2000[J]. Atmos Res,2007,83(2/4): 458-472.

[6] Jirak I L, Cotton W R, Mcanelly R L. Satellite and radar survey of mesoscale convective system development [J]. Mon Wea Rev, 2003,131(10): 2428-2449.

[7] 岳治國(guó)，牛生杰，梁谷.陜西渭北中尺度對(duì)流系統(tǒng)組織模型及災(zāi)害分析[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，31(1)：395-402.

[8] Houze R A Jr,Smull B F,Dodge P. Mesoscale organization of springtime rainstorms in Oklahoma [J]. Mon Wea Rev,1990,118(3):613-654.

[9] Parker M D,Johnson R H. Organizational modes of midlatitude mesoscale convective systems [J]. Mon Wea Rev,2000,128(10):3413-3436.

[10] 丁一匯，李鴻洲，章名立，等.我國(guó)颮線發(fā)生條件的研究[J].大氣科學(xué)，1982，6(1)：18-27.

[11] 岳治國(guó)，梁谷，李燕，等.陜西渭北帶狀中尺度對(duì)流雷達(dá)回波統(tǒng)計(jì)特征[J].氣象，2010，36(6)：66-72.

[12] 段鶴，嚴(yán)華生，王曉君. 滇南颮線的發(fā)生環(huán)境及其多普勒雷達(dá)回波特征[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào)，2012，28(1)：68-76.

[13] 馬禹，王旭，陶祖鈺.中國(guó)及其鄰近地區(qū)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的普查和時(shí)空分布特征[J].自然科學(xué)進(jìn)展，1997，7(6)：701-706.

[14] 鄭永光，陳炯，朱佩君.中國(guó)及周邊地區(qū)夏季中尺度對(duì)流系統(tǒng)分布及其日變化特征[J]. 科學(xué)通報(bào)，2008，53(4)：471- 481.

[15] 卓鴻，趙平，李春虎，等.夏季黃河下游地區(qū)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的氣候特征分布[J].大氣科學(xué)，2012，36(6)：1112-1122.

[16] 龔佃利，吳增茂，傅剛.一次華北強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的中尺度特征分析[J].大氣科學(xué),2005，29(3)：453-464.

[17] 王俊，朱君鑒，任鐘冬.利用雙多普勒雷達(dá)研究強(qiáng)颮線過(guò)程的三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)[J].氣象學(xué)報(bào)，2007，65(2)：241-251.

[18] 王俊，龔佃利，刁秀廣，等.一次弓狀回波、強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴及合并過(guò)程研究Ⅰ：以單多普勒雷達(dá)資料為主的綜合分析[J].高原氣象，2011，30(4)：1067-1077.

[19] 朱君鑒，刁秀廣，曲軍，等.4.28臨沂強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性大風(fēng)多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品分析[J].氣象，2008，34(12)：21-26.

[20] 卓鴻，趙平，任健，等. 2007年濟(jì)南“7.18”大暴雨的持續(xù)拉長(zhǎng)狀對(duì)流系統(tǒng)研究[J].氣象學(xué)報(bào)，2011，69(2)：263-276.

[21] 梁建宇，孫建華.2009年6月一次颮線過(guò)程災(zāi)害性大風(fēng)的形成機(jī)制[J].大氣科學(xué)，2012，36(2)：316-336.

[22] 張婷婷，王培濤，王鳳嬌.一次長(zhǎng)壽命超級(jí)單體風(fēng)暴雷達(dá)回波特征分析[J].海洋氣象學(xué)報(bào)，2017，37(1)：98-103.

[23] 高帆，張永婧，李瑞，等.2015年8月3日山東西北部暴雨過(guò)程的中尺度特征分析[J].海洋氣象學(xué)報(bào)，2017，37(2)：96-101.

[24] Houze R A Jr, Rutledge S A, Biggerstaff M I, et al. Interpretation of Doppler weather radar displays of midlatitude mesoscale convective systems [J]. Bull Amer Meteor Soc, 1989, 70(6):608-619.

[25] 王曉芳，胡伯威，李紅莉，等.梅雨期一個(gè)伴有前導(dǎo)層狀降水對(duì)流線的結(jié)構(gòu)特征[J].高原氣象，2011，30(4)：1052-1066.

[26] Parker M D,Johnson R H.Structures and dynamics of quasi-2D mesoscale convective systems[J]. J Atmos Sci,2004,61(5):545-567．

[27] Pettet C R,Johnson R H.Airflow and precipitation structure of two leading stratiform mesoscale convective systems determined from operational datasets[J]. Wea Forecasting，2003,18(5):685-699．

[28] Parker M D. Simulated convective lines with parallel stratiform precipitation. Part I：An archetype for convection in along-line shear [J]. J Atmos Sci,2007,64(2):267-288.

[29] Parker M D. Simulated convective lines with parallel stratiform precipitation. Part II：Governing dynamics and associated sensitivities[J]. J Atmos Sci,2007,64(2):289-313.

[30] 付丹紅，郭學(xué)良.積云并合在強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)形成中的作用[J].大氣科學(xué)，2007，31(4)：635-644.

[31] Metz N D, Lance F B. Derecho and MCS development, evolution, and multiscale interactions during 3-5 July 2003[J]. Mon Wea Rev,2010,138(8):3048-3070.

[32] Morel C,Senest S. A climatology of mesoscale convective systems over Europe using satellite infrared imagery,Part II：Characteristics of European mesoscale convective systems[J]. Quart J Roy Meteor Soc,2002,128(584):1973-1995.

StudyonDopplerradarfeaturesoflinearmesoscaleconvectivesystems

WANG Jun

(ShandongWeatherModificationOffice,Jinan250031,China)

Using data of a new generation Doppler weather radar located at Qihe, the features of 148 linear mesoscale convective systems (LMCSs), which occurred within area about 150 thousand square kilometers from 2004 to 2012, are statistically analyzed including inter-annual and inter-monthly distributions, typical scales and typical echo intensities; The presentation time and position of initial echoes, duration, echo merge features, move speeds and directions, evolution characteristics and types of organizations at later stage of LMCSs are also studied. LMCSs has obvious inter-annual characteristic, while the peak period within a year is from June to July. 80% LMCSs are meso-β systems with diameters greater than 50 km, and 20% LMCSs belong to meso-α system. For 97.3% of the LMCSs, the maximum echo during their mature stage are between 55 and 70 dBz. LMCSs tend to formation between 10:00-22:00 with maximum frequency between 14:00-16:00, while it is barely developed during wee hours. The durations of LMCSs are between 2 and 18 hours, and most between 6 and 8 hours. Half LMCSs experience echo merges, which are grouped into 3 categories including with Isolated Convection, with Convective echo group, and with convective echo belt. Underlying topography may has great influence on initials of LMCSs. The topography around Tai-hang Mountains, north and west parts of Mountain Tai is favorable for LMCSs triggering. This study could be helpful for understanding the features of LMCSs in different stages. In addition, it could be helpful to improve the real-time monitoring and short-term warning for the LMCSs.

Doppler radar; linear mesoscale convective systems; echo merger; organizational mode

王俊.線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)統(tǒng)計(jì)特征分析[J].海洋氣象學(xué)報(bào),2017,37(4):25-33.

Wang Jun. Study on Doppler radar features of linear mesoscale convective systems[J].Journal of Marine Meteorology,2017,37(4):25-33.

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.004.(in Chinese)

P458.2

A

2096-3599(2017)04-0025-09

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.004

2017-08-18；

2017-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41275044)

王俊(1966—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事云降水物理研究，wangjun818@sohu.com。