婺源雷暴大風(fēng)雷達拼圖回波分類與特征分析

張曉芳，馬中元，王漢根，胡春芳，邱雯婷，陳 強

(1.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046；2.婺源縣氣象局，婺源 333200)

0 引言

雷暴大風(fēng)是婺源縣常見的強對流天氣之一，每年都會發(fā)生1～4次，并造成一定的災(zāi)害。雷暴大風(fēng)是強對流天氣預(yù)報中較難預(yù)測的強天氣：一方面，雷暴大風(fēng)出現(xiàn)的時間很難準確預(yù)測，加上局地性強，難以提前防范，一旦發(fā)生雷暴大風(fēng)天氣，很容易對人們的生命財產(chǎn)安全造成威脅；另一方面，雷暴大風(fēng)往往伴隨著冰雹、暴雨、短時強降水出現(xiàn)，造成的災(zāi)害更加嚴重。因此，通過對縣級區(qū)域雷暴大風(fēng)天氣的單站氣象要素和雷達拼圖回波分類與特征的分析，找出其中的規(guī)律與特征，對使用雷達拼圖資料、改進縣級區(qū)域雷暴大風(fēng)天氣的監(jiān)測預(yù)警以及短臨預(yù)報質(zhì)量、做好氣象服務(wù)工作具有重要的意義[1-3]。

國內(nèi)外的專家學(xué)者從事雷暴大風(fēng)研究，取得了一些成果[4-6]。這些研究成果為婺源雷暴大風(fēng)短臨預(yù)報預(yù)警與氣象服務(wù)工作提供了分析依據(jù)。

文章利用婺源國家一般氣象站數(shù)據(jù)、江西WebGIS雷達拼圖平臺，采用數(shù)理統(tǒng)計和圖像對比等分析方法，對婺源雷暴大風(fēng)天氣的單站氣象要素和雷達拼圖回波進行分類和特征分析，試圖對婺源雷暴大風(fēng)天氣的回波特征有一定認知，以期對婺源雷暴大風(fēng)天氣的短臨預(yù)報預(yù)警工作有所幫助。

1 資料來源與雷暴大風(fēng)概況

1.1 資料來源

婺源雷暴大風(fēng)數(shù)據(jù)和婺源單站氣象要素數(shù)據(jù)都來源于婺源國家一般氣象站歷史數(shù)據(jù)庫；雷達拼圖回波資料來源于江西內(nèi)網(wǎng)(http：//10.116.32.199/)上WebGIS雷達拼圖平臺CR產(chǎn)品。

1.2 雷暴大風(fēng)概況

文章統(tǒng)計了2004—2020年婺源國家氣象觀測站出現(xiàn)的大風(fēng)次數(shù)，婺源17 a總計出現(xiàn)大風(fēng)天氣28次，其中有8次大風(fēng)天氣沒有雷達拼圖回波資料，自2015年開始，有20次大風(fēng)過程可以查到雷達拼圖資料。在20次大風(fēng)過程中，有6次不屬于雷暴系統(tǒng)產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)天氣，可能是冷空氣大風(fēng)、西南大風(fēng)或臺風(fēng)環(huán)流大風(fēng)等其他因素所致，只有14次是由雷暴回波系統(tǒng)過境造成的雷暴大風(fēng)天氣(表1)。

表1 2015—2020年婺源雷暴大風(fēng)個例和回波形態(tài)統(tǒng)計

2015—2020年婺源年平均雷暴大風(fēng)天氣為2.33次/a，最多1 a出現(xiàn)4次(2017年)，最少1 a只有1次(2019年)。日變化時間主要分布在14：00前后至22：00，明顯與午后地面太陽輻射增溫因素有關(guān)。

根據(jù)表1，將14次雷暴大風(fēng)過程按回波形態(tài)進行分類，分別為：塊狀回波(4次)、雷暴回波群(4次)、颮線回波帶(2次)、回波短帶(2次)、臺風(fēng)外圍回波(1次)和絮狀回波(1次)，共6種類型。

1.3 婺源單站氣象要素

2015—2020年，婺源14次雷暴大風(fēng)過程中最大風(fēng)速為28.9 m/s，出現(xiàn)在2018-03-04T17：15強颮線過程中。文章列舉了2018-03-04強颮線過程的婺源單站氣象要素并對其進行分析(圖1)。

圖1 2018-03-04強颮線過境時婺源國家站氣象要素曲線

2018-03-04強颮線過程中，雷暴大風(fēng)發(fā)生前，風(fēng)速維持在6 m/s以下；雷暴大風(fēng)發(fā)生時，風(fēng)速躍升至28.9 m/s；之后，風(fēng)速減小到4 m/s以下(圖1a)。風(fēng)向的變化也很明顯，雷暴大風(fēng)發(fā)生前，風(fēng)向平穩(wěn)，維持西南風(fēng)，變化很小；雷暴大風(fēng)發(fā)生時，突轉(zhuǎn)偏北風(fēng)；大風(fēng)過后，風(fēng)向變得凌亂，變化較大(圖1b)。

由于氣壓基數(shù)較大，為了更好地顯示出變化規(guī)律，將氣壓值減去984 hPa作為氣壓的基點。可以看出雷暴大風(fēng)發(fā)生前，氣壓逐漸下降；雷暴大風(fēng)發(fā)生時，氣壓驟升，形成“高壓鼻”；大風(fēng)過后，氣壓波動加大，并緩慢上升(圖1c)。雷暴大風(fēng)發(fā)生前，婺源站溫度維持在27～31 ℃；雷暴大風(fēng)發(fā)生時，溫度發(fā)生明顯的突降(圖1d)；隨后，溫度平穩(wěn)在17～18 ℃。

在雷暴大風(fēng)發(fā)生前，相對濕度在60%以下；雷暴大風(fēng)發(fā)生后，相對濕度突增，很快達到飽和(圖1e)；大風(fēng)發(fā)生后，相對濕度一直保持在100%狀態(tài)。地面降水表現(xiàn)不是很突出，雷暴大風(fēng)發(fā)生前，婺源站無降水；雷暴大風(fēng)發(fā)生時，婺源站開始有降水發(fā)生，但雨量不大，在17 mm/h左右；大風(fēng)過后，婺源站仍受到其他回波系統(tǒng)的影響，斷斷續(xù)續(xù)有降水發(fā)生(圖1f)。

由此可見，當(dāng)雷暴大風(fēng)過境時，婺源單站氣象要素變化表現(xiàn)為：風(fēng)速躍升、方向突轉(zhuǎn)、氣壓驟升、溫度突降、濕度突增和伴有降水等特征。

2 雷暴大風(fēng)雷達拼圖回波特征

文章從6類雷達拼圖回波中分別挑選1次代表性過程進行分析，挑選個例為：2017-08-11、2015-07-29、2018-03-04、2017-08-13、2015-08-07和2016-03-08雷暴大風(fēng)天氣過程。

2.1 塊狀回波

2017-08-11雷暴大風(fēng)過程具有孤立塊狀回波特征。15：00(圖2a)，婺源區(qū)域無回波，婺源南部、西部和西北方向有對流回波發(fā)展；16：00(圖2b)，在婺源東南部邊界附近，出現(xiàn)孤立的塊狀回波，CR回波強度達到55 dBz，結(jié)構(gòu)較緊密，該單體回波是由婺源東南方向德興境內(nèi)的對流單體發(fā)展形成的，塊狀回波自婺源東南方向朝西北方向移動；17：00(圖2c)，塊狀回波移入婺源的東南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，CR回波強度達到55 dBz，16：53婺源出現(xiàn)17.0 m/s雷暴大風(fēng)，由于回波強度不強，回波結(jié)構(gòu)不是十分緊密，伴隨的雷暴大風(fēng)也不是很大，剛好達到最低值17.0 m/s；18：00(圖2d)，塊狀回波面積擴大，仍然覆蓋婺源境內(nèi)，并且強度減弱，逐漸消散。

圖2 2017-08-11江西WebGIS雷達拼圖回波演變：(a)15:00；(b)16:00；(c)17:00；(d)18:00

2.2 雷暴回波群

2015-07-29雷暴大風(fēng)過程具有雷暴回波群回波特征。16：00(圖3a)，婺源區(qū)域沒有回波，在婺源南部有對流回波發(fā)展；17：00(圖3b)，婺源區(qū)域雖然無回波，但在婺源東部、東南部和南部地區(qū)已經(jīng)形成多個雷暴單體回波組成的雷暴回波群，CR回波強度在50～55 dBz，在整個卷云罩下存有若干個雷暴單體，單體之間有一定間隔，各單體發(fā)展趨勢不同，不斷有新生單體產(chǎn)生并緩慢北抬；18：00(圖3c)，雷暴回波群進入婺源境內(nèi)開始影響婺源，18：28，婺源出現(xiàn)17.8 m/s雷暴大風(fēng)；19：00(圖3d)，雷暴回波群開始減弱，并移出婺源。

圖3 2015-07-29江西WebGIS雷達拼圖回波演變:(a)16:00；(b)17:00;(c)18:00；(d)19:00

2.3 颮線回波帶

2018-03-04雷暴大風(fēng)過程具有颮線回波帶特征。15：00(圖4a)，婺源區(qū)域無回波，颮線回波帶在婺源縣方向；16：00(圖4b)，婺源上空無回波，但颮線回波帶從西南方向朝東北方向移動，距離婺源約60 km處，颮線回波帶上單體回波排列緊密，帶上強單體CR回波強度達到60～65 dBz，并伴有大量強雷電；17：00(圖4c)，颮線在婺源的西南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，CR回波強度維持在60～65 dBz，婺源17：15出現(xiàn)28.9 m/s雷暴大風(fēng)；18：00(圖4d)，颮線回波帶快速移出婺源區(qū)域。此次強颮線過程，造成江西多個臺站出現(xiàn)冰雹和雷暴大風(fēng)天氣，颮線回波帶移動速度最大時達到110 km/h，婺源雷暴大風(fēng)極大值為28.9 m/s，是2004—2020年(17 a)婺源雷暴大風(fēng)風(fēng)速最大值。

圖4 2018-03-04江西WebGIS雷達拼圖回波演變:(a)15:00;(b)16:00;(c)17:00;(d)18:00

2.4 回波短帶

2017-08-13雷暴大風(fēng)過程具有回波短帶回波特征。20：00(圖5a)，婺源上空已出現(xiàn)對流回波單體，CR回波強度在45～50 dBz，婺源以西景德鎮(zhèn)附近有很多對流回波發(fā)展；21：00(圖5b)，對流單體回波發(fā)展、合并、排列成東北至西南走向的回波短帶，CR回波強度有所加強，達到50～55 dBz，帶上雷電活動加強，并朝東北方向移動，婺源21：40出現(xiàn)17.8 m/s雷暴大風(fēng)天氣；22：00(圖5c)，短帶回波的北端延伸至婺源境內(nèi)，雷暴大風(fēng)出現(xiàn)過后，回波短帶開始減弱；23：00(圖5d)，短帶回波明顯減弱消散，婺源被30～35 dBz弱回波覆蓋。

圖5 2017-08-13江西WebGIS雷達拼圖回波演變:(a)20:00;(b)21:00;(c)22:00;(d)23:00

2.5 臺風(fēng)外圍回波

2015-08-07雷暴大風(fēng)過程具有臺風(fēng)外圍回波特征。婺源距海較遠，臺風(fēng)外圍環(huán)流造成的回波時有發(fā)生，但婺源出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的情況較少。臺風(fēng)外圍回波不是臺風(fēng)中心及螺旋雨帶回波，距離臺風(fēng)中心較遠地方，在臺風(fēng)外圍環(huán)流上產(chǎn)生的對流回波，一般回波自東北向西南方向移動，或自東向西移動，有時具有一定的旋轉(zhuǎn)性。臺風(fēng)外圍回波成多條不連續(xù)的帶狀結(jié)構(gòu)，帶之間有一定距離間隔，有時這些沿臺風(fēng)外圍環(huán)流形成的回波帶會發(fā)展成臺風(fēng)颮線。15：00(圖6a)，婺源境內(nèi)出現(xiàn)3個弱回波單體，臺風(fēng)外圍環(huán)流產(chǎn)生的回波在婺源的東面，回波帶呈南向北走向，強中心CR回波強度在50～55 dBz；16：00(圖6b)，婺源東面回波移近婺源，CR回波強度基本上維持在50～55 dBz，但明顯整體回波范圍在縮??；17：00(圖6c)，臺風(fēng)外圍回波在朝西方向移動過程中，大部分回波在減弱，但婺源附近仍然有強回波，CR回波強度維持在50～55 dBz，婺源16：42出現(xiàn)20.3 m/s雷暴大風(fēng)；18：00(圖6d)，臺風(fēng)外圍回波西移離開婺源。

圖6 2015-08-07江西WebGIS雷達拼圖回波演變:(a)20:00;(b)21:00;(c)22:00;(d)23:00

2.6 絮狀回波

2016-03-08雷暴大風(fēng)過程具有絮狀回波特征。不是所有的婺源雷暴大風(fēng)都發(fā)展在強回波之中，絮狀回波中的一些較強回波單體也會產(chǎn)生雷暴大風(fēng)天氣。16：00(圖7a)、17：00(圖7b)，婺源均處于大片的絮狀回波中，CR回波強度普遍在45 dBz以下，局部較強回波可以達到45 dBz，分布比較均勻，范圍較大；18：00(圖7c)，婺源附近回波有所發(fā)展加強，CR回波最強達到50 dBz，婺源18：26出現(xiàn)17.4 m/s雷暴大風(fēng)天氣；19：00(圖7d)，婺源及周圍全部被絮狀回波覆蓋，沒有明顯的強中心存在。絮狀回波產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)，由于回波自身強度不強，回波移動速度較慢，因此，沒有像颮線、超級單體等強回波出現(xiàn)的雷暴大風(fēng)強，但婺源仍觀測到在絮狀回波中出現(xiàn)的雷暴大風(fēng)天氣。

圖7 2016-03-08江西WebGIS雷達拼圖回波演變:(a)15:00;(b)16:00;(c)17:00;(d)18:00

3 結(jié)束語

文章使用婺源國家一般氣象站數(shù)據(jù)和江西WebGIS雷達拼圖平臺，采用數(shù)理統(tǒng)計和圖像對比等分析方法，對婺源雷暴大風(fēng)雷達拼圖回波特征進行分析，結(jié)果表明：

雷暴大風(fēng)天氣的出現(xiàn)有不同的形成機理，例如：陣風(fēng)鋒和下?lián)舯┝骶褪菍?dǎo)致雷暴大風(fēng)經(jīng)常出現(xiàn)的因素；超級單體的中氣旋結(jié)構(gòu)、徑向速度區(qū)中的大值區(qū)(奇異區(qū))，都可能出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣。雖然雷達拼圖CR產(chǎn)品能識別出大多數(shù)雷暴大風(fēng)天氣，但在強天氣監(jiān)測預(yù)警中，還要重視單部雷達產(chǎn)品特征(CR、ET、VIL)在識別雷暴大風(fēng)中的作用，尤其是反射率因子垂直剖面RHIz 和徑向速度場垂直剖面RHIv 結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。