一次超級單體風暴雷達產品特征及氣流環境結構分析

王 芬，段 榮，王洪宇，楊 玲

(1.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

一次超級單體風暴雷達產品特征及氣流環境結構分析

王 芬1，2，段 榮1，王洪宇1，楊 玲1

(1.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

2011年5月1日黔西南部分地區遭受了不同程度的災害性天氣，通過興義多普勒天氣雷達觀測表明是超級單體風暴所致。利用興義多普勒天氣雷達探測資料及自動站觀測資料對這次典型超級單體的基本產品及導出產品進行了分析。結果表明：風暴表現為單體自身發展型，基本屬于右移風暴，風暴從發展到消亡的各個階段其強度、最大強中心高度、垂直累積液態水含量、頂高、中氣旋等產品均有不同的演變特征，風暴成熟階段表現為典型的超級單體特征，有界弱回波區(BWER)及弱回波區(WER)明顯，回波強中心高度及頂高上升明顯，垂直流場表現為低層氣旋性輻合，高層氣流輻散。

超級單體風暴;雷達產品;氣流環境結構

1 引言

天氣雷達是探測降水系統的主要手段，是對強對流天氣進行監測和預警的主要工具之一，新一代天氣雷達觀測的實時回波強度、徑向速度、速度譜寬的圖像中，提供了豐富的有關強對流天氣的信息?；夭◤姸葓D的分析和應用研究與常規天氣雷達相似，而徑向風場的分析可以根據典型風場的徑向分量表現出的特殊結構形態，對強對流天氣伴隨的典型風場進行識別。20世紀以來，國內雷達氣象學者在雷達探測強對流天氣系統應用上做了大量的工作，特別是在如何探測強對流天氣系統及如何識別分析氣流結構上做了大量的努力，1962年Browning首先提出了超級單體風暴一詞，并給出了風暴內部氣流的二維模式［1］。刁秀廣［2］、鄭媛媛［3］等對超級單體個例也進行過仔細的分析和研究。本文對興義CINRAD/CD雷達探測到的2011年5月1日發生在黔西南州境內的一次超級單體強度結構、氣流結構、演變過程進行了詳細的分析。

2 天氣實況及形勢

2.1 天氣實況

5月1日下午，受高空切變及熱低壓的共同影響，我州晴隆、貞豐、興仁縣出現強對流天氣，部分鄉鎮雨中夾降冰雹，其中晴隆縣紫馬鄉、中營鎮和長流鄉降了大雨和冰雹，降雹持續時間最長為18 min，冰雹小的如豌豆，大的如大拇指，地面上冰雹粒積有1 cm左右厚。回龍鎮于5月1日16時20分－16時50分降雹，大山鎮于5月1日15時40分－16時00分降雹。冰雹造成相關地區農作物受災近1 333 hm2，受災人口上萬人，造成直接經濟損失達上千萬元。

2.2 天氣形勢

5月1日08時500 hPa在四川到昆明有一淺槽，700 hPa在貴州西部有切變線，地面為熱低壓控制，但在5月1日14時地面圖上，貴州省中部以西有一條西北東南向輻合線(圖略)。說明中高層多小槽或切變線影響，大氣從低層到中高層都有對流不穩定存在，有利于產生冰雹強對流。5月1日08時500 hPa上有冷平流從河套東側向四川、貴州下滑入侵，地面至700 hPa都為較強的暖平流，有一暖舌從廣西經貴州向高原伸展，暖平流在850 hPa最明顯，850 hPa在黔桂交接處有暖切變(圖1)，暖切變加強了低層大氣輻合，使大氣上升運動加強，同時高層冷平流、低層暖平流的存在，使黔西南地區大氣不穩定性增強，冰雹強對流就產生在低層暖平流和高層冷平流相疊置的區域。

圖1 2011 年 5月1日 08 時 500 hPa、700 hPa、850 hPa溫度場、850 hPa風場(其中虛線為500 hPa等溫線 ，細實線為700 hPa等溫線，粗實線為850 hPa等溫線，陰影區為出現雷雨冰雹區，雙實線為暖切變線)

3 風暴單體雷達產品特征分析

雷達系統提供了較高靈敏度及較高分辨率的反射率因子、平均徑向速度及譜寬3種基數據，在RPG中基數據經過算法處理可形成39個種類的分析產品，本文選取有典型意義的幾個產品進行分析。

3.1 中氣旋特征分析

中氣旋是超級單體風暴的典型特征，是與強對流風暴的上升氣流和后側下沉氣流緊密相聯的小尺度渦旋，切變、持續性和垂直范圍的判據可以有效地用來識別中氣旋。中氣旋算法首先搜索平均徑向速度數據，尋找距雷達相同距離處具有速度值順時針方向連續增加的相鄰方位角的距離庫，直到速度值不再增加時構成的一維距離庫序列稱為一個型矢量。在一個仰角掃描的數據由上述檢驗過濾之后，把相鄰的型矢量合成在一起構成二維特征，然后一個仰角上的二維特征與其上面或下面的仰角上的二維特征進行垂直相關分析，這就是中氣旋的算法。中氣旋產品是用來顯示與三種方位切變類型的識別有關的信息，即非相關切變、三維的相關切變及中氣旋［1］。圖2給出這次超級單體風暴過程中氣旋特征。

圖2 超級單體的中氣旋演變情況(豎線為中氣旋底部與頂部的連線，折線為最強切變高度連線，單位： km)

由圖2可以看出此超級單體的中氣旋特征維持近1.5 h，16時06分－16時32分未出現中氣旋，在中氣旋中夾雜1個三維切變(16時26分)，中氣旋厚度較厚，平均6.9 km，最高達到7.6 km，中氣旋底部整體平均較低，約為4.6 km，最低為2.7 km，最強切變高度平均5.9 km，最強為7.3 km。從16時39分開始中氣旋明顯加強并維持時間較長，而地面對應有冰雹出現。

3.2 垂直累積液態水含量分析

垂直累積液態水表示將反射率因子數據轉換成等價的液態水值，并且假設反射率因子完全由液態水反射得到。VIL方程為：M=3.44×10－3Z417這里M為液態水含量(g·m－3)，Z為雷達反射率因子(mm6.m－3)。從每個4 km×4 km網格里導出值M，然后再垂直積分得到VIL，VIL值的單位是kg·m－2，VIL的值可從 RPG 產品中直接獲得［1］。雹云單體在演變過程中VIL的變化具有共性，即均存在“爆發式增長”和“爆發式降低”現象。雹云單體在發展演變過程中VIL都是先增加，后減少;在時間序列曲線中都表現為峰形特征［4］。圖3給出了此超級單體從發展、成熟至消亡的VIL演變情況。

圖3 超級單體的VIL演變情況(單位：kg·m－2)

由圖3可以看出，風暴VIL在數值上發展至成熟階段存在明顯的躍增，15時14分－15時22分從21 kg/m2增加到43 kg/m2，而后又繼續增長，至15時30分已達50 kg/m2，此時興仁大山開始降雹，與此對應的風暴也基本維持一個較高的VIL值，17時04分后，風暴開始消散，VIL迅速減小。

3.3 單體高度變化

回波頂產品(ET)是以平均海平面為參考的，它是在雷達230 km內的4 km×4 km笛卡兒網格上。ET定義如下：在≥18 dBz反射率因子被探測時，顯示以最高仰角為基礎的回波頂高度。圖4給出了此超級單體從發展、成熟至消亡的高度變化情況。

圖4 超級單體的高度變化(單位：km)

從圖4可以看出，此超級單體風暴15時07分時高度約為9 km左右，在15時22分迅速增長，達到13.7 km，此后回波一直維持一個較高的高度，與之相對應的地面開始降雹，16時49分后，回波高度略有下降，平均約為11 km左右，與之相對應的地面降雹結束，17時33分后迅速下降，于之相對應的回波強度場也迅速減弱。

4 單體移動路徑及發展演變

4.1 風暴跟蹤信息分析

風暴單體識別與跟蹤算法用于識別風暴單體并追蹤它的信息，其中包括移動方向、移動速度等。首先要在雷達徑向上找尋大的反射率因子區，而后在二維錐面上找尋大的反射率因子區，再給這些二維的分量尋求垂直相關。它采用了多種新技術：使用多閾值識別、特征核抽取、2D單體識別和相近單體處理等［1］。根據雷達風暴追蹤信息產品STI，給出了這次超級單體風暴的移動路徑(見圖5)。

圖5 超級單體移動路徑圖

從圖5可以看出，風暴初期受引導氣流影響基本是向東移動，發展成熟后向東南方向移動，屬于右移風暴，消散階段又向東偏北移動。此超級單體風暴移動方向、維持時間具體如下：從發展至成熟階段為東南移，偏向風暴承載層平均風右側約40°，持續時間較長(14時02分－17時15分)，17時21分開始進入消散階段，在其進入消散階段后，轉為東偏北移動。風暴生成于14時02分，消散于18時，維持約4 h，產生了冰雹和一般雷雨大風天氣。

4.2 風暴發展演變

圖6給出了風暴發展演變情況，圖中所示為組合反射率38號產品(CR)產品，可以看出此超級單體風暴演變發展狀況：14時59分在興仁北部初始單體A生成，平均強度達50 dBz，此時并未降雹，對流單體也處于發展階段，緩慢向東偏南方向移動，15時14分單體明顯加強，回波最大強度達83 dBz，15時30分單體成熟，強度為50 dBz以上的回波面積增大，系統深厚強大，此時對應地面(興仁大山)開始降雹(15時40分－16時00分)，15時58分，單體A繼續穩定維持(同時在其上方有一單體B生成)并繼續向東偏南方向移動，在此過程中16時20分－16時50分興仁回龍也出現降雹，16時46分以后單體開始稍有減弱，17時44分減弱明顯，進入消散階段。

圖6 超級單體風暴組合反射率(CS)演變示意圖

回波的垂直剖面是判斷回波性質的一個重要方面，通過它可以直觀的判斷回波的頂高、有界弱回波區(BWER)、弱回波區(WER)、回波墻等。圖7給出了此次超級單體風暴16時46分垂直于運動方向的RCS剖面圖。

圖7 16時46分超級單體垂直剖面圖(RCS)

從16時46分的垂直剖面圖上可以看出，風暴成熟階段存在弱回波區(WER)、有界弱回波區(BWER)及回波墻，有界弱回波區下存在強烈的上升氣流區，有利于冰雹的形成，低層為風暴的入流，位于反射率因子較大的一側，同時，弱回波區和回波頂也偏向于低層入流一側，即靠近雷達方向。

5 風暴單體氣流環境結構分析

5.1 垂直氣流分析

由這次超級單體風暴16時46分多層平均徑向速度 PPI(圖略)?？梢钥闯觯蛯?0.5°、1.5°)的平均徑向速度圖存在大片的正值區，風速約為12 m/s，在這片正速度區上出現了一塊小負速度區，速度最大值達到－25 m/s，即出現了逆風區(如圖中圓圈標注)。據相關文獻記載，逆風區的存在是識別冰雹的重要判據，逆風區的出現表明此處風向發生了劇烈的變化，產生了風的強切變，具有明顯的輻合。逆風區隨西北氣流快速地向東南方向移動，比較反射率因子圖及其實況場可以看出，風暴的發展、演變以及移動、冰雹的落區都與這個“逆風區”密切相關，對流發展最強烈的地方都出現在“逆風區”移動方向的前沿。對風暴整層分析可知：風暴低層存在氣旋式輻合(0.5～1.5°，2.5 km以下)，中層存在氣旋性旋轉結構(2.4～4.3°，3.4～5.9 km)，高層存在輻散氣流(6.0°，8.0 km)

5.2 垂直風廓線分析

垂直風廓線產品表示相同水平區域中不同高度上的平均風向風速。它在VAD產品的基礎上得到平均風向風速隨高度變化的垂直廓線，應用相繼時間的體掃資料，即可獲得平均風向和平均風速隨高度和時間變化的剖面圖形。多普勒天氣雷達測速功能可以測量其探測范圍內任意點相對于雷達的徑向速度，通過算法對一個體掃的徑向速度資料進行處理，還可以得到雷達上空60 km左右范圍內全風向風速隨高度的變化，即風的垂直廓線［1］。分析此超級單體風暴成熟從階段的3張風廓線產品VWP可知(圖略)，在1.2 km高度基本吹東南風，1.2～1.5 km高度風向轉為南風，1.5～2.1 km高度風向又轉為西南風，最大風速達9.3 m/s，存在風切變，風隨高度有順轉的趨勢，這是造成該地區降雹的主要原因。

6 小結

①此次超級單體風暴移動路徑為東偏南，屬于右移路徑，低層輻合，高層氣流輻散。風暴成熟階段表現為典型的超級單體特征，有界弱回波區(BWER)及弱回波區(WER)明顯。

②中氣旋維持時間較長，厚度較厚，平均6.9 km，最高達到7.6 km，最強切變高度平均5.9 km，最強為7.3 km。

③垂直累積液態含水量隨著對流單體的發展變化明顯，在發展階段其VIL值是逐漸增加的，在降雹前一至兩個體掃出現躍增現象，冰雹降落時間基本是在VIL值達到最大時開始，降雹結束后，VIL值迅速下降。

④回波頂高度變化明顯，在降雹前的2個體掃時間內迅速增加至14 km左右，而后繼續維持在較高的高度，在16時30分回波高度開始略有降低，17時33分后迅速下降。

多普勒天氣雷達資料對短時臨近預報有較好的參考意義，特別是對超級單體風暴，但是，即使同是冰雹天氣也會由于天氣形勢的不同導致回波的強度結構、流場結構及其演變過程有較大差異，具體的異同有待于更深一步的研究。

［1］俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業務應用［M］.北京：氣象出版社，2005：10－280.

［2］刁秀廣，朱君鑒，劉志紅.三次超級單體風暴雷達產品特征及氣流結構差異性分析［J］. 氣象學報，2009，67(1)：133－146.

［3］鄭媛媛，謝亦峰，吳林林，等.多普勒雷達定量估測降水的三種方法比較試驗［J］. 熱帶氣象學報，2004，20(2)：192 －197

［4］王芬，李腹廣.黔西南地區冰雹云VIL演變特征分析［J］.安徽農業科學，2011，(15)：9 047 －9 050.

P58.1+21

B

1003－6598(2012)05－0030－05

2011－07－06

王芬(1978—)，女，工程師，主要從事雷達產品應用研究工作。