贵州镇远“4·17”大风冰雹天气过程多普勒雷达回波特征分析

李路长，白 慧，顾 欣，韦 波，余代辉

(贵州省黔东南自治州气象局，贵州 凯里 556000)

1 引言

春季是贵州省强对流天气的高发时段，冰雹、大风、强烈雷暴等灾害性天气经常出现在该季节，同时，由于贵州地形复杂易造成强对流天气频繁发生、过程持续时间短、灾害重且预报预警难度大。近几十年来，国内外气象学者对雷暴大风进行了大量研究，俞小鼎等［1］提出:雷暴大风主要由强对流风暴(超级单体或多单体风暴)，或与飑线、强锋面有关的带状强对流中处于成熟阶段单体中的下沉气流，在近地面处向水平方向扩散，形成的辐散性阵风而产生;吴芳芳等［2］研究指出，雷暴大风有很多类型，弱垂直风切变下由脉冲单体产生的下击暴流导致的雷暴大风极少与中气旋相联系，与中气旋相关的雷暴大风通常出现在超级单体钩状回波附近以及弓形回波顶部(凸起)附近。区域性雷暴大风出现在弓形或线形回波凸起处;Atkins等［3－4］认为灾害性大风由弓形回波后侧入流急流与中γ尺度涡旋线性叠加造成;Hookings等［5］研究论证了在较小水滴尺度和较大液态水含量以及下沉气流发源处的低湿度环境下，能产生更强烈的雷暴大风。为更深入的研究和应用多普勒雷达资料，尹忠海等［6］则对雷雨大风的多普勒雷达产品特征进行了分析，得出:大风天气是与强风暴单体发展、弓形回波的出现密切相关;雷达回波的快速移动、风暴处于减弱期表明大风开始发生。本文利用常规实况资料、地面自动站资料和黔东南州新一代多普勒天气雷达资料，对2013年4月17日发生在镇远县城有气象记录以来的大风天气过程进行总结分析，为今后大风灾害短时临近预警积累经验和提供有价值的参考。

2 天气过程实况

2013年4月17日18时开始，贵州省黔东南州北部黄平县、施秉县、镇远县、岑巩县等县先后出现强雷雨天气，其中黄平县一碗水，施秉县牛大场、白垛，岑巩县客楼降3～8 mm冰雹，镇远县县城出现8级以上大风(图1)。17日21时16—22分，县气象站测得瞬时极大风速达38.3 m/s，突破有气象记录以来历史极值，冰雹最大直径为5 mm，同时伴有强雷电和短时强降水。此次风灾具有突发性强、来势迅猛、破坏力强、灾情重等特点。大风吹翻 阳河上的游船，致使游客落水，城区一座风雨桥被刮倒，大树被连根拔起，水泥电杆被折断，部分汽车被扭曲严重变形，行人被卷离地面等，大风所经之处一片狼藉。据民政部门统计，此次灾害共造成589.8 hm2农作物受灾，农业损失809.58万元; 阳镇公益设施损失168.5万元，基础设施损失614.2万元，农村民房和城镇居民房屋受损严重，共有4 295余人受灾，家庭财产损失达547.9万元。

图1 风暴追踪信息以及冰雹落区、大风分布图

3 天气背景及环境场分析

分析4月17日08时实况天气图(图略)，500 hPa图上，欧亚中高纬地区为两槽一脊形势，巴尔喀什湖西部和贝加尔湖以东地区为低槽，新疆到巴尔喀什湖、贝加尔湖之间为暖高压脊控制，中低纬度高原上低值系统活跃，多短波槽脊东移，四川中部有一短波槽，未来东移影响贵州，西太平洋副热带高压588 dagpm特征线位于中国南部沿海，南支槽缓慢东移至孟加拉湾东岸，贵州处于西太平洋副热带高压西北侧和南支槽前西南气流控制之下;中低层700～850 hPa为西南气流控制，两广中南部有一支12～16 m/s的西南低空急流，700 hPa湿度小，比湿仅有2～4 g/kg，850 hPa在贵州东北有一东西向切变线维持，且湿度大，比湿达12～15 g/kg，大气“上干下湿”特征明显;地面热低压中心位于四川东部，贵州受低压东南侧偏南风影响，在贵州中部偏北地区有一东西向辐合线，镇远位于辐合线南侧，吹4 m/s偏南风，天气晴热，当日最高气温为31.4℃。从贵州省七要素自动气象站逐小时资料(图略)可知，19时辐合线从贵阳开阳到铜仁南部地区南移，20—21时辐合线在黄平—施秉—镇远—三穗一线维持，镇远位于辐合线附近，强对流风暴就是在辐合线西段贵阳的开阳附近触发生成并沿地面辐合线东移发展造成镇远县城特大风灾。22时辐合线南移麻江—凯里—台江—天柱一线，镇远转6 m/s偏北风，过程结束。分析17日08时贵阳探空资料(图略)可知，贵阳探空曲线呈漏斗状，低层有弱逆温层存在，层结为“上干下湿”结构，0℃层在600 hPa和－20℃层在400 hPa高度附件，大气环境有利于强对流天气发生发展。分析17日20时黔东南周边贵阳、怀化、河池、桂林探空资料可知:0～6 km垂直风切变分别为 20.98 m·s－1、26.02 m·s－1、24.84 m·s－1、20.98 m·s－1，均属于强垂直风切变;600 hPa以上均存在明显干层;大气中0℃层的高度均在5 km以下，分别为4.5 km、4.4 km、4.6 km、4.5 km;同时，对流层中下层(500 hPa以下)大气环境温度直减率较大，有利于雷暴大风天气的发生。

利用17日20时探空资料计算贵阳、怀化、河池、桂林4站从600 hPa起始下沉对流有效位能(DCAPE)分别为:615 J·kg－1、879 J·kg－1、907 J·kg－1、790 J·kg－1，说明黔东南州范围内发生强局地风暴的可能性极大。

4 多普勒雷达回波特征分析

4.1 反射率特征分析

4月17日18时05分在贵阳开阳和黔南州北部瓮安交界地区有一中心强度为45 dBz的对流风暴，随后风暴沿地面辐合线发展东移，途经瓮安、黄平、施秉到镇远，强度不断增强。20时40分，50 dBz以上的强回波扩展到环境大气－20℃等温线高度以上，结合当日0℃层的高度，此时雷达回波出现高悬强回波特征。20时46分强对流风暴从施秉甘溪移向镇远，此时强回波主体移动方向(偏东方向)的右后方伸展出明显的钩状回波，但低层弱回波区(WER)不明显。随着风暴进入县城，风暴出现爆发式增强，21时16分钩状回波更明显，0.5°仰角图中出现明显的弱回波区(WER)，0.5°、1.5°仰角图中出现了较大面积大于65 dBz的强回波，说明此时回波强中心已经在下降，预示着即将出现强对流天气或者强对流天气已经发生。

分析17日基本反射率因子图(图略)发现:基本反射率因子图上回波呈现钩状，而不是与雷暴大风相联系的弓形回波，也无明显雷暴出流边界(阵风锋);6.0°仰角图上20时28分开始出现三体散射特征，9.8°仰角图上20时58分出现三体散射特征，该特征的出现有助于预警人员提前发布冰雹预警。分析组合反射率因子图(图略)发现:大于65 dBz的强回波区呈现逐渐增大的趋势，其前沿存在高反射率因子梯度区，这对预警人员发布雷暴大风预警有一定的参考作用［6］。

4.2 径向速度特征分析

张沛源等［8］把逆风区定义为:在低仰角PPI多普勒速度图上，在同一方向的速度区中出现另一种方向的速度区，即在正(负)多普勒速度区内，出现了负(正)多普勒速度区。同时指出，逆风区是中尺度辐散辐合共轭系统风场在多普勒速度图上的表现形式，反映了水平动量垂直交换过程。

分析17日20时46分基本径向速度图(图略)，在 0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°仰角径向速度上，施秉县甘溪乡上空均出现逆风区。同时，0.5°、1.5°、2.4°仰角径向速度图上逆风区的最大负速度区出现了速度模糊，并伴有明显的气旋旋转特征，4.3°仰角径向速度图上出现明显辐散特征。随着风暴的发展和风暴向着雷达运动，21时10分的径向速度图上，1.5°、2.4°、3.4°仰角逆风区特征不明显，但存在明显的辐散特征，4.3°、6.0°仰角“逆风区”特征明显，并伴有辐散特征，说明此时对流发展特别旺盛。

根据镇远县地面气象观测站17日21时20分观测到的瞬时极大风速达38.3 m/s大风，此风速是黔东南州有气象记录以来瞬时风极值，大风发生期间，除湿度明显增大外，没有出现“气压涌升、温度骤降、风向突变”现象，说明不是飑线过境。分析大风发生前后0.5仰角基本径向速度图发现，镇远上空1 km左右有逆风区存在，且风速值很大，风灾发生期间风速有明显增大现象，21时28分在镇远县城东南方向出现了一个负速度大值区，但大风发生前后没有出现明显的中气旋或龙卷涡旋特征。因此，利用基本径向速度图来识别小龙卷存在一定的困难。

4.3 垂直累积液态水含量特征分析

图2 4月17日20时46分—21时34分共9个时次垂直累积液态水含量图

俞小鼎等［1］指出垂直累积液态水含量(VIL)的优点主要有:①持续高的VIL值可能与超级单体风暴有关;②快速降低的VIL值也许意味着破坏性大风的开始。缺点主要是:①水滴滴谱的不确定性使得VIL值有偏差;②因雷达静锥区使得距雷达40 km以内的VIL值被过低估计;③用于警报的值是逐日变化的且随警报地区变化的。东高红等［9］指出VIL值达到30 kg·m－2是地面灾害性大风出现的阈值，40 kg·m－2可以看作大风的预警指标，VIL值达到最大后的快速减小意味着将有地面灾害性大风发生，VIL值快速减小后的突然跃增则是地面灾害性大风开始的标志。

分析风暴垂直累积液态水含量图(图2)可知，黔东南雷达17日18时46分第1次探测到的VIL值为48 kg·m－2，风暴东移过程中VIL值呈现明显的跳跃式增减变化，截止到20时46分，VIL值出现了多达10次跳跃变化(图3)，19时16分到22分，VIL值最大变化量达15 kg·m－2，VIL值在大风发生前，最小值为 38 kg·m－2，最大值达 53 kg·m－2，且多数时间维持在40 kg·m－2以上。根据东高红等人的研究成果［10］，强风暴20时46分从施秉甘溪到21时16分—21时22分镇远大风发生，预警人员可以提前30 min发布冰雹和大风预警。21时10分—21时22分VIL最大值维持在43 kg·m－2，此期间VIL值大于25 kg·m－2的范围出现了快速增大现象(图2)，但此特征出现时距离大风发生时间只有6 min，预警时间很短。风暴21时28分移出镇远县城后，VIL值呈快速减小趋势。由于黔东南多普勒天气雷达投入业务应用才2 a多，黔东南地区用VIL值作大风预警还需进一步总结和研究。

图3 4月17日18时46分—21时52分垂直累积液态水含量最大值演变图

5 地形影响分析

强风暴在移入镇远县城前VIL值也有跳跃式增长，最大值超过40 kg·m－2，但沿途并没有造成破坏性大风。分析镇远县城所在的地形发现，镇远县城地处西北—东南向的山谷中，当风暴从西北部甘溪移入镇远县城时，由于狭管效应，在地形强迫作用下，风在山谷中急剧增大，使近地层辐合增强，风暴得到爆发式增强，是导致镇远县城特大风灾发生的重要原因。

6 小结和讨论

①地面辐合抬升是强风暴发生的启动机制，“上干下湿”的大气不稳定层结条件、强的垂直风切变和对流层中下层(500 hPa以下)大气环境较大温度直减率为强风暴的发生发展提供了重要条件。

②大风、冰雹发生前基本反射率因子图上出现高悬强回波特征、明显的钩状回波、弱回波区和三体散射特征，组合反射率图上有明显的高反射率因子梯度区等特征。利用不同仰角基本反射率因子图，可以快速识别弱回波区(WER)，对大风、冰雹强对流天气的预警具有很好的指导作用。

③基本径向速度图上中、低仰角存在明显的逆风区，也是大风、冰雹等强对流天气发生的征兆。

④风灾发生前垂直累积液态水含量VIL值具有明显的跳跃式增减变化，最大值大于40 kg·m－2，且大于25 kg·m－2的面积范围出现快速增大特征，这对大风预警有一定指示意义。

⑤镇远县城位于山谷狭长地形条件是使风暴爆发式增强产生破坏性大风的重要原因。

⑥由于雷达回波没出现明显的中气旋、龙卷涡旋以及弓形回波特征，镇远特大风灾发生是由特殊的地形引起的还是小龙卷造成的，还有待进一步讨论。

［1］俞小鼎，姚秀萍，等.多普勒天气雷达原理与业务应用［M］.中国气象局培训中心.

［2］吴芳芳，俞小鼎，张志刚，等.对流风暴内中气旋特征与强烈天气［J］.气象，2013，38(1):1 330－1 338.

［3］Atkins N T，Bouchard CS，Przybylinski R W，et al.Damaging surface wind mechanism within the 10June 2003 Saint Louis bow echo during BAMEX［J］.Mon Wea Rev，2005，133:2 275 －2 296.

［4］Atkins N T，Laurent M St.Bow echo mesovortices(PartⅡ):Their genesis［J］.Mon Wea Rev，2009，137:1 514 － 1 532.

［5］Hookings G A.Precipitation maintained downdrafts.J Appl Meteor，1965，4:190 －195.

［6］尹忠海，刘应军，黎祖贤，等.湘中“6·26”雷雨大风过程的多普勒雷达产品分析［J］.暴雨灾害，2007，26(4):319－322.

［7］叶成志，唐明晖，陈红专，等.湖南首场致灾性强对流天气过程成因分析［J］.暴雨灾害，2013，32(1):1－10.

［8］张沛源，陈荣林.多普勒速度图上的暴雨判据研究［J］.应用气象学报，1995，6(3):373 －378.

［9］东高红，吴涛.垂直积分液态水含量在地面大风预报中的应用［J］.气象科技，2007，35(6):877 －882.

［10］丁小剑，唐明晖，陈德桥.两次冰雹过程多普勒天气雷达产品的对比分析［J］.气象与环境科学，2010，33(2):42－47.