一次单体风暴过程雷达特征分析

马远飞， 雷崇典

(陕西省延安市气象局，陕西延安 716000)



一次单体风暴过程雷达特征分析

马远飞， 雷崇典

(陕西省延安市气象局，陕西延安 716000)

利用位于陕西延安的C波段多普勒天气雷达资料对2011年6月25日13:50～15:50陕西北部志丹县的一次典型的超单体风暴过程进行了详细的分析。结果表明，多单体风暴6月25日12:36左右起源于陕北靖边县上空，13:56左右在志丹境内发展为超级单体风暴，其生命史为2 h;在风暴中，观测到了低层前侧入流缺口、有界弱回波区(BWER)、中气旋(M)等超级单体风暴特征，中气旋在风暴中维持了50 min。通过各种气象资料的分析表明，垂直积分液态含水量(VIL)、雷达回波中心强度(DBZM)、雷达回波中心高度(HT)、雷达回波顶高(TOP)、中气旋(M)等产品对超级单体风暴有较好的识别和预报能力。超级单体风暴过程中持续增高的VIL值和保持一定高的反射因子最大中心强度(DBZM)对识别超级单体有重要的指示意义。超级单体VIL值、反射因子最大中心强度(DBZM)、回波顶高(TOP)在发展到成熟期均持续增长过程中，其参数值保持在一定的高位；非超级单体出现短时强降水前，VIL、DBZM、TOP、HT达到相应值后，成熟期VIL、TOP、HT值处于持续下降趋势，回波顶高较超级单体低；超单体VIL值和反射因子强回波中心高度值在风暴发展过程中起伏大，反映出超单体发展过程中风暴内部对流十分的旺盛。

超级单体；风暴；雷达；特征

自我国新一代天气雷达的布网以来，为强对流天气的探测和预警能力的提高提供强有力的手段。超级单体风暴是局地对流风暴中最猛烈的一种形式[1]，一直吸引着众多气象学家的注意。20世纪60年代开始，Browning指出超单体风暴作为一个强烈发展的对流单体，其重要特征就是雷达回波存在一个弱回波区(WER)或有界弱回波区(BWER)，它们相对其他对流单体来说，持续时间较长[2]。超单体风暴的另一个雷达回波特征是低层的钩状回波。在20世纪60～80年代，当时认为稳定性和持续性是超级单体与其他强风暴的主要区别。随着数值模拟和多普勒雷达探测表明深厚持久的中气旋才是超级单体最明显的特征。超单体风暴呈现出各种各样的雷达回波和视觉特征，依据对流性降水强度和空间分布特征，超单体风暴可以划分为弱降水(LP)超单体风暴和强降水(HP)超单体风暴。强降水(HP)超单体风暴通常在低层具有丰富水汽、较低LFC(自由对流高度)和弱的对流前逆温层顶盖的环境中得以发展和维持。对于强降水(HP)超单体风暴常并不象LP或经典的超单体风暴那样与周围风暴隔绝，它倾向于沿着已有的热力/湿边界(如锋和干线等)移动，这些热力/湿边界常是低层风切变的增强区。笔者通过对2011年6月25日发生在陕西北部志丹县境内的一次强对流天气过程的分析，试图揭示超级对流单体风暴的雷达回波特征，为强对流天气的临近预报和人工防雹提供参考。

1 资料与方法

资料选取包括6月25日延安711 SDR-21型数字化天气雷达资料，雷达地址在延安城区(109°29′17″E、36°36′34″N),海拔高度1 167 m；延安C波段多普勒雷达资料，雷达地址为延安城区(109°29′11″E、36°36′34″N)，海拔高度1 161 m，射频频率5 330 MHz。通过对2011年6月25日陕西北部志丹县境内的一次强对流天气过程中延安711 SDR-21型数字化天气雷达资料进行深入研究，总结出发生强对流天气时711雷达回波演变规律以及各种物理量参数的变化，试图揭示超级对流单体风暴的雷达回波特征。其中，物理量参数变化分析的资料选取延安地面加密观测站观测资料以及延安(53845)、银川(53614)08:00探空观测资料和延安711雷达实时监测资料(12:00～20:00)。

2 地面实况

2011年6月25日13:50～15:50陕西北部志丹县、安塞县遭受短时暴雨、冰雹袭击。14:35～16:05志丹县的保安降水量49.9 mm，其中14:00～15:00降水量达42.7 mm，永宁14:40～15:50降水量达23.7 mm。14:10保安镇第一次出现雷暴，14:44～15:03保安镇出现降雹，降雹持续19 min，冰雹最大直径15 mm，降雹范围5km，双河乡降雹持续10 min，冰雹最大直径12 mm，降雹范围10km。冰雹来势猛、持续时间长、强度大、密度高、范围广，是有气象记录以来所罕见的。另外，13:50～14:20安塞县镰刀湾出现短时强降水，降水量24.7 mm。14:10～14:40王家湾出现19.2 mm的短时强降水。据初步调查，暴雨造成保安镇街道办事处所辖5个社区98户404人受灾，有10商铺43户居民房屋进水，中心街小石山出现一处坍塌，双河乡有3个行政村291.4 hm2农田和112棚工棚受灾，共造成直接经济损失500余万元。

3 单体风暴及移动路径分析

6月25日08:00 500 hPa高空上，高原东部受高脊控制，陕西省处于偏北气流中，高原南部有偏南气流发展。对流发生前为晴空少云天气。12:36在延安多普勒雷达组合反射率因子(CR)图像上首次在榆林靖边境内发现2个对流单体回波，一个偏南(回波A)，另一个偏北(回波B)。711雷达14：00开始间隔10 min加密跟踪观测，从利用711雷达显示的回波位置绘制的单体生消和移动路径示意图(图1)可看出， 风暴单体A以5 m/s的平均速度向东南方向移动，12:42风暴单体A进入成熟期，13:25风暴单体A移动方向的右前方有新生单体产生(单体A1)，原来风暴单体A迅速减弱(14:00消散)。新生单体A1则快速发展，13:56已发展超级单体风暴，以3～4 m/s的平均速度向南方向移动，并不断地发展增强，14:00超级单体风暴进入最强盛期，移速由14:30的5 m/s不断增加至16:00的8 m/s。超级单体风暴A1在15:50开始进入消亡期。风暴单体B在13：52裂成两块单体，其中B1向西移动后转向东南，在镰刀湾附近出现短时暴雨，继续向南，移动至14:49消散；B2向东北侧移动，在王家湾出现雷雨天气，接着向北侧移动，14:39消散。对于中尺度对流复合体(MCC)其回波发展消亡持续时间长达4 h左右(12:35～16:03)，自北向南方向移动了85～90 km。

4 物理量分析

4.1 对流参数及大气层结选取了雷暴天气发生区上游银川和下游延安测站资料，25日08:00延安站上空大气0 ℃层位势高度4 590 m，根据历史资料统计陕北地区出现强雷暴天气参数阈值0 ℃层高度为4 000～4 820 m[3]，-20 ℃层位势高度为6 153 m，在700 hPa以下存在较强垂直风向切变(850 hPa东南风4 m/s，700 hPa西北风4 m/s)，在700～500 hPa存在风速切变，风切变值为3.3 m/(s·km)。根据黄美元等对青阳地区42块冰雹云的分析表明，比较强的冰雹云多出现在中等强度的环境风切变条件下，风切变值多在3.0～4.0 m/(s·km)[4]。

25日08:00整个河套上空500 hPa以上属于较强的辐合区，辐合区一直持续到150 hPa高度以上，陕西北部地区维持一负散度中心，最小中心值在250 hPa层面上对流风暴源地上空。 从表1可以看出，延安上空大气层结是相对较弱的对流不稳定，其上空的对流有效位能(CAPE)接近于0 J/kg，但自由对流高度(LCL)在1 500 m左右，近地面有海拔高度为2 205 m的逆温层，中高层是辐合环境场，有利于后期近地面能量的聚集，一旦中层干冷空气侵入，为局地强对流形成创造了良好的对流不稳定条件。

表1 2011年6月25日08：00延安、银川各对流参数

4.2 延安地区地面温度的中小尺度特征通过对6月25日延安市高密度加密观测站网地面温度分布分析，08:00地面温度分布基本上趋于平均，延安市区内西北部局地较其他大部分地区升温变化大得多。从图2可以看出，13:00延安市区内西北部有3个高值区，其一与志丹县城相对应，另一与镰刀湾相对应，还有1个在吴起县区对应有较大范围的高值区，表现出中小尺度的高值区。

4.3 中尺度辐合从25日08:00 850 hPa水汽通量散度场图上(图3)可以看出，在陕西北西北部有一个-14.7 g/(cm2· hPa·s)的水汽通量散度中心，表现出一个中尺度的水汽通量辐合区和高假相当位温θse中心相对应。许多观测事实表明，强风暴天气的发生和暴雨产生往往出现在一定强度的中尺度辐合场天气形势下，美国Waldstreicher认为湿度通量辐合(MFC)可以作为强对流的一个预报因子，有助于预报员识别强雷暴可能出现地区，有助于识别雷暴发生前的低层强迫地区[5]。

13：50～16：03多普勒雷达速度分布图像(图4)显示，测站西北侧存在一辐合的不连续区域，在14:14:25图像可能画出连续的东北—西南向的辐合线。根据美国WSR—88D雷达的探测实践，在一定的天气条件下，多普勒雷达探测到边界层出现中尺度辐合线(区)后，跟踪这个中尺度辐合线(区)，就可以预测几十分钟后可能出现的积云和它今后的发展和降水，这在对流天气的临近预报中是非常有用的。中尺度辐合线的形成可以改变原来的大气层结，低层(850 hPa)水汽向上输送，从而加速对流单体的垂直发展。

5 风暴演变

2011年6月25日12:36左右在陕西靖边县境内(相对于延安雷达位置270°～330°，315～320 km)开始有孤立的多单体风暴生成，此后回波单体不断发展加强并向南略偏东方向移动；13:01该风暴系统已发展成由多个对流风暴连成一线(基本上西南-东北走向)，该中尺度对流系统有2个发展比较旺盛的对流风暴(A、B)，其中北侧的B发展较快，13:50其西北侧存在一个后侧入流，13:56 B呈现出小尺度的弓形回波特征，风暴直径20～30 km，中心强度达65 dBz；对流风暴进入发展旺盛期，13:50～14:20风暴B产生24.7 mm的降水；14:14分裂成2个对流单体，偏南侧单体向南移动，偏北侧单体向西北方向移动，14:50衰减消亡。

13:31对流风暴A其进行方向一侧30 km处开始出现新生单体(A1)，其发展速度非常快，13:38已呈现出中气旋特征，对流单体(A1)中VIL值和最大中心强度(DBZM)值持续稳定地增长，13:56组合反射率图上，对流单体A1的南侧出现明显的入流缺口，风暴主体向着低层入流方向伸出一个突出物，很明显低层入流来自南方。同时位于该风暴北侧的对流单体(A)迅速消亡；其风暴主体低层入流方向伸出的突出物14:30消失，持续30 min左右，它是超级对流单体低层回波的一个显著特征。 在1.5°仰角的径向速度图上，13:38开始回波表现出较强的以辐合为主的气旋式流场特征，正负速度差达27 m/s，入流气流在此辐合上升，有利于风暴对流的进一步发展；13:56中气旋特征也随之失去其特征，中气旋持续时间50 min左右。中气旋出现在强降水或降雹前30～60 min。

结合延安711雷达回波RHI图像资料(图5)分析，14:09沿入流方向穿过最强中心位置的反射因子垂直剖面已开始显现出有界弱回波区BWER的结构，可以推断对流单体(A1)为超级对流单体，14:40的超级对流单体反射因子垂直剖面呈现明显的有界弱回波区，在其南侧中低层是强烈的上升气流区，回波顶位于有界弱回波区之上，超级单体顶高已达16 km，强中心高度高达6 km左右，超级对流单体进入发展旺盛期。对应14:40组合发射率因子图上显示了带有典型钩状回波，最大反射率因子位于钩状回波上(西部)，其强度为69 dBz。在1.5°仰角的径向速度图像上，在超级单体的南侧出现2条明显的出流边界，一条位于钩状回波的西南，一条位于钩状回波的东南，超级单体的左前方低层反射率因子呈现明显的倒“V”字型结构，这也是超级对流单体风暴典型特征之一。14:44～15:02延安保安地面出现降雹，超级单体风暴进入最强盛期。在地面出现降雹期间，14:50～15:02组合发射率因子图上出现三体散射长钉(TBSS)。

三体散射长钉是一个当雷达波束遇到非常大的冰雹时发生的雷达微波散射现象，相当一部分能量被散射到散射体积下面的地面，来自地面的后向散射能量返回包含水物质的散射体积，再沿着初始传输的路径被散射回雷达产生的结果。对于C波段(5 cm)的雷达比S波段的雷达更容易出现TBSS，TBSS出现不一定表明有大冰雹出现，在这一波段，小冰雹甚至大雨滴也可以造成TBSS。降雹后半段由于雨强突增出现较小的三体散射长钉。Lemon指出，在观测到三体散射长钉后的10～30 min内地面有可能出现直径>25 mm的降雹，同时往往伴随有地面灾害性大风[6]。廖玉芳等对发生在我国的三体散射长钉进行了全面的分析，发现几乎所有三体散射长钉个例均伴随有大冰雹[7-8]。在15:45组合反射率因子图上出现比较明显的三体散射长钉，但地面并没有出现降雹，也无明显的强降水(但超级单体的左前方低层反射率因子呈现明显的倒“V”字型结构)。出现这种情况的原因是否可以这样解释，15:45超级单体风暴反射因子中心强度仍然保持一定的高度值(70 dBz)，VIL值保持在50 kg/m2以上,但回波顶高(TOP)和强中心高度(HT)突然下降了2～3 km，可以推断超级单体(A1)在临步入衰减期，0 ℃层以下中低层液态粒子的密度急剧加大，雷达回波可能是反射因子的超折射引起的虚假回波。超折射主要取决于当时的大气条件，一般发生在温度随高度升高而增加或(和)湿度随高度升高而减小的大气中[9]。这种解释是否正确，还有待以后进一步研究。总之，在超级单体风暴发展到后期出现三体散射长钉对冰雹预警没有意义。

6 超级单体风暴的参数特征

分析对这次超级单体风暴VIL值、反射因子最大中心强度(DBZM)、反射因子最强中心高度(HT)、回波顶高(TOP)等在对流风暴全过程中随时间的变化(图6)发现，持续增高的VIL值和保持一定高的反射因子最大中心强度(DBZM)对识别超级单体有重要的指示意义。对于这次过程分析得出，超单体(A1)出现在强对流天气，VIL阈值为50 kg/m2。>40 kg/m2最初出现在强风暴产生前30 min(13:56)，最大值出现在强风暴时段(14:56)，为63 kg/m2，此时反射因子最大中心强度也保持在最高位60～70 dBz。对流风暴过程中超级单体(A1)在降雹前反射因子在垂直方向上会出现突发性剧增。14:08和14:20反射因子回波顶高出现2次剧增现象，增长幅度在3～4 km(在延安711雷达回波RHI图像上增长幅度在5～6 km左右)。14：00～14：30闪电频数、强回波中心高度均出现急剧增长，且反射因子回波顶高维持在10 km以上的高度。超级单体(A1)反射因子强回波区中心相对于0 ℃和-20 ℃等温线高度的位置对判断降雹的潜势非常重要。强回波区必须在0 ℃等温线高度以上才能对降雹的潜势有所贡献。当强回波区位于-20 ℃等温线高度以上对降雹的潜势贡献最大。降雹前反射因子强回波区中心高度值一直在0 ℃层高度附近上下浮动，降雹前30 min保持在0 ℃层以上高度，14:26强回波区中心高度值突增至7.3 km，超越-20 ℃等温线高度以上。

对于风暴单体(A)、超级单体(A1)、非超级单体(B)三者比较分析，发现超级单体(A1)垂直累积液态含水量(VIL)、反射因子最大中心强度(DBZM)、回波顶高(TOP)在发展到成熟期均持续增长过程中，其各参数值保持在一定的高位；非超级单体(B)出现短时强降水前，VIL、DBZM、TOP、HT达到相应值后，成熟期VIL、TOP、HT值处于持续下降趋势，回波顶高(TOP)较超级单体低；超级单体(A1)VIL值和DBZM在风暴发展过程中起伏大，反映出超单体(A1) 发展过程中风暴内部对流十分的旺盛。对流单体A在发展过程中没有出现强的对流风暴，较超级单体(A1)和非超级单体(B)的VIL并没有超过50 kg/m2，反射率因子的最强中心高度一直维持在0 ℃层以下，且变化幅度不大。超级单体风暴发展过程中另一显著特点是超单体风暴的传播速度明显高于非超单体风暴，且由初始的3 m/s到消亡时的8 m/s的一个持续增长过程。另外，此次超级单体(A1)不是孤立的，在其北侧对流风暴与其构成一个中尺度的对流系统MCS。它们相互影响，相互依存，就超级单体本身的水平尺度而言(在卫星云图上)可以近似看成一个椭圆形。

7 结论

(1)利用位于陕西延安的C波段多普勒天气雷达资料对2011年6月25日13:50～15:50陕西北部地区的一次典型的超级单体风暴过程进行了详细的分析。在预报发生对流风暴潜势时，往往使用T-lgP图进行热力不稳定分析是不够的，超单体风暴过程发生在不稳定能量不太高的环境条件下，在风暴发生地上空的对流层以上有一个中尺度的辐合中心，近地面有逆温层，850 hPa层面上对应一个中尺度水汽辐合区和假相当位温θse高值区。下垫面的局地升温造成热力不均匀具有的中小尺度特征，有助于预报员识别强雷暴可能出现地区，有助于识别雷暴发生前的低层强迫地区。

(2)超级单体风暴与非超级单体风暴的区别在于它有持久深厚的中气旋，表现在反射率图上就是它的旋转特性。此次超级单体风暴过程中尺度为10 km 的中气旋持续时间50 min左右。中气旋出现在强降水或降雹前30～60 min。超级单体风暴的南侧出现明显的入流缺口，其风暴主体低层入流方向伸出的突出物持续30 min左右，它是超级对流单体低层回波的一个显著特征。

(3)超级单体风暴过程中持续增高的VIL值和保持一定高的反射因子最大中心强度(DBZM)对识别超级单体有重要的指示意义。超级单体(A1)VIL值、DBZM、回波顶高(TOP)在发展到成熟期均持续增长过程中，其各参数值保持在一定的高位。非超级单体(B)出现短时强降水前，VIL、DBZM、TOP、强中心高度(HT)达到相应值后，成熟期VIL、Top、HT值处于持续下降趋势，TOP较超级单体低。超单体(A1)VIL值和反射因子强回波中心高度值在风暴发展过程中起伏大，反映出超单体(A1) 发展过程中风暴内部对流十分的旺盛。

[1] 李大山.人工影响天气现状与展望[M].北京:气象出版社,2002:164.

[2] BROWNING K A.Mesoscale Structure and Mechanism of Frontal Precipitation Systeme[R].Research Report.Meteorological Office Rader Research Laboratory,1983:34.

[3] 雷崇典,万星,刘俊强，等.延安市冰雹云初始回波识别[J].陕西气象,2010(2):13-17.

[4] 黄美元，徐华英.云和降水物理[M]. 北京:科学出版社,1999.

[5] WALDSTREICHER J S.Guide to Utilizing Moisture Flux Convergence as a Predictor of Convection[J].National W0ather Digest,1989,14:20-35.

[6] LEMON L R.The radar“Three-Body Scatter Spike”:An Operational Large-Hail Signature[J].Weather and Forecasting,1998,13(2):327-340.

[7] 廖玉芳,俞小鼎,郭庆.一次强对流系列风暴个例的多普勒天气雷达资料分析[J].应用气象学报,2003(14):656-662.

[8] 廖玉芳,俞小鼎,吴林林,等.雷达的三体散射与强冰雹预警[J].高原气象,2007(26):812-820.

[9] 俞小鼎,姚秀萍,熊廷南，等. 多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京: 气象出版社,2006：1-314.

马远飞(1969- )，男，陕西武功人，工程师，从事通信工程和雷电防御研究。

2014-12-01

S 161.7

A

0517-6611(2015)02-206-04