粤西北对流性大风的物理参数及雷达回波特征

2022-03-10邓福兴赖旭强高必通

广东气象 2022年1期

邓福兴，赖旭强，高必通

（1.连山壮族瑶族自治县气象局，广东连山 513200；2.连州市气象局，广东连州 513400）

强对流天气是在特定条件下触发的短时灾害性天气，具有发生发展剧烈、影响范围较小，持续时间较短、制灾性强的特点［1］。近年来，已有众多学者对强对流天气进行研究，并取得了许多实用的成果，梁钊杨等［2］从强对流的成因进行了研究；李耀东等［3］、胡娟等［4］、姜帅等［5］从强对流天气的物理量参数进行了分析；庞古乾等［6］从强对流的潜势预报方法上进行了探讨。随着双偏振雷达资料及产品的普及和应用，强对流天气的研究进入了更深层次的阶段［7-8］，王洪等［9］分析了超级单体风暴的双偏振雷达特征，指出反射率中心南侧存在着相关系数降低、差分反射率增大的现象；东高红等［10］指出VIL可以看作是大风的一个预警指标，VIL值达到最大后的快速减小意味着将出现地面灾害性大风，VIL值快速减小后的突然跃增则是地面出现灾害性大风开始的重要指标。由于物理参数和雷达特征在不同地区表现不同，而在粤西北又缺乏系统性的分析，在实际预报预警业务中难以应用。本研究主要对粤西北对流性大风天气的物理参数、雷达产品特征进行统计分析，总结提炼出粤西北对流性大风天气的预报预警指标。

1 资料和方法

1.1 研究资料

本研究对流性大风天气是指某观测站或区域站出现风速＞17.2 m/s的大风。由于冰雹的出现往往伴随着大风的出现，因此对冰雹天气一同进行分析，并区分特点。

对筛选出的2015—2019年粤西北地区发生的60个大风和冰雹天气个例的物理参数、雷达产品进行分析。基于粤西北的地理位置，以郴州、桂林、梧州、清远4地的探空站每日08：00（北京时，下同）和20：00探空数据代表粤西北地区的大气环境，选取对流性大风个例发生时之前的时刻的探空资料进行分析。雷达产品则使用清远连州双偏振多普勒天气雷达的数据。

1.2 研究方法

利用天气学原理、统计分析等方法，对对流性大风天气个例的热力能量类、层结稳定类、大气温湿类、特殊高度类、动力指数类等物理参数进行综合分析，并在此基础上分析其雷达回波强度、径向速度、垂直累积液态水含量（VIL）、回波顶高（ET）、双偏振量等雷达回波特征，总结归纳出粤西北对流性大风天气的物理参数阈值和雷达回波特征，得出对流性大风天气的预报预警指标。

2 物理参数的特征

2.1 热力能量类参数

热力能量类参数主要包括K指数、总指数（TT）、CAPE、t700-t500和t850-t500，由不同高度层的温度、露点计算得到，低空水汽越充沛、层结越不稳定，热力能量指数值越大，2015—2019年各参数变化如图1所示。

图1 2015—2019年粤西北地区对流性大风个例物理参数变化

从K指数逐月变化（图略）来看，在春季K指数稳定在20～32℃，到夏季K指数则稳定在35℃左右。当粤西北出现对流性大风时，超过50%以上的个例K指数≥35℃，而且夏季普遍高于春季，其中各地K指数在夏季主要稳定在35～42℃；在春季的变化较大，在10～42℃之间均有可能出现对流性大风，但主要分布在27～40℃之间，而出现冰雹时K指数普遍≥32℃，表明粤西北在春季热力条件相对较弱的情况下也能够触发对流性大风天气。由图1a可知，粤西北出现对流性大风时，各地总指数（TT）在夏季为42～46℃，同一个个例中梧州、清远、郴州、桂林各地变化较小；对流性大风的TT在春季的变化较大，主要分布在30～55℃，且同一个个例中梧州、清远、郴州、桂林各区域变化也较大，具有南高北低的特点。由此可知，K指数、总指数对对流性大风有一定的指示意义。

分析可知，粤西北出现对流性大风前CAPE的变化很大，但大部分个例中北部郴州、桂林的CAPE在100～1 200 J/kg，南部梧州、清远的CAPE在1 000～2 000 J/kg，表明粤西北出现对流性大风前高空观测计算的对流不稳定能量不一定很大。

t700-t500和t850-t500为垂直温度递减率，用于判断大气稳定度，通过对粤西北出现大风和冰雹个例分析（图1b），t700-t500的变化范围分别为14～18、16～23℃，且春季普遍较夏季变化大；t850-t500的变化范围分别为22～31、24～29℃。当t700-t500＞14℃、t850-t500＞22℃可以判断大气处于不稳定状态，上冷下暖的层结分布较为显著，具有对流性天气出现的必要条件，且冰雹天气的t700-t500和t850-t500大于大风，说明冰雹发生时所需要的条件性不稳定能量更大。

2.2 层结稳定类指数

沙氏指数（SI）反映大气稳定状态的物理量，当SI＜0℃时，且负值越大，大气层结不稳定的程度越大，反之则表示气层是稳定的。从SI逐月变化来分析（图略），各地在春季SI＞0℃，夏季SI稳定在-1℃左右。由图1c分析可见，粤西北出现对流性大风时65%的个例SI＜0℃，但SI在春季变化大，各地SI在夏季主要集中在-3～0℃；出现冰雹时，各地SI普遍较低，70%的个例SI＜-1.6℃，表明SI的指示意义有一定的局限性，但是可以确定春季SI＜0℃、夏季SI＜-1℃，出现大风的可能性较大，SI＜-1.6℃时，出现冰雹的可能性较大。从对流稳定度指数IC逐月变化看（图略），各地春季IC在-25～-5，到夏季IC则稳定在-20～-10。当粤西北出现大风时，超过80%以上的个例IC＜-5，出现冰雹时，超过80%以上的个例IC＜-8。

2.3 湿度类指数

整层比湿积分IQ指空气中可降水量和整层水汽含量，与地面露点温度td均表征近地面的水汽含量。大风和冰雹发生前，近地面湿度条件较好。从图1d看，春季各地td、IQ较夏季变化大且要低，td在春季、夏季主要范围分别为13～25、20～27℃。IQ在春季、夏季主要范围分别为2 800～5 000、4 200～6 600 g·hPa·kg-1，可作为判断对流性天气的阈值。

2.4 特殊温度层高度类指数

粤西北出现大风、冰雹时，春夏两季节的0℃层高度、-20℃层高度不尽相同，春季的0℃层高度和-20℃层高度均较夏季偏低（图1e）。春季0℃层高度主要在3 500～5 000 gpm、-20℃层高度在6 600～8 500 gpm，夏季0℃层高度4 700～5 600 gpm、-20℃层高度8 000～9 000 gpm。0℃层高度、-20℃层高度是通常人们所公认的适宜冰雹成长的高度，值得注意的是，与大风相比，两者均无太大差异，冰雹出现时的0℃层高度、-20℃层高度平均值分别约为4 420 gpm和7 300 gpm。春季粤西北出现对流性大风时，梧州区域的0℃层高度最高，其次是清远，郴州、桂林相近；而-20℃层高度则南边梧州、清远区域相同，北边区域郴州、桂林相同。0℃层高度和-20℃层高度针对不同的个例变化比较小，同一个个列中0℃层高度和-20℃层高度变化趋势是一致的，且具有南高北低的特点。夏季粤西北出现对流性大风时，0℃层高度和-20℃层高度不同的个例变化比较大，同一个个例中梧州、清远、郴州、桂林各区域0℃层高度、-20℃层高度变化幅度较大，但基本分布在5 000～5 500 gpm。

2.5 动力指数类

从图1f分析各地的垂直风切变（vws）可以看到，粤西北对流性大风80%以上的个例vws＜2.0 m/s，处于较弱的垂直风切变环境中，各地在春季的vws在1.0～2.5 m/s，到夏季vws则稳定在0.7～1.5 m/s，出现冰雹时vws值普遍较大风大，说明在弱切边环境下，出现对流性天气的概率很高。从最大抬升指数（BLI）历年逐月变化（图略）来看，春、夏季分别集中在0.5～2、1.5～2.5。各地的各个例春季BLI集中在1～6，夏季BLI则稳定在1～4，说明BLI具有较好的指示意义。

通过对个例物理量参量的对比分析，不同季节强对流天气的热力、动力、水汽和特殊高度条件不尽相同，为此总结出粤西北大风和冰雹天气物理参数的预报指标如表1所示。

表1 粤西北对流性大风、冰雹天气各区域物理参数预报指标

（续表）

3 多普勒雷达特征

在分析大风、冰雹个例的物理量参数的基础上，统计出有雷达数据支撑的大风个例38个、冰雹12个。由雷达回波演变可以看出，大风由强盛的雷暴云团造成，春季雷达回波特征多为带状和块状，部分为飑线状。强度为50～65 dBz，强回波与＞12 m/s大速度区配合，回波顶高（ET）10～13 km，大速度区前方多形成明显的弧状突起，有时伴有“弓形”、有界弱回波区等明显特征，大风一般出现在弧状突起前（图2a）。VIL的强度在30 kg/m2以上，并有急增或者急降现象，在一次明显跃增后迅速减小时，对应着大风的出现。冰雹天气时往往伴随着大风出现，多为超级单体，强度在60 dBz或以上，ET为12～18 km，VIL为40 kg/m2以上，部分三体散射、旁瓣回波现象明显，强中心后方出现回波的V形缺口，反射率因子剖面上显示低层的有界弱回波区和中高层的回波悬垂结构（图2b）。夏季出现大风的雷达回波特征以点状、块状发展为主，基本原地生消或移动缓慢，强度在55 dBz以上，风速大于12 m/s、ET为12～13 km。VIL的强度在25～30 kg/m2或以上，同样具有急增或者急降现象。双偏振量差分反射率（ZDR）和差分相移率（KDP）与粒子形状密切相关，冰雹发生时ZDR和KDP有较明显的极大值中心，其值分别为2.4～3.8和2.8～4.5 dBz，对冰雹则具有较好的指示作用，并与VIL大值中心相对应（图2c）。