一次雷暴回波短带产生强天气的特征分析

杜 强,段和平

(江西省气候中心,330046,南昌)

0 引言

雷暴是一种常见的天气现象,其特征为强烈的降水和频繁的闪电活动。雷暴回波短带是指雷暴单体排列在一起形成的较短的回波带,一般伴随着地面辐合线存在。雷暴回波短带是一种强天气回波,通常与强降水和雷暴大风等强天气事件相关。因此,深入研究雷暴天气对于提高天气预报准确率及降低灾害风险具有重要的意义。

国内专家学者通过对不同天气系统,包括常规气象观测、数值预报、雷达图像分析和气象卫星技术等分析,雷暴大风的识别和分析方法、形成机制等进行了详细的综述[1-4]。雷暴大风天气个例时有发生,也是监测预警中重要的一个内容[5-6]。江西副高边缘出现的雷暴大风以雷暴回波短带为主,雷暴回波短带所经之地常出现大风、强降水和强雷电天气[7-9]。短时强降水的气象变量对研究降水量、降水强度和降水频率等的形成机制、变化趋势和空间分布等特征具有重要的意义。同时,考虑到气候变化、人类活动和地形等因素对强降水的影响,为短时强降水的预防和减灾提供科学依据[10-12]。雷达气象技术是研究雷暴天气的重要手段,雷达探测到的回波反映了大气中的微物理过程,因此,其形态和性质对于研究雷暴天气具有重要意义。

本文旨在研究雷暴回波短带在强降水和大风事件中的特征,并分析其在不同条件下的天气系统配置、闪电信息、回波演变和回波特征,为雷暴监测和预报提供参考。

1 数据和方法

本研究使用江西地面极大风速、累计雨量等要素获得雷暴回波短带所产生的大风和短时强降水等信息。使用江西二维和三维闪电观测数据,在闪电数据处理中,使用了闪电定位算法和闪电频次算法等方法,以获得总闪电次数、负闪电次数、正闪电次数和正负闪电强度(KA)等信息。使用MICAPS平台分析中尺度天气系统,获得不同高度上中尺度天气系统的分布情况。使用江西WebGIS雷达拼图组合反射率因子CR产品图,分析雷暴回波短带的移动和演变;在雷达数据处理中,使用了多部雷达相互弥补、双线性插值和中值滤波等方法,以提高数据质量和拼图美观度,突出雷达回波经典时刻回波特征,对雷暴回波短带在强降水和大风事件中的回波特征进行分析。

2 天气实况和天气系统配置

2.1 天气实况

2.1.1 雷暴大风和强降水 2023年5月17日,江西中北部出现一次由于雷暴回波短带造成的强对流天气过程。过程维持时间约6 h,地面伴随雷暴大风(图1(a))和短时强降水(图1(b)),区域站降水达到暴雨量级(图1(c))。

(a)国家站6小时极大风速 ;(b)国家站6小时雨量 ;(c)区域站6小时雨量

2.1.2 较强的闪电活动 闪电是雷暴天气中能量释放的结果,对于预测强降水和大风的发生具有较高的参考价值。雷暴一般发生在气压低、温度高、湿度大、对流不稳定的天气条件下。在这种情况下,空气中的水蒸气会被加热上升,形成积雨云。当云体发展到一定程度时,云中产生的静电会不断积累。当静电达到一定强度时,会发生放电现象,就是人们常说的闪电。

研究表明,雷暴回波短带的闪电密度较高,出现强天气现象前闪电次数出现一个高峰,强天气出现后闪电次数又出现一个高峰,整个闪电过程中展现出明显的多峰特征(图2(a))。闪电强度(kV)基本上在100 kV之内,正负闪强度对称(图2(b))。闪电信息在预测其强降水和雷暴大风的能力方面有较好的预报指示意义。

(a)总闪、正闪和负闪次数 ;(b)正负闪电强度(kA)

2.2 天气系统配置

天气系统和雷暴之间存在着密切的关系,了解天气系统的动态变化情况对于预测和防范雷暴事件至关重要。

2023年5月17日08时,200 hPa(图3(a))存在一支风速≥40 m/s的大风区横穿江西北部,这支气流被称为“出流区”。500 hPa(图3(b))江西处在槽前西南气流中,江西以北(32°N)附近有一低涡发展。850 hPa(图3(c))江西北部受低涡切变线影响,盛行西南气流,南昌达到20 m/s,这支西南急流为强降水创造了很好的水汽条件。11时地面(图3(d))整个江西中北部受低气压影响,低层辐合加强,地面辐合线位于江西中北部,辐合力量较强,个别站达到22 m/s,这为午后雷暴回波短带的形成提供了触发机制。低层湿热,高层干冷,上干下湿层结构形成极不稳定的大气层结,有利于雷暴回波短带的发展和加强。

(a)200 hPa ;(b)500 hPa ;(c)850 hPa ;(d)地面11时

3 雷达回波特征

3.1 雷暴回波短带回波演变

雷暴回波短带在强降水和大风事件中的回波演变规律。在雷暴发展初期12:00,雷暴回波短带通常呈现出不是很强的回波和较弱的闪电活动(图4(a))。在低涡回波团(絮状回波团后侧)地面辐合线附近发展。随着时间的推移,13:00回波特征逐渐变化,回波强度快速增强发展,闪电开始增多(图4(b))。14:00(图4(c)),位于进贤的强回波单体,产生24 m/s雷暴大风。15:00(图4(d)),雷暴回波短带形成,万年、进贤等站出现强降水。16:00(图4(e)),鹰潭、贵溪等站出现强降水。17:00(图4(f)),横峰等站出现强降水。

(a)12:00 ;(b)13:00 ;(c)14:00 ;(d)15:00 ;(e)16:00 ;(f)17:00

雷暴回波短带由多个雷暴单体强回波组成,单体回波强度CR在50～55 dBZ之间,明显比江西冰雹超级单体回波偏弱。但雷暴回波短带产生强降水的可能性较大,一些55 dBZ强单体回波会导致雷暴大风天气的发生。雷暴回波短带的持续时间较短,从14时产生强天气开始到结束强天气,一般在1—3 h之间,比起超级单体或强飑线回波系统维持时间要短。

3.2 雷暴回波短带回波特征

雷暴回波通常表现为比较强烈的回波单体结构,其特征往往取决于回波的强度和形状。雷暴回波短带是由多个雷暴回波单体排列成带所组成的回波带,其特征包括回波强度较强(50～55 dBZ)、回波顶较高(10～12 km左右)、回波带较短(相比冷锋回波带和飑线回波带),影响区域较小,持续时间较短,短带上回波单体强度分布不均匀等。雷暴回波短带通常在局部产生强降水,有时可能伴随着雷暴大风等极端天气事件。不同类型的雷暴回波表明了一些特定天气现象,而雷暴回波短带则是其中最常见的一种类型。

这次雷暴回波短带有2个时刻出现强天气,一是14:00(图5(a))雷暴回波短带南段强回波单体造成进贤24.5 m/s雷暴大风;二是15:00(图5(b))雷暴回波短带中段强回波单体不断已过万年站造成33.0 mm/h短时强降水。

(a)14:00 ;(b)15:00

3.3 雷暴回波短带垂直结构

垂直积分液态水含量 (VIL) 是一种雷达降水估算中常用的指标,用于估算垂直方向上的降水。它是由雷达反射率因子与垂直方向变化的积分值相乘得到的。在雷达反射率因子雷达方程中,探测目标物直径越大反射率因子越强。这就是为什么冰雹回波的VIL普遍强于其他回波VIL的原因。降水粒子永远大不过冰雹胚胎,因此,强降水的VIL在20～25 kg/m2附近,而一般降水的VIL都在10 kg/m2以下。

VIL图上,雷暴大风单体VIL和强降水单体VIL都在20～25 kg/m2附近,表明雷暴大风和强降水的VIL还较大。沿进贤雷暴大风(图6(a))和万年强降水(图6(c))的强中心做径向剖面,得到2个强雷暴单体的垂直结构。13:58(图6(b))南昌SA雷达观测到进贤24.5 m/s雷暴大风,中心强度达到60 dBZ,55 dBZ回波顶在6 km,50 dBZ回波顶在7 km,强回波顶上方出现虚假旁瓣回波,回波垂直结构具有倾斜。14:32(图6(b))上饶SA雷达观测到万年33.0 mm/h短时强降水,中心强度达到60 dBZ,55 dBZ回波顶在5 km,50 dBZ回波顶在6 km,回波垂直结构直上直下。回波垂直结构反映云体垂直分布状态,能够有效地描述回波的发展状态。当55 dBZ强回波单体发展比较高时(6 km以上),垂直结构具有明显倾斜,意味着其出现雷暴大风的可能性较高。当55 dBZ强回波单体发展比较低时(6 km以下),垂直结构直上直下,意味着其出现强降水的可能性较高。在垂直结构上,雷暴回波单体的高度分布表明其形成与对流活动强弱密切相关。

(a)VIL;(b)RCS 13:58 南昌(9791)雷达;(c)VIL;(d)RCS 14:32 上饶(9793)雷达

4 结论

本文研究了雷暴回波短带与强降水和大风的关系及其回波特征和回波演变。通过对多组实例数据的分析,得出如下结论。

1)雷暴回波短带造成较大面积短时强降水和雷暴大风等强天气,闪电密度较高,闪电出现多峰特征,闪电强度在100 kV之内。雷暴回波短带发生在200 hPa“出流区”、500 hPa槽前西南气流低涡发展、850 hPa低涡切变线西南气流大气环流中,地面低气压和辐合线发展,为午后雷暴回波短带的形成提供了触发机制。

2)雷暴回波短带在强降水和雷暴大风事件中的回波演变。在雷暴发展初期12:00,雷暴回波短带通常呈现出不是很强的回波和较弱的闪电活动。在低涡回波团(絮状回波团后侧)地面辐合线附近发展。随着时间的推移,13:00回波特征逐渐变化,回波强度快速增强发展,闪电开始增多。14:00,位于进贤的强回波单体,产生24 m/s雷暴大风。15:00,雷暴回波短带形成,万年、进贤等站出现强降水。16:00,鹰潭、贵溪等站出现强降水。17:00,横峰等站出现强降水。

3)雷暴回波短带是由多个雷暴回波单体排列成带所组成的回波带,其特征包括回波强度较强(50～55 dBZ)、回波顶较高(10～12 km左右)、回波带较短(相比冷锋回波带和飑线回波带),影响区域较小,持续时间较短,短带上回波单体强度分布不均匀等。雷暴回波短带通常在局部产生强降水,有时可能伴随着雷暴大风等极端天气事件。

4)垂直积分液态水含量 (VIL) 是一种雷达降水估算中常用的指标,用于估算垂直方向上的降水。它是由雷达反射率因子与垂直方向变化的积分值相乘得到的。在雷达反射率因子雷达方程中,探测目标物直径越大反射率因子越强。这就是为什么冰雹回波的VIL普遍强于其他回波VIL的原因。降水粒子永远大不过冰雹胚胎,因此,强降水的VIL在20～25 kg/m2附近,而一般降水的VIL都在10 kg/m2以下。