强对流天气特征及预报

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中气旋 中气旋是指与对流风暴的上升气流相联的小尺度涡旋，尺度小于10km，并且满足一定的旋转（切变）、垂直伸展和 持续时间的判据。 Doswell等（1993）指出，深厚而持久的中气旋是区别超级单体的唯一有效特征，其中，深厚指环流的深度达到几 公里，持久指中尺度环流维持超过几十分钟。钩状回波等其它所谓的超级单体结构特征都是中气旋环流的直接表现。 在多普勒天气雷达上，连续的时间和空间范围内存在的中气旋是判断超级单体强对流天气的最佳途径。中气旋在多 普勒天气雷达径向速度场上表现为一对沿雷达径向对称的正负速度中心对。气旋性辐合（散）则表现为沿径向倾斜 对称的正负速度中心对。 很多研究（郭艳，2005，应冬梅，2007）表明，在区域性的大冰雹天气过程中，降雹前风暴的径向速度图上都出现 了中气旋。 需要指出的是，在CINRAD/CD PUP程序提供的中气旋特征（M）产品上只有3个风暴出现了中气旋特征报警。这可 能是由于中气旋产品的算法是根据大平原地区的中气旋设计，较小或较弱的中气旋特征往往不能满足算法的域值而 无法识别。图6.28中黄色圈中是2009年7月27日的局地冰雹的径向速度场，他们具有典型的中气旋特征且伴有中气 旋特征报警，而图4.8中黄色圈中是呼和浩特2009年8月17日17时43分局地冰雹的径向速度场，它们没有中气旋特征 报警，但在径向速度产品上可以分析出明显的中气旋特征。 另外值得注意的是，虽然我们发现中气旋特征与冰雹天气有非常好的相关性，但由于只证实了它是必要条件，未进 行充分条件的检验，所以使用这个指标作预报时应谨慎，最好是结合各种参数指标综合考虑。图6.29是呼和浩特 2009年8月17日17时43分中尺度气旋特征图，但当时相对湿度较小，回波表现较为松散，是否降雹不能肯定。 因此，风暴内中气旋特征的出现，表明超级单体结构的建立，所以发现中气旋特征后应发布相关的强对流天气预警。 不过很多突发性局地强风暴由于产生于不大有利的环境中，相对风暴及其伴随的中气旋的尺寸都较小，所以不一定 会出现中气旋特征报警，这种情况下应通过分析径向速度产品来判断中气旋特征。
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冰雹在多普勒天气雷达中的结构 特征
• 冰雹在多普勒天气雷达强度图中的特征 • 对流体内因为有强烈的辐合而形成气流入 口，有的称之为“V”型槽口，而在PPI速 度回波图上底层表现为中气旋。在适合角 度的强度回波剖面图上则有“悬垂”和弱 回波区，而且强中心都向“悬垂”一侧倾 斜。在速度回波剖面图上底层表现为辐合， 高层是辐散，称之为“风暴辐散顶”。各 种扫描方式及回波特征见下表：
冰雹在多普勒天气雷达中的形态 特征
• • 弓形回波 弓形回波是形状像弯弓的一种中尺度回波系统。弓形回波是下击暴流的主要回波特征。 下击暴流一般发生在弓形回波的前沿，而最强的下击暴流可能发生在弓形回波中心的 前部附近。最强的风发生在弓形回波的顶部，也就是凹状回波移动最快的部分，当然， 弓形回波的其它部分也有可能会产生灾害性大风。 鄂尔多斯市2009年8月17日的飑线是一个典型的弓形回波。当天下午13:42鄂尔多斯雷 达站探测到本站西北方向260km处有离散状分布的阵雨回波新生发展，14:24形成长约 100km，宽约50km的一条东北西南走向的回波带，该回波带不断合并周围的对流单体， 并以每小时50～60km的速度自西北向东南方向移动，到15:25系统的西部已经形成了 较大范围的后侧入流槽口，呈现典型的弓形结构（图6.25），此后，弓形回波的移速 进一步加快，强度也得到了加强，在鄂尔多斯市杭锦旗处发展到成熟阶段，弓形回波 所经之处，造成多站的雷雨大风冰雹天气。
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• 需要说明的是，由于新一代雷达测高存在 先天的局限性（利用各层PPI扫描进行插值 计算得到），而VIL和VIL密度都是高度的 函数，所以VIL和VIL密度必然也继承了这 种局限性。因此需结合其它指标而不要单 独使用VIL或VIL密度来进行冰雹预警
• 冰雹在多普勒天气雷达中的外围特征 • 典型的发展成熟的强对流天气系统具备多 方面特征，其外围特征主要是在PPI强度回 波图上在其背向雷达一侧，一般存在“V” 型缺口。
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“V”型缺口 “V”型缺口是探测冰雹最直接有效的指标。众所周知，冰雹的增长需要强的 上升气流，宽大、强盛而且持久的上升气流能够为冰雹的增长提供有利的条 件。因此，利用多普勒天气雷达观测的上升气流特征可以用来判断冰雹的存 在与大小。 2009年7月12日赤峰市遭遇冰雹袭击，所属三个旗县受灾，造成三人死亡， 20711亩农作物减产量，其中4576.7亩绝收，损坏房屋1657间，倒塌房屋20 间，直接经济损失15924万元。图6.24为强对流天气系统发展最强时雷达回 波图，最大回波强度值为70dBz，此时出现了“V”型缺口（图箭头所示）， 由于云中大冰雹、大水滴等大粒子对雷达波的强衰减作用，雷达探测时电磁 波不能穿透主要的大粒子（冰雹）区，在大粒子（冰雹）区的后半部形成所 谓的“V”型缺口，因此“V”型缺口对识别此处的降雹起到了肯定作用。四 幅回波图仰角依次为0.5度、1.5度2.4度和组合反射率图。
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弱回波区（WEAR/BWEAR） WER或BWER的存在表明这些冰雹所在的区域，尤其是在冰雹增长区，受到 大量云水入流的影响。大的WEAR或BWEAR意味着悬挂的冰雹在降落之前具 有一个长时间维持的大范围的增长区。表征上升气流的强反射率因子顶部必 须位于WEAR或BWEAR的上方。持续的WER有利于冰雹的增长，而大部分 大冰雹都伴随BWEAR。 Lemon（1978）指出，WEAR或BWEAR是冰雹云的有效判别指标，并且通 过雷达回波的三维结构分析可以识别出WEAR或BWEAR特征。他对近80个 雷暴的雷达资料进行检验分析后发现，WEAR或BWEAR作为冰雹指标的准确 率POD达到0.98，平均时间提前量为23分钟，空报率FAR为0.29（但是16个 空报个例中有4个出现了龙卷，所以有可能产生了冰雹但是没有收到报告，即 实际的情况空报率可能更低），临界成功指数达0.70。总之，这个特征是非 常有效的冰雹指标。
冰雹在多普勒雷达中的二次产品
• 垂直积分液态含水量VIL定义为某地面积的 垂直柱体中的总含水量，单位为kg/m2，计 算公式为
顶高
VIL
底高
3.44 10
3
z
4/7
Z i Z i 1 dh ＝ 3.44 10 Δhi 2 i 1
3 N-1
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倾斜的强中心 我们已经知道，要形成大冰雹，必须有强的上升气流。上升气流越强，冰雹在上升气流中增长的时 间就越长。从雷达上看，异常强盛的上升气流最重要的特征就是具有比初生阶段的普通风暴更高更 强的反射率中心，尤其是大于55dBz的反射率因子位于-20℃温度层上方是表明冰雹的存在。在相同 的环境下，上升气流越强，高悬的反射率因子中心的强度就越强，伸展高度也越高，大冰雹的发生 概率也越大。因此，了解反射率因子中心与-20℃温度层之间的对应关系非常重要。 一般大冰雹天气过程强回波顶高都在0℃等温线以上，45～55dBz强反射率因子的高度都大于-20℃ 等温层高度，甚至45～55dBz强反射率因子高度大于-25℃等温层高度。另外，冰雹云的最大反射 率因子值都大于65dBz，而且都位于0℃等温层高度之上。
强对流天气雷达特征
• 短时强对流天气是在有利的天气尺度系统背景下由中尺度系统触发产生的。 这些中尺度系统空间尺度从几公里到几百公里，时间尺度从几分钟到十几小 时。利用常规资料监测、分析和预报均存在较大困难。尤其是风暴尺度的对 流系统，时空尺度小，但产生灾害十分严重。近几年，我国已经布网了新一 代天气雷达，其功能、精度、观测频度都优于早期的数字化天气雷达，能够 高频度、高精度捕捉到中尺度对流系统的发生发展过程中三维反射率因子、 径向速度和谱宽等信息，为我国开展全新的中尺度天气分析业务奠定了坚实 的基础。反射率因子是与大气中雨滴、云滴、冰粒散射密切相关的物理量， 其分布、强度等特征可以揭示大气中发生不同中尺度对流系统类型、每一类 型的结构特征、灾害性质和变化规律等。从多普勒雷达观测到的径向速度图 上，可以捕获到激发中尺度对流系统的风速辐合线等不连续线、风暴内γ尺度 的中气旋、雷暴外流边界、急流等，为预报员提供了分析中尺度对流系统演 变的信息。
• 悬垂 • 在强烈发展的风暴中，可以产生大冰雹， 这种风暴通常称为雹暴。雹暴的结构与普 通单体风暴不同的是，其伸向前方的悬垂 回波已经下垂围成一半圆形的弱回波区， 这种前悬回波包围的弱回波区称为有界弱 回波区，而其伸向前方的悬垂回波是特别 强烈风暴的特征（图6.27中红箭头所指）。
冰雹在多普勒天雷达速度图中 的特征
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强对流天气尤其是冰雹，它出现的范围虽然较小，时间也比较短促，但来势猛、强度 大，并常常伴随着狂风、强降水、急剧降温等阵发性灾害性天气过程。我国是冰雹灾 害频发的国家，冰雹每年都给农业、建筑、通讯、电力、交通以及人民生命财产带来 巨大损失。天气雷达是探测冰雹的有力工具，本小节主要介绍冰雹的多普勒天气雷达 回波特征。 典型的发展成熟的强对流天气系统具备多方面特征，归纳起来可分为三大类：一是风 暴体外围特征，比如在PPI强度回波图上在其背向雷达一侧，一般存在的“V”型缺口。 二是风暴体形态特征，如“弓形回波”、“人字形回波”等。三是风暴体结构特征。 对流体内因有强烈的辐合而形成气流入口，有的称之为“V”型槽口，而在PPI速度回 波图上底层表现为气旋性辐合，而高层则是辐散。在适合角度的强度回波剖面图上则 有“悬垂”和弱回波区，而且强中心都向“悬垂”一侧倾斜。在速度回波剖面图上底 层表现为辐合，高层是辐散，称之为“风暴辐散顶”，下面就这些特征进行说明。
• 雷暴天气雷达特征 • 雷暴在天气雷达强度回波图上的主要特征 有大于35dBz的回波区，雷暴体初始大于 35dBz的回波面积增长迅速；在速度回波图 上的主要特征有“逆风区”。
• 逆风区 • 强对流天气的预报一直是天气预报中的一个难点，而多普 勒天气雷达不仅具有回波的强度场还有径向速度场，是监 测和预报这类天气的主要工具。在对多普勒天气雷达的应 用中，人们都在寻求一些有明显指示意义的指标和结构。 早在1990年张沛源等在多普勒速度图的应用中就提出了逆 风区的概念，逆风区定义为：在低仰角PPI没有速度模糊 的速度图上，凡在同一方向的速度区中，出现的另一种方 向的速度区为逆风区，且风区不能跨越测站原点。张沛源 等认为在逆风区附近存在有明显的水平风向的垂直切变， 反映了强对流内的上升气流引起的水平动量交换过程，这 种动量交换影响了水平辐散辐合的强弱和分布，造成了中 尺度垂直环流的形成，是一个很好的强对流天气判据。