一次超级单体风暴雷达产品特征及气流环境结构分析

王 芬，段 荣，王洪宇，杨 玲

(1.贵州省黔西南自治州气象局，贵州 兴义 562400;2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州 贵阳 550002)

一次超级单体风暴雷达产品特征及气流环境结构分析

王 芬1，2，段 荣1，王洪宇1，杨 玲1

(1.贵州省黔西南自治州气象局，贵州 兴义 562400;2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州 贵阳 550002)

2011年5月1日黔西南部分地区遭受了不同程度的灾害性天气，通过兴义多普勒天气雷达观测表明是超级单体风暴所致。利用兴义多普勒天气雷达探测资料及自动站观测资料对这次典型超级单体的基本产品及导出产品进行了分析。结果表明：风暴表现为单体自身发展型，基本属于右移风暴，风暴从发展到消亡的各个阶段其强度、最大强中心高度、垂直累积液态水含量、顶高、中气旋等产品均有不同的演变特征，风暴成熟阶段表现为典型的超级单体特征，有界弱回波区(BWER)及弱回波区(WER)明显，回波强中心高度及顶高上升明显，垂直流场表现为低层气旋性辐合，高层气流辐散。

超级单体风暴;雷达产品;气流环境结构

1 引言

天气雷达是探测降水系统的主要手段，是对强对流天气进行监测和预警的主要工具之一，新一代天气雷达观测的实时回波强度、径向速度、速度谱宽的图像中，提供了丰富的有关强对流天气的信息。回波强度图的分析和应用研究与常规天气雷达相似，而径向风场的分析可以根据典型风场的径向分量表现出的特殊结构形态，对强对流天气伴随的典型风场进行识别。20世纪以来，国内雷达气象学者在雷达探测强对流天气系统应用上做了大量的工作，特别是在如何探测强对流天气系统及如何识别分析气流结构上做了大量的努力，1962年Browning首先提出了超级单体风暴一词，并给出了风暴内部气流的二维模式［1］。刁秀广［2］、郑媛媛［3］等对超级单体个例也进行过仔细的分析和研究。本文对兴义CINRAD/CD雷达探测到的2011年5月1日发生在黔西南州境内的一次超级单体强度结构、气流结构、演变过程进行了详细的分析。

2 天气实况及形势

2.1 天气实况

5月1日下午，受高空切变及热低压的共同影响，我州晴隆、贞丰、兴仁县出现强对流天气，部分乡镇雨中夹降冰雹，其中晴隆县紫马乡、中营镇和长流乡降了大雨和冰雹，降雹持续时间最长为18 min，冰雹小的如豌豆，大的如大拇指，地面上冰雹粒积有1 cm左右厚。回龙镇于5月1日16时20分－16时50分降雹，大山镇于5月1日15时40分－16时00分降雹。冰雹造成相关地区农作物受灾近1 333 hm2，受灾人口上万人，造成直接经济损失达上千万元。

2.2 天气形势

5月1日08时500 hPa在四川到昆明有一浅槽，700 hPa在贵州西部有切变线，地面为热低压控制，但在5月1日14时地面图上，贵州省中部以西有一条西北东南向辐合线(图略)。说明中高层多小槽或切变线影响，大气从低层到中高层都有对流不稳定存在，有利于产生冰雹强对流。5月1日08时500 hPa上有冷平流从河套东侧向四川、贵州下滑入侵，地面至700 hPa都为较强的暖平流，有一暖舌从广西经贵州向高原伸展，暖平流在850 hPa最明显，850 hPa在黔桂交接处有暖切变(图1)，暖切变加强了低层大气辐合，使大气上升运动加强，同时高层冷平流、低层暖平流的存在，使黔西南地区大气不稳定性增强，冰雹强对流就产生在低层暖平流和高层冷平流相叠置的区域。

图1 2011 年 5月1日 08 时 500 hPa、700 hPa、850 hPa温度场、850 hPa风场(其中虚线为500 hPa等温线 ，细实线为700 hPa等温线，粗实线为850 hPa等温线，阴影区为出现雷雨冰雹区，双实线为暖切变线)

3 风暴单体雷达产品特征分析

雷达系统提供了较高灵敏度及较高分辨率的反射率因子、平均径向速度及谱宽3种基数据，在RPG中基数据经过算法处理可形成39个种类的分析产品，本文选取有典型意义的几个产品进行分析。

3.1 中气旋特征分析

中气旋是超级单体风暴的典型特征，是与强对流风暴的上升气流和后侧下沉气流紧密相联的小尺度涡旋，切变、持续性和垂直范围的判据可以有效地用来识别中气旋。中气旋算法首先搜索平均径向速度数据，寻找距雷达相同距离处具有速度值顺时针方向连续增加的相邻方位角的距离库，直到速度值不再增加时构成的一维距离库序列称为一个型矢量。在一个仰角扫描的数据由上述检验过滤之后，把相邻的型矢量合成在一起构成二维特征，然后一个仰角上的二维特征与其上面或下面的仰角上的二维特征进行垂直相关分析，这就是中气旋的算法。中气旋产品是用来显示与三种方位切变类型的识别有关的信息，即非相关切变、三维的相关切变及中气旋［1］。图2给出这次超级单体风暴过程中气旋特征。

图2 超级单体的中气旋演变情况(竖线为中气旋底部与顶部的连线，折线为最强切变高度连线，单位： km)

由图2可以看出此超级单体的中气旋特征维持近1.5 h，16时06分－16时32分未出现中气旋，在中气旋中夹杂1个三维切变(16时26分)，中气旋厚度较厚，平均6.9 km，最高达到7.6 km，中气旋底部整体平均较低，约为4.6 km，最低为2.7 km，最强切变高度平均5.9 km，最强为7.3 km。从16时39分开始中气旋明显加强并维持时间较长，而地面对应有冰雹出现。

3.2 垂直累积液态水含量分析

垂直累积液态水表示将反射率因子数据转换成等价的液态水值，并且假设反射率因子完全由液态水反射得到。VIL方程为：M=3.44×10－3Z417这里M为液态水含量(g·m－3)，Z为雷达反射率因子(mm6.m－3)。从每个4 km×4 km网格里导出值M，然后再垂直积分得到VIL，VIL值的单位是kg·m－2，VIL的值可从 RPG 产品中直接获得［1］。雹云单体在演变过程中VIL的变化具有共性，即均存在“爆发式增长”和“爆发式降低”现象。雹云单体在发展演变过程中VIL都是先增加，后减少;在时间序列曲线中都表现为峰形特征［4］。图3给出了此超级单体从发展、成熟至消亡的VIL演变情况。

图3 超级单体的VIL演变情况(单位：kg·m－2)

由图3可以看出，风暴VIL在数值上发展至成熟阶段存在明显的跃增，15时14分－15时22分从21 kg/m2增加到43 kg/m2，而后又继续增长，至15时30分已达50 kg/m2，此时兴仁大山开始降雹，与此对应的风暴也基本维持一个较高的VIL值，17时04分后，风暴开始消散，VIL迅速减小。

3.3 单体高度变化

回波顶产品(ET)是以平均海平面为参考的，它是在雷达230 km内的4 km×4 km笛卡儿网格上。ET定义如下：在≥18 dBz反射率因子被探测时，显示以最高仰角为基础的回波顶高度。图4给出了此超级单体从发展、成熟至消亡的高度变化情况。

图4 超级单体的高度变化(单位：km)

从图4可以看出，此超级单体风暴15时07分时高度约为9 km左右，在15时22分迅速增长，达到13.7 km，此后回波一直维持一个较高的高度，与之相对应的地面开始降雹，16时49分后，回波高度略有下降，平均约为11 km左右，与之相对应的地面降雹结束，17时33分后迅速下降，于之相对应的回波强度场也迅速减弱。

4 单体移动路径及发展演变

4.1 风暴跟踪信息分析

风暴单体识别与跟踪算法用于识别风暴单体并追踪它的信息，其中包括移动方向、移动速度等。首先要在雷达径向上找寻大的反射率因子区，而后在二维锥面上找寻大的反射率因子区，再给这些二维的分量寻求垂直相关。它采用了多种新技术：使用多阈值识别、特征核抽取、2D单体识别和相近单体处理等［1］。根据雷达风暴追踪信息产品STI，给出了这次超级单体风暴的移动路径(见图5)。

图5 超级单体移动路径图

从图5可以看出，风暴初期受引导气流影响基本是向东移动，发展成熟后向东南方向移动，属于右移风暴，消散阶段又向东偏北移动。此超级单体风暴移动方向、维持时间具体如下：从发展至成熟阶段为东南移，偏向风暴承载层平均风右侧约40°，持续时间较长(14时02分－17时15分)，17时21分开始进入消散阶段，在其进入消散阶段后，转为东偏北移动。风暴生成于14时02分，消散于18时，维持约4 h，产生了冰雹和一般雷雨大风天气。

4.2 风暴发展演变

图6给出了风暴发展演变情况，图中所示为组合反射率38号产品(CR)产品，可以看出此超级单体风暴演变发展状况：14时59分在兴仁北部初始单体A生成，平均强度达50 dBz，此时并未降雹，对流单体也处于发展阶段，缓慢向东偏南方向移动，15时14分单体明显加强，回波最大强度达83 dBz，15时30分单体成熟，强度为50 dBz以上的回波面积增大，系统深厚强大，此时对应地面(兴仁大山)开始降雹(15时40分－16时00分)，15时58分，单体A继续稳定维持(同时在其上方有一单体B生成)并继续向东偏南方向移动，在此过程中16时20分－16时50分兴仁回龙也出现降雹，16时46分以后单体开始稍有减弱，17时44分减弱明显，进入消散阶段。

图6 超级单体风暴组合反射率(CS)演变示意图

回波的垂直剖面是判断回波性质的一个重要方面，通过它可以直观的判断回波的顶高、有界弱回波区(BWER)、弱回波区(WER)、回波墙等。图7给出了此次超级单体风暴16时46分垂直于运动方向的RCS剖面图。

图7 16时46分超级单体垂直剖面图(RCS)

从16时46分的垂直剖面图上可以看出，风暴成熟阶段存在弱回波区(WER)、有界弱回波区(BWER)及回波墙，有界弱回波区下存在强烈的上升气流区，有利于冰雹的形成，低层为风暴的入流，位于反射率因子较大的一侧，同时，弱回波区和回波顶也偏向于低层入流一侧，即靠近雷达方向。

5 风暴单体气流环境结构分析

5.1 垂直气流分析

由这次超级单体风暴16时46分多层平均径向速度 PPI(图略)。可以看出，低层(0.5°、1.5°)的平均径向速度图存在大片的正值区，风速约为12 m/s，在这片正速度区上出现了一块小负速度区，速度最大值达到－25 m/s，即出现了逆风区(如图中圆圈标注)。据相关文献记载，逆风区的存在是识别冰雹的重要判据，逆风区的出现表明此处风向发生了剧烈的变化，产生了风的强切变，具有明显的辐合。逆风区随西北气流快速地向东南方向移动，比较反射率因子图及其实况场可以看出，风暴的发展、演变以及移动、冰雹的落区都与这个“逆风区”密切相关，对流发展最强烈的地方都出现在“逆风区”移动方向的前沿。对风暴整层分析可知：风暴低层存在气旋式辐合(0.5～1.5°，2.5 km以下)，中层存在气旋性旋转结构(2.4～4.3°，3.4～5.9 km)，高层存在辐散气流(6.0°，8.0 km)

5.2 垂直风廓线分析

垂直风廓线产品表示相同水平区域中不同高度上的平均风向风速。它在VAD产品的基础上得到平均风向风速随高度变化的垂直廓线，应用相继时间的体扫资料，即可获得平均风向和平均风速随高度和时间变化的剖面图形。多普勒天气雷达测速功能可以测量其探测范围内任意点相对于雷达的径向速度，通过算法对一个体扫的径向速度资料进行处理，还可以得到雷达上空60 km左右范围内全风向风速随高度的变化，即风的垂直廓线［1］。分析此超级单体风暴成熟从阶段的3张风廓线产品VWP可知(图略)，在1.2 km高度基本吹东南风，1.2～1.5 km高度风向转为南风，1.5～2.1 km高度风向又转为西南风，最大风速达9.3 m/s，存在风切变，风随高度有顺转的趋势，这是造成该地区降雹的主要原因。

6 小结

①此次超级单体风暴移动路径为东偏南，属于右移路径，低层辐合，高层气流辐散。风暴成熟阶段表现为典型的超级单体特征，有界弱回波区(BWER)及弱回波区(WER)明显。

②中气旋维持时间较长，厚度较厚，平均6.9 km，最高达到7.6 km，最强切变高度平均5.9 km，最强为7.3 km。

③垂直累积液态含水量随着对流单体的发展变化明显，在发展阶段其VIL值是逐渐增加的，在降雹前一至两个体扫出现跃增现象，冰雹降落时间基本是在VIL值达到最大时开始，降雹结束后，VIL值迅速下降。

④回波顶高度变化明显，在降雹前的2个体扫时间内迅速增加至14 km左右，而后继续维持在较高的高度，在16时30分回波高度开始略有降低，17时33分后迅速下降。

多普勒天气雷达资料对短时临近预报有较好的参考意义，特别是对超级单体风暴，但是，即使同是冰雹天气也会由于天气形势的不同导致回波的强度结构、流场结构及其演变过程有较大差异，具体的异同有待于更深一步的研究。

［1］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，2005：10－280.

［2］刁秀广，朱君鉴，刘志红.三次超级单体风暴雷达产品特征及气流结构差异性分析［J］. 气象学报，2009，67(1)：133－146.

［3］郑媛媛，谢亦峰，吴林林，等.多普勒雷达定量估测降水的三种方法比较试验［J］. 热带气象学报，2004，20(2)：192 －197

［4］王芬，李腹广.黔西南地区冰雹云VIL演变特征分析［J］.安徽农业科学，2011，(15)：9 047 －9 050.

P58.1+21

B

1003－6598(2012)05－0030－05

2011－07－06

王芬(1978—)，女，工程师，主要从事雷达产品应用研究工作。