天津雷暴大风天气的环流场及雷达回波特征分析

王艳春，陈 宏，尉英华*，张 庆，张 楠，林晓萌

（1.天津市海洋气象重点实验室，天津300074；2.天津市气象台，天津300074）

雷暴大风是指对流风暴产生的龙卷以外的地面直线型风害[1]。我国雷暴大风出现概率东部大于西部，北方高于南方，主要集中在华北、华东、江南和华南地区[2-4]。华北地区雷暴大风主要分布在北京西北部山区、京津冀沿海地区以及西北部高原，多出现在6—7 月[5-6]。天津地处华北平原东北部，东临渤海，北枕燕山，汛期（4—9 月）由强对流天气造成的雷暴大风发生频繁且致灾严重，如2020 年6 月25 日天津出现大范围灾害性大风过程，最大阵风风力达13 级（41.4 m·s-1），50 a 一遇的大风造成大量农作物倒伏，车辆和瓜果蔬菜受损，农业受灾面积达65.191 km2，农业经济损失达2.4 亿元；2017 年7 月9 日天津静海区出现下击暴流大风，22 个加密自动站最大阵风风力达8 级以上，监测到最大阵风达12 级（33.8 m·s-1）。

关于我国不同地区雷暴大风的环流形势和雷达特征，众多学者开展了相关研究，并得到一些有意义的结论。陈晓欣等[4]将我国雷暴大风事件的天气流型分为西太平洋副热带高压边缘型、弱槽型、高空干冷平流强迫型和强槽型4 种。一些学者分别对京津冀地区、山东地区、湖北地区和海南岛地区雷暴大风天气的环流形势和环境参数进行了统计分析，并建立了各地区雷暴大风的天气流型和环境参数阈值指标[5，7-9]。随着多普勒天气雷达的广泛应用和雷达资料的不断积累，为深入研究雷暴大风的临近预报预警方法，一些学者对不同地区产生雷暴大风的雷达回波形态及产品特征进行统计分析。美国地区致灾最严重的雷暴大风雷达回波类型为弓形回波、飑线和多单体风暴[10]。中层径向辐合、弓形回波、阵风锋和径向速度大值区对雷暴大风有很好的指示作用[11]。我国河北地区雷暴大风的主要雷达回波特征表现为弓形回波、阵风锋和径向速度大值区，出现以上一个或多个特征即可发布雷暴大风预警[12]。杨璐等[13]通过对北京地区雷暴大风天气不同生命期内的雷达回波进行统计分析得出，径向速度大值区能对77%的带状回波和100%的弓形回波造成的雷暴大风天气提前发布预警。龙柯吉等[14]统计分析了四川盆地雷暴大风的对流组织类型和雷达回波特征，发现82%的雷暴大风站点具有风速大值区。

天津地区关于雷暴大风的研究多集中于个例分析[15-17]，有利于雷暴大风出现的天气形势尚待归纳总结，针对雷暴大风多普勒雷达特征的统计工作开展较少。本文统计分析了天津地区2018—2020 年雷暴大风的时空分布特征、天气形势以及雷达回波特征，以期为雷暴大风的短时临近预报预警提供参考。

1 数据来源与方法介绍

1.1 数据来源

所用数据包括（1）2018—2020 年4—9 月地面加密自动站资料、闪电定位仪资料；（2）美国大气环境中心（NCEP）提供的全球分析资料（final operation global analysis，FNL），时间分辨率为6 h，水平分辨率为1°×1°，以下简称FNL 资料；（3）雷达资料：天津塘沽CINRAD-SA 型新一代天气雷达（117.72°E，39.04°N）提供的基本产品和分析产品。

1.2 个例筛选

基于2018—2020 年4—9 月地面加密自动站资料、闪电定位仪资料和多普勒雷达资料筛选雷暴大风个例，雷暴大风过程需满足2 个条件，（1）6 h 内天津地区有3 个或以上自动站瞬时风速达到或超过17.2 m·s-1，若大风站点较为分散且自动站站数较少，不计入研究过程；（2）大风发生前后30 min 内，大风站周边100 km 范围内有闪电观测记录和雷暴回波。基于以上原则，共筛选出天津地区47 次雷暴大风天气过程作为本文研究的雷暴大风个例。

1.3 雷达回波特征分析方法

基于雷达回波形态的对流风暴分类有很多种，被业界广泛认可的是Browning 提出的4 种风暴类型：普通单体风暴、多单体风暴、多单体线状风暴（包含飑线）和超级单体风暴[18]。除上述4 种风暴类型外，易导致雷暴大风的对流风暴有一种被称为“弓形回波”[4]，它可以是孤立的单体风暴，可以是呈现弓形的多单体风暴，更多的是作为飑线的一部分镶嵌其中[19]。本文在前人研究的基础上，综合分析造成天津地区雷暴大风的雷达回波形态，发现超级单体风暴多镶嵌在多单体风暴或飑线当中，因此不做单独分类。最终将天津地区雷暴大风的风暴类型分为5种：非线状多单体风暴、线状多单体风暴（不包含飑线）、飑线、弓形回波和普通单体风暴。具体分类操作流程如图1，以雷达组合反射率因子为基础，（1）判断引起雷暴大风的回波是否为孤立的单体，若是定为普通单体风暴，若不是则进行下一步；（2）依据俞小鼎等[1]对中国地区飑线的定义来判断回波形态是否满足飑线特征，若满足将风暴类型定为飑线，若不满足则进行下一步；（3）判断风暴中是否存在弓形单体或弓形结构的多单体回波，若存在将风暴类型定义为弓形回波，若不存在则进行下一步；（4）判断回波单体是否呈线状排列，将单体呈线状排列的风暴定为线状多单体风暴，将单体无明显线状排列特征的风暴定为非线状多单体风暴。

2 时空分布

2.1 雷暴大风的空间分布

天津地区北部紧邻燕山，东部濒临渤海，呈现自北向南逐级下降的地形。图2 为天津地区2018—2020 年雷暴大风过程的空间分布散点图，天津地区雷暴大风空间分布不均匀，雷暴大风发生次数超过10 次的站点共有16 站，其中北部蓟州山区有4 站，东部临海的滨海新区有7 站，其他区县均不超过2站，可见，雷暴大风的高发区主要分布在北部蓟州山区和东部沿海地区。

图2 2018—2020 年天津地区雷暴大风过程空间分布

2.2 雷暴大风的月分布

对天津地区雷暴大风出现的次数进行月统计（图3a）可知，天津地区雷暴大风主要出现在春季和夏季，6—8 月出现频次较高，其中6 月出现雷暴大风次数最多，这与春末夏初冷空气活跃、夏季西南气流和西太平洋副热带高压（简称“副高”）北上有关。6月天津地区冷暖空气交汇频繁，干冷空气叠加在暖湿空气之上，有利于产生雷暴大风。7—8 月受北上的西南气流和增强北跳的副高影响，能量条件较好，边界层弱的辐合条件便可导致对流发展增强。

图3 2018—2020 年天津地区雷暴大风分布特征

2.3 雷暴大风的时次分布

对天津地区雷暴大风出现的次数进行时次统计（图3b），天津地区雷暴大风的时次分布表现出明显的日变化特征，05 时—次日11 时雷暴大风出现次数最少，13 时开始大幅增加，傍晚到前半夜是高发时段，峰值出现在16—17 时。原因为午后到傍晚，热力效应造成地面增温大，使得傍晚前后大气层结不稳定度加大，有利于风暴的形成和发展，故雷暴大风最多。

2.4 雷暴大风的持续时间

对天津地区雷暴大风的持续时间（末站雷暴大风结束时间与首站雷暴大风开始时间之差）进行统计得到图3c，天津雷暴大风过程的持续时间多为1～4 h，占比达74.5%，其中持续时间为1～2 h 的次数最多，占比达44.7%。出现上述特征的主要原因是，造成雷暴大风的对流多为飑线、弓形回波等中小尺度系统[4]，此类系统的生命史一般较短，因此导致雷暴大风的持续时间较短。

3 环流场特征分析

研究雷暴大风发生时或发生前的天气环流背景对于雷暴大风预报具有一定的指示意义。利用FNL资料对天津地区47 次雷暴大风过程的影响系统进行分析，发现500 hPa 环流形势主要有四类：冷涡型、西北气流型、低槽型和副高边缘型。图4 为四种天气流型出现次数、月分布直方图及500 hPa 环流形势合成图。冷涡型在所有天气流型中出现频次最高，共出现16 次，主要在5—8 月。在此类天气流型中，天津位于500 hPa 冷涡底部的槽区，冷涡影响下的中层大气较为干冷，垂直减温率大，易导致较大的对流有效位能，有利于产生雷暴大风等对流天气[20]；西北气流型出现次数仅次于冷涡型，共出现14 次，6月出现次数明显高于其他月份。在此类天气流型中，天津位于西风槽后，受西北气流控制；低槽型共出现12 次，主要在6—7 月。在此类天气流型中，500 hPa低槽呈准南北向分布，天津处于槽前西南气流中；副高边缘型出现次数最少，仅5 次，主要出现在7—8月，其中以8 月最多。在此类天气流型中，天津位于副高西北侧的西南气流中，其北侧有低槽配合，有利于暖湿气流与干冷气流汇合。

图4 四种天气流型出现次数（a）和月分布（b）及天津雷暴大风500 hPa 环流场特征

4 雷达回波特征分析

4.1 造成雷暴大风的对流风暴类型

由不同类型对流风暴的分布特征（图5）可知，飑线是产生雷暴大风数量最多的风暴类型，共18次，天气流型以冷涡型和低槽型为主，主要出现在7、8 月；非线状多单体风暴产生的雷暴大风数量次之，为13 次，最常发生在西北气流型天气背景下，主要出现在6、8 月；弓形回波产生的雷暴大风数量排第3 位，为8 次，对应最多的天气流型是冷涡型，6月数量最多；线状多单体风暴产生的雷暴大风数量较少，为7 次，对应的天气流型主要有副高型、低槽型和西北气流型，主要出现在6、8 月；普通单体风暴是产生雷暴大风数量最少的风暴类型，仅有1 次，出现在6 月，为冷涡型。

图5 天津雷暴大风过程中对流风暴的分布特征

4.2 强度回波特征

为表现雷达回波的总体分布及在不同天气流型和不同风暴类型（由于普通单体风暴仅出现1 次，所以此处不对其做单独的统计分析）中的具体分布特征，利用小提琴图对最大反射率因子（指组合反射率产品中的最大反射率因子，下同）和强回波中心下降率2 个强度回波特征进行统计分析。小提琴图是箱线图与核密度图的结合，近年来有学者用其代替箱线图来分析强对流天气的雷达特征[21]。小提琴图的优势在于，一方面可通过箱线部分展示出数据的中位数、上下四分位数、最大值和最小值，另一方面又可通过核密度曲线显示出数据的整体分布和多峰值分布等特征。以图6a 为例，图中黑色粗短线代表中位数，黑色方框的上下边框分别为上下四分位点，细黑线代表须，白色圆点代表离群值，外部曲线形状为核密度估计（kernel density estimation，KDE），以下简称KDE，曲线较宽的部分为KDE 大值区，代表观测值取值概率高，较窄部分则对应较低的概率。

图6 最大反射率因子小提琴图

4.2.1 最大反射率因子

图6a 是最大反射率因子的小提琴图。天津地区雷暴大风的最大反射率因子通常为52.5～78 dBZ，中位数为62 dBZ，上下四分位数分别为63.9 和58 dBZ，KDE 大值区位于61 dBZ 附近。当最大反射率因子值＜58 dBZ 时发生雷暴大风的可能性很小，当最大反射率因子值＜52.5 dBZ 时可不考虑雷暴大风发生的可能性，当最大反射率因子为61 dBZ 左右时发生雷暴大风的可能性最高。

对不同天气流型和不同风暴类型中最大反射率因子进一步统计分析得到图6b 和6c。在4 种天气流型中，雷暴大风的最大反射率因子差异明显，其中冷涡型和副高边缘型的分布相对集中，KDE 大值区分别位于60 和58 dBZ 附近，其他两种流型分布则较为分散；在4 种风暴类型中，非线状多单体风暴的核密度曲线出现的3 个峰值，其中在62 dBZ 左右时发生雷暴大风的概率最高，线状多单体风暴的KDE大值区与非线状多单体风暴接近，飑线的分布较为分散，弓形回波的各分位值相对其他三种风暴类型明显偏高3～6 dBZ。

4.2.2 强回波中心下降率

若雷暴大风发生前强回波中心未出现连续下降持续2 个体扫或以上，则认为强回波中心下降率为0；若雷暴大风发生前强回波中心出现连续下降持续2 个体扫或以上，则将强回波中心连续下降期间平均每分钟内降低的高度定义为强回波中心下降率，单位为m·min-1。

天津地区有85%的雷暴大风过程出现了强回波中心下降。由强回波中心下降率的小提琴图（图7a）可知，天津地区雷暴大风的强回波中心下降率的分布较为集中，主要集中在150～350 m·min-1，中位数为250 m·min-1，KDE 大值区位于260 m·min-1左右。当强回波中心下降率在260 m·min-1左右时发生雷暴大风的可能性最高。对不同天气流型和不同风暴类型中强回波中心下降率进一步统计分析得到图7b 和7c。在4 种天气流型中，西北气流型和低槽型分布较为集中，雷暴大风常发生在强回波中心下降率为250 m·min-1左右时；在4 种风暴类型中，非线状多单体风暴和线状多单体风暴的分布比较集中，强回波中心下降率在280～300 m·min-1时发生雷暴大风的概率最高，飑线和弓形回波的分布较为分散，较高的强回波中心下降率主要集中在这两种风暴类型中。

图7 强回波中心下降率小提琴图

4.3 低层速度场特征

低层径向速度大值区往往对于地面大风的临近预警有重要指示作用[22-23]，图8 给出了不同风暴类型的雷暴大风过程中低层径向速度大值区出现次数百分比及相对于地面大风的提前量。低层径向速度大值区对非线状多单体风暴雷暴大风的指示意义不强，低层径向速度大值区出现次数百分比仅为15.4%。但对于其他3 种风暴类型雷暴大风，低层径向速度大值区的指示意义都较好，有42.9%的线状多单体风暴雷暴大风、66.7%的飑线雷暴大风和62.5%的弓形回波雷暴大风都伴随低层径向速度大值区。从提前量来看，大多数情况可根据低层径向速度大值区提前发布预警。根据低层径向速度大值区，可对15.4%的非线状多单体风暴、14.3%的线状多单体风暴和22.2%的飑线雷暴大风提前30 min 发布预警。对于弓形回波雷暴大风，由于其尺度小、生命期短，故预警提前量相对较低，大多数为1～15 min。

图8 不同风暴类型雷暴大风中低层径向速度大值区出现次数百分比（a）和相对于地面大风的提前量（b）

4.4 雷暴大风极端值与风暴类型的关系讨论

图9 为雷暴大风极端值在不同天气流型和不同风暴类型中的分布。在不同天气流型中，30～40 m·s-1的雷暴大风主要出现在低槽型天气背景下，≥40 m·s-1的雷暴大风主要出现在低槽型和西北气流型天气背景下。在低槽型天气背景下，出现最多的风暴类型是飑线。在不同风暴类型中，30～40 m·s-1的雷暴大风主要出现飑线过程中，≥40 m·s-1的雷暴大风仅出现在弓形回波过程中。可见，飑线和弓形回波是造成雷暴大风极端值的主要风暴类型。

图9 雷暴大风极端值在不同天气流型（a）和不同风暴类型（b）中的分布

5 结论

利用加密自动站、闪电定位仪、FNL 和多普勒雷达资料对2018—2020 年汛期（4—9 月）天津地区出现的47 次雷暴大风过程的时空分布、天气形势和雷达回波特征进行统计分析，得到以下结论：

（1）天津地区雷暴大风空间分布不均，多出现在北部蓟州山区和东部沿海地区，表现出明显的月变化和日变化特征，高发月份为6—8 月，多出现在傍晚到前半夜，持续时间多为1～4 h。

（2）根据500 hPa 影响系统，将天津地区雷暴大风的天气形势分为西北气流型、冷涡型、低槽型和副高边缘型。冷涡型出现频次最高，主要出现在5—8月，西北气流型次之，6 月出现次数明显高于其他月份，再次是低槽型，主要出现在6—7 月，副高边缘型出现频次最低，多在7—8 月出现。

（3）基于雷达回波形态将造成天津地区雷暴大风的对流风暴分为5 种类型：非线状多单体风暴、线状多单体风暴（不包含飑线）、飑线、弓形回波和普通单体风暴。飑线数量最多，主要出现在7—8 月，以冷涡型和低槽型为主；非线状多单体风暴数量次之，多发生于6 月，以西北气流型为主；弓形回波数量较少，多集中在6 月，以冷涡型为主；线状多单体风暴出现7 次，对应的天气流型主要有副高型、低槽型和西北气流型，主要出现在6、8 月；普通单体风暴仅在6 月出现1 次，为冷涡型。

（4）当最大反射率因子为61 dBZ、强回波中心下降率为260 m·min-1左右时发生雷暴大风的可能性最高；弓形回波的最大反射率因子相对其他3 种风暴类型明显偏高约3～6 dBZ，较高的强回波中心下降率主要集中在飑线和弓形回波过程中。

（5）根据低层径向速度大值区，可对15.4%的非线状多单体风暴、14.3%的线状多单体风暴和22.2%的飑线雷暴大风提前30 min 发布预警；飑线和弓形回波是造成雷暴大风极端值的主要风暴类型。

在短时临近预报预警业务中，可根据本文研究得到的天津地区雷暴大风时空分布特征，重点加强对雷暴大风高发区域和高发时段的监测，并结合环流形势、对流风暴类型及雷达回波特征预判雷暴大风可能发生的强度和时长。但目前的工作仍停留在统计分析层面，未来还需开展基于雷达参数指标的雷暴大风短时临近客观预报方法研究，以为雷暴大风的预报预警提供技术支撑和客观产品。