溪洛渡坝区雷暴天气在多普勒雷达资料上的前兆特征分析

三、溪洛渡坝区雷暴天气在多普勒雷达资料上的前兆特征分析

针对2006年7月到2007年溪洛渡水电站坝区雷暴天气时昭通站多普勒天气雷达（CINRAD－CC）资料的强度场、径向速度场等产品的分析，对溪洛渡水电站坝区雷暴天气的雷达回波特征进行了分析，建立溪洛渡水电站坝区雷暴天气的临近预警指标，从而为雷暴天气的预报预警提供有力的依据。

1.多普勒雷达强度图识别雷暴天气

在雷达气象学中，雷暴可以分为以下4类：普通单个单体雷暴、多单体雷暴、飑线和超级单体雷暴4类。前三类雷暴可以是强雷暴，也可以是非强雷暴。而第四类雷暴一定是强雷暴。

在弱的垂直风切变条件下，强风暴只有“脉冲”雷暴一种；在中等到强的风垂直切变条件下，强风暴的类型有多单体雷暴、超级单体雷暴和飑线。

通过多普勒雷达强度PPI和RHI回波特征的分析，可以找出雷暴天气的强度场特征和预警指标。

（1）普通单体雷暴的演变

根据积云中盛行的垂直速度的大小和方向，普通单体雷暴的演化过程通常包括三个阶段，即塔状积云阶段、成熟阶段和消散阶段。一个典型的普通单体雷暴生命史的三个阶段约各经历8～15min，其整个生命史一般在25～45min左右。在某些特殊的有利天气条件下，单体的成熟阶段可处于一种动态平衡的准稳定状态，可持续一至数小时。

①塔状积云阶段

初始雷达回波的水平尺度为1km左右，垂直尺度略大于水平尺度。初始回波通常在－4～－16℃之间的高度（5～8km）附近。初始回波形成后，随着水滴和冰晶等水成物不断生成和增长，回波向上、向下同时增长，但是，回波不及地，此时最强回波一般在云体的中上部。在塔状积云的后期，降水能够引发下沉气流。

②成熟阶段

成熟阶段开始于雨滴最初从云底降落之时。此阶段的降水通常降落到地面，可认为雷达回波及地是对流单体成熟阶段的开始。

③消亡阶段

从雷达回波上看，回波强中心由较高高度迅速下降到地面附近，回波垂直高度迅速降低，回波强度减弱，并且分裂消失。

（2）脉冲雷暴回波特征

脉冲雷暴的回波结构有三个特点：

①初始回波出现的高度，一般在6～9km之间；

②强回波中心值一般大于50dBz；

③强中心所在高度也较高，一般在－10℃等温线的高度左右（7km左右）。

通常探测到云底之上的强辐合可作为下击暴流发生的前兆。

当VIL值较大，CR产品中的最大回波强度值很大及其所在高度较高时，可以推断可能产生强脉冲单体风暴。

强脉冲单体产生的强天气通常局限于生命史短（5～15分钟）的下击暴流、小冰雹，偶尔强烈的微下击暴流和大冰雹也会出现。

（3）多单体风暴的雷达回波特征

应用体积扫描方案，可根据高、中、低仰角的PPI回波强度资料，并把它们组合在同一屏幕上显示，从而得到风暴回波的三维结构图像。从高、中、低层回波在相应平面上的配置可以推断对流风暴的强弱。

①多单体非强风暴

高、中、低层反射率因子在垂直方向以回波顶为中心的对称分布使得在低层无法形成弱回波区（WER），从垂直剖面图上可以看出，在低层没有形成类似穹隆状的弱回波区，表明风暴中不存在强烈的上升气流。所以，尽管这种风暴的回波顶可以达到很高，但也不能形成对地面造成灾害的强风暴。

②多单体强风暴

低层回波强度（反射率因子）梯度在低层入流一侧最大，同时弱回波区和风暴顶也偏向低层反射率因子梯度一侧。中层（8km高度左右）大于20dBz回波廓线向低层入流一侧伸展，悬垂于低层弱回波区上，形成弱回波区（WER）和中高层回波悬垂分布特征。

与多单体强风暴相联系的强天气通常为灾害性大风、下击暴流、中等尺度的冰雹和暴雨。

（4）超级单体风暴的反射率因子特征

超级单体风暴是对流风暴中最强烈的一种形式，可伴随大冰雹、灾害性地面大风和暴洪。其低层反射率因子最明显的特征是钩状回波深厚持久的中气旋才是超级单体风暴最本质的特征。

依据对流性降水强度和空间分布特征可进一步对其分成3类：

弱降水（LP）超级单体风暴：几乎没有产生降水，但具有显著的旋转特征；

强降水（HP）超级单体风暴：能够在中气旋环流中产生相当大的降水；

经典超级单体风暴：即传统超级单体风暴，在上述两个极端之间。

①经典超级单体风暴

当一个风暴加强到超级单体阶段，其上升气流变成基本竖直的，回波顶移过低层反射率因子的高梯度区而位于一个持续15分钟以上的与中气旋的强烈上升旋转气流相联系的有界弱回波区BWER（传统上称为穹隆）之上。在经典的超级单体生命期的某些阶段，经常展现一个位于其右后方（相对于风暴的运动方向而言）的低层钩状回波。

要说明的是，瞬变的（持续时间短的）BWER有时会出现在强的非超级单体风暴中，但非超级单体BWER不与中气旋相联系。

②强降水（HP）超级单体风暴

与LP超级单体风暴的中气旋区几乎没有降水出现相反，强降水超级单体中的中气旋常常被包裹在强降水区中。在低层的反射率因子图上，强降水超级单体风暴或包含一个宽广的高反射率因子（＞50dBz）钩状回波区，或者包含一个与WEAR相联系的前侧V字形缺口（FFN）。

雷达所探测到的强降水超级单体风暴回波特征及其意义如下：

Ⅰ宽广的钩状、逗点状和螺旋状的回波表明强降水包裹着中气旋；

Ⅱ前侧V形缺口回波表明强的入流气流进入上升气流；

Ⅲ后侧V形缺口回波表明强的下沉气流，并有可能引起破坏性大风。

强降水（HP）超级单体风暴能以各种各样的方式演变，其中包括发展成弓形回波。

③弱降水（LP）超级单体风暴

在弱降水超级单体风暴产生的主要天气现象是大冰雹。

与经典或强降水超级单体风暴相比较，弱降水超级单体风暴的降水常常不能达到地面，因为降水微粒主要由大雨滴和冰雹组成，而不是由无数小雨滴组成。因此，弱降水超级单体风暴中不存在强烈蒸发冷却的下沉气流。尽管视觉上给人的印象很猛烈，但由于反射率因子较低，往往会过低估计它产生大冰雹的能力。有时在风暴的后侧，可探测到一个与中气旋相联系的弱回波区（WER）。

弱降水超级单体风暴通常能演变为经典或强降水超级单体风暴，最终产生各种强天气过程。

（5）飑线的雷达回波特征

飑线呈线状排列的对流单体族，其长和宽的比例大于5∶1。这样定义的飑线包括所有形式的线状对流，有的组织性很好，构成一个整体；有的组织松散，每个对流单体有自己独立的环流系统。可见，这里的飑线定义比天气学传统的飑线定义（地面大风、气压涌升、温度陡降）的范围要宽得多。

飑线的发展较快，开始时尺度、强度和数量均呈增长之势的分散风暴。随着风暴的发展加强了下弋气流和外流，这有助于阵风锋从母体风暴中向外伸展和加速。此时，如果阵风锋的速度与飑线的速度相匹配，飑线就会持续数小时。

与多单体强风暴的情形类似，强烈飑线的反射率因子垂直结构表现为低层对应于前侧入流的弱回波区和中高空的悬垂回波，只是多单体风暴的低层入流经常位于风暴移动方向的右后侧。

观测和研究表明：飑线的结构越均匀（线性），则沿着飑线越不容易产生灾害性天气。飑线的断裂处往往是强天气容易发生的地方之一。而飑线的非断裂处容易形成灾害性天气的地方可以通过低层的强反射率因子梯度、中层的悬垂回波及回波顶位置从风暴核心上方移到飑线前沿上方来识别。

如果飑线移近某些低层边界（指某种不连续面，如锋面、干线、辐合线和切变线等），则在飑线的边界的交汇处附近的风暴可能成为强风暴，甚至成为超级单体风暴，并且一直持续到飑线离开边界之时。

飑线呈弓形，也叫做“弓形回波”，发生时通常伴随着地面大风，即“弓形回波”，是地面大风的一个很好的指示。

2.溪洛渡水电站坝区雷暴天气预警指标的建立

普查了溪洛渡水电站坝区26个典型雷暴天气个例的多普勒雷达资料，结果表明：在大气电场仪报警前0～30分钟，在坝区周围0～30km范围内都能观测到具有密实的结构、反射率因子空间梯度大的呈块状、团状、带状分布的雷暴云（积状云）回波，当其移到或生成于大气电场仪监测有效范围内时（方圆12km）大气电场仪开始报警。由其强度场特征值统计得出的预警指标见表9.11。

（1）强度中心值

平均37.1dBz，最小27.8dBz，最大55.6dBz，一般在33.6～48.7dBz之间。

（2）回波顶高

平均12km，最小6km，最大16km，一般在10～14.5km之间。

（3）强回波（＞30.0dBz）底高

平均2km，最小1km，最大3km，一般在1～2.5km之间。

（4）强回波（＞30.0dBz）顶高

平均5km，最小3km，最大9km，一般在4.5～7.5km之间。

（5）最强回波高度

平均4km，最小1km，最大7km，一般在1～4km之间。

（6）强雷暴的回波特征

从PPI和RHI图的分析可以看到强雷暴的“V”形缺口、钩状、弱回波区（WER）、有界弱回波区BWER、回波墙、悬挂回波等特征。

表9.11　　　　　　　　溪洛渡水电站坝区雷暴预警强度场指标值

3.径向速度图特征识别雷暴天气

雷暴天气的出现和发展往往和气流的辐合、辐散以及气流的旋转有关。在距离雷达一定范围的一个小区域内，通过该区域内沿雷达径向速度特征的分析，可以确定该区域内的气流辐合、气流辐散和气流旋转等特征，包括：辐合式气旋、纯粹气旋、辐散式气旋、纯粹辐合、纯粹辐散、辐合式反气旋、纯粹反气旋和辐散式反气旋，辐合（或辐散）在径向风场中表现为一个最大和最小的径向速度对，两个极值中心的连线和雷达的射线一致。气流中的小尺度气旋（或反气旋）在径向风场图像中也表现为一个最大、最小的径向速度对，两个极值中心的连线和雷达的射线相垂直。中尺度气旋的径向风场特征是：正负速度中心呈方位对称，中间有零速度带（线），负速度区相对于雷达的左侧，正区相对于雷达的右侧。具有辐合、辐散的气旋（或反气旋）则表现出最大、最小的连线与雷达射线走向呈一定的夹角。这些特征对于判断相应对流风暴的强度和具体的强对流天气如冰雹和地面大风等可以提供重要线索。

采用的判断指标主要有：

（1）零速度线特征：有无零速度线；零速度线是否与径向平行；零速度线有无显著折角、或弯曲、或呈正“S”形、反“S”形的形状；零径向速度线是否和距离圈平行等。

（2）入流速度（负）、出流速度（正）范围、分布及中心特征：大片正区和负区是否和原点（测站）对称，范围是否大致相等；大片正区和负区是否和径向对称；有无紧密相邻的成对强小尺度正、负中心存在；正、负中心的最大速度；有无零径向速度等值线密集带存在等。

（3）多普勒径向速度梯度带特征：分析表明，径向速度切向梯度愈大，水平风速愈大，它往往与强对流天气，诸如快速移动冷锋、飑线、中尺度气旋相联系。当它们成弧状排列，可能存在强辐合带或飑线，又当它们成近似圆形排列，则可能存在中尺度气旋。

4.小　结

（1）通过多普勒雷达强度PPI和RHI回波特征的研究，可以发现普通单个单体雷暴、多单体雷暴、飑线和超级单体雷暴等不同类型的雷暴其强度场特征和出现的强天气类型是有区别的，这为雷暴强度及其相伴随的强天气的预警提供了强有力的依据。

（2）雷暴天气的出现和发展往往和气流的辐合、辐散以及气流的旋转有关。与传统天气雷达不同，多普勒天气雷达可以测量目标物沿雷达径向的速度在距离雷达一定范围的一个小区域内，通过该区域内沿雷达径向速度特征的分析，可以确定该区域内的气流辐合、气流辐散和气流旋转等特征，从而大大加强了多普勒天气雷达对各种天气系统特别是雷暴系统及其产生的强对流天气的识别和预警能力。因此，多普勒天气雷达是雷暴天气的临近预报和识别的最好手段。

（3）溪洛渡水电站坝区雷暴天气在大气电场仪报警前0～30分钟，在坝区周围0～30km范围内都能观测到具有密实的结构、反射率因子空间梯度大的呈块状、团状、带状分布的雷暴云（积状云）回波，其强度中心值一般在30dBz以上，最小为27.8dBz，回波顶高一般在10km以上，最小6km，强回波（＞30.0dBz）底高一般在1km以上，最小1km，强回波（＞30.0dBz）顶高一般在4.5km以上，最小3km，最强回波高度平均4km，最小1km，最大7km，一般在1～4km之间。强雷暴在PPI和RHI图上可以看到“V”形缺口、钩状、弱回波区（WER）、有界弱回波区BWER、回波墙、悬挂回波等强雷暴的典型特征。当这样的雷暴回波移到或生成于大气电场仪监测有效范围内时（方圆12km）大气电场仪开始报警。