牡丹江一次局部对流天气雷达特征分析.doc

一次局部对流天气雷达回波特征分析李春艳，徐明伟 ，李春华, 张玉成（牡丹江市气象局，黑龙江 牡丹江 157000）摘要： 本文利用新一代天气雷达资料，判断牡丹江地区发生局部对流天气与雷达资料的相关性。利用新一代天气雷达观测到的回波强度、回波速度等产品来判断分析可以得到牡丹江地区产生局地对流天气时的雷达回波特征。 产生局地暴雨的雷达回波移动速度缓慢、回波高度高、回波强中心的强度强、回波速度场上有明显的逆风区结构、垂直风切变明显。 雷达回波的强度、速度、逆风区、中小尺度气旋、垂直风切变是判断对流性短时暴雨的重要指标。关键词：对流天气 雷达回波 逆风区 垂直风切变 中小尺度气旋引言新一代天气雷达是监测与预警灾害性天气（冰雹、大风、龙卷和暴洪等）的重要手段1-3。由于其探测资料的时空尺度分辨率较高,其资料的应用对研究各种尺度天气发生、发展的内在机理也有着十分重要的作用4。因对流天气时间、空间尺度较小，应用常规的探测手段难以监测到其运动、变化的全过程，能够连续工作的新一代天气雷达就能探测到其发展、变化的全部，而其特有的多普勒径向速度资料一般情况下也能反应出这些系统的风场特征5。目前对强对流天气的新一代天气雷达回波特征研究总结的较多，得出了很多有意义的结论。强对流天气是指冰雹、雷雨大风和对流性短时暴雨，通常尺度为及公里到几十公里的强对流云单体，生命史一般约几十分钟。本文选取了2005年7月28日牡丹江市新一代天气雷达观测到的强降水过程资料和自动气象站资料，来分析本次局部对流天气的变化过程。1 天气实况2005年7月28日牡丹江地区局部出现了对流性短时暴雨的天气,其中林口、东宁、海林、宁安出现了雷雨大风，部分地区出现了冰雹，其中雷达站东北五林镇三小时内降雨量为69.9 mm，逐时降雨量分别为7.5、23.8、38.6mm，24小时降雨量为73.5mm，柳树镇三小时内降雨量为90.1mm，逐时降雨量分别为52.3、34.8、4.0mm，24小时降雨量为114.0mm。据不完全统计，这次暴雨过程导致了柳树镇大量房屋、树木、电杆、桥梁等倒塌，大部分路面被冲毁，农作物严重受损，部分农田决产。此次降雨过程牡丹江市气象台预报准确、抢救人员到位及时没有造成人员伤亡。2 大尺度环流形式背景2005年7月28日08时的天气图上，500、700和850hPa的影响系统均是向东缓慢移动的高空槽，高空槽位于哈尔滨西南和吉林省西部，地面水分充足，渤海低压北上与高空槽配合强烈发展， 哈尔滨西南从低层到高层为深厚强烈的上升运动。高空有冷平流，加上低涡后部不断有冷空气甩下来， 500hPa和850hPa温差较大为28度，整个环流背景形式有利于产生强烈的对流天气。3 新一代雷达回波强度特征分析2005年7月28日13：30-18：30分，牡丹江的东北方向有回波新生，从几块10dBz的小单体逐渐发展成长约30km、宽约15km的回波带并逐渐在加强。从连续观测的新一代天气雷达回波强度图上我们可以看到：回波带沿引导气流方向向东北方向移动并不断加强，14：43分在五林镇附近有一较强的回波单体生成，在形成的过程中逐渐向东北方向移动，50分钟后部分强回波单体移出五林镇(雷达方位24o,29km)并开始逐渐消散，在其右方又有新的单体生成，16：07分在整条回波带移动方向的右下侧的回波单体不断加强（强中心强度为56dBz，高度为7.0km），在不断北抬的过程中，强回波单体不断的融入到回波带中，此时系统处于成熟阶段，位于雷达站东北侧的柳树镇(雷达方位43o,48km)形成了大暴雨，回波带的强中心从15:57-16:07分仅维持10分钟左右，然后回波强度开始减弱，只有减弱5-10 dBz左右,回波强度维持在45 dBz以上大约1个小时左右，从16:18分以后演变成层状云降水向东北移动。强中心柳树镇从16:00-19:00点三个小时内降雨量为90.1mm。如表1，云中最大反射率因子随时间的演变。表1 云中最大反射率因子随时间的演变综观回波的演变,可见基本全过程是，如图1，牡丹江东北侧有一条东北向的回波生成、发展，由多个对流单体形成了一条回波带，在整个过程中不断有新生的单体回波生成、发展、消亡。14：17 14：59 15：30 15：51 16：07 16：49 17：31 18：13图1 雷达回波随时间的演变4 多普勒速度分布特征41 逆风区多普勒速度场上的逆风区结构，就是暴雨的一个较好的判断因子。所谓逆风区，就是在大片暴雨回波区的负（正）径向速度区中出现一块正（负）速度区。这种逆风区风场结构可以看出，在风场的一侧是辐合气流，而另一侧为辐散，形成了闭合的循环气流。逆风区常对应着强降水区，可作为暴雨识别指标，并且有一定的提前量6。图2为28日16:54分的径向速度图，可以看到，在这段时间内，导致柳树镇短时间内强烈暴雨过程回波不仅伴有速度最大值，而且还出现了“逆风区”，即在大片正速度为6m/s的区域中，出现了一块封闭的负速度为6m/s的区域，水平尺度km。逆风区的出现表明此处的风向发生了剧烈的变化，产生了强烈的风向切变，具有明显的辐合和辐散特征。逆风区的位置刚好和灾害性天气发生区对应。当回波进入逆风区时，发展更加强盛，造成了雷雨大风，因此逆风区的出现可以作为此次短时强对流天气预报的一种重要指标。42 中小尺度气旋特征中小尺度气旋往往可用理想垂直轴对称气旋环流的蓝金模式来模拟7，在某一个小区域内有一对最大入流出流速度中心(表现为正负径向速度中心)距雷达是等距离时，表示该区域有中小尺度气旋的旋转存在,沿雷达径向方向若负径向速度中心位于左侧，表示为气旋性旋转,反之为反气旋性旋转。图3 为当日15：52分观测到的速度图。可分析出五林镇(雷达方位24o,29km)附近一较小区域呈现气旋的径向速度风场特征：一对较小的正负径向速度极值呈方位对称、极值中心相距仅 km，零速度线平行于径线，且正速度区、正速度中心位于其右侧，负速度区、负速度中心位于其左侧。由正负径向速度的极植 6ms-1 ,可以计算出此处的最大转动速度平均值(Vmax =Vrmax +Vrmmin/2)为6ms-1 。根据中尺度气旋的划分标准，可确定这是一个弱的中小尺度气旋性旋转。 图2 逆风区风场 图3 气旋的径向速度风场特征 图4 垂直风切变结构特征43 垂直风切变垂直风切变是指水平风（包括大小和方向）随高度的变化。如果风切变较弱，相对风暴气流就不可能增强到足以携带降水远离风暴的上升气流区。在这种情况下，降水就通过上升气流降落，并进入风暴低层的入流区，从而导致上升气流中水负载的明显增加，最终使得风暴核消失。中等到强的垂直风切变有利于相对风暴气流的发展，此时，气块携带着降水远离风暴的入流区或上升区。中等到强的垂直风切变能够产生与阵锋风相匹配的风暴运动，从而使得暖湿气流源源不断的输送到发展中的上升气流中去。在这种风切变环境下，有利于组织完好的对流风暴发展8。如图4，从图可以看到此次过程风速大小和方向随高度的变化，整个风场是有组织的对流，这一指标可以很好的用来判断暴雨及其对流性天气的发生。44 强回波移动与地面辐合辐散的关系分析 这次短时局地暴雨过程中，强回波中心移动也即强降水区域的移动与地面的辐合辐散运动有密切关系9。一般情况下，强回波中心的移动朝着辐合区方向，在多普勒速度图上，位于测站东北部存在着一个气旋性切变，而在气旋性切变的上侧存在着明显的辐合区，根据测高公式算得这一辐合区的厚度达3-4km，如此深厚的辐合区则说明其辐合强度很大，而此时，这一区域并没有很强的回波区，强回波区位于辐合区的前方，并且该强回波区朝着此辐合区移动。在回波强度图上，强回波中心稍稍滞后于辐合区，从不同时刻的多普勒速度图和回波强度图中可以看到，其强中心回波区是移向辐合区，造成了该区域附近强降水出现。 5 结论综合上述分析可得到以下结论：（1）此次牡丹江地区产生局部对流天气的大尺度环流形式是，在高低空存在着一前倾槽系统深厚，高低空存在风向风速的垂直切变，大气层结不稳定。（2）在这次过程中，雷达回波是由多个单体构成的回波带，并不断有新的对流单体生成、发展、消亡，一个单体达到成熟阶段，另一个单体还处于新生发展阶段。每个单体整个生命史约为-5分钟。（3）强回波中心朝着辐合区方向运动、中小尺度气旋和逆风区是造成此次局地大暴雨的主要原因。参考文献 张培昌，杜秉玉，戴铁丕雷达气象学M北京：气象出版社，胡明宝，高太长，等.多普勒天气雷达资料的分析与应用M,北京:解放军出版社,2000.朱乾根等.天气学原理和方法M. 北京：气象出版社，19834郑媛媛, 俞小鼎.一次典型超级单体风暴的多普勒雷达观测分析.气象学报，2004， 62（3）：317-328.5俞小鼎，姚秀萍等.多普勒天气雷达原理与业务应用M北京：气象出版社，2006.6夏文梅，张亚萍，汤达章.暴雨多普勒天气雷达资料的分析J.南京气象学院学报，2002，25（6）：787-7947吴书均等。多普勒径向速度资料的定性分析识别技巧J.山东气象，2001，21（2）.8张晰