2016年大连地区强对流天气雷达回波特征分析

刘晓初+李潇潇

摘 要：该文利用探空资料、加密自动站资料、天气雷达资料对2016年6—9月大连地区9次强对流天气过程，即短时强降雨（4次）、雷暴大风（3次）和冰雹（2次）3种强对流类型进行了雷达回波特征分析。结果表明：探空资料中K指数适用于短时强降雨识别；CAPE值与探空距离强对流时间密切相关；较大的高低层的温差有利于识别雷暴大风和冰雹；较低的0℃层和-20℃层高度有利于冰雹判别；较大的0～6km深层垂直风切变有利于雷暴大风识别。最大回波强度和所在高度，短时强降雨小于雷暴大风和冰雹；弓状型雷暴大风相对于低仰角径向速度大值区类型的雷暴大风有更长的预警时间提前量；雷暴大风和冰雹的VIL值都相对较大，不利于区分两者。研究结果为大连地区强对流预报预警提供参考依据。

关键词：大连地区；雷达回波特征；强对流天气预警

中图分类号 R730.58 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）10-0156-06

Abstract：This paper examines 9 convection events occurred during June and September 2016 in Dalian area by using sounding，densely-covered automated weather station and weather radar data. 9 convection cases are categorized into 3 types：short-range strong precipitation （4 cases）；thunder induced damaging wind （3 cases） and hail （2 cases）. The results indicate：K index is an usful indicator for short-range strong precipitation；CAPE is closely related to the difference between souding time and convection initiation time；Large difference between mid-level and low-level temperature is an indication for thunder induced damaging wind and hail development；Relatively low 0℃ and-20℃ heights are indicative for hail and large wind shear of 0～6km is indicative for thunder induced damaging wind. For maximum reflectivity and its height，short-range strong precipitation is slightly smaller than damaging wind and hail. Early warning of Bow-shape-echo damaging wind is more viable than that of strong radial velocity at low elevation. In both damaging wind and hail cases，large VIL values are observed，as a results，it can not be used to distinguish the two convection types. The results provide guidance for convection warning for Dalian area.

Key words：Dalian area；Weather radar echo features；Severe weather warning

強对流天气[1]是指由对流风暴产生的短时强降雨、雷暴大风、冰雹、龙卷等中小尺度的灾害性天气现象。大连地区的强对流天气绝大部分发生在6—9月，其特点是突发性强，持续时间短，局地性强，易致灾。孙继松等[2]认为热力不稳定层结分析只有在对流发生前才有意义。另外，CAPE值不仅决定了对流云的发展高度，一定程度上也最终决定了强对流中雨滴或雹粒的大小和密度。雷蕾等[3]利用探空资料研究发现，CAPE和K指数可以判断是否出现强对流天气，但是不能判别强对流天气种类。北京地区雹暴要求环境大气的0℃层和-20℃层高度分别约为4km和7.4km。俞小鼎[4]认为如果对流层中层存在明显干层，0℃层高度应订正为湿球0℃层高度。肖云等[5]认为，不稳定条件和动力条件具有互补关系，一方条件极为有利，另一条件不是十分有利，强对流天气同样容易发生。孙继松[6]等认为，低层水汽条件不仅为对流云降水提供水汽来源，并且与低层不稳定能量密切相关。另外，环境风垂直切变强度影响对流云的形态特征。丁伟等[7]研究发现，强对流单体降水主要由大的雹霰粒子下落融化造成，雹霰粒子半径大小与降水差异密切相关，大粒子更容易产生较强的降水。吴杞平等[8]认为造成大连地区短时暴雨的是混合性中-β尺度回波回波，并且对落区要产生“列车效应”。吴翠红等[9]将造成雷暴大风的雷达回波分为单体型、弓状型和飑线型，并且根据雷达回波演变规律可以提前30min对弓状型和飑线型雷暴大风做出预警。王建国等[10]认为组合反射率因子（CR）最大值、回波顶高（ET）、垂直积分液态水含量（VIL）等雷达产品均对冰雹预警有较强指示意义。本文总结研究了大连新一代天气雷达投入使用后的第一个汛期的9次主要强对流天气过程中的雷达回波特征，研究结果能够为本地强对流天气预警提供指导帮助。

1 资料和方法

本文采用常规观测资料、加密自动站观测资料、探空资料、大连天气雷达资料和灾情上报信息对2016年6—9月大连地区的强对流过程进行分类研究。

为了方便研究，根据致灾天气信息、自动站实况资料和雷达回波特征综合判断将强对流天气分为三类：短时强降雨、雷暴大风和冰雹。短时强降雨规定为降雨强度大于20mm/h；雷暴大风规定为雷暴过程中极大风速大于等于17m/s；冰雹个例规定为雷达回波中冰雹特征明显和灾情上报信息突出冰雹特征。9次强对流过程中（表1），短时强降雨4次，雷暴大风3次，冰雹2次。

4次短时强降雨个例中，3次发生在半夜到凌晨，1次发生在上午；从灾害落区看，均为大连中部和北部，最南端站点为金州复州城；8月7日上午，普兰店市区出现最大降雨强度，为94mm/h；3次雷暴大风个例均发生在傍晚到夜间，落区均为西部或南部沿海站点，其中7月25日傍晚旅顺口区老铁山站风速达到32.4m/s；冰雹个例，一次发生在6月30日凌晨，落区为普兰店北部和庄河北部山区，另一次发生在9月9日午后，地点为瓦房店东南部。

2 探空分析

对流发生前的环境探空条件能够一定程度上指示对流风暴特征。本文利用大连本站08：00和20：00探空资料分析强对流天气发生前环境大气的垂直物理量特征。根据辽宁省雷雨大风、冰雹预警信号发布技术规范，本文选取如下物理量分析：

2.1 K指数 从表2可以看到，4个短时强降雨个例的K指数为26～41，2个冰雹个例K指数为36和23，3个雷暴大风个例K指数为34、35、44。3种强对流天气之间的差异很难分辨。从K指数定义看，更适用于短时强降水强度识别。对流有效位能CAPE。在4次短时强降雨过程中，8月7日上午09：00—10：00短时强降雨发生在普兰店、金州，距离探空站直线距离小于100km，08时探空距离降雨发生小于1h，所有个例中最能代表强对流发生前的环境特征，CAPE值最大，达到2506.7J/kg。其他3次短时强降雨CAPE值为0～537.8J/kg，均发生在夜间，开始时间距20时探空达到2～6h，其指示作用有限。3次雷暴大风个例，CAPE为605.2～1087.7J/kg，略高于短时强降雨对应数值。2个冰雹个例，CAPE值分别为1270.7J/kg和1356J/kg，探空时间距离冰雹开始时间均相差约7h，仍然在3种强对流个例中表现出较大数值。因此判断，CAPE值不仅与强对流种类，并且与探空距离强对流发生时间差距大小密切相关。

2.2 抬升指数（LI）、最大抬升指数（BLI）、沙氏指数（SI） 这3个数值越小越有利于强对流发生。在辽宁省雷雨大风预警信号发布技术规范和表2中可见，抬升指数（LI）和沙氏指数（SI）在短时强降雨个例中的平均值分别为-2.6和0.5，在雷暴大风个例中的平均值分别为-3.7和-3.5，冰雹个例中分别为-3.7，-5.42和-2.3，3.41。结果发现雷暴大风的环境层结稳定度最低，冰雹次之，短时强降雨相对最高。但是具体到单独个例，不能得到上述结论，因为个例选取是以某个最强特征为准，通常伴有其他强对流现象，短时强降雨以局地为主，并非大范围降雨。以8月7日上午单纯短时强降雨个例为主，SI指数为0.69，但是LI指数为-4.28。单从层结稳定度指数难以判断强对流分类。从雷暴大风个例中看到，最大抬升指数（BLI）并没有达到雷暴大风规范中的指标。在其他强对流个例中，其数值大多为正，难以单独用来判别层结稳定度。

2.3 850hPa和500hPa温差 短时强降雨个例中数值为20～27℃，平均值为24℃；雷暴大风个例中数值为25～28℃，平均值为27℃；冰雹个例中平均值为28.5℃。700hPa和500hPa温差，短时强降雨范围为12～18℃，平均值为15℃；雷暴大风范围为15～18℃，平均值为16℃，冰雹个例中平均值为16℃。很明显，不论是850hPa还是700hPa与500hPa的温差，雷暴大风和冰雹天气表现出更大的高低空温差，这种差异反映了对流层中层不同强度的冷空气（相对）对不同种类的强对流天气的影响。

2.4 湿球0℃层高度 2次冰雹个例中，一次干球0℃层高度附近没有明显干层，0℃层高度大致可用，另一次850hPa以上为明显干层，需要订正0℃层高度。通过订正，0℃层高度分别为4km和3.6km，平均值为3.8km；短时强降雨个例中，其范围为4.2～5.4km，平均值为4.8km；雷暴大风个例中其范围为4.1～5km，平均值为4.8km；-20℃层高度，冰雹个例平均值为7km；短时强降雨范围为7.9～8.7km，平均为8.3km；雷暴大风个例范围为7.5～9.2km，平均值为8.4km。结果表明，冰雹的0℃层、-20℃层高度明显低于短时强降雨和雷暴大风的高度，平均值分别低0.8km和0.4～0.5km。

2.5 地面露点温度、850hPa比湿和850hPa温度露点差 9次强对流过程，地面露点温度均在20℃以上。6月23日夜间短时强降雨个例，850hPa比湿仅为7.4g/kg，温度露点差为10℃，其他3次个例，850hPa比湿约为12～14g/kg，850hPa温度露点差为1～2℃，接近饱和。7月25日傍晚雷暴大风个例，850hPa比湿达到18.4g/kg，温度露点差为1℃。因此，判断短时强降雨需要整体看探空资料的水汽条件，低层水汽条件对3种强对流发生都十分重要。

2.6 0～6km深層垂直风切变 短时强降雨平均值为11.5m/s，冰雹平均值为14m/s，雷暴大风平均为16m/s。结果表明，较大0～6km深层垂直风切变对判别雷暴大风有指示意义。

综上所述，K指数仅对短时强降雨指示性较强。CAPE值大小与距离强对流开始时间有密切关系。低层水汽条件对3种强对流发生都十分重要。较大的850hPa、700hPa与500hPa的温差对雷暴大风和冰雹判断有一定指示意义。较低的0℃层和-20℃层高度能够有效判别冰雹。较大0～6km深层垂直风切变对雷暴大风指示性强。

3 雷达回波特征

3.1 短时强降雨 较高的降水率对应较厚的暖云层（抬升凝结高度LCL到融化层高度（约0℃层高度）之间的厚度）和持续相对较长时间（降水回波对落区产生一定的“列车效应”）是短时强降雨的两个重要特征。8月7日上午普兰店市区短时强降水过程，09：10—10：10降雨量达到94mm（表3）。从09：21基本反射率因子强度图看（图1a），站点（白色圆圈）位于近似南北向片状回波的东侧，回波缓慢东移，从同一时刻南北向剖面图看（图1b），南北向存在强回波带，其中有多个对流单体，其后部回波强度依然较强，经过站点时产生“列车效应”，造成短时强降雨。

分析发现，4次短时强降雨过程均为低质心强降雨雷达回波，最大回波强度均在50dBZ或以下，所在高度均低于4km，也就是低于0℃层高度，为暖云降水。不同的是，8月7日上午雷达回波显示普兰店上游的回波强度、空间范围和移动方向所造成的“列车效应”明显强于其他3次过程。另外，降水效率还受夹卷率的影响，环境空气的相对湿度越小，蒸发越強，降水效率随之越低，小的孤立的降水系统的降水效率通常小于大的降水系统。无论是探空显示的环境低层水汽条件还是雷达回波影响空间范围，8月7日过程也优于其他3次过程。

3.2 雷暴大风 6月30日17：34的0.5°仰角径向速度图（图2a）上看，大连雷达站西南侧距离雷达站5～10km，0.3km高度附近负径向速度最大值为26m/s，正径向速度最大值为27m/s。随后大连本站出现21.4m/s的西南风。仅从同时刻强度图（图2b）上无法判断雷暴大风，本次雷暴大风过程属于低仰角径向速度大值区类别。

7月30日夜间，长兴岛站和将军石站（均为西部沿海站点）分别出现22.1m/s和17.6m/s的西到西北风。从20：00的基本反射率图（图3a）看，为典型的弓状回波雷暴大风。从基本反射率剖面图（3b）看，强回波宽度较窄，对流发展高度达到12km，60dBZ强中心发展到5km左右，对流发展旺盛，距离雷达站100km左右，能够有效发布雷暴大风预警。

3.3 冰雹 实际工作中，很迅速有效识别出高悬的强回波，弱回波区，有界弱回波区，三体散射，风暴顶强烈辐散和雷暴尺度涡旋等这些冰雹的雷达回波特征。9月9日下午个例，15：24最大强度回波所在高度达到4～5km，15：54达到7～8km，并且冰雹开始下落（60dBZ强回波位于剖面底部），此时风暴单体达到成熟阶段，16：00，60dBZ强回波高度下降并且接地，从成熟到减弱只是一个体扫的时间。

4 雷达产品特征

从辽宁省雷暴大风和冰雹预警信号发布技术规范和与其对应的表4中部分雷达指标对比中看到，最大回波强度，短时强降雨的稍小于雷暴大风和冰雹，最大强度回波所在高度也相对更低（1～4km，雷暴大风和冰雹为0～8km），40dBZ以上的强回波所在高度也是（0～7km，雷暴大风和冰雹为0～10km），这与暖云层和低质心强降雨对应。大部分特征只有从剖面图上才能识别。雷暴大风的雷达回波形态分为单体型，飑线型和弓形回波型以及低仰角径向速度大值区等几类。低仰角径向速度大值区是从径向速度图上识别，但是由于自身特征限制，预警时间提前量很有限。其他类型特征从反射率因子图上识别。弓形回波造成的雷暴大风预警时间提前量相对更长。冰雹的雷达特征识别主要是高悬的强回波，但是7月30日弓形回波雷暴大风个例中也有高悬的强回波，但是在海上，没有冰雹观测记录。仅从回波形态上判断为雷暴大风。垂直累积液态水含量（VIL）能够确定大多数强风暴的位置，因为VIL大值区对应于强上升气流的高反射率深厚区域。由于短时强降雨为低质心回波，因此VIL值相对较小。7月25日和7月30日的雷暴大风个例的VIL最大值分别为38kg/m2和40kg/m2，略微低于两次冰雹个例的VIL最大值（50kg/m2和55kg/m2），但是大于辽宁省冰雹预警技术规范中的阈值（30，40kg/m2）。

5 结论和讨论

（1）根据大连天气雷达资料、探空资料、加密自动站资料和灾情上报信息综合分析，将发生在2016年6—9月大连地区的9次强对流过程分为：短时强降雨（4次）、雷暴大风（3次）和冰雹（2次）3种类型。4次短时强降雨个例中，3次发生在半夜到凌晨，1次发生在上午；落区均为大连中部和北部，最大小时雨强达到94mm；3次雷暴大风个例均发生在傍晚到夜间，落区均为西部或南部沿海地区，最大风速达到32.4m/s；冰雹个例中发生时间为凌晨和午后，落区均为北部山区。

（2）通过分析发现，K指数和CAPE值能判断是否出现强对流天气，但是不能判断强对流天气类型。K指数仅对判别短时强降雨有一定指示性。CAPE值大小与探空距离强对流开始时间有一定关系。低层水汽条件对3种强对流发生都十分重要。较大的850hPa、700hPa与500hPa的温差对雷暴大风和冰雹判断有一定指示性。较低的0℃层和～20℃层高度能够有效判别冰雹。较大0～6km深层垂直风切变能够有效判别雷暴大风。

（3）雷达回波和产品特征方面，最大回波强度和其所在高度，短时强降雨的稍小于雷暴大风和冰雹的，这与暖云层和低质心强降雨等特征对应，回波强度剖面图上特征明显。低仰角径向速度大值区类型雷暴大风预警时间提前量很有限。弓形回波造成的雷暴大风预警时间提前量相对较长。实际应用中，冰雹的雷达特征识别主要是高悬的强回波。例外的是，7月30日弓形回波雷暴大风个例中也有高悬的强回波，但是在海上，没有冰雹观测记录，仅从回波形态上判断为雷暴大风。垂直累积液态水含量（VIL）能够确定大多数强风暴的位置。部分雷暴大风个例中的VIL最大值超出辽宁省冰雹预警技术规范中的阈值。因此仅通过VIL最大值难以区分雷暴大风和冰雹。

参考文献

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（责编：张宏民）