基于S波段双偏振雷达的一次下击暴流初探.pdf

第41卷 第8期2023年8月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.8Aug.2023收稿日期：2022-11-17基金项目：廊坊市科技局自筹课题（2022013095，2022013098）作者简介：王鹤婷（1995-），女，工程师，主要研究方向为强对流天气及预报预警通信作者：刘小雪（1989-），女，工程师，硕士，主要研究方向为短期天气预报和气象灾害文章编号：1004-3918（2023）08-1127-07基于S波段双偏振雷达的一次下击暴流初探王鹤婷，王清川，许敏，刘小雪（河北省廊坊市气象局，河北 廊坊065099）摘要：利用S和X波段两种双偏振雷达、日本葵花8号卫星、北京探空站等观测资料以及ERA5再分析数据，通过天气学分析方法和雷达回波特征分析方法，分析2022年6月17日冀中一次下击暴流天气过程的发生机理.结果表明：此次天气过程为弱强迫下发生的强对流天气，云团满足MCC的标准，不断累积的对流有效位能、抬高的自由对流高度构成下击暴流发生的有利环境；干空气夹卷、融化层上部湿区有利于水汽凝结，融化层下融化形成的大雨滴经蒸发降温，形成向下的负浮力是强下沉气流形成的主要原因；下沉辐散气流叠加在冷池密度流上，形成非对称下击暴流天气，在有利的环境背景条件下，微下击暴流指数可以作为下击暴流的一个参考指标；下击暴流发生前的雷达回波特征为速度图上中层径向辐合、低层辐散、反射率因子槽口以及反射率因子核心下降.关键词：下击暴流；双偏振雷达；动力学诊断分析；风场反演中图分类号：P 458.2文献标识码：APreliminary Study on a Downburst Based on S-band Dual-Polarization RadarWANG Heting，WANG Qingchuan，XU Min，LIU Xiaoxue（Langfang Meteorological Bureau of Hebei Province，Langfang 065099，Hebei China）Abstract：Using observational data from two types of dual polarization radars of S and X bands，the Himawari-8satellite，and the Beijing Radiosonde Station，as well as ERA5 reanalysis data，the occurrence mechanism of adownburst weather process in central Hebei on June 17，2022 was analyzed by using synoptic analysis methods andradar echo characteristics analysis methods.The results show that the process was a strong convective weather withweak forcing，and the cloud cluster met the MCC criteria.The accumulated convective effective potential energy andthe elevated free convective height constituted a favorable environment for the occurrence of downburst.Theentrainment of dry air and the wet zone at the upper part of the melting layer were conducive to the condensation ofwater vapor，and the formation of large raindrops by melting under the melting layer.The downward negativebuoyancy of heavy raindrops caused by evaporation and cooling was the main reason for the formation of strongdowndraft.Under favorable environmental background conditions，the micro downburst index could be used asa reference index for downburst weather.The radar echo characteristics before the downburst were radial convergencein the upper and middle layers of the velocity map，divergence in the lower layers，reflectivity factor notches，and adecrease in the reflectivity factor core.Key words：downburst；dual polarization radar；dynamic diagnosis analysis；wind field inversion下击暴流是一种极端的局地强风力事件，随着多普勒雷达技术的不断发展，下击暴流的识别和预报预警研究不断深入.Roberts和Wilson1使用单个和多个多普勒天气雷达研究了一些云内下击暴流发生的先兆，确定了在下击暴流（初始地面出流）发生前26 min普遍出现的4个主要特征，即下降的反射率因子核、云第41卷 第期河 南 科 学2023年8月底附近或之上高度增加的径向辐合、沿风暴边缘腐蚀的反射率因子（反射率因子槽口）和绕垂直轴的旋转.有学者利用我国多普勒雷达资料对上述特征进行了验证，结果表明反射率核心下降可以提前数分钟预警下击暴流的发生2-3.双偏振雷达投入使用后，Kuster等4证明KDP核心可以用作预测下击暴流的回波特征.此外，也有一些专家基于多普勒雷达单体反射率、径向速度和环境参数等因子建立下击暴流识别和预测方程5.王一童等6-7统计得出下击暴流的雷达回波预警指标：反射率因子核心下降、超过46 kg/m2的垂直积分液态水含量在雷达1个体扫内下降810 kg/m2.并在此基础上分析了由多个超级单体风暴造成的5次连续极端下击暴流事件，且每次下击暴流前平均出现12个与雷暴大风相关的回波指标，其中与对流风暴下沉气流和地面大风直接相关的特征可提前1037 min预警极端下击暴流.关于下击暴流的形成机理，有学者利用数值模拟证明下击暴流中出现的地面强风由对流单体下沉辐散气流叠加在冷池密度流上造成8-9.禹梁玉等10分析认为，下击暴流造成的致灾大风可能是由同时发生的两个风暴单体下击暴流辐散气流的同向叠加、强变压风、强密度流和次级环流的加强等共同作用所致.廖晓农等11指出，北京地区绝大多数的雷暴大风具有下击暴流特征，负浮力的作用和对冰雹具有指示性意义的因子对于雷暴大风的预报预警具有重要意义.李彩玲等12发现，下击暴流发生与极端强降水和冰雹的拖曳作用有密切关系，冰雹与雨水粒子的拖曳和融化蒸发作用使下击暴流加强.目前，国内对下击暴流的双偏振特征类研究较为匮乏，加之下击暴流发生范围小、生命史短、极端性强，是短临预报、预警的难题之一.2022年6月17日傍晚到夜间京津冀地区自北向南出现了一次雷暴大风天气过程，监测到的极大风速最大值于20 09出现在保定市高碑店辛桥站（31.0 m/s）.本文利用地面区域站5 min加密观测资料、常规观测资料、ERA5再分析资料以及双偏振多普勒雷达资料，结合三维变分反演的风场资料以本次雷暴大风天气过程为例，通过天气学分析方法和雷达回波特征分析方法探索下击暴流的形成原因和雷达特征，以期为今后类似天气预报预警提供参考.1天气实况及资料由2022年6月17日20 00极大风速分布图（图1）可知：京津冀地区自张家口至保定、廊坊一带出现了大范围雷暴大风天气.本次天气过程平均风力67级，最大风力11级于20 09出现在保定市高碑店辛桥站（31 m/s），持续时间不到10 min，影响范围4 km以内，为一次微下击暴流过程.本次过程降雨量普遍在10 mm以下，下击暴流发生地附近无大雨和冰雹伴随出现.2天气背景2.1环流背景2022年6月17日20 00，华北地区地面海平面气压场呈“东高西低”的趋势，河北处于低压前部控制之中，受气压梯度力的影响，近地层太行山以东大体为偏东风，925850 hPa为弱冷式切变线，700 hPa以上则转为西北风控制.2.2卫星云图由日本葵花8号气象卫星云图资料分析（图2），在红外云图中，影响本次过程的对流云呈团状，云系发展十分旺盛，低于-32 的冷云区面积大于100 000 km2，且内部低于-52 的冷云区面积为60 000 km2，远远大于50 000 km2.这两个条件满足的时间从19 00开始，至23 30云团开始分裂，接近6 h，基本满足Maddox对于MCC云团的判定条件.图1极大风速分布图Fig.1Distribution diagram of maximum wind speed注：红色风标为20 m/s以上风速；蓝色圈内为下击暴流发生区域.42N41N40N39N38N37N114E115E116E117E118E-1128引用格式：王鹤婷，王清川，许敏，等.基于S波段双偏振雷达的一次下击暴流初探 J.河南科学，2023，41（8）：1127-1133.2.3地面物理量场分析大量研究13-15表明，在下击暴流发生前后，温度往往有剧烈变化，1 温差造成的负浮力相当于4 g/kg 水物质的重力拖曳作用.本次天气过程下击暴流发生前（19 45），蔚县附近地区降温明显，降温幅度普遍在8，最低气温降至18，形成冷池.暖区最高气温为31.4，冷中心（18）比区域平均温度低9，从而形成了从冷池指向暖区的密度流.3微下击暴流指数适用性分析针对微下击暴流强度的可预报性分析，参考文献 16，以观测研究与数值模拟为基础提出的微下击暴流最大阵风的经验指数（WI），公式如下：WI=2.5HmRq()2-30+Ql-2Qm0.5，（1）式中：WI为微下击暴流最大阵风经验指数，m/s；Hm为融化层高度，km；RqQl12为经验订正系数，g/kg；为地面与融化层之间空气最大温度递减率，/km；Ql为近地面1 km层内的水汽平均混合比，g/kg；Qm为融化层高度上的水汽混合比，g/kg.微下击暴最大阵风经验指数对高低层环境的层结状态和大气层结递减率均比较敏感，何志强等17利用20062010年北京站（站号：54511）的探空资料计算微下击暴流最大阵风经验指数，并与首都机场地区雷暴引发的强阵风进行了对比分析，结果表明，首都机场夏季雷暴大风的最大风速与存在一定的正相关关系，该经验指数较好地反映了雷暴大风最大阵风风速和发生微下击暴流的潜势.选取雷暴发生前北京站14 00探空资料，将Hm=3 km，Rq13.9912g/kg，=3.5/km，Ql=13.99 g/kg，Qm=4.53 g/kg代入公式（1），计算WI11.25 m/s，与北京站本次过程中最大风速12 m/s接近，可见微下击暴流指数在预报预警中可以作为参考指标之一.4环境条件分析高碑店下击暴流发生时（20 0020 09），距离其最近的北京探空站附近尚未受到强对流天气影响，因此采用北京站6月17日08 00、14 00和20 00的探空站观测资料计算影响下击暴流发生发展的环境因子：对流有效位能（CAPE）、对流抑制能量（CIN）、850 hPa与 500 hPa 的假相当位温差（se850-500）、抬升凝结高度（LCL）、01 km风切变、03 km风切变、06 km风切变分析本次天气过程中的水汽条件、不稳定层结条件、能量条件和垂直风切变.分析图3北京探空站温度对数压力图可知：下击暴流发生前对流有效位注：黄色及其所包围的区域为-32 以下的冷云区，红色区域为-52 以下的冷云区.图26月17日20 00葵花8号卫星红外云图Fig.2Himawari-8 satellite infrared nephogram at 20 00 on June 17图36月17日20 00北京探空站温度对数压力图Fig.3T log P diagram from Beijing Radiosonde Station at 20 00 on June 1742N41N40N39N38N37N114E115E116E117E118E2002503004005006007008509251000高度/hPa-80-70-60-50-40-30-20-10010203040温度/等压线等温线露点压力曲线状态压力曲线温度压力曲线-1129第41卷 第期河 南 科 学2023年8月能（红色区域）已达3 056.9 J/kg，不稳定能量聚集有利于强对流天气的产生；由图中温度曲线（蓝色）和露点温度曲线（绿色）随高度的变化可知，500 hPa（5.5 km）高度以上温度露点差小、湿度大，500 hPa高度以下湿度小.这样“上湿下干”的层结状况有利于大雨滴在高空形成，并在其降落过程中蒸发，保持向下的负浮力，有利于下击暴流的形成.由表1数据对比分析得出，20 00北京探空站观测资料与14 00和08 00相比，自由对流高度（LFC）明显升高，说明云底的高度抬升，而结合图3可知云底以下接近干绝热递减率，存在明显干层，有利于雨滴蒸发，形成向下的负浮力；沙氏指数（SI）由正转负，K指数显著增大以及对流有效位能不断聚集则为本次天气过程提供了充足的能量条件，850 hPa与500 hPa假相当位温差由负转正：20 00达17.9，表明强对流天气发生前，对流条件不稳定性明显增强，有利于下击暴流的形成.表12022年6月17日不同时次北京探空站对流稳定度参数变化Tab.1Variation of convection stability parameters at Beijing Radiosonde Station at different times on 17 June 2022时间08 0014 0020 00K指数/24.121.735.2SI指数/2.191.87-6.51CAPE/（Jkg-1）652.71 445.73 056.9LFC/hPa999.4997.9860.3se850-500/-1.28-0.7217.9LCL/km0.51.30.9SHR1/（ms-1）4.68.35.8SHR3/（ms-1）6.817.111.3SHR6/（ms-1）19.915.87.4注：SHR1、SHR3、SHR6分别01 km、03 km和06 km的垂直风切变.5高碑店大风成因分析5.1反射率因子演变分析从雷达的反射率因子图（略）可以看到：回波最早于6月17日15 00在内蒙古与河北张家口交界处的高山上生成，多个较强单体侧向排列呈带状，沿着高空500 hPa西北气流自西北向东南移动；19 00回波开始影响保定地区；西部部分回波下山，原本带状分布的回波由于下垫面原因，西部下山部分移速明显变快，东部回波仍处于山区，移速较慢，带状分布趋于不明显.李国翠等18的研究表明，风暴反射率因子强度反映了风暴所处阶段及其内部下沉气流和上升气流强度.19 36有强回波位于涿州的西南部地区，最大回波62.5 dBz，位于3.76 km高度，19 42反射率因子核心明显下降，最大回波降至57.5 dBz，强回波接地，对应地面自动站观测资料上出现辐散风场，表明有下沉气流出现，风速明显增大，极大风速的最大值达17 m/s.19 48位于河北高碑店新城附近的单体开始明显增强，最大回波65 dBz以上，位于4.3仰角高度上，高度大致为5.4 km.之后，由图4雷达单体剖面图可知，反射率因子核心（深红色区域）高度明显下降，19 54最强回波61 dBz，高度降低为3.28 km，强回波单体快速崩溃；19 50新城最大风速21.9 m/s，最大风速的经纬度与高度/km131051051012距离/km-505101520253035404550556065雷达回波强度/dBz图46月17日19 5420 00雷暴单体剖面图Fig.4Section of thunderstorm monomer at 19 54-20 00 on June 17（a）19 54雷达单体剖面图（b）20 00雷达单体剖面图高度/km131051051012距离/km-505101520253035404550556065雷达回波强度/dBz-113019 54最强回波所在位置完全吻合.20 00雷暴单体进一步减弱，最大回波降至 55.5 dBz，高度降至2.93 km（图5）；20 09高碑店辛桥观测站出现31 m/s致灾性下击暴流.研究表明，微下击暴流受环境气流传播的影响，被扭曲为椭圆形，前侧风增强，而后侧风减弱，形成新月形的强风区域19.本次天气过程，从地面10 m风场来看，形成以高碑店为中心的辐散型风场，其东南部的风速比其他方向明显大得多：西北部风速基本上在6 m/s左右，东南部则出现了31 m/s的致灾性大风；微下击暴流大风区域大致为新月形，且风速的大值区在单体的前进方向上.20 42回波逐渐演变为弓形回波，地面上出现了大范围雷暴大风，且均出现在弓形回波附近，但风力小于微下击暴流发生阶段.5.2下击暴流成因分析5.2.1干空气夹卷作用对6月17日（19 0021 00）间隔2 h北京站的径向速度图演变进行分析，结果发现：19 54，3.4仰角径向速度图上，辛桥站附近出现旋转特征，为中尺度涡旋，旋转速度为15 m/s；0.5仰角上，0.7 km高度处，辛桥站附近出现了一个像素点的低层辐散；4.3仰角上，4.89 km高度上有中层径向速度辐合（MARC）.根据连续方程计算可知，中层径向速度辐合和低层径向速度辐散有利于形成强有力的下沉气流.图6为6月17日20 00（高碑店新城第一次下击暴流发生前9 min）利用北京X波段和S波段双偏振两部雷达数据，通过三维变分方法反演的3.5 km和5 km高度水平风场与雷达反射率因子叠加平面图；以河北保定的曲阳为0点，横纵坐标上的数字均为雷达回波与0点之间的距离；从3.5 km和5 km高度风场平面分布图均可发现，在下击暴流发生地附近有明显中层径向辐合，同时可以看到在积雨云云底（1.4 km）以上有反射率因子回波缺口；结合温度对数压力图（图3）可知，36 km处存在明显干层，表明有干空气夹卷进入了风暴内部.该高度恰好对应相当位温的极小值高度处，干空气夹卷加速了云雨粒子的蒸发和升华，有助于下击暴流强度的加强.5.2.2空中液态和固态凝结物一般而言，强降水和冰雹有利于驱动下击暴流.从地面5 min加密自动观测站资料来看，出现下击暴流的图56月17日20 00雷达回波强度图Fig.5Radar echo intensity map at 2000 on June 17th（a）3.5 km高度（b）5 km高度雷达回波与0点的距离/km14012010080604020020406080100 120 140 160雷达回波与0点的距离/km雷达回波强度/dBz53.640.427.214.00.8-12.4-25.6雷达回波与0点的距离/km14012010080604020020406080100 120 140 160雷达回波与0点的距离/km雷达回波强度/dBz53.640.427.214.00.8-12.4-25.6图66月17日20 00不同高度的三维变分法反演速度图叠加反射率因子图Fig.63D variable distribution inversion velocity map superimposed reflectivity factor at 2000 on June 1741N40N39N38N37N114E115E116E117E118E53.640.427.214.00.8-12.4-25.6雷达回波强度/dBz引用格式：王鹤婷，王清川，许敏，等.基于S波段双偏振雷达的一次下击暴流初探 J.河南科学，2023，41（8）：1127-1133.-1131第41卷 第期河 南 科 学2023年8月辛桥站及其周边地区并无有效降水，空中液态和固态凝结物的微物理细节对于下沉气流比上升气流具有更大的影响.为了进一步深入分析粒径的相态及空中演变情况，利用北京站S型双偏振雷达资料进行深入分析.6月17日19 24有微差反射率因子（ZDR）的大值区呈带状位于河北易县和满城一带，与反射率因子回波位置基本一致.随着带状回波南压，微差反射率因子的大值区向南移动；20 00保定新城东南部（辛桥镇附近）微差反射率因子迅速增加，最大值7.75 dB处于1 km高度处；同一高度处比微差相移（KDP）值达3.7 deg/km，大的微差反射率因子和比微差相移表征4 mm以上的雨滴，结合地面降水来看5 min无明显降水.温度对数压力图上（图3），1 km以下存在干层，表明雨滴在空中大量蒸发，形成较强的负浮力，说明凝结物向下拖曳启动了下沉气流，而降水蒸发在随后的演化中使下沉气流向下加速.5.2.3扰动气压垂直梯度6月17日从19 48雷达径向速度图（图7）中可以看出，新城（下击暴流发生地）附近，在5 km高度处出现了中尺度反气旋式辐合（白色圆圈内），导致中层气压迅速升高产生了中层扰动高压.中层扰动高压形成向下的垂直气压梯度力对于下击暴流的形成具有一定的作用.5.2.4热浮力下沉气流和大气环境之间虚位温差值的绝对值随着低层环境相对湿度的增大而增加.因此，低层大气环境的相对湿度越高，下沉气流的强度越大，下沉气流和环境之间虚位温差值的绝对值代表了驱动下沉气流负浮力的大小.由图8相对湿度分布图可知，本次天气过程，新城附近850925 hPa高度存在明显湿区，为下击暴流的产生提供了充足的负浮力.6结论1）从大尺度环流背景看，本次天气过程发生在弱强迫环境条件下，强对流天气易发生漏报.2）从环境场条件看，利用距下击暴流发生地点高碑店辛桥最近的北京探空站资料进行分析可知，从6月17日08 00开始，到下击暴流发生前，对流有效位能不断累计、SI指数由正转负、自由对流高度不断抬升，环境条件较有利于下击暴流天气的发生发展.3）利用本次天气过程下击暴流发生前的环境因子进行计算可得，微下击暴流指数对于下击暴流的预报相对湿度/%43.5N42.0N40.5N39.0N37.5N36.0N9080706050403020100图76月17日19 48雷达径向速度图Fig.7Radar radial velocity at 19 48 on June 17图86月17日20 00 新城附近925 hPa高度相对湿度分布图Fig.8Distribution map of 925 hPa relative humidity near Xincheng at 20 00 on June 17-27-20-15-10-5-101510152027径向速度/（ms-1）-1132有一定指示意义.4）下击暴流发生前，雷达回波特征上出现了下击暴流发生时的典型特征，即速度图上中层径向辐合、低层辐散、反射率因子槽口、反射率因子核心下降.5）利用S型双偏振雷达和三维反演风场对下击暴流的形成机理进行诊断分析，得到下沉气流主要在热浮力项、干空气夹卷项、扰动气压梯度、凝结物重量几项共同有利的条件下形成，叠加地面冷池密度流形成了非对称的辐散型风场.6）下击暴流的形成发展具有时间和空间尺度均较小的特征，利用双偏振雷达对其形成机理进行分析具有一定参考价值.参考文献：1 ROBERTS R D，WILSON J W.A proposed microburst nowcasting procedure using single Doppler radar J.Journal Article，1989，28（4）：285-303.2 俞小鼎，张爱民，郑媛媛，等.一次系列下击暴流事件的多普勒天气雷达分析 J.应用气象学报，2006，17（4）：385-393.3 刁秀广，赵振东，高慧君，等.三次下击暴流雷达回波特征分析 J.气象，2011，37（5）：522-531.4 KUSTER C M，BOWERS B R，CARLIN J T，et al.Using KDP cores as a downburst precursor signature J.Weather andForecasting，2021，36（4）：1183-1198.5 SMITH T M，ELMORE K L，DULIN S A.A damaging downburst prediction and detection algorithm for the WSR-88D J.Weather and Forecasting，2004，19（2）：240-250.6 王一童，王秀明，俞小鼎.产生致灾大风的超级单体回波特征 J.应用气象学报，2022，33（2）：180-191.7 王一童，王秀明，俞小鼎.两个超级单体导致的冀豫交界区极端下击暴流预警分析 J.暴雨灾害，2022，41（3）：254-265.8 王秀明，周小刚，俞小鼎.雷暴大风环境特征及其对风暴结构影响的对比研究 J.气象学报，2013，71（5）：839-852.9 于雷，连志鸾，熊秋芬，等.一次下击暴流过程形成机制的模拟分析 J.暴雨灾害，2022，41（1）：42-49.10 禹梁玉，王啸华，顾荣直，等.江苏一次下击暴流过程致灾大风成因分析 J.热带气象学报，2021，37（Z1）：801-811.11 廖晓农，于波，卢丽华.北京雷暴大风气候特征及短时临近预报方法 J.气象，2009，35（9）：18-28.12 李彩玲，蔡康龙，黄先香，等.桂林一次强下击暴流成因分析 J.气象，2021，47（2）：242-252.13 周后福，刁秀广，赵倩，等.一次连续下击暴流天气的成因分析 J.干旱气象，2017，35（4）：641-648.14 吴举秀，周青，杨传凤，等.2015年7月14日阵风锋及锋后大风多普勒天气雷达产品特征分析 J.高原气象，2017，36（4）：1082-1090.15 王易，郑媛媛，庄潇然，等.江苏典型下击暴流风暴结构特征统计分析 J.气象学报，2022，80（4）：592-603.16 MCCANN D W.Windex-A new index for forecasting micro-burst potential J.Weather and Forecasting，1994，9（4）：532-541.17 何志强，卢新平，王丙兰.首都机场雷暴大风的初步研究 J.气象，2014，40（11）：1408-1413.18 李国翠，刘黎平，张秉祥，等.基于雷达三维组网数据的对流性地面大风自动识别 J.气象学报，2013，71（6）：1160-1171.19 FUJITA T T.Tornadoes and downbursts in the context of generalized planetary scales J.Journal of the Atmospheric Sciences，1981，38（8）：1511-1534.20 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