两次不同暴雪雷达回波特征探析范文

《干旱气象杂志》2016年第5期

摘要:

利用常规天气资料和雷达资料对辽宁省2次不同影响系统暴雪过程的雷达回波特征及成因进行分析。结果表明:倒槽暴雪和蒙古气旋暴雪的雷达回波特征存在明显差异。倒槽暴雪时速度零线总体呈直线经过测站，风廓线上偏北风冷垫厚(1．5km)，强冷空气南下形成的强动力和持续降温作用触发降雪，虽然低层强冷空气下沉不利于降雪维持，但中层西南风增强和南北风径向辐合造成的辐合上升运动使得降雪维持并产生暴雪;在倒槽暴雪中，冷垫最厚、中低层西南风速最大提前于强降雪5h，对暴雪预报预警有先兆意义。蒙古气旋暴雪降雪时速度零线由明显的“S”型迅速转为反“S”型，虽然风廓线上东北风冷垫浅薄，但由于降雪过程中总体维持偏南气流，有利于气旋暴雪产生;暖空气沿边界层冷垫的爬升增强了边界层动力作用;基本速度的旋转特征，表明冷暖空气交汇，辐合上升运动加强，当基本速度总体呈现偏北气流特征时降雪接近结束，这和倒槽暴雪明显不同，倒槽暴雪降雪时基本速度始终维持偏北气流特征。

关键词:

雷达回波特征;径向速度;风廓线;冷垫;中层辐合

引言

暴雪灾害是辽宁省冬季的主要气象灾害，不但对交通、电力和设施农业生产等造成影响，也会严重威胁到人民生命安全。辽宁东部是东北暴雪集中出现区域之一，近几十年来暴雪量呈现出一定的增加趋势［1］，暴雪过程次数也呈上升趋势［2］。随着社会经济快速发展，暴雪的影响更加显著。据辽宁省气象台对1971—2011年辽宁暴雪的统计分析表明，辽宁省暴雪的4种天气学分型中，倒槽型和蒙古气旋南路型占67．1%，因此有必要对这2种类型的暴雪天气进行深入研究。近年来多普勒雷达在暴雪观测中得到广泛应用。方海义等［3］指出河北特大暴雪中的切变回流降雪雷达回波呈混合云(对流性层云和积云)回波特征，西风槽降雪雷达回波呈层状云回波特征且无0℃层亮带;易笑园［4］和刘建勇［5］等指出暴雪的降雪回波形态具有人字形和带状结构，降雪回波顶高在3～4km，强降雪回波强度在35～40dBZ，具有短时弱对流特征;王荣基等［6］分析辽宁东南部大连地区的暴雪天气雷达径向速度回波特征时，指出暖式切变型暴雪过程中速度零线从“S”型不明显到明显，最后转为反“S”型和辐散式“弓”型，暴雪发生时近地面层常常伴有东风或东北风形成的冷垫［7－8］，冷垫高度在1．2km及以下。2011年11月18日和22日，辽宁省中东部分别出现倒槽型和蒙古气旋型暴雪天气，本文使用常规高空地面观测资料及沈阳与营口的雷达观测资料，对2场暴雪天气过程进行分析诊断。

1天气实况与环流形势

1．1倒槽型暴雪

2011年11月17—18日，辽宁中部和东北部出现雨转暴雪天气，受倒槽影响，降雪发生在强偏北冷空气南下过程中，此次过程具有降雪集中、强度大的特点。17—18日午前以降雨为主，降雪主要发生在18日14:00—20:00(北京时，下同)，最大雪强为3．5mm•h－1，最大降雪出现在辽阳为16mm。11月18日500hPa巴尔克什湖地区高压脊强烈发展，脊前贝加尔湖地区的横槽转竖，与河套地区槽合并加强形成高空深槽，辽宁位于深槽前，产生降水的动力条件好(图略);850hPa槽前与海上高压之间形成长达1500km的西南风急流，这在冬季比较罕见(图1a)，为降水提供了丰富的水汽和热能。850hPa辽宁上空强烈的冷暖空气对峙，形成斜压性很强的强锋区，温度梯度达到2．9℃•(100km)－1(图1b)，这在倒槽型暴雪中也很少见，使得辽宁上空辐合动力作用非常强，上升运动明显;地面倒槽和冷锋之间距离较近，两者相互作用增强地面抬升作用(图1c)，为暴雪的出现提供了有利的环流背景。

1．2蒙古气旋型暴雪

2011年11月22日，受蒙古气旋暖锋影响，除大连地区和丹东南部地区，辽宁其他地区都出现降雪，其中辽宁北部到东北部出现暴雪，降雪集中在14:00—23:00，最大雪强为2．5mm•h－1，最大降雪出现在开原(20mm)。11月22日气旋型暴雪过程中，500hPa贝加尔湖地区西部的高压脊强烈发展，脊前贝加尔湖地区到蒙古地区阶梯槽东南移，冷空气持续南下。850hPa槽前形成从渤海到辽宁长达750km的西南急流，急流将黄、渤海的水汽输送到辽宁上空，为降雪提供了一定的水汽条件(图1d);850hPa华北为斜压性强的锋区，温度梯度达到1．5℃•(100km)－1，辽宁处于高空暖脊控制下，有利于地面气旋生成发展(图1e);22日14:00—20:00，地面蒙古气旋暖锋到达辽宁中东部，暖锋北部东北冷空气与暖湿空气结合，加上内蒙东部的副冷锋后部西北冷空气的补充，蒙古气旋暖锋附近降雪加强(图1f)。两场暴雪降雪前期均有暖湿水汽输送，当低层气旋、切变和高空低槽移过辽宁时，造成中低层和近地面层空气的强烈抬升，从而产生强降雪天气。

2暴雪天气雷达回波特征

2．1基本反射率

对雷达基本反射率因子产品(图略)分析，看到2次暴雪的基本反射率区别不大，都呈现为典型的层状云降水回波特点，回波强度分布比较均匀，边缘模糊，片状回波中夹杂一些对流回波，兼有混合性特征，雨雪区之间没有明显区别。整个降雪期间大部分回波强度在15～33dBZ之间，回波顶高在4km以下。根据辽宁地区回波与降水强度的对应关系(Z－R关系)可知，降水强度约1～2mm•h－1，由于夹杂着弱对流回波，最大降水强度达到2．5～3．5mm•h－1。

2．2基本速度

倒槽型降雪的基本速度特征是速度场呈现偏北风速度辐合特征，中层维持强南北风径向速度辐合，降雪前冷垫形成，降雪时冷垫深厚(1．5km)。蒙古气旋型暴雪基本速度呈现旋转辐合的特征，降雪开始后，浅薄冷垫(0．6～0．9km)逐渐形成。2011年11月17日营口雷达站上空径向速度场呈现均匀西南气流特征，径向速度零线呈较强的“S”型弯曲，暖平流强盛，为暖区降雨。18日02:48近地面层已经转为偏北风，之后逐渐向边界层扩展，形成冷垫(图2a);随着偏北气流的扩展，到09:57的速度图上出现风速核，形成弱的“牛眼”结构，沿着“牛眼”结构，测站的南侧中层出现速度模糊，表明偏北风很大，垂直风切变较大，有利于降水发生(图2b)，同时冷垫增厚增强，低层(1．5km)以下的偏北风很强，构成的冷下垫面冷却低层大气，暖湿空气也受冷垫强迫抬升，有利于之后的雨转雪，11:33(图2c)，零径向速度线变为东西向的直线，说明低层暖平流减弱，冷空气向南扩散，流入速度大于流出速度，出现偏北气流的径向辐合特征，降雨逐渐转为降雪，中层有西南风和偏北风的径向辐合，且逐渐增强并维持到17:00;13:03(图2d)，零径向速度线仍为直线型，低层持续的冷平流造成气温不断下降，降雪范围扩大、强度加强;18日20:00径向速度图上表现为一致的偏北风，此时降雪基本结束。11月22日降水初期，径向速度图上表现为均匀的西南气流，沈阳雷达站附近(50km以内)零径向速度线具有较明显的“S”型弯曲特征，低层暖平流强盛;22日13:20(图2e)，近地面层(500m以下)径向速度图上表现为偏南风开始逆时针旋转，分离出东南气流，降雨逐渐转为降雪;15:32(图2f)，东南气流转为偏东气流，预示冷垫将形成;17:59(图2g)，继续转为偏北风，范围扩大，风向的转变表明地面低压在沈阳雷达站南侧经过，雷达站位于地面低压顶部。同时低层出现强度较弱的“牛眼”结构，表明高度较低的冷垫已经形成。近地面层以上维持强的西南风，暖湿气流输送仍然强盛，且有近地面层冷垫的抬升作用，此时段降雪达到最强，对应基本反射率此时也达到最强。之后近地面层偏北风逐渐加强，并向上扩展;21:29(图2h)，近地面零速度线转为反“S”型，整体呈“弓形”辐散偏北气流，造成低空暖湿输送减弱，降雪随之减弱。

2．3风廓线产品

由风廓线产品(图3a)可以看出，11月17日营口雷达站上空为一致的偏南气流，风向随高度顺时针旋转，近地面层(0．3km)风速达到12m•s－1，风速向上逐渐增大，暖湿气流输送非常强盛;18日凌晨开始营口雷达站上空整层风速开始减小，同时低层(1km以下)风向开始逆时针旋转，暖湿气流输送减弱，降雨减弱;18日05:00，1km以下转为东北风，冷空气开始南侵，近地面冷垫形成。同时3km高度上西南风再次加强，说明在低层冷空气加强南侵的同时中层暖湿气流输送也在加强，预示降水将加强并将持续;18日08:00，0℃层高度为1．8km;09:00左右，1．5km高度上风向转为偏东，0．6km东北风速达到18m•s－1，低空被冷气团控制，冷垫增厚，降水逐渐转为降雪，此时3．4km高度上西南风继续增强和维持，风速达到16m•s－1，风的垂直切变很大，有利于垂直运动发展，表明中低空冷暖空气强烈对峙;11:00后1．5km以上风向开始顺时针旋转，高空槽接近雷达站上空，降雪逐渐增强并持续;18:12，3km高度上西南风转为西北风，暖湿气流输送结束，降雪趋于停止。由图3b看出，22日12:42，降水开始时沈阳雷达站上空整层为一致的西南气流并随高度顺转，0．9～1．5km高度上风速达到12m•s－1，整层暖平流有利于降雨，12:48开始0．6km和0．9km高度上风向开始逆时针旋转，到19:11先后转为东北风，说明受到地面气旋影响。其中15:32—18:36，1．5～1．8km高度上偏南风速增强到10m•s－1，暖湿输送增强，有利于降水，此时段近地面层风向逐渐转为偏北风，形成厚达0．6km的冷垫，冷空气抬升作用增强，对应雷达反射率因子产品上雷达回波达到最强，也是降雪最强时段。19:59—21:05，1．2km高度上风向开始顺时针转为偏西风，说明低层切变到达雷达站上空，1．2km以上各层风向也做顺时针旋转且随高度增加风向旋转开始时间逐渐拖后，表明1．2km以上是后倾的低槽东移，这时0．6km东北风速增大到14m•s－1，冷垫高达0．9km，在高空槽和低层切变的作用下，降雪又有所加强。倒槽降雪天气冷垫形成早，发展深厚达到1．5km。同时中低层西南风增大了8m•s－1，增大非常明显，维持时间长，3．4km处西南风最大达到16m•s－1，冷垫形成和中低层西南风加大提前于强降雪9h，冷垫达到最厚及中低层西南风达到最大的时间提前于强降雪5h，这对于暴雪的预报预警有前兆意义。气旋暴雪开始降雪时没有明显的冷垫，降雪加强时，低层西南风增大并维持，1．2km处最大风速达到10m•s－1，冷垫达到0．9km，较浅薄。强降雪在冷垫形成和西南风加大时开始。

3结论和讨论

(1)2次暴雪过程降雪前期速度零线都呈现“S”型弯曲，降水过程中零径向速度“S”型弯曲转为反“S”型弯曲，基本速度场上呈现“牛眼”结构特征。风廓线产品上都出现不同厚度的冷垫，表明中低层偏北气流的存在和侵入，使得低层大气变冷，起到降低边界层气温和抬升暖湿空气的作用，同时大气稳定度增强，在基本反射率图上表现为典型的层状云降水回波，具有稳定性降水的性质。

(2)降雪物理机制的不同，使得倒槽暴雪和蒙古气旋暴雪在雷达回波图上显示出不同的特征。基本速度场上倒槽暴雪过程中速度零线总体呈直线经过测站，呈偏北风速度辐合，中层出现南北径向速度辐合，风廓线上偏北风冷垫厚(1．5km)。这是由于降雪前暖层深厚，强冷空气南下的持续降温和强动力作用，冷却抬升深厚暖层中的暖空气，引起降雪;中层西南风的增强，与北风的径向辐合，使得降雪维持达到暴雪量级。基本速度场上蒙古气旋暴雪过程中速度零线由明显的“S”型转为反“S”型弯曲，总体呈偏南气流特征，风廓线上东北风冷垫浅薄，由于偏南气流持续补充暖湿空气，有利于湿度条件不十分充足的气旋暴雪的产生;受低层气旋影响，冷暖空气交汇造成辐合上升使得基本速度在低层出现旋转特征。

(3)倒槽暴雪基本速度场上牛眼结构中心高，中层偏南风强，垂直切变大，对流性强一些，雪强比蒙古气旋降雪大。倒槽暴雪中风廓线产品上冷垫达到最厚、中层西南风速达到最大的时间提前强降雪5h，这对强降雪临近预报预警有先兆意义。

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作者:卢秉红 杨青 高松影 韩江文 阎琦 梁寒 苏航 刘硕 单位:辽宁省人工影响天气办公室 沈阳中心气象台 辽宁省丹东市气象台