江西一次副高边缘雷暴大风回波特征分析

洪丽霞，马中元，陈鲍发，程小娟，范小军，宋 雄

(1.江西省气象科学研究所，江西 南昌 330046；2.江西省宜丰县气象局，江西 宜丰 336300；3.江西省景德镇市气象局，江西 景德镇 333000；4.江西省丰城市气象局，江西 丰城 331100)

0 引言

夏季处在副热带高压边缘时，往往会出现局地的风暴天气，有时会伴有强雷电、强降水、雷暴大风等强对流天气，而江西的雷暴大风就多发生于7—8月的副热带高压边缘。

许爱华等[1-3]将我国中东部的强对流天气分为准正压类等5类，并指出准正压类多发生在夏季副热带高压外侧或内部、温度梯度较弱的地区，流场上的动力强迫和地面局地受热不均起主要作用。副热带高压边缘强对流云型等构成江西强对流天气的8种典型云型特征之一。云图上的强水汽累积区、雷达回波上的回波合并，是判断雷电发生和强对流天气的重要依据。马中元等[4-8]将江西致灾大风分为飑线回波带与超级单体、冷锋雷暴回波带、由雷暴下沉气流触发的无降水致灾大风等3类，并统计指出6—9月的强雷暴天气集中在11—20时，回波合并、强回波水平尺度较大、“指状”、“弓状”、陡直“零值线”、VIL超过50 kg/m2等是强风暴天气出现的特征，飑线形成前期，MCS南侧出现多条平行短带“梳状”回波特征，并在其南端不断产生对流单体回波，窄带回波移动速度可以定性判断地面大风级别。应冬梅等[9-10]统计了江西飑线回波的回波参数，并指出三体散射回波、钩状回波或指状回波、弱回波区、有界弱回波区、回波墙和悬垂回波及明显的出流边界的特征均出现在强对流发生前20～60 min。支树林等[11-12]分析江西强风暴天气指出，强垂直风切变的存在、“上干下湿”、地面中尺度辐合线是形成雷雨大风的有利条件，雨强越大、45 dBz以上回波伸展高度越高，对应的地闪活动就越剧烈、风暴发生前平均正地闪数越多。黄钰[13]分析指出大于等于30 dBz的回波面积与总闪频次和负地闪频次相关性都比较好。於慧玲等[14]分析指出飑线在生成、发展壮大过程中，飑线系统与强对流风暴合并，会导致雷暴天气加强和降雨量增大。邹书平等[15]研究表明雷达组合反射率因子拼图产品对贵州山区局地强对流天气监测预警的范围影响程度较小。这些均为研究江西雷暴大风天气过程提供了理论参考。但多数研究为天气形势和单部雷达回波特征，很少应用到多部雷达拼图和STI等资料。

本文使用天气形势、卫星云图、单部雷达资料、江西WEBGIS雷达拼图与风暴跟踪信息STI等资料，分析2020年7月11日出现在江西西部和北部区域的雷暴大风天气过程，以期得到相应的预报指标与规律，为后期的预警预报服务工作提供参考依据。

1 天气实况

2020年7月11日16—21时，江西国家站记录10站次大风天气，其中9站雷暴大风，1站庐山风景区高山站大风(表1)。对应在区域站有63站次出现雷暴大风天气(图略)，远远超过国家站的数量。雷暴大风的强度不是很大，国家站最大记录到21.8 m/s(庐山市)，这可能与造成大风的雷暴回波带的回波强度(55 dBz)不是太强等因素有关。雷暴回波带产生的降水不大，没有达到暴雨量级(图略)，6 h国家站最大23.1 mm，区域站最大45 mm，主要还是以大风天气为主。

表1 2020年7月11日江西雷暴大风统计表Tab.1 Statistical Table of Thunderstorms and Gales in Jiangxi on July 11,2020

此次雷暴大风天气过程主要发生在江西西北部地区，16时56分，宜丰县国家站是最早产生雷暴大风的县站，区域站更早一些，宜丰县中部出现大范围8级以上雷暴大风。

全县12个乡(镇)有6个出现8级以上雷暴大风，占比50 %，同时还有2个乡镇出现7级雷暴大风。有3个乡(镇)风力达9级以上，以芳溪镇24.1 m/s为最大；8级以上大风的风向以西南偏西风为主(表2)。

表2 宜丰县2020年7月11日16—18时7级以上雷暴大风天气实况Tab.2 Thunderstorms and gale weather with magnitude above 7 in Yifeng County from 16∶00 to 18∶00 on July 11,2020

2 天气形势和云图演变

2.1 天气形势

2020年7月11日，08时100 hPa，江西处在西北转东北风的反气旋环流控制之中(图略)，大陆高压西风与副高边缘东北风合力形成偏北气流；20时100 hPa(图略)，气流得到进一步加强，反气旋式环流更加明显。南昌探空资料上呈东北风气流。100 hPa高空风是辐散分流区，对此次雷暴大风天气起到了加强作用，所形成的积雨云砧伸向西南方向，与雷暴回波带移动方向正好相反[13]。08时500 hPa，低槽位于110°E湖北西北部至贵州中部，江西处于副高西北部边缘与湖南、广东西南气流中(图1a)；20时500 hPa(图略)，随着副高加强北抬，588 dagpm线跨越江西，副高边缘西南气流有所加强。500 hPa西南急流为此次雷暴大风系统提供了移动能量，雷暴大风系统沿着500 hPa高空风向东北方向移动。08时850 hPa，重庆等地有低涡，切变线位于重庆—湖南西北部—湖北中部—安徽中南部，切变线以南为西南气流，江西上空有低空西南急流，赣州风速达20 m/s，南昌14 m/s，安庆16 m/s(图1b)；20时850 hPa(图略)，重庆低涡有所加强但位置少动，切变线位置有所北抬，西南急流跟随北移。

08时地面图，重庆等地有气旋波发展，地面倒槽经湖南中北部伸向安徽东部，倒槽东南侧经过江西西北部地区，地面有东南风与西北风或东北风形成的地面辐合线生成(图1c)；11时、14时、17时、20时地面图(图略)，地面倒槽不断发展加强，并逐渐东伸至东部沿海，江西处在西南倒槽控制中；随着地面倒槽的发展东移，江西西北部地面辐合线位置却少动维持，为此次雷暴大风天气提供了触发机制和维持机制。

图1 2020年7月11日08时天气形势Fig.1 Weather situation at 08∶00 on July 11,2020

由此可见，100 hPa反气旋环流为雷暴天气的发展提供了辐散和分流条件；500 hPa江西西北部处于副高边缘，为雷暴回波带向东北方向移动提供了动力；850 hPa西南急流、低涡和切变线以及地面辐合线为雷暴回波带提供了触发机制和维持机制，这些都是副高边缘强对流天气的主要天气系统配置。

2.2 卫星云图

江西西北部有两块中尺度对流云团(MCS)东移、发展、合并的过程(图2)。16时，江西西北部有对流云团发展，其中西南的对流云团影响范围较大。16时30分(图2a)，进行西南部对流云团东移发展，形成较明显的二块较强对流云团，云顶温度较低，出现白色与淡灰色上冲云顶。17时(图2b)，2块对流云团边界合并，强度继续发展，淡灰色上冲云顶面积增大，颜色加深。16时56分，宜丰最早出现19.7 m/s雷暴大风。17时30分(图2c)，2块对流云团整体合并成面积较大强对流云团，对流继续发展，淡灰色至黑色上冲云顶已占据强对流云团大半范围，江西西北部出现较大面积雷暴大风天气，国家站记录9站雷暴大风，区域站有63站次出现雷暴大风天气。

图2 2020年7月11日16时30分(a)、17时(b)和17时30分(c)卫星云图Fig.2 Satellite cloud image at 16∶30(a),17∶00(b)and 17∶30(c)on July 11,2020

由此可见，卫星云图上发展旺盛的中尺度对流云团MCS的移动与合并、加强是产生雷暴大风天气的重要原因，其上冲云顶的亮温一般要达到灰—黑色，即达-60～-80 ℃或更低。

3 雷达回波特征

3.1 回波演变

图3是2020年7月11日雷暴大风过程的雷达拼图，最早出现的19.7 m/s雷暴大风发生在16时65分宜丰国家站(周边区域站时间会更早些)，以宜丰最早产生雷暴大风的时间点来讨论雷暴回波短带的演变。

15时30分(图3a)，在江西西部地区有多个雷暴单体回波发展，这些对流回波单体属于副高边缘午后热雷雨性质，主要分布在江西西部山区。宜丰西南方向多个雷暴回波单体间隔排列成南北走向带；回波在发展中，CR强度45～50 dBz，朝东北方向移动，移动速度大约40～50 km。16时(图3b)，雷暴单体发展较快，CR强度提高至50～55 dBz，由于回波发展旺盛，强单体上出现≥10 mm/10 min超短时强降水[14](图中红色或粉红色圆圈)；单体回波面积扩大，在向东北方向移动过程中，回波开始出现合并。16时30分(图3c)，回波逐渐合并发展成较紧密回波短带，并逼近宜丰范围，多单体回波合并造成回波短带发展旺盛，CR强度50～55 dBz，局部达到60 dBz，出现≥10 mm/10 min超短时强降水[14]；短带中段移速加快，回波带开始出现弯曲。

17时(图3d)，回波弯曲发展成“弓”状回波带，CR强度50～55 dBz，局部达到60 dBz，16时56分宜丰站最早出现19.7 m/s雷暴大风，宜丰范围出现≥10 mm/10 min超短时强降水[14]；“弓”状回波带朝东北方向移动，速度大约40～50 km。17时30分(图3e)，“弓”状回波移出宜丰，回波带上多处出现≥10 mm/10 min的超短时强降水[14]。18时(图3f)，“弓”状回波带移出宜丰范围，CR强度45～50 dBz略有减弱，但18时30分(图略)之后，回波短带在江西西北部地面辐合线附近再次猛烈发展，造成多地出现雷暴大风和超短时强降水。

图3 2020年7月11日15时30分—18时江西WEBGIS雷达拼图及10 min雨量叠加图Fig.3 Jiangxi WEBGIS radar mosaic and 10-minute rainfall overlay from 15∶30 to 18∶00 on July 11,2020

由此可见，宜丰雷暴大风是由副高边缘局地热雷雨发展、合并成为回波短带、“弓”状回波带所造成，回波短带尺度100 km之内，回波强度达≥50 dBz，近似南北走向；回波短带中部向前凸起，形成“弓形”回波结构，宜丰雷暴大风就发生在回波短带凸出部位前沿。回波短带和“弓”状回波带上的强单体回波，往往造成局地≥10 mm/10 min的超短时强降水[14]。18时30分后，回波短带在江西西北部地面辐合线附近再次猛烈发展，造成多地出现雷暴大风和超短时强降水。

3.2 风暴跟踪信息STI

风暴跟踪信息STI(Storm Tracking Information)移动路径，不仅能够反映回波单体的移动速度与移动方向，还能反映出回波系统的强度。

15时30分(图4a)，江西西部有多个午后局地热雷雨回波发展，这是江西副高边缘低层西南气流在山地影响下最易出现的局地热雷雨对流回波。对应的风暴跟踪信息STI移动路径显示(图4d左下角图标)，雷雨回波平均移动方向50°，平均移动速度45 km/h；图中STI信息用直线连接点表示，分别代表15、30、45、60 min(红点)4个时次的位置。16时(图4b)，热雷雨发展成南北走向回波短带，对应的风暴跟踪信息STI移动路径显示(图4e)，回波短带移动方向50°，平均移动速度45 km/h，几乎没有变化。16时30分(图4c)，回波短带发展，中段略有弯曲，形成“弓”状回波带。风暴跟踪信息STI移动路径显示(图4f)，“弓”状回波短带将于0.5 h之内进入宜丰，26 min之后，宜丰出现8级以上雷暴大风。

图4 2020年7月11日15时30分—16时30分风暴跟踪信息STI移动路径分析Fig.4 STI moving path analysis of storm tracking information from 15∶30 to 16∶30 on July 11,2020

风暴跟踪信息STI是单部多普勒雷达上描述强回波移动重要算法与指标，但单部雷达STI产品有时候计算会有误差和不合理的地方，这是应用中需要注意的。雷达拼图上的风暴跟踪信息STI是将单部雷达上描述的STI通过算法，在多部雷达拼图上集成在一起，形成雷达拼图风暴跟踪信息STI移动路径。把多部雷达的STI信息进行平均，形成风暴平均移动路径与速度，以圆圈形式显示在图的左下角，圆圈中的时钟线指向表明回波平均移向，圆圈下的标尺内红色小格长度表明回波平均移动速度，1个小格为10 km，若红色小格有3个，则回波移速为30 km/h，以此类推。雷达拼图上风暴跟踪信息STI弥补了单部雷达STI信息数量少和有时出现误差的不足，多部雷达STI信息相互补充和叠加，形成STI“密集区”，有效地提高了STI的可靠性。从此次宜丰出现雷暴大风天气的STI信息上看，回波短带稳定向50°方向移动，移动速度45 km/h。16时和16时30分，可以明确判断回波短带将影响宜丰，预报时效可提前30 min以上。

由此可见，风暴跟踪信息STI有助于预报员识别和判断回波系统的移动，STI移动方向和移动速度图标直观有效，从而能发布更为精准的预报预警信息。

3.3 单部雷达产品特征

从16时52分宜春SA雷达的CR产品上看，16时56分造成宜丰19.7 m/s雷暴大风的回波系统是由“弓”状回波带向前突出的强回波单体造成，回波中心CR强度达55～60 dBz(图5a圆圈处)；ET回波顶高15～17 km，并有较明显的倾斜回波结构，即回波顶最高处位于强回波的后侧，表明带上强单体回波具有倾斜回波结构，对流发展旺盛；垂直液态水含量VIL达25～30 kg/m2，即VIL强度比较小，未达到出现冰雹的阈值(VIL≥ 45 kg/m2)，体现出雷暴大风或短时强降水的VIL结构。

对16时52分宜春SA雷达的宜丰强回波从雷达圆点～30°方向沿径向做垂直剖面。反射率因子Z垂直剖面RHIz上(图5b)，0 dBz回波顶高在18 km，45 dBz的强回波伸展高度在7 km以下；强回波顶上20 dBz回波顶在16 km以上，具有倾斜结构。径向速度V垂直剖面RHIv上(图5c)，速度结构有3个特征：①正负速度区分布呈“下正上负”结构，即大片正速度区上有负速度切变；②大片正速度区中存在≥27 m/s的大值区；③正速度区底层(近地面)强回波处有负速度异值区。

图5 2020年7月11日16时52分宜春SA雷达CR、RHIz、RHIv产品Fig.5 CR,RHIz and RHIv products of Yichun SA radar at 16∶52 on July 11,2020

由此可见，宜春SA雷达上雷暴大风是由近南—北走向的对流回波短带造成，组合反射率CR达55～60 dBz，垂直液态水含量VIL达25～30 kg/m2，回波顶高ET达14～15 km；反射率因子Z垂直剖面RHIz，0 dBz回波顶高在18 km，45 dBz的强回波伸展高度在7 km以下，具有倾斜结构。径向速度V垂直剖面RHIv，具有“下正上负”的结构、正速度区中存在≥27 m/s的大值区和正速度区近地面有负速度异值区。

4 结论与讨论

使用天气形势、卫星云图、江西WebGIS雷达拼图和宜春SA雷达产品等资料，对2020年7月11日江西雷暴大风天气过程进行分析，主要结论如下：

①2020年7月11日16—21时，江西国家站记录10站次大风天气，其中9站雷暴大风，对应在区域站有63站次出现雷暴大风天气。

②100 hPa反气旋环流、500 hPa江西西北部处于副高边缘、850 hPa西南急流、低涡和切变线，以及地面辐合线，为雷暴回波带提供了触发机制和维持机制。

③中尺度对流云团MCS的移动与合并、加强是产生雷暴大风天气的重要原因，其上冲云顶的亮温一般要达到灰—黑色，即达-60～-80 ℃或更低。

④雷暴大风由副高边缘局地热雷雨发展、合并成为回波短带、“弓”状回波带所造成，雷暴大风就发生在回波短带凸出部位前沿。回波短带上的强单体回波，往往造成局地≥10 mm/10 min的超短时强降水。

⑤风暴跟踪信息STI有助于预报员识别和判断回波系统的移动，STI移动方向和移动速度图标直观有效，进而能发出更为精准的预报预警信息。

⑥宜春SA雷达上，雷暴大风是南北走向的回波短带，组合反射率CR达55～60 dBz，垂直液态水含量VIL达25～30 kg/m2，回波顶高ET达14～15 km；反射率因子Z垂直剖面RHIz，0 dBz回波顶高在18 km，45 dBz的强回波伸展高度在7 km以下，具有倾斜结构。径向速度V垂直剖面RHIv，具有“下正上负”的结构、正速度区中存在≥27 m/s的大值区和正速度区近地面有负速度异值区。

本文对多部雷达拼图资料在雷暴大风等强对流天气方面的应用做了初步分析，多部雷达拼图资料的探测范围、精度和可靠性明显优于单部雷达，弥补单部雷达探测距离、地球曲率、挡角盲区和距离衰减等缺陷，是研究分析强对流天气的工具。但雷达拼图缺乏速度场、垂直剖面等产品图，因此，两种资料的融合应用是未来发展的需求。风暴跟踪信息STI在雷达拼图上的应用从2018年才开始，积累资料有限。但从目前个例分析上看，风暴跟踪信息STI在强对流天气、暴雨天气、雨雪天气和冷空气天气的活动中，发挥了比较好的作用，能帮助预报员进行回波系统的外推和研判。未来可将这些资料的应用融合到客观预报方法中，包括回波系统识别、外推和预警预报。