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雷暴大风是指由大气对流活动所导致的近地面的强阵风事件,瞬时风速可达17m·s-1(或8级)以上,此类天气通常维持时间短,破坏力强,常造成设施严重损毁和人员伤亡,给人民生产、生活带来严重影响。
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雷暴大风形成机理和预报方法一直是强对流天气研究的一个重要内容,许多气象学家在这方面展开了大量研究,取得了丰硕的成果(Johns et al.,1992;姚建群等,2005;孙虎林等,2011;陈明轩和王迎春,2012;刘香娥和郭学良,2012;王秀明等,2012;孙建华等,2014;郑永光等,2015;段亚鹏等,2017;马淑萍等,2019;王黉等,2020)。Johns et al.(1992)提出有利于雷暴内强烈下沉气流的环境条件包括:对流层中下层(500hPa以下)大气环境温度直减率较大,对流层中层(400~700hPa)有明显干层。雷暴大风的发展主要是由强烈的下沉气流造成,有时雷暴下沉气流导致的冷池密度流(阵风锋)和动量下传的作用也很明显(王秀明等,2013)。从风暴结构看,产生雷暴大风的风暴有无组织的、孤立的、结构松散的脉冲风暴,高度组织化的多单体强风暴(包括孤立的弓形回波),超级单体风暴和飑线。雷暴大风的临近预警主要基于多普勒天气雷达回波特征。中层径向辐合和弓形回波是雷暴大风的主要雷达回波特征(李国翠等,2006;俞小鼎等,2006,2012;潘玉洁等,2012;陶岚等,2014),阵风锋回波是短时大风的一种雷达回波特征。何文等(2018)对江西强雷电的天气形势和雷达回波特征进行了总结归纳。陈鲍发和马中元(2019)对产生冰雹的超级单体回波特征进行分析并得出4点判据。王福侠等(2016)、高建平等(2019)对雷暴大风的雷达回波特征进行统计分析,并总结了预报关键点。夏季西太平洋副热带高压带(简称副高)是影响中国天气气候的主要大气环流系统之一,它所处位置的变化和大气低层西南季风暖湿气流的进退,共同决定了中国雨带的时空分布(黄荣辉和李维京,1988;闵锦忠等,2005)。在副高边缘,西南风提供水汽源,高能高湿,且副高边缘常有西风槽的活动,引起强对流天气频发。贺哲等(2020)对河南省一次副高边缘对流性暴雨的多尺度特征进行了分析。刘还珠等(2007)分析了一次副高影响下北京区域性暴雨个例,发现暴雨产生在强的能量锋附近低层气旋性涡度发展、高层辐散显著的地方。王宗敏等(2014)对一次副高外围对流雨带中对流对称不稳定及锋生进行诊断分析,为实际预报副高外围对流雨带的位置和走向提供参考。尹红萍和曹晓岗(2010)分析了盛夏上海地区副热带高压型强对流天气的特征,认为此类天气的发生除需要有较好的层结不稳定条件外,对抬升条件也有较高要求。吴才明等(2019)对2017年8月江西副热带高压边缘产生的4次雷暴大风天气过程进行分析,发现副高边缘雷达回波特征分为两种:一是南北向短带回波,有时会发展为弓状回波;二是强回波单体,超级单体和复合单体回波。吴芳芳等(2010)利用盐城多普勒天气雷达和地面自动站等资料,对2006年8月6日在副热带高压边缘形势下,由超级单体产生的大暴雨和龙卷过程进行分析,得到风暴回波演变的形态可分为“条状-肾形-弓状”三个阶段。张韧等(2012)对2007/2008年冬季我国雨雪冰冻灾害期间副高指数特征与El Niño/La Niña年平均冬半年副高指数特征以及50a平均冬半年副高指数特征进行对比分析。李国翠等(2011)对一次由副热带高压进退引起的强降水天气过程中的GPS可降水量和假相当位温的演变趋势进行了分析。王黎娟等(2005)采用NCEP/NCAR再分析逐日资料,根据特定区域涡度值,定义描述西太平洋副高东西位置的指标和副高东西位置变动特征。弓状回波中存在东西涡旋对,其生成主要是散度项造成,中间相对弱的反气旋涡旋是涡线拱起产生的水平涡度向垂直涡度转换引起(赵向军等,2020)。超级单体的演变可归结为“孤立单体-经典强降水超级单体-减弱东移”三个阶段(闵锦忠等,2018)。弓形回波与对流单体之间的合并特征经历了合并初期、合并中期和完全合并期(侯淑梅等,2018)。宜春地区降水存在着两种不同时间周期的天气系统影响,脉动谱的分布表现出时间周期为5~7d和2~3d的峰值区(魏鸣等,2017)。云水、雨水的比含水量随雹云的发展呈先增长后减少的特点,其增长方式是凝华及碰并过冷云水(刘晓莉和水旭琼,2015)。采用速度方位显示方法(Velocity Azimuth Display,VAD)和交叉相关法(Tracking Radar Echoes by Correlation,TREC),分别得到设定的8个高度的水平风场作为回波的引导风,对相应高度的等高平面位置(Constant Altitude Plan Position Indicating,CAPPI)显示反射率因子进行外推,表明用这两种方法获得的未来60min内的回波位置与回波实况较吻合(刘红艳等,2015)。然而,针对副高边缘型雷暴大风的系统性研究和分析还相对较少,尤其是利用多部雷达拼图资料研究副热带高压边缘型雷暴大风的文献较少。
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本文利用MICAPS常规天气图资料、地面自动气象站资料、雷电资料和24部多普勒天气雷达拼图等资料,采用天气图中分析方法、统计方法、回波图像等分析方法,对江西副热带高压边缘中尺度雷暴大风回波特征进行了分析,试图找出其识别特征,为副热带高压边缘中尺度雷暴大风的预警预报提供依据。
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1 资料来源、天气背景和天气实况
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1.1 资料来源
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常规天气图资料来源于MICAPS系统;地面自动气象站资料来源于江西内网平台和台站气象要素;雷电资料来源于CIMISS数据库的江西短临预报手机平台;24部天气雷达拼图资料来源于江西WebGIS雷达拼图平台。
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1.2 天气背景
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2020年7月11日08和20时(北京时,下同),江西处在副热带高压边缘,588dagpm线在江西以南(或江西中南部穿过),584dagpm线在江西以北,586dagpm线穿过江西(图1)。500hPa和850hPa急流越过江西;100hPa上,大陆高压西风带气流与副热带高压东北风气流交汇,形成东风气流层,造成南昌探空特殊风场,即500hPa西南风,100hPa东北风。图1是江西副热带高压控制和边缘风场典型结构。
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图1 江西副热带高压边缘示意
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Fig.1 Schematic diagram of the edge of Jiangxi subtropical high
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副热带高压是中高纬度西风带的东风回流,江西上空100hPa(16km)是东北风,500hPa(5.5km)是西南风,在垂直方向上呈现逆时针环流,是下沉气流。一方面在副热带高压边缘,西南风提供丰沛的水汽源;另一方面副热带高压好似一堵下沉气流的墙,底层西南气流很难突破,汇聚在一起进行抬升,产生对流运动,形成雷暴天气和短时暴雨等天气。
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副热带高压是西风带的东风回流,其进退演变一是看588dagpm线的进退;二是看100hPa高层东风回流的进退。南昌站100hPa一旦出现东北风,就意味着江西受副热带高压中心控制或处在副热带高压边缘。
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1.3 天气实况
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2020年7月11日,江西国家站记录10站次大风天气,9站雷暴大风,1站高山站大风(表1)。对应在区域站有63站次出现大风天气(图略),远远超过国家站的数量。雷暴大风的等级不是很大,最大21.8m·s-1(庐山市),这可能与雷暴回波带的回波强度(55dBZ)不是太强等因素有关。
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7 月11日16:00—21:00,雷暴回波系统产生的降水不大,没有达到暴雨量级(图略),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。从国家站出现9站雷暴大风天气的每小时大风柱状图(图略)上看,8次雷暴大风发生时风速突增,只有庐山风景区1站,因为前期风速较大并持续,导致21.8 m·s-1大风没有突变的现象。从14:00—23:00雷电分布(图略)看,这次雷暴回波系统伴有较强和密集的雷电。
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2 雷达拼图回波演变与特征
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2.1 雷达拼图回波特征
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雷达拼图由多部雷达拼制而成,江西雷达拼图使用了24部S波段天气雷达。2020年7月11日16:50—20:20,副热带高压边缘出现雷暴回波短带,南北走向,回波强度达到55dBZ(图2)。回波短带自16:50(图2a),从宜丰开始出现19.7m·s-1雷暴大风;18:30(图2b),安义出现20.6m·s-1雷暴大风;19:10(图2c),九江县出现21.4m·s-1雷暴大风、庐山市出现18.3m·s-1雷暴大风;19:30(图2d),九江市出现19.0m·s-1雷暴大风;19:40(图2e),庐山风景区出现21.8m·s-1雷暴大风、都昌出现18.3m·s-1雷暴大风、湖口出现19.1m·s-1雷暴大风;20:20(图2f),彭泽出现18.9m·s-1雷暴大风。回波短带一路向东北方移动,沿途普遍出现雷暴大风天气,除9站国家站有记录外,16:00—21:00有63站区域站记录了大于等于17.2m·s-1的大风。
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由此可见,副热带高压边缘热雷雨回波产生初期是局地对流单体回波,通过不断新生单体和单体合并等方式,形成南北走向的回波短带,这种合并形成的回波短带发展旺盛时,会产生多站雷暴大风天气。
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2.2 拼图回波廓线和前沿线演变特征
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雷达回波演变在雷达拼图回波上十分清楚,根据回波廓线和前沿线画法来分析,回波移动轨迹很有规则(图3),通过分析得到回波短带平均移动方向是60°~70°,平均移动速度为60~70km/h。
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13:00,在湖南衡阳附近生成一块单体A回波;14:00,随着A回波向东北方移动,在A回波北面又有一块单体B回波生成;15:00,A回波移至莲花、B回波移至萍乡,并且周围又有多个单体回波发展;16:00,A回波和B回波发展壮大,其中B回波逐渐形成短带回波结构;17:00,A和B回波开始合并,16:56宜丰出现19.7m·s-1雷暴大风;18:00,A和B回波合并为南北走向的回波短带,中段向前突出,18:37安义出现20.6m·s-1雷暴大风;19:00,A和B回波继续向东北方移动,南北走向回波短带发展旺盛,地面出现多站雷暴大风:19:24九江县风速21.4m·s-1、19:25庐山市风速18.3m·s-1、19:33九江市风速19.0m·s-1、19:48九江风景区风速21.8m·s-1、19:54都昌风速18.3m·s-1、19:54湖口风速19.1m·s-1;20:00,A和B回波短带继续向东北方移动,20:23彭泽风速18.9m·s-1;21:00,A和B回波短带开始减弱;22:00,A和B回波短带移出江西减弱消散。
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由此可见,副热带高压边缘上,南北走向的回波短带是产生雷暴大风的主要回波特征,虽然回波强度只有55dBZ,但移动速度较快(60~70km/h)造成地面大风。南北走向回波短带,一般维持时间较长,从表1中可以看出,雷暴大风前后维持3h多。
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2.3 雷达拼图回波叠加风暴跟踪信息STI
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风暴跟踪信息STI可以显示风暴单体15、30、45和60min的移动位置,有利于判断风暴的移动方向和移动速度。单部雷达的STI会出现一些误差,个别STI计算欠合理。把多部雷达计算的STI叠加在雷达拼图上(图4),去除一些可信度较差的STI,就可以从多部雷达多个STI路径的密集程度中得到风暴的移动趋势,提高STI的总体预测能力,对预报员分析判断风暴的移动提供帮助。
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图2 2020年7月11日16:50—20:20雷达拼图回波特征:(a)16:50;(b)18:30;(c)19:10;(d)19:30;(e)19:40;(f)20:20
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Fig.2 Radar mosaic echo characteristic map from 16:50BST to 20:20BST on July 11,2020:(a)16:50BST;(b)18:30BST;(c)19:10BST;(d)19:30BST;(e)19:40BST;(f)20:20BST
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图3 2020年7月11日13:00—22:00雷达拼图回波廓线和回波前沿线移动路径演变
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Fig.3 Evolution of radar mosaic echo profile and moving path along the front of echo from 13:00BST to 22:00BST on July 11,2020
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由图4可以看出,STI明确指出风暴的移动方向和移动速度,雷暴回波系统朝东北方移动,多数STI重叠更说明STI的可用性。
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3 雷暴回波系统后侧“延伸”回波特征
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3.1 “前伸”和“延伸”回波特征
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在江西强对流天气中,雷达上的“前伸”回波结构是一个明显的特征。受到高空风的影响,积雨云的云砧随风飘向远方,高空风速越大,积雨云发展越高,向前伸展的回波廓线距离越远,这种弱回波伸展方向就是高空风的指向(图5)。
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3 —6月,江西处在西风带大气环流中,回波系统的移动基本沿着高空风向移动,故“前伸”回波指向回波系统移动方向(图5a、b、c);而在7—9月,江西多数情况下处在副热带高压控制或边缘上,500 hPa以下西南风,100 hPa为东北风,造成回波系统沿500 hPa风向东北方移动,“前伸”回波沿100 hPa风向西南方移动,即形成在回波系统后侧出现“延伸”回波结构(图5d)。
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图4 2020年7月11日13:00—21:00雷达拼图和STI风暴跟踪信息叠加:(a)13:00;(b)14:00;(c)15:00;(d)16:00;(e)17:00;(f)18:00;(g)19:00;(h)20:00;(i)21:00
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Fig.4 Overlay of radar jigsaw puzzle and STI storm tracking information from 13:00to 21:00on July 11,2020:(a)13:00BST;(b)14:00BST;(c)15:00BST;(d)16:00BST;(e)17:00BST;(f)18:00BST;(g)19:00BST;(h)20:00BST;(i)21:00BST
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图5 2020年江西四次前伸回波和后侧延伸回波特征:(a)3月21日05:00;(b)3月22日05:00;(c)5月5日17:00;(d)7月11日19:00
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Fig.5 Characteristics of four forward and backward extended echoes in Jiangxi Province in 2020:(a)05:00BST on March 21;(b) 05:00BST on March 22;(c) 17:00BST on May 5;(d) 19:00BST on July 11
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可见,无论是“前伸”回波或是“延伸”回波,反映了回波系统上方的高空风走向和积雨云的云砧飘离方向,一定程度上表现出雷暴回波系统的强弱程度,因为,“前伸”或“延伸”回波伸展越远,表明高空风越大,高层的辐散与动能越强,出现强对流天气的概率越大。
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3.2 后侧“延伸”回波的形成与垂直分布
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后侧“延伸”回波发生在副热带高压控制或边缘的雷暴回波系统上,副热带高压垂直风场表现为100hPa东北风,500hPa西南风。由于,在副热带高压控制或边缘条件下,江西中尺度雷暴回波系统是沿500hPa高空风或500hPa和700hPa平均风方向移动,因此,雷暴回波系统出现单体和整体回波向东北方移动,回波系统的卷云罩(云砧)漂移方向是向西南方移动,高层与中层形成切变,相对移动。
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后侧“延伸”回波随着雷暴回波系统的发展而增强延长。16:00(图6a),雷暴回波系统刚开始发展,从反射率因子垂直回波剖面图上可以看到“延伸”回波只有48km长;18:00(图6b),随着雷暴回波系统的不断发展加强,“延伸”回波伸展到170km长;20:00(图6c),雷暴回波系统发展最强烈时,“延伸”回波伸展达375km。
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由此可见,副热带高压边缘雷暴回波系统后侧的“延伸”回波,随着雷暴回波系统的不断发展加强,“延伸”回波的长度不断加长,最长可达375km,几乎是雷暴回波系统本身长度的三倍以上。
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3.3 后侧“延伸”回波其他个例
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雷暴回波系统后侧“延伸”回波个例很多,但基本特征差不多。表现为:一是雷暴回波系统的移动方向与“延伸”回波方向相反;二是雷暴回波系统随着系统的发展加强而加强和延长。
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2020年7月15日13:00—17:00个例(图略),揭示了雷暴回波后侧“延伸”回波的典型特征。13:00,回波发展初期,“延伸”回波只有20km长;15:00,“延伸”回波发展达115km。值得注意的是:17:00,当雷暴回波已经消失殆尽时,“延伸”回波依然维持在空中,其长度还有110km。这表明“延伸”回波维持时间长于雷暴回波系统,其原因有待进一步深入探讨。
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2020年7月16日14:30—15:30个例(图略),又是一次雷暴回波系统后侧“延伸”回波典型个例。14:30,雷暴回波发展初期,“延伸”回波很短,只有10km左右;15:30(图9b),雷暴回波系统发展旺盛,“延伸”回波延伸到110km。
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这两次“延伸”回波个例的天气形势背景都是在江西副热带高压边缘,100hPa东北风,500hPa西南风,符合出现“延伸”回波的天气条件。
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由此可见,副热带高压边缘的特殊高空风关系,造成雷暴回波系统的移动方向与回波后侧“延伸”回波的方向相反;随着雷暴回波系统的不断发展和加强,“延伸”回波的伸展距离增大。
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图6 2020年7月11日16:00—20:00回波后侧延伸回波特征:(a)16:00;(b)18:00;(c)20:00
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Fig.6 Echo characteristics extending from 16:00BST to 20:00BST on July 11,2020:(a)16:00BST;(b)18:00BST;(c)20:00BST
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4 结论与讨论
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利用MICAPS常规天气图资料、地面自动气象站资料、雷电资料和24部多普勒天气雷达拼图等资料,采用天气图中分析方法、统计方法、回波图像对比等方法,对江西副热带高压边缘中尺度雷暴大风回波特征进行了分析,得到以下结论:
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1)江西副热带高压控制或边缘的风场表现为:100hPa高空图上南昌是东北风,500hPa是西南风,高空风呈现逆时针环流;T-lnP图上层结极不稳定,CAPE不稳定能量面积较大,有利于产生强对流天气。由于100hPa与500hPa上下两层的风向不同,形成切变层,使得雷暴回波系统的移动方向(主要沿500hPa风向移动),与回波系统的云砧伸展方向(主要沿100hPa风向飘动)不一致,从而加剧了对流上升运动,使得雷暴回波系统发展、加强、维持。
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2)副热带高压边缘热雷雨回波产生初期是局地对流单体回波,午后山地的抬升作用十分明显,通过不断新生单体和单体合并等方式,形成南北走向的回波短带。这种合并形成的回波短带发展旺盛时,会在回波短带上强单体回波上产生雷暴大风天气。
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3)副高边缘南北走向的回波短带是产生雷暴大风的主要回波特征,虽然回波强度只有55dBZ,但移动速度较快(60~70km/h),极易带动出现雷暴大风天气。江西WebGIS雷达拼图上叠加风暴跟踪信息STI路径,可以明确风暴的移动方向和移动速度,根据多部雷达STI的密集程度,判断回波系统的移动趋势,增加了STI产品的可用性。
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4)“前伸”或“延伸”回波反映了回波系统上方的高空风走向和积雨云的云砧飘离方向,“前伸”表示高空风为西南风;“延伸”表示高空风为东北风。“前伸”或“延伸”回波伸展越远,表明高空风越大,高层的辐散与动能越强。
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江西冰雹、雷暴大风和短时强降水三类强对流天气的回波特征各有不同。在雷达拼图CR产品上:1)冰雹回波多为超级单体、飑线回波带、回波短带等回波形态,要具备60dBZ以上的回波强度,强回波面积达到或超过10km×10km,30~60dBZ回波梯度要小于6km,并且具备“前伸”回波结构。2)雷暴大风回波多为飑线回波带、回波短带、超级单体等回波形态,要具备50dBZ以上的回波强度,不要求强回波面积的大小,对回波梯度要求不高,超级单体产生的雷暴大风具备“前伸”回波结构。3)短时强降水多为雷暴回波带、絮状回波带、飑线回波带、回波短带、超级单体、强回波单体等回波形态,要具备40dBZ以上的回波强度,强回波面积越大,强降水时间越长,产生强降水的几率越高,对回波梯度要求不高,大多数“前伸”回波结构被下游强回波所掩盖。
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除回波强度、强回波面积和强回波梯度之外,回波具有“前伸”(西风带系统下)或“延伸”(副高边缘东风系统下)回波结构,对判断是否出现雷暴大风有一定的指示意义。“前伸”或“延伸”回波的发展增长过程,预示着高空风速的增大和雷暴云体的发展,越长越有利于雷暴大风的产生。
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参考文献
摘要
利用MICAPS常规天气图资料、地面自动气象站资料、雷电资料和雷达拼图等资料,采用天气图中分析方法、统计方法、回波图像、回波廓线等分析方法,对2020年7月11日江西副热带高压边缘中尺度雷暴大风回波特征进行分析,结果表明:1)副热带高压控制或边缘上,江西上空100 hPa是东北风,500 hPa是西南风,高空呈现逆时针环流,T-lnP图上层结不稳定,对流有效位能CAPE(Convective Available Potential Energy)面积较大,对产生强对流天气有利;由于上下两层的风向不同,使得雷暴回波系统的移动与回波系统的云砧伸展方向不一致,从而加剧了对流上升运动,使得雷暴回波系统发展、加强、维持。2)回波产生初期是局地对流单体回波,通过不断新生单体和单体合并等方式,形成南北走向的回波短带,这种合并形成的回波短带发展旺盛时,会产生多站雷暴大风天气。3)南北走向的回波短带是产生雷暴大风的主要回波特征,虽然回波强度只有55 dBZ,但移动速度较快(60~70 km/h),造成地面大风。江西WebGIS雷达拼图上叠加多部雷达风暴跟踪信息STI(Storm Tracking Information),可以明确风暴的移动方向和移动速度,根据STI 密集区判断,增加了STI的可用性。4)“前伸”或“延伸”回波反映了回波系统上方的高空风走向和积雨云的云砧飘离方向。“延伸”回波一定程度上表现出副高边缘雷暴回波系统的强弱程度。为改进副热带高压边缘中尺度雷暴大风的预警预报准确率提供依据。
Abstract
The echo characteristics of Jiangxi subtropical high edge mesoscale thunderstorm gale on July 11,2020 were examined using MICAPS conventional weather map data,ground automatic weather station data,lightning data and radar mosaic data,for the study of weather evolution and radar mosaic echo characteristics.The results show that:1) under the control or edge of subtropical high,the northeast wind is at 100 hPa and the southwest wind is at 500 hPa over Jiangxi,and the upper layer of T-lnP is unstable and CAPE area is large,which is beneficial to strong convective weather;Because of the different wind directions on the upper and lower floors,the movement of thunderstorm echo system is inconsistent with the extension direction of cloud anvil of echo system,which intensifies the convection rising movement and makes thunderstorm echo system develop,strengthen and maintain.2) At the initial stage of echo generation,it is the local convection single echo,and the echo short band in the northsouth direction is formed by using the new generation and a single combination.As the echo short band forms vigorously,it will produce thunderstorms with multiple stations and windy weather.3) The main echo feature of a thunderstorm gale is the short echo band in the north-south direction.Despite the low echo intensity of 55 dBZ (60-70 km),the echo travels at speed,resulting in the gale.The multiple radar storm tracking information STI (Storm Tracking Information) is superimposed on Jiangxi WebGIS radar mosaic,which can clearly show the moving direction and speed of storms,and will be more useful if STI dense areas are used.4)The “forward” or “extended” echo reflects the high-altitude wind direction over the echo system and the cloud anvil drifting away from cumulonimbus clouds.In some ways,the “extended” echo shows the strength of the thunderstorm echo system at the edge of the subtropical high.It provides a basis for improving the early forecasting and early warning of mesoscale thunderstorm gales at the edge of subtropical highs.
