[科普中國]-雷暴回波

雷暴

一般來說，一個對流單體就是一個強的氣流上升區(qū)。該氣流上升區(qū)的垂直速度≥10 m/s，水平尺度從十千米到幾十千米不等，垂直伸展可以達到對流層頂。1

由對流單體構成的雷暴系統(tǒng)，簡稱雷暴。雷暴常常發(fā)生在積雨云中，并伴有雷擊和閃電等天氣現(xiàn)象，不同的雷暴所伴隨的天氣現(xiàn)象激烈程度差別很大。通常把伴有閃電、雷鳴、陣風、陣雨的對流系統(tǒng)稱為“普通雷暴”或“雷暴”；而把伴有暴雨、大風、冰雹、龍卷等嚴重災害性天氣現(xiàn)象的強對流系統(tǒng)叫做“強雷暴”或“對流風暴”。普通雷暴和強雷暴只在天氣現(xiàn)象的強度上有所差別，其他沒有本質(zhì)的區(qū)別。1

強雷暴的回波特征強雷暴可以由一個對流單體組成，也可以由多個對流單體組成。按照其強度分類，可以分為普通單體雷暴、多單體風暴，超級單體風暴三類。其中超級單體風暴的強度最大，帶來的災害性天氣也最強。人們發(fā)現(xiàn)，超級單體風暴區(qū)別于其他類型風暴的主要動力學特征是它總是伴隨著一個持久而深厚的中氣旋。1

大量觀測事實表明，強雷暴云的回波結(jié)構常出現(xiàn)以下特征：

回波強度通?？蛇_50 dBz甚至更強。這是由于雷暴云中含水量豐富，且上升氣流較強，含水量累積區(qū)含有大量的過冷卻水和冰粒子等，這些粒子產(chǎn)生的反射率因子較大，因而回波強度很強。強雷暴的雷達回波強度相對于同一地區(qū)、同一季節(jié)出現(xiàn)的普通積雨云較大，其中超級單體風暴的雷達回波強度是所有對流云中最強的。1

雷達回波頂通常所說的回波頂高度，是指雷暴云上部30 dBz回波強度所在的高度。由于雷暴云的發(fā)展過程中具有較強的上升氣流，上升氣流攜帶大量的水汽向上運動，水汽到達一定高度處聚集凝結(jié)，強上升氣流繼續(xù)帶著凝結(jié)的大粒子向上運動，在高處出現(xiàn)強回波，因此回波頂向上延展得很高。雷暴云的回波頂高度一般在10 km以上，個別強雷暴回波頂高可達到20 km，遠遠高于普通對流云。大量的觀測和研究表明，回波頂高相對于低層反射率因子的位置可以很好地指示對流風暴的強弱。1

強回波中心雷暴云中的大量水汽被強上升氣流抬升到0℃層以上的高度，形成冰粒子和過冷卻水滴。這些降水粒子在雷暴云中反復上升下降，循環(huán)增長，匯聚成強的水分累積區(qū)，雷達反射率因子很大，因此，在雷暴的垂直剖面上可以看到強回波中心。1

云頂上沖云體內(nèi)部的強烈上升氣流使云頂出現(xiàn)部分隆起，稱為云頂上沖。通常，出現(xiàn)云頂上沖表明此時雷暴處于發(fā)展階段，上升氣流強盛；當雷暴云頂表現(xiàn)為龐大而平滑的圓頂狀時，說明云中上升氣流變化不明顯，雷暴處于成熟穩(wěn)定狀態(tài)。1

云砧雷暴云上部呈現(xiàn)寬大而伸展的云砧。在雷暴云發(fā)展成熟之后，雷暴云頂達到對流層頂不能再向上發(fā)展，云的中上部氣流便向四周輻散，由于環(huán)境風場的作用，形成向雷暴云的移動方向伸展的云砧。云砧通常可伸展達50～1 50 km，甚至更遠。云砧中沒有降水產(chǎn)生。1

回波墻在云體下層降水區(qū)與回波區(qū)之間，回波區(qū)強度梯度大，界面陡立。構成“回波墻”。通常降水發(fā)生在回波墻附近。1

回波墻出現(xiàn)在雷暴云成熟階段，雷暴云中上升氣流和下沉氣流相互作用使得降水粒子循環(huán)增長，形成大冰雹，當上升氣流支撐不住冰雹粒子時，地面就會出現(xiàn)冰雹天氣。在冰雹降落的區(qū)域，由于冰雹集中降落，并且冰雹的反射率因子很大，周圍的上升氣流較強，回波區(qū)強度梯度增強，因而形成了垂直方向的特強回波區(qū)，即回波墻。1

有界弱回波區(qū)也稱“回波穹窿”。來自雷暴云下前方的強烈上升氣流傾斜地深入云體，在雷暴前部形成強上升氣流區(qū)，在RHI回波圖中表現(xiàn)為無（弱）回波穹隆結(jié)構，與回波墻相配合，成為有界弱回波區(qū)（BWER）。1

懸垂狀回波為云砧下部懸掛在空中的強回波區(qū)。云砧中為不產(chǎn)生降水的粒子，粒子在下落的過程中被雷暴前部輻合所產(chǎn)生的強烈的上升氣流托持沒有降落到地面，因而在雷暴云弱回波區(qū)的上方形成向前伸展的“強回波區(qū)”稱為懸垂狀回波。1

前伸的懸垂狀回波、有界弱回波區(qū)、回波墻是強雷暴的三個重要的回波特征。圖1為2002年7月4日RHI雷暴回波。由圖可見，雷暴前側(cè)伸展的龐大云砧，其伸展長度超過40 km。A箭頭所示為強烈的上升氣流所托持而構成的懸垂狀回波。此時，已經(jīng)開始降冰雹，雷暴云強度逐漸減弱，懸垂回波結(jié)構松散，強度不大。1

鉤狀回波鉤狀回波是超級單體雷暴的一個特征回波，通常出現(xiàn)在低層有界弱回波區(qū)的右側(cè)或右后側(cè)（PPI圖上），因為呈“鉤”狀，因而稱為鉤狀回波。1

一般當強雷暴云出現(xiàn)有界弱回波區(qū)的時候，往往表明在強上升氣流中有圍繞垂直軸的強烈旋轉(zhuǎn)存在。在旋轉(zhuǎn)氣流的作用下，多數(shù)雷暴云在發(fā)展過程中呈氣旋狀回波，但其氣旋狀彎曲并不明顯，其中一部分強雷暴云發(fā)展成為明顯的鉤狀回波，只有少數(shù)特強的雷暴云回波呈反氣旋鉤狀回波，并向氣旋狀鉤狀回波演變。當鉤狀回波出現(xiàn)時，說明雷暴云已發(fā)展得非常旺盛，此時往往會造成了雷雨大風和強降水等強烈天氣，同時還伴有冰雹，產(chǎn)生災害性滅氣。但并不是所有的強雷暴都有鉤狀回波。1

“V”型缺口“V”型缺口常出現(xiàn)在冰雹云的回波特征中。

主要是冰雹云中大冰雹粒子、大水滴等對雷達電磁波的強烈衰減造成的。當雷達探測冰雹云時，其徑向的電磁波在通過強回波區(qū)時，被云中大粒子衰減掉了，因而在冰雹云后部形成“V”字形的缺口。通常這種雷達同波特征出現(xiàn)在波長較短的雷達中，哈爾濱雷達站隊探測“V”型缺口效果并不明顯。1

陣風鋒通常也稱“外流邊界”或“颮鋒”，是邊界層輻合線的一種。在新一代天氣雷達反射率因子圖上呈現(xiàn)為窄帶回波。

強雷暴發(fā)展成熟以后，不但有很強的上升氣流來支撐著云中含水累積區(qū)里的大量水滴和冰雹，而且，在降水開始后，由于降水粒子對空氣的拖曳作用而產(chǎn)生下沉氣流，雨滴降落蒸發(fā)使得周圍空氣冷卻，因而加速了下沉氣流。下沉氣流到達低空后在地面形成雷暴高壓，并向四周流出，向外輻散的氣流與向雷暴低層輻合的環(huán)境風相遇，這種風切變最終形成陣風鋒。1

雷達速度圖特征多數(shù)雷暴云具有完整風場結(jié)構來維持對流的發(fā)展，表現(xiàn)為低層氣流輻合，高層氣流輻散、垂直風切變等。在PPI圖像中有時會出現(xiàn)中氣旋和逆風區(qū)。1

逆風區(qū)逆風區(qū)是指在大片正（負）速度區(qū)中，出現(xiàn)了一片負（正）速度區(qū)，并有明顯的零速度圓環(huán)或半圓環(huán)將二者隔開。

逆風區(qū)的出現(xiàn)表明此處的風向發(fā)生了劇烈的變化，產(chǎn)生了強烈的風切變和輻合。當云團中出現(xiàn)“逆風區(qū)”時，發(fā)展更加強盛，回波強度增加。當雷暴云回波中出現(xiàn)逆風區(qū)時，單體周圍近地層附近的氣流輻合上升，促使對流發(fā)展更加旺盛，回波強度迅速增大，回波范圍擴大。造成強降水。逆風區(qū)產(chǎn)生的降水常常是對流性降水，出現(xiàn)雷雨大風的幾率比較低?？梢?，逆風區(qū)是出現(xiàn)強降水的另一個重要指標。1

中氣旋中氣旋為強對流風暴的上升氣流和后側(cè)下沉氣流緊密相連的小尺度渦旋。在雷達徑向速度回波圖上表現(xiàn)為1：

（1）一對相距很近（最大正、負速度中心之間距離小于等于10 km）的正、負速度對，并且最大正速度和最大負速度絕對值之和的二分之一大于等于10 m/s，不同的探測距離要求也不盡相同。

（2）垂直伸展大于等于風暴垂直尺度的三分之一。

（3）滿足上面指標持續(xù)時間至少為兩個體掃。在實際應用時，伸展厚度一般取2～4個掃描仰角的高度。

虛假回波超強雷暴（冰雹等）具有“三體散射回波”、“旁瓣回波”等虛假回波特征。1

（1）三體散射回波：雷達探測強雷暴時，由強中心和地面的多次反射使電磁波的傳播距離變長，產(chǎn)生異?；夭ㄐ盘?，回波返回所用的額外時間被雷達顯示在更遠處，表現(xiàn)為從云中延伸出去的釘子狀回波，也稱為長釘回波，或耀斑回波，簡稱TBSS，由于大多數(shù)情況下出現(xiàn)在冰雹云中，所以又叫做“冰雹尖峰”。

在冰雹云和颮線的PPI雷達回波圖像中經(jīng)?？梢砸姷饺w散射回波，其延展方向與雷達的徑向方向一致。而在RHI雷達回波圖像中則出現(xiàn)在雷暴單體的旁側(cè)向外伸展。1

（2）旁瓣回波：在雷達探測強雷暴時，由于強中心的散射強烈，使旁瓣電磁波散射后也被雷達接收，在強雷暴回波頂部會出現(xiàn)一尖銳回波，即旁瓣回波。

當出現(xiàn)虛假回波時，說明回波強中心強度很大，可判定強烈天氣即將出現(xiàn)。觀測表明，三體散射回波形成于降雹前5～15 min，對降雹有提前指示作用，可作為冰雹云早期的判據(jù)。旁瓣回波通常與對流單體的強度關系密切，對流單體越強，旁瓣回波強度越大。1

回波演變對積雨云的研究開始于20世紀40年代，Byers和Braham根據(jù)美國的“雷暴計劃”所獲得的觀測資料，將積雨云的發(fā)展過程中占主要的地位的垂直氣流情況，將典型的對流單體的發(fā)展生命史分為發(fā)展、成熟、消散三個階段。在不同的階段中雷暴云的結(jié)構有不同的特征。1

一個雷暴云可以是一個對流單體組成的，也可以是多個對流單體組成的。雷暴生消變化很快。一個雷暴單體回波的生命史可以十幾min到幾十min，發(fā)展強烈時可維持1～2 h或更長一些。1

發(fā)展階段發(fā)展階段主要特征是上升氣流貫穿于整個云體。上升速度隨高度增加，最大上升氣流區(qū)在云體上部的中心，在云體下部不斷有空氣輻合上升進入云體，為積云發(fā)展提供充足的水汽。云中的水汽凝結(jié)，釋放潛熱，有利于上升氣流進一步發(fā)展。上升速度一般為5～1 0 m/s，甚至更大，因為強上升氣流托住云滴，因而沒有降水產(chǎn)生。1

從雷達回波特征上看，處于發(fā)展階段PPI雷達回波圖像上的回波呈塊狀、帶狀，內(nèi)部結(jié)構密實，邊緣較清晰，回波尺度和強度雖然不太大，水平尺度為1 km左右，垂直尺度略大于水平尺度，但處于迅速發(fā)展增大之中。RHI上的回波呈柱狀，并且回波頂強度梯度較大，有時可見云頂上沖。1

成熟階段其主要特征是云下有降水產(chǎn)生。持續(xù)時間約為15～30 min，云頂向上伸展可達12 km。甚至更高。1

成熟階段上升氣流和下沉氣流共存。下沉氣流主要是由降水物的拖曳作用而產(chǎn)生的。同時雨滴在下降過程中蒸發(fā)使空氣冷卻，因而下沉氣流被加速。當下沉氣流到達地面時，在雷暴云下方形成一個冷空氣堆，并向四周輻散，與其前部的暖濕空氣交匯，在其前沿形成陣風鋒。1

在成熟階段．云中物態(tài)復雜，有過冷水滴、雪花和冰晶等水成物，到了凍結(jié)高度，云中仍存在上升氣流和過冷水大量凍結(jié)而釋放潛熱的共同作用，使云頂突然向上發(fā)展。云頂?shù)竭_對流層頂附近后向水平方向鋪展，形成了云砧。1

在雷達回波上表現(xiàn)為，在PPI上的回波塊體大，內(nèi)部結(jié)構密實，邊緣清晰，局部有些發(fā)毛，回波強度很大，在回波梯度較大的一側(cè)可以看見有界弱回波區(qū)、鉤狀回波，還有向前伸展的大片的云砧。相對應的速度圖上，低層輻合高層輻散，有時伴有逆風區(qū)和中氣旋。1

在RHI回波圖像上雷暴的強中心較高，回波高聳，有回波墻、有界弱回波區(qū)、鉤狀回波、云砧等，還可出現(xiàn)虛假回波（在多普勒雷達上可出現(xiàn)長“釘回波”）。1

消散階段其主要特征是下沉氣流占據(jù)了云體的主要部分。雷暴單體消亡迅速，持續(xù)時間大約在10～15 min。此時云內(nèi)上升氣流減弱，下沉氣流逐漸布滿整個雷暴云體，阻斷了上升氣流攜帶的潮濕水汽進入云內(nèi)，雷暴云發(fā)展減弱、直至消失。1

在消散階段的PPI上，回波的尺度仍較大，但內(nèi)部結(jié)構松散，邊緣發(fā)毛，其尺度和強度都不斷減小。頂高仍較高但強度梯度明顯降落，強回波位于中下部，高度不斷下降，后期還可能出現(xiàn)“0℃層亮帶”。1