[科普中國(guó)]-雷暴回波

雷暴

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)對(duì)流單體就是一個(gè)強(qiáng)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(dá)到對(duì)流層頂。1

由對(duì)流單體構(gòu)成的雷暴系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(fēng)、陣雨的對(duì)流系統(tǒng)稱為“普通雷暴”或“雷暴”；而把伴有暴雨、大風(fēng)、冰雹、龍卷等嚴(yán)重災(zāi)害性天氣現(xiàn)象的強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)叫做“強(qiáng)雷暴”或“對(duì)流風(fēng)暴”。普通雷暴和強(qiáng)雷暴只在天氣現(xiàn)象的強(qiáng)度上有所差別，其他沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。1

強(qiáng)雷暴的回波特征強(qiáng)雷暴可以由一個(gè)對(duì)流單體組成，也可以由多個(gè)對(duì)流單體組成。按照其強(qiáng)度分類，可以分為普通單體雷暴、多單體風(fēng)暴，超級(jí)單體風(fēng)暴三類。其中超級(jí)單體風(fēng)暴的強(qiáng)度最大，帶來(lái)的災(zāi)害性天氣也最強(qiáng)。人們發(fā)現(xiàn)，超級(jí)單體風(fēng)暴區(qū)別于其他類型風(fēng)暴的主要?jiǎng)恿W(xué)特征是它總是伴隨著一個(gè)持久而深厚的中氣旋。1

大量觀測(cè)事實(shí)表明，強(qiáng)雷暴云的回波結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)以下特征：

回波強(qiáng)度通?？蛇_(dá)50 dBz甚至更強(qiáng)。這是由于雷暴云中含水量豐富，且上升氣流較強(qiáng)，含水量累積區(qū)含有大量的過(guò)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(qiáng)度很強(qiáng)。強(qiáng)雷暴的雷達(dá)回波強(qiáng)度相對(duì)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(jí)單體風(fēng)暴的雷達(dá)回波強(qiáng)度是所有對(duì)流云中最強(qiáng)的。1

雷達(dá)回波頂通常所說(shuō)的回波頂高度，是指雷暴云上部30 dBz回波強(qiáng)度所在的高度。由于雷暴云的發(fā)展過(guò)程中具有較強(qiáng)的上升氣流，上升氣流攜帶大量的水汽向上運(yùn)動(dòng)，水汽到達(dá)一定高度處聚集凝結(jié)，強(qiáng)上升氣流繼續(xù)帶著凝結(jié)的大粒子向上運(yùn)動(dòng)，在高處出現(xiàn)強(qiáng)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(gè)別強(qiáng)雷暴回波頂高可達(dá)到20 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通對(duì)流云。大量的觀測(cè)和研究表明，回波頂高相對(duì)于低層反射率因子的位置可以很好地指示對(duì)流風(fēng)暴的強(qiáng)弱。1

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

云頂上沖云體內(nèi)部的強(qiáng)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(shí)雷暴處于發(fā)展階段，上升氣流強(qiáng)盛；當(dāng)雷暴云頂表現(xiàn)為龐大而平滑的圓頂狀時(shí)，說(shuō)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(dá)到對(duì)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(fēng)場(chǎng)的作用，形成向雷暴云的移動(dòng)方向伸展的云砧。云砧通?？缮煺惯_(dá)50～1 50 km，甚至更遠(yuǎn)。云砧中沒(méi)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(qiáng)度梯度大，界面陡立。構(gòu)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(zhǎng)，形成大冰雹，當(dāng)上升氣流支撐不住冰雹粒子時(shí)，地面就會(huì)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(qiáng)，回波區(qū)強(qiáng)度梯度增強(qiáng)，因而形成了垂直方向的特強(qiáng)回波區(qū)，即回波墻。1

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

懸垂?fàn)罨夭?img src="https://img-xml.kepuchina.cn/images/newsWire/e42uRapaZtRFDfKP8ib82qWL2dukKtyG7akI.jpg" alt="" />為云砧下部懸掛在空中的強(qiáng)回波區(qū)。云砧中為不產(chǎn)生降水的粒子，粒子在下落的過(guò)程中被雷暴前部輻合所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的上升氣流托持沒(méi)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(qiáng)回波區(qū)”稱為懸垂?fàn)罨夭ā?

前伸的懸垂?fàn)罨夭?、有界弱回波區(qū)、回波墻是強(qiáng)雷暴的三個(gè)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(jiàn)，雷暴前側(cè)伸展的龐大云砧，其伸展長(zhǎng)度超過(guò)40 km。A箭頭所示為強(qiáng)烈的上升氣流所托持而構(gòu)成的懸垂?fàn)罨夭ā４藭r(shí)，已經(jīng)開(kāi)始降冰雹，雷暴云強(qiáng)度逐漸減弱，懸垂回波結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度不大。1

鉤狀回波鉤狀回波是超級(jí)單體雷暴的一個(gè)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?yàn)槌省般^”狀，因而稱為鉤狀回波。1

一般當(dāng)強(qiáng)雷暴云出現(xiàn)有界弱回波區(qū)的時(shí)候，往往表明在強(qiáng)上升氣流中有圍繞垂直軸的強(qiáng)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(guò)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(qiáng)雷暴云發(fā)展成為明顯的鉤狀回波，只有少數(shù)特強(qiáng)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(dāng)鉤狀回波出現(xiàn)時(shí)，說(shuō)明雷暴云已發(fā)展得非常旺盛，此時(shí)往往會(huì)造成了雷雨大風(fēng)和強(qiáng)降水等強(qiáng)烈天氣，同時(shí)還伴有冰雹，產(chǎn)生災(zāi)害性滅氣。但并不是所有的強(qiáng)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(duì)雷達(dá)電磁波的強(qiáng)烈衰減造成的。當(dāng)雷達(dá)探測(cè)冰雹云時(shí)，其徑向的電磁波在通過(guò)強(qiáng)回波區(qū)時(shí)，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(dá)同波特征出現(xiàn)在波長(zhǎng)較短的雷達(dá)中，哈爾濱雷達(dá)站隊(duì)探測(cè)“V”型缺口效果并不明顯。1

陣風(fēng)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(dá)反射率因子圖上呈現(xiàn)為窄帶回波。

強(qiáng)雷暴發(fā)展成熟以后，不但有很強(qiáng)的上升氣流來(lái)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(kāi)始后，由于降水粒子對(duì)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(dá)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(fēng)相遇，這種風(fēng)切變最終形成陣風(fēng)鋒。1

雷達(dá)速度圖特征多數(shù)雷暴云具有完整風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)維持對(duì)流的發(fā)展，表現(xiàn)為低層氣流輻合，高層氣流輻散、垂直風(fēng)切變等。在PPI圖像中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)中氣旋和逆風(fēng)區(qū)。1

逆風(fēng)區(qū)逆風(fēng)區(qū)是指在大片正（負(fù)）速度區(qū)中，出現(xiàn)了一片負(fù)（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(kāi)。

逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)表明此處的風(fēng)向發(fā)生了劇烈的變化，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的風(fēng)切變和輻合。當(dāng)云團(tuán)中出現(xiàn)“逆風(fēng)區(qū)”時(shí)，發(fā)展更加強(qiáng)盛，回波強(qiáng)度增加。當(dāng)雷暴云回波中出現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)時(shí)，單體周圍近地層附近的氣流輻合上升，促使對(duì)流發(fā)展更加旺盛，回波強(qiáng)度迅速增大，回波范圍擴(kuò)大。造成強(qiáng)降水。逆風(fēng)區(qū)產(chǎn)生的降水常常是對(duì)流性降水，出現(xiàn)雷雨大風(fēng)的幾率比較低?？梢?jiàn)，逆風(fēng)區(qū)是出現(xiàn)強(qiáng)降水的另一個(gè)重要指標(biāo)。1

中氣旋中氣旋為強(qiáng)對(duì)流風(fēng)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(dá)徑向速度回波圖上表現(xiàn)為1：

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

（2）垂直伸展大于等于風(fēng)暴垂直尺度的三分之一。

（3）滿足上面指標(biāo)持續(xù)時(shí)間至少為兩個(gè)體掃。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，伸展厚度一般取2～4個(gè)掃描仰角的高度。

虛假回波超強(qiáng)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(dá)探測(cè)強(qiáng)雷暴時(shí)，由強(qiáng)中心和地面的多次反射使電磁波的傳播距離變長(zhǎng)，產(chǎn)生異?；夭ㄐ盘?hào)，回波返回所用的額外時(shí)間被雷達(dá)顯示在更遠(yuǎn)處，表現(xiàn)為從云中延伸出去的釘子狀回波，也稱為長(zhǎng)釘回波，或耀斑回波，簡(jiǎn)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(dá)回波圖像中經(jīng)?？梢砸?jiàn)到三體散射回波，其延展方向與雷達(dá)的徑向方向一致。而在RHI雷達(dá)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(dá)探測(cè)強(qiáng)雷暴時(shí)，由于強(qiáng)中心的散射強(qiáng)烈，使旁瓣電磁波散射后也被雷達(dá)接收，在強(qiáng)雷暴回波頂部會(huì)出現(xiàn)一尖銳回波，即旁瓣回波。

當(dāng)出現(xiàn)虛假回波時(shí)，說(shuō)明回波強(qiáng)中心強(qiáng)度很大，可判定強(qiáng)烈天氣即將出現(xiàn)。觀測(cè)表明，三體散射回波形成于降雹前5～15 min，對(duì)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(duì)流單體的強(qiáng)度關(guān)系密切，對(duì)流單體越強(qiáng)，旁瓣回波強(qiáng)度越大。1

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

一個(gè)雷暴云可以是一個(gè)對(duì)流單體組成的，也可以是多個(gè)對(duì)流單體組成的。雷暴生消變化很快。一個(gè)雷暴單體回波的生命史可以十幾min到幾十min，發(fā)展強(qiáng)烈時(shí)可維持1～2 h或更長(zhǎng)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(gè)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(jìn)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(jìn)一步發(fā)展。上升速度一般為5～1 0 m/s，甚至更大，因?yàn)閺?qiáng)上升氣流托住云滴，因而沒(méi)有降水產(chǎn)生。1

從雷達(dá)回波特征上看，處于發(fā)展階段PPI雷達(dá)回波圖像上的回波呈塊狀、帶狀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，邊緣較清晰，回波尺度和強(qiáng)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(qiáng)度梯度較大，有時(shí)可見(jiàn)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(shí)間約為15～30 min，云頂向上伸展可達(dá)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(shí)雨滴在下降過(guò)程中蒸發(fā)使空氣冷卻，因而下沉氣流被加速。當(dāng)下沉氣流到達(dá)地面時(shí)，在雷暴云下方形成一個(gè)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(fēng)鋒。1

在成熟階段．云中物態(tài)復(fù)雜，有過(guò)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(guò)冷水大量?jī)鼋Y(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_(dá)對(duì)流層頂附近后向水平方向鋪展，形成了云砧。1

在雷達(dá)回波上表現(xiàn)為，在PPI上的回波塊體大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，邊緣清晰，局部有些發(fā)毛，回波強(qiáng)度很大，在回波梯度較大的一側(cè)可以看見(jiàn)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(duì)應(yīng)的速度圖上，低層輻合高層輻散，有時(shí)伴有逆風(fēng)區(qū)和中氣旋。1

在RHI回波圖像上雷暴的強(qiáng)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(dá)上可出現(xiàn)長(zhǎng)“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(shí)間大約在10～15 min。此時(shí)云內(nèi)上升氣流減弱，下沉氣流逐漸布滿整個(gè)雷暴云體，阻斷了上升氣流攜帶的潮濕水汽進(jìn)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(gòu)松散，邊緣發(fā)毛，其尺度和強(qiáng)度都不斷減小。頂高仍較高但強(qiáng)度梯度明顯降落，強(qiáng)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