多普勒天气雷达原理与应用4-强对流风暴及其雷达回波特征

充分挖掘现有设备潜力也应能改进预报效果
左图：08时， 左图：08时
右图：13时 右图：13时
时间：2005年8月17日，上海宝山探空站（58362) 17日 上海宝山探空站（ 时间：2005年 图的左侧为计算的物理量，可以发现08时和１３时相差很大，如K指数有 时和１３时相差很大， 图的左侧为计算的物理量，可以发现08时和１３时相差很大 31.0增大到 31.0增大到38.0，SI指数有-0.3减小至-2.8，CAPE也由2967增大至5742， 增大到38.0，SI指数有 0.3减小至 2.8，CAPE也由 指数有- 减小至也由2967增大至 增大至5742， 对流凝结高度明显下降等等。这些都表明有利于强对流天气的发生。 对流凝结高度明显下降等等。这些都表明有利于强对流天气的发生。
经典超级单体例子3 经典超级单体例子3
2007年 2007年7月27日反中气旋超级单体（常德SB雷达） 27日反中气旋超级单体 常德SB雷达 日反中气旋超级单体（ 雷达）
2007年 2007年7月27日反中气旋超级单体（常德SB雷达） 27日反中气旋超级单体 常德SB雷达 日反中气旋超级单体（ 雷达）
垂直风廓线及其对对流风暴的作用
垂直风切变、 垂直风切变、切变矢量和速度矢图
垂直风切变是指水 平方向的风速随高度 的变化。 的变化 。 在给定的层 次中， 次中 ， 切变风矢指的 是高层和底层风矢量 之差， 之差 ， 切变风矢可以 在所有风场资料层上 绘出。 绘出 。 速度矢图是由 切变风矢组成的。 切变风矢组成的。
0-2km水汽辐合通量
6 雷暴的分类
• 普通单体与超级单体 • 单单体风暴、多单体风暴、超级单体风 单单体风暴、多单体风暴、 暴、飑线
积 云 生Leabharlann Baidu命 史 三 阶 段
A dissipating multicell storm
© 1996 C. Doswell
经典超级单体风暴
After Lemon, 1980
钩状回波的各种变形
经典超级单体风暴
CL supercell - front flank
© 1999 C. Doswell
CL supercell - rear flank
A supercell storm
0.5
1.5
3.5
4.3
长沙（上）和常德（下）雷达径向速度图
强降水超级单体
HP Supercell
© 1996 C. Doswell
High Precipitation Supercell Storm - 25 May 1977
© 1977 C. Doswell
HighHigh-Precipitation (HP) Supercells
• Lower mid-level and anvil-relative flow. midanvil• Interactions with other storms – “seeding”, more storms can occur with weak caps. • Typically associated with weaker tornadoes, but can produce significant tornadoes. • More of a severe wind, hail, and flash flooding threat.
中气旋模拟图及实例
中气旋模型 -蓝金组合涡旋
对于识别中气旋，最好使用风暴相对速度图（右）而 对于识别中气旋，最好使用风暴相对速度图（ 不是基速度图（ 不是基速度图（左）。
超级单体风暴的分类
• 经典超级单体风暴 • 强降水超级单体风暴 • 弱降水超级单体风暴
经典超级单体
Classic Supercells
其中ω 其中ωH3为3km高度上 3km高度上 的水平涡度矢，S 的水平涡度矢，S3为 3km高度上的风切变 3km高度上的风切变 矢，V 矢，VSRO为地面风暴 相对速度。
问题与挑战
全国只有124个探空站 每天观测两次（ 全国只有124个探空站，每天观测两次（ 个探空站， 08和20点），其时空分辨率远远不能满足强对 08和20点），其时空分辨率远远不能满足强对 流天气分析的需要。 流天气分析的需要。 解决办法： 解决办法： 1）增加14点探空； 增加14点探空 点探空； 2）快速数据融合系统
地形的抬升作用
垂直风切变
垂直风切变是指水平风速（ 垂直风切变是指水平风速（包括大小和 方向） 方向）随高度的变化 , 环境水平风向风速的 垂直切变的大小往往和形成风暴的强弱密切 相关。 相关。 一般来说，在一定的热力不稳定条件下， 一般来说，在一定的热力不稳定条件下， 垂直风切变的增强将导致风暴进一步加强和 发展。 发展。
当环境为强气流控制时，风 当环境为强气流控制时， 暴运动主要取决于平流， 暴运动主要取决于平流， 而当环境气流较弱时，风暴 而当环境气流较弱时， 运动主要取决于传播。 运动主要取决于传播。
7 中气旋与超级单体风暴
• 中气旋 • 超级单体风暴的分类
中气旋定义
中气旋是指尺度小于10km的涡旋， 中气旋是指尺度小于10km的涡旋，满足或超过 10km的涡旋 一定的旋转（切变） 垂直伸展和持续性判据。 一定的旋转（切变） 、垂直伸展和持续性判据。 定义1 垂直涡度大于等于10 定义1：垂直涡度大于等于10-2s-1，垂直伸展超 过风暴垂直尺度的1/3 持续2个体扫。 1/3， 过风暴垂直尺度的1/3，持续2个体扫。 定义2 将中气旋分为弱、 定义2：将中气旋分为弱、中、强三个等级， 强三个等级， 旋转速度的要求如图所示，其他要求同上。 旋转速度的要求如图所示，其他要求同上。
风暴相对螺旋度 （storm-relative helicity） stormhelicity）
Brandes于 1989年提出风暴相对螺旋度 Brandes 于 1989 年提出风暴相对螺旋度 ， 它是衡量螺旋 年提出风暴相对螺旋度， 度的一个具有明确意义的物理量。 度的一个具有明确意义的物理量。 相对风暴螺旋度反映了 一定气层厚度内环境风场的旋转程度和输入到对流体内环 境涡度的多少，其量值反映了旋转沿运动方向运动的强弱。 境涡度的多少 ， 其量值反映了旋转沿运动方向运动的强弱。 风暴相对螺旋度取决于风暴相对气流沿流线方向的涡 度 ， 而这些因子又取决于低层垂直风切变的强度和方向以 及风暴的运动。其表达式为： 及风暴的运动。其表达式为：
垂直风切变矢量示意图
风矢及其相关的速度矢图
相对地面速度矢图（ground相对地面速度矢图（ground-relative hodograph） hodograph）
相对风暴速度矢图
风暴相对速度矢量的涡度的分解。 其中ω 其中ωh为水平涡度 ， ωs为流线方向涡度，ωc为垂直流线方向涡度，S为风切变 为流线方向涡度，ω 为垂直流线方向涡度，S 矢量。
螺旋度的几何意义
它与速度矢图中两个层次之间的风暴相对风矢量所 扫过的区域的面积成正比，通常情况下， 扫过的区域的面积成正比，通常情况下，两个层次是指 地面和可观察到风暴入流的顶即LFC高度 高度， 地面和可观察到风暴入流的顶即LFC高度，实际应用时 气流的入流层大约是指0 2km或 3km间的层次 间的层次。 ，气流的入流层大约是指0-2km或0-3km间的层次。 0～3km高度内风 3km高度内风 暴相对螺旋度的 示意图。
5 强对流天气的背景环境
• 不稳定 • 水汽 • 抬升机制 • 垂直风切变
不稳定
• 绝对不稳定：温度递减率大于干绝热递 绝对不稳定： 减率； 减率； • 温度递减率介于干绝热和湿绝热之间。 温度递减率介于干绝热和湿绝热之间。
水汽条件
风暴的发展要求低层有足够的水汽供应。 风暴的发展要求低层有足够的水汽供应 。 风暴常形成于低层有湿舌或强水汽辐合的地区。 风暴常形成于低层有湿舌或强水汽辐合的地区。 据统计，超级单体和多单体风暴的形成要 据统计， 求比普通单体风暴有更大的低层水汽含量。 求比普通单体风暴有更大的低层水汽含量。
2004年 2004年4月22日冷空气爆发（合肥雷达） 22日冷空气爆发 合肥雷达） 日冷空气爆发（
Examples - nontopographic
Ongoing MCS
Frontal boundary
Convective storm outflow boundaries
Organized or disorganized?
风暴运动
风暴运动是平流和传播的合成运动
风暴的平流
由于风暴由流动的气流组成，因此， 由于风暴由流动的气流组成，因此，风暴 具有平流运动， 具有平流运动 ， 其中单个风暴单体是随着风 对流层中层） 暴承载层 （对流层中层）的平均风方向而平 流的。 流的。
风暴的传播
风暴的传播是指在风暴某侧由新生单体所 引发的风暴运动。 引发的风暴运动。传播常常为新上升气流发展 的方向。 的方向。 多单体风暴的传播是不连续的， 多单体风暴的传播是不连续的 ， 即新生单 体以一系列离散过程周期性地发展。 体以一系列离散过程周期性地发展。 超级单体风暴的传播可视为连续的（ 超级单体风暴的传播可视为连续的 （ 或者 可以认为上升气流泡连续脉动) 可以认为上升气流泡连续脉动)。
最大垂直速度
气块在特定环境中绝热上升的最大垂直速度 Wmax理论上取决于CAPE向动能的转换程度。 理论上取决于CAPE向动能的转换程度 向动能的转换程度。 CAPE和 CAPE和Wmax的关系表达式如下： 的关系表达式如下：
Wmax＝(2CAPE)1/2
抬升机制
短波槽、高空急流、锋面、干线等造成的 短波槽、高空急流、锋面、 中尺度垂直环流。雷暴出流边界（阵风锋）、 中尺度垂直环流。雷暴出流边界（阵风锋）、 海陆风边界和其他边界层辐合线 边界层辐合线， 海陆风边界和其他边界层辐合线，以及中尺度 地形和重力波等。 地形和重力波等。 雷暴倾向于在边界层辐合线附近， 雷暴倾向于在边界层辐合线附近，特别是 两条辐合线的相交处生成。 两条辐合线的相交处生成。
Is this really “classic”?
Classic Supercells
Supercell airflow model
Lemon & Doswell, 1979
SUPERCELL
• The WER
– Is the region of weak echo beneath the sloping echo overhang (> 45 dBZ) – Persists longer than it would take for hydrometeors above the WER to fall to ground
对流有效位能CAPE 对流有效位能CAPE
对流有效位能CAPE 对流有效位能CAPE
指气块在给定环境中绝热上升时的正浮力 所产生的能量的垂直积分， 所产生的能量的垂直积分，是风暴潜在强度的 一个重要指标。 logP图上 CAPE正比于 图上， 一个重要指标。在T-logP图上，CAPE正比于 气块上升曲线（状态曲线） 气块上升曲线（状态曲线）和环境温度曲线 层结曲线）从自由对流高度（LFC） （层结曲线）从自由对流高度（LFC）至平衡 高度（EL）所围成的区域的面积。 高度（EL）所围成的区域的面积。 CAPE数值的增大表示上升气流强度及对流 CAPE数值的增大表示上升气流强度及对流 发展的潜势增加 。
左图：08时， 左图：08时
右图：13时 右图：13时
时间：2005年9月21日，上海宝山探空站（58362) 21日 上海宝山探空站（ 时间：2005年 图的左侧为计算的物理量，可以发现08时和１３时相差很大，如K指数有 时和１３时相差很大， 图的左侧为计算的物理量，可以发现08时和１３时相差很大 25.0增大到 25.0增大到34.0，SI指数有2.9减小至0.8，CAPE也由332增大至6871， 对 增大到34.0，SI指数有 减小至 ，CAPE也由 指数有2.9减小至0.8 也由332增大至 增大至6871， 流凝结高度明显下降等等。这些都表明有利于强对流天气的发生。 流凝结高度明显下降等等。这些都表明有利于强对流天气的发生。
4.1.5.3 平流和传播的相对重要性
有组织的多单体 风暴的风暴平流、传播和风暴运动的关系示意图
风暴中的对流单体沿平均风方向向东北平移（V），风暴总体的运动方向（C 风暴中的对流单体沿平均风方向向东北平移（V），风暴总体的运动方向（C）向东， 因为新生单体周期性地出现于风暴的南侧（P 因为新生单体周期性地出现于风暴的南侧（P）。