楊金紅，吳 蕾，李瑞義，孟昭林，姚 聃

（中國氣象局氣象探測中心，北京 100081）

引言

中國氣象局氣象探測中心于2018 年啟動綜合氣象觀測產(chǎn)品系統(tǒng)建設(shè)，研發(fā)了多種類綜合氣象觀測產(chǎn)品，其中雷達三維組網(wǎng)產(chǎn)品、組網(wǎng)冰雹識別產(chǎn)品等經(jīng)過近兩年的修改完善，在強對流監(jiān)測、暴雨監(jiān)測，以及重大活動氣象保障服務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

目前國內(nèi)外對雷暴大風、冰雹、龍卷發(fā)生機理做了許多統(tǒng)計或研究，余蓉等［1］對華北、華中、華東區(qū)域雷暴大風的空間分布及年代際變化進行詳細分析，初步討論造成這種變化的可能原因。龍柯吉等［2］對四川盆地出現(xiàn)雷暴、大風站點對應的雷達回波特征進行了統(tǒng)計分析，并指出這些特征可對雷暴大風的預警提前10min。丁青蘭等［3］總結(jié)了北京暖季雷暴大風的地理分布和氣候概率，以及柴東紅等諸多學者［4－7］對雷暴大風環(huán)境的天氣氣候?qū)W特征、時空分布變化、成因等進行分析和研究，都提出了一些有意義的特征指標。李國翠等［8］利用雷達三維拼圖、地面災害大風等數(shù)據(jù)，并基于模糊邏輯法建立并識別大風的算法，為預警大風出現(xiàn)的位置提供了基礎(chǔ)。王福俠等［9］對多個出現(xiàn)雷暴大風個例回波特征進行統(tǒng)計分析，得出雷暴大風預警的3 個指標，出現(xiàn)其中一個或多個特征均可發(fā)布雷暴大風預警。彭建東等［10］、許云杰等［11］、覃皓等［12］基于單站雷達對冰雹的特征進行了分析，提出了幾個冰雹預警的關(guān)鍵性指標。

針對龍卷天氣，近年來隨著雷達雙偏振技術(shù)的升級，對龍卷的觀測與識別取得了顯著進展［13－15］。多地開展的S 波段雷達與X 波段雷達協(xié)同觀測和精細化探測試驗為龍卷等小尺度天氣的捕捉提供了精細化探測手段，相控陣天氣雷達的出現(xiàn)，更是將龍卷的捕捉、結(jié)構(gòu)特征的顯示向前邁進了一步［16］，這些新技術(shù)、新試驗在一定程度上能夠提高龍卷的監(jiān)測能力，但都處于試驗階段。劉俊等［17］為了支撐蘇北龍卷監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)，研究了蘇北龍卷雷達組網(wǎng)策略，取得較好的效果。在龍卷分析與算法識別上，大都僅限于WSR－88D 算法，其識別的虛警率較高，中國氣象局氣象探測中心在原算法基礎(chǔ)上做了些質(zhì)控，降低了虛警率，研發(fā)了龍卷渦旋特征識別移動路徑組網(wǎng)產(chǎn)品，在2021 年發(fā)生的兩個龍卷監(jiān)測中發(fā)揮了效益。

本文主要利用中國氣象局氣象探測中心研發(fā)的雷達三維組網(wǎng)產(chǎn)品、雷達風場反演產(chǎn)品、冰雹識別組網(wǎng)產(chǎn)品、龍卷渦旋特征識別移動路徑產(chǎn)品對2021 年發(fā)生的4 次強對流天氣過程進行復盤分析，以便發(fā)現(xiàn)在強對流監(jiān)測中雷達觀測產(chǎn)品存在哪些短板，進一步完善雷達觀測產(chǎn)品，更好地發(fā)揮雷達產(chǎn)品在強對流監(jiān)測的應用效益。

1 雷達監(jiān)測產(chǎn)品在“4·30”江蘇雷暴大風、冰雹中的應用分析

受東北冷渦和高空冷空氣的影響，2021 年4 月30 日17∶00—21∶00，華東地區(qū)遭受雷暴大風、冰雹等強對流天氣襲擊，涉及山東、安徽、江蘇、浙江等省份，其中江蘇省大部分地區(qū)日極大風速達8 級以上，南通沿海監(jiān)測到15 級的陣風。徐州、宿遷、連云港等9 個市出現(xiàn)冰雹，其中宿遷和淮安局部地區(qū)最大冰雹直徑5cm，屬于大冰雹。

中國氣象局氣象探測中心研發(fā)的雷達三維組網(wǎng)產(chǎn)品是基于全國業(yè)務(wù)運行236 部雷達體掃基數(shù)據(jù)資料，經(jīng)過一系列非降水回波質(zhì)量控制后，通過格點插值將質(zhì)控后的基數(shù)據(jù)從極坐標系轉(zhuǎn)換到笛卡兒坐標系，形成全國1km×1km 分辨率的三維網(wǎng)格組網(wǎng)數(shù)據(jù)，并實時地生成多種全國組網(wǎng)產(chǎn)品，產(chǎn)品時間分辨率10min。該產(chǎn)品不同于目前業(yè)務(wù)上使用的基于雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)研發(fā)的拼圖產(chǎn)品，它是基于雷達基數(shù)據(jù)的組網(wǎng)產(chǎn)品，包含的信息量更多些，另一方面，大多數(shù)質(zhì)控算法是基于雷達基數(shù)據(jù)研發(fā)，而探測中心集成了多種質(zhì)控算法于雷達三維組網(wǎng)產(chǎn)品上，從數(shù)據(jù)質(zhì)量角度來看，三維組網(wǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量要好些。

1.1 雷達三維組網(wǎng)產(chǎn)品對冰雹監(jiān)測分析

從4 月30 日17∶00—20∶00 雷達三維組網(wǎng)產(chǎn)品疊加冰雹識別產(chǎn)品演變過程可看出，17∶00，在江蘇北部的徐州、宿遷一帶有強對流回波發(fā)展，17∶20 兩個60dBZ 的強回波中心生成，淮安市西北方向冰雹識別產(chǎn)品顯示有冰雹發(fā)生，地面淮安五里鎮(zhèn)、沭陽縣吳集鎮(zhèn)等多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，之后，回波快速地向東南方向移動，且強回波單體不斷地加強，18∶00 在淮安上空分裂成兩個強對流單體，在18∶10 風暴單體演變成超級單體，最大回波強度達到69dBZ，60dBZ強回波頂高達到8～9km 左右，表明對流發(fā)展旺盛，此時冰雹產(chǎn)品識別出強冰雹概率96%，冰雹最大直徑58mm，而地面報告淮安市區(qū)、淮陰區(qū)、淮安區(qū)、漣水等地出現(xiàn)冰雹，最大直徑50mm。19∶00 鹽城、南通北部多地識別出有冰雹發(fā)生，識別出的最大冰雹直徑24mm，災情直報系統(tǒng)實況描述出現(xiàn)的冰雹最大直徑約20mm 左右。20∶00 冰雹識別產(chǎn)品顯示鹽城東臺市東部地區(qū)有冰雹發(fā)生，冰雹直徑25mm，地面報告冰雹直徑10～20mm?？梢?，雷達三維組網(wǎng)疊加冰雹識別產(chǎn)品能夠連續(xù)揭示長時間序列的強對流天氣過程，且冰雹尺寸識別接近地面報告實況。

1.2 雷達三維組網(wǎng)產(chǎn)品對雷暴與大風的監(jiān)測分析

19∶00 在冰雹發(fā)生區(qū)域的后方（圖略），有一強對流單體在發(fā)展，在該對流單體移動的前方出現(xiàn)了弱陣風鋒，到19∶50 該對流單體有所減弱，20∶10 該對流單體與前方的強對流單體合并加強，觸發(fā)了一條200km 左右的陣風鋒，之后陣風鋒結(jié)構(gòu)進一步加粗，橫掃揚州、泰州、鎮(zhèn)江、南通、常州一帶，造成這些地區(qū)地面出現(xiàn)大范圍大風天氣，此階段地面大風范圍最廣，風力最大，且大風區(qū)域出現(xiàn)在陣風鋒前進方向的后方。據(jù)30 日16∶00—22∶00 江蘇地面考核站出現(xiàn)大風站點的統(tǒng)計，受陣風鋒的影響，在江蘇省沿江及以北地區(qū)有455 個站風速達到8 級以上（17.2m·s-1），20∶46 江蘇海區(qū)三友站監(jiān)測到極大風速達到45.4m·s-1。20∶50 南通一帶由陣風鋒又觸發(fā)生成了新的對流單體，導致南通多個地方出現(xiàn)大風、冰雹等強對流天氣。一直到22∶00，大風開始減弱。

從17∶00—22∶00 雷達三維組網(wǎng)產(chǎn)品疊加雷電活動演變情況看，雷電現(xiàn)象主要出現(xiàn)在45dBZ 以上的回波處，回波強度越大，出現(xiàn)負閃的次數(shù)越多，且回波單體排列的越緊密或呈條形狀時，雷電活動也較密集，而回波單體排列較分散，則雷電活動也較分散，且雷電活動最多的時間段出現(xiàn)在17∶30—19∶00。統(tǒng)計30 日16∶00—22∶00 江蘇省雷電活動，共出現(xiàn)1194 次雷電活動，其中正閃476 次，負閃718 次，雷電活動較密集的時段出現(xiàn)在18∶00—20∶00，三個時次分別為345 次、553 次、222 次，表明雷電活動在19∶00 達到峰值。

2 雷達監(jiān)測產(chǎn)品在龍卷監(jiān)測中的應用分析

2.1 5 月14 日江蘇、武漢龍卷監(jiān)測中的應用

5 月14 日19∶00—21∶00，江蘇省蘇州市吳江區(qū)盛澤鎮(zhèn)、湖北省武漢市蔡甸區(qū)和經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等地分別發(fā)生局地強對流災害性天氣并出現(xiàn)龍卷。

2.1.1 蘇州龍卷雷達監(jiān)測分析

從青浦雷達1.5°仰角基本反射率產(chǎn)品上看，在19∶00，江蘇蘇州吳江地區(qū)龍卷過程存在明顯的鉤狀回波（圖略），從垂直剖面圖可看出在距離雷達22～30km 之間低層存在有界弱回波區(qū)，揭示此區(qū)域存在上升氣流區(qū)，上升氣流區(qū)的上部中高層回波懸垂結(jié)構(gòu)特征明顯，回波隨高度向低層暖濕入流一側(cè)傾斜。從放大的反射率因子圖（略）可以看出鉤狀回波非常清晰，速度圖上顯示，在鉤狀回波附近出現(xiàn)了明顯的中氣旋。

從1.5°仰角差分反射率圖上看，對應鉤狀回波附近其差分反射率值在0.2～0.8dBZ 之間，對應的相關(guān)系數(shù)值在0.85 以下，最小相關(guān)系數(shù)在0.5 左右，而其周圍的相關(guān)系數(shù)值較高，形成一種明顯的“盆地”現(xiàn)象，相比較而言，這種相關(guān)系數(shù)圖上出現(xiàn)的“盆地”現(xiàn)象比差分反射率圖上出現(xiàn)的“盆地”現(xiàn)象要明顯得多，相關(guān)系數(shù)“盆地”現(xiàn)象的出現(xiàn)表明地面有龍卷發(fā)生，是由龍卷抽吸到空中的垃圾或碎屑造成的。

龍卷渦旋特征識別產(chǎn)品是龍卷探測算法的輸出結(jié)果，識別出的龍卷渦旋信號表明此地有龍卷發(fā)生的可能。探測中心在原算法基礎(chǔ)上做了一些改進并進行組網(wǎng)顯示，形成龍卷渦旋特征識別移動路徑組網(wǎng)產(chǎn)品。對于江蘇蘇州市吳江區(qū)“5·14”龍卷災害，該產(chǎn)品顯示至少有3 部雷達先后25 次監(jiān)測到TVS，常州雷達在16∶48—17∶30 監(jiān)測到6 次，青浦雷達17∶12—18∶36 監(jiān)測到7 次，杭州雷達17∶40—19∶27 監(jiān)測到12 次，相關(guān)風暴由西向東偏南方向移動了約122km。

雷達風場反演產(chǎn)品可以揭示龍卷的旋轉(zhuǎn)程度，從青浦雷達與實況分析場融合反演的2021 年5 月14 日2km 高度和1km 高度水平風場可以看到在2km 高度上，在鉤狀回波及弱回波區(qū)處有明顯的中氣旋結(jié)構(gòu)，且在其南側(cè)有大于20m·s-1的西南急流。在1km 高度，旋轉(zhuǎn)特征不明顯，但也存在氣旋性環(huán)流，且有入流存在。在低層出現(xiàn)中氣旋及氣旋性環(huán)流，這為龍卷的發(fā)生提供了有利條件。

2.1.2 武漢龍卷雷達監(jiān)測分析

5 月14 日20∶24 武漢雷達基本反射率因子上顯示，風暴單體此時已演變成超級風暴單體，反射率因子達到60dBZ，風暴前進方向的前方出現(xiàn)窄帶回波陣風鋒，出現(xiàn)大風天氣，20∶30 陣風鋒結(jié)構(gòu)更加明顯（圖略），風暴達到最強盛階段，最大反射率因子達到64dBZ，出現(xiàn)了鉤狀回波，55dBZ 的回波高度達到12km，可見，存在旺盛的上升氣流，此時在徑向速度圖上出現(xiàn)了速度模糊。20∶36 回波的強度開始略微減弱，鉤狀回波仍維持，20∶54 從垂直剖面圖（略）可以看出在距離雷達20km 附近存在弱回波區(qū)，上升氣流區(qū)的懸垂結(jié)構(gòu)較明顯。從徑向速度場也可以看出鉤狀回波附近存在著中氣旋，最大旋轉(zhuǎn)速度20.7m·s-1，距地約0.9km。在徑向速度的垂直剖面圖上也表明系統(tǒng)底部輻合、中高空輻散明顯。

在龍卷渦旋特征識別移動路徑組網(wǎng)產(chǎn)品上，武漢天氣雷達在19∶48 和20∶36 監(jiān)測到2 次相應龍卷渦旋特征TVS，具體移動路徑及發(fā)生時間（圖略）。地面實況報告在21∶00 武漢開發(fā)區(qū)突發(fā)龍卷風和強降雨?？梢?，龍卷渦旋特征識別移動路徑產(chǎn)品對龍卷的預警具有一定的指示意義。

2.2 8 月25 日遼寧葫蘆島龍卷監(jiān)測中的應用

受高空冷渦配合低空急流影響，2021 年8 月25日遼寧渤海灣、遼河平原出現(xiàn)大范圍雷暴大風和強對流天氣，16∶00 左右葫蘆島市龍港地區(qū)望海寺出現(xiàn)龍卷風天氣。

營口雙偏振雷達單站監(jiān)測產(chǎn)品顯示，8 月25 日15∶35 左右，遼寧葫蘆島龍港地區(qū)附近有強對流回波在發(fā)展，最大回波強度達60dBZ，之后回波逐漸向東北方向移動，16∶00 出現(xiàn)了兩條陣風鋒（圖略），地面出現(xiàn)大風，在1.5°仰角上，出現(xiàn)了明顯的旁瓣回波，地面有冰雹出現(xiàn)，16∶12 龍港地區(qū)附近已無較強的雷達回波，葫蘆島東北部回波強度減弱至30～35dBZ，但兩條陣風鋒的長度更長，結(jié)構(gòu)更加緊密清晰。16∶00的徑向速度圖顯示葫蘆島地區(qū)有中氣旋存在。從這些分析中可知，地面出現(xiàn)大風、冰雹等強對流天氣，但還無從判斷有龍卷發(fā)生。從營口雙偏振雷達相關(guān)系數(shù)產(chǎn)品上看（圖略），在鉤狀回波處的相關(guān)系數(shù)在0.5 以下，比周圍相關(guān)系數(shù)值要低很多，形成了明顯的相關(guān)系數(shù)“盆地”現(xiàn)象，表明確有龍卷風發(fā)生。

3 結(jié)論

通過以上對2021 年發(fā)生的冰雹、雷暴大風、龍卷等4 個強對流天氣過程的監(jiān)測分析，得出如下結(jié)論：

（1）江蘇“4·30”雷暴大風、冰雹過程涉及范圍廣、強度大，從山東境內(nèi)一直向偏南方向移動發(fā)展，歷經(jīng)江蘇大部分地區(qū)，在19 時就出現(xiàn)出流邊界一直到22 時基本結(jié)束。雷達三維組網(wǎng)產(chǎn)品、冰雹識別組網(wǎng)產(chǎn)品、以及疊加地面單站大風和雷電產(chǎn)品可以完整地記錄雷暴天氣整個發(fā)展演變過程，相比于單站雷達探測出流邊界陣風鋒信息量要豐富些。

（2）冰雹識別組網(wǎng)產(chǎn)品能較好地識別出冰雹發(fā)生區(qū)域，但在冰雹尺寸上識別結(jié)果略高于實際發(fā)生情況，這也驗證了冰雹識別算法在強冰雹天氣情況下的準確性，為下一步冰雹識別算法的中試評估做好鋪墊，以便更好地改進冰雹識別算法。

（3）經(jīng)過質(zhì)量控制后的龍卷渦旋特征移動路徑產(chǎn)品在龍卷的監(jiān)測中給出了很好的指示，在一定程度上能夠為龍卷的預警、災調(diào)提供依據(jù)。雙偏振雷達相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)的“盆地”現(xiàn)象為識別龍卷的發(fā)生更往前邁進了一步。

（4）雷達三維反演風場產(chǎn)品可以很好地揭示龍卷的旋轉(zhuǎn)程度，這在江蘇吳江區(qū)龍卷的發(fā)生過程中得到了很好的驗證。