[科普中国]-雷暴回波

雷暴

一般来说，一个对流单体就是一个强的气流上升区。该气流上升区的垂直速度≥10 m/s，水平尺度从十千米到几十千米不等，垂直伸展可以达到对流层顶。1

由对流单体构成的雷暴系统，简称雷暴。雷暴常常发生在积雨云中，并伴有雷击和闪电等天气现象，不同的雷暴所伴随的天气现象激烈程度差别很大。通常把伴有闪电、雷鸣、阵风、阵雨的对流系统称为“普通雷暴”或“雷暴”；而把伴有暴雨、大风、冰雹、龙卷等严重灾害性天气现象的强对流系统叫做“强雷暴”或“对流风暴”。普通雷暴和强雷暴只在天气现象的强度上有所差别，其他没有本质的区别。1

强雷暴的回波特征强雷暴可以由一个对流单体组成，也可以由多个对流单体组成。按照其强度分类，可以分为普通单体雷暴、多单体风暴，超级单体风暴三类。其中超级单体风暴的强度最大，带来的灾害性天气也最强。人们发现，超级单体风暴区别于其他类型风暴的主要动力学特征是它总是伴随着一个持久而深厚的中气旋。1

大量观测事实表明，强雷暴云的回波结构常出现以下特征：

回波强度通常可达50 dBz甚至更强。这是由于雷暴云中含水量丰富，且上升气流较强，含水量累积区含有大量的过冷却水和冰粒子等，这些粒子产生的反射率因子较大，因而回波强度很强。强雷暴的雷达回波强度相对于同一地区、同一季节出现的普通积雨云较大，其中超级单体风暴的雷达回波强度是所有对流云中最强的。1

雷达回波顶通常所说的回波顶高度，是指雷暴云上部30 dBz回波强度所在的高度。由于雷暴云的发展过程中具有较强的上升气流，上升气流携带大量的水汽向上运动，水汽到达一定高度处聚集凝结，强上升气流继续带着凝结的大粒子向上运动，在高处出现强回波，因此回波顶向上延展得很高。雷暴云的回波顶高度一般在10 km以上，个别强雷暴回波顶高可达到20 km，远远高于普通对流云。大量的观测和研究表明，回波顶高相对于低层反射率因子的位置可以很好地指示对流风暴的强弱。1

强回波中心雷暴云中的大量水汽被强上升气流抬升到0℃层以上的高度，形成冰粒子和过冷却水滴。这些降水粒子在雷暴云中反复上升下降，循环增长，汇聚成强的水分累积区，雷达反射率因子很大，因此，在雷暴的垂直剖面上可以看到强回波中心。1

云顶上冲云体内部的强烈上升气流使云顶出现部分隆起，称为云顶上冲。通常，出现云顶上冲表明此时雷暴处于发展阶段，上升气流强盛；当雷暴云顶表现为庞大而平滑的圆顶状时，说明云中上升气流变化不明显，雷暴处于成熟稳定状态。1

云砧雷暴云上部呈现宽大而伸展的云砧。在雷暴云发展成熟之后，雷暴云顶达到对流层顶不能再向上发展，云的中上部气流便向四周辐散，由于环境风场的作用，形成向雷暴云的移动方向伸展的云砧。云砧通常可伸展达50～1 50 km，甚至更远。云砧中没有降水产生。1

回波墙在云体下层降水区与回波区之间，回波区强度梯度大，界面陡立。构成“回波墙”。通常降水发生在回波墙附近。1

回波墙出现在雷暴云成熟阶段，雷暴云中上升气流和下沉气流相互作用使得降水粒子循环增长，形成大冰雹，当上升气流支撑不住冰雹粒子时，地面就会出现冰雹天气。在冰雹降落的区域，由于冰雹集中降落，并且冰雹的反射率因子很大，周围的上升气流较强，回波区强度梯度增强，因而形成了垂直方向的特强回波区，即回波墙。1

有界弱回波区也称“回波穹窿”。来自雷暴云下前方的强烈上升气流倾斜地深入云体，在雷暴前部形成强上升气流区，在RHI回波图中表现为无（弱）回波穹隆结构，与回波墙相配合，成为有界弱回波区（BWER）。1

悬垂状回波为云砧下部悬挂在空中的强回波区。云砧中为不产生降水的粒子，粒子在下落的过程中被雷暴前部辐合所产生的强烈的上升气流托持没有降落到地面，因而在雷暴云弱回波区的上方形成向前伸展的“强回波区”称为悬垂状回波。1

前伸的悬垂状回波、有界弱回波区、回波墙是强雷暴的三个重要的回波特征。图1为2002年7月4日RHI雷暴回波。由图可见，雷暴前侧伸展的庞大云砧，其伸展长度超过40 km。A箭头所示为强烈的上升气流所托持而构成的悬垂状回波。此时，已经开始降冰雹，雷暴云强度逐渐减弱，悬垂回波结构松散，强度不大。1

钩状回波钩状回波是超级单体雷暴的一个特征回波，通常出现在低层有界弱回波区的右侧或右后侧（PPI图上），因为呈“钩”状，因而称为钩状回波。1

一般当强雷暴云出现有界弱回波区的时候，往往表明在强上升气流中有围绕垂直轴的强烈旋转存在。在旋转气流的作用下，多数雷暴云在发展过程中呈气旋状回波，但其气旋状弯曲并不明显，其中一部分强雷暴云发展成为明显的钩状回波，只有少数特强的雷暴云回波呈反气旋钩状回波，并向气旋状钩状回波演变。当钩状回波出现时，说明雷暴云已发展得非常旺盛，此时往往会造成了雷雨大风和强降水等强烈天气，同时还伴有冰雹，产生灾害性灭气。但并不是所有的强雷暴都有钩状回波。1

“V”型缺口“V”型缺口常出现在冰雹云的回波特征中。

主要是冰雹云中大冰雹粒子、大水滴等对雷达电磁波的强烈衰减造成的。当雷达探测冰雹云时，其径向的电磁波在通过强回波区时，被云中大粒子衰减掉了，因而在冰雹云后部形成“V”字形的缺口。通常这种雷达同波特征出现在波长较短的雷达中，哈尔滨雷达站队探测“V”型缺口效果并不明显。1

阵风锋通常也称“外流边界”或“飑锋”，是边界层辐合线的一种。在新一代天气雷达反射率因子图上呈现为窄带回波。

强雷暴发展成熟以后，不但有很强的上升气流来支撑着云中含水累积区里的大量水滴和冰雹，而且，在降水开始后，由于降水粒子对空气的拖曳作用而产生下沉气流，雨滴降落蒸发使得周围空气冷却，因而加速了下沉气流。下沉气流到达低空后在地面形成雷暴高压，并向四周流出，向外辐散的气流与向雷暴低层辐合的环境风相遇，这种风切变最终形成阵风锋。1

雷达速度图特征多数雷暴云具有完整风场结构来维持对流的发展，表现为低层气流辐合，高层气流辐散、垂直风切变等。在PPI图像中有时会出现中气旋和逆风区。1

逆风区逆风区是指在大片正（负）速度区中，出现了一片负（正）速度区，并有明显的零速度圆环或半圆环将二者隔开。

逆风区的出现表明此处的风向发生了剧烈的变化，产生了强烈的风切变和辐合。当云团中出现“逆风区”时，发展更加强盛，回波强度增加。当雷暴云回波中出现逆风区时，单体周围近地层附近的气流辐合上升，促使对流发展更加旺盛，回波强度迅速增大，回波范围扩大。造成强降水。逆风区产生的降水常常是对流性降水，出现雷雨大风的几率比较低。可见，逆风区是出现强降水的另一个重要指标。1

中气旋中气旋为强对流风暴的上升气流和后侧下沉气流紧密相连的小尺度涡旋。在雷达径向速度回波图上表现为1：

（1）一对相距很近（最大正、负速度中心之间距离小于等于10 km）的正、负速度对，并且最大正速度和最大负速度绝对值之和的二分之一大于等于10 m/s，不同的探测距离要求也不尽相同。

（2）垂直伸展大于等于风暴垂直尺度的三分之一。

（3）满足上面指标持续时间至少为两个体扫。在实际应用时，伸展厚度一般取2～4个扫描仰角的高度。

虚假回波超强雷暴（冰雹等）具有“三体散射回波”、“旁瓣回波”等虚假回波特征。1

（1）三体散射回波：雷达探测强雷暴时，由强中心和地面的多次反射使电磁波的传播距离变长，产生异常回波信号，回波返回所用的额外时间被雷达显示在更远处，表现为从云中延伸出去的钉子状回波，也称为长钉回波，或耀斑回波，简称TBSS，由于大多数情况下出现在冰雹云中，所以又叫做“冰雹尖峰”。

在冰雹云和飑线的PPI雷达回波图像中经常可以见到三体散射回波，其延展方向与雷达的径向方向一致。而在RHI雷达回波图像中则出现在雷暴单体的旁侧向外伸展。1

（2）旁瓣回波：在雷达探测强雷暴时，由于强中心的散射强烈，使旁瓣电磁波散射后也被雷达接收，在强雷暴回波顶部会出现一尖锐回波，即旁瓣回波。

当出现虚假回波时，说明回波强中心强度很大，可判定强烈天气即将出现。观测表明，三体散射回波形成于降雹前5～15 min，对降雹有提前指示作用，可作为冰雹云早期的判据。旁瓣回波通常与对流单体的强度关系密切，对流单体越强，旁瓣回波强度越大。1

回波演变对积雨云的研究开始于20世纪40年代，Byers和Braham根据美国的“雷暴计划”所获得的观测资料，将积雨云的发展过程中占主要的地位的垂直气流情况，将典型的对流单体的发展生命史分为发展、成熟、消散三个阶段。在不同的阶段中雷暴云的结构有不同的特征。1

一个雷暴云可以是一个对流单体组成的，也可以是多个对流单体组成的。雷暴生消变化很快。一个雷暴单体回波的生命史可以十几min到几十min，发展强烈时可维持1～2 h或更长一些。1

发展阶段发展阶段主要特征是上升气流贯穿于整个云体。上升速度随高度增加，最大上升气流区在云体上部的中心，在云体下部不断有空气辐合上升进入云体，为积云发展提供充足的水汽。云中的水汽凝结，释放潜热，有利于上升气流进一步发展。上升速度一般为5～1 0 m/s，甚至更大，因为强上升气流托住云滴，因而没有降水产生。1

从雷达回波特征上看，处于发展阶段PPI雷达回波图像上的回波呈块状、带状，内部结构密实，边缘较清晰，回波尺度和强度虽然不太大，水平尺度为1 km左右，垂直尺度略大于水平尺度，但处于迅速发展增大之中。RHI上的回波呈柱状，并且回波顶强度梯度较大，有时可见云顶上冲。1

成熟阶段其主要特征是云下有降水产生。持续时间约为15～30 min，云顶向上伸展可达12 km。甚至更高。1

成熟阶段上升气流和下沉气流共存。下沉气流主要是由降水物的拖曳作用而产生的。同时雨滴在下降过程中蒸发使空气冷却，因而下沉气流被加速。当下沉气流到达地面时，在雷暴云下方形成一个冷空气堆，并向四周辐散，与其前部的暖湿空气交汇，在其前沿形成阵风锋。1

在成熟阶段．云中物态复杂，有过冷水滴、雪花和冰晶等水成物，到了冻结高度，云中仍存在上升气流和过冷水大量冻结而释放潜热的共同作用，使云顶突然向上发展。云顶到达对流层顶附近后向水平方向铺展，形成了云砧。1

在雷达回波上表现为，在PPI上的回波块体大，内部结构密实，边缘清晰，局部有些发毛，回波强度很大，在回波梯度较大的一侧可以看见有界弱回波区、钩状回波，还有向前伸展的大片的云砧。相对应的速度图上，低层辐合高层辐散，有时伴有逆风区和中气旋。1

在RHI回波图像上雷暴的强中心较高，回波高耸，有回波墙、有界弱回波区、钩状回波、云砧等，还可出现虚假回波（在多普勒雷达上可出现长“钉回波”）。1

消散阶段其主要特征是下沉气流占据了云体的主要部分。雷暴单体消亡迅速，持续时间大约在10～15 min。此时云内上升气流减弱，下沉气流逐渐布满整个雷暴云体，阻断了上升气流携带的潮湿水汽进入云内，雷暴云发展减弱、直至消失。1

在消散阶段的PPI上，回波的尺度仍较大，但内部结构松散，边缘发毛，其尺度和强度都不断减小。顶高仍较高但强度梯度明显降落，强回波位于中下部，高度不断下降，后期还可能出现“0℃层亮带”。1