窄帶回波

窄帶回波的形成與雷雨雲群消散時強烈的下沉氣流有關，強烈的下沉氣流把冷空氣帶到地面。並向四周輻散，在冷空氣和環境的暖濕空氣之間形成溫、壓、濕、風的不連續面。窄帶回波就是這種不連續面的表現。

基本介紹

• 中文名：窄帶回波
• 外文名：Narrowband echo
• 描述：溫、壓、濕、風的不連續面
• 套用：天氣預報
• 學科：氣象學

概念

靈敏的都卜勒雷達經常能探測到窄帶回波，這些窄帶回波一般對應於邊界層的輻合線，對窄帶回波的仔細分析有利於及早做出強對流天氣的臨近預報以及對其發展變化作深入了解。

窄帶回波在大風超短時預報中的套用

在新疆準噶爾盆地南緣，春夏是強對流天氣多發季節，短時雷雨、大風、冰雹對棉糧種植區所形成災害時有發生，其突發性給短時預報帶來一定的難度。隨著新疆天氣雷達布網工作的逐步深入，如何發揮雷達在災害性天氣預報中的作用，尤其顯得重要。研究利用新一代天氣雷達觀測資料及地面實況資料，初步分析了典型的窄帶回波在大風超短時預報中的套用。

天氣實況

2004年8月22日，烏拉爾山北端高空小槽沿增強的北風帶迅速發展東移南下進入新疆，地面冷鋒移動速度較快，造成了準噶爾盆地南緣的一次雷雨大風天氣。22日20時，鋒面開始逼近烏魯木齊。從石河子市到奇台一線的12個自動氣象站都準確地記錄了大風的時間、風速、風向，其中石河子20:13風速19.4m/s，新湖農場20:34風速23.1m/s，烏魯木齊市小西溝21:28風速28.1m/s，五家渠市21:58風速19.8m/s，奇台縣00:42風速19m/s。雷達站對此次天氣過程進行了跟蹤觀測，雷達回波圖像中的窄帶回波所途徑的區域與氣象站大風記錄非常吻合。

圖1 8月22日21：00-21：18強度VPPI

窄帶回波的形態特徵

雷達觀測到雷雨回波群前部約20km處的晴空區內有一細長的、呈南北走向的帶狀回波，回波強度很弱，為5～8dBz，寬度約2km，高度1—2km，最清晰的窄帶回波長度為90km(見圖1a)。

圖2 8月22日21：38 (1.5°仰角)強度VPPI

窄帶回波的移動特徵

雷達首次監測到窄帶回波在呼圖壁縣(見圖1a)，由於窄帶回波較低，僅在低仰角下才可觀測到，因此並不十分明顯。21:58時窄帶回波移過雷達站25km時，仍可清晰地顯示(見圖3)。從連續的雷達回波資料看，雷雨回波群自西北向東南方向移動，而其前部的窄帶回波也以相同的方向同步移動。從窄帶回波出現到消失，維持近1h，移速大約60km/h，移向移速比較穩定。分析窄帶回波的移動特徵，可為站點大風的臨近預報提供較準確的信息。

圖3 8月22日21：58 (1.5°仰角)強度VPPI

窄帶回波的時空分布特徵

從雷達上觀測到窄帶回波位於呼圖壁縣城，從呼圖壁縣自動氣象站記錄顯示：21:00時極大風速20m/s；21:48窄帶回波到達五家渠雷達站上空，該市自動氣象站顯示極大風速19.8m/s的時間為21:52；21:58時窄帶回波移近阜康市，阜康市氣象站大風記錄的時間為22:00，風速為22m/s(見圖2、圖3)。對照大風記錄和窄帶回波的空間分布、途經站點的時間，與自動氣象站大風的時間記錄非常接近。

研究結論

（1）8月22日準噶爾南緣窄帶回波在雷雨回波群的前部，位於雷雨回波約20km處的晴空區內，寬度約2km，最清晰的帶長可達到90km，強度<10dBz。

（2）窄帶回波伴隨著雷雨回波群的移動而移動，平均移速為60km/h，維持時間較長，約為1h21min，移向、移速比較穩定。

（3）窄帶回波所經過的氣象站，都有19m/s以上的大風記錄，窄帶回波出現的位置與地面大風出現的時間相一致。

（4）根據窄帶回波的形態、移動和時空分布特徵，可為大風的臨近預報提供可靠的信息。

弱窄帶回波在分析和預報強對流天氣中的套用

雷達上探測到的弱窄帶回波(Narrow—Band E—cho，以下簡稱NBE)一般都對應邊界層的弱輻合線。在不同的天氣形勢下，這些弱輻合線的演變與強對流天氣的發生、發展、消亡是密切相關的。對NBE的仔細分析有利於及早做出強對流天氣的臨近預報以及對其發展變化作深入了解。相關的研究工作國外開展的非常多：Carbone等描述了在美國堪薩斯州觀測到的一個颮線的發生，這個颮線是沿一條雷達能夠識別的邊界層輻合線傳播的。邊界層輻合線的監測和特徵識別是風暴發生、發展和消亡臨近預報的關鍵所在。大多數風暴都起源於邊界層輻合線附近，在兩條邊界層輻合線的相交處，如果大氣垂直層結有利於對流發展，則幾乎肯定會有風暴在那裡生成。如果邊界層輻合線相交處本來就有風暴，則該風暴會迅速發展。另外，如果風暴相對於邊界層輻合線的速度基本保持不變，則風暴強度一般得以維持；如果風暴相對於邊界層輻合線的速度較大即風暴離開邊界層輻合線而去，則往往表示風暴強度正在減弱。基於上述研究，結合其他觀測資料和臨近預報技術，開發了一個綜合的0—1h臨近預報系統Auto—Nowcaster(ANC)，它的一個主要特點就是可以監測和識別邊界層輻合線的位置，通過邊界層輻合線特徵與風暴以及雲特徵信息的相互結合，做出風暴發生、發展、維持和消亡的臨近預報。

由於常規的非相干雷達一般不能探測到NBE，所以20世紀90年代以前，雖然中國的業務預報人員在工作中偶爾能觀測到這種回波，但對其進行細緻分析的工作並不多。然而，靈敏的都卜勒雷達即使是在無雲的情況下，一般也能在一定距離內探測到NBE。隨著新一代高靈敏度都卜勒雷達在中國的布網，對NBE的觀測研究成為可能。在對一次超級單體風暴的都卜勒雷達回波作分析時，就發現該風暴曾產生兩條出流邊界(這種出流邊界在雷達反射率回波上就是NBE)。研究結合密集的自動氣象站(簡稱AWS)、地面災情匯報以及上海WSR一88D雷達等多種觀測資料，對2003年夏季發生在上海的3次強對流天氣過程作深入分析，以探討如何利用NBE來預報及分析強對流天氣過程。

與移動回波有關的弱窄帶回波

上游移動強回波的出流邊界導致的NBE是大風預警的重要判斷參考。2003年7月22日傍晚，上海都卜勒雷達觀測到一次由出流邊界導致的局地大風。在主回波帶(17:31(北京時，下同)的圖中用黑線圈出)前約20km處，有一條平行移動的弱回波窄帶，主回波帶的最大回波強度為50—55dBz，而該回波窄帶的最大回波強度僅為15—20dBz。主回波帶以每小時約40km的速度向偏東移動，而該弱回波帶則以每小時約50km的速度向東南移動。隨著時間推移，主回波帶繼續東移，18時之後，其中段和東段逐漸減弱，而NBE則逐漸遠離主回波帶，從開始時候的約20km(17:31)到後來兩者之間的距離達到約50km(18:12)。NBE的遠離和主回波帶的減弱相配合。在本個例中，主回波帶移動很快，但以東移為主，並未經過市區，但主回波帶之前的NBE向東南移動，掃過市區，並產生了大風。圖4是位於上海吳淞口的一個AWS當日觀測到的溫度、相對濕度、風向及風速的變化，該自動站的具體位置在上海市區北部。可以確定NBE約在17:40經過自動站的位置，從圖4a中看，在17:40之前，自動站的風速在5m/s左右，17:40突然變大到15m/s以上，實際上，此時自動站測得瞬時最大風速為16.6m/s的北風，可見該NBE是很容易帶來災害性後果的。另外，從風向及溫度的變化看，17:40前後，風向有很大的轉變，從南風突然轉為北風(圖4b)，而溫度也從17:40之前的34℃驟降到28℃左右(圖4c)，這正說明了17:40左右，確實有主回波帶的冷出流經過自動站。從相對濕度的變化看，也有一個從60%上升到80%的過程(圖4d)。除了風向突變，風速猛增，溫度下降和相對濕度上升之外，自動站並沒有測得降水的發生。這種NBE主要反映由主回波的冷出流所激發的弧狀雲線，而這種弧狀雲線一般是不產生降水的。本個例的觀測表明：即使主回波帶(強回波帶)不經過臨近預報的目標區域，這種由出流邊界導致的NBE也能產生災害性的大風，特別是：(1)當主回波和NBE的移動比較迅速(本例中約為40—50km)和(2)兩者之間的距離比較靠近時(本例中約為20—30km)，這兩點是利用NBE作大風臨近預報的有力參考。當然，隨著主回波的減弱和主回波與NBE的距離越來越遠，NBE將漸漸消失，給下游帶來的陣風影響也會隨之減弱。

圖4吳淞口AWS觀測的風速(a)、風向(b)、溫度(c)及濕度(d)的演變

導致強暴雨發生的弱窄帶回波

由於上海市三面環水，在夏季，海陸差異經常在午後導致陸地上局地的弱輻合線，這種輻合線可以與上游移動的切變線系統相結合，導致劇烈天氣的發生在都卜勒雷達上，這種弱輻合線上的回波表現為緩慢移動的NBE。在合適的層結狀態和抬升條件下，這種NBE會強烈發展，並導致局地雷雨大風，而且由於這類強回波移動緩慢，容易造成集中降水。這類強對流天氣的臨近預報有可能出現以下兩個徵兆：(1)NBE上有初始回波中心發展；(2)NBE上回波頂高(以下簡稱ET)和強回波中心的猛增。

研究結論

靈敏的都卜勒雷達經常能探測到NBE，這些NBE一般對應於邊界層的輻合線。產生這些輻合線的原因有很多：可能是對流風暴的下沉冷出流所導致；也可能是局地環境或地形所導致的風向輻合線，例如海陸鋒。NBE與強對流天氣的發生、發展及消亡有密切的關係，研究結合強對流天氣個例，詳細分析了NBE在分析和預報強對流天氣中的作用，得到以下結論：

(1)上游移動強回波的出流邊界導致的NBE是大風預警的重要判斷參考。即使強回波帶不經過臨近預報的目標區域，由其出流邊界導致的NBE也能產生災害性的大風，特別是當①強回波和NBE的移動比較迅速；②兩者之間的距離比較靠近時。這兩點是利用NBE作大風臨近預報的重要參考。

(2)在合適的層結狀態和抬升條件下，NBE會強烈發展，並導致局地雷雨大風，這種強回波往往移動緩慢，容易造成集中降水。這類強對流天氣的臨近預報要注意觀察以下2個徵兆：①NBE上是否有初始回波中心發展；②回波躍增，表現為回波頂高(ET)的躍升以及回波中心強度的突然增加，這種現象往往比地面強降水和地面大風的爆發要提前發生，這些觀測徵兆都能在都卜勒雷達上清晰發現，因而對臨近預報有很好的指導意義。

(3)NBE與其他雷達觀測特徵以及地面觀測相結合，有助於對強對流雲的生命史進行細緻分析。在本文的個例中，午後的強熱對流造成了地面的下擊暴流，而在下擊暴流形成之前，對流回波有明顯的躍增現象；回波發展到最強盛的階段時，下擊暴流也開始形成，從及地到爆發的間隔大約有10—15min；地面出流造成的大風開始是在對流雲牆的一側發生，然後才向另一側及四周發展，NBE由弧線到半圓並最後形成環狀的演變過程能很好地揭示這一特徵。

在對涉及NBE的幾個典型個例作了詳細分析後，也發現了一些觀測事實及預報分析點，但對NBE的研究還有很多深入的工作需要進行。例如，迅速移動的NBE確實能造成地面大風，但觀測經驗也表明，移動的NBE有時會迅速減弱而不導致大風，這可能與下墊面和局地的大氣狀態不利於輻合線的發展有關，其中的內在機制還需要深入研究；局地的弱輻合線經常在上海地區出現，但並不是每次都會導致強對流天氣的發生，什麼樣的層結條件和抬升條件能導致強對流的發生也需要更多的觀測分析和模擬研究。