2010, Vol. 36 
带状对流是渭北主要对流组织模型之一，伴随带状对流天气的冰雹、大风给陕西渭北地区的优质果业生产造成了严重的影响。
国外利用雷达回波对带状MCS组织模型研究开展较早，对中纬度带状MCS的组织模型有了相当全面的认识。Bluestein等[1]给出了4种飑线演变的雷达回波特征，即断裂线型(Broken line)、后部扩建型(Back building)、破碎区域型(Broken areal)、嵌入区域型(Embedded areal)。Blanchard等[2]分析了带状对流系统(Linear convective)、锢囚对流系统(Occluding convective)、混乱对流系统(Chaotic convective)三类对流的雷达反射率演变模型。Parker等[3]研究了1996年5月和1997年5月期间出现在美国中部的带状MCS，提出了一种包含有拖曳层状(Trainling stratiform)、先导层状(Leading stratiform)和平行层状(Parallel stratiform)的带状对流新分类法。Jirak等[4]联合使用卫星和雷达数据分析把中尺度对流系统分为嵌入(embedded)、非嵌入(not embedded)、线性(line)、区域(areal)、组合(combination)、孤立(isolated)、合并(merger)、非合并(non-merger)，并研究了这几类回波之间的演变方式。
近年来，国内也对中尺度强对流个例雷达回波特征进行了一系列研究[5-10]，岳治国等[11]利用7年雷达回波资料对陕西渭北地区中尺度对流系统的组织模型和灾害进行了分类分析，丁明星等[12]对重庆地区强对流天气雷达回波特征进行了统计分析, 李淑玲等[13]分析了一次飑线过程的多普勒雷达回波特征。这些研究多为强对流天气的个例研究，加深了对强对流天气雷达回波特征的认识。
带状对流常常给陕西渭北带来区域性的冰雹灾害，研究渭北带状回波对流的演变规律和机理，对提高渭北苹果优生区冰雹灾害的预警、识别和防御能力有重要意义。本文根据711型(波长3 cm)数字化雷达带状中尺度对流(Mesoscale Convective Systems，MCS)回波资料，分析其统计特征。
1 资料简况及分析方法本文研究区域为陕西省延安市以南、渭河以北(渭北)(35°~37°N、108°~111°E)的地区，洛川雷达站(35°49′N、109°30′E，海拔1159.1 m)地处渭北苹果优生区的中部，每年采用固定目标物进行雷达标定，其积累的资料时段长，较完整，因此主要利用洛川雷达2000—2006年5—9月的PPI和RHI回波资料，参考其他雷达站回波资料，结合各防雹作业点收集的降雹实况、气象站的降雹记录和民政部门的灾情统计进行分析。
分析回波尺度时没有考虑雷达反射率5~10 dBz的回波。MCS的初生阶段指对流初始发展阶段PPI上雷达反射率15 dBz回波面积达5 km×5 km的时刻；MCS经过发展和成熟阶段，整体雷达反射率开始减弱，当回波强度≤25 dBz时记为消散时刻；MCS的生命史指1次MCS个例从初生时刻到消散时刻所经历的时间。在0.5°仰角PPI上，MCS初生回波移动方向的前沿(15dBz)与消散时刻回波移动前沿(15 dBz)之间的距离除以MCS的生命史，可得MCS回波的移动速度。
分析的着眼点是描述孤立对流云在雷达回波上发生、发展和成熟过程的典型特征。分类时仅考虑雷达反射率的形态，没有考虑其他因素(如速度、环境场等)。雷达回波资料分析时以一次对流系统回波发生、发展和消亡的整个过程记为一次个例，同一天不同时段出现的对流演变过程，则分别记为不同的个例。普查7年雷达探测资料后，选择了71例的带状MCS雷达回波资料进行分类分析。
2 带状对流云演变模型带状MCS的主要特征是多个对流单体排成一条带状，这些单体可相互紧密排列，也可按一定间隔排列，排列方向一般与回波的运动方向垂直。根据渭北地区雷达实际观测到的带状对流的特点，沿用Parker等[2]对带状MCS的分类，即拖曳层状、先导层状和平行层状MCS，和Bluestein等[1]的断裂带状的概念，对渭北地区的带状MCS进行分类分析。
按图 1所示的雷达回波组织演变模型，把71例带状MCS分为4类，即拖曳层状、先导层状、平行层状、断裂带状MCS。
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图 1 渭北带状MCS演变概念模型 (其拖曳层状、先导层状和平行层状的MCS取自Parker[3]) Fig. 1 Idealized depiction of the linear MCS development as seen by radar in Weibei Area of Shaanxi Province (Levels of shading roughly correspond to 20, 40, and 50 dBz respectively from outside to inside, TS, LS and PS linear convective systems from Parker 2000) |
拖曳层状MCS初生阶段，在PPI上有1~4块尺度约5 km的回波，其相互分离或连接，发展过程中逐渐组织成带状，45~70 dBz的强回波带镶嵌在15~35 dBz相对弱的回波中，位于移向的前部，回波宽度5~20 km，长60~120 km，带状回波一般为东北—西南走向，有一个弓状前向或近似直线的先导边界，整体向东南方向移动。成熟阶段时45~70 dBz的强回波带变宽加长(宽约20~40 km，长约80~160 km)，回波带在移向前部边缘有非常强的反射率梯度(图 2a)。
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图 2 渭北带状MCS雷达回波个例 Fig. 2 Radar imagery of linear MCS in Weibei Area |
先导层状MCS初生、发展阶段与拖曳层状MCS相似，但PPI上45~70 dBz的强回波带镶嵌在15~35 dBz相对弱的回波中，位于移向的后部。成熟阶段强对流带状回波(45~70 dBz，宽10~40 km，长60~140 km)移向的前方有层状云降水回波(宽约10~40 km，长约40~100 km)，其后方的回波反射率梯度较大(图 2b)。
2.3 平行层状平行层状MCS从发展到成熟，在PPI上表现为强对流带状回波(45~70dBz，宽约10~20km，长约40~80km)，常为东北—西南走向。弱回波区(15~40dBz，宽约10~30km，长约20~50km)紧接强对流带状回波一端，近似在强对流带状回波的延长线上，整体向同一方向移动(图 2c)。
2.4 断裂带状断裂带状MCS初生时，在PPI上为几块回波尺度2~5 km、相距5~10 km的小对流块排列成一条断裂的直线，发展过程中小对流块向同一方向移动，各自生消。成熟阶段互相分离的对流单体组成长约60~120 km的断线，这些单体的回波尺度为5~10 km，中心强度45~65 dBz，外围是15~40 dBz的弱回波区，其中有些单体的弱回波区不明显。这些对流单体在发展过程中互相分离，但整体始终保持为断裂的带状(图 2d)。
3 回波特征分析 3.1 发生频次7年中渭北各类带状MCS的发生次数统计见表 1。先导层状MCS发生的次数最少(4次)，断裂带状MCS发生的次数最多(33次)。各类带状MCS发生频次的年际变化较大，先导层状MCS在有些年份没有出现。2002年带状MCS共发生17次，为近年之最，其他年份带状MCS的总数在10次左右。
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表 1 2000—2006年5—9月渭北地区带状MCS出现次数 Table 1 Linear MCS cases in Weibei Area between May and September from 2000 to 2006 |
渭北带状MCS主要发生在西北气流型和低槽天气形势下(表 2)。在西太平洋副热带高压(副高)和高压脊的高值系统下断裂带状MCS出现的频次较高，其他带状MCS在高值系统下发生的频次较少，且发生时的雷达回波顶高度和强度比在其他天气系统下都较低较弱。
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表 2 2000—2006年5—9月带状MCS发生当日08时500 hPa渭北不同天气形势的次数 Table 2 Synoptic system of 500 hPa at 0800 BT in Weibei Area during linear MCS active periods |
带状MCS初生阶段回波所在的位置称为初生位置。洛川县西北方向30~80 km(富县的张家湾镇沿葫芦河至北道德乡一线)和北方30~60 km(甘泉县城沿洛河至富县县城)是带状MCS初生回波频繁发生的位置，这两个方位初生的带状MCS占总带状MCS的61%。洛川以南的地区少有带状MCS初始生成(图 3、表 3)。
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图 3 带状MCS相对洛川站初生的方位和距离
(顶部*为最大值，底部*为最小值，最小值到下部须的下端之间包含5%样本，到上部须的顶端之间包含95%样本，到大框下沿和上沿分别包括25%和75%的样本，大框中的小框( )为平均值，大框中短横线(—)为中值)
Fig. 3 Initial direction and distance of linear MCS from Luochuan Station The boxes represent the interquartile range, from the 25th to the 75th percentile, little box in big box represents the mean, and the line through this box represents the median. The "whiskers" extend from the box to the minimum and maximum values of the sample
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表 3 2000—2006年5—9月带状MCS相对洛川站在各方位上的初生次数 Table 3 Initial genertaion cases of linear MCS in all directions from Luochuan Station |
图 4为渭北地区带状MCS初始时刻的日变化分布图。带状MCS发生的主要时段为12—20时，凌晨2时至上午10时也有少量带状MCS活动。可见，太阳辐射加热是带状MCS活动的重要因素，而凌晨到午前初始发生的带状MCS常常与大尺度天气系统的活动有关。
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图 4 带状MCS初生时刻日变化(北京时) Fig. 4 Diurnal variation of linear MCS of initiation time in Weibei (BT) |
图 5为带状MCS的生命史分布图。各类带状MCS生命史较接近，拖曳层状、先导层状、平行层状和断裂带状MCS的平均生命史分别为3.0 h、3.8 h、2.7 h和3.7 h。带状MCS生命史最长的一次是2006年7月31日的断裂带状MCS，维持了7.5 h。
3.6 最大带长
MCS的最大带长指1次带状MCS生消过程中，PPI上带状回波的最大长度。拖曳层状MCS的平均最大带长最长，为92.5 km，平行层状MCS的平均最大带长最小，为73.9 km(图 6)，可见拖曳层状MCS一般影响的区域比较大。
3.7 最大回波顶高度最大回波顶高指1次带状MCS的生命史中，在RHI上强回波外围15 dBz强度回波出现的最大高度。拖曳层状、先导层状、平行层状和断裂带状MCS的平均最大回波顶高为10.9 km、11.3 km、8.6 km和8.4 km，各类带状MCS中降雹个例的平均最大回波顶高与其所在类别的最大回波顶高差异较小(图 7)。带状MCS最大回波顶高的最大值出现在2005年8月11日的断裂带状MCS过程中，RHI上的雷达回波顶高为16 km。
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图 7 带状MCS的最大回波顶高 (白框为个例的总体, 阴影框为各类单体中的降雹个例(图框示意同图 3)) Fig. 7 Maximum echo top of linear MCS white box represents total cases, and shadow box represents hail cases. Legends are the same as Fig. 3 |
降雹的带状MCS一般最大回波顶高比较高，大于8 km，但有些回波顶高非常高，却不一定降雹，如2004年6月15日为典型的TS类型MCS，最大回波顶高13 km，却无降雹报告。
3.8 回波移动特征渭北地区带状MCS的移动方向主要为东南、南和西北方向(表 4)，朝向其他方向移动的带状MCS极少出现，向东南移动的对流出现的降雹次数最多(17次)，没有出现某个移动方向上的带状MCS 100%降雹。
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表 4 2000—2006年5—9月渭北线状MCS在各移动方向上出现的次数(括号内为该移动方向降雹的次数) Table 4 Linear MCS cases in different move direction between May and September from 2000 to 2006 It represents hail cases of this direction in bracket |
带状MCS在不同朝向上的移动速度差异较大(图 8)，朝向东南移动的带状MCS中拖曳层状MCS的平均速度最大(36.8 km·h-1)。拖曳层状、先导层状、平行层状和断裂带状MCS的平均移动速度为33 km·h-1、31.3 km·h-1、30.6 km·h-1和21.6 km·h-1(图 9)。
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图 8 带状MCS向各方位的移动速度 (图框示意同图 3) Fig. 8 Moving speed of linear MCS in all directions Legends are the same as Fig. 3 |
3.9 回波带的走向
带状MCS回波带最常见的走向为东北—西南，占带状MCS的52%，其次为西北—东南走向，占28%。断裂带状MCS中西北—东南走向的个例最多，占断裂带状MCS的42%。有些回波带在移动的过程中带的走向会发生变化，如2002.06.28最初回波带的走向为西北—东南走向，当回波移过洛川后，回波带的走向变为东北—西南走向。
3.10 降雹及灾情防雹作业点或气象站报告降雹，记为一次降雹对流云，无降雹报告时(可能降雹地点处无人区)作为非降雹对流云。1天内有3个以上的县区出现降雹，称为此次降雹过程为区域性降雹过程。带状MCS出现降雹的次数见表 5。
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表 5 2000—2006年5—9月渭北地区带状MCS降雹次数 Table 5 Linear hail MCS cases between May and September from 2000 to 2006 |
拖曳层状MCS降雹概率63%，位居各类MCS之首。5县以上的区域强降雹出现5次(2002年5月15日、2002年6月28日、2002年7月2日、2005年5月30日、2006年6月25日)，都是当年破坏力最强的天气过程。如2005年5月30日午后陕西省从北向南出现了一次全省范围伴有大风、冰雹、暴雨的强对流天气，雷达回波为拖曳带状MCS，共4市17县的大部分乡镇受灾，旬邑县冰雹最大直径达到60 mm，这次冰雹大风过程给全省造成的直接损失超过了3亿，是陕西省近年来受灾面积最广、损失最严重的一次雹灾。近年来，在渭北几乎每年都有此类MCS活动，68%的拖曳层状MCS在西北生成，呈东北—西南走向的带状回波，以极快的速度(平均33 km·h-1)向东南移动，所经地区几乎都受到冰雹狂风的袭击。
先导层状MCS共出现4次，其中2次降雹，1次降软雹，无灾害，1次(2004年6月16日)区域降雹，局地重灾。
平行层状MCS共出现18次，降雹7次，其中1次区域降雹(重灾，2003年7月6日)。
断裂带状MCS总共出现33次，13次降雹，其中9次局地轻灾或无灾，1次局地风灾，2次区域轻灾，1次区域降雹(重灾，2002年7月2日)。此类MCS冰雹直径普遍为4~15 mm，雹灾较轻。
4 小结通过对2000—2006年5—9月渭北带状MCS雷达回波资料分析后可得以下结论。
(1) 陕西渭北地区带状MCS可分为4类，即拖曳层状、先导层状、平行层状、断裂带状MCS。
(2) 各类带状MCS发生频次的年际变化较大，先导层状MCS发生的次数最少，断裂带状MCS发生的次数最多。
(3) 渭北带状MCS主要发生在西北气流型和低槽天气形势下；带状MCS发生的主要时段为12—20时；各类带状MCS生命史较接近，拖曳层状、先导层状、平行层状和断裂带状MCS的平均生命史分别为3.0 h、3.8 h、2.7 h和3.7 h。
(4) 拖曳层状MCS的平均最大带长最长，为92.5 km，平行层状MCS的平均最大带长最小，为73.9 km；拖曳层状、先导层状、平行层状和断裂带状MCS的平均最大回波顶高为10.9 km、11.3 km、8.6 km和8.4 km，各类带状MCS中降雹个例的平均最大回波顶高与其所在类别的最大回波顶高差异较小。
(5) 渭北地区带状MCS的移动方向主要为东南、南和西北方向；带状MCS在不同朝向上的移动速度差异较大，朝向东南移动的带状MCS中拖曳层状MCS的平均速度最大(36.8 km·h-1)；带状MCS回波带最常见的走向为东北—西南，占带状MCS的52%，其次为西北—东南走向，占28%。
(6) 拖曳层状MCS降雹概率为62%，位居各类MCS之首，造成的灾害最为严重。
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