雷暴回波是指雷暴雲產生的雷達回波，是一種比較強烈的對流性回波。水平尺度和垂直尺度約十公里或以上。
基本介紹
- 中文名：雷暴回波
- 外文名：thunderstorm echoes
- 學科：天氣學
- 定義：雷暴雲產生的雷達回波
- 實質：強烈的對流性回波
雷暴,強雷暴的回波特徵,回波強度,雷達回波頂,強回波中心,雲頂上沖,雲砧,回波牆,有界弱回波區,懸垂狀回波,鉤狀回波,“V”型缺口,陣風鋒,雷達速度圖特徵,逆風區,中氣旋,虛假回波,回波演變,發展階段,成熟階段,消散階段,
雷暴
由對流單體構成的雷暴系統，簡稱雷暴。雷暴常常發生在積雨雲中，並伴有雷擊和閃電等天氣現象，不同的雷暴所伴隨的天氣現象激烈程度差別很大。通常把伴有閃電、雷鳴、陣風、陣雨的對流系統稱為“普通雷暴”或“雷暴”；而把伴有暴雨、大風、冰雹、龍捲等嚴重災害性天氣現象的強對流系統叫做“強雷暴”或“對流風暴”。普通雷暴和強雷暴只在天氣現象的強度上有所差別，其他沒有本質的區別。
強雷暴的回波特徵
強雷暴可以由一個對流單體組成，也可以由多個對流單體組成。按照其強度分類，可以分為普通單體雷暴、多單體風暴，超級單體風暴三類。其中超級單體風暴的強度最大，帶來的災害性天氣也最強。人們發現，超級單體風暴區別於其他類型風暴的主要動力學特徵是它總是伴隨著一個持久而深厚的中氣旋。
大量觀測事實表明，強雷暴雲的回波結構常出現以下特徵：
回波強度
通常可達50 dBz甚至更強。這是由於雷暴雲中含水量豐富，且上升氣流較強，含水量累積區含有大量的過冷卻水和冰粒子等，這些粒子產生的反射率因子較大，因而回波強度很強。強雷暴的雷達回波強度相對於同一地區、同一季節出現的普通積雨雲較大，其中超級單體風暴的雷達回波強度是所有對流雲中最強的。
雷達回波頂
通常所說的回波頂高度，是指雷暴雲上部30 dBz回波強度所在的高度。由於雷暴雲的發展過程中具有較強的上升氣流，上升氣流攜帶大量的水汽向上運動，水汽到達一定高度處聚集凝結，強上升氣流繼續帶著凝結的大粒子向上運動，在高處出現強回波，因此回波頂向上延展得很高。雷暴雲的回波頂高度一般在10 km以上，個彆強雷暴回波頂高可達到20 km，遠遠高於普通對流雲。大量的觀測和研究表明，回波頂高相對於低層反射率因子的位置可以很好地指示對流風暴的強弱。
強回波中心
雷暴雲中的大量水汽被強上升氣流抬升到0℃層以上的高度，形成冰粒子和過冷卻水滴。這些降水粒子在雷暴雲中反覆上升下降，循環增長，匯聚成強的水分累積區，雷達反射率因子很大，因此，在雷暴的垂直剖面上可以看到強回波中心。
雲頂上沖
雲體內部的強烈上升氣流使雲頂出現部分隆起，稱為雲頂上沖。通常，出現雲頂上沖表明此時雷暴處於發展階段，上升氣流強盛；當雷暴雲頂表現為龐大而平滑的圓頂狀時，說明雲中上升氣流變化不明顯，雷暴處於成熟穩定狀態。
雲砧
雷暴雲上部呈現寬大而伸展的雲砧。在雷暴雲發展成熟之後，雷暴雲頂達到對流層頂不能再向上發展，雲的中上部氣流便向四周輻散，由於環境風場的作用，形成向雷暴雲的移動方向伸展的雲砧。雲砧通常可伸展達50～1 50 km，甚至更遠。雲砧中沒有降水產生。
回波牆
在雲體下層降水區與回波區之間，回波區強度梯度大，界面陡立。構成“回波牆”。通常降水發生在回波牆附近。
回波牆出現在雷暴雲成熟階段，雷暴雲中上升氣流和下沉氣流相互作用使得降水粒子循環增長，形成大冰雹，當上升氣流支撐不住冰雹粒子時，地面就會出現冰雹天氣。在冰雹降落的區域，由於冰雹集中降落，並且冰雹的反射率因子很大，周圍的上升氣流較強，回波區強度梯度增強，因而形成了垂直方向的特強回波區，即回波牆。
有界弱回波區
也稱“回波穹窿”。來自雷暴雲下前方的強烈上升氣流傾斜地深入雲體，在雷暴前部形成強上升氣流區，在RHI回波圖中表現為無（弱）回波穹隆結構，與回波牆相配合，成為有界弱回波區（BWER）。
懸垂狀回波
為雲砧下部懸掛在空中的強回波區。雲砧中為不產生降水的粒子，粒子在下落的過程中被雷暴前部輻合所產生的強烈的上升氣流托持沒有降落到地面，因而在雷暴雲弱回波區的上方形成向前伸展的“強回波區”稱為懸垂狀回波。
圖1 雷暴雲的RHI掃描回波
圖1 雷暴雲的RHI掃描回波前伸的懸垂狀回波、有界弱回波區、回波牆是強雷暴的三個重要的回波特徵。圖1為2002年7月4日RHI雷暴回波。由圖可見，雷暴前側伸展的龐大雲砧，其伸展長度超過40 km。A箭頭所示為強烈的上升氣流所託持而構成的懸垂狀回波。此時，已經開始降冰雹，雷暴雲強度逐漸減弱，懸垂回波結構鬆散，強度不大。
鉤狀回波
鉤狀回波是超級單體雷暴的一個特徵回波，通常出現在低層有界弱回波區的右側或右後側（PPI圖上），因為呈“鉤”狀，因而稱為鉤狀回波。
一般當強雷暴雲出現有界弱回波區的時候，往往表明在強上升氣流中有圍繞垂直軸的強烈旋轉存在。在旋轉氣流的作用下，多數雷暴雲在發展過程中呈氣旋狀回波，但其氣旋狀彎曲並不明顯，其中一部分強雷暴雲發展成為明顯的鉤狀回波，只有少數特強的雷暴雲回波呈反氣旋鉤狀回波，並向氣旋狀鉤狀回波演變。當鉤狀回波出現時，說明雷暴雲已發展得非常旺盛，此時往往會造成了雷雨大風和強降水等強烈天氣，同時還伴有冰雹，產生災害性滅氣。但並不是所有的強雷暴都有鉤狀回波。
“V”型缺口
“V”型缺口常出現在冰雹雲的回波特徵中。
主要是冰雹雲中大冰雹粒子、大水滴等對雷達電磁波的強烈衰減造成的。當雷達探測冰雹雲時，其徑向的電磁波在通過強回波區時，被雲中大粒子衰減掉了，因而在冰雹雲後部形成“V”字形的缺口。通常這種雷達同波特徵出現在波長較短的雷達中，哈爾濱雷達站隊探測“V”型缺口效果並不明顯。
陣風鋒
通常也稱“外流邊界”或“颮鋒”，是邊界層輻合線的一種。在新一代天氣雷達反射率因子圖上呈現為窄帶回波。
強雷暴發展成熟以後，不但有很強的上升氣流來支撐著雲中含水累積區裡的大量水滴和冰雹，而且，在降水開始後，由於降水粒子對空氣的拖曳作用而產生下沉氣流，雨滴降落蒸發使得周圍空氣冷卻，因而加速了下沉氣流。下沉氣流到達低空後在地面形成雷暴高壓，並向四周流出，向外輻散的氣流與向雷暴低層輻合的環境風相遇，這種風切變最終形成陣風鋒。
雷達速度圖特徵
逆風區
逆風區是指在大片正（負）速度區中，出現了一片負（正）速度區，並有明顯的零速度圓環或半圓環將二者隔開。
逆風區的出現表明此處的風向發生了劇烈的變化，產生了強烈的風切變和輻合。當雲團中出現“逆風區”時，發展更加強盛，回波強度增加。當雷暴雲回波中出現逆風區時，單體周圍近地層附近的氣流輻合上升，促使對流發展更加旺盛，回波強度迅速增大，回波範圍擴大。造成強降水。逆風區產生的降水常常是對流性降水，出現雷雨大風的幾率比較低。可見，逆風區是出現強降水的另一個重要指標。
中氣旋
中氣旋為強對流風暴的上升氣流和後側下沉氣流緊密相連的小尺度渦旋。在雷達徑向速度回波圖上表現為：
（1）一對相距很近（最大正、負速度中心之間距離小於等於10 km）的正、負速度對，並且最大正速度和最大負速度絕對值之和的二分之一大於等於10 m/s，不同的探測距離要求也不盡相同。
（2）垂直伸展大於等於風暴垂直尺度的三分之一。
（3）滿足上面指標持續時間至少為兩個體掃。在實際套用時，伸展厚度一般取2～4個掃描仰角的高度。
虛假回波
超強雷暴（冰雹等）具有“三體散射回波”、“旁瓣回波”等虛假回波特徵。
（1）三體散射回波：雷達探測強雷暴時，由強中心和地面的多次反射使電磁波的傳播距離變長，產生異常回波信號，回波返回所用的額外時間被雷達顯示在更遠處，表現為從雲中延伸出去的釘子狀回波，也稱為長釘回波，或耀斑回波，簡稱TBSS，由於大多數情況下出現在冰雹雲中，所以又叫做“冰雹尖峰”。
在冰雹雲和颮線的PPI雷達回波圖像中經常可以見到三體散射回波，其延展方向與雷達的徑向方向一致。而在RHI雷達回波圖像中則出現在雷暴單體的旁側向外伸展。
（2）旁瓣回波：在雷達探測強雷暴時，由於強中心的散射強烈，使旁瓣電磁波散射後也被雷達接收，在強雷暴回波頂部會出現一尖銳回波，即旁瓣回波。
當出現虛假回波時，說明回波強中心強度很大，可判定強烈天氣即將出現。觀測表明，三體散射回波形成於降雹前5～15 min，對降雹有提前指示作用，可作為冰雹雲早期的判據。旁瓣回波通常與對流單體的強度關係密切，對流單體越強，旁瓣回波強度越大。
回波演變
對積雨雲的研究開始於20世紀40年代，Byers和Braham根據美國的“雷暴計畫”所獲得的觀測資料，將積雨雲的發展過程中占主要的地位的垂直氣流情況，將典型的對流單體的發展生命史分為發展、成熟、消散三個階段。在不同的階段中雷暴雲的結構有不同的特徵。
一個雷暴雲可以是一個對流單體組成的，也可以是多個對流單體組成的。雷暴生消變化很快。一個雷暴單體回波的生命史可以十幾min到幾十min，發展強烈時可維持1～2 h或更長一些。
發展階段
發展階段主要特徵是上升氣流貫穿於整個雲體。上升速度隨高度增加，最大上升氣流區在雲體上部的中心，在雲體下部不斷有空氣輻合上升進入雲體，為積雲發展提供充足的水汽。雲中的水汽凝結，釋放潛熱，有利於上升氣流進一步發展。上升速度一般為5～1 0 m/s，甚至更大，因為強上升氣流托住雲滴，因而沒有降水產生。
從雷達回波特徵上看，處於發展階段PPI雷達回波圖像上的回波呈塊狀、帶狀，內部結構密實，邊緣較清晰，回波尺度和強度雖然不太大，水平尺度為1 km左右，垂直尺度略大於水平尺度，但處於迅速發展增大之中。RHI上的回波呈柱狀，並且回波頂強度梯度較大，有時可見雲頂上沖。
成熟階段
其主要特徵是雲下有降水產生。持續時間約為15～30 min，雲頂向上伸展可達12 km。甚至更高。
成熟階段上升氣流和下沉氣流共存。下沉氣流主要是由降水物的拖曳作用而產生的。同時雨滴在下降過程中蒸發使空氣冷卻，因而下沉氣流被加速。當下沉氣流到達地面時，在雷暴雲下方形成一個冷空氣堆，並向四周輻散，與其前部的暖濕空氣交匯，在其前沿形成陣風鋒。
在成熟階段．雲中物態複雜，有過冷水滴、雪花和冰晶等水成物，到了凍結高度，雲中仍存在上升氣流和過冷水大量凍結而釋放潛熱的共同作用，使雲頂突然向上發展。雲頂到達對流層頂附近後向水平方向鋪展，形成了雲砧。
在雷達回波上表現為，在PPI上的回波塊體大，內部結構密實，邊緣清晰，局部有些發毛，回波強度很大，在回波梯度較大的一側可以看見有界弱回波區、鉤狀回波，還有向前伸展的大片的雲砧。相對應的速度圖上，低層輻合高層輻散，有時伴有逆風區和中氣旋。
在RHI回波圖像上雷暴的強中心較高，回波高聳，有回波牆、有界弱回波區、鉤狀回波、雲砧等，還可出現虛假回波（在都卜勒雷達上可出現長“釘回波”）。
消散階段
其主要特徵是下沉氣流占據了雲體的主要部分。雷暴單體消亡迅速，持續時間大約在10～15 min。此時雲內上升氣流減弱，下沉氣流逐漸布滿整個雷暴雲體，阻斷了上升氣流攜帶的潮濕水汽進入雲內，雷暴雲發展減弱、直至消失。
在消散階段的PPI上，回波的尺度仍較大，但內部結構鬆散，邊緣發毛，其尺度和強度都不斷減小。頂高仍較高但強度梯度明顯降落，強回波位於中下部，高度不斷下降，後期還可能出現“0℃層亮帶”。
