雷达气象学（9）——反射率因子图分析（强对流篇）
9.0 对流性天气的分类
按照对流风暴的强度分类有两种：
按照对流风暴的强度和对流单体（Convective Cell）个数，也可以有如下分类：
补充几点：
- 前三类风暴既可以是强对流风暴，也可以是非强对流风暴。而第四类风暴一定是强对流风暴。
- 上述分类并不是非此即彼的关系。
- 多单体风暴通常指全部由普通单体构成的多单体风暴，为团状分布。
- 线风暴即飑线，为线状分布。
- 超级单体风暴（Supercell Storm）一般指孤立的超级单体风暴，也可以指包括超级单体在内的由多个单体构成的风暴，一般总伴随着中气旋。
- 依据对流性降水强度和空间分布特征，可将超级单体风暴分类：
- 强降水（HP）超级单体风暴：能够在其中气旋环流中产生相当大的降水。
- 弱降水（LP）超级单体风暴：具有显著的旋转特征，但几乎没有产生降水。
- 经典（Classic）超级单体风暴：在上述两个极端之间还存在的经典超级单体雷暴。
下面介绍强对流天气（以经典超级单体风暴为例）的回波特征。
9.1 钩状回波
在 PPI 上，钩状回波是超级单体风暴的一个特征回波，因为呈“钩”状，因而称为钩状回波。下图中，第一张子图所展示的就是经典超级单体风暴的钩状回波，从 A 点到 B 点切一个面，便得到第二张子图所示的剖面图。
通过这张图，先来简单介绍经典超级单体的结构：
- 第一张子图中，红线处为超级单体前部的入流（inflow）区，可以看到随着入流方向有一条云翼线（flanking line）；而回波区域基本都是广泛的出流（outflow）区。
- 单体风暴的东北面称为前翼（Forward Flank），西南面称为后翼（Rear Flank）。因此出流区可分为前侧下沉气流区（Front Flank Downdraft, FFD）和后侧下沉气流区（Rear Flank Downdraft, RFD）。
- 第一张子图中，紫色区域是反射率因子最强的区域，可能发生暴雨和冰雹；一般降水发生在 B 点所在的区域，称为云体下层降水区。
- 第一张子图中，绿色区域大致对应超级单体的云砧（anvil edge）。由于雷暴云中强烈上升气流（Updraft, UD）到达对流层顶后，受到对流层顶强烈的水平气流作用而不能继续上升，从而向四周快速扩散，形成云砧，一般不形成降水。云砧的形状可见第二张子图中对应绿色区域。
- 在上升气流的底部，通常会出现云底的降低，称为壁云(Wall Cloud)。
- 第二张子图中，可看见云砧上方有一个向上拱起的云体，称为云顶上冲（Overshooting Top），是强烈上升气流而导致的。它是风暴的顶部，对应第一张子图中钩状回波“拐弯”的地方。
- 第二张子图中，强烈的上升气流从地面倾斜地深入风暴前部，实际情况为上升气流在云体内是螺旋性上升，使得大尺度降水粒子都被“甩”到云体的四周，因此在云体中间区域产生了有界弱回波区（BWER），可简单理解为“云体中有一个倒扣的杯子”。因为 BWER 四周都是强回波区（即回波墙），所以称之为“有界”；若四周都不全有回波墙，那么该区域被称为弱回波区（WER），可简单理解为“倒扣的杯子缺了部分杯壁”。另外，BWER 的上方就是云顶上冲，它们一般都在同一个垂直结构上。
9.2 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；
- 当云顶坍塌时，说明云中下沉气流占主流，雷暴进入消散阶段。此时易出现下击暴流，地面出现阵风锋。
在 RHI 上很容易看到云顶上冲：
9.3 悬垂状回波
在云砧下部有一个悬挂在空中的强回波区域，称为悬垂状回波。它的形成原因是：云砧中基本都是不产生降水的粒子，这些粒子在下落的过程中会被风暴前部的强烈上升气流托持而没有降落到地面，因而在 WER 或 BWER 的上方形成向前伸展的强回波区。悬垂回波内有大量的小冰雹，为冰雹的生长提供雹胚。
在 RHI 上可以很清晰看见悬垂回波：
9.4 弱回波区（WER）和有界弱回波区（BWER）
弱回波区（Weak Echo Region, WER）也称为回波穹隆，指的是来自风暴下前方的强烈上升气流倾斜地深入云体，在风暴前部形成的强上升气流区。若还有回波墙配合，则称之为有界弱回波区（Bounded Weak Echo Region, BWER）。
一般可在 RHI 上发现 WER 和 BWER：
9.5 回波墙
在云体下层降水区与弱回波区 WER 之间，回波区强度梯度大，界面陡立，构成回波墙。通常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，形成了垂直方向的强回波区，即回波墙。
在 RHI 上很容易看见回波墙，如上一节的左上图片中，有界弱回波区 BWER 的四周都是红色区域，这就是回波墙；在右上图片中，弱回波区 WER 仅一侧有回波墙。
9.6 V型缺口
在《雷达电磁波的衰减》那篇文章已经提过，较强的降雹区会对雷达电磁波造成强烈衰减，使得在远离雷达的一侧出现 V 型形状的无雷达回波的缺口。V 型缺口的顶端一定朝着雷达测站，且顶端处为强回波，对应降雹区；V 型缺口的两侧不一定沿着雷达径向，但缺口的平分线基本沿着雷达径向。
9.7 旁瓣回波
在通常情况下，旁瓣所产生的能量很弱；但是当旁瓣碰到强反射率目标物（如雷暴内的强降水柱或冰雹）时，能返回足够被识别的能量，从而产生旁瓣回波。如下图的第一张子图所示，雷达在扫描过程中，主瓣还没扫到强回波区时，旁瓣已经碰到强回波区并散射回雷达，但雷达又将其定位到主瓣所在的径向上，从而出现这种虚假的回波，如下图的第二张子图所示。
旁瓣回波的特征有：
- 在 RHI 上，正好在云内强回波区的正上方出现一条细长的强度较弱的回波，即“尖顶”。由于旁瓣的天线增益比主瓣低得多，所以旁瓣回波的强度较弱，一般只有在雷暴距离雷达较近时才可能观测到。
- 在 PPI 上，位于雷达回波梯度大且强的一侧，其出现的高度与云内强回波区的高度一致。
9.8 下击暴流和阵风锋
雷暴中的下沉气流到达地面并向水平方向扩散形成水平出流，雷暴前沿的出流辐合线达到一定的强度，就可称为阵风锋。阵风锋通常也称外流边界或飑锋，是边界层辐合线的一种。对流风暴的下沉气流空间分布是极不均匀的，往往在大片的下沉气流中，会有一股或几股较强的下沉气流，即为下击暴流。
阵风锋主要特征表现为风速急剧增强、气温明显下降，最大风速可达 40m/s，出现的高度通常只有 1km 左右。阵风锋其实不会产生降水，那为什么会有回波呢？是因为锋面上的暖湿上升气流与干冷下沉空气导致锋面上下的温度和湿度的突变，从而造成折射指数的突变，导致电磁波发生散射形成回波。
阵风锋在 PPI 上的特征为：
- 反射率因子图上，往往在强回波区的周围出现窄带状回波，长度在几到几十千米，宽度 1~2km，呈弧状，强度较弱，如左图白圈所示。
- 速度图上表现为风向和风速的辐合带，风向、风速变化剧烈，如右图所示。
9.9 三体散射回波（TBSS）
三体散射回波，又称为三体散射长钉（Three-Body Scatter Spike, TBSS）、雹钉（hail spike）、长钉回波、耀斑回波、火焰回波等，是由大的湿冰雹对雷达电磁波的米散射所引起的。
TBSS 的形成原理如上图所示。图中 C 处为反射率因子核心区（即强回波区），当雷达发射的电磁波遇到 C 时，一部分通过后向散射返回雷达形成回波，而有一部分被散射到地面后，被地面反射回 C，然后再次被 C 散射，这其中有部分电磁波被散射回雷达。雷达检测到该回波信号后，由于散射距离较长，雷达就把这部分回波误定位在更远的地方。这也就是“三体”名称的由来——雷达、强回波区、地面。
对于 PPI，TBSS 在冰雹云和飑线经常出现，一般从强回波区开始延伸，其延展方向沿着雷达径向方向，如下图红圈处；对于 RHI，TBSS 在雷暴单体的旁侧向外伸展。
9.10 弓形回波
弓形回波是指快速运动的、向前凸起的、形如弓的强对流回波。弓形回波是飑线的重要特征之一，而弓形回波的出现处常常伴随有地面大风。目前对于弓形回波的尺度还没有一个明确的说法，其尺度可以从对流单体尺度到几百千米。
弓形回波的形成过程一般如下：
- 图 a：开始时，系统是一个大而强的对流单体，该单体既可以是一个孤立的单体，也可以是一个尺度更大的飑线的一部分。
- 图 b：当地面附近出现强风时，初始时的单体演变为弓形的由对流单体构成的线段，最强的地面风出现在弓形的顶点处。
- 图 c：在它最强盛的阶段，弓形回波的中心形成一个矛头。
- 图 d：在衰减阶段，系统常演变为逗点状回波。前进方向的左端（北部）为回波较强的头部，那里常形成钩状回波，气流呈气旋式旋转，能产生中气旋或龙卷；前进方向的右端（南部）是伸展很长的尾部，气流呈反气旋式旋转。
弓形回波在 PPI 上的一些特征有：
- 在弓形回波前沿（即入流一侧）存在高反射率因子梯度区，并且边界十分平滑。
- 在弓形回波前沿（即入流一侧）存在弱回波区 WER。
- 回波顶位于弱回波区 WER 或高反射率因子梯度区之上。
- 弓形回波的后侧存在弱回波通道或后侧入流槽口（RIN），表明存在强的下沉后侧入流急流。
继续深入学习
学到这里，你应该对超级单体有个大概的了解了，但是还远远不够。你可以去 B 站搜索相关知识，那里真的有很多强对流爱好者自己制作的教程，或者去看这个：【自翻熟肉】风暴观测技巧。
