雷達(dá)氣候研究進(jìn)展及其在城市區(qū)域強(qiáng)天氣臨近預(yù)報中的應(yīng)用

陳明軒王迎春高峰肖現(xiàn)程叢蘭

（1 中國氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089；2 北京市氣象局，北京 100089）

雷達(dá)氣候研究進(jìn)展及其在城市區(qū)域強(qiáng)天氣臨近預(yù)報中的應(yīng)用

陳明軒1王迎春2高峰1肖現(xiàn)1程叢蘭1

（1 中國氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089；2 北京市氣象局，北京 100089）

首先介紹了近年來國際上在雷達(dá)氣候研究方面的一些進(jìn)展,特別聚焦于不同地區(qū)對流風(fēng)暴和對流性降水的日變化特征,以及京津冀地區(qū)雷達(dá)氣候研究的一些最新成果。主要揭示了不同地區(qū)對流的形成、加強(qiáng)和日循環(huán)傳播與太陽加熱、地形強(qiáng)迫、盛行風(fēng)及天氣尺度和中尺度系統(tǒng)活動等存在緊密聯(lián)系。其次,對雷達(dá)氣候?qū)W的另一特色研究——采用三維風(fēng)暴屬性追蹤統(tǒng)計的方法也進(jìn)行了介紹。文章也從城市化影響對流風(fēng)暴和對流性降水發(fā)展演變以及從雷達(dá)氣候?qū)W角度研究城市地區(qū)強(qiáng)天氣兩個方面,做了研究進(jìn)展的一些回顧。最后,對雷達(dá)氣候?qū)W在城市地區(qū)強(qiáng)天氣演變機(jī)理研究及精細(xì)化臨近預(yù)報預(yù)警方面的應(yīng)用進(jìn)行了討論。

雷達(dá)氣候,對流,降水,城市化,臨近預(yù)報

1 引言

天氣雷達(dá)可以獲得高時空分辨率的探測資料，是目前對流風(fēng)暴三維特征和強(qiáng)降水最為快速有效的氣象探測工具之一[1]。如果能夠?qū)δ骋坏貐^(qū)長時間的天氣雷達(dá)資料（目前主要是單部雷達(dá)或者雷達(dá)組網(wǎng)觀測得到的反射率因子資料）進(jìn)行統(tǒng)計分析研究，就能夠了解對流風(fēng)暴和對流性降水的精細(xì)時空分布和演變特征，也包括強(qiáng)天氣的出現(xiàn)頻率和風(fēng)暴屬性等，這就是所謂的雷達(dá)氣候研究。自從20世紀(jì)70年代開始，隨著計算機(jī)和數(shù)字化天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，使得利用計算機(jī)處理海量雷達(dá)探測資料成為可能時，就已經(jīng)有學(xué)者開始了雷達(dá)氣候研究。Kuo等[2]利用一個X波段試驗雷達(dá)的4年夏季觀測資料，開展了美國Black Hills地區(qū)的雷達(dá)氣候研究，首次揭示了該地區(qū)對流降水回波的時空分布特征及其在不同盛行風(fēng)形勢下時空分布頻率的差異，可以說是為雷達(dá)氣候研究開創(chuàng)了先河。近幾十年來，隨著天氣雷達(dá)在世界各地

的廣泛業(yè)務(wù)應(yīng)用和雷達(dá)資料的不斷積累，雷達(dá)氣候研究已經(jīng)成為對流天氣氣候特征研究的主要方向之一，使用的雷達(dá)資料也從單部雷達(dá)的回波觀測轉(zhuǎn)換為使用三維雷達(dá)組網(wǎng)拼圖資料。特別是在美國，自20世紀(jì)80年代后期WSR-88D業(yè)務(wù)雷達(dá)在全美的布網(wǎng)應(yīng)用開始，隨著雷達(dá)資料的積累，已經(jīng)開展了大量的雷達(dá)氣候研究方面的工作。在國際上，也有學(xué)者利用長時間的雷達(dá)估測降水資料進(jìn)行對流性降水的氣候統(tǒng)計研究，這也可以歸屬于雷達(dá)氣候研究范疇。通過雷達(dá)氣候研究，不但能夠為理解強(qiáng)對流天氣的發(fā)展演變機(jī)制提供有效幫助，為對流風(fēng)暴和對流性強(qiáng)降水的臨近預(yù)報和預(yù)警提供背景資料和科學(xué)依據(jù)，也能夠為評估和發(fā)展對流尺度數(shù)值預(yù)報、定量降水預(yù)報以及天氣和氣候系統(tǒng)模式提供一個評判基準(zhǔn)。

隨著全球城市化進(jìn)程的加劇和大型城市的不斷擴(kuò)展，城市和城市群地區(qū)強(qiáng)對流天氣的發(fā)展演變越來越受到人們的關(guān)注。強(qiáng)對流天氣經(jīng)常會給城市地區(qū)帶來重大的災(zāi)害損失，包括人員傷亡、交通阻塞、城市建筑受損等。而城市下墊面的改變和城市熱島效應(yīng)[3-5]等也會對強(qiáng)對流天氣的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生明顯影響。如果將雷達(dá)氣候與城市氣象特別是城市地區(qū)對流天氣研究相結(jié)合，將有助于理解城市地區(qū)強(qiáng)對流天氣的發(fā)展演變特征以及城市環(huán)境對強(qiáng)對流天氣的影響機(jī)理，對提升城市地區(qū)強(qiáng)天氣的發(fā)展演變和臨近預(yù)警起到重要推動作用。

本文主要介紹近年來國內(nèi)外特別是國際上關(guān)于雷達(dá)氣候研究方面的一些進(jìn)展，并從城市化影響對流風(fēng)暴和強(qiáng)降水發(fā)展演變以及從雷達(dá)氣候角度研究城市地區(qū)強(qiáng)天氣兩個方面，做了一些研究進(jìn)展的簡介。最后，對雷達(dá)氣候研究及其在城市地區(qū)強(qiáng)天氣臨近預(yù)報方面的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。

2 雷達(dá)氣候研究進(jìn)展

2.1 對流日變化氣候特征及盛行風(fēng)影響

雷達(dá)探測資料具有高時空分辨率的特性，對揭示對流天氣（包括對流風(fēng)暴和對流性降水）時空分布的短周期變化特別是日變化特征具有獨特優(yōu)勢。而對流的日變化特征對強(qiáng)天氣的臨近預(yù)報預(yù)警以及對流尺度數(shù)值天氣預(yù)報物理過程的改進(jìn)等均具有重要意義。因此，對流天氣日變化特征研究成為雷達(dá)氣候研究的主要內(nèi)容之一。世界各地的學(xué)者對此開展了大量的研究，揭示了不同地區(qū)對流風(fēng)暴和對流性降水的日變化特征，以及不同天氣系統(tǒng)、氣候特征和地形強(qiáng)迫對對流日變化的影響機(jī)理。在美國，Carbone等[6-7]和Ahijevych等[8-9]通過對美國大陸多年的WSR-88D雷達(dá)資料的統(tǒng)計研究，分析了美國大陸對流性降水回波出現(xiàn)頻率的時空分布特征，揭示了降水回波存在明顯的日循環(huán)和半日循環(huán)的周期性傳播氣候特征，以及由于落基山等山區(qū)的動力抬升和局地?zé)崃?qiáng)迫作用，導(dǎo)致降水系統(tǒng)存在明顯的山區(qū)新生并向下游（向東）不斷傳播的特征（如圖1和圖2所示）。Carbone等[6]的研究同時也指出，對流的日循環(huán)特征主要是由于太陽加熱作用的日變化而形成的，并且具有不可預(yù)報性，因為數(shù)值預(yù)報包括資料同化系統(tǒng)主要是基于準(zhǔn)平衡氣流和天氣尺度強(qiáng)迫的動力學(xué)基礎(chǔ)而設(shè)計的，其對由于天氣尺度而形成的具有較長周期性變化和生命史特征的對流系統(tǒng)具有較高的可預(yù)報性，而盛夏期間主要以熱力對流系統(tǒng)為主，所以數(shù)值預(yù)報的準(zhǔn)確性要差很多。Hsu等[10]利用覆蓋美國大陸的8年暖季雷達(dá)估測降水資料，通過波譜分解方法，得出了美國大陸對流性降水存在半天、1天、4天等多個周期性變化特征，其中日循環(huán)特征最為明顯，而且小于5天的高頻振蕩表明中尺度對流系統(tǒng)主要以向東傳播為主，與Carbone等[6]得

出的結(jié)論相似。Lang等[11]和Rowe等[12]利用北美季風(fēng)試驗加強(qiáng)觀測期間的雷達(dá)觀測資料，對2004年7—8月發(fā)生在美國西南部及墨西哥灣北部的強(qiáng)對流個例進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)地形強(qiáng)迫對對流風(fēng)暴的每日新生和傳播起到關(guān)鍵作用，由于局地加熱對流一般在山區(qū)生成，然后在向下游傳播的過程中得到明顯加強(qiáng)。在歐洲，Weckwerth等[13]利用多年的雷達(dá)觀測資料，對德國西南部到法國北部地區(qū)的對流風(fēng)暴新生和加強(qiáng)的氣候特征進(jìn)行了研究，揭示了這一地區(qū)的對流風(fēng)暴存在顯著的日循環(huán)和頻率峰值特征，每日加熱和山區(qū)地形強(qiáng)迫對風(fēng)暴的新生和加強(qiáng)起到關(guān)鍵作用，對流首先在山區(qū)大量形成，大約2h后到達(dá)平原地區(qū)。Pavai等[14]利用中國研制的WSR-98D雷達(dá)的多年探測資料，研究了羅馬尼亞Bobohalma地區(qū)對流出現(xiàn)頻率的變化特征，發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)夏季對流的日變化與地形高度存在緊密關(guān)系，對流頻繁地在較高地形的地區(qū)新生，然后向平原地區(qū)傳播。

圖1 美國大陸6—8月雷達(dá)回波出現(xiàn)頻率[7]（a）2100UTC;（b）0200UTC;（c）0700UTC;（d）1300UTC

在中國，近年來主要基于地面觀測和衛(wèi)星資料，開展了不同地區(qū)的對流氣候特征研究，特別是對流性降水的日變化特征研究，取得了很多重要的成果[15-24]，這里不做詳細(xì)介紹。然而，基于高時空分辨率的雷達(dá)探測資料的對流氣候特征研究工作則相對較少。Lin等[25]利用多年的雷達(dá)探測資料以及閃電、探空和地面資料等，研究了臺灣地區(qū)在弱天氣尺度強(qiáng)迫形勢下午后對流風(fēng)暴的氣候特征，發(fā)現(xiàn)臺灣地區(qū)在弱天氣尺度形勢下的對流風(fēng)暴出現(xiàn)頻率存在顯著的午后最大峰值特征，對流頻繁出現(xiàn)的地區(qū)與臺灣的地形分布一致，且在弱天氣尺度形勢下，對流不存在明顯的傳播特征。Yeung等[26]對36個影響香港地區(qū)的熱帶氣旋個例的雷達(dá)回波和降水特征以及地形作用進(jìn)行了統(tǒng)計分析研究，為熱帶氣旋及其降水臨近預(yù)報提供了背景資料。

隨著中國大陸新一代天氣雷達(dá)布網(wǎng)的完成和雷達(dá)資料的多年積累，在我國不同地區(qū)開展精細(xì)的雷達(dá)氣候研究的資料條件已經(jīng)逐漸成熟。特別是在京津冀地區(qū)，為做好北京奧運會等大型活動的氣象保障服務(wù)，已經(jīng)在北京及其周邊地區(qū)建立了日趨完善的新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)，并且具備了較為可靠的實時雷達(dá)資料質(zhì)量控制體系，也積累了多年的雷達(dá)組網(wǎng)資料[27-28]。這些條件為這一地區(qū)的雷達(dá)氣候研究奠定了良好的基礎(chǔ)。Chen等[29]首次利用2008—2011年暖季5—8月份京津冀地區(qū)6部新一代天氣雷達(dá)逐6min的反射率因子三維拼圖資料，研究了這一地區(qū)對流風(fēng)暴出現(xiàn)頻率的暖季平均日變化特征，以及暖季主要月份（6、7、8月）對流風(fēng)暴日變化的差異。暖季平均日變化特征研究揭示了京津冀西北部山區(qū)是暖季對流活動的主要源地，由于太陽加熱，西北部山區(qū)在午后風(fēng)暴出現(xiàn)頻率顯著增加，且大多數(shù)的對流風(fēng)暴從西北部山區(qū)向山腳甚至東南平原地區(qū)傳播和發(fā)展。到下午接近傍晚時段，在京津冀山腳附近，特別是在北京及其周邊地區(qū)，對流風(fēng)暴出現(xiàn)頻率顯著增大，風(fēng)暴的增強(qiáng)和新生與地形對低層偏南暖濕氣流的強(qiáng)迫上升存在密切聯(lián)系（圖3）。在夜間到凌晨時段，對流風(fēng)暴主要在東南部平原地區(qū)發(fā)展，風(fēng)暴頻率隨著時間的推移逐漸減小，風(fēng)暴頻率最低時段發(fā)生在早晨。對比圖2和圖3可以看出，京津冀地區(qū)的對流風(fēng)暴日循環(huán)和傳播特征與Carbone等[7]對美國大陸的對流風(fēng)暴日循環(huán)和傳播的研究結(jié)果存在一定的相似性。上述研究結(jié)論也與Zheng等[16]以及He等[22]利用衛(wèi)星資料開展的這一地區(qū)對流日變化特征的研究結(jié)論類似。從Chen等[29]的研究結(jié)果來看，區(qū)域平均的風(fēng)暴頻率顯示，京津冀地區(qū)的對流風(fēng)暴存在顯著的雙峰值特征：主要峰值是由于地形強(qiáng)迫導(dǎo)致的午后到傍晚時段山腳附近的對流頻發(fā)和增強(qiáng)，次要峰值是由于平原地區(qū)有利的觸發(fā)機(jī)制導(dǎo)致的夜對流頻發(fā)（圖4）。He等[22]利用數(shù)值模式資料分析后發(fā)現(xiàn)，華北平原地區(qū)有利的夜對流觸發(fā)機(jī)制與山區(qū)—平原的次級環(huán)流上升支以及夜間東南平原地區(qū)的低空西南急流存在密切聯(lián)系。在Chen等[29]的研究中，通過對比暖季各月的對流風(fēng)暴出現(xiàn)頻率特征發(fā)現(xiàn)，西北部山區(qū)午后熱

對流出現(xiàn)頻率最高在6月，最低在8月，而在平原地區(qū)午后對流出現(xiàn)頻率最高在7月。地形強(qiáng)迫效應(yīng)對對流風(fēng)暴的增強(qiáng)和新生的影響，表現(xiàn)最為明顯是在7月，其次是6月。對于平原地區(qū)夜對流而言，出現(xiàn)頻率最高在7月和8月，而6月較低。暖季各月的風(fēng)暴出現(xiàn)頻率的平均日變化趨勢和雙峰值特征與整個暖季的平均趨勢相似，表明6—8月的對流風(fēng)暴控制了整個暖季這一地區(qū)對流風(fēng)暴的日變化特征。平均而言，7月這一地區(qū)的暖季對流風(fēng)暴（包括長生命史的中尺度對流系統(tǒng)和短時生命史的對流單體）的出現(xiàn)頻率最高（圖4）。對流風(fēng)暴在6月和7月存在明顯的自西北向東南的傳播特征，且6月傳播速度最快。

圖2 美國大陸6—8月雷達(dá)回波出現(xiàn)頻率Hovm?ller圖[7]（沿緯度平均的時間—經(jīng)度圖）（a）對應(yīng)的平均地形廓線;（b） 1997—2000年資料統(tǒng)計結(jié)果;（c）1996—2007年資料統(tǒng)計結(jié)果

上述國內(nèi)外關(guān)于對流日變化氣候特征的研究是目前雷達(dá)氣候研究的主流，其成果主要揭示了不同地區(qū)對流的形成、加強(qiáng)和日循環(huán)傳播與太陽加熱、地形強(qiáng)迫以及天氣尺度和中尺度系統(tǒng)的活動存在緊密聯(lián)系。一般來說，山區(qū)作為主要的熱源，是夏季午后對流的主要源地[9,11-13,25,29-30]。在一些地區(qū)，對流具有明顯的向下游移動和發(fā)展傳播的特征，而且在對流下山的過程中，由于地形強(qiáng)迫，使得低層吹來的暖濕空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈抬升，從而導(dǎo)致對流（包括對流風(fēng)暴和對流性降水）在山腳附近明顯加強(qiáng)，也頻繁出現(xiàn)對流風(fēng)暴的新生[8-13,29]；而在另一些地區(qū)，特別是以山區(qū)為主的地區(qū)（如我國的臺灣地區(qū)），如果沒有強(qiáng)的天氣尺度系統(tǒng)的影響，對流的傳播特征也不是非常明顯[25,30]。

早在20世紀(jì)70年代，Kuo等[2]開展的雷達(dá)氣候研究就揭示了暖季對流的發(fā)展演變和時空分布特征與盛行風(fēng)存在密切聯(lián)系。他們發(fā)現(xiàn)，對于美國Black Hills地區(qū)來說，因為不同方向的盛行風(fēng)對應(yīng)于不同的天氣系統(tǒng)，對流回波在西南、西北向的盛行風(fēng)形勢下出現(xiàn)的頻率最高。近年來，一系列的雷達(dá)氣候研究進(jìn)一步表明，對流風(fēng)暴和對流性降水每日新生、演變和傳播與盛行風(fēng)存在密切關(guān)系[11,26,30-31]。Lang等[11]和Rowe等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，由于盛行風(fēng)與環(huán)境垂直風(fēng)切變、大氣波動等存在密切聯(lián)系，再加上地形的影響，因此對對流的演變傳播和時空分布特征產(chǎn)生重要影響。Yeung等[26]和Saxen等[30]的雷達(dá)氣候研究也發(fā)現(xiàn)，不同的盛行風(fēng)形勢下，對流的出現(xiàn)頻率差異明顯。對流發(fā)展演變與盛行風(fēng)的密切關(guān)系，也被數(shù)值模擬研究所證實[32]。最近，利用京津冀地區(qū)6部雷達(dá)4年暖季的反射率因子資料，計算了500和925hPa

不用盛行風(fēng)向下的對流風(fēng)暴的出現(xiàn)頻率分布，可以看出其存在顯著的差異：在500hPa，西西南（WSW）和西西北（WNW）風(fēng)向形勢下風(fēng)暴出現(xiàn)頻率顯著偏高；在925hPa，南西南（SSW）和南東南（SSE）風(fēng)向形勢下，風(fēng)暴出現(xiàn)頻率顯著偏高（圖6）。初步分析也表明，在500hPa WSW和WNW風(fēng)向下，對應(yīng)的是偏西氣流，主要與影響京津冀地區(qū)暖季對流風(fēng)暴的三類天氣系統(tǒng)（冷渦、西來槽、西太平洋副熱帶高壓）存在直接聯(lián)系。在925hPa SSW和SSE風(fēng)向下，對應(yīng)的是京津冀南部平原地區(qū)的低層偏南風(fēng)，有利于低層偏南暖濕氣流的向北推進(jìn)，并在地形強(qiáng)迫抬升作用下，對對流的發(fā)生和加強(qiáng)起到關(guān)鍵作用。

圖3 京津冀地區(qū)暖季40dBz以上雷達(dá)回波出現(xiàn)頻率Hovm?ller圖[29]（a）緯向平均結(jié)果;（b）徑向平均結(jié)果;（c）西南—東北向平均結(jié)果（每幅圖下方的藍(lán)綠色區(qū)域為對應(yīng)的地形平均廓線）

圖4 暖季平均的逐小時40dBz以上雷達(dá)回波出現(xiàn)的百分率[29]（a）京津冀地區(qū)的平均結(jié)果;（b）北京地區(qū)的平均結(jié)果（圖b中的粗黑線表示在每個小時時段過去24h雨量記錄達(dá)到50mm以上的北京地區(qū)自動站站數(shù)）

如雷達(dá)氣候研究結(jié)果所言，不同高度的盛行風(fēng)代表了不同的天氣系統(tǒng)和形勢。一般而言，500～700hPa高度的盛行風(fēng)代表了影響對流移動和傳播的天氣系統(tǒng)或引導(dǎo)氣流，而低層（如925hPa高度）的盛行風(fēng)則代表了低空急流的方向和強(qiáng)度，這些均與對流的每日發(fā)展演變和傳播存在密切關(guān)系。進(jìn)一步地，這種高低空風(fēng)形勢相配合所形成的垂直風(fēng)切變（包括風(fēng)速切變和風(fēng)向切變）以及地形對低空急流帶來的暖濕空氣的強(qiáng)迫抬升作用，對對流日變化也具有顯著的正面影響。這從Parker等[33]針對美國大陸對流日變化以及Lang等[11]和Rowe等[12]針對北美季風(fēng)試驗區(qū)域（墨西哥灣北部地區(qū)）對流日變化的雷達(dá)氣候研究中也均得到了很好的驗證。

另外，基于雷達(dá)觀測資料，也可以開展對流風(fēng)暴和對流性降水的月季、季節(jié)、年季變化等的氣候特征研究。Hocker等[34]利用10年的雷達(dá)反射率因子資料，研究了發(fā)生在美國Oklahoma地區(qū)的颮線系統(tǒng)的出現(xiàn)頻率年季變化、月季變化、日變化以及時空分布和移動路徑等的氣候特征。Murray等[35]利用10年的雷達(dá)資料，研究了美國東北部地區(qū)對流風(fēng)暴的時空分布特征，揭示了這一地區(qū)的對流風(fēng)暴時空分布存在明顯的年季差異，以及與天氣尺度系統(tǒng)的年季活動規(guī)律密切相關(guān)。Carbone等[36]也嘗試?yán)?年暖季的雷達(dá)資料研究揭示美國大陸對流的年季變化，并對北美季風(fēng)環(huán)流和ENSO對對流發(fā)展演變的影響進(jìn)行了初步分析。但是，類似的雷達(dá)氣候研究均需要利用較長時間積累的雷達(dá)資料，這樣從氣候?qū)W意義上來講才具有一定的可靠性，這方面的工作目前開展得還不是很多。

圖5 京津冀區(qū)域平均的暖季6—8月各月逐小時40dBz以上雷達(dá)回波出現(xiàn)百分率（a），以及出現(xiàn)頻率的月—小時分布圖（b ）[29]

2.2 風(fēng)暴屬性的識別追蹤和統(tǒng)計

圖6 40dBz以上雷達(dá)反射率因子指示的京津冀區(qū)域平均的逐小時風(fēng)暴出現(xiàn)頻率的風(fēng)向—小時分布圖（a）500hPa;（b）925hPa

對于雷達(dá)氣候研究，也有一些學(xué)者采用風(fēng)暴屬性追蹤統(tǒng)計的方法進(jìn)行。這種方法首先是基于雷達(dá)三維反射率因子回波，利用風(fēng)暴識別和追蹤分析算法對每個風(fēng)暴單體的屬性進(jìn)行識別、分析和追蹤，然后再對得到的所有風(fēng)暴的有效屬性進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出某一地區(qū)對流風(fēng)暴屬性及發(fā)展演變和傳播的氣候特征。目前，比較有代表性的對流風(fēng)暴識別和追蹤分析算法包括風(fēng)暴三維屬性追蹤算法TITAN[37]以及風(fēng)暴質(zhì)心追蹤算法SCIT[38]，采用風(fēng)暴屬性追蹤統(tǒng)計的雷達(dá)氣候研

究也基本上基于這兩種算法。Henry[39]利用TITAN，通過對美國丹佛附近的雷達(dá)觀測資料進(jìn)行風(fēng)暴追蹤和統(tǒng)計研究，揭示了83%的單單體風(fēng)暴的生命史不會超過30min，而超過88%的多單體風(fēng)暴和超級單體風(fēng)暴的生命史超過30min，為丹佛地區(qū)對流風(fēng)暴尺寸和強(qiáng)度的臨近預(yù)報提供了改進(jìn)的科學(xué)基礎(chǔ)。Saxen等[30]利用TITAN算法對美國一個多山地區(qū)的對流風(fēng)暴屬性的追蹤統(tǒng)計也表明，風(fēng)暴的生命史、平均面積、移動傳播速度、強(qiáng)度以及回波頂高等，均表現(xiàn)出顯著的差異和明顯的峰值特征。在歐洲和南美洲，也有學(xué)者嘗試?yán)肨ITAN進(jìn)行風(fēng)暴屬性的識別和追蹤統(tǒng)計，并得出了一些有意義的、定量的風(fēng)暴氣候?qū)W屬性特征，為對流的診斷分析和臨近預(yù)報提供了科學(xué)背景支持[40-41]。Mohee等[42]利用SCIT算法，對美國北Dakota州的對流風(fēng)暴屬性的氣候特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴出現(xiàn)頻率在傍晚到凌晨存在明顯的峰值，風(fēng)暴的平均生命史為24min左右，平均移速為16.4m/s左右，風(fēng)暴向偏東北方向的移動趨勢最為明顯，在暖季每月的變化差異也很明顯，并開展了一系列的對流風(fēng)暴氣候特征屬性的分析。

在國內(nèi)，韓雷等[43]首次利用2003—2007年5—8月天津塘沽的新一代多普勒天氣雷達(dá)三維反射率因子數(shù)據(jù)，對天津及鄰近地區(qū)的對流風(fēng)暴的氣候分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析。通過對風(fēng)暴的識別和追蹤結(jié)果的統(tǒng)計分析，給出了京津地區(qū)對流風(fēng)暴的面積、體積、頂高、最大反射率因子、生命史和運動規(guī)律等定量的強(qiáng)對流風(fēng)暴氣候統(tǒng)計特征。從韓雷等[43]給出的對流風(fēng)暴面積和體積的地理分布可以看出（圖7），北京西北部和西南部地區(qū)風(fēng)暴的面積較小，而東部則明顯較大。根據(jù)Chen等[29]對該地區(qū)對流日變化的雷達(dá)氣候研究，并依據(jù)天氣學(xué)分析，可以推測出西北部山區(qū)的對流風(fēng)暴可能更多為熱力對流，空間與時間尺度都較小，而在東部平原地區(qū)出現(xiàn)具有較好組織性和長生命史特征的對流風(fēng)暴系統(tǒng)的頻率明顯較高。目前，作者正在利用京津冀地區(qū)6部雷達(dá)5年（2008—2012年）暖季5—9月的反射率因子三維拼圖資料和TITAN算法，對這一地區(qū)的對流風(fēng)暴三維屬性進(jìn)行細(xì)致的氣候特征統(tǒng)計研究，相關(guān)的工作這里不再介紹。

對基于高時空分辨率雷達(dá)三維資料追蹤識別得到的對流風(fēng)暴的三維屬性進(jìn)行定量統(tǒng)計分析，是雷達(dá)氣候研究的一大特色，目前來說，也是其他資料和方法所不能比擬的。與使用常規(guī)觀測資料和靜止衛(wèi)星紅外亮溫的統(tǒng)計結(jié)果相比，使用雷達(dá)資料進(jìn)行這樣的氣候統(tǒng)計不僅可以給出對流風(fēng)暴的三維空間信息的統(tǒng)計結(jié)果（如體積和頂高等），還可以給出風(fēng)暴的生命史、移速、移向等定量氣候分布特征，從而可進(jìn)一步充實對某一地區(qū)對流天氣氣候特征的認(rèn)識。

2.3 基于雷達(dá)氣候研究的個例分析

圖7 基于TITAN追蹤識別結(jié)果統(tǒng)計得到的天津及其鄰近地區(qū)對流風(fēng)暴平均面積（a）和體積（b）的地理分布[43]

這里，基于京津冀地區(qū)雷達(dá)氣候初步研究結(jié)果[29]，對三個影響北京地區(qū)的典型對流風(fēng)暴個例進(jìn)行對比分析，分別是2012年“7·21”特大暴雨以及2013年“6·24”和“6·28”強(qiáng)對流天氣個例。圖8是40dBz以上雷達(dá)組合反射率因子回波的時間序列圖。由圖可以看出，不同天氣形勢下的對流風(fēng)暴，均存在明顯的由山區(qū)和山腳向下游平原地區(qū)傳播發(fā)展的特征。而且，從這三個個例來看，在接近傍晚時段，在京津冀山腳附近特別是在北京及其周邊地區(qū)，對流風(fēng)暴的面積明顯增大，組織性得到顯著加強(qiáng)。從北京南郊觀象臺的探空來看（圖略），對于這三個個例，低層925hPa環(huán)境風(fēng)均為明顯的偏南風(fēng)，這表明對流風(fēng)暴的

增強(qiáng)和新生與地形對低層偏南暖濕氣流的強(qiáng)迫上升存在密切聯(lián)系。上述個例分析結(jié)果與Chen等[29]的雷達(dá)氣候?qū)W研究結(jié)果一致。對比這三個個例來看，“7·21”特大暴雨個例的雷達(dá)回波傳播速度明顯偏慢，從山腳傳播到渤海灣附近大約耗時9h，而“6·24”和“6·28”強(qiáng)對流個例的雷達(dá)回波傳播速度較快，從山腳傳播到渤海灣僅耗時4h左右。Chen等[29]的雷達(dá)氣候?qū)W研究指出，京津冀地區(qū)的對流風(fēng)暴在6和7月存在明顯的自西北向東南的傳播特征，且6月傳播速度最快，也符合這三個個例的實際觀測結(jié)果。從500hPa探空風(fēng)來看，“7·21”和“6·28”個例500hPa環(huán)境風(fēng)為WSW，風(fēng)暴向下游的傳播方向更偏東，而“6·24”個例的500hPa環(huán)境風(fēng)則為WNW，風(fēng)暴的傳播方向更偏向東南。這也與我們最新得出的雷達(dá)氣候研究結(jié)果一致。

精細(xì)的雷達(dá)氣候研究結(jié)果是強(qiáng)對流天氣精細(xì)化預(yù)報所必須的科學(xué)背景，可以用來指導(dǎo)預(yù)報人員對實際的強(qiáng)天氣個例進(jìn)行預(yù)報，也可以將雷達(dá)氣候研究結(jié)果集成進(jìn)自動化的強(qiáng)天氣客觀預(yù)報系統(tǒng)中，用來發(fā)展和改進(jìn)強(qiáng)天氣的自動化客觀預(yù)報和預(yù)警[25,28,30]。

圖8 京津冀地區(qū)雷達(dá)反射率因子≥40dBz的對流風(fēng)暴回波時間序列（a）2012年7月21日;（b）2013年6月24日;（c）2013年6月28日（圖中粗藍(lán)線為200m地形等高線;圖中不同顏色代表不同時間（北京時）的40dBz以上回波覆蓋范圍）

3 雷達(dá)氣候在城市強(qiáng)天氣臨近預(yù)報中的應(yīng)用

3.1 城市對局地降水及強(qiáng)天氣的影響

近年來，國際上開展了大量的城市化和城市區(qū)域特征對局地降水及強(qiáng)天氣影響的研究。對于局地降水，大部分研究都表明，城市會導(dǎo)致局地降水量及強(qiáng)降水頻次的增加，尤其在城市的下風(fēng)方，這種效應(yīng)更加明顯[44-50]。但是，部分學(xué)者認(rèn)為，城市效應(yīng)會導(dǎo)致局地降水有不同程度的減少[51-53]?？傊?，目前城市對局地降水的可能影響問題，國際上存在兩種相反的觀點：多數(shù)研究者認(rèn)為，城市的動力、熱力作用使城區(qū)和城市下游地區(qū)降水增加；有一些研究者認(rèn)為，城市大氣污染物的微物理過程會使城市下游地區(qū)的降水減少。我國就城市對局地降水的影響也開展了一些研究，得到的結(jié)論也不盡相同[54-57]。關(guān)于城市對局地強(qiáng)對流天氣的影響，國內(nèi)外研究表明，由于城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致城市下墊面變化并引起城市熱島等城市效應(yīng)的不斷加強(qiáng)，非常有利于近地面輻合的增強(qiáng)和局地?zé)崃Νh(huán)流的產(chǎn)生，導(dǎo)致暖濕氣流上升強(qiáng)度加大，從而引起城市地區(qū)強(qiáng)對流天氣的新生和強(qiáng)烈發(fā)展[58-68]?？偟膩碚f，城市化和城市特征對局地降水和強(qiáng)對流天氣的影響存在較強(qiáng)個性，不同地區(qū)的研究結(jié)論不盡相同。在我國城市化加劇的今天，城市對局地降水和強(qiáng)對流天氣的影響究竟如何，降水及對流的新生、增強(qiáng)或減弱與熱島強(qiáng)度、城市邊界層特征等存在怎樣的一種關(guān)系，尚需進(jìn)一步研究。

3.2 雷達(dá)氣候與城市強(qiáng)天氣臨近預(yù)報的應(yīng)用結(jié)合

從上文的介紹來看，一方面，基于高時空分辨率雷達(dá)觀測資料的雷達(dá)氣候研究，能夠揭示對流風(fēng)暴和對流性降水的精細(xì)時空演變特征；另一方面，雖然總體來說城市區(qū)域的尺度相對較小，但城市對對流天氣的影響卻非常顯著。因此，如果利用雷達(dá)氣候研究來揭示城市地區(qū)對流的時空變化特征，就具有一定的優(yōu)越性。但是，就目前來說，國內(nèi)外在這方面開展的工作還不是很多。Bentley等[69]利用10年的雷達(dá)反射率因子拼圖資料，分析了美國Atlanta地區(qū)的對流氣候變化特征，發(fā)現(xiàn)在Atlanta的城市地區(qū)以及城市擴(kuò)展地區(qū)，與強(qiáng)的城市熱島效應(yīng)相對應(yīng)，對流風(fēng)暴的出現(xiàn)頻率明顯偏高，表明城市對局地強(qiáng)對流的發(fā)生和增強(qiáng)具有明顯正面效應(yīng)。另外，城市下墊面的改變，也能夠引起對流風(fēng)暴的動力和熱動力特征的明顯變化。最近，Niyogi等[70]開展了美國印第安納州最大城市和首府Indianapolis地區(qū)對流風(fēng)暴的雷達(dá)氣候研究，并對城市地區(qū)和周邊非城市地區(qū)的對流特征進(jìn)行了比較，揭示了大城市對區(qū)域?qū)α鞯挠绊?。他們發(fā)現(xiàn)，在城市地區(qū)超過60%的對流風(fēng)暴會改變結(jié)構(gòu)，而在非城市地區(qū)，

僅為25%。白天的城市環(huán)境對對流風(fēng)暴的影響明顯高于夜晚。雷達(dá)氣候分析指出這一地區(qū)的對流風(fēng)暴在接近城市地區(qū)上風(fēng)方時易出現(xiàn)分裂而在下風(fēng)方時又極易出現(xiàn)合并，使得在城市地區(qū)上風(fēng)方主要以中等尺寸的對流風(fēng)暴為主，而在下風(fēng)方則是小尺寸和大尺寸風(fēng)暴出現(xiàn)的概率較高。同時，Niyogi等[70]開展的敏感性數(shù)值模擬試驗也表明，如果在模式中去除Indianapolis城市地區(qū)邊界層等的影響時，導(dǎo)致模式中的區(qū)域輻合和對流、地面能量平衡、邊界層結(jié)構(gòu)等發(fā)生明顯變化，從而導(dǎo)致實際發(fā)生的對流風(fēng)暴不能夠被很好模擬出來。除了利用雷達(dá)資料外，Ntelekos等[71]也利用閃電資料和地面觀測資料，分析了美國馬里蘭州Baltimore附近的城市群地區(qū)暖季對流風(fēng)暴的時空分布特征，包括季節(jié)變化、日變化和空間頻率等，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴頻率在城市地區(qū)與非城市地區(qū)存在顯著差異，并指出這與城市熱島等城市化效應(yīng)存在密切聯(lián)系。Hand等[31]也利用地面觀測和衛(wèi)星資料，分析了美國Oklahoma城附近的暖季降水氣候特征，發(fā)現(xiàn)在弱天氣尺度強(qiáng)迫形勢下，城市效應(yīng)對降水影響最為明顯，城市不同地區(qū)的濕度分布非常不均勻，城市下風(fēng)方地區(qū)濕度最大，降水也經(jīng)常出現(xiàn)異常。在上述Chen等[29]針對京津冀地區(qū)的雷達(dá)氣候研究中，也透視出北京城市效應(yīng)對對流風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。從北京城區(qū)附近風(fēng)暴概率變化的時段來看，20:00—21:00之間觀測的城區(qū)內(nèi)對流風(fēng)暴出現(xiàn)頻率仍然較低，而從21:00開始至00:00，城區(qū)內(nèi)觀測的孤立對流風(fēng)暴單體出現(xiàn)的頻率突然增大（圖9）。上述分析表明此段時間內(nèi)北京城市效應(yīng)對對流風(fēng)暴的加強(qiáng)或者新生的作用最為明顯，這可能與城市熱島及城市陸面不均勻性等存在密切關(guān)系，但還需要進(jìn)一步去研究。上述為數(shù)不多的雷達(dá)氣候?qū)W與城市對流特征相結(jié)合的研究表明，城市局地環(huán)流特征（如城市熱島環(huán)流）對局地強(qiáng)對流的發(fā)生和增強(qiáng)具有明顯的正面效應(yīng)。另外，城市特殊的下墊面和邊界層特征，也對對流風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和熱動力特征產(chǎn)生明顯影響。

圖9 北京地區(qū)雷達(dá)反射率因子≥40dBz的對流風(fēng)暴回波出現(xiàn)頻率（a）20:00—21:00;（b）21:00—22:00;（c）22:00—23:00;（d）23:00—00:00（北京時;圖中粗黑線為200m地形等高線;修改自文獻(xiàn)[29]的圖2）

可以看出，如果將雷達(dá)氣候研究與城市地區(qū)對流天氣研究相結(jié)合，不但可以掌握城市地區(qū)和城市化對對流風(fēng)暴和對流性降水的影響，也可以改進(jìn)對城市地區(qū)對流天氣的臨近預(yù)報和預(yù)警。在國際上，雷達(dá)氣候研究結(jié)果作為一個區(qū)域強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展和演變傳播的氣候背景資料，已經(jīng)被應(yīng)用于局地對流天氣的自動臨近預(yù)報試驗中[30,72]。在北京自動臨近預(yù)報系統(tǒng)（BJANC）的參數(shù)調(diào)整優(yōu)化和系統(tǒng)評估中[28]，我們也已經(jīng)初步應(yīng)用了一些雷達(dá)氣候研究結(jié)果[43,73]，但如何將上述最新的京津冀雷達(dá)氣候研究結(jié)果[29]應(yīng)用于對流天氣的自動臨近預(yù)報中，許多方面還有待于進(jìn)一步深入研究。更為重要的是，如何將雷達(dá)氣候研究專門應(yīng)用于城市地區(qū)對流天氣精細(xì)的臨近預(yù)報和預(yù)警中，目前還未發(fā)現(xiàn)國際上有任何的報道或出版的論文?；谝酝难芯拷?jīng)驗，可以認(rèn)為，對于一個特定的城市或城市群地區(qū)，發(fā)展一套集雷達(dá)氣候研究結(jié)果、城市熱島效應(yīng)、城市下墊面影響效應(yīng)、城市冠層和城市水文特征等在內(nèi)的城市地區(qū)對流天氣概念模型，同時在模型中也必須考慮一些精細(xì)的對流熱動力特征[74-80]，并將概念模型集成進(jìn)對流天氣臨近預(yù)報的專家系統(tǒng)中（可利用類似于文獻(xiàn)[28]和[72]的模糊邏輯集成方法），再結(jié)合城市地區(qū)精細(xì)的探測資料分析和地理信息系統(tǒng)（GIS），將能夠有效提升對城市地區(qū)對流天氣和對流性降水的監(jiān)測分析和臨近預(yù)報、預(yù)警能力。另外，利用臨近預(yù)報和數(shù)值預(yù)報的融合技術(shù)（Blending），也是提升對流尺度定量降水預(yù)報特別是城市地區(qū)暴洪短時臨近預(yù)報能力的重要手段[81-82]。

4 結(jié)束語

通過對國內(nèi)外雷達(dá)氣候研究成果的描述可以看出，雷達(dá)氣候研究對于理解一個區(qū)域內(nèi)對流風(fēng)暴和對流性降水的精細(xì)時空分布和演變特征非常關(guān)鍵，也非常有助于作為中小尺度天氣現(xiàn)象的對流天氣的臨近預(yù)報和預(yù)警能力以及定量降水預(yù)報能力的提升。從本文的介紹可以看出，國際上特別是在美國，已經(jīng)針對不同區(qū)域的對流風(fēng)暴和對流性降水，開展了大量的雷達(dá)氣候研究。目前，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）強(qiáng)風(fēng)暴預(yù)測中心已經(jīng)有專門的網(wǎng)頁提供美國本土幾乎每部雷達(dá)站覆蓋范圍內(nèi)的強(qiáng)天氣氣候特征圖（包括短時大風(fēng)、冰雹、龍卷的出現(xiàn)報告統(tǒng)計圖，強(qiáng)天氣年際變化、月季變化、日變化圖），以及相關(guān)的分析表格，供預(yù)報人員在進(jìn)行強(qiáng)天氣臨近預(yù)報和預(yù)警業(yè)務(wù)時參考（網(wǎng)址：www. spc.noaa.gov/climo/online/rda/）。美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)也制作了一套佛羅里達(dá)州和南佐治亞州的雷達(dá)氣候?qū)W數(shù)據(jù)集，為佛羅里達(dá)州環(huán)保部門的地面降水和地下水資源模擬以及NOAA的水文氣象分析和預(yù)報等提供科學(xué)參考（網(wǎng)址：fuelberg.met.fsu.edu/ research/fdep/gquina/climo.html）。本文也介紹了雷達(dá)氣候研究結(jié)果可在強(qiáng)天氣自動臨近預(yù)報專家系統(tǒng)中得到應(yīng)用。另外，雷達(dá)氣候研究結(jié)果可用于雷達(dá)雜波和雷達(dá)觀測偏差分析，從而有助于改進(jìn)雷達(dá)的觀測質(zhì)量，進(jìn)而也能夠改進(jìn)雷達(dá)的定量降水估測效果[83-84]。但是，我國在雷達(dá)氣候研究方面開展的系統(tǒng)性工作還不是很多。目前，我國新一代天氣雷達(dá)已經(jīng)基本完成布網(wǎng)，部分地區(qū)也已經(jīng)積累了多年的雷達(dá)觀測資料，開展雷達(dá)氣候研究的資料條件業(yè)已成熟。作者基于上海及其周邊地區(qū)6部新一代天氣雷達(dá)在2010年5月1日—9月14日上海世博會期間的逐6min反射率因子觀測資料，統(tǒng)計得到了上海及其周邊地區(qū)2010年暖季的對流風(fēng)暴日循環(huán)特征（圖10）。從這個初步的雷達(dá)氣候結(jié)果可以看出，至少在2010年暖季，上海及其周邊的對流風(fēng)暴存在明顯的日循環(huán)和傳播特征，其中影響上海地區(qū)的對流峰值主要出現(xiàn)在10:00—12:00之間，但是不同時段影響的區(qū)域完全不同。

另一方面，近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和戰(zhàn)略調(diào)整，我國城市化進(jìn)程的速度顯著加快，不但大城市發(fā)展規(guī)模逐漸擴(kuò)大，而且也已經(jīng)涌現(xiàn)出了“長三角”、“珠三角”、“環(huán)渤?！钡却笾谐鞘性萍某鞘腥旱貐^(qū)。國內(nèi)外研究也說明，城市環(huán)境對對流天氣的影響非常明顯。而且更為重要的是，城市地區(qū)對對流天氣災(zāi)害的承載能力更加脆弱，需要更為準(zhǔn)確、及時和精細(xì)化的對流天氣臨近預(yù)報和預(yù)警服務(wù)。因此，如前文所言，這就促使我們應(yīng)該將雷達(dá)氣候研究與城市地區(qū)對流天氣研究有效結(jié)合，從而提升城市地區(qū)對流天氣的精細(xì)臨近預(yù)報和預(yù)警能力。在國際上，也已經(jīng)開始嘗試將雷達(dá)氣候研究與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合，對對流風(fēng)暴和對流性降水的氣候特征進(jìn)行更為精細(xì)的研究[34,85]，這也為城市（群）地區(qū)精細(xì)尺度的對流天氣研究與雷達(dá)氣候研究及城市環(huán)境特征相結(jié)合提供了一種新思路。

當(dāng)然，雷達(dá)氣候研究也具有一定不確定性。首先，天氣雷達(dá)的探測資料具有一定的局限性，比如雷達(dá)地物雜波（包括城市區(qū)域的高建筑物雜波）、亮帶回波、波束阻擋、不同雷達(dá)之間的標(biāo)定差異等，均影響到天氣雷達(dá)對真實對流回波的探測，進(jìn)而影響到雷達(dá)氣候研究的效果[86]。其次，在雷達(dá)站稀疏的地區(qū)，一些區(qū)域成為雷達(dá)探測的“空缺”區(qū)，而這些區(qū)域?qū)⒉豢赡塬@得有效的雷達(dá)氣候研究結(jié)果[86]。另外，正如

Chen等[29]所強(qiáng)調(diào)的一樣，利用幾年的雷達(dá)資料進(jìn)行暖季對流天氣氣候特征的研究，就需要確保影響這一地區(qū)暖季的大氣環(huán)流不出現(xiàn)異常，否則，雷達(dá)氣候研究結(jié)果可能不具有代表性。在如何將雷達(dá)氣候研究有效應(yīng)用于城市地區(qū)對流天氣的臨近預(yù)報和預(yù)警的研究和業(yè)務(wù)中，也面臨許多的課題。

圖10 上海及其周邊地區(qū)雷達(dá)反射率因子≥35dBz的對流風(fēng)暴回波出現(xiàn)概率（%）（圖中粗黑線表示上海地區(qū)）

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An Overview of Progresses in Radar Climatology and Its Prospective Applications in Nowcasting Severe Weather over Urban Regions

Chen Mingxuan1, Wang Yingchun2, Gao Feng1, Xiao Xian1, Cheng Conglan1
(1 Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089 2 Beijing Meteorological Service, Beijing 100089)

International progress in radar climatology in recent years is introduced fi rst in this paper, focusing on diurnal variations of convective storms and precipitation in different regions in the world based on radar climatology, and some research fi ndings of radar climatology for diurnal variations of warm-season convective storms over contiguous North China (Beijing and its vicinity). Studies of radar climatology mainly reveal initiation, enhancement, and diurnal cycle and propagation of convection over different regions, which has a close relationship with solar heating, topographical forcing, prevailing winds, as well as synoptic and mesoscale systems. Statistics of identif i ed and tracked 3D storm properties are another especial study of radar climatology, and are also presented. Studies and progress in effects of urbanization on convective storms and precipitation, and studies on convective weather over urban regions based on radar climatology are also reviewed. Finally, application prospects of radar climatology in analysis on convective mechanism and fi ne-scale nowcasting of convective storms and precipitation over urban regions are discussed in the paper.

radar climatology, convection, precipitation, urbanization, nowcasting

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.05.003

2013年5月30日；

2013年9月5日

陳明軒（1973—），Email: mxchen@ium.cn

資助信息：國家自然科學(xué)基金（41075036）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201306008）