高原气象

高原气象 >

2025 , Vol. 44 >Issue 3: 795 - 809

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2024.00094

中原地区冷季高架对流不稳定机制及雷达特征分析

  • 武威 , 1, 2 ,
  • 许东蓓 , 1
展开
  • 1. 成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225
  • 2. 河南省漯河市气象局，河南 漯河 462300
许东蓓（1968 -）， 女， 浙江东阳人， 教授， 主要从事天气动力学及灾害性天气形成机制研究. E-mail：

武威（1987 -）， 男， 河南漯河人， 高级工程师， 主要从事短期、 短临天气预报. E-mail：

收稿日期: 2024-06-05

  修回日期: 2024-09-23

  网络出版日期: 2024-11-25

基金资助

河南省气象局面上项目(KM202242)

中国气象局航空气象重点开放实验室基金项目(HKQXZ-2024005)

收起

Radar Characteristics and Instability Mechanism of Elevated Convection during the Cold Season in Central Plains

  • Wei WU , 1, 2 ,
  • Dongbei XU , 1
Expand
  • 1. College of Atmospheric Sciences，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，Sichuan，China
  • 2. Luohe Meteorological Bureau，Luohe 462300，Henan，China

Received date: 2024-06-05

  Revised date: 2024-09-23

  Online published: 2024-11-25

Copyright

© Editorial Department of Plateau Meteorology （CC BY-NC-ND）
Fold

摘要

利用常规气象观测资料、 ERA5再分析资料、 闪电定位数据和多普勒天气雷达资料等， 以中原地区代表性省份-河南省为研究区域， 针对其2010 -2021年冷季（10月至次年4月）显著高架对流个例进行不稳定机制分类， 并对比分析不同机制下雷达回波特征。结果表明： （1）河南省冷季高架对流按照不稳定机制可分为条件不稳定类、 条件对称不稳定类、 条件不稳定与条件对称不稳定混合类和锋生次级环流触发类4种， 其中条件不稳定类占比最多， 条件对称不稳定类和混合类次之， 锋生次级环流触发类较少。（2）冷季高架对流雷达回波以大范围层积混合回波为主， 高架对流单体强度中心值超过40 dBZ， 强回波中心高度超过0 ℃等温层， 最大回波顶高在6~10 km。高仰角上存在环状或带状回波的类零度层亮带。（3）条件不稳定类雷达回波中心最强（55~60 dBZ）， 强回波发展高度和回波顶高最高（8~12 km）， 出现冰雹概率最高； 混合类回波范围广、 中心强度较大（40~55 dBZ）， 对流发展高度与不稳定主导类型有关， 回波顶高达8~10 km。条件对称不稳定类和锋生环流触发类回波类似， 结构呈条纹状或片状， 中心强度较弱（30~45 dBZ）， 回波纹理均匀， 回波发展高度达3 km， 最大顶高达6~8 km， 对流单体沿热成风方向传播， 没有新生单体传播或合并， 能够形成冰相粒子和雷暴， 但出现雹暴概率较低。（4）径向速度场显示上下层风场不连续， 850 hPa以下近地层维持东北或偏东急流， 700 hPa以上存在强盛西南急流， 较好反映了暖湿气流沿冷垫爬升的天气学特征； 低层零速度线呈“S”型弯曲和明显的正负速度中心形成典型的“牛眼”结构， 其中以锋生环流类最为显著， 条件对称不稳定类次之。

关键词： 中原地区; 冷季; 高架对流; 不稳定机制; 雷达特征

本文引用格式

武威 , 许东蓓 . 中原地区冷季高架对流不稳定机制及雷达特征分析[J]. 高原气象, 2025 , 44(3) : 795 -809 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2024.00094

Abstract

Based on conventional meteorological observation data， ERA5 reanalysis data， lightning location data， and doppler weather radar data， taking Henan province that is the most representative region in central plains as the study area， significant elevated convection cases during the cold season （October to April of the following year）from 2010 to 2021 were classified according to instability mechanisms and the radar echo characteristics under different mechanisms were compared and analyzed.The results show as follows： （1） Elevated convection during the cold season in Henan Province are classified into four categories based on unstable mechanisms： conditionally instability， conditionally symmetric instability， mixed conditionally instability and conditionally symmetric instability and frontal secondary circulation triggering.Among them， conditionally instability class accounts for the largest proportion， followed by conditionally symmetric unstable instability and mixed class， while frontal secondary circulation triggering class accounts for a smaller proportion.（2） The radar echoes of elevated convection during the cold season are mainly large-scale stratiform mixed echoes.The intensity center of individual elevated convection exceeds 40 dBZ and the maximum echo top height is between 6 to 10 km.A ring-shaped or banded echo is observed at high elevation angles near the freezing layer.（3） In the radar echoes of conditionally instability class， the strongest center （55~60 dBZ） and the highest development height and echo top height （8~12 km） are observed， with the highest probability of hail.The mixed class echoes have a wide range and a large center intensity （40~55 dBZ） and the development height of convection is related to the dominant instability type， with echo top height reaching 8-10 km.The echoes of conditionally symmetric instability class and frontal secondary circulation triggering class are similar in structure， showing stripe or patchy features， with weaker center intensity （30~45 dBZ）， uniform echo texture， development height of echoes up to 3 km and maximum echo top height of 6~8 km.Convection cells propagate along the thermal wind direction， without new cell propagation or merging phenomena， and can form ice-phase particles and thunderstorms， but the probability of hailstorm is relatively low.（4） The radial velocity field shows discontinuity between the upper and lower wind fields， with a northeast or northeast jet stream below 850 hPa and a strong southwest jet stream above 700 hPa reflecting well the meteorological characteristics of warm and humid airflow ascending along the cold pad； the low-level zero-velocity line shows an "S" shaped bend and obvious positive and negative velocity centers form a typical "eye" structure， with the frontal secondary circulation class being the most significant， followed by the conditionally symmetric instability class.

Key words： central plains; cold season; elevated convection; instability mechanism; radar characteristics

1 引言

根据垂直方向上对流触发位置， 可将对流分为地面对流和高架对流两类（ 俞小鼎和郑永光， 2020）。地面对流是由地面附近的不稳定气块获得浮力抬升而产生（ 孙继松， 2014； 俞小鼎等， 2020）， 相关研究成果包括地面对流的环流背景（ 郑永光等， 2010； 樊李苗和俞小鼎， 2013； 田付友等， 2022）、 中尺度结构及其演变特征（ 王秀明等， 2014； 郑永光等， 2015）、 对流触发机制（ 郑媛媛等， 2011； 王彦等， 2011）， 以及超级单体、 飑线等对流系统维持机制等（ 吴海英等， 2017； 盛杰等， 2019； 何娜等， 2023）。与地面对流不同， 高架对流触发机制则位于边界层冷垫之上， 由逆温层顶的气块绝热上升获得浮力导致对流。 Colman（1990a， 1990b）最早提出高架对流的概念， 即发生在锋面冷区一侧的雷暴。 Grant（1995）认为典型高架对流发生在地面暖锋前或冷锋后的冷气团中， 低层大气稳定且对流有效位能不明显。 Wilson and Roberts（2006）指出很多高架对流是由900~600 hPa上中尺度切变线或辐合线触发。
国内对高架对流的研究起步相对较晚， 吴乃庚等（2013）对华南一次高架对流天气分析， 指出边界层冷空气补充南下迫使低层暖湿空气抬升， 中高层辐散产生高空“抽吸”作用， 配合华南上空有利的动力和热力不稳定条件， 形成高架强对流。 农孟松等（2013）分析了广西一次高架对流造成的冰雹过程， 得出700~500 hPa强暖湿急流、 700~850 hPa强垂直风切变、 500 hPa高空冷槽创造了有利条件。 吴庆梅等（2014）对北京一次回流暴雪天气锋区特征分析， 结果表明低层东北风与中高层西南气流形成明显的风垂直切变和温度差异， 动力锋生作用强， 其产生的锋面次级环流导致高架雷暴产生。 孔凡超等（2015）研究表明中高层 θ se平流差造成中层条件不稳定， 850 hPa切变辐合配合冷平流触发不稳定能量释放是造成冷季高架对流的重要原因。 鲍媛媛等（2015）指出低空急流造成暖湿气流输送和高空急流造成冷平流侵入是高架对流触发机制。 黄小刚等（2017）认为地形强迫和锋面抬升、 辐合切变线和对称不稳定等联合作用激发倾斜对流强烈发展。 俞小鼎等（2020）指出我国高架对流以雷电和冰雹天气为主， 且多发生在冬春或秋冬转换时期。
冷季（10月至次年4月）高架对流发生时间早、 社会影响大、 预报难度高， 目前数值模式对流参数化方案多假定深厚湿对流产生于地面， 致使高架对流比地面对流的临近预报难度更大（ 俞小鼎等， 2016）。中原地区西起陕西关中、 东至豫东开封， 南至淮河、 北接黄河， 主要指黄河中下游地区， 而狭义上中原指河南地区（ 朱新玉等， 2012）。作为中原的代表， 河南省冷季高架对流较多， 影响较严重， 开展高架对流机理研究对中原地区尤其是河南省防灾减灾十分必要。已有相关研究主要针对典型个例进行诊断分析（ 张一平等， 2014； 崔慧慧， 2017； 李姝霞等， 2023）， 对于河南省冷季高架对流不稳定机制分类研究相关工作尚未见到。基于此， 本文针对2010 -2021年长序列河南省冷季高架对流个例， 探讨并加以不稳定机制分类， 概况不同类型下雷达基本特征和关键特点， 以加深对中原地区该类型对流的认识， 为改进此类天气预报预警提供更多科学依据。

2 资料来源与方法介绍

2.1　资料来源

本文使用资料： （1）常规气象观测资料以及国家气象中心利用自动观测站、 重要天气报等获取的对流天气综合监测资料， 包括雷暴、 短时强降水、 雷暴大风和冰雹。（2）闪电定位资料来源于河南省19部ADTD型闪电定位仪组成的闪电探测网， 时间精度0.1 μm， 网内水平定位误差<200 m。（3）ERA5再分析资料， 空间分辨率0.25°×0.25°， 时间分辨率1 h， 包括不同层次逐时温、 压、 湿、 风等要素和涡度、 散度、 垂直速度等诊断量， 主要用于诊断分析锋生作用及垂直对流不稳定条件、 对称不稳定条件、 湿位涡等。（4）河南省郑州CINRAD/SA和驻马店CINRAD/SB新一代天气雷达资料， 时间分辨率6 min， 用于分析冷季高架对流的回波结构特征。

2.2　河南省冷季显著高架对流判别标准

本文参考已有冷季高架对流判据（ 俞小鼎等， 2016）， 并结合河南省气候和地理地形特征， 给出冷季高架对流标准如下： （1）3个及其以上站点出现明显的雨雪天气实况， 并且伴有区域性雷暴发生， 或者地面观测到3个以上站点的强对流天气， 包括冰雹、 雷暴大风、 短时强降水等； （2）对流落区位于地面冷锋后冷空气一侧并且距锋面北侧100 km以外， 剔除锋面雷暴； （3）探空图上锋面逆温明显， 低层冷垫深厚达到50 hPa以上。基于上述冷季高架对流标准， 共筛选出2010 -2021年冷季高架对流个例56个。根据对流天气的灾害性程度， 可将56个过程划分为普通高架对流和显著高架对流， 具体方法如下： 首先将3个以上站点出现冰雹、 雷暴大风、 短时强降水等强对流天气实况的个例归纳为冷季显著高架对流； 若未出现上述天气实况， 则通过雷暴小时频次及其持续时间作为判定其显著性标准。按照百分位法（ Zhai et al， 2005； Wu et al， 2019）， 确定将95%分位数（即雷暴小时频次184次）作为河南省冷季高架对流强弱阈值， 并且持续时间达到3 h以上（ 郑淋淋等， 2011； 曹舒娅等， 2018）， 也划分为冷季显著高架对流。基于上述划分标准， 在56次河南省冷季高架对流样本中共筛选得出16个冷季显著高架对流个例， 如 表1所示。
表1 2010 - 2021年河南省冷季显著高架对流个例

Table 1 Cold season significant elevated convective cases in Henan Province from 2010 to 2021

过程日期（年-月-日） 发生区域 发生时间 伴随天气
2010-02-10 豫南、 豫中东 14:00 -08:00 冰雹、 雨雪
2010-02-28 豫中南、 西北 11:00 -17:00 冰雹、 冰粒、 雷阵雨
2010-03-02 豫东南 17:00 -02:00 雷阵雨
2010-04-12 豫南 14:00 -20:00 冰雹、 雷阵雨
2011-11-28 豫中东、 西北 14:00 -20:00 雷阵雨
2012-03-21/2012-03-22 沿黄及以南 08:00 -08:00 冰雹、 冰粒、 强降水
2014-02-05/2014-02-06 豫北中 08:00 -20:00 雷暴、 强雨雪
2014-03-18 豫南、 豫中东 14:00 -23:00 雷阵雨
2014-04-18 豫中南 08:00 -23:00 雷阵雨、 强降水
2015-03-17 全省大部 08:00 -23:00 雷阵雨、 强降水
2015-03-31/2015-04-02 全省大部 20:00 -08:00 雷阵雨、 强降水
2017-04-16 豫中西 08:00 -23:00 冰雹、 雷阵雨
2018-03-04 全省大部 08:00 -23:00 雷阵雨
2019-04-08/2019-04-09 豫北中 23:00 -11:00 强降水、 雷暴大风、 雷暴
2020-02-27/2020-02-28 豫南、 豫中东 17:00 -02:00 冰雹、 雨雪
2021-02-24/2021-02-25 豫北中、 豫东 17:00 -02:00 冰雹、 雨雪

2.3　不稳定机制诊断方法

冷季高架对流通常有3种不稳定机制： （1）条件不稳定引起的垂直对流； （2）条件对称不稳定导致的倾斜对流； （3）近似中性条件下由锋生运动强迫引起的次级垂直环流（ Colman， 1990a， 1990b； 俞小鼎等， 2020）。具体判断方法如下：

2.3.1　条件不稳定判断

当大气温度递减率介于干绝热递减率和湿绝热递减率之间， 称之为条件不稳定， 通常用饱和假相当位温（ θ s e *）或饱和相当位温（ θ e *）随高度递减作为判据。此外， 对流有效位能（ CAPE）是判断大气垂直稳定度最清晰的对流参数， 考虑到高架对流是在逆温层之上抬升触发， 从地面抬升计算 CAPE几乎为0， 不适用于该类对流， 因此结合条件不稳定与逆温层顶附近水汽条件构成最不稳定对流有效位能（ MUCAPE）， 本文根据 θ s e *垂直递减率和 MUCAPE大小来诊断冷季高架垂直对流发生潜势（ 俞小鼎等， 2020）。

2.3.2　条件对称不稳定判断

对称不稳定是指大气在垂直方向上静力稳定和水平方向上惯性稳定下， 作倾斜上升运动时仍然可能发生的一种不稳定， 条件对称不稳定是饱和大气中的对称不稳定（ Benetts and Hoskins， 1979）， 其判据常有两种： 一是在垂直于热成风方向上饱和假相当位温（ θ s e *）坡度大于地转绝对动量（ Mg ）坡度， 二是利用湿位涡（ MPV）来进行诊断分析。然而传统的第一种方法过于繁琐， 且通过比较 θ s e *和 Mg 的倾斜程度并不直观， 故通过 MPV来进行诊断冷季高架对流的条件对称不稳定， 对于 MPV计算主要采用 吴国雄等（1995）所阐述的湿位涡守恒方程， 具体如下：
M P V = - g ( ζ P + f ) + ∂ θ s e ∂ p + g ∂ v ∂ p ∂ θ s e ∂ x - g ∂ u ∂ p ∂ θ s e ∂ y
其分量形式具体如下：
M P V 1 = - g ( ζ p + f ) ∂ θ s e ∂ p
M P V 2 = g ∂ v ∂ p ∂ θ s e ∂ x - g ∂ u ∂ p ∂ θ s e ∂ y
式中： g为重力加速度； f为地转涡度； θ se为假相当位温； ζp为相对涡度； 其中 MPV 1是湿正压项， 表示惯性稳定性和对流稳定性； MPV 2为湿斜压项， 表示湿斜压性和水平风垂直切变的贡献； 当 MPV 1>0且 MPV 2<0时， 表示大气对流稳定而对称不稳定， 湿位涡单位为PVU。

2.3.3　锋生次级环流判断

冷季高架对流低层会锋区明显， 对流加强与锋区发展有关。锋区强度的变化用锋生函数（ F）表示， 具体如下公式（ 朱乾根等， 2007）：
F 1 = d d t | ∇ θ s e | = F 1 + F 2 + F 3
F 1 = - 1 2 | ∇ θ s e | · ∂ θ s e ∂ x ∂ θ s e ∂ x - ∂ θ s e ∂ y ∂ θ s e ∂ x × D + 2 ∂ θ s e ∂ x ∂ θ s e ∂ y ( - ξ )
F 1 = 1 2 | ∇ θ s e | · D
F 1 = - 1 | ∇ θ s e | · ∂ θ s e ∂ p ∂ θ s e ∂ x ∂ ω ∂ x + ∂ θ s e ∂ y ∂ ω ∂ y
式中： F 1为变形项； F 2为辐合项； F 3为垂直项。当 F>0时为锋生， 当 F<0时则为锋消。
文中所用时间均为北京时， 文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2019）3082的标准地图制作， 底图无修改。

3 冷季高架对流不稳定机制分类

利用ERA5再分析资料对16次显著高架对流过程计算其饱和假相当位温， 并沿雷暴区所在纬度作垂直剖面（ 图1）， 可知低层800 hPa及其以下均出现明显 θ s e *大梯度带， 且锋区随高度自南向北倾斜。锋区以下近地层为 θ s e *低值区， 表明锋区以下冷垫明显。锋区之上受强盛暖湿气流影响， 出现了不同程度的 θ s e *高值区， 其中9次过程［ 图1（a）~（b）， （f）， （i）， （k）~（l）， （n）~（p）］高值中心之上出现了 θse * 随高度递减的特征， 表明逆温层以上存在一定的条件不稳定。条件不稳定层结主要存在锋区之上的对流层中层700~400 hPa之间， 有利于逆温层顶之上的自由对流发展。从逆温层顶部的 MUCAPE数值上来看， 上述9次过程中最大达151 J·kg -1， 最小仅为10 J·kg -1。其余7次高架对流过程中有3次过程［ 图1（c）， （g）， （m）］锋区之上 θ s e *随高度增加， 表现为条件稳定特征； 另外4次过程［ 图1（d）~（e）， （h）， （j）］锋区上 θ s e *随高度几乎不变， 呈现出近中性层结特征， 对应 MUCAPE均为0 J·kg -1。
图1 16次显著冷季高架对流饱和假相当位温（单位： K， 填色表示饱和假相当位温>316 K）经向垂直剖面

黑粗线为高架对流区

Fig.1 Height section of saturation pseudo-equivalent potential temperature （unit： K， shaded area for saturation pseudo-equivalent potential temperature >316 K） of 16 significant elevated convection.Black thick line represents the location of elevated convection

图2为16次冷季显著高架对流700 hPa湿位涡水平分布。从中可知， 在上述9次条件不稳定［ 图1（a）， （b）， （f）， （i）， （k）， （l）， （n）~（p）］的高架对流有4次个例高架对流区出现湿正压项 MPV1 >0且湿斜压项 MPV 2<0 ［ 图2（f）， （i）， （n）， （p）］， 满足条件对称不稳定判据， 并且 MPV 2负值区集中在-0.8~-0.2 PVU之间， 表明这些个例存在条件不稳定和条件对称不稳定共存； 剩下5次个例湿斜压项 MPV 2值几乎接近0 ［ 图2（a）~（b）， （k）~（l）， （o）］， 并不满足 MPV 2<0的条件对称不稳定判据， 因此推断这些过程主要为条件不稳定导致的垂直对流。
图2 16次显著冷季高架对流700 hPa湿位涡正压项 MPV 1（等值线， 单位： PVU）和湿斜压项 MPV 2（阴影区， 单位： PVU）

虚方框表示高架对流区

Fig.2 Distribution of 700 hPa MPV 1 （contour， unit： PVU） and MPV 2 （the shaded， unit： PVU） of 16 significant elevated convection.The box represents the location of elevated convection

在上述条件性稳定下［ 图1（c）， （g）， （m）］ 3次高架个例中2个过程 MPV 1>0且 MPV 2<0， 且 MPV 1高达1.5 PVU以上， MPV2 低至-1.0~-0.6 PVU ［ 图2（c）， （g）］， 可知为条件对称不稳定导致的倾斜对流； 剩余1个过程［ 图2（m）］ MPV 2接近0， 可判断为条件对称稳定度为近中性。
4次条件不稳定近中性层结［ 图1（d）， （e）， （h）， （j）］的高架个例中， 2次过程［ 图2（d）， （j）］ MPV 2达到-0.6 PVU以下， 并且 MPV 1中心在1.0 PVU以上， 主要为条件对称不稳定触发； 另外2次过程［ 图2（e）， （h）］ MPV 2接近0， 呈现近条件对称中性层结。
由上述分析可知， 2011-11-28、 2014-03-18和2018-03-04高架过程既不存在条件不稳定也不存在条件对称不稳定， 为探讨这类高架对流的不稳定机制， 本文进一步分析其锋生作用及次级环流。如 图3所示， 垂直方向等假相当位温密集带反映出锋区的存在， 锋区向北倾斜显著， 锋面坡度明显， 锋区中出现多个20×10 -10 K·m -1·s -1以上的锋生函数高值区， 其中最大中心强度达到40×10 -10 K·m -1·s -1， 同时锋区之间存在北侧有冷空气下沉、 南侧有暖空气上升， 形成了明显的垂直锋面正的次级环流。环流中心高度位于850~700 hPa之间， 锋面环流的上升支向上伸展至500 hPa以上甚至更高的高度， 与高架对流发生落区对应较好。正次级环流由锋面激发， 其上升支有利于高架对流产生， 同时又与锋面的维持和发展形成正反馈作用（ 张桂莲等， 2023）。由此可见， 上述3次高架对流的不稳定机制主要来源于锋面次级环流。
图3 3次显著高架对流锋生函数（彩色阴影， 单位： ×10 -10 K·m -1·s -1）、 假相当位温（蓝色等值线， 单位： K）以及垂直环流

（ v-ω， 黑色等值线）垂直剖面（ ω扩大20倍）

Fig.3 The vertical profiles of frontogenesis function （shaded are positive values， unit： ×10 -10 K·m -1·s -1）、 pseudo-equivalent potential temperature （blue contours， unit： K） and vertical circulation （ v-ω） （ ω is expanded 20 times） in the significant elevated convective

如 表2所示， 16次冷季高架对流天气过程中（ 图4）， 有5次过程为条件不稳定释放形成的高架垂直对流， 占比达31.25%， 条件对称不稳定释放形成的高架倾斜对流、 条件不稳定和条件对称不稳定共存类（简称混合类）的高架对流分别为4次， 各占比25%， 另外3次过程则由湿中性层结下锋生次级环流触发， 占比18.75%。需要指出的是， 在前三种不稳定类型高架对流中， 也会存在锋面次级环流的影响， 但相比锋生次级环流触发类高架对流而言， 前三类过程中锋生环流并不起主导作用， 表现在锋生环流上升支与高架对流落区并不一致等。综上所述， 河南省冷季高架对流主要不稳定机制包括条件不稳定和条件对称不稳定， 单纯由锋生次级环流引发的高架对流较少。
表2 2010-2021年河南省冷季显著高架对流不稳定机制分类统计表

Table 2 Statistical cases of typical cold season elevated convective instability in Henan Province from 2010 to 2021

不稳定机制类别 具体个例
条件不稳定类 2010-02-10、 2010-02-28、 2015-04-01、 2017-04-16、 2020-02-27
条件对称不稳定类 2010-03-02、 2010-04-12、 2014-02-05、 2015-03-17
条件不稳定与条件对称不稳定混合类 2012-03-21、 2014-04-18、 2019-04-09、 2021-02-24
锋生次级环流触发类 2011-11-28 、 2014-03-18、 2018-03-04
图4 河南省冷季高架对流不稳定机制分类统计图

Fig.4 Classification and statistical diagram of elevated convective instability mechanisms in cold seasons in Henan Province

4 各类不稳定机制下的雷达特征分析

4.1　条件不稳定类雷达特征

通过多普勒雷达实时监测可弥补常规观测资料的不足， 对高架对流预报预警有较好指示意义。 图5为该类型不稳定机制下的高架对流雷达组合反射率、 2.4°仰角基本反射率和径向速度分布。此类高架对流组合反射率［ 图5（a）~（e）］以层积混合型回波为主， 回波梯度大， 没有固定回波形态， 对流单体相对孤立并且镶嵌在层状云回波中， 最强反射率因子高达55 dBZ以上。2.4°仰角反射率因子［ 图5（f）~（j）］仍然可见明显的50 dBZ以上强回波， 说明该类对流发展高度较高。2.4°仰角径向速度产品［ 图5（k）~（o）］上下层风场不连续， 低层零速度线呈现“S”型弯曲， 近地面925 hPa出现东北风冷垫， 最大风速达到12 m·s -1以上， 中层700 hPa转为西南急流， 急流核达到27 m·s -1以上， 并且入流速度大于出流速度， 表明暖湿气流在冷垫上爬升并且辐合大于辐散， 有利于对流发展。由雷达回波剖面（ 图6）可知， 最大回波顶高达8~12 km， 40~55 dBZ以上对流旺盛区高度达到3~9 km， 强回波高度超过融化层高度（3 km左右）甚至-20 ℃高度（5~6 km）， 产生冰相粒子从而形成冷季雷暴。当50 dBZ以上强回波中心高度达到6 km以上， 强风暴呈前倾结构， 可能与700 hPa以上强盛西南急流发展造成强风切变有关， 有利于产生冰雹等强天气。
图5 条件不稳定类高架对流组合反射率（单位： dBZ）、 2.4°仰角反射率因子（单位： dBZ）及径向速度（单位： m·s -1）

Fig.5 Composite reflectivity （unit： dBZ）， reflectivity factor at 2.4° elevation （unit： dBZ）， and radial velocity （unit： m·s -1） for conditionally instable processes

图6 条件不稳定类高架对流反射率因子剖面（单位： dBZ）

Fig.6 Profile of typical reflectivity factor for conditionally instable processe.Unit： dBZ

4.2　条件对称不稳定类雷达特征

从该类过程雷达回波特征（ 图7）可知， 高架对流回波［ 图7（a）~（d）］为层积混合降水回波或层状云回波， 但中心强度差异较大， 整体对流强度明显不如条件不稳定类。回波纹理相对均匀， 呈现出明显的条纹状或片状结构， 中心强度达30~45 dBZ， 原因在于条件对称不稳定形成的中尺度雨带往往随环境气流平流而相对其没有传播， 因此回波多沿热成风方向带状排列， 没有新生单体传播或合并现象。2.4°仰角上出现类零度层亮带的环状或带状［ 图7（e）~（h）］， 回波在此附近初生或加强， 说明高架对流初始回波高度较高。该仰角基本径向速度上［ 图7（i）~（l）］可见近地层长时间维持东北急流或偏东急流构成的冷垫， 并出现正负速度中心>12 m·s -1的风速核， 形成典型“牛眼”结构， 中高层西南急流， 较好反映了西南暖湿急流沿冷垫上爬升的天气学特征。回波剖面上（ 图8）来看， 该型对流最大回波顶高达6~8 km， 40 dBZ回波高度位于2~4 km之间， 超过融化层高度继而产生雷电， 但对流发展高度并不高， 出现雹暴可能性较低。
图7 条件对称不稳定类高架对流组合反射率（单位： dBZ）、 2.4°仰角反射率因子（单位： dBZ）及径向速度（单位： m·s -1）

Fig.7 Composite reflectivity （unit： dBZ）， reflectivity factor at 2.4° elevation （unit： dBZ）， and radial velocity （unit： m·s -1） for typical conditionally symmetric instable processes

图8 条件对称不稳定类高架对流反射率因子剖面（单位： dBZ）

Fig.8 Profile of typical reflectivity factor for conditionally symmetric instable processes.Unit： dBZ

4.3　混合类雷达特征

混合类冷季高架对流既有条件不稳定导致的垂直上升气流， 也有条件对称不稳定造成的倾斜上升气流， 其回波特征兼有两类特征。从组合反射率因子来看［ 图9（a）~（d）］， 以大范围层积混合型回波为主， 大范围的层状云回波中混合对流单体， 强度大多在40~55 dBZ之间， 回波梯度均匀。2.4°仰角上反射率［ 图9（e）~（h）］也出现相当范围的40 dBZ 以上的强回波， 表明对流发展也具有一定的高度； 同时也具有类零度层亮带的环状或带状特征。径向速度上［ 图9（i）~（l）］高空西南急流强盛， 中心强度超过了27 m·s -1， 低层1.5 km以下偏东或东北气流， 中心强度达10 m·s -1； 中低层零速度线呈明显的“S”型和“牛眼”结构。结合回波剖面（ 图10）可知， 最大回波顶高达8~10 km， 40~55 dBZ以上对流旺盛区高度达到3~8 km， 强回波高度超过融化层高度甚至-20 ℃高度， 产生冰相粒子从而形成雷暴和冰雹。此外， 此类不稳定机制近地面有较强的偏东急流时， 对应的回波中心高度偏低， 不超过5 km， 可能以条件对称不稳定为主导； 而当高空急流更明显、 低层冷垫较弱， 强回波沿平流方向有所倾向且发展高度和质心高度均较高， 可能此时条件不稳定占主导。
图9 混合类高架对流组合反射率（单位： dBZ）、 2.4°仰角反射率因子（单位： dBZ）及径向速度（单位： m·s -1）

Fig.9 Typical composite reflectivity （unit： dBZ）， reflectivity factor at 2.4° elevation （unit： dBZ）， and radial velocity （unit： m·s -1） for mixed-type processes

图10 混合类高架对流反射率因子剖面（单位： dBZ）

Fig.10 Profile of typical reflectivity factor for Mixed-type processes.Unit： dBZ

4.4　锋生环流类雷达特征

此类机制下回波总体特征主要为层积混合降水回波或层状云回波， 回波强度主要在30~45 dBZ之间， 50 dBZ以上的对流强回波较少出现， 整体表现为片状结构， 其中片状回波中多镶嵌着平行带状回波［ 图11（a）~（c）］， 40 dBZ回波主要表现为沿引导气流或0~6 km垂直风切变方向平移， 与条件对称不稳定类回波类似， 主要是由于条件对称不稳定往往对应的是锋生作用存在的区域， 即便不存在条件对称不稳定， 也可能是锋生作用强迫的带状上升气流造成（ 俞小鼎等， 2020）。2.4°仰角上反射率［ 图11（d）~（f）］也表现出类零度层亮带的环状或带状回波。速度场上［ 图11（g）~（i）］边界层东北急流形成冷垫清晰可见， 低层“S”型弯曲的零速度线和由正负速度中心构成的“牛眼”结构在四类中最为明显； 上下层风场仍表现出不连续， 强的垂直风切变表明存在较大的热成风， 也能体现中低层存在强锋区， 可能造成较强的锋生次级环流。回波剖面上（ 图12）来看， 该型对流最大回波顶高达6 km， 30~40 dBZ回波高度主要集中在2~4 km之间， 超过融化层高度继而产生雷电， 出现雹暴可能性较低。
图11 锋生环流类高架对流组合反射率（单位： dBZ）、 2.4°仰角反射率因子（单位： dBZ）及径向速度（单位： m·s -1）

Fig.11 Typical composite reflectivity （unit： dBZ）， reflectivity factor at 2.4° elevation （unit： dBZ）， and radial velocity （unit： m·s -1） for frontal circulation processes

图12 锋生环流类高架对流反射率因子剖面（单位： dBZ）

Fig.12 Profile of typical reflectivity factor for frontal circulation processes.Unit： dBZ

5 结论和讨论

本文以中原地区代表-河南省为研究区域， 针对2010-2021年冷季显著高架对流个例进行不稳定机制分类， 并对比分析不同机制下雷达回波特征， 得出以下结论：
（1） 河南省冷季高架对流不稳定机制分为4种： 条件不稳定类、 条件对称不稳定类、 混合类和锋生次级环流触发类。条件不稳定导致的高架垂直对流最多， 条件对称不稳定导致的高架倾斜对流和混合类次之， 锋生次级环流触发类最少。
（2） 冷季高架对流雷达回波主要以大范围层积混合型为主， 高架对流单体强度超过40 dBZ。40 dBZ以上强回波高度超过0 ℃层， 最大回波顶高在6~10 km， 产生冰相粒子和雷暴。高仰角上存在环状或带状回波的类零度层亮带， 表明高架初始回波高度较高。
（3） 条件不稳定类回波中心最强， 强回波高度和回波顶高最高， 出现冰雹概率高； 混合类回波范围广、 强度大， 对流高度与不稳定类型有关； 条件对称不稳定类和锋生环流类回波类似， 结构呈纹状或带状、 纹理均匀、 中心强度稍弱， 回波发展高度和最大顶高相对较低， 对流单体沿热成风方向传播， 没有新生单体传播或合并现象， 雹暴概率较低。
（4） 径向速度场反映了上下层风场不连续特征， 近地层维持东北或偏东急流构成冷垫， 中层存在强盛西南急流； 低层零速度线呈“S”型弯曲和明显的正负速度中心形成典型的“牛眼”结构， 速度差异则体现在零速度线S型弯曲程度和牛眼清晰结构， 以锋生环流触发类最为显著， 条件对称不稳定类次之。
本文进一步对56个冷季高架对流个例进行检验， 发现29个含有条件不稳定机制（条件不稳定类和混合类）的个例有82.7%雷达回波形态和强度与分类特征相符， 如块状或片状结构、 中心强度大、 回波顶高和强回波高度较高等； 在20个条件对称不稳定类中70%样本雷达特征符合带状、 纹理均匀的回波结构和S型弯曲零速度线、 显著牛眼结构的速度特征； 在7个锋生环流类中71.4%样本回波呈现带状、 中心回波略弱以及近地层牛眼结构清晰等雷达特征。少数个例的分类特征也存在一些差异， 究其原因可能为： 高架对流不稳定机制的分类， 主要依据起主导作用的不稳定条件， 而一次高架对流过程可能涉及到多种不稳定机制共同作用， 形成机制和雷达特征存在一定复杂性。此外， 在暖季也会有高架对流发生。暖季高架对流通常没有天气尺度锋面， 多数发生在前期对流产生的冷池之上， 位于阵风锋以北一定距离之内， 暖季高架对流几乎都是由条件不稳定机制触发的（ 俞小鼎等， 2020）。然而， 暖季高架对流形成的环境场背景、 触发机制与冷季高架对流均有明显差异， 其不稳定条件也不尽相同。由于论文篇幅所限， 本文没有对暖季高架对流进行研究， 其不稳定特征及其与冷季高架对流的对比分析有待后续进一步开展。

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