学术研究报告：中国东南部飑线与对流单体合并形成弓状回波的雷达观测与动力机制研究
作者及发表信息
本研究由南京大学大气科学学院的Ang Zhou、Kun Zhao团队主导，合作单位包括美国国家大气研究中心（NCAR）的Wen-Chau Lee、中国气象局广州中心气象台的Dongming Hu和Peiling Fu。研究成果发表于2020年的*Journal of Geophysical Research: Atmospheres*，标题为《VDRA（变分多普勒雷达分析系统）和极化雷达对飑线与对流单体合并后弓状回波形成的观测研究》。
学术背景
研究领域：本研究属于中尺度气象学与强对流天气动力学范畴，聚焦弓状回波（bow echo）的形成机制。弓状回波是飑线（squall line, SL）的一种特殊形态，其雷达反射率呈弓形，常伴随强地面大风和短时强降水。传统研究认为弓状回波的形成与后侧入流急流（rear-inflow jet, RIJ）和冷池（cold pool）的相互作用密切相关，但关于飑线与对流单体（convective cell, CC）合并形成弓状回波（merger-formation bow echo, MFBE）的微物理和动力过程缺乏观测验证。
研究动机：中国东南部 subtropical（副热带）地区的弓状回波常引发洪涝灾害，但其形成机制与北美或欧洲的经典案例存在差异。本研究首次结合VDRA系统和双极化雷达观测，揭示了一种新型MFBE的演化过程，其冷池跃升（cold pool jump）机制与经典理论不同，且未产生破坏性大风。
研究方法与流程
1. 数据来源与预处理
- 雷达数据：使用广州（GZRD）、深圳（SZRD）、肇庆（ZQRD）三部S波段多普勒雷达的反射率和径向风速数据，时间分辨率为6分钟，空间分辨率1 km。
- VDRA同化：采用NCAR开发的四维变分同化系统，将雷达数据、地面自动气象站（AWS）观测和WRF模式背景场融合，生成三维风场、温度场和微物理场，水平分辨率2 km，垂直分辨率0.3 km。
- 极化雷达分析：通过差分反射率（Zdr）、比差分相位（Kdp）等参数识别降水粒子类型（如大滴、冰雹），并定量估算降水率（QPE）。
2. 事件分析与关键步骤
飑线与对流单体合并过程（0930–1012 UTC）：
- 初始阶段（0930 UTC）：飑线向东南移动，后侧存在弱RIJ（10 m/s）；沿海海风锋触发对流单体（CC）。
- 合并阶段（0948 UTC）：飑线与CC的20 dBZ回波连接，RIJ减弱并抬升，冷池前沿未随反射率场前移。
- 弓状回波形成（1012 UTC）：合并后CC成为系统前缘，反射率顶高从6 km升至9 km，但地面风速仅12 m/s。
冷池跃升机制：
- 通过VDRA诊断的雨滴蒸发冷却率（REC）显示，合并后强降水（>120 mm/h）在冷池前方形成局地冷却区（REC达−8×10⁻³ K/s），促使冷池快速前移并追上反射率弓形结构。
- 与传统MFBE不同，冷池跃升并非由两个冷池合并导致，而是由次云层蒸发冷却驱动。
RIJ的重新发展：
- 利用二维水平涡度方程分析，发现冷池前沿的正浮力梯度（∂b/∂l >20×10⁻⁶ s⁻²）促进了负涡度区扩展，使RIJ在1018 UTC后再次增强并下传。
主要结果
动力结构差异：
- 经典弓状回波的RIJ在弓形化过程中增强（>15 m/s），而本案例RIJ在合并期减弱（13 m/s→10 m/s）且抬升，导致地面大风缺失。
- 冷池跃升与反射率场脱节，滞后约13 km，最终通过蒸发冷却机制追上。
微物理过程的关键作用：
- 极化雷达显示合并区存在大滴（big drops, Zdr >2.5 dB）和强降水（Kdp >1° km⁻¹），其蒸发冷却效应是冷池跃升的主因。
概念模型：
- 提出MFBE形成的新机制：飑线与CC合并→降水增强→蒸发冷却→冷池跃升→弓状回波形成。
结论与价值
科学意义：
1. 首次通过观测证实subtropical地区MFBE的独特形成路径，补充了经典RIJ-冷池理论。
2. 揭示了微物理过程（蒸发冷却）对弓状回波动力结构的调控作用，为数值模式中微物理参数化改进提供依据。
应用价值：
1. 此类MFBE虽无强风，但短时强降水易引发洪涝，研究可提升中国东南部强对流天气预报精度。
2. VDRA与极化雷达联用框架为中小尺度系统分析提供了新范式。
研究亮点
- 方法创新：首次联合VDRA同化与极化雷达微物理分析，实现了动力-热力-微物理过程的三维重构。
- 机制新发现：提出“蒸发冷却驱动冷池跃升”的非经典MFBE形成机制。
- 地域特殊性：聚焦副热带弓状回波，填补了该区域中尺度对流系统研究的空白。
其他价值
本研究还指出，未来需通过高分辨率数值模拟进一步验证海风锋对CC触发的具体作用，并探讨不同微物理方案对MFBE演化的敏感性。