風廓線雷達在一次弱降水的強對流天氣中的特征分析

王一文+張+碩+柴曉玲等

摘 要：該研究利用風廓線雷達對2015年7月28日發(fā)生在沈陽一次弱降水的強對流天氣過程進行分析，結果表明：（1）此次過程是受低渦底部影響，配合強的不穩(wěn)定能量和水汽造成的強對流過程。（2）在雷電實況發(fā)生前20～30min各產品均表現出顯著特征，具有指示意義：水平風場出現20m/s以上的大風，并存在能量下傳；垂直速度場在整個高度上出現大于8m/s的正速度；大氣折射率結構常數C2n出現120dB以上的值，且與垂直速度變化趨勢相似。（3）風廓線雷達對雷達站附近的風場變化十分敏感，可以反映環(huán)境風場的細微結構，判斷環(huán)境大氣中是否有對流系統進入以及大氣湍流情況。

關鍵詞：風廓線雷達；強對流；大氣折射率結構常數

中圖分類號 P458.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）18-0119-03

1 前言

東北冷渦是影響東北地區(qū)的主要天氣尺度系統，在夏季常常引發(fā)對流性天氣[1]。斯公望[2]指出對流云的發(fā)展可能出現在冷渦云系附近或后部晴空區(qū)，其突發(fā)性強，尺度小，使得預報員進行預報和預警工作都困難。

風廓線雷達（WPR）是一種新型的探測設備，可以24h無人值守的監(jiān)測風場變化，除水平風風向風速外，還可提供垂直速度、信噪比、大氣折射率結構常數等多種產品，能夠有效捕捉到大氣風場的細微結構[3]，對于移動快、生命史短的中小尺度天氣具有更好的監(jiān)測效果。2013年沈陽市氣象臺為保障全運會氣象服務工作引進一臺邊界層風廓線雷達，本文分析了其在2015年7月28日一次弱降水的強對流天氣中的特征變化。

2 天氣實況及環(huán)流背景

2.1 天氣實況 2015年7月28日下午沈陽市迎來一次強對流天氣過程，此次對流過程中降水較小，雷電較強的特征。15：00沈陽市區(qū)西部及遼中縣、新民縣多個區(qū)域自動站累積小時雨量大于10mm。15：30開始沈陽本站出現降水，10mm加密自動站最大降水量為10.8mm，降水較大的區(qū)域距離本站較遠，主要在沈陽市北部，部分站點達到小時雨量20mm以上。整個降水過程持續(xù)時間較長，到22：50沈陽出現雷電。

2.2 環(huán)流背景 2015年7月28日受冷渦底部影響，沈陽市南部地區(qū)出現強雷電天氣。全省k指數大于36℃，大氣層結不穩(wěn)定。中低層以西南風為主，700hPa在遼寧中部地區(qū)存在切變，但沒有急流配合，動力條件一般。700hPa、850hPa上有一致的西南氣流影響遼寧省東部地區(qū)，遼寧省高低層均處于濕區(qū)，水汽條件較好。28日20：00沈陽探空圖（圖1）表明，沈陽上空有不穩(wěn)定能量，但強度較弱，850hPa以下的近地面層濕度較小，850～700hPa的濕度明顯增大，700hPa以上又再次減弱。垂直風場上，沈陽市整層均以西南風為主有利于上空的水汽累積，由于中層沒有干冷空氣的入侵，高低空無法形成冷暖空氣的對流，出現強對流天氣的可能性較低。綜合實況資料分析可以發(fā)現，沈陽地區(qū)具有觸發(fā)強對流天氣的潛勢，但沒有相配合的切變、急流等天氣系統，由于水汽條件較好，應著重考慮短時強降水的可能，但本次過程中，以雷電為主，降水較弱，因此使用其他資料進行提前預報和實時監(jiān)測。

3 風廓線雷達特征分析

風廓線雷達包括水平風產品、垂直風產品、信噪比產品和大氣折射率結構常數（C2n）。其中風場資料的可以提供5min、30min及1h3種時間分辨率的產品，而信噪比和C2n均為實時5min的產品。下面將分別對水平風速、垂直速度、C2n產品在本次雷雨過程中的變化特征做詳細分析。

3.1 水平風場特征分析 由圖2（a）可以看到，當沒有對流系統影響時，沈陽風廓線雷達站上空風向變化規(guī)律，風速值連續(xù)。低層有風速為8～10m/s的西南風，中高層為偏西風，6km以上為20m/s以上的大風速區(qū)，這與20：00的探空圖（圖1）十分一致。17：30開始3.5～5.5km風速值減弱為2～4m/s，風向出現偏西和偏北等不同的方向，形成一條風向紊亂的氣流帶。風廓線雷達的原理是通過探測一定時段內湍流的變化來獲得風場的各項信息，當湍流運動劇烈時，風廓線雷達探測得到的風場也是不規(guī)律的，這種持續(xù)性的風場紊亂說明在28日夜間，沈陽市上空存在小尺度的湍流運動，其持續(xù)時間至少為6h，并且這種湍流運動隨著時間不斷下傳，由3.5～5km下降至0.5～2.5km。由探空圖可以發(fā)現，在600hPa（3.5～5.5km）上存在不穩(wěn)定能量，因此這種混亂風場區(qū)的下沉使得中層的不穩(wěn)定能量下傳至地面，并使近地面大氣層中具有不穩(wěn)定抬升機制。22：30在1.5～2.5km出現大風速區(qū)，但持續(xù)時間較短，同時高空的大風速帶在22：00—22：30下沉后又不斷上升，到24日00：00高空已沒有大于20m/s的大風速區(qū)，大風速區(qū)基本消失。

（左：a.時間分辨率：30min，右：b.時間分辨率：5min橫坐標為世界時）

為獲得更多細節(jié)，這里使用分辨率為5min的風廓線資料做進一步分析。圖2（b）中，中間的風速帶以偏西和偏北風為主，位置不斷降低，有利于中層干冷空氣的不斷入侵并逐漸流入低層，盡管擾動較弱但由于持續(xù)時間可達6小時，使得低層的不穩(wěn)定能量不斷累積增強，有利于觸發(fā)對流。20：30高空大風速區(qū)開始下降，21：00達到5.5km的高度，隨后又逐漸抬升，但下邊界仍穩(wěn)定維持在5.5～6.0km，有利于加強高空輻散。22：20—22：35在4.5km以下出現與高層分離的大風速區(qū)，大風速區(qū)的下邊緣可以達到0.5km，加強了低層的輻合抬升條件。結合實況資料，沈陽雷電出現在22：50，而這種在中低層出現的大風速區(qū)提前了20～30min，具有一定的參考意義。

3.2 垂直風場特征分析 圖3中上升氣流為負值，下沉氣流為正值。分析圖3可以發(fā)現，沈陽上空存在十分明顯的下沉氣流，19：00—22：00下沉氣流始終較弱，且持續(xù)時間較短。結合水平風場圖（圖2），這一段時間內的下沉氣流與大氣中的擾動下傳有一定聯系。22：40后下沉氣流有明顯的增強，其最大值可達到8m/s，并維持這種強度到29日5：30，隨后迅速減弱。對比各時段內的下沉氣流可以發(fā)現，28日22：40到29日5：30的下沉氣流持續(xù)時間最長，強度最大，最大值區(qū)主要分布于4km以下，4km以上的下沉氣流最大僅為2～3m/s，但下沉氣流在大氣中的連續(xù)分布范圍明顯大于其他時段，可達到風廓線雷達的最大探測范圍，這種特征首次出現的時間為雷電實況前25min。由于風廓線雷達容易受到降水粒子、云等物體的影響，因此這一時段內的低層下沉氣流大于高層，這是因為低層同時受到擾動下傳和降水粒子的影響。由實況可以發(fā)現，沈陽市出現降水的時間晚于下沉氣流首次分布于整個大氣層的時間，這說明垂直風對降水十分敏感并且具有提前性。endprint

3.3 C2n特征分析 風廓線雷達測風的關鍵指標是其數據的獲取率，而其在很大程度又受到了大氣折射率結構常數的影響，可以反映大氣折射率不均勻性的劇烈程度，大氣折射率結構常數記為C2n[4]。從圖4可以發(fā)現，大氣折射率結構常數出現多個時段的連續(xù)大值，在14：00—14：20之間C2n突然減弱，但低層1.5km以下的強度仍大于1.5km以上，由于C2n是對大氣折射率的一種反應，而大氣折射率又受到湍流的影響，當湍流運動活躍，反映在C2n上也明顯較大。圖4中表現為1.5km以下的C2n始終高于其他高度，這是因為近地層的湍流活動更加活躍。另外，對比垂直風場演變圖5可以發(fā)現，C2n出現大值的時間與垂直風加強的時間較為吻合。垂直風首次出現連續(xù)分布在整層大氣的下沉氣流是在10：40，C2n出現各層>120dB的時間為10：25，這說明C2n對于大氣運動的變化更為敏感，而變化趨勢又與垂直風十分相似，因此在判斷預報時可以相互結合，做對比分析。

（時間分辨率：5min，橫坐標為世界時，單位：dB）

4 結論

本文利用沈陽風廓線資料對2015年7月28日一次弱降水強對流天氣進行分析，探討風廓線雷達提供的各類產品特征，得到以下結論：（1）高空實況資料和TlogP圖分析可以發(fā)現，沈陽地區(qū)具有觸發(fā)強對流天氣的潛勢，但沒有相配合的切變、急流等動力條件，由于水汽條件較好，應著重考慮短時強降水的可能，但實際過程中，以強雷電為主，降水較弱，因此還需配合其他資料進行分析和監(jiān)測。（2）在本次過程中，風廓線雷達水平風場存在湍流向下傳導，將高層不穩(wěn)定能量向低層傳遞，并且風廓線雷達還探測到在雷電發(fā)生前20～30min有大于20m/s的大風速突然出現；垂直速度會受到空氣中的擾動和降水粒子影響，但在整個探測高度內全部轉為正速度是在雷電實況出現前的25min前，最大能達到8m/s；C2n出現大值的時間與垂直風加強的時間較為吻合，其變化趨勢與垂直風十分相似。以上這些特點都出現在實況發(fā)生前，具有指示意義。（3）目前對風廓線雷達的應用還不夠充分，需要增加個例做進一步分析。

參考文獻

[1]陳力強，張立祥，周小珊.東北冷渦不穩(wěn)定能量分布特征及其與降水落區(qū)的關系[J].高原氣象，2008，27（3）：339-348.

[2]斯公望.暴雨和強對流環(huán)境系統[M].北京：氣象出版社，1989：116.

[3]王令，王國榮，古月，等.風廓線雷達垂2007直徑向速度應用初探[J].氣象，2014，40（3）：290-296.

[4]Masahito Ishihara，Yoshio Kato，Toshihiro Abo，et al. Characteristics and Performance of the Operational Wind Profiler Network of the Japan Meteorological Agency，Journal of the Meteorological Society of Japan，2006，86（6）：1085-1096.

（責編：張宏民）endprint