風(fēng)廓線雷達資料在烏魯木齊一次大暴雪過程分析中的應(yīng)用

張月華，王 健，鄭玉萍，張云惠

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830006；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

風(fēng)廓線雷達是一種垂直大氣探測設(shè)備， 其以每6 min 一次、垂直高度60～7500 m 的時空分辨率，彌補了常規(guī)探測手段的不足。 1994 年美國NOAA/NWS 和OAR 在風(fēng)廓線儀的評估報告中指出， 風(fēng)廓線雷達資料的應(yīng)用和研究改進了多項氣象業(yè)務(wù)，包括高空風(fēng)探測率的提高；龍卷、雷暴、暴雨預(yù)警時效的提高；強烈天氣系統(tǒng)監(jiān)測和預(yù)報準(zhǔn)確率的提高；對0～12 h 風(fēng)的預(yù)報改善及對高空風(fēng)場模式預(yù)報改善的貢獻等[1]。 我國不少學(xué)者對風(fēng)廓線雷達資料在強降雨、 強對流及降雪天氣等方面的應(yīng)用也做了很多研究[2-8]，表明風(fēng)廓線雷達資料對風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)有較強的探測能力，且能夠探測到切變線的存在；而垂直速度、 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2清楚地反映了降水的開始、結(jié)束以及降水的強度，降水期間4000 m 高度以下的垂直速度越大降水越強，3～4 m·s-1的垂直速度出現(xiàn)和消失時刻， 對應(yīng)降水的開始和結(jié)束時刻，Cn2隨時間的增大、減小與降水的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束有較好相關(guān)性。而雨雪天氣在雷達風(fēng)廓線上的表現(xiàn)差別，主要是垂直速度，降雨較降雪時偏大。

隨著烏魯木齊風(fēng)廓線雷達的業(yè)務(wù)應(yīng)用， 新疆的氣象專家針對烏魯木齊暴雨（雪）也做了相關(guān)的初步研究[9-11]，指出在中高層西南（偏南）氣流維持下，低空西北急流的加強與強降水有較好的對應(yīng)關(guān)系，風(fēng)廓線雷達清楚地反映了降水前后烏魯木齊水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直速度和Cn2的垂直變化，降水前后整層風(fēng)切變明顯，低層垂直速度2 m·s-1可作為降水臨界值[9]，低層垂直速度越大降水越強； 強降水階段整層大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2探測值在-128～-120 dB，且低層較強偏北風(fēng)與Cn2大值區(qū)相對應(yīng)，因此，風(fēng)廓線雷達產(chǎn)品能夠清楚地反映烏魯木齊降水的開始、 結(jié)束以及降水的強度。

由于春、秋兩季新疆冷空氣活動頻繁，烏魯木齊作為首府城市，其三面環(huán)山的特殊地形，常有雨夾雪轉(zhuǎn)大到暴雪的天氣，對交通出行、城市運行、人民生活等影響較大。 但針對烏魯木齊雨夾雪轉(zhuǎn)暴雪的風(fēng)廓線雷達資料應(yīng)用研究較少，因此，本文對2018 年10 月17—18 日烏魯木齊雨夾雪轉(zhuǎn)大暴雪過程進行分析，為提高此類天氣的精細(xì)化預(yù)報提供參考。

1 資料和方法

利用常規(guī)觀測、 自動站逐時降水量及ECMWF1°×1°再分析等資料，分析天氣實況、環(huán)流背景、物理量診斷等，并重點分析烏魯木齊市風(fēng)廓線雷達資料在本次雨夾雪轉(zhuǎn)大暴雪過程的應(yīng)用。

烏魯木齊風(fēng)廓線雷達為CFL-03 型邊界層風(fēng)廓線雷達，位于43.78°N，87.62°E，海拔935 m，2011 年業(yè)務(wù)運行。 風(fēng)廓線雷達能夠提供以風(fēng)場為主的多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括水平風(fēng)向（風(fēng)速）、垂直風(fēng)速和反映大氣湍流的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2等，烏魯木齊風(fēng)廓線雷達工作頻率為1280 MHz，雷達波長為0.234 m；最小探測高度為60～120 m（與場地環(huán)境有關(guān)），最大探測高度為3～6 km（與天氣條件有關(guān)）；高度分辨率為60 m/層（60～900 m），120 m/層（＞900 m）；采集數(shù)據(jù)頻率為1 次/ 6 min。

2 降水實況和環(huán)流背景

2.1 降水實況

2018 年10 月17 日10:30—18 日18:00（北京時，下同），烏魯木齊出現(xiàn)了雨轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)大暴雪的天氣過程（新疆暴雪標(biāo)準(zhǔn)日降雪量＞12 mm、大暴雪為日降雪量＞24 mm，下同），17 日10:30—22:00 為雨轉(zhuǎn)雨夾雪，22:00 后轉(zhuǎn)為雪，降雪持續(xù)到18 日18:00，過程總降水量35.5 mm（居歷史同期第二），其中，17日22:00—18 日18:00 降雪量達24.7 mm 為大暴雪，最大雪強2.8 mm·h-1，其它時次雪強均維持在1 mm·h-1左右。 本次降水過程雨雪轉(zhuǎn)換明顯、降雪持續(xù)時間長、雪強變化不大，表現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)性、穩(wěn)定性降水特征。

2.2 環(huán)流背景

17 日08 時降水發(fā)生前，500 hPa 歐亞范圍內(nèi)環(huán)流經(jīng)向度較大，為兩脊一槽型，歐洲高壓脊發(fā)展，脊前北風(fēng)帶引導(dǎo)冷空氣南下， 使得西伯利亞至中亞的長波槽向南加深， 低槽南段南伸至中亞地區(qū)40°N附近，并配合有-33 ℃的冷中心，同時，新疆東部至貝加爾湖的高壓脊經(jīng)向發(fā)展， 烏魯木齊以西受中亞低槽前的偏南急流影響開始降水（圖1a）。

17 日20 時強降水時，中天山烏魯木齊附近200 hPa 處于西南急流出口區(qū)附近；500 hPa 中亞低槽前偏南急流中，有風(fēng)速的輻合；700 hPa 烏魯木齊及其以西轉(zhuǎn)為西北氣流， 氣溫下降明顯， 以東為東南氣流， 風(fēng)切變明顯；850 hPa 北疆西北風(fēng)明顯加大，烏魯木齊風(fēng)速12 m·s-1， 而河西走廊至哈密市為偏東氣流， 烏魯木齊附近有西北風(fēng)與偏東風(fēng)的切變，且700~850 hPa 北疆為T-Td＜2 ℃的高濕區(qū)， 加之低空西北氣流遇天山地形強迫抬升， 加劇和加強了風(fēng)場輻合及垂直上升運動， 有利于冷暖空氣的交換與水汽的聚集（圖1b）。

圖1 17 日08:00（a）和20:00（b）500 hPa 高度場與風(fēng)場疊加（a）和17 日20:00 高低空配置（b）

從17 日08:00 沿43.5°N 做溫度平流與風(fēng)場疊加的剖面圖可以看到，850 hPa 烏魯木齊（87.62°E）為弱西北風(fēng)配合有-6×10-4k·s-1的冷平流中心，700 hPa 為東南風(fēng)，其上風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)且風(fēng)速加大，暖平流明顯，700～600 hPa 烏魯木齊西部有6×10-4k·s-1暖平流大值中心（圖2a）。 17 日20:00 850 hPa 隨著西北氣流增大，冷平流明顯增強至-12×10-4k·s-1，暖平流中心東移至烏魯木齊東部， 高度升至600～500 hPa，中心值12×10-4k·s-1（圖2b），這與前述高低空配置相一致。

3 風(fēng)廓線雷達資料分析應(yīng)用

3.1 2018 年10 月17 日08:00 高空探測與風(fēng)廓線雷達資料的對比

烏魯木齊風(fēng)廓線雷達在烏魯木齊國家基準(zhǔn)氣象站內(nèi)， 海拔高度935 m， 從10 月17 日08:00 的T-lnp 圖上可以看到（圖3a），地面為偏東風(fēng)，850 hPa 為4 m·s-1的西北風(fēng)，700 hPa 為14 m·s-1的東南風(fēng)，500 hPa 為10 m·s-1的偏南風(fēng)，400 hPa 為14 m·s-1的西南風(fēng)，300 hPa 以上為＞20 m·s-1的西南急流；800 hPa 以下450 hPa 以上濕度較大， 而800～450 hPa 之間為一定厚度的干區(qū)。

對應(yīng)17 日07:06—07:54 風(fēng)廓線雷達資料顯示（圖3b），08:00 前近地面為偏東風(fēng)；1500 m 以下西北風(fēng)，1500～2500 m 為一致的東南風(fēng)；2500～4000 m雷達探測很弱，對應(yīng)的探空為干暖的東南風(fēng)；4000～6500 m 為偏南風(fēng)，6500 m 以上為＞20 m·s-1的西南急流。 因為風(fēng)廓線雷達探測的風(fēng)場信息狀況與大氣的濕度條件密切相關(guān)， 當(dāng)濕度較大時能探測到本站上空的風(fēng)場信息較多， 當(dāng)濕度小到一定程度時探測信息就明顯減弱[1-4]。

通過對比分析同時次探空觀測與風(fēng)廓線雷達資料對應(yīng)高度的風(fēng)場、 大氣層結(jié)狀況、 冷暖平流分布等，結(jié)果表明與實況探空完全吻合，說明風(fēng)廓線雷達探測資料真實地反映了測站上空大氣狀況， 因此可用風(fēng)廓線雷達資料來分析烏魯木齊上空大氣風(fēng)、溫、濕等連續(xù)演變過程。

3.2 水平風(fēng)垂直廓線分析

圖2 08:00（a）和20:00（b）沿43.5°N 溫度平流（單位：k·s-1）與風(fēng)場（單位：m·s-1）疊加剖面

圖3 2018 年10 月17 日08:00 烏魯木齊T-lnp 圖（a）和風(fēng)廓線雷達資料風(fēng)羽圖（b）

降水發(fā)生前17 日08:00（圖4a），1500 m 以下轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，且風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，說明有冷空氣從低層楔入，之后西北風(fēng)隨高度逐漸抬升，說明冷平流厚度增大， 并向低層傳遞，17:00 3000 m 以下均為西北氣流，低空完全受冷空氣控制，形成冷墊。1500 m 以上隨高度的上升風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南， 風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)且風(fēng)速明顯增大，說明中高層有明顯的暖平流，并且隨時間推移逐步加強， 這與前述冷暖平流的分布及變化趨勢完全一致， 也從另一個方面說明風(fēng)廓線雷達資料的可用性。

由于低層冷空氣勢力較強， 暖空氣不斷被迫抬升， 冷暖空氣交匯的西北—東南風(fēng)垂直風(fēng)切變線高度由17 日08:00 的1500 m 逐漸上升到19:00 的3500 m， 可見暖空氣被迫抬升使氣層變得不穩(wěn)定，加強了動力抬升作用，使暖空氣冷卻飽和，利于降雪產(chǎn)生。 17 日10:30 垂直風(fēng)切變上升到2000 m 高度時降水開始， 且降水期間切變線高度一直維持在2000～3500 m，18 日18:00 前后切變線消失，降雪結(jié)束。 18 日20:00 雷達探測高度明顯下降至2500 m以下，并轉(zhuǎn)為一致的西北風(fēng)。

17 日08:00 在6500 m 以上維持＞20 m·s-1西南急流， 說明降水開始前中高層有強盛的偏南氣流配合， 利于高空大氣的抽吸作用和低層大氣的上升運動， 為暴雪提供動力條件；10:30 降雨開始時西南急流明顯增強且降至5000 m 以下，隨著降雪持續(xù)，偏南急流繼續(xù)下降并維持在3000 m 以下；18 日18:00偏南急流明顯減弱，降雪趨于結(jié)束，可見高空急流的下傳和加強對暴雪預(yù)報有一定指示意義。

綜上所述， 水平風(fēng)垂直廓線可以很直觀地看出暴雪天氣過程中本站上空大氣的冷暖平流、 水平風(fēng)的垂直切變、 鋒面等空間結(jié)構(gòu)： 冷空氣先從底部楔入，暖空氣被迫抬升，造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定；高空急流的加大并向下傳遞為暴雪的出現(xiàn)提供了動力條件； 鋒面的抬升和高空急流的下傳對降水的開始和結(jié)束均有預(yù)示?？梢?，風(fēng)廓線雷達的水平風(fēng)資料對系統(tǒng)性降水過程預(yù)報有很好的指示意義。

3.3 垂直速度變化特點

一般天氣穩(wěn)定時垂直速度數(shù)值很小，在0 m·s-1附近， 有降水時垂直速度是由空氣的垂直運動和降水粒子的下沉運動共同作用的結(jié)果。 一般＞4 m·s-1的垂直速度降落到地面的時間與降雨開始及結(jié)束時間對應(yīng)較好，且隨著雨強的增大而增大[3]。 本次天氣過程相態(tài)比較復(fù)雜，為雨轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)大暴雪。

圖5 為17 日08 時—19 日07 時雷達風(fēng)廓線垂直速度，正的速度表示下沉運動（該垂直速度未經(jīng)落速訂正， 代表了空氣的垂直運動和降水離子的下沉運動總和）。17 日10:30 前近地層垂直速度均維持在0 附近，整層沒有明顯的下沉運動；17 日10:30—22：30近地層下沉速度約1.2～2.5 m·s-1，；17 日22:00 時后下降到0.8～1.2 m·s-1并且穩(wěn)定維持，與Ralph[12]和張俊蘭等[13-18]分析的降雪時垂直速度數(shù)值基本一致，主要因為空氣對雪的阻力大于雨、雨夾雪所致，這表明雨雪性質(zhì)發(fā)生了轉(zhuǎn)換， 與本測站觀測到的雨夾雪轉(zhuǎn)雪的時間相一致；18 日18:00 后垂直速度突然下降到0 m·s-1附近，降雪結(jié)束。

Ralph 認(rèn)為利用風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)的垂直速度可以區(qū)分出降雨區(qū)和降雪區(qū)： 在空氣對流不強烈的層狀云條件下固態(tài)降水的垂直速度在0.5～1.2 m·s-1。由于降雨和雪的垂直速度數(shù)值差別較大， 能很清楚地加以區(qū)分， 因此垂直速度能夠作為判斷不同相態(tài)粒子的有效依據(jù)。從本次暴雪過程監(jiān)測資料來看，垂直速度的大小不僅可以區(qū)分雨雪的狀態(tài)、 降水開始、結(jié)束時間，也可以幫助我們判斷雨夾雪轉(zhuǎn)雪的時間：降雪時低層垂直速度較為穩(wěn)定，約為0.8～1.2 m·s-1，雨或雨夾雪時垂直速度約1.8～2.5 m·s-1。

3.4 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

圖4 雷達水平風(fēng)垂直廓線

圖5 雷達風(fēng)廓線垂直速度

3.5 探測高度變化特點

由于探測高度主要依賴于大氣中的濕度狀況，當(dāng)高空水汽增加時，探測高度也會增加。16 日17:30即雨雪開始前的18 h， 探測高度由2500 m 突升至近7500 m， 說明降雪前高空有長時間增濕的過程，并且水汽的增加比較突然， 降水期間探測高度維持在6500～7500 m；18 日18:00 降水結(jié)束后探測高度突然下降到2500 m 以下， 說明中高空水汽基本消耗殆盡。這是由于16 日20:00 中亞低槽在向南加深時分裂短波影響北疆，短波槽前西南氣流帶來水汽，使中高層大氣中水汽含量明顯增加， 導(dǎo)致風(fēng)廓線探測高度增加，這與高空形勢場演變一致。 因此，風(fēng)廓線雷達資料能更精細(xì)地反映垂直風(fēng)、濕變化特點。

4 結(jié)論

本文利用常規(guī)觀測資料， 風(fēng)廓線雷達資料及ECMWF1°×1°再分析資料對烏魯木市2018 年10 月17—18 日的一次雨夾雪轉(zhuǎn)大暴雪天氣過程進行了分析，結(jié)果表明：

（1）此次暴雪是在低空西北冷濕急流進入北疆與中高層低槽前西南急流疊加并維持的有利環(huán)流背景下，由700～850 hPa 風(fēng)切變及風(fēng)速輻合、地面冷鋒及地形強迫抬升等多尺度系統(tǒng)共同作用造成的。

（2）風(fēng)廓線雷達可以精細(xì)、清楚地反映降水前后水平風(fēng)場、垂直速度、水汽、氣團性質(zhì)、垂直風(fēng)切變廓線、高低空急流等的垂直方向變化，水平風(fēng)場表明冷空氣從低層進入，暖氣團被抬升，強降雪時段風(fēng)廓線雷達探測高度達到最高， 低空西北急流與中高層偏南急流形成的垂直風(fēng)切變廓線的維持， 是強降雪持續(xù)的動力條件。

（3）雨雪開始前中高層有長時間的增濕過程，雨雪期間雷達探測高度維持較高， 雨雪結(jié)束后明顯降低。 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2的大小與雨雪的開始、結(jié)束有較好的對應(yīng)關(guān)系，且低層較強偏北風(fēng)與Cn2大值區(qū)相對應(yīng)， 當(dāng)Cn2維持在-140～-120 dB 時表示大氣中水汽含量豐富，利于降雪持續(xù)。

（4）垂直速度不僅反映雨雪的開始、結(jié)束時間，還能判斷雨夾雪轉(zhuǎn)雪的時間， 這對常規(guī)觀測是很好的補充。降雪時低層垂直速度為0.8～1.2 m·s-1，雨或雨夾雪時垂直速度為1.8～2.5 m·s-1， 垂直速度在0附近時降水結(jié)束。 因此，水平風(fēng)向風(fēng)速、Cn2和垂直速度的垂直變化對暴雪短臨預(yù)報有很好的參考價值。