風(fēng)廓線雷達(dá)資料在暴雨過(guò)程中的應(yīng)用

周備 虞超

收稿日期：2023-12-15

作者簡(jiǎn)介：周備（1990—），男，江蘇連云港人，工程師，研究方向?yàn)槎虝r(shí)臨近預(yù)報(bào)。

摘 要：利用鎮(zhèn)江揚(yáng)中CLC-11-F型風(fēng)廓線雷達(dá)和常規(guī)氣象資料，對(duì)2023年7月6日的暴雨過(guò)程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，風(fēng)廓線雷達(dá)資料的完整性特征與天氣過(guò)程的開(kāi)始具有很好的超前相關(guān)性，提前約為30 min，風(fēng)場(chǎng)不僅能夠反映大氣層結(jié)上冷下暖的結(jié)構(gòu)，而且能夠探測(cè)到低空急流、切變線和中小尺度輻合系統(tǒng)的存在，對(duì)風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的探測(cè)能力，可以很好地揭示災(zāi)害性天氣的觸發(fā)機(jī)制。垂直速度和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（）均與災(zāi)害性天氣過(guò)程的開(kāi)始和結(jié)束有著很好的相關(guān)關(guān)系，且兩者數(shù)值的突然增大均比天氣過(guò)程的開(kāi)始提前約30 min，垂直速度的閾值為4～5 m/s，1 km以下的閾值為-140 dB。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá)；低空急流；垂直速度；大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

中圖分類號(hào)：P412.25文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

風(fēng)廓線雷達(dá)是利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，由于風(fēng)廓線雷達(dá)時(shí)空分辨率高，能夠直觀地顯示大氣流場(chǎng)的水平分布和垂直結(jié)構(gòu)，因此風(fēng)廓線雷達(dá)資料在局地暴雨、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。阮征等[1]對(duì)使用風(fēng)廓線儀探測(cè)降水云體結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行了研究，擴(kuò)大了風(fēng)廓線儀探測(cè)降水的使用范圍；劉淑媛等[2]揭示了低空急流的脈動(dòng)與華南暖區(qū)暴雨在時(shí)間上的配合關(guān)系；吳君等[3]利用風(fēng)廓線雷達(dá)分析了氣旋暴雨與低空急流的關(guān)系；周志敏等[4]研究了風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度的大小及厚度與對(duì)流的強(qiáng)弱及降水量變化之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)信噪比的變化與降水的開(kāi)始、結(jié)束有一定的相關(guān)性；楊馨蕊等[5]將風(fēng)廓線雷達(dá)速度譜寬與垂直速度、信噪比等相結(jié)合給出了估測(cè)降水的方法；王易等[6]分析了江蘇一次暴雨過(guò)程中風(fēng)廓線風(fēng)場(chǎng)特征，指出低空西南急流對(duì)江蘇地區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展有著重要的作用；史珺等[7]討論了風(fēng)廓線雷達(dá)在天津地區(qū)一次短時(shí)暴雨中的應(yīng)用，指出風(fēng)廓線雷達(dá)的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)與降水強(qiáng)度之間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是不同地區(qū)的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)值與降水強(qiáng)度的指示標(biāo)準(zhǔn)并不一致。

利用鎮(zhèn)江揚(yáng)中站風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)2023年7月6日大暴雨過(guò)程進(jìn)行分析，同時(shí)選取了其他5次暴雨過(guò)程作為檢驗(yàn)，設(shè)定了鎮(zhèn)江本地暴雨臨近監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)的指標(biāo)，有助于提高本地短臨天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

1 暴雨過(guò)程分析

2023年7月6—7日，江蘇省鎮(zhèn)江市中北部地區(qū)出現(xiàn)暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，最大出現(xiàn)在三茅永和站（253.0 mm），揚(yáng)中站為215.0 mm（圖1）。7月6日16：00以后開(kāi)始出現(xiàn)降水，7日01：00開(kāi)始顯著增強(qiáng)，連續(xù)出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)20 mm以上的陣性強(qiáng)降水，08：00以后降水停止。

從環(huán)流背景來(lái)看，中高緯地區(qū)東北冷渦深厚維持，

在500、700和850 hPa均有閉合中心存在，冷渦槽從850～700 hPa呈現(xiàn)前傾結(jié)構(gòu)，有利于上暖下冷不穩(wěn)定層結(jié)的形成；中緯地區(qū)上游有短波槽發(fā)展東移，副高588線位于蘇南南部，配合850 hPa有低空西南急流，有利于水汽和熱量的輸送；200 hPa高空急流從山東上空經(jīng)過(guò)，江蘇省位于急流入口區(qū)右側(cè)，強(qiáng)烈的輻散抽吸作用有利于中低層垂直上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)。云圖顯示，沿副高邊緣不斷有對(duì)流云團(tuán)生成并沿低空急流方向移動(dòng)，對(duì)流云團(tuán)呈塊狀，且后向傳播特征明顯，有利于局地強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

2 風(fēng)廓線分析

風(fēng)廓線雷達(dá)每6 min輸出1次觀測(cè)資料，而自動(dòng)站每1 min獲得1次降水量數(shù)據(jù)，為便于與雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將質(zhì)量控制過(guò)的分鐘雨量數(shù)據(jù)按照雷達(dá)觀測(cè)時(shí)間段進(jìn)行每6 min累加，得到一組降水量數(shù)據(jù)。本次過(guò)程前期以弱的陣性降水為主，16：36開(kāi)始出現(xiàn)降水，有2個(gè)相對(duì)集中的時(shí)段，出現(xiàn)在17：54～18：12、21：00～21：12，7日00：30開(kāi)始降水顯著增強(qiáng)并持續(xù)，直至08：00降水結(jié)束。

圖2是7月6日揚(yáng)中站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)場(chǎng)分布，降水前15：18～16：06在5～7 km存在空洞，16：12以后整層數(shù)據(jù)變得完整，比降水開(kāi)始時(shí)間提前了24 min。18：18開(kāi)始降水暫停，此時(shí)4 km以上開(kāi)始出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺測(cè)。19：54～21：12自6.5～8.0 km風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)，但5～6 km

始終存在缺測(cè)，該時(shí)段正好對(duì)應(yīng)降水的第二個(gè)集中時(shí)段。21：18以后，整個(gè)5 km以上風(fēng)場(chǎng)全部缺測(cè)，直至7日00：00開(kāi)始風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)完整，比降水開(kāi)始時(shí)間提前了30 min。因此，風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的完整度與降水有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且風(fēng)場(chǎng)完整的時(shí)間比降水時(shí)間提前約

30 min，對(duì)降水開(kāi)始時(shí)間的估計(jì)具有很好的指示意義。

從中低層風(fēng)場(chǎng)特征來(lái)看，15：45以前500 m以下為偏南風(fēng)，往上轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，2～3 km高度處存在風(fēng)速≥12 m/s的低空急流。15：42開(kāi)始，500 m以下轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，表明此時(shí)有近地層輻合線經(jīng)過(guò)，500 m以上轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，輻合線過(guò)后地面有弱冷平流，且低空急流高度降至2 km以下，16：42降至最低，達(dá)到1 km以下，此時(shí)降水開(kāi)始。隨后，低空急流高度略有起伏，最低高度維持在1～2 km之間，風(fēng)向維持西南風(fēng)，低層的水汽通道建立并穩(wěn)定維持。23：30開(kāi)始4 km以上對(duì)流層中層風(fēng)速加快，并逐漸向下傳播，7日00：12開(kāi)始低空急流高度重新降至1 km以下，1～2 km風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，表明低層有暖切，近地層風(fēng)向由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，有近地層輻合系統(tǒng)經(jīng)過(guò)，強(qiáng)降水開(kāi)始。因此，低空急流的高度降低、近地層風(fēng)向的轉(zhuǎn)變均對(duì)降水的出現(xiàn)有很好的指示意義，且低空急流高度的下降時(shí)間比降水出現(xiàn)提前了約30 min。

圖3是7月6日揚(yáng)中站風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直速度分布，垂直速度未經(jīng)訂正，表示垂直氣流速度與降水粒子下落速度的總和。由于大氣湍流散射比雨滴散射弱1～2個(gè)量級(jí)，因此降雨時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)量的垂直速度就可以被看作雨滴的下落速度，也反映了降水粒子的密度，其中正值表示下沉運(yùn)動(dòng)，負(fù)值表示上升運(yùn)動(dòng)。15：00以前，整層垂直速度均為-1～1 m/s，15：00以后顯著加快，1 km以下15：00～16：00為-2 m/s以內(nèi)弱的上升運(yùn)動(dòng)，2～3 km和6～8 km則表現(xiàn)為＞4 m/s的強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)。16：06以后，整層表現(xiàn)為一致的正值，且16：36開(kāi)始近地層垂直速度顯著增至4 m/s以上，此時(shí)降水開(kāi)始。18：30～21：00整層垂直運(yùn)動(dòng)較弱，對(duì)應(yīng)降水間歇期，21：00以后隨著降水增強(qiáng)，近地層垂直速度迅速增至4 m/s以上，7日00：36整層垂直速度顯著增至5 m/s以上，對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水時(shí)段，此后強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)維持至08：00降水結(jié)束。因此，垂直速度與降水開(kāi)始時(shí)間和降水強(qiáng)度的關(guān)系密切，在降水過(guò)程中，1 km以下的垂直速度波動(dòng)性增強(qiáng)，隨著降水強(qiáng)度的增強(qiáng)，垂直（下沉）速度也隨之加快，可將4 m/s作為降水開(kāi)始的閾值。

圖4是7月6日揚(yáng)中站風(fēng)廓線雷達(dá)的分布，大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（）是描述大氣湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱的參量，受整層大氣高度上的溫濕壓綜合影響，直接反映了大氣的折射率和降水率。研究表明，降水強(qiáng)度越大，也越大，但是不同地方與降水相關(guān)的的閾值存在很大的差異。從圖中可以看出，降水前，1 km以下的均＜-145 dB，1 km以上均＜-160 dB，降水開(kāi)始后，1 km以下增至-140 dB，2～3 km為小值區(qū)，3 km以上增至-145～-140 dB，這種低層和中高層不一致變化的特征持續(xù)到7日00：30，表明在此之前，低層擾動(dòng)和濕度條件較好，但是中層擾動(dòng)和濕度條件一般，因此之前的降水過(guò)程較弱且呈間歇陣性。00：36以后，整層的均迅速增大，1 km以下達(dá)到-130 dB，1 km以上達(dá)到-135～-140 dB，1 km以上大值持續(xù)到06：12，1 km以下大值持續(xù)到08：00，對(duì)應(yīng)降水結(jié)束。綜上所述，可以很好地反映出降水的強(qiáng)度，1 km以下的＞-140 dB可以作為有利于降水出現(xiàn)的閾值，而強(qiáng)降水的出現(xiàn)則要求整層的均有顯著增長(zhǎng)，閾值為

-140 dB左右。

為驗(yàn)證以上指標(biāo)的適用性，選取了2023年6月19日、2022年6月5日、2021年8月25日、2021年7月29日（臺(tái)風(fēng)“煙花”）、2019年9月5日（臺(tái)風(fēng)“玲玲”）等5次暴雨過(guò)程進(jìn)行比較分析，大部分暴雨過(guò)程指標(biāo)基本一致，因此可以作為鎮(zhèn)江本地強(qiáng)降水的判別指標(biāo)。

3 結(jié)論

通過(guò)分析鎮(zhèn)江揚(yáng)中風(fēng)廓線雷達(dá)在暴雨天氣過(guò)程監(jiān)測(cè)預(yù)警中的指示作用，設(shè)定了基于風(fēng)場(chǎng)、垂直速度和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（）等產(chǎn)品的預(yù)警指標(biāo)。結(jié)果顯示，風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的完整性、低層風(fēng)向轉(zhuǎn)變、低空急流強(qiáng)度和高度變化、垂直速度和的突然增大都對(duì)災(zāi)害性天氣的發(fā)生具有很好的指示作用，具體指標(biāo)如下。

（1）風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的完整度與降水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且風(fēng)場(chǎng)完整的時(shí)間比強(qiáng)降水開(kāi)始時(shí)間提前約30 min，對(duì)降水開(kāi)始與增強(qiáng)時(shí)間的估計(jì)具有較好的指示意義。

（2）低層風(fēng)場(chǎng)可以有效監(jiān)測(cè)到中小尺度輻合系統(tǒng)，

對(duì)降水開(kāi)始起到觸發(fā)作用；低空急流向下脈動(dòng)對(duì)降水開(kāi)始具有較好的指示意義，提前時(shí)間約為1 h。

（3）高層＞4 m/s的強(qiáng)垂直速度向下傳播對(duì)降水開(kāi)始具有指示作用，提前時(shí)間約為30 min。地面＞4 m/s的垂直速度可以作為降水開(kāi)始的閾值。

（4）折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)可以較好地反映出降水的強(qiáng)度，1 km以下＞-140 dB可以作為有利于降水出現(xiàn)的閾值，而強(qiáng)降水的出現(xiàn)則要求整層的均有顯著增長(zhǎng)。

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