基于風(fēng)廓線雷達(dá)資料的暴雪天氣過(guò)程分析

周之栩

(湖州市氣象臺(tái)，浙江湖州313000)

0 引言

風(fēng)廓線儀是新一代的遙感測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，可以連續(xù)測(cè)得測(cè)站上空每幾分鐘、幾十米間距高時(shí)空分辨率的風(fēng)場(chǎng)資料，彌補(bǔ)了常規(guī)高空風(fēng)探測(cè)中時(shí)空密度不夠的缺點(diǎn)。湖州風(fēng)廓線雷達(dá)是航天科工集團(tuán)公司二院23所生產(chǎn)的CLF03型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，可實(shí)時(shí)探測(cè)大氣中的三維風(fēng)場(chǎng);于2010年8月建成并調(diào)試成功，經(jīng)過(guò)5個(gè)多月的運(yùn)行已基本穩(wěn)定。資料在探測(cè)期間的時(shí)間分辨率為6 min風(fēng)廓線數(shù)據(jù)，最低探測(cè)高度100 m，最大探測(cè)高度 5500 m，高度分辨率100 m。它是利用大氣中的各種尺度的湍流引起折射指數(shù)變化而對(duì)電波產(chǎn)生的散射作用，測(cè)量得到空氣運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)資料處理得到實(shí)時(shí)的大氣風(fēng)廓線。

中國(guó)氣象科學(xué)研究院1989年成功研制了我國(guó)首部UHF多普勒風(fēng)廓線儀，并用于北京中尺度災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)基地的業(yè)務(wù)試驗(yàn)，證明了其有效性和可靠性。顧映欣等［1］就用1989年京津冀中尺度試驗(yàn)區(qū)該UHF風(fēng)廓線儀取得的資料，對(duì)局地暴雨、鋒面等天氣過(guò)程進(jìn)行分析，計(jì)算了溫度平流，表明風(fēng)廓線儀資料在預(yù)報(bào)區(qū)域性降水和對(duì)流性天氣中具有重要意義;劉淑媛等［2］利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析了低空急流的脈動(dòng)與暴雨的關(guān)系;李妙英等［3］利用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)微下?lián)舯┝鬟M(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析;阮征等［4］對(duì)使用風(fēng)廓線儀探測(cè)降水云體結(jié)構(gòu)的方法做了研究，擴(kuò)大了風(fēng)廓線儀探測(cè)降水的使用范圍;Ralph等［5］利用風(fēng)廓線數(shù)據(jù)反演的水汽下落速度，可區(qū)分出降水區(qū)和降雪區(qū)。但是，利用風(fēng)廓線產(chǎn)品對(duì)降雪天氣的分析應(yīng)用還不多，本文利用風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)湖州地區(qū)2010年12月15日的暴雪過(guò)程進(jìn)行了分析，為風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在相似天氣過(guò)程中的分析和預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣形勢(shì)分析

2010年12月14日20:00 500 hPa環(huán)流場(chǎng)上(圖略)，中高緯為兩槽一脊形勢(shì)，貝加爾湖和巴爾喀什湖之間為寬廣的脊區(qū)，脊前的冷渦位于黑龍江省的東北部一線，溫度槽落后于高度槽，從東北3省到內(nèi)蒙有一橫槽維持，40°N以南基本為西南氣流控制，15日08:00東北冷渦進(jìn)一步東移加強(qiáng)，橫槽逐步南壓至山東、河南一帶，并有逐漸轉(zhuǎn)豎趨勢(shì)，14日20:00 700 hPa環(huán)流場(chǎng)上(圖略)，四川盆地有弱切變維持，長(zhǎng)江中下游地區(qū)基本為西南氣流控制，基本在16 m/s左右，15日08:00弱切東傳至兩湖地區(qū)，切變南側(cè)湖南、江西的西南急流也迅速加強(qiáng)至24 m/s，700 hPa相對(duì)濕度場(chǎng)也顯示，浙江北部地區(qū)有一96%的相對(duì)濕度中心(圖1)，急流和水汽中心的配合為下游暴雪發(fā)生提供了充足的能量和水汽條件。同時(shí)由于西南急流輸送及700 hPa冷空氣前鋒的回暖，08:00 700 hPa和850 hPa杭州、上海分別出現(xiàn)了－3℃和－4℃的逆溫，為浙北地區(qū)的暴雪發(fā)生提供了有利的層結(jié)條件［6］。

圖1 12月15日08:00 700 hPa相對(duì)濕度圖

2 風(fēng)廓線分析

2.1 水平風(fēng)速風(fēng)向

從圖2可見(jiàn)，從凌晨 2:00—5:00，1680 m以下基本為偏北氣流控制，并隨高度輕微順轉(zhuǎn)，1680～2800 m隨高度逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，表明該高度層存在冷平流，在2280 m處有一明顯的西北風(fēng)和西南風(fēng)的切變，風(fēng)速在2 m/s左右，2800～5500 m基本為西南氣流，并隨高度順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，表明該高度層存在暖平流;低層冷平流，中高層是暖平流，為850～700 hPa的逆溫層創(chuàng)造了條件;5:30開(kāi)始2280 m處開(kāi)始轉(zhuǎn)向偏北風(fēng)，同時(shí)1680～2880 m的逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)區(qū)域下降到了1440 m，說(shuō)明冷平流在向下擴(kuò)展;7:30，逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)區(qū)域進(jìn)一步下降到1200 m，測(cè)站開(kāi)始下雨夾雪;8:30，3240～3720 m開(kāi)始出現(xiàn)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明冷平流開(kāi)始向中層侵入;8:43，測(cè)站轉(zhuǎn)雪;10:30，2880 m處轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，同時(shí)3120～4000 m轉(zhuǎn)為了逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明中層冷平流勢(shì)力進(jìn)一步加強(qiáng)，隨著冷平流影響高度的逐步增加，到12:00，3120～4200 m都轉(zhuǎn)為了逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，降雪也開(kāi)始逐步加大，當(dāng)冷平流影響高度維持在4500 m左右時(shí)(13:30—16:30)，降雪集中而穩(wěn)定，雪強(qiáng)基本維持在積雪1 cm/h;而當(dāng)冷平流進(jìn)一步推升至4600 m以上時(shí)，整層大氣都被干冷空氣控制，系統(tǒng)處于減弱階段，降雪也逐漸減小;20:00以后，1500 m以上已經(jīng)沒(méi)有探測(cè)記錄，降雪趨于結(jié)束。

圖2 12月15日2:00—20:00水平風(fēng)速風(fēng)向隨時(shí)間高度分布圖

2.2 垂直速度

圖3 為15日垂直速度隨時(shí)間高度分布圖，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為高度，正速度表示隨高度為上升運(yùn)動(dòng)(該垂直速度未經(jīng)落速訂正，所以降水時(shí)候代表了空氣的垂直運(yùn)動(dòng)和降水粒子的下沉運(yùn)動(dòng)的總和)。從圖3可見(jiàn)從0:00開(kāi)始整層大氣都處于上升運(yùn)動(dòng)，近低層500 m處有1.5 m/s的輻合中心，4:30以后隨著低層冷空氣的侵入，輻合中心抬升至1200 m左右，并維持到13:00，期間降雪發(fā)生，但時(shí)斷時(shí)續(xù)，強(qiáng)度不大;13:30，隨著冷空氣影響加強(qiáng)，1200 m處的輻合中心迅速上升，至14:00已達(dá)5400 m，16:30前基本維持在4200 m左右，隨著上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，降雪強(qiáng)度也穩(wěn)定而集中，這和我們前面分析水平風(fēng)出現(xiàn)的情況較為一致，隨著降雪的加強(qiáng)，受降雪下降末速度的影響，各層的上升速度明顯減弱;17:00后，高空逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)速度，或趨向0值，整層大氣都轉(zhuǎn)為偏北氣流控制，開(kāi)始下沉運(yùn)動(dòng)，大氣層結(jié)重新處于準(zhǔn)靜力平衡狀態(tài)時(shí)，降雪逐漸減小結(jié)束。

圖3 12月15日0:00—23:00垂直速度隨時(shí)間高度分布圖

2.3 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)(Cn2)

風(fēng)廓線雷達(dá)的Cn2與大氣的濕度有關(guān)，可以把它看成不同時(shí)段的多普勒天氣雷達(dá)的RHI(高掃)的強(qiáng)度回波。它和雷達(dá)反射率成正比(圖4)，明顯降雪發(fā)生前(0:00—13:00)，大氣高層的水汽含量豐沛，Cn2一直穩(wěn)定在(1e－13～4e－14m－2/3)，隨著降雪的發(fā)生，從 13:30—17:00的降雪集中期，5000 m以下大氣Cn2的探測(cè)值迅速減小至9.0e－16m－2/3左右，這可能是液態(tài)水汽完全轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰晶和雪晶后，轉(zhuǎn)化過(guò)程帶來(lái)的明顯的反射率減弱所導(dǎo)致;隨著降雪的逐步結(jié)束，17:30以后2000 m以上的Cn2已經(jīng)無(wú)法探測(cè)到，表明中上層大氣已經(jīng)處于干區(qū)控制。

圖4 12月15日0:00—23:00折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時(shí)間高度分布圖

2.4 探測(cè)高度變化

從0:00開(kāi)始到降雪逐漸減弱(17:00)(見(jiàn)圖2，3)，由于大氣中的水汽充沛，雷達(dá)探測(cè)的要素平均高度都在5000 m以上，隨著降雪的逐漸減弱，中高空的水汽也逐步消耗殆盡，從16:30—17:55，探測(cè)高度已經(jīng)下降到4200 m左右，從18:00以后，探測(cè)高度更是跳水至2200 m，配合地面的降雪也是逐步進(jìn)入尾聲，強(qiáng)度明顯減弱。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)資料可以清楚地展示暴雪過(guò)程風(fēng)場(chǎng)變化特點(diǎn)，彌補(bǔ)常規(guī)探測(cè)資料在短時(shí)和臨近預(yù)報(bào)中的不足;通過(guò)分析高低層冷暖平流的分布情況，進(jìn)一步了解過(guò)程發(fā)生時(shí)的大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)，有利于精細(xì)化的預(yù)報(bào)制作;

(2)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的垂直速度、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)及探測(cè)高度等指標(biāo)的變化能一定程度地反映出降雪的開(kāi)始、結(jié)束以及降雪的強(qiáng)度。

風(fēng)廓線雷達(dá)高時(shí)空分辨率資料可以彌補(bǔ)常規(guī)資料分辨率不高的缺點(diǎn)，為能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)降雪的變化提供一定的資料依據(jù)。但是湖州市的邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)在探測(cè)的水平范圍和垂直高度上還有局限性。同時(shí)以上分析所得出的一些結(jié)論只是個(gè)例研究，未經(jīng)大量樣本驗(yàn)證，尚待進(jìn)一步的定量分析研究。

［1］ 顧映欣，陶祖鈺.1989—1990年UHF風(fēng)廓線雷達(dá)資料的分析和應(yīng)用［C］.中尺度氣象文集.北京:氣象出版社，1993:194－201.

［2］ 劉淑媛，鄭永光，陶祖鈺.利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析低空急流的脈動(dòng)與暴雨關(guān)系［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2003，19(3):285－290.

［3］ 李妙英，胡明寶，沈超玲.風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)微下?lián)舯┝鞯谋O(jiān)測(cè)與分析［C］.中國(guó)氣象學(xué)會(huì)2007年年會(huì)論文集，2007:541.

［4］ 阮征，葛潤(rùn)生，吳志根.風(fēng)廓線儀探測(cè)降水云體結(jié)構(gòu)方法的研究［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2002，13:330 －338.

［5］ Ralph.Using radar-measured radial vertical velocities to distinguish precipitation scattering from clear-air scattering［J］.JAtmos Oceanic Technol，1995，12:257 －267.

［6］ 季致建，邱小偉.麗水地區(qū)40年大到暴雪氣候［J］.浙江氣象科技，1995，16(4):1 －6.