烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)資料在暴雨天氣分析中的應(yīng)用

阿不力米提江·阿布力克木，于碧馨，李海燕

（新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

2011年12月，風(fēng)廓線雷達(dá)（Wind Profiler Radar，WPR）在烏魯木齊開始被投入使用。它是一種利用大氣湍流對電磁波的散射作用來探測大氣風(fēng)場、溫度場等物理量的遙感設(shè)備，可以連續(xù)觀測測站上空每幾分鐘、幾十米間距高時空分辨率的風(fēng)場資料，彌補(bǔ)了常規(guī)高空風(fēng)探測中時空密度不夠的缺點。烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)是航天科工集團(tuán)公司二院23所生產(chǎn)的屬于CFL-03型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，工作頻率為1 280 MHz，雷達(dá)波長為0.234 m；最小探測高度60～120 m（與場地環(huán)境有關(guān)），最大探測高度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。

中國氣象科學(xué)研究院1989年成功研制了我國首部UHF多普勒風(fēng)廓線儀，并將該儀器用于北京中尺度災(zāi)害性天氣預(yù)報基地的業(yè)務(wù)實驗，證明了其有效性和可靠性。顧映欣等[1]用1989年京津冀中尺度試驗區(qū)的UHF風(fēng)廓線儀取得資料，對局地暴雨、鋒面等天氣過程進(jìn)行分析并計算了溫度平流，分析表明風(fēng)廓線儀資料在預(yù)報區(qū)域性降水和對流性天氣時具有重要意義。劉淑媛等[2]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料研究了華南暴雨和南海季風(fēng)科學(xué)實驗期間暴雨過程中的低空急流與暴雨的關(guān)系，指出低空急流的脈動對強(qiáng)天氣和強(qiáng)降水有一定的指示意義；張京英等[3]利用臨沂市暴雨過程中的風(fēng)廓線雷達(dá)資料研究了高低空急流與暴雨之間聯(lián)系，認(rèn)為低空急流的下傳和加強(qiáng)在暴雨過程中起著重要作用，可引起雨強(qiáng)的大幅增大；王秀玲等[4]利用風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品分析唐山地區(qū)暴雨過程，指出前期深厚、長時間的東南低空急流與高空西南急流為暴雨的產(chǎn)生積累大量的水汽和能量。王敏仲等[5-6]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分別分析了其在新疆百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)和沙塵天氣過程中的應(yīng)用。但是，利用風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品對烏魯木齊暴雨天氣的分析應(yīng)用還不多，本文利用烏魯木齊邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品分析其與烏魯木齊暴雨之間的關(guān)系，旨在為風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在天氣分析和降水預(yù)報中的應(yīng)用積累經(jīng)驗。

1 天氣過程分析

1.1 暴雨實況

2012年5月19日15:00—20日4:00（以下時間均為世界時），按照新疆地區(qū)降水量標(biāo)準(zhǔn)[7]，烏魯木齊出現(xiàn)暴雨，13 h降雨26.0 mm。從逐時降水量圖中（圖1）可以看出，此次降水分為3個時段（19日 15:00—18:00、19 日 19:00—20 日 00:00、20 日2:00—4:00），強(qiáng)降水時段（降雨量≥4 mm·h-1）[8]出現(xiàn)3次。降水開始階段表現(xiàn)為穩(wěn)定的持續(xù)性強(qiáng)降水天氣，截至19日18:00累積降雨量達(dá)12.6 mm；19:00，降水明顯減弱，但在22:00—23:00期間的降水表現(xiàn)出明顯的中尺度系統(tǒng)影響特征，出現(xiàn)最大小時雨強(qiáng)，達(dá)5.7 mm·h-1；1:00左右，降雨量比前期略偏小并逐漸趨于減弱。

1.2 天氣形勢

降水前期，500 hPa高度場上歐亞范圍內(nèi)以經(jīng)向環(huán)流為主，上游地區(qū)烏拉爾阻塞高壓緩慢東移并向北發(fā)展；下游地區(qū)，中高緯西西伯利亞低槽緩慢西退，中低緯中亞低渦快速東移。烏拉爾阻塞高壓脊頂在不斷向北發(fā)展的過程中，引導(dǎo)冷空氣南下堆積,中空偏西急流逐漸建立、東移南調(diào)。低槽分裂的冷空氣東移，與中亞低渦減弱而成的低槽迭加，槽底南壓至40°N附近。19日06時起上游阻塞高壓開始向東南衰落，隨著阻塞高壓的南落，西西伯利亞低槽加深。12時偏西急流開始轉(zhuǎn)為西南急流，急流中心最大風(fēng)速超過35 m/s，且急流軸已東移至北疆西部國境線附近，同時石河子以東的北疆沿天山一帶由槽底平直西風(fēng)帶轉(zhuǎn)為槽前西南氣流控制，該20 m/s的西南急流與西側(cè)25 m/s的偏西急流匯合，如此的風(fēng)向風(fēng)速輻合促成此次暴雨觸發(fā)的動力機(jī)制（圖2）。15時左右烏魯木齊地區(qū)開始出現(xiàn)降水。而暴雨常常是這種中高緯和低緯環(huán)流相互作用的產(chǎn)物[9]。20日00時西西伯利亞槽分段，北段快速東移南下，主槽開始進(jìn)入新疆。700 hPa環(huán)流場上，19日06時烏魯木齊附近有弱切變維持同時南側(cè)西南風(fēng)速加強(qiáng)至16 m/s，低空急流不斷向暴雨區(qū)輸送水汽和能量，12時后北側(cè)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)12 m/s，形成氣流輻合區(qū)。此外，12時850 hPa上準(zhǔn)噶爾盆地的西北風(fēng)加強(qiáng)，最強(qiáng)超過14 m/s，烏魯木齊地處天山北坡，地形呈向北開口的喇叭口，偏北氣流被迫抬升。200 hPa高空圖上新疆地區(qū)已于19日00時受強(qiáng)西南急流控制，且西南氣流不斷加強(qiáng)。分析高低空冷空氣垂直結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，影響新疆的槽前傾，增加了大氣的對流不穩(wěn)定度，更有利于對流天氣的發(fā)生[10]。在這種大尺度環(huán)流背景下，高空急流與中空強(qiáng)風(fēng)速帶、低空輻合區(qū)相配合，引發(fā)的強(qiáng)垂直上升運動觸發(fā)了此次暴雨天氣。

1.3 水汽條件分析

源源不斷的水汽輸送是暴雨穩(wěn)定維持的必要物質(zhì)基礎(chǔ)。降水前期，地中海暖濕氣旋攜帶水汽充裕，來自地中海的水汽，先由伊朗副熱帶高壓頂部的西南氣流輸送至里、咸海上空，后以接力方式隨中亞低槽的槽前氣流經(jīng)巴爾喀什湖向暴雨區(qū)上空堆積。在700 hPa水汽通量場上，18日12時水汽在中亞地區(qū)匯集并向新疆輸送，烏魯木齊水汽通量在1 g·m-1·s-1·hPa-1左右。19日00時從塔城北部南下的水汽與從伊犁河谷北上的水汽在昌吉州北部交綏，水汽匯合區(qū)于06時南下至暴雨區(qū)，且于12時水汽通量增大至4 g·m-1·s-1·hPa-1（圖3）。降水前在烏魯木齊上空對流層的中高層（700～500 hPa）水汽通量明顯輻合，表明上空有明顯增濕現(xiàn)象[11]，這也是導(dǎo)致烏魯木齊出現(xiàn)暴雨的原因之一。18時暴雨區(qū)上空的整層水汽明顯減弱，然而由于前期降水低層增濕為后期短時強(qiáng)降水提供了一定的不穩(wěn)定能量。后期水汽逐漸減弱，降水也趨于停止。上述分析表明，充沛的水汽是觸發(fā)此次暴雨的必要條件。

2 風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品分析

風(fēng)廓線雷達(dá)能夠提供以風(fēng)場為主的多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其中基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括水平風(fēng)速風(fēng)向、垂直風(fēng)速和反映大氣湍流狀況的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C2n等。

2.1 水平風(fēng)速風(fēng)向

19日01:06高層從前期偏西氣流逐漸轉(zhuǎn)為西南氣流并風(fēng)速加大，西南氣流從3 060 m延伸到3 420 m，而低層維持西北氣流且風(fēng)速一直為4 m/s左右，高低層形成非常強(qiáng)的西南風(fēng)與西北風(fēng)的切變。從地面到2 000 m風(fēng)隨高度逆時針偏轉(zhuǎn)，在2 000 m以上風(fēng)隨高度順時針偏轉(zhuǎn)，這種低層冷平流、高層是暖平流結(jié)構(gòu)表明本站大氣層結(jié)呈穩(wěn)定狀態(tài)。同時高層西南氣流高度不斷向下擴(kuò)展，風(fēng)速逐漸加大。11:30西南氣流厚度達(dá)2 520 m，風(fēng)速也加強(qiáng)到21.2 m/s，如此深厚且長時間維持的西南氣流為此次暴雨過程的發(fā)生提供了充足的能量。

11:30起西南氣流逐漸轉(zhuǎn)為偏西氣流，西南氣流厚度和高層的順時針偏轉(zhuǎn)區(qū)域不斷減少；13:24在2 500 m高度偏西氣流逐漸轉(zhuǎn)為西北氣流，使得低層的西北氣流厚度加大，且低層的逆時針偏轉(zhuǎn)區(qū)域不斷增大。高層西北急流動量快速下傳過程中，攜帶了大量的冷空氣不斷向地面擴(kuò)展，為暴雨過程的發(fā)生提供良好的動力條件。隨著高層西北急流下傳，低空風(fēng)速漸漸加大，15:30在1 260 m高度出現(xiàn)12.0 m/s的西北急流；接著15:42西北急流繼續(xù)向下擴(kuò)展到1 020 m，在16：42之后12.0 m/s的西北急流位置高于1 500 m（圖4），對應(yīng)15:00和16:00出現(xiàn)4.4和4.5 mm的強(qiáng)降水。之后高層偏西氣流逐漸轉(zhuǎn)為西南氣流，同時低層西北氣流轉(zhuǎn)為偏西氣流且風(fēng)速逐漸減弱，降水量也開始減小。20:06起高層西南氣流第二次轉(zhuǎn)為偏西氣流，同時低層偏西氣流也開始轉(zhuǎn)為西北氣流，20:42在3 500 m由偏西氣流逐漸轉(zhuǎn)為西北氣流，使得低層的西北氣流厚度加大，風(fēng)速逐漸加大，因此高層西北急流動量快速下傳過程中，攜帶了大量的冷空氣不斷向地面擴(kuò)展，從而進(jìn)入本次暴雨過程的第二次強(qiáng)降水階段；22:24高層到低層有很強(qiáng)的西北氣流，660 m的風(fēng)速達(dá)到18.0 m/s，隨后西北氣流繼續(xù)向地面擴(kuò)展并加強(qiáng)，22:42在660 m的風(fēng)速達(dá)到21.70 m/s，達(dá)到本次暴雨過程中低空急流的最大風(fēng)速，這時段降水也是在本次暴雨過程中最強(qiáng)階段，小時雨強(qiáng)達(dá)到5.7 mm。說明高層強(qiáng)西北氣流的動量下傳導(dǎo)致低層西北氣流的加強(qiáng)，低層西北氣流的加強(qiáng)滯后于高層西北氣流加強(qiáng)的下傳；強(qiáng)降水時段出現(xiàn)在低層西北氣流的加強(qiáng)時段。20日02:06后，風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度從5 000 m降到 3 500 m，說明中高層被干空氣控制[11]，氣流方向也是從西北氣流轉(zhuǎn)為偏西氣流，系統(tǒng)處于移出階段，降水也趨于減小。

2.2 垂直速度

垂直速度（該垂直速度未經(jīng)落速訂正，所以降水時代表了空氣的垂直運動和降水粒子的下沉運動的總和，下同）是正速度表示隨高度為上升運動，而負(fù)速度表示隨高度為下沉運動。在19日14:00起整層大氣處于上升運動，480～600 m處有2.1 m/s的上升速度大值區(qū)，15:36隨著強(qiáng)西北氣流攜帶冷空氣入侵低層，從而地面到1 500 m之處上升速度加強(qiáng)至5.0 m/s左右，并維持到18:24，期間最大上升速度達(dá)8.6 m/s（圖5），這與烏魯木齊當(dāng)天的自動站觀測事實一致，即15:00開始下小雨，4 h雨量達(dá)12.6 mm。22:18前垂直速度逐漸減弱，但始終維持3 m/s左右；上升速度大值區(qū)也維持在地面到1 500 m左右，對應(yīng)18:00—21:00降水隨著垂直速度減弱逐漸減少，22:24—22:42上升速度從 3 m/s下降到 1 m/s，而22:48上升速度突然增強(qiáng)到6 m/s左右，上升速度大值區(qū)重新回到1 500 m左右，此種情況維持到23:24，在實況上22:00降水量突然增大，1 h降水量為5.7 mm，比前一個小時降水量多5.2 mm，23:30上升速度逐漸減弱，最后在05:00整層上升速度已經(jīng)減弱到1.0 m/s以下，降水結(jié)束。由以上分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)廓線雷達(dá)在低層探測到約大于2 m/s的上升速度時，降水開始，相反，探測到約小于2 m/s的上升速度時，降水結(jié)束，且低層上升速度越大降水越強(qiáng)。

2.3 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（）

3 結(jié)論

（1）500 hPa環(huán)流場上隨著烏拉爾阻塞高壓脊衰落，西西伯利亞低槽與中亞低渦減弱而形成的低槽迭加?xùn)|移；700 hPa有弱切變維持且850 hPa偏北風(fēng)持續(xù)；200 hPa高空場西南急流強(qiáng)盛；高空急流與低空輻合區(qū)相配合，引發(fā)的強(qiáng)垂直上升運動觸發(fā)了此次暴雨天氣。來自地中海的水汽沿著伊朗高原—里、黑?！蜖柨κ埠苯奈髂下窂捷斔椭列陆?，這種充沛的水汽是觸發(fā)此次暴雨的必要條件。

（2）前期深厚、長時間的西南氣流為暴雨的產(chǎn)生積累了大量能量；高層西北氣流快速下傳過程中，攜帶大量的冷空氣不斷向地面擴(kuò)展，為暴雨過程提供了很好的動力條件；同時激發(fā)了低空急流，隨著低空急流的加強(qiáng)，降水強(qiáng)度不斷加大；強(qiáng)降水時段出現(xiàn)在低空西北氣流的加強(qiáng)時段。

（3）風(fēng)廓線雷達(dá)探測的垂直速度大小分布變化與降水過程的開始、結(jié)束以及降水強(qiáng)度變化有較好的對應(yīng)關(guān)系。低層上升速度2 m/s可以作為降水臨界值，當(dāng)?shù)蛯由仙俣却笥? m/s時降水開始，垂直速度越大降水越強(qiáng)。

風(fēng)廓線雷達(dá)可以清楚地展示為暴雨過程提供充足能量的風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)及其變化特點，直觀地反映降水過程中風(fēng)場的變化特征，也彌補(bǔ)了常規(guī)資料分辨率不高的缺點，為準(zhǔn)確預(yù)報降水的變化提供一定的資料依據(jù)。但以上分析所得出的一些結(jié)論還未經(jīng)大量樣本驗證，尚待進(jìn)一步的定量分析研究。

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