風廓線雷達資料在冀中一次強降水天氣預報中的應用

許 敏，張 瑜，張紹恢

(1.河北省廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；2.河北省文安縣氣象局，河北 文安 065800)

?

風廓線雷達資料在冀中一次強降水天氣預報中的應用

許 敏1，張 瑜2，張紹恢1

(1.河北省廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；2.河北省文安縣氣象局，河北 文安 065800)

通過運用常規(guī)氣象站、自動站、風廓線雷達資料和NCEP(1°×1°)再分析資料對2015年7月30日出現(xiàn)在京津之間的一次短時強降水天氣進行綜合診斷，特別是深入分析了降水開始前大氣的風場特征。結(jié)果表明：(1)低空急流在強降水開始前2 h左右出現(xiàn)，其不僅為短時強降水的爆發(fā)提供充足水汽，同時也是700 hPa以下對流不穩(wěn)定層結(jié)的建立者和不穩(wěn)定能量釋放的觸發(fā)者；(2)強降水發(fā)生前約90 min在1 000 m高度以上出現(xiàn)上升氣流，此后其所在最低高度下降，厚度增加，30 min后上升氣流達到最強盛；隨著降水的臨近，上升氣流開始減弱，降水開始后，下沉氣流迅速占據(jù)絕對主導地位；(3)強降水發(fā)生前70 min邊界層有冷平流形成，西南暖濕氣流在其上爬升，使得水汽和能量積聚，中層冷空氣開始楔入并發(fā)展強盛，表明冷暖空氣強烈交綏，同時能量釋放；(4)低空急流指數(shù)的脈動雖與強降水的發(fā)生有密切關系，但并不是高指數(shù)就一定會出現(xiàn)強降水，雨強的變化除了與低空急流有關，還與水汽、動力以及熱力等多種因素相關，是一種綜合條件共同作用的結(jié)果；(5)強降水形成所需的水汽、動力、熱力等條件均在降水出現(xiàn)前積累加強，這種強烈的信號一般提前60～120 min達到極致，為強降水的臨近預報提供了科學依據(jù)。

短時強降水；風廓線雷達；風場特征

引 言

隨著氣象業(yè)務的發(fā)展和對天氣預報服務需求的增加，對短時強降水的深入研究顯現(xiàn)出日益重要的作用，而精細化、準確率高的預報、服務產(chǎn)品離不開高時空分辨率產(chǎn)品的充分應用。風廓線雷達是世界氣象組織認可并推薦應用于業(yè)務的一種地基遙感設備，與傳統(tǒng)的氣球和無線電探測方法相比，它的優(yōu)點在于可以全天候無人值守探測、實時性好且能獲取高時空分辨率、高探測精度的多種類連續(xù)性探測資料，從而從不同角度揭示生命史短、尺度小的天氣系統(tǒng)的連續(xù)變化過程。

美國中部地區(qū)建成了由32部對流層風廓線雷達組成的風廓線雷達網(wǎng)，以監(jiān)測輸送墨西哥灣暖濕空氣的低空急流和它引起的雷暴活動，彌補了常規(guī)高空站網(wǎng)空間密度和時間密度上的不足，在美國中尺度災害天氣的監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用；日本和印度的科學家在印度的Gadanki地區(qū)使用LAWP風廓線雷達對低層大氣進行連續(xù)性試驗，在熱帶地區(qū)的風、擾動和降雨云系的研究等方面取得重要成果[1]。國內(nèi)針對風廓線雷達在天氣預報和科研方面的應用也開展了多項研究[2-10]，如汪小康等[11]分析風廓線雷達等資料后認為降水開始前15 min，對流層中低層有顯著傾斜上升氣流；徐鋮等[12]對比了風廓線雷達和多普勒雷達風廓線產(chǎn)品在不同天氣狀況下的探測資料，發(fā)現(xiàn)晴天和大降水情況下兩者差別較小，可信度較高，在小降水和系統(tǒng)過境時差別較大；王開燕[13]等利用廣州南沙的風廓線雷達資料對霧霾日能見度與風速進行了相關性分析。

強降水(中等及以上強度雨雪天氣)是由大量水汽在降水地區(qū)強烈輻合上升，在上升過程中凝結(jié)成云，之后變?yōu)橛甑蜗陆档倪^程，從其形成機理的角度來講，物理量的垂直分布特征對降水的預報尤為重要。之前，河北廊坊預報員對垂直物理量的實時分析主要依據(jù)北京探空站的氣象資料，但眾所周知，探空資料由于時間尺度相對較長且探空氣球隨風飄動的特點，有時不一定能真實反映當?shù)氐拇髿獯怪狈植继卣?，并且無法探測到物理量的連續(xù)變化，使得中小尺度系統(tǒng)的研究受到一定的限制，因此將河北大廠的風廓線雷達資料應用于本地的降水預報是一項緊迫而具有重要意義的事情。

1 資料介紹

所用的風廓線雷達資料為河北大廠風廓線雷達(116°56′47″°E，39°54′45″°N)資料，雷達型號為CFL-03ZC，具體技術參數(shù)見表1。大廠地處華北平原北部，西、西南與北京通州隔潮白河相望，2014年11月大廠風廓線雷達的建成不僅彌補了河北中北部探空資料時間和空間密度的不足，也有效補充了首都周邊的新型探測資料，為天氣預報、特別是重大活動的氣象保障提供了更多的參考資料。

表1 LFC-03ZC風廓線雷達基本技術參數(shù)

2 天氣過程

2.1 降水實況

2015年7月30日下午，北京順義、通州及與其毗鄰的河北三河市和大廠縣出現(xiàn)短時強降水天氣，整個過程持續(xù)約3 h，其中三河市大部分地區(qū)雨量超過50 mm，最大的高樓鎮(zhèn)達到111.8 mm，最大雨強出現(xiàn)在齊心莊鎮(zhèn)，小時雨量為56.6 mm。大廠縣強降水出現(xiàn)在16:00—17:20(北京時，下同)(圖1)，縣觀測站雨強最大時段在16:15—16:35，最大分鐘雨強為2.2 mm·min-1，小時雨量達到29.4 mm，全縣的最大降水出現(xiàn)在夏墊鎮(zhèn)，2 h雨量為54.1 mm，最大小時降水量為37.4 mm，降水期間上述地區(qū)多條路段出現(xiàn)嚴重積水，造成下班晚高峰時段的長時間交通擁堵。

圖1 2015年7月30日大廠和夏墊鎮(zhèn)逐分鐘降水量演變

2.2 天氣形勢

7月29—30日500 hPa有低槽從貝加爾湖向華北地區(qū)移動，30日14:00(圖2)，西風槽槽線東移至河北中部，三河市正位于槽前的西南氣流中，正渦度平流使高層輻散低層輻合，上升氣流加強；而低層850 hPa上，張家口、北京和承德一線出現(xiàn)明顯的東西向低空切變，不僅加強了水汽向降水地區(qū)的集中程度，也進一步加劇了上升運動，使得輸送至降水區(qū)的水汽不斷被抬升，最終形成短時強降水。7月29日華北中南部就出現(xiàn)較大范圍降水，至30日08:00地面形成一定的北高南低回流形勢，且京津冀均出現(xiàn)輕霧，表明近地面水汽條件較好，到14:00回流形勢更加明顯(圖3)，偏東風為華北地區(qū)提供了一定的水汽供給，東北經(jīng)渤海南下的冷空氣也在三河附近形成冷墊，低空暖濕氣流在其上爬升，極易觸發(fā)強降水。

2.3 不穩(wěn)定能量條件

從北京探空站資料獲得不穩(wěn)定能量參數(shù)(表2)，可以看到，在強降水開始前8 h，即7月30日08:00，不穩(wěn)定能量已經(jīng)開始積累，K指數(shù)達到36 ℃，而CAPE值也超過1 000 J·kg-1；隨著降水臨近，14:00K指數(shù)升至40 ℃，沙氏指數(shù)為-5.02 ℃，同時CAPE值達到2 030.1 J·kg-1；17:00后，降水逐漸減弱直至停止，CAPE值20:00時僅為26.6 J·kg-1，而另外2種指數(shù)的下降不及CAPE值敏感。

圖2 2015年7月30日14:00 500 hPa高度場 (等值線，單位：dagpm)和850 hPa 風場(風羽，單位：m·s-1)

圖3 2015年7月30日14:00海平面氣壓場(單位：hPa)

K指數(shù)/℃SI/℃CAPE/J·kg-108：0036-4．081240．714：0040-5．022030．120：0040-3．3126．6

3 垂直風場及雷達反射率因子特征

3.1 風向風速垂直分布

通過垂直風廓線的分析可以了解風向、風速隨時間和空間的不連續(xù)變化，從而掌握天氣系統(tǒng)的活動[14]，另外低空急流的強度、高度以及出現(xiàn)時間對強降水的發(fā)生也有重要意義。

為了定量研究短時強降水與低空急流的關系，引入低空急流指數(shù)[15]，其計算公式為：Ij=V/D，V為2 km以下邊界層急流中心最大風速(單位：m·s-1)，D代表12 m·s-1風速在該時次中的最低位置(單位：km)。因強降水結(jié)束后風速仍可能達到12 m·s-1以上，但此時風向轉(zhuǎn)為非西南風，其對降水強度的維持已沒有正的貢獻，將這一時刻的風速引入公式并不能真實反映西南低空急流的變化情況，因此，本文計算過程中V值取2 km以下邊界層西南風最大風速，D值取12 m·s-1西南風風速在該時次中的最低位置。

為了進一步對低空垂直風切變做定量分析，以了解其對強降水的貢獻，以及其在強降水前后的變化特征，依據(jù)低空風切變標準[16]，結(jié)合本地風廓線雷達具體參數(shù)，將低空風切變指數(shù)的計算方法定義為：Is=Vs/ΔH，其中Vs為約600 m高度以下的最大垂直風切變風速，ΔH為2個風矢量間的高度，文中取值為60 m。

對于大廠而言，降水出現(xiàn)在30日16:00—18:00之間，雨強較大的時段集中在16:00—16:40和17:10—17:20。從風廓線的演變特征(圖4)可以看到，7月30日13:00—13:54，1 500～3 000 m(850～700 hPa)風向較為雜亂，隨后30 min內(nèi)雖然同一時次垂直方向風向轉(zhuǎn)為一致，但沿時間序列來看風向還不穩(wěn)定，部分時次為偏西風，其它時段多為整層的偏東風，但在1 000～500 m(約925 hPa)高度出現(xiàn)了超低空急流，最強低空急流指數(shù)達到38 m·s-1·km-1，至14:42后超低空急流消失，1 500～3 000 m開始逐漸轉(zhuǎn)為一致的西南風,風向的轉(zhuǎn)換預示著西南低空急流的形成，且最大風速達到42.6 m·s-1。從圖5看出，700 hPa相對濕度迅速躍增至70%，925 hPa邊界層以下達到90%，低層濕度增大，同時濕層厚度增厚。另外，1 000 m附近出現(xiàn)的垂直風切變使得上升速度在14:48迅速達到0.8 m·s-1(表3)，大氣上升運動的加強為強降水的形成創(chuàng)造了優(yōu)越的動力條件。此后約50 min內(nèi)低空急流強度處于較低水平，低空急流指數(shù)在5 m·s-1·km-1以下，但維持有弱的低空垂直風切變。16:00左右，當最大垂直風切變高度抬升至1 500 m，且切變指數(shù)明顯增大時，低空急流指數(shù)迅速躍增至29.6 m·s-1·km-1，15:30—16:42的大部分時段低空急流指數(shù)達到10～30 m·s-1·km-1，最大垂直切變指數(shù)達到0.18 s-1，同時3 000 m高度西南風的加大和垂直切變位置由1 000 m抬升至2 000～2 500 m，使得16:10—16:30大廠觀測站和夏墊鎮(zhèn)均出現(xiàn)了降水過程中雨強的第一個峰值；此后至17:06低空急流維持，最大垂直風切變?nèi)钥蛇_到0.04～0.06 s-1，加之前期積累的水汽還未完全釋放，促使第二階段強降水的出現(xiàn)?？梢姡涂诊L切變指數(shù)的增大與強降水出現(xiàn)時間的吻合度較高，而低空急流約在強降水爆發(fā)前2 h形成。強降水預報中通過數(shù)值模式提供的細網(wǎng)格產(chǎn)品，結(jié)合對風廓線雷達數(shù)據(jù)的監(jiān)測可更為準確地判斷強降水的出現(xiàn)時間。

圖4 2015年7月30日大廠6 min間隔的垂直風廓線(a，b)及低空急流 指數(shù)(c)和最大垂直風切變指數(shù)(d)隨時間的變化

圖5 大廠上空相對濕度(單位：%)隨時間的變化 (粗黑線表示短時強降水開始前至發(fā)生過程 中相對濕度≥70%的濕層變化)

3.2 垂直氣流

為了分析垂直氣流與強降水的相關性，圖6和表3給出垂直速度的時間—高度剖面以及上升氣流的分布情況。強降水開始前89 min，大廠上空1 080 m高度以上出現(xiàn)最大速度為-0.4 m·s-1的上升氣流，垂直厚度達1 320 m，此后約30 min內(nèi)，上升氣流所在最低高度下降至660 m，最大強度維持在-0.8～-0.2 m·s-1，厚度接近3 000 m，至此，上升氣流強度和厚度達到極致，隨著降水的臨近，上升氣流所在高度開始抬升，厚度也急劇減小；強降水開始前30 min，上升氣流厚度迅速減小至360 m，同時所在最低高度也上升至3 720 m。綜上所述，上升氣流在強降水發(fā)生前約90 min出現(xiàn)，表明西南氣流攜帶的水汽和能量開始在降水地區(qū)被迫抬升，此后約30 min后，上升氣流達到最強盛，在強降水開始前60 min內(nèi)高度抬升，厚度減小，強度迅速減小，直至降水開始后下沉氣流占據(jù)絕對主導地位(因未對垂直速度作落速訂正，所以降水時段內(nèi)的速度代表空氣垂直運動和降水粒子下沉運動的總和[17])。

3.3 溫度平流

為了進一步了解強降水開始前冷暖平流的變化，圖7給出水平風向隨高度的變化。30日14:48前后，大廠上空500 m以下風向隨高度逆時針旋轉(zhuǎn)，1 500～3 500 m形成穩(wěn)定的西南氣流，且風隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，表明暖濕平流開始在冷空氣墊上爬升，水汽和不穩(wěn)定能量大量積聚；至15:06，低層冷平流消失，而1 500 m高度(850 hPa)有冷空氣楔入，使得對流繼續(xù)加強發(fā)展；至15:48，1 000～3 500 m基本為冷平流控制，冷暖空氣交綏達到最強，短時強降水一觸即發(fā)?？梢?，強降水開始前約70 min，中層冷空氣的楔入和加強有助于不穩(wěn)定能量的釋放，并在降水開始前20 min達到最強。

圖6 2015年7月30日垂直速度 (單位：m·s-1)時間—高度剖面

表3 2015年7月30日上升氣流隨時間的變化

圖7 水平風向隨高度的變化 (a)14:48，(b)15:06，(c)15:48

3.4 反射率因子特征

圖8給出北京多普勒天氣雷達反射率因子的演變，7月30日15:00左右，帶狀回波在北京東北部發(fā)展，在其東移過程中與承德方向南下的片狀回波合并，16:00開始回波進入大廠北部，反射率因子強度明顯增強，隨后從三河、大廠過境時發(fā)展為超級單體，中心強度達到61 dBZ，此時低空急流較降水開始前抬升，低空垂直風切變達到最強(圖4)，但由于強降水在下降過程中造成的拖曳作用強大，使得下沉氣流迅速占據(jù)主導地位(圖6)。由此可見，雷達反射率因子強度與低空風切變指數(shù)的變化存在明顯的正相關關系，即回波最強、切變指數(shù)最大時，降水強度也隨即達到最強。

圖8 2015年7月30日北京多普勒天氣雷達1.5°仰角反射率因子演變(單位：dBZ) (a)15:24,(b)15:48,(c)16:36,(d)16:48,(e)17:24,(f)18:00

4 結(jié) 論

(1)強降水開始前約2 h出現(xiàn)的低空急流不僅是水汽的提供者，也是700 hPa以下對流不穩(wěn)定層結(jié)的建立者和不穩(wěn)定能量釋放的觸發(fā)者，其對強降水的形成起到了至關重要的作用，雨強的大小與低空急流的維持時間、強度和垂直風切變的高度有密切關系。

(2)強降水發(fā)生前約90 min，1 000 m高度以上出現(xiàn)上升氣流，此后其所在高度下降，厚度增加，30 min后上升氣流達到最強盛；隨著降水臨近上升氣流開始減弱，降水開始后，下沉氣流迅速占據(jù)絕對主導地位。

(3)強降水發(fā)生前70 min，邊界層有冷平流形成，西南暖濕氣流在其上爬升，使得水汽和能量積聚，中層冷空氣開始楔入并發(fā)展強盛，表明冷暖空氣強烈交綏，能量釋放。

(4)低空急流指數(shù)的脈動與強降水的發(fā)生有密切關系，但并不是高指數(shù)一定會出現(xiàn)強降水，雨強的變化除了與低空急流有關，還與水汽、動力以及熱力等多種因素相關，是一種綜合條件共同作用的結(jié)果，因此要判斷強降水是否發(fā)生或概率有多大，還需要從更多角度去分析研究；相比而言，低空風切變和反射率因子強度與強降水的發(fā)生有更高的吻合度，綜合分析數(shù)值模式細網(wǎng)格資料預報場和多普勒天氣雷達、風廓線雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)，可為強降水的短臨預報提供科學的參考依據(jù)。

(5)風廓線雷達可以直觀反映強降水開始前至降水結(jié)束后大氣的微觀風場變化，對強降水的短臨預報預警有重要意義和使用價值。定性判斷和定量分析風向、風速隨時間和空間的不連續(xù)變化，既可以掌握天氣系統(tǒng)的活動，也可通過低空急流的出現(xiàn)時間、強度和垂直風切變的高度變化來判斷雨強大小，從而提高強降水臨近預報的準確度和提前時間量。

[1] Reddy K K, Kozu T, Nakamura K, et al. Lower atmospheric wind profiler at Gadanki, Tropical.IndiaInitial results[J]. Meteorologische zeitschrift, 2001,10(7):457-468.

[2] 黃慧君,鐘愛華,張健東. 多種探測資料在云南大理州強降水個例分析中的應用[J]. 暴雨災害,2014,33(1):50-57.

[3] 鄭石，黃興友，李艷芳. 一次短時暴雨WP-3000邊界層風廓線雷達回波分析[J]. 氣象與環(huán)境學報,2011,27(3):6-11.

[4] 路亞奇,王建,焦美齡. 2012年慶陽市一次短時大暴雨的診斷[J]. 干旱氣象,2013,31(3):542-549.

[5] 谷秀杰. 河南省短時強降水及其云團特征分析[J]. 氣象與環(huán)境科學,2013,36(1):15-20.

[6] 吳慶梅,楊波,王國榮,等. 北京地形和熱島效應對一次β中尺度暴雨的作用[J]. 氣象,2012,38(2):174-181.

[7]萬蓉,周志敏,崔春光,等. 風廓線雷達資料與探空資料的對比分析[J]. 暴雨災害,2011,30(2):130-136.

[8] 許美玲,尹麗云,金少華,等. 云南突發(fā)性特大暴雨過程成因分析[J]. 高原氣象,2013,32(4):1062-1073.

[9] 張文龍,范水勇,陳敏. 中尺度模式探空資料在北京局地暴雨預報中的應用[J]. 暴雨災害,2012,31(1):8-14.

[10] 魏東,楊波,孫繼松. 北京地區(qū)深秋季節(jié)一次對流性暴雨天氣中尺度分析[J]. 暴雨災害,2009,28(4):289-294.

[11] 汪小康,王曉芳,崔春光,等. 用新型探測資料分析武漢一次短時強降水過程的中尺度對流系統(tǒng)[J]. 暴雨災害,2012,31(4):321-327.

[12] 徐鋮,朱克云,張杰,等. 雷達風矢產(chǎn)品性能對比分析[J]. 成都信息工程學院學報,2014,29(增刊):89-93.

[13] 王開燕,朱建軍,張振清,等. 風廓線雷達資料在灰霾預報中的應用研究[J]. 環(huán)境科學與技術,2011,35(1):164-167.

[14] Weber B L, Wuertz D B, Strauch R G, et al. Preliminary evaluation of the first NOAA demonstration network wind profile[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,1990,7(6):909-918.

[15] 曹春燕,江崟,孫向明. 一次大暴雨過程低空急流脈動與強降水關系分析[J]. 氣象,2006(6):102-106.

[16] 吳蕾,董麗萍,王令,等. 風廓線雷達在強降水監(jiān)測預警中的應用研究[J]. 南京大學學報(自然科學),2014,50(6):865-872.

[17] 鄭石,黃興友,李艷芳. 一次短時暴雨WP-3000邊界層風廓線雷達回波分析[J]. 氣象與環(huán)境學報,2011,27(3):6-11.

Application of Wind Profiler Radar Data in a Heavy Precipitation Process in Central Hebei Province

XU Min1, ZHANG Yu2, ZHANG Shaohui1

(1.LangfangMeteorologicalBureauofHebeiProvince,Langfang065000,China; 2.Wen’anMeteorologicalStationofHebeiProvince,Wen’an065800,China)

Based on convertional weather stutions, automatic weather station, wind profiler radar data and NCEP reanalysis data, a short-time heavy rainfall occurring between Beijing and Tianjin on 30 July 2015 was analyzed, and the atmospheric wind field characteristics before precipitation was focused on. The results were summarized as follows:(1) Low-level jet appeared nearly two hours before the heavy rain, which not only provided sufficient moisture for outbreak of the short-time strong rainfall, but also established the convective instability stratification under 700 hPa and triggered the instability energy releasing.(2)The updraft appeared above 1 000 m about 90 minutes before the heavy rain , then its height was falling and thickness was increasing, and after 30 minutes, it achieved the most powerful. As the precipitation was near, the updraft began to weaken, and when the precipitation started, the sinking airflow rapidly occupied a dominant position. (3)Cold advection formed in the boundary layer 70 minutes before the heavy rain, and warm moist air flows climbed on it, which gathered water vapor and energy, and cold air on middle level began to invade and developed strongly. (4)The variation of low-level jet had close relationship with occurrence of heavy rain, but the change of rainfall intensity was not only associated with low-level jet, but also it was the result of joint action of water, power and thermal conditions.(5) The water, power and thermal conditions accumulated and strengthened before precipitation occurrence, and this strong signal was generally in advance 60 to 120 minutes, which provided scientific basis for heavy rain nowcasting.

short-time strong rainfall; wind profiler radar data; wind field

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0898

2016-03-20；改回日期：2016-06-08

河北省氣象局科研開發(fā)項目“基于兩種非常規(guī)資料的強降水短臨預報研究”(15zc01)、廊坊市科技局項目“廊坊短時強降水預報預警技術研究”(2015013015)和廊坊市氣象局自立課題“廊坊市霧霾、強降水的風廓線雷達特征研究”(201501)共同資助

許敏(1983-)，女，內(nèi)蒙古包頭市人，工程師，主要從事天氣預報與決策服務工作. E-mail：hblfxm@163.com

1006-7639(2016)-05-0898-08 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0898

P457.6

A

許 敏，張 瑜，張紹恢.風廓線雷達資料在冀中一次強降水天氣預報中的應用[J].干旱氣象，2016，34(5)：898-905, [XU Min, ZHANG Yu, ZHANG Shaohui. Application of Wind Profiler Radar Data in a Heavy Precipitation Process in Central Hebei Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):898-905],