風(fēng)廓線資料在沈陽暴雪天氣中的應(yīng)用

魯楊+李典+吳宇童+柴曉玲+張帥+崔景琳+孟鵬

摘要：本文利用常規(guī)觀測資料、風(fēng)廓線雷達(dá)資料，對(duì)2017年2月21日～2月22日沈陽地區(qū)出現(xiàn)的一次暴雪天氣過程進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)果表明：此次暴雪天氣受高空槽和蒙古氣旋共同影響，850 hPa南北兩支切變線同位相疊加，切變線南側(cè)西南風(fēng)急流為暴雪過程提供水汽條件。降雪前，以3500 m為冷暖平流邊界，冷平流疊加在暖平流之上。高空大風(fēng)速帶和垂直風(fēng)切變提前降雪10 h出現(xiàn)，并在降雪開始前2 h出現(xiàn)高空動(dòng)量下傳現(xiàn)象。降雪主要時(shí)段內(nèi)，大氣整層風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，大風(fēng)速帶擴(kuò)展至近地面，中低空垂直風(fēng)切變、垂直速度和大氣折射率常數(shù)出現(xiàn)大值區(qū)。整層大氣的垂直速度都為正時(shí)對(duì)應(yīng)的降雪強(qiáng)度最大。降雪結(jié)束后，整層風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá)；暴雪；垂直速度；垂直風(fēng)切變；折射率常數(shù)

中圖分類號(hào)： P458.121.2；P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.22.056

暴雪是沈陽地區(qū)冬半年出現(xiàn)的災(zāi)害天氣之一，暴雪經(jīng)常會(huì)造成交通運(yùn)輸中斷、輸電中斷、通信中斷，交通事故頻發(fā)，還可能造成房屋、蔬菜大棚及育苗大棚坍塌，直接危害人們生命財(cái)產(chǎn)安全。沈陽市氣象局以全運(yùn)會(huì)精細(xì)化服務(wù)為契機(jī)，在沈陽觀象臺(tái)建設(shè)了L波段邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣風(fēng)場的全天候觀測，時(shí)間分辨率為5min、30min和60min，低模態(tài)垂直探測高度為150～4350m，垂直分辨率為120m；高模態(tài)垂直探測高度為1230～9150m，垂直分辨率為240m。近年來，風(fēng)廓線探測產(chǎn)品在降雪中的研究應(yīng)用逐漸增多。周之栩[1]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析了湖州市一次暴雪過程，結(jié)果表明：風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)資料可以清楚地展示暴雪過程風(fēng)場變化特點(diǎn)，同時(shí)垂直速度、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)及探測高度等指標(biāo)的變化能反映降雪的開始、結(jié)束以及降雪的強(qiáng)度。翟亮[2]等分析了北京兩次不同類型降雪天氣過程中的邊界層風(fēng)廓線儀數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：溫度平流廓線圖可以較好的反映大氣穩(wěn)定度情況，同時(shí)作為判斷是否為對(duì)流性降雪提供依據(jù)。降雪開始前2h底層偏東氣流建立，且該氣流里均有風(fēng)速突然加強(qiáng)的現(xiàn)象。陸韜[3]等認(rèn)為低空急流的脈動(dòng)及向地面擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn)降雪的預(yù)兆，其與高空急流發(fā)生的耦合作用有利于雪勢加強(qiáng)。李鸞[4]等認(rèn)為降雪前925hPa左右高度可見東風(fēng)氣流，當(dāng)東風(fēng)氣流轉(zhuǎn)為西北氣流時(shí)，降雪天氣開始；降雪時(shí)低層冷平流，中高層暖平流，逆溫結(jié)構(gòu)有助于降雪的發(fā)生；當(dāng)西北氣流向上擴(kuò)展到700hPa高度以上時(shí)，降雪趨于結(jié)束。此外，風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的大氣折射率常數(shù)的變化與降雪過程相對(duì)應(yīng)。李峰[5]等利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)一次霧霾雨雪多相態(tài)天氣過程進(jìn)行了診斷分析，結(jié)果表明：霧霾天氣時(shí)，大氣折射率參數(shù)很小，無明顯的空氣流通，近地面層信噪比表現(xiàn)出較強(qiáng)信號(hào)，高度一般在850hPa以下，其上層大氣的信噪比很弱，上下對(duì)比明顯；降水發(fā)生前，對(duì)流層信噪比明顯增強(qiáng)，風(fēng)廓線雷達(dá)波束的徑向速度首先在中高層出現(xiàn)正值，降水發(fā)生時(shí)，5個(gè)波束徑向速度均轉(zhuǎn)為正值，最大速度一般在近地面層；降水相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，信噪比增強(qiáng)，徑向速度有所減弱，這種變化通常發(fā)生在整個(gè)邊界層到對(duì)流層。

2017年2月21日20時(shí)（北京時(shí)間，下同）～22日20時(shí)沈陽地區(qū)出現(xiàn)暴雪天氣，是風(fēng)廓線雷達(dá)建立以來強(qiáng)度最大的一次降雪天氣，嚴(yán)重的危害了沈城交通安全，因此本文利用常規(guī)觀測資料和風(fēng)廓線雷達(dá)探測資料，從水平風(fēng)廓線、垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、垂直風(fēng)切變等方面分析，試圖提出預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

1 過程概述

受到高空槽和蒙古氣旋共同影響，2017年2月21日20時(shí)～22日20時(shí)沈陽地區(qū)出現(xiàn)暴雪天氣。降雪集中時(shí)段為2017年2月21日22時(shí)～22日08時(shí)，之后轉(zhuǎn)為陣雪天氣，降雪量主要集中在市區(qū)。全市7個(gè)國家觀測站（渾南、康平、法庫、新民、遼中、沈北新區(qū)和蘇家屯）平均降雪量為10.6mm，其中蘇家屯區(qū)降雪量最大，為14.2mm，遼中區(qū)降雪量最小，為6.8mm。平均新增積雪深度為8.8cm，其中最大新增積雪出現(xiàn)在沈北新區(qū)，為13.0cm（詳見圖1）。此次強(qiáng)降雪給沈城交通造成嚴(yán)重影響。

2 主要影響系統(tǒng)

2017年2月21日20時(shí)500 hPa天氣圖上（圖2），西伯利亞附近為高壓脊，貝加爾湖東南部存在寬廣的槽區(qū)，短波槽活動(dòng)頻繁，溫度槽落后于高度槽，沈陽位于高空槽前部，槽前偏西氣流將冷空氣輸送到沈陽，鄂霍次克海以西存在一個(gè)低渦，并不斷加強(qiáng)，低渦底部不斷有冷空氣擴(kuò)散南下。850 hPa在河套地區(qū)和內(nèi)蒙古北部地區(qū)存在南北兩個(gè)切變線，切變線在東移過程中同位相疊加，南端到達(dá)30°N，在切變線的前端有西南急流存在，21日夜間急流軸經(jīng)過沈陽地區(qū)，西南急流向沈陽地區(qū)輸送大量暖濕空氣。2月21日20時(shí)地面存在蒙古氣旋，氣旋底部冷鋒位于河套地區(qū)，日本海存在阻塞高壓，使得蒙古氣旋移動(dòng)過程中加強(qiáng)，22日08時(shí)冷鋒移至沈陽中部地區(qū)（圖略）。

3風(fēng)廓線雷達(dá)

3.1 水平風(fēng)廓線

分析2017年2月21日08時(shí)～22日20時(shí)水平風(fēng)廓線特征，圖3給出了降雪前后沈陽觀象臺(tái)風(fēng)廓線雷達(dá)探測的小時(shí)風(fēng)演變。從圖中可以看到，2月21日08時(shí)之前，風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度一般在1000m以下，風(fēng)速較小，一般在2m/s以下。21日08時(shí)～21日11時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度有所增高，900 m以下為弱的西南風(fēng)，1000m到3500m為西北風(fēng)和北風(fēng)，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，21日12時(shí)～21日15時(shí)探測高度再次增高，已經(jīng)達(dá)到風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測高度，5500m以上出現(xiàn)西北偏西風(fēng)，1000m到3500m仍為西北風(fēng)，900m以下仍為弱的西南風(fēng)，3500m以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，3500m以上風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流。從21日16時(shí)開始整層大氣的風(fēng)向已轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)，且風(fēng)速逐漸加大。22日07時(shí)之后，探測高度出現(xiàn)降低，2000m以上出現(xiàn)西北風(fēng)，西北風(fēng)隨時(shí)間逐漸向下擴(kuò)展，到了22日15時(shí)，整層已轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，22日20時(shí)以后探測高度已回落到1000m以下。endprint

3.2急流

分析此次暴雪高空水平風(fēng)速≥12 m/s風(fēng)速帶，見圖4，2月21日12時(shí)開始出現(xiàn)大值風(fēng)速帶，最大風(fēng)速達(dá)到36.5m/s，21日13時(shí)至20時(shí)，高空風(fēng)速增大，大風(fēng)速帶一直維持在3390m以上。21日21時(shí)開始，風(fēng)速動(dòng)量下傳，大風(fēng)速帶向下擴(kuò)展，21日22時(shí)，大風(fēng)速帶已向下擴(kuò)展至990m，此時(shí)降雪開始。降雪過程中大風(fēng)速帶繼續(xù)向下擴(kuò)展，22日00時(shí)已經(jīng)擴(kuò)展到近地面，整層大氣都有西南風(fēng)大風(fēng)速帶存在。22日07時(shí)開始高空大風(fēng)速帶消失，中低空大風(fēng)速帶逐漸變薄，11時(shí)后消失。

3.3大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

風(fēng)廓線雷達(dá)主要探測大氣中不規(guī)則的折射，在折射率起伏場中，大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)通常表示大氣中折射率不均勻的程度，主要取決于溫度變化或水汽壓的脈動(dòng)變化。當(dāng)出現(xiàn)降水時(shí)，大氣中的水汽含量明顯增加，致使大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)增大，并常伴有探測高度增加的現(xiàn)象[6]。圖中將0或接近0的值用白色表示。

分析此次暴雪大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的時(shí)間演變，詳見圖5，降雪過程前大氣折射率常數(shù)的量級(jí)在10-20～10-15之間，隨著降雪的發(fā)生，21日23時(shí)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)明顯增加，最大大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)量級(jí)增大至10-6，相對(duì)大值出現(xiàn)在1470m以下，為水汽集中區(qū)，1470m以上大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)接近0。隨著降雪的發(fā)展，22日00時(shí)～04時(shí)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)逐漸降低，相對(duì)大值區(qū)也變薄，相對(duì)大值出現(xiàn)在510m以下，22日05是開始整層大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)接近0，說明水汽條件逐漸轉(zhuǎn)差。暴雪期間大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的量級(jí)在10-10～10-6之間。

3.4垂直風(fēng)切變

計(jì)算臨近層內(nèi)風(fēng)矢量的變化值，得到垂直風(fēng)切變。風(fēng)切變增大時(shí)，有利高、低空冷暖氣流加速混合，形成不穩(wěn)定[6]。分析此次暴雪天氣垂直風(fēng)切變隨時(shí)間的演變，見圖6，21日12時(shí)開始高空（約500hPa）開始出現(xiàn)垂直風(fēng)切變，比降雪開始提前了10h。中低空垂直風(fēng)切變提前2h（21日20時(shí)）出現(xiàn)，降雪的主要時(shí)段與中低空垂直風(fēng)切變大值區(qū)對(duì)應(yīng)較好，中低空垂直風(fēng)切變可能是暴雪的重要觸發(fā)條件。

3.5垂直速度

風(fēng)廓線雷達(dá)探測的垂直速度為空氣垂直運(yùn)動(dòng)和降水粒子下沉運(yùn)動(dòng)之和，朝向風(fēng)廓線雷達(dá)為正。圖7為2017年2月21日03時(shí)～22日15時(shí)沈陽觀象臺(tái)上空的垂直速度隨時(shí)間的演變圖。由圖可知，21日12時(shí)～21時(shí)1950m到3150m之間存在負(fù)速度，為上升氣流，3150m以上為正速度，說明有下沉運(yùn)動(dòng)，1950m以下為出現(xiàn)零散的正速度，說明下沉運(yùn)動(dòng)不明顯。降雪主要時(shí)段內(nèi)整層大氣垂直速度都為正，說明下沉氣流迅速占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位[7]，可能是雪粒在下落過程中的拖曳作用所致[8]。21日22時(shí)降雪開始時(shí)的垂直速度出現(xiàn)最大值，為1.5m/s。22日07時(shí)～15時(shí)3870m以上垂直速度為0.0m/s，3870m以下的垂直速度有減小的趨勢。22日15時(shí)后整層大氣垂直速度接近0.0m/s。

4 探空資料分析

由沈陽觀象臺(tái)探空資料可以看出，2月21日20時(shí)和22日08時(shí)探空資料差別很大，以600 hPa為分界點(diǎn)，21日20時(shí)600 hPa以上溫度與露點(diǎn)先接近重合，表明溫度露點(diǎn)差很小，相對(duì)濕度大，大氣處于飽和狀態(tài)，高空高濕區(qū)的出現(xiàn)是由于西南急流輸送了大量水汽。22日08時(shí)600 hPa以下相對(duì)濕度非常大，600 hPa以上相對(duì)濕度減小明顯，這與中低空西南急流的建立和高空急流的消失對(duì)應(yīng)較好，加之降雪也是濕度垂直分布變化的重要原因。從21日20時(shí)到22日08時(shí)-10 ℃高度由接近3 km降低到接近1 km，說明有冷空氣的到來。抬升凝結(jié)高度明顯降低，這有利于22日白天陣雪天氣的產(chǎn)生。

5結(jié)論

此次暴雪天氣是由高空槽和蒙古氣旋共同作用產(chǎn)生的，850hPa南北兩支切變線同位相疊加，切變線前西南急流為此次暴雪提供了充沛的水汽。

降雪前，以3500m為冷暖平流邊界，冷平流疊加在暖平流之上。高空大風(fēng)速帶和垂直風(fēng)切變提前降雪10h出現(xiàn)，并在降雪開始前2h出現(xiàn)高空動(dòng)量下傳現(xiàn)象。降雪開始時(shí)，整層風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，垂直速度出現(xiàn)最大值，為1.5m/s，風(fēng)速≥12m/s和中低空垂直風(fēng)切邊大值區(qū)的出現(xiàn)時(shí)間與主要降雪時(shí)段相對(duì)應(yīng)，垂直速度和大氣折射率常數(shù)出現(xiàn)達(dá)到峰值。整層大氣的垂直速度都為正時(shí)對(duì)應(yīng)的降雪強(qiáng)度最大，暴雪期間大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的量級(jí)在10-10～10-6之間。降雪結(jié)束后，整層風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)。

通過風(fēng)廓線雷達(dá)探測資料可以直觀的看到站點(diǎn)上空各種資料隨時(shí)間高度的變化，但由于風(fēng)廓線雷達(dá)建設(shè)以來暴雪的樣本單一，所以以上結(jié)論仍需要在今后的工作中分析驗(yàn)證。

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作者簡介：魯楊，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：天氣預(yù)報(bào)。endprint