風(fēng)廓線雷達(dá)和多普勒天氣雷達(dá)在一次強(qiáng)對流天氣過程中的分析應(yīng)用

黃金全，李麗麗，文繼芬，鄒書平

(1.中國民航貴州空中交通管理分局,貴州 貴陽 550005；2.貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽 550081)

1 引言

多普勒天氣雷達(dá)是大氣監(jiān)測的有效手段，在突發(fā)性、災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警中是最重要的參考指標(biāo)[1]，通過對雷達(dá)回波的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)分布、特征參數(shù)演變以及徑向速度分布等的探測，能夠得到強(qiáng)對流單體不同層次的形態(tài)特征，垂直結(jié)構(gòu)和風(fēng)場特征等，從而對強(qiáng)對流單體的演變和成因做研究[2-6]。風(fēng)廓線雷達(dá)是利用大氣湍流對電磁波的散射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場的遙感探測設(shè)備，可以得到近乎實時的垂直廓線，相比L波段探空雷達(dá)資料兩者在一定誤差范圍內(nèi)的相關(guān)性較好[7-8]，風(fēng)廓線雷達(dá)資料具有全天候、連續(xù)性、高分辨的優(yōu)勢，而且能夠得到大氣垂直氣流的參數(shù)；相比常規(guī)氣象雷達(dá)測風(fēng)效果，又具有靈敏度高，晴空探測能力強(qiáng)的特點。多普勒天氣雷達(dá)是對一定空間范圍內(nèi)的降水回波的觀測，風(fēng)廓線雷達(dá)是對一點上空的風(fēng)場做觀測，點面結(jié)合能夠更加全面的分析對流系統(tǒng)的演變和形成機(jī)理。國內(nèi)近年來正在不斷的建立和完善風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò), 截止2016年年底，我國業(yè)務(wù)上投入使用83部風(fēng)廓線雷達(dá)，風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)每小時可形成組網(wǎng)數(shù)據(jù)，用于監(jiān)測低空急流和與其有關(guān)的雷暴活動，并應(yīng)用于數(shù)值模式中，以改善常規(guī)探空站時空分辨率的不足。目前也有很多應(yīng)用成果，研究表明風(fēng)廓線雷達(dá)能夠做到對過境鋒面、短波波動、中氣旋、低空急流和切變線等天氣系統(tǒng)的連續(xù)探測，可大大提高中小尺度對流系統(tǒng)的監(jiān)測能力[9-11]。風(fēng)廓線雷達(dá)對冷空氣的侵入判別提前于常規(guī)觀測資料，低層水平風(fēng)和垂直風(fēng)的變化與對流發(fā)生和結(jié)束的時間對應(yīng)較好[12-15]，探測到的低空急流和風(fēng)切變對于對流天氣的預(yù)報具有重要意義。本文將風(fēng)廓線雷達(dá)資料和多普勒天氣雷達(dá)資料結(jié)合起來分析一次多單體強(qiáng)對流天氣過程，希望得到有意義的應(yīng)用結(jié)論。

2 資料說明和可用性分析

2.1 資料說明

本文選取2018年3月18—19日發(fā)生在貴州省中部的一次多單體強(qiáng)對流天氣過程，采用貴陽國家基準(zhǔn)站的多普勒雷達(dá)資料和探空定時資料(08時，20時，本文出現(xiàn)的所有時間均為北京時)，邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)資料采用貴陽機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá)資料(位于貴陽市國家基準(zhǔn)站以東9 km處，兩地海拔落差88 m)。3種探測設(shè)備的測風(fēng)資料各自具有不同的優(yōu)勢，如表1。風(fēng)廓線雷達(dá)主要反映邊界層大氣的風(fēng)場分布狀況，輸出參量包括：水平風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速，大氣折射率常數(shù)CN2，具有全天候，連續(xù)性，高精度的特征，不足之處在于當(dāng)有降水過程時，其探測誤差影響較大。多普勒天氣雷達(dá)探測空間范圍廣，可以對對流單體做跟蹤監(jiān)測，但晴空探測能力不足，因此兩者結(jié)合應(yīng)用能夠在強(qiáng)對流天氣過程的預(yù)報預(yù)警工作中有一定的互補(bǔ)效果。

表1 三種儀器的探測參數(shù)Tab.1 Parameter of three detection instruments

2.2 風(fēng)廓線雷達(dá)資料可用性分析

為測試風(fēng)廓線雷達(dá)資料的可用性，選取3月12—19日每日兩次L波段探空雷達(dá)的定時觀測資料與之對比，剔除異常值后風(fēng)向和風(fēng)速分別有687、505組數(shù)據(jù)，由于探空氣球存在漂移，規(guī)定風(fēng)向誤差范圍在±30°，風(fēng)速誤差在±3 m/s范圍內(nèi)為可信，對比結(jié)果為：風(fēng)向的一致性很高，可信率為98.4%，風(fēng)速在特殊層的誤差較大，但是總體可信率也達(dá)到93.3%。兩者風(fēng)速隨高度變化的趨勢是一致的，風(fēng)廓線雷達(dá)資料的風(fēng)向風(fēng)速的垂直變化曲線更加連續(xù)平滑(如圖1)，可信度較高。

圖1 3月18日L-波段探空雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)資料對比Fig.1 Comparison between L-sounding radar data and wind profile radar data on 18 Mar. 2018

3 過程實況

3月18日全省受高空槽西南氣流控制，省西部地面熱低壓較為活躍，有利于對流單體的孕育和發(fā)展。18日午后至19日01時，貴州省中部共經(jīng)歷兩次強(qiáng)對流天氣過程，共有75站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，降水落區(qū)主要位于貴陽市、黔南州北部和黔東南州西部地區(qū)，最大雨強(qiáng)達(dá)到50 mm/h，強(qiáng)降水時間主要集中在18日21時—19日01時，降水中心最大雨強(qiáng)為65 mm/h，同時有24個站點出現(xiàn)冰雹，冰雹落區(qū)集中在貴陽市，冰雹最大直徑達(dá)到20 mm(久長和李村)。貴陽機(jī)場氣象觀測站累計降水11.7 mm，第一次降水過程時間為18日20—23時，第二次為19日01時。

圖2 3月18日08時—19日08時強(qiáng)對流天氣(閃電、 冰雹、短時強(qiáng)降水、大風(fēng))分布Fig.2 The spatial distribution of severe convection weather between 08∶00 18 Mar. to 08∶00 19 Mar. (lightning, hailstone, short-time strong rainfall and gale)

4 多普勒天氣雷達(dá)資料

4.1 雷達(dá)回波形態(tài)及演變特征

運用貴陽市多普勒天氣雷達(dá)資料對此次天氣過程中單體的移動路徑做跟蹤監(jiān)測，貴陽地區(qū)共受兩次對流系統(tǒng)影響，第一次是自18日17時開始，從赫章、大方等地陸續(xù)生成的午后熱低壓在移動中發(fā)展為多個強(qiáng)回波單體，對流系統(tǒng)在20時30分左右到達(dá)貴陽境內(nèi)，偏北的兩塊對流單體到達(dá)貴陽后向東北方向移去，偏南的對流單體與貴陽本地的系統(tǒng)合并造成多地降雹，分散的單體在此演變過程中生消合并，最終形成一個有組織的帶狀對流系統(tǒng)向東南方向移去，在黔南北部造成多地短時強(qiáng)降水過程(如圖3a、3b、3c)。第二次是自18日22時開始，從織金南部生成并向東移動的單體，19日01時左右達(dá)到貴陽地區(qū)(如圖3d、3e、3f)，并引起沿途陣性降水天氣過程。

4.2 雷達(dá)回波強(qiáng)度和高度演變特征

根據(jù)圖3a中偏南的對流單體中心回波強(qiáng)度演變情況繪制曲線如圖4，雷達(dá)回波中心強(qiáng)度在19—20時從30 dBz躍增至60 dBz，回波頂高也從7 km升至10.7 km，當(dāng)日貴陽探空資料探測的-20 ℃溫度層高度為7.2 km。單體從織金西部移至東部，20—22時，回波迅速自清鎮(zhèn)進(jìn)入貴陽境內(nèi)引起冰雹和短時強(qiáng)降水，最大強(qiáng)度在60 dBz左右波動，回波頂高最高達(dá)到12 km，之后降至10 km左右。20時23分—21時03分期間45 dBz的回波頂高突破-20 ℃溫度層高度，冰雹過程過后回波頂高回落至8 km左右，移出貴陽后多個單體合并加強(qiáng)，最大回波單體達(dá)到65 dBz左右，回波頂高也再次增至11.4 km，隨后在向東南方向移動的過程中造成局地短時強(qiáng)降水，之后便逐漸減弱消失。

圖3 2018年3月18—19日貴陽多普勒天氣雷達(dá)回波組合反射率因子圖(單位：dBz，a.20時01分,b.21時03分； c.22時00分；d.19日00時00分；e.19日01時02分；f.19日01時31分)Fig.3 The composite reflectivity of Guiyang Radar at key period(unit：dBz, a.20：01,b.21∶03, c.22∶00,d.00∶00 19 Mar., e.01∶02 19 Mar., f.01∶31 19 Mar.)

圖4 2018年3月18—19日典型雷暴單體的 回波中心強(qiáng)度隨時間的變化情況 Fig.4 Time series of the echo intensity of a thunderstorm cell between 18 Mar. to 19 Mar

4.3 雷達(dá)回波剖面結(jié)構(gòu)演變特征

選取如圖4中造成貴陽地區(qū)冰雹的典型對流單體發(fā)展演變過程中的3個關(guān)鍵時次，做雷達(dá)徑向上穿過回波強(qiáng)度中心的剖面圖。圖5a為發(fā)展旺盛階段，經(jīng)過此前1 h的躍增，對流單體強(qiáng)度達(dá)到56.5 dBz，強(qiáng)回波位置偏高，表明回波上升氣流旺盛。圖5b回波強(qiáng)度增強(qiáng)至64 dBz，回波頂高也維持在10 km以上，但強(qiáng)回波中心位置下移，半小時后如圖5c所示，回波前部出現(xiàn)明顯的出流邊界，回波對應(yīng)位置出現(xiàn)降雹，隨著對流單體的移動，貴陽境內(nèi)自西向東多站降雹。隨著對流單體逐漸進(jìn)入貴陽雷達(dá)站靜錐區(qū)，之后便無法探測到完整的回波結(jié)構(gòu)。

圖5 貴陽多普勒天氣雷達(dá)在雷達(dá)徑向方向的基本反射率因子剖面圖 (a.19時49分-276°,b.20時23分-281°,c.20時52分-268°)Fig.5 The vertical profile of base reflectivity along the direction of Guiyang Radar (a.19∶49-276°,b.20∶23-281°,c.20∶52-268°)

5 風(fēng)廓線雷達(dá)資料

5.1 水平風(fēng)

通過分析垂直方向上風(fēng)向隨高度的變化能夠判斷站點上空不同層次是否有冷暖平流經(jīng)過。如圖6a在降水發(fā)生前18—20時地面至6 km高度大氣均為暖平流，1.5 km高度上有一條明顯的切變線，19時之后5.5 km以上高度出現(xiàn)西南方向急流軸，20時降水開始前低空切變線上升至2.5 km，低空急流范圍從3.5 km高度延伸至6.0 km以上，西南暖濕急流能為降水過程提供豐富水汽。20—21時風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場上發(fā)現(xiàn)上空有中尺度鋒生，從此時雷達(dá)徑向速度圖上可以看出貴陽上空有東北—西南向和東南—西北向的兩條低空輻合線形成一個輻合中心，鋒面輻合線恰好經(jīng)過機(jī)場上空。如圖6b，22時之后，低空急流范圍收縮，冷平流略有加強(qiáng)，23時30分低空切變線位置升高且強(qiáng)度加強(qiáng)，貴陽對應(yīng)一次弱的降水過程，過程期間雷達(dá)徑向速度圖上只能識別出低層為偏北風(fēng)控制，無法分析出切變線。在地面熱低壓和高空槽引導(dǎo)下，對流單體不斷生成并增強(qiáng)，有穩(wěn)定維持的低空切變線，低空急流出現(xiàn)的時間與降水有一定的對應(yīng)關(guān)系，風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)和雷達(dá)徑向速度場點面配合分析能夠更好的確定急流、風(fēng)切變和冷暖平流的位置。

圖6 風(fēng)廓線雷達(dá)探測的風(fēng)矢量—高度時間和多普勒天氣雷達(dá)徑向速度圖(單位：m·s-1，紅色實線為低空切變線，頂部零值為 空白資料，a.18日18—22時，b.18日20時52分徑向速度，仰角2.4°；c.18日22—19日02時；d.23時43分徑向速度，仰角1.5°)Fig.6 The temporal variation of wind vector-high over wind profile radar and the radial velocity(unit：m·s-1，red full line is the position of wind shear,the zero value on the top level is blank. a.18∶00-22∶00 18 Mar., the radial velocity at 2.4° elevation angle at 20∶52，b.22∶00 18 Mar.-2∶00 19 Mar.，the radial velocity at 1.5°elevation angle at 23∶43)

低空急流是與強(qiáng)降水相聯(lián)系的、位于對流層下部離地面1～4 km層(600～900 hPa之間)中的水平動量相對集中的氣流帶，中心風(fēng)速一般大于等于12 m/s，低空急流的出現(xiàn)往往意味著急流軸上下兩側(cè)存在較大的風(fēng)速切變。如圖7是3月18日14時—19日08時風(fēng)廓線雷達(dá)垂直方向上風(fēng)速隨時間的變化圖，在第一階段降水發(fā)生前從15時開始，5.5 km高度上便有急流軸出現(xiàn)，并隨時間逐漸下移，直到21時左右降水開始階段，急流軸向下壓至4.0 km，向上延伸至6.0 km高度。18日22時—19日01時站點周圍大部分地區(qū)處于短時強(qiáng)降水階段，風(fēng)場同樣表現(xiàn)出急流軸下移的特征，低空急流的強(qiáng)度更強(qiáng)，急流軸風(fēng)速達(dá)到22 m/s，在3.0 km左右高度上存在一個風(fēng)速大梯度帶，表明此階段對流層低層具有更強(qiáng)的風(fēng)速切變。低空急流能為暴雨區(qū)提供水汽的輸送通道，利于暴雨的維持。此次暴雨冰雹強(qiáng)對流過后，19日04時開始貴陽上空又有一波弱的對流單體經(jīng)過，本站在04時有3 mm降水，風(fēng)場上同樣探測到低空急流，可見低空急流出現(xiàn)的時間提前于降水開始的時間，降水結(jié)束后低空急流也逐漸減弱消失，對應(yīng)的范圍變化和位置波動與對流系統(tǒng)發(fā)展和結(jié)束有密切聯(lián)系。

圖7 3月18日14時—19日08時貴陽機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá) 垂直方向上風(fēng)速隨時間的變化圖(單位：m·s-1， 頂部的零值區(qū)表示沒有探測數(shù)據(jù))Fig.7 The wind speed of base reflectivity along vertical direction times between 14∶00 18 Mar. to 08∶00 19 Mar. over Guiyang airport wind profile radar(unit:m·s-1， the zero value of top level mean blank value)

5.2 垂直速度

在有云或降水情況下，風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的垂直風(fēng)速為垂直方向氣流運動速度與粒子運動速度的和，垂直風(fēng)向下為正，向上為負(fù)，垂直方向上風(fēng)速絕對值越大，反映出不同高度層上水汽和熱交換的程度越劇烈，因此這也一定程度上反映對流活動的強(qiáng)弱。如圖8，從20時開始5 km高度便有大于4 m/s向下的粒子運動，表明降水可能已經(jīng)開始，地面站點20時觀測到微量降水，之后兩個時次的向下運動速度逐漸加強(qiáng)，站點降水也觀測到小雨量級的降水，至19日停止。垂直速度的變化反映出對流活動強(qiáng)弱，也能作為提前判斷降水過程的開始和結(jié)束參考依據(jù)，但是垂直速度只是探測到測站上空的運動狀態(tài)，相對于天氣系統(tǒng)影響的范圍來說，所測得數(shù)據(jù)必然存在很大的脈動性、缺乏代表性，因此這個指數(shù)僅作為參考指標(biāo)。

圖8 風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)速隨高度的變化圖(單位：m·s-1，頂部的零值區(qū)表示沒有探測數(shù)據(jù)，a.18日20時, b.18日21時,c.18日22時,d.18日23時,e.19日00時,f.19日01時)Fig.8 The vertical profile of wind speed at different time(unit:m·s-1，the zero value of top level of mean blank value, a.20∶00 18 Mar.,b.21∶00,c.22∶00,d.23∶00,e.00∶00 19 Mar.,f.01∶00)

6 結(jié)論

本文運用風(fēng)廓線雷達(dá)結(jié)合多普勒天氣雷達(dá)資料對一次強(qiáng)對流天氣過程做了分析，風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在風(fēng)場觀測方面能夠較好的補(bǔ)充貴陽多普勒天氣雷達(dá)在貴陽市探測能力的不足，能夠探測到邊界層內(nèi)的急流、風(fēng)切變和冷暖平流活動。在地面熱低壓和高空槽引導(dǎo)下，對流單體不斷生成增強(qiáng)，并有近地面低空切變線穩(wěn)定維持，低空急流出現(xiàn)的時間提前于降水開始的時間，低空急流的范圍擴(kuò)大和位置下移時表明低層輻合運動加強(qiáng)，有利于對流系統(tǒng)發(fā)展和移動。風(fēng)廓線雷達(dá)資料與多普勒天氣雷達(dá)徑向速度點面配合分析，能夠清楚的反映鋒面過境的情況，多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品能更好的追蹤單體的移動路徑，降水結(jié)束后低空急流也逐漸減弱消失。降水開始前，垂直速度正負(fù)差別越大表明不同層熱交換強(qiáng)烈，對流活動越強(qiáng)，由于資料受降水過程的影響存在很大的脈動性，因此這個指數(shù)僅作為參考指標(biāo)。