烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)資料在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

謝葭穎 蘇朝丞 張月華

摘 要：分析了烏魯木齊市3種高影響天氣的風(fēng)廓線雷達(dá)資料，分析結(jié)果表明：風(fēng)廓線資料能較好地反應(yīng)本地上空垂直方向上的高時空分辨率的風(fēng)場的變化特征，即能明顯細(xì)致地顯示高低空急流、垂直切變和冷暖平流的結(jié)構(gòu)和變化，不同的天氣過程對應(yīng)不同的特征，對影響天氣的檢測預(yù)警有重要指示作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá);烏魯木齊;天氣預(yù)報;業(yè)務(wù)應(yīng)用

中圖分類號：S164

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190930051

風(fēng)廓線雷達(dá)是我國目前規(guī)劃發(fā)展的垂直探測設(shè)備，它能夠提供大氣的三維風(fēng)場信息，如水平風(fēng)場、垂直氣流、大氣折射率常數(shù)CN2等氣象要素隨高度的分布，是對常規(guī)探測的有力補(bǔ)充，其資料對天氣預(yù)報預(yù)警有重要意義，是提高災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警能力的重要手段，因此風(fēng)廓線雷達(dá)資料的應(yīng)用越來越受到重視。早在1994年NOAA就開展了對風(fēng)廓線雷達(dá)資料的評估，結(jié)果表明：風(fēng)廓線雷達(dá)有助于提供強(qiáng)天氣的預(yù)報準(zhǔn)確率，使用風(fēng)廓線雷達(dá)資料后，美國龍卷風(fēng)、雷暴、暴雨的預(yù)警時間提前了14%，強(qiáng)天氣的預(yù)報準(zhǔn)確率提高了13%，3h風(fēng)的預(yù)報準(zhǔn)確率提高了20%;目前，風(fēng)廓線雷達(dá)資料已經(jīng)成為美國短時臨近預(yù)報的強(qiáng)有力工具之一。在中國風(fēng)廓線雷達(dá)資料也得到了廣泛的應(yīng)用，如顧映欣等[1-4]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對局地暴雨、鋒面等天氣過程進(jìn)行了分析，證明了風(fēng)廓線雷達(dá)資料在短時預(yù)報中的能力。烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)已經(jīng)建成6a，在短時臨近預(yù)報業(yè)務(wù)中如何充分使用風(fēng)廓線雷達(dá)資料也是本局目前的工作任務(wù)。本文通過對烏魯木齊市強(qiáng)降水、東南大風(fēng)、大霧3種高影響天氣

中的風(fēng)廓線特征進(jìn)行分析，希望能在天氣預(yù)報服務(wù)中充分發(fā)揮其作用。

1?資料

本文選取了2017—2018年間氣象資料和風(fēng)廓線資料都完整的6次不同類型的天氣過程：2次夏季強(qiáng)降水天氣過程、2次典型的大霧天氣、2次城區(qū)的東南大風(fēng)天氣，分析其在風(fēng)廓線雷達(dá)資料的不同風(fēng)場特征。

2?風(fēng)廓線資料的應(yīng)用情況

2.1?強(qiáng)降水

選取2018年5月24日和8月12—13日2次強(qiáng)降水天氣過程，它們都同時伴有雷電和短時強(qiáng)降水出現(xiàn)。

2.1.1?兩次天氣實(shí)況

2018年5月24日05∶00后開始降水，最大雨強(qiáng)5.8mm/h，過程總降水量26.2mm，12∶00降水結(jié)束;8月12日23∶00前開始降水，最大雨強(qiáng)14.2mm/h，過程總降水量23.8mm，13日10∶00降水結(jié)束，見圖1。

2.1.2?風(fēng)廓線特征

許多研究表明，暴雨的發(fā)生發(fā)展與環(huán)境風(fēng)的垂直切變和低空急流密切相關(guān)，適度的垂直風(fēng)切變有助于雷暴的組織和傳播，而低空急流持續(xù)的水汽輸送和不穩(wěn)定能量的積累是暴雨發(fā)生的重要條件。

水平風(fēng)特征：利用風(fēng)廓線雷達(dá)的水平風(fēng)資料，可以實(shí)時監(jiān)測水平風(fēng)的垂直切變和切變的發(fā)展變化。5月24日降水過程：從圖1風(fēng)廓線的時間序列圖上可以看出，降水發(fā)生前12h，即23日17∶00低層2500m以下有西北和偏東風(fēng)的切變，根據(jù)熱成風(fēng)原理風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，說明低空有暖平流輸送，有對流的發(fā)展?jié)搫?，為降水開始積累不穩(wěn)定能量。24日03∶00前后6000m以上高空開始有大于20m/s西南急流的出現(xiàn)，說明有高空抽吸作用，促進(jìn)了對流的發(fā)展，2h后降水開始。暴雨前低空急流不明顯，但整個暴雨過程中低空都有大于12m/s的西北急流的存在，為降水提供了水汽的輸送。該次天氣過程中，從風(fēng)廓線資料中可以清楚地看到本地上空的水平風(fēng)風(fēng)場變化特征，低空首先出現(xiàn)暖平流，之后出現(xiàn)高空急流，促進(jìn)了對流的發(fā)展，整個降水過程中都有低空急流的維持。

8月13日降水過程：降水發(fā)生前12h即12日10∶00前整層為暖濕的偏南氣流，10∶00開始西北方向的冷空氣從低空楔入，暖空氣被迫抬升，從10∶00的200m到23∶00抬升至3000m高度，增加了對流不穩(wěn)定度。12日17∶00前后6000m高空開始出現(xiàn)24m/s的西南急流，由于高空急流的抽吸作用促成對流更進(jìn)一步發(fā)展，使整層濕度條件較好，5h后即23∶00降水開始。降水開始前和過程中有大于12m/s的低空西北急流存在?？梢姳敬谓邓^程中同樣有高低空急流的存在，促進(jìn)了對流的發(fā)展。

垂直速度：垂直速度能夠清晰地顯示出降水開始、結(jié)束時間，及雨強(qiáng)的大小變化。如5月24日06∶00開始大于4m/s的下沉速度到達(dá)地面，與降水開始時間一致;06∶00—08∶00最大值達(dá)6m/s以上，對應(yīng)最大雨強(qiáng)最大時段;13∶00減小到4m/s以下，降水結(jié)束。

8月12日23時下沉速度大于4.0m/s并且到達(dá)地面時，對應(yīng)降水開始時間;08∶00—09∶00下沉速度最大達(dá)到7.4m/s，對應(yīng)著雨強(qiáng)最大時段;11時垂直速度減小為0m/s，對應(yīng)著降水已經(jīng)結(jié)束（見圖2），實(shí)況是12日23時開始下雨，08∶00—09∶00雨強(qiáng)最大達(dá)14.2m/s。

大氣結(jié)構(gòu)折射率常數(shù)CN2：CN2能反映出本地上空整層大氣的濕度狀況，特別是較好地反映了降水開始和結(jié)束時間，同時也能反映出雨強(qiáng)大小。如5月23日24∶00整層開始CN2大于-140，降水已經(jīng)開始;07∶00—08∶00達(dá)到最大值大于-120，對應(yīng)著最大雨強(qiáng)時段;24日12∶00后雖然高空CN2仍然較大，但低層已明顯減小，降水隨之結(jié)束。

8月12日降水開始前低層CN2均小于-140，23∶00開始大于-140，并且數(shù)值越大降水強(qiáng)度越大，在降水時段08∶00—09∶00內(nèi)CN2出現(xiàn)最大值，大于-120，對應(yīng)著實(shí)際雨強(qiáng)最大時段;降水停止后CN2隨即減小到-140以下（見圖3）。

2.2?東南大風(fēng)

烏市由于地形的狹管效應(yīng)，當(dāng)狹管南北兩端出現(xiàn)一定的壓差時，會出現(xiàn)東南風(fēng)，壓差越大，風(fēng)速也就越大，這也是春秋季烏市影響最嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣。東南大風(fēng)出現(xiàn)時順著柴窩堡山谷到達(dá)烏拉泊、紅雁池一帶，由于是下坡，風(fēng)速迅速加強(qiáng)，是東南大風(fēng)的風(fēng)口，即烏市城區(qū)持續(xù)東南大風(fēng)時，紅雁池一定會有東南東風(fēng)，紅雁池大風(fēng)可以作為東南大風(fēng)進(jìn)入城區(qū)的指標(biāo)站。

共同特點(diǎn)：城區(qū)出現(xiàn)東南大風(fēng)時，紅雁池都有比城區(qū)大10m/s的東南大風(fēng)，并且開始時間比城區(qū)早，結(jié)束時間比城區(qū)晚，因此紅雁池較大東南大風(fēng)的出現(xiàn)對城區(qū)來說有警示作用。

2.2.1?實(shí)況

2017年4月16日東南東風(fēng)：紅雁池在16日01∶00出現(xiàn)東南大風(fēng)，2h后城區(qū)開始出現(xiàn)偏東南風(fēng)，16日后半夜紅雁池、城區(qū)同時出現(xiàn)最大風(fēng)速;城區(qū)偏東南風(fēng)結(jié)束后2h，紅雁池于16日14∶00前東南大風(fēng)結(jié)束;2018年3月30日—4月1日東南大風(fēng)，城區(qū)東南大風(fēng)持續(xù)時間長達(dá)28h，城區(qū)偏東南風(fēng)開始時間比紅雁池東南大風(fēng)晚1h，結(jié)束時間比紅雁池早2h，最大風(fēng)速出現(xiàn)時段均在30日夜間。

2.2.2?風(fēng)廓線資料

東南大風(fēng)開始前，風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度較低，如兩次東南大風(fēng)發(fā)生前最大探測高度都在4000m以下，并且整層CN2很小，即濕度條件非常差。當(dāng)高空有冷空氣入侵時，探測高度升高，抑制了東南大風(fēng)的持續(xù)，說明東南東風(fēng)多發(fā)生在晴好天氣時，與事實(shí)一致，即東南大風(fēng)的一般出現(xiàn)在高壓脊控制的晴好天氣時段。

由圖5可知，2017年4月15日城區(qū)東南大風(fēng)開始前，整層為西北氣流，15日18∶00 1000m高度以下至地面開始出現(xiàn)偏東風(fēng)，22∶00轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，實(shí)況是城區(qū)、紅雁池兩地同時在22∶00風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，可見風(fēng)廓線資料能很好地反映出實(shí)際風(fēng)速和風(fēng)向。隨著東南風(fēng)不斷向上擴(kuò)展使厚度增加、風(fēng)速迅速增大，實(shí)況是兩地的風(fēng)速不斷加強(qiáng)，06∶00地面風(fēng)廓線達(dá)到最大值20m/s以上，與兩地實(shí)際風(fēng)速最大值時段一致。16日14∶00近地層有東北方向的冷空氣楔入，近地面的東南風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，實(shí)況是14∶00前后城區(qū)東南風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，2h后紅雁池東南東風(fēng)結(jié)束。

由圖6可知，2018年3月30日15∶00前整層基本為西北風(fēng)，15∶00后1000m高度以下開始出現(xiàn)偏東風(fēng)，17∶00轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，并且向上向下傳遞、厚度增加、風(fēng)速加大，由于沒有積雪，低層沒有逆溫動量很容易下傳到達(dá)地面。30日19∶00風(fēng)廓線上的東南風(fēng)達(dá)到地面，城區(qū)開始出現(xiàn)東南風(fēng)。與風(fēng)廓線雷達(dá)資料一致，兩地實(shí)際風(fēng)速的最大值出現(xiàn)在夜間。風(fēng)廓線資料中4月1日02∶00左右隨著地面東北方向的冷空氣的楔入，近地面轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，對應(yīng)著城區(qū)的實(shí)際風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，2h后紅雁池也轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，東南大風(fēng)徹底結(jié)束。可見風(fēng)廓線資料能很直觀地反映出城區(qū)、紅雁池實(shí)際風(fēng)的方向和大小，對城區(qū)東南大風(fēng)的預(yù)報有很強(qiáng)的指示意義。

2.3?大霧

2.3.1?兩次大霧天氣實(shí)況

2.3.2?兩次大霧天氣風(fēng)廓線雷達(dá)特征

圖7的2017年2月16—17日風(fēng)廓線資料中：16日 20∶00 1500m高度以開始出現(xiàn)東南風(fēng)，隨著時間東南風(fēng)厚度不斷加大、風(fēng)速加強(qiáng)到20m/s以上并維持;17日02∶00 CN2明顯加大到-140以上即濕度條件較好，實(shí)況是02∶00前城區(qū)的霧開始逐漸加強(qiáng);整個能見度小于100m大霧時段內(nèi)，探測高度均在3000m以下，近地面有明顯的東北和東南風(fēng)的垂直切變，即有較強(qiáng)的逆溫層存在，逆溫層上風(fēng)速很大，積聚了很大的能量，而逆溫層下幾乎為靜風(fēng)，不利于污染物的擴(kuò)散;17日13∶00后東南風(fēng)厚度、CN2值逐漸減小，大霧逐步減弱，15∶00前后東南風(fēng)達(dá)到地面，大霧完全消散。

圖8的2018年2月24日風(fēng)廓線資料中：23日22∶00 1500m高度以下開始出現(xiàn)東南風(fēng)，厚度和風(fēng)速都不斷加大，同時CN2值也不斷加大，由圖8可以看出，24日00∶00—15∶00時CN2值大于-140，即低層濕度逐步加大，利于霧的形成，并且CN2值最大時段與霧最濃時段一致;大霧出現(xiàn)時段內(nèi)風(fēng)廓線的探測高度在3000m以下，近地層也存在明顯的偏東風(fēng)和東南風(fēng)的垂直切變，即逆溫層的存在，逆溫層上風(fēng)速很大，而逆溫層下風(fēng)速很小;12∶00逆溫層上聚集較大能量的東南風(fēng)沖破逆溫層到達(dá)地面，之后低層?xùn)|南風(fēng)、CN2值減小城區(qū)大霧開始減弱，直至大霧消散?？梢姈|南風(fēng)厚度、風(fēng)速最大和濕度最大重合時段與霧最濃時段對應(yīng)一致，當(dāng)東南風(fēng)、CN2減小時大霧逐漸消散。

3?結(jié)論

3.1?強(qiáng)降水天氣過程的風(fēng)廓線資料特征

水平風(fēng)探測高度較高，最高可達(dá)8000m左右，強(qiáng)降水過程開始前12h左右，低空都有冷暖空氣的交匯，暖空氣被迫抬升，大氣不穩(wěn)定度增加，高空急流出現(xiàn)不久，降水開始。垂直速度大于4m/s到達(dá)地面是降水開始和結(jié)束的標(biāo)志，且垂直速度越大降水強(qiáng)度越大。CN2也能較好地反應(yīng)出降水開始和結(jié)束時間，當(dāng)CN2的值大于-140到達(dá)地面時降水開始，當(dāng)近地層CN2小于-140時，降水結(jié)束，CN2值越大降水強(qiáng)度越大，但CN2對降水開始和結(jié)束時間、雨強(qiáng)的反應(yīng)能力比垂直速度略差。

3.2?東南大風(fēng)天氣過程的風(fēng)廓線雷達(dá)資料特征

東南大風(fēng)開始前，風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度較低，一般在4000m高度以下，并且1000m高度左右或以下首先開始出現(xiàn)東南風(fēng)，之后東南風(fēng)不斷向上、下擴(kuò)展、厚度增加，當(dāng)風(fēng)廓線中東南風(fēng)到達(dá)地面時，城區(qū)也開始檢測到東南風(fēng)的出現(xiàn);隨著動量的下傳，能量不斷在近地層堆積，地面的風(fēng)速逐漸加大;當(dāng)風(fēng)廓線中近地層出現(xiàn)東北風(fēng)時，城區(qū)的東南東風(fēng)結(jié)束;整個東南大風(fēng)過程中本地上空CN2很小即濕度條件非常差。

3.3?大霧天氣時風(fēng)廓線雷達(dá)資料特征

水平風(fēng)的探測高度較低，均在3000m以下;形大霧之前低層都有東南風(fēng)的出現(xiàn)，并向上或下擴(kuò)展、厚度增加、風(fēng)速加大的過程;近地層都有逆溫層的存在，逆溫層上風(fēng)速較大有動量的堆積，逆溫層下風(fēng)速很小或為靜風(fēng);出現(xiàn)大霧的時段，東南風(fēng)厚度內(nèi)濕度較大，通常CN2值大于-140;當(dāng)東南大風(fēng)沖破逆溫層到達(dá)地面或者地面風(fēng)速加大出現(xiàn)明顯亂流時，大霧逐漸消散。

4?討論

由于近2年來城區(qū)夏季強(qiáng)降水、冬季大霧和東南大風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)都比較少，加上風(fēng)廓線雷達(dá)在2017年的部分時段沒有正常接收到資料，因此選取的個例也少，不能很好地總結(jié)出各類高影響天氣的一般規(guī)律，今后還需要分析更多的個例來支持本文的結(jié)論。

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