風(fēng)廓線雷達(dá)資料在一次大暴雨過程分析中的應(yīng)用

吳彩霞 湯建國 彭小燕

摘 要：利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料、常規(guī)氣象資料、自動站和NCEP/FNL（1°Ⅹ1°）再分析資料對2017年6月10日的一次大暴雨過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明：（1）低層風(fēng)暴相對螺旋度（SRH）的變化對降水系統(tǒng)的臨近和降水的開始具有一定的預(yù)示作用，降水每次開始前低層風(fēng)暴相對螺旋度（SRH）均會有所上升。（2）大暴雨過程中雨強(qiáng)最大時(shí)期中低層最大風(fēng)速高度差距減小，存在中低層急流軸變窄的過程。低層最大風(fēng)速高度降低比中層最大風(fēng)速高度降低提前0.5～1h。（3）降水開始前，低空急流基本從1km以下開始;低空急流的建立和發(fā)展，使得上下層垂直風(fēng)切變增大，正渦度環(huán)流加強(qiáng)，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了很好的動力條件。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá);大暴雨;風(fēng)暴相對螺旋度

Abstract：A heavy rainstorm on June 10，2017 was analyzed by using wind profiler data，routine meteorological data，automatic weather stations and NCEP/FNL（1°x1°）reanalysis data. The results showed that：（1）The variation of the relative helicity（SRH）of low-level storms can predict the approach of precipitation system and the beginning of precipitation. The relative helicity（SRH）of low-level storms increases before each precipitation start.（2）There is a narrowing process of the jet axis in the middle and lower layers during the maximum rainfall intensity period. The decrease of the maximum wind speed height in the lower level is about half an hour to one hour earlier than the decrease of the maximum wind speed height in the middle level.（3）Before the precipitation，the low level jet stream starts from less than 1km. With the establishment and development of low-level jet，the Vertical Wind Shear of upper and lower layers increases，and the positive vorticity circulation strengthens.

Key words：Wind profiler;Heavy rainstorm;Relative helicity of storm

風(fēng)廓線雷達(dá)作為1種新型的觀測設(shè)備，是世界氣象組織認(rèn)可的一種地基遙感設(shè)備，分為邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)、對流層風(fēng)廓線雷達(dá)等。與其他常規(guī)大氣探測設(shè)備相比，具有連續(xù)無人值守、可全天候監(jiān)測大氣風(fēng)場的優(yōu)點(diǎn)。近10年來，風(fēng)廓線雷達(dá)在業(yè)務(wù)上得到了廣泛應(yīng)用。劉淑嬡等[1]通過對照分析風(fēng)廓線雷達(dá)資料和降水實(shí)況資料，發(fā)現(xiàn)降水強(qiáng)度及出現(xiàn)時(shí)間與低空急流之間存在密切的關(guān)系。張京英等[2]利用風(fēng)廓線資料和每小時(shí)的雨量資料，對比分析發(fā)現(xiàn)：高、低空急流及其向下的脈動與降水強(qiáng)度的增強(qiáng)有著緊密的聯(lián)系，暴雨的產(chǎn)生主要由低空急流的下傳和加強(qiáng)引起。古紅萍等[3]利用風(fēng)廓線資料對北京2005年8月3日1次強(qiáng)降水天氣過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)高空槽和弱冷空氣共同誘發(fā)的切變線低渦是產(chǎn)生此次暴雨天氣的主要中尺度系統(tǒng)。何平等[4]分析了2006年8月25—26日北京延慶WPR探測降水個(gè)例，發(fā)現(xiàn)降水前高空出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間長達(dá)10h以上的水平風(fēng)垂直切變，降水期間及前后水平風(fēng)探測高度明顯增高2km以上，隨地面降水臨近，下降速度所處高度逐漸降低。周芯玉等[5]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料，對廣州2次暴雨過程的低空流場進(jìn)行了分析，認(rèn)為動量下傳為暴雨的發(fā)生提供了好的動力條件，同時(shí)低空急流指數(shù)的脈動與強(qiáng)降水的發(fā)生有密切關(guān)系。本研究利用南通的邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，對2017年6月10日的一次大暴雨過程進(jìn)行分析，探究降水發(fā)生、發(fā)展和消亡期間風(fēng)廓線雷達(dá)的變化特征，為暴雨預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣實(shí)況與資料選取

2017年6月10日在江蘇省南通地區(qū)出現(xiàn)了1次大暴雨過程，這次過程由地面氣旋引起，降水過程自西向東移動，降水時(shí)間超過18h，降水量達(dá)到111.4mm，以持續(xù)性降水為主，期間包含強(qiáng)降水，其中10日10：30—11：00半小時(shí)最大降水量為16.7mm。由于降水量大，造成部分農(nóng)田被淹，道路積水。

所用邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)為GLC-11型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，采用高、中、低3種工作模式，時(shí)間分辨率為6min，3種工作模式最低觀測高度均為100m，高度分辨率分別為60、120、240m，有效探測范圍為3km。由于風(fēng)廓線的探測原理要求被測風(fēng)場各項(xiàng)同性，即在每個(gè)采樣高度及其所在范圍的平面內(nèi)，風(fēng)向、風(fēng)速應(yīng)相同，而在實(shí)測大氣尤其是強(qiáng)降水天氣情況下很難做到，因此單一時(shí)次的實(shí)測資料可能會缺乏足夠的代表性，本研究采用多時(shí)次平均的方法，取前后30min的平均值代替單一時(shí)次資料。

2 天氣形勢分析

2017年6月9日20時(shí)500hPa上空為兩槽一脊，貝湖以西和東北地區(qū)各有一深槽，在河套東部有暖切，700hPa在青藏高原東部有一低渦，從青藏高原東側(cè)經(jīng)四川中部、漢水流域伸向江淮流域有一明顯的暖式切變線，切變線北側(cè)為東北和東南氣流，切變線南側(cè)為西南氣流。華東南部和華南有西伸的副高，700hPa位于副高西北側(cè)，有急流。暖濕氣流的輸送使切變線南側(cè)具有準(zhǔn)飽和性，850hPa在貝湖以南和東北各有一高空槽，南通處于副高邊緣西北側(cè)，長江以北有一氣旋環(huán)流，并有一暖式切變線（圖略）。10日08時(shí)500hPa由于東北低渦深厚，穩(wěn)定少動，貝湖以西深槽移動緩慢，并且發(fā)展加深，700hPa氣旋移到了江淮流域，中心位于安徽北部（圖1a）。朝鮮半島和日本海之間深槽少動，850hPa長江北側(cè)氣旋發(fā)展，該市位于氣旋東伸的切變線附近，副高西北側(cè)（圖略），地面位于江淮氣旋的東側(cè)（圖1b）。10日20時(shí)500hPa轉(zhuǎn)為槽后西北氣流，700hPa該市處于氣旋環(huán)流附近，850hPa為閉合氣旋環(huán)流，地面位于氣旋后部（圖略）。11日隨著高低空轉(zhuǎn)為西北氣流，地面氣旋東移入海，降水逐漸停止。

3 風(fēng)廓線雷達(dá)資料與暴雨的關(guān)系

風(fēng)廓線雷達(dá)可以獲得水平風(fēng)資料、垂直速度和信噪比資料、溫度資料等。其中，水平風(fēng)資料可以反映出邊界層內(nèi)低空急流的強(qiáng)度和垂直分布，與夏季強(qiáng)對流天氣的發(fā)生密切相關(guān)。

本研究通過利用風(fēng)廓線雷達(dá)的高時(shí)空分辨風(fēng)場數(shù)據(jù)，計(jì)算了中層和低層2個(gè)層次風(fēng)暴相對螺旋度（SRH）、最大風(fēng)速及其高度等定量指標(biāo)。由于風(fēng)廓線探測得到的垂直速度是探測的降水粒子與大氣運(yùn)動的合成，為了嚴(yán)謹(jǐn)起見本文未對此進(jìn)行分析。

3.1 風(fēng)暴相對螺旋度（SRH）定義 螺旋度是表征流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動的動力特性的物理量，定義水平方向上的螺旋度為風(fēng)暴相對螺旋度（Storm Relative Helicity），即水平相對速度和水平渦度的積：

SRH反映了一定氣層厚度內(nèi)環(huán)境風(fēng)場的旋轉(zhuǎn)程度和輸入到對流體內(nèi)環(huán)境渦度的多少，其量值反映了對流風(fēng)暴低層入流運(yùn)動方向旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)弱，是研究風(fēng)暴的重要物理量，在風(fēng)暴初期SRH比垂直螺旋度更具預(yù)示性。中低層大的SRH的輸送和變形，有助于垂直螺旋度的形成和增長，SRH的大值區(qū)與風(fēng)暴的運(yùn)動、風(fēng)暴的發(fā)展增強(qiáng)有很好的相關(guān)性[6-10]。

從圖2可以看到6：00前，該市上空沒有降水，中低層SRH呈下降趨勢，4：00前中低層SRH均下降到0線附近，并繼續(xù)下降。6：30降水開始后，中低層SRH小于0，并于07：30達(dá)到了-50.45m2·s-2，之后逐漸回升，降水增大，此時(shí)地面氣旋逐漸靠近該市。表明發(fā)展氣旋逐漸靠近時(shí)，低層和中層的暖平流越來越強(qiáng)，10：00中層SRH達(dá)到雨強(qiáng)最大前的高點(diǎn)，然后迅速下降。低層SRH達(dá)到高點(diǎn)比中層晚0.5h左右。11：00后雨勢有所減弱，中低層SRH略有反復(fù)，但總體在0線以下，并且低層SRH比中層SRH大。隨著地面氣旋臨近，中層SRH一直呈下降趨勢，并于15：30達(dá)到了負(fù)的最大值-70.52m2·s-2，16：30低層SRH達(dá)到了負(fù)的最大值-24.80m2·s-2。而后2層SRH均迅速上升。18：00中層達(dá)到了最大值82.15m2·s-2，低層33.42m2·s-2。隨著氣旋遠(yuǎn)離，該市2層SRH均為下降趨勢。曹春燕等[11]研究得出從環(huán)境場流入氣旋系統(tǒng)的環(huán)境水平渦度越來越多，通過上升運(yùn)動將進(jìn)入系統(tǒng)的低層水平渦度轉(zhuǎn)化為垂直渦度的越來越多，有利于垂直運(yùn)動的維持，有利于氣旋環(huán)流發(fā)展。低層SRH的變化對氣旋降水系統(tǒng)的臨近和降水的開始具有一定的預(yù)示作用。通過分析得出，大暴雨中低層SRH峰值和雨強(qiáng)變化有密切聯(lián)系。較強(qiáng)的雨強(qiáng)都出現(xiàn)在中層SRH峰值之間和低層SRH迅速增大的過程，降水過程低層SRH作用大于中層SRH。

3.2 急流的變化特征 低空急流對于暴雨的形成，一方面起著輸送水汽和能量的作用，另一方面又有助于維持必要的動力學(xué)條件。劉淑媛、孫淑清、張京英、曹春燕、金巍等[12]分別分析了低空急流脈動與暴雨過程關(guān)系，指出低空急流的脈動及向地面擴(kuò)展程度與暴雨之間存在密切關(guān)系。低空急流到達(dá)測站上空不一定立刻引發(fā)強(qiáng)降水，但每次強(qiáng)降水或強(qiáng)烈天氣的發(fā)生都對應(yīng)1次西南急流的迅速脈動加強(qiáng)和向下擴(kuò)展。因此計(jì)算了中低層最大風(fēng)速的高度，以此來對比各層急流的變化。

此次降水開始前，低層和中層最大風(fēng)速一直呈下降趨勢，6：00降水開始后低層風(fēng)速和中層風(fēng)速逐漸增大，雨勢增大后中層最大風(fēng)速迅速降低，低層最大風(fēng)速也開始下降，降水集中時(shí)段，低層最大風(fēng)速和中層最大風(fēng)速變化趨勢基本保持一致，而且中層最大風(fēng)速總體低于低層最大風(fēng)速值。17：00氣旋逐漸遠(yuǎn)離該市后，中層最大風(fēng)速快速上升，而低層最大風(fēng)速變化平穩(wěn)。中層最大風(fēng)速一直高于低層最大風(fēng)速。

從圖3可以看出，各層最大風(fēng)速的高度來看，降水前中層最大風(fēng)速高度先降后升，一直維持在2980m附近;開始降水后，中層最大風(fēng)速高度也基本維持在較高位置;0.5h雨強(qiáng)最大后，中層最大風(fēng)速迅速降低12：30達(dá)到了最小值;之后，中層最大風(fēng)速高度回升，并一直維持在2980m。而低層最大風(fēng)速高度在降水前一直下降，降水開始后略有起伏，但幅度較小。降水停止后低層最大風(fēng)速高度也一直維持在較低位置。

3.3 暴雨期間風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場特征 從圖4看出，降水開始前，3km以下低層主要以偏南風(fēng)為主，5：400～1km為西南風(fēng)，1km附近風(fēng)向轉(zhuǎn)東南風(fēng)，風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，說明近地面層有弱冷平流存在。1.5km又轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，中低層有暖平流。6：00時(shí)2～3km轉(zhuǎn)為西北氣流，但風(fēng)速較小，2km處仍以西南風(fēng)為主，上下層有明顯的風(fēng)切變，但切變較弱。之后，該市降水開始。此次降水時(shí)間較長，30min最大降水量為16.7mm，其他時(shí)段均在10mm以下。大于12m.s-1強(qiáng)風(fēng)速區(qū)只出現(xiàn)在2.5～3km，并且出現(xiàn)的時(shí)間較短，因此沒有發(fā)現(xiàn)低層有強(qiáng)風(fēng)速區(qū)。10：40高空西北氣流下傳到3km以下，2～3km轉(zhuǎn)為偏北氣流，而2km以下為東到東南風(fēng)，存在明顯風(fēng)切變，10：30—11：00該市出現(xiàn)16.7mm/30min的降水量。此后隨著冷空氣的繼續(xù)向下層滲透，本市仍有降水但強(qiáng)度減弱。

通過分析風(fēng)廓線的時(shí)間-高度序列可知，風(fēng)切變觸發(fā)強(qiáng)降水發(fā)生前，動量常會由高空迅速下傳，導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)速區(qū)不斷下傳從而引起低空急流的建立和發(fā)展，最低高度可達(dá)1km左右。低空急流的建立和發(fā)展，使得上下層垂直風(fēng)切變增大，正渦度環(huán)流加強(qiáng)，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了很好的動力條件。

4 結(jié)論

（1）低層風(fēng)暴相對螺旋度SRH的變化對氣旋降水系統(tǒng)的臨近和降水的開始具有一定的預(yù)示作用，降水每次開始前低層SRH均會有所上升。

（2）暴雨過程中雨強(qiáng)最大時(shí)期中低層最大風(fēng)速高度差距減小，存在中低層急流軸變窄的過程。低層最大風(fēng)速高度降低比中層最大風(fēng)速高度降低提前0.5～1h。

（3）降水開始前低空急流基本從1km以下開始，由于低空急流的下傳和增強(qiáng)，導(dǎo)致了風(fēng)場垂直切變的增強(qiáng)。由風(fēng)廓線時(shí)序圖能看到風(fēng)切變觸發(fā)強(qiáng)降水發(fā)生前，動量會由高空迅速下傳，強(qiáng)風(fēng)速區(qū)不斷下傳，從而引起低空急流的建立和發(fā)展，最低高度可達(dá)1km左右。低空急流的建立和發(fā)展，使得上下層垂直風(fēng)切變增大，正渦度環(huán)流加強(qiáng)，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了很好的動力條件。

（4）風(fēng)廓線雷達(dá)能探測到局地風(fēng)場的細(xì)微變化，這些局地特征并不能在客觀分析場中得以很好的表現(xiàn)。

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