一次雨雪天氣過程的風(fēng)廓線雷達(dá)特征

王文波，高曉梅，李曉利，王世杰，楊 萌

(山東省濰坊市氣象局，山東 濰坊 261011)

引 言

風(fēng)廓線雷達(dá)主要是利用大氣湍流對電磁波的散射作用對大氣風(fēng)場等物理量進(jìn)行探測的遙感設(shè)備，可以連續(xù)地獲得測站上空每幾分鐘、幾十米層距的高分辨率風(fēng)廓線資料。風(fēng)廓線雷達(dá)探測方式是連續(xù)的無人值守的遙感方式，不僅有多種觀測數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)具有高時空分辨率的特點，因此風(fēng)廓線雷達(dá)資料在天氣預(yù)報中的應(yīng)用越來越受到人們的重視。20世紀(jì)80年代開始，美國、日本相繼布設(shè)了風(fēng)廓線雷達(dá)業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)，并應(yīng)用于強(qiáng)雷暴天氣監(jiān)測預(yù)警及數(shù)值模式同化預(yù)報中。WAKASUGI等[1]最初通過對VHF風(fēng)廓線雷達(dá)的功率譜信息觀察發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)能夠探測降水粒子信號；RALPH等[2]利用UHF雷達(dá)對不同類型降水進(jìn)行系統(tǒng)研究，給出了與降水相關(guān)的豐富信息，包括空氣垂直運(yùn)動速度、降水粒子下落速度、降水強(qiáng)度等。

近年來國內(nèi)風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用取得了長足進(jìn)步[3-15]。如風(fēng)廓線的連續(xù)變化可揭示次天氣尺度系統(tǒng)如低空急流、暖切變等的存在及其影響過程，能夠很好地服務(wù)于短時天氣預(yù)報[3]；風(fēng)廓線雷達(dá)可以實時監(jiān)測局地大氣風(fēng)垂直廓線的變化[4-5]；風(fēng)廓線雷達(dá)的一些重要產(chǎn)品，包括信號強(qiáng)度、譜寬以及各波束的徑向速度等參數(shù)可以用來判斷晴空和降水，跟蹤天氣的轉(zhuǎn)折和發(fā)展[6]。冬季降水相態(tài)的預(yù)報是天氣預(yù)報工作的難題，國內(nèi)有利用風(fēng)廓線雷達(dá)針對降水粒子相態(tài)開展的研究[16-18]。如施紅蓉等[16]對一次雨轉(zhuǎn)雪天氣過程中的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)的強(qiáng)度和速度產(chǎn)品能夠很好地監(jiān)測、診斷降雨到降雪相態(tài)變化的持續(xù)時間，垂直徑向速度、信噪比可作為區(qū)分不同相態(tài)降水的有效依據(jù)；李峰等[17]利用風(fēng)廓線雷達(dá)探測產(chǎn)品診斷和判別天氣系統(tǒng)的演變以及霧霾、降雨、降雪天氣的轉(zhuǎn)變，揭示降水過程的細(xì)節(jié)變化。

2016年2月12—13日受江淮氣旋影響，魯中地區(qū)出現(xiàn)了一次雨雪天氣過程，降水主要集中在2月12日夜間至13日白天，先后出現(xiàn)降雨、雨夾雪和降雪天氣。處于魯中地區(qū)的濰坊、濟(jì)南和東營3部風(fēng)廓線雷達(dá)對此次天氣過程進(jìn)行了完整的連續(xù)觀測。本文利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對此次雨雪天氣進(jìn)行診斷分析，著重對降水相態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的風(fēng)場變化特征和不同相態(tài)降水發(fā)生時風(fēng)廓線雷達(dá)特征進(jìn)行分析，以期為風(fēng)廓線雷達(dá)資料在冬季降水天氣預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)工作中的應(yīng)用提供參考。

1 風(fēng)廓線雷達(dá)介紹

濰坊、東營和濟(jì)南3部風(fēng)廓線雷達(dá)均為南京恩瑞特實業(yè)有限公司生產(chǎn)的L波段固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，型號分別為CLC-11-F型、GLC-11型和CLC-11-D型。3部雷達(dá)均以偏東、南、西、北各15°及垂直方向共5個波束觀測，掃描時間6 min，探測模式為低模、中模和高模3種模式。不同的是濰坊雷達(dá)低模采用0.8 μs脈沖寬度，高度分辨率120 m；高模采用12.8 μs脈沖寬度，高度分辨率240 m。系統(tǒng)最低探測高度150 m，系統(tǒng)設(shè)置低模和高模的銜接高度為720 m。東營和濟(jì)南雷達(dá)探測模式相同，低模均采用0.4 μs脈沖寬度，高度分辨率60 m；中模采用6.4 μs脈沖寬度，高度分辨率120 m；高模采用12.8 μs脈沖寬度，高度分辨率240 m，系統(tǒng)最低探測高度100 m。

2 天氣實況和環(huán)流背景

2.1 天氣實況

受江淮氣旋影響，2016年2月12日夜間至13日白天魯中地區(qū)先后出現(xiàn)降雨、雨夾雪和降雪天氣。2月13日01:00—17:00(北京時，下同)濰坊站過程降水量為24.9 mm，其中01:40—09:16降水相態(tài)為雨(18.0 mm)，09:17—10:42轉(zhuǎn)為雨夾雪(1.3 mm左右)，10:43轉(zhuǎn)為降雪(5.6 mm)；濟(jì)南站12日22:00至13日16:00過程降水量為27.4 mm，雨轉(zhuǎn)雪時間在13日07:00左右，其中降雨量23.4 mm，降雪量4 mm；東營站13日00:00—17:00過程降水量為32.4 mm，雨轉(zhuǎn)雪時間在13日08:30，其中降雨量25.2 mm，降雪量7.2 mm(圖1)。由于夜間人工觀測不記降水相態(tài)，濟(jì)南和東營兩站觀測均未能記錄雨夾雪時間段。魯中地區(qū)此次雨雪天氣過程出現(xiàn)在冬末初春，與歷史同期降水相比，本次降雨和降雪的強(qiáng)度均很大。

2.2 環(huán)流背景

圖2為2016年2月12日20:00和13日08:00中尺度天氣分析圖?？梢钥闯觯?2日20:00，500 hPa冷渦位于貝加爾湖東側(cè)，北支槽呈東北—西南向，受南支槽東移發(fā)展，山東省處于槽前西南氣流中；850 hPa魯豫蘇三省交界一帶有低渦生成，低渦不斷加深發(fā)展，并向東北方向移動，其東南側(cè)有西南急流建立，急流軸與濕軸基本一致，源源不斷地向山東地區(qū)輸送水汽，850 hPa顯著濕區(qū)(T-Td≤2 ℃)位于黃河中下游廣大地區(qū)；地面冷高壓位于蒙古西部地區(qū)，冷鋒前沿已經(jīng)壓至山東西部一帶。強(qiáng)降水區(qū)位于倒槽頂端和低空急流左前方的輻合區(qū)，與此同時，魯中地區(qū)的降雨也逐漸開始。13日08:00，隨著500 hPa冷鋒鋒區(qū)繼續(xù)南壓和西南急流的持續(xù)輸送，850 hPa低渦進(jìn)一步增強(qiáng)并移至魯蘇交界一帶。受槽前正渦度平流和冷暖平流共同作用，地面倒槽繼續(xù)加深發(fā)展，并在江蘇東部海面上生成氣旋，山東位于850 hPa低渦和地面氣旋北部倒槽區(qū)域。同時850 hPa急流軸和濕軸明顯東移北推，850 hPa顯著濕區(qū)擴(kuò)展至山東全境。從高低空形勢配置可以看出，天氣系統(tǒng)為后傾槽結(jié)構(gòu)，冷暖空氣交匯造成的強(qiáng)輻合和鋒面抬升是主要動力機(jī)制，強(qiáng)降水出現(xiàn)在地面冷鋒過境前后，落區(qū)主要集中在魯中、山東半島等地，即低空急流軸的左前方。13日08:00之后，隨著地面氣旋東移入海，冷鋒掠過山東，地面轉(zhuǎn)為強(qiáng)偏北風(fēng)控制，魯中地區(qū)降水相態(tài)逐漸由雨轉(zhuǎn)為雪。

圖1 2016年2月12—13日濰坊、濟(jì)南和東營站降水量逐時變化Fig.1 The hourly variation of precipitation at Weifang, Jinan and Dongying stations on February 12-13, 2016

山東災(zāi)害性雨雪天氣過程的相態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)報不能單純依靠T850 hPa≤-4 ℃的經(jīng)驗指標(biāo)[19]，13日08:00魯中地區(qū)850 hPa溫度為0～4 ℃，但此時魯中西部地區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)為降雪。這是由于高低空影響系統(tǒng)呈明顯后傾結(jié)構(gòu)，冷鋒后部強(qiáng)冷空氣率先侵入近地面層，致使850 hPa溫度在0 ℃以上，而925 hPa和近地面氣溫已降至0 ℃以下，此時降水相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此此次降水過程925 hPa和近地面氣溫下降到0 ℃以下是雨轉(zhuǎn)雪的重要標(biāo)志。

圖2 2016年2月12日20:00(a)和13日08:00(b)中尺度天氣分析(棕色線：500 hPa槽線；紅色雙實線：850 hPa切變線；紅色箭頭線：850 hPa急流；藍(lán)色鋸齒線：冷鋒；綠色多段線：850 hPa顯著濕區(qū)；綠色箭頭曲線：850 hPa濕軸；綠色陰影區(qū)：6 h降水量≥5 mm區(qū)域)Fig.2 Mesoscale weather analysis at 20:00 BST on 12 (a) and 08:00 BST on 13 (b) February 2016(the brown line for 500 hPa trough line, red double solid line for 850 hPa shear line, red arrow line for 850 hPa jet, blue serrated line for cold front, green polyline for 850 hPa significant wet area, green arrow curve for 850 hPa wet axis, green shaded area for 6 h precipitation greater than or equal to 5 mm)

3 風(fēng)廓線雷達(dá)特征

3.1 水平風(fēng)場

圖3為2016年2月12—13日濰坊、濟(jì)南和東營風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)時間-高度剖面?？梢钥闯?，此次降水天氣具有典型的回流天氣形勢。降雨前近地面為弱偏東風(fēng)氣流，1.5 km高度以上為西南氣流，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流輸送；降雨開始時，3部風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測高度明顯增高，這是由于降水開始時大氣高層的水汽含量增加，使得折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)加大，從而使雷達(dá)探測高度增高。隨著近地面偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)并增強(qiáng)至8 m·s-1以上，低層冷墊建立并抬升中高層西南氣流，回流降雨開始，因此1 km以下超低空風(fēng)場變化是降水開始的信號。低層?xùn)|北風(fēng)冷墊隨著降雨的持續(xù)逐漸增厚，同時中高層西南急流建立并不斷發(fā)展，雨強(qiáng)持續(xù)增強(qiáng)。

由于濟(jì)南和東營兩站準(zhǔn)確的雨夾雪時段無法獲取，因此雨夾雪時段只在濰坊站的風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場中可見。13日09:17—10:42是濰坊站雨夾雪時段，此時段內(nèi)低層冷墊厚度達(dá)1.5 km，東北風(fēng)風(fēng)速增大至16 m·s-1以上，中高層西南急流維持，雨滴下落進(jìn)入低層冷墊時冷卻凝結(jié)，出現(xiàn)雨夾雪天氣。對比濟(jì)南和東營兩站風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場，雨轉(zhuǎn)雪恰好發(fā)生在東北風(fēng)冷墊發(fā)展到1.5 km高度時。因此冷墊擴(kuò)展到1.5 km高度是雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的重要信號。降水相態(tài)完全轉(zhuǎn)雪時低層偏北風(fēng)冷墊已經(jīng)擴(kuò)展到1.5 km高度以上，且風(fēng)速超過20 m·s-1。降雪開始后最大探測高度較降雨時有明顯的降低，高度為4～5 km。13日16:00前后，中高層西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)且風(fēng)速減小，說明高空槽逐漸東移過境，同時低層西北風(fēng)冷空氣擴(kuò)展到3 km高度，冷空氣已占主體地位，回流機(jī)制破壞，降雪逐漸結(jié)束，此時最大探測高度下降至2～3 km。

綜上所述，此次回流降水天氣中，魯中地區(qū)的3部風(fēng)廓線雷達(dá)探測的水平風(fēng)場表現(xiàn)出共同特征：當(dāng)?shù)蛯永鋲|中偏北風(fēng)不斷增強(qiáng)，厚度擴(kuò)展到1.5 km附近時，降水相態(tài)逐漸由雨轉(zhuǎn)為雪；當(dāng)冷墊繼續(xù)擴(kuò)展達(dá)到3 km高度且中高層西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)時，降雪逐漸結(jié)束。

為進(jìn)一步分析低層冷墊中冷空氣活動特征，結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)資料特征，定義低空切變指數(shù)[20]為I=VS/(H1-H2)，VS為1 km高度以下最大風(fēng)切變；H1，H2分別為最大風(fēng)切變對應(yīng)的空間兩點風(fēng)矢量所在高度(H1>H2)。

圖4為2016年2月12—13日濰坊、濟(jì)南和東營低空切變指數(shù)隨時間變化?？梢钥闯?，降水發(fā)生前，低空切變指數(shù)普遍維持在0～5 m·s-1·km-1。12日22:00前后，濟(jì)南站切變指數(shù)開始出現(xiàn)明顯的波動， 13日00:00—02:00，東營和濰坊站低空切變指數(shù)先后出現(xiàn)明顯增大，3站低空切變指數(shù)最大值普遍為15～20 m·s-1·km-1，而3站降雨均是在此時段內(nèi)逐漸開始的，結(jié)合低層風(fēng)場特征，降水開始階段的低空切變指數(shù)能夠反映低層?xùn)|北風(fēng)冷空氣侵入特征，低空切變指數(shù)的陡增預(yù)示著降水的開始。降水持續(xù)期間，低空切變指數(shù)發(fā)生多次波動，首先是在13日04:00前后，3站切變指數(shù)均出現(xiàn)小幅增加，03:00—05:00均為3站雨強(qiáng)最強(qiáng)時段；第2次是在08:00前后，東營和濰坊站低空切變指數(shù)陡增至25～30 m·s-1·km-1，對應(yīng)此時段內(nèi)1 km以下低空有20 m·s-1的強(qiáng)東北風(fēng)出現(xiàn)，同時兩站降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變正是在09:00前后，而濟(jì)南站低空切變指數(shù)并未出現(xiàn)明顯波動，其低層?xùn)|北風(fēng)風(fēng)力較其他兩站也明顯偏弱，因此低空切變指數(shù)的陡增與低層?xùn)|北風(fēng)風(fēng)力迅速增強(qiáng)相對應(yīng)；最后一次是在16:00前后，3站低空切變指數(shù)均有明顯的增大，對應(yīng)低層偏北風(fēng)明顯減弱，此時降雪趨于結(jié)束。需要說明的是，本次天氣過程中3站低空切變指數(shù)數(shù)值有較大差異，這與3部風(fēng)廓線雷達(dá)高度分辨率不同有關(guān)，而濟(jì)南站低空切變指數(shù)總體較濰坊和東營明顯偏低，是偏北風(fēng)受到泰沂山脈的阻擋，造成濟(jì)南站1 km以下風(fēng)速明顯減小。此外，東營站切變指數(shù)12:00前后出現(xiàn)明顯增大，結(jié)合低空水平風(fēng)場分析發(fā)現(xiàn)，這與近地面層風(fēng)速的急劇減弱有關(guān)。

綜上所述，低空切變指數(shù)在降水開始和結(jié)束的時候會出現(xiàn)較大幅度的增長，降雨持續(xù)階段切變指數(shù)的小幅增加與雨強(qiáng)的增強(qiáng)相對應(yīng)。

3.2 垂直速度

風(fēng)廓線雷達(dá)探測的垂直速度為相對于雷達(dá)垂直方向波束的多普勒徑向速度，正的徑向速度代表朝向風(fēng)廓線雷達(dá)的運(yùn)動，負(fù)的徑向速度代表離開風(fēng)廓線雷達(dá)的運(yùn)動，該垂直速度未經(jīng)落速訂正，代表了大氣的垂直運(yùn)動和降水粒子的下沉運(yùn)動的總和。由于中緯度天氣尺度垂直運(yùn)動特征尺度只有10-2m·s-1，與降水粒子下落速度相差幾個量級，因此降水發(fā)生時風(fēng)廓線雷達(dá)探測的垂直速度主要是降水粒子下落速度。

圖5為2016年2月12—13日濰坊、濟(jì)南和東營風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度時間-高度剖面?？梢钥闯?，濰坊站13日00:00降水開始前垂直速度約為0 m·s-1， 01:00為2 m·s-1左右，對照降水觀測資料發(fā)現(xiàn)01:40前出現(xiàn)毛毛雨，但未記錄降水量，因此風(fēng)廓線雷達(dá)探測的降水粒子垂直速度敏感程度較高。 01:40降水開始時垂直速度迅速升至4 m·s-1左右，因此降水的開始與垂直速度增大相對應(yīng)。從降水開始到04:00前后雨強(qiáng)偏弱，垂直速度維持在4 m·s-1左右， 04:00—06:00為雨強(qiáng)最強(qiáng)時段，對應(yīng)2 km以下垂直速度為6 m·s-1以上，因此垂直速度能很好地體現(xiàn)降雨強(qiáng)度的變化。09:00—10:00為雨夾雪時段，垂直速度維持在4 m·s-1左右。11:00降水相態(tài)由雨夾雪轉(zhuǎn)為雪后，可以看到垂直速度迅速減小至1～2 m·s-1，產(chǎn)生的原因是降雨粒子的下落末速度比降雪粒子的速度大，相態(tài)轉(zhuǎn)換時垂直速度出現(xiàn)銳減，因此，垂直速度的變化也能反映雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)換。16:00降雪結(jié)束之后，垂直速度減小至0 m·s-1左右，說明大氣層結(jié)穩(wěn)定，降水結(jié)束。濟(jì)南和東營風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度同樣能很好地反映降水強(qiáng)度和雨雪相態(tài)的變化。降水開始前垂直速度在0 m·s-1左右，降水剛開始時垂直速度較弱，在雨強(qiáng)較大時段內(nèi)平均垂直速度為5～6 m·s-1，隨著雨強(qiáng)的減弱，垂直速度減小。13日07:00(濟(jì)南)和13日08:20(東營)雨轉(zhuǎn)雪之后，垂直速度迅速減小至1～2 m·s-1，降雪過程結(jié)束之后，垂直速度又減小至0 m·s-1左右。因此，3部風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度不僅能體現(xiàn)降水強(qiáng)度的變化，同時也能反映降水相態(tài)的變化。

圖5 2016年2月12—13日濰坊(a)、濟(jì)南(b)和東營(c)風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度時間-高度剖面(單位：m·s-1)Fig.5 Time-height cross sections of vertical velocity from Weifang, Jinan and Dongying wind profiler radars on February 12-13, 2016 (Unit: m·s-1)

圖6為2016年2月13日濰坊站降雨時段(02:00—08:00)、雨夾雪時段(09:00—10:00)以及降雪時段(11:00—15:00)垂直速度隨高度變化?？梢钥闯?，降雨時段近地面平均垂直速度為6 m·s-1左右；雨夾雪時段平均垂直速度為5 m·s-1；降雪時段平均垂直速度為1～2 m·s-1。垂直方向上，在3000 m以上垂直速度普遍在2 m·s-1以下，降雨時段和雨夾雪時段分別在2000 m和1500 m附近時垂直速度發(fā)生銳減，主要是由于融化層以上為固態(tài)降水粒子，對應(yīng)的下落速度比較??；而融化層以下為液態(tài)降水粒子，冰雪粒子在下落過程中融化，變?yōu)橄侣渌俣却蟮囊簯B(tài)降水粒子，垂直速度明顯增大。隨著降雨轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)降雪的轉(zhuǎn)換，近地面的垂直速度逐漸變小。

3.3 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

圖7 2016年2月13日濰坊站風(fēng)廓線雷達(dá)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)自然對數(shù)的時間-高度剖面Fig.7 The time-height cross section of natural logarithm of structure constant of atmospheric refractive index based on wind profiler radar at Weifang station on February 13, 2016

3.4 信噪比

圖8 2016年2月13日濰坊站風(fēng)廓線雷達(dá)信噪比時間-高度剖面(單位：dB)Fig.8 The time-height cross section of signal-to-noise ratio for wind profiler radar at Weifang station on February 13, 2016 (Unit: dB)

4 結(jié)論與討論

(1)此次雨雪天氣是由低渦和地面氣旋共同作用造成的一次回流降水過程，強(qiáng)降水出現(xiàn)在氣旋中心的北側(cè)冷區(qū)中，925 hPa和近地面氣溫下降到0 ℃以下是雨轉(zhuǎn)雪的重要標(biāo)志。

(2)1 km以下超低空風(fēng)場變化是降水開始的信號，低層冷墊強(qiáng)度的變化決定降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變，降雪時雷達(dá)最大探測高度比降雨時有明顯的降低，低空切變指數(shù)在降水開始和結(jié)束時會出現(xiàn)較大幅度的增大，降雨持續(xù)階段切變指數(shù)的小幅增加與雨強(qiáng)的增強(qiáng)相對應(yīng)。

(3)風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度不僅能體現(xiàn)降水強(qiáng)度的變化，同時也能反映降水相態(tài)的變化，降雨轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)降雪過程中近地面的垂直速度逐漸變小。

(4)折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)和信噪比隨高度均呈逐漸減小的趨勢，兩者的變化能夠反映降水強(qiáng)度的變化，均具有零度層亮帶特征，亮帶的消失對應(yīng)降雪的開始。

本文在研究過程中將降水過程中雷達(dá)探測的垂直速度近似認(rèn)為是降水粒子的下落速度，忽略了大氣運(yùn)動速度；另外，地面觀測記錄的雨夾雪時段與風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)特征在時間上有微小的偏差，可能是由降水相態(tài)轉(zhuǎn)換時的復(fù)雜微物理過程所致。以上問題都需要在今后的研究中進(jìn)一步探討。同時本文結(jié)論僅是從一次雨雪天氣個例分析所得出，未經(jīng)大量樣本驗證，尚待進(jìn)一步的分析研究。