臨安一次梅雨鋒暴雨過程的風廓線雷達探測資料分析

何妤斐 高祝宇

（1 杭州市余杭區(qū)氣象局，杭州 311100；2 浙江省氣象信息網絡中心，杭州 310000）

0 引言

暴雨及其造成的洪澇是我國主要的自然災害之一，引發(fā)的山崩、滑坡、泥石流等次生災害更是給國民經濟和人民的生命財產帶來嚴重危害。長江三角洲地區(qū)暴雨災害頻發(fā)，尤其是在每年6月中下旬到7月上旬的梅雨鋒暴雨[1-3]，因其強度大且持續(xù)時間久的特點往往致災嚴重。

為了更好地對暴雨進行分析研究與監(jiān)測預警，降低暴雨災害的影響，需要高時空分辨率的非常規(guī)探測資料以彌補常規(guī)地面高空資料的不足[4-5]，風廓線雷達作為新型的探測設備，在災害天氣的研究領域與業(yè)務應用中已經發(fā)揮了重要作用[6-9]。李峰等[10]利用國產對流層Ⅱ型風廓線雷達資料對北京地區(qū)經歷的一次霧霾雨雪多相態(tài)天氣過程進行了診斷分析，結果表明風廓線雷達產品可以判別天氣發(fā)展轉變過程，能很好揭示降水細節(jié)變化；古紅萍等[11]利用三個站的Airda3000邊界層風廓線雷達分析了北京地區(qū)一次強降水過程，闡述了降水過程的復雜垂直結構與發(fā)展演變機理；陳楠等[12]將一次春季降水過程的風廓線雷達資料與地面自動站雨量數據進行對比分析和相關統(tǒng)計，分析了風廓線雷達產品與降水的相關性；周志敏等[13]分析了湖北咸寧地區(qū)一次冰雹過程的風廓線雷達水平風和垂直速度資料，提取了對流發(fā)展特征；阮征等[14]對風廓線雷達探測降水云體的方法進行了探究；黃偉等[15]利用風廓線雷達資料估測了雨滴譜參數；Benjamin等[16]分析了美國中部地區(qū)的一次強雷暴天氣與一次強降雪天氣，充分肯定了美國風廓線雷達站網數據在強災害天氣監(jiān)測與預報中的作用。

風廓線雷達不僅有很高的時間分辨率，而且垂直方向上的分辨率精細到60 m，因此對暴雨等中尺度現(xiàn)象的研究有很高的科學價值[17]，將風廓線雷達資料應用于暴雨過程的分析研究是十分有意義的。目前浙江省業(yè)務運行的風廓線雷達已達7部，但風廓線雷達資料在省內的應用效果如何，仍缺乏相關的研究工作。本文利用臨安站風廓線雷達探測資料分析了一次典型的梅雨鋒暴雨過程，從風廓線時序變化中提取了此次暴雨過程的中尺度影響系統(tǒng)特征，通過功率譜數據估算回波強度以分析強降水的細節(jié)變化過程，分析垂直速度、大氣折射率結構常數等產品，提取與強降水有關參數，為省內風廓線雷達對災害性暴雨的天氣分析與監(jiān)測應用提供參考。

1 天氣實況與設備資料

1.1 天氣實況

2017年6月23—24日，受地面梅雨鋒系統(tǒng)和高空數千千米西南東北走向急流帶影響，華南和華東地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)性降水過程，其中杭州臨安經歷了一次暴雨過程，日降水量達到106.1 mm，降水過程小時雨量如圖1所示。從圖1中可以看出23日中午12時降水開始，17時降水到達開始階段的峰值13.2 mm，18時到次日04時降水維持，小時降水量在1 mm左右，到24日上午降水勢頭持續(xù)不減，小時降水量10 mm左右，10—11時降水量達到降水末段的峰值，小時雨量在15.8 mm，之后降水逐漸減小，14時降水停止。此次梅雨鋒暴雨過程雨量主要集中在降水前段和后段，尤其在降水后段，小時雨量在10 mm左右的持續(xù)時間達到6 h，造成了杭州臨安城區(qū)多處內澇積水，給民眾生活帶來諸多不便，水庫水位上升加重了山洪暴發(fā)的危險性。

圖1 2017年6月23日10時至24日14時臨安地面自動站小時雨量（北京時，下同）Fig.1 Hourly rainfall at Lin’an automatic weather station from 10:00 23 June to 14:00 24 June 2017

1.2 設備資料

臨安風廓線雷達為CFL-03型邊界層雷達，采用五波束掃描探測方式，一個探測周期包含低模式和高模式2個探測模式，探測周期為3～5 min，詳細雷達參數見表1。

表1 臨安風廓線雷達參數Table 1 Parameters of wind profiling radars at Lin’an

本文使用的風廓線雷達數據包括功率譜數據、ROBS文件數據、OOBS文件數據，其中功率譜數據的時間分辨率為4 min，ROBS文件數據的時間分辨率為6 min，OOBS文件數據的時間分辨率為1 h，ROBS和OOBS文件數據包含風廓線雷達探測各個高度的水平風速、水平風向、垂直速度、大氣折射率結構常數等。

臨安風廓線雷達與地面自動站位于同一站址，經緯度為119.7°E，30.22°N，有利于兩者數據間的協(xié)同對比分析。

2 風廓線資料分析

利用風廓線雷達OOBS數據分析研究此次梅雨鋒暴雨過程的動力條件，OOBS提供了每一小時間隔各個距離高度的水平風速和風向信息。圖2給出了2017年6月23日10時至24日14時的水平風垂直廓線分布，從圖中可以看出，降水之前10—11時，低空2 km以下以西風為主，高空以西南風為主，風隨高度逆轉，臨安站上空冷平流過境；12—13時開始低空轉為西南氣流，降水開始；14時，低空1.8 km以下風向轉為西北風，1.8 km以上東風轉西南風，風隨高度順轉，在1.8 km以上有暖平流，15時風在整個高度上由東風轉西南風，臨安受暖平流控制，14—15時存在著低空切變線系統(tǒng)如圖2中左側紅線所示，低空東邊暖濕氣流與西北冷空氣交匯，輻合上升明顯，降水逐漸增多；16—21時，低層風向逐漸由東風轉為偏西風，隨高度增加轉得越快，說明切變線系統(tǒng)的時間尺度隨高度增加減小，600 m高度切變線系統(tǒng)的時間尺度在6 h，2 km高度的時間尺度為3 h，3 km以上高空一直受偏西風急流控制；22時—次日04時，低空和高空都受偏西風影響，風速較大，降水維持發(fā)展；05時開始低空風向由西風向南偏轉，到09時低空風向轉為偏南風，由于西南方向的水汽匯入，降水再次增強；10—11時，低空風向由偏南風突然轉為偏北風，有中尺度切變線系統(tǒng)過境，且發(fā)展高度深厚，達到3 km，如圖2中右側紅線所示，造成了11時的小時雨量超過15 mm；12時以后低空受偏北氣流影響，降水逐漸停止。

圖2 2017年6月23日10時至24日14時臨安風廓線雷達小時水平風垂直廓線Fig.2 Hourly horizontal wind profiles of Lin’an wind profiling radar from 10:00 BT 23 June to 14:00 BT 24 June 2017

圖3 2017年6月23日14時、20時 NCEP 1°×1°全球再分析850 hPa風場（a）14時；（b）20時Fig.3 1°×1°NECP FNL 850 hPa wind field at 14:00 23 June and 20:00 23 June 2017(a) 14:00 BT; (b) 20:00 BT

圖3給出2017年6月23日14時、20時 NCEP全球再分析850 hPa風場分布圖，圖3a為23日14時的風場分布，可以看出臨安地區(qū)為西北風，受冷氣團控制，與風廓線雷達23日14時的1.5 km左右高度水平風資料一致，空間上江西北部到浙江中部有切變線，如圖3a中紅線所示，降水發(fā)展；圖3b為23日20時的風場分布，可以看出臨安地區(qū)為西南風，受暖氣團控制，與風廓線雷達23日20時的1.5 km左右高度水平風資料一致，此時切變線系統(tǒng)已消失，降水減弱。圖4給出2017年6月24日08時、14時 NCEP 全球再分析850 hPa風場分布圖，圖4a為24日08時的風場分布，可以看出臨安地區(qū)為西南風，受暖氣團控制，與風廓線雷達24日08時的1.5 km左右高度水平風資料一致，空間上江西北部至臨安以北有切變線，如圖4a中紅線所示，降水發(fā)展；圖4b為24日14時的風場分布，可以看出臨安地區(qū)為西北風，受冷氣團控制，與風廓線雷達24日14時的1.5 km左右高度水平風資料一致，此時切變線系統(tǒng)已消失，降水減弱。從全球再分析850 hPa風場分布圖可以看出，此次暴雨過程臨安地區(qū)先后經歷了兩次中尺度切變線系統(tǒng)過境，分別觸發(fā)了兩次較強的降水，第一次強降水暖氣團較強，第二次強降水冷氣團較強，與風廓線雷達水平風資料分析結果一致，風廓線雷達時間分辨率更高，可以看出兩次切變線系統(tǒng)影響下臨安地區(qū)風場更連續(xù)的變化。

圖5給出了這次梅雨鋒暴雨過程風廓線雷達不同高度平均風速情況，其中圖5a為0.06～1.08 km各個高度，圖5b為3～5.16 km各個高度。1 km以下平均風速較小，在5 m/s左右；3 km 以上平均風速較大，均接近20 m/s。從平均風速的分布情況可以看出，臨安站上空3 km高度以上受急流系統(tǒng)影響，急流下方風速不大，存在著中尺度系統(tǒng)的可能性較大。

圖4 2017年6月24日08時、14時 NCEP 1°×1°全球再分析850 hPa風場（a）08時；（b）14時Fig.4 1°×1°NECP FNL 850 hPa wind field at 08:00 24 June and 14:00 24 June 2017(a) 08:00 BT; (b) 14:00 BT

圖5 降水時段內平均風速隨高度的分布（a）0.06～1.08 km；（b）3～5.16 kmFig.5 Spatial distribution of average wind speed during the precipitation(a) 0.06-1.08 km; (b) 3-5.16 km

圖6給出了水平風向隨時間的變化分布，圖6a為1 km高度的水平風向隨時間變化，圖6b為3 km高度，圖6c為5 km高度。圖中水平風向指的是與正北方向的夾角，單位為度（°），范圍在0～360°，0°表示北風，90°表示東風，180°表示南風，270°表示西風，360°表示北風。從圖6a可以看出，12:00—15:00受低空切變線系統(tǒng)影響，1 km高度水平風向在降水開始時出現(xiàn)較大波動，偏西風轉為西北風又轉為偏東風，15時開始切變線系統(tǒng)開始移出臨安上空，風向逐漸由偏東風轉為偏西風，說明偏西風的能量是強于偏東風的，在降水的中段20時至次日07時，1 km高度以偏西風為主，08時開始同樣是受低空切變線系統(tǒng)影響，風迅速逆時針偏轉，轉為南風、偏東風至北風，帶來了持續(xù)性強降水過程；從圖6b可以看出，3 km高度水平風向以偏西風和西南風為主，受急流影響，風向比較平穩(wěn)；從圖6c可以看出，5 km高度水平風向以偏西風為主，風向少有波動。

綜上分析，此次梅雨鋒暴雨過程的降水主要集中在降水前段和降水末段，這是由于在過程前期和后期，臨安各經歷了一次中尺度的低空切變線系統(tǒng)過境，過程前期暖氣團較強，過程后期冷氣團較強。相比全球再分析資料，風廓線雷達時間分辨率更高，可以看出兩次切變線系統(tǒng)影響下臨安地區(qū)風場連續(xù)的變化，降水過程臨安地區(qū)高空一直受西風急流影響，降水得以維持發(fā)展。

3 雷達回波強度分析

3.1 雷達回波強度估算

風廓線雷達接收到的回波信號主要來自大氣湍流散射，在有降水發(fā)生時，回波信號的主要貢獻來自于降水粒子的散射。對于邊界層風廓線雷達而言，波長一般在分米級，降水粒子的散射滿足瑞利散射，彌散目標的雷達氣象方程同樣適用：

圖6 降水時段內不同高度風向隨時間的分布（a）1 km；（b）3 km；（c）5 kmFig.6 Temporal distribution of wind direction at different heights during the precipitation(a) 1 km; (b) 3 km; (c) 5 km

式中，PR為降水回波信號功率；Pt為發(fā)射功率；G為天線增益；θ、ψ為雷達水平、垂直波束寬度；h為發(fā)射脈沖對應的空間長度；λ為雷達發(fā)射波長；R為目標物距離；L為饋線損耗；為復折射指數項，降水一般取0.93；Z為雷達反射率因子，即雷達回波強度。

為了獲取Z值，關鍵是計算回波信號功率PR。PR理論上可以由功率譜密度的零階矩得到，然而廠家給出的功率譜數據并非代表每一根譜線的功率值，而是與功率值成正比，需要對功率譜數據進行標定。目前對于風廓線雷達回波信號功率的估算主要有兩種方法，一種是利用回波信號信噪比，由雷達系統(tǒng)的信噪比來估算PR；另一種是利用信號源對回波信號進行標定。本文采用雷回波信號信噪比估算信號功率的方法，PR由雷達信噪比Rsn和雷達接收系統(tǒng)的噪聲功率Pn計算得到。

其中，式中，K玻爾茲曼常數，T0是用絕對溫度表示的雷達接收機系統(tǒng)噪聲溫度，B0為接收機的帶寬，Nf是噪聲系數。

由式（1）～式（4）推導出雷達回波強度的計算式：雷達信噪比由功率譜數據譜線累加值與噪聲電平值定，通常認為遠距離處最后幾個距離庫的返回信號不包含氣象信號，基本為噪聲信號，噪聲電平可以由最后幾個距離庫的功率譜數據的譜線累加平均值計算得到。圖7給出了這次臨安梅雨鋒暴雨過程中風廓線雷達的信噪比時間高度分布，可以看出降水發(fā)生時信噪比明顯增大，達到40 dB左右。

圖7 降水過程的信噪比時間高度分布Fig.7 Temporal and spatial distribution of signal-to-noise ratio during the precipitation

3.2 雷達回波強度特征

利用風廓線雷達功率譜數據，根據式（5）估算風廓線雷達回波強度，如圖8所示。降水粒子的回波強度一般在20 dBz 以上，從圖8可以看出此次梅雨鋒暴雨過程的降水細節(jié)變化。11時開始回波強度在整個高度上增強，說明臨安上空開始有降水，11—14時回波強度不高，對應地面降水不大，15—18時，回波增強，且回波頂高超過風廓線雷達最大探測高度，5 km高度回波強度接近50 dBz?；夭◤姸扰c粒子大小的6次方成正比，回波強度的貢獻主要來自于大的降水粒子散射，低空回波強度較高空稍低，可能是由于高空降水粒子較大，而到了低空，降水粒子間的碰撞運動明顯，大粒子變成了小粒子。18時到次日04時，20 dBz以上的回波強度不連續(xù)，且值不大，對應地面小時雨量也很小，在1 mm左右。04—12時，受中尺度低空切變線影響，降水回波連續(xù)且從降水回波高度范圍可以看出降水云體發(fā)展深厚，12：30之后降水停止，回波強度減弱。

圖8 降水過程的回波強度時間高度分布Fig.8 Temporal and spatial distribution of echo intensity during the precipitation

4 風廓線雷達產品分析

4.1 垂直速度

風廓線雷達在晴空時利用湍流散射原理獲取大氣的垂直速度，而在降水時返回信號既包含大氣的垂直速度又包含降水粒子的下落速度，在非特殊強對流情況下，粒子的下落速度比大氣垂直運動速度大1～2個量級，風廓線雷達探測的垂直速度主要來自于降水粒子的下落速度。楊馨蕊等[18]研究指出，風廓線雷達探測的垂直速度一般在4 m/s以上即為降水。

圖9 降水過程的垂直速度時間高度分布Fig.9 Temporal and spatial distribution of vertical speed during the precipitation

圖9給出23日10時至次日15時的垂直速度時間高度分布情況，數據時間分辨率為6 min，高度分辨率為60 m，下降速度為正，上升速度為負。從圖9中可以看出，降水開始之前，4 km以下存在弱的上升速度，11時開始垂直速度增大到4 m/s以上，開始出現(xiàn)降水；16時附近垂直速度達到7 m/s以上，對應地面小時雨量在16時開始明顯增多，16時和17時分別下了6.1 mm和13.2 mm；18時到次日04時大部分時間垂直速度維持在4 m/s左右，與地面小時雨量在1 mm左右相對應，其中03—04時垂直速度接近0 m/s，04時小時雨量為0；04時—12：30左右，降水過程加強，垂直速度在4.2 km以下達到7 m/s以上且高值區(qū)分布較為連續(xù)；12：30之后降水逐漸停止，垂直速度在0 m/s附近。風廓線雷達探測的垂直速度與地面降水量之間有良好的正相關關系，降水量較大的時刻，整層高度上的垂直速度較大，此次個例中，地面降水量在10 mm以上的時刻，風廓線雷達垂直速度在高度上分布能達到7 m/s以上，地面降水量較小在1 mm附近的時刻，風廓線雷達垂直速度一般在4 m/s左右，且地面降水量的連續(xù)性與風廓線雷達3 m/s 以上垂直速度的連續(xù)性相對應。

4.2 大氣折射率結構常數

圖10 降水過程的大氣折射率結構常數時間高度分布Fig.10 Temporal and spatial distribution of during the precipitation

5 結論

1） 風廓線雷達資料能夠捕獲大尺度梅雨靜止鋒系統(tǒng)中的中尺度低空切變線，低空切變線系統(tǒng)帶來了暴雨過程前段和后段的強降水，高空西風急流使得降水維持發(fā)展。

2）利用功率譜數據估算了雷達回波強度，回波強度能夠反映臨安此次梅雨鋒暴雨過程的細節(jié)變化，降水云體發(fā)展深厚，5 km回波強度接近50 dBz。

3）垂直速度和大氣折射率結構常數產品與暴雨過程變化趨勢一致，降水發(fā)生時垂直速度與Cn2明顯增大，10 mm以上降水時，垂直速度接近7 m/s，Cn2對數值接近-11。

4）風廓線雷達信噪比、回波強度、垂直速度以及大氣折射率結構常數產品均能夠在暴雨災害性天氣監(jiān)測業(yè)務中發(fā)揮作用。