低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在暴雨過程的分析應(yīng)用

龔成龍 姜建萍 楊遠(yuǎn)航

(三明市氣象局,福建 三明 365000)

風(fēng)廓線雷達(dá)是一種新型高空大氣活動(dòng)探測(cè)設(shè)備，它能對(duì)大氣中垂直分布的水平風(fēng)廓線、大氣湍流等大氣物理現(xiàn)象進(jìn)行高時(shí)空、分辨率持續(xù)探測(cè)，生成功率譜線、信噪比、大氣水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品在數(shù)值預(yù)報(bào)、大氣活動(dòng)觀測(cè)、中小尺度預(yù)報(bào)、以及氣象災(zāi)害服務(wù)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。風(fēng)廓線雷達(dá)資料在三明市的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中已有運(yùn)用，且具有較好的指導(dǎo)作用[1]。

吳蕾等[2]對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)低空風(fēng)切變指數(shù)、高低空急流指數(shù)和溫度平流三種產(chǎn)品算法進(jìn)行了研究,并將其用于兩次強(qiáng)降水過程的監(jiān)測(cè)預(yù)警研究。通過分析強(qiáng)降水發(fā)生前后風(fēng)廓線雷達(dá)二次產(chǎn)品的變化，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)暴雨強(qiáng)降水具有很好的監(jiān)測(cè)預(yù)警作用。齊佳慧等[3]將風(fēng)廓線雷達(dá)和L波段探空雷達(dá)的測(cè)風(fēng)資料進(jìn)行對(duì)比，并研究討論了風(fēng)廓線雷達(dá)資料的準(zhǔn)確性和可用性，將2016 年5月—2017年4 月張家口的風(fēng)廓線雷達(dá)與L 波段探空雷達(dá)測(cè)風(fēng)資料進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)與L波段探空雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)成正相關(guān)性。汪學(xué)淵等[4]對(duì)移動(dòng)風(fēng)廓線雷達(dá)與 L 波段探空雷達(dá)資料進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析，指出風(fēng)廓線雷達(dá)在設(shè)計(jì)探測(cè)高度的有效數(shù)據(jù)獲取率高達(dá)90%，高度上升后，有效數(shù)據(jù)獲取率持續(xù)下降。風(fēng)廓線的徑向速度平均差和標(biāo)準(zhǔn)差隨高度的增加而增加，風(fēng)廓線雷達(dá)自身數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性良好，但是降雨對(duì)數(shù)據(jù)有較大影響，其中的影響因子需要進(jìn)一步研究。

本文選取的5月16～19日三明市特大暴雨天氣過程，全市受中尺度輻合切變影響，15日午后到19日上午普降暴雨到大暴雨，局部出現(xiàn)特大暴雨。過程雨量方面，全市共有12個(gè)縣(市、區(qū))的254個(gè)雨量站超過100mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至19日22時(shí)，全市共有12個(gè)縣(市、區(qū))125個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)86053人受災(zāi)，全市直接經(jīng)濟(jì)總損失約13.31億元。

1 風(fēng)廓線雷達(dá)的主要性能和資料

低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)型號(hào)為CFL-06，制造商為航天部23所。主要性能參數(shù)見表1[5]。

表1 CFL-06型低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)性能參數(shù)

晴空大氣與大氣湍流是CFL-06型低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)的主要探測(cè)對(duì)象，由于大氣中不均勻分布的折射率產(chǎn)生不同的散射，湍流的動(dòng)向會(huì)引起電磁波折射率大幅變化，這被稱為湍流散射。雷達(dá)通過接收大氣湍流塊散射回來(lái)的多普勒頻移信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算得到相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度[2]。通過5個(gè)不同角度的多射向測(cè)速，將一定的條件下不同回波信號(hào)所在高度上的風(fēng)速、風(fēng)向、垂直速度進(jìn)行處理，形成最終的大氣風(fēng)廓線產(chǎn)品。探測(cè)原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)原理

2 天氣過程資料選取

本次暴雨過程從5月15日10時(shí)開始三明市出現(xiàn)分散對(duì)流回波，降水強(qiáng)度小、持續(xù)時(shí)間短，15日21時(shí)開始，建寧、泰寧、將樂出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，雨帶成東西向，21時(shí)開始為本次強(qiáng)降水過程的征兆；16日02時(shí)開始，強(qiáng)降水帶南壓至三明中部，雨帶成西北東南向，強(qiáng)雨帶在三明中部持續(xù)12個(gè)小時(shí)。16日14時(shí)，強(qiáng)降水雨帶開始南壓至三明西部、南部，17時(shí)強(qiáng)降雨帶開始北抬，16日20時(shí)，強(qiáng)降雨帶在三明西南部持續(xù)發(fā)展。5月16日-5月19日，全市大氣監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)中，將樂大監(jiān)站總雨量排在第三位。根據(jù)分布在將樂縣各區(qū)域的氣象自動(dòng)雨量站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村雨量站降水達(dá)135mm/h(如圖2)，將樂大源鄉(xiāng)站降水達(dá)到54.8mm/h，將樂萬(wàn)安站達(dá)到87mm/3h。本次選取2019年5月15日至5月18日暴雨過程中，將樂低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品總數(shù)4812個(gè)，150m至10110m探測(cè)高度中，一共掃描59層。

圖2 5月15～18日將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村雨量站雨量

3 獲取率分析

風(fēng)廓線雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取率是風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)能力的一項(xiàng)重要指數(shù)，它可以直接呈現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)在運(yùn)行過程中獲取具有觀測(cè)價(jià)值的有效數(shù)據(jù)的能力。有效數(shù)據(jù)獲取率(Available Data Rate，ADR)定義為實(shí)際獲取的有效數(shù)據(jù)量與應(yīng)獲得的數(shù)據(jù)總量之比[7]，公式如下：

在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)廓線雷達(dá)的有效數(shù)據(jù)產(chǎn)品在不同高度上的獲取率會(huì)因各種環(huán)境的原因而不同。我們?cè)诜治鲇行?shù)據(jù)獲取率時(shí)，將有效數(shù)據(jù)獲取率和獲取高度作為坐標(biāo)軸，便得出一條不同高度的有效數(shù)據(jù)獲取率曲線(如圖3)。對(duì)這次暴雨過程中降水量最大的時(shí)間段(5月16日00時(shí)至5月17日00時(shí))的數(shù)據(jù)計(jì)算，當(dāng)前24小時(shí)一共產(chǎn)生了2406個(gè)產(chǎn)品，統(tǒng)計(jì)每一層的有效數(shù)據(jù)，畫出圖3。從圖3可以看出，將樂縣風(fēng)廓線雷達(dá)在1000m以下獲取率接近100%，從1000m-5000m以下的數(shù)據(jù)獲取率都在100%，5000m以上開始下降，并在6000m左右開始趨于50%。將樂風(fēng)廓線雷達(dá)的最佳探測(cè)高度為6～8km，暴雨給探測(cè)環(huán)境創(chuàng)造了較大的風(fēng)速和降水過程中空氣的高濕度，這些條件讓風(fēng)廓線雷達(dá)在1000～5000m的識(shí)別功率譜譜峰能力加強(qiáng)，但是因高層氣流相對(duì)復(fù)雜，積雨云較多，影響了探測(cè)效率。

圖3 5月16日將樂縣風(fēng)廓線產(chǎn)品獲取率變化曲線

4 風(fēng)切變分析

風(fēng)切變通常是指空間中兩個(gè)相鄰觀察點(diǎn)之間的風(fēng)向和風(fēng)速突然變化[8]。在大雨期間，垂直風(fēng)切變的產(chǎn)生有利于分層不穩(wěn)定性的發(fā)展，從而導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流降水。垂直風(fēng)切變的精確計(jì)算包含風(fēng)向和風(fēng)速的影響，D為上下風(fēng)向之差。垂直風(fēng)切變的精確計(jì)算包括風(fēng)向和風(fēng)速的影響。計(jì)算公式如下：

4.1 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變

15日21時(shí)開始，強(qiáng)降水雨帶南壓進(jìn)入將樂，從將樂風(fēng)廓線雷達(dá)顯示如圖4，在21時(shí)出現(xiàn)降水前，4km-5km高度處出現(xiàn)較強(qiáng)水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變，并向低層傳播，降水時(shí)高、低層都出現(xiàn)強(qiáng)垂直風(fēng)切變。16日17時(shí)，雨帶再次北抬，從將樂風(fēng)廓線雷達(dá)的產(chǎn)品上看(見圖4)，17時(shí)出現(xiàn)降水之前，4km左右高度出現(xiàn)9m/s的水平風(fēng)的垂直切變，并在未來(lái)幾個(gè)小時(shí)持續(xù)往低層傳播。18日早晨開始降水之前，高低層均出現(xiàn)10m/s的水平風(fēng)垂直切變。從水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變風(fēng)速差強(qiáng)度分析，15日21時(shí)開始的過程強(qiáng)度最強(qiáng)，高度也最高。16日17時(shí)左右，切變強(qiáng)度其次，符合圖2降水量的分布。由此可見，在降水前幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，高空4～5km處將會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變，并向低層傳播，而降水時(shí)，高、低層均會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)垂直風(fēng)切變。

圖4 5月15～16日將樂縣風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)垂直風(fēng)切變(圖中為世界時(shí))

4.2 將樂縣風(fēng)廓線雷達(dá)垂直風(fēng)脈動(dòng)與水平風(fēng)脈動(dòng)

降水期間水平風(fēng)和垂直風(fēng)出現(xiàn)明顯的風(fēng)脈動(dòng)，并且保持了較高的一致性，15日夜間雨強(qiáng)較大(將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村山洪雨量站小時(shí)降水達(dá)到135mm/h，距測(cè)站14km)，水平風(fēng)脈動(dòng)與垂直風(fēng)脈動(dòng)出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)；16日白天雨強(qiáng)較小(≤20mm/h)，風(fēng)脈動(dòng)出現(xiàn)的最大高度，前時(shí)段高于后時(shí)段，其中15日夜間的風(fēng)脈動(dòng)出現(xiàn)的最大高度強(qiáng)度都高于其他時(shí)間段，16日17時(shí)左右與18日早晨其次。這說(shuō)明降水云系有所下沉。

4.3 低空急流指數(shù)

急流是指一股強(qiáng)而窄的準(zhǔn)水平氣流帶，按高度不同劃分為高空急流和低空急流[9]，由于風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)范圍的影響，本次引入低空急流指數(shù)作為研究的目標(biāo)。低空急流指數(shù)在過去的研究中常被應(yīng)用在一段暴雨的過程中，反映低空急流強(qiáng)度的定量標(biāo)準(zhǔn)，并通過本指數(shù)對(duì)暴雨過程的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行比較。其公式可以表示為：

式中，V代表了高度2km以下對(duì)流層急流中心最大風(fēng)速(單位:m·s-1),孫俊等人[10]指出，V最大值為12m·s-1;D代表了風(fēng)速12m·s-1出現(xiàn)時(shí)所處在的最低高度(單位:km)。

本文選取5月15日09時(shí)至5月 17 日05時(shí)的風(fēng)廓線雷達(dá)的基本數(shù)據(jù)，并通過公式進(jìn)行反演，如圖5所示，從該時(shí)間段內(nèi)暴雨過程的低空急流指數(shù)的變化及相應(yīng)的逐時(shí)降水量(圖2)可見，三次過程的強(qiáng)降水前(15 日 21時(shí)左右，16 日 7時(shí)，16日16時(shí))，I值都迅速增大(圖5)。15日19時(shí)至20時(shí)，將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村山洪雨量站最大降水量達(dá)到135mm，對(duì)應(yīng)的指數(shù)從20時(shí)左右迅速增加，在 2h內(nèi)峰值達(dá)到160。強(qiáng)降水開始后，I值迅速減小，后續(xù)21時(shí)至22時(shí)開始持續(xù)降水，降水量為63.5mm，1h內(nèi)峰值達(dá)到80。從圖5可見，22時(shí)之前，I值又有一次迅速增大的過程，增幅為25左右，但對(duì)應(yīng)時(shí)間的降水量相對(duì)較小。16日降水較少，00時(shí)至01時(shí)，1h將樂高唐鎮(zhèn)鄧坊村山洪雨量站降水量為11mm，相應(yīng)地，I值從01時(shí)左右開始有一個(gè)持續(xù)上升的過程。I值在08時(shí)、15時(shí)、17日02時(shí)左右均有一個(gè)小范圍的脈動(dòng)，均對(duì)應(yīng)了后續(xù)一個(gè)小幅度的降水。

圖5 5月15～16日將樂縣風(fēng)廓線雷達(dá)低空急流指數(shù)(圖中為北京時(shí)間)

我們將I值與降水量數(shù)據(jù)做回歸分析，得出Multiple R值約等于0.09，成正相關(guān)性，說(shuō)明本次降水過程主要由低空急流影響。

在由低空急流主導(dǎo)的過程中，低空急流指數(shù)I值快速的增幅都對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的降水，較強(qiáng)降水之后低空急流指數(shù)可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間后下降，當(dāng)?shù)涂占绷髦笖?shù)連續(xù)脈動(dòng)且幅度較小時(shí)，后續(xù)有可能產(chǎn)生較低程度的降水。但指數(shù)I大小很難區(qū)別出降水量的差異，還需要其他層次、其他條件的配合?？梢姷涂占绷髦笖?shù)需要根據(jù)實(shí)際情況與其他大氣指數(shù)、氣象產(chǎn)品配合，才能對(duì)降水過程作準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)分析。

5 探測(cè)高度

圖6是5月15日至5月17日降水過程中將樂縣風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)高度變化曲線。5月15日13∶00，探測(cè)高度升至10.1km，這可能是地面降水前高空有水汽到達(dá)[11]，3小時(shí)以后突然下降到8.0km趨于穩(wěn)定，16時(shí)下降至6.75km,這可能是大暴雨前氣流脈動(dòng)過大帶來(lái)其他因素的干擾，導(dǎo)致探測(cè)高度有所降低。從18∶00開始，最大探測(cè)高度上升至10.1km，對(duì)應(yīng)了18時(shí)左右開始的降水過程，地面降水期間探測(cè)高度基本維持在8.5km以上，并持續(xù)穩(wěn)定達(dá)到10.1km；16日02時(shí)開始，降水過程趨于平緩，降水量很少，但是空氣中的水汽濃度依舊很高，在這個(gè)時(shí)間區(qū)域內(nèi)，探測(cè)高度基本維持在8km以上，在持續(xù)無(wú)降水的幾個(gè)時(shí)間段內(nèi)(如16日20時(shí)至17日04時(shí))，探測(cè)高度甚至低至8km以下，04時(shí)左右探測(cè)高度降到7.5km，之后對(duì)應(yīng)了06時(shí)左右開始的新一輪降水，之后的5小時(shí)內(nèi)，附近的雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站臺(tái)上村降水量達(dá)到37.2mm,而17日04時(shí)的探測(cè)高度還是高于15日16時(shí)的高度，也對(duì)應(yīng)了兩個(gè)時(shí)間段后續(xù)降水強(qiáng)度的差別。

圖6 5月15～16日將樂縣風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)高度(圖中為北京時(shí)間)

6 結(jié)論

本次選取2019年5月16～19日三明市特大暴雨天氣過程中將樂縣低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)資料和每小時(shí)的雨量資料。通過反演風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，對(duì)本次天氣過程的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

①將樂縣風(fēng)廓線雷達(dá)的最佳探測(cè)高度為6～8km，暴雨給探測(cè)環(huán)境帶來(lái)了較大的風(fēng)速和降水過程中空氣的高濕度，這些條件讓風(fēng)廓線雷達(dá)在1000～5000m的識(shí)別功率譜譜峰能力加強(qiáng)，有效數(shù)據(jù)的獲取率趨近于100%，但是因高層氣流相對(duì)復(fù)雜，積雨云較多，影響了探測(cè)效率，5000m以上高度有效數(shù)據(jù)獲取率逐步降低，趨近于50%。

②通過反演風(fēng)廓線雷達(dá)的基本數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)降水天氣來(lái)臨前的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，高空4～5km處將會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變，隨著時(shí)間推移，切變由高層快速向下傳遞，且不斷加強(qiáng)，導(dǎo)致更大的風(fēng)速源源不斷向下傳遞，低空急流指數(shù)不斷增高，從而使得上下層垂直風(fēng)切變?cè)龃螅瑸閺?qiáng)降水產(chǎn)生提供了很好的動(dòng)力條件，當(dāng)伴隨有西南暖濕氣流輸送的水汽條件時(shí)，強(qiáng)降水過程開始。而降水時(shí)，高、低層均會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)垂直風(fēng)切變，強(qiáng)降水前1～2小時(shí)，水平風(fēng)脈動(dòng)與垂直風(fēng)脈動(dòng)也出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)。

③低空急流指數(shù)(I值)的變化與暴雨強(qiáng)降水過程有緊密聯(lián)系，在每次強(qiáng)降水發(fā)生前1～2小時(shí)，低空急流指數(shù)都會(huì)突然升高，強(qiáng)降水發(fā)生后，低空急流指數(shù)減小。將樂縣15日夜間降水強(qiáng)度高于16日白天，對(duì)應(yīng)低空急流指數(shù)增幅也是前者大于后者，說(shuō)明低空急流指數(shù)的大小與降水強(qiáng)度有一定聯(lián)系，但需參考其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)配合。

④降水過程中探測(cè)高度會(huì)增高，原因是暴雨強(qiáng)降水過程到來(lái)時(shí)，高度較高的大氣中的水分子增多，使多普勒效應(yīng)中的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)增大，從而直接使探測(cè)高度增加。還有一個(gè)因素是，由于大氣中的水分子增加，大氣中溫度較低，出現(xiàn)結(jié)晶水等固態(tài)的粒子，當(dāng)這些粒子的密集度與顆粒大小聚集至一定程度時(shí)，就會(huì)變成能產(chǎn)生雷達(dá)回波的粒子散射信號(hào)。

綜上，低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)與降水資料出現(xiàn)的極值從時(shí)間和空間上都有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且在整個(gè)降水過程探測(cè)中保持連續(xù)性、高密度的特點(diǎn)，在汛期暴雨強(qiáng)降水過程的預(yù)警監(jiān)測(cè)中能夠得到有效的應(yīng)用。