一次雷暴大風(fēng)過(guò)程的風(fēng)廓線雷達(dá)特征分析

蔡藝友 王秋云 林 輝 許軍輝

(1.平和縣氣象局，福建 漳州 363700；2.南靖縣氣象局，福建 漳州 363600；3.漳州市氣象局，福建 漳州 363000)

1 概述

風(fēng)廓線雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)可以對(duì)測(cè)站上空的風(fēng)場(chǎng)信息進(jìn)行高時(shí)空分辨率的連續(xù)探測(cè)，可彌補(bǔ)常規(guī)探空時(shí)空分辨率的不足，在強(qiáng)降水、冰雹、雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視[1-3]。劉淑媛等[4]研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)廓線雷達(dá)資料可以清楚地顯示出邊界層和西南季風(fēng)中與強(qiáng)降水相關(guān)的中尺度系統(tǒng)；王燁芳等[5]指出，風(fēng)廓線雷達(dá)可以實(shí)時(shí)探測(cè)大氣風(fēng)參數(shù)和大氣湍流變化等傳統(tǒng)有球探測(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工作；鄒捍等[6]通過(guò)在珠峰北坡絨布河谷的風(fēng)廓線儀觀測(cè)分析了局地大氣環(huán)流的特征；林中慶等[7]通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品能清楚的探測(cè)到低空急流、風(fēng)的垂直切變以及反映降水情況。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)災(zāi)害性天氣的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)和演變情況等進(jìn)行研究，認(rèn)為風(fēng)廓線雷達(dá)可有效提高中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力，能提高天氣預(yù)報(bào)、特別是短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，在定位天氣系統(tǒng)、訂正數(shù)值預(yù)報(bào)、判斷系統(tǒng)移動(dòng)方向、了解天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及氣象要素變化強(qiáng)弱等方面，有重要的作用[8-10]。

福建省已布設(shè)多部風(fēng)廓線雷達(dá)，平和風(fēng)廓線雷達(dá)位于福建省南部，探空站的空白區(qū)域，風(fēng)廓線雷達(dá)資料可以較好地補(bǔ)充顯示天氣系統(tǒng)連續(xù)、翔實(shí)的變化過(guò)程。本文利用福建省平和站CFL-06 對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)，對(duì)2019年4月30日發(fā)生在平和縣的雷暴大風(fēng)天氣過(guò)程進(jìn)行分析，初步探討風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)雷暴大風(fēng)的指示性作用，探索風(fēng)廓線產(chǎn)品在強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程中的應(yīng)用。

2 雷暴大風(fēng)過(guò)程天氣特征

2019年4月30日，漳州市平和縣出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)天氣，此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程是一次低層切變東移南壓造成的，平和國(guó)家氣象觀測(cè)站觀測(cè)到23.9m/s的極大風(fēng)速。4月30日08時(shí)(北京時(shí))，700hPa、850hPa切變南壓到長(zhǎng)江以南，地面配合有冷高壓。30日08時(shí)的廈門(mén)探空結(jié)果表明，大氣層結(jié)呈現(xiàn)上干下濕的狀態(tài)，K指數(shù)達(dá)36℃，訂正后的CAPE值達(dá)1279J/kg，體現(xiàn)了大氣較不穩(wěn)定。

隨著地面溫度的升高，大氣不穩(wěn)定程度不斷增加，從龍巖S波段天氣雷達(dá)圖看(圖1)，回波自西南向東北移動(dòng)，14時(shí)進(jìn)入平和縣九峰鎮(zhèn)，國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)(0.2mm)、坂仔鎮(zhèn)(2.5mm)、五村村(0.5mm)以及五寨鄉(xiāng)(0.1mm)在該時(shí)次內(nèi)均開(kāi)始出現(xiàn)降水，但尚未觀測(cè)到大風(fēng)。從衛(wèi)星云圖(圖2)可以看到，16時(shí)前后，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)東移至平和縣的中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

圖1 4月30日16時(shí)21分雷達(dá)回波圖

圖2 4月30日16時(shí)紅外云圖(FY4A)

16∶30，強(qiáng)回波位于平和縣境內(nèi)，強(qiáng)中心位于山格鎮(zhèn)—五寨鄉(xiāng)一帶，其中心強(qiáng)度加強(qiáng)到60dBZ以上，45dBZ回波高度達(dá)6km,回波頂高度16km,對(duì)流發(fā)展強(qiáng)烈，該時(shí)次安厚鎮(zhèn)降水38.7mm、華美村29.6mm、南勝鎮(zhèn)23.9mm、崎嶺鄉(xiāng)20.3mm。16∶26，龍巖雷達(dá)速度圖上平和本站附近出現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)，平和縣多個(gè)自動(dòng)站觀測(cè)到大風(fēng)，其中平和國(guó)家氣象觀測(cè)站極大風(fēng)速達(dá)23.9m/s。17∶30，強(qiáng)回波東移過(guò)境，19時(shí)降水回波的后界基本移出平和縣，結(jié)束此次雷暴大風(fēng)過(guò)程。

由此可見(jiàn)，強(qiáng)回波影響平和縣城的主要時(shí)段在15∶30～17∶30。下面從風(fēng)廓線雷達(dá)的水平風(fēng)場(chǎng)和垂直速度，分析平和風(fēng)廓線雷達(dá)在雷暴大風(fēng)天氣預(yù)報(bào)中的反應(yīng)。

3 水平風(fēng)場(chǎng)資料的應(yīng)用

顧映欣等[11]研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)廓線時(shí)間—高度剖面圖上風(fēng)速極大值的位置和大小，能夠決定本站上空高、低空急流的高度和強(qiáng)度，且以其時(shí)間變化確定演變的趨勢(shì)。平和風(fēng)廓線雷達(dá)是對(duì)流層雷達(dá)，能夠探測(cè)到的垂直高度約達(dá)6000～8000m。從平和風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的2019年4月30日逐半小時(shí)水平風(fēng)場(chǎng)(選取12∶00～23∶30的圖像，見(jiàn)圖4)可見(jiàn)，水平風(fēng)速?gòu)?∶00開(kāi)始(圖略)，在1500m高度以上開(kāi)始出現(xiàn)大于12m/s的強(qiáng)風(fēng)，最強(qiáng)風(fēng)速在3000m達(dá)到24m/s以上，且風(fēng)向以西南風(fēng)為主；根據(jù)楊引明等人[10]研究，在風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)范圍內(nèi)(3000m以下)，持續(xù)超過(guò)1h探測(cè)到12m/s以上的強(qiáng)南或西南風(fēng)速，則認(rèn)為存在低空急流；該低空西南急流的建立和維持為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。12:00～14:30的1500m以下平和上空為偏南—西南風(fēng)，1500m以上逐漸轉(zhuǎn)為西南—偏西風(fēng)，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，根據(jù)熱成風(fēng)關(guān)系可知，低層有暖平流輸送，有利于增溫增濕增大不穩(wěn)定性。3000～4000m左右高度出現(xiàn)20m/s以上的西南—偏西大風(fēng)核，同時(shí)近地面以弱偏南風(fēng)為主，垂直風(fēng)切變較大，有利于增強(qiáng)中層干空氣的吸入，增強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展。14∶00～15∶00平和上空以西南風(fēng)為主的低空急流向下擴(kuò)展并出現(xiàn)風(fēng)速大小的明顯變化，近地層風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)再轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，表明本站上空存在有利于對(duì)流發(fā)展的中小尺度系統(tǒng)，縣城周邊開(kāi)始出現(xiàn)降水，能夠看出急流軸上因風(fēng)速變化造成的輻合以及近地層風(fēng)向的切變對(duì)降水有明顯的作用。15∶30～17∶00西南急流迅速脈動(dòng)，這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了大風(fēng)，與劉淑媛等[4]“每次強(qiáng)烈天氣的發(fā)生都會(huì)有西南急流的迅速脈動(dòng)加強(qiáng)和向下擴(kuò)展”的研究結(jié)論一致；這支低空西南急流維持到19∶00前后減弱，同時(shí)19∶00前后底層(850hPa以下)也轉(zhuǎn)為偏西—偏北風(fēng)，表明天氣系統(tǒng)基本過(guò)境，跟實(shí)況觀測(cè)到的一致，也說(shuō)明了風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)水平風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的探測(cè)能力，能較好地反映空急流的建立和維持情況，探測(cè)低空急流能夠?yàn)樘崆邦A(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣提供依據(jù)。

圖4 12時(shí)00分～23時(shí)30分平和風(fēng)廓線雷達(dá)逐半小時(shí)水平風(fēng)向、風(fēng)速時(shí)間—高度分布

4 垂直風(fēng)資料的應(yīng)用

從圖5可見(jiàn)，在15∶00之前，垂直速度的值還比較小，且隨高度變化不大，但是在15∶00后，垂直速度有明顯變化，在3500m左右高度，垂直速度迅速增大到3.3m/s以上，且較強(qiáng)的垂直速度有所向低層延伸，并一直保持著大于3m/s的強(qiáng)度；15∶30前后，垂直速度形成了一個(gè)大值區(qū)，在一定程度上可以反映大氣在垂直方向上的不穩(wěn)定特征。16∶23，平和本站開(kāi)始觀測(cè)到降水、16∶24本站觀測(cè)到大風(fēng)，在17時(shí)的一小時(shí)降水不強(qiáng)，降水量?jī)H為3.9mm，與弱降水雷暴大風(fēng)天氣過(guò)程的特點(diǎn)相符合。在一定程度上與風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的垂直速度隨高度的波動(dòng)以及波動(dòng)發(fā)展的高度，可以反映大氣垂直熱交換的程度，能夠作為判斷對(duì)流發(fā)展強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)[10]的結(jié)論吻合。

圖5 14∶24-16∶42平和風(fēng)廓線雷達(dá)逐6分鐘垂直速度的時(shí)間—高度分布

楊引明等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在降水情況下，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到向下的垂直速度越大，則降水強(qiáng)度越強(qiáng)，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是由于降水時(shí)降水粒子的下落速度造成,也反映了降水粒子的密度。平和風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的垂直速度是以向下(朝向風(fēng)廓線雷達(dá))為正，從2019年4月30日垂直速度圖像中(選取14∶24～16∶42時(shí)段)可以看到，15∶00～16∶30在3500m左右的垂直速度較大，但是低層的垂直速度均較小，平和國(guó)家氣象觀測(cè)站當(dāng)天觀測(cè)到的降水(如圖3)也較弱。風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直速度一定程度上可以反映測(cè)站降水的臨近情況，且能夠提前30分鐘以上對(duì)降水有所反應(yīng)，對(duì)降水的臨近預(yù)報(bào)有一定的指示作用。

圖3 2019年4月30日15時(shí)30分～17時(shí)30分平和逐5分鐘自動(dòng)站資料

5 結(jié)論

在本次過(guò)程中，平和縣普遍出現(xiàn)6～8級(jí)的雷暴大風(fēng)天氣，本站極大風(fēng)速達(dá)到9級(jí)，平和風(fēng)廓線雷達(dá)在此過(guò)程中的反應(yīng)較為理想。

平和風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)水平風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的探測(cè)能力，水平風(fēng)場(chǎng)能較好地反映低空急流的建立和維持情況，低空西南急流的建立和維持為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。業(yè)務(wù)中可通過(guò)監(jiān)測(cè)低空急流的建立和演變，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展做出預(yù)報(bào)。

風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直速度可以反映大氣垂直不穩(wěn)定程度，能較好反映測(cè)站降水的臨近情況，對(duì)降水的臨近預(yù)報(bào)有較好的指示作用。