利用風(fēng)廓線分析影響中山降水的低空急流特征

方宇凌，夏冠聰，李毅恒，吳健君

（中山市氣象局，廣東中山 528400）

風(fēng)廓線雷達(dá)（wind profiler radar，WPR）是利用大氣湍流運動造成大氣折射指數(shù)的不均勻結(jié)構(gòu)對雷達(dá)電磁波的散射作用探測大氣風(fēng)場的一種遙感設(shè)備，它能夠?qū)崟r提供大氣的三維風(fēng)場信息、垂直氣流、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度的分布，是對常規(guī)探空觀測的有力補充。風(fēng)廓線雷達(dá)探測提供了水平風(fēng)、垂直風(fēng)速和徑向速度、回波強度、回波功率、速度譜寬、信噪比（SNR）和折射率結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)［1］。

最近十幾年，我國風(fēng)廓線雷達(dá)建設(shè)發(fā)展迅速，目前我國在華北、華東、華南等地區(qū)已經(jīng)初步形成了相對密集的風(fēng)廓線雷達(dá)站網(wǎng)，可以獲取高空風(fēng)的連續(xù)變化，并已應(yīng)用于實際業(yè)務(wù)［2-6］。廣東省在廣州、深圳、珠海、中山等地建設(shè)了多部風(fēng)廓線雷達(dá)，許多業(yè)務(wù)工作者已開展風(fēng)廓線觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用，例如，陳元昭等［7］利用深圳風(fēng)廓線雷達(dá)觀測資料，分析了灰霾、大霧、高溫、雷暴、臺風(fēng)等高影響天氣過程中的風(fēng)廓線特征，表明風(fēng)廓線能夠提供新的觀測事實與氣象特征；張勁梅［8］分析東莞一次短時強降水過程，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線等產(chǎn)品強降水出現(xiàn)前4～6 h有明顯變化，對臨近預(yù)警有較好的指示性；文彬等［9］在雷州半島強對流天氣過程中，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線產(chǎn)品風(fēng)場信息顯示出強降水發(fā)生前有明顯的冷暖平流，有利于強降水的發(fā)生發(fā)展。以上研究主要集中對高影響天氣、暴雨、臺風(fēng)等進(jìn)行風(fēng)廓線產(chǎn)品分析，但是利用風(fēng)廓線的高時空分辨率風(fēng)場資料，對低空急流與降水關(guān)系進(jìn)行精細(xì)分析的研究較少。本研究將利用中山風(fēng)廓線資料，對2019年4—6月（前汛期）的低空急流與降水進(jìn)行分析，分別對低空急流強度，出現(xiàn)時間、高度、風(fēng)向，以及2次強降水個例進(jìn)行詳細(xì)分析，為今后中山強降水天氣臨近預(yù)報提供參考。

1 資料與方法

1）本研究綜合參考胡明寶［1］的結(jié)論將低空急流定義為出現(xiàn)在3 000 m高度以下，風(fēng)速≥12 m/s，且持續(xù)時間≥4 h、氣層中各個高度層的風(fēng)向一致。

2）為了保證統(tǒng)計結(jié)果的代表性和有效性，統(tǒng)計時對風(fēng)廓線探測數(shù)據(jù)做出如下規(guī)定：（1）1 d中出現(xiàn)低空急流并且持續(xù)時間≥4 h計為出現(xiàn)一個低空急流日；（2）若在同一天中低空急流出現(xiàn)一段時間后消失，間隔一段時間后又一次出現(xiàn)，也只計為一個低空急流日；（3）若出現(xiàn)連續(xù)4 h以上的急流，但是跨越 2 d（以 08：00—08：00（北京時，下同）為日界，與降水量日界一致），將分別記為2個急流日；（4）低空急流開始時間和持續(xù)時間，由于日界定義各有不同，統(tǒng)計結(jié)果與其它方法略有差異。

3）風(fēng)廓線資料采用位于中山市東區(qū)金鐘水庫內(nèi)的邊界層風(fēng)廓線資料，統(tǒng)計分析采用逐1 h資料，暴雨個例分析采用逐6 min、逐30 min和1 h資料，時間采用2019年4月1日—6月30日資料。

2 降水與低空急流統(tǒng)計分析

2.1 降水日統(tǒng)計

將廣東省中山市境內(nèi)62個氣象自動站中的1/2以上站點08：00—08：00累計雨量超過0.1 mm計為1個降水日。據(jù)統(tǒng)計，2019年4月1日—6月30日降水日數(shù)共有47 d，其中4月份降水日數(shù)12 d、5月份19 d、6月份16 d。按單日最大日降雨量統(tǒng)計，最大日降雨量為319.9 mm，出現(xiàn)在5月26日，在逸仙水庫站。

2.2 低空急流統(tǒng)計與降水日數(shù)相關(guān)

2019年4月1 日—6月30日，統(tǒng)計低空急流（3 km高度以下）出現(xiàn)的天數(shù)為49 d，其中4、5和6月天數(shù)分別為22、12和15 d。本研究將低空急流水平風(fēng)速最大值分別與日區(qū)域平均雨量（即面雨量）、單站最大日雨量進(jìn)行相關(guān)分析，采用樣本數(shù)為91個，它們之間的相關(guān)系數(shù)r分別是0.47和0.36，并通過α＝0.05顯著性水平檢驗，表示具有一定的正相關(guān)性。若分別對4、5、6月同樣進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)4、6月低空急流最大風(fēng)速和面雨量相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)r分別為0.64和0.70，并通過α＝0.05顯著性水平檢驗，但是5月份相關(guān)系數(shù)未通過α＝0.05顯著性水平檢驗。5月份低空急流出現(xiàn)天數(shù)較少，強度相對較弱（4月平均最大風(fēng)速19.6 m/s、5月17.3 m/s、6月18.7 m/s），但是5月降水日數(shù)相對較多（5月份19 d），極端最大日降水量也出現(xiàn)在5月（5月26日319.9 mm）。

另外通過時間序列（圖1）看出，5月份低空急流最大風(fēng)速值相比4和6月份的小，5月下旬日降水量值明顯增大。分析其原因，可能是由于影響降水量的因素有很多，包括動力、熱力因子，低空急流只是其影響因子之一，而且南海夏季風(fēng)常在5月中下旬爆發(fā)，如果太強的低空急流，急流中心偏北、偏東，珠江三角洲沿海地區(qū)的降水反而不強。當(dāng)?shù)蛯悠巷L(fēng)風(fēng)速適中，降雨區(qū)位于低空急流入口區(qū)右側(cè)，存在正渦度平流，該地區(qū)的降水強度將有所加強。由于還涉及很多具體動力、熱量因素和大氣環(huán)境場情況，因此還需要將來進(jìn)一步分析。

圖1 2019年4—6月低空急流（3 km以下）最大風(fēng)速與最大單站日雨量、面雨量時間序列

2.3 3 km以下高度平均風(fēng)速與不同量級降水統(tǒng)計

本研究統(tǒng)計了2019年4月1日—6月30日區(qū)域日平均雨量（即面雨量），無降水日數(shù)有44 d、小雨量級降水日數(shù)16 d、中雨量級降水22 d、大雨以上降水9 d。如果分別把不同降水量級出現(xiàn)日期對應(yīng)的3 km以下高度平均風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無降水情況平均風(fēng)速為7.3 m/s、小雨量級情況平均風(fēng)速為8.4 m/s、中雨量級為9.1 m/s、大雨量級為11 m/s。因此得出，如果3 km以下高度的平均風(fēng)速較大，中山的降水量相應(yīng)較大。另外，在任何量級降水的情況下，4月份的平均風(fēng)速最大為11.3 m/s，6月份次之，5月份最小。

2.4 低空急流持續(xù)時間

從低空急流持續(xù)時間變化看，持續(xù)時間在4～6 h之間的天數(shù)最多，達(dá)16 d，占總天數(shù)的32.6%；持續(xù)時間在13～18 h之間的情況次之，達(dá)14 d，占總天數(shù)的28.5%；持續(xù)時間在19～24 h之間達(dá)10 d，占總天數(shù)的20.4%；持續(xù)時間在7～12 h之間為9 d，占總天數(shù)的18.3%。如果跨天計算，持續(xù)時間最長的一次過程出現(xiàn)在4月20日00：00—4月21日23：00，持續(xù)時間長達(dá)48 h。

本研究還對低空急流開始時間進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，08：00—14：00時段開始出現(xiàn)急流的天數(shù)最多，達(dá) 24 d，占總天數(shù)的 48.9%；20：00—02：00時段的占比次之，達(dá)11 d，占總天數(shù)的22.4%；14：00—20：00與 02：00—08：00時段的天數(shù)最少，僅占總天數(shù)的16.3%和12.2%（表略）。由此得出，2019年4—6月低空急流多數(shù)出現(xiàn)在上午時段。

2.5 低空急流風(fēng)向

從低空急流最大風(fēng)風(fēng)向的時間變化（圖2）可以看出，大部分時間急流風(fēng)向以南風(fēng)至西風(fēng)為主，風(fēng)向在180°～270°之間的天數(shù)占總天數(shù)的78.5%，只有少部分時段出現(xiàn)偏北、偏東風(fēng)，因此可以近似認(rèn)為屬西南急流。西南急流常常挾帶著豐富的水汽，這為本研究討論暴雨降水個例與水平風(fēng)速、風(fēng)向的關(guān)系提供依據(jù)。

圖2 2019年4—6月低空急流（3 km以下）最大風(fēng)的風(fēng)向時間序列

低空急流中心（風(fēng)速最大值）出現(xiàn)的高度大部分情況出現(xiàn)在 2.0 km 以上，占總天數(shù)的55.0%，其中出現(xiàn)在2.92 km高度的天數(shù)最多，達(dá)到8 d，占總天數(shù)的16.3%。急流中心在1 km以下的樣品數(shù)較少，僅占總天數(shù)的20.4%。由此可見，急流中心大部分出現(xiàn)在2.0 km以上高度，1 km以下高度出現(xiàn)頻率較少（圖略）。

3 低空急流與暴雨個例分析

本研究分別挑選了2019年4月27日08：00—28日08：00和 5月 26日 08：00—27日08：00的兩次暴雨過程，利用中山風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行個例分析，確定是否存在強降水來臨的指示性作用。

1）4月27 日08：00—28日08：00暴雨過程。

2019年4月27 日受切變線、冷空氣共同影響，中山市出現(xiàn)暴雨降水過程，降水天氣從27日14：00開始。本研究選取了金鐘水庫自動站（風(fēng)廓線探測設(shè)備所在地）逐5 min雨量數(shù)據(jù)，同時選取了上游、下游地區(qū)的東區(qū)站、長江水庫站雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖3a）。金鐘水庫站和東區(qū)站降水從27日14：20開始，14：40的5 min雨量分別達(dá)到6.9和4.9 mm，14：45東區(qū)站5 min雨量達(dá)到最強的10.9 mm，14：50金鐘水庫雨量也達(dá)到最強的12.9 mm。由于長江水庫站位于金鐘水庫站下游，降水天氣從14：35開始，15：00雨量達(dá)到最強的8.8 mm，15：20三個站點的降水明顯減弱，16：00降水結(jié)束（圖3b）。

圖3 2019年4月27日14：00—16：00中山市降水分布（單位：mm）（a）、氣象自動站逐5 min雨量（b）

（1）風(fēng)速。

從風(fēng)廓線水平風(fēng)時間-高度剖面圖（圖4a）可以看出，4月27日14：36之前5 km以下維持西南-偏南風(fēng)，14：42開始2.19 km以下高度轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，2.19 km以上維持偏南風(fēng)，金鐘水庫站的雨強增強。14：48，2.19 km以下轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，2.19 km以上維持偏南風(fēng)，金鐘水庫站和東區(qū)站的雨強先后達(dá)到最強。15：06開始偏西氣流逐漸向高層傳播，3.5 km以下均為偏西風(fēng)場控制，15：12偏西風(fēng)場厚度已達(dá)到4.59 km，金鐘水庫的雨強減弱。由此可見，14：48—15：12金鐘水庫站上空存在明顯垂直風(fēng)切變，15：12之后垂直風(fēng)切變明顯減弱，降水隨之減弱。另外，徑向速度時間-高度剖面圖（圖4b）看出，27日15：00的2.31～2.91 km高度上存在徑向速度極大值，速度達(dá)15 m/s，與金鐘水庫站最大雨強出現(xiàn)時間近似，僅延遲了10 min。

圖4 2019年4月27日14：00—15：00中山風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品

（2）速度譜寬。

研究表明，風(fēng)廓線速度譜寬值的變化可以看出降雨粒子相態(tài)和形態(tài)的變化。因為相態(tài)、形態(tài)及體積的不同，粒子的下落速度也不同，因此粒子類型越豐富，則速度分布的范圍越廣，造成速度譜寬越大［1］。由風(fēng)廓線速度譜寬時間-高度剖面圖分析（圖略），14：36開始2.8 km高度上的速度譜寬值增大，14：48—15：00速度譜寬大值區(qū)下降至1.6 km，速度譜寬值維持在2.5～5 m/s，這可能是降水開始之前，由于上升氣流拖曳作用，大部分水滴或過冷水滴被抬升到較高的高度，速度譜寬高值區(qū)位于較高高度上，當(dāng)氣團內(nèi)大氣的浮力承受不住水滴或過冷水滴的重力，水滴開始下沉運動，因此速度譜寬高值區(qū)的位置也隨之下降。綜上所述，該次過程中風(fēng)廓線的水平風(fēng)、徑向速度、速度譜寬產(chǎn)品與降水雨強、降水時間有較好的對應(yīng)關(guān)系，徑向速度和速度譜寬的值越大，降水強度越大，數(shù)值增大時間與降水增強時間相近。

2）5月26 日08：00—27日08：00暴雨過程。

2019年5月27 日凌晨起，受偏南氣流影響，中山市出現(xiàn)暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，其中逸仙水庫自動站錄得267.5 mm。從逐5 min降水量時間序列圖看，最大雨強出現(xiàn)在02：00—03：00，5 min雨強最大為15.9 mm，最大1 h雨強達(dá)122.0 mm（圖略）。

（1）風(fēng)廓線風(fēng)垂直-時間剖面。

從風(fēng)廓線的風(fēng)速-時間剖面圖（圖略）看，5月26日16：00—27日01：00整層大氣均受西南風(fēng)控制，27日02：00的3 km以下大氣轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，27日03：00迅速轉(zhuǎn)為西南風(fēng)。另外，從水平風(fēng)速的垂直-時間變化圖可見，03：00的0.88～1.0 km高度上出現(xiàn)風(fēng)速最大值，達(dá)22.3 m/s，對應(yīng)的逸仙水庫的時雨強達(dá)到最大值（02：00—03：00的122.0 mm）。04：00—05：00，5 km以下各層風(fēng)速逐漸減小，逸仙水庫的降水隨之減弱。

（2）速度譜寬分析和信噪比。

從速度譜寬圖（圖5a）顯示，5月 27日01：00—05：00，5 km以下大氣速度譜寬值比其他時間大，維持在2.55 m/s左右，02：00速度譜寬值達(dá)到最大值，為5 m/s或以上，比逸仙水庫的最大時雨強提前了1 h。另外，信噪比圖（圖5b）顯示，01：00—05：00 5 km以下大信噪比達(dá)到最大值，其中02：00的信噪比62.5 dB，同時大值區(qū)伸展至5 km高度上，表示氣團內(nèi)上升運動強烈，雨滴或冰晶維持在大氣較高層。04：00—05：00信噪比大值區(qū)高度下降至3 km，表示云團上升運動減弱，氣團內(nèi)的抬升作用減弱，空氣中的水滴或冰晶逐漸下降。06：00信噪比值明顯減小，表示降水逐漸減弱。

圖5 2019年5月26日22：00—27日07：00中山風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品

綜上所述，該過程中水平風(fēng)速增大，降水相應(yīng)增大。速度譜寬、信噪比產(chǎn)品顯示出雨強變化、降水的開始與結(jié)束時間，其最大值比強降水提前了1 h出現(xiàn)，對強降水的臨近預(yù)報有一定警示作用。

4 結(jié)論

1）通過2019年4—6月中山風(fēng)廓線水平風(fēng)資料的統(tǒng)計分析，低空急流（3 km以下）的強度與面雨量、單站最大日雨量之間存在正相關(guān)性。具體是4、6月相關(guān)性較好，低空急流風(fēng)速較大，中山的降雨量相應(yīng)較大，5月相關(guān)性不顯著。另外根據(jù)不同量級雨量統(tǒng)計，大雨量級對應(yīng)的低空急流平均風(fēng)速值最大，中雨量級次之，無雨情況對應(yīng)的平均風(fēng)速值最小。

2）2019年4 —6月低空急流中心大部分時間出現(xiàn)在2.0 km以上高度，占總數(shù)的55.0%，1 km以下高度出現(xiàn)頻率較??；低空急流持續(xù)時間在4～6 h之間的天數(shù)最多，占總天數(shù)的32.6%；低空急流開始時間在08：00—14：00時段的天數(shù)最多，占總天數(shù)的48.9%；低空急流風(fēng)向以南風(fēng)至西風(fēng)為主，占總天數(shù)的78.5%。

3）在兩次強降水個例分析中，中山風(fēng)廓線觀測產(chǎn)品與降水強度、降水時間有較好的對應(yīng)關(guān)系；徑向速度和速度譜寬值越大，降水強度越大，水平風(fēng)存在垂直風(fēng)切變；速度譜寬和信噪比產(chǎn)品可以指示出降水的開始與結(jié)束時間，速度譜寬和信噪比最大值比強降水提前1 h出現(xiàn)，對臨近預(yù)警預(yù)報有一定警示作用。