西寧兩次強降水的雷達VWP特征

謝啟玉 周琴, 辛秋玲 張令振

（1青海省西寧市氣象臺，西寧 810016；2 成都信息工程大學，成都 610225）

0 引言

強降水引發(fā)的暴雨洪澇成為主要的氣象災害之一，對于強降水的研究也開始較早。由于多普勒天氣雷達的布網、業(yè)務化運行和廣泛應用于強對流天氣監(jiān)測及短時臨近預報，以雷達為基礎對強降水的研究和應用也越來越深入。雷達徑向速度和風廓線產品（VWP）提供了強降水環(huán)境風場綜合特征，根據VWP上風場特征來判斷冷暖平流，認為冷平流維持時強降水也維持，根據20 m·s風的層次可斷定垂直上升、下沉氣流。Shao等用雷達反演的三維風場發(fā)現強降水發(fā)生在偏南氣流、輻合上升較強的切變線南緣。研究指出VWP上的邊界層急流、低空入流急流對強降水有重要作用，認為低空偏南急流對強降水的指示意義較好，高空急流對強降水的維持同樣有作用。夏文梅等、徐芬等、方標將VWP上風場“ND”區(qū)域（靜止風）出現的時間及高度與強降水的開始和結束相聯(lián)系，發(fā)現ND在降水之前出現預示著強降水的開始而在降水末期出現則表示強降水的結束。趙瑞金等用雷達VWP計算了風向、風速、輻合、輻散的垂直廓線，認為強降水風場在垂直方向表現為偏東風、偏南風。此外，付雙喜等、朱敏華等指出VWP上低空強風切變（|△

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|）是對流性強降水發(fā)展的標志。王麗榮等、徐芬等用雷達VWP計算了風暴相對螺旋度（SRH），指出SRH對強降水等強對流天氣的開始及維持具有一定的作用。張京英等分別用20 m·s高空風速、12 m·s低空風速的某小時最低高度來定義高、低空急流指數，認為這兩種指數與降水強度與之間關系密切。綜上，雷達VWP的研究主要集中在高、低空急流對強降水的作用，尤其突出了（超）低空急流對強降水的重要貢獻，此外有些研究分析了VWP垂直方向風場（包括ND）及計算的相關量（SRH、風切變等）等的特征，但對于強降水的低、高層風場的相互關聯(lián)及與高空平均氣流關系方面涉及較少，且由于目前西寧雷達產品在強降水應用的研究少，造成強降水短時臨近預報水平較低。本文以小時降水量≥8.0 mm為標準，選取具有典型代表性的2015年7月1日（下稱“1507”過程）混合性強降水和2018年6月30日（下稱“1806”過程）對流性強降水，以這兩次不同性質強降水天氣過程中低、中、高層雷達VWP的風場特征為基礎，分析強降水過程中低、高空強氣流的相互關聯(lián)及強降水移向與高空平均氣流的關系，探索根據VWP計算的|△

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|和SRH等相關量的特征，得到表征強降水與VWP及這些相關量關系的強降水指數，為提高強降水短時臨近預報能力提供現實依據。

1 資料選取與降水實況

1.1 資料選取

本文選用西寧地區(qū)范圍內4個國家級觀測站（包括市區(qū)和所轄大通、湟源和湟中三縣）的降水資料，72個區(qū)域站為輔助，使用2015年7月1日16：00—2日08：00和2018年6月30日15：30—20：00每10 min間隔的降水量。

雷達資料選取西寧CINRAD/CD雷達中垂直風廓線（VWP產品），以兩次過程中降水時間段內最接近整點和半點的時刻為準。由于西寧雷達海拔高度為2.4 km左右，所能探測到的最低層為2.7 km或3.0 km，因此，文中低層均以該時刻VWP中風出現的最低層高度為準。

1.2 降水實況

“1507”過程累計降水量有5個測站達到大雨標準（圖1a），降水中心在大通國家站，降水量為30.5 mm；其中包括湟中和大通兩個國家級測站在內的多個區(qū)域站出現短時強降水，強降水開始于17：20，最大小時降水量為9.3 mm（圖2a），具有混合性強降水性質：降水時間較長，小時雨量較小且分布不均勻?！?806”過程累計降水量有8個測站達到大雨標準（圖1b），＞30.0 mm的有4個測站，降水中心在湟中縣海子溝，降水量達到41.7 mm；其中包括西寧市和湟中兩個國家級測站在內的多個區(qū)域站出現短時強降水，強降水開始于16：30，最大小時降水量達到31.9 mm（圖2b），是典型的對流性強降水性質：降水時間集中、小時雨量大、持續(xù)時間較短、局地性強。

圖1 過程累計降水量（a）“1507”（16：00—02：00），（b）“1806”（15：30—20：00）Fig.1 Fig. 1 Cumulative precipitation of heavy rainfall events(a)“1507”process (16:00-02:00), (b)“1806”process (15:30-20:00)

圖2 西寧兩次過程雷達VWP不同層的風和降水量演變Fig. 2 Change of wind of VWP at different layers on Xining radar and maximum precipitation

2 強降水的雷達VWP特征

2.1 強降水的VWP風場演變特征

選取雷達VWP低層（雷達所能探測的最低高度）、中層（5.5 km高度，為雷達探測高度范圍內的中值位置）、高層（9.1 km高度，2例中雷達探測最高層高度的統(tǒng)一位置）風向、風速分析，并作如下規(guī)定：偏南風為正值，其中SW風為黑色，SE則為紅色，偏北風則為負值，其中NW風為黑色，NE則為紅色，當VWP上風場出現ND時，風速為0。

混合性強降水“1 5 0 7”過程中，降水前16：00—16：30上低層較強的NW風增強至8 m·s以上，中層由風速較小的偏S風轉為ND，高層為強勁的SE風，風速達到12～14 m·s；臨近強降水開始的17：00左右低層轉為8 m·s較強的WSW風，中層依然維持“ND”，高層則轉為NE風且風速繼續(xù)增大到16 m·s；強降水于17：20開始，而實際上17：25低層SW風更明顯；17：30低、中、高層則分別持續(xù)17：00的風向，但風速略有變化，此時出現第一次降水峰值，30 min降水量達到5.5 mm；18：00—19：30隨著強降水的持續(xù)，VWP風場發(fā)生了變化，低層轉為NW風，風速略減小，中層由ND轉為SW風，風速較小，高層則持續(xù)為NE風，風速保持在16 m·s，19：00—19：30出現第二次降水峰值，降水量達到7.3 mm； 20：00之后，低層又轉為SW風，風速逐漸略增大，中層轉為NW風，風速也略增大，高層則一直維持NE，但風速逐漸減小，強降水也逐漸減小?？梢?，混合性強降水臨近強降水開始至強降水維持時段內低層為SW風且風速增大，中層則會出現ND，高層為NE或SE風，且各層風速會增大；低層SW風的水汽輸送為強降水的出現和維持提供了所需的暖濕氣流，高層偏E風也為水汽、能量等在強降水區(qū)的匯合提供了有利的條件；當強降水接近結束時，低、中層轉為NW風，高層則風向變化不明顯、風速減小。整個過程的最大降水量出現在低層風向明顯轉變的時段內。

對流性強降水“1 8 0 6”過程，降水前的15：30—16：30，VWP上低層風場為SW風，風速由2 m·s增大至8 m·s，中層出現ND并維持，高層一直為SE風，風速達到18 m·s；17：00出現最強降水，30 min降水量達到22.6 mm；強降水接近結束的18：30之后，低層轉為NW風，風速減小為2 m·s，中層ND轉為SE風，風速為2 m·s，高層則SE風持續(xù)不變，風速略增大至20 m·s?？梢姡瑢α餍詮娊邓R近降水開始至維持時段內低層也為SW風，中層也會出現ND，高層則為偏E風，低—中—高層的風速增大更明顯，即風場垂直變化更明顯。整個過程的最大降水量也出現在低層風向明顯轉變的時段內。

綜上，西寧強降水開始前VWP上低層出現SW風并增大，強度雖然達不到急流標準，但這種氣流對大氣能量和水汽輸送尤為重要，且對流性強降水低層風場更明顯，與層結不穩(wěn)定密切相關；中層風場出現ND；與很多研究不同的是高層偏E氣流明顯，特別是穩(wěn)定性強降水的高層偏E風強度更強且持續(xù)時間更長，為水汽、能量等在強降水區(qū)的匯合提供了有利的條件。過程最大降水量出現在低層風向明顯轉變的時段內。

2.2 強降水與高、低空強氣流位置的變化

這里定義VWP上低層（＜5.5 km）≥4 m·s為強氣流（未達到標準或未出現以0表示，下同），高層（≥5.5 km）≥12 m·s為強氣流，中層為ND出現的高度，來確定低、中、高層強氣流出現的最低高度，以分析強氣流下傳或上傳與強降水的關系。

兩次過程的混合性強降水，在高層強氣流向下傳遞至低層時強降水開始或增大，對流性強降水主要是低層強氣流的下傳，中層ND楔形塊是強降水開始的先兆。

2.3 強降水移向與高空平均氣流

雷達VWP可以作為探空資料的補充，因此將VWP上高空風場資料應用于強降水的高空平均氣流（風暴承載層平均風）計算之中。在VWP上選取對應高度的風場進行計算并分析風切變矢量隨高度的變化，以確定強降水單體移向與高空平均氣流之間的關系（圖3）。高空平均氣流的計算方法參考文獻。混合性強降水移向明顯偏向高空引導氣流的右側，而對流性強降水的移向受垂直風切變較復雜的變化而偏向高空引導氣流右側的幅度較小。

圖3 西寧雷達強降水單體（●表示）移動路徑（a～b，不同單體用不同顏色表示）及垂直風切變矢（c～d）（a，c）“1507”過程，（b，d）“1806”過程Fig.3 Moving path (a-b, different monomers indicated by different colors) of strong precipitation monomer (indicated by ●)and vertical wind shear vector (c-d) on Xining Radar(a,c)“1507”process, (b,d)“1806”process

2.4 強降水的垂直風切變

參考文獻計算垂直風切變|△

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|，將西寧雷達所能探測到的最低高度設為0 km，分別取與最低高度相差1.0 km、3.0 km、6.0 km處的數值。因此，0～1.0 km |△

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|反映了低層風切變，0～3.0 km反映了中層風切變，0～6.0 km則反映了高層風切變。西寧兩次強降水過程開始或增大前|△

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|明顯增大，混合性強降水低、高層|△

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|增大是關鍵，對流性強降水則是低層|△

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|增大起主導作用。

2.5 強降水的風暴相對螺旋度

參考文獻計算風暴相對螺旋度SRH，取VWP上所有探測資料值的層數，并根據2.3節(jié)中強降水移向偏向高空平均氣流的方位度數來增加平均風向的度數。同樣以＜5.5 km為低層，≥5.5 km為高層，中間計算的厚度要求≥3.0 km。

西寧兩次強降水在SRH低、高層均轉為正值后開始，當低層SRH正值持續(xù)時降水持續(xù)，只有低層SRH轉為負值后，降水才會減弱結束，且SRH正值的明顯增大提前于強降水的增大。不同的是高層SRH，混合性強降水在第一次降水峰值后一直為負，對流性強降水則在降水明顯減弱后立即轉為負，這一方面反映了混合性強降水中風暴層厚度較薄，風暴提供的能量較弱，對流性強降水的風暴組織性更強，另一方面也與對流性強降水的降水時間較短而強度大致使能量集中釋放有關。

3 強降水指數

如前，西寧強降水與VWP上低、高層風場及依據VWP計算的|△

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|與SRH有密切的關系。為了更清楚地表征強降水與VWP及依其計算的各相關量的關系，在參考文獻的基礎上，依據以上分析結果，定義西寧強降水指數（VR）如下：低層：|△

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|取0～1.0 km，

式（1）除以4表示低層≥4 m·s的SW風。由于西寧強降水開始前或持續(xù)時，低層出現SW風并增大，過程中SW風的平均風速為5.3 m·s，但在VWP上讀取的風速以2 m·s為單位，為了實際應用的方便，低層選取≥4 m·s的SW風。

高層：|△

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|取0～6.0 km，

式（2）除以12表示高層≥12 m·s的E風。同樣，由于強降水出現時高層多為E風，所有偏E風的平均風速為13.4 m·s左右，也為了方便而選高層≥12 m·s的E風。

兩個公式后段除以2是為了控制數值。

VR指數：

VR指數可以定量地表示低層SW氣流、高層偏E氣流及低、高層|△

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|和SRH與強降水的關系。

4 結論與討論

通過分析西寧混合性強降水和對流性強降水2次不同性質強降水天氣過程中雷達VWP風場特征、強降水中高、低空氣流相互關聯(lián)及與高空平均氣流的關系，來確立依VWP計算的|△

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|和SRH等相關量與強降水關系，并建立了強降水指數，主要結論如下：

1）西寧強降水開始前低層SW風速增大，中層風場出現ND，高層偏E氣流明顯，特別是穩(wěn)定性強降水的高層偏E風強度更強且持續(xù)時間更長。過程最大降水量出現在低層風向明顯轉變的時段內。

2）混合性強降水在高層強氣流向下傳遞至低層時，強降水開始或增大，強降水偏向高空氣流的右側；對流性強降水主要是低層強氣流向下傳遞，偏向高空引導氣流右側的幅度較??；兩者中層ND楔形塊是強降水開始的先兆。

3）西寧強降水開始或增大前垂直風切變|△

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|明顯增大，混合性強降水低、高層|△

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|增大是關鍵，對流性強降水則是低層|△

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|增大起主導作用。

4）西寧強降水在風暴相對螺旋度SRH低、高層均轉為正值后開始，低層SRH正值持續(xù)時降水持續(xù)，只有低層SRH轉為負值后，降水才會減弱結束，且SRH正值的明顯增大較強降水的增大有提前量。不同的是高層SRH，混合性強降水在第一次降水峰值后一直為負，對流性強降水則在降水明顯減弱后立即轉為負。

5）定義的強降水指數較好地提前反映了西寧強降水強度隨時間的變化特征，且對流性強降水的使用性更好，可能與對流性強降水的風暴組織性更強使SRH變化更明顯有關。

以上結論是從西寧2次強降水過程中得出的，還需大量的個例進行檢驗。