一次強降水過程TWP16風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析

鄭石，王冠，關(guān)健華，康博識，黃興友

（1.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，沈陽 110166；2.遼寧省氣象裝備保障中心，沈陽 110166； 3.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院遼寧分院，沈陽 110166；4.遼寧省氣象服務(wù)中心，沈陽 110166； 5.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044； 6.中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京 210044）

中國暴雨大多數(shù)是由臺風(fēng)天氣形勢所造成的，24 h降雨50 mm就成為暴雨，一個臺風(fēng)登陸通常24 h內(nèi)可下幾百毫米的暴雨，甚至可以達(dá)到上千毫米的特大暴雨。暴雨是中國東北地區(qū)主要的災(zāi)害性天氣之一，大范圍持續(xù)性暴雨和突發(fā)性暴雨均會造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，淹沒城鎮(zhèn)房屋，危害人民的生命和財產(chǎn)安全[1]。用雷達(dá)回波（Reflectivity）來估測登陸臺風(fēng)的降水量和降水分布是一項研究發(fā)展多年的技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵在于建立雷達(dá)雨量與實際雨量間的關(guān)系。

風(fēng)廓線雷達(dá)開始于20世紀(jì)80年代，是高空氣象探測系統(tǒng)的重要組成部分。風(fēng)廓線雷達(dá)最初研制的目的是為了探測晴空大氣風(fēng)場。大量研究表明，UHF、VHF、P波段的風(fēng)廓線雷達(dá)對降水信息也十分敏感，因此利用風(fēng)廓線雷達(dá)探測資料實現(xiàn)對降水天氣的監(jiān)測具有重要研究價值[2-4]。風(fēng)廓線雷達(dá)早在美國、英國、日本等國家已進(jìn)行了業(yè)務(wù)組網(wǎng)全面應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者對風(fēng)廓線雷達(dá)探空資料在科學(xué)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用方面前期也開展了大量工作，并在諸多領(lǐng)域都取得了很大進(jìn)步。國內(nèi)應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)在探測降水方面已開展了一些具體工作，主要是應(yīng)用水平風(fēng)廓線分析暖平流、冷平流、風(fēng)切變、高低空急流和風(fēng)場輻合輻散等特征[5-6]。風(fēng)廓線雷達(dá)徑向速度大小及厚度與降水量的變化存在一定的關(guān)系；風(fēng)廓線雷達(dá)信噪比的變化與降水的開始、結(jié)束及降水的變化有明顯的對應(yīng)關(guān)系[7]；風(fēng)廓線雷達(dá)速度譜寬、垂直速度、信噪比等資料結(jié)合分析可對降水過程進(jìn)行估測；大氣濕度與折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)之間存在著一定關(guān)系[8-9]。張旭斌等[10]在質(zhì)控及其資料同化應(yīng)用方面做了實驗對比研究，通過準(zhǔn)確描述模式初始場特征，最終對強降水發(fā)生的強度和位置作出精確預(yù)報。鄒德龍等[11]指出了風(fēng)廓線雷達(dá)能夠探測出強降水發(fā)生前空中冷暖平流變化導(dǎo)致大氣層結(jié)不穩(wěn)定，風(fēng)廓線雷達(dá)測到地面風(fēng)向轉(zhuǎn)變，對降水預(yù)報有一定的指示意義。張京英、鄭石、Bob L W等[12-14]應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對暴雨等強對流天氣進(jìn)行了分析，指出了強降水前，在垂直風(fēng)場結(jié)構(gòu)上可以清晰展示高低空急流脈動耦合，對強降水的發(fā)生有著很好的預(yù)示作用。體現(xiàn)出了風(fēng)廓線雷達(dá)在監(jiān)測中小尺度強對流天氣獨特的優(yōu)越性和指導(dǎo)預(yù)報應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 風(fēng)廓線雷達(dá)資料

文中主要使用的探測設(shè)備為TWP16對流層風(fēng)廓線雷達(dá)（探測方式為五波束），北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司生產(chǎn)，位于遼寧省盤錦市盤山區(qū)國家基本站，地處盆地，南面臨海。利用遼寧SWAN系統(tǒng)及盤錦高頻地波雷達(dá)和營口雙偏振雷達(dá)資料進(jìn)行輔助分析。TWP16風(fēng)廓線雷達(dá)參數(shù)見表1。應(yīng)用TWP16對流層風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)廓線、徑向速度、信噪比、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、譜寬等資料對2019年8月10—15日“利奇馬”臺風(fēng)在遼寧省盤錦市登陸引發(fā)的強降水天氣過程進(jìn)行詳細(xì)分析。

表1 TWP16型風(fēng)廓線雷達(dá)高/低模式相關(guān)參數(shù) Tab.1 Relevant parameters related to TWP16 wind profile radar high/low mode

1.2 高頻地波雷達(dá)資料

文中所用OS081H型高頻地波雷達(dá)為中船重工鵬力南京大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)，探測設(shè)備布設(shè)在盤錦市大洼區(qū)紅海灘國家5A級風(fēng)景區(qū)，位于渤海灣東北區(qū)域。探測資料為風(fēng)場、流場、浪場，有效半徑在150 km左右，扇形掃描120°范圍，探測周期為10 min，見表2。

表2 盤錦高頻地波雷達(dá)相關(guān)參數(shù) Tab.2 Relevant parameters related to high frequency ground wave radar in Panjin

1.3 雙偏振雷達(dá)資料

文中所用CINRAD/SA-D雙偏振雷達(dá)為北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司生產(chǎn)，探測設(shè)備位于遼寧省營口市大石橋蟠龍山上。營口雙偏振雷達(dá)（技術(shù)指標(biāo)見表3）是東北首部業(yè)務(wù)升級的雙偏振天氣雷達(dá)，于2019年6月開始業(yè)務(wù)試運行。

表3 營口CINRAD/SA-D雙偏振雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo) Tab.3 Main technical indicators of CINRAD/SA-D dual polarization radar in Yingkou

1.4 天氣形勢及臺風(fēng)系統(tǒng)演變分析

利用Micaps高空地面資料和衛(wèi)星云圖演變分析，臺風(fēng)“利奇馬”對遼寧的影響共分為3個階段：第一階段是從10日8時至12日8時，遼寧主要受臺風(fēng)北上外圍云系影響；第二階段從12日8時至13日8時，臺風(fēng)“利奇馬”在萊州灣回旋少動；第三階段從13日8時至15日6時，遼寧受臺風(fēng)減弱為熱帶低壓與西風(fēng)槽結(jié)合影響。臺風(fēng)“利奇馬”于13日11時停止編號，但其殘渦依然影響遼寧，又與西風(fēng)槽結(jié)合，給遼寧又帶來一次降水集中時段。14日20時，500 hPa西風(fēng)槽東移南下，不斷有冷空氣侵入到殘渦中，干空氣不斷卷入，使深對流減弱，地面有殘渦在渤海中回旋，又有一部分分裂北上到遼寧吉林中部。又由于臺風(fēng)“羅燕”的影響，遼寧南部水汽被阻斷，吉林、遼寧中部水汽得到補充，逐漸向鋒面系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

1.5 降水實況分析

受臺風(fēng)“利奇馬”和西風(fēng)帶冷空氣共同影響，8月10日20時至15日20時，遼寧全省大部分地區(qū)累計降水量達(dá)100～250 mm，平均降水量達(dá)126.5 mm，突破1951年以來同期極值。此次降雨過程持續(xù)時間長，累計雨量大，影響范圍廣，風(fēng)雨齊上陣。2019年8月10日20時—8月15日20時遼寧省雨情分布如圖1所示，全省降水統(tǒng)計數(shù)據(jù)1561個站中，大于250 mm的站數(shù)為35個，100～249.9 mm站數(shù)1028個，50～99.9 mm站數(shù)390個，25～49.9 mm站數(shù)71個，10～ 24.9 mm站數(shù)17個。從影響范圍廣上來看，全省14個市均出暴雨到大暴雨，出現(xiàn)暴雨以上站數(shù)占總站數(shù)的91%，大暴雨以上站數(shù)占總站數(shù)的65%。此次臺風(fēng)影響強降水過程中，平均降水量最大值出現(xiàn)在盤錦地區(qū)，為162.3 mm。

從遼寧SWAN系統(tǒng)輔助分析可知，本次臺風(fēng)引起的強降水在盤錦地區(qū)主要有3個時段，降水主要時段為 8月10日12:00—15日04:00時。8月10日12:00，強降水前6 h，雷達(dá)組網(wǎng)基本反射率（強度）如圖2a所示?？梢钥闯觯敬螐娊邓_始階段強回波區(qū)由西南至東北方向移動，逐漸進(jìn)入遼寧省界，影響錦州，即將到達(dá)盤錦地區(qū)，均值為40～45 dBz。8月12日20:00—13日10:00，為本次強降水發(fā)展階段，也是降水極大值時段。從8月13日09:00（見圖2b）雷達(dá)組網(wǎng)基本反射率可以看出，強回波區(qū)域經(jīng)過45 h的移動和消散，到13日09:00左右，強回波數(shù)值極大值達(dá)到50 dBz，標(biāo)志著盤錦地區(qū)暴雨最強點的到來。8月15日23:30分（見圖2c），可以清晰看出主要為零散微弱回波，降水完全結(jié)束。

圖2 2019年8月11日12:00 (a)、8月13日09:00 (b)、8月15日23:30 (c)組合基本反射率 Fig.2 Basic reflectance at 12:00 on August 11 (a), 9:00 on August 13(b), and 23:30 on August 15(c), 2019 respectively

2 風(fēng)廓線雷達(dá)特征分析

2.1 水平風(fēng)廓線

2019年8月10日12:00—8月11日02:00，盤錦地區(qū)水平風(fēng)逐時高度分布如圖3所示?？梢钥闯?，降水前6 h，近地面到高空主要由西南風(fēng)控制，風(fēng)速隨高度的增高而增大。近地面到150～750 m，平均風(fēng)速為7 m/s；5000 m高度層平均風(fēng)速達(dá)到14 m/s；5～12 km高度層，隨時間推移，風(fēng)速不斷增大，最大 值達(dá)到35 m/s。強降水前期長時間深厚的西南氣流積累為降水提供了充足的水汽和能量，具有明顯的中尺度系統(tǒng)影響特征。雷達(dá)在8月10日19:00—8月11日02:00探測的風(fēng)廓線上，近地面至1 km高度層存在風(fēng)數(shù)據(jù)缺測，出現(xiàn)空洞，致使風(fēng)廓線部分雜亂不完整，這主要是由于臺風(fēng)登陸對微弱的風(fēng)廓線雷達(dá)回波干擾影響所造成。

圖3 2019年8月10日12:00—8月11日02:00盤錦地區(qū)水平風(fēng)逐時高度分布 Fig.3 Horizontal wind height distribution in Panjin from 12:00 on August 10 to 02:00 on August 11, 2019

2019年8月10日18:00時，風(fēng)速和風(fēng)向隨高度的變化曲線如圖4所示?？梢钥闯?，水平風(fēng)場資料的 有效獲取高度達(dá)到13.5 km，從近地面到6～13.5 km高度層，隨高度的增加，風(fēng)度不斷變大，最大值為38 m/s，達(dá)到了高空急流的標(biāo)準(zhǔn)。0～6 km高度層，隨高度的增加，風(fēng)速變化稍有雜亂，不規(guī)律；6～13.5 km高度層，風(fēng)速隨高度的增加變化呈規(guī)律的正比關(guān)系，這是由于臺風(fēng)臨近登陸，對大氣底層影響較大，高層影響較小。由圖4還可以看出，500～3 km高度層，風(fēng)向隨高度變化呈現(xiàn)順轉(zhuǎn)關(guān)系；3～4 km高度層，風(fēng)向隨高度變化呈現(xiàn)逆轉(zhuǎn)關(guān)系；4～4.5 km高度層，風(fēng)向隨高度變化再次呈現(xiàn)順轉(zhuǎn)關(guān)系；4.5～5 km高度層，風(fēng)向隨高度變化再次呈現(xiàn)逆轉(zhuǎn)關(guān)系；4.5～5 km高度層，風(fēng)向隨高度變化第三次呈現(xiàn)順轉(zhuǎn)關(guān)系；4.5～5 km高度層，風(fēng)向隨高度變化第三次呈現(xiàn)逆轉(zhuǎn)關(guān)系。同一時刻隨著高度增加，風(fēng)向依次出現(xiàn)順轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)、二次順轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)、三次順轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)。結(jié)合同一等壓面上的溫度平流計算公式：

圖4 2019年8月10日18:00盤錦地區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向隨高度變化的曲線 Fig.4 Curve of (a) wind speed and (b) wind direction with altitude in Panjin at 18:00 on August 10, 2019

式中：f為科式參數(shù)，f=7.292×10–5；Rd為空氣氣體常數(shù)，Rd=8.314。可以得出風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)變化產(chǎn)生暖平流，逆轉(zhuǎn)變化產(chǎn)生冷平流，與圖4變化一致。3～7 km出現(xiàn)了兩條明顯S型曲線，表明在大氣層中冷暖層相互疊加，對流效應(yīng)明顯，呈現(xiàn)多層平流結(jié)構(gòu)。底層有冷平流疊加在暖平流上，大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定，并且風(fēng)速隨高度增高逐漸增大，底層輻合，高層輻散，有利于對流天氣的形成，為強降水產(chǎn)生提供了充足能量。風(fēng)廓線雷達(dá)可以準(zhǔn)確清晰展示出水平風(fēng)廓線資料 隨時間在大氣各個高度層的變化情況，其風(fēng)場資料高時空分辨率的特點是其他類型雷達(dá)無法比擬的。

2.2 徑向速度

在降水情況下，風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的徑向速度為垂直方向氣流運動速度與粒子運動速度之和，向下為正，向上為負(fù)。垂直方向上風(fēng)速絕對值越大，反映出不同高度層上水汽和熱交換的程度越劇烈，因此在一定程度上可以反映對流活動的強弱。

2019年8月10日12:00—8月11日02:00，盤錦強降水開始階段徑向速度隨時間的變化如圖5所示。該徑向速度未作落速訂正，代表了空氣自身垂直運動和降水粒子引起下沉運動的加合后產(chǎn)品。從圖5可以看出，在降水前6 h，從低層到高空為上升的暖濕西南氣流。從18:30開始，4～8 km開始出現(xiàn)明顯下沉氣流，為6 m/s，大氣層5 km范圍內(nèi)主要為下沉氣流，此時強降水開始；8～12 km高空，氣流繼續(xù)被抬升，對流繼續(xù)加強。

圖5 2019年8月10日12:00—8月11日02:00盤錦地區(qū)強降水開始階段徑向速度隨時間變化 Fig.5 The radial velocity at he beginning of heavy precipitation in Panjin changes with time from 12:00 on August 10 to 02:00 on August 11, 2019

2019年8月12日20:00—13日10:00，盤錦強降水發(fā)展階段徑向速度隨時間的變化如圖6所示?？梢钥闯?，本次強降水最大極值區(qū)域在5 km高度層。徑向速度存在一個明顯的分界線，5 km以下徑向速度為8 m/s，極值為9 m/s；5 km以上徑向速度均值為0 m/s。下沉氣流主要集中在5 km以下，強降水主要由5 km高度對流層降水云系引起，5 km以上以微弱上升氣流為主。徑向速度大于9 m/s的垂直速度發(fā)生在12日20:00—13日10:00，并且下沉氣流最大值出 現(xiàn)在13日09:00，達(dá)到11.2 m/s。這與強降水最大時段相吻合，即從12日20:00強降水開展，在13日00:00左右，降雨強度達(dá)到極值，13日10:00強降水結(jié)束。由以上分析可知，風(fēng)廓線雷達(dá)徑向速度探測到約9 m/s的垂直下沉速度反映了強降水的開始和結(jié)束時間，且垂直下沉速度數(shù)值越大，降水越強。風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的徑向速度是空氣中自身垂直氣流下沉速度與降水時降水粒子下落速度共同造成的，從一定程度上也反映了降水粒子的密度，可進(jìn)一步根據(jù)徑向速度的大小來判斷是否有強降水發(fā)生。

圖6 2019年8月12日20:00—13日10:00盤錦地區(qū)強降水發(fā)展階段徑向速度隨時間變化 Fig.6 The radial velocity development stage of Panjin area changes with time from 20:00-12 August 10 to 10:00—13 August 10, 2019

2019年8月15日00:00—14:00，盤錦地區(qū)強降水結(jié)束階段徑向速度隨時間的變化如圖7所示。從圖7可以清晰看出，8月15日03:30強降水基本結(jié)束。地面到5 km大氣層范圍內(nèi)，徑向速度約為1 m/s，但其降雨粒子真實下落速度應(yīng)該大于1 m/s，空中還有 微弱降水存在。直到8月15日23:30，徑向速度為– 0.2 m/s，接近于0，降水完全停止。

圖7 2019年8月15日00:00—14:00盤錦地區(qū)強降水結(jié)束階段徑向速度隨時間變化 Fig.7 The radial velocity at the end of heavy precipitation in Panjin changes with time from 00:00 to 14:00 on August 15, 2019

2.3 信號噪聲比

2019年8月10日12:00—8月11日02:00，盤錦地區(qū)強降水開始階段信噪比隨時間變化如圖8所示?？梢钥闯?，強降水前6 h，10日12:00—18:00，SNR數(shù)值在25 dB左右，空中一直存在著微弱降雨過程。10日18:30，SNR數(shù)值開始不斷變大，預(yù)示著強降水即將到來。

圖8 2019年8月10日12:00—8月11日02:00盤錦地區(qū)強降水開始階段信噪比隨時間變化 Fig.8 The signal-to-noise ratio at the beginning of heavy precipitation in Panjin changes with time from 12:00 on August 10 to 02:00 on August 11, 2019

2019年8月12日20:00—13日10:00，強降水發(fā)展階段信噪比隨時間的變化如圖9所示?？梢钥闯?，SNR數(shù)值55 dB的出現(xiàn)標(biāo)志著此次強降水的極大值區(qū)域。在13日09:00出現(xiàn)70 dB SNR極大值，這與前面分析的降水最強時刻及徑向速度出現(xiàn)極大值時間完全吻合，有著較好的對應(yīng)關(guān)系。SNR數(shù)值55 dB的出現(xiàn)對應(yīng)了此次降雨過程中最強降水時段的開始與結(jié)束，SNR強度與降水強度有著密切的對應(yīng)關(guān)系。

圖9 2019年8月12日20：00時—13日10:00強降水發(fā)展階段信噪比隨時間變化 Fig.9 The signal-to-noise ratio of the heavy precipitation development stage changes with time from 20:00 to 13:10 on August 12, 2019

2019年8月15日00:00—14:00，盤錦地區(qū)強降水結(jié)束階段信噪比隨時間的變化如圖10所示。從圖 10可以清晰看出，15日03:30左右，強降雨過程基本結(jié)束。SNR數(shù)值由50 dB左右突降20 dB左右，空氣中還存在著微弱的降水。直到15日23:30左右，降水完全停止。

圖10 2019年8月15日00:00—14:00盤錦地區(qū)強降水結(jié)束階段信噪比隨時間變化 Fig.10 The signal-to-noise ratio at the end of heavy precipitation in Panjin changes with time from 00：00:00 to 14:00on August 12, 2019

2.4 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

2019年8月10日12:00—8月11日02:00，盤錦地區(qū)強降水開始階段折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間的變化如圖11所示。Cn2是反映大氣湍流狀況的常數(shù)，它與大氣的濕度有關(guān)，通過平均的溫度和氣壓來計算，是大氣光學(xué)湍流強度的一個重要參量，可以看作是多普勒天氣雷達(dá)不同時刻RHI回波特征。由圖11可知，強降水前6 h，8月11日12:00—18:00，在5 km高度層以下，Cn2維持在1.0×10–13以上；在5～12 km高度層，Cn2維持在1.0×10–16左右，并且隨著高度的增加而逐 漸變小。

圖11 2019年8月10日12:00—8月11日02:00盤錦地區(qū)強降水開始階段折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間變化 Fig.11 The refractive index structure constant at the beginning of heavy precipitation in Panjin area changes with time from 12:00 on August 10 to 02:00 on August 11 , 2019

2019年8月12日20:00—13日10:00，強降水發(fā)展階段折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間的變化如圖12所示?？梢钥闯?，8月12:20時—13日10:00，Cn2大于1.0×10–10區(qū)域標(biāo)志著此次強降水的極大值區(qū)域，并且在10 km高度層以下，隨著高度的降低，Cn2不斷增大。由以上分析可以判斷，Cn2為1.0×10–10對應(yīng)了最強降水時段的開始和結(jié)束，Cn2最大值出現(xiàn)的探測高度和持續(xù)時間與降水有著密切關(guān)系。

圖12 2019年8月12日20：00時—13日10:00強降水發(fā)展階段折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間變化 Fig.12 The refractive index structure constant during the development stage of heavy precipitation changes with time from 20:00 on August 12 to 10:00 August 13 , 2019

2019年8月15日00:00—14:00，盤錦地區(qū)強降水結(jié)束階段折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間的變化如圖13所示。從圖13可以清晰看出，15日03:30左右，強降雨過程基本結(jié)束。Cn2數(shù)值突降至1.0×10–16左右，空氣中還存在較多的水汽。直到15日23時30分，降水停止。

圖13 2019年8月15日00:00—14:00盤錦地區(qū)強降水結(jié)束階段折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間變化 Fig.13 The refractive index structure constant at the end of heavy precipitation in Panjin area changes with time from 00:00 to 14:00 on August 15, 2019

2.5 速度譜寬

2019年8月10日12:00—8月11日02:00，盤錦地區(qū)強降水開始階段速度譜寬隨時間的變化如圖14所示?？梢钥闯觯?月10日18:30開始，5 km高度層以下，速度譜寬均值在2.5 m/s以上；5 km高度層以上，速度譜寬接近0 m/s左右。5 km大氣高度層內(nèi)，速度譜寬數(shù)值不斷增大，預(yù)示著強降水即將開始。

圖14 2019年8月10日12:00—8月11日02:00盤錦地區(qū)強降水開始階段速度譜寬隨時間變化 Fig.14 The velocity spectrum width at the beginning of heavy precipitation in Panjin area changes with time from 12:00 on August 10 to 02:00 on August 11 , 2019

2019年8月15日00:00—14:00，盤錦地區(qū)強降水結(jié)束階段速度譜寬隨時間的變化如圖15所示。從圖15可以清晰地看出，15日03:30左右，速度譜寬由2.5 m/s突降至0 m/s左右，強降水過程基本結(jié)束。降雨不同高度層內(nèi)的速度譜寬與其降雨量存在著顯著的線性關(guān)系，即降雨強度越強，速度譜寬數(shù)值越大。因此，利用速度譜寬的變化趨勢，可以得到降水強的變化趨勢。在強降水過程時段，速度譜寬與降雨強度 存在正比的線性關(guān)系，但是近地面300 m內(nèi)，兩者的相關(guān)性不明顯，相關(guān)性很差。這是由于近地面地物雜波的影響與干擾導(dǎo)致，速度譜寬對速度差值十分敏感，即便微弱的地物雜波，對其都有很大的影響，所以在近地面區(qū)域會顯示相關(guān)性變?nèi)趸蚩雌饋聿痪呦嚓P(guān)性的特點[15-17]。

圖15 2019年8月15日00:00—14:00盤錦地區(qū)強降水結(jié)束階段速度譜寬隨時間變化 Fig.15 TheVelocity spectrum width at the end of heavy precipitation in Panjin area changes with time from 00:00 to 14:00 on August 15, 2019

2.6 多要素資料擬合分析

2019年8月12日06:00盤錦地區(qū)強降水多要素資料擬合如圖16所示。將同一時刻水平風(fēng)廓線、垂直速度、速度譜寬、信噪比、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)多種資料擬合在一起進(jìn)行驗證分析。雷達(dá)采用全模式5波束觀測。從圖16可知，在5 km大氣高度層以下，水平風(fēng)廓線資料出現(xiàn)順轉(zhuǎn)輻合上升，聚集大量的水汽和能量，垂直速度均在5 m/s以上，速度譜寬均值在2.5 m/s 以上，SNR均值在50 dB以上，Cn2均值在1.0×10–13以上。從圖像可以直觀看出，風(fēng)廓線雷達(dá)各資料有著較好的對應(yīng)關(guān)系，可彼此互為驗證。

圖16 2019年8月12日06:00盤錦地區(qū)強降水多要素資料擬合 Fig.16 The heavy precipitation multi-factor data fitting in Panjin area at 06:00 August 12, 2019

3 高頻地波雷達(dá)與雙偏振雷達(dá)水平風(fēng)場資料

高頻地波雷達(dá)是利用垂直極化高頻電磁波沿高導(dǎo)電率海水表面的繞射特性，實現(xiàn)對海洋環(huán)境氣象要素產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)測，主要資料有風(fēng)場、流場、浪場。程攀等[18]利用高頻地波雷達(dá)對風(fēng)場資料應(yīng)用分析，結(jié)果表明，在風(fēng)速<6 m/s、6～10 m/s和>10 m/s的不同風(fēng)力條件下，高波地波雷達(dá)都有很好的可用性，作為大風(fēng)過程分析、大風(fēng)預(yù)警和強降水過程輔助研究是很好資料。文中給出了高頻地波雷達(dá)所探測到的海平面風(fēng)場，探測范圍在數(shù)據(jù)有效半徑（150 km）之內(nèi)80 km左右，距海平面高度10 m左右，平均風(fēng)速為8 m/s。說明在降水過程發(fā)展強盛時期，海平面上主導(dǎo)的西南風(fēng)場輸送大量暖濕氣流，在盤錦匯聚，受夏季城市熱力抬升作用，為降水過程提供能量。

高頻地波雷達(dá)風(fēng)場信息可用來印證風(fēng)場輸送情況，從垂直和水平兩個角度以及從高空和近地面兩個角度，得到同為西南氣流為強降水發(fā)生提供水汽能量的結(jié)論。圖17為2019年8月12日12:00時盤錦地區(qū)強降水前6 h高頻地波雷達(dá)海平面上10 h左右水平風(fēng)場資料，受“利奇馬”臺風(fēng)登陸影響，從圖17上可以看出，強降水前期，海面大風(fēng)主要為西南風(fēng)控制，50 km范圍內(nèi)風(fēng)力均值在8 m/s。前期充足的西南風(fēng)場氣流、海水浪場涌動、流場滾動為強降水的發(fā)生聚集了大量的水汽能量，這與風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)廓線資料（圖3）分析結(jié)論完全一致。高頻地波雷達(dá)水平風(fēng)場資料只能展示半徑150 km、海平面上空10 m高度層內(nèi)、120°扇形范圍的風(fēng)場實況，風(fēng)場資料在探測范圍和時空分辨率等多方面存在局限性。

圖17 2019年8月12日12:00盤錦地區(qū)強降水風(fēng)廓線資料 Fig.17 The heavy precipitation wind profile data in Panjin area at 12:00 August 12, 2019

2019年8月11日18:00營口雙偏振雷達(dá)水平風(fēng)廓線資料如圖18所示。結(jié)合多個不同時刻、不同仰角雙偏振雷達(dá)風(fēng)場資料與上述風(fēng)廓線產(chǎn)品資料聯(lián)合分析可看出，1 km以下近地面為東北風(fēng)，1～3 km為東南風(fēng)，3～5 km以上為南風(fēng)，5 km以上為西南風(fēng)。風(fēng)向隨高度呈順時針旋轉(zhuǎn)，順轉(zhuǎn)產(chǎn)生暖平流，底層到高空風(fēng)場呈輻合的趨勢。在8 km以上，風(fēng)向出現(xiàn)微弱的逆時趨勢，逆轉(zhuǎn)產(chǎn)生冷平流，高空風(fēng)場呈微弱的輻散趨勢。從零風(fēng)速線到低層1～2 km處存在明顯的東南大風(fēng)速區(qū)，中心風(fēng)速為20 m/s[19-20]。雙偏振雷達(dá)某一時刻水平風(fēng)場資料獲取同單偏振雷達(dá)獲取風(fēng)場資料原理一樣，是在假設(shè)大氣風(fēng)場線性均勻的狀態(tài)下，通過線性擬合運算得到，其單一時刻的風(fēng)場資料只能反映出大氣中真實風(fēng)場實況的趨勢，一般需要與多個時刻風(fēng)場資料或徑向速度資料結(jié)合分析，獨立應(yīng)用風(fēng)場資料不能給出定性結(jié)論需進(jìn)一步驗證。

圖18 2019年8月11日18:00營口雙偏振雷達(dá)風(fēng)廓線資料 Fig.18 Wind profile data of Yingkou dual-polarization radar at 18:00 on August 11, 2019

2019年8月11日18:00營口雙偏振雷達(dá)徑向速度資料如圖19所示。盤錦位于營口北偏西方向130 km 左右，由圖19可看出，在以雷達(dá)站為中心點，探測半徑為230 km的等距離圓內(nèi)，呈現(xiàn)出了明顯的S形曲線。由徑向速度資料可知，從大氣低空到高空存在底層風(fēng)向順轉(zhuǎn)、高層逆轉(zhuǎn)，高層風(fēng)向逆轉(zhuǎn)產(chǎn)生的冷平流疊加在底層風(fēng)向順轉(zhuǎn)產(chǎn)生的暖平流之上，大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定，有利于對流性降水的發(fā)生。從徑向速度圖的面積上看，底層負(fù)速度面積大于正速度面積，利于氣流輻合上升，高層正速度面積大于負(fù)速度面積，利于輻散下降。雙偏振雷達(dá)徑向速度的分析結(jié)果可對其風(fēng)場資料的分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗證，兩者相互結(jié)合分析可對降水進(jìn)行預(yù)測。風(fēng)廓線雷達(dá)可以獨立應(yīng)用水平風(fēng)廓線資料得到風(fēng)廓線隨時間在各大氣高度層的精準(zhǔn)變化趨勢，進(jìn)而獨立應(yīng)用高時空分辨率的風(fēng)廓線資料判斷是否有降水發(fā)生[21]。

圖19 2019年8月11日18:00營口雙偏振雷達(dá)徑向速度資料 Fig.19 The radial velocity data of Yingkou dual polarization radar at 18:00 on August 11, 2019

4 結(jié)論

1）風(fēng)廓線雷達(dá)廓線資料可以展示大氣水平運作在垂直方向的細(xì)微結(jié)構(gòu)，清晰直觀地反映出降水過程中風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)和變化特征，直觀反映強降水開始前至降水結(jié)束后大氣的微觀風(fēng)場變化，對強降水預(yù)報預(yù)警有重要意義和使用價值。定性判斷和定量分析風(fēng)向、風(fēng)速隨時間和空間的不連續(xù)變化，可以掌握天氣系統(tǒng)的活動。在強降水階段，大氣對流上升和下沉運動嚴(yán)重不規(guī)律，探測資料很難滿足局地均勻、各向湍流同性的條件，在一定程度上會影響回波信號，空氣中存在大量的強降水粒子，也會降低風(fēng)數(shù)據(jù)的獲取率。當(dāng)降水減弱時，湍流運動逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，風(fēng)數(shù)據(jù)獲取的峰值時間稍有偏差，這是由于降水最強階段數(shù)據(jù)獲取率較低所造成。因此，低的風(fēng)數(shù)據(jù)獲取率在某種意義上對強降水也存在一定的指示意義。

2）風(fēng)廓線雷達(dá)徑向速度、信噪比（SNR）、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（Cn2）能清晰反映此次強降水開始、結(jié)束、降水持續(xù)時間和強度。9 m/s的徑向速度對應(yīng)了強降水的開始和結(jié)束，垂直下沉速度越大，降水越強。55 dB信噪比的出現(xiàn)和結(jié)束對應(yīng)了強降水的始末時間，最大信噪比70 dB的出現(xiàn)對應(yīng)了降水強度最大極值點。折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)1.0×10–10的出現(xiàn)和結(jié)束反映了降水的始末時間，最大值 1.0×10–10出現(xiàn)的最大探測高度和持續(xù)時間與降水有密切的關(guān)系。降雨不同高度層內(nèi)的速度譜寬與其降雨量存在著顯著的線性關(guān)系，即降雨強度越強，速度譜寬數(shù)值越大，反之利用速度譜寬的變化趨勢可以得到降水強的變化趨勢。

3）將風(fēng)廓線雷達(dá)多種二次產(chǎn)品進(jìn)行擬合相互比對分析，均可得到高度一致分析結(jié)果。在5 km大氣高度層以下，水平風(fēng)廓線資料出現(xiàn)順轉(zhuǎn)輻合上升聚集大量的水汽和能量，垂直速度數(shù)值均在5 m/s以上，速度譜寬均值在2.5 m/s以上，SNR均值在50 dB以上，Cn2均值在1.0×10–13以上。從圖像可以直觀看出風(fēng)廓線雷達(dá)各資料有著較好的對應(yīng)關(guān)系，可彼此互為驗證。

4）通過高頻地波雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)水平風(fēng)廓線資料進(jìn)行輔助分析，均可得到與風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場分析一致結(jié)論，驗證了TWP16風(fēng)廓線雷達(dá)高時空分辨率獨特的優(yōu)勢，可從不同角度探測中小尺度天氣系統(tǒng)與暴雨等強對流天氣。