風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在冰雹天氣過程中的應(yīng)用

柯莉萍,張玉逵,鄒書平,蔡 彤,張 艷,呂 靜

(1.貴州省威寧彝族回族苗族自治縣氣象局,貴州 威寧 553100;2.貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽 550081)

0 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)的基本原理是采用多普勒頻移原理,利用大氣湍流運(yùn)動來進(jìn)行測風(fēng),其跟蹤的目標(biāo)物是湍流氣團(tuán)。和探空等其它常規(guī)探測設(shè)備相比較而言,風(fēng)廓線雷達(dá)有分辨率高、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性好等主要優(yōu)點(diǎn)。其與傳統(tǒng)測風(fēng)的不同在于能夠連續(xù)不間斷地探測大氣水平、 垂直風(fēng)場以及大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等要素,為實(shí)時(shí)監(jiān)測中小尺度天氣系統(tǒng)、分析災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展提供了可能,為強(qiáng)降水、冰雹、雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐[1-3]。近年來風(fēng)廓線雷達(dá)因其全天候監(jiān)測大氣風(fēng)場的優(yōu)點(diǎn),在災(zāi)害性天氣預(yù)測預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)上得到了廣泛應(yīng)用。劉淑嬡等[4]分析風(fēng)廓線雷達(dá)與降水實(shí)況資料發(fā)現(xiàn),低空急流與降水強(qiáng)度及出現(xiàn)時(shí)間之間關(guān)系緊密。張京英等[5]通過對風(fēng)廓線資料和每小時(shí)的降水實(shí)況資料分析發(fā)現(xiàn):降水強(qiáng)度的增強(qiáng)與高、低空急流及其向下的脈動有著緊密的聯(lián)系,低空急流的下傳和加強(qiáng)引起暴雨的產(chǎn)生。周芯玉等[6]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析了廣州2次暴雨過程,發(fā)現(xiàn)暴雨的發(fā)生受動量下傳的影響較大,同時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生與低空急流指數(shù)的脈動有很大關(guān)系。刁家敏等[7]研究表明強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段內(nèi),風(fēng)廓線垂直速度在0～5 km顯著增大,最大值可達(dá)9 m·s-1以上。強(qiáng)對流發(fā)生時(shí),0～5 km層有較深的垂直風(fēng)切變存在。楊引明等[8]研究結(jié)果表明:風(fēng)廓線雷達(dá)的信噪比在約大于40 dB的開始和結(jié)束能夠很好地反映降水的開始和結(jié)束時(shí)間。在中小尺度天氣監(jiān)測上,風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在對流性天氣時(shí)體現(xiàn)出回波譜寬加大強(qiáng)度和垂直速度發(fā)生較大的變化[9-10],張小雯等[11]研究表明風(fēng)廓線雷達(dá)在晴空時(shí)垂直速度>0.5 m·s-1,降雪時(shí)為0.5～2 m·s-1,穩(wěn)定降水時(shí)為3～5 m·s-1,對流性降水時(shí)通常>12 m·s-1。天氣系統(tǒng)臨近時(shí),風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測高度和增幅與強(qiáng)降水的強(qiáng)度之間呈正相關(guān)[12]。楊哲等[13]研究表明威寧風(fēng)廓線雷達(dá)資料數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,與探空資料對比有很好的一致性。本文利用貴州省威寧站CFL-03邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)資料,對2022年6月2日發(fā)生在威寧縣城的一次冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水天氣過程進(jìn)行分析,探究本次冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水降水過程發(fā)生、發(fā)展和消亡期間風(fēng)廓線雷達(dá)探測要素的變化特征,為冰雹等強(qiáng)對流災(zāi)害性天氣預(yù)測預(yù)報(bào)預(yù)警積累經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣實(shí)況

貴州省威寧縣城2022年6月2日出現(xiàn)了一次冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水天氣過程,15時(shí)46—48分、16時(shí)07—13分出現(xiàn)了最大直徑為5 mm的冰雹,15時(shí)59分—16時(shí)52分不到1 h時(shí)間內(nèi)降水量達(dá)到31.6 mm,屬于短時(shí)強(qiáng)降水。此次降水天氣過程造成威寧縣城內(nèi)多個低洼地段出現(xiàn)城市內(nèi)澇。

2 環(huán)流形勢分析

圖1是6月2日08時(shí)中尺度系統(tǒng)配置分析圖。從圖示分析看,500 hPa槽位于重慶西南部,威寧處于高空槽南端的前部,高空槽移動過程中,攜帶干冷空氣南下,700 hPa低渦位于四川,威寧受低渦切變前端的暖濕西南氣流影響。850 hPa低渦在重慶東南部,向東沿著貴州北部邊緣伸出一條冷切,冷切橫貫威寧中北部。地面上貴州西北部邊緣的輻合線南壓,極易觸發(fā)威寧對流發(fā)生。500 hPa比濕4 g·kg-1,高層存在干區(qū),700 hPa比濕12 g·kg-1,850 hPa附近測站比濕16 g·kg-1(威寧本站氣壓約780 hPa),低層存在顯著濕區(qū),上干下濕的特征較為明顯,表現(xiàn)為層結(jié)不穩(wěn)定。另外,700 hPa與500 hPa溫度差為14 ℃,利于對流發(fā)生。

圖2為6月2日08時(shí)T-lnP。從圖示分析看,近地面到500 hPa的風(fēng)速切變極大,對流有效位能(CAPE)值為466.5 J·kg-1,有一定的對流潛勢。用14時(shí)的溫度和露點(diǎn)溫度對探空T-lnP圖進(jìn)行訂正,發(fā)現(xiàn)CAPE值增加到了2208.6 J·kg-1,對流抑制能量大,一旦受到環(huán)境條件觸發(fā),就可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的強(qiáng)對流天氣。地形抬升也是6月2日威寧午后強(qiáng)對流天氣發(fā)生的重要影響因素之一。威寧地處云貴高原北部邊緣,北方南下的冷空氣受到橫斷山脈和巫山的阻擋,容易在四川盆地與云貴高原接壤的威寧堆積,導(dǎo)致冷暖空氣在當(dāng)?shù)匕l(fā)生激烈的對流活動。威寧的地理環(huán)境主要體現(xiàn)地勢較高,地形復(fù)雜,地形抬升也容易引導(dǎo)對流的發(fā)展。

圖2 6月2日08時(shí)T-lnP

3 威寧縣冰雹的分布特征

威寧縣3—10月都會出現(xiàn)冰雹,主要出現(xiàn)在4—8月。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),威寧冰雹日數(shù)年平均15.3 d,冰雹易發(fā)多發(fā)。春季少,夏季多,7月最多,4月最少;冰雹可發(fā)生在13—23時(shí),其中15—19時(shí)發(fā)生冰雹頻率最高。發(fā)生冰雹的0 ℃層高度為3700～5900 m,-20 ℃層高度為6800～9200 m;SI指數(shù)在-3～3之間[14]。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),威寧縣冰雹災(zāi)與天氣系統(tǒng)有著密切的關(guān)系,冰雹主要系統(tǒng)特征分為兩大類:一是冷鋒切變大范圍系統(tǒng)性造成的降雹;二是暖氣團(tuán)內(nèi)局地?zé)崂子暝斐傻慕当?此類降雹的災(zāi)害占到了約65%。4—5月威寧縣冰雹主要出現(xiàn)在縣的東南部,東部、南部一線。6—8月受西南季風(fēng)氣流影響,冰雹主要出現(xiàn)在縣的北部、西北部、中部、西南部。

4 風(fēng)廓線雷達(dá)特征分析

4.1 水平風(fēng)場特征

威寧站的CFL-03風(fēng)廓線雷達(dá)為邊界層固定式雷達(dá),其探測高度能夠達(dá)到5 km。探測要素產(chǎn)品主要有水平風(fēng)向、風(fēng)速、垂直氣流、溫度廓線等資料。圖3為威寧站2022年6月2日逐6 min水平風(fēng)場。從圖可以看出(圖中時(shí)間為世界時(shí)),15時(shí)06分2900 m高度以上開始出現(xiàn)>12 m·s-1的大風(fēng),風(fēng)速最大為14 m·s-1,且風(fēng)向以西風(fēng)為主。15時(shí)24分開始500 m以下低空出現(xiàn)了風(fēng)向切變,地面為偏北風(fēng),15時(shí)30分15 000 m高空風(fēng)速逐步增大,1500 m以下威寧站上空風(fēng)向?yàn)槠稀髂巷L(fēng),1500 m以上風(fēng)向逐漸從為西南轉(zhuǎn)為偏西風(fēng),風(fēng)是隨著高度順轉(zhuǎn)一種態(tài)勢,低層輸送的暖平流,屬于不穩(wěn)定層結(jié)。15時(shí)42分2000 m以上出現(xiàn)>12 m·s-1的急流,15時(shí)48分1000 m以上出現(xiàn)20 m·s-1的偏北大風(fēng),高低空垂直風(fēng)切變加強(qiáng),近地面同時(shí)以弱西南偏西風(fēng)為主,較大的垂直風(fēng)切變利于中層干空氣的吸入及加強(qiáng),為對流的發(fā)展提供了有利條件。15時(shí)48分—16時(shí)54分威寧上空以西南風(fēng)為主的低空急流向下傳播,風(fēng)速大小出現(xiàn)明顯變化,風(fēng)向在近地層從西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng),由此表明威寧上空存在利于對流發(fā)展的中小尺度系統(tǒng),縣城本站周邊開始出現(xiàn)冰雹和降水,急流造成的輻合加上近地層風(fēng)向的切變作用對冰雹和降水有明顯的作用。15時(shí)59分—16時(shí)52分不到1 h時(shí)間內(nèi)降雨量達(dá)到了31.6 mm,17時(shí)前后底層也轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),此次天氣系統(tǒng)基本過境,與觀測到的實(shí)況具有很好的一致性。

圖3 15時(shí)12分—18時(shí)42分威寧風(fēng)廓線雷達(dá)逐6 min水平風(fēng)向、風(fēng)速時(shí)間—高度分布

劉淑媛等[4]研究表明:強(qiáng)對流天氣的出現(xiàn)會伴有西南急流的脈動加強(qiáng)和動量下傳。威寧站此次冰雹天氣過程的風(fēng)場特征能夠很好地反映雷達(dá)對水平風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)的探測效果,清楚展現(xiàn)了高低空急流的建立和維持的情況,由此說明風(fēng)廓線雷達(dá)連續(xù)探測到的風(fēng)場特征資料,為提前做好強(qiáng)對流天氣的預(yù)測預(yù)報(bào)預(yù)警提供了很好的依據(jù)。

4.2 風(fēng)廓線雷達(dá)垂直風(fēng)場特征

圖4為風(fēng)廓線雷達(dá)逐半小時(shí)垂直速度隨時(shí)間圖(圖中時(shí)間為世界時(shí))。從圖示可以看出,在15時(shí)30分之前,垂直速度主要為負(fù)速度且值比較小,并且隨高度變化較小。從15時(shí)30分開始,2000 m以上垂直速度發(fā)生了變化,變?yōu)檎俣?16時(shí)在1080 m左右高度上,垂直速度迅速增大到7.0 m·s-1以上,較強(qiáng)的垂直速度逐步向低層延伸到近地200 m左右,保持著>5 m·s-1的強(qiáng)度到21時(shí)前后,垂直速度形成大值區(qū),由此可以看出大氣在垂直方向上存在較不穩(wěn)定層結(jié)。15時(shí)46—48分、16時(shí)07—13分威寧本站開始觀測到直徑為5 mm的冰雹,15時(shí)59分—16時(shí)52分小時(shí)降水量為31.6 mm,為一次典型的雷暴冰雹短時(shí)強(qiáng)降水天氣過程。上述分析表明風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直速度隨高度的波動、發(fā)展能很好地反映大氣垂直熱交換的程度,為強(qiáng)對流的發(fā)展程度分析提供一定的依據(jù)。

圖4 威寧風(fēng)廓線雷達(dá)逐0.5 h垂直速度的時(shí)間—高度分布

4.3 風(fēng)廓線雷達(dá)折射結(jié)構(gòu)系數(shù)(Cn2)特征

折射結(jié)構(gòu)系數(shù)(Cn2)是大氣折射指數(shù)湍流結(jié)構(gòu)常數(shù),與雷達(dá)信噪比成正比。研究表明,大氣中有雨滴、冰晶、云滴存在時(shí)與晴空時(shí)相比較而言,前者雷達(dá)信噪比高于后者,由此表明折射結(jié)構(gòu)系數(shù)也會增強(qiáng)[8]。由圖5可以看出(圖中時(shí)間為世界時(shí)),14時(shí)30分以前折射結(jié)構(gòu)系數(shù)的大值區(qū)高度在2000 m以下,15時(shí)46分降雹開始時(shí)Cn2值延伸到3000 m以上,其值穩(wěn)定在-128～-110 dB之間,Cn2值<-136 dB,探測高度<2000 m時(shí),降水停止。由此可見Cn2能夠反映降水的強(qiáng)弱。

圖5 威寧風(fēng)廓線雷達(dá)逐半小時(shí)Cn2的時(shí)間—高度分布

5 結(jié)論與討論

(1)風(fēng)廓線雷達(dá)的水平風(fēng)場資料能夠很好地反映冰雹天氣過程的風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)及其隨時(shí)間的變化。

(2)風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直速度、折射結(jié)構(gòu)常數(shù)等在一定程度上能夠很好地反映冰雹等強(qiáng)對流天氣的開始、增強(qiáng)和結(jié)束的演變過程。降雹時(shí)Cn2值在-128～-110 dB之間。

(3)風(fēng)廓線雷達(dá)的高時(shí)空分辨率可彌補(bǔ)探空資料時(shí)空分辨率不足,為冰雹等強(qiáng)對流天氣的預(yù)測預(yù)報(bào)預(yù)警提供了依據(jù)。但威寧站風(fēng)廓線雷達(dá)建成的時(shí)間不長,資料的質(zhì)控、分析應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足,還需進(jìn)一步總結(jié)研究,發(fā)揮風(fēng)廓線雷達(dá)資料在冰雹等強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)中的作用。