風(fēng)廓線雷達(dá)資料在強(qiáng)降水過程中的特征及應(yīng)用

摘" 要：該文通過對(duì)比分析南寧機(jī)場(chǎng)2次降雨過程的邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，研究強(qiáng)降水天氣過程風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)、垂直速度、最大探測(cè)高度與降雨強(qiáng)度之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，低空急流、高空急流的耦合發(fā)展有利于降水強(qiáng)度的增強(qiáng)，低空急流向下擴(kuò)展的程度與降水強(qiáng)度之間呈正相關(guān)；強(qiáng)降水開始前，風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度會(huì)出現(xiàn)突增，其增大的程度與降水強(qiáng)度呈正相關(guān)；垂直速度的變化與降水的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、雨強(qiáng)變化相對(duì)應(yīng)，降水強(qiáng)度與下沉氣流強(qiáng)度呈正相關(guān)，與最大下沉速度所在高度呈負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá)；強(qiáng)降水；急流；最大探測(cè)高度；垂直速度

中圖分類號(hào)：P413" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）31-0110-04

Abstract： In this paper， the correlation between the horizontal wind field， vertical velocity， maximum detection height of the wind profilerand the rainfall intensity in the process of heavy precipitation is studied by comparing and analyzing the detection data of boundary layer wind profile radar during two rainfall processes in Nanning Airport. The results show that the coupling development of upper-level jet stream and low-level jet stream is conducive to the enhancement of precipitation intensity， and the degree of downward expansion of low-level jet stream is positively correlated with precipitation intensity. Before the onset of heavy precipitation， the maximum detection height of a wind profile radar will sharply increase， and the degree of increase is positively correlated with the intensity of the precipitation. The change of vertical velocity corresponds to the change of precipitation beginning time， end time and rain intensity. The precipitation intensity is positively correlated with the downdraft intensity and negatively correlated with the height of the maximum downdraft velocity.

Keywords： wind profile radar; heavy precipitation; jet stream; maximum detection height; vertical velocity

風(fēng)廓線雷達(dá)主要利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)等物理量進(jìn)行探測(cè)，與常規(guī)探測(cè)手段相比，風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)資料具有時(shí)空分辨率高和精度高的特點(diǎn)；利用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)單點(diǎn)上方的大氣進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)，有利于監(jiān)視和研究中、小尺度天氣系統(tǒng)的變化過程。劉淑媛等[1-2]利用水平風(fēng)廓線雷達(dá)分析了風(fēng)切變、冷暖平流、高空急流、低空急流和地面風(fēng)場(chǎng)輻合等特征；古紅萍等[3]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析北京一次強(qiáng)降水天氣過程發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水與低空急流、地面風(fēng)場(chǎng)的輻合聯(lián)系密切；董保舉等[4]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析大理市一次暴雨過程發(fā)現(xiàn)高空氣流的向下脈動(dòng)與降水強(qiáng)度的增強(qiáng)有緊密聯(lián)系。周志敏等[5]通過分析一次冰雹過程發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的垂直速度的大小及厚度與對(duì)流的強(qiáng)弱存在聯(lián)系。

本文利用南寧機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料，對(duì)比分析2022年5月12—13日2次不同強(qiáng)度降雨過程中風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直速度的變化特征，探究它們和降雨強(qiáng)度、降水變化過程之間的內(nèi)在聯(lián)系，為風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用于強(qiáng)降水天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

1" 資料選取

本文選取ERA5再分析資料（風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度、比濕、海平面氣壓場(chǎng)，精度為0.25°×0.25°）、南寧機(jī)場(chǎng)常規(guī)氣象觀測(cè)資料及風(fēng)廓線雷達(dá)資料（水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直速度）。其中風(fēng)廓線雷達(dá)型號(hào)為CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，最高探測(cè)高度大于等于3 km，最低探測(cè)高度100 m，高度分辨率為30 m，時(shí)間分辨率為6 min。

2" 天氣過程概況

2022年5月11日20：00—13日20：00（北京時(shí)間，下同），受高空淺槽東移及低層低渦、切變線影響，廣西自西北向東南出現(xiàn)大面積對(duì)流性天氣，南寧機(jī)場(chǎng)分別在12日、13日清晨出現(xiàn)降水過程。由圖1可知，12日降雨時(shí)段集中在4：30—8：00，有4個(gè)降水量峰值區(qū)，最大10分鐘降雨量7.8 mm，最大1小時(shí)降水量為33.0 mm，過程累計(jì)降水量為70.9 mm。13日降雨時(shí)段集中在07：40—10：00（圖略），過程累計(jì)雨量較小，僅為13.6 mm。

3" 天氣形勢(shì)分析

對(duì)比12日08：00和13日08：00的天氣形勢(shì)圖可知（圖略），12日08：00，南寧機(jī)場(chǎng)上空200 hPa存在明顯的輻散場(chǎng)；500 hPa有高空淺槽東移至廣西中部一帶，南寧機(jī)場(chǎng)位于槽前正渦度平流區(qū)域；850 hPa南寧機(jī)場(chǎng)處于低渦西南側(cè)、低空急流左側(cè)的正渦度區(qū)，水汽通量散度為負(fù)，水汽條件和動(dòng)力條件好；地面在北部灣存在一支強(qiáng)盛的偏南氣流，其與南下冷空氣在南寧機(jī)場(chǎng)南側(cè)一帶對(duì)峙，近地層輻合抬升作用明顯，有利于強(qiáng)降水天氣發(fā)生。

13日08：00，200 hPa仍處于高空急流入口區(qū)，但輻散減弱，高層抽吸作用減小；500 hPa桂西有淺槽生成，南寧機(jī)場(chǎng)處于槽前西南風(fēng)場(chǎng)中；700 hPa則處于低空急流北側(cè)，強(qiáng)風(fēng)速輻合區(qū)位于廣西南部沿海一帶；850 hPa低渦東移至福建、廣東交界處，南寧機(jī)場(chǎng)受其后側(cè)延伸的弱切變線影響，水汽條件相較前一日有所減弱；地面有冷空氣南下補(bǔ)充，地面輻合線南移至廣西沿海以南、瓊州海峽以北的地區(qū)，近地層存在冷墊，不利于強(qiáng)降水天氣發(fā)生。

4" 探測(cè)資料分析

4.1" 自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)資料

風(fēng)廓線雷達(dá)最低探測(cè)高度為100 m，無法探測(cè)近地層及地面的風(fēng)向風(fēng)速，結(jié)合地面觀測(cè)的實(shí)況，可以使風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的風(fēng)場(chǎng)更完整。結(jié)合圖1可以看出，5月12日04：20，地面偏北風(fēng)突然增大，風(fēng)速極大值為5.9 m/s，表明冷空氣已南下推進(jìn)至南寧機(jī)場(chǎng)，對(duì)應(yīng)該時(shí)段內(nèi)的逐10分鐘降水量有增長(zhǎng)趨勢(shì)；04：50之后地面風(fēng)速減弱至2.0 m/s，逐10分鐘降水量減少；其后地面風(fēng)出現(xiàn)4次風(fēng)速短暫增大、1次風(fēng)向轉(zhuǎn)變的過程，基本與逐10分鐘降水量波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)相吻合，冷鋒過境期間，近地層輻合抬升增強(qiáng)，造成降水增強(qiáng)。

13日07：30—10：00南寧機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)小到中陣雨，該時(shí)段內(nèi)地面風(fēng)向區(qū)間為31°～196°，平均風(fēng)速為2.5 m/s；逐10分鐘降水量?jī)H存在1個(gè)峰值區(qū)，時(shí)段為07：30—08：00，降水量增長(zhǎng)期間地面風(fēng)場(chǎng)有1次轉(zhuǎn)變?yōu)槟巷L(fēng)影響的過程；08：00后南寧機(jī)場(chǎng)地面轉(zhuǎn)受偏北風(fēng)影響，逐10分鐘降水量減少，降水亦趨于穩(wěn)定。

4.2" 風(fēng)廓線雷達(dá)資料

4.2.1" 水平風(fēng)向風(fēng)速

由圖2（a）可以看出，12日00：00—02：00，南寧機(jī)場(chǎng)上空低空急流逐漸加強(qiáng)，急流中心最大風(fēng)速為22 m/s，低空急流范圍分別向上、下方向擴(kuò)展，最低高度為0.9 km。03：00，9 km以上出現(xiàn)一支高速氣流，氣流中心最大風(fēng)速28 m/s，接近高空急流標(biāo)準(zhǔn)，隨后高速氣流范圍也不斷向下擴(kuò)展。04：40，南寧機(jī)場(chǎng)觀測(cè)到中陣雨；06：00后低空急流逐漸減弱，低空急流最低高度抬升至1.5 km以上；08：00，3～4 km高度有淺槽東移過境，降水隨之結(jié)束。12日的強(qiáng)降水發(fā)生前，垂直方向的水平風(fēng)場(chǎng)整體上呈現(xiàn)低空急流區(qū)向上、下方向發(fā)展，高速氣流區(qū)向下發(fā)展，2個(gè)急流區(qū)不斷靠近的特征。

金巍等[6]指出低空急流的強(qiáng)度和伸展高度都直接制約著強(qiáng)降水的強(qiáng)弱。通過對(duì)比13日降水過程的風(fēng)廓線水平風(fēng)場(chǎng)圖（圖2（b））可知，13日00：00—04：00，南寧機(jī)場(chǎng)上空低空急流逐漸加強(qiáng)，急流中心最大風(fēng)速為20 m/s，低空急流范圍向下擴(kuò)展，最低高度為1.2 km，低空急流高度波動(dòng)下降期間，南寧機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)間歇性小陣雨；04：00，低空急流短暫減弱，隨后急流中心風(fēng)速加強(qiáng)到22 m/s，急流高度范圍為1.8～3.5 km；07：00之后，低空急流強(qiáng)度減弱，低空急流最低高度上升至2.5 km；07：40，南寧機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)中陣雨，此時(shí)能觀察到高空水平風(fēng)場(chǎng)較弱，輻散作用不明顯，因此對(duì)流性降水未能進(jìn)一步發(fā)展、維持；08：00，低空急流高度進(jìn)一步上升，南寧機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)為小陣雨，10：00南寧機(jī)場(chǎng)降水結(jié)束。

可以看出，風(fēng)廓線水平風(fēng)向風(fēng)速能在一定程度上反映大氣的動(dòng)力情況和水汽輸送特征。降水發(fā)生前西南低空急流增強(qiáng)，導(dǎo)致其造成的輻合和擾動(dòng)增強(qiáng)及氣流抬升增強(qiáng)，強(qiáng)的水汽輸送有利于中低空不穩(wěn)定能量和水汽的累積。高空形成高速氣流并增強(qiáng)，其下方強(qiáng)垂直切變的環(huán)境風(fēng)為對(duì)流發(fā)展提供動(dòng)力條件，高速氣流入口風(fēng)速輻散區(qū)形成的抽吸作用使上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)。此外，高空高速氣流帶走云體上部增暖的空氣，使不穩(wěn)定層結(jié)得以維持，對(duì)流得以維持和進(jìn)一步發(fā)展。12日強(qiáng)降水發(fā)生前，低空急流、高空高速氣流先后出現(xiàn)向下脈動(dòng)，并在雨強(qiáng)增強(qiáng)的階段在2 km以上的高度形成風(fēng)速大于12 m/s的深厚水汽輸送區(qū)，期間低空急流向下延伸高度最大可至1 km以下。因此，低空急流和高速氣流的相互耦合發(fā)展是造成12日短時(shí)強(qiáng)降水天氣發(fā)生的重要原因，且低空急流脈動(dòng)、向下擴(kuò)展的程度與降水強(qiáng)度之間呈正相關(guān)。

4.2.2" 最大探測(cè)高度

由圖2可知，12日01：00，南寧機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測(cè)高度由6 km突然增大至11 km以上，對(duì)應(yīng)南寧機(jī)場(chǎng)上空處于暖濕氣流輻合區(qū)，受間歇性小陣雨天氣影響；04：40—08：00，南寧機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)中陣雨天氣，風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度維持11 km，未出現(xiàn)進(jìn)一步上升趨勢(shì)；降水結(jié)束后，風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度回落至4.5 km處。13日07：40—10：00，南寧機(jī)場(chǎng)受降水云團(tuán)影響，南寧機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測(cè)高度也由4 km增大至10 km以上，但最大探測(cè)高度維持在10 km以上的時(shí)間較短，與南寧機(jī)場(chǎng)受中陣雨影響的時(shí)段較為一致；降水減弱為小陣雨后，風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測(cè)高度逐漸下降至6 km。

由此可知，在2次降水過程發(fā)生前風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度都有劇增的現(xiàn)象，但不同強(qiáng)度降水過程的風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度存在差異。盧維忠等[7]研究發(fā)現(xiàn)水汽壓的變化對(duì)大氣折射指數(shù)值的影響顯著，大氣折射指數(shù)隨著水汽壓的增加而增加。根據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)的工作機(jī)制，大氣折射率起伏越大，雷達(dá)作用距離就越大，所以大氣濕度越大，雷達(dá)探測(cè)高度越高。南寧機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度突增表明南寧機(jī)場(chǎng)上空空氣中水汽壓增大，即強(qiáng)降水產(chǎn)生前存在明顯的水汽輻合和凝結(jié)。對(duì)比可知，12日降水過程的最大探測(cè)高度相對(duì)較高，降水期間最大探測(cè)高度維持在11 km以上的時(shí)間更長(zhǎng)，因此可以得出結(jié)論，風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度增大的程度和維持時(shí)間與降水強(qiáng)度呈正相關(guān)，對(duì)于降水的預(yù)測(cè)具有一定指示作用。

4.2.3" 垂直速度

風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的垂直速度是空氣垂直運(yùn)動(dòng)和降水粒子末速度之和，降水時(shí)段降水粒子末速度比非降水時(shí)段的空氣垂直運(yùn)動(dòng)速度大一個(gè)量級(jí)[8]。圖2（c）、圖2（d）分別為2次過程中風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的垂直速度，由圖2（c）可知，12日02：30前，南寧機(jī)場(chǎng)上空5 km高度以下為上升氣流控制，速度為0.5 m/s左右；02：30—04：00，南寧機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)弱降水，降水期間南寧機(jī)場(chǎng)為下沉氣流控制，極大值為8 m/s，所在高度為3 km；04：00之后，弱降水停止，下沉氣流有短暫減弱的趨勢(shì)；04：30，下沉氣流突然再次增強(qiáng)，最大下沉氣流速度為8 m/s，所在高度最低為1.2 km，此時(shí)雨強(qiáng)增大。此后強(qiáng)下沉氣流一直影響至10：00。13日降水過程發(fā)生前2小時(shí)（圖2（d）），南寧機(jī)場(chǎng)上空為弱對(duì)流層，無明顯的上升氣流和下沉氣流；07：30—10：00降水期間南寧機(jī)場(chǎng)為下沉氣流控制，極大值僅為6 m/s，且下沉氣流大值區(qū)在垂直方向上不連續(xù)。

因此，垂直速度的變化與降水過程的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、雨強(qiáng)變化基本對(duì)應(yīng)，且降水強(qiáng)度與下沉氣流強(qiáng)弱呈正相關(guān)，與最大下沉氣流所在高度呈負(fù)相關(guān)。

5" 結(jié)論

1）南寧機(jī)場(chǎng)2022年5月12日的強(qiáng)降水過程為高空淺槽東移及低層低渦、切變線南下共同引起，5月13日的降水過程為高空淺槽東移及低層弱切變線共同引起，5月12日的強(qiáng)降水過程擁有更好的動(dòng)力抬升條件及水汽條件。

2）風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)可較好體現(xiàn)單點(diǎn)上空高空槽、冷鋒過境的過程，也可反映低空急流、高層高速氣流的耦合發(fā)展及向下脈動(dòng)，這些都與降水強(qiáng)度的增強(qiáng)有緊密聯(lián)系，低空急流向下擴(kuò)展的程度與降水強(qiáng)度呈正相關(guān)。

3）強(qiáng)降水開始前，風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度有突增的現(xiàn)象，且維持時(shí)間較長(zhǎng)，風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度增大的程度和維持時(shí)間與降水強(qiáng)度呈正相關(guān)。

4）風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直速度產(chǎn)品可清晰反映降水過程的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和雨強(qiáng)變化趨勢(shì)，降水強(qiáng)度與下沉氣流強(qiáng)弱呈正相關(guān)，與最大下沉速度所在高度呈負(fù)相關(guān)。

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