一次冷渦背景下強對流過程中風廓線雷達的應用

摘" 要：該文利用南通市興東國家站風廓線雷達提供的資料，通過統(tǒng)計方法分析2017年8月7日南通出現(xiàn)的一次強對流天氣過程。結(jié)果表明，此次強對流天氣發(fā)生在冷渦背景下，處在副高邊緣，本地水汽條件較好。風廓線雷達在強對流發(fā)生前能夠清晰地體現(xiàn)冷暖平流的分布，風向風速的變化，對強對流過程的預報預警有很好的指示意義。垂直速度和信噪比與對流發(fā)生趨勢較為一致，能夠較好反映對流的變化。大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)能夠很好地反映強對流的發(fā)生和結(jié)束。垂直風切變在強對流發(fā)生前60 min出現(xiàn)明顯增大。

關鍵詞：風廓線雷達；東北冷渦；強對流；垂直速度；信噪比；垂直風切變

中圖分類號：P457.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0086-04

Abstract： A severe convective weather process on August 7， 2017 is analyzed using the wind profile radar of Nantong Xingdong National Station. The results show that the severe convective weather occurs under the background of cold vortex and is at the edge of the subtropical high， and the local water vapor condition is better. Before the occurrence of strong convection， the wind profile radar can clearly reflect the distribution of cold and warm advection and the change of wind direction and speed， which has a good indication significance for the prediction and early warning of strong convection process. The vertical velocity and signal-to-noise ratio （SNR） are consistent with the trend of convection， which can better reflect the change of convection. The atmospheric refractive index structure constant can well reflect the occurrence and end of strong convection. The vertical wind shear increased significantly 60 min before the onset of severe convection.

Keywords： wind profile radar; northeast cold vortex; strong convection; vertical velocity; signal-to-noise ratio（SNR）; vertical windshear

東北冷渦是強對流天氣發(fā)生的一種典型氣象條件，這類強對流天氣具有尺度小、突發(fā)性強的特點。東北冷渦的頻發(fā)及穩(wěn)定維持，不僅對東北地區(qū)的天氣氣候有較大影響，其后部偏北氣流所攜帶的冷空氣還對華北、黃淮乃至江淮一帶的強對流天氣有較大影響[1]。近年來，江蘇地區(qū)在冷渦背景下產(chǎn)生的強對流天氣日益增多，破壞性也日趨顯著，因此，精細化預報預警顯得尤為重要。

風廓線雷達利用多普勒效應探測其上空風向、風速等氣象要素隨高度的變化情況，具有時空分辨率高、自動化程度高等優(yōu)點，可以彌補常規(guī)資料在時空分辨率方面存在的不足。朱家亮等[2]利用多普勒雷達、風廓線雷達和地基微波輻射計等新型探測資料對冰雹天氣過程進行分析，發(fā)現(xiàn)風廓線雷達對超低空急流變化極為敏感；楊引明等[3]分析了溫度資料、信噪比、垂直速度等風廓線雷達資料在短時強降水、龍卷風等局地強對流天氣預報中的應用，發(fā)現(xiàn)風廓線雷達時空分辨率高、能有效捕捉大氣動力和熱力特征；梁宸等[4]分析研究了風廓線雷達資料在2次強降水過程中的應用，發(fā)現(xiàn)降水強度與雷達最大探測高度、垂直速度關系密切。

本文通過分析冷渦背景下風廓線雷達產(chǎn)品資料在2017年8月7日晚的一次大范圍強對流過程中的應用，期望在今后的精細化預報預警服務工作中，得到一些啟發(fā)。

1" 天氣形勢

冷渦本體附近和外圍都可產(chǎn)生強對流天氣，冷渦影響的雷暴大風過程大多發(fā)生在春季和夏季[5]。從發(fā)生位置上看，冷渦背景下的雷暴大風最易出現(xiàn)在冷渦的東南部或南部（低部或下半部）。

2017年8月7日21時至23時，南通中南部地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍的強對流天氣過程，全市201個自動氣象站，有17個站點出現(xiàn)9級以上大風，10級以上10個，海門四甲鎮(zhèn)極大風速達到了34.5 m/s（12級），海門國家站極大風速達到了24.8 m/s（10級）。10級以上雷暴大風的出現(xiàn)時間集中在21：27—22：03。

1.1" 環(huán)流形式場

2017年8月7日雷暴大風發(fā)生前，8時500 hPa上冷渦中心位于50°N黑龍江北部地區(qū)，河套地區(qū)有一短波槽存在，引導冷空氣南下，南通位于副高588線附近偏西氣流中，副高北側(cè)的暖濕氣流較為活躍；850 hPa在安徽-湖北一帶存在一條切變線。20時500 hPa冷渦中心穩(wěn)定少動，短波槽東移，副高有所南壓，南通位于槽前西南氣流中；850 hPa切變線東移南通處于西南氣流中。當冷暖空氣相互融合時，會引發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，這就有利于南通地區(qū)強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。

1.2" 物理量特征

很多學者對雷暴大風干濕條件進行了研究和試驗，表明較濕的條件下，低層水汽對雷暴大風的影響更大。才奎志[6]通過分析熱力條件、動力條件和水汽條件，得出動力條件和水汽條件為影響冷渦雷暴大風的主要因素，水汽條件對多單體雷暴大風更為重要。8月水汽條件較好，動力條件減弱，熱力條件占主要作用。

冷渦影響下雷暴大風環(huán)境條件總體特征：中層有冷平流，低層有暖平流，水汽條件偏干，垂直風切變較大，0 ℃層高度相對較低、垂直溫度遞減率較大和具有顯著的對流有效位能（CAPE）[5]。

由于南通沒有探空站，采用了周邊射陽站的探空資料分析。由表1可以看出，0 ℃層高度在5 100 m左右，-20 ℃層高度則在8 500 m左右。850 hPa與500 hPa溫差超過了25 ℃，垂直遞減率較強，有利于產(chǎn)生較強的條件不穩(wěn)定度。K指數(shù)值達到了34 ℃，結(jié)合850 hPa露點溫度看，說明850 hPa水汽條件較好，槽前有較強的暖濕氣流輸送。受冷渦影響，對流層中層有相對干層存在，對流層中下層溫度直減率較大，會產(chǎn)生較大的不穩(wěn)定能量，這些都有利于產(chǎn)生雷暴大風天氣發(fā)生。

2" 風廓線雷達資料的應用

2.1" 水平風

風廓線雷達由于具有探測時空分辨率高和自動化程度高等優(yōu)點，可以提供大氣對流層和邊界層的高分辨率風場結(jié)構(gòu)，對強晴空湍流區(qū)、切變線、急流區(qū)及輻合輻散區(qū)有著不錯的識別能力。

如圖1所示，雷暴大風發(fā)生前，18：00左右，高空10 000 m處已經(jīng)能夠監(jiān)測到大風速區(qū)。18：40，3 000 m以下為西南風，3 000～5 000 m轉(zhuǎn)為偏西風，5 000～7 000 m又轉(zhuǎn)為西南風，說明風向隨高度先順轉(zhuǎn)再逆轉(zhuǎn)。到了19：50，探測高度從地面一直連續(xù)上升到高空10 000 m以上，7 000 m處存在切變，以下均為西南風，并且出現(xiàn)了12 m/s以上的大值區(qū)，有動量下傳，7 000 m以上均為西北風，說明高空有冷空氣滲透，冷暖空氣交匯，有利于強對流的發(fā)生。雷暴大風發(fā)生地位于風廓線雷達的下游，21：25開始從地面一直到2 000 m左右出現(xiàn)西北風的大風速區(qū)，持續(xù)了半個小時左右，21：35海門本站發(fā)生10級雷暴大風。

通過分析表明，對于本次過程而言，風廓線雷達在強對流發(fā)生前就能夠捕捉到明顯的特征，并能夠清晰地體現(xiàn)冷暖平流的分布，風向、風速的變化，對強對流過程的預報預警有很好的指示意義。

2.2" 垂直速度與信噪比

一般來說，對流、系統(tǒng)性垂直運動、大氣波動和大氣亂流是導致大氣的垂直運動4種原因。風廓線雷達探測到的垂直速度代表了空氣垂直運動和降水粒子下沉運動的總和[7]，當垂直速度為負時，表示空氣呈上升運動；反之，則表示空氣呈下沉運動。信噪比是雷達信號中氣象信號與噪聲信號的比值，信噪比與回波功率成正比。在風廓線雷達6 min時間間隔的連續(xù)觀測資料中，可以得到不同尺度天氣系統(tǒng)造成的垂直運動。因此，通過繪制垂直速度時間-高度剖面圖，可以分辨出多種尺度的大氣垂直速度。

風廓線探測到的垂直速度大小隨高度波動較大時，說明在大氣的不同層次之間熱力或動力差異較大時，預示此對流風暴可能伴隨有強對流天氣[3]，因而它有可能成為判斷對流發(fā)展強弱的一個重要指標。

從垂直速度和信噪比圖上（圖2），可以看出，19：59—20：35和21：05—23：39，垂直速度隨時間和高度分布波動最大，垂直速度均大于4 m/s，但第二段時間內(nèi)對流強度明顯要比第一段強，尤其是21：10—21：40之間垂直速度最大值超過10 m/s，大值中心的高度在3 000～5 000 m，預示可能伴隨著強烈的對流天氣。信噪比情況跟垂直速度類似，但大值區(qū)位置較低，位于1000 m左右。說明發(fā)生雷暴大風過程中，風廓線雷達的垂直速度和信噪比與對流發(fā)生趨勢較為一致，能夠較好地反映對流變化。

2.3" 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（CN2）

大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)反映了大氣湍流變化的程度，可以分析出對流演變情況，主要由溫度或水汽壓的變化決定。當大氣中的水汽含量顯著增加時，大氣折射常數(shù)也會隨之增大。同時，還會出現(xiàn)探測高度上升的情況[8]。 分析大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間的變化（圖3），19：50起，CN2有一次短暫的增大，此時，發(fā)生了一次強對流天氣，海門出現(xiàn)了3站8級以上大風，海門包場鎮(zhèn)劉浩極大風速為20.2 m/s；21：10前后開始，CN2再次明顯增大，最大值高度在5 000 m左右，大于-120 dB以上，這時海門發(fā)生了10級雷暴大風。

2.4" 垂直風切變

強的垂直風切變是強風暴發(fā)生的轉(zhuǎn)換條件，有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。強的垂直風切變使上升氣流和下沉氣流能夠長時間共存，不會因降水拖曳作用而減弱上升氣流，同時，加強了中層冷空氣的吸入，通過強迫抬升使暖濕氣流更強烈地上升，從而加強對流。計算0～3 km、0～6 km垂直風切變可以得出，強對流發(fā)生需要存在較大的垂直風切變。

計算風矢量值的變化，得到垂直風切變（圖4），可以看出，19：50—23：40底層的垂直風切變增大，大值區(qū)大致在1 000 m以下，隨后減弱，垂直風切變較雷暴大風發(fā)生時間提前了0～60 min。由此可以判斷強對流天氣發(fā)生的時間。

3" 結(jié)論

1）此次的強對流過程發(fā)生在冷渦背景下，發(fā)生雷暴大風時，冷渦中心位于50°N附近黑龍江以北地區(qū)，南通位于冷渦底前部，處在副高邊緣，同時副高穩(wěn)定維持；本地水汽條件較好。

2）風廓線雷達在強對流發(fā)生前就能夠捕捉到明顯的特征，并能夠清晰地體現(xiàn)冷暖平流的分布，風向風速的變化，對強對流過程的預報預警有很好的指示意義。垂直速度大于4 m/s，信噪比衰減不明顯，垂直速度隨高度的波動及波動發(fā)展的高度，可以判斷對流發(fā)展的強度。垂直風切變的大值區(qū)大致在1 000 m以下，較強對流過程發(fā)生提前0～60 min。

3）冷渦背景下，強對流天氣發(fā)生前，水平風會出現(xiàn)動量下傳的情況，探測高度也會隨之升高。當預報員發(fā)現(xiàn)風廓線探測高度升高時，需要關注強對流天氣的發(fā)生。隨著對流天氣的臨近或發(fā)生，大氣折射結(jié)構(gòu)常數(shù)和垂直風切變增加明顯，需要預報員特別關注。

參考文獻：

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[5] 鄭永光，宋敏敏.冷渦影響中國對流性大風與冰雹的分布特征[J].熱帶氣象學報，2021，37（Z1）：710-720.

[6] 才奎志.冷渦背景下遼寧省不同類型雷暴大風對比分析研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學，2020：18-28.

[7] 李典，魯楊，吳宇童，等.冷渦背景下風廓線資料在沈陽對流天氣預報中的應用[J].干旱氣象，2016，34（5）：886-897.

[8] 李典，李崇，班偉龍，等.風廓線雷達資料在沈陽冰雹天氣過程中的分析應用[J].中國農(nóng)學通報，2015，31（2）：243-248.