2012年春季宜春地區(qū)降水期間高空風(fēng)的頻譜分析

魏鳴　慕瑞琪　馬中元

摘要 利用地面和梯度塔的風(fēng)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的頻譜分析已經(jīng)開展很多，而受資料限制，高空風(fēng)的頻譜分析仍較欠缺。本文使用風(fēng)廓線雷達(dá)獲取的長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用傅里葉變換的方法，計(jì)算了風(fēng)的脈動(dòng)譜密度。脈動(dòng)譜能夠反映不同頻率的風(fēng)速漲落對(duì)風(fēng)動(dòng)能的貢獻(xiàn)。使用2012年4月江西宜春前汛期期間的高空風(fēng)連續(xù)數(shù)據(jù)，結(jié)合地面降水資料進(jìn)行了1000～3000 m高度區(qū)間的頻譜分析，發(fā)現(xiàn)地處前汛期雨帶上的宜春地區(qū)降水存在著兩種不同時(shí)間周期的天氣系統(tǒng)影響，脈動(dòng)譜的分布表現(xiàn)出時(shí)間周期為5～7 d和2～3 d的峰值區(qū)。分別對(duì)兩種不同時(shí)間周期的天氣系統(tǒng)頻譜進(jìn)行了分析，并與平穩(wěn)天氣時(shí)的頻譜進(jìn)行比較。5～7 d周期峰區(qū)的脈動(dòng)譜密度數(shù)值為2～3 d的4～5倍，脈動(dòng)譜峰區(qū)在2 000-3 000 m高度上較強(qiáng)，峰值強(qiáng)度向下迅速降低；2～3 d周期的脈動(dòng)譜峰區(qū)在低層比較明顯，峰值強(qiáng)度較弱。風(fēng)的脈動(dòng)譜分布與地面降水的時(shí)間周期較為吻合。

關(guān)鍵詞 風(fēng)廓線雷達(dá) 降水 頻譜分析 脈動(dòng)譜

我國(guó)南方每年4—6月經(jīng)歷第一個(gè)多雨的時(shí)期，雨量多雨期長(zhǎng)，稱其為前汛期，把7—9月稱為后汛期（陳紅和趙思雄，2000）；前汛期降水約占全年40%～50%或更多，是宜春地區(qū)的主汛期。每年因強(qiáng)對(duì)流天氣造成的農(nóng)作物倒伏、房屋倒塌和江河翻船，以及強(qiáng)雷電、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹和龍卷等災(zāi)害，造成十分巨大的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失。因此，深入研究前汛期降水對(duì)人民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，意義重大（鹿世瑾，1990；何金海等，2015；王傳輝等，2015）。

不少學(xué)者使用常規(guī)天氣資料和多普勒天氣雷達(dá)等資料，對(duì)各類降水過程進(jìn)行了深入分析，取得許多研究成果。慕熙昱等（2007）研究指出在颮線帶狀強(qiáng)回波內(nèi)有中尺度渦旋簇、波型特征和弓形回波。阮征等（2002，2008）研究利用雨滴下降的平均多普勒速度，對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)垂直觀測(cè)資料進(jìn)行修正，從而可以得到降水云體中三維風(fēng)隨高度分布的數(shù)據(jù)，并研究基于湍流散射理論，構(gòu)建了風(fēng)廓線雷達(dá)（WPR）強(qiáng)度信息對(duì)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的估算方法。王東海等（2011）對(duì)2008年華南前汛期持續(xù)性致洪暴雨的降水特征及成因進(jìn)行了天氣尺度的研究，將2008年華南前汛期降水過程分為4個(gè)階段，并闡述了每個(gè)階段的降水特征；陳紅和趙思雄（2000）對(duì)1979年第一次全球大氣研究計(jì)劃試驗(yàn)（FGGE）期間華南前汛期3次暴雨過程及其環(huán)流特征進(jìn)行了診斷研究。梁巧倩等（2012）對(duì)華南前汛期MCS的時(shí)空變化特征、發(fā)生發(fā)展的組織形式和天氣學(xué)背景進(jìn)行了分析；吳志偉等（2006）利用全國(guó)160站逐月降水資料，統(tǒng)計(jì)分析了1951—2000年華南前汛期降水、江淮梅雨和華北雨季旱澇事件的分布特征。蘇俐敏等（2012）對(duì)2012年4月兩次颮線過程的雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析，指出具有南北走向的回波帶結(jié)構(gòu)，最易發(fā)生強(qiáng)雷電和短時(shí)強(qiáng)降水天氣；颮線回波帶和超級(jí)單體也是產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)回波系統(tǒng)；這些產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的回波系統(tǒng)，可以由冷鋒、靜止鋒、850hPa切變線、850 hPa能量鋒區(qū)、MCC（MCS）、中尺度地形輻合線、雷暴冷堆、冷出流邊界和局地鋒區(qū)等觸發(fā)機(jī)制產(chǎn)生。

學(xué)者們對(duì)各類降水特征從天氣分析和氣候統(tǒng)計(jì)方面開展了很多研究，但從頻域中獲取天氣系統(tǒng)能量周期的分布、幅度、出現(xiàn)頻率等特征的研究甚少。對(duì)連續(xù)時(shí)間序列風(fēng)的分析研究可以分別針對(duì)時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)開展，時(shí)域研究能量隨時(shí)問變化，頻域則研究能量隨頻率分布，稱為譜分析方法，兩種不同形式的表達(dá)方式以傅里葉變換相聯(lián)系。降水的出現(xiàn)與風(fēng)的變化密切相關(guān)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析有助于研究天氣系統(tǒng)和降水的周期。早在20世紀(jì)50年代，Panofsky（1955）和Griffith et al.（1956）開始運(yùn)用功率譜密度的分析方法分析了兩個(gè)月到4秒時(shí)間范圍的水平風(fēng)速脈動(dòng)譜，研究了其頻譜特點(diǎn)；van der Hoven（1957）利用美國(guó)Brookhoven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室125 m氣象塔上風(fēng)的觀測(cè)資料進(jìn)行了分析，在頻率從0.0007周/小時(shí)～900周/小時(shí)范圍內(nèi)的功率譜中，存在周期為4 d、12 h及約1 min的顯著周期，提出了“譜間隙”現(xiàn)象。這一結(jié)果得到了類似觀測(cè)事實(shí)的證實(shí)（Srinivasa and Anandan，1981，2008；Wuertz，1988）。70年代后，譜分析技術(shù)引入到邊界層湍流研究中，很多學(xué)者對(duì)大風(fēng)過程（劉小紅和洪鐘祥，1996；馬中元等，2011；田玉基等，2011）以及冷鋒（孫愛東和徐玉貌，1997；趙德山等，1982）進(jìn)行譜分析研究。

江西宜春位于前汛期雨帶附近，4—5月降水主要受華南前汛期影響，2012年3月下旬進(jìn)入前汛期雨季，4月江西降水天氣頻發(fā)，累計(jì)降水量為319.7mm，強(qiáng)對(duì)流天氣的主體是中小尺度的冰雹、龍卷、雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和強(qiáng)雷電等天氣。本文根據(jù)江西宜春風(fēng)廓線雷達(dá)2012年4月高空風(fēng)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，用頻譜分析方法分析數(shù)據(jù)周期性變化特點(diǎn)，高空風(fēng)資料反映的能譜特征與降水周期性變化有關(guān)，可以從動(dòng)能和周期的角度認(rèn)識(shí)宜春前汛期降水，有助于了解前汛期內(nèi)大氣各類擾動(dòng)的降水統(tǒng)計(jì)特征，為認(rèn)識(shí)天氣系統(tǒng)提供一種新的思路。

1數(shù)據(jù)處理

風(fēng)廓線雷達(dá)用來彌補(bǔ)常規(guī)高空風(fēng)探測(cè)中時(shí)空密度不夠，作為中尺度災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一部分，對(duì)大氣中風(fēng)的垂直分布具有較高的時(shí)間分辨率。邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)周期約5 min；對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)周期不大于10 min。資料處理后風(fēng)向精度小于10°，風(fēng)速精度小于1.0 m/s。

風(fēng)廓線雷達(dá)的五波束掃描方式，能有效提高降水時(shí)的測(cè)風(fēng)精度，改進(jìn)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量（馬中元等，2009，2011）。宜春風(fēng)廓線雷達(dá)（114°21′36″E，27°47′24″N，130 m）為五波束邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，探測(cè)高度范圍為100～5 980 m，高度分辨率為60～120 m，探測(cè)時(shí)間周期為6 min；在晴空時(shí)探測(cè)高度在3 000 m左右，降水云出現(xiàn)時(shí)，探測(cè)高度可抬升到6 000 m。

頻譜分析數(shù)據(jù)取自2012年4月1日—5月5日期間宜春風(fēng)廓線雷達(dá)連續(xù)探測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)信噪比SsNR）較低時(shí)，探測(cè)的微弱信號(hào)可信度差，因此對(duì)SNR小于-15 dB的風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除，不參與風(fēng)的頻譜分析。

當(dāng)降水粒子作為示蹤物時(shí)，強(qiáng)降水回波信號(hào)造成的低層數(shù)據(jù)飽和會(huì)引起數(shù)據(jù)空洞。風(fēng)的頻譜分析采用半小時(shí)平均的水平風(fēng)數(shù)據(jù)，由于頻譜分析要求數(shù)據(jù)具有較好的連續(xù)性，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性檢驗(yàn)處理，在風(fēng)數(shù)據(jù)序列中，出現(xiàn)大于5點(diǎn)的單時(shí)次缺測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，此列數(shù)據(jù)不參加頻譜分析，為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，頻譜分析時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)序列中出現(xiàn)個(gè)別缺測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，用鄰近的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值填補(bǔ)。

2風(fēng)廓線雷達(dá)資料的頻譜分析方法

2.1時(shí)域信號(hào)頻譜分析

譜分布能更直接地與各種不同尺度的天氣過程相聯(lián)系，提供了在時(shí)間域或空間域中區(qū)分不同周期運(yùn)動(dòng)的一種手段。譜分析得到的譜密度分布，是開展頻譜分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。而譜密度的求取是由時(shí)域信號(hào)自相關(guān)函數(shù)經(jīng)傅里葉變換得到的（駱箭原和朱瑞兆，1987；劉小紅和洪鐘祥，1996）。

2.2脈動(dòng)譜分析

脈動(dòng)譜表示不同頻率的風(fēng)速漲落對(duì)風(fēng)動(dòng)能的貢獻(xiàn)，數(shù)值上等同于漲落數(shù)據(jù)序列相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，在脈動(dòng)譜中更能反映出天氣系統(tǒng)時(shí)間周期，通過脈動(dòng)譜可以發(fā)現(xiàn)不同天氣系統(tǒng)的周期性變化規(guī)律，從而更好地了解大氣運(yùn)動(dòng)與局地天氣過程的關(guān)系。脈動(dòng)譜密度單位為kg·m²·s^-1·m^-3（章小平等，1987）。

為提取較長(zhǎng)時(shí)間序列風(fēng)隨時(shí)間變化，處理中首先計(jì)算隨時(shí)間變化的平均風(fēng)，稱為趨勢(shì)項(xiàng)。在計(jì)算脈動(dòng)譜密度時(shí)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了去趨勢(shì)項(xiàng)的處理，用最小二乘法對(duì)長(zhǎng)序列風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次或高次時(shí)變曲線擬合，求出趨勢(shì)項(xiàng)，并在原始風(fēng)數(shù)據(jù)中扣除，求出風(fēng)的漲落量，以消除長(zhǎng)時(shí)間序列平均風(fēng)隨時(shí)間變化的影響。

3頻譜分析

2012年4月江西進(jìn)入前汛期主雨季，宜春處于前汛期雨帶上，降水天氣頻發(fā)。2012年4月1日一5月5日累積共出現(xiàn)67 h的地面降水，對(duì)地面降水時(shí)間的FY2衛(wèi)星TBB亮溫進(jìn)行平均，如圖1a，可以看到江西中部有一條雨帶維持，宜春正位于這條雨帶尾部。雨帶呈由西南一東北走向，對(duì)4月的FY2云圖分析發(fā)現(xiàn)，雨帶在南北方向稍有擺動(dòng)，云帶上有小的云體沿著雨帶自西向東移動(dòng)。圖2b為4月10日19時(shí)（世界時(shí)，下同）亮溫圖，圖中的積雨云團(tuán)清晰可見，造成宜春地區(qū)的降水天氣發(fā)生。

3.1 2012年4月高空風(fēng)頻譜分析

2012年4月1日—5月5日期間江西宜春地區(qū)共出現(xiàn)了13次降水天氣，對(duì)該時(shí)段總體的天氣形勢(shì)進(jìn)行了風(fēng)頻譜的分析，數(shù)據(jù)選取2012年4月1日一5月5日水平風(fēng)數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)點(diǎn)為l 680點(diǎn)。圖2a是4月1日—5月5日6 000 m高度以下的水平風(fēng)速時(shí)序，根據(jù)數(shù)據(jù)連續(xù)性的檢驗(yàn)結(jié)果，3000 m高度以上可信數(shù)據(jù)獲取率不高，有些高度低于50%，為獲得準(zhǔn)確的頻譜分布，在進(jìn)行脈動(dòng)譜分析時(shí)選取3000 m以下的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究；圖2b為該時(shí)段的地面雨量分布；圖2c為脈動(dòng)譜分布，圖中5條曲線分別為3040 m、2500 m、2020 m、1540 m、1000 m高度上水平風(fēng)的能譜密度曲線。

圖2a清晰地反映了2012年4月宜春6000 m高度以下的水平風(fēng)速分布特征，可見，不同時(shí)間周期所對(duì)應(yīng)的天氣系統(tǒng)。2000～3000m出現(xiàn)風(fēng)速極大值，最大風(fēng)速可達(dá)20 m/s，所對(duì)應(yīng)時(shí)段地面均有降水產(chǎn)生（圖2b），表明高空風(fēng)活動(dòng)與地面降水周期有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)4月1日—5月5日期間半小時(shí)平均的水平風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，脈動(dòng)譜特征（圖2c）反映了一定天氣系統(tǒng)的周期性特征，峰值周期特征在脈動(dòng)譜中表現(xiàn)為兩個(gè)不同時(shí)間長(zhǎng)度的峰區(qū)，圖2c中有三個(gè)較明顯的峰值區(qū)，并在各個(gè)高度上均有表現(xiàn)。第一個(gè)峰值區(qū)的頻率范圍為1.7×10^-6～2.6×10^-6s^-1，對(duì)應(yīng)的峰區(qū)特征周期大約為5～7 d；第二個(gè)峰值區(qū)的頻率范圍為4.0×10^-6～6.0×10^-6s～，對(duì)應(yīng)峰區(qū)特征周期大約為2-3 d；圖中出現(xiàn)的第三個(gè)峰值區(qū)，頻率范圍為1.0×10^-6～2.0×10^-5s^-1，對(duì)應(yīng)的峰區(qū)特征周期大約為0.5～1 d，表現(xiàn)了天氣系統(tǒng)的震蕩周期。這也印證了在數(shù)據(jù)分析中，存在著不同時(shí)間周期的天氣系統(tǒng)。圖中可見，長(zhǎng)周期天氣系統(tǒng)的風(fēng)能譜密度大于短周期天氣系統(tǒng)，5～7 d周期的峰值區(qū)峰值脈動(dòng)譜密度較大，2～3 d周期的峰值區(qū)次之，1 d左右周期的峰值區(qū)峰值脈動(dòng)譜密度最小。脈動(dòng)譜的峰值強(qiáng)度由高層到低層基本呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)，1 000 m高度上的脈動(dòng)譜曲線峰值能量較小，峰值區(qū)也沒有其他高度明顯。

頻譜分析得到的分布周期在水平風(fēng)速時(shí)序（圖2a）和地面雨量（圖2b）中也有所反映，圖中的紅色虛線表征出現(xiàn)的4個(gè)風(fēng)速較大時(shí)段，形成了5～7 d的大風(fēng)周期，圖中還出現(xiàn)了一些時(shí)間周期為2～3 d的小風(fēng)速區(qū)。這種不同時(shí)間長(zhǎng)度的天氣周期可能是由于前汛期雨帶的位置變化所致，雨帶的南北擺動(dòng)導(dǎo)致長(zhǎng)周期的天氣系統(tǒng)出現(xiàn)，而短周期的天氣系統(tǒng)可能是雨帶東西向中的小波動(dòng)導(dǎo)致。

對(duì)4月1日—5月5日數(shù)據(jù)的頻譜分析得到5～7 d和2～3 d不同時(shí)間周期的天氣系統(tǒng)進(jìn)行了提取，計(jì)算了不同時(shí)間周期天氣系統(tǒng)的脈動(dòng)譜密度，對(duì)于5～7 d周期的天氣系統(tǒng)，選取前后各3 d的資料進(jìn)行計(jì)算，2～3 d周期的天氣系統(tǒng)選取前后各1 d的資料進(jìn)行計(jì)算。表1給出不同頻譜周期峰值位置的脈動(dòng)譜密度，以及對(duì)應(yīng)天氣過程的風(fēng)速極值和地面最大雨量。

從表1中可以看到，天氣系統(tǒng)為5～7 d周期的脈動(dòng)譜密度數(shù)值上大于2～3 d；5～7 d周期的天氣系統(tǒng)在3 000 m高度上的風(fēng)速極值也較2～3 d周期大；總體上，與2～3 d周期天氣系統(tǒng)的地面雨量相比，5～7 d周期天氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的降水量較大，表中降水量為T表示單站雨量小于0.1 mm，在此次過程中宜春站沒有出現(xiàn)地面降水。綜合譜密度值、水平風(fēng)速以及地面降水量發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)周期天氣系統(tǒng)的風(fēng)動(dòng)能較大，高空風(fēng)速較大，所產(chǎn)生的降水也較強(qiáng)，系統(tǒng)更加深厚。短周期天氣系統(tǒng)峰區(qū)的譜密度比長(zhǎng)周期天氣系統(tǒng)小得多，但是風(fēng)速的脈動(dòng)仍然是十分活躍的，并且與天氣過程有著密切聯(lián)系。在頻譜分析中還存在著一天以及幾小時(shí)的降水周期，在下節(jié)天氣過程的分析中有所表現(xiàn)，這里不再一一羅列。

3.2平穩(wěn)天氣下頻譜特征

對(duì)北京延慶地區(qū)平穩(wěn)天氣條件下的脈動(dòng)譜進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)歸一化的脈動(dòng)譜密度在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下分布呈線性（Ruan et al.，2014）。對(duì)江西宜春地區(qū)2012年1月平穩(wěn)天氣下的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，圖3選取6 d和3 d連續(xù)平穩(wěn)天氣下的脈動(dòng)譜給出歸一化。圖3a為2012年1月14日00時(shí)—19日24時(shí)1 000 m、2 020 m和3 040 m高度上水平風(fēng)歸一化脈動(dòng)譜分布，圖3b為2012年1月5日00時(shí)—7日24時(shí)這3個(gè)高度上的水平風(fēng)歸一化脈動(dòng)譜分布，資料選用半小時(shí)平均的水平風(fēng)數(shù)據(jù)，6 d的總數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為288點(diǎn)，3 d為144點(diǎn)。在平穩(wěn)天氣條件下，脈動(dòng)譜分布較為平坦，沒有明顯的峰區(qū)，在頻率2×10^-5～10^-1范圍內(nèi)脈動(dòng)譜密度呈線性分布，脈動(dòng)譜密度分布隨高度變化不大，與北京延慶風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算的基本相同。

圖4反映了6 d和3 d平穩(wěn)天氣條件下脈動(dòng)譜分布，數(shù)據(jù)選取與上述一致，用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示。從圖中可看出，譜密度值隨頻率增高而減小，整個(gè)頻段脈動(dòng)譜曲線比較平坦，僅有較小波動(dòng)，表明未有明顯天氣系統(tǒng)過境。6 d平穩(wěn)天氣下的脈動(dòng)譜密度較3 d大，并在3 000 m高度處曲線有一些小的波動(dòng)，可能是由于大氣擾動(dòng)影響所致。隨高度降低，脈動(dòng)譜密度基本呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

3.3 4月24日天氣過程的頻譜分析

4月24日為5～7 d周期中出現(xiàn)的一次雷雨大風(fēng)天氣過程。此次雷暴范圍波及整個(gè)江西，宜春站的地面最大雨強(qiáng)為20.5 mm/h，過程降水量達(dá)45.5mm。地面降水小時(shí)數(shù)為13 h。數(shù)據(jù)選取4月21—26日6 d的半小時(shí)平均水平風(fēng)數(shù)據(jù)，共288個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖5a為3 000 m高度以下的水平風(fēng)速時(shí)序，圖5b為該時(shí)段的脈動(dòng)譜分布。

由圖5a可以看出，4月24日風(fēng)速達(dá)到最大，高空最大風(fēng)速區(qū)出現(xiàn)在2 000～3 000 m高度處，風(fēng)速極大值達(dá)到20 m/s，這時(shí)地面產(chǎn)生強(qiáng)降水。大風(fēng)維持時(shí)間較長(zhǎng)、發(fā)展深厚。這次天氣過程由颮線過境所致，850和700 hPa有較強(qiáng)西南急流存在。脈動(dòng)譜分布（圖5b）中，在3 040 m和2 020 m高度上脈動(dòng)譜密度相對(duì)集中，峰區(qū)也更加明顯，2 020～1 000 m風(fēng)能譜密度迅速減小，與7 d平穩(wěn)天氣下的脈動(dòng)譜分布相比，頻率1.3×10^-3s^-1處出現(xiàn)一明顯的峰值區(qū)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期為21 h，說明在分析資料中，存在著約1 d周期的天氣過程，峰值譜密度為0.4kg·m²·s^-1·m^-3。在頻率2.5×10^-5s^-1處還出現(xiàn)了一個(gè)小的峰值區(qū)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期為11 h，反應(yīng)了地面降水的周期，在地面雨量分布（圖2b）中中該時(shí)段也存在大約11 h的降水周期，與脈動(dòng)譜所反映的時(shí)間周期相吻合。

3.4 4月4日過程風(fēng)頻譜分析

4月4日為2～3 d周期中出現(xiàn)的一次降水天氣過程。選取4月3—5日的半小時(shí)平均的水平風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，共144個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。這次過程影響強(qiáng)度系統(tǒng)較弱，對(duì)應(yīng)時(shí)段地面有弱降水產(chǎn)生，過程降水量為20.4 mm，總降水時(shí)段為4月4日18時(shí)—5日05時(shí)。圖6a為該段時(shí)間3 000 m高度以下的水平風(fēng)速時(shí)序，圖6b為脈動(dòng)譜分布。

圖6a的水平風(fēng)速時(shí)序中反映出這次過程風(fēng)速比4月24日過程小，最大風(fēng)速出現(xiàn)在3 000 m，風(fēng)速極值為12 m/s，系統(tǒng)影響較弱，大風(fēng)維持時(shí)間短，系統(tǒng)較淺薄。圖6b中的脈動(dòng)譜特征與長(zhǎng)周期天氣過程有所不同，脈動(dòng)譜密度在2 020 m和1 000 m高度上較集中。與3 d平穩(wěn)天氣下的脈動(dòng)譜相比，圖6b中頻率3×10^-5s^-1處存在一個(gè)明顯峰值區(qū)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期為10 h，峰值譜密度為0.07 kg·m²·s^-1·m^-3，僅為5～7 d周期天氣系統(tǒng)的1/5，可能是由于這次天氣過程的影響系統(tǒng)較弱，高空冷空氣活動(dòng)不明顯，風(fēng)速也不大的原因，但出現(xiàn)降水過程的脈動(dòng)譜密度仍明顯大于3 d平穩(wěn)天氣條件下的脈動(dòng)譜密度。另外，在頻率7.0×10^-5s^-1處也存在一個(gè)小的峰值區(qū)，峰區(qū)特征4 h，反映了一定的中尺度大氣擾動(dòng)形成的降水周期。在地面實(shí)況中，4月4日18時(shí)—5日01時(shí)產(chǎn)生了降水，雨量為16.9 mm；4月5日04—05時(shí)也有弱降水產(chǎn)生，雨量為3.1 mm，這一特征在地面雨量分布（圖2b）中也有所表現(xiàn)，降水的維持時(shí)間略短于脈動(dòng)譜中峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期。因此，對(duì)頻譜中高頻段峰區(qū)的分析，可以撲捉到天氣系統(tǒng)的降水周期。

3.5兩個(gè)周期天氣過程的差異

將兩個(gè)不同時(shí)間長(zhǎng)度周期天氣過程的頻譜分布特征相比較，有以下幾點(diǎn)差異：

1）脈動(dòng)譜分布特征有所不同。4月21—26日較長(zhǎng)時(shí)間周期天氣系統(tǒng)的脈動(dòng)譜密度在3 040 m和2 020 m高度上較集中，2 020 m到1 000 m風(fēng)能譜密度迅速降低，反映了雨帶在南北方向上的擺動(dòng)；而4月3—5日短時(shí)間周期天氣系統(tǒng)風(fēng)能譜密度在2020 m和1000 m高度上較集中，高空冷空氣活動(dòng)不明顯，影響系統(tǒng)淺薄，僅在中低層有所表現(xiàn)，這可能是天氣系統(tǒng)在東西方向出現(xiàn)有小波動(dòng)的原因。

2）在譜密度的數(shù)量值上，4月21—26日過程的能量較大，在脈動(dòng)譜圖中也有所反映，長(zhǎng)周期天氣系統(tǒng)的能量大約為短周期天氣系統(tǒng)的4倍左右。從水平風(fēng)速時(shí)序中也可以看出，長(zhǎng)周期天氣過程的風(fēng)速極大值明顯大于短周期過程，所對(duì)應(yīng)時(shí)段地面產(chǎn)生的降水也較大。這表明長(zhǎng)周期天氣過程影響系統(tǒng)更深厚，高空風(fēng)速較大，含有的能量也比短周期天氣系統(tǒng)大。

3）兩次降水過程的脈動(dòng)譜分布圖中均反映了各次降水的時(shí)間周期，與地面降水較為吻合。

4結(jié)論

1）應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)獲取的長(zhǎng)序列風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜分析，計(jì)算了脈動(dòng)譜密度。脈動(dòng)譜分布能夠反映天氣系統(tǒng)周期性的變化特征，發(fā)現(xiàn)不同時(shí)間周期天氣系統(tǒng)的活動(dòng)，了解天氣系統(tǒng)周期性的變化；為天氣預(yù)報(bào)和大氣科學(xué)研究提供了一種新的方法。

2）分析宜春2012年4月的數(shù)據(jù)頻譜結(jié)果，清晰地揭示了該地前汛期降水期間存在不同時(shí)間周期的天氣系統(tǒng)，從頻譜中看到存在5～7 d以及2～3 d兩種時(shí)間長(zhǎng)度的天氣系統(tǒng)，這一特征在水平風(fēng)速時(shí)序圖和地面降水中也有所表現(xiàn)。

3）分析頻譜特征發(fā)現(xiàn)，與平穩(wěn)天氣相比出現(xiàn)降水天氣的脈動(dòng)譜分布上出現(xiàn)譜峰區(qū)，5～7 d周期較長(zhǎng)的天氣系統(tǒng)譜峰區(qū)特征在3 000 m高度上明顯，譜密度較大，可能反映了高空冷空氣的活動(dòng)，2～3 d周期的天氣系統(tǒng)譜峰區(qū)低空明顯，而且譜密度相對(duì)較小。

4）運(yùn)用不同時(shí)間長(zhǎng)度的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，所表現(xiàn)的頻譜特征有所差異。頻譜中長(zhǎng)周期峰區(qū)反映天氣系統(tǒng)的周期，頻譜中的短周期反映了降水過程的持續(xù)時(shí)間。

對(duì)前汛期暴雨的全面了解，還需要對(duì)不同地點(diǎn)數(shù)據(jù)以及結(jié)合多資料進(jìn)行深入分析。