基于CFL-03風(fēng)廓線雷達(dá)的強(qiáng)對流天氣物理量診斷分析

孫欽宏 劉嘉欣 樊嘉璐 江曉玲

（吉林省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，吉林長春 130062）

1 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)，開展垂直高度上風(fēng)廓線資料探測，獲取測站上空分鐘級別、百米層距的高分辨風(fēng)場數(shù)據(jù)，能夠發(fā)現(xiàn)雷暴等強(qiáng)對流天氣動(dòng)力特征，為強(qiáng)對流天氣監(jiān)測預(yù)警服務(wù)提供支撐[1-3]。曾瑾瑜等[4]利用邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)提供的資料，對永安一次強(qiáng)對流過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究表明：風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)資料可以相對連續(xù)地反映測站上空風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)及其變化特點(diǎn)，直觀而精細(xì)地反映出天氣過程的演變過程。萬蓉等[5]通過風(fēng)廓線雷達(dá)資料與探空資料對比分析，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)性氣流控制下風(fēng)廓線資料與探空資料吻合度較好。王一文等[6]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對沈陽弱降水的強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行分析，證實(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)對雷達(dá)站附近的風(fēng)場變化十分敏感，可以反映環(huán)境風(fēng)場的細(xì)微結(jié)構(gòu)，判斷環(huán)境大氣中是否有對流系統(tǒng)進(jìn)入以及大氣湍流情況。史珺等[7]利用天津地區(qū)短時(shí)暴雨天氣的風(fēng)廓線雷達(dá)資料和降水實(shí)況資料，以探討風(fēng)廓線雷達(dá)對降水天氣的監(jiān)測能力，研究表明：風(fēng)廓線雷達(dá)不僅能夠反映大氣層結(jié)上冷下暖的結(jié)構(gòu)，并且能夠探測到切變線的存在，對風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的探測能力。古紅萍等[8]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對北京夏季強(qiáng)降水天氣進(jìn)行系統(tǒng)的分析，研究表明：降水開始前數(shù)小時(shí)城區(qū)地面風(fēng)場輻合，在臨近降水和降水開始時(shí)輻合層向上發(fā)展，有利于強(qiáng)降水的發(fā)展。董保舉等[9]對高原地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行檢驗(yàn)評估，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)向風(fēng)速與探空資料一致性較好。李彥良等[10]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料開展冰雹天氣的診斷分析，指出風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場資料對于冰雹天氣具有一定的指示意義。隨著風(fēng)廓線探測技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)廓線資料在強(qiáng)對流天氣、降雪天氣預(yù)報(bào)[11-13]工作中的重要作用逐漸被廣大氣象科研業(yè)務(wù)人員所認(rèn)識。

本文利用CFL-03邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測的風(fēng)場資料，著重研究短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴天氣過程中垂直風(fēng)場物理量演變特征，旨在為風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在強(qiáng)對流天氣監(jiān)測預(yù)警工作積累經(jīng)驗(yàn)。

2 風(fēng)廓線雷達(dá)技術(shù)性能

本文采用的風(fēng)廓線雷達(dá)為航天科工集團(tuán)第二研究院二十三所生產(chǎn)的CFL-03邊界層風(fēng)廓線儀，其基本技術(shù)性能包括：工作頻率1 320MHz；最小探測高度為50m；最大探測高度為5km；時(shí)間分辨率小于6min；高度探測分辨率為50m和100m兩種模式；風(fēng)向探測范圍為0°—360°。該風(fēng)廓線雷達(dá)提供垂直高度層上水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直風(fēng)向風(fēng)速、功率譜密度等數(shù)據(jù)資料。

3 資料簡介及天氣個(gè)例選取

本研究所用長春國家氣象站CFL-03風(fēng)廓線雷達(dá)，其探測數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為6min，50—800m垂直空間分辨率為50m，800—3 600m垂直空間分辨率為100m。地面觀測資料選用長春國家氣象站人工觀測數(shù)據(jù)。本文選取2008—2012年發(fā)生在長春國家觀測站的15次強(qiáng)對流天氣個(gè)例，其中強(qiáng)降水個(gè)例7次、雷暴個(gè)例8次（表1、表2），強(qiáng)降水個(gè)例選取標(biāo)準(zhǔn)為1h降雨≥10mm，雷暴標(biāo)準(zhǔn)為人工觀測到伴有雷擊和閃電的對流性天氣。

表1 2008—2012年短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例簡述

表2 2008—2012年雷暴天氣個(gè)例簡述

4 物理量診斷分析

4.1 物理量選取與算法

劉淑媛等[14]分析認(rèn)為每次強(qiáng)降水或強(qiáng)烈天氣的發(fā)生都對應(yīng)一次西南急流的迅速脈動(dòng)加強(qiáng)和向下擴(kuò)展，可能存在動(dòng)量下傳，引起擾動(dòng)加強(qiáng)。本研究沿用垂直高度2km以下急流中心最大風(fēng)速和12m/s風(fēng)速在該時(shí)刻最低位置的比值定義低空急流指數(shù)，用于定量地表示低空急流向下擴(kuò)展的程度和風(fēng)速脈動(dòng)的強(qiáng)度。同時(shí)參考石燕茹等[15]關(guān)于風(fēng)暴相對螺旋度的計(jì)算方法，最終選取低空急流指 數(shù)（I）、垂 直 風(fēng) 切 變（Shear）、風(fēng) 暴 相 對 螺 旋 度（SRH）作為診斷強(qiáng)對流天氣的特征物理量。

4.2 物理量診斷分析

4.2.1 強(qiáng)降水

4.2.1.1 垂直風(fēng)切變與強(qiáng)降水

短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生過程中或發(fā)生過程前1小時(shí)內(nèi)，近地層500—1000m均存在水平風(fēng)的垂直切變陡增，伴隨降水過程減弱垂直風(fēng)切變逐漸減小。強(qiáng)降水過程中垂直風(fēng)切變shear達(dá)到極值的個(gè)例為6次，分別為2009年6月30日（圖1）、2009年8月27日、2009年8月28日、2010年5月31日、2010年7月28日、2012年7月28日，占全部個(gè)例的85.7%；強(qiáng)降水過程前1小時(shí)Shear達(dá)到極值的個(gè)例為1次，占全部個(gè)例的14.3%。強(qiáng)降水過程前中期Shear最大極值為0.060m·s-1，最小極值為0.011m·s-1。按照國際民航組織第五次航空會議上制定的垂直風(fēng)切變強(qiáng)度等級分類標(biāo)準(zhǔn)，5次過程為微弱垂直風(fēng)切變，2次為輕度垂直風(fēng)切變。近地層Shear值最大，隨著高度抬升，Shear值逐漸變小（表3）。

圖1 2009年6月30日長春站小時(shí)降水量與不同高度層垂直風(fēng)切變時(shí)間演變

表3 短時(shí)強(qiáng)降水過程中垂直風(fēng)切變因子演變 m·s-1

4.2.1.2 低空急流指數(shù)與強(qiáng)降水

強(qiáng)降水過程前3小時(shí)內(nèi)低空急流指數(shù)達(dá)到峰值個(gè)例為3次，分別為2010年7月28日、2012年7月28日、2012年7月29日，占全部個(gè)例的42.8%；降水過程中低空急流指數(shù)達(dá)到峰值個(gè)例為4次，分別為2009年6月30日（圖2）、2009年8月27日、2009年8月28日、2010年5月31日，占全部個(gè)例的57.2%。上述個(gè)例中低空急流指數(shù)最大極值為0.045m·s-1·km-1，最小極值為0.007 m·s-1·km-1，低空急流明顯增大一般早于強(qiáng)降水出現(xiàn)。低空急流的建立和維持，能夠?yàn)閺?qiáng)降水的產(chǎn)生提供水汽和不穩(wěn)定能量的積累。

圖2 2009年6月30日長春站小時(shí)降水量與低空急流指數(shù)時(shí)間演變

4.2.1.3 相對螺旋度與強(qiáng)降水

強(qiáng)降水過程前1小時(shí)內(nèi)低層2km以下相對螺旋度SRH均為正值，數(shù)值小于100m2·s-2，中高層2km以上相對螺旋度SRH均為負(fù)值；強(qiáng)降水過程中低層SRH有正有負(fù)，高層SRH大多為負(fù)值；強(qiáng)降水過程后，低層SRH值迅速降低，甚至降為負(fù)值，高層SRH變化無明顯規(guī)律（表4）。

表4 短時(shí)強(qiáng)降水過程中低空急流指數(shù)（I）及相對螺旋度（SRH）因子演變

4.2.2 雷暴

4.2.2.1 垂直風(fēng)切變與雷暴

垂直風(fēng)切變Shear值在8次雷暴過程中均存在陡增現(xiàn)象，1次個(gè)例（2008年9月17日）存在強(qiáng)烈垂直風(fēng)切變，1次個(gè)例（2011年5月18日）存在中度垂直風(fēng)切變，2次個(gè)例（2011年5月27日、2012年7月2日）存在輕度垂直風(fēng)切變，4次個(gè)例存在微弱垂直風(fēng)切變。Shear最大極值為0.144m·s-1，最小極值為0.017m·s-1。近地層垂直風(fēng)切變在雷暴過程中變化幅度最大，隨高度抬升Shear變化幅度逐漸變小。伴隨雷暴過程結(jié)束，垂直風(fēng)切變Shear值迅速變小。

4.2.2.2 低空急流指數(shù)與雷暴

低空急流指數(shù)在7次雷暴過程中達(dá)到最大值，分別為2008年9月17日、2009年6月24日、2011年5月18日、2011年5月27日、2011年7月1日、2011年9月7日、2012年7月2日，占全部個(gè)例的87.5%，2012年7月1日雷暴過程低空急流指數(shù)變化不大。低空急流指數(shù)最大極值為0.125m·s-1·km-1，最小極值為0.001m·s-1·km-1。雷暴過程中低空急流指數(shù)極值明顯大于強(qiáng)降水過程。

4.2.2.3 相對螺旋度與雷暴

雷暴過程前1小時(shí)內(nèi)2km以下低層相對螺旋度SRH有75%個(gè)例為負(fù)值，2km以上高層相對螺旋度SRH有75%個(gè)例也為負(fù)值。雷暴過程中低層SRH迅速增大并轉(zhuǎn)為正值，最大極值達(dá)到780m2·s-2；高層SRH大多數(shù)個(gè)例迅速減小，最小極值達(dá)到-227m2·s-2。雷暴過程后，低層SRH值由正極大值迅速降低，SRH值甚至小于雷暴發(fā)生前，高層SRH在雷暴結(jié)束后有所增大（圖3）。由此可見，雷暴發(fā)生前中后期，低層SRH與高層SRH變化趨勢基本相反。

圖3 2011年9月7日長春站中低層相對螺旋度時(shí)間演變（單位：m2·s-2）

5 結(jié)語

本文利用長春站CFL-03風(fēng)廓線雷達(dá)資料計(jì)算低空急流指數(shù)、垂直風(fēng)切變、相對螺旋度等產(chǎn)品，結(jié)合2008—2012年7次強(qiáng)降水個(gè)例、8次雷暴個(gè)例，通過統(tǒng)計(jì)分析，初步得出雷暴、強(qiáng)降水發(fā)生前后這些物理量的演變規(guī)律。

（1）低空急流指數(shù)與強(qiáng)降水、雷暴有密切關(guān)系，在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)及發(fā)生前3小時(shí)內(nèi)低空急流指數(shù)突然增大，降水減弱后低空急流指數(shù)也存在明顯減??；雷暴發(fā)生過程中低空急流指數(shù)出現(xiàn)極大值。

（2）強(qiáng)降水及雷暴天氣過程中均存在垂直風(fēng)切變陡增，風(fēng)切變強(qiáng)度均為中等強(qiáng)度以下，強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)最小垂直風(fēng)切變值為0.007m·s-1，出現(xiàn)雷暴的最小垂直風(fēng)切變值為0.017m·s-1。近地層垂直風(fēng)切變值及變化幅度均大于中高層。

（3）強(qiáng)降水過程前低層相對螺旋度小于100m2·s-2，強(qiáng)降水過程后，低層SRH值迅速降低，甚至降為負(fù)值；雷暴發(fā)生前相對螺旋度一般為負(fù)值，伴隨雷暴發(fā)生發(fā)展衰弱，低層SRH先迅速增大后隨即減小，中層SRH先迅速減小后隨即增大，兩者呈相反的變化趨勢。

（4）本文選取的物理量以風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場資料為基礎(chǔ)，主要反映強(qiáng)對流天氣的動(dòng)力機(jī)制，納入研究的天氣個(gè)例數(shù)量有限，統(tǒng)計(jì)分析的閾值及結(jié)果有待進(jìn)一步完善。