阿不力米提江·阿布力克木，于碧馨，李海燕

（新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002）

2011年12月，風(fēng)廓線雷達(dá)（Wind Profiler Radar，WPR）在烏魯木齊開始被投入使用。它是一種利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用來探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)等物理量的遙感設(shè)備，可以連續(xù)觀測(cè)測(cè)站上空每幾分鐘、幾十米間距高時(shí)空分辨率的風(fēng)場(chǎng)資料，彌補(bǔ)了常規(guī)高空風(fēng)探測(cè)中時(shí)空密度不夠的缺點(diǎn)。烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)是航天科工集團(tuán)公司二院23所生產(chǎn)的屬于CFL-03型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，工作頻率為1 280 MHz，雷達(dá)波長為0.234 m；最小探測(cè)高度60～120 m（與場(chǎng)地環(huán)境有關(guān)），最大探測(cè)高度3～6 km（與天氣條件有關(guān)）；高度分辨率為60 m/層（60～900 m），120 m/層（＞900 m）；采集數(shù)據(jù)頻率為1次/6 min。

中國氣象科學(xué)研究院1989年成功研制了我國首部UHF多普勒風(fēng)廓線儀，并將該儀器用于北京中尺度災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)基地的業(yè)務(wù)實(shí)驗(yàn)，證明了其有效性和可靠性。顧映欣等[1]用1989年京津冀中尺度試驗(yàn)區(qū)的UHF風(fēng)廓線儀取得資料，對(duì)局地暴雨、鋒面等天氣過程進(jìn)行分析并計(jì)算了溫度平流，分析表明風(fēng)廓線儀資料在預(yù)報(bào)區(qū)域性降水和對(duì)流性天氣時(shí)具有重要意義。劉淑媛等[2]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料研究了華南暴雨和南海季風(fēng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)期間暴雨過程中的低空急流與暴雨的關(guān)系，指出低空急流的脈動(dòng)對(duì)強(qiáng)天氣和強(qiáng)降水有一定的指示意義；張京英等[3]利用臨沂市暴雨過程中的風(fēng)廓線雷達(dá)資料研究了高低空急流與暴雨之間聯(lián)系，認(rèn)為低空急流的下傳和加強(qiáng)在暴雨過程中起著重要作用，可引起雨強(qiáng)的大幅增大；王秀玲等[4]利用風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品分析唐山地區(qū)暴雨過程，指出前期深厚、長時(shí)間的東南低空急流與高空西南急流為暴雨的產(chǎn)生積累大量的水汽和能量。王敏仲等[5-6]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分別分析了其在新疆百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)和沙塵天氣過程中的應(yīng)用。但是，利用風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)烏魯木齊暴雨天氣的分析應(yīng)用還不多，本文利用烏魯木齊邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品分析其與烏魯木齊暴雨之間的關(guān)系，旨在為風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在天氣分析和降水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣過程分析

1.1 暴雨實(shí)況

2012年5月19日15:00—20日4:00（以下時(shí)間均為世界時(shí)），按照新疆地區(qū)降水量標(biāo)準(zhǔn)[7]，烏魯木齊出現(xiàn)暴雨，13 h降雨26.0 mm。從逐時(shí)降水量圖中（圖1）可以看出，此次降水分為3個(gè)時(shí)段（19日 15:00—18:00、19 日 19:00—20 日 00:00、20 日2:00—4:00），強(qiáng)降水時(shí)段（降雨量≥4 mm·h-1）[8]出現(xiàn)3次。降水開始階段表現(xiàn)為穩(wěn)定的持續(xù)性強(qiáng)降水天氣，截至19日18:00累積降雨量達(dá)12.6 mm；19:00，降水明顯減弱，但在22:00—23:00期間的降水表現(xiàn)出明顯的中尺度系統(tǒng)影響特征，出現(xiàn)最大小時(shí)雨強(qiáng)，達(dá)5.7 mm·h-1；1:00左右，降雨量比前期略偏小并逐漸趨于減弱。

1.2 天氣形勢(shì)

降水前期，500 hPa高度場(chǎng)上歐亞范圍內(nèi)以經(jīng)向環(huán)流為主，上游地區(qū)烏拉爾阻塞高壓緩慢東移并向北發(fā)展；下游地區(qū)，中高緯西西伯利亞低槽緩慢西退，中低緯中亞低渦快速東移。烏拉爾阻塞高壓脊頂在不斷向北發(fā)展的過程中，引導(dǎo)冷空氣南下堆積,中空偏西急流逐漸建立、東移南調(diào)。低槽分裂的冷空氣東移，與中亞低渦減弱而成的低槽迭加，槽底南壓至40°N附近。19日06時(shí)起上游阻塞高壓開始向東南衰落，隨著阻塞高壓的南落，西西伯利亞低槽加深。12時(shí)偏西急流開始轉(zhuǎn)為西南急流，急流中心最大風(fēng)速超過35 m/s，且急流軸已東移至北疆西部國境線附近，同時(shí)石河子以東的北疆沿天山一帶由槽底平直西風(fēng)帶轉(zhuǎn)為槽前西南氣流控制，該20 m/s的西南急流與西側(cè)25 m/s的偏西急流匯合，如此的風(fēng)向風(fēng)速輻合促成此次暴雨觸發(fā)的動(dòng)力機(jī)制（圖2）。15時(shí)左右烏魯木齊地區(qū)開始出現(xiàn)降水。而暴雨常常是這種中高緯和低緯環(huán)流相互作用的產(chǎn)物[9]。20日00時(shí)西西伯利亞槽分段，北段快速東移南下，主槽開始進(jìn)入新疆。700 hPa環(huán)流場(chǎng)上，19日06時(shí)烏魯木齊附近有弱切變維持同時(shí)南側(cè)西南風(fēng)速加強(qiáng)至16 m/s，低空急流不斷向暴雨區(qū)輸送水汽和能量，12時(shí)后北側(cè)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)12 m/s，形成氣流輻合區(qū)。此外，12時(shí)850 hPa上準(zhǔn)噶爾盆地的西北風(fēng)加強(qiáng)，最強(qiáng)超過14 m/s，烏魯木齊地處天山北坡，地形呈向北開口的喇叭口，偏北氣流被迫抬升。200 hPa高空?qǐng)D上新疆地區(qū)已于19日00時(shí)受強(qiáng)西南急流控制，且西南氣流不斷加強(qiáng)。分析高低空冷空氣垂直結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，影響新疆的槽前傾，增加了大氣的對(duì)流不穩(wěn)定度，更有利于對(duì)流天氣的發(fā)生[10]。在這種大尺度環(huán)流背景下，高空急流與中空強(qiáng)風(fēng)速帶、低空輻合區(qū)相配合，引發(fā)的強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)了此次暴雨天氣。

1.3 水汽條件分析

源源不斷的水汽輸送是暴雨穩(wěn)定維持的必要物質(zhì)基礎(chǔ)。降水前期，地中海暖濕氣旋攜帶水汽充裕，來自地中海的水汽，先由伊朗副熱帶高壓頂部的西南氣流輸送至里、咸海上空，后以接力方式隨中亞低槽的槽前氣流經(jīng)巴爾喀什湖向暴雨區(qū)上空堆積。在700 hPa水汽通量場(chǎng)上，18日12時(shí)水汽在中亞地區(qū)匯集并向新疆輸送，烏魯木齊水汽通量在1 g·m-1·s-1·hPa-1左右。19日00時(shí)從塔城北部南下的水汽與從伊犁河谷北上的水汽在昌吉州北部交綏，水汽匯合區(qū)于06時(shí)南下至暴雨區(qū)，且于12時(shí)水汽通量增大至4 g·m-1·s-1·hPa-1（圖3）。降水前在烏魯木齊上空對(duì)流層的中高層（700～500 hPa）水汽通量明顯輻合，表明上空有明顯增濕現(xiàn)象[11]，這也是導(dǎo)致烏魯木齊出現(xiàn)暴雨的原因之一。18時(shí)暴雨區(qū)上空的整層水汽明顯減弱，然而由于前期降水低層增濕為后期短時(shí)強(qiáng)降水提供了一定的不穩(wěn)定能量。后期水汽逐漸減弱，降水也趨于停止。上述分析表明，充沛的水汽是觸發(fā)此次暴雨的必要條件。

2 風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品分析

風(fēng)廓線雷達(dá)能夠提供以風(fēng)場(chǎng)為主的多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其中基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括水平風(fēng)速風(fēng)向、垂直風(fēng)速和反映大氣湍流狀況的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C2n等。

2.1 水平風(fēng)速風(fēng)向

19日01:06高層從前期偏西氣流逐漸轉(zhuǎn)為西南氣流并風(fēng)速加大，西南氣流從3 060 m延伸到3 420 m，而低層維持西北氣流且風(fēng)速一直為4 m/s左右，高低層形成非常強(qiáng)的西南風(fēng)與西北風(fēng)的切變。從地面到2 000 m風(fēng)隨高度逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，在2 000 m以上風(fēng)隨高度順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，這種低層冷平流、高層是暖平流結(jié)構(gòu)表明本站大氣層結(jié)呈穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)高層西南氣流高度不斷向下擴(kuò)展，風(fēng)速逐漸加大。11:30西南氣流厚度達(dá)2 520 m，風(fēng)速也加強(qiáng)到21.2 m/s，如此深厚且長時(shí)間維持的西南氣流為此次暴雨過程的發(fā)生提供了充足的能量。

11:30起西南氣流逐漸轉(zhuǎn)為偏西氣流，西南氣流厚度和高層的順時(shí)針偏轉(zhuǎn)區(qū)域不斷減少；13:24在2 500 m高度偏西氣流逐漸轉(zhuǎn)為西北氣流，使得低層的西北氣流厚度加大，且低層的逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)區(qū)域不斷增大。高層西北急流動(dòng)量快速下傳過程中，攜帶了大量的冷空氣不斷向地面擴(kuò)展，為暴雨過程的發(fā)生提供良好的動(dòng)力條件。隨著高層西北急流下傳，低空風(fēng)速漸漸加大，15:30在1 260 m高度出現(xiàn)12.0 m/s的西北急流；接著15:42西北急流繼續(xù)向下擴(kuò)展到1 020 m，在16：42之后12.0 m/s的西北急流位置高于1 500 m（圖4），對(duì)應(yīng)15:00和16:00出現(xiàn)4.4和4.5 mm的強(qiáng)降水。之后高層偏西氣流逐漸轉(zhuǎn)為西南氣流，同時(shí)低層西北氣流轉(zhuǎn)為偏西氣流且風(fēng)速逐漸減弱，降水量也開始減小。20:06起高層西南氣流第二次轉(zhuǎn)為偏西氣流，同時(shí)低層偏西氣流也開始轉(zhuǎn)為西北氣流，20:42在3 500 m由偏西氣流逐漸轉(zhuǎn)為西北氣流，使得低層的西北氣流厚度加大，風(fēng)速逐漸加大，因此高層西北急流動(dòng)量快速下傳過程中，攜帶了大量的冷空氣不斷向地面擴(kuò)展，從而進(jìn)入本次暴雨過程的第二次強(qiáng)降水階段；22:24高層到低層有很強(qiáng)的西北氣流，660 m的風(fēng)速達(dá)到18.0 m/s，隨后西北氣流繼續(xù)向地面擴(kuò)展并加強(qiáng)，22:42在660 m的風(fēng)速達(dá)到21.70 m/s，達(dá)到本次暴雨過程中低空急流的最大風(fēng)速，這時(shí)段降水也是在本次暴雨過程中最強(qiáng)階段，小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到5.7 mm。說明高層強(qiáng)西北氣流的動(dòng)量下傳導(dǎo)致低層西北氣流的加強(qiáng)，低層西北氣流的加強(qiáng)滯后于高層西北氣流加強(qiáng)的下傳；強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在低層西北氣流的加強(qiáng)時(shí)段。20日02:06后，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)高度從5 000 m降到 3 500 m，說明中高層被干空氣控制[11]，氣流方向也是從西北氣流轉(zhuǎn)為偏西氣流，系統(tǒng)處于移出階段，降水也趨于減小。

2.2 垂直速度

垂直速度（該垂直速度未經(jīng)落速訂正，所以降水時(shí)代表了空氣的垂直運(yùn)動(dòng)和降水粒子的下沉運(yùn)動(dòng)的總和，下同）是正速度表示隨高度為上升運(yùn)動(dòng)，而負(fù)速度表示隨高度為下沉運(yùn)動(dòng)。在19日14:00起整層大氣處于上升運(yùn)動(dòng)，480～600 m處有2.1 m/s的上升速度大值區(qū)，15:36隨著強(qiáng)西北氣流攜帶冷空氣入侵低層，從而地面到1 500 m之處上升速度加強(qiáng)至5.0 m/s左右，并維持到18:24，期間最大上升速度達(dá)8.6 m/s（圖5），這與烏魯木齊當(dāng)天的自動(dòng)站觀測(cè)事實(shí)一致，即15:00開始下小雨，4 h雨量達(dá)12.6 mm。22:18前垂直速度逐漸減弱，但始終維持3 m/s左右；上升速度大值區(qū)也維持在地面到1 500 m左右，對(duì)應(yīng)18:00—21:00降水隨著垂直速度減弱逐漸減少，22:24—22:42上升速度從 3 m/s下降到 1 m/s，而22:48上升速度突然增強(qiáng)到6 m/s左右，上升速度大值區(qū)重新回到1 500 m左右，此種情況維持到23:24，在實(shí)況上22:00降水量突然增大，1 h降水量為5.7 mm，比前一個(gè)小時(shí)降水量多5.2 mm，23:30上升速度逐漸減弱，最后在05:00整層上升速度已經(jīng)減弱到1.0 m/s以下，降水結(jié)束。由以上分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)廓線雷達(dá)在低層探測(cè)到約大于2 m/s的上升速度時(shí)，降水開始，相反，探測(cè)到約小于2 m/s的上升速度時(shí)，降水結(jié)束，且低層上升速度越大降水越強(qiáng)。

2.3 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（）

3 結(jié)論

（1）500 hPa環(huán)流場(chǎng)上隨著烏拉爾阻塞高壓脊衰落，西西伯利亞低槽與中亞低渦減弱而形成的低槽迭加?xùn)|移；700 hPa有弱切變維持且850 hPa偏北風(fēng)持續(xù)；200 hPa高空?qǐng)鑫髂霞绷鲝?qiáng)盛；高空急流與低空輻合區(qū)相配合，引發(fā)的強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)了此次暴雨天氣。來自地中海的水汽沿著伊朗高原—里、黑?！蜖柨κ埠苯奈髂下窂捷斔椭列陆?，這種充沛的水汽是觸發(fā)此次暴雨的必要條件。

（2）前期深厚、長時(shí)間的西南氣流為暴雨的產(chǎn)生積累了大量能量；高層西北氣流快速下傳過程中，攜帶大量的冷空氣不斷向地面擴(kuò)展，為暴雨過程提供了很好的動(dòng)力條件；同時(shí)激發(fā)了低空急流，隨著低空急流的加強(qiáng)，降水強(qiáng)度不斷加大；強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在低空西北氣流的加強(qiáng)時(shí)段。

（3）風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的垂直速度大小分布變化與降水過程的開始、結(jié)束以及降水強(qiáng)度變化有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。低層上升速度2 m/s可以作為降水臨界值，當(dāng)?shù)蛯由仙俣却笥? m/s時(shí)降水開始，垂直速度越大降水越強(qiáng)。

風(fēng)廓線雷達(dá)可以清楚地展示為暴雨過程提供充足能量的風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)及其變化特點(diǎn)，直觀地反映降水過程中風(fēng)場(chǎng)的變化特征，也彌補(bǔ)了常規(guī)資料分辨率不高的缺點(diǎn)，為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)降水的變化提供一定的資料依據(jù)。但以上分析所得出的一些結(jié)論還未經(jīng)大量樣本驗(yàn)證，尚待進(jìn)一步的定量分析研究。

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