李 典，魯 楊，吳宇童，李 崇，柴曉玲，崔景琳，張 帥

(遼寧省沈陽市氣象局，遼寧 沈陽 110168)

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冷渦背景下風廓線資料在沈陽對流天氣預報中的應用

李 典，魯 楊，吳宇童，李 崇，柴曉玲，崔景琳，張 帥

(遼寧省沈陽市氣象局，遼寧 沈陽 110168)

選取2013年9月—2014年10月影響沈陽城區(qū)的冷渦個例，利用風廓線雷達探測產品，分析其在兩類對流天氣(雷暴類和冰雹類)中的變化特征，尋找預警指標。結果表明：通過分析環(huán)流背景場、物理量特征值和風廓線雷達探測產品可以判別對流類型，且具有一定的預警時效。兩類對流發(fā)生前均出現(xiàn)動量下傳現(xiàn)象，雷暴類下傳時間早于冰雹類，但大值風速偏?。焕妆╊惔髿庹凵渎式Y構常數(shù)大值區(qū)高度、垂直風切變大值區(qū)高度和對流發(fā)展高度均低于冰雹類。

風廓線雷達；冷渦；對流天氣；預警

引 言

風廓線雷達資料較常規(guī)觀測資料具有明顯的優(yōu)勢，其較高的時空分辨率，彌補了常規(guī)資料時空分辨率不足的問題，可以有效地探測對流云團的變化特征[1-10]，因此受到廣大學者們的重視。明虎等[11]應用邊界層風廓線雷達資料對層狀云降水進行探測試驗，利用垂直速度功率譜數(shù)據(jù)計算譜參數(shù)，根據(jù)其變化特點確定0 ℃層高度，并對雨滴譜進行反演，結果表明：中粒子和大粒子濃度的多少是引起回波強度大小的主要因素；黃志勇等[12]利用風廓線雷達和地基微波輻射計觀測資料，探討這2種資料在冰雹天氣監(jiān)測預警中的應用，發(fā)現(xiàn)降雹前約0.5 h，0～4 km垂直速度隨高度波動明顯增大，0～6 km始終存在較深厚的垂直風切變，水平風垂直切變在2～2.5 km的正中心與冰雹相對應；周芯玉等[13]利用風廓線雷達資料，對廣州2次暴雨過程的低空流場進行分析，指出暴雨發(fā)生前，動量由高空迅速下傳，且不斷增強，使得強風速不斷下傳，導致低空急流的建立及增強，從而使上、下層垂直風切變增大，為暴雨的發(fā)生提供了良好的動力條件；何雨芩等[14]利用風廓線雷達對6次降水過程進行探測，認為風廓線雷達對降水天氣進行探測時，所獲得的大氣演變特征能夠為短臨預報提供技術支持；孫旭映等[15]利用甘南瑪曲風廓線儀探測的強降水資料，分析了風廓線雷達探測的強信號與降水強度的對應關系，發(fā)現(xiàn)在降水情況下，風廓線雷達探測到的4 m·s-1的垂直速度反映了降水的開始和結束，且大氣折射率結構常數(shù)與降水強度有很好的對應關系。

2014年沈陽大范圍的暴雨雪天氣偏少，但冷渦背景下產生的局地對流天氣頻發(fā)，強對流天氣多以雷暴為主，有時伴有冰雹和大風。冷渦產生的對流降水一直是沈陽氣象預報的難題，之前的預報工作由于缺乏高時空分辨率資料，特別是缺乏連續(xù)性的高空風觀測，因此導致沈陽渦后對流降水的預報準確率較低。沈陽市氣象局以全運會精細化預報服務為契機，在觀象臺建設了風廓線雷達，可實現(xiàn)全天候風場觀測，時間分辨率為5 min，垂直探測高度最小分辨率為120 m。

本文選取2013年9月—2014年10月影響沈陽城區(qū)的冷渦個例，對其進行分類劃分，利用風廓線雷達探測的風廓線、垂直速度、信噪比和大氣折射率結構常數(shù)等產品，分析探測產品在每類對流天氣中的變化特征，試圖揭示其在沈陽對流天氣中的應用意義，尋找預警指標。

1 資料選取

利用實況觀測資料，選取2013年9月—2014年10月影響沈陽城區(qū)的冷渦個例，將其分為雷暴類和冰雹類。分析風廓線雷達探測的基本產品在2類對流天氣中的變化特征。

冷渦個例的選取方法：根據(jù)500 hPa環(huán)流形勢場，篩選出冷渦天氣系統(tǒng)，根據(jù)預警發(fā)布情況，找出對流天氣，利用城區(qū)降水實況信息，確定影響個例。共篩選出對流天氣6例(表1)，其中冰雹類對流天氣3例：2013年9月2日、2014年5月21日為沈陽本站出現(xiàn)冰雹(5 mm≤直徑<20 mm)、2014年8月17日城區(qū)出現(xiàn)冰雹(直徑<5 mm)；雷暴類對流天氣3例。

表1 冷渦影響下的對流天氣個例發(fā)生時間

2 環(huán)流背景及物理量特征

2.1 環(huán)流場

根據(jù)冷渦背景下2類對流性天氣的500 hPa高度場、850 hPa風場(圖1)并結合高、低空配置圖(圖2)，分析2類對流天氣的環(huán)流場特征。發(fā)現(xiàn)3次雷暴類過程中，冷渦中心位于45°N以北的內蒙古東北部，中心強度為568 dagpm，沈陽處于冷渦底前部，受槽前西南暖濕氣流控制，干冷空氣入侵不明顯，0 ℃層高度相對較高(表2)；3次冰雹類過程中，冷渦中心位于黑龍江附近，中心強度在556～568 dagpm，強度較雷暴類強，位置較雷暴類偏南，沈陽處于冷渦的底部或底后部，受偏西氣流或西北氣流控制，有利于干冷空氣輸送，0 ℃和-20 ℃層高度較低(表2，2014年8月17日高度層不明顯)。

2.2 物理量特征

表2是雷暴類和冰雹類對流天氣的不同物理量特征值，在冰雹類天氣個例中，2014年8月17日沈陽城區(qū)觀測到小冰雹，但本站并未出現(xiàn)，因此主要針對另2次冰雹過程與雷暴類個例進行對比。雷暴類天氣的K指數(shù)比冰雹類天氣略大，且850 hPa水汽條件較好，根據(jù)K指數(shù)公式：K=(T850-T500)+Td850-(T700-Td700)，結合表2中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雷暴類天氣中700 hPa溫度露點差相對較小。綜合分析，3次雷暴過程個例的水汽條件比冰雹類天氣好，主要是由于雷暴過程均發(fā)生在冷渦底前部，槽前暖濕氣流輸送明顯，而冰雹類天氣過程發(fā)生在冷渦底部或底后部，上空為偏西氣流或西北氣流控制，不利于水汽輸送；2類對流天氣均存在淺薄的逆溫層，為午后對流天氣的發(fā)生積累能量；冰雹類天氣0 ℃層和-20 ℃層的高度明顯低于雷暴類天氣，有利于冰雹的產生。

2.3 風廓線

圖3是冷渦背景下冰雹類和雷暴類天氣的風廓線特征。從2014年8月14日雷暴類對流過程來看，對流發(fā)生前，1 000 m以下為一致的偏南風，隨著對流開始，偏南風厚度開始增加，表明暖濕空氣輸送增強，1 000～2 500 m為西南風或偏西風，2 500 m以上為南西南風，風向隨高度呈順轉后再逆轉，暖平流上疊加冷平流，形成不穩(wěn)定；2014年8月15日雷暴類對流發(fā)生前，風向隨高度順轉，為暖平流，整層為西南風或偏西風，14:35—14:45存在高空風的動量下傳，這有利于高空的干冷空氣向下傳輸；2014年9月2日雷暴類對流發(fā)生前，750 m以下為偏北風，以上為西南風或偏南風，風向隨高度逆轉，為冷平流，17:20雷雨開始，750 m以下轉為偏南風，17:50后近地面層再次轉為偏北風，此時降水趨于結束，雨強<1 mm·h-1。

從2013年9月2日冰雹類過程來看，對流發(fā)生前，高、低空為一致的偏北風，隨著對流的臨近，中高層西北風風速減弱，對流發(fā)生時，750 m以下轉為偏南風，這有利于低層暖濕空氣的輸送，同時中高層西北風逐漸轉為偏西風，預示著橫槽的到來；2014年5月21日冰雹類對流發(fā)生前，3 000 m以上存在明顯西北風大風區(qū)，以下為偏西風或西南風，整層為暖平流，16:35—16:40高空西北風攜帶干冷空氣向下傳輸，利于冷暖空氣的相互作用；2014年8月17日冰雹類對流發(fā)生前，750 m以下西南風逐漸增大，750～3 150 m維持弱的偏南風，3 150 m以上為弱的西北風，對流發(fā)生時，西南風風速大值區(qū)向上擴展，且高層轉為偏西風。

圖1 冷渦背景下雷暴類(左)與冰雹類(右)對流性天氣個例的500 hPa高度場 (等值線，單位：dagpm)和850 hPa風場(風羽，單位：m·s-1)疊加圖 (a)2014年8月14日，(b)2013年9月2日，(c)2014年8月15日， (d)2014年5月21日，(e)2014年9月2日， (f)2014年8月17日

圖2 冷渦背景下雷暴類(a)與冰雹類(b)天氣的高、低空配置圖

物理量雷暴類2014-08-142014-08-152014-09-02冰雹類2013-09-022014-05-212014-08-17K指數(shù)/℃323424222330850hPa與500hPa溫差/℃252726293128850hPa露點溫度/℃1196-128逆溫層溫差/℃1111320℃層高度/m356536483819249427773724-20℃層高度/m677368867145556158717170

2.4 急流

圖4是冷渦背景下雷暴類與冰雹類對流天氣高空水平風速(≥12 m·s-1)的時間—高度剖面。雷暴類對流發(fā)生前，3次過程均存在風速大值帶，且隨著對流開始，風速動量下傳，使高層干冷空氣向低層暖濕空氣傳輸，為雷暴的產生提供了動力條件。2014年8月14日動量下傳較對流發(fā)生提前5～25 min，2014年8月15日提前30～45 min，2014年9月2日提前0～10 min。

冰雹類天氣個例，表現(xiàn)出與雷暴類天氣相似的特征，均出現(xiàn)風速動量下傳現(xiàn)象。2013年9月2日動量下傳較對流發(fā)生提前20～25 min，2014年5月21日提前20～25 min，2014年8月17日提前0～10 min。冰雹類動量下傳的提前時間較雷暴類天氣短，且冰雹類(尤其是前2次本站出現(xiàn)的冰雹過程)天氣個例的風速大值明顯高于雷暴類天氣。冰雹類天氣強風速大值區(qū)存在時，有利于動力抽吸作用的增強，加之動量下傳時風速較大，使冷暖空氣強烈混合，提高了冰雹出現(xiàn)的可能性。

2.5 大氣折射率結構常數(shù)

風廓線雷達主要是探測大氣中不規(guī)則的折射，在折射率起伏場中，大氣折射率結構常數(shù)通常表示大氣中折射率不均勻性的程度，不均勻性程度主要取決于溫度變化或水汽壓的脈動變化。當出現(xiàn)降水時，大氣中的水汽含量明顯增加，致使大氣折射率結構常數(shù)增大，并常伴有探測高度增加的現(xiàn)象[6]。

圖5是冷渦背景下雷暴類與冰雹類天氣的大氣折射率結構常數(shù)的時間—高度剖面。可以看出，雷暴天氣隨著對流臨近或發(fā)生，大氣折射率結構常數(shù)增加明顯，相對大值出現(xiàn)在1 950 m以下，為水汽集中區(qū)。1 950 m以上大氣折射率結構常數(shù)接近0，主要是由于水汽含量迅速減小的緣故。2014年8月15日結構常數(shù)較對流發(fā)生提前25 min開始增加，對比圖3，2014年8月15日低空西南急流建立較早，水汽含量較另2次過程充足，因此結構常數(shù)大值區(qū)出現(xiàn)的時間較早。如果大氣折射率結構常數(shù)增加時，對流還未發(fā)生，可提示預報員關注對流天氣。

圖3 冷渦背景下冰雹類和雷暴類天氣的風廓線時間演變(單位：m·s-1，紅色為風速≥12 m·s-1) (a)2014年8月14日，(b)2013年9月2日,(c)2014年8月15日， (d)2014年5月21日，(e)2014年9月2日,(f)2014年8月17日

圖4 冷渦背景下雷暴類與冰雹類對流天氣高空水平風速(≥12 m·s-1)的時間—高度剖面(單位：m·s-1) (a)2014年8月14日，(b)2013年9月2日,(c)2014年8月15日， (d)2014年5月21日,(e)2014年9月2日，(f)2014年8月17日

圖5 冷渦背景下雷暴類與冰雹類天氣的大氣折射率結構常數(shù)的時間—高度剖面(單位：m-2/3) (a)2014年8月14日，(b)2013年9月2日,(c)2014年8月15日， (d)2014年5月21日，(e)2014年9月2日，(f)2014年8月17日

分析冰雹類對流天氣，大氣折射率結構常數(shù)表現(xiàn)出與雷暴類天氣相似的特征，即隨著對流的臨近或發(fā)生，大氣折射率結構常數(shù)增加明顯，相對大值出現(xiàn)在1 950 m以下。冰雹類天氣大氣折射率結構常數(shù)的量級在10-3～10-1，尤其是本站發(fā)生冰雹時，量級都為10-1，而雷暴類的量級在10-4～10-3，這主要是由于冰雹類天氣中冰晶粒子大量存在的緣故。

2.6 垂直風切變

計算上下層風矢量的變化值，得到垂直風切變(圖6)。風切變增大時，有利于高、低空冷暖氣流加速混合，形成大氣不穩(wěn)定。

從雷暴類天氣的垂直風切變時間—高度剖面看出，隨著對流臨近，垂直風切變呈增加趨勢，且大值區(qū)位于1 000 m以下。2014年8月14日風切變較對流提前15～25 min，2014年8月15日提前35～40 min，2014年9月2日提前0～5 min。

冰雹類垂直風切變的時間—高度剖面表現(xiàn)出與雷暴類天氣相似的特征，但冰雹類垂直風切變大值區(qū)出現(xiàn)在1 350～2 000 m，較雷暴類天氣大值區(qū)的高度高，這有利于中層干冷空氣入侵。2013年9月2日風切變較對流提前20～25 min，2014年5月21日提前20～25 min，2014年8月17日提前5～10 min。

2.7 垂直速度和信噪比

風廓線儀探測的垂直速度為空氣垂直運動和降水粒子下沉運動之和，朝向風廓線雷達方向為正。表示回波功率的SNR是雷達信號中氣象信號與噪聲信號之比，SNR越大，對應回波功率越強[6]。

圖7是冷渦背景下雷暴類天氣的垂直速度和信噪比的時間—高度剖面。可以看出，2014年8月14日對流發(fā)生前15 min，垂直速度和信噪比開始增加，當垂直速度≥4 m·s-1，且信噪比≥40 dB時，降水開始。垂直速度和信噪比的大值區(qū)高度接近5 550 m，說明對流云團的發(fā)展高度≥5 550 m，但3 390 m以上高度信噪比明顯減弱，對降水的貢獻減弱；2014年8月15日對流前35 min，垂直速度開始增加，對流前30 min，信噪比開始增加。垂直速度和信噪比的大值區(qū)高度均接近3 150 m，對流發(fā)展高度≥3 150 m；2014年9月2日對流前5 min，垂直速度開始增加，對流發(fā)生時，信噪比開始增加，其對流發(fā)展高度≥3 150 m。

從冷渦背景下冰雹類天氣的垂直速度和信噪比的時間—高度剖面(圖8)看出：其表現(xiàn)出與雷暴類天氣相似的特征，但冰雹類天氣的垂直速度最大值均≥8 m·s-1，且對流發(fā)展高度較高，尤其是本站發(fā)生冰雹的2次過程，高度均≥6 750 m，且整層信噪比衰減不明顯。2013年9月2日對流前25 min，垂直速度開始增加，對流前15 min，信噪比開始增加；2014年5月21日對流前35 min，垂直速度增加，對流前15 min，信噪比增加；2014年8月17日對流前15 min，垂直速度增加，對流前10 min，信噪比增加。

3 分類預警指標

3.1 對流類別判斷

(1)雷暴類對流判別依據(jù)

環(huán)流及物理量判別：冷渦中心位于45°N以北，中心強度568 dagpm，沈陽處于冷渦的底前部，0 ℃層高度>3 500 m，850 hPa與500 hPa溫差>25 ℃。

風廓線產品判別：高空水平風速一般<20 m·s-1，大氣折射率結構常數(shù)量級在10-4～10-3，垂直風切變大值區(qū)在1 000 m以下，雷暴類對流發(fā)展高度≥3 150 m，信噪比在3 390 m以上時，明顯減弱。

(2)冰雹類對流判別依據(jù)

環(huán)流及物理量判別：冷渦中心位于45°N附近或以南，中心強度556～568 dagpm，沈陽處于冷渦的底部或底后部，0 ℃層高度<2 800 m，-20 ℃層高度<5 900 m，850 hPa與500 hPa溫差>28 ℃。

風廓線產品判別：高空水平風速一般>20 m·s-1，大氣折射率結構常數(shù)量級在10-3～10-1，垂直風切變大值區(qū)在1 350～2 000 m，垂直速度最大值≥8 m·s-1，對流發(fā)展高度≥6 750 m，整層信噪比衰減不明顯。

3.2 預警時效

基于風廓線雷達探測產品，雷暴類和冰雹類的提前預警時效見表3。

表3 分類預警時效

圖6 冷渦背景下雷暴類與冰雹類對流天氣垂直風切變的時間—高度剖面(單位：s-1) (a)2014年8月14日，(b)2013年9月2日，(c)2014年8月15日， (d)2014年5月21日，(e)2014年9月2日, (f)2014年8月17日

圖7 冷渦背景下雷暴類對流天氣垂直速度(左，單位：m·s-1)和信噪比(右，單位：dB)的時間—高度剖面 (a、b)2014年8月14日，(c、d)2014年8月15日，(e、f)2014年9月2日

圖8 冷渦背景下冰雹類天氣垂直速度(左，單位：m·s-1)和信噪比(右，單位：dB)的時間—高度剖面 (a、b)2013年9月2日，(c、d)2014年5月21日，(e、f)2014年8月17日

4 結 論

(1)冷渦背景下雷暴類天氣冷渦中心位置較冰雹類偏北，強度偏弱。0 ℃層高度<2 800 m，-20 ℃層高度<5 900 m，850 hPa與500 hPa溫差>28 ℃，出現(xiàn)冰雹的概率較大。

(2)雷暴類與冰雹類對流發(fā)生前，均出現(xiàn)動量下傳現(xiàn)象，雷暴類下傳時間早于冰雹類對流，但風速大值偏小，一般<20 m·s-1，冰雹類風速大值一般>20 m·s-1。

(3)隨著對流臨近或開始，大氣折射率結構常數(shù)和垂直風切變增加明顯，如果大氣折射率結構常數(shù)增加時，對流還未發(fā)生，可提示預報員關注對流天氣。雷暴類對流大氣折射率結構常數(shù)量級在10-4～10-3，而冰雹類對流量級在10-3～10-1。雷暴類垂直風切變大值區(qū)出現(xiàn)的高度低于冰雹類對流天氣。

(4)垂直速度增加時，不能作為判斷是否為降水開始的標志。雷暴類對流發(fā)展高度低于冰雹類。

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Application of Wind Profiler Radar Data to Convective Weather Forecast Under Background of Cold Vortex in Shenyang

LI Dian, LU Yang, WU Yutong, LI Chong, CHAI Xiaoling, CUI Jinglin, ZHANG Shuai

(ShenyangMeteorologicalBureauofLiaoningProvince,Shenyang110168,China)

Based on cold vortex cases influencing Shenyang during September 2013 to October 2014 and wind profiler radar data, the characteristics of profiler products were compared between thunderstorm and hailstone weather processes, and some nowcasting indicators were found. The results show that the severe convective weathers could be judged according to the diagnosis of large-scale circulation background, the physical quantity characteristic value and the profiler products. On this basis, some results were helpful to warning effectiveness. Before the two kinds of convective weathers happened, there was phenomenon of momentum transport downward, but it occurred earlier for thunderstorm weather, and extreme wind speed was smaller. The altitude of big value area of atmosphere refractive index structure constant and vertical wind shear, and convection development height were lower under thunderstorm condition than those under hail condition.

wind profiler radar; cold vortex; convective weather; warning

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0886

2015-12-29；改回日期：2016-03-30

2015年度中國氣象局預報員專項(CMAYBY2015-016)和2014年度沈陽市氣象局預報員專項共同資助

李典(1987-)，男，吉林省長春市人，工程師，主要從事短臨天氣預報研究. E-mail：30722593@qq.com

1006-7639(2016)-05-0886-12 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0886

P457

A

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, [LI Dian, LU Yang, WU Yutong, et al. Application of Wind Profiler Radar Data to Convective Weather Forecast Under Background of Cold Vortex in Shenyang[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):886-897],