王一文+張+碩+柴曉玲等

摘 要：該研究利用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)2015年7月28日發(fā)生在沈陽(yáng)一次弱降水的強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明：（1）此次過程是受低渦底部影響，配合強(qiáng)的不穩(wěn)定能量和水汽造成的強(qiáng)對(duì)流過程。（2）在雷電實(shí)況發(fā)生前20～30min各產(chǎn)品均表現(xiàn)出顯著特征，具有指示意義：水平風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)20m/s以上的大風(fēng)，并存在能量下傳；垂直速度場(chǎng)在整個(gè)高度上出現(xiàn)大于8m/s的正速度；大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C2n出現(xiàn)120dB以上的值，且與垂直速度變化趨勢(shì)相似。（3）風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)雷達(dá)站附近的風(fēng)場(chǎng)變化十分敏感，可以反映環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)，判斷環(huán)境大氣中是否有對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)入以及大氣湍流情況。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá)；強(qiáng)對(duì)流；大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

中圖分類號(hào) P458.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）18-0119-03

1 前言

東北冷渦是影響東北地區(qū)的主要天氣尺度系統(tǒng)，在夏季常常引發(fā)對(duì)流性天氣[1]。斯公望[2]指出對(duì)流云的發(fā)展可能出現(xiàn)在冷渦云系附近或后部晴空區(qū)，其突發(fā)性強(qiáng)，尺度小，使得預(yù)報(bào)員進(jìn)行預(yù)報(bào)和預(yù)警工作都困難。

風(fēng)廓線雷達(dá)（WPR）是一種新型的探測(cè)設(shè)備，可以24h無人值守的監(jiān)測(cè)風(fēng)場(chǎng)變化，除水平風(fēng)風(fēng)向風(fēng)速外，還可提供垂直速度、信噪比、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等多種產(chǎn)品，能夠有效捕捉到大氣風(fēng)場(chǎng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)[3]，對(duì)于移動(dòng)快、生命史短的中小尺度天氣具有更好的監(jiān)測(cè)效果。2013年沈陽(yáng)市氣象臺(tái)為保障全運(yùn)會(huì)氣象服務(wù)工作引進(jìn)一臺(tái)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，本文分析了其在2015年7月28日一次弱降水的強(qiáng)對(duì)流天氣中的特征變化。

2 天氣實(shí)況及環(huán)流背景

2.1 天氣實(shí)況 2015年7月28日下午沈陽(yáng)市迎來一次強(qiáng)對(duì)流天氣過程，此次對(duì)流過程中降水較小，雷電較強(qiáng)的特征。15：00沈陽(yáng)市區(qū)西部及遼中縣、新民縣多個(gè)區(qū)域自動(dòng)站累積小時(shí)雨量大于10mm。15：30開始沈陽(yáng)本站出現(xiàn)降水，10mm加密自動(dòng)站最大降水量為10.8mm，降水較大的區(qū)域距離本站較遠(yuǎn)，主要在沈陽(yáng)市北部，部分站點(diǎn)達(dá)到小時(shí)雨量20mm以上。整個(gè)降水過程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，到22：50沈陽(yáng)出現(xiàn)雷電。

2.2 環(huán)流背景 2015年7月28日受冷渦底部影響，沈陽(yáng)市南部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)雷電天氣。全省k指數(shù)大于36℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。中低層以西南風(fēng)為主，700hPa在遼寧中部地區(qū)存在切變，但沒有急流配合，動(dòng)力條件一般。700hPa、850hPa上有一致的西南氣流影響遼寧省東部地區(qū)，遼寧省高低層均處于濕區(qū)，水汽條件較好。28日20：00沈陽(yáng)探空?qǐng)D（圖1）表明，沈陽(yáng)上空有不穩(wěn)定能量，但強(qiáng)度較弱，850hPa以下的近地面層濕度較小，850～700hPa的濕度明顯增大，700hPa以上又再次減弱。垂直風(fēng)場(chǎng)上，沈陽(yáng)市整層均以西南風(fēng)為主有利于上空的水汽累積，由于中層沒有干冷空氣的入侵，高低空無法形成冷暖空氣的對(duì)流，出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的可能性較低。綜合實(shí)況資料分析可以發(fā)現(xiàn)，沈陽(yáng)地區(qū)具有觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的潛勢(shì)，但沒有相配合的切變、急流等天氣系統(tǒng)，由于水汽條件較好，應(yīng)著重考慮短時(shí)強(qiáng)降水的可能，但本次過程中，以雷電為主，降水較弱，因此使用其他資料進(jìn)行提前預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 風(fēng)廓線雷達(dá)特征分析

風(fēng)廓線雷達(dá)包括水平風(fēng)產(chǎn)品、垂直風(fēng)產(chǎn)品、信噪比產(chǎn)品和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（C2n）。其中風(fēng)場(chǎng)資料的可以提供5min、30min及1h3種時(shí)間分辨率的產(chǎn)品，而信噪比和C2n均為實(shí)時(shí)5min的產(chǎn)品。下面將分別對(duì)水平風(fēng)速、垂直速度、C2n產(chǎn)品在本次雷雨過程中的變化特征做詳細(xì)分析。

3.1 水平風(fēng)場(chǎng)特征分析 由圖2（a）可以看到，當(dāng)沒有對(duì)流系統(tǒng)影響時(shí)，沈陽(yáng)風(fēng)廓線雷達(dá)站上空風(fēng)向變化規(guī)律，風(fēng)速值連續(xù)。低層有風(fēng)速為8～10m/s的西南風(fēng)，中高層為偏西風(fēng)，6km以上為20m/s以上的大風(fēng)速區(qū)，這與20：00的探空?qǐng)D（圖1）十分一致。17：30開始3.5～5.5km風(fēng)速值減弱為2～4m/s，風(fēng)向出現(xiàn)偏西和偏北等不同的方向，形成一條風(fēng)向紊亂的氣流帶。風(fēng)廓線雷達(dá)的原理是通過探測(cè)一定時(shí)段內(nèi)湍流的變化來獲得風(fēng)場(chǎng)的各項(xiàng)信息，當(dāng)湍流運(yùn)動(dòng)劇烈時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)得到的風(fēng)場(chǎng)也是不規(guī)律的，這種持續(xù)性的風(fēng)場(chǎng)紊亂說明在28日夜間，沈陽(yáng)市上空存在小尺度的湍流運(yùn)動(dòng)，其持續(xù)時(shí)間至少為6h，并且這種湍流運(yùn)動(dòng)隨著時(shí)間不斷下傳，由3.5～5km下降至0.5～2.5km。由探空?qǐng)D可以發(fā)現(xiàn)，在600hPa（3.5～5.5km）上存在不穩(wěn)定能量，因此這種混亂風(fēng)場(chǎng)區(qū)的下沉使得中層的不穩(wěn)定能量下傳至地面，并使近地面大氣層中具有不穩(wěn)定抬升機(jī)制。22：30在1.5～2.5km出現(xiàn)大風(fēng)速區(qū)，但持續(xù)時(shí)間較短，同時(shí)高空的大風(fēng)速帶在22：00—22：30下沉后又不斷上升，到24日00：00高空已沒有大于20m/s的大風(fēng)速區(qū)，大風(fēng)速區(qū)基本消失。

（左：a.時(shí)間分辨率：30min，右：b.時(shí)間分辨率：5min橫坐標(biāo)為世界時(shí)）

為獲得更多細(xì)節(jié)，這里使用分辨率為5min的風(fēng)廓線資料做進(jìn)一步分析。圖2（b）中，中間的風(fēng)速帶以偏西和偏北風(fēng)為主，位置不斷降低，有利于中層干冷空氣的不斷入侵并逐漸流入低層，盡管擾動(dòng)較弱但由于持續(xù)時(shí)間可達(dá)6小時(shí)，使得低層的不穩(wěn)定能量不斷累積增強(qiáng)，有利于觸發(fā)對(duì)流。20：30高空大風(fēng)速區(qū)開始下降，21：00達(dá)到5.5km的高度，隨后又逐漸抬升，但下邊界仍穩(wěn)定維持在5.5～6.0km，有利于加強(qiáng)高空輻散。22：20—22：35在4.5km以下出現(xiàn)與高層分離的大風(fēng)速區(qū)，大風(fēng)速區(qū)的下邊緣可以達(dá)到0.5km，加強(qiáng)了低層的輻合抬升條件。結(jié)合實(shí)況資料，沈陽(yáng)雷電出現(xiàn)在22：50，而這種在中低層出現(xiàn)的大風(fēng)速區(qū)提前了20～30min，具有一定的參考意義。

3.2 垂直風(fēng)場(chǎng)特征分析 圖3中上升氣流為負(fù)值，下沉氣流為正值。分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，沈陽(yáng)上空存在十分明顯的下沉氣流，19：00—22：00下沉氣流始終較弱，且持續(xù)時(shí)間較短。結(jié)合水平風(fēng)場(chǎng)圖（圖2），這一段時(shí)間內(nèi)的下沉氣流與大氣中的擾動(dòng)下傳有一定聯(lián)系。22：40后下沉氣流有明顯的增強(qiáng)，其最大值可達(dá)到8m/s，并維持這種強(qiáng)度到29日5：30，隨后迅速減弱。對(duì)比各時(shí)段內(nèi)的下沉氣流可以發(fā)現(xiàn)，28日22：40到29日5：30的下沉氣流持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，強(qiáng)度最大，最大值區(qū)主要分布于4km以下，4km以上的下沉氣流最大僅為2～3m/s，但下沉氣流在大氣中的連續(xù)分布范圍明顯大于其他時(shí)段，可達(dá)到風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測(cè)范圍，這種特征首次出現(xiàn)的時(shí)間為雷電實(shí)況前25min。由于風(fēng)廓線雷達(dá)容易受到降水粒子、云等物體的影響，因此這一時(shí)段內(nèi)的低層下沉氣流大于高層，這是因?yàn)榈蛯油瑫r(shí)受到擾動(dòng)下傳和降水粒子的影響。由實(shí)況可以發(fā)現(xiàn)，沈陽(yáng)市出現(xiàn)降水的時(shí)間晚于下沉氣流首次分布于整個(gè)大氣層的時(shí)間，這說明垂直風(fēng)對(duì)降水十分敏感并且具有提前性。endprint

3.3 C2n特征分析 風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)的關(guān)鍵指標(biāo)是其數(shù)據(jù)的獲取率，而其在很大程度又受到了大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的影響，可以反映大氣折射率不均勻性的劇烈程度，大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)記為C2n[4]。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)出現(xiàn)多個(gè)時(shí)段的連續(xù)大值，在14：00—14：20之間C2n突然減弱，但低層1.5km以下的強(qiáng)度仍大于1.5km以上，由于C2n是對(duì)大氣折射率的一種反應(yīng)，而大氣折射率又受到湍流的影響，當(dāng)湍流運(yùn)動(dòng)活躍，反映在C2n上也明顯較大。圖4中表現(xiàn)為1.5km以下的C2n始終高于其他高度，這是因?yàn)榻貙拥耐牧骰顒?dòng)更加活躍。另外，對(duì)比垂直風(fēng)場(chǎng)演變圖5可以發(fā)現(xiàn)，C2n出現(xiàn)大值的時(shí)間與垂直風(fēng)加強(qiáng)的時(shí)間較為吻合。垂直風(fēng)首次出現(xiàn)連續(xù)分布在整層大氣的下沉氣流是在10：40，C2n出現(xiàn)各層>120dB的時(shí)間為10：25，這說明C2n對(duì)于大氣運(yùn)動(dòng)的變化更為敏感，而變化趨勢(shì)又與垂直風(fēng)十分相似，因此在判斷預(yù)報(bào)時(shí)可以相互結(jié)合，做對(duì)比分析。

（時(shí)間分辨率：5min，橫坐標(biāo)為世界時(shí)，單位：dB）

4 結(jié)論

本文利用沈陽(yáng)風(fēng)廓線資料對(duì)2015年7月28日一次弱降水強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行分析，探討風(fēng)廓線雷達(dá)提供的各類產(chǎn)品特征，得到以下結(jié)論：（1）高空實(shí)況資料和TlogP圖分析可以發(fā)現(xiàn)，沈陽(yáng)地區(qū)具有觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的潛勢(shì)，但沒有相配合的切變、急流等動(dòng)力條件，由于水汽條件較好，應(yīng)著重考慮短時(shí)強(qiáng)降水的可能，但實(shí)際過程中，以強(qiáng)雷電為主，降水較弱，因此還需配合其他資料進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)。（2）在本次過程中，風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)存在湍流向下傳導(dǎo)，將高層不穩(wěn)定能量向低層傳遞，并且風(fēng)廓線雷達(dá)還探測(cè)到在雷電發(fā)生前20～30min有大于20m/s的大風(fēng)速突然出現(xiàn)；垂直速度會(huì)受到空氣中的擾動(dòng)和降水粒子影響，但在整個(gè)探測(cè)高度內(nèi)全部轉(zhuǎn)為正速度是在雷電實(shí)況出現(xiàn)前的25min前，最大能達(dá)到8m/s；C2n出現(xiàn)大值的時(shí)間與垂直風(fēng)加強(qiáng)的時(shí)間較為吻合，其變化趨勢(shì)與垂直風(fēng)十分相似。以上這些特點(diǎn)都出現(xiàn)在實(shí)況發(fā)生前，具有指示意義。（3）目前對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用還不夠充分，需要增加個(gè)例做進(jìn)一步分析。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)編：張宏民）endprint