黃金全,李麗麗,文繼芬,鄒書平
(1.中國民航貴州空中交通管理分局,貴州 貴陽 550005;2.貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽 550081)
多普勒天氣雷達(dá)是大氣監(jiān)測的有效手段,在突發(fā)性、災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警中是最重要的參考指標(biāo)[1],通過對雷達(dá)回波的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)分布、特征參數(shù)演變以及徑向速度分布等的探測,能夠得到強(qiáng)對流單體不同層次的形態(tài)特征,垂直結(jié)構(gòu)和風(fēng)場特征等,從而對強(qiáng)對流單體的演變和成因做研究[2-6]。風(fēng)廓線雷達(dá)是利用大氣湍流對電磁波的散射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場的遙感探測設(shè)備,可以得到近乎實(shí)時(shí)的垂直廓線,相比L波段探空雷達(dá)資料兩者在一定誤差范圍內(nèi)的相關(guān)性較好[7-8],風(fēng)廓線雷達(dá)資料具有全天候、連續(xù)性、高分辨的優(yōu)勢,而且能夠得到大氣垂直氣流的參數(shù);相比常規(guī)氣象雷達(dá)測風(fēng)效果,又具有靈敏度高,晴空探測能力強(qiáng)的特點(diǎn)。多普勒天氣雷達(dá)是對一定空間范圍內(nèi)的降水回波的觀測,風(fēng)廓線雷達(dá)是對一點(diǎn)上空的風(fēng)場做觀測,點(diǎn)面結(jié)合能夠更加全面的分析對流系統(tǒng)的演變和形成機(jī)理。國內(nèi)近年來正在不斷的建立和完善風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò), 截止2016年年底,我國業(yè)務(wù)上投入使用83部風(fēng)廓線雷達(dá),風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)每小時(shí)可形成組網(wǎng)數(shù)據(jù),用于監(jiān)測低空急流和與其有關(guān)的雷暴活動(dòng),并應(yīng)用于數(shù)值模式中,以改善常規(guī)探空站時(shí)空分辨率的不足。目前也有很多應(yīng)用成果,研究表明風(fēng)廓線雷達(dá)能夠做到對過境鋒面、短波波動(dòng)、中氣旋、低空急流和切變線等天氣系統(tǒng)的連續(xù)探測,可大大提高中小尺度對流系統(tǒng)的監(jiān)測能力[9-11]。風(fēng)廓線雷達(dá)對冷空氣的侵入判別提前于常規(guī)觀測資料,低層水平風(fēng)和垂直風(fēng)的變化與對流發(fā)生和結(jié)束的時(shí)間對應(yīng)較好[12-15],探測到的低空急流和風(fēng)切變對于對流天氣的預(yù)報(bào)具有重要意義。本文將風(fēng)廓線雷達(dá)資料和多普勒天氣雷達(dá)資料結(jié)合起來分析一次多單體強(qiáng)對流天氣過程,希望得到有意義的應(yīng)用結(jié)論。
本文選取2018年3月18—19日發(fā)生在貴州省中部的一次多單體強(qiáng)對流天氣過程,采用貴陽國家基準(zhǔn)站的多普勒雷達(dá)資料和探空定時(shí)資料(08時(shí),20時(shí),本文出現(xiàn)的所有時(shí)間均為北京時(shí)),邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)資料采用貴陽機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá)資料(位于貴陽市國家基準(zhǔn)站以東9 km處,兩地海拔落差88 m)。3種探測設(shè)備的測風(fēng)資料各自具有不同的優(yōu)勢,如表1。風(fēng)廓線雷達(dá)主要反映邊界層大氣的風(fēng)場分布狀況,輸出參量包括:水平風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速,大氣折射率常數(shù)CN2,具有全天候,連續(xù)性,高精度的特征,不足之處在于當(dāng)有降水過程時(shí),其探測誤差影響較大。多普勒天氣雷達(dá)探測空間范圍廣,可以對對流單體做跟蹤監(jiān)測,但晴空探測能力不足,因此兩者結(jié)合應(yīng)用能夠在強(qiáng)對流天氣過程的預(yù)報(bào)預(yù)警工作中有一定的互補(bǔ)效果。
表1 三種儀器的探測參數(shù)Tab.1 Parameter of three detection instruments
為測試風(fēng)廓線雷達(dá)資料的可用性,選取3月12—19日每日兩次L波段探空雷達(dá)的定時(shí)觀測資料與之對比,剔除異常值后風(fēng)向和風(fēng)速分別有687、505組數(shù)據(jù),由于探空氣球存在漂移,規(guī)定風(fēng)向誤差范圍在±30°,風(fēng)速誤差在±3 m/s范圍內(nèi)為可信,對比結(jié)果為:風(fēng)向的一致性很高,可信率為98.4%,風(fēng)速在特殊層的誤差較大,但是總體可信率也達(dá)到93.3%。兩者風(fēng)速隨高度變化的趨勢是一致的,風(fēng)廓線雷達(dá)資料的風(fēng)向風(fēng)速的垂直變化曲線更加連續(xù)平滑(如圖1),可信度較高。
圖1 3月18日L-波段探空雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)資料對比Fig.1 Comparison between L-sounding radar data and wind profile radar data on 18 Mar. 2018
3月18日全省受高空槽西南氣流控制,省西部地面熱低壓較為活躍,有利于對流單體的孕育和發(fā)展。18日午后至19日01時(shí),貴州省中部共經(jīng)歷兩次強(qiáng)對流天氣過程,共有75站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水,降水落區(qū)主要位于貴陽市、黔南州北部和黔東南州西部地區(qū),最大雨強(qiáng)達(dá)到50 mm/h,強(qiáng)降水時(shí)間主要集中在18日21時(shí)—19日01時(shí),降水中心最大雨強(qiáng)為65 mm/h,同時(shí)有24個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)冰雹,冰雹落區(qū)集中在貴陽市,冰雹最大直徑達(dá)到20 mm(久長和李村)。貴陽機(jī)場氣象觀測站累計(jì)降水11.7 mm,第一次降水過程時(shí)間為18日20—23時(shí),第二次為19日01時(shí)。
圖2 3月18日08時(shí)—19日08時(shí)強(qiáng)對流天氣(閃電、 冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水、大風(fēng))分布Fig.2 The spatial distribution of severe convection weather between 08∶00 18 Mar. to 08∶00 19 Mar. (lightning, hailstone, short-time strong rainfall and gale)
運(yùn)用貴陽市多普勒天氣雷達(dá)資料對此次天氣過程中單體的移動(dòng)路徑做跟蹤監(jiān)測,貴陽地區(qū)共受兩次對流系統(tǒng)影響,第一次是自18日17時(shí)開始,從赫章、大方等地陸續(xù)生成的午后熱低壓在移動(dòng)中發(fā)展為多個(gè)強(qiáng)回波單體,對流系統(tǒng)在20時(shí)30分左右到達(dá)貴陽境內(nèi),偏北的兩塊對流單體到達(dá)貴陽后向東北方向移去,偏南的對流單體與貴陽本地的系統(tǒng)合并造成多地降雹,分散的單體在此演變過程中生消合并,最終形成一個(gè)有組織的帶狀對流系統(tǒng)向東南方向移去,在黔南北部造成多地短時(shí)強(qiáng)降水過程(如圖3a、3b、3c)。第二次是自18日22時(shí)開始,從織金南部生成并向東移動(dòng)的單體,19日01時(shí)左右達(dá)到貴陽地區(qū)(如圖3d、3e、3f),并引起沿途陣性降水天氣過程。
根據(jù)圖3a中偏南的對流單體中心回波強(qiáng)度演變情況繪制曲線如圖4,雷達(dá)回波中心強(qiáng)度在19—20時(shí)從30 dBz躍增至60 dBz,回波頂高也從7 km升至10.7 km,當(dāng)日貴陽探空資料探測的-20 ℃溫度層高度為7.2 km。單體從織金西部移至東部,20—22時(shí),回波迅速自清鎮(zhèn)進(jìn)入貴陽境內(nèi)引起冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水,最大強(qiáng)度在60 dBz左右波動(dòng),回波頂高最高達(dá)到12 km,之后降至10 km左右。20時(shí)23分—21時(shí)03分期間45 dBz的回波頂高突破-20 ℃溫度層高度,冰雹過程過后回波頂高回落至8 km左右,移出貴陽后多個(gè)單體合并加強(qiáng),最大回波單體達(dá)到65 dBz左右,回波頂高也再次增至11.4 km,隨后在向東南方向移動(dòng)的過程中造成局地短時(shí)強(qiáng)降水,之后便逐漸減弱消失。
圖3 2018年3月18—19日貴陽多普勒天氣雷達(dá)回波組合反射率因子圖(單位:dBz,a.20時(shí)01分,b.21時(shí)03分; c.22時(shí)00分;d.19日00時(shí)00分;e.19日01時(shí)02分;f.19日01時(shí)31分)Fig.3 The composite reflectivity of Guiyang Radar at key period(unit:dBz, a.20:01,b.21∶03, c.22∶00,d.00∶00 19 Mar., e.01∶02 19 Mar., f.01∶31 19 Mar.)
圖4 2018年3月18—19日典型雷暴單體的 回波中心強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況 Fig.4 Time series of the echo intensity of a thunderstorm cell between 18 Mar. to 19 Mar
選取如圖4中造成貴陽地區(qū)冰雹的典型對流單體發(fā)展演變過程中的3個(gè)關(guān)鍵時(shí)次,做雷達(dá)徑向上穿過回波強(qiáng)度中心的剖面圖。圖5a為發(fā)展旺盛階段,經(jīng)過此前1 h的躍增,對流單體強(qiáng)度達(dá)到56.5 dBz,強(qiáng)回波位置偏高,表明回波上升氣流旺盛。圖5b回波強(qiáng)度增強(qiáng)至64 dBz,回波頂高也維持在10 km以上,但強(qiáng)回波中心位置下移,半小時(shí)后如圖5c所示,回波前部出現(xiàn)明顯的出流邊界,回波對應(yīng)位置出現(xiàn)降雹,隨著對流單體的移動(dòng),貴陽境內(nèi)自西向東多站降雹。隨著對流單體逐漸進(jìn)入貴陽雷達(dá)站靜錐區(qū),之后便無法探測到完整的回波結(jié)構(gòu)。
圖5 貴陽多普勒天氣雷達(dá)在雷達(dá)徑向方向的基本反射率因子剖面圖 (a.19時(shí)49分-276°,b.20時(shí)23分-281°,c.20時(shí)52分-268°)Fig.5 The vertical profile of base reflectivity along the direction of Guiyang Radar (a.19∶49-276°,b.20∶23-281°,c.20∶52-268°)
通過分析垂直方向上風(fēng)向隨高度的變化能夠判斷站點(diǎn)上空不同層次是否有冷暖平流經(jīng)過。如圖6a在降水發(fā)生前18—20時(shí)地面至6 km高度大氣均為暖平流,1.5 km高度上有一條明顯的切變線,19時(shí)之后5.5 km以上高度出現(xiàn)西南方向急流軸,20時(shí)降水開始前低空切變線上升至2.5 km,低空急流范圍從3.5 km高度延伸至6.0 km以上,西南暖濕急流能為降水過程提供豐富水汽。20—21時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場上發(fā)現(xiàn)上空有中尺度鋒生,從此時(shí)雷達(dá)徑向速度圖上可以看出貴陽上空有東北—西南向和東南—西北向的兩條低空輻合線形成一個(gè)輻合中心,鋒面輻合線恰好經(jīng)過機(jī)場上空。如圖6b,22時(shí)之后,低空急流范圍收縮,冷平流略有加強(qiáng),23時(shí)30分低空切變線位置升高且強(qiáng)度加強(qiáng),貴陽對應(yīng)一次弱的降水過程,過程期間雷達(dá)徑向速度圖上只能識別出低層為偏北風(fēng)控制,無法分析出切變線。在地面熱低壓和高空槽引導(dǎo)下,對流單體不斷生成并增強(qiáng),有穩(wěn)定維持的低空切變線,低空急流出現(xiàn)的時(shí)間與降水有一定的對應(yīng)關(guān)系,風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)和雷達(dá)徑向速度場點(diǎn)面配合分析能夠更好的確定急流、風(fēng)切變和冷暖平流的位置。
圖6 風(fēng)廓線雷達(dá)探測的風(fēng)矢量—高度時(shí)間和多普勒天氣雷達(dá)徑向速度圖(單位:m·s-1,紅色實(shí)線為低空切變線,頂部零值為 空白資料,a.18日18—22時(shí),b.18日20時(shí)52分徑向速度,仰角2.4°;c.18日22—19日02時(shí);d.23時(shí)43分徑向速度,仰角1.5°)Fig.6 The temporal variation of wind vector-high over wind profile radar and the radial velocity(unit:m·s-1,red full line is the position of wind shear,the zero value on the top level is blank. a.18∶00-22∶00 18 Mar., the radial velocity at 2.4° elevation angle at 20∶52,b.22∶00 18 Mar.-2∶00 19 Mar.,the radial velocity at 1.5°elevation angle at 23∶43)
低空急流是與強(qiáng)降水相聯(lián)系的、位于對流層下部離地面1~4 km層(600~900 hPa之間)中的水平動(dòng)量相對集中的氣流帶,中心風(fēng)速一般大于等于12 m/s,低空急流的出現(xiàn)往往意味著急流軸上下兩側(cè)存在較大的風(fēng)速切變。如圖7是3月18日14時(shí)—19日08時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)垂直方向上風(fēng)速隨時(shí)間的變化圖,在第一階段降水發(fā)生前從15時(shí)開始,5.5 km高度上便有急流軸出現(xiàn),并隨時(shí)間逐漸下移,直到21時(shí)左右降水開始階段,急流軸向下壓至4.0 km,向上延伸至6.0 km高度。18日22時(shí)—19日01時(shí)站點(diǎn)周圍大部分地區(qū)處于短時(shí)強(qiáng)降水階段,風(fēng)場同樣表現(xiàn)出急流軸下移的特征,低空急流的強(qiáng)度更強(qiáng),急流軸風(fēng)速達(dá)到22 m/s,在3.0 km左右高度上存在一個(gè)風(fēng)速大梯度帶,表明此階段對流層低層具有更強(qiáng)的風(fēng)速切變。低空急流能為暴雨區(qū)提供水汽的輸送通道,利于暴雨的維持。此次暴雨冰雹強(qiáng)對流過后,19日04時(shí)開始貴陽上空又有一波弱的對流單體經(jīng)過,本站在04時(shí)有3 mm降水,風(fēng)場上同樣探測到低空急流,可見低空急流出現(xiàn)的時(shí)間提前于降水開始的時(shí)間,降水結(jié)束后低空急流也逐漸減弱消失,對應(yīng)的范圍變化和位置波動(dòng)與對流系統(tǒng)發(fā)展和結(jié)束有密切聯(lián)系。
圖7 3月18日14時(shí)—19日08時(shí)貴陽機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá) 垂直方向上風(fēng)速隨時(shí)間的變化圖(單位:m·s-1, 頂部的零值區(qū)表示沒有探測數(shù)據(jù))Fig.7 The wind speed of base reflectivity along vertical direction times between 14∶00 18 Mar. to 08∶00 19 Mar. over Guiyang airport wind profile radar(unit:m·s-1, the zero value of top level mean blank value)
在有云或降水情況下,風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的垂直風(fēng)速為垂直方向氣流運(yùn)動(dòng)速度與粒子運(yùn)動(dòng)速度的和,垂直風(fēng)向下為正,向上為負(fù),垂直方向上風(fēng)速絕對值越大,反映出不同高度層上水汽和熱交換的程度越劇烈,因此這也一定程度上反映對流活動(dòng)的強(qiáng)弱。如圖8,從20時(shí)開始5 km高度便有大于4 m/s向下的粒子運(yùn)動(dòng),表明降水可能已經(jīng)開始,地面站點(diǎn)20時(shí)觀測到微量降水,之后兩個(gè)時(shí)次的向下運(yùn)動(dòng)速度逐漸加強(qiáng),站點(diǎn)降水也觀測到小雨量級的降水,至19日停止。垂直速度的變化反映出對流活動(dòng)強(qiáng)弱,也能作為提前判斷降水過程的開始和結(jié)束參考依據(jù),但是垂直速度只是探測到測站上空的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),相對于天氣系統(tǒng)影響的范圍來說,所測得數(shù)據(jù)必然存在很大的脈動(dòng)性、缺乏代表性,因此這個(gè)指數(shù)僅作為參考指標(biāo)。
圖8 風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)速隨高度的變化圖(單位:m·s-1,頂部的零值區(qū)表示沒有探測數(shù)據(jù),a.18日20時(shí), b.18日21時(shí),c.18日22時(shí),d.18日23時(shí),e.19日00時(shí),f.19日01時(shí))Fig.8 The vertical profile of wind speed at different time(unit:m·s-1,the zero value of top level of mean blank value, a.20∶00 18 Mar.,b.21∶00,c.22∶00,d.23∶00,e.00∶00 19 Mar.,f.01∶00)
本文運(yùn)用風(fēng)廓線雷達(dá)結(jié)合多普勒天氣雷達(dá)資料對一次強(qiáng)對流天氣過程做了分析,風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在風(fēng)場觀測方面能夠較好的補(bǔ)充貴陽多普勒天氣雷達(dá)在貴陽市探測能力的不足,能夠探測到邊界層內(nèi)的急流、風(fēng)切變和冷暖平流活動(dòng)。在地面熱低壓和高空槽引導(dǎo)下,對流單體不斷生成增強(qiáng),并有近地面低空切變線穩(wěn)定維持,低空急流出現(xiàn)的時(shí)間提前于降水開始的時(shí)間,低空急流的范圍擴(kuò)大和位置下移時(shí)表明低層輻合運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),有利于對流系統(tǒng)發(fā)展和移動(dòng)。風(fēng)廓線雷達(dá)資料與多普勒天氣雷達(dá)徑向速度點(diǎn)面配合分析,能夠清楚的反映鋒面過境的情況,多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品能更好的追蹤單體的移動(dòng)路徑,降水結(jié)束后低空急流也逐漸減弱消失。降水開始前,垂直速度正負(fù)差別越大表明不同層熱交換強(qiáng)烈,對流活動(dòng)越強(qiáng),由于資料受降水過程的影響存在很大的脈動(dòng)性,因此這個(gè)指數(shù)僅作為參考指標(biāo)。