張?jiān)氯A，王 健，鄭玉萍，張?jiān)苹?/p>

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830006；2.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002）

風(fēng)廓線雷達(dá)是一種垂直大氣探測(cè)設(shè)備， 其以每6 min 一次、垂直高度60～7500 m 的時(shí)空分辨率，彌補(bǔ)了常規(guī)探測(cè)手段的不足。 1994 年美國(guó)NOAA/NWS 和OAR 在風(fēng)廓線儀的評(píng)估報(bào)告中指出， 風(fēng)廓線雷達(dá)資料的應(yīng)用和研究改進(jìn)了多項(xiàng)氣象業(yè)務(wù)，包括高空風(fēng)探測(cè)率的提高；龍卷、雷暴、暴雨預(yù)警時(shí)效的提高；強(qiáng)烈天氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高；對(duì)0～12 h 風(fēng)的預(yù)報(bào)改善及對(duì)高空風(fēng)場(chǎng)模式預(yù)報(bào)改善的貢獻(xiàn)等[1]。 我國(guó)不少學(xué)者對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)資料在強(qiáng)降雨、 強(qiáng)對(duì)流及降雪天氣等方面的應(yīng)用也做了很多研究[2-8]，表明風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的探測(cè)能力，且能夠探測(cè)到切變線的存在；而垂直速度、 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2清楚地反映了降水的開(kāi)始、結(jié)束以及降水的強(qiáng)度，降水期間4000 m 高度以下的垂直速度越大降水越強(qiáng)，3～4 m·s-1的垂直速度出現(xiàn)和消失時(shí)刻， 對(duì)應(yīng)降水的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻，Cn2隨時(shí)間的增大、減小與降水的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束有較好相關(guān)性。而雨雪天氣在雷達(dá)風(fēng)廓線上的表現(xiàn)差別，主要是垂直速度，降雨較降雪時(shí)偏大。

隨著烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)的業(yè)務(wù)應(yīng)用， 新疆的氣象專家針對(duì)烏魯木齊暴雨（雪）也做了相關(guān)的初步研究[9-11]，指出在中高層西南（偏南）氣流維持下，低空西北急流的加強(qiáng)與強(qiáng)降水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，風(fēng)廓線雷達(dá)清楚地反映了降水前后烏魯木齊水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直速度和Cn2的垂直變化，降水前后整層風(fēng)切變明顯，低層垂直速度2 m·s-1可作為降水臨界值[9]，低層垂直速度越大降水越強(qiáng)； 強(qiáng)降水階段整層大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2探測(cè)值在-128～-120 dB，且低層較強(qiáng)偏北風(fēng)與Cn2大值區(qū)相對(duì)應(yīng)，因此，風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品能夠清楚地反映烏魯木齊降水的開(kāi)始、 結(jié)束以及降水的強(qiáng)度。

由于春、秋兩季新疆冷空氣活動(dòng)頻繁，烏魯木齊作為首府城市，其三面環(huán)山的特殊地形，常有雨夾雪轉(zhuǎn)大到暴雪的天氣，對(duì)交通出行、城市運(yùn)行、人民生活等影響較大。 但針對(duì)烏魯木齊雨夾雪轉(zhuǎn)暴雪的風(fēng)廓線雷達(dá)資料應(yīng)用研究較少，因此，本文對(duì)2018 年10 月17—18 日烏魯木齊雨夾雪轉(zhuǎn)大暴雪過(guò)程進(jìn)行分析，為提高此類天氣的精細(xì)化預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料和方法

利用常規(guī)觀測(cè)、 自動(dòng)站逐時(shí)降水量及ECMWF1°×1°再分析等資料，分析天氣實(shí)況、環(huán)流背景、物理量診斷等，并重點(diǎn)分析烏魯木齊市風(fēng)廓線雷達(dá)資料在本次雨夾雪轉(zhuǎn)大暴雪過(guò)程的應(yīng)用。

烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)為CFL-03 型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，位于43.78°N，87.62°E，海拔935 m，2011 年業(yè)務(wù)運(yùn)行。 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，包括水平風(fēng)向（風(fēng)速）、垂直風(fēng)速和反映大氣湍流的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2等，烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)工作頻率為1280 MHz，雷達(dá)波長(zhǎng)為0.234 m；最小探測(cè)高度為60～120 m（與場(chǎng)地環(huán)境有關(guān)），最大探測(cè)高度為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。

2 降水實(shí)況和環(huán)流背景

2.1 降水實(shí)況

2018 年10 月17 日10:30—18 日18:00（北京時(shí)，下同），烏魯木齊出現(xiàn)了雨轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)大暴雪的天氣過(guò)程（新疆暴雪標(biāo)準(zhǔn)日降雪量＞12 mm、大暴雪為日降雪量＞24 mm，下同），17 日10:30—22:00 為雨轉(zhuǎn)雨夾雪，22:00 后轉(zhuǎn)為雪，降雪持續(xù)到18 日18:00，過(guò)程總降水量35.5 mm（居歷史同期第二），其中，17日22:00—18 日18:00 降雪量達(dá)24.7 mm 為大暴雪，最大雪強(qiáng)2.8 mm·h-1，其它時(shí)次雪強(qiáng)均維持在1 mm·h-1左右。 本次降水過(guò)程雨雪轉(zhuǎn)換明顯、降雪持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雪強(qiáng)變化不大，表現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)性、穩(wěn)定性降水特征。

2.2 環(huán)流背景

17 日08 時(shí)降水發(fā)生前，500 hPa 歐亞范圍內(nèi)環(huán)流經(jīng)向度較大，為兩脊一槽型，歐洲高壓脊發(fā)展，脊前北風(fēng)帶引導(dǎo)冷空氣南下， 使得西伯利亞至中亞的長(zhǎng)波槽向南加深， 低槽南段南伸至中亞地區(qū)40°N附近，并配合有-33 ℃的冷中心，同時(shí)，新疆東部至貝加爾湖的高壓脊經(jīng)向發(fā)展， 烏魯木齊以西受中亞低槽前的偏南急流影響開(kāi)始降水（圖1a）。

17 日20 時(shí)強(qiáng)降水時(shí)，中天山烏魯木齊附近200 hPa 處于西南急流出口區(qū)附近；500 hPa 中亞低槽前偏南急流中，有風(fēng)速的輻合；700 hPa 烏魯木齊及其以西轉(zhuǎn)為西北氣流， 氣溫下降明顯， 以東為東南氣流， 風(fēng)切變明顯；850 hPa 北疆西北風(fēng)明顯加大，烏魯木齊風(fēng)速12 m·s-1， 而河西走廊至哈密市為偏東氣流， 烏魯木齊附近有西北風(fēng)與偏東風(fēng)的切變，且700~850 hPa 北疆為T-Td＜2 ℃的高濕區(qū)， 加之低空西北氣流遇天山地形強(qiáng)迫抬升， 加劇和加強(qiáng)了風(fēng)場(chǎng)輻合及垂直上升運(yùn)動(dòng)， 有利于冷暖空氣的交換與水汽的聚集（圖1b）。

圖1 17 日08:00（a）和20:00（b）500 hPa 高度場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)疊加（a）和17 日20:00 高低空配置（b）

從17 日08:00 沿43.5°N 做溫度平流與風(fēng)場(chǎng)疊加的剖面圖可以看到，850 hPa 烏魯木齊（87.62°E）為弱西北風(fēng)配合有-6×10-4k·s-1的冷平流中心，700 hPa 為東南風(fēng)，其上風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)且風(fēng)速加大，暖平流明顯，700～600 hPa 烏魯木齊西部有6×10-4k·s-1暖平流大值中心（圖2a）。 17 日20:00 850 hPa 隨著西北氣流增大，冷平流明顯增強(qiáng)至-12×10-4k·s-1，暖平流中心東移至烏魯木齊東部， 高度升至600～500 hPa，中心值12×10-4k·s-1（圖2b），這與前述高低空配置相一致。

3 風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析應(yīng)用

3.1 2018 年10 月17 日08:00 高空探測(cè)與風(fēng)廓線雷達(dá)資料的對(duì)比

烏魯木齊風(fēng)廓線雷達(dá)在烏魯木齊國(guó)家基準(zhǔn)氣象站內(nèi)， 海拔高度935 m， 從10 月17 日08:00 的T-lnp 圖上可以看到（圖3a），地面為偏東風(fēng)，850 hPa 為4 m·s-1的西北風(fēng)，700 hPa 為14 m·s-1的東南風(fēng)，500 hPa 為10 m·s-1的偏南風(fēng)，400 hPa 為14 m·s-1的西南風(fēng)，300 hPa 以上為＞20 m·s-1的西南急流；800 hPa 以下450 hPa 以上濕度較大， 而800～450 hPa 之間為一定厚度的干區(qū)。

對(duì)應(yīng)17 日07:06—07:54 風(fēng)廓線雷達(dá)資料顯示（圖3b），08:00 前近地面為偏東風(fēng)；1500 m 以下西北風(fēng)，1500～2500 m 為一致的東南風(fēng)；2500～4000 m雷達(dá)探測(cè)很弱，對(duì)應(yīng)的探空為干暖的東南風(fēng)；4000～6500 m 為偏南風(fēng)，6500 m 以上為＞20 m·s-1的西南急流。 因?yàn)轱L(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的風(fēng)場(chǎng)信息狀況與大氣的濕度條件密切相關(guān)， 當(dāng)濕度較大時(shí)能探測(cè)到本站上空的風(fēng)場(chǎng)信息較多， 當(dāng)濕度小到一定程度時(shí)探測(cè)信息就明顯減弱[1-4]。

通過(guò)對(duì)比分析同時(shí)次探空觀測(cè)與風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)應(yīng)高度的風(fēng)場(chǎng)、 大氣層結(jié)狀況、 冷暖平流分布等，結(jié)果表明與實(shí)況探空完全吻合，說(shuō)明風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料真實(shí)地反映了測(cè)站上空大氣狀況， 因此可用風(fēng)廓線雷達(dá)資料來(lái)分析烏魯木齊上空大氣風(fēng)、溫、濕等連續(xù)演變過(guò)程。

3.2 水平風(fēng)垂直廓線分析

圖2 08:00（a）和20:00（b）沿43.5°N 溫度平流（單位：k·s-1）與風(fēng)場(chǎng)（單位：m·s-1）疊加剖面

圖3 2018 年10 月17 日08:00 烏魯木齊T-lnp 圖（a）和風(fēng)廓線雷達(dá)資料風(fēng)羽圖（b）

降水發(fā)生前17 日08:00（圖4a），1500 m 以下轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，且風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，說(shuō)明有冷空氣從低層楔入，之后西北風(fēng)隨高度逐漸抬升，說(shuō)明冷平流厚度增大， 并向低層傳遞，17:00 3000 m 以下均為西北氣流，低空完全受冷空氣控制，形成冷墊。1500 m 以上隨高度的上升風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南， 風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)且風(fēng)速明顯增大，說(shuō)明中高層有明顯的暖平流，并且隨時(shí)間推移逐步加強(qiáng)， 這與前述冷暖平流的分布及變化趨勢(shì)完全一致， 也從另一個(gè)方面說(shuō)明風(fēng)廓線雷達(dá)資料的可用性。

由于低層冷空氣勢(shì)力較強(qiáng)， 暖空氣不斷被迫抬升， 冷暖空氣交匯的西北—東南風(fēng)垂直風(fēng)切變線高度由17 日08:00 的1500 m 逐漸上升到19:00 的3500 m， 可見(jiàn)暖空氣被迫抬升使氣層變得不穩(wěn)定，加強(qiáng)了動(dòng)力抬升作用，使暖空氣冷卻飽和，利于降雪產(chǎn)生。 17 日10:30 垂直風(fēng)切變上升到2000 m 高度時(shí)降水開(kāi)始， 且降水期間切變線高度一直維持在2000～3500 m，18 日18:00 前后切變線消失，降雪結(jié)束。 18 日20:00 雷達(dá)探測(cè)高度明顯下降至2500 m以下，并轉(zhuǎn)為一致的西北風(fēng)。

17 日08:00 在6500 m 以上維持＞20 m·s-1西南急流， 說(shuō)明降水開(kāi)始前中高層有強(qiáng)盛的偏南氣流配合， 利于高空大氣的抽吸作用和低層大氣的上升運(yùn)動(dòng)， 為暴雪提供動(dòng)力條件；10:30 降雨開(kāi)始時(shí)西南急流明顯增強(qiáng)且降至5000 m 以下，隨著降雪持續(xù)，偏南急流繼續(xù)下降并維持在3000 m 以下；18 日18:00偏南急流明顯減弱，降雪趨于結(jié)束，可見(jiàn)高空急流的下傳和加強(qiáng)對(duì)暴雪預(yù)報(bào)有一定指示意義。

綜上所述， 水平風(fēng)垂直廓線可以很直觀地看出暴雪天氣過(guò)程中本站上空大氣的冷暖平流、 水平風(fēng)的垂直切變、 鋒面等空間結(jié)構(gòu)： 冷空氣先從底部楔入，暖空氣被迫抬升，造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定；高空急流的加大并向下傳遞為暴雪的出現(xiàn)提供了動(dòng)力條件； 鋒面的抬升和高空急流的下傳對(duì)降水的開(kāi)始和結(jié)束均有預(yù)示?？梢?jiàn)，風(fēng)廓線雷達(dá)的水平風(fēng)資料對(duì)系統(tǒng)性降水過(guò)程預(yù)報(bào)有很好的指示意義。

3.3 垂直速度變化特點(diǎn)

一般天氣穩(wěn)定時(shí)垂直速度數(shù)值很小，在0 m·s-1附近， 有降水時(shí)垂直速度是由空氣的垂直運(yùn)動(dòng)和降水粒子的下沉運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果。 一般＞4 m·s-1的垂直速度降落到地面的時(shí)間與降雨開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間對(duì)應(yīng)較好，且隨著雨強(qiáng)的增大而增大[3]。 本次天氣過(guò)程相態(tài)比較復(fù)雜，為雨轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)大暴雪。

圖5 為17 日08 時(shí)—19 日07 時(shí)雷達(dá)風(fēng)廓線垂直速度，正的速度表示下沉運(yùn)動(dòng)（該垂直速度未經(jīng)落速訂正， 代表了空氣的垂直運(yùn)動(dòng)和降水離子的下沉運(yùn)動(dòng)總和）。17 日10:30 前近地層垂直速度均維持在0 附近，整層沒(méi)有明顯的下沉運(yùn)動(dòng)；17 日10:30—22：30近地層下沉速度約1.2～2.5 m·s-1，；17 日22:00 時(shí)后下降到0.8～1.2 m·s-1并且穩(wěn)定維持，與Ralph[12]和張俊蘭等[13-18]分析的降雪時(shí)垂直速度數(shù)值基本一致，主要因?yàn)榭諝鈱?duì)雪的阻力大于雨、雨夾雪所致，這表明雨雪性質(zhì)發(fā)生了轉(zhuǎn)換， 與本測(cè)站觀測(cè)到的雨夾雪轉(zhuǎn)雪的時(shí)間相一致；18 日18:00 后垂直速度突然下降到0 m·s-1附近，降雪結(jié)束。

Ralph 認(rèn)為利用風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的垂直速度可以區(qū)分出降雨區(qū)和降雪區(qū)： 在空氣對(duì)流不強(qiáng)烈的層狀云條件下固態(tài)降水的垂直速度在0.5～1.2 m·s-1。由于降雨和雪的垂直速度數(shù)值差別較大， 能很清楚地加以區(qū)分， 因此垂直速度能夠作為判斷不同相態(tài)粒子的有效依據(jù)。從本次暴雪過(guò)程監(jiān)測(cè)資料來(lái)看，垂直速度的大小不僅可以區(qū)分雨雪的狀態(tài)、 降水開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間，也可以幫助我們判斷雨夾雪轉(zhuǎn)雪的時(shí)間：降雪時(shí)低層垂直速度較為穩(wěn)定，約為0.8～1.2 m·s-1，雨或雨夾雪時(shí)垂直速度約1.8～2.5 m·s-1。

3.4 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

圖4 雷達(dá)水平風(fēng)垂直廓線

圖5 雷達(dá)風(fēng)廓線垂直速度

3.5 探測(cè)高度變化特點(diǎn)

由于探測(cè)高度主要依賴于大氣中的濕度狀況，當(dāng)高空水汽增加時(shí)，探測(cè)高度也會(huì)增加。16 日17:30即雨雪開(kāi)始前的18 h， 探測(cè)高度由2500 m 突升至近7500 m， 說(shuō)明降雪前高空有長(zhǎng)時(shí)間增濕的過(guò)程，并且水汽的增加比較突然， 降水期間探測(cè)高度維持在6500～7500 m；18 日18:00 降水結(jié)束后探測(cè)高度突然下降到2500 m 以下， 說(shuō)明中高空水汽基本消耗殆盡。這是由于16 日20:00 中亞低槽在向南加深時(shí)分裂短波影響北疆，短波槽前西南氣流帶來(lái)水汽，使中高層大氣中水汽含量明顯增加， 導(dǎo)致風(fēng)廓線探測(cè)高度增加，這與高空形勢(shì)場(chǎng)演變一致。 因此，風(fēng)廓線雷達(dá)資料能更精細(xì)地反映垂直風(fēng)、濕變化特點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文利用常規(guī)觀測(cè)資料， 風(fēng)廓線雷達(dá)資料及ECMWF1°×1°再分析資料對(duì)烏魯木市2018 年10 月17—18 日的一次雨夾雪轉(zhuǎn)大暴雪天氣過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

（1）此次暴雪是在低空西北冷濕急流進(jìn)入北疆與中高層低槽前西南急流疊加并維持的有利環(huán)流背景下，由700～850 hPa 風(fēng)切變及風(fēng)速輻合、地面冷鋒及地形強(qiáng)迫抬升等多尺度系統(tǒng)共同作用造成的。

（2）風(fēng)廓線雷達(dá)可以精細(xì)、清楚地反映降水前后水平風(fēng)場(chǎng)、垂直速度、水汽、氣團(tuán)性質(zhì)、垂直風(fēng)切變廓線、高低空急流等的垂直方向變化，水平風(fēng)場(chǎng)表明冷空氣從低層進(jìn)入，暖氣團(tuán)被抬升，強(qiáng)降雪時(shí)段風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)高度達(dá)到最高， 低空西北急流與中高層偏南急流形成的垂直風(fēng)切變廓線的維持， 是強(qiáng)降雪持續(xù)的動(dòng)力條件。

（3）雨雪開(kāi)始前中高層有長(zhǎng)時(shí)間的增濕過(guò)程，雨雪期間雷達(dá)探測(cè)高度維持較高， 雨雪結(jié)束后明顯降低。 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2的大小與雨雪的開(kāi)始、結(jié)束有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且低層較強(qiáng)偏北風(fēng)與Cn2大值區(qū)相對(duì)應(yīng)， 當(dāng)Cn2維持在-140～-120 dB 時(shí)表示大氣中水汽含量豐富，利于降雪持續(xù)。

（4）垂直速度不僅反映雨雪的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間，還能判斷雨夾雪轉(zhuǎn)雪的時(shí)間， 這對(duì)常規(guī)觀測(cè)是很好的補(bǔ)充。降雪時(shí)低層垂直速度為0.8～1.2 m·s-1，雨或雨夾雪時(shí)垂直速度為1.8～2.5 m·s-1， 垂直速度在0附近時(shí)降水結(jié)束。 因此，水平風(fēng)向風(fēng)速、Cn2和垂直速度的垂直變化對(duì)暴雪短臨預(yù)報(bào)有很好的參考價(jià)值。