王文波，高曉梅，李曉利，王世杰，楊 萌

(山東省濰坊市氣象局，山東 濰坊 261011)

引 言

風廓線雷達主要是利用大氣湍流對電磁波的散射作用對大氣風場等物理量進行探測的遙感設備，可以連續(xù)地獲得測站上空每幾分鐘、幾十米層距的高分辨率風廓線資料。風廓線雷達探測方式是連續(xù)的無人值守的遙感方式，不僅有多種觀測數據，并且數據具有高時空分辨率的特點，因此風廓線雷達資料在天氣預報中的應用越來越受到人們的重視。20世紀80年代開始，美國、日本相繼布設了風廓線雷達業(yè)務觀測網，并應用于強雷暴天氣監(jiān)測預警及數值模式同化預報中。WAKASUGI等[1]最初通過對VHF風廓線雷達的功率譜信息觀察發(fā)現風廓線雷達能夠探測降水粒子信號；RALPH等[2]利用UHF雷達對不同類型降水進行系統研究，給出了與降水相關的豐富信息，包括空氣垂直運動速度、降水粒子下落速度、降水強度等。

近年來國內風廓線雷達應用取得了長足進步[3-15]。如風廓線的連續(xù)變化可揭示次天氣尺度系統如低空急流、暖切變等的存在及其影響過程，能夠很好地服務于短時天氣預報[3]；風廓線雷達可以實時監(jiān)測局地大氣風垂直廓線的變化[4-5]；風廓線雷達的一些重要產品，包括信號強度、譜寬以及各波束的徑向速度等參數可以用來判斷晴空和降水，跟蹤天氣的轉折和發(fā)展[6]。冬季降水相態(tài)的預報是天氣預報工作的難題，國內有利用風廓線雷達針對降水粒子相態(tài)開展的研究[16-18]。如施紅蓉等[16]對一次雨轉雪天氣過程中的宏觀和微觀結構分析發(fā)現風廓線雷達的強度和速度產品能夠很好地監(jiān)測、診斷降雨到降雪相態(tài)變化的持續(xù)時間，垂直徑向速度、信噪比可作為區(qū)分不同相態(tài)降水的有效依據；李峰等[17]利用風廓線雷達探測產品診斷和判別天氣系統的演變以及霧霾、降雨、降雪天氣的轉變，揭示降水過程的細節(jié)變化。

2016年2月12—13日受江淮氣旋影響，魯中地區(qū)出現了一次雨雪天氣過程，降水主要集中在2月12日夜間至13日白天，先后出現降雨、雨夾雪和降雪天氣。處于魯中地區(qū)的濰坊、濟南和東營3部風廓線雷達對此次天氣過程進行了完整的連續(xù)觀測。本文利用風廓線雷達資料對此次雨雪天氣進行診斷分析，著重對降水相態(tài)轉換過程中的風場變化特征和不同相態(tài)降水發(fā)生時風廓線雷達特征進行分析，以期為風廓線雷達資料在冬季降水天氣預報預警業(yè)務工作中的應用提供參考。

1 風廓線雷達介紹

濰坊、東營和濟南3部風廓線雷達均為南京恩瑞特實業(yè)有限公司生產的L波段固定式邊界層風廓線雷達，型號分別為CLC-11-F型、GLC-11型和CLC-11-D型。3部雷達均以偏東、南、西、北各15°及垂直方向共5個波束觀測，掃描時間6 min，探測模式為低模、中模和高模3種模式。不同的是濰坊雷達低模采用0.8 μs脈沖寬度，高度分辨率120 m；高模采用12.8 μs脈沖寬度，高度分辨率240 m。系統最低探測高度150 m，系統設置低模和高模的銜接高度為720 m。東營和濟南雷達探測模式相同，低模均采用0.4 μs脈沖寬度，高度分辨率60 m；中模采用6.4 μs脈沖寬度，高度分辨率120 m；高模采用12.8 μs脈沖寬度，高度分辨率240 m，系統最低探測高度100 m。

2 天氣實況和環(huán)流背景

2.1 天氣實況

受江淮氣旋影響，2016年2月12日夜間至13日白天魯中地區(qū)先后出現降雨、雨夾雪和降雪天氣。2月13日01:00—17:00(北京時，下同)濰坊站過程降水量為24.9 mm，其中01:40—09:16降水相態(tài)為雨(18.0 mm)，09:17—10:42轉為雨夾雪(1.3 mm左右)，10:43轉為降雪(5.6 mm)；濟南站12日22:00至13日16:00過程降水量為27.4 mm，雨轉雪時間在13日07:00左右，其中降雨量23.4 mm，降雪量4 mm；東營站13日00:00—17:00過程降水量為32.4 mm，雨轉雪時間在13日08:30，其中降雨量25.2 mm，降雪量7.2 mm(圖1)。由于夜間人工觀測不記降水相態(tài)，濟南和東營兩站觀測均未能記錄雨夾雪時間段。魯中地區(qū)此次雨雪天氣過程出現在冬末初春，與歷史同期降水相比，本次降雨和降雪的強度均很大。

2.2 環(huán)流背景

圖2為2016年2月12日20:00和13日08:00中尺度天氣分析圖?？梢钥闯?，12日20:00，500 hPa冷渦位于貝加爾湖東側，北支槽呈東北—西南向，受南支槽東移發(fā)展，山東省處于槽前西南氣流中；850 hPa魯豫蘇三省交界一帶有低渦生成，低渦不斷加深發(fā)展，并向東北方向移動，其東南側有西南急流建立，急流軸與濕軸基本一致，源源不斷地向山東地區(qū)輸送水汽，850 hPa顯著濕區(qū)(T-Td≤2 ℃)位于黃河中下游廣大地區(qū)；地面冷高壓位于蒙古西部地區(qū)，冷鋒前沿已經壓至山東西部一帶。強降水區(qū)位于倒槽頂端和低空急流左前方的輻合區(qū)，與此同時，魯中地區(qū)的降雨也逐漸開始。13日08:00，隨著500 hPa冷鋒鋒區(qū)繼續(xù)南壓和西南急流的持續(xù)輸送，850 hPa低渦進一步增強并移至魯蘇交界一帶。受槽前正渦度平流和冷暖平流共同作用，地面倒槽繼續(xù)加深發(fā)展，并在江蘇東部海面上生成氣旋，山東位于850 hPa低渦和地面氣旋北部倒槽區(qū)域。同時850 hPa急流軸和濕軸明顯東移北推，850 hPa顯著濕區(qū)擴展至山東全境。從高低空形勢配置可以看出，天氣系統為后傾槽結構，冷暖空氣交匯造成的強輻合和鋒面抬升是主要動力機制，強降水出現在地面冷鋒過境前后，落區(qū)主要集中在魯中、山東半島等地，即低空急流軸的左前方。13日08:00之后，隨著地面氣旋東移入海，冷鋒掠過山東，地面轉為強偏北風控制，魯中地區(qū)降水相態(tài)逐漸由雨轉為雪。

圖1 2016年2月12—13日濰坊、濟南和東營站降水量逐時變化Fig.1 The hourly variation of precipitation at Weifang, Jinan and Dongying stations on February 12-13, 2016

山東災害性雨雪天氣過程的相態(tài)轉換預報不能單純依靠T850 hPa≤-4 ℃的經驗指標[19]，13日08:00魯中地區(qū)850 hPa溫度為0～4 ℃，但此時魯中西部地區(qū)已經轉為降雪。這是由于高低空影響系統呈明顯后傾結構，冷鋒后部強冷空氣率先侵入近地面層，致使850 hPa溫度在0 ℃以上，而925 hPa和近地面氣溫已降至0 ℃以下，此時降水相態(tài)發(fā)生轉變。因此此次降水過程925 hPa和近地面氣溫下降到0 ℃以下是雨轉雪的重要標志。

圖2 2016年2月12日20:00(a)和13日08:00(b)中尺度天氣分析(棕色線：500 hPa槽線；紅色雙實線：850 hPa切變線；紅色箭頭線：850 hPa急流；藍色鋸齒線：冷鋒；綠色多段線：850 hPa顯著濕區(qū)；綠色箭頭曲線：850 hPa濕軸；綠色陰影區(qū)：6 h降水量≥5 mm區(qū)域)Fig.2 Mesoscale weather analysis at 20:00 BST on 12 (a) and 08:00 BST on 13 (b) February 2016(the brown line for 500 hPa trough line, red double solid line for 850 hPa shear line, red arrow line for 850 hPa jet, blue serrated line for cold front, green polyline for 850 hPa significant wet area, green arrow curve for 850 hPa wet axis, green shaded area for 6 h precipitation greater than or equal to 5 mm)

3 風廓線雷達特征

3.1 水平風場

圖3為2016年2月12—13日濰坊、濟南和東營風廓線雷達水平風時間-高度剖面?？梢钥闯?，此次降水天氣具有典型的回流天氣形勢。降雨前近地面為弱偏東風氣流，1.5 km高度以上為西南氣流，風隨高度順轉，有暖平流輸送；降雨開始時，3部風廓線雷達的最大探測高度明顯增高，這是由于降水開始時大氣高層的水汽含量增加，使得折射率結構常數加大，從而使雷達探測高度增高。隨著近地面偏東風轉為東北風并增強至8 m·s-1以上，低層冷墊建立并抬升中高層西南氣流，回流降雨開始，因此1 km以下超低空風場變化是降水開始的信號。低層東北風冷墊隨著降雨的持續(xù)逐漸增厚，同時中高層西南急流建立并不斷發(fā)展，雨強持續(xù)增強。

由于濟南和東營兩站準確的雨夾雪時段無法獲取，因此雨夾雪時段只在濰坊站的風廓線雷達風場中可見。13日09:17—10:42是濰坊站雨夾雪時段，此時段內低層冷墊厚度達1.5 km，東北風風速增大至16 m·s-1以上，中高層西南急流維持，雨滴下落進入低層冷墊時冷卻凝結，出現雨夾雪天氣。對比濟南和東營兩站風廓線雷達風場，雨轉雪恰好發(fā)生在東北風冷墊發(fā)展到1.5 km高度時。因此冷墊擴展到1.5 km高度是雨雪相態(tài)轉換的重要信號。降水相態(tài)完全轉雪時低層偏北風冷墊已經擴展到1.5 km高度以上，且風速超過20 m·s-1。降雪開始后最大探測高度較降雨時有明顯的降低，高度為4～5 km。13日16:00前后，中高層西南風轉為偏西風且風速減小，說明高空槽逐漸東移過境，同時低層西北風冷空氣擴展到3 km高度，冷空氣已占主體地位，回流機制破壞，降雪逐漸結束，此時最大探測高度下降至2～3 km。

綜上所述，此次回流降水天氣中，魯中地區(qū)的3部風廓線雷達探測的水平風場表現出共同特征：當低層冷墊中偏北風不斷增強，厚度擴展到1.5 km附近時，降水相態(tài)逐漸由雨轉為雪；當冷墊繼續(xù)擴展達到3 km高度且中高層西南風轉為偏西風時，降雪逐漸結束。

為進一步分析低層冷墊中冷空氣活動特征，結合風廓線雷達資料特征，定義低空切變指數[20]為I=VS/(H1-H2)，VS為1 km高度以下最大風切變；H1，H2分別為最大風切變對應的空間兩點風矢量所在高度(H1>H2)。

圖4為2016年2月12—13日濰坊、濟南和東營低空切變指數隨時間變化。可以看出，降水發(fā)生前，低空切變指數普遍維持在0～5 m·s-1·km-1。12日22:00前后，濟南站切變指數開始出現明顯的波動， 13日00:00—02:00，東營和濰坊站低空切變指數先后出現明顯增大，3站低空切變指數最大值普遍為15～20 m·s-1·km-1，而3站降雨均是在此時段內逐漸開始的，結合低層風場特征，降水開始階段的低空切變指數能夠反映低層東北風冷空氣侵入特征，低空切變指數的陡增預示著降水的開始。降水持續(xù)期間，低空切變指數發(fā)生多次波動，首先是在13日04:00前后，3站切變指數均出現小幅增加，03:00—05:00均為3站雨強最強時段；第2次是在08:00前后，東營和濰坊站低空切變指數陡增至25～30 m·s-1·km-1，對應此時段內1 km以下低空有20 m·s-1的強東北風出現，同時兩站降水相態(tài)的轉變正是在09:00前后，而濟南站低空切變指數并未出現明顯波動，其低層東北風風力較其他兩站也明顯偏弱，因此低空切變指數的陡增與低層東北風風力迅速增強相對應；最后一次是在16:00前后，3站低空切變指數均有明顯的增大，對應低層偏北風明顯減弱，此時降雪趨于結束。需要說明的是，本次天氣過程中3站低空切變指數數值有較大差異，這與3部風廓線雷達高度分辨率不同有關，而濟南站低空切變指數總體較濰坊和東營明顯偏低，是偏北風受到泰沂山脈的阻擋，造成濟南站1 km以下風速明顯減小。此外，東營站切變指數12:00前后出現明顯增大，結合低空水平風場分析發(fā)現，這與近地面層風速的急劇減弱有關。

綜上所述，低空切變指數在降水開始和結束的時候會出現較大幅度的增長，降雨持續(xù)階段切變指數的小幅增加與雨強的增強相對應。

3.2 垂直速度

風廓線雷達探測的垂直速度為相對于雷達垂直方向波束的多普勒徑向速度，正的徑向速度代表朝向風廓線雷達的運動，負的徑向速度代表離開風廓線雷達的運動，該垂直速度未經落速訂正，代表了大氣的垂直運動和降水粒子的下沉運動的總和。由于中緯度天氣尺度垂直運動特征尺度只有10-2m·s-1，與降水粒子下落速度相差幾個量級，因此降水發(fā)生時風廓線雷達探測的垂直速度主要是降水粒子下落速度。

圖5為2016年2月12—13日濰坊、濟南和東營風廓線雷達垂直速度時間-高度剖面。可以看出，濰坊站13日00:00降水開始前垂直速度約為0 m·s-1， 01:00為2 m·s-1左右，對照降水觀測資料發(fā)現01:40前出現毛毛雨，但未記錄降水量，因此風廓線雷達探測的降水粒子垂直速度敏感程度較高。 01:40降水開始時垂直速度迅速升至4 m·s-1左右，因此降水的開始與垂直速度增大相對應。從降水開始到04:00前后雨強偏弱，垂直速度維持在4 m·s-1左右， 04:00—06:00為雨強最強時段，對應2 km以下垂直速度為6 m·s-1以上，因此垂直速度能很好地體現降雨強度的變化。09:00—10:00為雨夾雪時段，垂直速度維持在4 m·s-1左右。11:00降水相態(tài)由雨夾雪轉為雪后，可以看到垂直速度迅速減小至1～2 m·s-1，產生的原因是降雨粒子的下落末速度比降雪粒子的速度大，相態(tài)轉換時垂直速度出現銳減，因此，垂直速度的變化也能反映雨雪相態(tài)的轉換。16:00降雪結束之后，垂直速度減小至0 m·s-1左右，說明大氣層結穩(wěn)定，降水結束。濟南和東營風廓線雷達垂直速度同樣能很好地反映降水強度和雨雪相態(tài)的變化。降水開始前垂直速度在0 m·s-1左右，降水剛開始時垂直速度較弱，在雨強較大時段內平均垂直速度為5～6 m·s-1，隨著雨強的減弱，垂直速度減小。13日07:00(濟南)和13日08:20(東營)雨轉雪之后，垂直速度迅速減小至1～2 m·s-1，降雪過程結束之后，垂直速度又減小至0 m·s-1左右。因此，3部風廓線雷達垂直速度不僅能體現降水強度的變化，同時也能反映降水相態(tài)的變化。

圖5 2016年2月12—13日濰坊(a)、濟南(b)和東營(c)風廓線雷達垂直速度時間-高度剖面(單位：m·s-1)Fig.5 Time-height cross sections of vertical velocity from Weifang, Jinan and Dongying wind profiler radars on February 12-13, 2016 (Unit: m·s-1)

圖6為2016年2月13日濰坊站降雨時段(02:00—08:00)、雨夾雪時段(09:00—10:00)以及降雪時段(11:00—15:00)垂直速度隨高度變化?？梢钥闯?，降雨時段近地面平均垂直速度為6 m·s-1左右；雨夾雪時段平均垂直速度為5 m·s-1；降雪時段平均垂直速度為1～2 m·s-1。垂直方向上，在3000 m以上垂直速度普遍在2 m·s-1以下，降雨時段和雨夾雪時段分別在2000 m和1500 m附近時垂直速度發(fā)生銳減，主要是由于融化層以上為固態(tài)降水粒子，對應的下落速度比較??；而融化層以下為液態(tài)降水粒子，冰雪粒子在下落過程中融化，變?yōu)橄侣渌俣却蟮囊簯B(tài)降水粒子，垂直速度明顯增大。隨著降雨轉雨夾雪轉降雪的轉換，近地面的垂直速度逐漸變小。

3.3 大氣折射率結構常數

圖7 2016年2月13日濰坊站風廓線雷達大氣折射率結構常數自然對數的時間-高度剖面Fig.7 The time-height cross section of natural logarithm of structure constant of atmospheric refractive index based on wind profiler radar at Weifang station on February 13, 2016

3.4 信噪比

圖8 2016年2月13日濰坊站風廓線雷達信噪比時間-高度剖面(單位：dB)Fig.8 The time-height cross section of signal-to-noise ratio for wind profiler radar at Weifang station on February 13, 2016 (Unit: dB)

4 結論與討論

(1)此次雨雪天氣是由低渦和地面氣旋共同作用造成的一次回流降水過程，強降水出現在氣旋中心的北側冷區(qū)中，925 hPa和近地面氣溫下降到0 ℃以下是雨轉雪的重要標志。

(2)1 km以下超低空風場變化是降水開始的信號，低層冷墊強度的變化決定降水相態(tài)的轉變，降雪時雷達最大探測高度比降雨時有明顯的降低，低空切變指數在降水開始和結束時會出現較大幅度的增大，降雨持續(xù)階段切變指數的小幅增加與雨強的增強相對應。

(3)風廓線雷達垂直速度不僅能體現降水強度的變化，同時也能反映降水相態(tài)的變化，降雨轉雨夾雪轉降雪過程中近地面的垂直速度逐漸變小。

(4)折射率結構常數和信噪比隨高度均呈逐漸減小的趨勢，兩者的變化能夠反映降水強度的變化，均具有零度層亮帶特征，亮帶的消失對應降雪的開始。

本文在研究過程中將降水過程中雷達探測的垂直速度近似認為是降水粒子的下落速度，忽略了大氣運動速度；另外，地面觀測記錄的雨夾雪時段與風廓線雷達數據特征在時間上有微小的偏差，可能是由降水相態(tài)轉換時的復雜微物理過程所致。以上問題都需要在今后的研究中進一步探討。同時本文結論僅是從一次雨雪天氣個例分析所得出，未經大量樣本驗證，尚待進一步的分析研究。