謝啟玉 周琴, 辛秋玲 張令振

（1青海省西寧市氣象臺，西寧 810016；2 成都信息工程大學(xué)，成都 610225）

0 引言

強(qiáng)降水引發(fā)的暴雨洪澇成為主要的氣象災(zāi)害之一，對于強(qiáng)降水的研究也開始較早。由于多普勒天氣雷達(dá)的布網(wǎng)、業(yè)務(wù)化運(yùn)行和廣泛應(yīng)用于強(qiáng)對流天氣監(jiān)測及短時(shí)臨近預(yù)報(bào)，以雷達(dá)為基礎(chǔ)對強(qiáng)降水的研究和應(yīng)用也越來越深入。雷達(dá)徑向速度和風(fēng)廓線產(chǎn)品（VWP）提供了強(qiáng)降水環(huán)境風(fēng)場綜合特征，根據(jù)VWP上風(fēng)場特征來判斷冷暖平流，認(rèn)為冷平流維持時(shí)強(qiáng)降水也維持，根據(jù)20 m·s風(fēng)的層次可斷定垂直上升、下沉氣流。Shao等用雷達(dá)反演的三維風(fēng)場發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水發(fā)生在偏南氣流、輻合上升較強(qiáng)的切變線南緣。研究指出VWP上的邊界層急流、低空入流急流對強(qiáng)降水有重要作用，認(rèn)為低空偏南急流對強(qiáng)降水的指示意義較好，高空急流對強(qiáng)降水的維持同樣有作用。夏文梅等、徐芬等、方標(biāo)將VWP上風(fēng)場“ND”區(qū)域（靜止風(fēng)）出現(xiàn)的時(shí)間及高度與強(qiáng)降水的開始和結(jié)束相聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)ND在降水之前出現(xiàn)預(yù)示著強(qiáng)降水的開始而在降水末期出現(xiàn)則表示強(qiáng)降水的結(jié)束。趙瑞金等用雷達(dá)VWP計(jì)算了風(fēng)向、風(fēng)速、輻合、輻散的垂直廓線，認(rèn)為強(qiáng)降水風(fēng)場在垂直方向表現(xiàn)為偏東風(fēng)、偏南風(fēng)。此外，付雙喜等、朱敏華等指出VWP上低空強(qiáng)風(fēng)切變（|△

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|）是對流性強(qiáng)降水發(fā)展的標(biāo)志。王麗榮等、徐芬等用雷達(dá)VWP計(jì)算了風(fēng)暴相對螺旋度（SRH），指出SRH對強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣的開始及維持具有一定的作用。張京英等分別用20 m·s高空風(fēng)速、12 m·s低空風(fēng)速的某小時(shí)最低高度來定義高、低空急流指數(shù)，認(rèn)為這兩種指數(shù)與降水強(qiáng)度與之間關(guān)系密切。綜上，雷達(dá)VWP的研究主要集中在高、低空急流對強(qiáng)降水的作用，尤其突出了（超）低空急流對強(qiáng)降水的重要貢獻(xiàn)，此外有些研究分析了VWP垂直方向風(fēng)場（包括ND）及計(jì)算的相關(guān)量（SRH、風(fēng)切變等）等的特征，但對于強(qiáng)降水的低、高層風(fēng)場的相互關(guān)聯(lián)及與高空平均氣流關(guān)系方面涉及較少，且由于目前西寧雷達(dá)產(chǎn)品在強(qiáng)降水應(yīng)用的研究少，造成強(qiáng)降水短時(shí)臨近預(yù)報(bào)水平較低。本文以小時(shí)降水量≥8.0 mm為標(biāo)準(zhǔn)，選取具有典型代表性的2015年7月1日（下稱“1507”過程）混合性強(qiáng)降水和2018年6月30日（下稱“1806”過程）對流性強(qiáng)降水，以這兩次不同性質(zhì)強(qiáng)降水天氣過程中低、中、高層雷達(dá)VWP的風(fēng)場特征為基礎(chǔ)，分析強(qiáng)降水過程中低、高空強(qiáng)氣流的相互關(guān)聯(lián)及強(qiáng)降水移向與高空平均氣流的關(guān)系，探索根據(jù)VWP計(jì)算的|△

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|和SRH等相關(guān)量的特征，得到表征強(qiáng)降水與VWP及這些相關(guān)量關(guān)系的強(qiáng)降水指數(shù)，為提高強(qiáng)降水短時(shí)臨近預(yù)報(bào)能力提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 資料選取與降水實(shí)況

1.1 資料選取

本文選用西寧地區(qū)范圍內(nèi)4個(gè)國家級觀測站（包括市區(qū)和所轄大通、湟源和湟中三縣）的降水資料，72個(gè)區(qū)域站為輔助，使用2015年7月1日16：00—2日08：00和2018年6月30日15：30—20：00每10 min間隔的降水量。

雷達(dá)資料選取西寧CINRAD/CD雷達(dá)中垂直風(fēng)廓線（VWP產(chǎn)品），以兩次過程中降水時(shí)間段內(nèi)最接近整點(diǎn)和半點(diǎn)的時(shí)刻為準(zhǔn)。由于西寧雷達(dá)海拔高度為2.4 km左右，所能探測到的最低層為2.7 km或3.0 km，因此，文中低層均以該時(shí)刻VWP中風(fēng)出現(xiàn)的最低層高度為準(zhǔn)。

1.2 降水實(shí)況

“1507”過程累計(jì)降水量有5個(gè)測站達(dá)到大雨標(biāo)準(zhǔn)（圖1a），降水中心在大通國家站，降水量為30.5 mm；其中包括湟中和大通兩個(gè)國家級測站在內(nèi)的多個(gè)區(qū)域站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，強(qiáng)降水開始于17：20，最大小時(shí)降水量為9.3 mm（圖2a），具有混合性強(qiáng)降水性質(zhì)：降水時(shí)間較長，小時(shí)雨量較小且分布不均勻?！?806”過程累計(jì)降水量有8個(gè)測站達(dá)到大雨標(biāo)準(zhǔn)（圖1b），＞30.0 mm的有4個(gè)測站，降水中心在湟中縣海子溝，降水量達(dá)到41.7 mm；其中包括西寧市和湟中兩個(gè)國家級測站在內(nèi)的多個(gè)區(qū)域站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，強(qiáng)降水開始于16：30，最大小時(shí)降水量達(dá)到31.9 mm（圖2b），是典型的對流性強(qiáng)降水性質(zhì)：降水時(shí)間集中、小時(shí)雨量大、持續(xù)時(shí)間較短、局地性強(qiáng)。

圖1 過程累計(jì)降水量（a）“1507”（16：00—02：00），（b）“1806”（15：30—20：00）Fig.1 Fig. 1 Cumulative precipitation of heavy rainfall events(a)“1507”process (16:00-02:00), (b)“1806”process (15:30-20:00)

圖2 西寧兩次過程雷達(dá)VWP不同層的風(fēng)和降水量演變Fig. 2 Change of wind of VWP at different layers on Xining radar and maximum precipitation

2 強(qiáng)降水的雷達(dá)VWP特征

2.1 強(qiáng)降水的VWP風(fēng)場演變特征

選取雷達(dá)VWP低層（雷達(dá)所能探測的最低高度）、中層（5.5 km高度，為雷達(dá)探測高度范圍內(nèi)的中值位置）、高層（9.1 km高度，2例中雷達(dá)探測最高層高度的統(tǒng)一位置）風(fēng)向、風(fēng)速分析，并作如下規(guī)定：偏南風(fēng)為正值，其中SW風(fēng)為黑色，SE則為紅色，偏北風(fēng)則為負(fù)值，其中NW風(fēng)為黑色，NE則為紅色，當(dāng)VWP上風(fēng)場出現(xiàn)ND時(shí)，風(fēng)速為0。

混合性強(qiáng)降水“1 5 0 7”過程中，降水前16：00—16：30上低層較強(qiáng)的NW風(fēng)增強(qiáng)至8 m·s以上，中層由風(fēng)速較小的偏S風(fēng)轉(zhuǎn)為ND，高層為強(qiáng)勁的SE風(fēng)，風(fēng)速達(dá)到12～14 m·s；臨近強(qiáng)降水開始的17：00左右低層轉(zhuǎn)為8 m·s較強(qiáng)的WSW風(fēng)，中層依然維持“ND”，高層則轉(zhuǎn)為NE風(fēng)且風(fēng)速繼續(xù)增大到16 m·s；強(qiáng)降水于17：20開始，而實(shí)際上17：25低層SW風(fēng)更明顯；17：30低、中、高層則分別持續(xù)17：00的風(fēng)向，但風(fēng)速略有變化，此時(shí)出現(xiàn)第一次降水峰值，30 min降水量達(dá)到5.5 mm；18：00—19：30隨著強(qiáng)降水的持續(xù)，VWP風(fēng)場發(fā)生了變化，低層轉(zhuǎn)為NW風(fēng)，風(fēng)速略減小，中層由ND轉(zhuǎn)為SW風(fēng)，風(fēng)速較小，高層則持續(xù)為NE風(fēng)，風(fēng)速保持在16 m·s，19：00—19：30出現(xiàn)第二次降水峰值，降水量達(dá)到7.3 mm； 20：00之后，低層又轉(zhuǎn)為SW風(fēng)，風(fēng)速逐漸略增大，中層轉(zhuǎn)為NW風(fēng)，風(fēng)速也略增大，高層則一直維持NE，但風(fēng)速逐漸減小，強(qiáng)降水也逐漸減小?？梢?，混合性強(qiáng)降水臨近強(qiáng)降水開始至強(qiáng)降水維持時(shí)段內(nèi)低層為SW風(fēng)且風(fēng)速增大，中層則會出現(xiàn)ND，高層為NE或SE風(fēng)，且各層風(fēng)速會增大；低層SW風(fēng)的水汽輸送為強(qiáng)降水的出現(xiàn)和維持提供了所需的暖濕氣流，高層偏E風(fēng)也為水汽、能量等在強(qiáng)降水區(qū)的匯合提供了有利的條件；當(dāng)強(qiáng)降水接近結(jié)束時(shí)，低、中層轉(zhuǎn)為NW風(fēng)，高層則風(fēng)向變化不明顯、風(fēng)速減小。整個(gè)過程的最大降水量出現(xiàn)在低層風(fēng)向明顯轉(zhuǎn)變的時(shí)段內(nèi)。

對流性強(qiáng)降水“1 8 0 6”過程，降水前的15：30—16：30，VWP上低層風(fēng)場為SW風(fēng)，風(fēng)速由2 m·s增大至8 m·s，中層出現(xiàn)ND并維持，高層一直為SE風(fēng)，風(fēng)速達(dá)到18 m·s；17：00出現(xiàn)最強(qiáng)降水，30 min降水量達(dá)到22.6 mm；強(qiáng)降水接近結(jié)束的18：30之后，低層轉(zhuǎn)為NW風(fēng)，風(fēng)速減小為2 m·s，中層ND轉(zhuǎn)為SE風(fēng)，風(fēng)速為2 m·s，高層則SE風(fēng)持續(xù)不變，風(fēng)速略增大至20 m·s。可見，對流性強(qiáng)降水臨近降水開始至維持時(shí)段內(nèi)低層也為SW風(fēng)，中層也會出現(xiàn)ND，高層則為偏E風(fēng)，低—中—高層的風(fēng)速增大更明顯，即風(fēng)場垂直變化更明顯。整個(gè)過程的最大降水量也出現(xiàn)在低層風(fēng)向明顯轉(zhuǎn)變的時(shí)段內(nèi)。

綜上，西寧強(qiáng)降水開始前VWP上低層出現(xiàn)SW風(fēng)并增大，強(qiáng)度雖然達(dá)不到急流標(biāo)準(zhǔn)，但這種氣流對大氣能量和水汽輸送尤為重要，且對流性強(qiáng)降水低層風(fēng)場更明顯，與層結(jié)不穩(wěn)定密切相關(guān)；中層風(fēng)場出現(xiàn)ND；與很多研究不同的是高層偏E氣流明顯，特別是穩(wěn)定性強(qiáng)降水的高層偏E風(fēng)強(qiáng)度更強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間更長，為水汽、能量等在強(qiáng)降水區(qū)的匯合提供了有利的條件。過程最大降水量出現(xiàn)在低層風(fēng)向明顯轉(zhuǎn)變的時(shí)段內(nèi)。

2.2 強(qiáng)降水與高、低空強(qiáng)氣流位置的變化

這里定義VWP上低層（＜5.5 km）≥4 m·s為強(qiáng)氣流（未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或未出現(xiàn)以0表示，下同），高層（≥5.5 km）≥12 m·s為強(qiáng)氣流，中層為ND出現(xiàn)的高度，來確定低、中、高層強(qiáng)氣流出現(xiàn)的最低高度，以分析強(qiáng)氣流下傳或上傳與強(qiáng)降水的關(guān)系。

兩次過程的混合性強(qiáng)降水，在高層強(qiáng)氣流向下傳遞至低層時(shí)強(qiáng)降水開始或增大，對流性強(qiáng)降水主要是低層強(qiáng)氣流的下傳，中層ND楔形塊是強(qiáng)降水開始的先兆。

2.3 強(qiáng)降水移向與高空平均氣流

雷達(dá)VWP可以作為探空資料的補(bǔ)充，因此將VWP上高空風(fēng)場資料應(yīng)用于強(qiáng)降水的高空平均氣流（風(fēng)暴承載層平均風(fēng)）計(jì)算之中。在VWP上選取對應(yīng)高度的風(fēng)場進(jìn)行計(jì)算并分析風(fēng)切變矢量隨高度的變化，以確定強(qiáng)降水單體移向與高空平均氣流之間的關(guān)系（圖3）。高空平均氣流的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)?；旌闲詮?qiáng)降水移向明顯偏向高空引導(dǎo)氣流的右側(cè)，而對流性強(qiáng)降水的移向受垂直風(fēng)切變較復(fù)雜的變化而偏向高空引導(dǎo)氣流右側(cè)的幅度較小。

圖3 西寧雷達(dá)強(qiáng)降水單體（●表示）移動路徑（a～b，不同單體用不同顏色表示）及垂直風(fēng)切變矢（c～d）（a，c）“1507”過程，（b，d）“1806”過程Fig.3 Moving path (a-b, different monomers indicated by different colors) of strong precipitation monomer (indicated by ●)and vertical wind shear vector (c-d) on Xining Radar(a,c)“1507”process, (b,d)“1806”process

2.4 強(qiáng)降水的垂直風(fēng)切變

參考文獻(xiàn)計(jì)算垂直風(fēng)切變|△

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|，將西寧雷達(dá)所能探測到的最低高度設(shè)為0 km，分別取與最低高度相差1.0 km、3.0 km、6.0 km處的數(shù)值。因此，0～1.0 km |△

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|反映了低層風(fēng)切變，0～3.0 km反映了中層風(fēng)切變，0～6.0 km則反映了高層風(fēng)切變。西寧兩次強(qiáng)降水過程開始或增大前|△

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|明顯增大，混合性強(qiáng)降水低、高層|△

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|增大是關(guān)鍵，對流性強(qiáng)降水則是低層|△

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|增大起主導(dǎo)作用。

2.5 強(qiáng)降水的風(fēng)暴相對螺旋度

參考文獻(xiàn)計(jì)算風(fēng)暴相對螺旋度SRH，取VWP上所有探測資料值的層數(shù)，并根據(jù)2.3節(jié)中強(qiáng)降水移向偏向高空平均氣流的方位度數(shù)來增加平均風(fēng)向的度數(shù)。同樣以＜5.5 km為低層，≥5.5 km為高層，中間計(jì)算的厚度要求≥3.0 km。

西寧兩次強(qiáng)降水在SRH低、高層均轉(zhuǎn)為正值后開始，當(dāng)?shù)蛯覵RH正值持續(xù)時(shí)降水持續(xù)，只有低層SRH轉(zhuǎn)為負(fù)值后，降水才會減弱結(jié)束，且SRH正值的明顯增大提前于強(qiáng)降水的增大。不同的是高層SRH，混合性強(qiáng)降水在第一次降水峰值后一直為負(fù)，對流性強(qiáng)降水則在降水明顯減弱后立即轉(zhuǎn)為負(fù)，這一方面反映了混合性強(qiáng)降水中風(fēng)暴層厚度較薄，風(fēng)暴提供的能量較弱，對流性強(qiáng)降水的風(fēng)暴組織性更強(qiáng)，另一方面也與對流性強(qiáng)降水的降水時(shí)間較短而強(qiáng)度大致使能量集中釋放有關(guān)。

3 強(qiáng)降水指數(shù)

如前，西寧強(qiáng)降水與VWP上低、高層風(fēng)場及依據(jù)VWP計(jì)算的|△

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|與SRH有密切的關(guān)系。為了更清楚地表征強(qiáng)降水與VWP及依其計(jì)算的各相關(guān)量的關(guān)系，在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)以上分析結(jié)果，定義西寧強(qiáng)降水指數(shù)（VR）如下：低層：|△

V

|取0～1.0 km，

式（1）除以4表示低層≥4 m·s的SW風(fēng)。由于西寧強(qiáng)降水開始前或持續(xù)時(shí)，低層出現(xiàn)SW風(fēng)并增大，過程中SW風(fēng)的平均風(fēng)速為5.3 m·s，但在VWP上讀取的風(fēng)速以2 m·s為單位，為了實(shí)際應(yīng)用的方便，低層選取≥4 m·s的SW風(fēng)。

高層：|△

V

|取0～6.0 km，

式（2）除以12表示高層≥12 m·s的E風(fēng)。同樣，由于強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)高層多為E風(fēng)，所有偏E風(fēng)的平均風(fēng)速為13.4 m·s左右，也為了方便而選高層≥12 m·s的E風(fēng)。

兩個(gè)公式后段除以2是為了控制數(shù)值。

VR指數(shù)：

VR指數(shù)可以定量地表示低層SW氣流、高層偏E氣流及低、高層|△

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|和SRH與強(qiáng)降水的關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

通過分析西寧混合性強(qiáng)降水和對流性強(qiáng)降水2次不同性質(zhì)強(qiáng)降水天氣過程中雷達(dá)VWP風(fēng)場特征、強(qiáng)降水中高、低空氣流相互關(guān)聯(lián)及與高空平均氣流的關(guān)系，來確立依VWP計(jì)算的|△

V

|和SRH等相關(guān)量與強(qiáng)降水關(guān)系，并建立了強(qiáng)降水指數(shù)，主要結(jié)論如下：

1）西寧強(qiáng)降水開始前低層SW風(fēng)速增大，中層風(fēng)場出現(xiàn)ND，高層偏E氣流明顯，特別是穩(wěn)定性強(qiáng)降水的高層偏E風(fēng)強(qiáng)度更強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間更長。過程最大降水量出現(xiàn)在低層風(fēng)向明顯轉(zhuǎn)變的時(shí)段內(nèi)。

2）混合性強(qiáng)降水在高層強(qiáng)氣流向下傳遞至低層時(shí)，強(qiáng)降水開始或增大，強(qiáng)降水偏向高空氣流的右側(cè)；對流性強(qiáng)降水主要是低層強(qiáng)氣流向下傳遞，偏向高空引導(dǎo)氣流右側(cè)的幅度較??；兩者中層ND楔形塊是強(qiáng)降水開始的先兆。

3）西寧強(qiáng)降水開始或增大前垂直風(fēng)切變|△

V

|明顯增大，混合性強(qiáng)降水低、高層|△

V

|增大是關(guān)鍵，對流性強(qiáng)降水則是低層|△

V

|增大起主導(dǎo)作用。

4）西寧強(qiáng)降水在風(fēng)暴相對螺旋度SRH低、高層均轉(zhuǎn)為正值后開始，低層SRH正值持續(xù)時(shí)降水持續(xù)，只有低層SRH轉(zhuǎn)為負(fù)值后，降水才會減弱結(jié)束，且SRH正值的明顯增大較強(qiáng)降水的增大有提前量。不同的是高層SRH，混合性強(qiáng)降水在第一次降水峰值后一直為負(fù)，對流性強(qiáng)降水則在降水明顯減弱后立即轉(zhuǎn)為負(fù)。

5）定義的強(qiáng)降水指數(shù)較好地提前反映了西寧強(qiáng)降水強(qiáng)度隨時(shí)間的變化特征，且對流性強(qiáng)降水的使用性更好，可能與對流性強(qiáng)降水的風(fēng)暴組織性更強(qiáng)使SRH變化更明顯有關(guān)。

以上結(jié)論是從西寧2次強(qiáng)降水過程中得出的，還需大量的個(gè)例進(jìn)行檢驗(yàn)。