摘要 利用貴州省威寧縣氣象局的風(fēng)廓線雷達(dá)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其二次開發(fā)產(chǎn)品、雨量站和MICAPS的實(shí)況數(shù)據(jù)，對(duì)2019年6月11日發(fā)生在威寧本站的一次冰雹大風(fēng)天氣過程進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明：水平廓線產(chǎn)品可反映出冷暖平流的時(shí)空變化及垂直分布，更早探測(cè)冷空氣入侵、風(fēng)場(chǎng)切變情況及低空急流強(qiáng)度；大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)和垂直速度可以指示降水的發(fā)生、持續(xù)時(shí)間及降水強(qiáng)度情況；強(qiáng)降水發(fā)生前有較強(qiáng)風(fēng)垂直切變，降水過程中風(fēng)垂直切變值整體大于0.2 s-1，風(fēng)垂直切變的增強(qiáng)會(huì)引起垂直速度和地面大風(fēng)的增大；若以大于15 dBZ和小于10 dBZ為降水的起止標(biāo)志，風(fēng)廓線雷達(dá)反射率因子較其他產(chǎn)品可以更清晰地指示降水的開始和結(jié)束。

關(guān)鍵詞 冰雹；風(fēng)廓線；雷達(dá)產(chǎn)品；低空急流；垂直速度；風(fēng)垂直切變；大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

中圖分類號(hào) P413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2024）08-0187-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.044

Analysis of Hail Process Based on Wind Profile Radar Products

LI Yuan1，YANG Zhe2，3，XU Wen-long2 et al

（1.Guizhou Meteorological Service Center，Guiyang，Guizhou 550002;2.Guizhou Provincial Center for Atmospheric Detection Technology and Support， Guiyang，Guizhou 550081;3.Guizhou Weather Modification Office， Guiyang，Guizhou 550081）

Abstract Based on the wind profile radar basic data of Guizhou Weining Meteorological Bureau， the secondary development products， rainfall data and MICAPS live data， a hail gale weather process occurred at Weining Station on June 11， 2019 was comprehensively analyzed.The results showed that the horizontal profile product could reflect the space-time change and vertical distribution of cold and warm advection， and detect the cold air intrusion， wind field shear and low-level jet intensity earlier.The atmospheric refractive index structure constant and vertical velocity could indicate the occurrence， duration and intensity of precipitation.There was strong wind vertical shear before the occurrence of heavy precipitation， and the wind vertical shear value in the precipitation process was more than 0.2 s-1 as a whole，the enhancement of wind vertical shear would cause the increase of vertical velocity and surface gale.If more than 15 dBZ and less than 10 dBZ were used as the starting and ending signs of precipitation， the wind profile radar reflectivity factor value could more clearly indicate the beginning and end of precipitation than other products.

Key words Hail;Wind profile;Radar product;Low-level jet;Vertical velocity;Wind vertical shear;Atmospheric refractive index structure constant

冰雹大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣嚴(yán)重威脅到農(nóng)作物的收成，畢節(jié)市威寧縣又是貴州省受冰雹災(zāi)害影響較大的區(qū)縣之一，冰雹過程一般伴隨大風(fēng)一起發(fā)生，因此對(duì)于風(fēng)場(chǎng)信息的探測(cè)可在一定程度預(yù)測(cè)出冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣過程。風(fēng)廓線雷達(dá)可對(duì)本站風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行24 h連續(xù)觀測(cè)［1］，利用其探測(cè)到的高時(shí)空分辨率風(fēng)場(chǎng)信息可以識(shí)別出冷暖平流、風(fēng)切變、急流等天氣系統(tǒng)，可應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警［2］。周志敏等［3］通過對(duì)一次降雹過程的風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料的研究，得出水平風(fēng)可分辨冷暖平流，垂直速度隨高度變化可反映對(duì)流強(qiáng)弱。李典等［4］研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度、信噪比與降水的發(fā)生、結(jié)束有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且垂直風(fēng)切變與急流的變化相關(guān)。李彥良等［5］研究表明由風(fēng)廓線雷達(dá)資料推算出的風(fēng)切變值、急流指數(shù)和風(fēng)暴相對(duì)螺旋度等特征量在降雹天氣過程中有波動(dòng)變化。董保舉等［6］分析風(fēng)廓線雷達(dá)資料在暴雨天氣過程中的變化，發(fā)現(xiàn)垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、信噪比等產(chǎn)品可以較好地反映出降水的開始、結(jié)束及其強(qiáng)度。孫貞等［7］利用3部風(fēng)廓線雷達(dá)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到冷暖平流、風(fēng)暴相對(duì)螺旋度、散度、渦度等二次產(chǎn)品，較好指示了強(qiáng)對(duì)流天氣過程發(fā)生前的冷暖平流及其高低空配置和高中低空的輻合輻散情況。宋巧云等［8］總結(jié)了風(fēng)廓線雷達(dá)資料在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，認(rèn)為風(fēng)廓線雷達(dá)基本數(shù)據(jù)及其二次開發(fā)產(chǎn)品有利于中小尺度天氣系統(tǒng)的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警。筆者利用風(fēng)廓線雷達(dá)基礎(chǔ)資料及其反演產(chǎn)品在一次降雹天氣過程中的時(shí)空變化進(jìn)行深入分析，旨在提升風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)于冰雹天氣過程的識(shí)別與預(yù)警能力。

1 天氣形勢(shì)及實(shí)況分析

1.1 降水實(shí)況資料

2019年6月11日貴州省威寧縣氣象局站內(nèi)發(fā)生一次冰雹、大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)對(duì)流天氣過程，根據(jù)本站地面觀測(cè)資料獲知此次過程主要降水時(shí)段為15：15—15：43（圖1），其中降雹時(shí)段為15：20—15：25，冰雹直徑為5～10 mm，冰雹顆粒個(gè)數(shù)為20粒/m2。

1.2 天氣背景形勢(shì)

6月11日08：00 500 hPa貴州西北部位于淺槽的南端，整體受偏西風(fēng)控制，而700 hPa攀西地區(qū)至云南東北部有明顯切變存在，850 hPa貴州西北部至四川盆地中部一帶有倒槽切變，切變北風(fēng)一側(cè)有強(qiáng)的負(fù)變溫；地面有強(qiáng)冷空氣進(jìn)入四川盆地，14：00已開始從盆地南部一帶進(jìn)入貴州西北部。威寧站海拔為2 237.5 m，氣壓大致為770 hPa，在低層切變、地面冷空氣以及地形的共同作用下，利于對(duì)流的觸發(fā)。

2 風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品分析

2.1 水平風(fēng)廓線

如圖2所示，降雹前數(shù)個(gè)小時(shí)，本站風(fēng)向由近地面的南風(fēng)向上順轉(zhuǎn)為西風(fēng)，整體主要以西南風(fēng)為主，且風(fēng)速隨高度的增加而增大，最大風(fēng)速可達(dá)16 m/s，表明經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間西南暖濕氣流的輸送為本地天氣系統(tǒng)發(fā)展積累了必要的水汽和能量。6月11日12：42從地面至1 800 m高度風(fēng)向順轉(zhuǎn)，而1 800 m以上風(fēng)向開始逆轉(zhuǎn)，表明此刻本站上空暖平流上疊加了冷平流，開始為大氣不穩(wěn)定層結(jié)積蓄力量，這有利于對(duì)流天氣的發(fā)展。13：30近地面出現(xiàn)水平風(fēng)垂直切變和風(fēng)速大于12 m/s的地面大風(fēng)，3 000 m左右同樣出現(xiàn)水平風(fēng)的垂直切變，并在該高度以上出現(xiàn)最大風(fēng)速大于40 m/s的低空急流區(qū)，該時(shí)刻溫度平流配置為暖平流之上疊加更強(qiáng)的冷平流，說明此時(shí)冷空氣已經(jīng)入侵該地區(qū)，為強(qiáng)對(duì)流天氣過程的發(fā)生提供能量，且該時(shí)刻比記錄的降雹時(shí)間提前了近3 h。14：48—15：24近地面出現(xiàn)風(fēng)向不連續(xù)線，且隨著降雹的臨近低層風(fēng)切變逐漸加強(qiáng)；3.5～4.5 km高度出現(xiàn)較強(qiáng)的低空急流，強(qiáng)低空急流和風(fēng)切變?yōu)閺?qiáng)對(duì)流天氣過程的發(fā)展提供充足的水汽和動(dòng)力條件。15：24—15：54高度2～5 km低空急流和暖平流風(fēng)強(qiáng)均已達(dá)到最大值，同時(shí)地面大風(fēng)和風(fēng)切變也已處于此次對(duì)流過程的最大強(qiáng)度范圍，這些可反映出對(duì)流單體下沉氣流強(qiáng)勁。

2.2 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

大氣湍流活動(dòng)造成折射率不均勻從而引發(fā)對(duì)電磁波的散射，風(fēng)廓線雷達(dá)可從該散射信號(hào)中獲取到風(fēng)場(chǎng)信息。大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（C2n）又與溫度、濕度等氣象要素的變化起伏有一定關(guān)系，溫濕度的變化又會(huì)影響到水汽壓的變化。水汽壓表征了大氣中的水汽含量，當(dāng)降水即將發(fā)生時(shí)空氣中的水汽含量會(huì)逐漸增多進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致C2n逐漸增大。

從圖3可以看出，降水天氣到來前（11日13：30之前）C2n最大值為-125 dB左右，大值區(qū)（即數(shù)值≥-130 dB區(qū)域）的最大高度在1 500 m以下；隨著降雨降雹時(shí)刻的臨近（13：30—15：06），C2n的最大值和大值區(qū)高度也隨之增大，此處可利用C2n大值區(qū)高度的增長(zhǎng)來判別降水天氣的發(fā)生；15：15 發(fā)生降水，此時(shí)C2n最大值達(dá)-114 dB，大值區(qū)高度大于5 280 m（該邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度為5 280 m）。C2n值及其大值區(qū)高度可對(duì)降水天氣具有明顯的指示意義。

2.3 垂直速度 此處的垂直速度為空氣垂直運(yùn)動(dòng)速度和降水粒子降落速度之和，正速度代表垂直向下，反之向上。如圖4所示，6月11日12：00之前垂直速度整體以上升氣流為主，表明本站上空主要受上升氣流控制，可將近地層來自西南方向的暖濕氣流抬升至高空，形成一定強(qiáng)度的上升運(yùn)動(dòng)，并與高空中干冷氣流融合后冷卻形成不穩(wěn)定層結(jié)，為對(duì)流的發(fā)展積蓄力量。12：06—14： 42低層氣流依然呈上升態(tài)勢(shì)，而中高層氣流開始下沉，表明低空暖濕氣流在持續(xù)抬升，促使不穩(wěn)定能量進(jìn)一步加強(qiáng)。14：48從地面到高空全部轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強(qiáng)的下沉氣流，15：06高空中向下的垂直速度強(qiáng)于低層，此時(shí)高空與低空的氣流開始發(fā)生對(duì)換，強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成。15：12—15：42風(fēng)場(chǎng)以下沉氣流為主，而降雨和降雹時(shí)間分別于15：15和15：20開始，并于15：43結(jié)束降水，該下沉氣流與降水持續(xù)時(shí)間段基本同步。表明風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直速度可以較好反映出降水粒子的下降速度及強(qiáng)度。

2.4 風(fēng)垂直切變

一般的風(fēng)垂直切變是指垂直高度上高層風(fēng)與低層風(fēng)矢量變化，根據(jù)風(fēng)垂直切變算法［9］，通過計(jì)算相鄰高度層之間風(fēng)速和風(fēng)向間的變化值，即可得到隨高度時(shí)間分布的風(fēng)切變（圖5）。從圖5可以看出，6月11日12：06—14：42風(fēng)垂直切變區(qū)域面積和風(fēng)垂直切變值均逐漸增大，其中13：12在3 000～4 500 m出現(xiàn)了大于0.2 s-1的較強(qiáng)垂直風(fēng)切變區(qū)域（世界民航組織認(rèn)為上下層厚度為30 m時(shí)風(fēng)矢量差大于6 m/s為嚴(yán)重，即為0.2 s-1），切變?cè)鰪?qiáng)了氣流的上下擾動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)流運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)［10］，預(yù)示著強(qiáng)天氣過程的發(fā)生。14：48風(fēng)垂直切變區(qū)域中心值到達(dá)0.6 s-1最大值，對(duì)應(yīng)該時(shí)刻垂直速度也到達(dá)最大值，表明風(fēng)垂直切變?cè)鰪?qiáng)與風(fēng)垂直速度變大有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。15：12—15：54大于0.2 s-1的風(fēng)垂直切變區(qū)域從底層到高層幾乎都有分布，部分高度風(fēng)垂直切變值最大可達(dá)-0.5 s-1，而此時(shí)還伴隨著較大的地面大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降雨和降雹等過程，表明風(fēng)垂直切變的增大會(huì)導(dǎo)致降水量、地面風(fēng)、垂直速度的增強(qiáng)。

2.5 反射率因子

根據(jù)該風(fēng)廓線雷達(dá)性能參數(shù)及其此次過程的探測(cè)時(shí)段譜數(shù)據(jù)，再利用雷達(dá)氣象方程計(jì)算出本站上空隨高度時(shí)間變化的反射率因子強(qiáng)度［11］，其中該反射率因子尚未作強(qiáng)度訂正，但其具體數(shù)值具有一定參考性。從圖6可以看出，6月11日12：06—14：42降水發(fā)生前反射率因子均在15 dBZ以下，此時(shí)雷達(dá)探測(cè)到的回波以湍流回波為主；14：48在4 000 m以上的高度層反射率因子達(dá)到50 dBZ以上，表明此時(shí)該區(qū)域有較大尺寸或較大數(shù)量的降水粒子形成；15：12反射率強(qiáng)回波中心（反射率為45 dBZ左右）開始向下移動(dòng)并靠近地面，僅3 min后地面觀測(cè)到降水發(fā)生，此刻接近地面的回波強(qiáng)度為15 dBZ左右（淺綠色處），15：20左右回波強(qiáng)中心幾乎落地，而此時(shí)正是冰雹降落時(shí)刻。15：42左右強(qiáng)回波消失，且接近地面回波強(qiáng)度為10 dBZ左右（深藍(lán)色處），而此時(shí)降水已經(jīng)停止；15：48中高空又出現(xiàn)強(qiáng)回波并為下一次降水積蓄能量。如果以大于15 dBZ為降水開始標(biāo)志，小于10 dBZ為降水結(jié)束標(biāo)志，對(duì)比其他對(duì)降水的起止有指示意義的風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品，反射率因子可以更加準(zhǔn)確清晰地反映出降水的基本情況。

3 結(jié)論

該研究通過對(duì)2019年6月11日發(fā)生于威寧縣氣象局站內(nèi)一次降雹天氣過程的風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)廓線、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、垂直速度及其二次開發(fā)的垂直風(fēng)切變和反射率因子等產(chǎn)品進(jìn)行深入分析，得到以下結(jié)論：

（1）風(fēng)廓線雷達(dá)的水平廓線產(chǎn)品可以較好地展示出降雹前后冷暖平流的垂直分布及隨時(shí)間的變化，提前探測(cè)到冷空氣入侵、風(fēng)場(chǎng)切變以及低空急流強(qiáng)度，為冰雹天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供一定支撐。

（2）由于有降水發(fā)生時(shí)，降水的下落是影響垂直速度增加的主要因素，所以垂直速度在一定程度上可以反映出降水的開始、結(jié)束及降水強(qiáng)度。

（3）C2n會(huì)受溫度、濕度的變化影響，降雨臨近時(shí)空氣中溫度、濕度都會(huì)產(chǎn)生較大變化從而引起C2n值變大。C2n≥-130 dB 的大值區(qū)高度在5 280 m以上且其最大值達(dá)-114 dB預(yù)示著有降水發(fā)生。

（4）風(fēng)垂直切變會(huì)擾動(dòng)氣流場(chǎng)，增加對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)天氣過程發(fā)生。探測(cè)結(jié)果顯示：降水發(fā)生前高空會(huì)有較強(qiáng)的風(fēng)垂直切變，降水過程中風(fēng)垂直切變值大于0.2 s-1的區(qū)域從低空延伸至高空，且風(fēng)垂直切變值最大可達(dá)-0.5 s-1或以上。風(fēng)垂直切變值的增大會(huì)引起較大地面大風(fēng)、較大降雨或降雹。

（5）降水發(fā)生前雷達(dá)探測(cè)回波以湍流回波為主，反射率因子小于10 dBZ；降水過程中回波強(qiáng)中心會(huì)從高空向地面下移，以反射率因子大于15 dBZ和小于10 dBZ為有、無降水標(biāo)志，與其他可以指示降水起止的風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品比較，風(fēng)廓線雷達(dá)反演的反射率因子可以較好指示降水發(fā)生與結(jié)束。

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基金項(xiàng)目 中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室開放課題（2020Z007）；貴州省科技廳項(xiàng)目（黔科合基礎(chǔ)-ZK〔2023〕一般200，黔科合支撐〔2023〕一般 193）。

作者簡(jiǎn)介 李源（1991—），男，貴州貴陽人，助理工程師，從事氣象探測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究。*通信作者，工程師，碩士，從事氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用研究。

收稿日期 2023-05-06