风廓线雷达和多普勒天气雷达在一次强对流天气过程中的分析应用

黄金全，李丽丽，文继芬，邹书平

(1.中国民航贵州空中交通管理分局,贵州 贵阳 550005；2.贵州省人工影响天气办公室,贵州 贵阳 550081)

1 引言

多普勒天气雷达是大气监测的有效手段，在突发性、灾害性天气的监测和预警中是最重要的参考指标[1]，通过对雷达回波的形态特征、结构分布、特征参数演变以及径向速度分布等的探测，能够得到强对流单体不同层次的形态特征，垂直结构和风场特征等，从而对强对流单体的演变和成因做研究[2-6]。风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场的遥感探测设备，可以得到近乎实时的垂直廓线，相比L波段探空雷达资料两者在一定误差范围内的相关性较好[7-8]，风廓线雷达资料具有全天候、连续性、高分辨的优势，而且能够得到大气垂直气流的参数；相比常规气象雷达测风效果，又具有灵敏度高，晴空探测能力强的特点。多普勒天气雷达是对一定空间范围内的降水回波的观测，风廓线雷达是对一点上空的风场做观测，点面结合能够更加全面的分析对流系统的演变和形成机理。国内近年来正在不断的建立和完善风廓线雷达网络, 截止2016年年底，我国业务上投入使用83部风廓线雷达，风廓线雷达网每小时可形成组网数据，用于监测低空急流和与其有关的雷暴活动，并应用于数值模式中，以改善常规探空站时空分辨率的不足。目前也有很多应用成果，研究表明风廓线雷达能够做到对过境锋面、短波波动、中气旋、低空急流和切变线等天气系统的连续探测，可大大提高中小尺度对流系统的监测能力[9-11]。风廓线雷达对冷空气的侵入判别提前于常规观测资料，低层水平风和垂直风的变化与对流发生和结束的时间对应较好[12-15]，探测到的低空急流和风切变对于对流天气的预报具有重要意义。本文将风廓线雷达资料和多普勒天气雷达资料结合起来分析一次多单体强对流天气过程，希望得到有意义的应用结论。

2 资料说明和可用性分析

2.1 资料说明

本文选取2018年3月18—19日发生在贵州省中部的一次多单体强对流天气过程，采用贵阳国家基准站的多普勒雷达资料和探空定时资料(08时，20时，本文出现的所有时间均为北京时)，边界层风廓线雷达资料采用贵阳机场风廓线雷达资料(位于贵阳市国家基准站以东9 km处，两地海拔落差88 m)。3种探测设备的测风资料各自具有不同的优势，如表1。风廓线雷达主要反映边界层大气的风场分布状况，输出参量包括：水平风向、水平风速、垂直风速，大气折射率常数CN2，具有全天候，连续性，高精度的特征，不足之处在于当有降水过程时，其探测误差影响较大。多普勒天气雷达探测空间范围广，可以对对流单体做跟踪监测，但晴空探测能力不足，因此两者结合应用能够在强对流天气过程的预报预警工作中有一定的互补效果。

表1 三种仪器的探测参数Tab.1 Parameter of three detection instruments

2.2 风廓线雷达资料可用性分析

为测试风廓线雷达资料的可用性，选取3月12—19日每日两次L波段探空雷达的定时观测资料与之对比，剔除异常值后风向和风速分别有687、505组数据，由于探空气球存在漂移，规定风向误差范围在±30°，风速误差在±3 m/s范围内为可信，对比结果为：风向的一致性很高，可信率为98.4%，风速在特殊层的误差较大，但是总体可信率也达到93.3%。两者风速随高度变化的趋势是一致的，风廓线雷达资料的风向风速的垂直变化曲线更加连续平滑(如图1)，可信度较高。

图1 3月18日L-波段探空雷达和风廓线雷达资料对比Fig.1 Comparison between L-sounding radar data and wind profile radar data on 18 Mar. 2018

3 过程实况

3月18日全省受高空槽西南气流控制，省西部地面热低压较为活跃，有利于对流单体的孕育和发展。18日午后至19日01时，贵州省中部共经历两次强对流天气过程，共有75站出现短时强降水，降水落区主要位于贵阳市、黔南州北部和黔东南州西部地区，最大雨强达到50 mm/h，强降水时间主要集中在18日21时—19日01时，降水中心最大雨强为65 mm/h，同时有24个站点出现冰雹，冰雹落区集中在贵阳市，冰雹最大直径达到20 mm(久长和李村)。贵阳机场气象观测站累计降水11.7 mm，第一次降水过程时间为18日20—23时，第二次为19日01时。

图2 3月18日08时—19日08时强对流天气(闪电、 冰雹、短时强降水、大风)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)

4 多普勒天气雷达资料

4.1 雷达回波形态及演变特征

运用贵阳市多普勒天气雷达资料对此次天气过程中单体的移动路径做跟踪监测，贵阳地区共受两次对流系统影响，第一次是自18日17时开始，从赫章、大方等地陆续生成的午后热低压在移动中发展为多个强回波单体，对流系统在20时30分左右到达贵阳境内，偏北的两块对流单体到达贵阳后向东北方向移去，偏南的对流单体与贵阳本地的系统合并造成多地降雹，分散的单体在此演变过程中生消合并，最终形成一个有组织的带状对流系统向东南方向移去，在黔南北部造成多地短时强降水过程(如图3a、3b、3c)。第二次是自18日22时开始，从织金南部生成并向东移动的单体，19日01时左右达到贵阳地区(如图3d、3e、3f)，并引起沿途阵性降水天气过程。

4.2 雷达回波强度和高度演变特征

根据图3a中偏南的对流单体中心回波强度演变情况绘制曲线如图4，雷达回波中心强度在19—20时从30 dBz跃增至60 dBz，回波顶高也从7 km升至10.7 km，当日贵阳探空资料探测的-20 ℃温度层高度为7.2 km。单体从织金西部移至东部，20—22时，回波迅速自清镇进入贵阳境内引起冰雹和短时强降水，最大强度在60 dBz左右波动，回波顶高最高达到12 km，之后降至10 km左右。20时23分—21时03分期间45 dBz的回波顶高突破-20 ℃温度层高度，冰雹过程过后回波顶高回落至8 km左右，移出贵阳后多个单体合并加强，最大回波单体达到65 dBz左右，回波顶高也再次增至11.4 km，随后在向东南方向移动的过程中造成局地短时强降水，之后便逐渐减弱消失。

图3 2018年3月18—19日贵阳多普勒天气雷达回波组合反射率因子图(单位：dBz，a.20时01分,b.21时03分； c.22时00分；d.19日00时00分；e.19日01时02分；f.19日01时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.)

图4 2018年3月18—19日典型雷暴单体的 回波中心强度随时间的变化情况 Fig.4 Time series of the echo intensity of a thunderstorm cell between 18 Mar. to 19 Mar

4.3 雷达回波剖面结构演变特征

选取如图4中造成贵阳地区冰雹的典型对流单体发展演变过程中的3个关键时次，做雷达径向上穿过回波强度中心的剖面图。图5a为发展旺盛阶段，经过此前1 h的跃增，对流单体强度达到56.5 dBz，强回波位置偏高，表明回波上升气流旺盛。图5b回波强度增强至64 dBz，回波顶高也维持在10 km以上，但强回波中心位置下移，半小时后如图5c所示，回波前部出现明显的出流边界，回波对应位置出现降雹，随着对流单体的移动，贵阳境内自西向东多站降雹。随着对流单体逐渐进入贵阳雷达站静锥区，之后便无法探测到完整的回波结构。

图5 贵阳多普勒天气雷达在雷达径向方向的基本反射率因子剖面图 (a.19时49分-276°,b.20时23分-281°,c.20时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°)

5 风廓线雷达资料

5.1 水平风

通过分析垂直方向上风向随高度的变化能够判断站点上空不同层次是否有冷暖平流经过。如图6a在降水发生前18—20时地面至6 km高度大气均为暖平流，1.5 km高度上有一条明显的切变线，19时之后5.5 km以上高度出现西南方向急流轴，20时降水开始前低空切变线上升至2.5 km，低空急流范围从3.5 km高度延伸至6.0 km以上，西南暖湿急流能为降水过程提供丰富水汽。20—21时风廓线雷达风场上发现上空有中尺度锋生，从此时雷达径向速度图上可以看出贵阳上空有东北—西南向和东南—西北向的两条低空辐合线形成一个辐合中心，锋面辐合线恰好经过机场上空。如图6b，22时之后，低空急流范围收缩，冷平流略有加强，23时30分低空切变线位置升高且强度加强，贵阳对应一次弱的降水过程，过程期间雷达径向速度图上只能识别出低层为偏北风控制，无法分析出切变线。在地面热低压和高空槽引导下，对流单体不断生成并增强，有稳定维持的低空切变线，低空急流出现的时间与降水有一定的对应关系，风廓线雷达数据和雷达径向速度场点面配合分析能够更好的确定急流、风切变和冷暖平流的位置。

图6 风廓线雷达探测的风矢量—高度时间和多普勒天气雷达径向速度图(单位：m·s-1，红色实线为低空切变线，顶部零值为 空白资料，a.18日18—22时，b.18日20时52分径向速度，仰角2.4°；c.18日22—19日02时；d.23时43分径向速度，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)

低空急流是与强降水相联系的、位于对流层下部离地面1～4 km层(600～900 hPa之间)中的水平动量相对集中的气流带，中心风速一般大于等于12 m/s，低空急流的出现往往意味着急流轴上下两侧存在较大的风速切变。如图7是3月18日14时—19日08时风廓线雷达垂直方向上风速随时间的变化图，在第一阶段降水发生前从15时开始，5.5 km高度上便有急流轴出现，并随时间逐渐下移，直到21时左右降水开始阶段，急流轴向下压至4.0 km，向上延伸至6.0 km高度。18日22时—19日01时站点周围大部分地区处于短时强降水阶段，风场同样表现出急流轴下移的特征，低空急流的强度更强，急流轴风速达到22 m/s，在3.0 km左右高度上存在一个风速大梯度带，表明此阶段对流层低层具有更强的风速切变。低空急流能为暴雨区提供水汽的输送通道，利于暴雨的维持。此次暴雨冰雹强对流过后，19日04时开始贵阳上空又有一波弱的对流单体经过，本站在04时有3 mm降水，风场上同样探测到低空急流，可见低空急流出现的时间提前于降水开始的时间，降水结束后低空急流也逐渐减弱消失，对应的范围变化和位置波动与对流系统发展和结束有密切联系。

图7 3月18日14时—19日08时贵阳机场风廓线雷达 垂直方向上风速随时间的变化图(单位：m·s-1， 顶部的零值区表示没有探测数据)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)

5.2 垂直速度

在有云或降水情况下，风廓线雷达探测到的垂直风速为垂直方向气流运动速度与粒子运动速度的和，垂直风向下为正，向上为负，垂直方向上风速绝对值越大，反映出不同高度层上水汽和热交换的程度越剧烈，因此这也一定程度上反映对流活动的强弱。如图8，从20时开始5 km高度便有大于4 m/s向下的粒子运动，表明降水可能已经开始，地面站点20时观测到微量降水，之后两个时次的向下运动速度逐渐加强，站点降水也观测到小雨量级的降水，至19日停止。垂直速度的变化反映出对流活动强弱，也能作为提前判断降水过程的开始和结束参考依据，但是垂直速度只是探测到测站上空的运动状态，相对于天气系统影响的范围来说，所测得数据必然存在很大的脉动性、缺乏代表性，因此这个指数仅作为参考指标。

图8 风廓线雷达风速随高度的变化图(单位：m·s-1，顶部的零值区表示没有探测数据，a.18日20时, b.18日21时,c.18日22时,d.18日23时,e.19日00时,f.19日01时)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)

6 结论

本文运用风廓线雷达结合多普勒天气雷达资料对一次强对流天气过程做了分析，风廓线雷达产品在风场观测方面能够较好的补充贵阳多普勒天气雷达在贵阳市探测能力的不足，能够探测到边界层内的急流、风切变和冷暖平流活动。在地面热低压和高空槽引导下，对流单体不断生成增强，并有近地面低空切变线稳定维持，低空急流出现的时间提前于降水开始的时间，低空急流的范围扩大和位置下移时表明低层辐合运动加强，有利于对流系统发展和移动。风廓线雷达资料与多普勒天气雷达径向速度点面配合分析，能够清楚的反映锋面过境的情况，多普勒天气雷达产品能更好的追踪单体的移动路径，降水结束后低空急流也逐渐减弱消失。降水开始前，垂直速度正负差别越大表明不同层热交换强烈，对流活动越强，由于资料受降水过程的影响存在很大的脉动性，因此这个指数仅作为参考指标。