風廓線資料在沈陽暴雪天氣中的應(yīng)用

魯 楊，李 典，吳宇童，柴曉玲，張 帥，崔景琳，孟 鵬

（沈陽市氣象局，遼寧沈陽110168）

風廓線資料在沈陽暴雪天氣中的應(yīng)用

魯 楊，李 典，吳宇童，柴曉玲，張 帥，崔景琳，孟 鵬

（沈陽市氣象局，遼寧沈陽110168）

本文利用常規(guī)觀測資料、風廓線雷達資料，對2017年2月21日~2月22日沈陽地區(qū)出現(xiàn)的一次暴雪天氣過程進行詳細分析，結(jié)果表明：此次暴雪天氣受高空槽和蒙古氣旋共同影響，850hPa南北兩支切變線同位相疊加，切變線南側(cè)西南風急流為暴雪過程提供水汽條件。降雪前，以3500m為冷暖平流邊界，冷平流疊加在暖平流之上。高空大風速帶和垂直風切變提前降雪10h出現(xiàn)，并在降雪開始前2h出現(xiàn)高空動量下傳現(xiàn)象。降雪主要時段內(nèi)，大氣整層風向為西南風，大風速帶擴展至近地面，中低空垂直風切變、垂直速度和大氣折射率常數(shù)出現(xiàn)大值區(qū)。整層大氣的垂直速度都為正時對應(yīng)的降雪強度最大。降雪結(jié)束后，整層風向轉(zhuǎn)為西北風。

風廓線雷達；暴雪；垂直速度；垂直風切變；折射率常數(shù)

暴雪是沈陽地區(qū)冬半年出現(xiàn)的災(zāi)害天氣之一，暴雪經(jīng)常會造成交通運輸中斷、輸電中斷、通信中斷，交通事故頻發(fā)，還可能造成房屋、蔬菜大棚及育苗大棚坍塌，直接危害人們生命財產(chǎn)安全。沈陽市氣象局以全運會精細化服務(wù)為契機，在沈陽觀象臺建設(shè)了L波段邊界層風廓線雷達，實現(xiàn)了對大氣風場的全天候觀測，時間分辨率為5min、30min和60min，低模態(tài)垂直探測高度為150～4350m，垂直分辨率為120m；高模態(tài)垂直探測高度為1230～9150m，垂直分辨率為240m。近年來，風廓線探測產(chǎn)品在降雪中的研究應(yīng)用逐漸增多。周之栩[1]利用風廓線雷達資料分析了湖州市一次暴雪過程，結(jié)果表明：風廓線雷達風資料可以清楚地展示暴雪過程風場變化特點，同時垂直速度、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)及探測高度等指標的變化能反映降雪的開始、結(jié)束以及降雪的強度。翟亮[2]等分析了北京兩次不同類型降雪天氣過程中的邊界層風廓線儀數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：溫度平流廓線圖可以較好的反映大氣穩(wěn)定度情況，同時作為判斷是否為對流性降雪提供依據(jù)。降雪開始前2h底層偏東氣流建立，且該氣流里均有風速突然加強的現(xiàn)象。陸韜[3]等認為低空急流的脈動及向地面擴展時出現(xiàn)降雪的預兆，其與高空急流發(fā)生的耦合作用有利于雪勢加強。李鸞[4]等認為降雪前925hPa左右高度可見東風氣流，當東風氣流轉(zhuǎn)為西北氣流時，降雪天氣開始；降雪時低層冷平流，中高層暖平流，逆溫結(jié)構(gòu)有助于降雪的發(fā)生；當西北氣流向上擴展到700hPa高度以上時，降雪趨于結(jié)束。此外，風廓線雷達探測到的大氣折射率常數(shù)的變化與降雪過程相對應(yīng)。李峰[5]等利用風廓線雷達資料對一次霧霾雨雪多相態(tài)天氣過程進行了診斷分析，結(jié)果表明：霧霾天氣時，大氣折射率參數(shù)很小，無明顯的空氣流通，近地面層信噪比表現(xiàn)出較強信號，高度一般在850hPa以下，其上層大氣的信噪比很弱，上下對比明顯；降水發(fā)生前，對流層信噪比明顯增強，風廓線雷達波束的徑向速度首先在中高層出現(xiàn)正值，降水發(fā)生時，5個波束徑向速度均轉(zhuǎn)為正值，最大速度一般在近地面層；降水相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時，信噪比增強，徑向速度有所減弱，這種變化通常發(fā)生在整個邊界層到對流層。

2017年2月21日20時（北京時間，下同）～22日20時沈陽地區(qū)出現(xiàn)暴雪天氣，是風廓線雷達建立以來強度最大的一次降雪天氣，嚴重的危害了沈城交通安全，因此本文利用常規(guī)觀測資料和風廓線雷達探測資料，從水平風廓線、垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、垂直風切變等方面分析，試圖提出預報著眼點，提高預報準確率。

1 過程概述

受到高空槽和蒙古氣旋共同影響，2017年2月21日20時~22日20時沈陽地區(qū)出現(xiàn)暴雪天氣。降雪集中時段為2017年2月21日22時~22日08時，之后轉(zhuǎn)為陣雪天氣，降雪量主要集中在市區(qū)。全市7個國家觀測站（渾南、康平、法庫、新民、遼中、沈北新區(qū)和蘇家屯）平均降雪量為10.6mm，其中蘇家屯區(qū)降雪量最大，為14.2mm，遼中區(qū)降雪量最小，為6.8mm。平均新增積雪深度為8.8cm，其中最大新增積雪出現(xiàn)在沈北新區(qū)，為13.0cm（詳見圖1）。此次強降雪給沈城交通造成嚴重影響。

圖1 2017年2月21日20時~22日20時沈陽各區(qū)縣累積降水量和新增積雪深度

2 主要影響系統(tǒng)

2017年2月21日20時500hPa天氣圖上（圖2），西伯利亞附近為高壓脊，貝加爾湖東南部存在寬廣的槽區(qū)，短波槽活動頻繁，溫度槽落后于高度槽，沈陽位于高空槽前部，槽前偏西氣流將冷空氣輸送到沈陽，鄂霍次克海以西存在一個低渦，并不斷加強，低渦底部不斷有冷空氣擴散南下。850hPa在河套地區(qū)和內(nèi)蒙古北部地區(qū)存在南北兩個切變線，切變線在東移過程中同位相疊加，南端到達30°N，在切變線的前端有西南急流存在，21日夜間急流軸經(jīng)過沈陽地區(qū)，西南急流向沈陽地區(qū)輸送大量暖濕空氣。2月21日20時地面存在蒙古氣旋，氣旋底部冷鋒位于河套地區(qū)，日本海存在阻塞高壓，使得蒙古氣旋移動過程中加強，22日08時冷鋒移至沈陽中部地區(qū)（圖略）。

3 風廓線雷達

3.1 水平風廓線

圖2 500hPa高度場（單位：dagpm）和 850hPa風場（單位：m·s-1）合成圖（（a）2017年 2月 21日 08時，（b）2017年 2月 21日 20時）

分析2017年2月21日08時~22日20時水平風廓線特征，圖3給出了降雪前后沈陽觀象臺風廓線雷達探測的小時風演變。從圖中可以看到，2月21日08時之前，風廓線雷達探測高度一般在1000m以下，風速較小，一般在2m/s以下。21日08時~21日11時風廓線雷達探測高度有所增高，900m以下為弱的西南風，1000m到3500m為西北風和北風，風隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，21日12時~21日15時探測高度再次增高，已經(jīng)達到風廓線雷達的最大探測高度，5500m以上出現(xiàn)西北偏西風，1000m到3500m仍為西北風，900m以下仍為弱的西南風，3500m以下風隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，3500m以上風隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流。從21日16時開始整層大氣的風向已轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L，且風速逐漸加大。22日07時之后，探測高度出現(xiàn)降低，2000m以上出現(xiàn)西北風，西北風隨時間逐漸向下擴展，到了22日15時，整層已轉(zhuǎn)為西北風，22日20時以后探測高度已回落到1000m以下。

圖3 2017年2月21日11時~2月22日10時水平風廓線隨時間的演變

3.2 急流

分析此次暴雪高空水平風速≥12m/s風速帶，見圖4，2月21日12時開始出現(xiàn)大值風速帶，最大風速達到36.5m/s，21日13時至20時，高空風速增大，大風速帶一直維持在3390m以上。21日21時開始，風速動量下傳，大風速帶向下擴展，21日22時，大風速帶已向下擴展至990m，此時降雪開始。降雪過程中大風速帶繼續(xù)向下擴展，22日00時已經(jīng)擴展到近地面，整層大氣都有西南風大風速帶存在。22日07時開始高空大風速帶消失，中低空大風速帶逐漸變薄，11時后消失。

3.3 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

風廓線雷達主要探測大氣中不規(guī)則的折射，在折射率起伏場中，大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)通常表示大氣中折射率不均勻的程度，主要取決于溫度變化或水汽壓的脈動變化。當出現(xiàn)降水時，大氣中的水汽含量明顯增加，致使大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)增大，并常伴有探測高度增加的現(xiàn)象[6]。圖中將0或接近0的值用白色表示。

分析此次暴雪大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的時間演變，詳見圖5，降雪過程前大氣折射率常數(shù)的量級在10-20～10-15之間，隨著降雪的發(fā)生，21日23時大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)明顯增加，最大大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)量級增大至10-6，相對大值出現(xiàn)在1470m以下，為水汽集中區(qū)，1470m以上大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)接近0。隨著降雪的發(fā)展，22日00時～04時大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)逐漸降低，相對大值區(qū)也變薄，相對大值出現(xiàn)在510m以下，22日05是開始整層大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)接近0，說明水汽條件逐漸轉(zhuǎn)差。暴雪期間大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的量級在10-10～10-6之間。

圖4 2017年2月21日03時～22日15時沈陽風廓線雷達探測的水平風速≥12m/s的風速帶隨時間的演變

圖5 2017年2月21日03時～22日15時沈陽風廓線雷達探測的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間的演變

3.4 垂直風切變

計算臨近層內(nèi)風矢量的變化值，得到垂直風切變。風切變增大時，有利高、低空冷暖氣流加速混合，形成不穩(wěn)定[6]。分析此次暴雪天氣垂直風切變隨時間的演變，見圖6，21日12時開始高空（約500hPa）開始出現(xiàn)垂直風切變，比降雪開始提前了10h。中低空垂直風切變提前2h（21日20時）出現(xiàn)，降雪的主要時段與中低空垂直風切變大值區(qū)對應(yīng)較好，中低空垂直風切變可能是暴雪的重要觸發(fā)條件。

圖6 2017年2月21日03時～22日15時沈陽風廓線雷達探測的垂直風切變（單位：S-1）隨時間的演變

3.5 垂直速度

風廓線雷達探測的垂直速度為空氣垂直運動和降水粒子下沉運動之和，朝向風廓線雷達為正。圖7為2017年2月21日03時～22日15時沈陽觀象臺上空的垂直速度隨時間的演變圖。由圖可知，21日12時～21時1950m到3150m之間存在負速度，為上升氣流，3150m以上為正速度，說明有下沉運動，1950m以下為出現(xiàn)零散的正速度，說明下沉運動不明顯。降雪主要時段內(nèi)整層大氣垂直速度都為正，說明下沉氣流迅速占據(jù)絕對主導地位[7]，可能是雪粒在下落過程中的拖曳作用所致[8]。21日22時降雪開始時的垂直速度出現(xiàn)最大值，為1.5m/s。22日07時～15時3870m以上垂直速度為0.0m/s，3870m以下的垂直速度有減小的趨勢。22日15時后整層大氣垂直速度接近0.0m/s。

圖7 2017年2月21日03時～22日15時沈陽風廓線雷達探測的垂直速度（單位：m/s）隨時間的演變

4 探空資料分析

由沈陽觀象臺探空資料可以看出，2月21日20時和22日08時探空資料差別很大，以600hPa為分界點，21日20時600hPa以上溫度與露點先接近重合，表明溫度露點差很小，相對濕度大，大氣處于飽和狀態(tài)，高空高濕區(qū)的出現(xiàn)是由于西南急流輸送了大量水汽。22日08時600hPa以下相對濕度非常大，600hPa以上相對濕度減小明顯，這與中低空西南急流的建立和高空急流的消失對應(yīng)較好，加之降雪也是濕度垂直分布變化的重要原因。從21日20時到22日08時-10℃高度由接近3km降低到接近1km，說明有冷空氣的到來。抬升凝結(jié)高度明顯降低，這有利于22日白天陣雪天氣的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

此次暴雪天氣是由高空槽和蒙古氣旋共同作用產(chǎn)生的，850hPa南北兩支切變線同位相疊加，切變線前西南急流為此次暴雪提供了充沛的水汽。

圖8 2017年 2月 21日 20時（a）、22日 08時（b）沈陽觀象臺探空資料

降雪前，以3500m為冷暖平流邊界，冷平流疊加在暖平流之上。高空大風速帶和垂直風切變提前降雪10h出現(xiàn)，并在降雪開始前2h出現(xiàn)高空動量下傳現(xiàn)象。降雪開始時，整層風向轉(zhuǎn)為西南風，垂直速度出現(xiàn)最大值，為1.5m/s，風速≥12m/s和中低空垂直風切邊大值區(qū)的出現(xiàn)時間與主要降雪時段相對應(yīng)，垂直速度和大氣折射率常數(shù)出現(xiàn)達到峰值。整層大氣的垂直速度都為正時對應(yīng)的降雪強度最大，暴雪期間大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的量級在10-10～10-6之間。降雪結(jié)束后，整層風向轉(zhuǎn)為西北風。

通過風廓線雷達探測資料可以直觀的看到站點上空各種資料隨時間高度的變化，但由于風廓線雷達建設(shè)以來暴雪的樣本單一，所以以上結(jié)論仍需要在今后的工作中分析驗證。

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P458.121.2；P412.25

A

10.14025/j.cnki.jlny.2017.22.056

魯楊，本科學歷，助理工程師，研究方向：天氣預報。