烏魯木齊風廓線雷達資料在業務中的應用

謝葭穎 蘇朝丞 張月華

摘 要：分析了烏魯木齊市3種高影響天氣的風廓線雷達資料，分析結果表明：風廓線資料能較好地反應本地上空垂直方向上的高時空分辨率的風場的變化特征，即能明顯細致地顯示高低空急流、垂直切變和冷暖平流的結構和變化，不同的天氣過程對應不同的特征，對影響天氣的檢測預警有重要指示作用。

關鍵詞：風廓線雷達;烏魯木齊;天氣預報;業務應用

中圖分類號：S164

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190930051

風廓線雷達是我國目前規劃發展的垂直探測設備，它能夠提供大氣的三維風場信息，如水平風場、垂直氣流、大氣折射率常數CN2等氣象要素隨高度的分布，是對常規探測的有力補充，其資料對天氣預報預警有重要意義，是提高災害性天氣監測預警能力的重要手段，因此風廓線雷達資料的應用越來越受到重視。早在1994年NOAA就開展了對風廓線雷達資料的評估，結果表明：風廓線雷達有助于提供強天氣的預報準確率，使用風廓線雷達資料后，美國龍卷風、雷暴、暴雨的預警時間提前了14%，強天氣的預報準確率提高了13%，3h風的預報準確率提高了20%;目前，風廓線雷達資料已經成為美國短時臨近預報的強有力工具之一。在中國風廓線雷達資料也得到了廣泛的應用，如顧映欣等[1-4]利用風廓線雷達資料對局地暴雨、鋒面等天氣過程進行了分析，證明了風廓線雷達資料在短時預報中的能力。烏魯木齊風廓線雷達已經建成6a，在短時臨近預報業務中如何充分使用風廓線雷達資料也是本局目前的工作任務。本文通過對烏魯木齊市強降水、東南大風、大霧3種高影響天氣

中的風廓線特征進行分析，希望能在天氣預報服務中充分發揮其作用。

1?資料

本文選取了2017—2018年間氣象資料和風廓線資料都完整的6次不同類型的天氣過程：2次夏季強降水天氣過程、2次典型的大霧天氣、2次城區的東南大風天氣，分析其在風廓線雷達資料的不同風場特征。

2?風廓線資料的應用情況

2.1?強降水

選取2018年5月24日和8月12—13日2次強降水天氣過程，它們都同時伴有雷電和短時強降水出現。

2.1.1?兩次天氣實況

2018年5月24日05∶00后開始降水，最大雨強5.8mm/h，過程總降水量26.2mm，12∶00降水結束;8月12日23∶00前開始降水，最大雨強14.2mm/h，過程總降水量23.8mm，13日10∶00降水結束，見圖1。

2.1.2?風廓線特征

許多研究表明，暴雨的發生發展與環境風的垂直切變和低空急流密切相關，適度的垂直風切變有助于雷暴的組織和傳播，而低空急流持續的水汽輸送和不穩定能量的積累是暴雨發生的重要條件。

水平風特征：利用風廓線雷達的水平風資料，可以實時監測水平風的垂直切變和切變的發展變化。5月24日降水過程：從圖1風廓線的時間序列圖上可以看出，降水發生前12h，即23日17∶00低層2500m以下有西北和偏東風的切變，根據熱成風原理風隨高度順轉，說明低空有暖平流輸送，有對流的發展潛勢，為降水開始積累不穩定能量。24日03∶00前后6000m以上高空開始有大于20m/s西南急流的出現，說明有高空抽吸作用，促進了對流的發展，2h后降水開始。暴雨前低空急流不明顯，但整個暴雨過程中低空都有大于12m/s的西北急流的存在，為降水提供了水汽的輸送。該次天氣過程中，從風廓線資料中可以清楚地看到本地上空的水平風風場變化特征，低空首先出現暖平流，之后出現高空急流，促進了對流的發展，整個降水過程中都有低空急流的維持。

8月13日降水過程：降水發生前12h即12日10∶00前整層為暖濕的偏南氣流，10∶00開始西北方向的冷空氣從低空楔入，暖空氣被迫抬升，從10∶00的200m到23∶00抬升至3000m高度，增加了對流不穩定度。12日17∶00前后6000m高空開始出現24m/s的西南急流，由于高空急流的抽吸作用促成對流更進一步發展，使整層濕度條件較好，5h后即23∶00降水開始。降水開始前和過程中有大于12m/s的低空西北急流存在?？梢姳敬谓邓^程中同樣有高低空急流的存在，促進了對流的發展。

垂直速度：垂直速度能夠清晰地顯示出降水開始、結束時間，及雨強的大小變化。如5月24日06∶00開始大于4m/s的下沉速度到達地面，與降水開始時間一致;06∶00—08∶00最大值達6m/s以上，對應最大雨強最大時段;13∶00減小到4m/s以下，降水結束。

8月12日23時下沉速度大于4.0m/s并且到達地面時，對應降水開始時間;08∶00—09∶00下沉速度最大達到7.4m/s，對應著雨強最大時段;11時垂直速度減小為0m/s，對應著降水已經結束（見圖2），實況是12日23時開始下雨，08∶00—09∶00雨強最大達14.2m/s。

大氣結構折射率常數CN2：CN2能反映出本地上空整層大氣的濕度狀況，特別是較好地反映了降水開始和結束時間，同時也能反映出雨強大小。如5月23日24∶00整層開始CN2大于-140，降水已經開始;07∶00—08∶00達到最大值大于-120，對應著最大雨強時段;24日12∶00后雖然高空CN2仍然較大，但低層已明顯減小，降水隨之結束。

8月12日降水開始前低層CN2均小于-140，23∶00開始大于-140，并且數值越大降水強度越大，在降水時段08∶00—09∶00內CN2出現最大值，大于-120，對應著實際雨強最大時段;降水停止后CN2隨即減小到-140以下（見圖3）。

2.2?東南大風

烏市由于地形的狹管效應，當狹管南北兩端出現一定的壓差時，會出現東南風，壓差越大，風速也就越大，這也是春秋季烏市影響最嚴重的災害性天氣。東南大風出現時順著柴窩堡山谷到達烏拉泊、紅雁池一帶，由于是下坡，風速迅速加強，是東南大風的風口，即烏市城區持續東南大風時，紅雁池一定會有東南東風，紅雁池大風可以作為東南大風進入城區的指標站。

共同特點：城區出現東南大風時，紅雁池都有比城區大10m/s的東南大風，并且開始時間比城區早，結束時間比城區晚，因此紅雁池較大東南大風的出現對城區來說有警示作用。

2.2.1?實況

2017年4月16日東南東風：紅雁池在16日01∶00出現東南大風，2h后城區開始出現偏東南風，16日后半夜紅雁池、城區同時出現最大風速;城區偏東南風結束后2h，紅雁池于16日14∶00前東南大風結束;2018年3月30日—4月1日東南大風，城區東南大風持續時間長達28h，城區偏東南風開始時間比紅雁池東南大風晚1h，結束時間比紅雁池早2h，最大風速出現時段均在30日夜間。

2.2.2?風廓線資料

東南大風開始前，風廓線雷達探測高度較低，如兩次東南大風發生前最大探測高度都在4000m以下，并且整層CN2很小，即濕度條件非常差。當高空有冷空氣入侵時，探測高度升高，抑制了東南大風的持續，說明東南東風多發生在晴好天氣時，與事實一致，即東南大風的一般出現在高壓脊控制的晴好天氣時段。

由圖5可知，2017年4月15日城區東南大風開始前，整層為西北氣流，15日18∶00 1000m高度以下至地面開始出現偏東風，22∶00轉為東南風，實況是城區、紅雁池兩地同時在22∶00風向轉為東南風，可見風廓線資料能很好地反映出實際風速和風向。隨著東南風不斷向上擴展使厚度增加、風速迅速增大，實況是兩地的風速不斷加強，06∶00地面風廓線達到最大值20m/s以上，與兩地實際風速最大值時段一致。16日14∶00近地層有東北方向的冷空氣楔入，近地面的東南風轉為東北風，實況是14∶00前后城區東南風轉為東北風，2h后紅雁池東南東風結束。

由圖6可知，2018年3月30日15∶00前整層基本為西北風，15∶00后1000m高度以下開始出現偏東風，17∶00轉為東南風，并且向上向下傳遞、厚度增加、風速加大，由于沒有積雪，低層沒有逆溫動量很容易下傳到達地面。30日19∶00風廓線上的東南風達到地面，城區開始出現東南風。與風廓線雷達資料一致，兩地實際風速的最大值出現在夜間。風廓線資料中4月1日02∶00左右隨著地面東北方向的冷空氣的楔入，近地面轉為東北風，對應著城區的實際風向由東南風轉為東北風，2h后紅雁池也轉為東北風，東南大風徹底結束?？梢婏L廓線資料能很直觀地反映出城區、紅雁池實際風的方向和大小，對城區東南大風的預報有很強的指示意義。

2.3?大霧

2.3.1?兩次大霧天氣實況

2.3.2?兩次大霧天氣風廓線雷達特征

圖7的2017年2月16—17日風廓線資料中：16日 20∶00 1500m高度以開始出現東南風，隨著時間東南風厚度不斷加大、風速加強到20m/s以上并維持;17日02∶00 CN2明顯加大到-140以上即濕度條件較好，實況是02∶00前城區的霧開始逐漸加強;整個能見度小于100m大霧時段內，探測高度均在3000m以下，近地面有明顯的東北和東南風的垂直切變，即有較強的逆溫層存在，逆溫層上風速很大，積聚了很大的能量，而逆溫層下幾乎為靜風，不利于污染物的擴散;17日13∶00后東南風厚度、CN2值逐漸減小，大霧逐步減弱，15∶00前后東南風達到地面，大霧完全消散。

圖8的2018年2月24日風廓線資料中：23日22∶00 1500m高度以下開始出現東南風，厚度和風速都不斷加大，同時CN2值也不斷加大，由圖8可以看出，24日00∶00—15∶00時CN2值大于-140，即低層濕度逐步加大，利于霧的形成，并且CN2值最大時段與霧最濃時段一致;大霧出現時段內風廓線的探測高度在3000m以下，近地層也存在明顯的偏東風和東南風的垂直切變，即逆溫層的存在，逆溫層上風速很大，而逆溫層下風速很小;12∶00逆溫層上聚集較大能量的東南風沖破逆溫層到達地面，之后低層東南風、CN2值減小城區大霧開始減弱，直至大霧消散。可見東南風厚度、風速最大和濕度最大重合時段與霧最濃時段對應一致，當東南風、CN2減小時大霧逐漸消散。

3?結論

3.1?強降水天氣過程的風廓線資料特征

水平風探測高度較高，最高可達8000m左右，強降水過程開始前12h左右，低空都有冷暖空氣的交匯，暖空氣被迫抬升，大氣不穩定度增加，高空急流出現不久，降水開始。垂直速度大于4m/s到達地面是降水開始和結束的標志，且垂直速度越大降水強度越大。CN2也能較好地反應出降水開始和結束時間，當CN2的值大于-140到達地面時降水開始，當近地層CN2小于-140時，降水結束，CN2值越大降水強度越大，但CN2對降水開始和結束時間、雨強的反應能力比垂直速度略差。

3.2?東南大風天氣過程的風廓線雷達資料特征

東南大風開始前，風廓線雷達探測高度較低，一般在4000m高度以下，并且1000m高度左右或以下首先開始出現東南風，之后東南風不斷向上、下擴展、厚度增加，當風廓線中東南風到達地面時，城區也開始檢測到東南風的出現;隨著動量的下傳，能量不斷在近地層堆積，地面的風速逐漸加大;當風廓線中近地層出現東北風時，城區的東南東風結束;整個東南大風過程中本地上空CN2很小即濕度條件非常差。

3.3?大霧天氣時風廓線雷達資料特征

水平風的探測高度較低，均在3000m以下;形大霧之前低層都有東南風的出現，并向上或下擴展、厚度增加、風速加大的過程;近地層都有逆溫層的存在，逆溫層上風速較大有動量的堆積，逆溫層下風速很小或為靜風;出現大霧的時段，東南風厚度內濕度較大，通常CN2值大于-140;當東南大風沖破逆溫層到達地面或者地面風速加大出現明顯亂流時，大霧逐漸消散。

4?討論

由于近2年來城區夏季強降水、冬季大霧和東南大風出現的次數都比較少，加上風廓線雷達在2017年的部分時段沒有正常接收到資料，因此選取的個例也少，不能很好地總結出各類高影響天氣的一般規律，今后還需要分析更多的個例來支持本文的結論。

參考文獻

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