風廓線雷達資料在一次大暴雨過程分析中的應用

吳彩霞 湯建國 彭小燕

摘 要：利用風廓線雷達資料、常規氣象資料、自動站和NCEP/FNL（1°Ⅹ1°）再分析資料對2017年6月10日的一次大暴雨過程進行分析，結果表明：（1）低層風暴相對螺旋度（SRH）的變化對降水系統的臨近和降水的開始具有一定的預示作用，降水每次開始前低層風暴相對螺旋度（SRH）均會有所上升。（2）大暴雨過程中雨強最大時期中低層最大風速高度差距減小，存在中低層急流軸變窄的過程。低層最大風速高度降低比中層最大風速高度降低提前0.5～1h。（3）降水開始前，低空急流基本從1km以下開始;低空急流的建立和發展，使得上下層垂直風切變增大，正渦度環流加強，為強降水的產生提供了很好的動力條件。

關鍵詞：風廓線雷達;大暴雨;風暴相對螺旋度

Abstract：A heavy rainstorm on June 10，2017 was analyzed by using wind profiler data，routine meteorological data，automatic weather stations and NCEP/FNL（1°x1°）reanalysis data. The results showed that：（1）The variation of the relative helicity（SRH）of low-level storms can predict the approach of precipitation system and the beginning of precipitation. The relative helicity（SRH）of low-level storms increases before each precipitation start.（2）There is a narrowing process of the jet axis in the middle and lower layers during the maximum rainfall intensity period. The decrease of the maximum wind speed height in the lower level is about half an hour to one hour earlier than the decrease of the maximum wind speed height in the middle level.（3）Before the precipitation，the low level jet stream starts from less than 1km. With the establishment and development of low-level jet，the Vertical Wind Shear of upper and lower layers increases，and the positive vorticity circulation strengthens.

Key words：Wind profiler;Heavy rainstorm;Relative helicity of storm

風廓線雷達作為1種新型的觀測設備，是世界氣象組織認可的一種地基遙感設備，分為邊界層風廓線雷達、對流層風廓線雷達等。與其他常規大氣探測設備相比，具有連續無人值守、可全天候監測大氣風場的優點。近10年來，風廓線雷達在業務上得到了廣泛應用。劉淑嬡等[1]通過對照分析風廓線雷達資料和降水實況資料，發現降水強度及出現時間與低空急流之間存在密切的關系。張京英等[2]利用風廓線資料和每小時的雨量資料，對比分析發現：高、低空急流及其向下的脈動與降水強度的增強有著緊密的聯系，暴雨的產生主要由低空急流的下傳和加強引起。古紅萍等[3]利用風廓線資料對北京2005年8月3日1次強降水天氣過程進行了分析，發現高空槽和弱冷空氣共同誘發的切變線低渦是產生此次暴雨天氣的主要中尺度系統。何平等[4]分析了2006年8月25—26日北京延慶WPR探測降水個例，發現降水前高空出現持續時間長達10h以上的水平風垂直切變，降水期間及前后水平風探測高度明顯增高2km以上，隨地面降水臨近，下降速度所處高度逐漸降低。周芯玉等[5]利用風廓線雷達資料，對廣州2次暴雨過程的低空流場進行了分析，認為動量下傳為暴雨的發生提供了好的動力條件，同時低空急流指數的脈動與強降水的發生有密切關系。本研究利用南通的邊界層風廓線雷達，對2017年6月10日的一次大暴雨過程進行分析，探究降水發生、發展和消亡期間風廓線雷達的變化特征，為暴雨預報積累經驗。

1 天氣實況與資料選取

2017年6月10日在江蘇省南通地區出現了1次大暴雨過程，這次過程由地面氣旋引起，降水過程自西向東移動，降水時間超過18h，降水量達到111.4mm，以持續性降水為主，期間包含強降水，其中10日10：30—11：00半小時最大降水量為16.7mm。由于降水量大，造成部分農田被淹，道路積水。

所用邊界層風廓線雷達為GLC-11型固定式邊界層風廓線雷達，采用高、中、低3種工作模式，時間分辨率為6min，3種工作模式最低觀測高度均為100m，高度分辨率分別為60、120、240m，有效探測范圍為3km。由于風廓線的探測原理要求被測風場各項同性，即在每個采樣高度及其所在范圍的平面內，風向、風速應相同，而在實測大氣尤其是強降水天氣情況下很難做到，因此單一時次的實測資料可能會缺乏足夠的代表性，本研究采用多時次平均的方法，取前后30min的平均值代替單一時次資料。

2 天氣形勢分析

2017年6月9日20時500hPa上空為兩槽一脊，貝湖以西和東北地區各有一深槽，在河套東部有暖切，700hPa在青藏高原東部有一低渦，從青藏高原東側經四川中部、漢水流域伸向江淮流域有一明顯的暖式切變線，切變線北側為東北和東南氣流，切變線南側為西南氣流。華東南部和華南有西伸的副高，700hPa位于副高西北側，有急流。暖濕氣流的輸送使切變線南側具有準飽和性，850hPa在貝湖以南和東北各有一高空槽，南通處于副高邊緣西北側，長江以北有一氣旋環流，并有一暖式切變線（圖略）。10日08時500hPa由于東北低渦深厚，穩定少動，貝湖以西深槽移動緩慢，并且發展加深，700hPa氣旋移到了江淮流域，中心位于安徽北部（圖1a）。朝鮮半島和日本海之間深槽少動，850hPa長江北側氣旋發展，該市位于氣旋東伸的切變線附近，副高西北側（圖略），地面位于江淮氣旋的東側（圖1b）。10日20時500hPa轉為槽后西北氣流，700hPa該市處于氣旋環流附近，850hPa為閉合氣旋環流，地面位于氣旋后部（圖略）。11日隨著高低空轉為西北氣流，地面氣旋東移入海，降水逐漸停止。

3 風廓線雷達資料與暴雨的關系

風廓線雷達可以獲得水平風資料、垂直速度和信噪比資料、溫度資料等。其中，水平風資料可以反映出邊界層內低空急流的強度和垂直分布，與夏季強對流天氣的發生密切相關。

本研究通過利用風廓線雷達的高時空分辨風場數據，計算了中層和低層2個層次風暴相對螺旋度（SRH）、最大風速及其高度等定量指標。由于風廓線探測得到的垂直速度是探測的降水粒子與大氣運動的合成，為了嚴謹起見本文未對此進行分析。

3.1 風暴相對螺旋度（SRH）定義 螺旋度是表征流體邊旋轉邊沿旋轉方向運動的動力特性的物理量，定義水平方向上的螺旋度為風暴相對螺旋度（Storm Relative Helicity），即水平相對速度和水平渦度的積：

SRH反映了一定氣層厚度內環境風場的旋轉程度和輸入到對流體內環境渦度的多少，其量值反映了對流風暴低層入流運動方向旋轉的強弱，是研究風暴的重要物理量，在風暴初期SRH比垂直螺旋度更具預示性。中低層大的SRH的輸送和變形，有助于垂直螺旋度的形成和增長，SRH的大值區與風暴的運動、風暴的發展增強有很好的相關性[6-10]。

從圖2可以看到6：00前，該市上空沒有降水，中低層SRH呈下降趨勢，4：00前中低層SRH均下降到0線附近，并繼續下降。6：30降水開始后，中低層SRH小于0，并于07：30達到了-50.45m2·s-2，之后逐漸回升，降水增大，此時地面氣旋逐漸靠近該市。表明發展氣旋逐漸靠近時，低層和中層的暖平流越來越強，10：00中層SRH達到雨強最大前的高點，然后迅速下降。低層SRH達到高點比中層晚0.5h左右。11：00后雨勢有所減弱，中低層SRH略有反復，但總體在0線以下，并且低層SRH比中層SRH大。隨著地面氣旋臨近，中層SRH一直呈下降趨勢，并于15：30達到了負的最大值-70.52m2·s-2，16：30低層SRH達到了負的最大值-24.80m2·s-2。而后2層SRH均迅速上升。18：00中層達到了最大值82.15m2·s-2，低層33.42m2·s-2。隨著氣旋遠離，該市2層SRH均為下降趨勢。曹春燕等[11]研究得出從環境場流入氣旋系統的環境水平渦度越來越多，通過上升運動將進入系統的低層水平渦度轉化為垂直渦度的越來越多，有利于垂直運動的維持，有利于氣旋環流發展。低層SRH的變化對氣旋降水系統的臨近和降水的開始具有一定的預示作用。通過分析得出，大暴雨中低層SRH峰值和雨強變化有密切聯系。較強的雨強都出現在中層SRH峰值之間和低層SRH迅速增大的過程，降水過程低層SRH作用大于中層SRH。

3.2 急流的變化特征 低空急流對于暴雨的形成，一方面起著輸送水汽和能量的作用，另一方面又有助于維持必要的動力學條件。劉淑媛、孫淑清、張京英、曹春燕、金巍等[12]分別分析了低空急流脈動與暴雨過程關系，指出低空急流的脈動及向地面擴展程度與暴雨之間存在密切關系。低空急流到達測站上空不一定立刻引發強降水，但每次強降水或強烈天氣的發生都對應1次西南急流的迅速脈動加強和向下擴展。因此計算了中低層最大風速的高度，以此來對比各層急流的變化。

此次降水開始前，低層和中層最大風速一直呈下降趨勢，6：00降水開始后低層風速和中層風速逐漸增大，雨勢增大后中層最大風速迅速降低，低層最大風速也開始下降，降水集中時段，低層最大風速和中層最大風速變化趨勢基本保持一致，而且中層最大風速總體低于低層最大風速值。17：00氣旋逐漸遠離該市后，中層最大風速快速上升，而低層最大風速變化平穩。中層最大風速一直高于低層最大風速。

從圖3可以看出，各層最大風速的高度來看，降水前中層最大風速高度先降后升，一直維持在2980m附近;開始降水后，中層最大風速高度也基本維持在較高位置;0.5h雨強最大后，中層最大風速迅速降低12：30達到了最小值;之后，中層最大風速高度回升，并一直維持在2980m。而低層最大風速高度在降水前一直下降，降水開始后略有起伏，但幅度較小。降水停止后低層最大風速高度也一直維持在較低位置。

3.3 暴雨期間風廓線雷達風場特征 從圖4看出，降水開始前，3km以下低層主要以偏南風為主，5：400～1km為西南風，1km附近風向轉東南風，風隨高度逆轉，說明近地面層有弱冷平流存在。1.5km又轉為西南風，風向隨高度順轉，中低層有暖平流。6：00時2～3km轉為西北氣流，但風速較小，2km處仍以西南風為主，上下層有明顯的風切變，但切變較弱。之后，該市降水開始。此次降水時間較長，30min最大降水量為16.7mm，其他時段均在10mm以下。大于12m.s-1強風速區只出現在2.5～3km，并且出現的時間較短，因此沒有發現低層有強風速區。10：40高空西北氣流下傳到3km以下，2～3km轉為偏北氣流，而2km以下為東到東南風，存在明顯風切變，10：30—11：00該市出現16.7mm/30min的降水量。此后隨著冷空氣的繼續向下層滲透，本市仍有降水但強度減弱。

通過分析風廓線的時間-高度序列可知，風切變觸發強降水發生前，動量常會由高空迅速下傳，導致強風速區不斷下傳從而引起低空急流的建立和發展，最低高度可達1km左右。低空急流的建立和發展，使得上下層垂直風切變增大，正渦度環流加強，為強降水的產生提供了很好的動力條件。

4 結論

（1）低層風暴相對螺旋度SRH的變化對氣旋降水系統的臨近和降水的開始具有一定的預示作用，降水每次開始前低層SRH均會有所上升。

（2）暴雨過程中雨強最大時期中低層最大風速高度差距減小，存在中低層急流軸變窄的過程。低層最大風速高度降低比中層最大風速高度降低提前0.5～1h。

（3）降水開始前低空急流基本從1km以下開始，由于低空急流的下傳和增強，導致了風場垂直切變的增強。由風廓線時序圖能看到風切變觸發強降水發生前，動量會由高空迅速下傳，強風速區不斷下傳，從而引起低空急流的建立和發展，最低高度可達1km左右。低空急流的建立和發展，使得上下層垂直風切變增大，正渦度環流加強，為強降水的產生提供了很好的動力條件。

（4）風廓線雷達能探測到局地風場的細微變化，這些局地特征并不能在客觀分析場中得以很好的表現。

參考文獻

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