低對流層風廓線雷達產品在暴雨過程的分析應用

龔成龍 姜建萍 楊遠航

(三明市氣象局,福建 三明 365000)

風廓線雷達是一種新型高空大氣活動探測設備，它能對大氣中垂直分布的水平風廓線、大氣湍流等大氣物理現(xiàn)象進行高時空、分辨率持續(xù)探測，生成功率譜線、信噪比、大氣水平風向風速、垂直速度、大氣折射率結構常數等產品。這些產品在數值預報、大氣活動觀測、中小尺度預報、以及氣象災害服務等領域均有廣泛的應用價值。風廓線雷達資料在三明市的短時臨近預報中已有運用，且具有較好的指導作用[1]。

吳蕾等[2]對風廓線雷達低空風切變指數、高低空急流指數和溫度平流三種產品算法進行了研究,并將其用于兩次強降水過程的監(jiān)測預警研究。通過分析強降水發(fā)生前后風廓線雷達二次產品的變化，發(fā)現(xiàn)風廓線雷達資料對暴雨強降水具有很好的監(jiān)測預警作用。齊佳慧等[3]將風廓線雷達和L波段探空雷達的測風資料進行對比，并研究討論了風廓線雷達資料的準確性和可用性，將2016 年5月—2017年4 月張家口的風廓線雷達與L 波段探空雷達測風資料進行對比分析，發(fā)現(xiàn)風廓線雷達測風數據與L波段探空雷達測風數據成正相關性。汪學淵等[4]對移動風廓線雷達與 L 波段探空雷達資料進行對比統(tǒng)計分析，指出風廓線雷達在設計探測高度的有效數據獲取率高達90%，高度上升后，有效數據獲取率持續(xù)下降。風廓線的徑向速度平均差和標準差隨高度的增加而增加，風廓線雷達自身數據的準確性良好，但是降雨對數據有較大影響，其中的影響因子需要進一步研究。

本文選取的5月16～19日三明市特大暴雨天氣過程，全市受中尺度輻合切變影響，15日午后到19日上午普降暴雨到大暴雨，局部出現(xiàn)特大暴雨。過程雨量方面，全市共有12個縣(市、區(qū))的254個雨量站超過100mm。據統(tǒng)計，截至19日22時，全市共有12個縣(市、區(qū))125個鄉(xiāng)鎮(zhèn)86053人受災，全市直接經濟總損失約13.31億元。

1 風廓線雷達的主要性能和資料

低對流層風廓線雷達型號為CFL-06，制造商為航天部23所。主要性能參數見表1[5]。

表1 CFL-06型低對流層風廓線雷達性能參數

晴空大氣與大氣湍流是CFL-06型低對流層風廓線雷達的主要探測對象，由于大氣中不均勻分布的折射率產生不同的散射，湍流的動向會引起電磁波折射率大幅變化，這被稱為湍流散射。雷達通過接收大氣湍流塊散射回來的多普勒頻移信號，經過計算得到相對于雷達的徑向速度[2]。通過5個不同角度的多射向測速，將一定的條件下不同回波信號所在高度上的風速、風向、垂直速度進行處理，形成最終的大氣風廓線產品。探測原理如圖1所示。

圖1 風廓線雷達探測原理

2 天氣過程資料選取

本次暴雨過程從5月15日10時開始三明市出現(xiàn)分散對流回波，降水強度小、持續(xù)時間短，15日21時開始，建寧、泰寧、將樂出現(xiàn)短時強降水，雨帶成東西向，21時開始為本次強降水過程的征兆；16日02時開始，強降水帶南壓至三明中部，雨帶成西北東南向，強雨帶在三明中部持續(xù)12個小時。16日14時，強降水雨帶開始南壓至三明西部、南部，17時強降雨帶開始北抬，16日20時，強降雨帶在三明西南部持續(xù)發(fā)展。5月16日-5月19日，全市大氣監(jiān)測站的數據中，將樂大監(jiān)站總雨量排在第三位。根據分布在將樂縣各區(qū)域的氣象自動雨量站的監(jiān)測數據，將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村雨量站降水達135mm/h(如圖2)，將樂大源鄉(xiāng)站降水達到54.8mm/h，將樂萬安站達到87mm/3h。本次選取2019年5月15日至5月18日暴雨過程中，將樂低對流層風廓線雷達產品總數4812個，150m至10110m探測高度中，一共掃描59層。

圖2 5月15～18日將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村雨量站雨量

3 獲取率分析

風廓線雷達的數據獲取率是風廓線雷達探測能力的一項重要指數，它可以直接呈現(xiàn)風廓線雷達在運行過程中獲取具有觀測價值的有效數據的能力。有效數據獲取率(Available Data Rate，ADR)定義為實際獲取的有效數據量與應獲得的數據總量之比[7]，公式如下：

在設備實際運行中，風廓線雷達的有效數據產品在不同高度上的獲取率會因各種環(huán)境的原因而不同。我們在分析有效數據獲取率時，將有效數據獲取率和獲取高度作為坐標軸，便得出一條不同高度的有效數據獲取率曲線(如圖3)。對這次暴雨過程中降水量最大的時間段(5月16日00時至5月17日00時)的數據計算，當前24小時一共產生了2406個產品，統(tǒng)計每一層的有效數據，畫出圖3。從圖3可以看出，將樂縣風廓線雷達在1000m以下獲取率接近100%，從1000m-5000m以下的數據獲取率都在100%，5000m以上開始下降，并在6000m左右開始趨于50%。將樂風廓線雷達的最佳探測高度為6～8km，暴雨給探測環(huán)境創(chuàng)造了較大的風速和降水過程中空氣的高濕度，這些條件讓風廓線雷達在1000～5000m的識別功率譜譜峰能力加強，但是因高層氣流相對復雜，積雨云較多，影響了探測效率。

圖3 5月16日將樂縣風廓線產品獲取率變化曲線

4 風切變分析

風切變通常是指空間中兩個相鄰觀察點之間的風向和風速突然變化[8]。在大雨期間，垂直風切變的產生有利于分層不穩(wěn)定性的發(fā)展，從而導致強對流降水。垂直風切變的精確計算包含風向和風速的影響，D為上下風向之差。垂直風切變的精確計算包括風向和風速的影響。計算公式如下：

4.1 風廓線雷達水平風的垂直風切變

15日21時開始，強降水雨帶南壓進入將樂，從將樂風廓線雷達顯示如圖4，在21時出現(xiàn)降水前，4km-5km高度處出現(xiàn)較強水平風的垂直風切變，并向低層傳播，降水時高、低層都出現(xiàn)強垂直風切變。16日17時，雨帶再次北抬，從將樂風廓線雷達的產品上看(見圖4)，17時出現(xiàn)降水之前，4km左右高度出現(xiàn)9m/s的水平風的垂直切變，并在未來幾個小時持續(xù)往低層傳播。18日早晨開始降水之前，高低層均出現(xiàn)10m/s的水平風垂直切變。從水平風的垂直風切變風速差強度分析，15日21時開始的過程強度最強，高度也最高。16日17時左右，切變強度其次，符合圖2降水量的分布。由此可見，在降水前幾個小時內，高空4～5km處將會出現(xiàn)較強水平風的垂直風切變，并向低層傳播，而降水時，高、低層均會出現(xiàn)強垂直風切變。

圖4 5月15～16日將樂縣風廓線雷達水平風垂直風切變(圖中為世界時)

4.2 將樂縣風廓線雷達垂直風脈動與水平風脈動

降水期間水平風和垂直風出現(xiàn)明顯的風脈動，并且保持了較高的一致性，15日夜間雨強較大(將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村山洪雨量站小時降水達到135mm/h，距測站14km)，水平風脈動與垂直風脈動出現(xiàn)了明顯的波動；16日白天雨強較小(≤20mm/h)，風脈動出現(xiàn)的最大高度，前時段高于后時段，其中15日夜間的風脈動出現(xiàn)的最大高度強度都高于其他時間段，16日17時左右與18日早晨其次。這說明降水云系有所下沉。

4.3 低空急流指數

急流是指一股強而窄的準水平氣流帶，按高度不同劃分為高空急流和低空急流[9]，由于風廓線雷達探測范圍的影響，本次引入低空急流指數作為研究的目標。低空急流指數在過去的研究中常被應用在一段暴雨的過程中，反映低空急流強度的定量標準，并通過本指數對暴雨過程的關聯(lián)性進行比較。其公式可以表示為：

式中，V代表了高度2km以下對流層急流中心最大風速(單位:m·s-1),孫俊等人[10]指出，V最大值為12m·s-1;D代表了風速12m·s-1出現(xiàn)時所處在的最低高度(單位:km)。

本文選取5月15日09時至5月 17 日05時的風廓線雷達的基本數據，并通過公式進行反演，如圖5所示，從該時間段內暴雨過程的低空急流指數的變化及相應的逐時降水量(圖2)可見，三次過程的強降水前(15 日 21時左右，16 日 7時，16日16時)，I值都迅速增大(圖5)。15日19時至20時，將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村山洪雨量站最大降水量達到135mm，對應的指數從20時左右迅速增加，在 2h內峰值達到160。強降水開始后，I值迅速減小，后續(xù)21時至22時開始持續(xù)降水，降水量為63.5mm，1h內峰值達到80。從圖5可見，22時之前，I值又有一次迅速增大的過程，增幅為25左右，但對應時間的降水量相對較小。16日降水較少，00時至01時，1h將樂高唐鎮(zhèn)鄧坊村山洪雨量站降水量為11mm，相應地，I值從01時左右開始有一個持續(xù)上升的過程。I值在08時、15時、17日02時左右均有一個小范圍的脈動，均對應了后續(xù)一個小幅度的降水。

圖5 5月15～16日將樂縣風廓線雷達低空急流指數(圖中為北京時間)

我們將I值與降水量數據做回歸分析，得出Multiple R值約等于0.09，成正相關性，說明本次降水過程主要由低空急流影響。

在由低空急流主導的過程中，低空急流指數I值快速的增幅都對應較強的降水，較強降水之后低空急流指數可能會持續(xù)一段時間后下降，當低空急流指數連續(xù)脈動且幅度較小時，后續(xù)有可能產生較低程度的降水。但指數I大小很難區(qū)別出降水量的差異，還需要其他層次、其他條件的配合。可見低空急流指數需要根據實際情況與其他大氣指數、氣象產品配合，才能對降水過程作準確的預測分析。

5 探測高度

圖6是5月15日至5月17日降水過程中將樂縣風廓線雷達探測高度變化曲線。5月15日13∶00，探測高度升至10.1km，這可能是地面降水前高空有水汽到達[11]，3小時以后突然下降到8.0km趨于穩(wěn)定，16時下降至6.75km,這可能是大暴雨前氣流脈動過大帶來其他因素的干擾，導致探測高度有所降低。從18∶00開始，最大探測高度上升至10.1km，對應了18時左右開始的降水過程，地面降水期間探測高度基本維持在8.5km以上，并持續(xù)穩(wěn)定達到10.1km；16日02時開始，降水過程趨于平緩，降水量很少，但是空氣中的水汽濃度依舊很高，在這個時間區(qū)域內，探測高度基本維持在8km以上，在持續(xù)無降水的幾個時間段內(如16日20時至17日04時)，探測高度甚至低至8km以下，04時左右探測高度降到7.5km，之后對應了06時左右開始的新一輪降水，之后的5小時內，附近的雨量自動監(jiān)測站臺上村降水量達到37.2mm,而17日04時的探測高度還是高于15日16時的高度，也對應了兩個時間段后續(xù)降水強度的差別。

圖6 5月15～16日將樂縣風廓線雷達探測高度(圖中為北京時間)

6 結論

本次選取2019年5月16～19日三明市特大暴雨天氣過程中將樂縣低對流層風廓線雷達資料和每小時的雨量資料。通過反演風廓線雷達產品數據，對本次天氣過程的風廓線雷達數據特征進行分析，得到以下結論。

①將樂縣風廓線雷達的最佳探測高度為6～8km，暴雨給探測環(huán)境帶來了較大的風速和降水過程中空氣的高濕度，這些條件讓風廓線雷達在1000～5000m的識別功率譜譜峰能力加強，有效數據的獲取率趨近于100%，但是因高層氣流相對復雜，積雨云較多，影響了探測效率，5000m以上高度有效數據獲取率逐步降低，趨近于50%。

②通過反演風廓線雷達的基本數據發(fā)現(xiàn)，在強降水天氣來臨前的幾個小時內，高空4～5km處將會出現(xiàn)較強水平風的垂直風切變，隨著時間推移，切變由高層快速向下傳遞，且不斷加強，導致更大的風速源源不斷向下傳遞，低空急流指數不斷增高，從而使得上下層垂直風切變增大，為強降水產生提供了很好的動力條件，當伴隨有西南暖濕氣流輸送的水汽條件時，強降水過程開始。而降水時，高、低層均會出現(xiàn)強垂直風切變，強降水前1～2小時，水平風脈動與垂直風脈動也出現(xiàn)了明顯的波動。

③低空急流指數(I值)的變化與暴雨強降水過程有緊密聯(lián)系，在每次強降水發(fā)生前1～2小時，低空急流指數都會突然升高，強降水發(fā)生后，低空急流指數減小。將樂縣15日夜間降水強度高于16日白天，對應低空急流指數增幅也是前者大于后者，說明低空急流指數的大小與降水強度有一定聯(lián)系，但需參考其他監(jiān)測數據配合。

④降水過程中探測高度會增高，原因是暴雨強降水過程到來時，高度較高的大氣中的水分子增多，使多普勒效應中的折射率結構常數增大，從而直接使探測高度增加。還有一個因素是，由于大氣中的水分子增加，大氣中溫度較低，出現(xiàn)結晶水等固態(tài)的粒子，當這些粒子的密集度與顆粒大小聚集至一定程度時，就會變成能產生雷達回波的粒子散射信號。

綜上，低對流層風廓線雷達數據與降水資料出現(xiàn)的極值從時間和空間上都有較好的對應關系，且在整個降水過程探測中保持連續(xù)性、高密度的特點，在汛期暴雨強降水過程的預警監(jiān)測中能夠得到有效的應用。