一次雷暴大風過程的風廓線雷達特征分析

蔡藝友 王秋云 林 輝 許軍輝

(1.平和縣氣象局，福建 漳州 363700；2.南靖縣氣象局，福建 漳州 363600；3.漳州市氣象局，福建 漳州 363000)

1 概述

風廓線雷達利用多普勒效應可以對測站上空的風場信息進行高時空分辨率的連續探測，可彌補常規探空時空分辨率的不足，在強降水、冰雹、雷雨大風等強對流天氣的短時臨近預報業務中的應用越來越受到重視[1-3]。劉淑媛等[4]研究發現，風廓線雷達資料可以清楚地顯示出邊界層和西南季風中與強降水相關的中尺度系統；王燁芳等[5]指出，風廓線雷達可以實時探測大氣風參數和大氣湍流變化等傳統有球探測無法實現的工作；鄒捍等[6]通過在珠峰北坡絨布河谷的風廓線儀觀測分析了局地大氣環流的特征；林中慶等[7]通過分析發現風廓線雷達產品能清楚的探測到低空急流、風的垂直切變以及反映降水情況。國內外許多學者應用風廓線雷達資料對災害性天氣的風場結構和演變情況等進行研究，認為風廓線雷達可有效提高中小尺度天氣系統的監測能力，能提高天氣預報、特別是短時臨近預報的準確率，在定位天氣系統、訂正數值預報、判斷系統移動方向、了解天氣系統結構，以及氣象要素變化強弱等方面，有重要的作用[8-10]。

福建省已布設多部風廓線雷達，平和風廓線雷達位于福建省南部，探空站的空白區域，風廓線雷達資料可以較好地補充顯示天氣系統連續、翔實的變化過程。本文利用福建省平和站CFL-06 對流層風廓線雷達，對2019年4月30日發生在平和縣的雷暴大風天氣過程進行分析，初步探討風廓線雷達產品對雷暴大風的指示性作用，探索風廓線產品在強對流天氣監測預警過程中的應用。

2 雷暴大風過程天氣特征

2019年4月30日，漳州市平和縣出現了雷暴大風天氣，此次強對流過程是一次低層切變東移南壓造成的，平和國家氣象觀測站觀測到23.9m/s的極大風速。4月30日08時(北京時)，700hPa、850hPa切變南壓到長江以南，地面配合有冷高壓。30日08時的廈門探空結果表明，大氣層結呈現上干下濕的狀態，K指數達36℃，訂正后的CAPE值達1279J/kg，體現了大氣較不穩定。

隨著地面溫度的升高，大氣不穩定程度不斷增加，從龍巖S波段天氣雷達圖看(圖1)，回波自西南向東北移動，14時進入平和縣九峰鎮，國強鄉(0.2mm)、坂仔鎮(2.5mm)、五村村(0.5mm)以及五寨鄉(0.1mm)在該時次內均開始出現降水，但尚未觀測到大風。從衛星云圖(圖2)可以看到，16時前后，強對流云團東移至平和縣的中西部鄉鎮。

圖1 4月30日16時21分雷達回波圖

圖2 4月30日16時紅外云圖(FY4A)

16∶30，強回波位于平和縣境內，強中心位于山格鎮—五寨鄉一帶，其中心強度加強到60dBZ以上，45dBZ回波高度達6km,回波頂高度16km,對流發展強烈，該時次安厚鎮降水38.7mm、華美村29.6mm、南勝鎮23.9mm、崎嶺鄉20.3mm。16∶26，龍巖雷達速度圖上平和本站附近出現逆風區，平和縣多個自動站觀測到大風，其中平和國家氣象觀測站極大風速達23.9m/s。17∶30，強回波東移過境，19時降水回波的后界基本移出平和縣，結束此次雷暴大風過程。

由此可見，強回波影響平和縣城的主要時段在15∶30～17∶30。下面從風廓線雷達的水平風場和垂直速度，分析平和風廓線雷達在雷暴大風天氣預報中的反應。

3 水平風場資料的應用

顧映欣等[11]研究發現，風廓線時間—高度剖面圖上風速極大值的位置和大小，能夠決定本站上空高、低空急流的高度和強度，且以其時間變化確定演變的趨勢。平和風廓線雷達是對流層雷達，能夠探測到的垂直高度約達6000～8000m。從平和風廓線雷達探測到的2019年4月30日逐半小時水平風場(選取12∶00～23∶30的圖像，見圖4)可見，水平風速從9∶00開始(圖略)，在1500m高度以上開始出現大于12m/s的強風，最強風速在3000m達到24m/s以上，且風向以西南風為主；根據楊引明等人[10]研究，在風廓線雷達的探測范圍內(3000m以下)，持續超過1h探測到12m/s以上的強南或西南風速，則認為存在低空急流；該低空西南急流的建立和維持為強對流天氣的發生發展提供了有利條件。12:00～14:30的1500m以下平和上空為偏南—西南風，1500m以上逐漸轉為西南—偏西風，風隨高度順轉，根據熱成風關系可知，低層有暖平流輸送，有利于增溫增濕增大不穩定性。3000～4000m左右高度出現20m/s以上的西南—偏西大風核，同時近地面以弱偏南風為主，垂直風切變較大，有利于增強中層干空氣的吸入，增強對流的發展。14∶00～15∶00平和上空以西南風為主的低空急流向下擴展并出現風速大小的明顯變化，近地層風向由西南風轉為偏西風再轉為西北風，表明本站上空存在有利于對流發展的中小尺度系統，縣城周邊開始出現降水，能夠看出急流軸上因風速變化造成的輻合以及近地層風向的切變對降水有明顯的作用。15∶30～17∶00西南急流迅速脈動，這段時間內出現了大風，與劉淑媛等[4]“每次強烈天氣的發生都會有西南急流的迅速脈動加強和向下擴展”的研究結論一致；這支低空西南急流維持到19∶00前后減弱，同時19∶00前后底層(850hPa以下)也轉為偏西—偏北風，表明天氣系統基本過境，跟實況觀測到的一致，也說明了風廓線雷達對水平風場的垂直結構具備較強的探測能力，能較好地反映空急流的建立和維持情況，探測低空急流能夠為提前預報強對流天氣提供依據。

圖4 12時00分～23時30分平和風廓線雷達逐半小時水平風向、風速時間—高度分布

4 垂直風資料的應用

從圖5可見，在15∶00之前，垂直速度的值還比較小，且隨高度變化不大，但是在15∶00后，垂直速度有明顯變化，在3500m左右高度，垂直速度迅速增大到3.3m/s以上，且較強的垂直速度有所向低層延伸，并一直保持著大于3m/s的強度；15∶30前后，垂直速度形成了一個大值區，在一定程度上可以反映大氣在垂直方向上的不穩定特征。16∶23，平和本站開始觀測到降水、16∶24本站觀測到大風，在17時的一小時降水不強，降水量僅為3.9mm，與弱降水雷暴大風天氣過程的特點相符合。在一定程度上與風廓線雷達探測到的垂直速度隨高度的波動以及波動發展的高度，可以反映大氣垂直熱交換的程度，能夠作為判斷對流發展強度的一個重要指標[10]的結論吻合。

圖5 14∶24-16∶42平和風廓線雷達逐6分鐘垂直速度的時間—高度分布

楊引明等[10]研究發現，在降水情況下，風廓線雷達探測到向下的垂直速度越大，則降水強度越強，這種對應關系是由于降水時降水粒子的下落速度造成,也反映了降水粒子的密度。平和風廓線雷達探測到的垂直速度是以向下(朝向風廓線雷達)為正，從2019年4月30日垂直速度圖像中(選取14∶24～16∶42時段)可以看到，15∶00～16∶30在3500m左右的垂直速度較大，但是低層的垂直速度均較小，平和國家氣象觀測站當天觀測到的降水(如圖3)也較弱。風廓線雷達的垂直速度一定程度上可以反映測站降水的臨近情況，且能夠提前30分鐘以上對降水有所反應，對降水的臨近預報有一定的指示作用。

圖3 2019年4月30日15時30分～17時30分平和逐5分鐘自動站資料

5 結論

在本次過程中，平和縣普遍出現6～8級的雷暴大風天氣，本站極大風速達到9級，平和風廓線雷達在此過程中的反應較為理想。

平和風廓線雷達對水平風場的垂直結構具備較強的探測能力，水平風場能較好地反映低空急流的建立和維持情況，低空西南急流的建立和維持為強對流天氣的發生發展提供了有利條件。業務中可通過監測低空急流的建立和演變，對強對流天氣的發生發展做出預報。

風廓線雷達的垂直速度可以反映大氣垂直不穩定程度，能較好反映測站降水的臨近情況，對降水的臨近預報有較好的指示作用。