風廓線雷達資料在強降水過程中的特征及應用

摘" 要：該文通過對比分析南寧機場2次降雨過程的邊界層風廓線雷達探測數據，研究強降水天氣過程風廓線雷達水平風場、垂直速度、最大探測高度與降雨強度之間的相關性。結果表明，低空急流、高空急流的耦合發展有利于降水強度的增強，低空急流向下擴展的程度與降水強度之間呈正相關；強降水開始前，風廓線雷達最大探測高度會出現突增，其增大的程度與降水強度呈正相關；垂直速度的變化與降水的開始時間、結束時間、雨強變化相對應，降水強度與下沉氣流強度呈正相關，與最大下沉速度所在高度呈負相關。

關鍵詞：風廓線雷達；強降水；急流；最大探測高度；垂直速度

中圖分類號：P413" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0110-04

Abstract： In this paper， the correlation between the horizontal wind field， vertical velocity， maximum detection height of the wind profilerand the rainfall intensity in the process of heavy precipitation is studied by comparing and analyzing the detection data of boundary layer wind profile radar during two rainfall processes in Nanning Airport. The results show that the coupling development of upper-level jet stream and low-level jet stream is conducive to the enhancement of precipitation intensity， and the degree of downward expansion of low-level jet stream is positively correlated with precipitation intensity. Before the onset of heavy precipitation， the maximum detection height of a wind profile radar will sharply increase， and the degree of increase is positively correlated with the intensity of the precipitation. The change of vertical velocity corresponds to the change of precipitation beginning time， end time and rain intensity. The precipitation intensity is positively correlated with the downdraft intensity and negatively correlated with the height of the maximum downdraft velocity.

Keywords： wind profile radar; heavy precipitation; jet stream; maximum detection height; vertical velocity

風廓線雷達主要利用大氣湍流對電磁波的散射作用對大氣風場等物理量進行探測，與常規探測手段相比，風廓線雷達的觀測資料具有時空分辨率高和精度高的特點；利用風廓線雷達對單點上方的大氣進行連續的觀測，有利于監視和研究中、小尺度天氣系統的變化過程。劉淑媛等[1-2]利用水平風廓線雷達分析了風切變、冷暖平流、高空急流、低空急流和地面風場輻合等特征；古紅萍等[3]利用風廓線雷達資料分析北京一次強降水天氣過程發現強降水與低空急流、地面風場的輻合聯系密切；董保舉等[4]利用風廓線雷達資料分析大理市一次暴雨過程發現高空氣流的向下脈動與降水強度的增強有緊密聯系。周志敏等[5]通過分析一次冰雹過程發現風廓線雷達探測的垂直速度的大小及厚度與對流的強弱存在聯系。

本文利用南寧機場風廓線雷達探測資料，對比分析2022年5月12—13日2次不同強度降雨過程中風廓線雷達水平風向風速、垂直速度的變化特征，探究它們和降雨強度、降水變化過程之間的內在聯系，為風廓線雷達應用于強降水天氣的監測和預報提供依據。

1" 資料選取

本文選取ERA5再分析資料（風場、位勢高度、比濕、海平面氣壓場，精度為0.25°×0.25°）、南寧機場常規氣象觀測資料及風廓線雷達資料（水平風向風速、垂直速度）。其中風廓線雷達型號為CLC-11-D型固定式邊界層風廓線雷達，最高探測高度大于等于3 km，最低探測高度100 m，高度分辨率為30 m，時間分辨率為6 min。

2" 天氣過程概況

2022年5月11日20：00—13日20：00（北京時間，下同），受高空淺槽東移及低層低渦、切變線影響，廣西自西北向東南出現大面積對流性天氣，南寧機場分別在12日、13日清晨出現降水過程。由圖1可知，12日降雨時段集中在4：30—8：00，有4個降水量峰值區，最大10分鐘降雨量7.8 mm，最大1小時降水量為33.0 mm，過程累計降水量為70.9 mm。13日降雨時段集中在07：40—10：00（圖略），過程累計雨量較小，僅為13.6 mm。

3" 天氣形勢分析

對比12日08：00和13日08：00的天氣形勢圖可知（圖略），12日08：00，南寧機場上空200 hPa存在明顯的輻散場；500 hPa有高空淺槽東移至廣西中部一帶，南寧機場位于槽前正渦度平流區域；850 hPa南寧機場處于低渦西南側、低空急流左側的正渦度區，水汽通量散度為負，水汽條件和動力條件好；地面在北部灣存在一支強盛的偏南氣流，其與南下冷空氣在南寧機場南側一帶對峙，近地層輻合抬升作用明顯，有利于強降水天氣發生。

13日08：00，200 hPa仍處于高空急流入口區，但輻散減弱，高層抽吸作用減小；500 hPa桂西有淺槽生成，南寧機場處于槽前西南風場中；700 hPa則處于低空急流北側，強風速輻合區位于廣西南部沿海一帶；850 hPa低渦東移至福建、廣東交界處，南寧機場受其后側延伸的弱切變線影響，水汽條件相較前一日有所減弱；地面有冷空氣南下補充，地面輻合線南移至廣西沿海以南、瓊州海峽以北的地區，近地層存在冷墊，不利于強降水天氣發生。

4" 探測資料分析

4.1" 自動觀測系統資料

風廓線雷達最低探測高度為100 m，無法探測近地層及地面的風向風速，結合地面觀測的實況，可以使風廓線雷達探測的風場更完整。結合圖1可以看出，5月12日04：20，地面偏北風突然增大，風速極大值為5.9 m/s，表明冷空氣已南下推進至南寧機場，對應該時段內的逐10分鐘降水量有增長趨勢；04：50之后地面風速減弱至2.0 m/s，逐10分鐘降水量減少；其后地面風出現4次風速短暫增大、1次風向轉變的過程，基本與逐10分鐘降水量波動增長的趨勢相吻合，冷鋒過境期間，近地層輻合抬升增強，造成降水增強。

13日07：30—10：00南寧機場出現小到中陣雨，該時段內地面風向區間為31°～196°，平均風速為2.5 m/s；逐10分鐘降水量僅存在1個峰值區，時段為07：30—08：00，降水量增長期間地面風場有1次轉變為南風影響的過程；08：00后南寧機場地面轉受偏北風影響，逐10分鐘降水量減少，降水亦趨于穩定。

4.2" 風廓線雷達資料

4.2.1" 水平風向風速

由圖2（a）可以看出，12日00：00—02：00，南寧機場上空低空急流逐漸加強，急流中心最大風速為22 m/s，低空急流范圍分別向上、下方向擴展，最低高度為0.9 km。03：00，9 km以上出現一支高速氣流，氣流中心最大風速28 m/s，接近高空急流標準，隨后高速氣流范圍也不斷向下擴展。04：40，南寧機場觀測到中陣雨；06：00后低空急流逐漸減弱，低空急流最低高度抬升至1.5 km以上；08：00，3～4 km高度有淺槽東移過境，降水隨之結束。12日的強降水發生前，垂直方向的水平風場整體上呈現低空急流區向上、下方向發展，高速氣流區向下發展，2個急流區不斷靠近的特征。

金巍等[6]指出低空急流的強度和伸展高度都直接制約著強降水的強弱。通過對比13日降水過程的風廓線水平風場圖（圖2（b））可知，13日00：00—04：00，南寧機場上空低空急流逐漸加強，急流中心最大風速為20 m/s，低空急流范圍向下擴展，最低高度為1.2 km，低空急流高度波動下降期間，南寧機場出現間歇性小陣雨；04：00，低空急流短暫減弱，隨后急流中心風速加強到22 m/s，急流高度范圍為1.8～3.5 km；07：00之后，低空急流強度減弱，低空急流最低高度上升至2.5 km；07：40，南寧機場出現中陣雨，此時能觀察到高空水平風場較弱，輻散作用不明顯，因此對流性降水未能進一步發展、維持；08：00，低空急流高度進一步上升，南寧機場轉為小陣雨，10：00南寧機場降水結束。

可以看出，風廓線水平風向風速能在一定程度上反映大氣的動力情況和水汽輸送特征。降水發生前西南低空急流增強，導致其造成的輻合和擾動增強及氣流抬升增強，強的水汽輸送有利于中低空不穩定能量和水汽的累積。高空形成高速氣流并增強，其下方強垂直切變的環境風為對流發展提供動力條件，高速氣流入口風速輻散區形成的抽吸作用使上升運動進一步增強。此外，高空高速氣流帶走云體上部增暖的空氣，使不穩定層結得以維持，對流得以維持和進一步發展。12日強降水發生前，低空急流、高空高速氣流先后出現向下脈動，并在雨強增強的階段在2 km以上的高度形成風速大于12 m/s的深厚水汽輸送區，期間低空急流向下延伸高度最大可至1 km以下。因此，低空急流和高速氣流的相互耦合發展是造成12日短時強降水天氣發生的重要原因，且低空急流脈動、向下擴展的程度與降水強度之間呈正相關。

4.2.2" 最大探測高度

由圖2可知，12日01：00，南寧機場風廓線雷達的最大探測高度由6 km突然增大至11 km以上，對應南寧機場上空處于暖濕氣流輻合區，受間歇性小陣雨天氣影響；04：40—08：00，南寧機場出現中陣雨天氣，風廓線雷達最大探測高度維持11 km，未出現進一步上升趨勢；降水結束后，風廓線雷達最大探測高度回落至4.5 km處。13日07：40—10：00，南寧機場受降水云團影響，南寧機場風廓線雷達的最大探測高度也由4 km增大至10 km以上，但最大探測高度維持在10 km以上的時間較短，與南寧機場受中陣雨影響的時段較為一致；降水減弱為小陣雨后，風廓線雷達的最大探測高度逐漸下降至6 km。

由此可知，在2次降水過程發生前風廓線雷達最大探測高度都有劇增的現象，但不同強度降水過程的風廓線雷達最大探測高度存在差異。盧維忠等[7]研究發現水汽壓的變化對大氣折射指數值的影響顯著，大氣折射指數隨著水汽壓的增加而增加。根據風廓線雷達的工作機制，大氣折射率起伏越大，雷達作用距離就越大，所以大氣濕度越大，雷達探測高度越高。南寧機場風廓線雷達最大探測高度突增表明南寧機場上空空氣中水汽壓增大，即強降水產生前存在明顯的水汽輻合和凝結。對比可知，12日降水過程的最大探測高度相對較高，降水期間最大探測高度維持在11 km以上的時間更長，因此可以得出結論，風廓線雷達最大探測高度增大的程度和維持時間與降水強度呈正相關，對于降水的預測具有一定指示作用。

4.2.3" 垂直速度

風廓線雷達測得的垂直速度是空氣垂直運動和降水粒子末速度之和，降水時段降水粒子末速度比非降水時段的空氣垂直運動速度大一個量級[8]。圖2（c）、圖2（d）分別為2次過程中風廓線雷達探測的垂直速度，由圖2（c）可知，12日02：30前，南寧機場上空5 km高度以下為上升氣流控制，速度為0.5 m/s左右；02：30—04：00，南寧機場出現弱降水，降水期間南寧機場為下沉氣流控制，極大值為8 m/s，所在高度為3 km；04：00之后，弱降水停止，下沉氣流有短暫減弱的趨勢；04：30，下沉氣流突然再次增強，最大下沉氣流速度為8 m/s，所在高度最低為1.2 km，此時雨強增大。此后強下沉氣流一直影響至10：00。13日降水過程發生前2小時（圖2（d）），南寧機場上空為弱對流層，無明顯的上升氣流和下沉氣流；07：30—10：00降水期間南寧機場為下沉氣流控制，極大值僅為6 m/s，且下沉氣流大值區在垂直方向上不連續。

因此，垂直速度的變化與降水過程的開始時間、結束時間、雨強變化基本對應，且降水強度與下沉氣流強弱呈正相關，與最大下沉氣流所在高度呈負相關。

5" 結論

1）南寧機場2022年5月12日的強降水過程為高空淺槽東移及低層低渦、切變線南下共同引起，5月13日的降水過程為高空淺槽東移及低層弱切變線共同引起，5月12日的強降水過程擁有更好的動力抬升條件及水汽條件。

2）風廓線雷達風場結構可較好體現單點上空高空槽、冷鋒過境的過程，也可反映低空急流、高層高速氣流的耦合發展及向下脈動，這些都與降水強度的增強有緊密聯系，低空急流向下擴展的程度與降水強度呈正相關。

3）強降水開始前，風廓線雷達最大探測高度有突增的現象，且維持時間較長，風廓線雷達最大探測高度增大的程度和維持時間與降水強度呈正相關。

4）風廓線雷達的垂直速度產品可清晰反映降水過程的開始時間、結束時間和雨強變化趨勢，降水強度與下沉氣流強弱呈正相關，與最大下沉速度所在高度呈負相關。

參考文獻：

[1] 劉淑媛，鄭永光，陶祖鈺.利用風廓線雷達資料分析低空急流的脈動與暴雨關系[J].熱帶氣象學報，2003（3）：285-290.

[2] 王爽，呂環宇，郭志剛，等.一次強降水超級單體風暴過程分析[J].氣象與環境學報，2007（2）：15-20.

[3] 古紅萍，馬舒慶，王迎春，等.邊界層風廓線雷達資料在北京夏季強降水天氣分析中的應用[J].氣象科技，2008（3）：300-304，385-386.

[4] 董保舉，劉勁松，高月忠.基于風廓線雷達資料的暴雨天氣過程分析[J].氣象科技，2009，37（4）：411-414，517.

[5] 周志敏，萬蓉，崔春光，等.風廓線雷達資料在一次冰雹過程分析中的應用[J].暴雨災害，2010，29（3）：251-256.

[6] 金巍，曲巖，姚秀萍，等.一次大暴雨過程中低空急流演變與強降水的關系[J].氣象，2007（12）：31-38.

[7] 盧維忠，何海余，莫海全，等.影響風廓線雷達最大探測高度的因素及機理分析[J].氣象水文海洋儀器，2009，26（4）：15-18.

[8] 鄒德龍，梁曉京，岑易峰，等.基于風廓線雷達資料的一次強降水天氣過程分析[J].氣象研究與應用，2019，40（3）：26-30.