一次冷渦背景下強(qiáng)對(duì)流過程中風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用

摘" 要：該文利用南通市興東國家站風(fēng)廓線雷達(dá)提供的資料，通過統(tǒng)計(jì)方法分析2017年8月7日南通出現(xiàn)的一次強(qiáng)對(duì)流天氣過程。結(jié)果表明，此次強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生在冷渦背景下，處在副高邊緣，本地水汽條件較好。風(fēng)廓線雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前能夠清晰地體現(xiàn)冷暖平流的分布，風(fēng)向風(fēng)速的變化，對(duì)強(qiáng)對(duì)流過程的預(yù)報(bào)預(yù)警有很好的指示意義。垂直速度和信噪比與對(duì)流發(fā)生趨勢(shì)較為一致，能夠較好反映對(duì)流的變化。大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)能夠很好地反映強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生和結(jié)束。垂直風(fēng)切變?cè)趶?qiáng)對(duì)流發(fā)生前60 min出現(xiàn)明顯增大。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá)；東北冷渦；強(qiáng)對(duì)流；垂直速度；信噪比；垂直風(fēng)切變

中圖分類號(hào)：P457.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）17-0086-04

Abstract： A severe convective weather process on August 7， 2017 is analyzed using the wind profile radar of Nantong Xingdong National Station. The results show that the severe convective weather occurs under the background of cold vortex and is at the edge of the subtropical high， and the local water vapor condition is better. Before the occurrence of strong convection， the wind profile radar can clearly reflect the distribution of cold and warm advection and the change of wind direction and speed， which has a good indication significance for the prediction and early warning of strong convection process. The vertical velocity and signal-to-noise ratio （SNR） are consistent with the trend of convection， which can better reflect the change of convection. The atmospheric refractive index structure constant can well reflect the occurrence and end of strong convection. The vertical wind shear increased significantly 60 min before the onset of severe convection.

Keywords： wind profile radar; northeast cold vortex; strong convection; vertical velocity; signal-to-noise ratio（SNR）; vertical windshear

東北冷渦是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的一種典型氣象條件，這類強(qiáng)對(duì)流天氣具有尺度小、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)。東北冷渦的頻發(fā)及穩(wěn)定維持，不僅對(duì)東北地區(qū)的天氣氣候有較大影響，其后部偏北氣流所攜帶的冷空氣還對(duì)華北、黃淮乃至江淮一帶的強(qiáng)對(duì)流天氣有較大影響[1]。近年來，江蘇地區(qū)在冷渦背景下產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流天氣日益增多，破壞性也日趨顯著，因此，精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警顯得尤為重要。

風(fēng)廓線雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)探測其上空風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素隨高度的變化情況，具有時(shí)空分辨率高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)常規(guī)資料在時(shí)空分辨率方面存在的不足。朱家亮等[2]利用多普勒雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)和地基微波輻射計(jì)等新型探測資料對(duì)冰雹天氣過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)超低空急流變化極為敏感；楊引明等[3]分析了溫度資料、信噪比、垂直速度等風(fēng)廓線雷達(dá)資料在短時(shí)強(qiáng)降水、龍卷風(fēng)等局地強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)時(shí)空分辨率高、能有效捕捉大氣動(dòng)力和熱力特征；梁宸等[4]分析研究了風(fēng)廓線雷達(dá)資料在2次強(qiáng)降水過程中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)降水強(qiáng)度與雷達(dá)最大探測高度、垂直速度關(guān)系密切。

本文通過分析冷渦背景下風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品資料在2017年8月7日晚的一次大范圍強(qiáng)對(duì)流過程中的應(yīng)用，期望在今后的精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)工作中，得到一些啟發(fā)。

1" 天氣形勢(shì)

冷渦本體附近和外圍都可產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，冷渦影響的雷暴大風(fēng)過程大多發(fā)生在春季和夏季[5]。從發(fā)生位置上看，冷渦背景下的雷暴大風(fēng)最易出現(xiàn)在冷渦的東南部或南部（低部或下半部）。

2017年8月7日21時(shí)至23時(shí)，南通中南部地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，全市201個(gè)自動(dòng)氣象站，有17個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)9級(jí)以上大風(fēng)，10級(jí)以上10個(gè)，海門四甲鎮(zhèn)極大風(fēng)速達(dá)到了34.5 m/s（12級(jí)），海門國家站極大風(fēng)速達(dá)到了24.8 m/s（10級(jí)）。10級(jí)以上雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)時(shí)間集中在21：27—22：03。

1.1" 環(huán)流形式場

2017年8月7日雷暴大風(fēng)發(fā)生前，8時(shí)500 hPa上冷渦中心位于50°N黑龍江北部地區(qū)，河套地區(qū)有一短波槽存在，引導(dǎo)冷空氣南下，南通位于副高588線附近偏西氣流中，副高北側(cè)的暖濕氣流較為活躍；850 hPa在安徽-湖北一帶存在一條切變線。20時(shí)500 hPa冷渦中心穩(wěn)定少動(dòng)，短波槽東移，副高有所南壓，南通位于槽前西南氣流中；850 hPa切變線東移南通處于西南氣流中。當(dāng)冷暖空氣相互融合時(shí)，會(huì)引發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，這就有利于南通地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展。

1.2" 物理量特征

很多學(xué)者對(duì)雷暴大風(fēng)干濕條件進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，表明較濕的條件下，低層水汽對(duì)雷暴大風(fēng)的影響更大。才奎志[6]通過分析熱力條件、動(dòng)力條件和水汽條件，得出動(dòng)力條件和水汽條件為影響冷渦雷暴大風(fēng)的主要因素，水汽條件對(duì)多單體雷暴大風(fēng)更為重要。8月水汽條件較好，動(dòng)力條件減弱，熱力條件占主要作用。

冷渦影響下雷暴大風(fēng)環(huán)境條件總體特征：中層有冷平流，低層有暖平流，水汽條件偏干，垂直風(fēng)切變較大，0 ℃層高度相對(duì)較低、垂直溫度遞減率較大和具有顯著的對(duì)流有效位能（CAPE）[5]。

由于南通沒有探空站，采用了周邊射陽站的探空資料分析。由表1可以看出，0 ℃層高度在5 100 m左右，-20 ℃層高度則在8 500 m左右。850 hPa與500 hPa溫差超過了25 ℃，垂直遞減率較強(qiáng)，有利于產(chǎn)生較強(qiáng)的條件不穩(wěn)定度。K指數(shù)值達(dá)到了34 ℃，結(jié)合850 hPa露點(diǎn)溫度看，說明850 hPa水汽條件較好，槽前有較強(qiáng)的暖濕氣流輸送。受冷渦影響，對(duì)流層中層有相對(duì)干層存在，對(duì)流層中下層溫度直減率較大，會(huì)產(chǎn)生較大的不穩(wěn)定能量，這些都有利于產(chǎn)生雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生。

2" 風(fēng)廓線雷達(dá)資料的應(yīng)用

2.1" 水平風(fēng)

風(fēng)廓線雷達(dá)由于具有探測時(shí)空分辨率高和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可以提供大氣對(duì)流層和邊界層的高分辨率風(fēng)場結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)晴空湍流區(qū)、切變線、急流區(qū)及輻合輻散區(qū)有著不錯(cuò)的識(shí)別能力。

如圖1所示，雷暴大風(fēng)發(fā)生前，18：00左右，高空10 000 m處已經(jīng)能夠監(jiān)測到大風(fēng)速區(qū)。18：40，3 000 m以下為西南風(fēng)，3 000～5 000 m轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，5 000～7 000 m又轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，說明風(fēng)向隨高度先順轉(zhuǎn)再逆轉(zhuǎn)。到了19：50，探測高度從地面一直連續(xù)上升到高空10 000 m以上，7 000 m處存在切變，以下均為西南風(fēng)，并且出現(xiàn)了12 m/s以上的大值區(qū)，有動(dòng)量下傳，7 000 m以上均為西北風(fēng)，說明高空有冷空氣滲透，冷暖空氣交匯，有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。雷暴大風(fēng)發(fā)生地位于風(fēng)廓線雷達(dá)的下游，21：25開始從地面一直到2 000 m左右出現(xiàn)西北風(fēng)的大風(fēng)速區(qū)，持續(xù)了半個(gè)小時(shí)左右，21：35海門本站發(fā)生10級(jí)雷暴大風(fēng)。

通過分析表明，對(duì)于本次過程而言，風(fēng)廓線雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前就能夠捕捉到明顯的特征，并能夠清晰地體現(xiàn)冷暖平流的分布，風(fēng)向、風(fēng)速的變化，對(duì)強(qiáng)對(duì)流過程的預(yù)報(bào)預(yù)警有很好的指示意義。

2.2" 垂直速度與信噪比

一般來說，對(duì)流、系統(tǒng)性垂直運(yùn)動(dòng)、大氣波動(dòng)和大氣亂流是導(dǎo)致大氣的垂直運(yùn)動(dòng)4種原因。風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的垂直速度代表了空氣垂直運(yùn)動(dòng)和降水粒子下沉運(yùn)動(dòng)的總和[7]，當(dāng)垂直速度為負(fù)時(shí)，表示空氣呈上升運(yùn)動(dòng)；反之，則表示空氣呈下沉運(yùn)動(dòng)。信噪比是雷達(dá)信號(hào)中氣象信號(hào)與噪聲信號(hào)的比值，信噪比與回波功率成正比。在風(fēng)廓線雷達(dá)6 min時(shí)間間隔的連續(xù)觀測資料中，可以得到不同尺度天氣系統(tǒng)造成的垂直運(yùn)動(dòng)。因此，通過繪制垂直速度時(shí)間-高度剖面圖，可以分辨出多種尺度的大氣垂直速度。

風(fēng)廓線探測到的垂直速度大小隨高度波動(dòng)較大時(shí)，說明在大氣的不同層次之間熱力或動(dòng)力差異較大時(shí)，預(yù)示此對(duì)流風(fēng)暴可能伴隨有強(qiáng)對(duì)流天氣[3]，因而它有可能成為判斷對(duì)流發(fā)展強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)。

從垂直速度和信噪比圖上（圖2），可以看出，19：59—20：35和21：05—23：39，垂直速度隨時(shí)間和高度分布波動(dòng)最大，垂直速度均大于4 m/s，但第二段時(shí)間內(nèi)對(duì)流強(qiáng)度明顯要比第一段強(qiáng)，尤其是21：10—21：40之間垂直速度最大值超過10 m/s，大值中心的高度在3 000～5 000 m，預(yù)示可能伴隨著強(qiáng)烈的對(duì)流天氣。信噪比情況跟垂直速度類似，但大值區(qū)位置較低，位于1000 m左右。說明發(fā)生雷暴大風(fēng)過程中，風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直速度和信噪比與對(duì)流發(fā)生趨勢(shì)較為一致，能夠較好地反映對(duì)流變化。

2.3" 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（CN2）

大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)反映了大氣湍流變化的程度，可以分析出對(duì)流演變情況，主要由溫度或水汽壓的變化決定。當(dāng)大氣中的水汽含量顯著增加時(shí)，大氣折射常數(shù)也會(huì)隨之增大。同時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)探測高度上升的情況[8]。 分析大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時(shí)間的變化（圖3），19：50起，CN2有一次短暫的增大，此時(shí)，發(fā)生了一次強(qiáng)對(duì)流天氣，海門出現(xiàn)了3站8級(jí)以上大風(fēng)，海門包場鎮(zhèn)劉浩極大風(fēng)速為20.2 m/s；21：10前后開始，CN2再次明顯增大，最大值高度在5 000 m左右，大于-120 dB以上，這時(shí)海門發(fā)生了10級(jí)雷暴大風(fēng)。

2.4" 垂直風(fēng)切變

強(qiáng)的垂直風(fēng)切變是強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生的轉(zhuǎn)換條件，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展。強(qiáng)的垂直風(fēng)切變使上升氣流和下沉氣流能夠長時(shí)間共存，不會(huì)因降水拖曳作用而減弱上升氣流，同時(shí)，加強(qiáng)了中層冷空氣的吸入，通過強(qiáng)迫抬升使暖濕氣流更強(qiáng)烈地上升，從而加強(qiáng)對(duì)流。計(jì)算0～3 km、0～6 km垂直風(fēng)切變可以得出，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生需要存在較大的垂直風(fēng)切變。

計(jì)算風(fēng)矢量值的變化，得到垂直風(fēng)切變（圖4），可以看出，19：50—23：40底層的垂直風(fēng)切變?cè)龃螅笾祬^(qū)大致在1 000 m以下，隨后減弱，垂直風(fēng)切變較雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí)間提前了0～60 min。由此可以判斷強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的時(shí)間。

3" 結(jié)論

1）此次的強(qiáng)對(duì)流過程發(fā)生在冷渦背景下，發(fā)生雷暴大風(fēng)時(shí)，冷渦中心位于50°N附近黑龍江以北地區(qū)，南通位于冷渦底前部，處在副高邊緣，同時(shí)副高穩(wěn)定維持；本地水汽條件較好。

2）風(fēng)廓線雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前就能夠捕捉到明顯的特征，并能夠清晰地體現(xiàn)冷暖平流的分布，風(fēng)向風(fēng)速的變化，對(duì)強(qiáng)對(duì)流過程的預(yù)報(bào)預(yù)警有很好的指示意義。垂直速度大于4 m/s，信噪比衰減不明顯，垂直速度隨高度的波動(dòng)及波動(dòng)發(fā)展的高度，可以判斷對(duì)流發(fā)展的強(qiáng)度。垂直風(fēng)切變的大值區(qū)大致在1 000 m以下，較強(qiáng)對(duì)流過程發(fā)生提前0～60 min。

3）冷渦背景下，強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前，水平風(fēng)會(huì)出現(xiàn)動(dòng)量下傳的情況，探測高度也會(huì)隨之升高。當(dāng)預(yù)報(bào)員發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線探測高度升高時(shí)，需要關(guān)注強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。隨著對(duì)流天氣的臨近或發(fā)生，大氣折射結(jié)構(gòu)常數(shù)和垂直風(fēng)切變?cè)黾用黠@，需要預(yù)報(bào)員特別關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔慧慧，馮慧敏.東北冷渦持續(xù)影響下鄭州地區(qū)多日對(duì)流性天氣特征分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（6）：7-16.

[2] 朱家亮，潘江萍，邱麗靜，等.基于多源數(shù)據(jù)的湘北地區(qū)春季一次冰雹過程的觀測分析[J].中低緯山地氣象，2022，46（2）：46-54.

[3] 楊引明，陶祖鈺.上海LAP-3000邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用初探[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，18（2）：155-160.

[4] 梁宸，詹鴻宇，劉籮石.風(fēng)廓線雷達(dá)資料在強(qiáng)降水過程中的特征及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023，13（31）：110-113.

[5] 鄭永光，宋敏敏.冷渦影響中國對(duì)流性大風(fēng)與冰雹的分布特征[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2021，37（Z1）：710-720.

[6] 才奎志.冷渦背景下遼寧省不同類型雷暴大風(fēng)對(duì)比分析研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020：18-28.

[7] 李典，魯楊，吳宇童，等.冷渦背景下風(fēng)廓線資料在沈陽對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].干旱氣象，2016，34（5）：886-897.

[8] 李典，李崇，班偉龍，等.風(fēng)廓線雷達(dá)資料在沈陽冰雹天氣過程中的分析應(yīng)用[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015，31（2）：243-248.