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2023 年 31 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application风廓线雷达资料在强降水过程中的特征及应用梁宸，詹鸿宇，刘箩石（中国民用航空中南地区空中交通管理局广西分局，南宁 530048）风廓线雷达主要利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测，与常规探测手段相比，风廓线雷达的观测资料具有时空分辨率高和精度高的特点；利用风廓线雷达对单点上方的大气进行连续的观测，有利于监视和研究中、小尺度天气系统的变化过程。刘淑媛等1-2利用水平风廓线雷达分析了风切变、冷暖平流、高空急流、低空急流和地面风场辐合等特征；古红萍等3利用风廓线雷达资料分析北京一次强降水天气过程发现强降水与低空急流、地面风场的辐合联系密切；董保举等4利用风廓线雷达资料分析大理市一次暴雨过程发现高空气流的向下脉动与降水强度的增强有紧密联系。周志敏等5通过分析一次冰雹过程发现风廓线雷达探测的垂直速度的大小及厚度与对流的强弱存在联系。本文利用南宁机场风廓线雷达探测资料，对比分析2022 年 5 月 1213 日 2 次不同强度降雨过程中风廓线雷达水平风向风速、垂直速度的变化特征，探究它们和降雨强度、降水变化过程之间的内在联系，为风廓线雷达应用于强降水天气的监测和预报提供依据。1资料选取本文选取 ERA5 再分析资料（风场、位势高度、比湿、海平面气压场，精度为 0.25毅伊0.25毅）、南宁机场常规气象观测资料及风廓线雷达资料（水平风向风速、垂直速度）。其中风廓线雷达型号为 CLC-11-D 型固定式边界层风廓线雷达，最高探测高度大于等于 3 km，最低探测高度100m，高度分辨率为30m，时间分辨率为6min。2天气过程概况2022 年 5 月 11 日 20：0013 日 20：00（北京时间，下同），受高空浅槽东移及低层低涡、切变线影响，广西自西北向东南出现大面积对流性天气，南宁机场分别在摘要：该文通过对比分析南宁机场 2 次降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据，研究强降水天气过程风廓线雷达水平风场、垂直速度、最大探测高度与降雨强度之间的相关性。结果表明，低空急流、高空急流的耦合发展有利于降水强度的增强，低空急流向下扩展的程度与降水强度之间呈正相关；强降水开始前，风廓线雷达最大探测高度会出现突增，其增大的程度与降水强度呈正相关；垂直速度的变化与降水的开始时间、结束时间、雨强变化相对应，降水强度与下沉气流强度呈正相关，与最大下沉速度所在高度呈负相关。关键词：风廓线雷达；强降水；急流；最大探测高度；垂直速度中图分类号院P413文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤31-0110-04Abstract:In this paper,the correlation between the horizontal wind field,vertical velocity,maximum detection height of thewind profilerand the rainfall intensity in the process of heavy precipitation is studied by comparing and analyzing the detection da鄄ta of boundary layer wind profile radar during two rainfall processes in Nanning Airport.The results show that the coupling devel鄄opment of upper-level jet stream and low-level jet stream is conducive to the enhancement of precipitation intensity,and the de鄄gree of downward expansion of low-level jet stream is positively correlated with precipitation intensity.Before the onset of heavyprecipitation,the maximum detection height of a wind profile radar will sharply increase,and the degree of increase is positivelycorrelated with the intensity of the precipitation.The change of vertical velocity corresponds to the change of precipitation begin鄄ning time,end time and rain intensity.The precipitation intensity is positively correlated with the downdraft intensity and negative鄄ly correlated with the height of the maximum downdraft velocity.Keywords院 wind profile radar;heavy precipitation;jet stream;maximum detection height;vertical velocity第一作者简介院梁宸（1996-），女，气象助理工程师。研究方向为航空气象预报。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.31.026110-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期12 日、13 日清晨出现降水过程。由图 1 可知，12 日降雨时段集中在 4：308：00，有 4 个降水量峰值区，最大 10分钟降雨量 7.8 mm，最大 1 小时降水量为 33.0 mm，过程累计降水量为 70.9 mm。13 日降雨时段集中在 07：4010：00（图略），过程累计雨量较小，仅为 13.6 mm。3天气形势分析对比 12 日 08：00 和 13 日 08：00 的天气形势图可知（图略），12 日 08：00，南宁机场上空 200 hPa 存在明显的辐散场；500 hPa 有高空浅槽东移至广西中部一带，南宁机场位于槽前正涡度平流区域；850 hPa 南宁机场处于低涡西南侧、低空急流左侧的正涡度区，水汽通量散度为负，水汽条件和动力条件好；地面在北部湾存在一支强盛的偏南气流，其与南下冷空气在南宁机场南侧一带对峙，近地层辐合抬升作用明显，有利于强降水天气发生。13 日 08：00，200 hPa 仍处于高空急流入口区，但辐散减弱，高层抽吸作用减小；500 hPa 桂西有浅槽生成，南宁机场处于槽前西南风场中；700 hPa 则处于低空急流北侧，强风速辐合区位于广西南部沿海一带；850 hPa 低涡东移至福建、广东交界处，南宁机场受其后侧延伸的弱切变线影响，水汽条件相较前一日有所减弱；地面有冷空气南下补充，地面辐合线南移至广西沿海以南、琼州海峡以北的地区，近地层存在冷垫，不利于强降水天气发生。图 1南宁机场 2022 年 5 月 12 日 04:00要08:00 逐 10 分钟降水量尧2 分钟平均地面风向风速4探测资料分析4.1自动观测系统资料风廓线雷达最低探测高度为 100 m，无法探测近地层及地面的风向风速，结合地面观测的实况，可以使风廓线雷达探测的风场更完整。结合图 1 可以看出，5月 12 日 04：20，地面偏北风突然增大，风速极大值为5.9 m/s，表明冷空气已南下推进至南宁机场，对应该时段内的逐 10 分钟降水量有增长趋势；04：50 之后地面风速减弱至 2.0 m/s，逐 10 分钟降水量减少；其后地面风出现 4 次风速短暂增大、1 次风向转变的过程，基本与逐 10 分钟降水量波动增长的趋势相吻合，冷锋过境期间，近地层辐合抬升增强，造成降水增强。13 日 07：3010：00 南宁机场出现小到中阵雨，该时段内地面风向区间为 31毅196毅，平均风速为2.5m/s；逐 10 分钟降水量仅存在 1 个峰值区，时段为 07：3008：00，降水量增长期间地面风场有 1 次转变为南风影响的过程；08：00 后南宁机场地面转受偏北风影响，逐10 分钟降水量减少，降水亦趋于稳定。4.2风廓线雷达资料4.2.1水平风向风速由图 2（a）可以看出，12 日 00：0002：00，南宁机场上空低空急流逐渐加强，急流中心最大风速为 22m/s，低空急流范围分别向上、下方向扩展，最低高度为 0.9km。03：00，9 km 以上出现一支高速气流，气流中心最大风速 28 m/s，接近高空急流标准，随后高速气流范围也不断向下扩展。04：40，南宁机场观测到中阵雨；06：00 后低空急流逐渐减弱，低空急流最低高度抬升至 1.5 km以上；08：00，34 km 高度有浅槽东移过境，降水随之结束。12 日的强降水发生前，垂直方向的水平风场整体上呈现低空急流区向上、下方向发展，高速气流区向下发展，2 个急流区不断靠近的特征。金巍等6指出低空急流的强度和伸展高度都直接制约着强降水的强弱。通过对比 13 日降水过程的风廓线水平风场图（图 2（b）可知，13 日 00：0004：00，南宁机场上空低空急流逐渐加强，急流中心最大风速为20 m/s，低空急流范围向下扩展，最低高度为 1.2 km，低111-2023 年 31 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application空急流高度波动下降期间，南宁机场出现间歇性小阵雨；04：00，低空急流短暂减弱，随后急流中心风速加强到 22 m/s，急流高度范围为 1.83.5 km；07：00 之后，低空急流强度减弱，低空急流最低高度上升至 2.5 km；07：40，南宁机场出现中阵雨，此时能观察到高空水平风场较弱，辐散作用不明显，因此对流性降水未能进一步发展、维持；08：00，低空急流高度进一步上升，南宁机场转为小阵雨，10：00 南宁机场降水结束。可以看出，风廓线水平风向风速能在一定程度上反映大气的动力情况和水汽输送特征。降水发生前西南低空急流增强，导致其造成的辐合和扰动增强及气流抬升增强，强的水汽输送有利于中低空不稳定能量和水汽的累积。高空形成高速气流并增强，其下方强垂直切变的环境风为对流发展提供动力条件，高速气流入口风速辐散区形成的抽吸作用使上升运动进一步增强。此外，高空高速气流带走云体上部增暖的空气，使不稳定层结得以维持，对流得以维持和进一步发展。12日强降水发生前，低空急流、高空高速气流先后出现向下脉动，并在雨强增强的阶段在 2 km 以上的高度形成风速大于 12 m/s 的深厚水汽输送区，期间低空急流向下延伸高度最大可至 1 km 以下。因此，低空急流和高速气流的相互耦合发展是造成 12 日短时强降水天气发生的重要原因，且低空急流脉动、向下扩展的程度与降水强度之间呈正相关。4.2.2最大探测高度由图 2 可知，12 日 01：00，南宁机场风廓线雷达的最大探测高度由 6 km 突然增大至 11 km 以上，对应南宁机场上空处于暖湿气流辐合区，受间歇性小阵雨天气影响；04：4008：00，南宁机场出现中阵雨天气，风廓线雷达最大探测高度维持 11 km，未出现进一步上升趋势；降水结束后，风廓线雷达最大探测高度回落至4.5 km 处。13 日 07：4010：00，南宁机场受降水云团影响，南宁机场风廓线雷达的最大探测高度也由 4 km增大至 10 km 以上，但最大探测高度维持在 10 km 以上的时间较短，与南宁机场受中阵雨影响的时段较为一致；降水减弱为小阵雨后，风廓线雷达的最大探测高度逐渐下降至 6 km。由此可知，在 2 次降水过程发生前风廓线雷达最图 2南宁机场 2022 年 5 月 12 日尧13 日 00:00要12:00 逐半小时风廓线雷达图12 00010 0008 0006 0004 0002 000012 00010 0008 0006 0004 0002 000012 00010 0008 0006 0004 0002 000012 00010 0008 0006 0004 0002 000012:0010:0008:0006:0004:0002:0000:00时间12:0010:0008:0006:0004:0002:0000:00时间12:0010:0008:0006:0004:0002:0000:00时间12:0010:0008:0006:0004:0002:0000:00时间速度/ms-12724211815129630速度/ms-1速度/ms-1121086420-2-4-6-8-10-12速度/ms-12724211815129630121086420-2-4-6-8-10-12渊葬冤缘 月 员圆 日风廓线雷达水平风向风速渊遭冤缘 月 员猿 日风廓线雷达水平风向风速渊糟冤缘 月 员圆 日风廓线雷达垂直风速渊凿冤缘 月 员猿 日风廓线雷达垂直风速112-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期大探测高度都有剧增的现象，但不同强度降水过程的风廓线雷达最大探测高度存在差异。卢维忠等7研究发现水汽压的变化对大气折射指数值的影响显著，大气折射指数随着水汽压的增加而增加。根据风廓线雷达的工作机制，大气折射率起伏越大，雷达作用距离就越大，所以大气湿度越大，雷达探测高度越高。南宁机场风廓线雷达最大探测高度突增表明南宁机场上空空气中水汽压增大，即强降水产生前存在明显的水汽辐合和凝结。对比可知，12 日降水过程的最大探测高度相对较高，降水期间最大探测高度维持在 11 km 以上的时间更长，因此可以得出结论，风廓线雷达最大探测高度增大的程度和维持时间与降水强度呈正相关，对于降水的预测具有一定指示作用。4.2.3垂直速度风廓线雷达测得的垂直速度是空气垂直运动和降水粒子末速度之和，降水时段降水粒子末速度比非降水时段的空气垂直运动速度大一个量级8。图 2（c）、图2（d）分别为 2 次过程中风廓线雷达探测的垂直速度，由图 2（c）可知，12 日 02：30 前，南宁机场上空 5 km 高度以下为上升气流控制，速度为 0.5 m/s 左右；02：3004：00，南宁机场出现弱降水，降水期间南宁机场为下沉气流控制，极大值为 8 m/s，所在高度为 3 km；04：00之后，弱降水停止，下沉气流有短暂减弱的趋势；04：30，下沉气流突然再次增强，最大下沉气流速度为 8m/s，所在高度最低为 1.2 km，此时雨强增大。此后强下沉气流一直影响至 10：00。13 日降水过程发生前 2 小时（图 2（d），南宁机场上空为弱对流层，无明显的上升气流和下沉气流；07：3010：00 降水期间南宁机场为下沉气流控制，极大值仅为 6 m/s，且下沉气流大值区在垂直方向上不连续。因此，垂直速度的变化与降水过程的开始时间、结束时间、雨强变化基本对应，且降水强度与下沉气流强弱呈正相关，与最大下沉气流所在高度呈负相关。5结论1）南宁机场 2022 年 5 月 12 日的强降水过程为高空浅槽东移及低层低涡、切变线南下共同引起，5 月 13日的降水过程为高空浅槽东移及低层弱切变线共同引起，5 月 12 日的强降水过程拥有更好的动力抬升条件及水汽条件。2）风廓线雷达风场结构可较好体现单点上空高空槽、冷锋过境的过程，也可反映低空急流、高层高速气流的耦合发展及向下脉动，这些都与降水强度的增强有紧密联系，低空急流向下扩展的程度与降水强度呈正相关。3）强降水开始前，风廓线雷达最大探测高度有突增的现象，且维持时间较长，风廓线雷达最大探测高度增大的程度和维持时间与降水强度呈正相关。4）风廓线雷达的垂直速度产品可清晰反映降水过程的开始时间、结束时间和雨强变化趋势，降水强度与下沉气流强弱呈正相关，与最大下沉速度所在高度呈负相关。参考文献院1 刘淑媛,郑永光,陶祖钰.利用风廓线雷达资料分析低空急流的脉动与暴雨关系J.热带气象学报,2003（3）：285-290.2 王爽，吕环宇，郭志刚，等.一次强降水超级单体风暴过程分析J.气象与环境学报，2007（2）：15-20.3 古红萍,马舒庆,王迎春,等.边界层风廓线雷达资料在北京夏季强降水天气分析中的应用J.气象科技，2008（3）：300-304，385-386.4 董保举,刘劲松,高月忠.基于风廓线雷达资料的暴雨天气过程分析J.气象科技,2009,37（4）：411-414，517.5 周志敏，万蓉，崔春光，等.风廓线雷达资料在一次冰雹过程分析中的应用J.暴雨灾害，2010，29（3）：251-256.6 金巍，曲岩，姚秀萍，等.一次大暴雨过程中低空急流演变与强降水的关系J.气象，2007（12）：31-38.7 卢维忠，何海余，莫海全，等.影响风廓线雷达最大探测高度的因素及机理分析J.气象水文海洋仪器，2009，26（4）：15-18.8 邹德龙，梁晓京，岑易峰，等.基于风廓线雷达资料的一次强降水天气过程分析J.气象研究与应用，2019，40（3）：26-30.113-