风廓线雷达产品在冰雹天气过程中的应用.pdf

第4 7 卷第4 期2023年8 月柯莉萍,张玉,邹书平，等.风廓线雷达产品在冰天气过程中的应用J.中低纬山地气象,2 0 2 3,4 7（4）：36 40.中低纬山地气象Mid-low Latitude Mountain Meteorology风廓线雷达产品在冰電天气过程中的应用Vol.47 No.4Aug,2023柯莉萍,张玉逵,邹书平,蔡彤,张长艳，吕吕静（1.贵州省威宁彝族回族苗族自治县气象局，贵州威宁55310 0;2.贵州省人工影响天气办公室，贵州贵阳550 0 8 1）摘要：该文利用威宁县2 0 2 2 年6 月2 日一次冰天气过程风廓线雷达资料和威宁国家基准气候站降水资料，采用数理统计等方法对此次天气过程的风廓线雷达特征进行分析。结果表明：冰電、短时强降水开始前，低空急流的建立和垂直风切变的加强，急流造成的辐合加上近地层风向的切变作用，为冰電和强降水的产生提供了很好的动力条件；冰電和短时强降水开始发生时,2 0 0 0 m高度以上有很大的正速度，可以作为一个指标判断对流发展的强弱情况；冰发生时折射结构常数（Cn）值在-12 8-110 dB之间，也能很好地反映冰等强对流天气的开始、增强和结束过程。关键词：强对流；冰電；短时强降水；低空急流；风廓线雷达中图分类号：P458.1+21.2文献标识码：AApplication of Wind Profile Radar Products in Hail Weather ProcessKE Liping,ZHANG Yukui,ZOU Shuping,CAI Tong,ZHANG Yan,LYV Jing(1.Weining Yi Hui Miao County Meteorological Bureau of Guizhou Province,Weining 553100,China;2.Guizhou Weather Modification Office,Guiyang 550081,China)Abstract:The wind profile radar data of a hail weather process in Weining County on June 2,2022 and theprecipitation data of Weining National Benchmark Climatic Station are used to analyze the wind profile radarcharacteristics of this weather process by using mathematical statistics and other methods.The results show thatbefore the beginning of hail and short-term heavy precipitation,the establishment of low-level jet and theenhancement of vertical wind shear,the convergence caused by jet stream and the shear effect of wind direction inthe near surface layer provide a good dynamic condition for the generation of hail and heavy rainfall;when hail andshort-term heavy rainfall begin to occur,there is a large positive velocity above the height of 2000 meters,whichcan be used as an indicator to judge the strength of convection development;when hail occurs,the refractivestructure constant(Cn)is-128 -110 dB,which can also well reflect the beginning,enhancement and endof severe convective weather such as hail.Key words:strong convection;hail;short term heavy rainfall;low level jet;wind profile radar好等主要优点。其与传统测风的不同在于能够连较而言，风廓线雷达有分辨率高、连续性和实时性0引言风廓线雷达的基本原理是采用多普勒频移原理，利用大气瑞流运动来进行测风，其跟踪的目标物是流气团。和探空等其它常规探测设备相比续不间断地探测大气水平、垂直风场以及大气折射率结构常数等要素，为实时监测中小尺度天气系统、分析灾害性天气系统的发生、发展提供了可能，收稿日期:2 0 2 2-12-0 7第一作者简介：柯莉萍（19 7 4 一），男，副高，主要从事大气探测研究,E-mail:。通讯作者简介：蔡彤（19 9 8 一），女，助工，主要从事气象服务工作，E-mail:。资助项目：贵州省气象局科研业务项目（黔气科登2 0 2 2 0 7-0 2 号）：威宁人工防電作业效果物理检验方法。36.Vol.47 No.4为强降水、冰、雷雨大风等强对流天气的短时临近预报预警提供了强有力的技术支撑1-3。近年来风廓线雷达因其全天候监测大气风场的优点，在灾害性天气预测预报预警业务上得到了广泛应用。刘淑媛等4 分析风廓线雷达与降水实况资料发现，低空急流与降水强度及出现时间之间关系紧密。张京英等5 通过对风廓线资料和每小时的降水实况资料分析发现：降水强度的增强与高、低空急流及其向下的脉动有着紧密的联系，低空急流的下传和加强引起暴雨的产生。周芯玉等6 利用风廓线雷达资料分析了广州2 次暴雨过程，发现暴雨的发生受动量下传的影响较大，同时强降水的发生与低空急流指数的脉动有很大关系。刁家敏等7 研究表明强降水发生时段内，风廓线垂直速度在0 5km显著增大,最大值可达9 ms-1以上。强对流发生时,0 5km层有较深的垂直风切变存在。杨引明等8 研究结果表明：风廓线雷达的信噪比在约大于4 0 dB的开始和结束能够很好地反映降水的开始和结束时间。在中小尺度天气监测上，风廓线雷达产品在对流性天气时体现出回波谱宽加大强度和垂直速度发生较大的变化9-10 ,张小雯等 研究表明风廓线雷达在晴空时垂直速度 0.5ms-1,降雪时为0.5 2 ms1,稳定降水时为3 5ms=1,对流性降水时通常12 ms。天气系统临近时，风廓线雷达的最大探测高度和增幅与强降水的强度之间呈正相关12 。杨哲等13 研究表明威宁风廓线雷达资料数据真实可靠，与探空资料对比有很好的一致性。本文利用贵州省威宁站CFL-03柯莉萍，等：风廓线雷达产品在冰天气过程中的应用环流形势分析图1是6 月2 日0 8 时中尺度系统配置分析图。从图示分析看,50 0 hPa槽位于重庆西南部，威宁处于高空槽南端的前部,高空槽移动过程中，携带干冷空气南下,7 0 0 hPa低涡位于四川,威宁受低涡切变前端的暖湿西南气流影响。8 50 hPa低涡在重庆东南部，向东沿着贵州北部边缘伸出一条冷切，冷切横贯威宁中北部。地面上贵州西北部边缘的辐合线南压，极易触发威宁对流发生。50 0 hPa比湿4gkg*,高层存在干区,7 0 0 hPa 比湿12 gkg,850hPa附近测站比湿16 gkg-（威宁本站气压约780 hPa），低层存在显著湿区，上干下湿的特征较为明显，表现为层结不稳定。另外,7 0 0 hPa与50 0 hPa温度差为14，利于对流发生。R700边界层风廓线雷达资料，对2 0 2 2 年6 月2 日发生在威宁县城的一次冰電、短时强降水天气过程进行分析,探究本次冰、短时强降水降水过程发生、发展和消亡期间风廓线雷达探测要素的变化特征，为冰等强对流灾害性天气预测预报预警积累经验。1天气实况贵州省威宁县城2 0 2 2 年6 月2 日出现了一次冰電、短时强降水天气过程，15时4 6 4 8 分、16 时0713分出现了最大直径为5mm的冰,15时59分一16 时52 分不到1h时间内降水量达到31.6mm，属于短时强降水。此次降水天气过程造成威宁县城内多个低洼地段出现城市内涝。2D850500一显著湿区图例850hPa与50 0 hPa一x一地面辐合线温度大值区气象局MICAPS4.0100图12 0 2 2 年6 月2 日0 8 时中尺度系统配置分析Fig.1Analysis of mesoscale system configuration at 08:00 on June 2,2022110E37中低纬山地气象2023年8 月Mid-low Latitude Mountain Meteorology第4 7 卷第4 期(a）订正前T-InP图2 为6 月2 日0 8 时Tln P。从图示分析看，近地面到50 0 hPa的风速切变极大,对流有效位能（C A PE)值为4 6 6.5Jkg-1,有一定的对流潜势。用14 时的温度和露点温度对探空T-lnP图进行订正，发现CAPE值增加到了2 2 0 8.6 Jkg=1,对流抑制能量大，一旦受到环境条件触发，就可能产生强烈的强对流天气。地形抬升也是6 月2 日威宁午后强对流天气发生的重要影响因素之一。威宁地处云贵高原北部边缘，北方南下的冷空气受到横断山脉和巫山的阻挡,容易在四川盆地与云贵高原接壤的威宁堆积,导致冷暖空气在当地发生激烈的对流活动。威宁的地理环境主要体现地势较高，地形复杂，地形抬升也容易引导对流的发展。3威宁县冰雷的分布特征威宁县3一10 月都会出现冰電，主要出现在4一8 月。据不完全统计，威宁冰電日数年平均15.3d,冰易发多发。春季少，夏季多，7 月最多,4 月最少;冰電可发生在132 3时,其中1519 时发生冰频率最高。发生冰的0 层高度为37 0 0 5900m，-2 0 层高度为6 8 0 0 9 2 0 0 m;SI指数在-33之间14 。通过统计发现,威宁县冰灾与天气系统有着密切的关系，冰電主要系统特征分为两大类：一是冷锋切变大范围系统性造成的降電；二是暖气团内局地热雷雨造成的降，此类降的灾害占到了约6 5%。4 5月威宁县冰電主要出现在县的东南部,东部、南部一线。6 一8 月受西南季风气流影响,冰電主要出现在县的北部、西北部、中部、西南部。4厂风廓线雷达特征分析4.17水平风场特征威宁站的CFL0 3风廓线雷达为边界层固定38.(b）订正后T-InP图2 6 月2 日0 8 时 T-lnPFig.2T-lnP at 08:00 on June 2式雷达,其探测高度能够达到5km。探测要素产品主要有水平风向、风速、垂直气流、温度廓线等资料。图3为威宁站2 0 2 2 年6 月2 日逐6 min水平风场。从图可以看出（图中时间为世界时），15时0 6分2 9 0 0 m高度以上开始出现 12 ms-i的大风，风速最大为14 ms,且风向以西风为主。15 时24分开始50 0 m以下低空出现了风向切变，地面为偏北风，15时30 分150 0 0 m高空风速逐步增大，1500m以下威宁站上空风向为偏南一西南风,150 0m以上风向逐渐从为西南转为偏西风,风是随着高度顺转一种态势，低层输送的暖平流，属于不稳定层结。15时4 2 分2 0 0 0 m以上出现 12 ms-的急流，15时4 8 分10 0 0 m以上出现2 0 ms-的偏北大风,高低空垂直风切变加强，近地面同时以弱西南偏西风为主,较大的垂直风切变利于中层干空气的吸人及加强，为对流的发展提供了有利条件。15时4 8 分一16 时54 分威宁上空以西南风为主的低空急流向下传播，风速大小出现明显变化，风向在近地层从西南风转为西北风，由此表明威宁上空存在利于对流发展的中小尺度系统，县城本站周边开始出现冰和降水，急流造成的辐合加上近地层风向的切变作用对冰電和降水有明显的作用。15时59 分一16 时52 分不到1h时间内降雨量达到了31.6mm，17 时前后底层也转为偏北风，此次天气系统基本过境，与观测到的实况具有很好的一致性。刘淑媛等4 研究表明：强对流天气的出现会伴有西南急流的脉动加强和动量下传。威宁站此次冰天气过程的风场特征能够很好地反映雷达对水平风场的垂直结构的探测效果，清楚展现了高低空急流的建立和维持的情况，由此说明风廓线雷达连续探测到的风场特征资料，为提前做好强对流天气的预测预报预警提供了很好的依据。Vol.47 No.4柯莉萍，等：风廓线雷达产品在冰天气过程中的应用1045004000-350030002500200015001000500图315时12 分一18 时4 2 分威宁风廓线雷达逐6 min水平风向、风速时间一高度分布Fig.3 Time height distribution of horizontal wind direction and wind speedat 15:1218:42 by 6 minutes for Weining wind profile radar4.2风廓线雷达垂直风场特征图4 为风廓线雷达逐半小时垂直速度随时间图（图中时间为世界时）。从图示可以看出，在15时30分之前,垂直速度主要为负速度且值比较小，并且随高度变化较小。从15时30 分开始,2 0 0 0 m以上垂直速度发生了变化，变为正速度，16 时在10 8 0m左右高度上,垂直速度迅速增大到7.0 ms-以上，较强的垂直速度逐步向低层延伸到近地2 0 0 m左右,保持着 5ms-i的强度到2 1时前后,垂直1618202224262845004000350030002500200015001000500Fig.4Time height distribution of vertical velocity of Weining wind profile radar by half an hour3607:1807:3007:4207:5408:0608:1808:3008:4208:5409:0609:1809:3009:42095410:0610:1810:3010:422022-06-02存在较不稳定层结。15时4 6 4 8 分、16 时0 7 13分威宁本站开始观测到直径为5mm的冰，15时59分一16 时52 分小时降水量为31.6 mm，为一次典型的雷暴冰電短时强降水天气过程。上述分析表明风廓线雷达的垂直速度随高度的波动、发展能很好地反映大气垂直热交换的程度，为强对流的发展程度分析提供一定的依据。81000:3001:3002:3003:3004:3005:3006:3007:3008:3009:3010:3011:3012:30图4 威宁风廓线雷达逐0.5h垂直速度的时间一高度分布40.036.032.028.024.020.016.012.08.04.00m/s60.040.032.028.024.020.016.014.012.010.08.06.04.02.01.00.0速度形成大值区，由此可以看出大气在垂直方向上1214302022-06-023234366.04.83.62.41.20-1.2-2.4-3.6-4.8m/s-6.060.040.032.028.024.020.016.014.012.010.08.06.04.02.01.00.039.中低纬山地气象2023年8 月Mid-low Latitude Mountain Meteorology4.3风廓线雷达折射结构系数（Cn）特征折射结构系数（Cn）是大气折射指数流结构常数,与雷达信噪比成正比。研究表明，大气中有雨滴、冰晶、云滴存在时与晴空时相比较而言，前者雷达信噪比高于后者，由此表明折射结构系数也会增强“。由图5可以看出（图中时间为世界时），141618202245004000350030002500200015001000500Fig.5Time height distribution of Cn?by half an hour for Weining wind profile radar5丝结论与讨论（1)风廓线雷达的水平风场资料能够很好地反映冰天气过程的风场垂直结构及其随时间的变化。(2)风廓线雷达的垂直速度、折射结构常数等在一定程度上能够很好地反映冰電等强对流天气的开始、增强和结束的演变过程。降时 Cn值在-128 -110 dB之间。（3）风廓线雷达的高时空分辨率可弥补探空资料时空分辨率不足，为冰等强对流天气的预测预报预警提供了依据。但威宁站风廓线雷达建成的时间不长，资料的质控、分析应用经验不足，还需进一步总结研究,发挥风廓线雷达资料在冰等强对流天气预报中的作用。参考文献1孙旭映，李耀辉,段海霞，等.玛曲一次强降水过程的风廓线演变特征J.干旱区资源与环境，2 0 13,2 7（12）：18 6-19 2.2】董保举，付志嘉，李明，等.风廓线雷达资料在暴雨天气过程特征分析中的应用J.气象科技，2 0 12,4 0（1）：7 4-7 8.3刘贞,郭鸿鸣，李飚，等.秦皇岛一次跑线冰天气分析J.气象与环境科学,2 0 17,4 0(4):10 0-10 8.40.第4 7 卷第4 期时30 分以前折射结构系数的大值区高度在2 0 0 0 m以下,15时4 6 分降开始时Cn值延伸到30 0 0 m以上,其值稳定在-12 8-110 dB 之间,Cn值-136 dB,探测高度 2 0 0 0 m时,降水停止。由此可见Cn能够反映降水的强弱。2600:3001:3002:3003:3004:3005:3006:3007:3008:3009:3010:3011:3012:30图5威宁风廓线雷达逐半小时Cn的时间一高度分布155-160.9 LARSEN M F,ROLLGER J.Observations of thunderstorm reflectivitiesand Doppler velocities measured at VHF and UHF J Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology 1987,4(1):151-159.10JRAIPH F M,NEIMAN P J,RUFEUX D.Precipitation identicationfrom radar wind proter spectra moment data Veical velocityhistograms.velocity variance,and signal powe Atmospheric andOceanic Technology.1996,13(3):545-559.11张小雯,郑永光,吴蕾，等.风廓线雷达资料在天气业务中的应用现状与展望J.气象科技，2 0 17,4 5（2）：2 8 5-2 9 7.12陈红玉，高月忠,尹丽云，等.强降水过程风廓线雷达资料的极值特征J.气象科技，2 0 16,4 4（1)：8 7-9 4.13杨哲，李源，张玉逵，等.威宁边界层风廓线雷达与探空系统的风向风速一致性初探J.中低纬山地气象,2 0 2 2,4 6（6）：2 9-33.14柯莉萍,刘佳,谢明，等.威宁县冰電天气预报指标研究J.贵州气象,2 0 16,4 0 5)：14-19.810121424262830323436dB60.040.032.028.024.020.016.014.012.010.08.06.04.02.01.00.02022-06-024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，2 0 0 3,19（3）：2 8 5-2 9 0.5张京英，漆梁波，王庆华.用雷达风廓线产品分析一次暴雨与高低空急流的关系J.气象，2 0 0 5,31（12）：4 1-4 5.6周芯玉，廖菲，孙广凤.广州两次暴雨期间风廓线雷达观测的低空风场特征J.高原气象,2 0 15，34（2）：52 6-533.7刁家敏，熊宇，钱绮雯.风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用J.现代农业科技，2 0 2 3（1）：14 0-14 4.8杨引明，陶祖钰.上海LAP-3000边界层风廓线雷达在强对流天气预报中的应用初探J.成都信息工程学院学报，2 0 0 3（2）：-120-128-136-144-152-160-168-176-184-192-200