乌鲁木齐风廓线雷达资料在暴雨天气分析中的应用

2014-11-15阿不力米提江阿布力克木于碧馨李海燕

沙漠与绿洲气象 2014年3期

阿不力米提江·阿布力克木，于碧馨，李海燕

（新疆维吾尔自治区气象台，新疆乌鲁木齐830002）

2011年12月，风廓线雷达（Wind Profiler Radar，WPR）在乌鲁木齐开始被投入使用。它是一种利用大气湍流对电磁波的散射作用来探测大气风场、温度场等物理量的遥感设备，可以连续观测测站上空每几分钟、几十米间距高时空分辨率的风场资料，弥补了常规高空风探测中时空密度不够的缺点。乌鲁木齐风廓线雷达是航天科工集团公司二院23所生产的属于CFL-03型边界层风廓线雷达，工作频率为1 280 MHz，雷达波长为0.234 m；最小探测高度60～120 m（与场地环境有关），最大探测高度3～6 km（与天气条件有关）；高度分辨率为60 m/层（60～900 m），120 m/层（＞900 m）；采集数据频率为1次/6 min。

中国气象科学研究院1989年成功研制了我国首部UHF多普勒风廓线仪，并将该仪器用于北京中尺度灾害性天气预报基地的业务实验，证明了其有效性和可靠性。顾映欣等[1]用1989年京津冀中尺度试验区的UHF风廓线仪取得资料，对局地暴雨、锋面等天气过程进行分析并计算了温度平流，分析表明风廓线仪资料在预报区域性降水和对流性天气时具有重要意义。刘淑媛等[2]利用风廓线雷达资料研究了华南暴雨和南海季风科学实验期间暴雨过程中的低空急流与暴雨的关系，指出低空急流的脉动对强天气和强降水有一定的指示意义；张京英等[3]利用临沂市暴雨过程中的风廓线雷达资料研究了高低空急流与暴雨之间联系，认为低空急流的下传和加强在暴雨过程中起着重要作用，可引起雨强的大幅增大；王秀玲等[4]利用风廓线雷达产品分析唐山地区暴雨过程，指出前期深厚、长时间的东南低空急流与高空西南急流为暴雨的产生积累大量的水汽和能量。王敏仲等[5-6]利用风廓线雷达资料分别分析了其在新疆百里风区大风和沙尘天气过程中的应用。但是，利用风廓线雷达产品对乌鲁木齐暴雨天气的分析应用还不多，本文利用乌鲁木齐边界层风廓线雷达产品分析其与乌鲁木齐暴雨之间的关系，旨在为风廓线雷达产品在天气分析和降水预报中的应用积累经验。

1 天气过程分析

1.1 暴雨实况

2012年5月19日15:00—20日4:00（以下时间均为世界时），按照新疆地区降水量标准[7]，乌鲁木齐出现暴雨，13 h降雨26.0 mm。从逐时降水量图中（图1）可以看出，此次降水分为3个时段（19日 15:00—18:00、19 日 19:00—20 日 00:00、20 日2:00—4:00），强降水时段（降雨量≥4 mm·h-1）[8]出现3次。降水开始阶段表现为稳定的持续性强降水天气，截至19日18:00累积降雨量达12.6 mm；19:00，降水明显减弱，但在22:00—23:00期间的降水表现出明显的中尺度系统影响特征，出现最大小时雨强，达5.7 mm·h-1；1:00左右，降雨量比前期略偏小并逐渐趋于减弱。

1.2 天气形势

降水前期，500 hPa高度场上欧亚范围内以经向环流为主，上游地区乌拉尔阻塞高压缓慢东移并向北发展；下游地区，中高纬西西伯利亚低槽缓慢西退，中低纬中亚低涡快速东移。乌拉尔阻塞高压脊顶在不断向北发展的过程中，引导冷空气南下堆积,中空偏西急流逐渐建立、东移南调。低槽分裂的冷空气东移，与中亚低涡减弱而成的低槽迭加，槽底南压至40°N附近。19日06时起上游阻塞高压开始向东南衰落，随着阻塞高压的南落，西西伯利亚低槽加深。12时偏西急流开始转为西南急流，急流中心最大风速超过35 m/s，且急流轴已东移至北疆西部国境线附近，同时石河子以东的北疆沿天山一带由槽底平直西风带转为槽前西南气流控制，该20 m/s的西南急流与西侧25 m/s的偏西急流汇合，如此的风向风速辐合促成此次暴雨触发的动力机制（图2）。15时左右乌鲁木齐地区开始出现降水。而暴雨常常是这种中高纬和低纬环流相互作用的产物[9]。20日00时西西伯利亚槽分段，北段快速东移南下，主槽开始进入新疆。700 hPa环流场上，19日06时乌鲁木齐附近有弱切变维持同时南侧西南风速加强至16 m/s，低空急流不断向暴雨区输送水汽和能量，12时后北侧转为偏北风，最大风速达12 m/s，形成气流辐合区。此外，12时850 hPa上准噶尔盆地的西北风加强，最强超过14 m/s，乌鲁木齐地处天山北坡，地形呈向北开口的喇叭口，偏北气流被迫抬升。200 hPa高空图上新疆地区已于19日00时受强西南急流控制，且西南气流不断加强。分析高低空冷空气垂直结构发现，影响新疆的槽前倾，增加了大气的对流不稳定度，更有利于对流天气的发生[10]。在这种大尺度环流背景下，高空急流与中空强风速带、低空辐合区相配合，引发的强垂直上升运动触发了此次暴雨天气。

1.3 水汽条件分析

源源不断的水汽输送是暴雨稳定维持的必要物质基础。降水前期，地中海暖湿气旋携带水汽充裕，来自地中海的水汽，先由伊朗副热带高压顶部的西南气流输送至里、咸海上空，后以接力方式随中亚低槽的槽前气流经巴尔喀什湖向暴雨区上空堆积。在700 hPa水汽通量场上，18日12时水汽在中亚地区汇集并向新疆输送，乌鲁木齐水汽通量在1 g·m-1·s-1·hPa-1左右。19日00时从塔城北部南下的水汽与从伊犁河谷北上的水汽在昌吉州北部交绥，水汽汇合区于06时南下至暴雨区，且于12时水汽通量增大至4 g·m-1·s-1·hPa-1（图3）。降水前在乌鲁木齐上空对流层的中高层（700～500 hPa）水汽通量明显辐合，表明上空有明显增湿现象[11]，这也是导致乌鲁木齐出现暴雨的原因之一。18时暴雨区上空的整层水汽明显减弱，然而由于前期降水低层增湿为后期短时强降水提供了一定的不稳定能量。后期水汽逐渐减弱，降水也趋于停止。上述分析表明，充沛的水汽是触发此次暴雨的必要条件。

2 风廓线雷达产品分析

风廓线雷达能够提供以风场为主的多种数据产品，其中基本数据产品包括水平风速风向、垂直风速和反映大气湍流状况的折射率结构常数C2n等。

2.1 水平风速风向

19日01:06高层从前期偏西气流逐渐转为西南气流并风速加大，西南气流从3 060 m延伸到3 420 m，而低层维持西北气流且风速一直为4 m/s左右，高低层形成非常强的西南风与西北风的切变。从地面到2 000 m风随高度逆时针偏转，在2 000 m以上风随高度顺时针偏转，这种低层冷平流、高层是暖平流结构表明本站大气层结呈稳定状态。同时高层西南气流高度不断向下扩展，风速逐渐加大。11:30西南气流厚度达2 520 m，风速也加强到21.2 m/s，如此深厚且长时间维持的西南气流为此次暴雨过程的发生提供了充足的能量。

11:30起西南气流逐渐转为偏西气流，西南气流厚度和高层的顺时针偏转区域不断减少；13:24在2 500 m高度偏西气流逐渐转为西北气流，使得低层的西北气流厚度加大，且低层的逆时针偏转区域不断增大。高层西北急流动量快速下传过程中，携带了大量的冷空气不断向地面扩展，为暴雨过程的发生提供良好的动力条件。随着高层西北急流下传，低空风速渐渐加大，15:30在1 260 m高度出现12.0 m/s的西北急流；接着15:42西北急流继续向下扩展到1 020 m，在16：42之后12.0 m/s的西北急流位置高于1 500 m（图4），对应15:00和16:00出现4.4和4.5 mm的强降水。之后高层偏西气流逐渐转为西南气流，同时低层西北气流转为偏西气流且风速逐渐减弱，降水量也开始减小。20:06起高层西南气流第二次转为偏西气流，同时低层偏西气流也开始转为西北气流，20:42在3 500 m由偏西气流逐渐转为西北气流，使得低层的西北气流厚度加大，风速逐渐加大，因此高层西北急流动量快速下传过程中，携带了大量的冷空气不断向地面扩展，从而进入本次暴雨过程的第二次强降水阶段；22:24高层到低层有很强的西北气流，660 m的风速达到18.0 m/s，随后西北气流继续向地面扩展并加强，22:42在660 m的风速达到21.70 m/s，达到本次暴雨过程中低空急流的最大风速，这时段降水也是在本次暴雨过程中最强阶段，小时雨强达到5.7 mm。说明高层强西北气流的动量下传导致低层西北气流的加强，低层西北气流的加强滞后于高层西北气流加强的下传；强降水时段出现在低层西北气流的加强时段。20日02:06后，风廓线雷达探测高度从5 000 m降到 3 500 m，说明中高层被干空气控制[11]，气流方向也是从西北气流转为偏西气流，系统处于移出阶段，降水也趋于减小。

2.2 垂直速度

垂直速度（该垂直速度未经落速订正，所以降水时代表了空气的垂直运动和降水粒子的下沉运动的总和，下同）是正速度表示随高度为上升运动，而负速度表示随高度为下沉运动。在19日14:00起整层大气处于上升运动，480～600 m处有2.1 m/s的上升速度大值区，15:36随着强西北气流携带冷空气入侵低层，从而地面到1 500 m之处上升速度加强至5.0 m/s左右，并维持到18:24，期间最大上升速度达8.6 m/s（图5），这与乌鲁木齐当天的自动站观测事实一致，即15:00开始下小雨，4 h雨量达12.6 mm。22:18前垂直速度逐渐减弱，但始终维持3 m/s左右；上升速度大值区也维持在地面到1 500 m左右，对应18:00—21:00降水随着垂直速度减弱逐渐减少，22:24—22:42上升速度从 3 m/s下降到 1 m/s，而22:48上升速度突然增强到6 m/s左右，上升速度大值区重新回到1 500 m左右，此种情况维持到23:24，在实况上22:00降水量突然增大，1 h降水量为5.7 mm，比前一个小时降水量多5.2 mm，23:30上升速度逐渐减弱，最后在05:00整层上升速度已经减弱到1.0 m/s以下，降水结束。由以上分析发现，当风廓线雷达在低层探测到约大于2 m/s的上升速度时，降水开始，相反，探测到约小于2 m/s的上升速度时，降水结束，且低层上升速度越大降水越强。

2.3 折射率结构常数（）

3 结论

（1）500 hPa环流场上随着乌拉尔阻塞高压脊衰落，西西伯利亚低槽与中亚低涡减弱而形成的低槽迭加东移；700 hPa有弱切变维持且850 hPa偏北风持续；200 hPa高空场西南急流强盛；高空急流与低空辐合区相配合，引发的强垂直上升运动触发了此次暴雨天气。来自地中海的水汽沿着伊朗高原—里、黑海—巴尔喀什湖—北疆的西南路径输送至新疆，这种充沛的水汽是触发此次暴雨的必要条件。

（2）前期深厚、长时间的西南气流为暴雨的产生积累了大量能量；高层西北气流快速下传过程中，携带大量的冷空气不断向地面扩展，为暴雨过程提供了很好的动力条件；同时激发了低空急流，随着低空急流的加强，降水强度不断加大；强降水时段出现在低空西北气流的加强时段。

（3）风廓线雷达探测的垂直速度大小分布变化与降水过程的开始、结束以及降水强度变化有较好的对应关系。低层上升速度2 m/s可以作为降水临界值，当低层上升速度大于2 m/s时降水开始，垂直速度越大降水越强。

风廓线雷达可以清楚地展示为暴雨过程提供充足能量的风场的垂直结构及其变化特点，直观地反映降水过程中风场的变化特征，也弥补了常规资料分辨率不高的缺点，为准确预报降水的变化提供一定的资料依据。但以上分析所得出的一些结论还未经大量样本验证，尚待进一步的定量分析研究。

[1]顾映欣，陶祖钰.UHF多普勒风廓线雷达资料的初步分析和应用[J].气象，1991，17（1）：29-33.

[2]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，2003，19（3）：285-290.

[3]张京英，漆梁波，王庆华.用风廓线产品分析一次暴雨与高低空急流的关系[J].气象，2005，31（12）：41-45.

[4]王秀玲，郑秉浩，陈昱.一次全区暴雨中的风廓线雷达特征[J].广东气象，2009，31（3）：29-31.

[5]王敏仲，何清，魏文寿，等.新疆百里风区大风天气的风廓线雷达资料分析[J].沙漠与绿洲气象，2012，6（4）：52-59.

[6]王敏仲，魏文寿，何清，等.边界层风廓线雷达资料在沙暴天气分析中的应用[J].中国沙漠，2011，31（2）：352-356.

[7]牟欢，阿不力米提江·阿布力克木，赵凤环.T639和德国模式对新疆大降水预报的检验 [J].沙漠与绿洲气象，2013，7（1）：12-15.

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[9]陶诗言．中国之暴雨[M]．北京：科学出版社，1980：7-8.