冷涡背景下风廓线资料在沈阳对流天气预报中的应用

2016-11-25吴宇童柴晓玲崔景琳

干旱气象 2016年5期

关键词：风廓冷涡雷暴

李典，鲁杨，吴宇童，李崇，柴晓玲，崔景琳，张帅

(辽宁省沈阳市气象局，辽宁沈阳 110168)

冷涡背景下风廓线资料在沈阳对流天气预报中的应用

李典，鲁杨，吴宇童，李崇，柴晓玲，崔景琳，张帅

(辽宁省沈阳市气象局，辽宁沈阳 110168)

选取2013年9月—2014年10月影响沈阳城区的冷涡个例，利用风廓线雷达探测产品，分析其在两类对流天气(雷暴类和冰雹类)中的变化特征，寻找预警指标。结果表明：通过分析环流背景场、物理量特征值和风廓线雷达探测产品可以判别对流类型，且具有一定的预警时效。两类对流发生前均出现动量下传现象，雷暴类下传时间早于冰雹类，但大值风速偏小；雷暴类大气折射率结构常数大值区高度、垂直风切变大值区高度和对流发展高度均低于冰雹类。

风廓线雷达；冷涡；对流天气；预警

引言

风廓线雷达资料较常规观测资料具有明显的优势，其较高的时空分辨率，弥补了常规资料时空分辨率不足的问题，可以有效地探测对流云团的变化特征[1-10]，因此受到广大学者们的重视。明虎等[11]应用边界层风廓线雷达资料对层状云降水进行探测试验，利用垂直速度功率谱数据计算谱参数，根据其变化特点确定0 ℃层高度，并对雨滴谱进行反演，结果表明：中粒子和大粒子浓度的多少是引起回波强度大小的主要因素；黄志勇等[12]利用风廓线雷达和地基微波辐射计观测资料，探讨这2种资料在冰雹天气监测预警中的应用，发现降雹前约0.5 h，0～4 km垂直速度随高度波动明显增大，0～6 km始终存在较深厚的垂直风切变，水平风垂直切变在2～2.5 km的正中心与冰雹相对应；周芯玉等[13]利用风廓线雷达资料，对广州2次暴雨过程的低空流场进行分析，指出暴雨发生前，动量由高空迅速下传，且不断增强，使得强风速不断下传，导致低空急流的建立及增强，从而使上、下层垂直风切变增大，为暴雨的发生提供了良好的动力条件；何雨芩等[14]利用风廓线雷达对6次降水过程进行探测，认为风廓线雷达对降水天气进行探测时，所获得的大气演变特征能够为短临预报提供技术支持；孙旭映等[15]利用甘南玛曲风廓线仪探测的强降水资料，分析了风廓线雷达探测的强信号与降水强度的对应关系，发现在降水情况下，风廓线雷达探测到的4 m·s-1的垂直速度反映了降水的开始和结束，且大气折射率结构常数与降水强度有很好的对应关系。

2014年沈阳大范围的暴雨雪天气偏少，但冷涡背景下产生的局地对流天气频发，强对流天气多以雷暴为主，有时伴有冰雹和大风。冷涡产生的对流降水一直是沈阳气象预报的难题，之前的预报工作由于缺乏高时空分辨率资料，特别是缺乏连续性的高空风观测，因此导致沈阳涡后对流降水的预报准确率较低。沈阳市气象局以全运会精细化预报服务为契机，在观象台建设了风廓线雷达，可实现全天候风场观测，时间分辨率为5 min，垂直探测高度最小分辨率为120 m。

本文选取2013年9月—2014年10月影响沈阳城区的冷涡个例，对其进行分类划分，利用风廓线雷达探测的风廓线、垂直速度、信噪比和大气折射率结构常数等产品，分析探测产品在每类对流天气中的变化特征，试图揭示其在沈阳对流天气中的应用意义，寻找预警指标。

1 资料选取

利用实况观测资料，选取2013年9月—2014年10月影响沈阳城区的冷涡个例，将其分为雷暴类和冰雹类。分析风廓线雷达探测的基本产品在2类对流天气中的变化特征。

冷涡个例的选取方法：根据500 hPa环流形势场，筛选出冷涡天气系统，根据预警发布情况，找出对流天气，利用城区降水实况信息，确定影响个例。共筛选出对流天气6例(表1)，其中冰雹类对流天气3例：2013年9月2日、2014年5月21日为沈阳本站出现冰雹(5 mm≤直径<20 mm)、2014年8月17日城区出现冰雹(直径<5 mm)；雷暴类对流天气3例。

表1 冷涡影响下的对流天气个例发生时间

2 环流背景及物理量特征

2.1 环流场

根据冷涡背景下2类对流性天气的500 hPa高度场、850 hPa风场(图1)并结合高、低空配置图(图2)，分析2类对流天气的环流场特征。发现3次雷暴类过程中，冷涡中心位于45°N以北的内蒙古东北部，中心强度为568 dagpm，沈阳处于冷涡底前部，受槽前西南暖湿气流控制，干冷空气入侵不明显，0 ℃层高度相对较高(表2)；3次冰雹类过程中，冷涡中心位于黑龙江附近，中心强度在556～568 dagpm，强度较雷暴类强，位置较雷暴类偏南，沈阳处于冷涡的底部或底后部，受偏西气流或西北气流控制，有利于干冷空气输送，0 ℃和-20 ℃层高度较低(表2，2014年8月17日高度层不明显)。

2.2 物理量特征

表2是雷暴类和冰雹类对流天气的不同物理量特征值，在冰雹类天气个例中，2014年8月17日沈阳城区观测到小冰雹，但本站并未出现，因此主要针对另2次冰雹过程与雷暴类个例进行对比。雷暴类天气的K指数比冰雹类天气略大，且850 hPa水汽条件较好，根据K指数公式：K=(T850-T500)+Td850-(T700-Td700)，结合表2中数据，发现雷暴类天气中700 hPa温度露点差相对较小。综合分析，3次雷暴过程个例的水汽条件比冰雹类天气好，主要是由于雷暴过程均发生在冷涡底前部，槽前暖湿气流输送明显，而冰雹类天气过程发生在冷涡底部或底后部，上空为偏西气流或西北气流控制，不利于水汽输送；2类对流天气均存在浅薄的逆温层，为午后对流天气的发生积累能量；冰雹类天气0 ℃层和-20 ℃层的高度明显低于雷暴类天气，有利于冰雹的产生。

2.3 风廓线

图3是冷涡背景下冰雹类和雷暴类天气的风廓线特征。从2014年8月14日雷暴类对流过程来看，对流发生前，1 000 m以下为一致的偏南风，随着对流开始，偏南风厚度开始增加，表明暖湿空气输送增强，1 000～2 500 m为西南风或偏西风，2 500 m以上为南西南风，风向随高度呈顺转后再逆转，暖平流上叠加冷平流，形成不稳定；2014年8月15日雷暴类对流发生前，风向随高度顺转，为暖平流，整层为西南风或偏西风，14:35—14:45存在高空风的动量下传，这有利于高空的干冷空气向下传输；2014年9月2日雷暴类对流发生前，750 m以下为偏北风，以上为西南风或偏南风，风向随高度逆转，为冷平流，17:20雷雨开始，750 m以下转为偏南风，17:50后近地面层再次转为偏北风，此时降水趋于结束，雨强<1 mm·h-1。

从2013年9月2日冰雹类过程来看，对流发生前，高、低空为一致的偏北风，随着对流的临近，中高层西北风风速减弱，对流发生时，750 m以下转为偏南风，这有利于低层暖湿空气的输送，同时中高层西北风逐渐转为偏西风，预示着横槽的到来；2014年5月21日冰雹类对流发生前，3 000 m以上存在明显西北风大风区，以下为偏西风或西南风，整层为暖平流，16:35—16:40高空西北风携带干冷空气向下传输，利于冷暖空气的相互作用；2014年8月17日冰雹类对流发生前，750 m以下西南风逐渐增大，750～3 150 m维持弱的偏南风，3 150 m以上为弱的西北风，对流发生时，西南风风速大值区向上扩展，且高层转为偏西风。

图2 冷涡背景下雷暴类(a)与冰雹类(b)天气的高、低空配置图

物理量雷暴类2014-08-142014-08-152014-09-02冰雹类2013-09-022014-05-212014-08-17K指数/℃323424222330850hPa与500hPa温差/℃252726293128850hPa露点温度/℃1196-128逆温层温差/℃1111320℃层高度/m356536483819249427773724-20℃层高度/m677368867145556158717170

2.4 急流

图4是冷涡背景下雷暴类与冰雹类对流天气高空水平风速(≥12 m·s-1)的时间—高度剖面。雷暴类对流发生前，3次过程均存在风速大值带，且随着对流开始，风速动量下传，使高层干冷空气向低层暖湿空气传输，为雷暴的产生提供了动力条件。2014年8月14日动量下传较对流发生提前5～25 min，2014年8月15日提前30～45 min，2014年9月2日提前0～10 min。

冰雹类天气个例，表现出与雷暴类天气相似的特征，均出现风速动量下传现象。2013年9月2日动量下传较对流发生提前20～25 min，2014年5月21日提前20～25 min，2014年8月17日提前0～10 min。冰雹类动量下传的提前时间较雷暴类天气短，且冰雹类(尤其是前2次本站出现的冰雹过程)天气个例的风速大值明显高于雷暴类天气。冰雹类天气强风速大值区存在时，有利于动力抽吸作用的增强，加之动量下传时风速较大，使冷暖空气强烈混合，提高了冰雹出现的可能性。

2.5 大气折射率结构常数

风廓线雷达主要是探测大气中不规则的折射，在折射率起伏场中，大气折射率结构常数通常表示大气中折射率不均匀性的程度，不均匀性程度主要取决于温度变化或水汽压的脉动变化。当出现降水时，大气中的水汽含量明显增加，致使大气折射率结构常数增大，并常伴有探测高度增加的现象[6]。

图5是冷涡背景下雷暴类与冰雹类天气的大气折射率结构常数的时间—高度剖面。可以看出，雷暴天气随着对流临近或发生，大气折射率结构常数增加明显，相对大值出现在1 950 m以下，为水汽集中区。1 950 m以上大气折射率结构常数接近0，主要是由于水汽含量迅速减小的缘故。2014年8月15日结构常数较对流发生提前25 min开始增加，对比图3，2014年8月15日低空西南急流建立较早，水汽含量较另2次过程充足，因此结构常数大值区出现的时间较早。如果大气折射率结构常数增加时，对流还未发生，可提示预报员关注对流天气。

分析冰雹类对流天气，大气折射率结构常数表现出与雷暴类天气相似的特征，即随着对流的临近或发生，大气折射率结构常数增加明显，相对大值出现在1 950 m以下。冰雹类天气大气折射率结构常数的量级在10-3～10-1，尤其是本站发生冰雹时，量级都为10-1，而雷暴类的量级在10-4～10-3，这主要是由于冰雹类天气中冰晶粒子大量存在的缘故。

2.6 垂直风切变

计算上下层风矢量的变化值，得到垂直风切变(图6)。风切变增大时，有利于高、低空冷暖气流加速混合，形成大气不稳定。

从雷暴类天气的垂直风切变时间—高度剖面看出，随着对流临近，垂直风切变呈增加趋势，且大值区位于1 000 m以下。2014年8月14日风切变较对流提前15～25 min，2014年8月15日提前35～40 min，2014年9月2日提前0～5 min。

冰雹类垂直风切变的时间—高度剖面表现出与雷暴类天气相似的特征，但冰雹类垂直风切变大值区出现在1 350～2 000 m，较雷暴类天气大值区的高度高，这有利于中层干冷空气入侵。2013年9月2日风切变较对流提前20～25 min，2014年5月21日提前20～25 min，2014年8月17日提前5～10 min。

2.7 垂直速度和信噪比

风廓线仪探测的垂直速度为空气垂直运动和降水粒子下沉运动之和，朝向风廓线雷达方向为正。表示回波功率的SNR是雷达信号中气象信号与噪声信号之比，SNR越大，对应回波功率越强[6]。

图7是冷涡背景下雷暴类天气的垂直速度和信噪比的时间—高度剖面。可以看出，2014年8月14日对流发生前15 min，垂直速度和信噪比开始增加，当垂直速度≥4 m·s-1，且信噪比≥40 dB时，降水开始。垂直速度和信噪比的大值区高度接近5 550 m，说明对流云团的发展高度≥5 550 m，但3 390 m以上高度信噪比明显减弱，对降水的贡献减弱；2014年8月15日对流前35 min，垂直速度开始增加，对流前30 min，信噪比开始增加。垂直速度和信噪比的大值区高度均接近3 150 m，对流发展高度≥3 150 m；2014年9月2日对流前5 min，垂直速度开始增加，对流发生时，信噪比开始增加，其对流发展高度≥3 150 m。

从冷涡背景下冰雹类天气的垂直速度和信噪比的时间—高度剖面(图8)看出：其表现出与雷暴类天气相似的特征，但冰雹类天气的垂直速度最大值均≥8 m·s-1，且对流发展高度较高，尤其是本站发生冰雹的2次过程，高度均≥6 750 m，且整层信噪比衰减不明显。2013年9月2日对流前25 min，垂直速度开始增加，对流前15 min，信噪比开始增加；2014年5月21日对流前35 min，垂直速度增加，对流前15 min，信噪比增加；2014年8月17日对流前15 min，垂直速度增加，对流前10 min，信噪比增加。

3 分类预警指标

3.1 对流类别判断

(1)雷暴类对流判别依据

环流及物理量判别：冷涡中心位于45°N以北，中心强度568 dagpm，沈阳处于冷涡的底前部，0 ℃层高度>3 500 m，850 hPa与500 hPa温差>25 ℃。

风廓线产品判别：高空水平风速一般<20 m·s-1，大气折射率结构常数量级在10-4～10-3，垂直风切变大值区在1 000 m以下，雷暴类对流发展高度≥3 150 m，信噪比在3 390 m以上时，明显减弱。

(2)冰雹类对流判别依据

环流及物理量判别：冷涡中心位于45°N附近或以南，中心强度556～568 dagpm，沈阳处于冷涡的底部或底后部，0 ℃层高度<2 800 m，-20 ℃层高度<5 900 m，850 hPa与500 hPa温差>28 ℃。

风廓线产品判别：高空水平风速一般>20 m·s-1，大气折射率结构常数量级在10-3～10-1，垂直风切变大值区在1 350～2 000 m，垂直速度最大值≥8 m·s-1，对流发展高度≥6 750 m，整层信噪比衰减不明显。

3.2 预警时效

基于风廓线雷达探测产品，雷暴类和冰雹类的提前预警时效见表3。

表3 分类预警时效

图7 冷涡背景下雷暴类对流天气垂直速度(左，单位：m·s-1)和信噪比(右，单位：dB)的时间—高度剖面 (a、b)2014年8月14日，(c、d)2014年8月15日，(e、f)2014年9月2日

图8 冷涡背景下冰雹类天气垂直速度(左，单位：m·s-1)和信噪比(右，单位：dB)的时间—高度剖面 (a、b)2013年9月2日，(c、d)2014年5月21日，(e、f)2014年8月17日

4 结论

(1)冷涡背景下雷暴类天气冷涡中心位置较冰雹类偏北，强度偏弱。0 ℃层高度<2 800 m，-20 ℃层高度<5 900 m，850 hPa与500 hPa温差>28 ℃，出现冰雹的概率较大。

(2)雷暴类与冰雹类对流发生前，均出现动量下传现象，雷暴类下传时间早于冰雹类对流，但风速大值偏小，一般<20 m·s-1，冰雹类风速大值一般>20 m·s-1。

(3)随着对流临近或开始，大气折射率结构常数和垂直风切变增加明显，如果大气折射率结构常数增加时，对流还未发生，可提示预报员关注对流天气。雷暴类对流大气折射率结构常数量级在10-4～10-3，而冰雹类对流量级在10-3～10-1。雷暴类垂直风切变大值区出现的高度低于冰雹类对流天气。

(4)垂直速度增加时，不能作为判断是否为降水开始的标志。雷暴类对流发展高度低于冰雹类。

[1] 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.

[2] 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,2005,31(12):41-45.

[3] 何平,朱小燕,阮征,等. 风廓线雷达探测降水过程的初步研究[J]. 应用气象学报,2009,20(4):465-470.

[4] 周之栩. 风廓线雷达资料在暴雪天气过程中应用[J]. 气象与环境科学,2012,35(4):70-72.

[5] 林中庆,曹亚平,赵小伟. 风廓线雷达资料在一次强对流天气过程中的应用[J]. 气象研究与应用,2011,32(3):19-22.

[6] 李典,李崇,班伟龙,等. 风廓线雷达资料在沈阳冰雹天气预报中的分析应用[J]. 中国农学通报,2015,31(2):243-248.

[7] 刘吉,范绍佳,方杏芹,等. 风廓线仪研究现状与应用初探[J]. 热带气象学报,2007,23(6):693-697.

[8] 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.

[9] 张利平,陈阳权,朱国栋,等. 乌鲁木齐机场一次冬季东南风引起的低空风切变分析[J]. 沙漠与绿洲气象,2012,6(6):45-50.

[10] 阿不力米提江·阿布力克木,于碧馨,李海燕. 乌鲁木齐风廓线雷达资料在暴雨天气分析中的应用[J]. 沙漠与绿洲气象,2014,8(3):42- 47.

[11] 明虎,王敏仲,阮征,等. 风廓线雷达对天山中部一次层状云降水过程的探测分析[J]. 气象,2014,40(12):1513-1521.

[12] 黄治勇,周志敏,徐桂荣,等. 风廓线雷达和地基微波辐射计在冰雹天气监测中的应用[J]. 高原气象,2015,34(1):269-278.

[13] 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,2015,34(2):526-533.

[14] 何雨芩,黄兴友,孙绩华. 基于风廓线雷达资料的不同区域降水特征分析[J]. 灾害学,2015,30(3):191-197.

[15] 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,2013,27(12):186-192.

Application of Wind Profiler Radar Data to Convective Weather Forecast Under Background of Cold Vortex in Shenyang

LI Dian, LU Yang, WU Yutong, LI Chong, CHAI Xiaoling, CUI Jinglin, ZHANG Shuai

(ShenyangMeteorologicalBureauofLiaoningProvince,Shenyang110168,China)

Based on cold vortex cases influencing Shenyang during September 2013 to October 2014 and wind profiler radar data, the characteristics of profiler products were compared between thunderstorm and hailstone weather processes, and some nowcasting indicators were found. The results show that the severe convective weathers could be judged according to the diagnosis of large-scale circulation background, the physical quantity characteristic value and the profiler products. On this basis, some results were helpful to warning effectiveness. Before the two kinds of convective weathers happened, there was phenomenon of momentum transport downward, but it occurred earlier for thunderstorm weather, and extreme wind speed was smaller. The altitude of big value area of atmosphere refractive index structure constant and vertical wind shear, and convection development height were lower under thunderstorm condition than those under hail condition.

wind profiler radar; cold vortex; convective weather; warning

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0886

2015-12-29；改回日期：2016-03-30

2015年度中国气象局预报员专项(CMAYBY2015-016)和2014年度沈阳市气象局预报员专项共同资助

李典(1987-)，男，吉林省长春市人，工程师，主要从事短临天气预报研究. E-mail：30722593@qq.com

1006-7639(2016)-05-0886-12 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0886

P457

李典，鲁杨，吴宇童，等.冷涡背景下风廓线资料在沈阳对流天气预报中的应用[J].干旱气象，2016，34(5)：886-897, [LI Dian, LU Yang, WU Yutong, et al. Application of Wind Profiler Radar Data to Convective Weather Forecast Under Background of Cold Vortex in Shenyang[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):886-897],