风廓线雷达资料在冀中一次强降水天气预报中的应用

许 敏，张 瑜，张绍恢

(1.河北省廊坊市气象局，河北 廊坊 065000；2.河北省文安县气象局，河北 文安 065800)



风廓线雷达资料在冀中一次强降水天气预报中的应用

许 敏1，张 瑜2，张绍恢1

(1.河北省廊坊市气象局，河北 廊坊 065000；2.河北省文安县气象局，河北 文安 065800)

通过运用常规气象站、自动站、风廓线雷达资料和NCEP(1°×1°)再分析资料对2015年7月30日出现在京津之间的一次短时强降水天气进行综合诊断，特别是深入分析了降水开始前大气的风场特征。结果表明：(1)低空急流在强降水开始前2 h左右出现，其不仅为短时强降水的爆发提供充足水汽，同时也是700 hPa以下对流不稳定层结的建立者和不稳定能量释放的触发者；(2)强降水发生前约90 min在1 000 m高度以上出现上升气流，此后其所在最低高度下降，厚度增加，30 min后上升气流达到最强盛；随着降水的临近，上升气流开始减弱，降水开始后，下沉气流迅速占据绝对主导地位；(3)强降水发生前70 min边界层有冷平流形成，西南暖湿气流在其上爬升，使得水汽和能量积聚，中层冷空气开始楔入并发展强盛，表明冷暖空气强烈交绥，同时能量释放；(4)低空急流指数的脉动虽与强降水的发生有密切关系，但并不是高指数就一定会出现强降水，雨强的变化除了与低空急流有关，还与水汽、动力以及热力等多种因素相关，是一种综合条件共同作用的结果；(5)强降水形成所需的水汽、动力、热力等条件均在降水出现前积累加强，这种强烈的信号一般提前60～120 min达到极致，为强降水的临近预报提供了科学依据。

短时强降水；风廓线雷达；风场特征

引 言

随着气象业务的发展和对天气预报服务需求的增加，对短时强降水的深入研究显现出日益重要的作用，而精细化、准确率高的预报、服务产品离不开高时空分辨率产品的充分应用。风廓线雷达是世界气象组织认可并推荐应用于业务的一种地基遥感设备，与传统的气球和无线电探测方法相比，它的优点在于可以全天候无人值守探测、实时性好且能获取高时空分辨率、高探测精度的多种类连续性探测资料，从而从不同角度揭示生命史短、尺度小的天气系统的连续变化过程。

美国中部地区建成了由32部对流层风廓线雷达组成的风廓线雷达网，以监测输送墨西哥湾暖湿空气的低空急流和它引起的雷暴活动，弥补了常规高空站网空间密度和时间密度上的不足，在美国中尺度灾害天气的监测中发挥了重要作用；日本和印度的科学家在印度的Gadanki地区使用LAWP风廓线雷达对低层大气进行连续性试验，在热带地区的风、扰动和降雨云系的研究等方面取得重要成果[1]。国内针对风廓线雷达在天气预报和科研方面的应用也开展了多项研究[2-10]，如汪小康等[11]分析风廓线雷达等资料后认为降水开始前15 min，对流层中低层有显著倾斜上升气流；徐铖等[12]对比了风廓线雷达和多普勒雷达风廓线产品在不同天气状况下的探测资料，发现晴天和大降水情况下两者差别较小，可信度较高，在小降水和系统过境时差别较大；王开燕[13]等利用广州南沙的风廓线雷达资料对雾霾日能见度与风速进行了相关性分析。

强降水(中等及以上强度雨雪天气)是由大量水汽在降水地区强烈辐合上升，在上升过程中凝结成云，之后变为雨滴下降的过程，从其形成机理的角度来讲，物理量的垂直分布特征对降水的预报尤为重要。之前，河北廊坊预报员对垂直物理量的实时分析主要依据北京探空站的气象资料，但众所周知，探空资料由于时间尺度相对较长且探空气球随风飘动的特点，有时不一定能真实反映当地的大气垂直分布特征，并且无法探测到物理量的连续变化，使得中小尺度系统的研究受到一定的限制，因此将河北大厂的风廓线雷达资料应用于本地的降水预报是一项紧迫而具有重要意义的事情。

1 资料介绍

所用的风廓线雷达资料为河北大厂风廓线雷达(116°56′47″°E，39°54′45″°N)资料，雷达型号为CFL-03ZC，具体技术参数见表1。大厂地处华北平原北部，西、西南与北京通州隔潮白河相望，2014年11月大厂风廓线雷达的建成不仅弥补了河北中北部探空资料时间和空间密度的不足，也有效补充了首都周边的新型探测资料，为天气预报、特别是重大活动的气象保障提供了更多的参考资料。

表1 LFC-03ZC风廓线雷达基本技术参数

2 天气过程

2.1 降水实况

2015年7月30日下午，北京顺义、通州及与其毗邻的河北三河市和大厂县出现短时强降水天气，整个过程持续约3 h，其中三河市大部分地区雨量超过50 mm，最大的高楼镇达到111.8 mm，最大雨强出现在齐心庄镇，小时雨量为56.6 mm。大厂县强降水出现在16:00—17:20(北京时，下同)(图1)，县观测站雨强最大时段在16:15—16:35，最大分钟雨强为2.2 mm·min-1，小时雨量达到29.4 mm，全县的最大降水出现在夏垫镇，2 h雨量为54.1 mm，最大小时降水量为37.4 mm，降水期间上述地区多条路段出现严重积水，造成下班晚高峰时段的长时间交通拥堵。

图1 2015年7月30日大厂和夏垫镇逐分钟降水量演变

2.2 天气形势

7月29—30日500 hPa有低槽从贝加尔湖向华北地区移动，30日14:00(图2)，西风槽槽线东移至河北中部，三河市正位于槽前的西南气流中，正涡度平流使高层辐散低层辐合，上升气流加强；而低层850 hPa上，张家口、北京和承德一线出现明显的东西向低空切变，不仅加强了水汽向降水地区的集中程度，也进一步加剧了上升运动，使得输送至降水区的水汽不断被抬升，最终形成短时强降水。7月29日华北中南部就出现较大范围降水，至30日08:00地面形成一定的北高南低回流形势，且京津冀均出现轻雾，表明近地面水汽条件较好，到14:00回流形势更加明显(图3)，偏东风为华北地区提供了一定的水汽供给，东北经渤海南下的冷空气也在三河附近形成冷垫，低空暖湿气流在其上爬升，极易触发强降水。

2.3 不稳定能量条件

从北京探空站资料获得不稳定能量参数(表2)，可以看到，在强降水开始前8 h，即7月30日08:00，不稳定能量已经开始积累，K指数达到36 ℃，而CAPE值也超过1 000 J·kg-1；随着降水临近，14:00K指数升至40 ℃，沙氏指数为-5.02 ℃，同时CAPE值达到2 030.1 J·kg-1；17:00后，降水逐渐减弱直至停止，CAPE值20:00时仅为26.6 J·kg-1，而另外2种指数的下降不及CAPE值敏感。

图2 2015年7月30日14:00 500 hPa高度场 (等值线，单位：dagpm)和850 hPa 风场(风羽，单位：m·s-1)

图3 2015年7月30日14:00海平面气压场(单位：hPa)

K指数/℃SI/℃CAPE/J·kg-108：0036-4．081240．714：0040-5．022030．120：0040-3．3126．6

3 垂直风场及雷达反射率因子特征

3.1 风向风速垂直分布

通过垂直风廓线的分析可以了解风向、风速随时间和空间的不连续变化，从而掌握天气系统的活动[14]，另外低空急流的强度、高度以及出现时间对强降水的发生也有重要意义。

为了定量研究短时强降水与低空急流的关系，引入低空急流指数[15]，其计算公式为：Ij=V/D，V为2 km以下边界层急流中心最大风速(单位：m·s-1)，D代表12 m·s-1风速在该时次中的最低位置(单位：km)。因强降水结束后风速仍可能达到12 m·s-1以上，但此时风向转为非西南风，其对降水强度的维持已没有正的贡献，将这一时刻的风速引入公式并不能真实反映西南低空急流的变化情况，因此，本文计算过程中V值取2 km以下边界层西南风最大风速，D值取12 m·s-1西南风风速在该时次中的最低位置。

为了进一步对低空垂直风切变做定量分析，以了解其对强降水的贡献，以及其在强降水前后的变化特征，依据低空风切变标准[16]，结合本地风廓线雷达具体参数，将低空风切变指数的计算方法定义为：Is=Vs/ΔH，其中Vs为约600 m高度以下的最大垂直风切变风速，ΔH为2个风矢量间的高度，文中取值为60 m。

对于大厂而言，降水出现在30日16:00—18:00之间，雨强较大的时段集中在16:00—16:40和17:10—17:20。从风廓线的演变特征(图4)可以看到，7月30日13:00—13:54，1 500～3 000 m(850～700 hPa)风向较为杂乱，随后30 min内虽然同一时次垂直方向风向转为一致，但沿时间序列来看风向还不稳定，部分时次为偏西风，其它时段多为整层的偏东风，但在1 000～500 m(约925 hPa)高度出现了超低空急流，最强低空急流指数达到38 m·s-1·km-1，至14:42后超低空急流消失，1 500～3 000 m开始逐渐转为一致的西南风,风向的转换预示着西南低空急流的形成，且最大风速达到42.6 m·s-1。从图5看出，700 hPa相对湿度迅速跃增至70%，925 hPa边界层以下达到90%，低层湿度增大，同时湿层厚度增厚。另外，1 000 m附近出现的垂直风切变使得上升速度在14:48迅速达到0.8 m·s-1(表3)，大气上升运动的加强为强降水的形成创造了优越的动力条件。此后约50 min内低空急流强度处于较低水平，低空急流指数在5 m·s-1·km-1以下，但维持有弱的低空垂直风切变。16:00左右，当最大垂直风切变高度抬升至1 500 m，且切变指数明显增大时，低空急流指数迅速跃增至29.6 m·s-1·km-1，15:30—16:42的大部分时段低空急流指数达到10～30 m·s-1·km-1，最大垂直切变指数达到0.18 s-1，同时3 000 m高度西南风的加大和垂直切变位置由1 000 m抬升至2 000～2 500 m，使得16:10—16:30大厂观测站和夏垫镇均出现了降水过程中雨强的第一个峰值；此后至17:06低空急流维持，最大垂直风切变仍可达到0.04～0.06 s-1，加之前期积累的水汽还未完全释放，促使第二阶段强降水的出现。可见，低空风切变指数的增大与强降水出现时间的吻合度较高，而低空急流约在强降水爆发前2 h形成。强降水预报中通过数值模式提供的细网格产品，结合对风廓线雷达数据的监测可更为准确地判断强降水的出现时间。

图4 2015年7月30日大厂6 min间隔的垂直风廓线(a，b)及低空急流 指数(c)和最大垂直风切变指数(d)随时间的变化

图5 大厂上空相对湿度(单位：%)随时间的变化 (粗黑线表示短时强降水开始前至发生过程 中相对湿度≥70%的湿层变化)

3.2 垂直气流

为了分析垂直气流与强降水的相关性，图6和表3给出垂直速度的时间—高度剖面以及上升气流的分布情况。强降水开始前89 min，大厂上空1 080 m高度以上出现最大速度为-0.4 m·s-1的上升气流，垂直厚度达1 320 m，此后约30 min内，上升气流所在最低高度下降至660 m，最大强度维持在-0.8～-0.2 m·s-1，厚度接近3 000 m，至此，上升气流强度和厚度达到极致，随着降水的临近，上升气流所在高度开始抬升，厚度也急剧减小；强降水开始前30 min，上升气流厚度迅速减小至360 m，同时所在最低高度也上升至3 720 m。综上所述，上升气流在强降水发生前约90 min出现，表明西南气流携带的水汽和能量开始在降水地区被迫抬升，此后约30 min后，上升气流达到最强盛，在强降水开始前60 min内高度抬升，厚度减小，强度迅速减小，直至降水开始后下沉气流占据绝对主导地位(因未对垂直速度作落速订正，所以降水时段内的速度代表空气垂直运动和降水粒子下沉运动的总和[17])。

3.3 温度平流

为了进一步了解强降水开始前冷暖平流的变化，图7给出水平风向随高度的变化。30日14:48前后，大厂上空500 m以下风向随高度逆时针旋转，1 500～3 500 m形成稳定的西南气流，且风随高度顺时针旋转，表明暖湿平流开始在冷空气垫上爬升，水汽和不稳定能量大量积聚；至15:06，低层冷平流消失，而1 500 m高度(850 hPa)有冷空气楔入，使得对流继续加强发展；至15:48，1 000～3 500 m基本为冷平流控制，冷暖空气交绥达到最强，短时强降水一触即发。可见，强降水开始前约70 min，中层冷空气的楔入和加强有助于不稳定能量的释放，并在降水开始前20 min达到最强。

图6 2015年7月30日垂直速度 (单位：m·s-1)时间—高度剖面

表3 2015年7月30日上升气流随时间的变化

图7 水平风向随高度的变化 (a)14:48，(b)15:06，(c)15:48

3.4 反射率因子特征

图8给出北京多普勒天气雷达反射率因子的演变，7月30日15:00左右，带状回波在北京东北部发展，在其东移过程中与承德方向南下的片状回波合并，16:00开始回波进入大厂北部，反射率因子强度明显增强，随后从三河、大厂过境时发展为超级单体，中心强度达到61 dBZ，此时低空急流较降水开始前抬升，低空垂直风切变达到最强(图4)，但由于强降水在下降过程中造成的拖曳作用强大，使得下沉气流迅速占据主导地位(图6)。由此可见，雷达反射率因子强度与低空风切变指数的变化存在明显的正相关关系，即回波最强、切变指数最大时，降水强度也随即达到最强。

图8 2015年7月30日北京多普勒天气雷达1.5°仰角反射率因子演变(单位：dBZ) (a)15:24,(b)15:48,(c)16:36,(d)16:48,(e)17:24,(f)18:00

4 结 论

(1)强降水开始前约2 h出现的低空急流不仅是水汽的提供者，也是700 hPa以下对流不稳定层结的建立者和不稳定能量释放的触发者，其对强降水的形成起到了至关重要的作用，雨强的大小与低空急流的维持时间、强度和垂直风切变的高度有密切关系。

(2)强降水发生前约90 min，1 000 m高度以上出现上升气流，此后其所在高度下降，厚度增加，30 min后上升气流达到最强盛；随着降水临近上升气流开始减弱，降水开始后，下沉气流迅速占据绝对主导地位。

(3)强降水发生前70 min，边界层有冷平流形成，西南暖湿气流在其上爬升，使得水汽和能量积聚，中层冷空气开始楔入并发展强盛，表明冷暖空气强烈交绥，能量释放。

(4)低空急流指数的脉动与强降水的发生有密切关系，但并不是高指数一定会出现强降水，雨强的变化除了与低空急流有关，还与水汽、动力以及热力等多种因素相关，是一种综合条件共同作用的结果，因此要判断强降水是否发生或概率有多大，还需要从更多角度去分析研究；相比而言，低空风切变和反射率因子强度与强降水的发生有更高的吻合度，综合分析数值模式细网格资料预报场和多普勒天气雷达、风廓线雷达监测数据，可为强降水的短临预报提供科学的参考依据。

(5)风廓线雷达可以直观反映强降水开始前至降水结束后大气的微观风场变化，对强降水的短临预报预警有重要意义和使用价值。定性判断和定量分析风向、风速随时间和空间的不连续变化，既可以掌握天气系统的活动，也可通过低空急流的出现时间、强度和垂直风切变的高度变化来判断雨强大小，从而提高强降水临近预报的准确度和提前时间量。

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Application of Wind Profiler Radar Data in a Heavy Precipitation Process in Central Hebei Province

XU Min1, ZHANG Yu2, ZHANG Shaohui1

(1.LangfangMeteorologicalBureauofHebeiProvince,Langfang065000,China; 2.Wen’anMeteorologicalStationofHebeiProvince,Wen’an065800,China)

Based on convertional weather stutions, automatic weather station, wind profiler radar data and NCEP reanalysis data, a short-time heavy rainfall occurring between Beijing and Tianjin on 30 July 2015 was analyzed, and the atmospheric wind field characteristics before precipitation was focused on. The results were summarized as follows:(1) Low-level jet appeared nearly two hours before the heavy rain, which not only provided sufficient moisture for outbreak of the short-time strong rainfall, but also established the convective instability stratification under 700 hPa and triggered the instability energy releasing.(2)The updraft appeared above 1 000 m about 90 minutes before the heavy rain , then its height was falling and thickness was increasing, and after 30 minutes, it achieved the most powerful. As the precipitation was near, the updraft began to weaken, and when the precipitation started, the sinking airflow rapidly occupied a dominant position. (3)Cold advection formed in the boundary layer 70 minutes before the heavy rain, and warm moist air flows climbed on it, which gathered water vapor and energy, and cold air on middle level began to invade and developed strongly. (4)The variation of low-level jet had close relationship with occurrence of heavy rain, but the change of rainfall intensity was not only associated with low-level jet, but also it was the result of joint action of water, power and thermal conditions.(5) The water, power and thermal conditions accumulated and strengthened before precipitation occurrence, and this strong signal was generally in advance 60 to 120 minutes, which provided scientific basis for heavy rain nowcasting.

short-time strong rainfall; wind profiler radar data; wind field

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0898

2016-03-20；改回日期：2016-06-08

河北省气象局科研开发项目“基于两种非常规资料的强降水短临预报研究”(15zc01)、廊坊市科技局项目“廊坊短时强降水预报预警技术研究”(2015013015)和廊坊市气象局自立课题“廊坊市雾霾、强降水的风廓线雷达特征研究”(201501)共同资助

许敏(1983-)，女，内蒙古包头市人，工程师，主要从事天气预报与决策服务工作. E-mail：hblfxm@163.com

1006-7639(2016)-05-0898-08 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0898

P457.6

A

许 敏，张 瑜，张绍恢.风廓线雷达资料在冀中一次强降水天气预报中的应用[J].干旱气象，2016，34(5)：898-905, [XU Min, ZHANG Yu, ZHANG Shaohui. Application of Wind Profiler Radar Data in a Heavy Precipitation Process in Central Hebei Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):898-905],