风廓线雷达资料在乌鲁木齐一次大暴雪过程分析中的应用

张月华，王 健，郑玉萍，张云惠

（1.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐830006；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

风廓线雷达是一种垂直大气探测设备， 其以每6 min 一次、垂直高度60～7500 m 的时空分辨率，弥补了常规探测手段的不足。 1994 年美国NOAA/NWS 和OAR 在风廓线仪的评估报告中指出， 风廓线雷达资料的应用和研究改进了多项气象业务，包括高空风探测率的提高；龙卷、雷暴、暴雨预警时效的提高；强烈天气系统监测和预报准确率的提高；对0～12 h 风的预报改善及对高空风场模式预报改善的贡献等[1]。 我国不少学者对风廓线雷达资料在强降雨、 强对流及降雪天气等方面的应用也做了很多研究[2-8]，表明风廓线雷达资料对风的垂直结构有较强的探测能力，且能够探测到切变线的存在；而垂直速度、 折射率结构常数Cn2清楚地反映了降水的开始、结束以及降水的强度，降水期间4000 m 高度以下的垂直速度越大降水越强，3～4 m·s-1的垂直速度出现和消失时刻， 对应降水的开始和结束时刻，Cn2随时间的增大、减小与降水的发生、发展和结束有较好相关性。而雨雪天气在雷达风廓线上的表现差别，主要是垂直速度，降雨较降雪时偏大。

随着乌鲁木齐风廓线雷达的业务应用， 新疆的气象专家针对乌鲁木齐暴雨（雪）也做了相关的初步研究[9-11]，指出在中高层西南（偏南）气流维持下，低空西北急流的加强与强降水有较好的对应关系，风廓线雷达清楚地反映了降水前后乌鲁木齐水平风向风速、垂直速度和Cn2的垂直变化，降水前后整层风切变明显，低层垂直速度2 m·s-1可作为降水临界值[9]，低层垂直速度越大降水越强； 强降水阶段整层大气折射率结构常数Cn2探测值在-128～-120 dB，且低层较强偏北风与Cn2大值区相对应，因此，风廓线雷达产品能够清楚地反映乌鲁木齐降水的开始、 结束以及降水的强度。

由于春、秋两季新疆冷空气活动频繁，乌鲁木齐作为首府城市，其三面环山的特殊地形，常有雨夹雪转大到暴雪的天气，对交通出行、城市运行、人民生活等影响较大。 但针对乌鲁木齐雨夹雪转暴雪的风廓线雷达资料应用研究较少，因此，本文对2018 年10 月17—18 日乌鲁木齐雨夹雪转大暴雪过程进行分析，为提高此类天气的精细化预报提供参考。

1 资料和方法

利用常规观测、 自动站逐时降水量及ECMWF1°×1°再分析等资料，分析天气实况、环流背景、物理量诊断等，并重点分析乌鲁木齐市风廓线雷达资料在本次雨夹雪转大暴雪过程的应用。

乌鲁木齐风廓线雷达为CFL-03 型边界层风廓线雷达，位于43.78°N，87.62°E，海拔935 m，2011 年业务运行。 风廓线雷达能够提供以风场为主的多种数据产品，包括水平风向（风速）、垂直风速和反映大气湍流的折射率结构常数Cn2等，乌鲁木齐风廓线雷达工作频率为1280 MHz，雷达波长为0.234 m；最小探测高度为60～120 m（与场地环境有关），最大探测高度为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。

2 降水实况和环流背景

2.1 降水实况

2018 年10 月17 日10:30—18 日18:00（北京时，下同），乌鲁木齐出现了雨转雨夹雪转大暴雪的天气过程（新疆暴雪标准日降雪量＞12 mm、大暴雪为日降雪量＞24 mm，下同），17 日10:30—22:00 为雨转雨夹雪，22:00 后转为雪，降雪持续到18 日18:00，过程总降水量35.5 mm（居历史同期第二），其中，17日22:00—18 日18:00 降雪量达24.7 mm 为大暴雪，最大雪强2.8 mm·h-1，其它时次雪强均维持在1 mm·h-1左右。 本次降水过程雨雪转换明显、降雪持续时间长、雪强变化不大，表现出明显的系统性、稳定性降水特征。

2.2 环流背景

17 日08 时降水发生前，500 hPa 欧亚范围内环流经向度较大，为两脊一槽型，欧洲高压脊发展，脊前北风带引导冷空气南下， 使得西伯利亚至中亚的长波槽向南加深， 低槽南段南伸至中亚地区40°N附近，并配合有-33 ℃的冷中心，同时，新疆东部至贝加尔湖的高压脊经向发展， 乌鲁木齐以西受中亚低槽前的偏南急流影响开始降水（图1a）。

17 日20 时强降水时，中天山乌鲁木齐附近200 hPa 处于西南急流出口区附近；500 hPa 中亚低槽前偏南急流中，有风速的辐合；700 hPa 乌鲁木齐及其以西转为西北气流， 气温下降明显， 以东为东南气流， 风切变明显；850 hPa 北疆西北风明显加大，乌鲁木齐风速12 m·s-1， 而河西走廊至哈密市为偏东气流， 乌鲁木齐附近有西北风与偏东风的切变，且700~850 hPa 北疆为T-Td＜2 ℃的高湿区， 加之低空西北气流遇天山地形强迫抬升， 加剧和加强了风场辐合及垂直上升运动， 有利于冷暖空气的交换与水汽的聚集（图1b）。

图1 17 日08:00（a）和20:00（b）500 hPa 高度场与风场叠加（a）和17 日20:00 高低空配置（b）

从17 日08:00 沿43.5°N 做温度平流与风场叠加的剖面图可以看到，850 hPa 乌鲁木齐（87.62°E）为弱西北风配合有-6×10-4k·s-1的冷平流中心，700 hPa 为东南风，其上风随高度顺转且风速加大，暖平流明显，700～600 hPa 乌鲁木齐西部有6×10-4k·s-1暖平流大值中心（图2a）。 17 日20:00 850 hPa 随着西北气流增大，冷平流明显增强至-12×10-4k·s-1，暖平流中心东移至乌鲁木齐东部， 高度升至600～500 hPa，中心值12×10-4k·s-1（图2b），这与前述高低空配置相一致。

3 风廓线雷达资料分析应用

3.1 2018 年10 月17 日08:00 高空探测与风廓线雷达资料的对比

乌鲁木齐风廓线雷达在乌鲁木齐国家基准气象站内， 海拔高度935 m， 从10 月17 日08:00 的T-lnp 图上可以看到（图3a），地面为偏东风，850 hPa 为4 m·s-1的西北风，700 hPa 为14 m·s-1的东南风，500 hPa 为10 m·s-1的偏南风，400 hPa 为14 m·s-1的西南风，300 hPa 以上为＞20 m·s-1的西南急流；800 hPa 以下450 hPa 以上湿度较大， 而800～450 hPa 之间为一定厚度的干区。

对应17 日07:06—07:54 风廓线雷达资料显示（图3b），08:00 前近地面为偏东风；1500 m 以下西北风，1500～2500 m 为一致的东南风；2500～4000 m雷达探测很弱，对应的探空为干暖的东南风；4000～6500 m 为偏南风，6500 m 以上为＞20 m·s-1的西南急流。 因为风廓线雷达探测的风场信息状况与大气的湿度条件密切相关， 当湿度较大时能探测到本站上空的风场信息较多， 当湿度小到一定程度时探测信息就明显减弱[1-4]。

通过对比分析同时次探空观测与风廓线雷达资料对应高度的风场、 大气层结状况、 冷暖平流分布等，结果表明与实况探空完全吻合，说明风廓线雷达探测资料真实地反映了测站上空大气状况， 因此可用风廓线雷达资料来分析乌鲁木齐上空大气风、温、湿等连续演变过程。

3.2 水平风垂直廓线分析

图2 08:00（a）和20:00（b）沿43.5°N 温度平流（单位：k·s-1）与风场（单位：m·s-1）叠加剖面

图3 2018 年10 月17 日08:00 乌鲁木齐T-lnp 图（a）和风廓线雷达资料风羽图（b）

降水发生前17 日08:00（图4a），1500 m 以下转为西北风，且风随高度逆转，说明有冷空气从低层楔入，之后西北风随高度逐渐抬升，说明冷平流厚度增大， 并向低层传递，17:00 3000 m 以下均为西北气流，低空完全受冷空气控制，形成冷垫。1500 m 以上随高度的上升风向由东南风转为西南， 风随高度顺转且风速明显增大，说明中高层有明显的暖平流，并且随时间推移逐步加强， 这与前述冷暖平流的分布及变化趋势完全一致， 也从另一个方面说明风廓线雷达资料的可用性。

由于低层冷空气势力较强， 暖空气不断被迫抬升， 冷暖空气交汇的西北—东南风垂直风切变线高度由17 日08:00 的1500 m 逐渐上升到19:00 的3500 m， 可见暖空气被迫抬升使气层变得不稳定，加强了动力抬升作用，使暖空气冷却饱和，利于降雪产生。 17 日10:30 垂直风切变上升到2000 m 高度时降水开始， 且降水期间切变线高度一直维持在2000～3500 m，18 日18:00 前后切变线消失，降雪结束。 18 日20:00 雷达探测高度明显下降至2500 m以下，并转为一致的西北风。

17 日08:00 在6500 m 以上维持＞20 m·s-1西南急流， 说明降水开始前中高层有强盛的偏南气流配合， 利于高空大气的抽吸作用和低层大气的上升运动， 为暴雪提供动力条件；10:30 降雨开始时西南急流明显增强且降至5000 m 以下，随着降雪持续，偏南急流继续下降并维持在3000 m 以下；18 日18:00偏南急流明显减弱，降雪趋于结束，可见高空急流的下传和加强对暴雪预报有一定指示意义。

综上所述， 水平风垂直廓线可以很直观地看出暴雪天气过程中本站上空大气的冷暖平流、 水平风的垂直切变、 锋面等空间结构： 冷空气先从底部楔入，暖空气被迫抬升，造成大气层结不稳定；高空急流的加大并向下传递为暴雪的出现提供了动力条件； 锋面的抬升和高空急流的下传对降水的开始和结束均有预示。可见，风廓线雷达的水平风资料对系统性降水过程预报有很好的指示意义。

3.3 垂直速度变化特点

一般天气稳定时垂直速度数值很小，在0 m·s-1附近， 有降水时垂直速度是由空气的垂直运动和降水粒子的下沉运动共同作用的结果。 一般＞4 m·s-1的垂直速度降落到地面的时间与降雨开始及结束时间对应较好，且随着雨强的增大而增大[3]。 本次天气过程相态比较复杂，为雨转雨夹雪转大暴雪。

图5 为17 日08 时—19 日07 时雷达风廓线垂直速度，正的速度表示下沉运动（该垂直速度未经落速订正， 代表了空气的垂直运动和降水离子的下沉运动总和）。17 日10:30 前近地层垂直速度均维持在0 附近，整层没有明显的下沉运动；17 日10:30—22：30近地层下沉速度约1.2～2.5 m·s-1，；17 日22:00 时后下降到0.8～1.2 m·s-1并且稳定维持，与Ralph[12]和张俊兰等[13-18]分析的降雪时垂直速度数值基本一致，主要因为空气对雪的阻力大于雨、雨夹雪所致，这表明雨雪性质发生了转换， 与本测站观测到的雨夹雪转雪的时间相一致；18 日18:00 后垂直速度突然下降到0 m·s-1附近，降雪结束。

Ralph 认为利用风廓线雷达数据的垂直速度可以区分出降雨区和降雪区： 在空气对流不强烈的层状云条件下固态降水的垂直速度在0.5～1.2 m·s-1。由于降雨和雪的垂直速度数值差别较大， 能很清楚地加以区分， 因此垂直速度能够作为判断不同相态粒子的有效依据。从本次暴雪过程监测资料来看，垂直速度的大小不仅可以区分雨雪的状态、 降水开始、结束时间，也可以帮助我们判断雨夹雪转雪的时间：降雪时低层垂直速度较为稳定，约为0.8～1.2 m·s-1，雨或雨夹雪时垂直速度约1.8～2.5 m·s-1。

3.4 大气折射率结构常数

图4 雷达水平风垂直廓线

图5 雷达风廓线垂直速度

3.5 探测高度变化特点

由于探测高度主要依赖于大气中的湿度状况，当高空水汽增加时，探测高度也会增加。16 日17:30即雨雪开始前的18 h， 探测高度由2500 m 突升至近7500 m， 说明降雪前高空有长时间增湿的过程，并且水汽的增加比较突然， 降水期间探测高度维持在6500～7500 m；18 日18:00 降水结束后探测高度突然下降到2500 m 以下， 说明中高空水汽基本消耗殆尽。这是由于16 日20:00 中亚低槽在向南加深时分裂短波影响北疆，短波槽前西南气流带来水汽，使中高层大气中水汽含量明显增加， 导致风廓线探测高度增加，这与高空形势场演变一致。 因此，风廓线雷达资料能更精细地反映垂直风、湿变化特点。

4 结论

本文利用常规观测资料， 风廓线雷达资料及ECMWF1°×1°再分析资料对乌鲁木市2018 年10 月17—18 日的一次雨夹雪转大暴雪天气过程进行了分析，结果表明：

（1）此次暴雪是在低空西北冷湿急流进入北疆与中高层低槽前西南急流叠加并维持的有利环流背景下，由700～850 hPa 风切变及风速辐合、地面冷锋及地形强迫抬升等多尺度系统共同作用造成的。

（2）风廓线雷达可以精细、清楚地反映降水前后水平风场、垂直速度、水汽、气团性质、垂直风切变廓线、高低空急流等的垂直方向变化，水平风场表明冷空气从低层进入，暖气团被抬升，强降雪时段风廓线雷达探测高度达到最高， 低空西北急流与中高层偏南急流形成的垂直风切变廓线的维持， 是强降雪持续的动力条件。

（3）雨雪开始前中高层有长时间的增湿过程，雨雪期间雷达探测高度维持较高， 雨雪结束后明显降低。 大气折射率结构常数Cn2的大小与雨雪的开始、结束有较好的对应关系，且低层较强偏北风与Cn2大值区相对应， 当Cn2维持在-140～-120 dB 时表示大气中水汽含量丰富，利于降雪持续。

（4）垂直速度不仅反映雨雪的开始、结束时间，还能判断雨夹雪转雪的时间， 这对常规观测是很好的补充。降雪时低层垂直速度为0.8～1.2 m·s-1，雨或雨夹雪时垂直速度为1.8～2.5 m·s-1， 垂直速度在0附近时降水结束。 因此，水平风向风速、Cn2和垂直速度的垂直变化对暴雪短临预报有很好的参考价值。