一次雨雪天气过程的风廓线雷达特征

王文波，高晓梅，李晓利，王世杰，杨 萌

(山东省潍坊市气象局，山东 潍坊 261011)

引 言

风廓线雷达主要是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测的遥感设备，可以连续地获得测站上空每几分钟、几十米层距的高分辨率风廓线资料。风廓线雷达探测方式是连续的无人值守的遥感方式，不仅有多种观测数据，并且数据具有高时空分辨率的特点，因此风廓线雷达资料在天气预报中的应用越来越受到人们的重视。20世纪80年代开始，美国、日本相继布设了风廓线雷达业务观测网，并应用于强雷暴天气监测预警及数值模式同化预报中。WAKASUGI等[1]最初通过对VHF风廓线雷达的功率谱信息观察发现风廓线雷达能够探测降水粒子信号；RALPH等[2]利用UHF雷达对不同类型降水进行系统研究，给出了与降水相关的丰富信息，包括空气垂直运动速度、降水粒子下落速度、降水强度等。

近年来国内风廓线雷达应用取得了长足进步[3-15]。如风廓线的连续变化可揭示次天气尺度系统如低空急流、暖切变等的存在及其影响过程，能够很好地服务于短时天气预报[3]；风廓线雷达可以实时监测局地大气风垂直廓线的变化[4-5]；风廓线雷达的一些重要产品，包括信号强度、谱宽以及各波束的径向速度等参数可以用来判断晴空和降水，跟踪天气的转折和发展[6]。冬季降水相态的预报是天气预报工作的难题，国内有利用风廓线雷达针对降水粒子相态开展的研究[16-18]。如施红蓉等[16]对一次雨转雪天气过程中的宏观和微观结构分析发现风廓线雷达的强度和速度产品能够很好地监测、诊断降雨到降雪相态变化的持续时间，垂直径向速度、信噪比可作为区分不同相态降水的有效依据；李峰等[17]利用风廓线雷达探测产品诊断和判别天气系统的演变以及雾霾、降雨、降雪天气的转变，揭示降水过程的细节变化。

2016年2月12—13日受江淮气旋影响，鲁中地区出现了一次雨雪天气过程，降水主要集中在2月12日夜间至13日白天，先后出现降雨、雨夹雪和降雪天气。处于鲁中地区的潍坊、济南和东营3部风廓线雷达对此次天气过程进行了完整的连续观测。本文利用风廓线雷达资料对此次雨雪天气进行诊断分析，着重对降水相态转换过程中的风场变化特征和不同相态降水发生时风廓线雷达特征进行分析，以期为风廓线雷达资料在冬季降水天气预报预警业务工作中的应用提供参考。

1 风廓线雷达介绍

潍坊、东营和济南3部风廓线雷达均为南京恩瑞特实业有限公司生产的L波段固定式边界层风廓线雷达，型号分别为CLC-11-F型、GLC-11型和CLC-11-D型。3部雷达均以偏东、南、西、北各15°及垂直方向共5个波束观测，扫描时间6 min，探测模式为低模、中模和高模3种模式。不同的是潍坊雷达低模采用0.8 μs脉冲宽度，高度分辨率120 m；高模采用12.8 μs脉冲宽度，高度分辨率240 m。系统最低探测高度150 m，系统设置低模和高模的衔接高度为720 m。东营和济南雷达探测模式相同，低模均采用0.4 μs脉冲宽度，高度分辨率60 m；中模采用6.4 μs脉冲宽度，高度分辨率120 m；高模采用12.8 μs脉冲宽度，高度分辨率240 m，系统最低探测高度100 m。

2 天气实况和环流背景

2.1 天气实况

受江淮气旋影响，2016年2月12日夜间至13日白天鲁中地区先后出现降雨、雨夹雪和降雪天气。2月13日01:00—17:00(北京时，下同)潍坊站过程降水量为24.9 mm，其中01:40—09:16降水相态为雨(18.0 mm)，09:17—10:42转为雨夹雪(1.3 mm左右)，10:43转为降雪(5.6 mm)；济南站12日22:00至13日16:00过程降水量为27.4 mm，雨转雪时间在13日07:00左右，其中降雨量23.4 mm，降雪量4 mm；东营站13日00:00—17:00过程降水量为32.4 mm，雨转雪时间在13日08:30，其中降雨量25.2 mm，降雪量7.2 mm(图1)。由于夜间人工观测不记降水相态，济南和东营两站观测均未能记录雨夹雪时间段。鲁中地区此次雨雪天气过程出现在冬末初春，与历史同期降水相比，本次降雨和降雪的强度均很大。

2.2 环流背景

图2为2016年2月12日20:00和13日08:00中尺度天气分析图。可以看出，12日20:00，500 hPa冷涡位于贝加尔湖东侧，北支槽呈东北—西南向，受南支槽东移发展，山东省处于槽前西南气流中；850 hPa鲁豫苏三省交界一带有低涡生成，低涡不断加深发展，并向东北方向移动，其东南侧有西南急流建立，急流轴与湿轴基本一致，源源不断地向山东地区输送水汽，850 hPa显著湿区(T-Td≤2 ℃)位于黄河中下游广大地区；地面冷高压位于蒙古西部地区，冷锋前沿已经压至山东西部一带。强降水区位于倒槽顶端和低空急流左前方的辐合区，与此同时，鲁中地区的降雨也逐渐开始。13日08:00，随着500 hPa冷锋锋区继续南压和西南急流的持续输送，850 hPa低涡进一步增强并移至鲁苏交界一带。受槽前正涡度平流和冷暖平流共同作用，地面倒槽继续加深发展，并在江苏东部海面上生成气旋，山东位于850 hPa低涡和地面气旋北部倒槽区域。同时850 hPa急流轴和湿轴明显东移北推，850 hPa显著湿区扩展至山东全境。从高低空形势配置可以看出，天气系统为后倾槽结构，冷暖空气交汇造成的强辐合和锋面抬升是主要动力机制，强降水出现在地面冷锋过境前后，落区主要集中在鲁中、山东半岛等地，即低空急流轴的左前方。13日08:00之后，随着地面气旋东移入海，冷锋掠过山东，地面转为强偏北风控制，鲁中地区降水相态逐渐由雨转为雪。

图1 2016年2月12—13日潍坊、济南和东营站降水量逐时变化Fig.1 The hourly variation of precipitation at Weifang, Jinan and Dongying stations on February 12-13, 2016

山东灾害性雨雪天气过程的相态转换预报不能单纯依靠T850 hPa≤-4 ℃的经验指标[19]，13日08:00鲁中地区850 hPa温度为0～4 ℃，但此时鲁中西部地区已经转为降雪。这是由于高低空影响系统呈明显后倾结构，冷锋后部强冷空气率先侵入近地面层，致使850 hPa温度在0 ℃以上，而925 hPa和近地面气温已降至0 ℃以下，此时降水相态发生转变。因此此次降水过程925 hPa和近地面气温下降到0 ℃以下是雨转雪的重要标志。

图2 2016年2月12日20:00(a)和13日08:00(b)中尺度天气分析(棕色线：500 hPa槽线；红色双实线：850 hPa切变线；红色箭头线：850 hPa急流；蓝色锯齿线：冷锋；绿色多段线：850 hPa显著湿区；绿色箭头曲线：850 hPa湿轴；绿色阴影区：6 h降水量≥5 mm区域)Fig.2 Mesoscale weather analysis at 20:00 BST on 12 (a) and 08:00 BST on 13 (b) February 2016(the brown line for 500 hPa trough line, red double solid line for 850 hPa shear line, red arrow line for 850 hPa jet, blue serrated line for cold front, green polyline for 850 hPa significant wet area, green arrow curve for 850 hPa wet axis, green shaded area for 6 h precipitation greater than or equal to 5 mm)

3 风廓线雷达特征

3.1 水平风场

图3为2016年2月12—13日潍坊、济南和东营风廓线雷达水平风时间-高度剖面。可以看出，此次降水天气具有典型的回流天气形势。降雨前近地面为弱偏东风气流，1.5 km高度以上为西南气流，风随高度顺转，有暖平流输送；降雨开始时，3部风廓线雷达的最大探测高度明显增高，这是由于降水开始时大气高层的水汽含量增加，使得折射率结构常数加大，从而使雷达探测高度增高。随着近地面偏东风转为东北风并增强至8 m·s-1以上，低层冷垫建立并抬升中高层西南气流，回流降雨开始，因此1 km以下超低空风场变化是降水开始的信号。低层东北风冷垫随着降雨的持续逐渐增厚，同时中高层西南急流建立并不断发展，雨强持续增强。

由于济南和东营两站准确的雨夹雪时段无法获取，因此雨夹雪时段只在潍坊站的风廓线雷达风场中可见。13日09:17—10:42是潍坊站雨夹雪时段，此时段内低层冷垫厚度达1.5 km，东北风风速增大至16 m·s-1以上，中高层西南急流维持，雨滴下落进入低层冷垫时冷却凝结，出现雨夹雪天气。对比济南和东营两站风廓线雷达风场，雨转雪恰好发生在东北风冷垫发展到1.5 km高度时。因此冷垫扩展到1.5 km高度是雨雪相态转换的重要信号。降水相态完全转雪时低层偏北风冷垫已经扩展到1.5 km高度以上，且风速超过20 m·s-1。降雪开始后最大探测高度较降雨时有明显的降低，高度为4～5 km。13日16:00前后，中高层西南风转为偏西风且风速减小，说明高空槽逐渐东移过境，同时低层西北风冷空气扩展到3 km高度，冷空气已占主体地位，回流机制破坏，降雪逐渐结束，此时最大探测高度下降至2～3 km。

综上所述，此次回流降水天气中，鲁中地区的3部风廓线雷达探测的水平风场表现出共同特征：当低层冷垫中偏北风不断增强，厚度扩展到1.5 km附近时，降水相态逐渐由雨转为雪；当冷垫继续扩展达到3 km高度且中高层西南风转为偏西风时，降雪逐渐结束。

为进一步分析低层冷垫中冷空气活动特征，结合风廓线雷达资料特征，定义低空切变指数[20]为I=VS/(H1-H2)，VS为1 km高度以下最大风切变；H1，H2分别为最大风切变对应的空间两点风矢量所在高度(H1>H2)。

图4为2016年2月12—13日潍坊、济南和东营低空切变指数随时间变化。可以看出，降水发生前，低空切变指数普遍维持在0～5 m·s-1·km-1。12日22:00前后，济南站切变指数开始出现明显的波动， 13日00:00—02:00，东营和潍坊站低空切变指数先后出现明显增大，3站低空切变指数最大值普遍为15～20 m·s-1·km-1，而3站降雨均是在此时段内逐渐开始的，结合低层风场特征，降水开始阶段的低空切变指数能够反映低层东北风冷空气侵入特征，低空切变指数的陡增预示着降水的开始。降水持续期间，低空切变指数发生多次波动，首先是在13日04:00前后，3站切变指数均出现小幅增加，03:00—05:00均为3站雨强最强时段；第2次是在08:00前后，东营和潍坊站低空切变指数陡增至25～30 m·s-1·km-1，对应此时段内1 km以下低空有20 m·s-1的强东北风出现，同时两站降水相态的转变正是在09:00前后，而济南站低空切变指数并未出现明显波动，其低层东北风风力较其他两站也明显偏弱，因此低空切变指数的陡增与低层东北风风力迅速增强相对应；最后一次是在16:00前后，3站低空切变指数均有明显的增大，对应低层偏北风明显减弱，此时降雪趋于结束。需要说明的是，本次天气过程中3站低空切变指数数值有较大差异，这与3部风廓线雷达高度分辨率不同有关，而济南站低空切变指数总体较潍坊和东营明显偏低，是偏北风受到泰沂山脉的阻挡，造成济南站1 km以下风速明显减小。此外，东营站切变指数12:00前后出现明显增大，结合低空水平风场分析发现，这与近地面层风速的急剧减弱有关。

综上所述，低空切变指数在降水开始和结束的时候会出现较大幅度的增长，降雨持续阶段切变指数的小幅增加与雨强的增强相对应。

3.2 垂直速度

风廓线雷达探测的垂直速度为相对于雷达垂直方向波束的多普勒径向速度，正的径向速度代表朝向风廓线雷达的运动，负的径向速度代表离开风廓线雷达的运动，该垂直速度未经落速订正，代表了大气的垂直运动和降水粒子的下沉运动的总和。由于中纬度天气尺度垂直运动特征尺度只有10-2m·s-1，与降水粒子下落速度相差几个量级，因此降水发生时风廓线雷达探测的垂直速度主要是降水粒子下落速度。

图5为2016年2月12—13日潍坊、济南和东营风廓线雷达垂直速度时间-高度剖面。可以看出，潍坊站13日00:00降水开始前垂直速度约为0 m·s-1， 01:00为2 m·s-1左右，对照降水观测资料发现01:40前出现毛毛雨，但未记录降水量，因此风廓线雷达探测的降水粒子垂直速度敏感程度较高。 01:40降水开始时垂直速度迅速升至4 m·s-1左右，因此降水的开始与垂直速度增大相对应。从降水开始到04:00前后雨强偏弱，垂直速度维持在4 m·s-1左右， 04:00—06:00为雨强最强时段，对应2 km以下垂直速度为6 m·s-1以上，因此垂直速度能很好地体现降雨强度的变化。09:00—10:00为雨夹雪时段，垂直速度维持在4 m·s-1左右。11:00降水相态由雨夹雪转为雪后，可以看到垂直速度迅速减小至1～2 m·s-1，产生的原因是降雨粒子的下落末速度比降雪粒子的速度大，相态转换时垂直速度出现锐减，因此，垂直速度的变化也能反映雨雪相态的转换。16:00降雪结束之后，垂直速度减小至0 m·s-1左右，说明大气层结稳定，降水结束。济南和东营风廓线雷达垂直速度同样能很好地反映降水强度和雨雪相态的变化。降水开始前垂直速度在0 m·s-1左右，降水刚开始时垂直速度较弱，在雨强较大时段内平均垂直速度为5～6 m·s-1，随着雨强的减弱，垂直速度减小。13日07:00(济南)和13日08:20(东营)雨转雪之后，垂直速度迅速减小至1～2 m·s-1，降雪过程结束之后，垂直速度又减小至0 m·s-1左右。因此，3部风廓线雷达垂直速度不仅能体现降水强度的变化，同时也能反映降水相态的变化。

图5 2016年2月12—13日潍坊(a)、济南(b)和东营(c)风廓线雷达垂直速度时间-高度剖面(单位：m·s-1)Fig.5 Time-height cross sections of vertical velocity from Weifang, Jinan and Dongying wind profiler radars on February 12-13, 2016 (Unit: m·s-1)

图6为2016年2月13日潍坊站降雨时段(02:00—08:00)、雨夹雪时段(09:00—10:00)以及降雪时段(11:00—15:00)垂直速度随高度变化。可以看出，降雨时段近地面平均垂直速度为6 m·s-1左右；雨夹雪时段平均垂直速度为5 m·s-1；降雪时段平均垂直速度为1～2 m·s-1。垂直方向上，在3000 m以上垂直速度普遍在2 m·s-1以下，降雨时段和雨夹雪时段分别在2000 m和1500 m附近时垂直速度发生锐减，主要是由于融化层以上为固态降水粒子，对应的下落速度比较小；而融化层以下为液态降水粒子，冰雪粒子在下落过程中融化，变为下落速度大的液态降水粒子，垂直速度明显增大。随着降雨转雨夹雪转降雪的转换，近地面的垂直速度逐渐变小。

3.3 大气折射率结构常数

图7 2016年2月13日潍坊站风廓线雷达大气折射率结构常数自然对数的时间-高度剖面Fig.7 The time-height cross section of natural logarithm of structure constant of atmospheric refractive index based on wind profiler radar at Weifang station on February 13, 2016

3.4 信噪比

图8 2016年2月13日潍坊站风廓线雷达信噪比时间-高度剖面(单位：dB)Fig.8 The time-height cross section of signal-to-noise ratio for wind profiler radar at Weifang station on February 13, 2016 (Unit: dB)

4 结论与讨论

(1)此次雨雪天气是由低涡和地面气旋共同作用造成的一次回流降水过程，强降水出现在气旋中心的北侧冷区中，925 hPa和近地面气温下降到0 ℃以下是雨转雪的重要标志。

(2)1 km以下超低空风场变化是降水开始的信号，低层冷垫强度的变化决定降水相态的转变，降雪时雷达最大探测高度比降雨时有明显的降低，低空切变指数在降水开始和结束时会出现较大幅度的增大，降雨持续阶段切变指数的小幅增加与雨强的增强相对应。

(3)风廓线雷达垂直速度不仅能体现降水强度的变化，同时也能反映降水相态的变化，降雨转雨夹雪转降雪过程中近地面的垂直速度逐渐变小。

(4)折射率结构常数和信噪比随高度均呈逐渐减小的趋势，两者的变化能够反映降水强度的变化，均具有零度层亮带特征，亮带的消失对应降雪的开始。

本文在研究过程中将降水过程中雷达探测的垂直速度近似认为是降水粒子的下落速度，忽略了大气运动速度；另外，地面观测记录的雨夹雪时段与风廓线雷达数据特征在时间上有微小的偏差，可能是由降水相态转换时的复杂微物理过程所致。以上问题都需要在今后的研究中进一步探讨。同时本文结论仅是从一次雨雪天气个例分析所得出，未经大量样本验证，尚待进一步的分析研究。