一次雷暴大风过程的风廓线雷达特征分析

2020-11-07蔡艺友王秋云许军辉

海峡科学 2020年9期

蔡艺友王秋云林辉许军辉

(1.平和县气象局，福建漳州 363700；2.南靖县气象局，福建漳州 363600；3.漳州市气象局，福建漳州 363000)

1 概述

风廓线雷达利用多普勒效应可以对测站上空的风场信息进行高时空分辨率的连续探测，可弥补常规探空时空分辨率的不足，在强降水、冰雹、雷雨大风等强对流天气的短时临近预报业务中的应用越来越受到重视[1-3]。刘淑媛等[4]研究发现，风廓线雷达资料可以清楚地显示出边界层和西南季风中与强降水相关的中尺度系统；王烨芳等[5]指出，风廓线雷达可以实时探测大气风参数和大气湍流变化等传统有球探测无法实现的工作；邹捍等[6]通过在珠峰北坡绒布河谷的风廓线仪观测分析了局地大气环流的特征；林中庆等[7]通过分析发现风廓线雷达产品能清楚的探测到低空急流、风的垂直切变以及反映降水情况。国内外许多学者应用风廓线雷达资料对灾害性天气的风场结构和演变情况等进行研究，认为风廓线雷达可有效提高中小尺度天气系统的监测能力，能提高天气预报、特别是短时临近预报的准确率，在定位天气系统、订正数值预报、判断系统移动方向、了解天气系统结构，以及气象要素变化强弱等方面，有重要的作用[8-10]。

福建省已布设多部风廓线雷达，平和风廓线雷达位于福建省南部，探空站的空白区域，风廓线雷达资料可以较好地补充显示天气系统连续、翔实的变化过程。本文利用福建省平和站CFL-06 对流层风廓线雷达，对2019年4月30日发生在平和县的雷暴大风天气过程进行分析，初步探讨风廓线雷达产品对雷暴大风的指示性作用，探索风廓线产品在强对流天气监测预警过程中的应用。

2 雷暴大风过程天气特征

2019年4月30日，漳州市平和县出现了雷暴大风天气，此次强对流过程是一次低层切变东移南压造成的，平和国家气象观测站观测到23.9m/s的极大风速。4月30日08时(北京时)，700hPa、850hPa切变南压到长江以南，地面配合有冷高压。30日08时的厦门探空结果表明，大气层结呈现上干下湿的状态，K指数达36℃，订正后的CAPE值达1279J/kg，体现了大气较不稳定。

随着地面温度的升高，大气不稳定程度不断增加，从龙岩S波段天气雷达图看(图1)，回波自西南向东北移动，14时进入平和县九峰镇，国强乡(0.2mm)、坂仔镇(2.5mm)、五村村(0.5mm)以及五寨乡(0.1mm)在该时次内均开始出现降水，但尚未观测到大风。从卫星云图(图2)可以看到，16时前后，强对流云团东移至平和县的中西部乡镇。

图1 4月30日16时21分雷达回波图

图2 4月30日16时红外云图(FY4A)

16∶30，强回波位于平和县境内，强中心位于山格镇—五寨乡一带，其中心强度加强到60dBZ以上，45dBZ回波高度达6km,回波顶高度16km,对流发展强烈，该时次安厚镇降水38.7mm、华美村29.6mm、南胜镇23.9mm、崎岭乡20.3mm。16∶26，龙岩雷达速度图上平和本站附近出现逆风区，平和县多个自动站观测到大风，其中平和国家气象观测站极大风速达23.9m/s。17∶30，强回波东移过境，19时降水回波的后界基本移出平和县，结束此次雷暴大风过程。

由此可见，强回波影响平和县城的主要时段在15∶30～17∶30。下面从风廓线雷达的水平风场和垂直速度，分析平和风廓线雷达在雷暴大风天气预报中的反应。

3 水平风场资料的应用

顾映欣等[11]研究发现，风廓线时间—高度剖面图上风速极大值的位置和大小，能够决定本站上空高、低空急流的高度和强度，且以其时间变化确定演变的趋势。平和风廓线雷达是对流层雷达，能够探测到的垂直高度约达6000～8000m。从平和风廓线雷达探测到的2019年4月30日逐半小时水平风场(选取12∶00～23∶30的图像，见图4)可见，水平风速从9∶00开始(图略)，在1500m高度以上开始出现大于12m/s的强风，最强风速在3000m达到24m/s以上，且风向以西南风为主；根据杨引明等人[10]研究，在风廓线雷达的探测范围内(3000m以下)，持续超过1h探测到12m/s以上的强南或西南风速，则认为存在低空急流；该低空西南急流的建立和维持为强对流天气的发生发展提供了有利条件。12:00～14:30的1500m以下平和上空为偏南—西南风，1500m以上逐渐转为西南—偏西风，风随高度顺转，根据热成风关系可知，低层有暖平流输送，有利于增温增湿增大不稳定性。3000～4000m左右高度出现20m/s以上的西南—偏西大风核，同时近地面以弱偏南风为主，垂直风切变较大，有利于增强中层干空气的吸入，增强对流的发展。14∶00～15∶00平和上空以西南风为主的低空急流向下扩展并出现风速大小的明显变化，近地层风向由西南风转为偏西风再转为西北风，表明本站上空存在有利于对流发展的中小尺度系统，县城周边开始出现降水，能够看出急流轴上因风速变化造成的辐合以及近地层风向的切变对降水有明显的作用。15∶30～17∶00西南急流迅速脉动，这段时间内出现了大风，与刘淑媛等[4]“每次强烈天气的发生都会有西南急流的迅速脉动加强和向下扩展”的研究结论一致；这支低空西南急流维持到19∶00前后减弱，同时19∶00前后底层(850hPa以下)也转为偏西—偏北风，表明天气系统基本过境，跟实况观测到的一致，也说明了风廓线雷达对水平风场的垂直结构具备较强的探测能力，能较好地反映空急流的建立和维持情况，探测低空急流能够为提前预报强对流天气提供依据。

图4 12时00分～23时30分平和风廓线雷达逐半小时水平风向、风速时间—高度分布

4 垂直风资料的应用

从图5可见，在15∶00之前，垂直速度的值还比较小，且随高度变化不大，但是在15∶00后，垂直速度有明显变化，在3500m左右高度，垂直速度迅速增大到3.3m/s以上，且较强的垂直速度有所向低层延伸，并一直保持着大于3m/s的强度；15∶30前后，垂直速度形成了一个大值区，在一定程度上可以反映大气在垂直方向上的不稳定特征。16∶23，平和本站开始观测到降水、16∶24本站观测到大风，在17时的一小时降水不强，降水量仅为3.9mm，与弱降水雷暴大风天气过程的特点相符合。在一定程度上与风廓线雷达探测到的垂直速度随高度的波动以及波动发展的高度，可以反映大气垂直热交换的程度，能够作为判断对流发展强度的一个重要指标[10]的结论吻合。

图5 14∶24-16∶42平和风廓线雷达逐6分钟垂直速度的时间—高度分布

杨引明等[10]研究发现，在降水情况下，风廓线雷达探测到向下的垂直速度越大，则降水强度越强，这种对应关系是由于降水时降水粒子的下落速度造成,也反映了降水粒子的密度。平和风廓线雷达探测到的垂直速度是以向下(朝向风廓线雷达)为正，从2019年4月30日垂直速度图像中(选取14∶24～16∶42时段)可以看到，15∶00～16∶30在3500m左右的垂直速度较大，但是低层的垂直速度均较小，平和国家气象观测站当天观测到的降水(如图3)也较弱。风廓线雷达的垂直速度一定程度上可以反映测站降水的临近情况，且能够提前30分钟以上对降水有所反应，对降水的临近预报有一定的指示作用。