利用风廓线分析影响中山降水的低空急流特征

方宇凌，夏冠聪，李毅恒，吴健君

（中山市气象局，广东中山 528400）

风廓线雷达（wind profiler radar，WPR）是利用大气湍流运动造成大气折射指数的不均匀结构对雷达电磁波的散射作用探测大气风场的一种遥感设备，它能够实时提供大气的三维风场信息、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布，是对常规探空观测的有力补充。风廓线雷达探测提供了水平风、垂直风速和径向速度、回波强度、回波功率、速度谱宽、信噪比（SNR）和折射率结构等数据［1］。

最近十几年，我国风廓线雷达建设发展迅速，目前我国在华北、华东、华南等地区已经初步形成了相对密集的风廓线雷达站网，可以获取高空风的连续变化，并已应用于实际业务［2-6］。广东省在广州、深圳、珠海、中山等地建设了多部风廓线雷达，许多业务工作者已开展风廓线观测数据的应用，例如，陈元昭等［7］利用深圳风廓线雷达观测资料，分析了灰霾、大雾、高温、雷暴、台风等高影响天气过程中的风廓线特征，表明风廓线能够提供新的观测事实与气象特征；张劲梅［8］分析东莞一次短时强降水过程，发现风廓线等产品强降水出现前4～6 h有明显变化，对临近预警有较好的指示性；文彬等［9］在雷州半岛强对流天气过程中，发现风廓线产品风场信息显示出强降水发生前有明显的冷暖平流，有利于强降水的发生发展。以上研究主要集中对高影响天气、暴雨、台风等进行风廓线产品分析，但是利用风廓线的高时空分辨率风场资料，对低空急流与降水关系进行精细分析的研究较少。本研究将利用中山风廓线资料，对2019年4—6月（前汛期）的低空急流与降水进行分析，分别对低空急流强度，出现时间、高度、风向，以及2次强降水个例进行详细分析，为今后中山强降水天气临近预报提供参考。

1 资料与方法

1）本研究综合参考胡明宝［1］的结论将低空急流定义为出现在3 000 m高度以下，风速≥12 m/s，且持续时间≥4 h、气层中各个高度层的风向一致。

2）为了保证统计结果的代表性和有效性，统计时对风廓线探测数据做出如下规定：（1）1 d中出现低空急流并且持续时间≥4 h计为出现一个低空急流日；（2）若在同一天中低空急流出现一段时间后消失，间隔一段时间后又一次出现，也只计为一个低空急流日；（3）若出现连续4 h以上的急流，但是跨越 2 d（以 08：00—08：00（北京时，下同）为日界，与降水量日界一致），将分别记为2个急流日；（4）低空急流开始时间和持续时间，由于日界定义各有不同，统计结果与其它方法略有差异。

3）风廓线资料采用位于中山市东区金钟水库内的边界层风廓线资料，统计分析采用逐1 h资料，暴雨个例分析采用逐6 min、逐30 min和1 h资料，时间采用2019年4月1日—6月30日资料。

2 降水与低空急流统计分析

2.1 降水日统计

将广东省中山市境内62个气象自动站中的1/2以上站点08：00—08：00累计雨量超过0.1 mm计为1个降水日。据统计，2019年4月1日—6月30日降水日数共有47 d，其中4月份降水日数12 d、5月份19 d、6月份16 d。按单日最大日降雨量统计，最大日降雨量为319.9 mm，出现在5月26日，在逸仙水库站。

2.2 低空急流统计与降水日数相关

2019年4月1 日—6月30日，统计低空急流（3 km高度以下）出现的天数为49 d，其中4、5和6月天数分别为22、12和15 d。本研究将低空急流水平风速最大值分别与日区域平均雨量（即面雨量）、单站最大日雨量进行相关分析，采用样本数为91个，它们之间的相关系数r分别是0.47和0.36，并通过α＝0.05显著性水平检验，表示具有一定的正相关性。若分别对4、5、6月同样进行相关分析，发现4、6月低空急流最大风速和面雨量相关性较好，相关系数r分别为0.64和0.70，并通过α＝0.05显著性水平检验，但是5月份相关系数未通过α＝0.05显著性水平检验。5月份低空急流出现天数较少，强度相对较弱（4月平均最大风速19.6 m/s、5月17.3 m/s、6月18.7 m/s），但是5月降水日数相对较多（5月份19 d），极端最大日降水量也出现在5月（5月26日319.9 mm）。

另外通过时间序列（图1）看出，5月份低空急流最大风速值相比4和6月份的小，5月下旬日降水量值明显增大。分析其原因，可能是由于影响降水量的因素有很多，包括动力、热力因子，低空急流只是其影响因子之一，而且南海夏季风常在5月中下旬爆发，如果太强的低空急流，急流中心偏北、偏东，珠江三角洲沿海地区的降水反而不强。当低层偏南风风速适中，降雨区位于低空急流入口区右侧，存在正涡度平流，该地区的降水强度将有所加强。由于还涉及很多具体动力、热量因素和大气环境场情况，因此还需要将来进一步分析。

图1 2019年4—6月低空急流（3 km以下）最大风速与最大单站日雨量、面雨量时间序列

2.3 3 km以下高度平均风速与不同量级降水统计

本研究统计了2019年4月1日—6月30日区域日平均雨量（即面雨量），无降水日数有44 d、小雨量级降水日数16 d、中雨量级降水22 d、大雨以上降水9 d。如果分别把不同降水量级出现日期对应的3 km以下高度平均风速进行统计，结果发现，无降水情况平均风速为7.3 m/s、小雨量级情况平均风速为8.4 m/s、中雨量级为9.1 m/s、大雨量级为11 m/s。因此得出，如果3 km以下高度的平均风速较大，中山的降水量相应较大。另外，在任何量级降水的情况下，4月份的平均风速最大为11.3 m/s，6月份次之，5月份最小。

2.4 低空急流持续时间

从低空急流持续时间变化看，持续时间在4～6 h之间的天数最多，达16 d，占总天数的32.6%；持续时间在13～18 h之间的情况次之，达14 d，占总天数的28.5%；持续时间在19～24 h之间达10 d，占总天数的20.4%；持续时间在7～12 h之间为9 d，占总天数的18.3%。如果跨天计算，持续时间最长的一次过程出现在4月20日00：00—4月21日23：00，持续时间长达48 h。

本研究还对低空急流开始时间进行分析，结果发现，08：00—14：00时段开始出现急流的天数最多，达 24 d，占总天数的 48.9%；20：00—02：00时段的占比次之，达11 d，占总天数的22.4%；14：00—20：00与 02：00—08：00时段的天数最少，仅占总天数的16.3%和12.2%（表略）。由此得出，2019年4—6月低空急流多数出现在上午时段。

2.5 低空急流风向

从低空急流最大风风向的时间变化（图2）可以看出，大部分时间急流风向以南风至西风为主，风向在180°～270°之间的天数占总天数的78.5%，只有少部分时段出现偏北、偏东风，因此可以近似认为属西南急流。西南急流常常挟带着丰富的水汽，这为本研究讨论暴雨降水个例与水平风速、风向的关系提供依据。

图2 2019年4—6月低空急流（3 km以下）最大风的风向时间序列

低空急流中心（风速最大值）出现的高度大部分情况出现在 2.0 km 以上，占总天数的55.0%，其中出现在2.92 km高度的天数最多，达到8 d，占总天数的16.3%。急流中心在1 km以下的样品数较少，仅占总天数的20.4%。由此可见，急流中心大部分出现在2.0 km以上高度，1 km以下高度出现频率较少（图略）。

3 低空急流与暴雨个例分析

本研究分别挑选了2019年4月27日08：00—28日08：00和 5月 26日 08：00—27日08：00的两次暴雨过程，利用中山风廓线雷达产品进行个例分析，确定是否存在强降水来临的指示性作用。

1）4月27 日08：00—28日08：00暴雨过程。

2019年4月27 日受切变线、冷空气共同影响，中山市出现暴雨降水过程，降水天气从27日14：00开始。本研究选取了金钟水库自动站（风廓线探测设备所在地）逐5 min雨量数据，同时选取了上游、下游地区的东区站、长江水库站雨量数据进行分析（图3a）。金钟水库站和东区站降水从27日14：20开始，14：40的5 min雨量分别达到6.9和4.9 mm，14：45东区站5 min雨量达到最强的10.9 mm，14：50金钟水库雨量也达到最强的12.9 mm。由于长江水库站位于金钟水库站下游，降水天气从14：35开始，15：00雨量达到最强的8.8 mm，15：20三个站点的降水明显减弱，16：00降水结束（图3b）。

图3 2019年4月27日14：00—16：00中山市降水分布（单位：mm）（a）、气象自动站逐5 min雨量（b）

（1）风速。

从风廓线水平风时间-高度剖面图（图4a）可以看出，4月27日14：36之前5 km以下维持西南-偏南风，14：42开始2.19 km以下高度转为偏东风，2.19 km以上维持偏南风，金钟水库站的雨强增强。14：48，2.19 km以下转为偏西风，2.19 km以上维持偏南风，金钟水库站和东区站的雨强先后达到最强。15：06开始偏西气流逐渐向高层传播，3.5 km以下均为偏西风场控制，15：12偏西风场厚度已达到4.59 km，金钟水库的雨强减弱。由此可见，14：48—15：12金钟水库站上空存在明显垂直风切变，15：12之后垂直风切变明显减弱，降水随之减弱。另外，径向速度时间-高度剖面图（图4b）看出，27日15：00的2.31～2.91 km高度上存在径向速度极大值，速度达15 m/s，与金钟水库站最大雨强出现时间近似，仅延迟了10 min。

图4 2019年4月27日14：00—15：00中山风廓线雷达产品

（2）速度谱宽。

研究表明，风廓线速度谱宽值的变化可以看出降雨粒子相态和形态的变化。因为相态、形态及体积的不同，粒子的下落速度也不同，因此粒子类型越丰富，则速度分布的范围越广，造成速度谱宽越大［1］。由风廓线速度谱宽时间-高度剖面图分析（图略），14：36开始2.8 km高度上的速度谱宽值增大，14：48—15：00速度谱宽大值区下降至1.6 km，速度谱宽值维持在2.5～5 m/s，这可能是降水开始之前，由于上升气流拖曳作用，大部分水滴或过冷水滴被抬升到较高的高度，速度谱宽高值区位于较高高度上，当气团内大气的浮力承受不住水滴或过冷水滴的重力，水滴开始下沉运动，因此速度谱宽高值区的位置也随之下降。综上所述，该次过程中风廓线的水平风、径向速度、速度谱宽产品与降水雨强、降水时间有较好的对应关系，径向速度和速度谱宽的值越大，降水强度越大，数值增大时间与降水增强时间相近。

2）5月26 日08：00—27日08：00暴雨过程。

2019年5月27 日凌晨起，受偏南气流影响，中山市出现暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，其中逸仙水库自动站录得267.5 mm。从逐5 min降水量时间序列图看，最大雨强出现在02：00—03：00，5 min雨强最大为15.9 mm，最大1 h雨强达122.0 mm（图略）。

（1）风廓线风垂直-时间剖面。

从风廓线的风速-时间剖面图（图略）看，5月26日16：00—27日01：00整层大气均受西南风控制，27日02：00的3 km以下大气转为偏南风，27日03：00迅速转为西南风。另外，从水平风速的垂直-时间变化图可见，03：00的0.88～1.0 km高度上出现风速最大值，达22.3 m/s，对应的逸仙水库的时雨强达到最大值（02：00—03：00的122.0 mm）。04：00—05：00，5 km以下各层风速逐渐减小，逸仙水库的降水随之减弱。

（2）速度谱宽分析和信噪比。

从速度谱宽图（图5a）显示，5月 27日01：00—05：00，5 km以下大气速度谱宽值比其他时间大，维持在2.55 m/s左右，02：00速度谱宽值达到最大值，为5 m/s或以上，比逸仙水库的最大时雨强提前了1 h。另外，信噪比图（图5b）显示，01：00—05：00 5 km以下大信噪比达到最大值，其中02：00的信噪比62.5 dB，同时大值区伸展至5 km高度上，表示气团内上升运动强烈，雨滴或冰晶维持在大气较高层。04：00—05：00信噪比大值区高度下降至3 km，表示云团上升运动减弱，气团内的抬升作用减弱，空气中的水滴或冰晶逐渐下降。06：00信噪比值明显减小，表示降水逐渐减弱。

图5 2019年5月26日22：00—27日07：00中山风廓线雷达产品

综上所述，该过程中水平风速增大，降水相应增大。速度谱宽、信噪比产品显示出雨强变化、降水的开始与结束时间，其最大值比强降水提前了1 h出现，对强降水的临近预报有一定警示作用。

4 结论

1）通过2019年4—6月中山风廓线水平风资料的统计分析，低空急流（3 km以下）的强度与面雨量、单站最大日雨量之间存在正相关性。具体是4、6月相关性较好，低空急流风速较大，中山的降雨量相应较大，5月相关性不显著。另外根据不同量级雨量统计，大雨量级对应的低空急流平均风速值最大，中雨量级次之，无雨情况对应的平均风速值最小。

2）2019年4 —6月低空急流中心大部分时间出现在2.0 km以上高度，占总数的55.0%，1 km以下高度出现频率较小；低空急流持续时间在4～6 h之间的天数最多，占总天数的32.6%；低空急流开始时间在08：00—14：00时段的天数最多，占总天数的48.9%；低空急流风向以南风至西风为主，占总天数的78.5%。

3）在两次强降水个例分析中，中山风廓线观测产品与降水强度、降水时间有较好的对应关系；径向速度和速度谱宽值越大，降水强度越大，水平风存在垂直风切变；速度谱宽和信噪比产品可以指示出降水的开始与结束时间，速度谱宽和信噪比最大值比强降水提前1 h出现，对临近预警预报有一定警示作用。