基于CFL-03风廓线雷达的强对流天气物理量诊断分析

2022-12-02孙钦宏刘嘉欣樊嘉璐江晓玲

气象灾害防御 2022年4期

孙钦宏刘嘉欣樊嘉璐江晓玲

（吉林省气象灾害防御技术中心，吉林长春 130062）

1 引言

风廓线雷达利用多普勒效应，开展垂直高度上风廓线资料探测，获取测站上空分钟级别、百米层距的高分辨风场数据，能够发现雷暴等强对流天气动力特征，为强对流天气监测预警服务提供支撑[1-3]。曾瑾瑜等[4]利用边界层风廓线雷达提供的资料，对永安一次强对流过程进行了详细分析，研究表明：风廓线雷达水平风资料可以相对连续地反映测站上空风场垂直结构及其变化特点，直观而精细地反映出天气过程的演变过程。万蓉等[5]通过风廓线雷达资料与探空资料对比分析，发现在系统性气流控制下风廓线资料与探空资料吻合度较好。王一文等[6]利用风廓线雷达资料对沈阳弱降水的强对流天气过程进行分析，证实风廓线雷达对雷达站附近的风场变化十分敏感，可以反映环境风场的细微结构，判断环境大气中是否有对流系统进入以及大气湍流情况。史珺等[7]利用天津地区短时暴雨天气的风廓线雷达资料和降水实况资料，以探讨风廓线雷达对降水天气的监测能力，研究表明：风廓线雷达不仅能够反映大气层结上冷下暖的结构，并且能够探测到切变线的存在，对风的垂直结构有较强的探测能力。古红萍等[8]利用风廓线雷达资料对北京夏季强降水天气进行系统的分析，研究表明：降水开始前数小时城区地面风场辐合，在临近降水和降水开始时辐合层向上发展，有利于强降水的发展。董保举等[9]对高原地区风廓线雷达资料进行检验评估，发现风廓线雷达风向风速与探空资料一致性较好。李彦良等[10]利用风廓线雷达资料开展冰雹天气的诊断分析，指出风廓线雷达风场资料对于冰雹天气具有一定的指示意义。随着风廓线探测技术的不断发展，风廓线资料在强对流天气、降雪天气预报[11-13]工作中的重要作用逐渐被广大气象科研业务人员所认识。

本文利用CFL-03边界层风廓线雷达探测的风场资料，着重研究短时强降水、雷暴天气过程中垂直风场物理量演变特征，旨在为风廓线雷达产品在强对流天气监测预警工作积累经验。

2 风廓线雷达技术性能

本文采用的风廓线雷达为航天科工集团第二研究院二十三所生产的CFL-03边界层风廓线仪，其基本技术性能包括：工作频率1 320MHz；最小探测高度为50m；最大探测高度为5km；时间分辨率小于6min；高度探测分辨率为50m和100m两种模式；风向探测范围为0°—360°。该风廓线雷达提供垂直高度层上水平风向风速、垂直风向风速、功率谱密度等数据资料。

3 资料简介及天气个例选取

本研究所用长春国家气象站CFL-03风廓线雷达，其探测数据的时间分辨率为6min，50—800m垂直空间分辨率为50m，800—3 600m垂直空间分辨率为100m。地面观测资料选用长春国家气象站人工观测数据。本文选取2008—2012年发生在长春国家观测站的15次强对流天气个例，其中强降水个例7次、雷暴个例8次（表1、表2），强降水个例选取标准为1h降雨≥10mm，雷暴标准为人工观测到伴有雷击和闪电的对流性天气。

表1 2008—2012年短时强降水个例简述

表2 2008—2012年雷暴天气个例简述

4 物理量诊断分析

4.1 物理量选取与算法

刘淑媛等[14]分析认为每次强降水或强烈天气的发生都对应一次西南急流的迅速脉动加强和向下扩展，可能存在动量下传，引起扰动加强。本研究沿用垂直高度2km以下急流中心最大风速和12m/s风速在该时刻最低位置的比值定义低空急流指数，用于定量地表示低空急流向下扩展的程度和风速脉动的强度。同时参考石燕茹等[15]关于风暴相对螺旋度的计算方法，最终选取低空急流指数（I）、垂直风切变（Shear）、风暴相对螺旋度（SRH）作为诊断强对流天气的特征物理量。

4.2 物理量诊断分析

4.2.1 强降水

4.2.1.1 垂直风切变与强降水

短时强降水发生过程中或发生过程前1小时内，近地层500—1000m均存在水平风的垂直切变陡增，伴随降水过程减弱垂直风切变逐渐减小。强降水过程中垂直风切变shear达到极值的个例为6次，分别为2009年6月30日（图1）、2009年8月27日、2009年8月28日、2010年5月31日、2010年7月28日、2012年7月28日，占全部个例的85.7%；强降水过程前1小时Shear达到极值的个例为1次，占全部个例的14.3%。强降水过程前中期Shear最大极值为0.060m·s-1，最小极值为0.011m·s-1。按照国际民航组织第五次航空会议上制定的垂直风切变强度等级分类标准，5次过程为微弱垂直风切变，2次为轻度垂直风切变。近地层Shear值最大，随着高度抬升，Shear值逐渐变小（表3）。

图1 2009年6月30日长春站小时降水量与不同高度层垂直风切变时间演变

表3 短时强降水过程中垂直风切变因子演变 m·s-1

4.2.1.2 低空急流指数与强降水

强降水过程前3小时内低空急流指数达到峰值个例为3次，分别为2010年7月28日、2012年7月28日、2012年7月29日，占全部个例的42.8%；降水过程中低空急流指数达到峰值个例为4次，分别为2009年6月30日（图2）、2009年8月27日、2009年8月28日、2010年5月31日，占全部个例的57.2%。上述个例中低空急流指数最大极值为0.045m·s-1·km-1，最小极值为0.007 m·s-1·km-1，低空急流明显增大一般早于强降水出现。低空急流的建立和维持，能够为强降水的产生提供水汽和不稳定能量的积累。

图2 2009年6月30日长春站小时降水量与低空急流指数时间演变

4.2.1.3 相对螺旋度与强降水

强降水过程前1小时内低层2km以下相对螺旋度SRH均为正值，数值小于100m2·s-2，中高层2km以上相对螺旋度SRH均为负值；强降水过程中低层SRH有正有负，高层SRH大多为负值；强降水过程后，低层SRH值迅速降低，甚至降为负值，高层SRH变化无明显规律（表4）。

表4 短时强降水过程中低空急流指数（I）及相对螺旋度（SRH）因子演变

4.2.2 雷暴

4.2.2.1 垂直风切变与雷暴

垂直风切变Shear值在8次雷暴过程中均存在陡增现象，1次个例（2008年9月17日）存在强烈垂直风切变，1次个例（2011年5月18日）存在中度垂直风切变，2次个例（2011年5月27日、2012年7月2日）存在轻度垂直风切变，4次个例存在微弱垂直风切变。Shear最大极值为0.144m·s-1，最小极值为0.017m·s-1。近地层垂直风切变在雷暴过程中变化幅度最大，随高度抬升Shear变化幅度逐渐变小。伴随雷暴过程结束，垂直风切变Shear值迅速变小。

4.2.2.2 低空急流指数与雷暴

低空急流指数在7次雷暴过程中达到最大值，分别为2008年9月17日、2009年6月24日、2011年5月18日、2011年5月27日、2011年7月1日、2011年9月7日、2012年7月2日，占全部个例的87.5%，2012年7月1日雷暴过程低空急流指数变化不大。低空急流指数最大极值为0.125m·s-1·km-1，最小极值为0.001m·s-1·km-1。雷暴过程中低空急流指数极值明显大于强降水过程。

4.2.2.3 相对螺旋度与雷暴

雷暴过程前1小时内2km以下低层相对螺旋度SRH有75%个例为负值，2km以上高层相对螺旋度SRH有75%个例也为负值。雷暴过程中低层SRH迅速增大并转为正值，最大极值达到780m2·s-2；高层SRH大多数个例迅速减小，最小极值达到-227m2·s-2。雷暴过程后，低层SRH值由正极大值迅速降低，SRH值甚至小于雷暴发生前，高层SRH在雷暴结束后有所增大（图3）。由此可见，雷暴发生前中后期，低层SRH与高层SRH变化趋势基本相反。