风廓线雷达资料在暴雨过程中的应用

周备 虞超

收稿日期：2023-12-15

作者简介：周备（1990—），男，江苏连云港人，工程师，研究方向为短时临近预报。

摘 要：利用镇江扬中CLC-11-F型风廓线雷达和常规气象资料，对2023年7月6日的暴雨过程进行了分析。结果表明，风廓线雷达资料的完整性特征与天气过程的开始具有很好的超前相关性，提前约为30 min，风场不仅能够反映大气层结上冷下暖的结构，而且能够探测到低空急流、切变线和中小尺度辐合系统的存在，对风的垂直结构具有较强的探测能力，可以很好地揭示灾害性天气的触发机制。垂直速度和大气折射率结构常数（）均与灾害性天气过程的开始和结束有着很好的相关关系，且两者数值的突然增大均比天气过程的开始提前约30 min，垂直速度的阈值为4～5 m/s，1 km以下的阈值为-140 dB。

关键词：风廓线雷达；低空急流；垂直速度；大气折射率结构常数

中图分类号：P412.25文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场进行探测，由于风廓线雷达时空分辨率高，能够直观地显示大气流场的水平分布和垂直结构，因此风廓线雷达资料在局地暴雨、冰雹等强对流天气预报中的应用越来越广泛。阮征等[1]对使用风廓线仪探测降水云体结构的方法进行了研究，扩大了风廓线仪探测降水的使用范围；刘淑媛等[2]揭示了低空急流的脉动与华南暖区暴雨在时间上的配合关系；吴君等[3]利用风廓线雷达分析了气旋暴雨与低空急流的关系；周志敏等[4]研究了风廓线雷达垂直速度的大小及厚度与对流的强弱及降水量变化之间的关系，发现风廓线雷达信噪比的变化与降水的开始、结束有一定的相关性；杨馨蕊等[5]将风廓线雷达速度谱宽与垂直速度、信噪比等相结合给出了估测降水的方法；王易等[6]分析了江苏一次暴雨过程中风廓线风场特征，指出低空西南急流对江苏地区暴雨的发生发展有着重要的作用；史珺等[7]讨论了风廓线雷达在天津地区一次短时暴雨中的应用，指出风廓线雷达的折射率结构常数与降水强度之间有很好的对应关系，但是不同地区的大气折射率结构常数值与降水强度的指示标准并不一致。

利用镇江扬中站风廓线雷达资料对2023年7月6日大暴雨过程进行分析，同时选取了其他5次暴雨过程作为检验，设定了镇江本地暴雨临近监测预警服务的指标，有助于提高本地短临天气的监测预警能力。

1 暴雨过程分析

2023年7月6—7日，江苏省镇江市中北部地区出现暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，最大出现在三茅永和站（253.0 mm），扬中站为215.0 mm（图1）。7月6日16：00以后开始出现降水，7日01：00开始显著增强，连续出现小时雨强达20 mm以上的阵性强降水，08：00以后降水停止。

从环流背景来看，中高纬地区东北冷涡深厚维持，

在500、700和850 hPa均有闭合中心存在，冷涡槽从850～700 hPa呈现前倾结构，有利于上暖下冷不稳定层结的形成；中纬地区上游有短波槽发展东移，副高588线位于苏南南部，配合850 hPa有低空西南急流，有利于水汽和热量的输送；200 hPa高空急流从山东上空经过，江苏省位于急流入口区右侧，强烈的辐散抽吸作用有利于中低层垂直上升运动的加强。云图显示，沿副高边缘不断有对流云团生成并沿低空急流方向移动，对流云团呈块状，且后向传播特征明显，有利于局地强降水的产生。

2 风廓线分析

风廓线雷达每6 min输出1次观测资料，而自动站每1 min获得1次降水量数据，为便于与雷达数据进行比较，将质量控制过的分钟雨量数据按照雷达观测时间段进行每6 min累加，得到一组降水量数据。本次过程前期以弱的阵性降水为主，16：36开始出现降水，有2个相对集中的时段，出现在17：54～18：12、21：00～21：12，7日00：30开始降水显著增强并持续，直至08：00降水结束。

图2是7月6日扬中站风廓线雷达的风场分布，降水前15：18～16：06在5～7 km存在空洞，16：12以后整层数据变得完整，比降水开始时间提前了24 min。18：18开始降水暂停，此时4 km以上开始出现数据缺测。19：54～21：12自6.5～8.0 km风场数据逐渐恢复，但5～6 km

始终存在缺测，该时段正好对应降水的第二个集中时段。21：18以后，整个5 km以上风场全部缺测，直至7日00：00开始风场数据逐渐恢复完整，比降水开始时间提前了30 min。因此，风场数据的完整度与降水有很好的对应关系，且风场完整的时间比降水时间提前约

30 min，对降水开始时间的估计具有很好的指示意义。

从中低层风场特征来看，15：45以前500 m以下为偏南风，往上转为偏西风，风向随高度顺转有暖平流，2～3 km高度处存在风速≥12 m/s的低空急流。15：42开始，500 m以下转为偏北风，表明此时有近地层辐合线经过，500 m以上转为西南风，风向随高度逆转，辐合线过后地面有弱冷平流，且低空急流高度降至2 km以下，16：42降至最低，达到1 km以下，此时降水开始。随后，低空急流高度略有起伏，最低高度维持在1～2 km之间，风向维持西南风，低层的水汽通道建立并稳定维持。23：30开始4 km以上对流层中层风速加快，并逐渐向下传播，7日00：12开始低空急流高度重新降至1 km以下，1～2 km风向由西南风转为西北风，表明低层有暖切，近地层风向由偏东风转为偏北风，有近地层辐合系统经过，强降水开始。因此，低空急流的高度降低、近地层风向的转变均对降水的出现有很好的指示意义，且低空急流高度的下降时间比降水出现提前了约30 min。

图3是7月6日扬中站风廓线雷达的垂直速度分布，垂直速度未经订正，表示垂直气流速度与降水粒子下落速度的总和。由于大气湍流散射比雨滴散射弱1～2个量级，因此降雨时风廓线雷达测量的垂直速度就可以被看作雨滴的下落速度，也反映了降水粒子的密度，其中正值表示下沉运动，负值表示上升运动。15：00以前，整层垂直速度均为-1～1 m/s，15：00以后显著加快，1 km以下15：00～16：00为-2 m/s以内弱的上升运动，2～3 km和6～8 km则表现为＞4 m/s的强下沉运动。16：06以后，整层表现为一致的正值，且16：36开始近地层垂直速度显著增至4 m/s以上，此时降水开始。18：30～21：00整层垂直运动较弱，对应降水间歇期，21：00以后随着降水增强，近地层垂直速度迅速增至4 m/s以上，7日00：36整层垂直速度显著增至5 m/s以上，对应强降水时段，此后强下沉运动维持至08：00降水结束。因此，垂直速度与降水开始时间和降水强度的关系密切，在降水过程中，1 km以下的垂直速度波动性增强，随着降水强度的增强，垂直（下沉）速度也随之加快，可将4 m/s作为降水开始的阈值。

图4是7月6日扬中站风廓线雷达的分布，大气折射率结构常数（）是描述大气湍流运动强弱的参量，受整层大气高度上的温湿压综合影响，直接反映了大气的折射率和降水率。研究表明，降水强度越大，也越大，但是不同地方与降水相关的的阈值存在很大的差异。从图中可以看出，降水前，1 km以下的均＜-145 dB，1 km以上均＜-160 dB，降水开始后，1 km以下增至-140 dB，2～3 km为小值区，3 km以上增至-145～-140 dB，这种低层和中高层不一致变化的特征持续到7日00：30，表明在此之前，低层扰动和湿度条件较好，但是中层扰动和湿度条件一般，因此之前的降水过程较弱且呈间歇阵性。00：36以后，整层的均迅速增大，1 km以下达到-130 dB，1 km以上达到-135～-140 dB，1 km以上大值持续到06：12，1 km以下大值持续到08：00，对应降水结束。综上所述，可以很好地反映出降水的强度，1 km以下的＞-140 dB可以作为有利于降水出现的阈值，而强降水的出现则要求整层的均有显著增长，阈值为

-140 dB左右。

为验证以上指标的适用性，选取了2023年6月19日、2022年6月5日、2021年8月25日、2021年7月29日（台风“烟花”）、2019年9月5日（台风“玲玲”）等5次暴雨过程进行比较分析，大部分暴雨过程指标基本一致，因此可以作为镇江本地强降水的判别指标。

3 结论

通过分析镇江扬中风廓线雷达在暴雨天气过程监测预警中的指示作用，设定了基于风场、垂直速度和大气折射率结构常数（）等产品的预警指标。结果显示，风场数据的完整性、低层风向转变、低空急流强度和高度变化、垂直速度和的突然增大都对灾害性天气的发生具有很好的指示作用，具体指标如下。

（1）风场数据的完整度与降水有较好的对应关系，且风场完整的时间比强降水开始时间提前约30 min，对降水开始与增强时间的估计具有较好的指示意义。

（2）低层风场可以有效监测到中小尺度辐合系统，

对降水开始起到触发作用；低空急流向下脉动对降水开始具有较好的指示意义，提前时间约为1 h。

（3）高层＞4 m/s的强垂直速度向下传播对降水开始具有指示作用，提前时间约为30 min。地面＞4 m/s的垂直速度可以作为降水开始的阈值。

（4）折射率结构常数可以较好地反映出降水的强度，1 km以下＞-140 dB可以作为有利于降水出现的阈值，而强降水的出现则要求整层的均有显著增长。

参考文献

[1] 阮征，葛润生，吴志根.风廓线仪探测降水云体结构方法的研究[J].应用气象学报，2002（3）：330-338.

[2] 刘淑媛，郑永光，陶祖钰.利用风廓线雷达资料分析低空急流的脉动与暴雨关系[J].热带气象学报，2003（3）：285-290.

[3] 吴君，孙成武，张可欣，等.利用风廓线雷达资料分析气旋暴雨与低空急流的关系[J].安徽农业科学，2010，38（12）： 6279-6282，6291.

[4] 周志敏，万蓉，崔春光，等.风廓线雷达资料在一次冰雹过程分析中的应用[J].暴雨灾害，2010，29（3）：251-256.

[5] 杨馨蕊，马舒庆，吴蕾.UHF风廓线雷达降水数据判别方法的比较与评价[J].大气科学学报，2010，33（5）：576-581.

[6] 王易，张静，王啸华.江苏一次暴雨过程的风廓线雷达资料分析[J].科技与创新，2017（24）：11-12.

[7] 史珺，赵玉洁，王庆元，等.风廓线雷达在一次短时暴雨过程中的应用[J].气象与环境科学，2017，40（4）：83-89.