基于风廓线雷达资料的暴雪天气过程分析

周之栩

(湖州市气象台，浙江湖州313000)

0 引言

风廓线仪是新一代的遥感测风系统，可以连续测得测站上空每几分钟、几十米间距高时空分辨率的风场资料，弥补了常规高空风探测中时空密度不够的缺点。湖州风廓线雷达是航天科工集团公司二院23所生产的CLF03型边界层风廓线雷达，可实时探测大气中的三维风场;于2010年8月建成并调试成功，经过5个多月的运行已基本稳定。资料在探测期间的时间分辨率为6 min风廓线数据，最低探测高度100 m，最大探测高度 5500 m，高度分辨率100 m。它是利用大气中的各种尺度的湍流引起折射指数变化而对电波产生的散射作用，测量得到空气运动的多普勒效应的信号，经过资料处理得到实时的大气风廓线。

中国气象科学研究院1989年成功研制了我国首部UHF多普勒风廓线仪，并用于北京中尺度灾害性天气预报基地的业务试验，证明了其有效性和可靠性。顾映欣等［1］就用1989年京津冀中尺度试验区该UHF风廓线仪取得的资料，对局地暴雨、锋面等天气过程进行分析，计算了温度平流，表明风廓线仪资料在预报区域性降水和对流性天气中具有重要意义;刘淑媛等［2］利用风廓线雷达资料分析了低空急流的脉动与暴雨的关系;李妙英等［3］利用风廓线雷达对微下击暴流进行了监测与分析;阮征等［4］对使用风廓线仪探测降水云体结构的方法做了研究，扩大了风廓线仪探测降水的使用范围;Ralph等［5］利用风廓线数据反演的水汽下落速度，可区分出降水区和降雪区。但是，利用风廓线产品对降雪天气的分析应用还不多，本文利用风廓线雷达产品对湖州地区2010年12月15日的暴雪过程进行了分析，为风廓线雷达产品在相似天气过程中的分析和预报积累经验。

1 天气形势分析

2010年12月14日20:00 500 hPa环流场上(图略)，中高纬为两槽一脊形势，贝加尔湖和巴尔喀什湖之间为宽广的脊区，脊前的冷涡位于黑龙江省的东北部一线，温度槽落后于高度槽，从东北3省到内蒙有一横槽维持，40°N以南基本为西南气流控制，15日08:00东北冷涡进一步东移加强，横槽逐步南压至山东、河南一带，并有逐渐转竖趋势，14日20:00 700 hPa环流场上(图略)，四川盆地有弱切变维持，长江中下游地区基本为西南气流控制，基本在16 m/s左右，15日08:00弱切东传至两湖地区，切变南侧湖南、江西的西南急流也迅速加强至24 m/s，700 hPa相对湿度场也显示，浙江北部地区有一96%的相对湿度中心(图1)，急流和水汽中心的配合为下游暴雪发生提供了充足的能量和水汽条件。同时由于西南急流输送及700 hPa冷空气前锋的回暖，08:00 700 hPa和850 hPa杭州、上海分别出现了－3℃和－4℃的逆温，为浙北地区的暴雪发生提供了有利的层结条件［6］。

图1 12月15日08:00 700 hPa相对湿度图

2 风廓线分析

2.1 水平风速风向

从图2可见，从凌晨 2:00—5:00，1680 m以下基本为偏北气流控制，并随高度轻微顺转，1680～2800 m随高度逆时针偏转，表明该高度层存在冷平流，在2280 m处有一明显的西北风和西南风的切变，风速在2 m/s左右，2800～5500 m基本为西南气流，并随高度顺时针偏转，表明该高度层存在暖平流;低层冷平流，中高层是暖平流，为850～700 hPa的逆温层创造了条件;5:30开始2280 m处开始转向偏北风，同时1680～2880 m的逆时针偏转区域下降到了1440 m，说明冷平流在向下扩展;7:30，逆时针偏转区域进一步下降到1200 m，测站开始下雨夹雪;8:30，3240～3720 m开始出现逆时针偏转，说明冷平流开始向中层侵入;8:43，测站转雪;10:30，2880 m处转为西北风，同时3120～4000 m转为了逆时针偏转，说明中层冷平流势力进一步加强，随着冷平流影响高度的逐步增加，到12:00，3120～4200 m都转为了逆时针偏转，降雪也开始逐步加大，当冷平流影响高度维持在4500 m左右时(13:30—16:30)，降雪集中而稳定，雪强基本维持在积雪1 cm/h;而当冷平流进一步推升至4600 m以上时，整层大气都被干冷空气控制，系统处于减弱阶段，降雪也逐渐减小;20:00以后，1500 m以上已经没有探测记录，降雪趋于结束。

图2 12月15日2:00—20:00水平风速风向随时间高度分布图

2.2 垂直速度

图3 为15日垂直速度随时间高度分布图，图中横坐标为时间，纵坐标为高度，正速度表示随高度为上升运动(该垂直速度未经落速订正，所以降水时候代表了空气的垂直运动和降水粒子的下沉运动的总和)。从图3可见从0:00开始整层大气都处于上升运动，近低层500 m处有1.5 m/s的辐合中心，4:30以后随着低层冷空气的侵入，辐合中心抬升至1200 m左右，并维持到13:00，期间降雪发生，但时断时续，强度不大;13:30，随着冷空气影响加强，1200 m处的辐合中心迅速上升，至14:00已达5400 m，16:30前基本维持在4200 m左右，随着上升运动的加强，降雪强度也稳定而集中，这和我们前面分析水平风出现的情况较为一致，随着降雪的加强，受降雪下降末速度的影响，各层的上升速度明显减弱;17:00后，高空逐渐转为负速度，或趋向0值，整层大气都转为偏北气流控制，开始下沉运动，大气层结重新处于准静力平衡状态时，降雪逐渐减小结束。

图3 12月15日0:00—23:00垂直速度随时间高度分布图

2.3 折射率结构常数(Cn2)

风廓线雷达的Cn2与大气的湿度有关，可以把它看成不同时段的多普勒天气雷达的RHI(高扫)的强度回波。它和雷达反射率成正比(图4)，明显降雪发生前(0:00—13:00)，大气高层的水汽含量丰沛，Cn2一直稳定在(1e－13～4e－14m－2/3)，随着降雪的发生，从 13:30—17:00的降雪集中期，5000 m以下大气Cn2的探测值迅速减小至9.0e－16m－2/3左右，这可能是液态水汽完全转化为固态冰晶和雪晶后，转化过程带来的明显的反射率减弱所导致;随着降雪的逐步结束，17:30以后2000 m以上的Cn2已经无法探测到，表明中上层大气已经处于干区控制。

图4 12月15日0:00—23:00折射率结构常数随时间高度分布图

2.4 探测高度变化

从0:00开始到降雪逐渐减弱(17:00)(见图2，3)，由于大气中的水汽充沛，雷达探测的要素平均高度都在5000 m以上，随着降雪的逐渐减弱，中高空的水汽也逐步消耗殆尽，从16:30—17:55，探测高度已经下降到4200 m左右，从18:00以后，探测高度更是跳水至2200 m，配合地面的降雪也是逐步进入尾声，强度明显减弱。

3 结语

(1)风廓线雷达风资料可以清楚地展示暴雪过程风场变化特点，弥补常规探测资料在短时和临近预报中的不足;通过分析高低层冷暖平流的分布情况，进一步了解过程发生时的大气层结结构，有利于精细化的预报制作;

(2)风廓线雷达探测到的垂直速度、折射率结构常数及探测高度等指标的变化能一定程度地反映出降雪的开始、结束以及降雪的强度。

风廓线雷达高时空分辨率资料可以弥补常规资料分辨率不高的缺点，为能准确预报降雪的变化提供一定的资料依据。但是湖州市的边界层风廓线雷达在探测的水平范围和垂直高度上还有局限性。同时以上分析所得出的一些结论只是个例研究，未经大量样本验证，尚待进一步的定量分析研究。

［1］ 顾映欣，陶祖钰.1989—1990年UHF风廓线雷达资料的分析和应用［C］.中尺度气象文集.北京:气象出版社，1993:194－201.

［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，2003，19(3):285－290.

［3］ 李妙英，胡明宝，沈超玲.风廓线雷达对微下击暴流的监测与分析［C］.中国气象学会2007年年会论文集，2007:541.

［4］ 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，2002，13:330 －338.

［5］ Ralph.Using radar-measured radial vertical velocities to distinguish precipitation scattering from clear-air scattering［J］.JAtmos Oceanic Technol，1995，12:257 －267.

［6］ 季致建，邱小伟.丽水地区40年大到暴雪气候［J］.浙江气象科技，1995，16(4):1 －6.