乌鲁木齐风廓线雷达资料在业务中的应用

谢葭颖 苏朝丞 张月华

摘 要：分析了乌鲁木齐市3种高影响天气的风廓线雷达资料，分析结果表明：风廓线资料能较好地反应本地上空垂直方向上的高时空分辨率的风场的变化特征，即能明显细致地显示高低空急流、垂直切变和冷暖平流的结构和变化，不同的天气过程对应不同的特征，对影响天气的检测预警有重要指示作用。

关键词：风廓线雷达;乌鲁木齐;天气预报;业务应用

中图分类号：S164

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190930051

风廓线雷达是我国目前规划发展的垂直探测设备，它能够提供大气的三维风场信息，如水平风场、垂直气流、大气折射率常数CN2等气象要素随高度的分布，是对常规探测的有力补充，其资料对天气预报预警有重要意义，是提高灾害性天气监测预警能力的重要手段，因此风廓线雷达资料的应用越来越受到重视。早在1994年NOAA就开展了对风廓线雷达资料的评估，结果表明：风廓线雷达有助于提供强天气的预报准确率，使用风廓线雷达资料后，美国龙卷风、雷暴、暴雨的预警时间提前了14%，强天气的预报准确率提高了13%，3h风的预报准确率提高了20%;目前，风廓线雷达资料已经成为美国短时临近预报的强有力工具之一。在中国风廓线雷达资料也得到了广泛的应用，如顾映欣等[1-4]利用风廓线雷达资料对局地暴雨、锋面等天气过程进行了分析，证明了风廓线雷达资料在短时预报中的能力。乌鲁木齐风廓线雷达已经建成6a，在短时临近预报业务中如何充分使用风廓线雷达资料也是本局目前的工作任务。本文通过对乌鲁木齐市强降水、东南大风、大雾3种高影响天气

中的风廓线特征进行分析，希望能在天气预报服务中充分发挥其作用。

1 资料

本文选取了2017—2018年间气象资料和风廓线资料都完整的6次不同类型的天气过程：2次夏季强降水天气过程、2次典型的大雾天气、2次城区的东南大风天气，分析其在风廓线雷达资料的不同风场特征。

2 风廓线资料的应用情况

2.1 强降水

选取2018年5月24日和8月12—13日2次强降水天气过程，它们都同时伴有雷电和短时强降水出现。

2.1.1 两次天气实况

2018年5月24日05∶00后开始降水，最大雨强5.8mm/h，过程总降水量26.2mm，12∶00降水结束;8月12日23∶00前开始降水，最大雨强14.2mm/h，过程总降水量23.8mm，13日10∶00降水结束，见图1。

2.1.2 风廓线特征

许多研究表明，暴雨的发生发展与环境风的垂直切变和低空急流密切相关，适度的垂直风切变有助于雷暴的组织和传播，而低空急流持续的水汽输送和不稳定能量的积累是暴雨发生的重要条件。

水平风特征：利用风廓线雷达的水平风资料，可以实时监测水平风的垂直切变和切变的发展变化。5月24日降水过程：从图1风廓线的时间序列图上可以看出，降水发生前12h，即23日17∶00低层2500m以下有西北和偏东风的切变，根据热成风原理风随高度顺转，说明低空有暖平流输送，有对流的发展潜势，为降水开始积累不稳定能量。24日03∶00前后6000m以上高空开始有大于20m/s西南急流的出现，说明有高空抽吸作用，促进了对流的发展，2h后降水开始。暴雨前低空急流不明显，但整个暴雨过程中低空都有大于12m/s的西北急流的存在，为降水提供了水汽的输送。该次天气过程中，从风廓线资料中可以清楚地看到本地上空的水平风风场变化特征，低空首先出现暖平流，之后出现高空急流，促进了对流的发展，整个降水过程中都有低空急流的维持。

8月13日降水过程：降水发生前12h即12日10∶00前整层为暖湿的偏南气流，10∶00开始西北方向的冷空气从低空楔入，暖空气被迫抬升，从10∶00的200m到23∶00抬升至3000m高度，增加了对流不稳定度。12日17∶00前后6000m高空开始出现24m/s的西南急流，由于高空急流的抽吸作用促成对流更进一步发展，使整层湿度条件较好，5h后即23∶00降水开始。降水开始前和过程中有大于12m/s的低空西北急流存在。可见本次降水过程中同样有高低空急流的存在，促进了对流的发展。

垂直速度：垂直速度能夠清晰地显示出降水开始、结束时间，及雨强的大小变化。如5月24日06∶00开始大于4m/s的下沉速度到达地面，与降水开始时间一致;06∶00—08∶00最大值达6m/s以上，对应最大雨强最大时段;13∶00减小到4m/s以下，降水结束。

8月12日23时下沉速度大于4.0m/s并且到达地面时，对应降水开始时间;08∶00—09∶00下沉速度最大达到7.4m/s，对应着雨强最大时段;11时垂直速度减小为0m/s，对应着降水已经结束（见图2），实况是12日23时开始下雨，08∶00—09∶00雨强最大达14.2m/s。

大气结构折射率常数CN2：CN2能反映出本地上空整层大气的湿度状况，特别是较好地反映了降水开始和结束时间，同时也能反映出雨强大小。如5月23日24∶00整层开始CN2大于-140，降水已经开始;07∶00—08∶00达到最大值大于-120，对应着最大雨强时段;24日12∶00后虽然高空CN2仍然较大，但低层已明显减小，降水随之结束。

8月12日降水开始前低层CN2均小于-140，23∶00开始大于-140，并且数值越大降水强度越大，在降水时段08∶00—09∶00内CN2出现最大值，大于-120，对应着实际雨强最大时段;降水停止后CN2随即减小到-140以下（见图3）。

2.2 东南大风

乌市由于地形的狭管效应，当狭管南北两端出现一定的压差时，会出现东南风，压差越大，风速也就越大，这也是春秋季乌市影响最严重的灾害性天气。东南大风出现时顺着柴窝堡山谷到达乌拉泊、红雁池一带，由于是下坡，风速迅速加强，是东南大风的风口，即乌市城区持续东南大风时，红雁池一定会有东南东风，红雁池大风可以作为东南大风进入城区的指标站。

共同特点：城区出现东南大风时，红雁池都有比城区大10m/s的东南大风，并且开始时间比城区早，结束时间比城区晚，因此红雁池较大东南大风的出现对城区来说有警示作用。

2.2.1 实况

2017年4月16日东南东风：红雁池在16日01∶00出现东南大风，2h后城区开始出现偏东南风，16日后半夜红雁池、城区同时出现最大风速;城区偏东南风结束后2h，红雁池于16日14∶00前东南大风结束;2018年3月30日—4月1日东南大风，城区东南大风持续时间长达28h，城区偏东南风开始时间比红雁池东南大风晚1h，结束时间比红雁池早2h，最大风速出现时段均在30日夜间。

2.2.2 风廓线资料

东南大风开始前，风廓线雷达探测高度较低，如两次东南大风发生前最大探测高度都在4000m以下，并且整层CN2很小，即湿度条件非常差。当高空有冷空气入侵时，探测高度升高，抑制了东南大风的持续，说明东南东风多发生在晴好天气时，与事实一致，即东南大风的一般出现在高压脊控制的晴好天气时段。

由图5可知，2017年4月15日城区东南大风开始前，整层为西北气流，15日18∶00 1000m高度以下至地面开始出现偏东风，22∶00转为东南风，实况是城区、红雁池两地同时在22∶00风向转为东南风，可见风廓线资料能很好地反映出实际风速和风向。随着东南风不断向上扩展使厚度增加、风速迅速增大，实况是两地的风速不断加强，06∶00地面风廓线达到最大值20m/s以上，与两地实际风速最大值时段一致。16日14∶00近地层有东北方向的冷空气楔入，近地面的东南风转为东北风，实况是14∶00前后城区东南风转为东北风，2h后红雁池东南东风结束。

由图6可知，2018年3月30日15∶00前整层基本为西北风，15∶00后1000m高度以下开始出现偏东风，17∶00转为东南风，并且向上向下传递、厚度增加、风速加大，由于没有积雪，低层没有逆温动量很容易下传到达地面。30日19∶00风廓线上的东南风达到地面，城区开始出现东南风。与风廓线雷达资料一致，两地实际风速的最大值出现在夜间。风廓线资料中4月1日02∶00左右随着地面东北方向的冷空气的楔入，近地面转为东北风，对应着城区的实际风向由东南风转为东北风，2h后红雁池也转为东北风，东南大风彻底结束。可见风廓线资料能很直观地反映出城区、红雁池实际风的方向和大小，对城区东南大风的预报有很强的指示意义。

2.3 大雾

2.3.1 两次大雾天气实况

2.3.2 两次大雾天气风廓线雷达特征

图7的2017年2月16—17日风廓线资料中：16日 20∶00 1500m高度以开始出现东南风，随着时间东南风厚度不断加大、风速加强到20m/s以上并维持;17日02∶00 CN2明显加大到-140以上即湿度条件较好，实况是02∶00前城区的雾开始逐渐加强;整个能见度小于100m大雾时段内，探测高度均在3000m以下，近地面有明显的东北和东南风的垂直切变，即有较强的逆温层存在，逆温层上风速很大，积聚了很大的能量，而逆温层下几乎为静风，不利于污染物的扩散;17日13∶00后东南风厚度、CN2值逐渐减小，大雾逐步减弱，15∶00前后东南风达到地面，大雾完全消散。

图8的2018年2月24日风廓线资料中：23日22∶00 1500m高度以下开始出现东南风，厚度和风速都不断加大，同时CN2值也不断加大，由图8可以看出，24日00∶00—15∶00时CN2值大于-140，即低层湿度逐步加大，利于雾的形成，并且CN2值最大时段与雾最浓时段一致;大雾出現时段内风廓线的探测高度在3000m以下，近地层也存在明显的偏东风和东南风的垂直切变，即逆温层的存在，逆温层上风速很大，而逆温层下风速很小;12∶00逆温层上聚集较大能量的东南风冲破逆温层到达地面，之后低层东南风、CN2值减小城区大雾开始减弱，直至大雾消散。可见东南风厚度、风速最大和湿度最大重合时段与雾最浓时段对应一致，当东南风、CN2减小时大雾逐渐消散。

3 结论

3.1 强降水天气过程的风廓线资料特征

水平风探测高度较高，最高可达8000m左右，强降水过程开始前12h左右，低空都有冷暖空气的交汇，暖空气被迫抬升，大气不稳定度增加，高空急流出现不久，降水开始。垂直速度大于4m/s到达地面是降水开始和结束的标志，且垂直速度越大降水强度越大。CN2也能较好地反应出降水开始和结束时间，当CN2的值大于-140到达地面时降水开始，当近地层CN2小于-140时，降水结束，CN2值越大降水强度越大，但CN2对降水开始和结束时间、雨强的反应能力比垂直速度略差。

3.2 东南大风天气过程的风廓线雷达资料特征

东南大风开始前，风廓线雷达探测高度较低，一般在4000m高度以下，并且1000m高度左右或以下首先开始出现东南风，之后东南风不断向上、下扩展、厚度增加，当风廓线中东南风到达地面时，城区也开始检测到东南风的出现;随着动量的下传，能量不断在近地层堆积，地面的风速逐渐加大;当风廓线中近地层出现东北风时，城区的东南东风结束;整个东南大风过程中本地上空CN2很小即湿度条件非常差。

3.3 大雾天气时风廓线雷达资料特征

水平风的探测高度较低，均在3000m以下;形大雾之前低层都有东南风的出现，并向上或下扩展、厚度增加、风速加大的过程;近地层都有逆温层的存在，逆温层上风速较大有动量的堆积，逆温层下风速很小或为静风;出现大雾的时段，东南风厚度内湿度较大，通常CN2值大于-140;当东南大风冲破逆温层到达地面或者地面风速加大出现明显乱流时，大雾逐渐消散。

4 讨论

由于近2年来城区夏季强降水、冬季大雾和东南大风出现的次数都比较少，加上风廓线雷达在2017年的部分时段没有正常接收到资料，因此选取的个例也少，不能很好地总结出各类高影响天气的一般规律，今后还需要分析更多的个例来支持本文的结论。

参考文献

[1] 顾映欣，陶祖钰.UHF多普勒风廓线雷达资料的初步分析和应用[J].气象，1991，17（1）：29-33.

[2]古红萍，马舒庆.边界层风廓线雷达资料在北京夏季强降水天气分析中的应用[J].气象科技，2008，36（3）：300-305.

[3]林中应，曹亚平，赵小伟.风廓线雷达资料在一次强对流天气过程中的应用[J].气象研究与应用，2011，32（3）：19-22.

[4]陈元昭，彭勇刚.深圳高影响天气的风廓线雷达特征[J].广东气象，2010，32（3）：12-15.