低对流层风廓线雷达产品在暴雨过程的分析应用

龚成龙 姜建萍 杨远航

(三明市气象局,福建 三明 365000)

风廓线雷达是一种新型高空大气活动探测设备，它能对大气中垂直分布的水平风廓线、大气湍流等大气物理现象进行高时空、分辨率持续探测，生成功率谱线、信噪比、大气水平风向风速、垂直速度、大气折射率结构常数等产品。这些产品在数值预报、大气活动观测、中小尺度预报、以及气象灾害服务等领域均有广泛的应用价值。风廓线雷达资料在三明市的短时临近预报中已有运用，且具有较好的指导作用[1]。

吴蕾等[2]对风廓线雷达低空风切变指数、高低空急流指数和温度平流三种产品算法进行了研究,并将其用于两次强降水过程的监测预警研究。通过分析强降水发生前后风廓线雷达二次产品的变化，发现风廓线雷达资料对暴雨强降水具有很好的监测预警作用。齐佳慧等[3]将风廓线雷达和L波段探空雷达的测风资料进行对比，并研究讨论了风廓线雷达资料的准确性和可用性，将2016 年5月—2017年4 月张家口的风廓线雷达与L 波段探空雷达测风资料进行对比分析，发现风廓线雷达测风数据与L波段探空雷达测风数据成正相关性。汪学渊等[4]对移动风廓线雷达与 L 波段探空雷达资料进行对比统计分析，指出风廓线雷达在设计探测高度的有效数据获取率高达90%，高度上升后，有效数据获取率持续下降。风廓线的径向速度平均差和标准差随高度的增加而增加，风廓线雷达自身数据的准确性良好，但是降雨对数据有较大影响，其中的影响因子需要进一步研究。

本文选取的5月16～19日三明市特大暴雨天气过程，全市受中尺度辐合切变影响，15日午后到19日上午普降暴雨到大暴雨，局部出现特大暴雨。过程雨量方面，全市共有12个县(市、区)的254个雨量站超过100mm。据统计，截至19日22时，全市共有12个县(市、区)125个乡镇86053人受灾，全市直接经济总损失约13.31亿元。

1 风廓线雷达的主要性能和资料

低对流层风廓线雷达型号为CFL-06，制造商为航天部23所。主要性能参数见表1[5]。

表1 CFL-06型低对流层风廓线雷达性能参数

晴空大气与大气湍流是CFL-06型低对流层风廓线雷达的主要探测对象，由于大气中不均匀分布的折射率产生不同的散射，湍流的动向会引起电磁波折射率大幅变化，这被称为湍流散射。雷达通过接收大气湍流块散射回来的多普勒频移信号，经过计算得到相对于雷达的径向速度[2]。通过5个不同角度的多射向测速，将一定的条件下不同回波信号所在高度上的风速、风向、垂直速度进行处理，形成最终的大气风廓线产品。探测原理如图1所示。

图1 风廓线雷达探测原理

2 天气过程资料选取

本次暴雨过程从5月15日10时开始三明市出现分散对流回波，降水强度小、持续时间短，15日21时开始，建宁、泰宁、将乐出现短时强降水，雨带成东西向，21时开始为本次强降水过程的征兆；16日02时开始，强降水带南压至三明中部，雨带成西北东南向，强雨带在三明中部持续12个小时。16日14时，强降水雨带开始南压至三明西部、南部，17时强降雨带开始北抬，16日20时，强降雨带在三明西南部持续发展。5月16日-5月19日，全市大气监测站的数据中，将乐大监站总雨量排在第三位。根据分布在将乐县各区域的气象自动雨量站的监测数据，将乐县高唐镇邓坊村雨量站降水达135mm/h(如图2)，将乐大源乡站降水达到54.8mm/h，将乐万安站达到87mm/3h。本次选取2019年5月15日至5月18日暴雨过程中，将乐低对流层风廓线雷达产品总数4812个，150m至10110m探测高度中，一共扫描59层。

图2 5月15～18日将乐县高唐镇邓坊村雨量站雨量

3 获取率分析

风廓线雷达的数据获取率是风廓线雷达探测能力的一项重要指数，它可以直接呈现风廓线雷达在运行过程中获取具有观测价值的有效数据的能力。有效数据获取率(Available Data Rate，ADR)定义为实际获取的有效数据量与应获得的数据总量之比[7]，公式如下：

在设备实际运行中，风廓线雷达的有效数据产品在不同高度上的获取率会因各种环境的原因而不同。我们在分析有效数据获取率时，将有效数据获取率和获取高度作为坐标轴，便得出一条不同高度的有效数据获取率曲线(如图3)。对这次暴雨过程中降水量最大的时间段(5月16日00时至5月17日00时)的数据计算，当前24小时一共产生了2406个产品，统计每一层的有效数据，画出图3。从图3可以看出，将乐县风廓线雷达在1000m以下获取率接近100%，从1000m-5000m以下的数据获取率都在100%，5000m以上开始下降，并在6000m左右开始趋于50%。将乐风廓线雷达的最佳探测高度为6～8km，暴雨给探测环境创造了较大的风速和降水过程中空气的高湿度，这些条件让风廓线雷达在1000～5000m的识别功率谱谱峰能力加强，但是因高层气流相对复杂，积雨云较多，影响了探测效率。

图3 5月16日将乐县风廓线产品获取率变化曲线

4 风切变分析

风切变通常是指空间中两个相邻观察点之间的风向和风速突然变化[8]。在大雨期间，垂直风切变的产生有利于分层不稳定性的发展，从而导致强对流降水。垂直风切变的精确计算包含风向和风速的影响，D为上下风向之差。垂直风切变的精确计算包括风向和风速的影响。计算公式如下：

4.1 风廓线雷达水平风的垂直风切变

15日21时开始，强降水雨带南压进入将乐，从将乐风廓线雷达显示如图4，在21时出现降水前，4km-5km高度处出现较强水平风的垂直风切变，并向低层传播，降水时高、低层都出现强垂直风切变。16日17时，雨带再次北抬，从将乐风廓线雷达的产品上看(见图4)，17时出现降水之前，4km左右高度出现9m/s的水平风的垂直切变，并在未来几个小时持续往低层传播。18日早晨开始降水之前，高低层均出现10m/s的水平风垂直切变。从水平风的垂直风切变风速差强度分析，15日21时开始的过程强度最强，高度也最高。16日17时左右，切变强度其次，符合图2降水量的分布。由此可见，在降水前几个小时内，高空4～5km处将会出现较强水平风的垂直风切变，并向低层传播，而降水时，高、低层均会出现强垂直风切变。

图4 5月15～16日将乐县风廓线雷达水平风垂直风切变(图中为世界时)

4.2 将乐县风廓线雷达垂直风脉动与水平风脉动

降水期间水平风和垂直风出现明显的风脉动，并且保持了较高的一致性，15日夜间雨强较大(将乐县高唐镇邓坊村山洪雨量站小时降水达到135mm/h，距测站14km)，水平风脉动与垂直风脉动出现了明显的波动；16日白天雨强较小(≤20mm/h)，风脉动出现的最大高度，前时段高于后时段，其中15日夜间的风脉动出现的最大高度强度都高于其他时间段，16日17时左右与18日早晨其次。这说明降水云系有所下沉。

4.3 低空急流指数

急流是指一股强而窄的准水平气流带，按高度不同划分为高空急流和低空急流[9]，由于风廓线雷达探测范围的影响，本次引入低空急流指数作为研究的目标。低空急流指数在过去的研究中常被应用在一段暴雨的过程中，反映低空急流强度的定量标准，并通过本指数对暴雨过程的关联性进行比较。其公式可以表示为：

式中，V代表了高度2km以下对流层急流中心最大风速(单位:m·s-1),孙俊等人[10]指出，V最大值为12m·s-1;D代表了风速12m·s-1出现时所处在的最低高度(单位:km)。

本文选取5月15日09时至5月 17 日05时的风廓线雷达的基本数据，并通过公式进行反演，如图5所示，从该时间段内暴雨过程的低空急流指数的变化及相应的逐时降水量(图2)可见，三次过程的强降水前(15 日 21时左右，16 日 7时，16日16时)，I值都迅速增大(图5)。15日19时至20时，将乐县高唐镇邓坊村山洪雨量站最大降水量达到135mm，对应的指数从20时左右迅速增加，在 2h内峰值达到160。强降水开始后，I值迅速减小，后续21时至22时开始持续降水，降水量为63.5mm，1h内峰值达到80。从图5可见，22时之前，I值又有一次迅速增大的过程，增幅为25左右，但对应时间的降水量相对较小。16日降水较少，00时至01时，1h将乐高唐镇邓坊村山洪雨量站降水量为11mm，相应地，I值从01时左右开始有一个持续上升的过程。I值在08时、15时、17日02时左右均有一个小范围的脉动，均对应了后续一个小幅度的降水。

图5 5月15～16日将乐县风廓线雷达低空急流指数(图中为北京时间)

我们将I值与降水量数据做回归分析，得出Multiple R值约等于0.09，成正相关性，说明本次降水过程主要由低空急流影响。

在由低空急流主导的过程中，低空急流指数I值快速的增幅都对应较强的降水，较强降水之后低空急流指数可能会持续一段时间后下降，当低空急流指数连续脉动且幅度较小时，后续有可能产生较低程度的降水。但指数I大小很难区别出降水量的差异，还需要其他层次、其他条件的配合。可见低空急流指数需要根据实际情况与其他大气指数、气象产品配合，才能对降水过程作准确的预测分析。

5 探测高度

图6是5月15日至5月17日降水过程中将乐县风廓线雷达探测高度变化曲线。5月15日13∶00，探测高度升至10.1km，这可能是地面降水前高空有水汽到达[11]，3小时以后突然下降到8.0km趋于稳定，16时下降至6.75km,这可能是大暴雨前气流脉动过大带来其他因素的干扰，导致探测高度有所降低。从18∶00开始，最大探测高度上升至10.1km，对应了18时左右开始的降水过程，地面降水期间探测高度基本维持在8.5km以上，并持续稳定达到10.1km；16日02时开始，降水过程趋于平缓，降水量很少，但是空气中的水汽浓度依旧很高，在这个时间区域内，探测高度基本维持在8km以上，在持续无降水的几个时间段内(如16日20时至17日04时)，探测高度甚至低至8km以下，04时左右探测高度降到7.5km，之后对应了06时左右开始的新一轮降水，之后的5小时内，附近的雨量自动监测站台上村降水量达到37.2mm,而17日04时的探测高度还是高于15日16时的高度，也对应了两个时间段后续降水强度的差别。

图6 5月15～16日将乐县风廓线雷达探测高度(图中为北京时间)

6 结论

本次选取2019年5月16～19日三明市特大暴雨天气过程中将乐县低对流层风廓线雷达资料和每小时的雨量资料。通过反演风廓线雷达产品数据，对本次天气过程的风廓线雷达数据特征进行分析，得到以下结论。

①将乐县风廓线雷达的最佳探测高度为6～8km，暴雨给探测环境带来了较大的风速和降水过程中空气的高湿度，这些条件让风廓线雷达在1000～5000m的识别功率谱谱峰能力加强，有效数据的获取率趋近于100%，但是因高层气流相对复杂，积雨云较多，影响了探测效率，5000m以上高度有效数据获取率逐步降低，趋近于50%。

②通过反演风廓线雷达的基本数据发现，在强降水天气来临前的几个小时内，高空4～5km处将会出现较强水平风的垂直风切变，随着时间推移，切变由高层快速向下传递，且不断加强，导致更大的风速源源不断向下传递，低空急流指数不断增高，从而使得上下层垂直风切变增大，为强降水产生提供了很好的动力条件，当伴随有西南暖湿气流输送的水汽条件时，强降水过程开始。而降水时，高、低层均会出现强垂直风切变，强降水前1～2小时，水平风脉动与垂直风脉动也出现了明显的波动。

③低空急流指数(I值)的变化与暴雨强降水过程有紧密联系，在每次强降水发生前1～2小时，低空急流指数都会突然升高，强降水发生后，低空急流指数减小。将乐县15日夜间降水强度高于16日白天，对应低空急流指数增幅也是前者大于后者，说明低空急流指数的大小与降水强度有一定联系，但需参考其他监测数据配合。

④降水过程中探测高度会增高，原因是暴雨强降水过程到来时，高度较高的大气中的水分子增多，使多普勒效应中的折射率结构常数增大，从而直接使探测高度增加。还有一个因素是，由于大气中的水分子增加，大气中温度较低，出现结晶水等固态的粒子，当这些粒子的密集度与颗粒大小聚集至一定程度时，就会变成能产生雷达回波的粒子散射信号。

综上，低对流层风廓线雷达数据与降水资料出现的极值从时间和空间上都有较好的对应关系，且在整个降水过程探测中保持连续性、高密度的特点，在汛期暴雨强降水过程的预警监测中能够得到有效的应用。