孫麗娜，陳 楠，李妙英，王百朋

(1.泰安市氣象局，山東泰安 271000；2.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京 211101；3.陜西省防雷中心，西安 710014)

孫麗娜，陳楠，李妙英，等. 南京地區(qū)一次短時(shí)強(qiáng)降水風(fēng)廓線雷達(dá)資料特征分析[J].陜西氣象，2017(5)：13-16.

1006-4354(2017)05-0013-04

2017-06-12

孫麗娜(1982—)，女，山東成武人，碩士，工程師，主要從事氣象災(zāi)害防御工作。

南京地區(qū)一次短時(shí)強(qiáng)降水風(fēng)廓線雷達(dá)資料特征分析

孫麗娜1，陳 楠2，李妙英2，王百朋3

(1.泰安市氣象局，山東泰安 271000；2.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京 211101；3.陜西省防雷中心，西安 710014)

邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)；垂直速度；大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)；速度譜寬

風(fēng)廓線雷達(dá)是一種新型無球高空氣象遙感探測(cè)設(shè)備，主要利用大氣湍流對(duì)雷達(dá)電磁波的散射作用對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)等物理量進(jìn)行探測(cè)。中國(guó)氣象局計(jì)劃在全國(guó)范圍內(nèi)組網(wǎng)布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)，到2020年確保有百余部風(fēng)廓線雷達(dá)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用[1]，來彌補(bǔ)常規(guī)高空探測(cè)站時(shí)空分辨率不足的問題。風(fēng)廓線雷達(dá)研制初衷用于晴空大氣的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，但大量研究表明，邊界層和對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)(特別是邊界層風(fēng)廓線雷達(dá))容易受到降水的干擾[2-4]，于是國(guó)內(nèi)外就風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)降水展開了相關(guān)研究。早在20世紀(jì)八九十年代，國(guó)外Wakasugi[5]、Williams[6]、Ralph[7]等利用不同頻段的風(fēng)廓線雷達(dá)資料(垂直速度、信噪比等)探測(cè)降水，發(fā)現(xiàn)通過風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)變化能夠區(qū)分降水和晴天，并在一定程度上能區(qū)分降水類型。國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)研究起步較晚，劉淑媛[8]、古紅萍[9]、陳楠[10]等利用風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)廓線分析低空急流與降水之間的關(guān)系；楊引明[11]、周志敏[12]、鄭石[13]等利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)冰雹、強(qiáng)降水、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)在強(qiáng)對(duì)流天氣識(shí)別中有應(yīng)用前景和潛力。

目前，天氣雷達(dá)在近處會(huì)受到靜錐區(qū)的影響探測(cè)不到高層數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)處低層又會(huì)存在盲區(qū)，從而回波的垂直分布空間分辨率不高。而風(fēng)廓線雷達(dá)可獲得單站上空三個(gè)或五個(gè)近垂直方向的探測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步可計(jì)算出風(fēng)廓線雷達(dá)上空的水平風(fēng)場(chǎng)、垂直速度、信噪比等相關(guān)數(shù)據(jù)[14]?？紤]到風(fēng)廓線雷達(dá)的這些優(yōu)勢(shì)，利用南京地區(qū)一次夏季短時(shí)強(qiáng)降水過程的邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料，分析在降水前后及降水過程中風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的變化特征，以期為本地精細(xì)化預(yù)報(bào)提供有益參考。

1 降水情況與資料選取

2006年8月1日江蘇省南京市出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，總降水量為44.9 mm，降水發(fā)生在18:30-22：15。降水量隨時(shí)間的分布情況(圖1中降水量為15 min累計(jì)降水量)，在此次降水過程中降水量出現(xiàn)了兩次峰值，一次是在19:45—20:00，15 min累計(jì)降雨量為8.3 mm；另一次在20:30—20:45，15 min累計(jì)降雨量達(dá)10.9 mm。同時(shí)兩個(gè)時(shí)間段(19:00—19:30、21:30—22:00)觀測(cè)站沒有探測(cè)到降水?？梢娊邓侩S時(shí)間分布很不均勻，具有明顯的對(duì)流性降水特征。

圖1 2006-08-01南京降水過程中邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度最大值和15 min累計(jì)降水量隨時(shí)間變化

雷達(dá)數(shù)據(jù)為解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)，該雷達(dá)放置在解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，由愛爾達(dá)電子設(shè)備有限公司研制，采用相控陣天線體制，探測(cè)高度范圍為50～3 450m，可獲得40個(gè)高度層的數(shù)據(jù)。其中，50～300 m高度采用低模式共獲得6個(gè)高度層的數(shù)據(jù)，高度分辨率為50 m；400～3 450 m高度采用高模式共獲得34個(gè)高度層的數(shù)據(jù)，高度分辨率為100 m。

2 風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在降水過程中的特征分析

2.1 垂直速度

在降水情況下，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的垂直速度(未經(jīng)落速訂正)代表了空氣垂直運(yùn)動(dòng)和降水粒子下沉運(yùn)動(dòng)的總和。圖2為2006年8月1日風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度時(shí)間—高度圖。暖色標(biāo)表示垂直向下的速度(定義垂直速度向下為正速度)，冷色標(biāo)表示垂直向上的速度,圖中的垂直速度為1 h的平均值。從圖2可以看出，在降水沒有發(fā)生時(shí)，不同高度的垂直速度均以上升氣流為主，而在降水出現(xiàn)前后及降水過程中垂直速度有明顯的變化，主要以下沉氣流為主?？梢姡怪彼俣鹊淖兓c降水的發(fā)生有較好的相關(guān)性。

圖2 解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)2006-08-01垂直速度小時(shí)均值

比較不同時(shí)刻垂直速度在整個(gè)高度層出現(xiàn)的最大值與對(duì)應(yīng)時(shí)刻降雨量數(shù)據(jù)(圖1)，可以發(fā)現(xiàn)，18:00(降水發(fā)生前約30 min)有大于4.0 m/s的垂直速度出現(xiàn)，在此之前垂直速度最大值均在1 m/s以內(nèi)。在降水過程中，除最后一個(gè)降水時(shí)刻垂直速度最大值為1.7 m/s，其他降水時(shí)刻垂直速度最大值均為3.47～10.0 m/s?？梢?，垂直速度的變化與降水的發(fā)生與結(jié)束有較好的相關(guān)性，且垂直速度的明顯增大較降水的發(fā)生在時(shí)間上有一定的提前量。進(jìn)一步分析垂直速度最大值所在高度，還可以發(fā)現(xiàn)，降水發(fā)生前向下垂直速度最大值主要集中在3 km以上的高度層，而降水發(fā)生后向下垂直速度最大值在高度上明顯下降，同時(shí)低層向下垂直速度值明顯增加，當(dāng)向下垂直速度最大值所在高度降低到低層且數(shù)值開始明顯變小時(shí)，預(yù)示著降水結(jié)束。

同時(shí)，對(duì)比降水過程中垂直速度最大值與降雨量大小，可以看出，垂直速度與降雨量大小變化趨勢(shì)較一致，對(duì)應(yīng)于降雨量的兩個(gè)峰值(19:45—20:00、20:30—20:45)，垂直速度最大值都大于9.5 m/s?？梢?，垂直速度在一定程度上能反映降水的強(qiáng)弱變化，垂直速度值的增大有利于降水的增強(qiáng)。

2.2 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

圖3 2006-08-01南京市降水過程中折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)最大值對(duì)數(shù)隨時(shí)間變化

2.3 速度譜寬

多普勒速度譜寬度(簡(jiǎn)稱譜寬)，表示有效照射體內(nèi)不同目標(biāo)的多普勒速度偏離其平均值的程度，實(shí)際上它是由該照射體內(nèi)的散射粒子具有不同的徑向速度所引起的，即在采樣體內(nèi)降水粒子的運(yùn)動(dòng)速度差異越大，速度譜寬越大，從而在不考慮非氣象因素的前提下，速度譜寬能很好地反映風(fēng)切變和湍流的強(qiáng)弱。

統(tǒng)計(jì)不同時(shí)刻速度譜寬的最大值，將其與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的降水量進(jìn)行比較(圖4)，數(shù)據(jù)表明：隨著降水臨近，速度譜寬隨時(shí)間逐步增大，可見湍流運(yùn)動(dòng)和風(fēng)切變?cè)谠鰪?qiáng)，有利于對(duì)流不穩(wěn)定度的增強(qiáng)，為降水發(fā)生提供有利條件。降水過程中，速度譜寬的變化與降水量的變化趨勢(shì)比較一致，且降水量中出現(xiàn)的兩次峰值與速度譜寬出現(xiàn)的兩次峰值正好對(duì)應(yīng)，分析原因可能是降水增強(qiáng)時(shí)雷達(dá)采樣體積內(nèi)降水粒子尺度上差異大，從而導(dǎo)致降水粒子的下落速度差異較大，這也是速度譜寬增大的主要因素之一?？梢姡俣茸V寬的變化在一定程度上能反映降水強(qiáng)度的變化。

圖4 降水過程中速度譜寬最大值隨時(shí)間的變化

3 結(jié)論與討論

利用解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的三個(gè)基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品(垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)和速度譜寬)對(duì)2006年8月1日江蘇南京出現(xiàn)的一次短時(shí)強(qiáng)降水過程進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1)降水時(shí)段的垂直速度、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)和速度譜寬明顯大于無降水時(shí)段，同時(shí)在降水臨近時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)的三個(gè)基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢(shì)，可見邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)能夠較準(zhǔn)確地反映降水的開始和結(jié)束，對(duì)降水預(yù)報(bào)有一定的指示作用。

(2)降水過程中，風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度和速度譜寬與降水量變化趨勢(shì)較一致，能夠較好地反映降水強(qiáng)度的變化。

(3)通過論文研究，可以看出邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)在探測(cè)降水方面存在較強(qiáng)應(yīng)用潛力，可結(jié)合更多實(shí)測(cè)資料得出普適性的規(guī)律和特征，為降水預(yù)報(bào)提供參考和依據(jù)。

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