龔成龍 姜建萍 楊遠航

(三明市氣象局,福建 三明 365000)

風(fēng)廓線雷達是一種新型高空大氣活動探測設(shè)備，它能對大氣中垂直分布的水平風(fēng)廓線、大氣湍流等大氣物理現(xiàn)象進行高時空、分辨率持續(xù)探測，生成功率譜線、信噪比、大氣水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品在數(shù)值預(yù)報、大氣活動觀測、中小尺度預(yù)報、以及氣象災(zāi)害服務(wù)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用價值。風(fēng)廓線雷達資料在三明市的短時臨近預(yù)報中已有運用，且具有較好的指導(dǎo)作用[1]。

吳蕾等[2]對風(fēng)廓線雷達低空風(fēng)切變指數(shù)、高低空急流指數(shù)和溫度平流三種產(chǎn)品算法進行了研究,并將其用于兩次強降水過程的監(jiān)測預(yù)警研究。通過分析強降水發(fā)生前后風(fēng)廓線雷達二次產(chǎn)品的變化，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達資料對暴雨強降水具有很好的監(jiān)測預(yù)警作用。齊佳慧等[3]將風(fēng)廓線雷達和L波段探空雷達的測風(fēng)資料進行對比，并研究討論了風(fēng)廓線雷達資料的準(zhǔn)確性和可用性，將2016 年5月—2017年4 月張家口的風(fēng)廓線雷達與L 波段探空雷達測風(fēng)資料進行對比分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達測風(fēng)數(shù)據(jù)與L波段探空雷達測風(fēng)數(shù)據(jù)成正相關(guān)性。汪學(xué)淵等[4]對移動風(fēng)廓線雷達與 L 波段探空雷達資料進行對比統(tǒng)計分析，指出風(fēng)廓線雷達在設(shè)計探測高度的有效數(shù)據(jù)獲取率高達90%，高度上升后，有效數(shù)據(jù)獲取率持續(xù)下降。風(fēng)廓線的徑向速度平均差和標(biāo)準(zhǔn)差隨高度的增加而增加，風(fēng)廓線雷達自身數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性良好，但是降雨對數(shù)據(jù)有較大影響，其中的影響因子需要進一步研究。

本文選取的5月16～19日三明市特大暴雨天氣過程，全市受中尺度輻合切變影響，15日午后到19日上午普降暴雨到大暴雨，局部出現(xiàn)特大暴雨。過程雨量方面，全市共有12個縣(市、區(qū))的254個雨量站超過100mm。據(jù)統(tǒng)計，截至19日22時，全市共有12個縣(市、區(qū))125個鄉(xiāng)鎮(zhèn)86053人受災(zāi)，全市直接經(jīng)濟總損失約13.31億元。

1 風(fēng)廓線雷達的主要性能和資料

低對流層風(fēng)廓線雷達型號為CFL-06，制造商為航天部23所。主要性能參數(shù)見表1[5]。

表1 CFL-06型低對流層風(fēng)廓線雷達性能參數(shù)

晴空大氣與大氣湍流是CFL-06型低對流層風(fēng)廓線雷達的主要探測對象，由于大氣中不均勻分布的折射率產(chǎn)生不同的散射，湍流的動向會引起電磁波折射率大幅變化，這被稱為湍流散射。雷達通過接收大氣湍流塊散射回來的多普勒頻移信號，經(jīng)過計算得到相對于雷達的徑向速度[2]。通過5個不同角度的多射向測速，將一定的條件下不同回波信號所在高度上的風(fēng)速、風(fēng)向、垂直速度進行處理，形成最終的大氣風(fēng)廓線產(chǎn)品。探測原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)廓線雷達探測原理

2 天氣過程資料選取

本次暴雨過程從5月15日10時開始三明市出現(xiàn)分散對流回波，降水強度小、持續(xù)時間短，15日21時開始，建寧、泰寧、將樂出現(xiàn)短時強降水，雨帶成東西向，21時開始為本次強降水過程的征兆；16日02時開始，強降水帶南壓至三明中部，雨帶成西北東南向，強雨帶在三明中部持續(xù)12個小時。16日14時，強降水雨帶開始南壓至三明西部、南部，17時強降雨帶開始北抬，16日20時，強降雨帶在三明西南部持續(xù)發(fā)展。5月16日-5月19日，全市大氣監(jiān)測站的數(shù)據(jù)中，將樂大監(jiān)站總雨量排在第三位。根據(jù)分布在將樂縣各區(qū)域的氣象自動雨量站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村雨量站降水達135mm/h(如圖2)，將樂大源鄉(xiāng)站降水達到54.8mm/h，將樂萬安站達到87mm/3h。本次選取2019年5月15日至5月18日暴雨過程中，將樂低對流層風(fēng)廓線雷達產(chǎn)品總數(shù)4812個，150m至10110m探測高度中，一共掃描59層。

圖2 5月15～18日將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村雨量站雨量

3 獲取率分析

風(fēng)廓線雷達的數(shù)據(jù)獲取率是風(fēng)廓線雷達探測能力的一項重要指數(shù)，它可以直接呈現(xiàn)風(fēng)廓線雷達在運行過程中獲取具有觀測價值的有效數(shù)據(jù)的能力。有效數(shù)據(jù)獲取率(Available Data Rate，ADR)定義為實際獲取的有效數(shù)據(jù)量與應(yīng)獲得的數(shù)據(jù)總量之比[7]，公式如下：

在設(shè)備實際運行中，風(fēng)廓線雷達的有效數(shù)據(jù)產(chǎn)品在不同高度上的獲取率會因各種環(huán)境的原因而不同。我們在分析有效數(shù)據(jù)獲取率時，將有效數(shù)據(jù)獲取率和獲取高度作為坐標(biāo)軸，便得出一條不同高度的有效數(shù)據(jù)獲取率曲線(如圖3)。對這次暴雨過程中降水量最大的時間段(5月16日00時至5月17日00時)的數(shù)據(jù)計算，當(dāng)前24小時一共產(chǎn)生了2406個產(chǎn)品，統(tǒng)計每一層的有效數(shù)據(jù)，畫出圖3。從圖3可以看出，將樂縣風(fēng)廓線雷達在1000m以下獲取率接近100%，從1000m-5000m以下的數(shù)據(jù)獲取率都在100%，5000m以上開始下降，并在6000m左右開始趨于50%。將樂風(fēng)廓線雷達的最佳探測高度為6～8km，暴雨給探測環(huán)境創(chuàng)造了較大的風(fēng)速和降水過程中空氣的高濕度，這些條件讓風(fēng)廓線雷達在1000～5000m的識別功率譜譜峰能力加強，但是因高層氣流相對復(fù)雜，積雨云較多，影響了探測效率。

圖3 5月16日將樂縣風(fēng)廓線產(chǎn)品獲取率變化曲線

4 風(fēng)切變分析

風(fēng)切變通常是指空間中兩個相鄰觀察點之間的風(fēng)向和風(fēng)速突然變化[8]。在大雨期間，垂直風(fēng)切變的產(chǎn)生有利于分層不穩(wěn)定性的發(fā)展，從而導(dǎo)致強對流降水。垂直風(fēng)切變的精確計算包含風(fēng)向和風(fēng)速的影響，D為上下風(fēng)向之差。垂直風(fēng)切變的精確計算包括風(fēng)向和風(fēng)速的影響。計算公式如下：

4.1 風(fēng)廓線雷達水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變

15日21時開始，強降水雨帶南壓進入將樂，從將樂風(fēng)廓線雷達顯示如圖4，在21時出現(xiàn)降水前，4km-5km高度處出現(xiàn)較強水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變，并向低層傳播，降水時高、低層都出現(xiàn)強垂直風(fēng)切變。16日17時，雨帶再次北抬，從將樂風(fēng)廓線雷達的產(chǎn)品上看(見圖4)，17時出現(xiàn)降水之前，4km左右高度出現(xiàn)9m/s的水平風(fēng)的垂直切變，并在未來幾個小時持續(xù)往低層傳播。18日早晨開始降水之前，高低層均出現(xiàn)10m/s的水平風(fēng)垂直切變。從水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變風(fēng)速差強度分析，15日21時開始的過程強度最強，高度也最高。16日17時左右，切變強度其次，符合圖2降水量的分布。由此可見，在降水前幾個小時內(nèi)，高空4～5km處將會出現(xiàn)較強水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變，并向低層傳播，而降水時，高、低層均會出現(xiàn)強垂直風(fēng)切變。

圖4 5月15～16日將樂縣風(fēng)廓線雷達水平風(fēng)垂直風(fēng)切變(圖中為世界時)

4.2 將樂縣風(fēng)廓線雷達垂直風(fēng)脈動與水平風(fēng)脈動

降水期間水平風(fēng)和垂直風(fēng)出現(xiàn)明顯的風(fēng)脈動，并且保持了較高的一致性，15日夜間雨強較大(將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村山洪雨量站小時降水達到135mm/h，距測站14km)，水平風(fēng)脈動與垂直風(fēng)脈動出現(xiàn)了明顯的波動；16日白天雨強較小(≤20mm/h)，風(fēng)脈動出現(xiàn)的最大高度，前時段高于后時段，其中15日夜間的風(fēng)脈動出現(xiàn)的最大高度強度都高于其他時間段，16日17時左右與18日早晨其次。這說明降水云系有所下沉。

4.3 低空急流指數(shù)

急流是指一股強而窄的準(zhǔn)水平氣流帶，按高度不同劃分為高空急流和低空急流[9]，由于風(fēng)廓線雷達探測范圍的影響，本次引入低空急流指數(shù)作為研究的目標(biāo)。低空急流指數(shù)在過去的研究中常被應(yīng)用在一段暴雨的過程中，反映低空急流強度的定量標(biāo)準(zhǔn)，并通過本指數(shù)對暴雨過程的關(guān)聯(lián)性進行比較。其公式可以表示為：

式中，V代表了高度2km以下對流層急流中心最大風(fēng)速(單位:m·s-1),孫俊等人[10]指出，V最大值為12m·s-1;D代表了風(fēng)速12m·s-1出現(xiàn)時所處在的最低高度(單位:km)。

本文選取5月15日09時至5月 17 日05時的風(fēng)廓線雷達的基本數(shù)據(jù)，并通過公式進行反演，如圖5所示，從該時間段內(nèi)暴雨過程的低空急流指數(shù)的變化及相應(yīng)的逐時降水量(圖2)可見，三次過程的強降水前(15 日 21時左右，16 日 7時，16日16時)，I值都迅速增大(圖5)。15日19時至20時，將樂縣高唐鎮(zhèn)鄧坊村山洪雨量站最大降水量達到135mm，對應(yīng)的指數(shù)從20時左右迅速增加，在 2h內(nèi)峰值達到160。強降水開始后，I值迅速減小，后續(xù)21時至22時開始持續(xù)降水，降水量為63.5mm，1h內(nèi)峰值達到80。從圖5可見，22時之前，I值又有一次迅速增大的過程，增幅為25左右，但對應(yīng)時間的降水量相對較小。16日降水較少，00時至01時，1h將樂高唐鎮(zhèn)鄧坊村山洪雨量站降水量為11mm，相應(yīng)地，I值從01時左右開始有一個持續(xù)上升的過程。I值在08時、15時、17日02時左右均有一個小范圍的脈動，均對應(yīng)了后續(xù)一個小幅度的降水。

圖5 5月15～16日將樂縣風(fēng)廓線雷達低空急流指數(shù)(圖中為北京時間)

我們將I值與降水量數(shù)據(jù)做回歸分析，得出Multiple R值約等于0.09，成正相關(guān)性，說明本次降水過程主要由低空急流影響。

在由低空急流主導(dǎo)的過程中，低空急流指數(shù)I值快速的增幅都對應(yīng)較強的降水，較強降水之后低空急流指數(shù)可能會持續(xù)一段時間后下降，當(dāng)?shù)涂占绷髦笖?shù)連續(xù)脈動且幅度較小時，后續(xù)有可能產(chǎn)生較低程度的降水。但指數(shù)I大小很難區(qū)別出降水量的差異，還需要其他層次、其他條件的配合。可見低空急流指數(shù)需要根據(jù)實際情況與其他大氣指數(shù)、氣象產(chǎn)品配合，才能對降水過程作準(zhǔn)確的預(yù)測分析。

5 探測高度

圖6是5月15日至5月17日降水過程中將樂縣風(fēng)廓線雷達探測高度變化曲線。5月15日13∶00，探測高度升至10.1km，這可能是地面降水前高空有水汽到達[11]，3小時以后突然下降到8.0km趨于穩(wěn)定，16時下降至6.75km,這可能是大暴雨前氣流脈動過大帶來其他因素的干擾，導(dǎo)致探測高度有所降低。從18∶00開始，最大探測高度上升至10.1km，對應(yīng)了18時左右開始的降水過程，地面降水期間探測高度基本維持在8.5km以上，并持續(xù)穩(wěn)定達到10.1km；16日02時開始，降水過程趨于平緩，降水量很少，但是空氣中的水汽濃度依舊很高，在這個時間區(qū)域內(nèi)，探測高度基本維持在8km以上，在持續(xù)無降水的幾個時間段內(nèi)(如16日20時至17日04時)，探測高度甚至低至8km以下，04時左右探測高度降到7.5km，之后對應(yīng)了06時左右開始的新一輪降水，之后的5小時內(nèi)，附近的雨量自動監(jiān)測站臺上村降水量達到37.2mm,而17日04時的探測高度還是高于15日16時的高度，也對應(yīng)了兩個時間段后續(xù)降水強度的差別。

圖6 5月15～16日將樂縣風(fēng)廓線雷達探測高度(圖中為北京時間)

6 結(jié)論

本次選取2019年5月16～19日三明市特大暴雨天氣過程中將樂縣低對流層風(fēng)廓線雷達資料和每小時的雨量資料。通過反演風(fēng)廓線雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)，對本次天氣過程的風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)特征進行分析，得到以下結(jié)論。

①將樂縣風(fēng)廓線雷達的最佳探測高度為6～8km，暴雨給探測環(huán)境帶來了較大的風(fēng)速和降水過程中空氣的高濕度，這些條件讓風(fēng)廓線雷達在1000～5000m的識別功率譜譜峰能力加強，有效數(shù)據(jù)的獲取率趨近于100%，但是因高層氣流相對復(fù)雜，積雨云較多，影響了探測效率，5000m以上高度有效數(shù)據(jù)獲取率逐步降低，趨近于50%。

②通過反演風(fēng)廓線雷達的基本數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在強降水天氣來臨前的幾個小時內(nèi)，高空4～5km處將會出現(xiàn)較強水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變，隨著時間推移，切變由高層快速向下傳遞，且不斷加強，導(dǎo)致更大的風(fēng)速源源不斷向下傳遞，低空急流指數(shù)不斷增高，從而使得上下層垂直風(fēng)切變增大，為強降水產(chǎn)生提供了很好的動力條件，當(dāng)伴隨有西南暖濕氣流輸送的水汽條件時，強降水過程開始。而降水時，高、低層均會出現(xiàn)強垂直風(fēng)切變，強降水前1～2小時，水平風(fēng)脈動與垂直風(fēng)脈動也出現(xiàn)了明顯的波動。

③低空急流指數(shù)(I值)的變化與暴雨強降水過程有緊密聯(lián)系，在每次強降水發(fā)生前1～2小時，低空急流指數(shù)都會突然升高，強降水發(fā)生后，低空急流指數(shù)減小。將樂縣15日夜間降水強度高于16日白天，對應(yīng)低空急流指數(shù)增幅也是前者大于后者，說明低空急流指數(shù)的大小與降水強度有一定聯(lián)系，但需參考其他監(jiān)測數(shù)據(jù)配合。

④降水過程中探測高度會增高，原因是暴雨強降水過程到來時，高度較高的大氣中的水分子增多，使多普勒效應(yīng)中的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)增大，從而直接使探測高度增加。還有一個因素是，由于大氣中的水分子增加，大氣中溫度較低，出現(xiàn)結(jié)晶水等固態(tài)的粒子，當(dāng)這些粒子的密集度與顆粒大小聚集至一定程度時，就會變成能產(chǎn)生雷達回波的粒子散射信號。

綜上，低對流層風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)與降水資料出現(xiàn)的極值從時間和空間上都有較好的對應(yīng)關(guān)系，且在整個降水過程探測中保持連續(xù)性、高密度的特點，在汛期暴雨強降水過程的預(yù)警監(jiān)測中能夠得到有效的應(yīng)用。