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风廓线雷达资料在一次大暴雨过程分析中的应用

范文

吴彩霞汤建国彭小燕

摘要：利用风廓线雷达资料、常规气象资料、自动站和NCEP/FNL（1°Ⅹ1°）再分析资料对2017年6月10日的一次大暴雨过程进行分析，结果表明：（1）低层风暴相对螺旋度（SRH）的变化对降水系统的临近和降水的开始具有一定的预示作用，降水每次开始前低层风暴相对螺旋度（SRH）均会有所上升。（2）大暴雨过程中雨强最大时期中低层最大风速高度差距减小，存在中低层急流轴变窄的过程。低层最大风速高度降低比中层最大风速高度降低提前0.5～1h。（3）降水开始前，低空急流基本从1km以下开始;低空急流的建立和发展，使得上下层垂直风切变增大，正涡度环流加强，为强降水的产生提供了很好的动力条件。

关键词：风廓线雷达;大暴雨;风暴相对螺旋度

Abstract：A heavy rainstorm on June 10，2017 was analyzed by using wind profiler data，routine meteorological data，automatic weather stations and NCEP/FNL（1°x1°）reanalysis data. The results showed that：（1）The variation of the relative helicity（SRH）of low-level storms can predict the approach of precipitation system and the beginning of precipitation. The relative helicity（SRH）of low-level storms increases before each precipitation start.（2）There is a narrowing process of the jet axis in the middle and lower layers during the maximum rainfall intensity period. The decrease of the maximum wind speed height in the lower level is about half an hour to one hour earlier than the decrease of the maximum wind speed height in the middle level.（3）Before the precipitation，the low level jet stream starts from less than 1km. With the establishment and development of low-level jet，the Vertical Wind Shear of upper and lower layers increases，and the positive vorticity circulation strengthens.

Key words：Wind profiler;Heavy rainstorm;Relative helicity of storm

风廓线雷达作为1种新型的观测设备，是世界气象组织认可的一种地基遥感设备，分为边界层风廓线雷达、对流层风廓线雷达等。与其他常规大气探测设备相比，具有连续无人值守、可全天候监测大气风场的优点。近10年来，风廓线雷达在业务上得到了广泛应用。刘淑嫒等[1]通过对照分析风廓线雷达资料和降水实况资料，发现降水强度及出现时间与低空急流之间存在密切的关系。张京英等[2]利用风廓线资料和每小时的雨量资料，对比分析发现：高、低空急流及其向下的脉动与降水强度的增强有着紧密的联系，暴雨的产生主要由低空急流的下传和加强引起。古红萍等[3]利用风廓线资料对北京2005年8月3日1次强降水天气过程进行了分析，发现高空槽和弱冷空气共同诱发的切变线低涡是产生此次暴雨天气的主要中尺度系统。何平等[4]分析了2006年8月25—26日北京延庆WPR探测降水个例，发现降水前高空出现持续时间长达10h以上的水平风垂直切变，降水期间及前后水平风探测高度明显增高2km以上，随地面降水临近，下降速度所处高度逐渐降低。周芯玉等[5]利用风廓线雷达资料，对广州2次暴雨过程的低空流场进行了分析，认为动量下传为暴雨的发生提供了好的动力条件，同时低空急流指数的脉动与强降水的发生有密切关系。本研究利用南通的边界层风廓线雷达，对2017年6月10日的一次大暴雨过程进行分析，探究降水发生、发展和消亡期间风廓线雷达的变化特征，为暴雨预报积累经验。

1 天气实况与资料选取

2017年6月10日在江苏省南通地区出现了1次大暴雨过程，这次过程由地面气旋引起，降水过程自西向东移动，降水时间超过18h，降水量达到111.4mm，以持续性降水为主，期间包含强降水，其中10日10：30—11：00半小时最大降水量为16.7mm。由于降水量大，造成部分农田被淹，道路积水。

所用边界层风廓线雷达为GLC-11型固定式边界层风廓线雷达，采用高、中、低3种工作模式，时间分辨率为6min，3种工作模式最低观测高度均为100m，高度分辨率分别为60、120、240m，有效探测范围为3km。由于风廓线的探测原理要求被测风场各项同性，即在每个采样高度及其所在范围的平面内，风向、风速应相同，而在实测大气尤其是强降水天气情况下很难做到，因此单一时次的实测资料可能会缺乏足够的代表性，本研究采用多时次平均的方法，取前后30min的平均值代替单一时次资料。

2 天氣形势分析

2017年6月9日20时500hPa上空为两槽一脊，贝湖以西和东北地区各有一深槽，在河套东部有暖切，700hPa在青藏高原东部有一低涡，从青藏高原东侧经四川中部、汉水流域伸向江淮流域有一明显的暖式切变线，切变线北侧为东北和东南气流，切变线南侧为西南气流。华东南部和华南有西伸的副高，700hPa位于副高西北侧，有急流。暖湿气流的输送使切变线南侧具有准饱和性，850hPa在贝湖以南和东北各有一高空槽，南通处于副高边缘西北侧，长江以北有一气旋环流，并有一暖式切变线（图略）。10日08时500hPa由于东北低涡深厚，稳定少动，贝湖以西深槽移动缓慢，并且发展加深，700hPa气旋移到了江淮流域，中心位于安徽北部（图1a）。朝鲜半岛和日本海之间深槽少动，850hPa长江北侧气旋发展，该市位于气旋东伸的切变线附近，副高西北侧（图略），地面位于江淮气旋的东侧（图1b）。10日20时500hPa转为槽后西北气流，700hPa该市处于气旋环流附近，850hPa为闭合气旋环流，地面位于气旋后部（图略）。11日随着高低空转为西北气流，地面气旋东移入海，降水逐渐停止。

3 风廓线雷达资料与暴雨的关系

风廓线雷达可以获得水平风资料、垂直速度和信噪比资料、温度资料等。其中，水平风资料可以反映出边界层内低空急流的强度和垂直分布，与夏季强对流天气的发生密切相关。

本研究通过利用风廓线雷达的高时空分辨风场数据，计算了中层和低层2个层次风暴相对螺旋度（SRH）、最大风速及其高度等定量指标。由于风廓线探测得到的垂直速度是探测的降水粒子与大气运动的合成，为了严谨起见本文未对此进行分析。

3.1 风暴相对螺旋度（SRH）定义螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力特性的物理量，定义水平方向上的螺旋度为风暴相对螺旋度（Storm Relative Helicity），即水平相对速度和水平涡度的积：

SRH反映了一定气层厚度内环境风场的旋转程度和输入到对流体内环境涡度的多少，其量值反映了对流风暴低层入流运动方向旋转的强弱，是研究风暴的重要物理量，在风暴初期SRH比垂直螺旋度更具预示性。中低层大的SRH的输送和变形，有助于垂直螺旋度的形成和增长，SRH的大值区与风暴的运动、风暴的发展增强有很好的相关性[6-10]。

从图2可以看到6：00前，该市上空没有降水，中低层SRH呈下降趋势，4：00前中低层SRH均下降到0线附近，并继续下降。6：30降水开始后，中低层SRH小于0，并于07：30达到了-50.45m2·s-2，之后逐渐回升，降水增大，此时地面气旋逐渐靠近该市。表明发展气旋逐渐靠近時，低层和中层的暖平流越来越强，10：00中层SRH达到雨强最大前的高点，然后迅速下降。低层SRH达到高点比中层晚0.5h左右。11：00后雨势有所减弱，中低层SRH略有反复，但总体在0线以下，并且低层SRH比中层SRH大。随着地面气旋临近，中层SRH一直呈下降趋势，并于15：30达到了负的最大值-70.52m2·s-2，16：30低层SRH达到了负的最大值-24.80m2·s-2。而后2层SRH均迅速上升。18：00中层达到了最大值82.15m2·s-2，低层33.42m2·s-2。随着气旋远离，该市2层SRH均为下降趋势。曹春燕等[11]研究得出从环境场流入气旋系统的环境水平涡度越来越多，通过上升运动将进入系统的低层水平涡度转化为垂直涡度的越来越多，有利于垂直运动的维持，有利于气旋环流发展。低层SRH的变化对气旋降水系统的临近和降水的开始具有一定的预示作用。通过分析得出，大暴雨中低层SRH峰值和雨强变化有密切联系。较强的雨强都出现在中层SRH峰值之间和低层SRH迅速增大的过程，降水过程低层SRH作用大于中层SRH。

3.2 急流的变化特征低空急流对于暴雨的形成，一方面起着输送水汽和能量的作用，另一方面又有助于维持必要的动力学条件。刘淑媛、孙淑清、张京英、曹春燕、金巍等[12]分别分析了低空急流脉动与暴雨过程关系，指出低空急流的脉动及向地面扩展程度与暴雨之间存在密切关系。低空急流到达测站上空不一定立刻引发强降水，但每次强降水或强烈天气的发生都对应1次西南急流的迅速脉动加强和向下扩展。因此计算了中低层最大风速的高度，以此来对比各层急流的变化。

此次降水开始前，低层和中层最大风速一直呈下降趋势，6：00降水开始后低层风速和中层风速逐渐增大，雨势增大后中层最大风速迅速降低，低层最大风速也开始下降，降水集中时段，低层最大风速和中层最大风速变化趋势基本保持一致，而且中层最大风速总体低于低层最大风速值。17：00气旋逐渐远离该市后，中层最大风速快速上升，而低层最大风速变化平稳。中层最大风速一直高于低层最大风速。

从图3可以看出，各层最大风速的高度来看，降水前中层最大风速高度先降后升，一直维持在2980m附近;开始降水后，中层最大风速高度也基本维持在较高位置;0.5h雨强最大后，中层最大风速迅速降低12：30达到了最小值;之后，中层最大风速高度回升，并一直维持在2980m。而低层最大风速高度在降水前一直下降，降水开始后略有起伏，但幅度较小。降水停止后低层最大风速高度也一直维持在较低位置。

3.3 暴雨期间风廓线雷达风场特征从图4看出，降水开始前，3km以下低层主要以偏南风为主，5：400～1km为西南风，1km附近风向转东南风，风随高度逆转，说明近地面层有弱冷平流存在。1.5km又转为西南风，风向随高度顺转，中低层有暖平流。6：00时2～3km转为西北气流，但风速较小，2km处仍以西南风为主，上下层有明显的风切变，但切变较弱。之后，该市降水开始。此次降水时间较长，30min最大降水量为16.7mm，其他时段均在10mm以下。大于12m.s-1强风速区只出现在2.5～3km，并且出现的时间较短，因此没有发现低层有强风速区。10：40高空西北气流下传到3km以下，2～3km转为偏北气流，而2km以下为东到东南风，存在明显风切变，10：30—11：00该市出现16.7mm/30min的降水量。此后随着冷空气的继续向下层渗透，本市仍有降水但强度减弱。

通过分析风廓线的时间-高度序列可知，风切变触发强降水发生前，动量常会由高空迅速下传，导致强风速区不断下传从而引起低空急流的建立和发展，最低高度可达1km左右。低空急流的建立和发展，使得上下层垂直风切变增大，正涡度环流加强，为强降水的产生提供了很好的动力条件。

4 结论

（1）低层风暴相对螺旋度SRH的变化对气旋降水系统的临近和降水的开始具有一定的预示作用，降水每次开始前低层SRH均会有所上升。

（2）暴雨过程中雨强最大时期中低层最大风速高度差距减小，存在中低层急流轴变窄的过程。低层最大风速高度降低比中层最大风速高度降低提前0.5～1h。

（3）降水开始前低空急流基本从1km以下开始，由于低空急流的下传和增强，导致了风场垂直切变的增强。由风廓线时序图能看到风切变触发强降水发生前，动量会由高空迅速下传，强风速区不断下传，从而引起低空急流的建立和发展，最低高度可达1km左右。低空急流的建立和发展，使得上下层垂直风切变增大，正涡度环流加强，为强降水的产生提供了很好的动力条件。

（4）风廓线雷达能探测到局地风场的细微变化，这些局地特征并不能在客观分析场中得以很好的表现。

参考文献

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[2]张京英，漆梁波，王庆华.用雷达风廓线产品分析一次暴雨与高低空急流的关系[J].气象，2005.31（12）：41-45.

[3]古红萍，马舒庆，王迎春，等.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）：300-304.

[4]何平，朱小燕，阮征，等.风廓线雷达探测降水过程的初步研究[J].应用气象学报，2009.20（4）：465-470.

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[10]陆慧娟，高守亭.螺旋度及螺旋度方程的讨论[J].气象学报，2003，61（6）：684-691.

[11]曹春燕，江崟，孙向明.一次大暴雨过程低空急流脉动与强降水关系分析[J].气象，2006，32（6）：102-106.

[12]金巍，曲岩，姚秀萍.一次大暴雨过程中低空急流演变与强降水的关系[J].气象，2007，33（12）：31-38. （责编：王慧晴）

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