引言
探空观测是目前获取高空资料的主要观测手段,但因其时空分辨率较低,获取与暴雨关系密切的低空急流、垂直风切变等信息的能力有限。风廓线雷达(wind profile radar, WPR)是一种单点主动遥感设备,通常采用相控阵天线发射3或5个固定指向的电磁波束,以湍涡为目标探测测站上空大气的湍流状况,可直接获取水平风向、风速、垂直速度、大气湍流折射率结构常数($C_{n}^{2}$)等参数,其数据是目前暴雨及强对流短时临近预报的重要信息源。与探空气球相比,风廓线雷达可以连续定量探测,时间间隔为5~6 min,探测高度43~8142 m,垂直探测分辨率30 m(低模式和中模式)和120 m(高模式),能够观测到更多的中小尺度系统。有研究表明利用风廓线雷达数据,可以很好地揭示中小尺度对流系统的发生演变过程[8,9,10,11,12],如低空急流和垂直风切变[13,14,15,16,17,18]连续变化特征。风廓线雷达产品在灾害性天气中的监测和预报应用,有效弥补了单一常规探测资料分布密度的不足[19,20,21],特别是对暴雨维持增强的成因探讨等方面起到了很好的奠基作用。
湖北每年因梅雨造成的人员伤亡和经济损失难以估量,如何利用已布设的风廓线雷达对梅雨进行监测并为梅雨预报提供技术支撑是目前急需解决的问题。为此,选取湖北2016年梅雨期3次伴有短时强降水、对流大风和强雷电的典型暴雨个例,首先对风廓线雷达资料的质量进行评估,在此基础上利用风廓线雷达资料对梅雨期暴雨发生前后大气湿度变化,风向、风速,垂直速度,水平风速垂直切变随时间和高度的演变特征等进行诊断,并对低空急流指数的演变进行分析,旨在加深对长江中下游梅雨期暴雨的形成机理的认识并对短临预报提供参考。
1 暴雨及强对流实况
2016年6月18—19日 (简称“6·19”)、7月5—6日 (简称“7·5”)和7月18—19日 (简称“7·19”)湖北中东部出现暴雨及大暴雨,暴雨主要发生在20:00(北京时,下同) 至次日20:00,并伴有短时强降水、大风、强雷电等强对流天气。从3次过程的24 h(20:00 至次日20:00 )累计雨量空间分布和10 km格点地闪密度(图1,该图涉及地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2020)4814号的标准地图制作,底图无修改)可以看出,“6·19”过程[图1(a)]降雨主要集中在湖北东北部大别山南侧及武汉周围和鄂东南北部地区;“7·5”过程[图1(c)]集中在江汉平原东部、武汉附近及鄂东北地区;“7·19”过程[图1(e)]集中在鄂西南和江汉平原。3次过程多站最大小时雨量达50 mm以上,局部小时雨量达100 mm,“6·19”过程共有50个地面自动站瞬时最大风速超过17.2 m·s-1(8级及以上),最大达26 m·s-1;“7·5”过程武汉至鄂东北一线多站大于等于50 mm降水持续了6~8 h,致使湖北多个城市出现了严重的城市内涝,交通瘫痪;“7·19”过程江汉平原多站暴雨,造成局地围垸河堤溃口等灾害、102万人受灾、7人死亡。3次过程地闪密度[图1(b)、图1(d)和图1(f)]高值区和暴雨位置基本吻合,但并不完全对应,大暴雨区地闪更为密集。
图1
图1
“6·19”(a、b)、“7·5”(c、d)和“7·19”(e、f)过程24 h累计雨量(a、c、e,单位:mm)和10 km格点云地闪密度[b、d、f,单位:次·(10 km)-2]空间分布
Fig.1
The spatial distribution of 24 h accumulated precipitation (a, c, e, Unit: mm) and cloud-to-ground (CG) density with 10 km grid [b, d, f, Unit: times·(10 km)-2] in the “6·19” (a, b), “7·5” (c, d) and “7·19” (e, f) processes
从2016 年3次过程区域(29°N—32°N、110°E—116°E)的地闪频次、大于等于20 mm·h-1短时强降水站数、大于等于17.2 m·s-1地面瞬时大风的站数(图2)演变来看, “6·19”过程19日11:00短时强降水(大于等于20 m·h-1)达120站;“7·5”过程短时强降水最多站次出现在6日07:00;“7·19”过程19日05:00—15:00小时降水站次均超过60站,24 h累计多达1306站。 “6·19”过程19日08:00—16:00共50站出现大于等于17.2 m·s-1的大风天气;而“7·5”和“7·19”过程以长时间连续性短时强降水为主。另外,“6·19”过程地闪较短时强降水和大风有一定的时间提前量。
图2
图2
“6·19”(a)、“7·5”(b)和“7·19”(c)过程区域(29°N—32°N、110°E—116°E)强对流天气现象的逐小时演变
Fig.2
Hourly evolution of severe convective weather phenomena over the region of 29°N-32 °N, 110°E -116 °E in the “6·19” (a), “7·5” (b) and “7·19” (c) processes
2 风廓线雷达资料质量分析
风廓线雷达为南京恩瑞特实业有限公司生产的CLC-11-D型移动边界层风廓线雷达,采用高频和低频双模式工作,时间分辨率4~5 min,探测高度43~8142 m,垂直分辨率低频模式30 m,高频模式60 m和120 m,能够连续不断提供大气水平风风速、风向,大气折射率结构常数($C_{n}^{2}$)等要素随高度的分布。目前湖北的风廓线雷达采样频率分为4~5 min、0.5 h和1 h,文中使用4~5 min实时采样数据,并对风廓线雷达数据进行了质量控制[22]。
张寅等[23]通过对比2014—2015年长安风廓线雷达和西安泾河站L波段探空数据,发现风廓线雷达数据具有较高的可靠性。本文对国内、美国怀俄明大学(University of Wyoming, UW)(WMO全球气象交换数据http://weather.uwyo.edu)汉口站探空数据和湖北两个风廓线雷达站[汉口(图3)、咸宁(图4)]水平风速、风向进行对比。可以看出,汉口站6月19日08:00和7月5日20:00 3 km以下风廓线雷达水平风风速和探空数据较为接近,5 km以下水平风风向偏差较小,而7月19日08:00风廓线雷达部分数据质量较差,不予选取;咸宁站风廓线雷达8 km以下水平风风向、风速和汉口站探空数据基本吻合,数据可信度高,这一结论和周志敏等[24]的研究结果一致。因此本文采用汉口风廓线雷达3 km以下水平风数据,分析“6·19”和“7·5”过程,采用咸宁风廓线雷达水平风数据分析3次过程。
图3
图3
2016年6月19日08:00(a、d)、7月5日20:00(b、e)和7月19日08:00(c、f)汉口风廓线雷达水平风速(a、b、c)、风向(d、e、f)与汉口探空站数据的对比
Fig.3
Comparison of horizontal wind speed (a, b, c) and wind direction (d, e, f) from Hankou wind profile radar with data at Hankou sounding station at 08:00 BST on 19 June (a, d), 20:00 BST on 5 (b, e) and 08:00 BST on 19 (c, f) July 2016
图4
图4
2016年6月19日08:00(a、d)、7月5日20:00(b、e)和7月19日08:00(c、f)咸宁风廓线雷达水平风速(a、b、c)、风向(d、e、f)与汉口探空站数据的对比
Fig.4
Comparison of horizontal wind speed (a, b, c) and wind direction (d, e, f) from Xianning wind profile radar with data at Hankou sounding station at 08:00 BST on 19 June (a, d), 20:00 BST on 5 (b, e) and 08:00 BST on 19 (c, f) July 2016
3 风廓线雷达观测的梅雨期暴雨中小尺度特征
3.1 水平风场
“6·19”过程19日08:00左右,4 km以下湖北中东部风向逐渐转为一致的西南气流,降水通道打开,大于等于12 m·s-1的西南低空急流高度在2 km以下,09:00地面风速大于等于17.2 m·s-1的站次迅速增多,11:00全省雨强大于等于20 mm·h-1的站次超过100。图5为3次过程咸宁与汉口风廓线雷达水平风时间-高度剖面。可以看出,“6·19”过程咸宁站[图5(a)]19日04:00 左右,1 km(925 hPa)西南低空急流风速达18 m·s-1,并在05:00—07:00有一迅猛加强的过程。08:30开始2~5 km高度有明显的干侵入,导致不稳定加剧,8级大风站数增多。汉口站11:00[图5(d)]、咸宁站13:00 2 km以下均有一支强劲的偏东气流,最大风速达18 m·s-1,这是雷暴冷池形成的冷出流造成的。
图5
图5
“6·19”(a、d)、“7·5”(b、e)和“7·19”(c)过程咸宁(a、b、c)与汉口(d、e)风廓线雷达水平风时间-高度剖面
Fig.5
Time-height cross sections of horizontal wind from Xianning (a, b, c), Hankou (d, e) wind profile radar in the “6·19”(a, d), “7·5”(b, e) and “7·19”(c) processes
“7·19”过程强降水开始前荆门站1 km以下已观测到偏东气流发展,咸宁站[图5(c)]西南低空急流持续7 h以上,19日03:00左右0.5~1 km高度西南急流迅速加强到16 m·s-1,03:30急流扩展到0~4 km。在强降水持续期间,0.5~1.5 km高度大于等于16 m·s-1的低空急流一直持续,08:00左右2.5~4 km高度风速超过34 m·s-1,急流持续的时间和强降水时间一致。
3次梅雨暴雨均出现在梅雨锋暖区一侧暖湿气流辐合区内,水汽供应充足,风廓线雷达很好地捕捉到了梅雨暴雨伴随的不同类型强对流天气的中小尺度特征。风向、风速随高度和时间演变与暴雨发生发展有很好的对应关系,1 km高度以下的偏东气流是湖北中东部地区梅雨暴雨产生持续性强降水的主要诱因。
3.2 平均垂直速度及其变率
风廓线雷达测得的垂直速度是空气垂直运动和降水粒子末速度之和,可以反映雷暴内部结构,垂直速度的突变是天气系统经过的一个重要标志。
风廓线垂直速度数值大小随高度的波动,以及这种波动发展的高度能够反映大气垂直热交换的强度,是判断对流发展强弱的一个重要指标[19]。从图6可见,汉口站2次过程在4 km高度以下平均垂直速度较大,其中“7·5”过程最大平均垂直速度达6 m·s-1,“6·19”过程为3 m·s-1, 4 km高度以上迅速下降到2 m·s-1,而6 km以上则下降到1 m·s-1以下。咸宁站4 km高度以下最大平均垂直速度比汉口站小,3次过程“7·5”稍大(3 m·s-1),“6·19”和“7·19”稍小(2 m·s-1),4 km以上迅速减小,表明梅雨期暴雨平均垂直速度大值区在4 km以下,最大不超过6 m·s-1,与黄治勇等[26]分析湖北春季降雹前后咸宁风廓线雷达平均垂直速度大于等于10 m·s-1的结论不同。
图6
图6
“6·19”(a、d)、“7·5”(b、e)和“7·19”(c)过程咸宁(a、b、c)与汉口(d、e)风廓线雷达平均垂直速度及其变率随高度变化
Fig.6
The variation of average vertical velocity and its variability from Xianning (a, b, c), Hankou (d, e) wind profile radar with height in the “6·19” (a, d), “7·5” (b, e) and “7·19” (c) processes
通过计算每240 m(一个数据库长度)平均垂直速度的垂直变化率,发现汉口站(2次过程)和咸宁站(3次过程)平均垂直速度变率较小,且集中在4 km以下,汉口站“6·19”和“7·5”过程1 km以下波动频繁,而咸宁站则在4 km以下。
综上所述,梅雨期暴雨上升速度较强的区域集中在4 km之下,低空气流的上升速度大于高空,这也验证了湖北梅雨暴雨中低层的天气系统对强对流触发有重要作用[25]。
3.3 水平风速垂直切变
图7为3次过程汉口和咸宁风廓线雷达水平风速垂直切变时间-高度剖面。可以看出, “6·19”过程19日08:00系统未加强之前,汉口站出现多个正、负切变中心,其不具有代表意义,咸宁站4 km高度以下有一-4 m·s-1的水平风速垂直切变中心,表明低空急流正在酝酿加强;08:00之后,两站高、低空急流加强到一定程度,最大水平风速垂直切变中心为±1.5 m·s-1,表明高、低空急流均已发展到一定量级且上下相差不大,急流上下扩展深厚。“7·5”和“7·19”过程与“6·19”过程相似,两站水平风速垂直切变较小,最强中心值为±4 m·s-1,这充分说明了梅雨暴雨整层为强大的西南急流控制,且上下层风速相差不大,风向不连续线上下层风速相差较小。综上所述,梅雨期暴雨整层水平风速垂直切变相对较小,充分展现了梅雨暴雨高低空急流发展深厚的特点。
图7
图7
“6·19”(a、d)、“7·5”(b、e)和“7·19”(c)过程咸宁(a、b、c)与汉口(d、e)风廓线雷达水平风速垂直切变时间-高度剖面(单位:m·s-1)
Fig.7
The time-height cross sections of vertical shear of horizontal wind speed from Xianning (a, b, c), Hankou (d, e) wind profile radar in the “6·19” (a, d), “7·5” (b, e) and “7·19” (c) processes (Unit: m·s-1)
3.4 大气折射率结构常数($C_{n}^{2}$)
图8为3次过程咸宁风廓线雷达$C_{n}^{2}$自然对数和汉口风廓线雷达$C_{n}^{2}$时间-高度剖面。可以看出,咸宁站距离暴雨中心稍远,$C_{n}^{2}$值较小,因此取$C_{n}^{2}$的自然对数,咸宁站3次过程强降水发生前$C_{n}^{2}$有一快速增加的过程,降水阶段$C_{n}^{2}$维持在一大值区,$C_{n}^{2}$大值区消失后降水随之结束。汉口站距离暴雨中心较近,“6·19”过程19日08:00前后因中层入侵的干冷空气,汉口站$C_{n}^{2}$下降至-160 dB,之后随着降水量增加,$C_{n}^{2}$快速增加并稳定在-140~-120 dB,水汽含量充沛;“7·5”过程强降水开始之前汉口站$C_{n}^{2}$水汽有一累积过程,6日14:00强降水结束后$C_{n}^{2}$快速下降至-160 dB,整层大气已转为干区,降水趋于结束。可见,两站$C_{n}^{2}$自然对数($C_{n}^{2}$)强降水发生前大气水汽含量有一增加的过程,且整层水汽含量深厚,$C_{n}^{2}$自然对数($C_{n}^{2}$)大值区的消失对应降水结束。
图8
图8
“6·19”(a、d)、“7·5”(b、e)和“7·19”(c)过程咸宁风廓线雷达
Fig.8
Time-height cross sections of natural logarithm of atmospheric refractive index structure constant from Xianning (a, b, c), atmospheric refractive index structure constant from Hankou (d, e) (Unit: dB) wind profile radar in the “6·19” (a, d), “7·5” (b, e) and “7·19” (c) processes
3.5 低空急流指数
为了更好地分析低空急流对梅雨暴雨闪电的指示作用,引入低空急流指数I[27], I=V/D,V (m·s-1)为3 km高度以下低空急流中心最大风速;D(m)为大于等于12 m·s-1风速的最低高度;I(10-3 s-1)值越大说明急流高度越低,对降水越有利。
图9为3次过程咸宁与汉口低空急流指数I及区域(29°N—32°N、110°E—116°E)闪电频次逐小时变化。可以看出,闪电频次峰值出现之前,I都有一明显的递增过程,整个雷电过程中咸宁站I的递增持续时间长,I的快速跃增对雷电有很好的指示意义。另外,梅雨暴雨过程中,低空急流维持时间较长,强的低空急流引起扰动加强,不稳定能量积聚诱发雷电。因此结合降水开始时间、低空急流建立时间、I指数等,可以对雷电做出提前预报。
图9
图9
“6·19”(a)、“7·5”(b)和“7·19”(c)过程咸宁与汉口风廓线雷达站低空急流指数I及区域(29°N—32°N、110°E—116°E)闪电频次逐小时变化
Fig.9
Hourly variation of low level jet index I at Xianning and Hankou wind profile radar stations and lightning frequency over the region of 29°N -32 °N, 110°E-116 °E in the “6·19” (a), “7·5” (b) and “7·19” (c) processes
4 结论
(1)3次梅雨暴雨过程均伴有不同类型的强对流天气,“6·19”过程有50个地面自动气象站瞬时最大风速为8级及以上,而“7·5”和“7·19”过程则以持续性短时强降水为主,雷电密集,闪电高密度区和暴雨落区基本吻合。
(2)“6·19”和“7·5”过程汉口风廓线雷达站3 km以下水平风速和实况较为接近,5 km以下水平风风向偏差较小;3次过程中汉口风廓线雷达站3 km以下数据基本能够描述风场的变化趋势,具有一定参考价值。3次过程咸宁风廓线雷达站8 km以下水平风向、风速和汉口站探空数据基本吻合,数据可信度高。
(3)降水开始前西南风速明显加大,中层干冷空气入侵和地面冷池共同作用致使“6·19”过程50站出现了8级以上的大风天气。湿层深厚,西南急流长时间持续和低层偏东气流导致“7·5”和“7·19”过程短时强降水长时间维持。
(4)风廓线雷达能够分析大气水平运动在垂直方向上的细微结构,实时监测水平风速垂直切变、垂直速度及其变率随高度的变化,结果显示梅雨暴雨水平风速垂直切变、平均垂直速度及其变率随高度变化较小,较强的上升运动集中在4 km以下。
(5)逐小时低空急流指数I和地闪频次变化有一定的正相关,业务中可通过低空急流的演变趋势,对未来雷电潜势做出正确判断。
参考文献
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广州两次暴雨期间风廓线雷达观测的低空风场特征
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利用风廓线雷达高时空分辨率资料, 对2012年4月在广州出现两次暴雨期间低空流场的主要特征进行了分析。结果表明: (1)在暴雨发生前, 动量由高空迅速下传, 且不断增强, 使得强风速不断下传, 导致低空急流的建立及增强, 从而使得上下层垂直风切变增大, 正涡度环流加强, 为暴雨的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, 触发了暴雨的产生; (2)低空急流指数I值的脉动与强降水的发生有密切关系, 在每次强降水发生前1~2 h I值都会迅速增大, 强降水发生后I值迅速减小; (3)低层风场垂直切变增强以及出现极值的时间与急流下传及出现极值的时间具有较好的时间、空间对应关系, 说明正是由于低空急流的下传、增强, 导致了风场垂直切变的增强, 且局部垂直风切变要比平均垂直风切变大得多。
风廓线雷达和地基微波辐射计在冰雹天气监测中的应用
[J].利用风廓线雷达和地基微波辐射计观测资料, 对2010年4月12日发生在湖北咸宁的一次冰雹过程进行了分析, 探讨这两种资料在冰雹天气监测预警中的应用.结果表明:(1)这次冰雹过程中, 850~700 hPa之间低槽约在降雹前1 h过境, 850 hPa以下低槽约在降雹前2 h过境.在降雹前约0.5 h, 0~4 km垂直速度大小随高度的波动明显增大.0~6 km始终存在较深厚的垂直风切变, 每200 m高度的水平风垂直切变在2~2.5 km的正中心与冰雹发生相对应.(2)降雹前, 0~10 km整层相对湿度垂直廓线大体呈5~10 km小、0~5 km大的"上干下湿"2层结构.降雹前约0.5 h, 相对湿度呈"上下湿、中间干"的3层结构, 大气液态水总含量ILW、大气水汽总含量IWV都呈波动快速增长, 冰雹发生在ILW和IWV的波峰上.(3)在降雹前约6 h, K指数超过35℃, 在降雹前CAPE平均值约为627 J·kg<sup>-1</sup>, 0℃, -10℃和-20℃层高度分别在5 km, 6 km和7.5 km.
