2017, Vol. 36
2. 重庆市气候中心, 重庆 401147;
3. 重庆市气象局, 重庆 401147;
4. 重庆市气象台, 重庆 401147;
5. 南京大学大气科学学院, 南京 201109
获取大气中的三维风场信息, 尤其是风的垂直切变信息, 对于降水天气预报和数值模拟极为重要。由于风廓线雷达和多普勒天气雷达能对降水云或湍流块运动进行连续观测, 其探测到的风场资料具有较高的时间和空间分辨率, 在降水研究与预报方面具有较好的应用价值(张培昌等, 2001; 王丽荣等, 2006; 徐芬等, 2014; 肖艳娇等, 2015)。此外, 重庆地区地形复杂, 常规的地面观测资料受地形的影响, 在站网布局和观测资料的代表性上均受到了一定的制约, 因此利用多普勒雷达和风廓线雷达等非常规观测资料获取该地区精细的垂直风场结构, 并利用其开展降水方面的研究, 有利于加深对该区域降水机制的认识和理解。
风廓线雷达作为一种新型的观测设备, 20世纪70年代由美国研制成功(Beran and Wilfong, 1998), 并在80年代开始利用风廓线雷达开展科研观测试验(Strauch et al, 1984), 同时利用试验得到的资料开展了降水方面的相关研究。Fukao et al (1985)、Wakasugi et al (1985)分别利用UHF雷达和VHF雷达对大气环流和降水粒子的运动进行了相关研究, 得出了冷锋等天气系统中的大气运动特征。Peter and James(1992)利用探空雷达(RASS)获得的逐小时风场和虚温资料对美国丹佛边界层结构的日变化和季节变化特征进行了研究, 揭示了该地区大气边界层风和温度的结构分布和变化特征。Ralph et al (1995)用风廓线雷达的谱矩数据对降水进行分析, 得出了降水粒子的谱特征。随着中国多普勒天气雷达和风廓线雷达的布设, 国内学者针对大气边界层和不同降水天气条件下垂直风廓线的分布特征也逐步开展了相关研究。顾映欣和陶祖钰(1991)用UHF多普勒风廓线雷达探测的结果, 进行了垂直方向的不连续性和连续性分析, 表明其对揭示大气多层垂直结构和天气尺度系统的存在有着重要意义。刘淑嫒等(2003)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。王欣等(2005)利用风廓线资料分析了梅雨锋期间中尺度降水的对流特征, 结果表明, 风廓线仪对水平风的垂直结构有较强的探测能力, 能实时监测中尺度降水期间风的垂直切变和对流特征。张京英等(2005)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(2008)利用风廓线资料对北京2005年8月3日一次强降水天气过程进行了分析, 发现南高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。夏文梅等(2008)利用多普勒雷达得到的垂直风廓线, 发现在降水前夕、维持增强和降水消亡的不同时段风廓线产品都呈现出相应的图像特征:在图像上ND区域呈现一楔形, 快速减少, 预示着降水在2 h内发生; 暖平流、切变层和大风区的存在有利于降水的维持和加强; VWP最高位置风向标的突降和中层ND区域的出现则预示着降水即将结束。何平等(2009)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10 h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2 km以上, 随地面降水临近, 下降速度所处高度逐渐降低。王晓蕾等(2010)开展了风廓线雷达探测降水云体中雨滴谱的试验, 结果表明风廓线雷达与多普勒天气雷达探测到的回波强度随高度分布基本一致, 云中含水量估算的均值基本相同, 而风廓线雷达由雨滴谱估算出的含水量随高度分布可以反映出雨滴谱变化的影响, 随高度分布更为精细。李华宏等(2012)利用VAD方法反演多普勒垂直风廓线, 并将反演风场应用于云南强降水过程的诊断预报, 表明风廓线资料能更为详细地揭示强降水天气过程中起重要作用的天气系统的主要特征和演变过程。周芯玉等(2015)利用风廓线雷达资料, 对广州两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。
综上所述, 风廓线资料各层水平风向的变化对降水预报具有较强的指示意义。但不同降水条件下, 风廓线的时空分布特征如何？尤其是强降水发生前后, 风廓线的特征分布, 目前鲜有研究。重庆地区位于四川盆地东部, 地形地貌极其复杂, 降水往往发生在夜间(周秋雪等, 2015), 俗有“巴山夜雨”之称。利用重庆风廓雷达和多普勒雷达得到的垂直风廓线资料研究风廓线在不同降水条件下的特征及其演变, 有利于加强风廓线资料在本地的应用能力, 对强对流天气预报和数值模式同化风廓线资料均有重要的意义。董新宁等(2017)对风廓线雷达和多普勒雷达风廓线资料的相关性进行了分析, 表明二者在风向、风速上都有较好的相关性, 且随高度的变化, 垂直分布具有较好的一致性, 因此本文将重点利用风廓线雷达观测到的垂直风廓线资料分析不同降水条件下重庆地区垂直风廓线的特征及其演变。
2 资料及方法所用资料为2013年1-9月重庆陈家坪(106.49°E, 29.52°N, 海拔440.4 m)新一代多普勒天气雷达(SA)探测到的垂直风廓线产品(48号)(下称多普勒雷达)和重庆沙坪坝(106.46°E, 29.58°N, 海拔259.1 m)风廓线雷达探测到的风廓线资料(TWP8-L, 下称风廓线雷达), 以及重庆沙坪坝自动站相应时段的降水资料, 并对两种雷达资料进行缺测和高度订正处理(董新宁等, 2017), 得到两组同一时段风廓线资料的时间序列(文中时间为北京时)。
利用上述风廓线资料, 分别以晴空、弱降水(小雨)、一般性降水(中到大雨)和强降水(暴雨及以上)天气过程为例(表 1), 分析在不同降水天气条件下各高度层风向、风速的分布特征及其变化。通过分析不同降水条件, 尤其是强降水条件下的风廓线资料的时空分布特征, 为加强风廓线资料在重庆强对流天气预报和数值模式中的应用奠定基础。
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表 1 2013年重庆沙坪坝不同降水量级累计天数分布 Table 1 Distribution of different precipitation time at Shapingba Chongqing of China in 2013 |
通过2013年重庆沙坪坝自动站逐日(当日20:00至次日20:00) 降水分布(图 1)可以看出, 在降水频次上, 重庆冬季降水较少, 以晴天或弱降水为主, 春季降水逐渐增多, 夏季为降水最为集中的时段, 其中7月下旬至8月中旬, 为高温伏旱天气, 降水较少, 秋季雨日数偏多, 但强度不大。在降水强度上(表 1), 2013年达到强降水标准的天数为3天, 分别是4月29日(63.3 mm)、6月9日(133.9 mm)和9月2日(60.2 mm); 达到一般性降水的天数为29天, 达到弱降水的天数为100天, 晴空的天数为233天。
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图 1 2013年1-12月当日20:00至次日20:00沙坪坝逐日降水时序分布 Figure 1 Daily precipitation time series in Shapingba from 20:00 to next day 20:00 of January to December in 2013 |
由于强降水是日常强对流天气预报关注的重点, 为研究不同降水条件下垂直风廓线的特征及变化, 对晴空、弱降水和一般性降水, 采用合成分析的方法, 分析平均风向、风速的分布特征及日变化, 以了解其对应的大气垂直风场的结构特征及变化, 而对强降水, 将对所有(4月29日无观测资料)暴雨天气过程进行逐一分析, 重点了解降水前期、降水期和降水后期风廓线的垂直结构及其变化。
4 不同降水条件下的风廓线特征 4.1 晴空下风廓线特征图 2为2013年(1-8月, 5月资料缺)晴空条件下当日20:00至次日20:00, 风廓线雷达观测到的各垂直高度层平均风向、风速的时间演变, 等值线为各高度层的样本数。从图 2可以看出, 边界层(1 km以下)水平风具有明显的日变化特征, 当日14:00至次日02:00, 主要以偏东气流为主, 而02:00-14:00, 逐渐转为以偏南气流为主, 与Bao et al(2011)利用GFS资料得到的850 hPa重庆西部环流变化特征基本一致。引起这种环流日变化的原因可能与重庆独特地形下的山谷风和大尺度背景下的海陆风有关, 过风廓线雷达所在站点(106.46°E, 29.58°N), 分别沿自西向东和自北向南方向做地形高度的垂直剖面(图 3), 可看出在重庆的南部和东部区域均为高山, 海拔在2000 m左右, 夜间东部降温快, 低层形成自东向西的山谷风, 而白天主要受海陆风影响, 低层以偏南气流为主。中低层(1~3 km)由偏南气流逐渐转为西南气流, 而高层(3 km以上)几乎为一致的偏西气流。从风速来看, 整个高空层(8 km以下), 风速均较小, 在6 m·s-1以下, 无高低空急流。此外, 从风廓线雷达的探测高度来看, 样本主要集中在6 km以下, 6 km以上能探测到的样本迅速减少。
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图 2 2013年晴空条件下当日20:00至次日20:00风廓线雷达垂直风廓线时间演变 等值线为各高度层的样本数 Figure 2 The evolution of vertical wind profile observed by wind profile radar in clear sky from 20:00 to next day 20:00 in 2013. The contour for the number of samples of different level |
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图 3 重庆地形高度经向(a)和纬向(b)垂直剖面 Figure 3 Vertical profile of meridional (a) and latitudinal (b) cross-section about terrain height in Chongqing |
从2013年弱降水条件下风廓线雷达垂直风廓线时间演变(图 4)可以看出, 与晴空时相比, 边界层(1 km以下)无明显的日变化特征, 以偏东气流为主。中低层(1~3 km), 夜间风向无明显变化, 仍以偏东气流为主, 而白天(05:00-11:00) 有一个较明显的从偏东气流向偏南气流转变的过程。与晴空条件下不同的是, 整个低层(3 km以下)平均风速较小, 风向变化较为杂乱, 其可能原因与回波形成的机制有关, 晴空回波多为层状回波, 与大气折射指数的不均匀结构及湍流有关(廖玉芳等, 2006), 而大气折射指数主要受空气温度、湿度和压强等因子的影响, 层结稳定时, 风向较为均一; 降水回波主要与大气中降水粒子的形状、大小和单位体积内降水粒子的多少有关, 在弱降水条件下, 降水粒子分布不均, 且风速较小, 易受地形扰动和边界层湍流等影响, 风向分布不均。高层(3 km以上)与晴空相似, 均为较一致的偏西气流。风廓线雷达的探测高度相比晴空有所提高, 主要集中在7 km以下, 7 km以上样本迅速减少。
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图 4 2013年弱降水条件下当日20:00至次日20:00风廓线雷达垂直风廓线时间演变 等值线为各高度层的样本数 Figure 4 The evolution of vertical wind profile observed by wind profile radar in light rainfall from 20:00 to next day 20:00 in 2013. The contour for the number of samples of different level |
由2013年一般降水条件下风廓线雷达垂直风廓线时间演变(图 5)可知, 边界层(1 km以下)与弱降水条件下相似, 无明显的日变化, 以偏东风为主。1 km以上迅速转为偏南气流, 3 km以上再逐渐转为较一致的西南气流。与弱降水和晴空不同的是, 一般降水条件下, 中低层(1~3 km)以偏南或西南气流为主, 而高空(3 km以上)以西南气流为主, 较有利于孟加拉湾和南海水汽的输送, 低层风向顺时针旋转, 有暖平流存在, 有利于对流抬升, 且平均风速也较晴空或弱降水天气条件下大, 因此有利于降水的产生, 但高低空均无急流, 降水以一般性降水为主, 无强降水产生。此外, 风廓线雷达的探测高度也进一步提高, 基本上能达到8 km以上。
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图 5 2013年一般降水条件下当日20:00至次日20:00风廓线雷达垂直风廓线时间演变 等值线为各高度层的样本数, 箭头表示气流方向 Figure 5 The evolution of vertical wind profile observed by wind profile radar in moderate rainfall from 20:00 to next day 20:00 in 2013. The contour for the number of samples of different level, arrow denote the direction of airflow |
2013年4月28日20:00至29日20:00、6月8日08:00至10日08:00、9月1日20:00至2日20:00期间, 沙坪坝站(57516) 出现三次日降水量超过50 mm的强降水过程。以后两次过程为例(4月无雷达观测), 重点分析强降水过程风廓线特征及其变化, 寻找降水前期、中期和后期风廓线的特征及其垂直风切变的特点, 为强对流天气分析提供参考。
4.4.1 “2013·6·9”暴雨天气过程从2013年6月8日17:00至9日17:00垂直风廓线时间演变(图 6)发现, 此次降水过程主要集中在6月8日19:00至9日13:00(两条垂直线之间区域), 为比较风廓线的特征及变化趋势, 定义三个时段, 即:第一个时段6月8日17:00-19:00, 为降水前期; 第二个时段6月8日20:00至9日13:00, 为降水期; 第三个时段6月9日14:00-17:00, 为降水结束期。如图 6a, b分别为8日17:00至9日17:00的多普勒雷达和风廓线雷达观测到的垂直风廓线(时间间隔为30 min, 观测的垂直层数小于5, 视为无数据, 下同)。
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图 6 2013年6月8日17:00至9日17:00时垂直风廓线时间演变 (a)多普勒雷达, (b)风廓线雷达.图中柱状图为逐小时降水量, 粗箭头表示风向的旋转方向, 矩形框为急流区 Figure 6 The evolution of vertical wind profile observed by Doppler radar (a) and wind profile radar (b) during 17:00 on 8 to 17:00 on 9 June 2013. Histogram is hourly precipitation, thick arrow is the wind rotate area, and the rectangle box is the jet region |
从图 6中可以看出, 二者在不同时段风向、风速的变化具有很好的一致性。降水前期, 低层迅速由偏东气流转为偏南气流, 抬升条件较好, 有利于对流性天气的发展; 降水期间, 风随高度逐渐由偏东气流转为偏西气流, 呈顺时针旋转, 速度矢(图 7)表现为基本上单一的风切变, 这种风切变分布能促使新生单体在现存单体的有利一侧周期性的产生和发展, 尤其是在降水初期, 即8日20:00, 累积小时降水近18 mm, 为整个降水期间小时降水量最大, 从垂直风廓线的分布来看, 风随高度呈一致的方向旋转, 且在中低层出现了急流区, 利于风暴的发展, 从而产生较强的降水, 随着降水的形成, 急流区逐渐减小, 降水趋于减弱, 9日06:00-08:00, 降水出现间歇期, 多普勒雷达观测到的垂直风廓线各层多为“ND”; 降水后期, 垂直各层的风速减小, 低层逐渐转变为偏北气流, 风向的切变呈逆时针旋转, 不利于对流系统的发展, 从而使对流系统逐渐消亡, 降水结束。而风廓线雷达与多普勒雷达不同的是, 在小时累计降水较强时, 风向随高度变化比较一致, 而降水较弱时, 风向变化特征同弱降水条件下相似, 比较杂乱。
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图 7 2013年6月8日17:00至9日17:00风廓线雷达在各高度层平均速度矢端图(a~c)及平均速度切变(d~f) (a, d)降水前期, (b, e)降水期间, (c, f)降水后期 Figure 7 The wind profile radar observed mean velocity vector (a~c) and velocity shear vector (d~f) from 17:00 on 8 to 17:00 on 9 June 2013. (a, d) pre precipitation stage, (b, e) precipitation stage, (c, f) post precipitation stage |
此外, 从多普勒雷达组合反射率逐小时的演变来看, 此次降水过程持续时间较长, 降水回波在自西向东移动过程中不断触发新的回波生成(图 8)。17:00, 在测站的东北侧有一带状回波, 逐渐东移, 其尾部回波加强; 20:00, 强回波中心移至测站上方, 此时对应地面的降水最强, 其西南侧的回波体逐渐向东北方向移动, 并与前侧回波合并加强; 23:00, 主体回波移出, 而西侧回波东移, 在测站西南侧附近有一新的单体生成, 并向东北方向移动; 02:00, 回波主体位于测站的南侧, 而测站上方以层状云为主, 降水减弱; 05:00, 南侧回波东移, 测站上方回波逐渐减弱; 08:00, 测站上方以混合云为主, 回波带加强变宽, 降水再次加强; 11:00, 回波带逐渐减弱变窄, 降水减弱; 14:00, 回波东移减弱, 降水趋于结束。其回波的演变过程基本与地面降水观测一致, 强降水时段分为三段(20:00, 04:00, 09:00), 对应风廓线雷达垂直风廓线也有三段。
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图 8 2013年6月8日17:00至9日16:00(a~x)多普勒雷达组合反射率(CR)逐小时演变 Figure 8 The time evolution of composite reflectivity observed by the Doppler radar from 17:00 on 8 to 16:00 on 9 June (a~x) 2013 |
如2013年9月1日20:00至2日20:00垂直风廓线时间演变(图 9)所示, 此次降水过程主要集中在9月2日01:00-13:00(两条垂直线之间区域), 同上定义为三个时段, 即:第一时段9月1日20:00至2日01:00, 为降水前期; 第二时段9月2日02:00-13:00, 为降水期; 第三时段9月2日14:00-20:00, 为降水结束期。如图 9a, b, 分别为9月1日20:00至2日20:00的多普勒雷达和风廓线雷达观测到的垂直风廓线。
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图 9 2013年9月1日20:00至2日20:00垂直风廓线时间演变 (a)多普勒雷达, (b)风廓线雷达.柱状图为逐小时降水量, 粗箭头表示风向旋转, 矩形框为急流区 Figure 9 The evolution of vertical wind profile observed by Doppler radar (a) and wind profile radar (b) from 20:00 on 1 to 20:00 on 2 September 2013. Histogram is hourly precipitation, thick arrow is the wind rotate area, and the rectangle box is the jet region |
从图 9可以看出, 二者在不同降水时段, 风向的垂直分布及其转变均具有较好的相关性。其降水各阶段风廓线特征及变化与“6·8”降水天气过程非常相似, 只是与“6·8”降水天气过程相比, 此次降水时长和强度均较弱一些(最大小时雨强为8.7 mm), 垂直各层风速相对较小, 但强降水时段的急流区依然存在, 风向从底层一致顺时针旋转的持续时间较短。而速度矢的变化也与“6·8”降水天气过程较为一致(图 10), 只是风切变强度的变化比“6·8”过程弱一些。
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图 10 2013年9月1日20:002日20:00风廓线雷达在各高度层平均速度矢端图(a~c)及平均速度切变(d~f) (a, d)降水前期, (b, e)降水期间, (c, f)降水后期 Figure 10 The wind profile radar observed mean velocity vector (a) and velocity shear vector (b) from 20:00 on 1 September to 20:00 on 2 September 2013. (a, d) pre precipitation stage, (b, e) precipitation stage, (c, f) post precipitation stage |
从多普勒雷达组合反射率逐小时的演变(图 11)来看, 与“6·8”过程相比, 降水时段相对集中, 小时累计降水量也较小一些。20:00, 测站西北方向弱回波区向东南方向移动, 测站无降水回波; 23:00, 测站西侧回波逐渐东移; 01:00, 回波主体移至测站上方; 02:00, 回波主体自西向东移动, 西侧回波不断加强东移, 形成列车效应, 但回波强度均较弱; 05:00, 回波主体逐渐移出测站, 东侧出现回波带间隙, 降水减弱; 08:00, 测站东侧回波加强东移; 09:00, 回波带移至测站附近; 14:00, 回波东移减弱, 降水趋于结束。其回波的演变过程基本与地面降水观测一致, 强降水时段较为集中, 雨强不强, 风廓线雷达的垂直风廓线也与之相对应。
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图 11 2013年9月1日20:00至2日19:00(a~x)多普勒雷达组合反射率(CR)逐小时演变 Figure 11 The time evolution of composite reflectivity observed by the Doppler radar from 20:00 on 1 to 20:00 on 2 September (a~x) 2013 |
通过对2013年1-9月重庆不同天气条件下多普勒雷达和风廓线雷达观测的垂直风廓线分布进行对比分析, 得出以下主要结论:
(1) 晴空大气条件下, 受山谷风和海陆风的影响, 边界层(1 km以下)风向存在日变化, 白天以偏南气流为主, 夜间以偏东气流为主, 高空(3 km以上)以偏西气流为主, 风速较小, 风廓线的探测高度在6 km左右。
(2) 弱降水天气下, 受降水的影响, 边界层风向以偏东气流为主, 较为杂乱, 高空与晴空条件下较为一致, 风廓线的探测高度有所提升, 约7 km。
(3) 在一般性降水条件下, 降水比较分散, 小时累计降水量不强, 垂直风廓线中低层风向比较杂乱, 与弱降水条件下风廓线特征一致, 但与弱降水不同的是中高层, 为较一致的西南气流, 有利于水汽输送, 且垂直切变具有较好的单一方向性, 有利于对流的发展和维持。风廓线的探测高度有所提升, 约8 km。
(4) 强降水天气条件下, 风廓线雷达和多普勒雷达观测到的垂直风廓线相关性较好, 变化趋势较为一致。降水前期, 风向随高度的增加逐渐由偏东气流转为偏西气流, 有利于对流的触发; 降水期间, 尤其是降水最强的时段, 即对流最旺盛的时段, 风切变具有很好的单一方向性, 且在中低层出现低空急流区, 利于对流系统的维持; 降水结束期, 风速减小, 中低层风向也逐渐转为偏北气流, 对流系统逐渐消亡, 降水结束。二者在不同降水时段风向的分布及转变较为一致。降水前期及降水中低层为偏南气流, 而降水结束期, 中低层转为偏北气流。
本文初步揭示了不同天气条件下垂直风廓线的分布及其变化, 但由于观测资料有限, 尤其是强降水天气过程仅有两次, 各层风向的演变是否表现出一致性, 还需要进一步验证。另外, 下一步还将就风廓线的日变化和风廓线资料在数值模式中的同化进行更加深入的研究。
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