风廓线资料在沈阳暴雪天气中的应用

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吉林农业·下半月
2021年01月22日 02:29

风廓线资料在灾害天气短时预报中的应

鲁杨+李典+吴宇童+柴晓玲+张帅+崔景琳+孟鹏

摘要:本文利用常规观测资料、风廓线雷达资料,对2017年2月21日~2月22日沈阳地区出现的一次暴雪天气过程进行详细分析,结果表明:此次暴雪天气受高空槽和蒙古气旋共同影响,850 hPa南北两支切变线同位相叠加,切变线南侧西南风急流为暴雪过程提供水汽条件。降雪前,以3500 m为冷暖平流边界,冷平流叠加在暖平流之上。高空大风速带和垂直风切变提前降雪10 h出现,并在降雪开始前2 h出现高空动量下传现象。降雪主要时段内,大气整层风向为西南风,大风速带扩展至近地面,中低空垂直风切变、垂直速度和大气折射率常数出现大值区。整层大气的垂直速度都为正时对应的降雪强度最大。降雪结束后,整层风向转为西北风。

关键词:风廓线雷达;暴雪;垂直速度;垂直风切变;折射率常数

中图分类号: P458.121.2;P412.25 文献标识码: A DOI编号: 10.14025/j.cnki.jlny.2017.22.056

暴雪是沈阳地区冬半年出现的灾害天气之一,暴雪经常会造成交通运输中断、输电中断、通信中断,交通事故频发,还可能造成房屋、蔬菜大棚及育苗大棚坍塌,直接危害人们生命财产安全。沈阳市气象局以全运会精细化服务为契机,在沈阳观象台建设了L波段边界层风廓线雷达,实现了对大气风场的全天候观测,时间分辨率为5min、30min和60min,低模态垂直探测高度为150~4350m,垂直分辨率為120m;高模态垂直探测高度为1230~9150m,垂直分辨率为240m。近年来,风廓线探测产品在降雪中的研究应用逐渐增多。周之栩[1]利用风廓线雷达资料分析了湖州市一次暴雪过程,结果表明:风廓线雷达风资料可以清楚地展示暴雪过程风场变化特点,同时垂直速度、折射率结构常数及探测高度等指标的变化能反映降雪的开始、结束以及降雪的强度。翟亮[2]等分析了北京两次不同类型降雪天气过程中的边界层风廓线仪数据,结果表明:温度平流廓线图可以较好的反映大气稳定度情况,同时作为判断是否为对流性降雪提供依据。降雪开始前2h底层偏东气流建立,且该气流里均有风速突然加强的现象。陆韬[3]等认为低空急流的脉动及向地面扩展时出现降雪的预兆,其与高空急流发生的耦合作用有利于雪势加强。李鸾[4]等认为降雪前925hPa左右高度可见东风气流,当东风气流转为西北气流时,降雪天气开始;降雪时低层冷平流,中高层暖平流,逆温结构有助于降雪的发生;当西北气流向上扩展到700hPa高度以上时,降雪趋于结束。此外,风廓线雷达探测到的大气折射率常数的变化与降雪过程相对应。李峰[5]等利用风廓线雷达资料对一次雾霾雨雪多相态天气过程进行了诊断分析,结果表明:雾霾天气时,大气折射率参数很小,无明显的空气流通,近地面层信噪比表现出较强信号,高度一般在850hPa以下,其上层大气的信噪比很弱,上下对比明显;降水发生前,对流层信噪比明显增强,风廓线雷达波束的径向速度首先在中高层出现正值,降水发生时,5个波束径向速度均转为正值,最大速度一般在近地面层;降水相态发生转变时,信噪比增强,径向速度有所减弱,这种变化通常发生在整个边界层到对流层。

2017年2月21日20时(北京时间,下同)~22日20时沈阳地区出现暴雪天气,是风廓线雷达建立以来强度最大的一次降雪天气,严重的危害了沈城交通安全,因此本文利用常规观测资料和风廓线雷达探测资料,从水平风廓线、垂直速度、大气折射率结构常数、垂直风切变等方面分析,试图提出预报着眼点,提高预报准确率。

1 过程概述

受到高空槽和蒙古气旋共同影响,2017年2月21日20时~22日20时沈阳地区出现暴雪天气。降雪集中时段为2017年2月21日22时~22日08时,之后转为阵雪天气,降雪量主要集中在市区。全市7个国家观测站(浑南、康平、法库、新民、辽中、沈北新区和苏家屯)平均降雪量为10.6mm,其中苏家屯区降雪量最大,为14.2mm,辽中区降雪量最小,为6.8mm。平均新增积雪深度为8.8cm,其中最大新增积雪出现在沈北新区,为13.0cm(详见图1)。此次强降雪给沈城交通造成严重影响。

2 主要影响系统

2017年2月21日20时500 hPa天气图上(图2),西伯利亚附近为高压脊,贝加尔湖东南部存在宽广的槽区,短波槽活动频繁,温度槽落后于高度槽,沈阳位于高空槽前部,槽前偏西气流将冷空气输送到沈阳,鄂霍次克海以西存在一个低涡,并不断加强,低涡底部不断有冷空气扩散南下。850 hPa在河套地区和内蒙古北部地区存在南北两个切变线,切变线在东移过程中同位相叠加,南端到达30°N,在切变线的前端有西南急流存在,21日夜间急流轴经过沈阳地区,西南急流向沈阳地区输送大量暖湿空气。2月21日20时地面存在蒙古气旋,气旋底部冷锋位于河套地区,日本海存在阻塞高压,使得蒙古气旋移动过程中加强,22日08时冷锋移至沈阳中部地区(图略)。

3风廓线雷达

3.1 水平风廓线

分析2017年2月21日08时~22日20时水平风廓线特征,图3给出了降雪前后沈阳观象台风廓线雷达探测的小时风演变。从图中可以看到,2月21日08时之前,风廓线雷达探测高度一般在1000m以下,风速较小,一般在2m/s以下。21日08时~21日11时风廓线雷达探测高度有所增高,900 m以下为弱的西南风,1000m到3500m为西北风和北风,风随高度顺转,有暖平流,21日12时~21日15时探测高度再次增高,已经达到风廓线雷达的最大探测高度,5500m以上出现西北偏西风,1000m到3500m仍为西北风,900m以下仍为弱的西南风,3500m以下风随高度顺转,有暖平流,3500m以上风随高度逆转,有冷平流。从21日16时开始整层大气的风向已转变为西南风,且风速逐渐加大。22日07时之后,探测高度出现降低,2000m以上出现西北风,西北风随时间逐渐向下扩展,到了22日15时,整层已转为西北风,22日20时以后探测高度已回落到1000m以下。endprint

3.2急流

分析此次暴雪高空水平风速≥12 m/s风速带,见图4,2月21日12时开始出现大值风速带,最大风速达到36.5m/s,21日13时至20时,高空风速增大,大风速带一直维持在3390m以上。21日21时开始,风速动量下传,大风速带向下扩展,21日22时,大风速带已向下扩展至990m,此时降雪开始。降雪过程中大风速带继续向下扩展,22日00时已经扩展到近地面,整层大气都有西南风大风速带存在。22日07时开始高空大风速带消失,中低空大风速带逐渐变薄,11时后消失。

3.3大气折射率结构常数

风廓线雷达主要探测大气中不规则的折射,在折射率起伏场中,大气折射率结构常数通常表示大气中折射率不均匀的程度,主要取决于温度变化或水汽压的脉动变化。当出现降水时,大气中的水汽含量明显增加,致使大气折射率结构常数增大,并常伴有探测高度增加的现象[6]。图中将0或接近0的值用白色表示。

分析此次暴雪大气折射率结构常数的时间演变,详见图5,降雪过程前大气折射率常数的量级在10-20~10-15之间,随着降雪的发生,21日23时大气折射率结构常数明显增加,最大大气折射率结构常数量级增大至10-6,相对大值出现在1470m以下,为水汽集中区,1470m以上大气折射率结构常数接近0。随着降雪的发展,22日00时~04时大气折射率结构常数逐渐降低,相对大值区也变薄,相对大值出现在510m以下,22日05是开始整层大气折射率结构常数接近0,说明水汽条件逐渐转差。暴雪期间大气折射率结构常数的量级在10-10~10-6之间。

3.4垂直风切变

计算临近层内风矢量的变化值,得到垂直风切变。风切变增大时,有利高、低空冷暖气流加速混合,形成不稳定[6]。分析此次暴雪天气垂直风切变随时间的演变,见图6,21日12时开始高空(约500hPa)开始出现垂直风切变,比降雪开始提前了10h。中低空垂直风切变提前2h(21日20时)出现,降雪的主要时段与中低空垂直风切变大值区对应较好,中低空垂直风切变可能是暴雪的重要触发条件。

3.5垂直速度

风廓线雷达探测的垂直速度为空气垂直运动和降水粒子下沉运动之和,朝向风廓线雷达为正。图7为2017年2月21日03时~22日15时沈阳观象台上空的垂直速度随时间的演变图。由图可知,21日12时~21时1950m到3150m之间存在负速度,为上升气流,3150m以上为正速度,说明有下沉运动,1950m以下为出现零散的正速度,说明下沉运动不明显。降雪主要时段内整层大气垂直速度都为正,说明下沉气流迅速占据绝对主导地位[7],可能是雪粒在下落过程中的拖曳作用所致[8]。21日22时降雪开始时的垂直速度出现最大值,为1.5m/s。22日07时~15时3870m以上垂直速度为0.0m/s,3870m以下的垂直速度有减小的趋势。22日15时后整层大气垂直速度接近0.0m/s。

4 探空资料分析

由沈阳观象台探空资料可以看出,2月21日20时和22日08时探空资料差别很大,以600 hPa为分界点,21日20时600 hPa以上温度与露点先接近重合,表明温度露点差很小,相对湿度大,大气处于饱和状态,高空高湿区的出现是由于西南急流输送了大量水汽。22日08时600 hPa以下相对湿度非常大,600 hPa以上相对湿度减小明显,这与中低空西南急流的建立和高空急流的消失对应较好,加之降雪也是湿度垂直分布变化的重要原因。从21日20时到22日08时-10 ℃高度由接近3 km降低到接近1 km,说明有冷空气的到来。抬升凝结高度明显降低,这有利于22日白天阵雪天气的产生。

5結论

此次暴雪天气是由高空槽和蒙古气旋共同作用产生的,850hPa南北两支切变线同位相叠加,切变线前西南急流为此次暴雪提供了充沛的水汽。

降雪前,以3500m为冷暖平流边界,冷平流叠加在暖平流之上。高空大风速带和垂直风切变提前降雪10h出现,并在降雪开始前2h出现高空动量下传现象。降雪开始时,整层风向转为西南风,垂直速度出现最大值,为1.5m/s,风速≥12m/s和中低空垂直风切边大值区的出现时间与主要降雪时段相对应,垂直速度和大气折射率常数出现达到峰值。整层大气的垂直速度都为正时对应的降雪强度最大,暴雪期间大气折射率结构常数的量级在10-10~10-6之间。降雪结束后,整层风向转为西北风。

通过风廓线雷达探测资料可以直观的看到站点上空各种资料随时间高度的变化,但由于风廓线雷达建设以来暴雪的样本单一,所以以上结论仍需要在今后的工作中分析验证。

参考文献

[1]周之栩.风廓线雷达资料在暴雪天气过程中的应用[J]. 气象与环境科学,2012(04):69-72.

[2]翟亮,王令,刘文军.两次降雪天气过程预报中边界层风廓线雷达资料的应用[J].气象科技,2012(05):783-788.

[3]陆韬,金培.利用风廓线雷达资料对暴雪过程进行追踪预报[A]. 浙江省气象学会、江苏省气象学会、上海市气象学会.第八届长三角气象科技发展论坛论文集[C].浙江省气象学会、江苏省气象学会、上海市气象学会,2011:6.

[4]李鸾,周先春,叶树青.风廓线雷达在一次大到暴雪天气过程中的应用[J].气象水文海洋仪器,2014(01):70-74.

[5]李峰,施红蓉.一次多相态天气过程的风廓线雷达探测资料特征分析[J].气象,2014(08):992-999.

[6]李典,鲁杨,吴宇童,等. 冷涡背景下风廓线资料在沈阳对流天气预报中的应用[J].干旱气象,2016(05):886-897.

[7]许敏,张瑜,张绍恢.风廓线雷达资料在冀中一次强降水天气预报中的应用[J].干旱气象,2016(05):898-905.

[8]张彩英.基于风廓线雷达资料的暴雪天气过程分析[J]. 气象与环境科学,2016(04):80-85.

作者简介:鲁杨,本科学历,助理工程师,研究方向:天气预报。endprint

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