system: [SYSTEM]

user: 2. 风廓线雷达在降水中的应用 风廓线雷达在测量降水过程中对降水的预报，降水过程的分析有一定的作用。我们可以对南京发生的一次强降水过程进行探讨来分析风廓线雷达探测资料在降水中的应用。 2.1. 天气背景分析 2010年7月12日南京地区发生剧烈降水，当时正值梅雨天气。图1是由自动气象站于2010年7月11日15点到7月13日6点测得的雨强随时间的变化图。 从图1可以看出从7月12日3时开始产生降水一直持续到7月13日3点。7月12日12:00时雨强最大，降水持续时间较长，后来降水逐渐减弱直至7月13日03:00降水停止。图2~图4为7月11日20时micaps 500 hpa，700 hpa，850 hpa高空图，在500 hpa高空图上，贝加尔湖东侧有一高压脊，形成了西北气流使冷空气向我国东南部发展，河套地区有一高压槽，588线在北纬30度附近，副高北抬到南京附近。从孟加拉湾到我国东南部盛行西南风，形成了西南向的水汽通道，为这次降水过程提供了充足的水汽。700 hpa高空图上秦岭到江苏西部有一条明显的切变线，切边线南侧有一低空急流，南京处在急流左前方，有明显的辐合，比较700 hpa前后的高空图发现该切变线向南发展到了安徽南部和江苏南部，同时700 hpa西南气流也很旺盛，850 hpa与700 hpa的高空情况相似。对比图6的风廓线雷达产品风矢图，发现20:00左右从1400 m高空往上都为西南风控制，与micaps的分析结果相同，水汽供应充足，产生了12日的大规模降雨过程。 图1. 7月11日15点到7月13日6点的雨强图 图2. 2010年7月11日20点500 hpa高度天气图 图3. 2010年7月11日20点700 hpa高度天气图 图4. 2010年7月11日20点850 hpa高度天气图 2.2. 风廓线雷达产品 我们采用2010年安装在南京信息工程大学观测场的风廓线雷达进行观测，雷达由天线、放大器、接收机、控制/数据处理器，电子设备保护装置以及无线电声探测系统(RASS) 6大部分组成 [ 7 ] 。风廓线仪型号为WP3000，最大探测高度为6120 m，垂直空间分辨率60 m，最低探测高度为60 m，每2 min观测一次。风廓线雷达采用5波束观测，得到不同采样高度上水平风向，水平风速，垂直风速，垂直方向 C n 2 等数据产品。高度分辨率为60 m，以正北风为0度，垂直速度取向下为正(即下落速度为正速度)。 2.3. 水平风分析 处理数据之后得到如图5所示的风矢图，图中箭头的长短表示风速的大小，箭头的方向表示风速的方向，横坐标是时间，纵坐标为高度。 7月11日15:00近地面层风向为东北风，在800~2000 m处为东南和西南风，高层为西北风，同时存在多个切变，水平风速较小，高空风速比低空大。7月11日18:00近地面转为东南风，东南风与西南风的风切变在1600 m处，西南风与西北风的切变在3000 m处。随着降水的不段临近，西南风与东南风的切变不断降低，西南风达到的高度与控制的范围也变大，水平风速增大，而且持续时间很长，这种风场为暴雨的产生提供了充足的水汽和能量，与micaps图相对应，说明风廓线雷达在探测不同高度风场上有很好的优势。并在降水前6 h于1.8 km高度处出现西风急流。降水开始之后，西南风与东南风的切变高度继续降低，水平风速继续增加。到了降水最大时候(12:00)低空突然出现东北风并与东南风产生切变，同时西南风与东南风的切变抬升回1200 m处，大气切变层数增多，说明强对流发展已达到最剧烈的程度，此时降水即趋于最强。最大降水过后，近地面东北风消失，高空逐渐为西北风控制，偏南气流控制的范围逐渐减少，水汽供应减少，水平风速也不断减小，对流开始减弱，降水逐渐减少。降水结束时，近地面转为东北风，800 m~2400 m都为西北风控制，水平风速急剧减小。 从风矢图我们可以看出降水时期水平风速较不降水时变大，降水前6 h西风急流的建立，水平风速增大都对降水的来临有很好的预报作用。随着降水的来临，近地面的风切变高度不断降低，最大降水来临时低空出现低空急流并产生新的风切变，先前的风切变高度抬升。同时从图中我们可以看出偏南风控制大气层，有利于水汽的积累，容易产生降水。随着降水的结束，偏南风控制的高度范围，水平风速的大小，对流的发展都会减弱。同时发现强降雨维持的阶段：整层风向比较顺畅，而且风速持续很大。 图5. 2010年7月11日15:00~7月13日6:00风矢图 2.4. 风廓线雷达最大探测高度和 C n 2 的研究 从图6可以看出WP3000风廓线雷达最大探测高度在7月11日0:00到11点由4000 m升至6120 m，降水前一段时间最大探测高度保持在6120 m对降水来临有很好的指示作用。而地面降水时间段在12日03:00到13日03:00，可以看到降水时间段最大探测高度也一直维持在6120 m，到了13日04:00之后最大探测高度又迅速下降，可以看出风廓线雷达最大探测高度在降水时段和降水前明显增加，最大探测高度要比平时高2 km左右。 大气环境因素是影响风廓线雷达最大探测高度的重要因素，而大气环境因素的影响主要涉及大气折射率，湍流强度，结构，温度，湿度及其时空分布。降水时大气湿度增大，雷达探测高度升高。表征大气折射率强弱起伏常用的指标是大气折射指数湍流结构函数，这个函数用 C n 2 表示。何平等人 [ 8 ] 认为对于湍流散射，雷达反射率和折射率结构常数 C n 2 成正比， C n 2 的大小主要取决于温度和水汽压脉动的大小。对于水汽压脉动则与水汽的绝对含量有关，水汽含量越大，在湍流的作用下才有条件产生较大的水汽压脉动。降水天气来临时，大气高层的水汽含量增加，使 C n 2 加大，从而导致探测高度增加。另外，降水天气来临时，高层出现冰晶等粒子。粒子大小、浓度达到一定程度时就会产生有效的粒子散射信号，被雷达检测出来。这可能是天气系统来临时探测高度增高的另一个原因。 将7月11日18:00到7月13日6:00 C n 2 的数据用matlab编程得到图7。 图7横坐标为时间，纵坐标为高度，图像中的数值为 C n 2 的指数值(−14表示1e−14，−13.5表示5e−14)从图中可以看出降水发生前 C n 2 的强度很弱(黄绿色区域)，从7月12日3点到7月13日3:00 C n 2 的最大值大于5e−14，11:00~13:00对应的 C n 2 的最大值甚至于达到5e−12，同时对比图1可以看出 C n 2 的值大的时间段，南京地区的降水量也较大。到了13日4:00 C n 2 最大值小于5e−14，降水结束，可见 C n 2 的值达到5e−14反映了降水的开始和结束。 C n 2 的值越大，降水越剧烈。 2.5. 垂直速度研究 将风廓线雷达产品中的垂直速度进行读取并通过matlab编程得到降水前后的垂直风速图。 在降水情况下，风廓线雷达探测到的垂直速度(未经落速订正)代表了空气的垂直运动和降水粒子的下沉运动的总和 [ 9 ] [ 10 ] 。从图8我们可以看出降水前垂直下落速度较小，到了7月12日3点3200 m高空 图6. 7月11日0点到7月13日10点最大探测高度图 图7. 7月11日18:00-7月13日6:00 C n 2 比较 图8. 7月11日12:00~7月13日6:00垂直风速图 开始出现4 m/s的垂直速度，对比图1发现地面开始产生降水。在12点左右从地面到4000 m高空垂直速度都大于7 m/s。到了7月13日3点最大垂直速度降到4 m/s以下。发现自7月12日3:00到7月13日3:00最大垂直下落速度都大于4 m/s，与降水时间段对应，可以看出最大垂直下落速度大于4 m/s反映了降水的开始和结束。垂直下落速度越大降水越强，这种风廓线雷达探测到的垂直下落速度与降水强度的对应关系是由于降水时降水粒子的下落速度所造成的，它反映了降水粒子的密度。将7月12日3:00到7月13日3:00每小时内的最大垂直下落速度进行平均，再将得到的平均值和这个小时内的雨强进行对应做出图9，从图9可以清晰的看出雨强越大，最大垂直下落速度就越大，同时也看出最大垂直下落速度随雨强增大的趋势随雨强增大而逐渐减小。同时从图9中可以清楚的看出最大垂直速度达到4 m/s开始出现降雨，最大垂直速度大于6 m/s的有强降雨现象。 将强降水时间段11:00到13:00各高度处垂直速度做平均，得到各高度上的平均垂直速度，如图10所示，在4500 m以下垂直下落速度变化不大，都在7.5 m/s左右，在4300 m处达到8 m/s，从4500 m到5000 m垂直直速度急剧减少到4 m/s，到了5000 m之后垂直速度又缓慢下降，风速不大，都在4 m/s以下。说明4500 m~5000 m之间空气间的热力动力差异较大，空气对流明显，容易产生大的降水。 图9. 雨强与最大垂直下落速度关系图 图10. 7月12日11:00~13:00各高度平均垂直速度图