热带气象学报  2019, Vol. 35 Issue (3): 332-342  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.031
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引用本文  

周芯玉, 廖菲, 胡东明. 利用风廓线雷达对广东前汛期短时强降水类暴雨过程低空风场特征的研究[J]. 热带气象学报, 2019, 35(3): 332-342. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.031.
ZHOU Xin-yu, LIAO Fei, HU Dong-ming. A study on low-level wind field characteristics of rainstorm containing short-range heavy rainfall during april to june rainy season in guangdong by wind profiler data[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2019, 35(3): 332-342. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.031.

基金项目

广州市科技计划项目(201903010101);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201406033-05);国家重点研发专项(2017YFC1501701);中国气象局预报员专项项目(CMAYBY2019-082);广东省气象局科研项目(GRMC2017Z03、GRMC2018Z01、2015Q08);广州市科技计划项目(201604020069)共同资助

通讯作者

胡东明,男,广东省人,研究员级高级工程师,主要从事大气探测技术及应用开发。Email:dongminghu1976@163.com

文章历史

收稿日期:2018-09-02
修订日期:2019-02-28
利用风廓线雷达对广东前汛期短时强降水类暴雨过程低空风场特征的研究
周芯玉 , 廖菲 , 胡东明     
广州市气象台,广东 广州 511430
摘要:为了更加深入地了解暴雨中尺度系统,利用风廓线雷达资料,对2012—2014年发生在广东前汛期的短时强降水的暴雨过程临近时次的低空急流强度、低空急流高度、低空急流指数以及各层垂直风切变等物理量进行了分析研究。研究结果表明:(1)在广东前汛期,86%的暴雨过程都会有短时强降水的出现; (2)2 km高度以下最大风速呈正态分布特征,主要集中在10~21 m/s之间,60%以上的强降水发生前3小时低空急流便已经存在,且随着强降水的临近,低空急流的比例逐渐增大,超过80%的过程强降水出现时有低空急流相配合; (3)暴雨发生前低空急流强度基本维持,最低高度逐渐降低。强降水出现时次,低空急流表现出逐渐加强的特征,最低高度也明显下降,从而导致低空急流指数I增大; (4)地面到不同等压面的垂直风切变随着高度的增加而逐渐减小,其中强降水发生时地面到925 hPa垂直风切变相较于暴雨发生前有所增大,而地面到850 hPa及700 hPa垂直风切变在强降水发生时则表现出下降的特征; (5)选取暴雨发生前各类物理量的中值作为暴雨发生的阈值,则低空急流强度在13.5 m/s左右,最低高度为1 km左右,低空急流指数I为6×10-3 s-1左右,地面到925 hPa、850 hPa以及700 hPa之间的垂直风切变分别在7.3×10-3 s-1、6×10-3 s-1以及4×10-3 s-1左右。
关键词风廓线雷达    短时强降水    阈值选取    低空急流    垂直风切变    
A STUDY ON LOW-LEVEL WIND FIELD CHARACTERISTICS OF RAINSTORM CONTAINING SHORT-RANGE HEAVY RAINFALL DURING APRIL TO JUNE RAINY SEASON IN GUANGDONG BY WIND PROFILER DATA
ZHOU Xin-yu , LIAO Fei , HU Dong-ming     
Guangzhou Meteorological Observatory, Guangzhou 511430, China
Abstract: By using the wind-profiler data from 2012 to 2014, the mesoscale weather system characteristics of rainstorms containing short-range heavy rainfall which occurred during April to June rainy season in Guangdong are studied. First, it is indicated that 86% rainstorms which occurred during the period from April to June in Guangdong are accompanied by short-range heavy rainfall. Second, the maximum wind speed below 2 km height is distributed normally, mainly concentrated in the range of 10—21 m/s. Low-level jets already exist 3 hours prior to the occurrence of more than 60% short-range heavy rainfall, and the proportion increases gradually with the approach of heavy rainfall. Third, before the rainstorm, the intensity of low-level jets generally maintains, and the lowest height gradually decreases. When short-range heavy rainfall occurs, the low-level jet gradually enhances, and the lowest height also decreases significantly, leading to a noticeable increase in the low-level jet Index I. Fourth, vertical wind shear from ground to different isobaric surfaces decreases with the increase of altitude. The vertical wind shear from ground to 925 hPa increases but decreases from ground to 850 hPa and 700 hPa, when short-range heavy rainfall occurs. Finally, the following pre-rainstorm median values of all kinds of physical quantities are selected as the threshold of rainstorm occurrence, 13.5 m/s for the intensity of low-level jet, 1 km for the lowest altitude, 6×10-3 s-1 for the low-level jet Index I, and 7.3×10-3 s-1, 6×10-3 s-1 and 4×10-3 s-1 for the vertical wind shear between surface to 925 hPa, 850 hPa and 700 hPa, respectively.
Key words: wind profiler    short-time heavy rainfall    threshold value    low-level jet    vertical wind shear    
1 引言

4—6月为华南前汛期,此时期冷空气强度较冬季明显减弱,西太平洋副热带高压加强西伸,西南季风加强,华南地区常常出现暴雨甚至特大暴雨,气象学者开展了大量的工作对其成因进行分析研究[1-9]。随着观测资料的快速发展及研究的不断深入,对于华南暴雨的研究也逐渐由大尺度环境场分析向中小尺度系统细微结构的研究上转变。越来越多的研究表明,前汛期暴雨是多尺度天气系统相互作用的产物,在有利的大尺度环流背景下,中尺度系统的发展演变对其影响显著。其中,低空急流以及垂直风切变与暴雨的关系尤为密切。前人的研究表明[10-13],大部分华南暴雨都与低空急流有关,其是形成暴雨的重要天气系统。低空急流所提供的抬升及气旋式切变为暴雨的形成提供了非常好的动力条件[14],同时其所携带的暖湿空气为暴雨的产生提供了充沛的水汽。垂直风切变一方面可以使得上升气流倾斜,减小降水质点对上升气流的拖曳,另一方面加强中层干冷空气的卷入和气流下沉外流,从而增强暖湿气流的抬升[15-16]。因此强的垂直风切变对于雷雨云团的加强和发展也有重要作用。

目前,通过常规观测手段获得的高空观测资料时空分辨率还比较低,高空风场的观测只有探空站一天两次的观测,因此前期对于暴雨中尺度系统的研究还比较有限。近年来,随着新型探测资料的逐步应用,可以获得高时空分辨率的高空观测资料,为更深入研究暴雨中尺度系统提供了便利。其中风廓线雷达是一种较好的高空风场探测仪器。其具有连续无人值守、可全天候监测大气风场等优点[17-18]; 与气球测风相比,风廓线仪可连续探测,时间间隔为5~6分钟,空间分辨率可以达到几十米,具有高精度和高的运行可靠性。由于其具有高时空分辨率的探测精度,因此对于中尺度系统的探测优势明显,为研究中尺度风场结构、变化与强降水的关系提供了可能。Peter等[19-20]通过研究指出风廓线雷达数据,可以很好地反映雷暴内部结构特征; Zhong等[21]分析指出利用高时空分辨率的风廓线雷达资料,可以对低空急流产生、发展、维持以及消亡的物理机制进行更加细致的研究; 周芯玉等[22-23]通过分析指出低空急流与低层风垂直切变的发展对于暴雨的发生具有重要的影响。刘淑媛等[24]通过对低空急流脉动与暴雨的关系的研究,指出低空急流指数对于暴雨产生有一定的指示作用。董保举等[25]、周莉蓉等[26]、孙旭映等[27]分别利用风廓线雷达对暴雨过程中尺度系统特征做了研究。然而不难看出,之前的研究多集中在对某一次单独过程的分析研究上,缺乏广泛性的暴雨中尺度系统特征的分析,尤其在暴雨发生临近时刻低空急流、垂直风切变特征变化的研究方面,分析个例较少,缺乏统计意义。由于对于华南地区来说,大部分暴雨过程均有短时强降水的出现,因此本文选取了2012—2014年广东前汛期包含短时强降水的暴雨个例,利用风廓线雷达资料对短时强降水出现临近时次低空急流及垂直风切变特征变化进行分析,旨在对进一步认识华南前汛期暴雨形成机理提供帮助。

2 资料

本文选取了2012—2014年4—6月前汛期发生在广东风廓线雷达本站的暴雨个例进行分析研究。在个例选取时,风廓线雷达本站出现一次暴雨记为一个个例(即使一次过程多次出现强降水也记为一个个例,并对第一次出现的强降水进行分析),同一次过程多个站出现暴雨记为多个个例。本文共应用到8部边界层风廓线雷达(探测高度6 km,时间分辨率为5分钟,空间分辨率为60 m)以及2部对流层风廓线雷达(探测高度16 km,时间分辨率为6分钟,空间分辨率为120 m)。降水资料来源于风廓线雷达所在地雨量站逐1小时降水资料。

3 物理量特征分析

根据上述个例选取原则,本文共选取了发生在风廓线雷达本站92个暴雨个例进行研究。在统计的92次暴雨个例中,出现短时强降水的个例为79个(出现了1小时降水量≥20 mm的短时强降水),未出现短时强降水的个例为13个(6小时雨量≥50 mm,且未出现短时强降水),二者比例为6:1,出现短时强降水的个例达到86%。可见在广东地区前汛期出现的暴雨中,绝大部分会出现短时强降水。由于未出现短时强降水的个例较少,不具有统计意义,因此本文主要对出现短时强降水的暴雨个例进行分析(下文简称暴雨)。

为了更好地对暴雨的形成机理进行研究,本文主要对暴雨开始前3小时及暴雨发生时各类物理量进行了分析。选取的个例均为暴雨发生前3小时内无降水或降水较微弱(1小时降水量≤5 mm)的个例,从而尽量减小降水对数据质量的影响。在物理量计算前对风廓线雷达资料进行了质量控制。首先通过计算风廓线雷达各向波束测得的水平风均值获得当前时刻的平均风速,然后求取包括前、中、后三个时刻在内的中位数,将其作为当前时刻的测风值,这样可以尽量满足风廓线雷达反演风场所需的均匀性这一假设[28]

3.1 低空急流强度特征分析

前人的许多研究都表明低空急流可以为暴雨提供充沛的水汽及不稳定条件,与暴雨的产生关系密切。对于广东地区而言,850 hPa及以下高度的低空急流作用更加明显。为了更好地分析短时强降水发生前低空急流的演变特征,本文将2 km高度以下风速超过12 m/s的西南、偏南、东南大风定义为低空急流进行着重研究,将最大风速以1 m/s为强度间隔,对不同强度区间内的风速变化特征进行了研究,剔除了由于冷空气影响造成的偏北大风个例,保留了西南、南或东南风个例。从图 1a~1d中可以看到,低层最大风速基本符合正态分布特征,10~21 m/s之间的风速所占的百分比最高,占总数的72%以上,两端风速的比例随风速的增大和减小逐渐降低。

图 1 2 km以下最大风速分布百分比 a~d中横坐标单位为m/s,纵坐标单位为%,虚线为拟合曲线。a.暴雨发生前3小时;b.暴雨发生前2小时;c.暴雨发生前1小时;d.暴雨发生时刻;e.逐小时线箱图(纵坐标单位为m/s)。

同时从风速的分布也可以看出暴雨的发生与低空急流的出现密切相关。在暴雨发生前3小时、前2小时、前1小时及暴雨发生时次,出现低空急流的比例分别为59.5%、62.0%、68.4%和84.0%。前人研究表明约75%~80%的华南暴雨与低空急流有关[29],但受制于常规探空资料的时间间隔,很难确定低空急流与暴雨发生的先后,尤其是暴雨发生临近时刻的低空急流表现情况。图 1表明在广东地区,60%以上的暴雨发生前低空急流便已经存在,且随着暴雨的临近,低空急流的比例逐渐增大。在暴雨发生时次,低空急流的比例进一步增加,超过80%的过程强降水出现时有低空急流相配合。

图 1e为暴雨发生临近时次2 km以下最大风速的逐小时线箱图,同一百分位点的最大风速值随着暴雨的临近而逐渐增大,对于短时强降水有一定的指示意义。75%的暴雨发生前3小时、前2小时、前1小时最大风速分别达到10.3 m/s、10.7 m/s、11.0 m/s。参照前人的研究[30],将最大风速分布的中值(50%百分位点)作为暴雨发生前的阈值,则暴雨发生前3小时最大风速阈值均为13.5 m/s左右。相比暴雨发生前,在暴雨发生时次同一百分位点的最大风速均表现出增大的特征,75%的暴雨过程伴有超过14 m/s的低空急流存在,50%百分位点也由13.5 m/s增大到16.3 m/s。上述结果表明在广东地区,暴雨发生前低空急流便已经存在,强度变化不大,但随着强降水的开始,低空急流会表现出逐渐加强的特征。

3.2 低空急流高度特征分析

将超过12 m/s风速的最低伸展高度作为急流达到的最低高度。图 2为暴雨发生临近时次低空急流达到最低高度的百分比分布图(高度间隔为0.1 km)以及线箱图,除了最大值与最小值外,同一百分位点的高度有随暴雨临近而下降的趋势,强降水出现时下降得更加明显。仍然选取急流达到的最低高度分布的50%百分位点作为阈值,则暴雨发生前3小时、前2小时、前1小时阈值分别为1.1 km、0.9 km、0.9 km,当暴雨发生时则迅速下降到0.5 km左右。上述结果表明,随着暴雨的临近,低空急流所能达到的最低高度逐渐降低,当强降水开始后,急流达到的最低高度下降显著。

图 2 低空急流最低高度分布百分比 a~d中横坐标单位为km,纵坐标单位为%,虚线为拟合曲线。a.暴雨发生前3小时;b.暴雨发生前2小时;c.暴雨发生前1小时;d.暴雨发生时刻;e.逐小时线箱图(纵坐标单位为km)。
3.3 低空急流指数特征分析

过去的研究引入了低空急流指数I(I=V/D)来进一步研究暴雨强度与低空急流的关系。这里V为2 km高度以下低空急流中心最大风速,D表示为达到12 m/s的风速在该时次中的最低高度。

图 3a~3d给出了以2×10-3 s-1为强度间隔,低空急流指数I在不同强度区间所占比例的分布图,暴雨发生临近时次低空急流指数I每小时的分布特征比较一致,主要集中在4×10-3~20×10-3 s-1范围区间,占70%左右。图 3e为I值的逐小时线箱图,可以看到在暴雨发生前,相同百分位点的I值较为接近略有增大,50%百分位点值在10.0×10-3 s-1左右。而当暴雨发生后,I值增大到11.8×10-3 s-1。结合3.1与3.2中的分析,不难发现正是由于在暴雨发生时次低空急流逐渐加强,急流所达到的高度显著降低,从而造成了低空急流指数I的增大。

图 3 低空急流指数I分布百分比 a~d中横坐标单位为10-3s-1,纵坐标单位为%,虚线为拟合曲线。a.暴雨发生前3小时;b.暴雨发生前2小时;c.暴雨发生前1小时;d.暴雨发生时刻;e.逐小时线箱图(纵坐标单位为10-3 s-1)。
3.4 垂直风切变特征分析

强的垂直风切变一方面可以使上升气流倾斜,减小降水粒子的拖曳作用; 另一方面可以加强中层干冷空气的卷入,使下沉气流和低层冷空气外流增强,强迫流入的暖湿气流更强烈抬升,从而产生对流性强降水。

其计算公式如下:

其中D为上下层的风向差。由于受地物杂波影响,风廓线雷达低层数据质量往往较差,因此本文计算了250~975 m、250~1 500 m、250~3 000 m高度间的垂直风切变以代表地面到925 hPa、850 hPa以及700 hPa的垂直风切变。图 4~图 6分别给出了以1×10-3 s-1为强度间隔,各层垂直风切变在不同强度区间所占比例的分布图。

图 4 地面到925 hPa垂直风切变分布百分比 a~d中横坐标单位为10-3 s-1,纵坐标单位为%,虚线为拟合曲线。a.暴雨发生前3小时;b.暴雨发生前2小时;c.暴雨发生前1小时;d.暴雨发生时刻;e.逐小时线箱图(纵坐标单位为10-3 s-1)。
图 5 地面到850 hPa垂直风切变分布百分比 a~d中横坐标单位为10-3 s-1,纵坐标单位为%,虚线为拟合曲线。a.暴雨发生前3小时;b.暴雨发生前2小时;c.暴雨发生前1小时;d.暴雨发生时刻;e.逐小时线箱图(纵坐标单位为10-3s-1)。
图 6 地面到700 hPa垂直风切变分布百分比 a~d横坐标单位为10-3 s-1,纵坐标单位为%,虚线为拟合曲线。a.暴雨发生前3小时;b.暴雨发生前2小时;c.暴雨发生前1小时;d.暴雨发生时刻;e.逐小时线箱图(纵坐标单位为10-3 s-1)。

从图中可以看出,除了图 5a外三层的垂直风切变都表现为单峰值特征,只是峰值出现的位置有所不同。地面到925 hPa、850 hPa以及700 hPa最大百分比的值分别位于4×10-3~10×10-3 s-1、3×10-3~9×10-3 s-1和2×10-3~6×10-3 s-1之间,占比均为60%左右。结合逐小时线箱图可以发现,暴雨发生的临近时次,地面到925 hPa、850 hPa以及700 hPa垂直风切变的中值分别为7.3×10-3 s-3、6×10-3 s-1和4×10-3 s-1左右。即随着高度的增高,垂直风切变的阈值是逐渐减小的。

随着暴雨的临近不同高度的垂直风切变也表现出了不同的变化特征。从图 4e中可看出,暴雨发生时地面到925 hPa垂直风切变相较于暴雨发生前有所增大。暴雨发生前同一百分位点上的值差异不大,25%及50%分位值分别维持在4.4×10-3 s-1和7.3×10-3 s-1左右,当暴雨发生时则分别上升到5.4×10-3 s-1及8.0×10-3 s-1左右。结合3.1节和3.2节,上述现象可能是由于随着暴雨发生时刻低空急流的加强以及高度的降低,使得1 km以下的风速明显增强,从而导致了垂直风切变的增大。

地面到850 hPa及700 hPa垂直风切变在暴雨发生时则表现出下降的特征。其中地面到850 hPa垂直风切变的75%、50%及25%分位值分别由暴雨发生前3小时的8.7×10-3 s-1、6.5×10-3 s-1及3.3×10-3 s-1逐渐下降为8.2×10-3 s-1、5.6×10-3 s-1和3.2×10-3 s-1。地面到700 hPa垂直风切变的50%及25%分位值也分别由4.1×10-3 s-1及2.7×10-3 s-1逐渐下降为3.8×10-3 s-1和2.3×10-3 s-1

表 1给出了计算的各类物理量在暴雨发生前3小时逐小时的阈值,可以看出在前3小时内阈值差异不大。其中低空急流强度在13.5 m/s左右,最低高度为1 km左右,低空急流指数I为6×10-3 s-1左右,地面到925 hPa、850 hPa以及700 hPa之间的垂直风切变分别在7.3×10-3 s-1、6×10-3 s-1以及4×10-3 s-1左右。

表 1 各类物理量阈值
4 个例表现

为了更好研究短时强降水发生前各类物理量的变化特征,本文选取了2014年5月23日发生在广州从化的一次短时强降水过程进行分析。受高空槽和低层西南气流作用,5月23日从化出现了一次大暴雨降水过程,伴有短时强降水的出现。降水从早晨4:00(北京时,下同)左右开始,前期以小雨为主,到了8:00开始出现短时强降水。4:00—9:00逐小时雨量分别为1.3 mm、5.2 mm、5.4 mm、1.9 mm、22.5 mm。下面将主要对短时强降水发生前各类物理量的变化特征进行分析。

图 7a为此次暴雨过程,从化风廓线雷达观测到的风场时间-高度序列图(其中12 m/s以上的风速用等值线标出)。可以看出,23日00时,12 m/s以上风速区主要分布出现在4 km以上,03时开始强风速区高度不断降低,05时后急流区高度已达到1 km以下,且在强降水发生前的3小时内一直维持在较低高度。在急流高度不断下降的过程中,急流强度也有所增加,06时以后2 km以下已经出现超过14 m/s的低空急流。可见,此次过程强降水发生前低空急流的强度以及高度均符合前文统计得出的阈值。

图 7 a.风场垂直廓线图(纵坐标为高度,单位为m,横坐标为时间);b.低空急流指数(纵坐标为指数I强度,单位为10-3 s-1);c.地面到不同等压面间垂直风切变(纵坐标单位为10-3 s-1)

图 7b为此次过程从化站低空急流指数I值的变化情况。可以看到23日00—02时,I值一直维持在5×10-3 s-1左右,02时开始,I值逐渐增大,04时达到11×10-3 s-1左右,稍后略有减小,但随后迅速增大,05时已回升到8×10-3 s-1以上,06时左右达到峰值15×10-3 s-1左右,后一直维持到强降水发生前。08时以后,随着强降水的开始,I值迅速减小,由15×10-3 s-1降到4×10-3 s-1左右,此后一直维持在较低状态。

图 7c为短时强降水发生前各层垂直风切变的变化情况,可以看出各地面到不同等压面间垂直风切变具有明显的差异。地面到925 hPa垂直风切变最大,到850 hPa次之,到700 hPa垂直风切变最小。虽然过程中有波动,但随着距离强降水发生越近,各层垂直风切变均为逐渐增大的趋势。23日00时,地面到925 hPa、850 hPa以及700 hPa垂直风切变分别为10×10-3 s-1、6×10-3 s-1以及3×10-3 s-1左右,到了短时强降水发生前的3小时,分别增大为12×10-3 s-1、9×10-3 s-1以及4×10-3 s-1左右,也均基本达到了本文统计的阈值。

表 2为此次过程各类物理量的值的情况。对比表 1表 2可以看到,除了前1小时低空急流最低高度和前2小时地面到700 hPa垂直风切变以外,其他各物理量值均符合本文统计的阈值。

表 2 5.23过程各类物理量值
5 小结

本文选取了2012—2014年发生在广东前汛期的暴雨过程,并将其分为短时强降水类,以及非短时强降水类两类,应用资料风廓线雷达对暴雨开始前3小时及暴雨发生时的低空急流强度、低空急流高度、低空急流指数以及各层垂直风切变等物理量进行了分析研究。

(1)共选取了92个暴雨个例进行研究,其中出现短时强降水的个例为79个,未出现短时强降水的个例为13个,二者比例为6:1。表明在广东前汛期过程,86%的暴雨过程都会有短时强降水的出现。

(2)2 km高度以下最大风速呈正态分布特征,10~21 m/s之间的风速所占百分比最高,超过70%。60%以上的暴雨发生前3小时低空急流便已经存在,且随着暴雨的临近,低空急流的比例逐渐增大,超过80%的过程强降水出现时有低空急流相配合。

(3)暴雨发生前3小时低空急流强度基本维持,所能达到的最低高度逐渐降低。强降水出现时次,低空急流表现出逐渐加强的特征,最低高度也明显下降,从而导致低空急流指数I增大。

(4)地面到不同等压面的垂直风切变随着高度的增加而逐渐减小,其中暴雨发生时地面到925 hPa垂直风切变相较于暴雨发生前有所增大,这可能是由于低空急流强度的加强及高度的降低,使得1 km以下的风速明显增强而导致的。地面到850 hPa及700 hPa垂直风切变在暴雨发生时则表现出下降的特征。

(5)选取暴雨发生前各类物理量的中值作为暴雨发生的阈值,则低空急流强度在13.5 m/s左右,最低高度为1 km左右,低空急流指数I为6×10-3 s-1左右,地面到925 hPa、850 hPa以及700 hPa之间的垂直风切变分别在7.3×10-3 s-1、6×10-3 s-1以及4×10-3 s-1左右。

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