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摘 要：该研究利用风廓线雷达对2015年7月28日发生在沈阳一次弱降水的强对流天气过程进行分析，结果表明：（1）此次过程是受低涡底部影响，配合强的不稳定能量和水汽造成的强对流过程。（2）在雷电实况发生前20～30min各产品均表现出显著特征，具有指示意义：水平风场出现20m/s以上的大风，并存在能量下传；垂直速度场在整个高度上出现大于8m/s的正速度；大气折射率结构常数C2n出现120dB以上的值，且与垂直速度变化趋势相似。（3）风廓线雷达对雷达站附近的风场变化十分敏感，可以反映环境风场的细微结构，判断环境大气中是否有对流系统进入以及大气湍流情况。
关键词：风廓线雷达；强对流；大气折射率结构常数
中图分类号 P458.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）18-0119-03
1 前言
东北冷涡是影响东北地区的主要天气尺度系统，在夏季常常引发对流性天气[1]。斯公望[2]指出对流云的发展可能出现在冷涡云系附近或后部晴空区，其突发性强，尺度小，使得预报员进行预报和预警工作都困难。
风廓线雷达（WPR）是一种新型的探测设备，可以24h无人值守的监测风场变化，除水平风风向风速外，还可提供垂直速度、信噪比、大气折射率结构常数等多种产品，能够有效捕捉到大气风场的细微结构[3]，对于移动快、生命史短的中小尺度天气具有更好的监测效果。2013年沈阳市气象台为保障全运会气象服务工作引进一台边界层风廓线雷达，本文分析了其在2015年7月28日一次弱降水的强对流天气中的特征变化。
2 天气实况及环流背景
2.1 天气实况 2015年7月28日下午沈阳市迎来一次强对流天气过程，此次对流过程中降水较小，雷电较强的特征。15：00沈阳市区西部及辽中县、新民县多个区域自动站累积小时雨量大于10mm。15：30开始沈阳本站出现降水，10mm加密自动站最大降水量为10.8mm，降水较大的区域距离本站较远，主要在沈阳市北部，部分站点达到小时雨量20mm以上。整个降水过程持续时间较长，到22：50沈阳出现雷电。
2.2 环流背景 2015年7月28日受冷涡底部影响，沈阳市南部地区出现强雷电天气。全省k指数大于36℃，大气层结不稳定。中低层以西南风为主，700hPa在辽宁中部地区存在切变，但没有急流配合，动力条件一般。700hPa、850hPa上有一致的西南气流影响辽宁省东部地区，辽宁省高低层均處于湿区，水汽条件较好。28日20：00沈阳探空图（图1）表明，沈阳上空有不稳定能量，但强度较弱，850hPa以下的近地面层湿度较小，850～700hPa的湿度明显增大，700hPa以上又再次减弱。垂直风场上，沈阳市整层均以西南风为主有利于上空的水汽累积，由于中层没有干冷空气的入侵，高低空无法形成冷暖空气的对流，出现强对流天气的可能性较低。综合实况资料分析可以发现，沈阳地区具有触发强对流天气的潜势，但没有相配合的切变、急流等天气系统，由于水汽条件较好，应着重考虑短时强降水的可能，但本次过程中，以雷电为主，降水较弱，因此使用其他资料进行提前预报和实时监测。
3 风廓线雷达特征分析
风廓线雷达包括水平风产品、垂直风产品、信噪比产品和大气折射率结构常数（C2n）。其中风场资料的可以提供5min、30min及1h3种时间分辨率的产品，而信噪比和C2n均为实时5min的产品。下面将分别对水平风速、垂直速度、C2n产品在本次雷雨过程中的变化特征做详细分析。
3.1 水平风场特征分析 由图2（a）可以看到，当没有对流系统影响时，沈阳风廓线雷达站上空风向变化规律，风速值连续。低层有风速为8～10m/s的西南风，中高层为偏西风，6km以上为20m/s以上的大风速区，这与20：00的探空图（图1）十分一致。17：30开始3.5～5.5km风速值减弱为2～4m/s，风向出现偏西和偏北等不同的方向，形成一条风向紊乱的气流带。风廓线雷达的原理是通过探测一定时段内湍流的变化来获得风场的各项信息，当湍流运动剧烈时，风廓线雷达探测得到的风场也是不规律的，这种持续性的风场紊乱说明在28日夜间，沈阳市上空存在小尺度的湍流运动，其持续时间至少为6h，并且这种湍流运动随着时间不断下传，由3.5～5km下降至0.5～2.5km。由探空图可以发现，在600hPa（3.5～5.5km）上存在不稳定能量，因此这种混乱风场区的下沉使得中层的不稳定能量下传至地面，并使近地面大气层中具有不稳定抬升机制。22：30在1.5～2.5km出现大风速区，但持续时间较短，同时高空的大风速带在22：00—22：30下沉后又不断上升，到24日00：00高空已没有大于20m/s的大风速区，大风速区基本消失。
（左：a.时间分辨率：30min，右：b.时间分辨率：5min横坐标为世界时）
为获得更多细节，这里使用分辨率为5min的风廓线资料做进一步分析。图2（b）中，中间的风速带以偏西和偏北风为主，位置不断降低，有利于中层干冷空气的不断入侵并逐渐流入低层，尽管扰动较弱但由于持续时间可达6小时，使得低层的不稳定能量不断累积增强，有利于触发对流。20：30高空大风速区开始下降，21：00达到5.5km的高度，随后又逐渐抬升，但下边界仍稳定维持在5.5～6.0km，有利于加强高空辐散。22：20—22：35在4.5km以下出现与高层分离的大风速区，大风速区的下边缘可以达到0.5km，加强了低层的辐合抬升条件。结合实况资料，沈阳雷电出现在22：50，而这种在中低层出现的大风速区提前了20～30min，具有一定的参考意义。
3.2 垂直风场特征分析 图3中上升气流为负值，下沉气流为正值。分析图3可以发现，沈阳上空存在十分明显的下沉气流，19：00—22：00下沉气流始终较弱，且持续时间较短。结合水平风场图（图2），这一段时间内的下沉气流与大气中的扰动下传有一定联系。22：40后下沉气流有明显的增强，其最大值可达到8m/s，并维持这种强度到29日5：30，随后迅速减弱。对比各时段内的下沉气流可以发现，28日22：40到29日5：30的下沉气流持续时间最长，强度最大，最大值区主要分布于4km以下，4km以上的下沉气流最大仅为2～3m/s，但下沉气流在大气中的连续分布范围明显大于其他时段，可达到风廓线雷达的最大探测范围，这种特征首次出现的时间为雷电实况前25min。由于风廓线雷达容易受到降水粒子、云等物体的影响，因此这一时段内的低层下沉气流大于高层，这是因为低层同时受到扰动下传和降水粒子的影响。由实况可以发现，沈阳市出现降水的时间晚于下沉气流首次分布于整个大气层的时间，这说明垂直风对降水十分敏感并且具有提前性。 3.3 C2n特征分析 风廓线雷达测风的关键指标是其数据的获取率，而其在很大程度又受到了大气折射率结构常数的影响，可以反映大气折射率不均匀性的剧烈程度，大气折射率结构常数记为C2n[4]。从图4可以发现，大气折射率结构常数出现多个时段的连续大值，在14：00—14：20之间C2n突然减弱，但低层1.5km以下的强度仍大于1.5km以上，由于C2n是对大气折射率的一种反应，而大气折射率又受到湍流的影响，当湍流运动活跃，反映在C2n上也明显较大。图4中表现为1.5km以下的C2n始终高于其他高度，这是因为近地层的湍流活动更加活跃。另外，对比垂直风场演变图5可以发现，C2n出现大值的时间与垂直风加强的时间较为吻合。垂直风首次出现连续分布在整层大气的下沉气流是在10：40，C2n出现各层>120dB的时间为10：25，这说明C2n对于大气运动的变化更为敏感，而变化趋势又与垂直风十分相似，因此在判断预报时可以相互结合，做对比分析。
（时间分辨率：5min，横坐标为世界时，单位：dB）
4 结论
本文利用沈阳风廓线资料对2015年7月28日一次弱降水强对流天气进行分析，探討风廓线雷达提供的各类产品特征，得到以下结论：（1）高空实况资料和TlogP图分析可以发现，沈阳地区具有触发强对流天气的潜势，但没有相配合的切变、急流等动力条件，由于水汽条件较好，应着重考虑短时强降水的可能，但实际过程中，以强雷电为主，降水较弱，因此还需配合其他资料进行分析和监测。（2）在本次过程中，风廓线雷达水平风场存在湍流向下传导，将高层不稳定能量向低层传递，并且风廓线雷达还探测到在雷电发生前20～30min有大于20m/s的大风速突然出现；垂直速度会受到空气中的扰动和降水粒子影响，但在整个探测高度内全部转为正速度是在雷电实况出现前的25min前，最大能达到8m/s；C2n出现大值的时间与垂直风加强的时间较为吻合，其变化趋势与垂直风十分相似。以上这些特点都出现在实况发生前，具有指示意义。（3）目前对风廓线雷达的应用还不够充分，需要增加个例做进一步分析。
参考文献
[1]陈力强，张立祥，周小珊.东北冷涡不稳定能量分布特征及其与降水落区的关系[J].高原气象，2008，27（3）：339-348.
[2]斯公望.暴雨和强对流环境系统[M].北京：气象出版社，1989：116.
[3]王令，王国荣，古月，等.风廓线雷达垂2007直径向速度应用初探[J].气象，2014，40（3）：290-296.
[4]Masahito Ishihara，Yoshio Kato，Toshihiro Abo，et al. Characteristics and Performance of the Operational Wind Profiler Network of the Japan Meteorological Agency，Journal of the Meteorological Society of Japan，2006，86（6）：1085-1096.
（责编：张宏民）
关键词：风廓线雷达；强对流；大气折射率结构常数
中图分类号 P458.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）18-0119-03
1 前言
东北冷涡是影响东北地区的主要天气尺度系统，在夏季常常引发对流性天气[1]。斯公望[2]指出对流云的发展可能出现在冷涡云系附近或后部晴空区，其突发性强，尺度小，使得预报员进行预报和预警工作都困难。
风廓线雷达（WPR）是一种新型的探测设备，可以24h无人值守的监测风场变化，除水平风风向风速外，还可提供垂直速度、信噪比、大气折射率结构常数等多种产品，能够有效捕捉到大气风场的细微结构[3]，对于移动快、生命史短的中小尺度天气具有更好的监测效果。2013年沈阳市气象台为保障全运会气象服务工作引进一台边界层风廓线雷达，本文分析了其在2015年7月28日一次弱降水的强对流天气中的特征变化。
2 天气实况及环流背景
2.1 天气实况 2015年7月28日下午沈阳市迎来一次强对流天气过程，此次对流过程中降水较小，雷电较强的特征。15：00沈阳市区西部及辽中县、新民县多个区域自动站累积小时雨量大于10mm。15：30开始沈阳本站出现降水，10mm加密自动站最大降水量为10.8mm，降水较大的区域距离本站较远，主要在沈阳市北部，部分站点达到小时雨量20mm以上。整个降水过程持续时间较长，到22：50沈阳出现雷电。
2.2 环流背景 2015年7月28日受冷涡底部影响，沈阳市南部地区出现强雷电天气。全省k指数大于36℃，大气层结不稳定。中低层以西南风为主，700hPa在辽宁中部地区存在切变，但没有急流配合，动力条件一般。700hPa、850hPa上有一致的西南气流影响辽宁省东部地区，辽宁省高低层均處于湿区，水汽条件较好。28日20：00沈阳探空图（图1）表明，沈阳上空有不稳定能量，但强度较弱，850hPa以下的近地面层湿度较小，850～700hPa的湿度明显增大，700hPa以上又再次减弱。垂直风场上，沈阳市整层均以西南风为主有利于上空的水汽累积，由于中层没有干冷空气的入侵，高低空无法形成冷暖空气的对流，出现强对流天气的可能性较低。综合实况资料分析可以发现，沈阳地区具有触发强对流天气的潜势，但没有相配合的切变、急流等天气系统，由于水汽条件较好，应着重考虑短时强降水的可能，但本次过程中，以雷电为主，降水较弱，因此使用其他资料进行提前预报和实时监测。
3 风廓线雷达特征分析
风廓线雷达包括水平风产品、垂直风产品、信噪比产品和大气折射率结构常数（C2n）。其中风场资料的可以提供5min、30min及1h3种时间分辨率的产品，而信噪比和C2n均为实时5min的产品。下面将分别对水平风速、垂直速度、C2n产品在本次雷雨过程中的变化特征做详细分析。
3.1 水平风场特征分析 由图2（a）可以看到，当没有对流系统影响时，沈阳风廓线雷达站上空风向变化规律，风速值连续。低层有风速为8～10m/s的西南风，中高层为偏西风，6km以上为20m/s以上的大风速区，这与20：00的探空图（图1）十分一致。17：30开始3.5～5.5km风速值减弱为2～4m/s，风向出现偏西和偏北等不同的方向，形成一条风向紊乱的气流带。风廓线雷达的原理是通过探测一定时段内湍流的变化来获得风场的各项信息，当湍流运动剧烈时，风廓线雷达探测得到的风场也是不规律的，这种持续性的风场紊乱说明在28日夜间，沈阳市上空存在小尺度的湍流运动，其持续时间至少为6h，并且这种湍流运动随着时间不断下传，由3.5～5km下降至0.5～2.5km。由探空图可以发现，在600hPa（3.5～5.5km）上存在不稳定能量，因此这种混乱风场区的下沉使得中层的不稳定能量下传至地面，并使近地面大气层中具有不稳定抬升机制。22：30在1.5～2.5km出现大风速区，但持续时间较短，同时高空的大风速带在22：00—22：30下沉后又不断上升，到24日00：00高空已没有大于20m/s的大风速区，大风速区基本消失。
（左：a.时间分辨率：30min，右：b.时间分辨率：5min横坐标为世界时）
为获得更多细节，这里使用分辨率为5min的风廓线资料做进一步分析。图2（b）中，中间的风速带以偏西和偏北风为主，位置不断降低，有利于中层干冷空气的不断入侵并逐渐流入低层，尽管扰动较弱但由于持续时间可达6小时，使得低层的不稳定能量不断累积增强，有利于触发对流。20：30高空大风速区开始下降，21：00达到5.5km的高度，随后又逐渐抬升，但下边界仍稳定维持在5.5～6.0km，有利于加强高空辐散。22：20—22：35在4.5km以下出现与高层分离的大风速区，大风速区的下边缘可以达到0.5km，加强了低层的辐合抬升条件。结合实况资料，沈阳雷电出现在22：50，而这种在中低层出现的大风速区提前了20～30min，具有一定的参考意义。
3.2 垂直风场特征分析 图3中上升气流为负值，下沉气流为正值。分析图3可以发现，沈阳上空存在十分明显的下沉气流，19：00—22：00下沉气流始终较弱，且持续时间较短。结合水平风场图（图2），这一段时间内的下沉气流与大气中的扰动下传有一定联系。22：40后下沉气流有明显的增强，其最大值可达到8m/s，并维持这种强度到29日5：30，随后迅速减弱。对比各时段内的下沉气流可以发现，28日22：40到29日5：30的下沉气流持续时间最长，强度最大，最大值区主要分布于4km以下，4km以上的下沉气流最大仅为2～3m/s，但下沉气流在大气中的连续分布范围明显大于其他时段，可达到风廓线雷达的最大探测范围，这种特征首次出现的时间为雷电实况前25min。由于风廓线雷达容易受到降水粒子、云等物体的影响，因此这一时段内的低层下沉气流大于高层，这是因为低层同时受到扰动下传和降水粒子的影响。由实况可以发现，沈阳市出现降水的时间晚于下沉气流首次分布于整个大气层的时间，这说明垂直风对降水十分敏感并且具有提前性。 3.3 C2n特征分析 风廓线雷达测风的关键指标是其数据的获取率，而其在很大程度又受到了大气折射率结构常数的影响，可以反映大气折射率不均匀性的剧烈程度，大气折射率结构常数记为C2n[4]。从图4可以发现，大气折射率结构常数出现多个时段的连续大值，在14：00—14：20之间C2n突然减弱，但低层1.5km以下的强度仍大于1.5km以上，由于C2n是对大气折射率的一种反应，而大气折射率又受到湍流的影响，当湍流运动活跃，反映在C2n上也明显较大。图4中表现为1.5km以下的C2n始终高于其他高度，这是因为近地层的湍流活动更加活跃。另外，对比垂直风场演变图5可以发现，C2n出现大值的时间与垂直风加强的时间较为吻合。垂直风首次出现连续分布在整层大气的下沉气流是在10：40，C2n出现各层>120dB的时间为10：25，这说明C2n对于大气运动的变化更为敏感，而变化趋势又与垂直风十分相似，因此在判断预报时可以相互结合，做对比分析。
（时间分辨率：5min，横坐标为世界时，单位：dB）
4 结论
本文利用沈阳风廓线资料对2015年7月28日一次弱降水强对流天气进行分析，探討风廓线雷达提供的各类产品特征，得到以下结论：（1）高空实况资料和TlogP图分析可以发现，沈阳地区具有触发强对流天气的潜势，但没有相配合的切变、急流等动力条件，由于水汽条件较好，应着重考虑短时强降水的可能，但实际过程中，以强雷电为主，降水较弱，因此还需配合其他资料进行分析和监测。（2）在本次过程中，风廓线雷达水平风场存在湍流向下传导，将高层不稳定能量向低层传递，并且风廓线雷达还探测到在雷电发生前20～30min有大于20m/s的大风速突然出现；垂直速度会受到空气中的扰动和降水粒子影响，但在整个探测高度内全部转为正速度是在雷电实况出现前的25min前，最大能达到8m/s；C2n出现大值的时间与垂直风加强的时间较为吻合，其变化趋势与垂直风十分相似。以上这些特点都出现在实况发生前，具有指示意义。（3）目前对风廓线雷达的应用还不够充分，需要增加个例做进一步分析。
参考文献
[1]陈力强，张立祥，周小珊.东北冷涡不稳定能量分布特征及其与降水落区的关系[J].高原气象，2008，27（3）：339-348.
[2]斯公望.暴雨和强对流环境系统[M].北京：气象出版社，1989：116.
[3]王令，王国荣，古月，等.风廓线雷达垂2007直径向速度应用初探[J].气象，2014，40（3）：290-296.
[4]Masahito Ishihara，Yoshio Kato，Toshihiro Abo，et al. Characteristics and Performance of the Operational Wind Profiler Network of the Japan Meteorological Agency，Journal of the Meteorological Society of Japan，2006，86（6）：1085-1096.
（责编：张宏民）