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Climate Change Research Letters
2168-5711
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10.12677/ccrl.2024.134101
ccrl-91447
Articles
地球与环境
一次高原切变线过程的雷达回波特征研究
李金泽
李筱杨
高金鹏
才志超
姜
冬
廖华夏
徐
侃
海军航空大学航空基础学院，山东 烟台
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This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
基于C波段新一代天气雷达资料，本文重点对西藏那曲地区的一次切变线降水过程进行了研究。结合降水特点，将此次过程分为了三个阶段，并对每个阶段的雷达回波特征以及降水演变过程进行了分析，结果发现：在瞬时强降水阶段，那曲地区雷达回波主要表现为对流较强的积、层混合云，且在降水强度最大时刻出现了较为明显的“牛眼”结构，为强降水的行成、维持提供了有利条件；而在无降水阶段，空中以孤立、分散的对流单体为主，但地面无明显降水；在连续降水阶段，雷达回波以弱积、层混合云为主，且中高空风向出现顺时针旋转，有利于降水的形成、发展，但整体降水强度较小。切变线过程不同阶段降水、雷达回波特征有着显著的区别，本文可以为高原切变线系统的预报提供理论参考。
高原切变线，雷达回波，“牛眼”结构
Radar Echo
“Bull’s Eyes” Structure
1. 引言
青藏高原面积辽阔，占中国领土陆地面积的1/4，平均海拔4000 m以上，天气气候特征独特，对我国极端天气和气候事件具有关键性的影响
[1]
-
[4]
。高原切变线是青藏高原动力和热力作用下近地面层形成的典型气旋式环流系统，通常指500 hPa等压面上长度大于5个经纬度，风向对吹的辐合线，其中点一般在高原主体区域北纬28˚~38˚，东经85˚~105˚以内
[5]
[6]
。
高原切变线的存在有利于产生水汽辐合、上升运动和正涡度，可为强降水的产生与维持提供有利条件。研究表明，高原上40%的暴雨发生和高原横切变线有关
[7]
，高原切变线除影响高原及其临近地区天气外，在有利天气形势影响下也会向下游移动，对中国东部地区及长江流域的天气影响广泛，因此备受气象学者关注
[8]
-
[11]
。
目前，有关切变线的研究则多利用常规数据、再分析数据和卫星数据等，如张硕利用ERA-Interim再分析资料对13个高原横切变线个例进行合成分析表明：高原横切变线在500 hPa上水平尺度近2000 km，垂直厚度近2 km，并随高度向北倾斜，其中向北倾斜的程度在强盛阶段最弱、减弱阶段最强
[12]
。罗雄和李国平利用NCEP-FNL分析资料、FY-2F卫星TBB数据分析得出：切变线附近通常对应TBB < −20℃的云区；随着切变线的发展，TBB值降低，在云区内有多个TBB < −60℃的对流活动中心，对应主要降水期
[13]
。目前，对于高原切变线的雷达观测研究较为缺乏，无法满足实际应用和科学研究的需要。本文利用该试验获取的C波段雷达资料，对西藏那曲地区的一次切变线天气过程的雷达回波特征进行分析研究。
2. 资料与方法
西藏那曲地区位于青藏高原重要降水系统产生的关键区，因此，将切变线的云和降水观测地点选择在该地具有较好的代表性。再者，那曲地处唐古拉山和念青唐古拉山之间，周边地势相对平坦，利于仪器的布放和观测。本文使用的C波段新一代天气雷达(CINRAD/CD)位于那曲气象局(31.48˚N，92.01˚E，海拔高度4507 m)，其可以进行9层体扫探测，观测资料包括反射率因子、径向速度、谱宽等，能够有效分析高原地区切变线降水系统的水平宏观结构特征及演变过程。
<xref></xref>3. 降水情况分析
图1
为8月26日~8月28日那曲地区降水要素时间序列，那曲地区在8月26日18:00至24:00出现了一次强度较大的阵性降水，考虑此段降水在切变线动力作用下，同时受到了白天积累的不稳定能量影响，产生了局地热力对流，因此该时段降水强度变化比较剧烈，降水强度最高达到了7.40 mm/h。而后在28日00:00至8:00又出现了一次连续性降水，降水强度波动较小，但持续时间较长，该时段应为切变线系统单独作用的结果。这两次降水皆发生于晚上，而白天由于太阳辐射，温度露点差增大，并没有云和降水出现。
本文根据8月26日~8月28日那曲地区的降水情况，将此次切变线降水过程共分为三个阶段：第一阶段为26日傍晚~27日凌晨，即阵性降水阶段；第二阶段为27日18时左右，无降水阶段；第三阶段为27日午夜~次日早晨，即连续降水阶段。下面，本文对三个阶段的降水云系雷达回波特征进行分析。
Figure 1
Figure 1. Time series of precipitation elements--图1. 降水要素的时间序列--
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<xref></xref>4. 雷达回波特征分析
4.1. 瞬时强降水阶段
从组合反射率因子回波图上看，2015年8月26日17:45 (
图2(a)
)，受高原北部切变线系统影响，雷达站一二象限范围内出现零星分散的对流单体，其中西北侧对流单体回波较弱，对应径向速度图(
图3(a)
)中明显的逆风区和大风区(风速 > 15 m/s)，而雷达站东北侧82 km、102 km处的对流云系回波较强，其回波强度均超过45 dBz，对应尺度较小的逆风区，并且有消散的趋势。
随后，雷达站东北侧的对流云系向东移动并逐渐减弱消散。高空切变线系统东伸加强，西北侧的对流云团连成一片并向东移动到雷达站以西20~40 km的地点，且回波强度进一步增强(超过40 dBZ)，如
图2(b)
所示。同时，雷达站以西区域出现大面积逆风区，且风速较大(风速超过12 m/s)，该逆风高值区与对流云团的位置相对应(
图3(b)
)。
20:27左右，雷达站上空的对流单体连成一片，云状表现为积状云、层状云混合的形式(
图2(c)
)。雷达站上空遍布层状云系，强对流单体移动到雷达站西北侧15 km~40 km的位置，回波强度大于50 dBZ。同时，径向速度图上(
图3(c)
)，雷达站南侧20 km范围内出现负速度大值区，最大负径向速度中心大于12 m/s，其位置与对流云位置相对应。此外，雷达站东部有正逆风区深入。雷达站西北侧有零星负逆风区出现，但整体强度较小，没有出现明显对流云系。22:50左右(
图2(d)
)，分散的对流单体逐渐合并向南移动，在雷达站南侧呈带状排列，云系分布走向与切变线位置对应，但对流强度有所减弱，对流单体的整合过程与切变线作用相关。在雷达径向速度图上(
图3(d)
)，雷达站西侧出现一对正负速度区，最大径向速度绝对值均大于18 m/s，其结构类似于“牛眼”，说明此处存在中尺度急流。此外，据雷达探测数据显示，1 km左右的负速度大值区表示低层大气以入流为主，而1.5 km以上的正速度大值区标志着在高空出流分量较大，如此高低空流场的配置有利于水汽的辐合上升。23:40过后(图略)，雷达站南侧负速度大值区风速迅速减小，大气上升运动减弱，强对流云系逐渐溃散。
次日00:48 (
图2(e)
)，云体开始向东南方向移动，反射率因子强度小于30 dBZ。同时，雷达站东南方向出现大面积速度正值区，空中辐散作用明显，有利于云体的消散。此外，雷达站东北方向存在风向辐合区，整体强度较弱。根据VWP图(雷达在不同高度上反演得到的风场分布情况) (
图4
)，随高度增加，风向逆转，说明空中存在冷平流，有利于下沉气流的产生，带来相对稳定的天气，说明对流持续减弱，不利于云体维持。至早晨08:00左右，云系彻底消散。
Figure 2
Figure 2. Combined reflectivity factor echoes at different times from August 26 to August 27, 2015 (distance: 100 km)--图2. 2015年8月26日~8月27日不同时刻组合反射率因子回波(距离100 km)--
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Figure 3
Figure 3. Radial velocity echoes at different times from August 26 to August 27, 2015 (elevation 3.4˚, distance 100 km)--图3. 2015年8月26日~8月27日不同时刻径向速度回波(仰角3.4˚，距离100 km)--
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Figure 4
Figure 4. VWP diagram from 23:57 on August 26, 2015 to 00:48 on August 27, 2015--图4. 2015年8月26日23:57~8月27日00:48 VWP图--
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4.2. 无降水阶段
15:00之后(图略)，不稳定能量再次积累，雷达站西南方向75 km位置出现若干孤立的对流单体，但整体范围、强度较小，且逐渐向东移动至雷达站西南方向40 km的位置(
图2(f)
)，反射率因子达到40 dBZ。从径向速度图(
图3(f)
)上看，雷达站西南方50 km的位置出现逆风区，但风速较小，其位置与对流单体相对应。随后，对流云系继续向东北方向移动，强度逐渐减弱，逆风区消失。该时间段由于对流云系整体强度较弱，因此地面并没有明显降水出现。
4.3. 连续降水阶段
27日18:12 (
图2(g)
)，受切变线系统的再次影响，那曲地区大气不稳定能量再一次聚集，水汽不断辐合上升，雷达站东南方向45 km处陆续有对流单体出现，回波强度超过了40 dBZ，同时，在该处有零星逆风区出现，径向速度大于9.3 m/s，说明空中一定范围内存在风切变，表示存在中小尺度的上升下沉气流，有利于水汽的辐合、上升运动(
图3(g)
)。到19:43 (图略)，呈西北–东南走向排列的对流云体出现在雷达站西北方向40 km的位置，其走向与切变线对应，直到21:00 (图略)，对流云系逐渐消散。
28日03:00过后，雷达站上空主要表现为稳定的层状云，回波强度小于30 dBZ (
图2(h)
)，降水强度整体较小。而在径向速度图上(
图3(h)
)，雷达站以东8 km位置出现小范围逆风区，但风速较小，并没有出现明显的对流云系。此刻在VWP图上(
图5
)，低空存在明显的垂直风切变，与径向速度图上的逆风区相对应，同时在1.8 km~5.1 km的中低空，风向随高度呈顺时针转化，表明中高空存在暖平流，有利于不稳定能量不断积蓄，为后续对流运动的发生提供有利条件。
06:22，呈细条状排列的对流单体出现在雷达站北部、东部地区(
图2(i)
)，云底高度1.2 km左右，反射率因子强度超过了35 dBZ，地面出现接近2 mm/h的降水。同时，在径向速度图上(
图3(i)
)再次出现弱的“牛眼”结构，说明低空存在大于9 m/s的强风带，对应高度位于1 km左右处，与对流系统高度相对应。强风带周围常有明显风切变存在，能够为对流系统的发展提供动量、水汽条件。28日07:00之后，对流云系强度减弱，云体消散，降水结束。
Figure 5
Figure 5. VWP diagram from 02:37 to 03:28 on August 28, 2015--图5. 2015年8月28日02：37~ 03:28 VWP图--
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5. 总结
切变线系统是引发高原地区降水的重要天气系统，本文利用C波段新一代天气雷达资料，对那曲地区的一次切变线降水过程进行了分析，主要得到如下结论：
此次切变线影响过程主要可以分为阵型降水阶段、无降水阶段、连续降水阶段。从雷达回波特征上看，在阵型降水阶段，雷达回波主要表现为积层混合云形式，且对流强度较强，径向速度图上存在明显“牛眼”结构，对应地面降水强度较大，但持续时间较短；而在无降水阶段，雷达图上只有若干孤立的对流单体，但整体范围、强度较小，且此时水汽含量较少，因此地面并未出现明显降水；而在连续降水阶段，雷达回波主要变现为对流强度较弱的积、层混合云，对应地面降水强度较小，但持续时间较长，同时，中高空风向呈顺时针旋转，存在暖平流，有利于降水的形成、发展。
基金项目
海军航空大学科研自主立项青年基金项目，项目编号：H3202201015。
NOTES
* 通讯作者。
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