基于多源探測資料的一次廣州局地強對流垂直結構分析

曾琳，張羽，李懷宇，李浩文，高美譚，梁之彥

(廣州市氣象臺, 廣東 廣州 511430)

1 引 言

局地強對流是一種深對流天氣過程，主要包括冰雹、雷暴大風、短時強降水和龍卷等，具有發展迅速、局地性強、天氣劇烈、破壞性大等特點。由于氣象學界對強對流天氣生消物理過程的認識度遠不如其他災害性天氣過程（如寒潮、臺風等）那樣清晰，因此局地強對流的預報準確率相對較低、有效預警能力也略顯不足[1]。

隨著雷達技術的不斷進步，新一代天氣雷達在強對流天氣的預報預警服務中發揮了重要作用，同時也總結了大量揭示不同類型強對流過程形成的機理和演變規律[2-4]。后來偏振多普勒雷達技術不斷發展，Seliga 等[5]提出了通過測量水平和垂直偏振差分反射率（ZDR）來改善降水的估測，之后張貴付[6]提出了差分相位（ΦDP）的測量，并衍生出差分相移率（KDP）。雷達偏振參量的研究和應用可以獲得更多的雨滴譜和粒子相態信息，在提高定量降水估測精度及粒子相態識別等工作中發揮了重要作用[7-9]。傳統多普勒雷達監測范圍廣，但受制于時空分辨率及“低空靜錐區”，對中小尺度天氣系統監測能力不足。

近年來基于城市精細化預報服務發展的實際需求，圍繞氣象業務深化改革，廣州相繼布設了相控陣雷達、激光廓線雷達、微波輻射計、毫米波云雷達等多類型新型遙感探測設備并投入科研和業務應用，實現了高頻次、精細化的立體觀測，為更好地開展局地強對流天氣的研究提供了新的重要技術，同時也為廣州城市精細化預報預警服務提供了更有利的數據支撐。

相控陣天氣雷達利用數字波束形成技術，掃描更為靈活迅速、空間探測精度更高，同時可極大地彌補傳統多普勒雷達在空間分辨率和低空探測盲區方面的不足，具備了快速獲取中小尺度、快變天氣系統詳細信息的能力，在探測天氣系統內部完整、精細的結構上具有極大的優勢。然而X 波段雷達信號相對弱，強降水時受衰減影響會引起較大誤差[10]，因此在業務中將X 波段相控陣雷達與S 波段雙偏振雷達進行優勢互補，能夠更快撲捉到強對流云微物理特征，更精確地探測冰雹、短時強降水、地面大風、龍卷等局地快變、強致災性超級單體的短時演變，有效提高了強對流天氣的短臨預警能力[11-12]。同時，風廓線雷達、微波輻射計、毫米波云雷達等新型探測設備通過遙感探測獲取到超高時空分辨率大氣風速風向、溫度、濕度等垂直廓線和云雨垂直結構，為開展中小尺度強對流結構變化特征研究提供了新的重要手段[13]。風廓線雷達可以獲取全天候的單點大氣連續垂直風場，可用于監測低空急流、短波波動、中氣旋等系統影響下大氣風場的連續精細變化，彌補常規探空站時空分辨率的不足[14-15]。微波輻射計能夠提供連續的垂直大氣層結信息，有利于從溫濕、穩定度等方面進行天氣分析[16-17]。云也是影響降水的一個重要因子，毫米波云雷達不僅能夠獲得云的宏觀微觀結構，還能分析云內微物理過程的演變特征，探測結果可靠，為云的研究提供了良好基礎[18-19]。在實際觀測中，上述新型觀測設備受降水影響明顯，例如降水時微波輻射計天線罩上會形成液態水導致亮溫測值偏高給反演結果帶來較大的系統偏差[20]，風廓線雷達底層探測有效率會減小，但對邊界層中層影響不大[21]。

本文結合各類新型遙感探測設備的優勢，對2021 年9 月廣州一次局地強對流過程的大氣熱力、動力、云物理結構以及局地快變對流云團垂直方向精細化的結構和演變進行了綜合探測分析。

2 數據與方法

本研究主要使用了微波輻射計、廣州邊界層風廓線雷達、激光風廓線雷達、毫米波云雷達、X波段相控陣雷達（XPAR-D）等新型遙感探測資料，以及S 波段雙偏振雷達（CINRAD/SA-D）、常規天氣圖資料（來源于MICAPSE 系統）和地面觀測站資料。其中，微波輻射計采用廣州國家基本氣象站（59287）微波輻射計資料，反演產品來自于自身的神經網絡法和線性/非線性回歸算法。風廓線雷達參考了廣州花都、從化、黃埔、南沙4部風廓線雷達數據，分別位于強對流發生區域的北部、東部和南部。激光廓線雷達位于廣州番禺，是一種小型、全自動、無環境電磁干擾的相干多普勒激光廓線雷達，位于強對流南側約10 km 處。毫米波云雷達位于番禺，工作于Ka波段，可觀測20 km 高度范圍內非降水云、弱降水云、弱降水等氣象目標，并通過反演算法生成云底高、云頂高、云厚、積分云量、云中液態水含量、云粒子相態等二次數據產品。XPAR-D 和CINRAD/SA-D 同位于番禺，兩部雷達相距約3 km，CINRAD/SA-D 探測時空精度為6 min、250 m，XPAR-D 探測時空精度為1 min、30 m。強降水發生在各觀測設備有效探測范圍內且不在觀測站點位置，觀測數據沒有直接受降水影響。

3 天氣實況及大氣環流背景

2021 年9 月10 日，副熱帶高壓主體位于西北太平洋地區，西部西伸至青藏高原以西，我國長江以南至華南地區都處于副熱帶高壓控制范圍；與此同時，“康森”和“燦都”雙臺風分別在南海和西北太平洋洋面上發展（圖1）。廣州受臺風外圍下沉氣流和副高邊緣偏東氣流控制，天氣晴熱高溫為主，全市高溫黃色預警信號持續生效中。

圖1 10日08時天氣圖（500 hPa形勢場、850 hPa風場（單位：℃）、925 hPa風場和露點溫度差（單位：℃））

午后大氣熱力條件有利，廣州中心城區有局地回波生成并快速發展，帶來局地短時強降水、短時大風和強雷電等強對流天氣(圖2)。其中，越秀區梅花村福今路錄得最大累積雨量71 mm，最大小時雨強70.5 mm/h，以及最大陣風27 m/s（10級）。此次過程具有局地性強、發展快、雨強大、地面大風明顯等特征。由于強對流主要影響廣州中心城區并出現在下班高峰期前，因此對下班交通造成了較大影響。

圖2 10日14時30分—17時30分降水(a)和極大風(b)實況

4 基于多源遙感觀測的大氣垂直結構及演變分析

10日08時廣東清遠和香港探空站訂正資料顯示珠三角地區午后大氣能量充沛，具有“上干下濕”的喇叭口層結，有利于對流的發展，但兩個探空站所在區域均未出現明顯降水，強降水主要出現在廣州中西部區域。為了進一步研究該次局地強降水觸發區域局地大氣潛勢條件，本研究利用廣州布設的多源高時空分辨率垂直探測資料，深入分析強降水發生前后的大氣熱力、動力、水汽條件等。

4.1 局地大氣熱力及水汽條件演變特征

微波輻射計資料可研究廣州局地大氣熱力及水汽潛勢變化特征。對比08時廣州微波輻射計與清遠探空站溫度和相對濕度廓線，二者數值上雖有差異，但其垂直變化趨勢一致，說明微波輻射計探測資料可信，且CAPE、LI、SI等關鍵指數顯示廣州局地能量條件明顯優于清遠探空站所在地（圖略）。圖3 給出10 日白天微波輻射計觀測的對流層溫度和邊界層溫度時間序列。T85 為23 ℃，午后近地面溫度超過35 ℃，近地層溫度垂直遞減率大，能量充沛。16時左右降水逐漸趨于明顯，近地面溫度明顯下降，18 時后在邊界層中層出現形成了逆溫層，該逆溫層也導致大氣趨于穩定，抑制對流繼續發展。

圖3 10日08—20時微波輻射計觀測的對流層溫度（a）和邊界層溫度（b）

微波輻射計反演指數能夠更加直觀地表現局地大氣穩定度和能量的變化，黑色虛線表示地面強降水出現時刻（圖4）。抬升指數LI、沙氏指數SI可定性判斷對流層中層的熱力不穩定層結，LI、SI為負且絕對值越大，出現對流天氣的可能性也越大，正值時大氣層結穩定；LI不能反映對流層低層的熱力狀況，SI受日變化的影響相對較??；有效位能CAPE 是一個熱力不穩定參量，可指示氣塊勢能轉化為動能的能量大小，值越大對流發展越強烈。根據結果分析，強降水前，LI值一直呈現下降態勢，16—17 時降至最低點約-15 ℃，SI波動增幅加大且整體呈下降趨勢，同時CAPE 快速增加，大氣不穩定能量明顯增加；對流過程后LI 和CAPE快速響應增大/減小，同時SI 和TTI 也趨于穩定。另外，過程前后水汽條件較差，但綜合水汽含量IWV 在降水前總體呈現上升趨勢，降水前一小時突破強降水IWV 閾值63.32 kg/m2，降水結束后值迅速下降。

圖4 10日08—20時微波輻射計觀測數據反演指數：抬升指數LI、對流有效位能CAPE、沙氏指數SI、總指數TTI、LWP液態水含量、IWV綜合水汽含量

綜合以上，此次局地強對流過程，微波輻射計反演的對流參數在對流發生前表現出不穩定能量增加的趨勢，這種趨勢在對流發生前八小時就已有跡象出現。其中LI、CAPE在降水前后響應都很快，IWV降水后響應較快。

根據高美譚等[22-23]提供的閾值指標（表1），可以進一步分析此次強對流發生前的熱力及水汽條件變化。此次過程在降水前8 小時，LI、CAPE、SI等對流參數就達到并遠遠超過了短時強降水的閾值，而且在臨近降水前，層結仍在往不穩定發展。此次過程層結高度不穩定，過程開始前水汽條件雖然較一般但整體向有利的方向發展。

表1 強天氣參數閾值和無天氣參數常值

4.2 局地大氣動力的垂直結構及其演變特征

利用廣州多部風廓線雷達以及番禺激光廓線測風雷達，可以綜合判斷強對流發生前后廣州局地大氣垂直動力結構的演變。綜合分析多站點風羽圖（圖略），10 日午后廣州上空1～3 km 大致為偏北至偏東風，且在14:00—16:00 期間廣州北部風速明顯加大。1 km 以下北部（從化、花都站）維持偏北風或東北風，中部（黃埔）和南部（番禺、南沙）在14:00 后由南向北逐漸轉受東南到偏南氣流控制，并在廣州中部地區形成輻合，近地層上升運動逐漸加強，同時南部近地層上升運動更加明顯，動力條件有利于強對流發生（圖5a）。同時，垂直空間上風切變的強弱和發展與強天氣過程有著密切的關系[24]，利用風廓線雷達連續輸出的風場中識別強烈的風切變區。圖5b給出廣州邊界層垂直風切變，整體而言強度較弱，最強時段基本為輕度至中等強度范圍，對于大范圍長時間的強對流發展不是非常有利。廣州局地對流發展前，對流層中上層維持著一定的垂直風切變，隨著對流發展，中南部對流層低層垂直風切變也隨之加強；對流減弱階段垂直風切變也自高空向下逐漸減弱。

圖5 黃埔（a）、番禺（b）風廓線雷達：垂直速度（a1、b1），垂直風切變（a2、b2）填色分別表示風速（單位：m/s）和風切變值（單位：s-1）

低空急流指數I 可以更好地研究雨強與低空急流之間的關系，根據低空急流指數I 時序變化（圖6）可以看到黃埔和南沙局地I 無明顯的變化，16:00 前廣州北部從化、花都低空急流指數I 有較明顯的波動，降水開始后I明顯減弱并逐漸趨于穩定，番禺風廓線雷達在15:00—15:30 期間I 出現了時段的脈動，16:00 后伴隨著降水的出現I 也明顯增大，當降水結束后番禺I也減弱至強對流發展前的平均水平。

圖6 黃埔、番禺、從化、花都、南沙低空急流指數與對應站點5 min降雨量（單位：mm）

綜上分析，廣州大氣動力條件有利于局地強對流過程的發生。受副高及臺風外圍環流影響，廣州整層大氣為偏北風，午后南部漸轉偏南風，并在廣州中部地區形成輻合，輻合區及其南部上升氣流逐漸加強；此外對流發生前低空急流指數有所波動，有利于強對流的觸發，尤其在輻合區域強對流觸發條件更為有利。隨著降水結束大氣動力條件趨于穩定。風廓線雷達提供的連續大氣垂直風場能夠很好地顯示出短波波動等天氣系統的連續變化，彌補了廣州高空資料的稀缺，有助于局地強對流發生發展的短臨監測和預警。

5 對流云團的精細結構演變分析

天氣雷達探測資料能夠清楚地展示局地強對流云團的垂直結構和演變特征，本小結將利用廣州CINRAD/SA-D 和番禺XPAR-D 對局地對流云團的發生發展和粒子特征等進行分析。

在回波發展初期（15：40前后），廣州海珠區逐漸有對流單體回波生成并逐漸向西偏北方向發展加強，同時荔灣區附近的回波在向西移動的過程中在其后側（向東）不斷有回波生成，16:00 左右兩個回波合并加強，之后在其東北側開始有新的回波生成西移并與主體回波合并，形成了類似后向傳播的特征，在廣州市區形成東西走向的回波短帶，該回波短帶發展旺盛時，造成了局地短時強降水和雷暴大風天氣。

圖7 給出了CINRAD/SA-D 最大反射率因子CR、最大反射率因子高度DBZM HT、液態含水量VIL、回波頂高TOPS 以及對應站點5 分鐘雨量時間序列。對流云團初始的發展大約從2 km 左右高度開始，之后DBZM HT 和TOPS 都快速上升，最高升至6 km 左右，并維持大約半小時，這一時段地面出現強降水。16:50—16:55 出現了最大5分鐘雨強15.2 mm，對應DBZM HT 的驟降，之后持續維持在較低的水平，但TOPS 仍然維持較高，并繼續維持了近20 分鐘，17:00 前后降水趨于結束，TOPS 明顯下降，對流發展結束。同時CR 和VIL 的變化與降水也有很好的對應關系，降水開始前CR 和VIL 都逐漸上升，并在降水期間較穩定地維持在較高的水平，隨著降水的結束CR 和VIL快速下降。

序列圖反應回波發展旺盛期間CINRAD/SAD 探測DBZM HT 與TOPS 高度基本一致，這是受雷達探測盲區所致，CINRAD/SA-D 最高仰角為19.5 °，在距離雷達18 km 附近區域最大探測高度約為6.3 km，因此無法探測到更大高度回波情況。而毫米波云雷達垂直探測能夠觀測到雷達上空整層云體的垂直結構及發展性質，廣州番禺毫米波云雷達觀測實況可以看到午后局地強對流云團最大發展高度可至15 km 左右，高含水區最高發展至10 km 左右，此次過程在毫米波云雷達上表現出強的對流性，可以與天氣雷達探測數據互為補充（圖略）。

16 時30 分前后，強回波在廣州越秀區、天河區快速發展，對比分析CINRAD/SA-D 1.5 °仰角和XPAR-D 2.4 °仰角16:24—16:36 基本反射率因子變化特征（圖8）。期間CINRAD/SA-D 共有3個觀測時次，16:24 主要回波位于越秀、荔灣區域，天河有小范圍回波發展，16:30 天河回波向西與越秀、荔灣的回波鏈接并繼續發展，16:36 強回波仍然在原地維持，強度略有加強，但受限于觀測密度較低，無法判斷強回波的發展細節與趨勢。XPAR-D 共有12 個觀測時次，廣州中心城區的局地強回波隨環境風場向西南方向移動，在其東北側越秀區域不斷有回波發展，抵消了回波向西移動的分量，形成了“后向傳播”特征，使回波短帶在廣州中心城區滯留，并且強度有所加強。

圖8 16：24—16：36 CINRAD/SA-D逐6分鐘1.5 °仰角(a)和XPAR-D逐1分鐘2.7 °仰角(b)回波反射率因子（單位：dBZ）

此外，CINRAD/SA-D 低仰角反射率因子圖上連續多個時次出現了狹窄的弱回波帶自強回波區逐漸向南移動（圖9），強度為15～20 dBZ，但由于XPAR-D雷達靈敏度較低，對弱回波的探測能力低于CINRAD/SA-D 雷達，該特征在XPAR-D 上并沒有顯示[25]。該回波的出現是由于強烈的下沉氣流導致的冷密度流而表現出的陣風鋒特征。陣風鋒經過的區域容易激發起新的對流發展或激發新生雷暴[26]，但由于當時大氣整體趨向穩定，已經不利于局地強對流的繼續發展，因此該陣風鋒并沒有帶來更大范圍的強對流發展。XPAR-D 低仰角速度圖大風核出現的區域與地面大風有很好的一致性，同時CINRAD/SA-D低仰角陣風鋒也對地面大風有較好的指示意義，二者形成優勢互補。

圖9 16:42—17:18 CINRAD/SA-D 0.5 °仰角反射率因子圖

基于XPAR-D 更加精細的探測數據，進一步詳細分析旺盛階段的各參量特征（圖10）。在對流發展旺盛階段雷雨云團表現出明顯超級單體特征，XPAR-D 速度圖上高仰角存在一個直徑約為3.5 km 的弱中氣旋，平均高度約3.5 km，對應云團4～5 km附近高度質心開始逐漸發展加強，隨著降水的加強質心下落并觸地，ZH最大值超過60 dBZ。中層仰角速度圖位于中氣旋西南側距離雷達北偏西方向約13 km 處1～4 km 高度有明顯的輻合并維持多個時次，有利于云團發展。低層仰角表現出明顯輻散特征，并且徑向風速有所增大，對應區域地面大風加強。0.9 °仰角出現最大-18 m/s 的大風區，高度約0.19 km，之后地面出現8～10級大風實況。

超級單體前側反射率因子低仰角存在入流缺口，對應ZDR低仰角表現形似帶狀分布的ZDR大值區（ZDR?。?，ZDR弧是對流對粒子分選的表現，說明這時段超級單體仍然在持續發展。在ZDR弧后側是KDP大值區，與最大反射率因子一致。KDP大值區的強度和位置都與地面降水強度有很好的對應關系，對應實況當低層KDP值超過7 °/km 時，地面可能出現超過9 mm 的5 min 雨強，其中最大5 min 雨量為15.2 mm。中高仰角ZDR和KDP大值區位置也存在一定的偏差，ZDR大值區基本位于KDP大值區前側風速輻合處，說明該超級單體上升氣流區和主降水區分離，有利于對流發展的維持。另外，在各高度仰角反射率因子圖回波后側都表現出V 型缺口特征，其前側與ZDR大值區或KDP大值中心徑向對應，是由于強回波造成雷達信號衰減所致，V 型缺口的存在也可以輔助判斷最強回波中心所在的位置。

選取超級單體發展最旺盛的一個時刻（16:35）穿過最強中心做剖面（圖11），可以看到最強反射率因子ZH呈斜升狀，超過50 dBZ 的最大高度接近5 km，與之對應位置的KDP剖面上存在強度超過2.4 °/km 的KDP柱，KDP柱以降水粒子為主[27]，其下方與強降水中心位置對應。在KDP柱南側存在形態相似但位置分離的ZDR柱，ZDR柱大于1 dB 的區域延展至5 km 左右高度，最強中心超過4 dB，ZDR柱與上升氣流相關[27]，其內存在著非常大的雨滴粒子，可以較好地判斷雷暴云團的上升增長區域[28]。KDP柱和ZDR柱可以表征降水強度和上升氣流等重要信息，為判斷雷暴云團的發展程度和預警提供重要信息。

圖11 16:35 X波段相控陣雷達ZH(a)、KDP(b)、ZDR(c)垂直剖面

此次局地快變強對流過程的雷達資料清晰地展示出大XPAR-D 在局地快變強對流發展過程中各自的探測優勢和不足，通過優勢互補對不同雷達數據進行融合應用能夠更好地探測和研究局地強對流云團的生消機理和快變特征，提高強對流天氣的短臨預報預警技術。

6 小 結

（1）結合多源高時空分辨率新型遙感探測資料優勢，能夠精細地分析局地強對流過程的大氣熱力、動力以及局地快變對流云團垂直方向精細化的結構和演變，為更好地開展局地強對流天氣的研究提供了新的重要技術，同時也為廣州城市精細化預報預警服務提供了更有利的數據支撐。

（2）微波輻射計能夠詳細地觀測到對流層內溫度濕度的垂直分布變化。強對流前8 小時，局地LI、CAPE、SI 等對流參數就達到并遠遠超過了雷雨大風或者短時強降水的閾值；臨近降水大氣層結仍在往不穩定方向發展，水汽條件向有利的方向發展。降水后近地層出現逆溫層，抑制對流繼續發展。

（3）風廓線雷達能夠提供連續精細的風場信息。午后廣州中心城區附近局地形成風輻合，上升氣流有所加強，低空表現出弱的垂直風切變和低空急流脈動，對強對流發生的動力條件有一定的指示意義。

（4）利用毫米波云雷達能夠直觀地描述云體的回波強度、垂直速度和含水量等觀測實況信息，可以更好地判斷出局地云團結構及發展性質。此次過程在毫米波云雷達上表現出強的對流性，可以與天氣雷達探測數據或為補充。

（5）S 波 段 雙 偏 振 雷 達CR、DBZM HT、TOPS、VIL 等變化與強降水和地面大風的發展有很好的對應關系，同時低層風場觀測到陣風鋒特征；X 波段相控陣雷達更高時空分辨率的探測能夠精細地描繪局地強對流的快變特征，在對流發展旺盛階段也可清晰地觀測到V 型缺口以及ZDR弧、KDP柱、ZDR柱等典型的強對流偏振特征，為判斷雷暴云團的發展程度和預警提供重要信息。