基于多源探测资料的一次广州局地强对流垂直结构分析

曾琳，张羽，李怀宇，李浩文，高美谭，梁之彦

(广州市气象台, 广东 广州 511430)

1 引 言

局地强对流是一种深对流天气过程，主要包括冰雹、雷暴大风、短时强降水和龙卷等，具有发展迅速、局地性强、天气剧烈、破坏性大等特点。由于气象学界对强对流天气生消物理过程的认识度远不如其他灾害性天气过程（如寒潮、台风等）那样清晰，因此局地强对流的预报准确率相对较低、有效预警能力也略显不足[1]。

随着雷达技术的不断进步，新一代天气雷达在强对流天气的预报预警服务中发挥了重要作用，同时也总结了大量揭示不同类型强对流过程形成的机理和演变规律[2-4]。后来偏振多普勒雷达技术不断发展，Seliga 等[5]提出了通过测量水平和垂直偏振差分反射率（ZDR）来改善降水的估测，之后张贵付[6]提出了差分相位（ΦDP）的测量，并衍生出差分相移率（KDP）。雷达偏振参量的研究和应用可以获得更多的雨滴谱和粒子相态信息，在提高定量降水估测精度及粒子相态识别等工作中发挥了重要作用[7-9]。传统多普勒雷达监测范围广，但受制于时空分辨率及“低空静锥区”，对中小尺度天气系统监测能力不足。

近年来基于城市精细化预报服务发展的实际需求，围绕气象业务深化改革，广州相继布设了相控阵雷达、激光廓线雷达、微波辐射计、毫米波云雷达等多类型新型遥感探测设备并投入科研和业务应用，实现了高频次、精细化的立体观测，为更好地开展局地强对流天气的研究提供了新的重要技术，同时也为广州城市精细化预报预警服务提供了更有利的数据支撑。

相控阵天气雷达利用数字波束形成技术，扫描更为灵活迅速、空间探测精度更高，同时可极大地弥补传统多普勒雷达在空间分辨率和低空探测盲区方面的不足，具备了快速获取中小尺度、快变天气系统详细信息的能力，在探测天气系统内部完整、精细的结构上具有极大的优势。然而X 波段雷达信号相对弱，强降水时受衰减影响会引起较大误差[10]，因此在业务中将X 波段相控阵雷达与S 波段双偏振雷达进行优势互补，能够更快扑捉到强对流云微物理特征，更精确地探测冰雹、短时强降水、地面大风、龙卷等局地快变、强致灾性超级单体的短时演变，有效提高了强对流天气的短临预警能力[11-12]。同时，风廓线雷达、微波辐射计、毫米波云雷达等新型探测设备通过遥感探测获取到超高时空分辨率大气风速风向、温度、湿度等垂直廓线和云雨垂直结构，为开展中小尺度强对流结构变化特征研究提供了新的重要手段[13]。风廓线雷达可以获取全天候的单点大气连续垂直风场，可用于监测低空急流、短波波动、中气旋等系统影响下大气风场的连续精细变化，弥补常规探空站时空分辨率的不足[14-15]。微波辐射计能够提供连续的垂直大气层结信息，有利于从温湿、稳定度等方面进行天气分析[16-17]。云也是影响降水的一个重要因子，毫米波云雷达不仅能够获得云的宏观微观结构，还能分析云内微物理过程的演变特征，探测结果可靠，为云的研究提供了良好基础[18-19]。在实际观测中，上述新型观测设备受降水影响明显，例如降水时微波辐射计天线罩上会形成液态水导致亮温测值偏高给反演结果带来较大的系统偏差[20]，风廓线雷达底层探测有效率会减小，但对边界层中层影响不大[21]。

本文结合各类新型遥感探测设备的优势，对2021 年9 月广州一次局地强对流过程的大气热力、动力、云物理结构以及局地快变对流云团垂直方向精细化的结构和演变进行了综合探测分析。

2 数据与方法

本研究主要使用了微波辐射计、广州边界层风廓线雷达、激光风廓线雷达、毫米波云雷达、X波段相控阵雷达（XPAR-D）等新型遥感探测资料，以及S 波段双偏振雷达（CINRAD/SA-D）、常规天气图资料（来源于MICAPSE 系统）和地面观测站资料。其中，微波辐射计采用广州国家基本气象站（59287）微波辐射计资料，反演产品来自于自身的神经网络法和线性/非线性回归算法。风廓线雷达参考了广州花都、从化、黄埔、南沙4部风廓线雷达数据，分别位于强对流发生区域的北部、东部和南部。激光廓线雷达位于广州番禺，是一种小型、全自动、无环境电磁干扰的相干多普勒激光廓线雷达，位于强对流南侧约10 km 处。毫米波云雷达位于番禺，工作于Ka波段，可观测20 km 高度范围内非降水云、弱降水云、弱降水等气象目标，并通过反演算法生成云底高、云顶高、云厚、积分云量、云中液态水含量、云粒子相态等二次数据产品。XPAR-D 和CINRAD/SA-D 同位于番禺，两部雷达相距约3 km，CINRAD/SA-D 探测时空精度为6 min、250 m，XPAR-D 探测时空精度为1 min、30 m。强降水发生在各观测设备有效探测范围内且不在观测站点位置，观测数据没有直接受降水影响。

3 天气实况及大气环流背景

2021 年9 月10 日，副热带高压主体位于西北太平洋地区，西部西伸至青藏高原以西，我国长江以南至华南地区都处于副热带高压控制范围；与此同时，“康森”和“灿都”双台风分别在南海和西北太平洋洋面上发展（图1）。广州受台风外围下沉气流和副高边缘偏东气流控制，天气晴热高温为主，全市高温黄色预警信号持续生效中。

图1 10日08时天气图（500 hPa形势场、850 hPa风场（单位：℃）、925 hPa风场和露点温度差（单位：℃））

午后大气热力条件有利，广州中心城区有局地回波生成并快速发展，带来局地短时强降水、短时大风和强雷电等强对流天气(图2)。其中，越秀区梅花村福今路录得最大累积雨量71 mm，最大小时雨强70.5 mm/h，以及最大阵风27 m/s（10级）。此次过程具有局地性强、发展快、雨强大、地面大风明显等特征。由于强对流主要影响广州中心城区并出现在下班高峰期前，因此对下班交通造成了较大影响。

图2 10日14时30分—17时30分降水(a)和极大风(b)实况

4 基于多源遥感观测的大气垂直结构及演变分析

10日08时广东清远和香港探空站订正资料显示珠三角地区午后大气能量充沛，具有“上干下湿”的喇叭口层结，有利于对流的发展，但两个探空站所在区域均未出现明显降水，强降水主要出现在广州中西部区域。为了进一步研究该次局地强降水触发区域局地大气潜势条件，本研究利用广州布设的多源高时空分辨率垂直探测资料，深入分析强降水发生前后的大气热力、动力、水汽条件等。

4.1 局地大气热力及水汽条件演变特征

微波辐射计资料可研究广州局地大气热力及水汽潜势变化特征。对比08时广州微波辐射计与清远探空站温度和相对湿度廓线，二者数值上虽有差异，但其垂直变化趋势一致，说明微波辐射计探测资料可信，且CAPE、LI、SI等关键指数显示广州局地能量条件明显优于清远探空站所在地（图略）。图3 给出10 日白天微波辐射计观测的对流层温度和边界层温度时间序列。T85 为23 ℃，午后近地面温度超过35 ℃，近地层温度垂直递减率大，能量充沛。16时左右降水逐渐趋于明显，近地面温度明显下降，18 时后在边界层中层出现形成了逆温层，该逆温层也导致大气趋于稳定，抑制对流继续发展。

图3 10日08—20时微波辐射计观测的对流层温度（a）和边界层温度（b）

微波辐射计反演指数能够更加直观地表现局地大气稳定度和能量的变化，黑色虚线表示地面强降水出现时刻（图4）。抬升指数LI、沙氏指数SI可定性判断对流层中层的热力不稳定层结，LI、SI为负且绝对值越大，出现对流天气的可能性也越大，正值时大气层结稳定；LI不能反映对流层低层的热力状况，SI受日变化的影响相对较小；有效位能CAPE 是一个热力不稳定参量，可指示气块势能转化为动能的能量大小，值越大对流发展越强烈。根据结果分析，强降水前，LI值一直呈现下降态势，16—17 时降至最低点约-15 ℃，SI波动增幅加大且整体呈下降趋势，同时CAPE 快速增加，大气不稳定能量明显增加；对流过程后LI 和CAPE快速响应增大/减小，同时SI 和TTI 也趋于稳定。另外，过程前后水汽条件较差，但综合水汽含量IWV 在降水前总体呈现上升趋势，降水前一小时突破强降水IWV 阈值63.32 kg/m2，降水结束后值迅速下降。

图4 10日08—20时微波辐射计观测数据反演指数：抬升指数LI、对流有效位能CAPE、沙氏指数SI、总指数TTI、LWP液态水含量、IWV综合水汽含量

综合以上，此次局地强对流过程，微波辐射计反演的对流参数在对流发生前表现出不稳定能量增加的趋势，这种趋势在对流发生前八小时就已有迹象出现。其中LI、CAPE在降水前后响应都很快，IWV降水后响应较快。

根据高美谭等[22-23]提供的阈值指标（表1），可以进一步分析此次强对流发生前的热力及水汽条件变化。此次过程在降水前8 小时，LI、CAPE、SI等对流参数就达到并远远超过了短时强降水的阈值，而且在临近降水前，层结仍在往不稳定发展。此次过程层结高度不稳定，过程开始前水汽条件虽然较一般但整体向有利的方向发展。

表1 强天气参数阈值和无天气参数常值

4.2 局地大气动力的垂直结构及其演变特征

利用广州多部风廓线雷达以及番禺激光廓线测风雷达，可以综合判断强对流发生前后广州局地大气垂直动力结构的演变。综合分析多站点风羽图（图略），10 日午后广州上空1～3 km 大致为偏北至偏东风，且在14:00—16:00 期间广州北部风速明显加大。1 km 以下北部（从化、花都站）维持偏北风或东北风，中部（黄埔）和南部（番禺、南沙）在14:00 后由南向北逐渐转受东南到偏南气流控制，并在广州中部地区形成辐合，近地层上升运动逐渐加强，同时南部近地层上升运动更加明显，动力条件有利于强对流发生（图5a）。同时，垂直空间上风切变的强弱和发展与强天气过程有着密切的关系[24]，利用风廓线雷达连续输出的风场中识别强烈的风切变区。图5b给出广州边界层垂直风切变，整体而言强度较弱，最强时段基本为轻度至中等强度范围，对于大范围长时间的强对流发展不是非常有利。广州局地对流发展前，对流层中上层维持着一定的垂直风切变，随着对流发展，中南部对流层低层垂直风切变也随之加强；对流减弱阶段垂直风切变也自高空向下逐渐减弱。

图5 黄埔（a）、番禺（b）风廓线雷达：垂直速度（a1、b1），垂直风切变（a2、b2）填色分别表示风速（单位：m/s）和风切变值（单位：s-1）

低空急流指数I 可以更好地研究雨强与低空急流之间的关系，根据低空急流指数I 时序变化（图6）可以看到黄埔和南沙局地I 无明显的变化，16:00 前广州北部从化、花都低空急流指数I 有较明显的波动，降水开始后I明显减弱并逐渐趋于稳定，番禺风廓线雷达在15:00—15:30 期间I 出现了时段的脉动，16:00 后伴随着降水的出现I 也明显增大，当降水结束后番禺I也减弱至强对流发展前的平均水平。

图6 黄埔、番禺、从化、花都、南沙低空急流指数与对应站点5 min降雨量（单位：mm）

综上分析，广州大气动力条件有利于局地强对流过程的发生。受副高及台风外围环流影响，广州整层大气为偏北风，午后南部渐转偏南风，并在广州中部地区形成辐合，辐合区及其南部上升气流逐渐加强；此外对流发生前低空急流指数有所波动，有利于强对流的触发，尤其在辐合区域强对流触发条件更为有利。随着降水结束大气动力条件趋于稳定。风廓线雷达提供的连续大气垂直风场能够很好地显示出短波波动等天气系统的连续变化，弥补了广州高空资料的稀缺，有助于局地强对流发生发展的短临监测和预警。

5 对流云团的精细结构演变分析

天气雷达探测资料能够清楚地展示局地强对流云团的垂直结构和演变特征，本小结将利用广州CINRAD/SA-D 和番禺XPAR-D 对局地对流云团的发生发展和粒子特征等进行分析。

在回波发展初期（15：40前后），广州海珠区逐渐有对流单体回波生成并逐渐向西偏北方向发展加强，同时荔湾区附近的回波在向西移动的过程中在其后侧（向东）不断有回波生成，16:00 左右两个回波合并加强，之后在其东北侧开始有新的回波生成西移并与主体回波合并，形成了类似后向传播的特征，在广州市区形成东西走向的回波短带，该回波短带发展旺盛时，造成了局地短时强降水和雷暴大风天气。

图7 给出了CINRAD/SA-D 最大反射率因子CR、最大反射率因子高度DBZM HT、液态含水量VIL、回波顶高TOPS 以及对应站点5 分钟雨量时间序列。对流云团初始的发展大约从2 km 左右高度开始，之后DBZM HT 和TOPS 都快速上升，最高升至6 km 左右，并维持大约半小时，这一时段地面出现强降水。16:50—16:55 出现了最大5分钟雨强15.2 mm，对应DBZM HT 的骤降，之后持续维持在较低的水平，但TOPS 仍然维持较高，并继续维持了近20 分钟，17:00 前后降水趋于结束，TOPS 明显下降，对流发展结束。同时CR 和VIL 的变化与降水也有很好的对应关系，降水开始前CR 和VIL 都逐渐上升，并在降水期间较稳定地维持在较高的水平，随着降水的结束CR 和VIL快速下降。

序列图反应回波发展旺盛期间CINRAD/SAD 探测DBZM HT 与TOPS 高度基本一致，这是受雷达探测盲区所致，CINRAD/SA-D 最高仰角为19.5 °，在距离雷达18 km 附近区域最大探测高度约为6.3 km，因此无法探测到更大高度回波情况。而毫米波云雷达垂直探测能够观测到雷达上空整层云体的垂直结构及发展性质，广州番禺毫米波云雷达观测实况可以看到午后局地强对流云团最大发展高度可至15 km 左右，高含水区最高发展至10 km 左右，此次过程在毫米波云雷达上表现出强的对流性，可以与天气雷达探测数据互为补充（图略）。

16 时30 分前后，强回波在广州越秀区、天河区快速发展，对比分析CINRAD/SA-D 1.5 °仰角和XPAR-D 2.4 °仰角16:24—16:36 基本反射率因子变化特征（图8）。期间CINRAD/SA-D 共有3个观测时次，16:24 主要回波位于越秀、荔湾区域，天河有小范围回波发展，16:30 天河回波向西与越秀、荔湾的回波链接并继续发展，16:36 强回波仍然在原地维持，强度略有加强，但受限于观测密度较低，无法判断强回波的发展细节与趋势。XPAR-D 共有12 个观测时次，广州中心城区的局地强回波随环境风场向西南方向移动，在其东北侧越秀区域不断有回波发展，抵消了回波向西移动的分量，形成了“后向传播”特征，使回波短带在广州中心城区滞留，并且强度有所加强。

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

此外，CINRAD/SA-D 低仰角反射率因子图上连续多个时次出现了狭窄的弱回波带自强回波区逐渐向南移动（图9），强度为15～20 dBZ，但由于XPAR-D雷达灵敏度较低，对弱回波的探测能力低于CINRAD/SA-D 雷达，该特征在XPAR-D 上并没有显示[25]。该回波的出现是由于强烈的下沉气流导致的冷密度流而表现出的阵风锋特征。阵风锋经过的区域容易激发起新的对流发展或激发新生雷暴[26]，但由于当时大气整体趋向稳定，已经不利于局地强对流的继续发展，因此该阵风锋并没有带来更大范围的强对流发展。XPAR-D 低仰角速度图大风核出现的区域与地面大风有很好的一致性，同时CINRAD/SA-D低仰角阵风锋也对地面大风有较好的指示意义，二者形成优势互补。

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

基于XPAR-D 更加精细的探测数据，进一步详细分析旺盛阶段的各参量特征（图10）。在对流发展旺盛阶段雷雨云团表现出明显超级单体特征，XPAR-D 速度图上高仰角存在一个直径约为3.5 km 的弱中气旋，平均高度约3.5 km，对应云团4～5 km附近高度质心开始逐渐发展加强，随着降水的加强质心下落并触地，ZH最大值超过60 dBZ。中层仰角速度图位于中气旋西南侧距离雷达北偏西方向约13 km 处1～4 km 高度有明显的辐合并维持多个时次，有利于云团发展。低层仰角表现出明显辐散特征，并且径向风速有所增大，对应区域地面大风加强。0.9 °仰角出现最大-18 m/s 的大风区，高度约0.19 km，之后地面出现8～10级大风实况。

超级单体前侧反射率因子低仰角存在入流缺口，对应ZDR低仰角表现形似带状分布的ZDR大值区（ZDR弧），ZDR弧是对流对粒子分选的表现，说明这时段超级单体仍然在持续发展。在ZDR弧后侧是KDP大值区，与最大反射率因子一致。KDP大值区的强度和位置都与地面降水强度有很好的对应关系，对应实况当低层KDP值超过7 °/km 时，地面可能出现超过9 mm 的5 min 雨强，其中最大5 min 雨量为15.2 mm。中高仰角ZDR和KDP大值区位置也存在一定的偏差，ZDR大值区基本位于KDP大值区前侧风速辐合处，说明该超级单体上升气流区和主降水区分离，有利于对流发展的维持。另外，在各高度仰角反射率因子图回波后侧都表现出V 型缺口特征，其前侧与ZDR大值区或KDP大值中心径向对应，是由于强回波造成雷达信号衰减所致，V 型缺口的存在也可以辅助判断最强回波中心所在的位置。

选取超级单体发展最旺盛的一个时刻（16:35）穿过最强中心做剖面（图11），可以看到最强反射率因子ZH呈斜升状，超过50 dBZ 的最大高度接近5 km，与之对应位置的KDP剖面上存在强度超过2.4 °/km 的KDP柱，KDP柱以降水粒子为主[27]，其下方与强降水中心位置对应。在KDP柱南侧存在形态相似但位置分离的ZDR柱，ZDR柱大于1 dB 的区域延展至5 km 左右高度，最强中心超过4 dB，ZDR柱与上升气流相关[27]，其内存在着非常大的雨滴粒子，可以较好地判断雷暴云团的上升增长区域[28]。KDP柱和ZDR柱可以表征降水强度和上升气流等重要信息，为判断雷暴云团的发展程度和预警提供重要信息。

图11 16:35 X波段相控阵雷达ZH(a)、KDP(b)、ZDR(c)垂直剖面

此次局地快变强对流过程的雷达资料清晰地展示出大XPAR-D 在局地快变强对流发展过程中各自的探测优势和不足，通过优势互补对不同雷达数据进行融合应用能够更好地探测和研究局地强对流云团的生消机理和快变特征，提高强对流天气的短临预报预警技术。

6 小 结

（1）结合多源高时空分辨率新型遥感探测资料优势，能够精细地分析局地强对流过程的大气热力、动力以及局地快变对流云团垂直方向精细化的结构和演变，为更好地开展局地强对流天气的研究提供了新的重要技术，同时也为广州城市精细化预报预警服务提供了更有利的数据支撑。

（2）微波辐射计能够详细地观测到对流层内温度湿度的垂直分布变化。强对流前8 小时，局地LI、CAPE、SI 等对流参数就达到并远远超过了雷雨大风或者短时强降水的阈值；临近降水大气层结仍在往不稳定方向发展，水汽条件向有利的方向发展。降水后近地层出现逆温层，抑制对流继续发展。

（3）风廓线雷达能够提供连续精细的风场信息。午后广州中心城区附近局地形成风辐合，上升气流有所加强，低空表现出弱的垂直风切变和低空急流脉动，对强对流发生的动力条件有一定的指示意义。

（4）利用毫米波云雷达能够直观地描述云体的回波强度、垂直速度和含水量等观测实况信息，可以更好地判断出局地云团结构及发展性质。此次过程在毫米波云雷达上表现出强的对流性，可以与天气雷达探测数据或为补充。

（5）S 波 段 双 偏 振 雷 达CR、DBZM HT、TOPS、VIL 等变化与强降水和地面大风的发展有很好的对应关系，同时低层风场观测到阵风锋特征；X 波段相控阵雷达更高时空分辨率的探测能够精细地描绘局地强对流的快变特征，在对流发展旺盛阶段也可清晰地观测到V 型缺口以及ZDR弧、KDP柱、ZDR柱等典型的强对流偏振特征，为判断雷暴云团的发展程度和预警提供重要信息。