引言

风廓线雷达始于20世纪80年代，它利用多普勒效应获取其上空高时、空分辨率的水平风向、风速等气象要素随高度的变化情况。根据探测高度不同, 将其分为边界层风廓线雷达、对流层风廓线雷达等。风廓线雷达已经在多个国家进行了业务应用, 如美国, 日本, 英国等，一方面是通过资料同化应用在数值天气预报中, 利于精准地定位天气系统^[1]；另外一方面是监测中小尺度强对流天气，详实地描述中小尺度天气系统的演变^[2]。

近十年，国内风廓线雷达应用取得了长足进步。其资料在不同领域内有不同的研究成果。张旭斌等^[3]在质量控制及其资料同化应用方面做了相关的研究，主要目的是为了更好的描述模式初始场特征, 从而对强降水的位置和强度做出更精确的预报。其他学者^[4-8]深化了强对流天气的发生发展机理, 对提高天气预报准确率有明显的促进作用。施红蓉等^[9]应用风廓线雷达资料对降水相态进行细致地观测分析, 主要应用在人工影响天气的业务中。万蓉等^[10-12]对比分析风廓线雷达与探空资料，给出在不同的降雨条件和不同高度上，两种设备观测风速的差异。显然，风廓线雷达对监测中小尺度强对流天气具有很大的优越性，主要是在强对流预报中能够对天气系统的定位，天气系统的移动方向和发展趋势起着不可替代的作用^[13-16]。戴建华等^[17]应用风廓线雷达观测资料对上海一次飑线特征做了细致的分析，提出较大的垂直风切变和风暴相对螺旋度对飑线的维持和发展起重要作用。还有若干学者^[18-20]提出风廓线雷达能够精细的指示高空槽和气旋配合的过境时间；判断低空急流的强弱，分析冷暖平流的分布形势。这些研究主要涉及到北京, 上海，武汉等地区。天津风廓线雷达建立不久，又承担海河流域中心业务，如何将风廓线雷达资料更好的发挥在海河流域中心的强对流监测预报中是当前的重点任务。

2012年7月21-22日海河流域中游的强降水，造成海河流域18座大、中型水库超汛限，强降雨带来的洪涝给海河流域中游造成严重的经济损失，引起社会的广泛关注。

随着新型探测技术的建设，包括风廓线雷达的建立、多普勒天气雷达和自动气象站组网的布设，对开展海河流域局地暴雨的中尺度特征分析已成为可能。本文联合应用5部风廓线雷达资料等对2012年7月21日海河流域强降水天气的中尺度天气特征做细致的观测分析，研究风廓线雷达物理量特征的变化对降水形成和发展的指示意义, 为强降水天气的短时临近预报提供参考依据。

1 资料选取

本文分析资料选自2012年7月21日强降水过程中的5部风廓线雷达资料，分别来自天津的CFl-03型和WP3000型风廓线雷达资料；北京CFl-03型和CFl-08型的风廓线雷达；唐山的风廓线雷达。另外，还选取海河流域多普勒天气雷达组网组合反射率因子资料和组网的区域级自动气象站资料。

2 天气形势和实况分析 2.1 天气形势

2012年7月20日12时(世界时，下同)，500 hPa高度场上中高纬为两脊一槽型、贝加尔湖附近有中心强度为563 dagpm的冷涡中心正在形成；副热带高压稳定少动，其脊线位于28°N附近。海河流域位于副高西北侧的弱高压脊控制下。21日00时，低涡中心的强度为561 dagpm，此时海河流域处于高空槽前西南暖湿气流里，850 hPa上有低涡环流形成并东移，海河流域处于低涡环流前部。22日00时，700高空槽前倾于500 hPa, 此种配制表明大气层结不稳定，上述这种环流形势有利于形成强降水。

地面露点温度的分布与对流有效位能的分布相似，通过分析地面露点温度的变化情况，进而得到不稳定能量的分布特征。21日00时，北京东北部有东北-西南向的露点温度梯度区形成。同时流域东部和西部各有一个大值区域。东部大值区域主要来自渤海，西部区域主要是西南急流带来的水汽。21日03时逐渐形成露点温度梯度区域后，24.0 ℃等露点温度线向西北方向逐渐延伸，由北京的东南部发展到中东部，受东南风的影响，低层增湿明显，说明不稳定能量在增加，降水在此发展和维持。整个强降雨发生时期强降雨范围基本与露点温度的梯度值区域相互对应。21日23时之后露点温度梯度带也迅速向东南方向移动，并且梯度区域逐渐减弱，降雨也随之减弱。

2.2 实况分析

2012年7月21-22日，受上述环流形势的共同影响，海河流域自西南向东北陆续出现了历史罕见的大范围强降雨天气过程，流域平均降水量为60.3 mm，其中大清河、北三河、滦河及海河干流北部出现大暴雨。此次暴雨呈现两个明显特点：雨强大和中尺度雨团活动持续时间长。

2012年7月21日00时-7月22日00时，对选定范围内(112.316°-119.822°E，35.311°-42.815°N)内的3 349个自动雨量站进行了统计分析。自动雨量站中24 h降雨量最大为408.8 mm，出现在北京门头沟的龙泉。24小时过程雨量大于50 mm以上的自动气象站有1 071，占32.0%；雨量大于100 mm以上的自动气象站有590个，占17.6%；大于200 mm以上的有160个自动气象站；大于300 mm以上的有17个；350 mm以上的有5个。逐小时最强雨量为111.3 mm，出现在21日14-15时，位于肖官营镇(河北保定高碑店市)。中尺度雨团活动强度强，持续时间长。

持续时间：逐小时雨量大于50 mm以上的中尺度雨团活动持续了19 h；大于80 mm以上的强中尺度雨团连续持续了8 h。

3 新一代天气雷达回波分析

根据自动气象站资料，并结合海河流域天气雷达组网资料将强降水天气过程分为三个阶段。形成阶段(21日00-02时)、发展维持阶段(21日03-22时)和消散阶段(21日23时以后)。下面分别讨论三个阶段组网雷达资料演变特征。

形成阶段：21日00-02时为形成阶段，此阶段有零散的回波强度为20-25 dBz的弱回波在海河流域西部形成和发展，并逐渐向东北方向移动，移动过程中，回波范围逐渐扩大，强度逐渐增强，先后自西南向东北陆续影响海河流域，对应时段的降水较为平缓。

发展维持阶段：21日03-22时回波处于发展旺盛时期，降水回波形态特征发生了明显变化：由圆形发展为椭圆型回波，并且对应的回波很快加强为带状飑线，强度在50-55 dBz，强降雨先后影响海河流域中游(河北和北京部分地区)。并且强降雨雨团有两个特点：一是强回波很强，降水效率高，产生了最大雨强为111.3 mm·h^-1。二是强回波雨团呈现转向特征, 移动方向先是自西南向东北方向移动，强度在加强发展，原因是它在向着气压低值区的方向移动, 影响了2 h。约04时之后，强降雨云团转向东南方向移动(原来的气压高值区在减弱), 又给相应地区域带来了强的降水天气。

消散阶段：21日23时以后，回波逐渐东移入海并逐渐减弱消散。

4 风廓线雷达资料分析

应用海河流域五部风廓线雷达资料包括延庆、海淀、宝坻、唐山和塘沽(图 1所示)，计算分析了高空风场结构特征及环境动力条件，五部风廓线的空间分布特征基本呈西北-东南向分布。

图 2为五部风廓线雷达所在地自动气象站资料的逐小时降水量分布。可知：整个降雨云团基本维持在21日03-22时期间，自西北向东南影响五个风廓线雷达站。延庆站的降水较其他四站强度小，但维持时间较长，4-11时逐小时降水量均超过10 mm，过程总量达到暴雨级别，为64.9 mm。海淀的降水主要有三个峰值时段：前两次峰值均有短时强降水出现，6-7时为第一个降水峰值，41.9 mm；10-11时逐时降水59.0 mm，在整个过程中最强；17-18时降水再次增强，逐小时雨量最大为18.1 mm；长时间的强降水使得海淀降水总量达到238 mm，为五个站最高。宝坻主要降雨出现在14- 18时，从4.3 mm增大到36.7 mm，且连续3 h逐小时雨量大于20.0 mm。15时唐山出现强降水，其中在19- 20时，1 h降雨量高达74.0 mm，为五个站中最大雨强。此次强降水云团长时间维持北京中部到天津地区，宝坻出现9 h降雨后，距它不足100 km的塘沽才开始出现降水，逐小时雨量为40 mm·h^-1，但只维持了一小时，22时后云团迅速东移减弱，塘沽站的降水也迅速减小并逐渐结束，过程总量58.1 mm，在五个站中最少。

4.1 低空急流与强降水的演变特征

低空急流被认为是强降雨形成及维持的动力条件。图 3为风廓线雷达1 500 m、600 m高度上的风速逐小时变化特征与小时雨量图。

21日04时之前，海淀1 500 m、600 m上无急流出现，两层的风速在持续增大。21日04时海淀风廓线上1 500 m高度出现东南风急流，此时海淀的降水才刚开始，小时降水量不足5.0 mm、5-10时期间1 500 m高度上，风速一直大于12.0 m·s^-1，最大出现在9时，为21.0 m·s^-1的偏南风急流，7时、9-10时海淀均有强降水出现。这表明低空急流的出现意味着降水天气的开始，强低空急流出现表明强降水天气的开始。11- 12时风速下降到12.0 m·s^-1以下，13-14时再次出现21.0 m·s^-1的西南急流，5 h后该地再次出现降水峰值。18时以后转为北风，并且风速加大，降水趋于减弱结束。600 m风速的变化趋势略有不同，在两次强降水出现前风速有所下降。

延庆、宝坻、唐山和塘沽1 500 m高度上风速变化的趋势是相似的，在强降水开始前，风速一致增大。延庆1 500 m高度上，0-4时风速在10.0 m· s^-1上下波动，雨强增到10 m· s^-1前1 h 1 500 m风速增强为12.0 m·s^-1，而600 m风速则略有下降了2 m·s^-1；5时之后1 500 m高度上大于12 m· s^-1的风速间歇出现，最强为14.2 m· s^-1，大于10 m·s^-1的风速维持了约5 h，降水持续时间基本一致。宝坻1 500 m风速最大值为22.0 m·s^-1，出现在14时；1 h后强降水出现峰值。唐山最大值为24.5 m· s^-1，出现在18时，2 h后降水出现峰值。塘沽表现也是一致的。风速减小时，强降水也趋于结束。600 m高度上与1 500 m两层高度上风速变化略有不同，即在强降水发生前1~2 h风速有小幅下降。

从上述分析可以看出，低空急流为强降水提供了水汽。五个站都出现了低空急流，但风速的大小不同。延庆站的风速最小，降水强度也最小，1 500 m高度上12 m·s^-1风速出现在雨强较大的降水前1 h，但大风速并没有持续维持，而是有中断；其他站的降水强度均大于延庆，均出现短时强降水(小时降水量大于20 mm)，风速也大于延庆站(1 500 m上最大风速都超过20.0 m·s^-1)，1 500 m急流至少持续6 h之上，长时间持续的低空急流也意味着降水量较大；600 m风速从最大值向下降的时候有短时强降水的出现；两层偏南风迅速减小1~2 h后降水减弱结束。

4.2 低空急流指数与强降水天气的演变特征

为了更清楚地显示降水强度的变化趋势与低空急流的关系，用2 km以下边界层急流中心的最大风速V(m·s^-1)和12 m·s^-1风速在该小时中的最低位置D (km)的比值定义了一个低空急流指数I=V/D，用它定量的表示低空急流向下扩展程度和风速脉动的强度，并考察它与雨强之间的关系^[2]。

应用五个风廓线雷达资料计算得到的低空急流指数及对应的逐小时雨量分析可知(图 3以海淀、宝坻、唐山为例)，在五个站中延庆、宝坻、唐山和塘沽均有一段集中降水过程，除延庆外，其它4个站均出现了短时强降水。就宝坻、延庆、海淀而言，低空急流指数峰值的出现比强降水天气提前了2~3个小时，唐山低空急流指数基本与强降水峰值时间相互对应。海淀的强降水有三个峰值(14-15时，17-19时，16-18时)，小时最大降水量分布为41.9 mm、59 mm和18.1 mm，低空急流指数也出现了三个峰值，第一次出现峰值的时间是13时，并且降水随着指数的增加而增强。第二次峰值为16时，均比出现强降水时间提前了1~2小时。利用5部风廓线雷达资料计算出来的低空急流指数大小有较大的差距，其中延庆的最小，海淀次之，宝坻和塘沽最大。这与天气形势有关，此外，从公式可知，风廓线的探测的最低高度对计算结果也有较大的影响。低空急流指数对强降水的出现有一定的指示作用，但其数值的大小与雨强并无定量关联。

4.3 全风速、垂直风切变与强降水天气的演变特征

应用风廓线雷达资料计算相对地面的垂直风切变及全风速，分析强降水发生前的环境风场特征，选取海淀和宝坻风廓线资料为例分析。

由图 5a可知, 海淀降水形成前1~2时，2 400- 3 300 m，全风速加大，风切变也增大，从600 m到3 300 m，风切变均大于8×10^-3 m·s^-1；21日3时后整层的风速增大，6时3 000-3 300 m风切变出现强中心；到7时增加最明显的在1 500-2 400 m，并对应强风切变的中心高度下降到1 500-2 400 m，此时海淀出现第一次短时强降水；8-10时强风中心出现在2 200-3 300 m，风切变一致维持较大，但大值中心出现高度有所变化，先上升到2 700 m，后又再次下降到1 500-2 400 m，此时海淀出现第二次短时强降水；11-12时强风中心一致维持在2 700 m以上，而在13时之后整个风速大于21 m·s^-1的区域又下沉到1 500 m上下，16时大风速区出现断裂，一部分维持在1 400 m以上，另一部分出现在近地面层，说明有强冷空气影响地面。

宝坻站(图 5b) 21日6-10时各层的风速较小；10-11时，降水系统邻近，2 500 m以上风速增大；12时大风速区下传到2 000 m，另外在500-1 000 m，全风速也大于18 m·s^-1；13时，2 500 m以下到500 m全风速继续增大到21 m·s^-1以上；14时3 500-4 500 m风速为27~30 m·s^-1，强降水开始，15-16时全风速在2 000 m和3 200 m以上较大，而在其中间为低值区；之后底层风速明显减小，降水趋于结束。风速明显增大与强降水开始时间对应，之后底层(1 500 m以下)风速迅速减小，高层也随之减小，强降水结束。垂直风切变也有类似的特征。7时3 200-4 500 m的垂直风切变开始增大为20 m · s^-1；8时300 m以上都大于20 m · s^-1，13时2 500 m高度上出现了整个过程中最大的垂直风切变30 m· s^-1，2h后强降水开始；15时低层风切变减小，风切变大值在1 500-2 500 m，17-18时，3 500 m以下风切变迅速减小，降水也由20 m· s^-1以上下降到10 m· s^-1左右。

总体来说在降水开始前，中层(2 500-3 300 m)的风速和风切变首先开始增大，之后大风速区扩散到低层(1 000 m以下)，风切变中心由中层下降到中低层说明有短时强降水出现，中低层风速和风切变的减小意味着强降水减小，近底层出现大风速区及强风切则说明有强冷空气影响，降水趋于结束。

5 结果和讨论

(1) 2012年7月21-22日海河流域降水天气表现出明显的中尺度天气特征：小时雨强强，逐小时最强雨量为111.3 mm，持续时间长。逐小时雨量大于50 mm以上的中尺度雨团活动持续了19 h；大于80 mm以上的强中尺度雨团连续持续了8 h。灾害严重，强降雨带来的洪涝给海河流域中游造成严重的经济损失。

(2) 低空急流为强降水提供了水汽，长时间持续的低空急流意味着降水量较大，600 m风速从最大值向下降的时候有短时强降水出现，偏南风迅速减小1~2小时后降水减弱结束。

(3) 低空急流指数对短时强降水的峰值出现有一定的指示作用，低空急流指数的快速增加意味着强降水将要开始(1~2 h后强降水开始)。

(4) 垂直风切变对短时强降水的形成具有参考价值。在降水开始前，中层(2 500-3 300 m)的风速和风切变首先开始增大，之后大风速区扩散到低层(1 000 m以下)，风切变中心由中层下降到中低层说明有短时强降水出现，中低层风速和风切变的减小意味着强降水减弱，近底层出现大风速区及强风区则说明有强冷空气影响，降水趋于结束。以上结果在强降水短时预报中具有使用价值。