邱粲，王棟成，李娟，曹潔，董旭光

(山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031)

風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)垂直速度與地面降雨關(guān)系研究：以濟(jì)南為例

邱粲，王棟成，李娟，曹潔，董旭光

(山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031)

基于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的垂直速度資料和地面氣象觀測(cè)站2014年分鐘降雨記錄，采用多項(xiàng)式非線(xiàn)性擬合方法，探討了各季節(jié)特征高度層垂直速度與地面降雨之間的相關(guān)關(guān)系；并根據(jù)場(chǎng)次降雨過(guò)程的分鐘數(shù)據(jù)分析了垂直速度閾值對(duì)降雨開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間以及降雨強(qiáng)度的指示性。結(jié)果表明，垂直速度能夠反映雨滴的下落速度特征，綜合各個(gè)高度層來(lái)看，700 m高度層垂直速度與小時(shí)雨量回歸方程擬合優(yōu)度較為穩(wěn)定，其他高度層在不同季節(jié)擬合優(yōu)度差別略大；垂直速度的大小雖不能完全定量地預(yù)報(bào)降雨強(qiáng)度，但對(duì)于整個(gè)過(guò)程的雨強(qiáng)波動(dòng)變化有著明顯的指示性作用，700 m高度層垂直速度對(duì)于降雨的預(yù)報(bào)指示效果最為穩(wěn)定。垂直速度對(duì)降水的指示性可用于災(zāi)害性天氣，如暴雨、冰雹、降雪等的預(yù)警及臨近預(yù)報(bào)，其閾值的確定受降水相態(tài)、降水類(lèi)型、氣溫、濕度、湍流等影響，且并非唯一指標(biāo)。

風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)； 垂直速度； 擬合

引言

風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)能夠?qū)Υ髿獯怪狈较蛏系娘L(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，連續(xù)獲取測(cè)站上空高時(shí)空分辨率的垂直風(fēng)廓線(xiàn)資料，可以有效補(bǔ)充探空數(shù)據(jù)的不足[1-3]。雖然風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)是為晴空設(shè)計(jì)的，但在降水時(shí)段，其觀測(cè)的垂直速度值是垂直風(fēng)速和降水粒子垂直下降速度的復(fù)合值，而且在很大程度上反映的是后者。高時(shí)空分辨率的觀測(cè)資料能夠很好地監(jiān)測(cè)低空急流的出現(xiàn)[4]，因此，可以利用垂直速度出現(xiàn)的高度、速度值、時(shí)空變化特征等輔助判斷降雨的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間及降雨的強(qiáng)度，甚至還可以利用降雨前后的垂直速度變化情況，設(shè)置不同高度層、不同季節(jié)的垂直速度閾值，用以輔助預(yù)報(bào)暴雨等災(zāi)害性天氣的發(fā)生。王令等[5]在對(duì)北京風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)垂直速度應(yīng)用的研究中發(fā)現(xiàn)，晴空、降水以及不同相態(tài)、不同強(qiáng)度的降水在發(fā)生時(shí)垂直速度有著明顯不同的變化范圍，晴空時(shí)垂直速度在-1.0～0.7 m·s-1之間，毛毛雨、小雨、暴雨和冰雹發(fā)生時(shí)垂直速度變化范圍分別為0.8～2.0 m·s-1、2.1～4.0 m·s-1、4.1～8.0 m·s-1以及≥8.1 m·s-1。胡明寶等[6]認(rèn)為晴天時(shí)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)垂直速度在1.0 m·s-1以下，在低層連續(xù)數(shù)個(gè)高度層的垂直速度都大于4.0 m·s-1時(shí)，可以判定地面有降雨發(fā)生。古月和王令[7]針對(duì)北京延慶風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)資料的應(yīng)用研究指出垂直速度小于1.0 m·s-1時(shí)基本無(wú)降水，在1.0～4.0 m·s-1之間時(shí)，降水量變化不大，大于4.0 m·s-1時(shí)，降水強(qiáng)度隨垂直速度的增大呈波動(dòng)增強(qiáng)的趨勢(shì)。本文以濟(jì)南為例，采用2014年風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)和地面降雨資料對(duì)垂直速度和地面降雨的關(guān)系進(jìn)行了研究和探討。

1 資料和研究方法

1.1 資料來(lái)源

本文所用垂直速度來(lái)自濟(jì)南(章丘)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)站數(shù)據(jù)產(chǎn)品ROBS、OOBS文件，測(cè)站位于(117°33′E，36°41′N(xiāo))，海拔高度為121.8 m。雷達(dá)型號(hào)為CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)，主要技術(shù)指標(biāo)為：時(shí)間分辨率≤6 min，最低探測(cè)高度≤100 m、最高探測(cè)高度≥3 km，高、低模式分辨率分別為60/120 m、30/60 m，垂直速度測(cè)量范圍±20 m·s-1，風(fēng)速測(cè)量精度≤1.5 m·s-1(RMS)，徑向速度分辨率≤0.2 m·s-1。垂直速度數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)一致性平均質(zhì)量控制、時(shí)空連續(xù)性檢驗(yàn)。

所采用的地面降雨量數(shù)據(jù)來(lái)自章丘國(guó)家基本氣象站分鐘降雨記錄，觀測(cè)場(chǎng)經(jīng)緯度、海拔高度均與風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)一致。分鐘降雨數(shù)據(jù)觀測(cè)儀器2014年10月30日前為雙翻斗遙測(cè)雨量傳感器(SL3-1型，測(cè)量精度0.1 mm)，之后為稱(chēng)重降水傳感器(DSC1型，測(cè)量精度0.1 mm)。所使用的降雨分鐘數(shù)據(jù)已通過(guò)自動(dòng)質(zhì)量控制和人工審核。

垂直速度有下沉速度和上升速度，定義下沉速度為正，上升速度為負(fù)。在進(jìn)行降雨過(guò)程垂直速度時(shí)空分布分析時(shí)，采用自100～2 980 m各觀測(cè)高度層的逐6 min垂直速度數(shù)據(jù)；在進(jìn)行降雨量-垂直速度相關(guān)分析時(shí)，考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量、近地面層干擾和天氣預(yù)報(bào)使用習(xí)慣，選取風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)距地面280 m、925 hPa(高度為700～900 m)、850 hPa(高度為1 400～1 600 m)和700 hPa(高度為2 900～3 100 m)[8-9]的垂直速度信息，時(shí)間分辨率為1 h和6 min，詳見(jiàn)表1。

表1資料(2014年)詳細(xì)信息表

Table 1 Detailed information of data (2014)

站點(diǎn)氣象要素高度層數(shù)據(jù)獲取方式風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)站垂直速度100～2980m數(shù)據(jù)產(chǎn)品ROBS、OOBS文件國(guó)家基本氣象站降雨量地面地面氣象記錄分鐘降雨量

1.2 研究方法

多項(xiàng)式分布是最常用的擬合曲線(xiàn)分布形式之一，屬于一元高階非線(xiàn)性分布，能夠逼近任意連續(xù)可到母體[10]。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，若連續(xù)函數(shù)f(x)在x=x0的某一鄰域內(nèi)具有直到(n+1)階的導(dǎo)數(shù)，則函數(shù)f(x)在x=x0處可展開(kāi)為n階的Taylor級(jí)數(shù)形式[11]：

(1)

其中ξ是x與x0之間的某個(gè)值。這說(shuō)明任意連續(xù)的在x=x0鄰域內(nèi)具有(n+1)階導(dǎo)數(shù)的函數(shù)均可以簡(jiǎn)化為多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá)式形式：

y=β0+β1x+β2x2+…+βpxp+ε

(2)

多項(xiàng)式擬合是對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的普適擬合方法，適用于任意母體規(guī)律存在的樣本數(shù)據(jù)回歸分析過(guò)程[10-11]。

觀測(cè)數(shù)據(jù)總的離差平方和可分解為回歸平方和與殘差平方和兩部分，殘差平方和表征著擬合值與估計(jì)值之間的偏離程度，若回歸方程能夠完全擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)，則殘差平方和為零。因此，殘差平方和在總離差中所占比重越小，說(shuō)明擬合效果越好，回歸方程越逼近母體分布函數(shù)[10]。采用R檢驗(yàn)方法，又稱(chēng)擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，對(duì)回歸方程的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，R為復(fù)相關(guān)系數(shù)，R2稱(chēng)為方程的確定性系數(shù)：

(3)

(4)

式中：n表示樣本個(gè)數(shù)；p表示自變量數(shù)目。

在確定擬合函數(shù)前，首先對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布圖進(jìn)行觀察，并用不同數(shù)學(xué)函數(shù)形式進(jìn)行擬合，對(duì)比確定性系數(shù)的大小，發(fā)現(xiàn)四次多項(xiàng)式擬合曲線(xiàn)更為符合實(shí)際數(shù)據(jù)分布特征，最終確定采用四次多項(xiàng)式擬合方法計(jì)算280 m、700 m、1 420 m、2 980 m高度層2014年小時(shí)垂直速度序列與小時(shí)降雨量序列的回歸方程，方程各項(xiàng)回歸系數(shù)及擬合優(yōu)度參數(shù)采用Matlab數(shù)值計(jì)算分析軟件中曲線(xiàn)擬合工具進(jìn)行計(jì)算。

2 垂直速度與降雨量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系分析

2.1 垂直速度-降雨量回歸分析

圖1a-d給出了2014年章丘站280 m、700 m、1 420 m、2 980 m高度層垂直速度與小時(shí)雨量散點(diǎn)及四次多項(xiàng)式擬合曲線(xiàn)圖。由圖中可以看出，在4個(gè)高度層小時(shí)垂直速度與降雨量都存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。表2中列出了2014年四季及全年小時(shí)降雨量與垂直速度的四次多項(xiàng)式回歸方程和方程擬合優(yōu)度檢驗(yàn)參數(shù)，方程回歸系數(shù)均通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)。

圖1 280 m (a)、700 m (b)、1 420 m (c)、2 980 m (d)小時(shí)垂直速度與降雨量多項(xiàng)式回歸擬合圖Fig.1 Hourly vertical velocity and rainfall polynomial regression fitting chart at 280 m (a), 700 m (b), 1 420 m (c), and 2 980 m (d)

表22014年四季及全年小時(shí)降雨量與垂直速度多項(xiàng)式回歸擬合結(jié)果

Table 2 Seasonal and annual rainfall and vertical velocity polynomial regression fitting results in 2014

高度/m方程R2R2ajusted樣本數(shù)(n)春季280Y=-0.00497X4+0.04062X3-0.01295X2-0.01387X+0.0049840.42120.41961455700Y=-0.003321X4+0.02851X3+0.00293X2-0.01489X+0.0036850.42090.419314431420Y=-0.004184X4+0.03145X3+0.001156X2-0.03089X+0.0045110.39210.390514602980Y=-0.009174X4+0.06819X3-0.009432X2-0.01963X+0.0051310.48740.48581306夏季280Y=0.0001121X4+0.001196X3+0.02116X2+0.01148X+0.00025040.26720.26592201700Y=-0.004702X4+0.08271X3-0.2673X2+0.1301X+0.026140.37800.376822061420Y=-0.003754X4+0.06842X3-0.2331X2+0.1307X+0.021730.33690.335722062980Y=-0.00222X4+0.04299X3-0.149X2+0.1265X+0.0070730.24420.24282197秋季280Y=-0.0000268X4+0.004013X3+0.01291X2+0.01059X-0.00071720.56870.56782071700Y=-0.0001557X4+0.003287X3+0.01859X2+0.04812X+0.0053310.59070.589920721420Y=0.003253X4-0.03131X3+0.08536X2+0.07566X-0.0028010.38730.386120942980Y=0.001133X4-0.001311X3-0.03784X2+0.1735X+0.0033620.34890.34731698冬季280Y=0.04144X4+0.004037X3-0.01917X2-0.00005957X+0.00041330.61470.6115483700Y=-0.02612X4+0.05847X3+0.03678X2-0.009507X-0.0011910.52030.51624721420Y=-0.002233X4+0.03753X3+0.02666X2-0.0113X-0.00067550.49410.48893912980Y=-0.0221X4+0.05666X3+0.022581X2-0.01031X-0.0011850.24590.205680全年280Y=0.003225X4-0.0761X3+0.04406X2+0.0245X-0.0055370.33540.33506210700Y=-0.0006611X4+0.02053X3-0.04271X2+0.03548X+0.0094680.36950.365561931420Y=-0.001061X4+0.02386X3-0.06651X2+0.07143X+0.0092510.30470.304261512980Y=-0.0004837X4+0.01595X3-0.05585X2+0.1116X+0.0049260.23890.23835281

由表2中修正確定性系數(shù)值可知，從季節(jié)上來(lái)看，冬季小時(shí)降雨量與垂直速度回歸方程擬合優(yōu)度最高，280 m方程修正確定性系數(shù)達(dá)到0.611 5；其次是秋季和春季，綜合分析各高度層結(jié)果，夏季方程擬合結(jié)果最差，修正確定性系數(shù)在0.242 8～0.376 8之間。從各高度層擬合結(jié)果分析，280 m方程修正確定性系數(shù)在0.265 9～0.611 5之間；700 m在0.365 5～0.589 9之間；1 420 m和2 980 m的方程修正確定性系數(shù)范圍分別為0.304 7～0.494 1和0.238 9～0.487 4；總體來(lái)看風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)垂直速度能夠反映雨滴的下落速度特征，700 m高度層垂直速度與小時(shí)雨量回歸方程擬合優(yōu)度較高。有研究成果[7]顯示高層的垂直速度比低層的垂直速度更能反映降水特征，本文研究的結(jié)果與前述結(jié)論并不完全一致。

從小時(shí)雨強(qiáng)與垂直速度的關(guān)系上來(lái)看，當(dāng)垂直速度小于1.0 m·s-1時(shí)，基本無(wú)降雨發(fā)生；垂直速度在1.0～4.0 m·s-1之間時(shí)，小時(shí)降雨強(qiáng)度基本在4 mm以下。當(dāng)垂直速度大于4.0 m·s-1時(shí)，降雨強(qiáng)度隨垂直速度的增大而增強(qiáng)趨勢(shì)明顯。從擬合曲線(xiàn)形狀可見(jiàn)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)的垂直速度與降雨強(qiáng)度并非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)垂直速度大于4.0 m·s-1的臨界值時(shí)，降雨強(qiáng)度隨垂直速度的增大而迅速增強(qiáng)，這與胡明寶等[6]、古月和王令[7]以及陳楠等[12]學(xué)者之前研究結(jié)果相一致。

2.2 降雨和無(wú)降雨時(shí)段小時(shí)垂直速度分布

對(duì)降雨時(shí)段和無(wú)降雨時(shí)段的小時(shí)垂直速度數(shù)據(jù)繪制箱形圖，進(jìn)一步觀察各高度層小時(shí)垂直速度的分布情況。如圖2所示，非降雨時(shí)段各個(gè)高度層的小時(shí)垂直速度分布特征較為一致，分布區(qū)間集中，5%～95%分位的數(shù)據(jù)基本在-0.5～1.0 m·s-1之間；25%～75%分位的數(shù)據(jù)700 m高度層分布最為集中，基本在0 m·s-1左右。降雨時(shí)段，280 m小時(shí)垂直速度分布最為集中，5%～95%分位的數(shù)據(jù)分布區(qū)間為0.8～6.7 m·s-1，25%～75%分位的數(shù)據(jù)基本分布在1.8～5.1 m·s-1之間；其他三個(gè)高度層5%～95%分位的數(shù)據(jù)分布特征較為接近，在0.2～6.8 m·s-1之間；700 m和2 980 m 高度層25%分位數(shù)據(jù)較之1 420 m略低，在1.0 m·s-1左右。綜合本研究中各個(gè)高度層的數(shù)據(jù)分布情況以及結(jié)合文獻(xiàn)中學(xué)者的研究基礎(chǔ)可以發(fā)現(xiàn)，可將1.0 m·s-1作為降雨發(fā)生的參考判定指標(biāo)，1.0～4.0 m·s-1之間時(shí)，降雨量變化不大，當(dāng)垂直速度大于4.0 m·s-1降雨強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。

圖2 降雨和無(wú)降雨時(shí)段小時(shí)垂直速度(單位：m·s-1)分布Fig.2 Vertical velocity (units：m·s-1) distribution during raining and non-raining period

3 場(chǎng)次降雨過(guò)程垂直速度與降雨量關(guān)系分析

由于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)小時(shí)垂直速度是該小時(shí)內(nèi)各個(gè)6 min垂直速度的一致性平均值，故小時(shí)垂直速度變化與6 min垂直速度變化特征并不完全一致。時(shí)間分辨率更高的6 min 數(shù)據(jù)更完善地記錄了垂直速度的實(shí)際變化，從而使得降雨開(kāi)始階段的垂直速度由小到大的過(guò)程更加明晰。6 min數(shù)據(jù)相較小時(shí)數(shù)據(jù)而言在時(shí)間軸坐標(biāo)上有明顯的提前量，這使得6 min垂直速度變化特征在用于判斷降雨起止時(shí)間時(shí)更有優(yōu)勢(shì)，可見(jiàn)高時(shí)間分辨率的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)垂直速度數(shù)據(jù)對(duì)于降雨過(guò)程的短臨預(yù)報(bào)更有指示意義。在強(qiáng)度方面，盡管降雨量是一定時(shí)間段內(nèi)的累加值而垂直速度是瞬時(shí)值，二者之間并非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，但特定的垂直速度閾值對(duì)降雨強(qiáng)度的預(yù)報(bào)仍然具有參考價(jià)值。根據(jù)上節(jié)的分析，本文在進(jìn)行個(gè)例分析時(shí)，將以垂直速度1.0 m·s-1作為場(chǎng)次降雨過(guò)程垂直速度指示降雨開(kāi)始時(shí)刻的閾值。

利用四季個(gè)例場(chǎng)次降雨過(guò)程時(shí)段風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)各高度層探測(cè)數(shù)據(jù)繪制小時(shí)垂直速度隨高度時(shí)間變化剖面圖，用以初步判斷各高度層垂直速度變化與降雨時(shí)段對(duì)應(yīng)關(guān)系。正垂直速度表征了降水粒子的下落速度及降水粒子密度，接地的下沉氣流速度越大降水越強(qiáng)，大速度的下沉氣流維持時(shí)間越長(zhǎng)降水越強(qiáng)[13]。對(duì)280 m、700 m、1 420 m、2 980 m共4個(gè)特征高度層，利用風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)逐6 min垂直速度數(shù)據(jù)及相同時(shí)間分辨率地面降雨量資料繪制四季個(gè)例場(chǎng)次降雨過(guò)程時(shí)段垂直速度與降雨量關(guān)系，對(duì)不同季節(jié)降雨過(guò)程垂直速度與降雨量對(duì)應(yīng)規(guī)律進(jìn)行細(xì)致分析。

3.1 春季降雨過(guò)程分析

分析本次過(guò)程的背景可知，2014年4月25—26日，受切變線(xiàn)和地面倒槽共同影響，山東地區(qū)自西向東出現(xiàn)了一次大范圍強(qiáng)降雨過(guò)程。從25日海平面氣壓場(chǎng)分析，除半島東部以外的山東大部地區(qū)處在地面倒槽的控制之下，降雨明顯時(shí)段為25日23時(shí)—26日09時(shí)，以穩(wěn)定性降雨為主。由小時(shí)垂直速度隨高度時(shí)間變化剖面圖(圖3)可見(jiàn)，各高度層小時(shí)垂直速度指示的降雨時(shí)段與地面降雨記錄時(shí)段一致性很高。結(jié)合分析6 min垂直速度與降雨量關(guān)系(圖4)可知，2 980 m高度垂直速度相對(duì)低層較小，分析原因春季降雨云層的主要高度可能低于該高度層，融化層附近冰晶粒子還沒(méi)有完全融化，冰晶落入融化層后開(kāi)始融化，密度變大，下降速度增大；而冰晶粒子經(jīng)過(guò)融化層后完全融為水滴，致使下降速度增大到一定范圍后趨于穩(wěn)定[9,14]，該層垂直速度指示地面降雨略差，但可預(yù)先指示空中降雨。1 420 m高度垂直速度起伏變化最大，尤其在05—07時(shí)、09—12時(shí)，可能指示空中降雨而未達(dá)地面的情形，故該層對(duì)于指示空中和地面降雨均有一定意義；700 m和280 m高度垂直速度變化基本一致，僅在06時(shí)左右略有差別，以此兩高度指示地面降雨相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 春季降雨過(guò)程小時(shí)垂直速度(單位：m·s-1)隨高度時(shí)間變化剖面圖Fig.3 The height-time cross section of hourly vertical velocity (units：m·s-1) of a spring rainfall

圖4 春季降雨過(guò)程6 min垂直速度與降雨量關(guān)系Fig.4 Relationship of 6-min vertical velocity and precipitation variation during a spring rainfall

在本例中，降雨開(kāi)始前各高度層垂直速度迅速增大，若以垂直速度大于1.0 m·s-1作為閾值預(yù)報(bào)地面降雨，則隨高度層的升高預(yù)報(bào)提前量有增大趨勢(shì)，1 420 m和2 980 m高度層可提前1 h 48 min指示降雨開(kāi)始(表3)。在指示地面降雨過(guò)程結(jié)束方面，當(dāng)垂直速度小于1.0 m·s-1時(shí)，降雨過(guò)程出現(xiàn)明顯的中斷，但無(wú)法判斷是否結(jié)束。在中斷期間前1 420 m和2 980 m垂直速度明顯小于1.0 m·s-1，但較低的兩個(gè)高度層依然大于閾值，若以280 m和700 m垂直速度小于1.0 m·s-1參考判定降雨結(jié)束，280 m高度層可提前1 h 18 min，700 m高度層可提前1 h 42 min。在反映整個(gè)過(guò)程降雨強(qiáng)度的波動(dòng)方面700 m和1 420 m垂直速度對(duì)細(xì)部過(guò)程反映最為清晰，地面6 min降雨量大于0.2 mm的時(shí)段這兩層的垂直速度均大于4.0 m·s-1，且較之地面觀測(cè)降雨開(kāi)始時(shí)間均有一定的提前量。

表3春季降雨過(guò)程垂直速度表征降雨起(≥1.0m·s-1)止(<1.0m·s-1)時(shí)間及地面記錄

Table 3 Precipitation start (≥1.0 m·s-1) and end (<1.0 m·s-1) time of a spring rainfall indicated by vertical velocity and ground record

高度層降雨開(kāi)始(25日)降雨結(jié)束(26日)280m21:3011:42700m21:2411:181420m21:00—2980m21:00—地面22:4813:00

3.2 夏季降雨過(guò)程分析

2014年8月5日，受切變線(xiàn)影響，山東大部地區(qū)出現(xiàn)降雨。5日08時(shí)，低層切變線(xiàn)壓在山東與河北的交界處，降雨主要集中在5日08—11時(shí)，基本以穩(wěn)定性降雨為主。具體分析濟(jì)南個(gè)例降雨過(guò)程發(fā)現(xiàn)，此次過(guò)程降雨開(kāi)始于8月5日07時(shí)48分，最后降雨記錄出現(xiàn)在16時(shí)48分，降雨量為0.1 mm，然而10時(shí)48分至16時(shí)42分均無(wú)降雨，故分析時(shí)將過(guò)程結(jié)束時(shí)間截止到10時(shí)42分。

過(guò)程中出現(xiàn)大于1 h的降雨間隔，故在表4、表5中對(duì)兩段降雨開(kāi)始結(jié)束時(shí)間進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)。由小時(shí)垂直速度隨高度時(shí)間變化剖面圖(圖5)可見(jiàn)，本例中各高度層垂直速度值變化規(guī)律一致性較好，夏季降雨云層的主要高度可能遠(yuǎn)高于2 980 m高度層，可預(yù)先指示空中降雨，但應(yīng)進(jìn)一步研究提高指示高度。結(jié)合分析6 min垂直速度與降雨量關(guān)系(圖6)可知，降雨開(kāi)始前各高度層垂直速度迅速增大，若以垂直速度大于1.0 m·s-1作為閾值指示地面降雨，各高度層可提前1 h左右指示降雨開(kāi)始。若以垂直速度小于1.0 m·s-1參考判定地面降雨結(jié)束時(shí)間，則各高度層對(duì)降雨中斷的預(yù)判可提前42 min(表4)，對(duì)最終降雨結(jié)束的預(yù)判提前量在30 min左右。在反映整個(gè)過(guò)程降雨強(qiáng)度的波動(dòng)方面，各高度層對(duì)細(xì)部過(guò)程反映較為一致。在第一段降雨過(guò)程中地面6 min降雨量大于0.2 mm的時(shí)段各層的垂直速度均大于4.0 m·s-1且有與指示降雨開(kāi)始相近似的提前量，在第二段持續(xù)時(shí)間為12 min，強(qiáng)度在0.2～2.4 mm/(6 min)的降雨過(guò)程中，280 m、700 m和1 420 m高度層垂直速度范圍在1.3～3.7 m·s-1之間，2 980 m高度層垂直速度最大達(dá)到5 m·s-1(表5)。

圖5 夏季降雨過(guò)程小時(shí)垂直速度(單位：m·s-1)隨高度時(shí)間變化剖面圖Fig.5 The height-time cross section of hourly vertical velocity (units：m·s-1) of a summer rainfall

圖6 夏季降雨過(guò)程6 min垂直速度與降雨量關(guān)系Fig.6 Relationship of 6-min vertical velocity and precipitation variation during a summer rainfall

表4夏季降雨過(guò)程垂直速度表征降雨起(≥1.0m·s-1)止(<1.0m·s-1)時(shí)間及地面記錄(過(guò)程1)

Table 4 Precipitation start (≥ 1.0 m·s-1) and end (< 1.0 m·s-1) time of a summer rainfall indicated by vertical velocity and ground record (Process 1)

高度層降雨開(kāi)始(5日)降雨結(jié)束(5日)280m06:4808:36700m06:4808:361420m06:4808:362980m06:4208:36地面07:4809:18

3.3 秋季降雨過(guò)程分析

2014年9月16—17日，受低槽冷鋒和切變線(xiàn)影響，山東地區(qū)出現(xiàn)明顯降雨，降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，降雨量比較大。高空處于偏西氣流中，地面為冷高壓控制，是山東秋季回流降雨的一種形勢(shì)，屬于混合型降雨。本次濟(jì)南站降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從小時(shí)垂直速度隨高度時(shí)間變化剖面圖(圖7)上可以清晰地看到各個(gè)高度層的小時(shí)垂直速度變化與降雨時(shí)段對(duì)應(yīng)均較為一致。分析6 min垂直速度與降雨量關(guān)系(圖8)可知，本例中，各高度層垂直速度值和變化規(guī)律一致性較好，但在變化幅度上700 m高度層與其他層垂直速度變化有一定的差別。降雨開(kāi)始前各高度層垂直速度迅速增大，若以垂直速度大于1.0 m·s-1作為閾值指示地面降雨開(kāi)始，各高度層提前量均在1 h以上，除700 m外，存在隨高度層的升高指示提前量增大的趨勢(shì)，2 980 m高度層可提前2 h 6 min指示降雨開(kāi)始(表6)。本次降雨過(guò)程中存在多個(gè)大于1 h的降雨中斷，各高度層垂直速度均出現(xiàn)提前下降至閾值以下的情況，對(duì)于降雨結(jié)束的指示提前量1 h左右。在反映整個(gè)過(guò)程降雨強(qiáng)度的波動(dòng)方面，700 m高度層對(duì)細(xì)部過(guò)程的反映明顯優(yōu)于其他層，降雨過(guò)程中地面6 min降雨量大于0.2 mm的時(shí)段垂直速度均大于4.0 m·s-1且有1 h左右的提前量。

表5夏季降雨過(guò)程垂直速度表征降雨起(≥1.0m·s-1)止(<1.0m·s-1)時(shí)間及地面記錄(過(guò)程2)

Table 5 Precipitation start (≥ 1.0 m·s-1) and end (<1.0 m·s-1) time of a summer rainfall indicated by vertical velocity and ground record (Process 2)

高度層降雨開(kāi)始(5日)降雨結(jié)束(5日)280m09:3010:06700m09:3010:121420m09:2410:062980m09:2410:18地面10:3010:42

圖7 秋季降雨過(guò)程小時(shí)垂直速度(單位：m·s-1)隨高度時(shí)間變化剖面圖Fig.7 The height-time cross section of hourly vertical velocity (units：m·s-1) of a autumn rainfall

圖8 秋季降雨過(guò)程6 min垂直速度與降雨量關(guān)系Fig.8 Relationship of 6-min vertical velocity and precipitation variation during a autumn rainfall

表6秋季降雨過(guò)程垂直速度表征降雨起(≥1.0m·s-1)止(<1.0m·s-1)時(shí)間及地面記錄

Table 6 Precipitation start (≥1.0 m·s-1) and end (<1.0 m·s-1) time of an autumn rainfall indicated by vertical velocity and ground record

高度層降雨開(kāi)始(16日)降雨結(jié)束(17日)280m05:3017:36700m05:5415:541420m05:0617:302980m04:5416:54地面07:0016:54

3.4 冬季降雨過(guò)程分析

由于冬季過(guò)程12月10日00—02時(shí)多個(gè)高度層存在小時(shí)垂直速度數(shù)據(jù)缺測(cè)問(wèn)題，故無(wú)法繪制小時(shí)垂直速度隨高度時(shí)間變化剖面圖。分析本次個(gè)例降雨過(guò)程背景可知，2014年12月10日01—17時(shí)，受低槽冷鋒影響，除魯西北的西部和半島北部的部分地區(qū)外，山東其他大部地區(qū)共89個(gè)站出現(xiàn)雨夾雪天氣。9日20時(shí)，500 hPa高空在河套地區(qū)存在一淺槽，700 hPa高空槽比較明顯，此時(shí)處于山西與河北交界處，地面有冷鋒配合。由6 min垂直速度與降雨量關(guān)系(圖9)可見(jiàn)，冬季個(gè)例降雨垂直速度特征與春、夏、秋季個(gè)例顯著不同，過(guò)程中各高度層垂直速度均小于2.0 m·s-1。以垂直速度大于1 m·s-1指示降雨開(kāi)始，280 m和700 m在02時(shí)之前數(shù)據(jù)缺測(cè)，02時(shí)垂直速度已大于閾值故按02：00記可提前2 h 6 min指示降雨開(kāi)始；1 420 m和2 980 m高度層可分別提前2 h 24 min和2 h 36 min指示降雨開(kāi)始。以垂直速度小于1.0 m·s-1指示降雨結(jié)束，2 980 m高度層降雨結(jié)束前出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺測(cè)，其他高度層的預(yù)報(bào)提前量在48 min左右(表7)。在反映整個(gè)過(guò)程降雨強(qiáng)度的波動(dòng)方面，各高度層對(duì)細(xì)部過(guò)程均不明顯，整個(gè)降雨過(guò)程中垂直速度變化幅度較小，在1.0～2.0 m·s-1之間。

圖9 冬季降雨過(guò)程6 min垂直速度與降雨量關(guān)系Fig.9 Relationship of 6-min vertical velocity and precipitation variation during a winter rainfall

表7冬季降雨過(guò)程垂直速度表征降雨起(≥1.0m·s-1)止(<1.0m·s-1)時(shí)間及地面記錄

Table 7 Precipitation start (≥1.0 m·s-1) and end (<1.0 m·s-1) time of a winter rainfall indicated by vertical velocity and ground record

高度層降雨開(kāi)始(10日)降雨結(jié)束(10日)280m02:0006:42700m02:0006:421420m01:4206:422980m01:30—地面04:0607:30

4 結(jié)論與討論

1)對(duì)濟(jì)南固定式邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)垂直速度-降雨量回歸分析表明，垂直速度能夠反映雨滴的下落速度特征，綜合各個(gè)高度層來(lái)看，700 m高度層垂直速度與小時(shí)雨量回歸方程擬合優(yōu)度較為穩(wěn)定，其他高度層在不同季節(jié)擬合優(yōu)度差別略大。

2)對(duì)場(chǎng)次降雨過(guò)程垂直速度-降雨量關(guān)系分析表明，盡管垂直速度的大小并不能完全定量的預(yù)報(bào)降雨強(qiáng)度，但對(duì)于整個(gè)過(guò)程的雨強(qiáng)波動(dòng)變化仍有著明顯的指示性作用。700 m高度層垂直速度對(duì)于降雨的預(yù)報(bào)指示效果最為穩(wěn)定。

垂直速度對(duì)降水的指示性可用于災(zāi)害性天氣，如暴雨、冰雹、降雪等的預(yù)警及臨近預(yù)報(bào)，本研究只考慮了降雨過(guò)程。垂直速度閾值對(duì)冬季降雨的指示性(雨量、高度)，與春、夏、秋季呈現(xiàn)明顯不同的特征，具體變化原因可能是受降水相態(tài)、降水類(lèi)型、氣溫、濕度、湍流等影響。冬季降水包括雨、雨夾雪、雪、冰粒、凍雨等多種相態(tài)且降水過(guò)程有時(shí)存在相態(tài)的數(shù)次復(fù)雜變化[15]，本研究只考慮了降雨過(guò)程。此外，垂直速度并非是判別降雨與否的唯一指標(biāo)，楊馨蕊等[16]采用組合識(shí)別方法分別建立降雨與垂直徑向速度和信噪比相關(guān)關(guān)系的判別函數(shù)，以及降雨與垂直徑向速度和譜寬的判別函數(shù)，判別較為準(zhǔn)確。因此針對(duì)不同相態(tài)、不同類(lèi)型的降水的垂直速度閾值確定以及利用風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)資料多產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行組合識(shí)別應(yīng)用于降雨預(yù)報(bào)是下一步深入研究的方向。

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Studyontherelationshipbetweenverticalvelocityofwindprofilerandrainfall:AcaseinJinan

QIU Can, WANG Dongcheng, LI Juan, CAO Jie, DONG Xuguang

(ShandongProvincialClimateCentre,Jinan250031,China)

Based on the vertical velocity data of wind profiler and the minute level precipitation data of AWS in 2014, the relationship between the vertical velocity and the ground rainfall is discussed by using the polynomial nonlinear fitting method. The minute level data of both vertical velocity and precipitation of rainfall events shows that the vertical velocity threshold is a good clue for rainfall start, end time and rainfall intensity. The results show that vertical velocity can reflect the falling velocity characteristics of the raindrops. According to the analysis on each layer, the goodness-of-fit of the rainfall and the vertical velocity regression equation at the height of 700 m is the most stable, and the other layers have different goodness-of-fit in each season. Although the value of the vertical velocity cannot predict rainfall intensity quantitatively, it can be used as an obvious indication for the fluctuation of rainfall intensity through the entire process. The vertical velocity at 700 m level is the most stable indicator for rainfall forecast. The indication of vertical velocity for precipitation can be used for early warning and nowcasting of severe weather, such as heavy rain, hail, snowfall. The vertical velocity threshold is determined by the precipitation phase, temperature, humidity, turbulence and so on. But it is not the only indicator.

wind profiler; vertical velocity; fitting

邱粲,王棟成,李娟,等.風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)垂直速度與地面降雨關(guān)系研究：以濟(jì)南為例[J].海洋氣象學(xué)報(bào),2017,37(4):91-100.

Qiu Can, Wang Dongcheng, Li Juan, et al. Study on the relationship between vertical velocity of wind profiler and rainfall: A case in Jinan[J]. Journal of Marine Meteorology, 2017,37(4):91-100.

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.011.(in Chinese)

P412.25

A

2096-3599(2017)04-0091-10

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.011

2017-09-30；

2017-10-26

山東省氣象局科研項(xiàng)目(2014SDQXZ05)

邱粲(1982—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事氣候變化評(píng)估與應(yīng)用研究，qcqyw@hotmail.com。