变分多普勒雷达分析系统对北京一次强降水过程的短时预报能力初探

耿建军，肖现，王迎春，顾松山，Sun Juanzhen

(1.北京市气象台，北京100089;2.中国气象局北京城市气象研究所，北京100086;3.南京信息工程大学大气物理学院，江苏南京210044;4.美国国家大气科学研究中心，Colorado Boulder 80307)

变分多普勒雷达分析系统对北京一次强降水过程的短时预报能力初探

耿建军1，肖现2，王迎春1，顾松山3，Sun Juanzhen4

(1.北京市气象台，北京100089;2.中国气象局北京城市气象研究所，北京100086;3.南京信息工程大学大气物理学院，江苏南京210044;4.美国国家大气科学研究中心，Colorado Boulder 80307)

利用四维变分多普勒雷达资料分析系统对2008年7月30日北京一次强降水过程反演得到的风场和微物理场进行分析，针对本过程中东段回波减弱消散、强降水区的确定、降水回波的转向几个短时临近预报关键点进行讨论，得出如下初步结论:1)在东段降水回波减弱消散前的12～24 min，其对应的4.7 km高度扰动温度场正值区出现“U”形中空结构，甚至在中空结构中有负值区出现，同时1.7 km高度垂直速度场有上升气流与下沉气流分离的现象;2)如果4.7 km高度扰动温度场的相对大值区在某地区持续时间较长(2 h左右)或者某区域扰动温度迅速增加且出现大值中心(大于2℃)并维持，那么该区域未来1～2 h内出现较强降水的可能性较大;3)降水回波的转向是受到1.7 km高度在密云、平谷境内出现的反气旋型环流西部气流的引导，而该环流的出现则是北京西部持续强降水区的辐合上升气流在中高层水平输送到北京东部的密云、平谷境内并在该处形成下沉辐散的反气旋型环流反作用于降水回波所致，环流的形成早于回波转向约1 h。

变分多普勒雷达分析系统;强降水短时预报;扰动温度;回波转向

0 引言

短时强降水、雷雨大风、龙卷、冰雹等灾害性天气日益频发，对社会经济发展和人民生命财产安全都造成极大影响和危害，因此对其进行研究，提高预报预测能力极有必要。我国气象工作者针对强降水过程作了大量的研究工作，陶诗言(1980)根据1953—1977年大暴雨资料研究了历史上发生的中国大暴雨，指出暴雨在一定程度上也是中尺度现象，是几种不同尺度天气系统相互作用的结果。孙淑清和翟国庆(1980)研究了大尺度、中尺度低空急流与暴雨发生的关系。Alpert and Shafir(1991)、孙继松(2005)还对地形与环境风场的相互作用过程在地形雨落区中的作用进行了探讨。与常规资料相比，雷达资料具有更高的时空分辨率，能够很好地表征对流尺度的天气现象。因此，将雷达资料加入到数值模式中能够提供更加准确的初始条件，从而提高对暴雨等中尺度天气过程的预报和模拟能力。Sasaki(1958)首次将变分方法引入客观分析，Ledimet and Talagrand(1986)提出伴随方法求极值，变分方法进入新阶段。Rogers et al.(2000)利用数字雷达反射率直接调整初始场。Gao et al.(2004，2005)用ARPS-3DVAR方法同化雷达径向速度资料，分析美国的经典龙卷风个例，效果非常好。Sun and Crook(1997，1998，2001)、Sun et al.(1991)作了大量的四维变分同化雷达资料技术方面的研究，证明用单多普勒雷达观测的径向速度和反射率，采用非静力平衡的干模式及其伴随，可以成功反演对流风暴的风场和热力场详细结构。而利用多普勒雷达等资料，采用四维变分同化技术反演得出风场、温度场，并针对强降水过程短时临近预报能力的探讨还鲜有文献涉及。本文将尝试对此进行初步探讨，以期对短时临近预报技术的发展有所助益。

1 变分多普勒雷达分析系统

1.1 基本原理

多普勒雷达四维变分分析系统(four-dimensional variational Doppler radar analysis system，简称VDRAS)，采用四维变分资料同化技术、云尺度数值模式及其伴随模式，利用单部或多部多普勒雷达观测资料，反演对流尺度风暴的动力结构和微物理结构，包括三维风场、温度场、湿度场等。应用于本分析系统中的四维变分数据同化的技术目标是寻找一个建立在模式集成基础上的初始场，其产生的输出参数尽可能接近观测结果。数值模式包括6个诊断方程，分别为3个运动学方程、1个热力学方程、1个雨水方程以及1个总雨量方程。而表征模式输出和观测数据之间差异的代价函数用雷达观测到的变量(径向速度和反射率因子)来表示，诊断方程、物理过程参数化方案和代价函数参见Sun and Crook(1997，1998，2001)、Sun et al.(1991)。

1.2 数据处理和质量控制

变分多普勒雷达分析系统采用的是CINRAD/SA系列雷达降水21模式，9个仰角(0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°和19.5°)1 km分辨率的径向反射率因子数据和0.25 km分辨率的径向速度数据。首先把雷达数据插值到水平方向1 km分辨率的笛卡尔坐标系格点上，然后进行质量控制，垂直方向的数据则保持在各仰角层上。

在数据质量控制方面，用12 dBz来区分晴空和水凝物的反射率，将小于12 dBz的反射率数据视为晴空数据并舍弃;考虑地物杂波的影响，舍弃0.25 m/s以下的速度值及与其对应的反射率数据。

1.3 系统设置

系统分析范围是300 km×300 km×5.437 5 km，水平方向分辨率为3 km，垂直方向分辨率为375 m，模式最底层高度为187.5 m，是垂直分辨率的一半。

2 天气实况及天气背景

2008年7月30 日18时—31日06时(北京时，下同)，北京地区普遍出现了较强降雨，雨量分布不均，全市平均雨量23 mm，其中较大降雨区主要集中在西部地区和城区西部。7月30日18时—31日06时12 h降水量统计有:昌平的长陵镇(雨量168 mm)、太平庄(155 mm)和延庆的大庄科(156 mm)，3个站达到特大暴雨量级;城区的永丰中学(101 mm)、展春桥(86 mm)、昌平(124 mm)、十三陵水库(116 mm)，门头沟的妙峰山(93 mm)、延庆的四海(96 mm)、辛庄堡(94 mm)、佛爷顶(81 mm)8个站达到大暴雨量级;另有19个站达到暴雨量级。

根据常规高空观测，北京从29日20时起500、700、850 hPa(图1a)均受副高外围和8号台风“凤凰”东侧东南气流影响，正是这股自东海、黄海、渤海绵延北上的东南暖湿气流为北京后期强降水提供了充沛持久的水汽输送。同时从30日08时700 hPa高空图(图1b)可以看出，北京及其上游的内蒙中西部、山西、河北北部的温度均下降了2℃左右，表明中低空有弱冷空气侵入，这为后期天气的触发提供了一定的条件。而根据北京南郊观象台29日20时和30日08时的探空分析，K指数由23增至35，SI指数由3.96降为0.45，热力不稳定的条件也已具备。

根据雷达回波实时监测，10:24开始不断有降水回波(为便于研究，定义反射率因子强度在35 dBz以上的雷达回波为降水回波)从北京东南的沧州、天津、唐山一线渤海湾附近向西北方向的北京移动，回波分为东西两部分，东段在未进入北京前就分离(图2a)、减弱(图2b)、消散(图2c);西段进入北京，回波中心强度在21:06达到64 dBz(图2d)，此段回波造成北京西部地区的局地暴雨，个别站点甚至达到大暴雨量级，随后回波转向从北京北部怀柔地区移出北京。

下面将根据VDRAS系统的分析结果对东段降水回波的减弱消散、进入北京回波造成局地强降水和回波的转向等短时临近预报关键点作初步的分析讨论。

3 VDRAS分析结果及讨论

3.1 东段降水回波的减弱消散VDRAS分析讨论

与东段回波对应的4.7 km高度扰动温度场原本紧密相连的完整结构(图3a)中，在16:17出现“U”形中空(图3b)，1.7 km高度垂直速度场(图3i)由原本紧密结合的上升(暖色调)下沉气流(冷色调)间开始出现缝隙，即二者开始分离，12 min后回波分裂演变为两小块独立回波。随后两块小回波中的一块向偏北方向移动，另一块向偏西方向移动，逐渐远离(图3c)。17:17(图3d)北移小块回波对应的扰动温度场再次出现“U”形中空结构，同时在该结构中出现－0.03℃的负值区。17:29(图3e)这种特征继续维持，负值区的范围略有扩大，同时1.7 km高度垂直速度场(图3j)反映出上升下沉气流明显分离。17:41(图3f)35 dBz以上的回波轮廓线由圆滑变为粗糙，该北移小块扰动温度场也分裂为南北不均匀的两小块。18:05回波范围缩小(图3g)。18:17(图3h)回波在北京通州边界消散。

4.7 km高度扰动温度正值区是云中固态水向液水、雨水转化过程中潜热释放，使得空气温度升高，中低层的上升气流将温度升高后的气块抬升而形成的。16:17和17:17出现“U”形中空结构甚至负值区则表明上升气流减弱甚至消失，对流单体由上升下沉气流并存相邻的成熟状态向减弱、分离、消亡状态转变。扰动温度场和垂直速度场结构特征发生变化较实际回波发生变化的时间提前12～24 min。

3.2 西部地区局地强降水的VDRAS分析讨论

图1 2008年7月29日500 hPa(蓝线)、700 hPa(棕线)、850 hPa(红线)高空图(a;单位:dagpm)，以及30日08时700 hPa高空观测(b;红色数字为12 h变温，单位:℃)Fig.1 (a)Geopotential figures(units:dagpm)at 500 hPa(blue line)，700 hPa(brown line)，850 hPa(red line)on 29 July 2008，and(b)observation at 700 hPa at 08:00 BST 30 July 2008(the red number is the 12 h temperature deviation;units:℃)

本次降水过程位于北京西部地区，并在7月30日23时至7月31日00时出现较大降水，在该区域中存在两个强降水中心，其中昌平区长陵镇小时雨量达68 mm，海淀区永丰中学小时雨量达54 mm，降水分布如图4a所示。

从4.7 km高度的扰动温度场分析来看，从20:05起该地区就处于扰动温度相对大值区(0.1～1℃)，这与该区域降水较大相对应。而昌平长陵镇附近扰动温度自22:29开始升高，23:17扰动温度相对大值区的中心值达2～3℃，这反映出该区域云中固态水向液水、雨水转化过程中潜热释放较多。反观海淀区永丰中学，其扰动温度一直处于0.1～1℃，这在一定程度上体现了两地降水量差异的原因。21:53昌平长陵镇才出现扰动温度相对大值区，尽管其出现的时间较海淀永丰中学晚了近2 h，但是其扰动温度相对大值区中心温度的升高速度(23:05出现2～3℃的扰动温度相对大值区中心，23:17(图4b)其范围也达到最大)弥补了持续时间的缺陷。因此在强降水区短时临近预报方面可以得出如下初步结论:如果4.7 km高度扰动温度场在某地区表现为持续时间较长(2 h左右)的相对大值区或者相对大值区内扰动温度迅速升高出现大值中心(大于2℃)并维持，那么该区域未来1～2 h内出现较强降水的可能性较大。

图2 2008年7月30日北京S波段多普勒天气雷达1.5°基本反射率因子图(单位:dBz)a.16:30;b.18:06;c.18:18;d.21:06Fig.21 .5°reflectivity images of S-band Doppler weather radar in Beijing on 30 July 2008(units:dBz)a.16:30 BST;b.18:06 BST;c.18:18 BST;d.21:06 BST

3.3 降水回波在西部地区移动方向转变的VDRAS分析

20:05(图5a)一直向西北方向移动的回波进入城区西部地区和门头沟、房山交界地区，而此前中低层一直维持着东南风。20:17(图5b)在密云、平谷及其以东地区发生变化，开始形成一个顺时针方向旋转的反气旋型环流。21:05(图5c)该环流中心加强西移至密云、通州交界，回波在环流的推动下开始转向东北偏北方向移动。至23:41(图5d)降水回波已经移至延庆、昌平境内。由于东南向气流在行进过程中遇到北京西部山区迎风坡的阻挡抬升，低层辐合加强维持，在城区西部及西南地区的山前形成局地强降水。与此同时，当地持续抬升的气流不断上升，在中高层水平输送到位于北京东北部地区的密云、平谷及其以东地区，使得该地区的气流由中高层向下输送，在当地低层形成具有辐散性质的反气旋型环流，如此不断循环，当该反气旋型环流强度增大到一定程度后，反作用于正在降水的降水云团，推动其移动方向转变，由西北向转变为东北偏北向。

图3 VDRAS分析的2008年7月30日4.7 km高度扰动温度场(单位:℃;a.15:17;b.16:17;c.16:53;d.17:17;e.17:29;f.17:41;g.17:53;h.18:05)以及1.7 km高度垂直速度场(单位:m/s;i.16:17;j.17:29)(紫色曲线表示12 min后1.5°仰角35 dBz以上反射率因子轮廓线的叠加;红色十字星代表北京S波段雷达所在位置;图片右侧标尺上的灰色块表征当前高度)Fig.3 VDRAS analyzed perturbation temperature at the height of 4.7 km and vertical velocity field at the height of 1.7 km above ground over the 35 dBz reflectivity(purple contour)on the second elevation(1.5°)12 minutes later.The time shown on the bottom of each panel is the valid time for the perturbation temperature at(a)15:17 BST，(b)16:17 BST，(c)16:53 BST，(d)17:17 BST，(e)17:29 BST，(f)17:41 BST，(g)17:53 BST，(h)18:05 BST and for the vertical velocity at(i)16:17 BST，(j)17:29 BST on 30 July 2008(The red cross denotes the location of the S-band radar in Beijing;gray lump on the scale denotes the height)

图4 2008年7月30日23时—31日00时的雨量分布(a;单位:mm)，以及VDRAS分析的2008年7月30日23:17在4.7 km高度扰动温度场(单位:℃)和12 min后1.5°仰角35 dBz以上反射率因子轮廓线(紫色)叠加(b;图片右侧标尺上的灰色块表征当前高度)Fig.4 (a)Hyetograph between 23:00 BST 30 July and 00:00 BST 31 July 2008(units:mm)，and(b)VDRAS analyzed perturbation temperature(℃)at the height of 4.7 km above ground over the 35 dBz reflectivity(purple contour)on the second elevation(1.5°)12 minutes later.The time shown on the bottom of panel is the valid time for the perturbation temperature at 23:17 BST 30 July 2008(Gray color lump on the scale denotes the height)

4 结论

利用变分多普勒雷达分析系统对2008年7月30日北京一次降水过程反演得到的温度场、风场、垂直速度场的分析，可以得出以下结论:

1)4.7km高度扰动温度正值区是云中固态水向液水、雨水转化过程中潜热释放，使得空气温度升高，中低层的上升气流将温度升高后的气块抬升而形成的。4.7 km高度的扰动温度场在回波减弱消散前12～24 min，在其对应的温度场分布结构上形成“U”形中空结构甚至在中空结构中负值区的出现，反映出上升气流开始减弱，表明对流单体由成熟阶段向消亡阶段过渡。而同期1.7 km高度的垂直速度场则出现上升气流与下沉气流分离的现象。

2)根据对7月30日23时—31日00时北京西部地区局地强降水的分析可以发现，如果4.7 km高度扰动温度场的相对大值区在某地区持续时间较长(约2 h)或者某区域扰动温度迅速升高并出现大值中心(大于2℃)维持的现象，那么该区域未来1～2 h内出现较强降水的可能性较大。

3)进入北京西部地区的降水回波的转向，是受到了密云、平谷境内1.7 km高度反气旋型环流西部气流的引导，此反气旋型环流的出现则是因为北京西部持续强降水区的辐合上升气流在中高层水平输送到密云、平谷境内，形成下沉辐散的反气旋型环流反作用于降水回波所致。环流的形成早于回波转向约1 h。

以上结论仅是针对北京地区一次强降水过程的个例探讨的初步结论，能否对于实际临近预报业务有所助益还需要更多个例的验证。

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图5 VDRAS分析的2008年7月30日1.7 km高度风场(箭矢)和1.5°仰角35 dBz以上反射率因子轮廓线(紫色)叠加a.20:05;b.20:17;c.21:05;d.23:41Fig.5 VDRAS analysis wind vector(arrow)at the height of 1.7 km above ground and the 35 dBz reflectivity(purple contour)on the second elevation(1.5°)on 30 July 2008a.20:05 BST;b.20:17 BST;c.21:05 BST;d.23:41 BST

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A preliminary exploration on the nowcasting ability of VDRAS in a rainstorm case in Beijing

GENG Jian-jun1，XIAO Xian2，WANG Ying-chun1，GU Song-shan3，SUN Juan-zhen4

(1.Meteorological Observatory of Beijing，Beijing 100089，China;2.Institute of Urban Meteorology，CMA，Beijing 100086，China;3.School of Atmospheric Physics，NUIST，Nanjing 210044，China;4.National Center for Atmospheric Research，Colorado 80307，USA)

A four-dimensional variational Doppler radar analysis system(VDRAS)is used to analyze the three dimensional wind fields and microphysical fields of a rainstorm case in Beijing on July 30，2008.After discussing some key points in short-term and nowcasting forecast such as the weakening and dissipation of the eastern echo as well as heavy rain area and the turning of echo，some preliminary conclusions were obtained:1)12—24 minutes before the weakening and dissipation of the eastern echo，a hollow structure(even negative point)appeared in corresponding analyzed perturbation temperature positive region at the height of 4.7 km，and at the same time ascending and descending flow separated in the same region at the height of 1.7 km.2)If the duration of the analyzed perturbation temperature in some regions was higher than that in other regions for 2 hours or longer，or the perturbation temperature increased rapidly in few minutes and reached the extreme value(above 2℃)，there was a good chance that heavy rain would occur in 1—2 hours in this region.3)The turning of the echo was conducted by the western air flow of anticyclone style circulation flow at the height of 1.7 km.A convergence ascending flow was horizontally transported from western region to Miyun and Pinggu in the east-ern region，and then a divergence descending flow of anticyclone type came into being.The moving of radar echo was affected by the air flow and this flow occurred about 1 hour before the echo turning.

VDRAS;rainstorm nowcasting;perturbation temperature;echo turning

P457.6

A

1674-7097(2012)06-0730-07

2011-10-10;改回日期:2012-01-16

公益性行业(气象)科研专项(GYHY200706004)

耿建军(1980—)，男，江苏徐州人，硕士，工程师，研究方向为大气探测与遥感，geng_126@126.com.

耿建军，肖现，王迎春，等.2012.变分多普勒雷达分析系统对北京一次强降水过程的短时预报能力初探［J］.大气科学学报，35(6):730-736.

Geng Jian-jun，Xiao Xian，Wang Ying-chun，et al.2012.A preliminary exploration on the nowcasting ability of VDRAS in a rainstorm case in Beijing［J］.Trans Atmos Sci，35(6):730-736.(in Chinese)

(责任编辑:刘菲)