两次强降水的X波段相控阵阵列天气雷达的观测分析

王雪婧; 黄兴友; 马舒庆

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2025.048

两次强降水的X波段相控阵阵列天气雷达的观测分析

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.048

1.
南京信息工程大学，江苏南京 210044
2.
中国气象局气象探测中心，北京 100081

基金项目:

国家自然科学基金联合基金项目 U2342222

详细信息

通讯作者:
黄兴友，男，安徽省人，教授，主要从事大气探测及雷达气象研究。E-mail：hxyradar@126.com

中图分类号: P426.62
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出版历程
- 收稿日期: 2024-02-20
- 修回日期: 2025-04-28
- 网络出版日期: 2025-09-04
- 刊出日期: 2025-08-20

Observation and Analysis of Two Heavy Rainfall Events Using X-Band Phased Array Weather Rada

1.
Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
2.
CMA Meteorological Observation Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China

摘要

摘要: 暴雨强降水是预报的难点，不同的触发机制及大气环境造成的暴雨发展演变过程不同。利用X波段相控阵阵列天气雷达(XPAR)、S波段双偏振多普勒天气雷达(SPOL)等气象资料，对2022年6月5日发生在安徽芜湖和6月29日发生在上海的两次局地强降水过程进行了对比分析，深入探究了两次强降水发展过程中雷达回波强度场与三维风场的空间变化情况、特别是上海地区的强对流型暴雨的演变过程。(1) 芜湖强降水发生在锋面扰动的天气背景下，由向南移动的冷锋和低空切变线触发，是一次弱冷锋暴雨过程；上海短时强降水发生在弱天气尺度扰动下，近地层侵入的浅薄冷空气与暖湿气流相遇产生地面中尺度辐合带，从而触发对流，是一次暖区暴雨过程。(2) 芜湖强对流发生时，锋前暖湿气流中的小尺度经向垂直环流圈为强对流提供了上升气流；上海对流降水发生时，在近地面层入侵的浅薄冷空气及雷暴冷出流的共同作用下，偏北气流不断在雷暴前沿触发新生单体。(3) 弱冷锋型的芜湖暴雨系统发展较稳定，雷达回波变化慢，没有显著的单体新生和合并现象，容易进行预报；上海局地暖区暴雨系统尺度小、对流性强，雷达回波生消变化快、出现单体新生和合并的复杂情况，临近预报难度大。
- 冷锋暴雨 /
- 暖区暴雨 /
- X波段相控阵阵列天气雷达 /
- 中小尺度结构 /
- 三维风场
Abstract: Heavy rainfall prediction is challenging because different trigger mechanisms and atmospheric conditions lead to different evolution processes. Based on X-band phased array antenna weather radar (XPAR) data and S-band dual-polarization Doppler weather radar (SPOL) data, this paper compares two local heavy rainfall events that occurred in Wuhu on June 5, 2022, and in Shanghai on June 29, 2022 to explore the spatial variations of reflectivity factor and wind field during the development of the two heavy rainfall processes, with an emphasis on the convective evolution of the Shanghai storm. The results show that: (1) The heavy rainfall in Wuhu occurred under a cold-frontal weather background, triggered by the southward-moving cold front and the low-level shear line, which was a weak cold front rainstorm. In contrast, the short-term heavy rainfall in Shanghai was a rainstorm process within the warmsector. It resulted from a weak synoptic-scale disturbance, where shallow cold air intrusion from thesurface interacted with warm-moist air to form a mesoscale convergence belt, thereby triggering theconvection. (2) During Wuhu rainfall, a small-scale meridional vertical circulation in the warm-moist air ahead of the cold front provided updrafts for the heavy rainfall. During the process of convective rainfall in Shanghai, due to the intrusion of shallow cold air near the surface air and the cold outflow of the thunderstorm, new cells were triggered intermittently by the northernly air in front of the thunderstorm. (3) The weak cold front type of rainstorm system in Wuhu was stable, varies slowly, with no obvious cell initiation or merging, so the rainstorm development is easy to predict. As for the local warm sector heavy rainfall in Shanghai, it is difficult to forecast the development because of its small scale, strong convection, rapid evolution with new convective cell initiation, merging and dissipation.
- cold-front heavy rain /
- warm sector heavy rainfall /
- XPAR /
- meso-small scale structure /
- three-dimensional wind field

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图 1 上海(a)、芜湖(b)的XPAR和SPOL布局图

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图 2 2022年6月4日08时—5日08时安徽省(a)、6月29日07:00—16:30上海市(b)降雨量分布图(黄色三角为芜湖所在的位置)，6月5日03—04时芜湖地区(c)、6月29日13—14时上海地区(d)1 h降水分布图

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图 3 2022年6月5日03时500 hPa(a)、850 hPa(b)，29日08时500 hPa(c)、850 hPa(d)天气形势场

蓝色三角、蓝色圆分别为芜湖和上海所在的位置，红色单实线为槽线、双实线为切变线，红色箭头为低空急流，蓝色实线为588 dagpm线。

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图 4 2022年6月29日13:00华东雷达拼图(a)、地面自动站2 min平均风场(b)、FY-2E可见光云图(c)

红色箭头为强对流的运动方向, 红色单实线为地面风场辐合线。

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图 5 2022年6月5日03:00(a)、03:30(b)、04:00(c)芜湖地区的组合反射率因子图

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图 6 2022年6月29日12:00—15:00组合反射率因子演变图

a. 12:16；b. 12:30；c. 12:48；d. 13:08；e. 13:28；f. 13:36；g. 13:48；h. 14:06；i. 14:34。

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图 7 2022年 6月 29日上海雷暴发展演变过程图

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图 8 2022年6月5日03时芜湖0.1 km高度处强度融合场和水平风场叠加图(a)，03时合肥SPOL 0.5 °仰角的径向速度图(b)，03时在芜湖地区沿经线(c)、纬线(d)做强度场、流场的垂直剖面图

黑色虚线为剖线的位置。

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图 9 2022年6月29日12:48 0.1 km(a1)、2.3 km(a2)、3.1 km(a3)高度处的强度融合场和水平风场叠加图，12:48西南部回波沿经线做强度场的垂直剖面图(b)，12:48中部回波沿经线(c)、纬线(d)做强度场、流场的垂直剖面图，12:48东北部回波沿经线做强度场、流场的垂直剖面图(e)

白色箭头指示风场运动的方向，黑色虚线为剖线的位置，蓝色虚线为强回波的位置；(c)~(e)中下标1表示强度场，2表示流场。

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图 10 2022年6月29日13:04 SPOL 0.5 °仰角的强度场

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图 11 2022年6月29日13:04在5.1 km高度处强度场与水平风场叠加图(a)，沿经线做强度场(b)、流场(c)的垂直剖面图

箭头表示气流的运动方向，黑色虚线为剖线的位置，蓝色虚线为强回波后的位置。

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图 12 2022年6月29日13:08(a)、13:28(b)沿经线做强度场的垂直剖面图，(c)~(d)与(a)~(b)相同，但表示流场

黑色虚线为剖线的位置，蓝色虚线为强回波后的位置。

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表 1 XPAR主要技术指标

名称	主要技术指标
技术体制	全固态、全相参、一维相控阵、多普勒
工作频段	X波段
收发子阵间距	20~60 km
距离分辨率	30 m
俯仰/方位波束宽度	1.6 °
强度	15~70dBZ
速度	-32~32 m·s^-1
谱宽	0~16 m·s^-1
天线扫描范围(方位)及方式	0 °~360 °(机械扫描）
天线扫描范围(俯仰)及方式	0°~90°(电扫描）
数据时差	5 s(方位360 °，俯仰90 °)
体扫时间	60s(方位360 °，俯仰90°)
天线口径	1.2 mx1.2 m
发射峰值功率	不小于320 W
脉冲宽度	40, 10 μs
噪声系数	3 dB

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表 2 两次暴雨过程的主要天气特征

天气特征		芜湖暴雨过程	上海暴雨过程
暴雨类型		弱冷锋暴雨	局地暖区暴雨
水汽条件		整层接近饱和	上干下湿
不稳定条件	CAPE/(J·kg^-1)	478.5	1 342.4
	CIN/(J·kg^-1)	44.7	0
	SI/℃	-1.53	-0.89
	LI/℃	-1.03	-2.98
冷空气影响方式		直接	间接
动力触发机制		冷锋锋生	地面中尺度辐合线

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