基于陣列天氣雷達(dá)的下?lián)舯┝骰夭ㄑ葑兎治?/h1>
2021-01-09 06:46:18李方平馬舒慶甄小瓊呂寺煒
干旱氣象 2020年6期
李方平，馬舒慶，楊 玲，甄小瓊，呂寺煒
(1.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；3.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029；4.中國氣象局大氣探測重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225；5.雷象科技(北京)有限公司，北京 100089)
引 言
下?lián)舯┝魇菑?qiáng)對流風(fēng)暴發(fā)展到鼎盛階段，風(fēng)暴云中的下沉氣流達(dá)到一定強(qiáng)度，短時(shí)間內(nèi)迅速到達(dá)地面并產(chǎn)生強(qiáng)烈風(fēng)切變，從而造成嚴(yán)重局地災(zāi)害的一種天氣現(xiàn)象，嚴(yán)重影響飛機(jī)的升降安全。目前國內(nèi)對于各種對流天氣的研究數(shù)據(jù)主要來自于業(yè)務(wù)觀測雷達(dá)[1-10]，而大多數(shù)業(yè)務(wù)雷達(dá)無法對下?lián)舯┝鬟@種小尺度局地風(fēng)暴進(jìn)行精細(xì)監(jiān)測和精準(zhǔn)預(yù)警。下?lián)舯┝鞯难芯块_始于雷達(dá)探測到的鉤狀回波，其首次研究總結(jié)了下沉氣流主要會產(chǎn)生的幾種強(qiáng)風(fēng)切變類型[11-12]。目前常用于識別預(yù)警下?lián)舯┝靼l(fā)生的幾個(gè)主要特征，包括近地面輻散、中層徑向輻合、快速下降的反射率因子核及反射率槽口等[13-17]。
近年來，為深入了解下?lián)舯┝鞯纳麢C(jī)理，國內(nèi)外開始使用S波段、C波段、X波段雙偏振雷達(dá)和移動(dòng)多普勒雷達(dá)等不同觀測手段對風(fēng)暴的發(fā)展進(jìn)行觀測，并分析其發(fā)展的微物理過程及低空風(fēng)的結(jié)構(gòu)與演變[18-20]，但風(fēng)暴出流迅速，5 min掃描間隔無法對風(fēng)暴體進(jìn)行精細(xì)采樣[21]。因此，高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)對全面認(rèn)識小尺度天氣系統(tǒng)，如下?lián)舯┝鞯陌l(fā)展與變化有重要意義[22-23]。相控陣天線具有快速掃描能力，能夠獲取高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)，因此相控陣技術(shù)被逐漸應(yīng)用到氣象領(lǐng)域，并開始用于觀測和預(yù)報(bào)快速發(fā)展的局部暴雨[24-25]。
2018年湖南宜通華盛技術(shù)有限公司在長沙黃花機(jī)場布設(shè)了包括3個(gè)相控陣收發(fā)子陣的陣列天氣雷達(dá)[26]，并開始了外場觀測試驗(yàn)。目的是研究高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)在觀測小尺度天氣系統(tǒng)方面的特點(diǎn)，能快速精準(zhǔn)地觀測到短時(shí)局地災(zāi)害性天氣，并進(jìn)行有效預(yù)防。本文主要分析了2018年2次對流性降水過程，利用長沙黃花機(jī)場陣列天氣雷達(dá)的高時(shí)空分辨率探測數(shù)據(jù)對下?lián)舯┝鬟M(jìn)行分析。以單位面積等效勢能釋放比指標(biāo)為基礎(chǔ)[27]，并結(jié)合機(jī)場預(yù)警信息，利用機(jī)場自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助驗(yàn)證，詳細(xì)分析了下?lián)舯┝鞯难葑冞^程，為利用陣列天氣雷達(dá)對短時(shí)局地災(zāi)害性天氣識別和預(yù)警奠定基礎(chǔ)。
1 陣列天氣雷達(dá)簡介
陣列天氣雷達(dá)是分布式、高度協(xié)同的相控陣天氣雷達(dá)，由至少3個(gè)相控陣收發(fā)子陣和中央控制數(shù)據(jù)處理中心組成，可通過增加收發(fā)子陣擴(kuò)大探測區(qū)域[26]，圖1為陳列天氣雷達(dá)分布示意圖。本文研究所使用的雷達(dá)是中國氣象局氣象探測中心設(shè)計(jì)研發(fā)的X波段陣列天氣雷達(dá)，由3個(gè)收發(fā)子陣組成。單個(gè)收發(fā)子陣采用相控陣一維相掃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垂直覆蓋0°～90°仰角范圍。其中，3個(gè)收發(fā)子陣掃描范圍交叉部分，即圖1(a)中黃色區(qū)域部分，稱為三維精細(xì)探測區(qū)(簡稱“精細(xì)探測區(qū)”)，每3個(gè)相鄰收發(fā)子陣可構(gòu)成一個(gè)精細(xì)探測區(qū)，如圖1(b)中三角形區(qū)域。在每個(gè)精細(xì)探測區(qū)中，可生成三維風(fēng)場數(shù)據(jù)，且反射率因子和徑向速度資料時(shí)差最大為2 s，可為短時(shí)強(qiáng)對流天氣過程的分析及預(yù)報(bào)提供詳細(xì)的流場信息和高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)支持。
圖1 陣列天氣雷達(dá)分布示意圖Fig.1 Diagram of array weather radar distribution
多普勒雷達(dá)探測模式完成一次體掃的時(shí)間為6 min，探測距離遠(yuǎn)，探測精度隨著探測距離的增加而減小。而下?lián)舯┝髯R別算法的檢測能力在很大程度上取決于對流深度[28]。由于較遠(yuǎn)距離的淺對流天氣過程采樣較難，目前多采取多個(gè)雷達(dá)聯(lián)合觀測方案，以提高時(shí)間分辨率并填補(bǔ)雷達(dá)間的數(shù)據(jù)空隙。陣列天氣雷達(dá)采用多個(gè)相控陣掃描技術(shù)的雷達(dá)協(xié)同觀測，提高資料時(shí)間分辨率的同時(shí)也提高了資料的空間分辨率。表1列出X波段陣列天氣雷達(dá)與X波段相控陣天氣雷達(dá)[25]主要技術(shù)參數(shù)對比。
表1 陣列天氣雷達(dá)與X波段相控陣?yán)走_(dá)主要技術(shù)參數(shù)對比Tab.1 Comparison of main technical parameters of X-band array weather radar and X-band phased array radar
2 資料與方法
2.1 資 料
陣列天氣雷達(dá)探測到的2次天氣過程，分別為2018年5月20日的一次下?lián)舯┝鬟^程和2018年8月1日的一次對流型降水過程。結(jié)合機(jī)場地面自動(dòng)站數(shù)據(jù)對5月20日下?lián)舯┝鞯纳^程進(jìn)行分析，對8月1日降水過程前期生長階段進(jìn)行分析。黃花機(jī)場架設(shè)的陣列天氣雷達(dá)及機(jī)場自動(dòng)氣象站分布如圖2所示，其中36L為西跑道南自動(dòng)站(28.18°N、113.22°E)，18R為西跑道北自動(dòng)站(28.20°N、113.22°E)，18L為東跑道北自動(dòng)站(28.21°N、113.22°E)，36R為東跑道南自動(dòng)站(28.19°N、113.23°E)。
2.2 下?lián)舯┝黝A(yù)警方法
下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生與回波單體的反射率因子大小及強(qiáng)回波核心高度的變化有緊密聯(lián)系，下沉氣流對回波發(fā)展的加速作用以及降水核心的拖拽作用是強(qiáng)對流活動(dòng)發(fā)生或發(fā)展的重要原因[29]；而產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)暴體核心高度比普通雷暴的反射率因子核心更高[30]；羅輝等[27]提出強(qiáng)回波中心的變化與風(fēng)暴體的能量變化緊密相關(guān)，并以此定義了單位面積等效勢能來代表風(fēng)暴能量的變化情況，提出以相鄰體掃時(shí)間內(nèi)單位面積等效勢能的變化來監(jiān)測下?lián)舯┝鞯淖兓?，具體公式如下：
圖2 長沙黃花機(jī)場陣列天氣雷達(dá)及自動(dòng)氣象站分布Fig.2 The distribution of array weather radar and automatic meteorological stations at Changsha Huanghua Airport
(1)
式中：E(kg·km-1)為單位面積等效勢能；i為距離庫數(shù)；Zi(dBZ)為雷達(dá)回波反射率因子，且Zi>45 dBZ；hi(km)為Zi所在高度；Vi(km3)為有效照射體積；Si(km2)為回波投影面積；陣列天氣雷達(dá)水平波束寬度和垂直波束寬度相等，故有效照射體積Vi可近似為[31]：
(2)
式中：L(km)是雷達(dá)發(fā)射脈沖的長度；L/2(km)為有效照射深度；Ri(km)為對應(yīng)距離庫反射率因子到雷達(dá)的距離；θi(°)為波束寬度；對應(yīng)庫投影面積Si可近似計(jì)算為[27]：
Si=(2Rib+1)θi
(3)
式中：b(km)為雷達(dá)距離分辨率，由于多普勒雷達(dá)距離分辨率較大，投影面積近似計(jì)算誤差較小。而陣列天氣雷達(dá)距離分辨率為30 m，近似計(jì)算累計(jì)誤差較大，為減小計(jì)算陣列天氣雷達(dá)回波投影面積的累計(jì)誤差，假設(shè)庫投影面積為：
(4)
由于單位面積等效勢能的釋放可以預(yù)警下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生[27]，釋放量為前一時(shí)刻的單位面積等效勢能E1減去該時(shí)刻的單位面積等效勢能E2，單位面積等效勢能的釋放比ERR(energy release ratio)為：
(5)
單位面積等效勢能的釋放比為正值表示風(fēng)暴強(qiáng)回波中心減弱，負(fù)值則表示強(qiáng)回波中心增強(qiáng)，釋放比的大小表征風(fēng)暴體在單位時(shí)間內(nèi)強(qiáng)回波中心變化的劇烈程度，釋放比大，則表明風(fēng)暴在該時(shí)刻發(fā)生了迅速且劇烈的變化。
3 結(jié)果分析
3.1 個(gè)例一
2018年5月20日17:07(北京時(shí)，下同)黃花機(jī)場發(fā)布預(yù)警信息：受北面5～10 km處對流云團(tuán)影響，已出現(xiàn)干雷暴天氣，同時(shí)機(jī)場西面45 km處有一小片對流云團(tuán)發(fā)展，以30 km·h-1的速度向東移動(dòng)。17:41陣列天氣雷達(dá)觀測到機(jī)場西面距離約13.5 km處的1號強(qiáng)回波(圖3)，高度在0 ℃層附近，表明該風(fēng)暴單體的強(qiáng)回波中心已開始形成，回波最大截面面積約10 km2，其最大反射率因子53 dBZ，以平均徑向速度8 m·s-1向東北方向移動(dòng)，并開始上下伸展。同一時(shí)刻，距離1號回波4 km處的2號回波已發(fā)展成熟并向東移動(dòng)。18:02，2號回波開始呈絮帶狀發(fā)展且中層向1號回波靠近，并持續(xù)向東移動(dòng)，1號回波中層(1.8～3.7 km)開始形成強(qiáng)回波中心，最大反射率因子超過60 dBZ。18:05，1號回波到達(dá)機(jī)場上方，2號回波與1號回波部分合并。18:08，對流云間的碰并增長形成3號新風(fēng)暴，增強(qiáng)且快速發(fā)展至11.4 km，最大截面面積達(dá)50 km2，降水核心降至近地面，機(jī)場溫度下降，18L站開始觀測到降水，持續(xù)約20 min。
地面自動(dòng)站數(shù)據(jù)在下?lián)舯┝靼l(fā)生前后有明顯變化，對下?lián)舯┝鞯姆治鲅芯坑惺种匾淖饔肹32]，圖4為此次過程長沙機(jī)場地面自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)。可以看出，18:08在3號回波強(qiáng)中心降至近地面時(shí)，18L處風(fēng)速上升至8 m·s-1，說明此時(shí)陣風(fēng)正面通過了該自動(dòng)站[32]，隨后地面站探測到降水量增大，隨著降水強(qiáng)度的增加，溫度下降，露點(diǎn)溫度上升，最大風(fēng)速為8.4 m·s-1，表明空氣開始慢慢飽和，回波釋放能量較少，引起風(fēng)速變化也較小。在下?lián)舯┝靼l(fā)生的前2 min，下降的溫度出現(xiàn)短暫上升，同時(shí)，
圖3 2018年5月20日黃花機(jī)場雷達(dá)0.0°仰角基本反射率因子(上)、9.8°仰角基本反射率因子(中)及反射率因子垂直剖面(下)(單位：dBZ)(距離圈為5 km，下同，綠色方框?yàn)闄C(jī)場位置)Fig.3 The basic reflectivity on 0.0° elevation (the top), 9.8° elevation (the middle) and vertical sections of reflectivity (the bottom) on 20 May 2018 detected by the radar of Huanghua Airport (Unit: dBZ)(The distance between two range rings is 5 km, the same as below, the green box is the airport location)
露點(diǎn)溫度短暫下降，這可能是云體內(nèi)部的下沉氣流從頂部夾帶快速移動(dòng)的、濕度小的冷空氣，增大了下沉氣流中的蒸發(fā)所致。18:08，持續(xù)降水致使露點(diǎn)溫度再次快速上升1.3 ℃，大氣壓強(qiáng)上升1.59 hPa，溫度持續(xù)下降，表明下沉氣流已經(jīng)到達(dá)地面[32]，在本次降水過程中，18L和18R站累計(jì)觀測降水量分別為9.4、8.1 mm。18:15，4個(gè)自動(dòng)站的風(fēng)向同時(shí)出現(xiàn)劇烈變化，其中36R站探測資料變化最劇烈，氣壓上升1.5 hPa，峰值風(fēng)速第一次急劇增加4.2 m·s-1，第二次急劇增加6.6 m·s-1。站點(diǎn)36R在18:22瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到最大值11.6 m·s-1，溫度下降1.2 ℃。36L和36R站未測到降水，露點(diǎn)溫度變化并不劇烈。
近地面輻散和中層徑向輻合是下?lián)舯┝髯铒@著的特征[33]。圖5為5月20日風(fēng)暴過程的徑向速度及其垂直剖面。可以看出，18:02回波頂高9.4 km，反射率因子核心(>60 dBZ)高度約3 km，在3.5 km處觀察到明顯的中層徑向輻合，近地面還未出現(xiàn)輻散，輻合層高度1.6 km，最高輻合層高度4.2 km。18:09在5 km處開始形成成熟的反射率因子核心，近地面出現(xiàn)明顯輻散特征，表明降水過程中的下沉氣流已經(jīng)到達(dá)地面，與地面自動(dòng)站18L觀測到降水時(shí)間一致，同時(shí)，18L站地面風(fēng)速開始上升，回波最大徑向速度8 m·s-1。18:16下沉氣流到達(dá)地面后，風(fēng)暴體并沒有消亡的趨勢，22.5°仰角可以看到中層開始有空氣流入，形成輻合型反氣旋，加劇了本次過程的發(fā)展。風(fēng)暴前側(cè)的回波頂高快速發(fā)展至13.4 km，并在6～7 km處形成成熟的反射率因子核心，最大回波強(qiáng)度63 dBZ。18:20，中層正、負(fù)速度對相差35 m·s-1，輻合程度最大，近地面徑向速度最大26 m·s-1，2 min后36L站風(fēng)速達(dá)最大為11.6 m·s-1，影響范圍較小，18L與18R未探測到風(fēng)速的明顯變化。此后風(fēng)暴頂部開始慢慢下降，18:26地面風(fēng)恢復(fù)正常，回波反射率因子核心消散，單體繼續(xù)向東移動(dòng)并逐漸消失。
由于地面自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)間隔為1 min，為便于與雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，選取5月20日18:00—18:40的逐分鐘雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算單位面積等效勢能及其釋放比(ERR)，圖6為回波頂高(ET)、單位面積等效勢能及其釋放比的逐分鐘變化?？梢钥闯?，18:02單位面積等效勢能的釋放比為26.4%，隨后露點(diǎn)溫度開始上升，地面相對濕度增加。18:09回波頂高13.4 km，釋放比為35.8%，地面自動(dòng)站開始觀測到降水，氣壓上升，下沉氣流到達(dá)地面，風(fēng)速增加，回波頂高有短暫的下降。18:16回波中層形成成熟的反射率因子核心，地面風(fēng)速快速增加。18:22風(fēng)速達(dá)到最大，單位面積等效勢能的釋放比為21.6%，18:26釋放比為45.1%，但回波單位面積等效勢能較低，影響范圍有限，且回波已偏離機(jī)場8 km以外，機(jī)場地面自動(dòng)氣象站未探測到地面風(fēng)速的劇烈變化，隨后風(fēng)暴體回波中心已開始消散，過程結(jié)束。此次過程從自動(dòng)氣象站首次觀測到地面風(fēng)速產(chǎn)生劇烈變化開始，到地面風(fēng)速恢復(fù)，共持續(xù)約25 min。根據(jù)相鄰體掃數(shù)據(jù)間的釋放比為30%時(shí)預(yù)警下?lián)舯┝靼l(fā)生[27]，本文采取單位時(shí)間內(nèi)釋放比作為指標(biāo)，在地面風(fēng)速達(dá)峰值前，陣列天氣雷達(dá)可提前13 min給出預(yù)警信息。
圖4 2018年5月20日18:00—18:40長沙黃花機(jī)場自動(dòng)氣象站氣象要素逐分鐘變化Fig.4 The minutely variation of meteorological factors from automatic meteorological station at Changsha Huanghua Airport from 18:00 BST to 18:40 BST on May 20, 2018
圖5 2018年5月20日黃花機(jī)場雷達(dá)0.0°仰角徑向速度(上)、22.5°仰角徑向速度(中)及徑向速度垂直剖面(下)(單位：m·s-1)Fig.5 The radial velocity on 0.0° elevation (the top), 22.5° elevation (the middle) and vertical sections of radial velocity (the bottom) on 20 May 2018 from the radar of Huanghua Airport (Unit: m·s-1)
圖6 2018年5月20日18:00—18:40回波頂高、回波單位面積等效勢能及其釋放比逐分鐘變化Fig.6 The minutely variation of the echo top height, equivalent potential energy per unit area of echo and its energy release ratio from 18:00 BST to 18:40 BST on May 20, 2018
3.2 個(gè)例二
2018年8月1日14:23機(jī)場預(yù)警信息顯示：長沙機(jī)場周圍30 km范圍內(nèi)有較強(qiáng)的孤立對流云團(tuán)發(fā)展，范圍10 km，云團(tuán)頂高12～14 km，回波穩(wěn)定移動(dòng)緩慢，強(qiáng)度持續(xù)增加。圖7為對流云團(tuán)每2 min同一高度的PPI圖的反射率因子和徑向速度，可以清楚地看到回波單體之間碰并增長的詳細(xì)過程。15:06雷達(dá)子陣1觀測到在距離機(jī)場30 km處有2塊獨(dú)立的對流云團(tuán)(4號回波、5號回波)正在相互靠近，最大反射率因子64 dBZ，最大徑向速度8 m·s-1。15:08云團(tuán)均向東移動(dòng)，其中右下方云團(tuán)對流明顯，正負(fù)速度對差值14 m·s-1，回波整體移動(dòng)緩慢，在對流作用下向西北方向擴(kuò)散。15:10云團(tuán)間逐漸靠攏合并生成新的6號回波單體，對流區(qū)域沿著6號回波邊界向西北方向擴(kuò)散，對流加強(qiáng)，回波反射率因子核心高度保持在2～3 km的位置。15:12隨著回波面積的不斷擴(kuò)大，回波頂高上升至9 km，風(fēng)暴單體形成較明顯的反氣旋輻合特征，正負(fù)速度對差值18 m·s-1，輻合程度較小，且地面無明顯輻散現(xiàn)象。圖8為2018年8月1日15:10—15:30回波單位面積等效勢能及其釋放比逐分鐘變化?？梢钥闯觯摯芜^程單位面積等效勢能最大值107.46 kg·km-1，單位面積等效勢能的釋放比小于20%，地面無大風(fēng)，未形成下?lián)舯┝鳌?/p>
圖7 2018年8月1日黃花機(jī)場雷達(dá)15.5°仰角基本反射率因子(上，單位：dBZ)及徑向速度(下，單位：m·s-1)Fig.7 The basic reflectivity (the top, Unit: dBZ) and radial velocity (the bottom, Unit: m·s-1) on 15.5°elevation from the radar of Huanghua Airport on August 1, 2018
圖8 2018年8月1日15:10—15:30回波單位面積等效勢能及其釋放比逐分鐘變化Fig.8 The minutely variation of equivalent potential energy per unit area of echo and its energy release ratio from 15:10 BST to 15:30 BST on August 1, 2018
4 結(jié)論與討論
(1)2018年5月20日對流過程為一次下?lián)舯┝鬟^程，單位面積等效勢能釋放比超過30%，自動(dòng)氣象站各要素值變化明顯，地面最大風(fēng)速11.6 m·s-1，該次過程影響范圍有限，僅有2個(gè)地面自動(dòng)氣象站觀測到風(fēng)速風(fēng)向的劇烈變化。8月1日過程距離機(jī)場較遠(yuǎn)，且單位面積等效勢能釋放比較小，機(jī)場自動(dòng)氣象站未觀測到明顯變化。
(2)5月20日過程與8月1日過程風(fēng)暴單體最大反射率因子均超過60 dBZ，且單體間的碰并增長形成了新的單體，增強(qiáng)且加速了新回波的發(fā)展。但中層冷空氣的進(jìn)入導(dǎo)致5月20日過程風(fēng)暴體形成了明顯的徑向輻合，使回波進(jìn)一步生長，回波頂高度達(dá)14.8 km。
(3)5月20日過程風(fēng)暴單體18:09冷空氣進(jìn)入氣團(tuán)，回波中層形成氣旋，開始了垂直方向生長，反射率因子核心第一次下降，地面開始降水，單站風(fēng)速增加，近地面回波開始出現(xiàn)輻散特征。18:15所有自動(dòng)氣象站風(fēng)向開始突變，降水的下沉氣流引起風(fēng)速第一次上升，自動(dòng)氣象站溫度下降，露點(diǎn)溫度增加。此時(shí)，大氣壓強(qiáng)開始增加，下?lián)舯┝鞯膹?qiáng)下沉氣流到達(dá)地面，夾帶的大量濕冷空氣，使溫度持續(xù)下降，露點(diǎn)溫度上升。風(fēng)速持續(xù)上升，18:22風(fēng)速增至最大。
陣列天氣雷達(dá)在監(jiān)測短時(shí)對流型天氣過程時(shí)，可提供高時(shí)空分辨率的探測數(shù)據(jù)，包括反射率因子和徑向速度等，可以清晰展示強(qiáng)降水在短時(shí)間內(nèi)的變化特征以及對流云團(tuán)間碰并增長過程的細(xì)節(jié)，為研究短時(shí)強(qiáng)對流天氣過程的生消機(jī)理提供了高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)支持，可提高對短時(shí)強(qiáng)降水引起的氣象災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警能力。
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李方平，馬舒慶，楊 玲，甄小瓊，呂寺煒
(1.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；3.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029；4.中國氣象局大氣探測重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225；5.雷象科技(北京)有限公司，北京 100089)
引 言
下?lián)舯┝魇菑?qiáng)對流風(fēng)暴發(fā)展到鼎盛階段，風(fēng)暴云中的下沉氣流達(dá)到一定強(qiáng)度，短時(shí)間內(nèi)迅速到達(dá)地面并產(chǎn)生強(qiáng)烈風(fēng)切變，從而造成嚴(yán)重局地災(zāi)害的一種天氣現(xiàn)象，嚴(yán)重影響飛機(jī)的升降安全。目前國內(nèi)對于各種對流天氣的研究數(shù)據(jù)主要來自于業(yè)務(wù)觀測雷達(dá)[1-10]，而大多數(shù)業(yè)務(wù)雷達(dá)無法對下?lián)舯┝鬟@種小尺度局地風(fēng)暴進(jìn)行精細(xì)監(jiān)測和精準(zhǔn)預(yù)警。下?lián)舯┝鞯难芯块_始于雷達(dá)探測到的鉤狀回波，其首次研究總結(jié)了下沉氣流主要會產(chǎn)生的幾種強(qiáng)風(fēng)切變類型[11-12]。目前常用于識別預(yù)警下?lián)舯┝靼l(fā)生的幾個(gè)主要特征，包括近地面輻散、中層徑向輻合、快速下降的反射率因子核及反射率槽口等[13-17]。
近年來，為深入了解下?lián)舯┝鞯纳麢C(jī)理，國內(nèi)外開始使用S波段、C波段、X波段雙偏振雷達(dá)和移動(dòng)多普勒雷達(dá)等不同觀測手段對風(fēng)暴的發(fā)展進(jìn)行觀測，并分析其發(fā)展的微物理過程及低空風(fēng)的結(jié)構(gòu)與演變[18-20]，但風(fēng)暴出流迅速，5 min掃描間隔無法對風(fēng)暴體進(jìn)行精細(xì)采樣[21]。因此，高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)對全面認(rèn)識小尺度天氣系統(tǒng)，如下?lián)舯┝鞯陌l(fā)展與變化有重要意義[22-23]。相控陣天線具有快速掃描能力，能夠獲取高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)，因此相控陣技術(shù)被逐漸應(yīng)用到氣象領(lǐng)域，并開始用于觀測和預(yù)報(bào)快速發(fā)展的局部暴雨[24-25]。
2018年湖南宜通華盛技術(shù)有限公司在長沙黃花機(jī)場布設(shè)了包括3個(gè)相控陣收發(fā)子陣的陣列天氣雷達(dá)[26]，并開始了外場觀測試驗(yàn)。目的是研究高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)在觀測小尺度天氣系統(tǒng)方面的特點(diǎn)，能快速精準(zhǔn)地觀測到短時(shí)局地災(zāi)害性天氣，并進(jìn)行有效預(yù)防。本文主要分析了2018年2次對流性降水過程，利用長沙黃花機(jī)場陣列天氣雷達(dá)的高時(shí)空分辨率探測數(shù)據(jù)對下?lián)舯┝鬟M(jìn)行分析。以單位面積等效勢能釋放比指標(biāo)為基礎(chǔ)[27]，并結(jié)合機(jī)場預(yù)警信息，利用機(jī)場自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助驗(yàn)證，詳細(xì)分析了下?lián)舯┝鞯难葑冞^程，為利用陣列天氣雷達(dá)對短時(shí)局地災(zāi)害性天氣識別和預(yù)警奠定基礎(chǔ)。
1 陣列天氣雷達(dá)簡介
陣列天氣雷達(dá)是分布式、高度協(xié)同的相控陣天氣雷達(dá)，由至少3個(gè)相控陣收發(fā)子陣和中央控制數(shù)據(jù)處理中心組成，可通過增加收發(fā)子陣擴(kuò)大探測區(qū)域[26]，圖1為陳列天氣雷達(dá)分布示意圖。本文研究所使用的雷達(dá)是中國氣象局氣象探測中心設(shè)計(jì)研發(fā)的X波段陣列天氣雷達(dá)，由3個(gè)收發(fā)子陣組成。單個(gè)收發(fā)子陣采用相控陣一維相掃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垂直覆蓋0°～90°仰角范圍。其中，3個(gè)收發(fā)子陣掃描范圍交叉部分，即圖1(a)中黃色區(qū)域部分，稱為三維精細(xì)探測區(qū)(簡稱“精細(xì)探測區(qū)”)，每3個(gè)相鄰收發(fā)子陣可構(gòu)成一個(gè)精細(xì)探測區(qū)，如圖1(b)中三角形區(qū)域。在每個(gè)精細(xì)探測區(qū)中，可生成三維風(fēng)場數(shù)據(jù)，且反射率因子和徑向速度資料時(shí)差最大為2 s，可為短時(shí)強(qiáng)對流天氣過程的分析及預(yù)報(bào)提供詳細(xì)的流場信息和高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)支持。
圖1 陣列天氣雷達(dá)分布示意圖Fig.1 Diagram of array weather radar distribution
多普勒雷達(dá)探測模式完成一次體掃的時(shí)間為6 min，探測距離遠(yuǎn)，探測精度隨著探測距離的增加而減小。而下?lián)舯┝髯R別算法的檢測能力在很大程度上取決于對流深度[28]。由于較遠(yuǎn)距離的淺對流天氣過程采樣較難，目前多采取多個(gè)雷達(dá)聯(lián)合觀測方案，以提高時(shí)間分辨率并填補(bǔ)雷達(dá)間的數(shù)據(jù)空隙。陣列天氣雷達(dá)采用多個(gè)相控陣掃描技術(shù)的雷達(dá)協(xié)同觀測，提高資料時(shí)間分辨率的同時(shí)也提高了資料的空間分辨率。表1列出X波段陣列天氣雷達(dá)與X波段相控陣天氣雷達(dá)[25]主要技術(shù)參數(shù)對比。
表1 陣列天氣雷達(dá)與X波段相控陣?yán)走_(dá)主要技術(shù)參數(shù)對比Tab.1 Comparison of main technical parameters of X-band array weather radar and X-band phased array radar
2 資料與方法
2.1 資 料
陣列天氣雷達(dá)探測到的2次天氣過程，分別為2018年5月20日的一次下?lián)舯┝鬟^程和2018年8月1日的一次對流型降水過程。結(jié)合機(jī)場地面自動(dòng)站數(shù)據(jù)對5月20日下?lián)舯┝鞯纳^程進(jìn)行分析，對8月1日降水過程前期生長階段進(jìn)行分析。黃花機(jī)場架設(shè)的陣列天氣雷達(dá)及機(jī)場自動(dòng)氣象站分布如圖2所示，其中36L為西跑道南自動(dòng)站(28.18°N、113.22°E)，18R為西跑道北自動(dòng)站(28.20°N、113.22°E)，18L為東跑道北自動(dòng)站(28.21°N、113.22°E)，36R為東跑道南自動(dòng)站(28.19°N、113.23°E)。
2.2 下?lián)舯┝黝A(yù)警方法
下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生與回波單體的反射率因子大小及強(qiáng)回波核心高度的變化有緊密聯(lián)系，下沉氣流對回波發(fā)展的加速作用以及降水核心的拖拽作用是強(qiáng)對流活動(dòng)發(fā)生或發(fā)展的重要原因[29]；而產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)暴體核心高度比普通雷暴的反射率因子核心更高[30]；羅輝等[27]提出強(qiáng)回波中心的變化與風(fēng)暴體的能量變化緊密相關(guān)，并以此定義了單位面積等效勢能來代表風(fēng)暴能量的變化情況，提出以相鄰體掃時(shí)間內(nèi)單位面積等效勢能的變化來監(jiān)測下?lián)舯┝鞯淖兓?，具體公式如下：
圖2 長沙黃花機(jī)場陣列天氣雷達(dá)及自動(dòng)氣象站分布Fig.2 The distribution of array weather radar and automatic meteorological stations at Changsha Huanghua Airport
(1)
式中：E(kg·km-1)為單位面積等效勢能；i為距離庫數(shù)；Zi(dBZ)為雷達(dá)回波反射率因子，且Zi>45 dBZ；hi(km)為Zi所在高度；Vi(km3)為有效照射體積；Si(km2)為回波投影面積；陣列天氣雷達(dá)水平波束寬度和垂直波束寬度相等，故有效照射體積Vi可近似為[31]：
(2)
式中：L(km)是雷達(dá)發(fā)射脈沖的長度；L/2(km)為有效照射深度；Ri(km)為對應(yīng)距離庫反射率因子到雷達(dá)的距離；θi(°)為波束寬度；對應(yīng)庫投影面積Si可近似計(jì)算為[27]：
Si=(2Rib+1)θi
(3)
式中：b(km)為雷達(dá)距離分辨率，由于多普勒雷達(dá)距離分辨率較大，投影面積近似計(jì)算誤差較小。而陣列天氣雷達(dá)距離分辨率為30 m，近似計(jì)算累計(jì)誤差較大，為減小計(jì)算陣列天氣雷達(dá)回波投影面積的累計(jì)誤差，假設(shè)庫投影面積為：
(4)
由于單位面積等效勢能的釋放可以預(yù)警下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生[27]，釋放量為前一時(shí)刻的單位面積等效勢能E1減去該時(shí)刻的單位面積等效勢能E2，單位面積等效勢能的釋放比ERR(energy release ratio)為：
(5)
單位面積等效勢能的釋放比為正值表示風(fēng)暴強(qiáng)回波中心減弱，負(fù)值則表示強(qiáng)回波中心增強(qiáng)，釋放比的大小表征風(fēng)暴體在單位時(shí)間內(nèi)強(qiáng)回波中心變化的劇烈程度，釋放比大，則表明風(fēng)暴在該時(shí)刻發(fā)生了迅速且劇烈的變化。
3 結(jié)果分析
3.1 個(gè)例一
2018年5月20日17:07(北京時(shí)，下同)黃花機(jī)場發(fā)布預(yù)警信息：受北面5～10 km處對流云團(tuán)影響，已出現(xiàn)干雷暴天氣，同時(shí)機(jī)場西面45 km處有一小片對流云團(tuán)發(fā)展，以30 km·h-1的速度向東移動(dòng)。17:41陣列天氣雷達(dá)觀測到機(jī)場西面距離約13.5 km處的1號強(qiáng)回波(圖3)，高度在0 ℃層附近，表明該風(fēng)暴單體的強(qiáng)回波中心已開始形成，回波最大截面面積約10 km2，其最大反射率因子53 dBZ，以平均徑向速度8 m·s-1向東北方向移動(dòng)，并開始上下伸展。同一時(shí)刻，距離1號回波4 km處的2號回波已發(fā)展成熟并向東移動(dòng)。18:02，2號回波開始呈絮帶狀發(fā)展且中層向1號回波靠近，并持續(xù)向東移動(dòng)，1號回波中層(1.8～3.7 km)開始形成強(qiáng)回波中心，最大反射率因子超過60 dBZ。18:05，1號回波到達(dá)機(jī)場上方，2號回波與1號回波部分合并。18:08，對流云間的碰并增長形成3號新風(fēng)暴，增強(qiáng)且快速發(fā)展至11.4 km，最大截面面積達(dá)50 km2，降水核心降至近地面，機(jī)場溫度下降，18L站開始觀測到降水，持續(xù)約20 min。
地面自動(dòng)站數(shù)據(jù)在下?lián)舯┝靼l(fā)生前后有明顯變化，對下?lián)舯┝鞯姆治鲅芯坑惺种匾淖饔肹32]，圖4為此次過程長沙機(jī)場地面自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)。可以看出，18:08在3號回波強(qiáng)中心降至近地面時(shí)，18L處風(fēng)速上升至8 m·s-1，說明此時(shí)陣風(fēng)正面通過了該自動(dòng)站[32]，隨后地面站探測到降水量增大，隨著降水強(qiáng)度的增加，溫度下降，露點(diǎn)溫度上升，最大風(fēng)速為8.4 m·s-1，表明空氣開始慢慢飽和，回波釋放能量較少，引起風(fēng)速變化也較小。在下?lián)舯┝靼l(fā)生的前2 min，下降的溫度出現(xiàn)短暫上升，同時(shí)，
圖3 2018年5月20日黃花機(jī)場雷達(dá)0.0°仰角基本反射率因子(上)、9.8°仰角基本反射率因子(中)及反射率因子垂直剖面(下)(單位：dBZ)(距離圈為5 km，下同，綠色方框?yàn)闄C(jī)場位置)Fig.3 The basic reflectivity on 0.0° elevation (the top), 9.8° elevation (the middle) and vertical sections of reflectivity (the bottom) on 20 May 2018 detected by the radar of Huanghua Airport (Unit: dBZ)(The distance between two range rings is 5 km, the same as below, the green box is the airport location)
露點(diǎn)溫度短暫下降，這可能是云體內(nèi)部的下沉氣流從頂部夾帶快速移動(dòng)的、濕度小的冷空氣，增大了下沉氣流中的蒸發(fā)所致。18:08，持續(xù)降水致使露點(diǎn)溫度再次快速上升1.3 ℃，大氣壓強(qiáng)上升1.59 hPa，溫度持續(xù)下降，表明下沉氣流已經(jīng)到達(dá)地面[32]，在本次降水過程中，18L和18R站累計(jì)觀測降水量分別為9.4、8.1 mm。18:15，4個(gè)自動(dòng)站的風(fēng)向同時(shí)出現(xiàn)劇烈變化，其中36R站探測資料變化最劇烈，氣壓上升1.5 hPa，峰值風(fēng)速第一次急劇增加4.2 m·s-1，第二次急劇增加6.6 m·s-1。站點(diǎn)36R在18:22瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到最大值11.6 m·s-1，溫度下降1.2 ℃。36L和36R站未測到降水，露點(diǎn)溫度變化并不劇烈。
近地面輻散和中層徑向輻合是下?lián)舯┝髯铒@著的特征[33]。圖5為5月20日風(fēng)暴過程的徑向速度及其垂直剖面。可以看出，18:02回波頂高9.4 km，反射率因子核心(>60 dBZ)高度約3 km，在3.5 km處觀察到明顯的中層徑向輻合，近地面還未出現(xiàn)輻散，輻合層高度1.6 km，最高輻合層高度4.2 km。18:09在5 km處開始形成成熟的反射率因子核心，近地面出現(xiàn)明顯輻散特征，表明降水過程中的下沉氣流已經(jīng)到達(dá)地面，與地面自動(dòng)站18L觀測到降水時(shí)間一致，同時(shí)，18L站地面風(fēng)速開始上升，回波最大徑向速度8 m·s-1。18:16下沉氣流到達(dá)地面后，風(fēng)暴體并沒有消亡的趨勢，22.5°仰角可以看到中層開始有空氣流入，形成輻合型反氣旋，加劇了本次過程的發(fā)展。風(fēng)暴前側(cè)的回波頂高快速發(fā)展至13.4 km，并在6～7 km處形成成熟的反射率因子核心，最大回波強(qiáng)度63 dBZ。18:20，中層正、負(fù)速度對相差35 m·s-1，輻合程度最大，近地面徑向速度最大26 m·s-1，2 min后36L站風(fēng)速達(dá)最大為11.6 m·s-1，影響范圍較小，18L與18R未探測到風(fēng)速的明顯變化。此后風(fēng)暴頂部開始慢慢下降，18:26地面風(fēng)恢復(fù)正常，回波反射率因子核心消散，單體繼續(xù)向東移動(dòng)并逐漸消失。
由于地面自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)間隔為1 min，為便于與雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，選取5月20日18:00—18:40的逐分鐘雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算單位面積等效勢能及其釋放比(ERR)，圖6為回波頂高(ET)、單位面積等效勢能及其釋放比的逐分鐘變化?？梢钥闯?，18:02單位面積等效勢能的釋放比為26.4%，隨后露點(diǎn)溫度開始上升，地面相對濕度增加。18:09回波頂高13.4 km，釋放比為35.8%，地面自動(dòng)站開始觀測到降水，氣壓上升，下沉氣流到達(dá)地面，風(fēng)速增加，回波頂高有短暫的下降。18:16回波中層形成成熟的反射率因子核心，地面風(fēng)速快速增加。18:22風(fēng)速達(dá)到最大，單位面積等效勢能的釋放比為21.6%，18:26釋放比為45.1%，但回波單位面積等效勢能較低，影響范圍有限，且回波已偏離機(jī)場8 km以外，機(jī)場地面自動(dòng)氣象站未探測到地面風(fēng)速的劇烈變化，隨后風(fēng)暴體回波中心已開始消散，過程結(jié)束。此次過程從自動(dòng)氣象站首次觀測到地面風(fēng)速產(chǎn)生劇烈變化開始，到地面風(fēng)速恢復(fù)，共持續(xù)約25 min。根據(jù)相鄰體掃數(shù)據(jù)間的釋放比為30%時(shí)預(yù)警下?lián)舯┝靼l(fā)生[27]，本文采取單位時(shí)間內(nèi)釋放比作為指標(biāo)，在地面風(fēng)速達(dá)峰值前，陣列天氣雷達(dá)可提前13 min給出預(yù)警信息。
圖4 2018年5月20日18:00—18:40長沙黃花機(jī)場自動(dòng)氣象站氣象要素逐分鐘變化Fig.4 The minutely variation of meteorological factors from automatic meteorological station at Changsha Huanghua Airport from 18:00 BST to 18:40 BST on May 20, 2018
圖5 2018年5月20日黃花機(jī)場雷達(dá)0.0°仰角徑向速度(上)、22.5°仰角徑向速度(中)及徑向速度垂直剖面(下)(單位：m·s-1)Fig.5 The radial velocity on 0.0° elevation (the top), 22.5° elevation (the middle) and vertical sections of radial velocity (the bottom) on 20 May 2018 from the radar of Huanghua Airport (Unit: m·s-1)
圖6 2018年5月20日18:00—18:40回波頂高、回波單位面積等效勢能及其釋放比逐分鐘變化Fig.6 The minutely variation of the echo top height, equivalent potential energy per unit area of echo and its energy release ratio from 18:00 BST to 18:40 BST on May 20, 2018
3.2 個(gè)例二
2018年8月1日14:23機(jī)場預(yù)警信息顯示：長沙機(jī)場周圍30 km范圍內(nèi)有較強(qiáng)的孤立對流云團(tuán)發(fā)展，范圍10 km，云團(tuán)頂高12～14 km，回波穩(wěn)定移動(dòng)緩慢，強(qiáng)度持續(xù)增加。圖7為對流云團(tuán)每2 min同一高度的PPI圖的反射率因子和徑向速度，可以清楚地看到回波單體之間碰并增長的詳細(xì)過程。15:06雷達(dá)子陣1觀測到在距離機(jī)場30 km處有2塊獨(dú)立的對流云團(tuán)(4號回波、5號回波)正在相互靠近，最大反射率因子64 dBZ，最大徑向速度8 m·s-1。15:08云團(tuán)均向東移動(dòng)，其中右下方云團(tuán)對流明顯，正負(fù)速度對差值14 m·s-1，回波整體移動(dòng)緩慢，在對流作用下向西北方向擴(kuò)散。15:10云團(tuán)間逐漸靠攏合并生成新的6號回波單體，對流區(qū)域沿著6號回波邊界向西北方向擴(kuò)散，對流加強(qiáng)，回波反射率因子核心高度保持在2～3 km的位置。15:12隨著回波面積的不斷擴(kuò)大，回波頂高上升至9 km，風(fēng)暴單體形成較明顯的反氣旋輻合特征，正負(fù)速度對差值18 m·s-1，輻合程度較小，且地面無明顯輻散現(xiàn)象。圖8為2018年8月1日15:10—15:30回波單位面積等效勢能及其釋放比逐分鐘變化?？梢钥闯觯摯芜^程單位面積等效勢能最大值107.46 kg·km-1，單位面積等效勢能的釋放比小于20%，地面無大風(fēng)，未形成下?lián)舯┝鳌?/p>
圖7 2018年8月1日黃花機(jī)場雷達(dá)15.5°仰角基本反射率因子(上，單位：dBZ)及徑向速度(下，單位：m·s-1)Fig.7 The basic reflectivity (the top, Unit: dBZ) and radial velocity (the bottom, Unit: m·s-1) on 15.5°elevation from the radar of Huanghua Airport on August 1, 2018
圖8 2018年8月1日15:10—15:30回波單位面積等效勢能及其釋放比逐分鐘變化Fig.8 The minutely variation of equivalent potential energy per unit area of echo and its energy release ratio from 15:10 BST to 15:30 BST on August 1, 2018
4 結(jié)論與討論
(1)2018年5月20日對流過程為一次下?lián)舯┝鬟^程，單位面積等效勢能釋放比超過30%，自動(dòng)氣象站各要素值變化明顯，地面最大風(fēng)速11.6 m·s-1，該次過程影響范圍有限，僅有2個(gè)地面自動(dòng)氣象站觀測到風(fēng)速風(fēng)向的劇烈變化。8月1日過程距離機(jī)場較遠(yuǎn)，且單位面積等效勢能釋放比較小，機(jī)場自動(dòng)氣象站未觀測到明顯變化。
(2)5月20日過程與8月1日過程風(fēng)暴單體最大反射率因子均超過60 dBZ，且單體間的碰并增長形成了新的單體，增強(qiáng)且加速了新回波的發(fā)展。但中層冷空氣的進(jìn)入導(dǎo)致5月20日過程風(fēng)暴體形成了明顯的徑向輻合，使回波進(jìn)一步生長，回波頂高度達(dá)14.8 km。
(3)5月20日過程風(fēng)暴單體18:09冷空氣進(jìn)入氣團(tuán)，回波中層形成氣旋，開始了垂直方向生長，反射率因子核心第一次下降，地面開始降水，單站風(fēng)速增加，近地面回波開始出現(xiàn)輻散特征。18:15所有自動(dòng)氣象站風(fēng)向開始突變，降水的下沉氣流引起風(fēng)速第一次上升，自動(dòng)氣象站溫度下降，露點(diǎn)溫度增加。此時(shí)，大氣壓強(qiáng)開始增加，下?lián)舯┝鞯膹?qiáng)下沉氣流到達(dá)地面，夾帶的大量濕冷空氣，使溫度持續(xù)下降，露點(diǎn)溫度上升。風(fēng)速持續(xù)上升，18:22風(fēng)速增至最大。
陣列天氣雷達(dá)在監(jiān)測短時(shí)對流型天氣過程時(shí)，可提供高時(shí)空分辨率的探測數(shù)據(jù)，包括反射率因子和徑向速度等，可以清晰展示強(qiáng)降水在短時(shí)間內(nèi)的變化特征以及對流云團(tuán)間碰并增長過程的細(xì)節(jié)，為研究短時(shí)強(qiáng)對流天氣過程的生消機(jī)理提供了高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)支持，可提高對短時(shí)強(qiáng)降水引起的氣象災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警能力。
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