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C波段多普勒雷達(dá)對重力波探測與分析

2012-12-25 09:38安英玉張云峰王承偉
黑龍江氣象 2012年1期
關(guān)鍵詞:仰角振幅哈爾濱

安英玉,張云峰,王承偉

(1.黑龍江省人工影響天氣辦公室,黑龍江哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象臺,黑龍江哈爾濱 150030)

C波段多普勒雷達(dá)對重力波探測與分析

安英玉1,張云峰1,王承偉2

(1.黑龍江省人工影響天氣辦公室,黑龍江哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象臺,黑龍江哈爾濱 150030)

2005年4月19日19-22時,哈爾濱雷達(dá)站觀測到重力波結(jié)構(gòu),本文主要利用新一代多普勒天氣雷達(dá)速度場資料對本次過程的重力波結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在本次重力波發(fā)生發(fā)展過程中,徑向速度在水平方向上表現(xiàn)為正負(fù)速度交替分布的特征;垂直速度在水平方向上平均高度1 100 m以下是上升、下沉氣流交替分布,垂直方向上的氣流有時是與垂直方向成一定角度的;重力波波長約為5 km,相速約為10 m/s,周期約為8 min,最大振幅約為1.3 km,波動最多有8個位相。重力波的波相傳播方向與波能傳播方向相同,且與環(huán)境風(fēng)場的方向相同。影響本次重力波發(fā)生發(fā)展的動力因子主要有700 hPa的低空急流、地面到高空強(qiáng)烈的垂直風(fēng)切變以及鋒面。另外重力波對層狀云降水有一定的促進(jìn)作用。

雷達(dá);重力波;徑向速度

1 引言

重力波是流體在重力作用下產(chǎn)生的一種波動。在大氣中重力波發(fā)生的頻譜很廣,周期、波長、移速差別大,從周期10 min,氣壓振幅僅10 hPa的高頻波到周期為幾小時,氣壓振幅達(dá)幾hPa的大振幅波。重力波又可分移動性和靜止性。重力波發(fā)展的條件是Ri<0.25即層結(jié)穩(wěn)定度大,風(fēng)的垂直切變大的地區(qū)容易產(chǎn)生重力波,不少實(shí)際分析也表明,一些大振幅的重力波經(jīng)常發(fā)生在低層穩(wěn)定層結(jié)明顯和高空風(fēng)切變同時存在的地區(qū)。波動的產(chǎn)生主要由高層風(fēng)的切變不穩(wěn)定,而強(qiáng)的低層靜力穩(wěn)定度主要是增強(qiáng)重力波的地面氣壓振幅[1]。

重力波是形成許多中尺度天氣現(xiàn)象的重要因素[2-3]。很早Tepper就認(rèn)為鋒前產(chǎn)生的強(qiáng)對流天氣的颮線是重力慣性波;Riehl[4]也指出,臺風(fēng)中的螺旋雨帶是大氣中的一類重力內(nèi)波。它是中尺度系統(tǒng)(如臺風(fēng))的主要波動,也是斜壓調(diào)整過程中,非地轉(zhuǎn)風(fēng)向地轉(zhuǎn)風(fēng)適應(yīng),非熱成風(fēng)向熱成風(fēng)適應(yīng)的主要機(jī)制。在70年代,Bosart[5],Eom[6]等人就研究過與強(qiáng)烈天氣有關(guān)聯(lián)的大振幅重力波系統(tǒng);Uccellini[7]給出了一個有關(guān)重力波與雷暴之間因果關(guān)系的詳細(xì)實(shí)例分析;李麥村[2-3]得出重力波在條件不穩(wěn)定大氣中可以是發(fā)動暴雨的一種機(jī)制,在理論上估計了暴雨團(tuán)移動的速度和中高低壓的強(qiáng)度等。在實(shí)際的天氣過程中,如颮線、冷鋒爆發(fā)冷涌、臺風(fēng)登陸、低空急流等許多系統(tǒng)中均有中尺度重力波出現(xiàn),它們與暴雨等強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象有著密切的關(guān)系[3,8-9]。

2005年4月19日19-22時哈爾濱雷達(dá)站觀測到重力波的結(jié)構(gòu)特征,由于重力波的觀測手段通常是微壓計或測風(fēng)雷達(dá),在測雨雷達(dá)上還未見有重力波的觀測特征,因此我們對測雨雷達(dá)觀測到的重力波波動情況進(jìn)行分析,通過對降水實(shí)況、天氣形勢以及雷達(dá)速度場分析其結(jié)構(gòu)特征,用提取出的雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料反演出垂直速度,分析重力波的垂直結(jié)構(gòu)特征,最后試圖找出影響重力波的動力學(xué)因子。

2 降水實(shí)況

本次過程降水以層狀云連續(xù)性降水為主,雨量及雨強(qiáng)比較均勻。19日在冷渦前部暖區(qū),哈爾濱及周邊地區(qū)6 h降水量均在5 mm以下,但是在重力波移過之后,在20日02時哈爾濱站的6 h降水量達(dá)到14 mm,此時的降水量就季節(jié)而言,屬于較大的降水。

表1 2005年4月19-20日哈爾濱及周邊地區(qū)6 h降水量統(tǒng)計表(mm)

3 天氣背景

3.1 高空形勢特征

4月19日08 時歐亞大陸中高緯度為兩脊一渦的形勢,影響黑龍江省的主要天氣系統(tǒng)是位于貝加爾湖與黑龍江省之間的冷渦,該冷渦的溫度場落后于高度場,由于北部有極地南下的冷空氣不斷的補(bǔ)充,南部有西南暖濕氣流帶來充分的水汽,使冷渦不斷加強(qiáng)并逐漸東移,19日20時哈爾濱站受東北冷渦前部影響,在極地南下冷空氣與西南暖濕氣流的配合下,哈爾濱市普降小到中雨,降雨范圍較大,持續(xù)時間較長。

哈爾濱站的風(fēng)向從東南轉(zhuǎn)南偏西轉(zhuǎn)西南,存在明顯的高低層的垂直風(fēng)切變,風(fēng)向隨高度順時針旋轉(zhuǎn),說明哈爾濱站存在暖平流。

在19日20時400 hPa和700 hPa全風(fēng)速場與高空觀測場(圖略)中可看出,在700 hPa等壓面圖上從朝鮮半島到黑龍江省的中北部地區(qū)存在低空急流,在400 hPa等壓面上從內(nèi)蒙到黑龍江省的西南部存在高空急流。在垂直剖面上從低空到高空向后傾斜,急流的方向均為西南急流。

3.2 地面流場特征

與高空冷渦相配合的是地面蒙古氣旋,該氣旋不斷東移并進(jìn)入黑龍江省,19日20時哈爾濱站為東南風(fēng),位于冷渦的前部。19日20時哈爾濱降小雨,6 h降雨量4 mm;20日02時哈爾濱6 h降雨量達(dá)14 mm。

地面氣壓場17時哈爾濱站的地面氣壓為1 009.1 hPa,20時的地面氣壓為1 007.1 hPa,3 h的氣壓降低2 hPa。3.3探空曲線分析

19日08 時在950~800 hPa存在一個低空逆溫層,20時風(fēng)的垂直切變較強(qiáng),從950 hPa的東南風(fēng)14 m/s到700 hPa的西南風(fēng)-22 m/s,風(fēng)向風(fēng)速存在明顯的高低層切變。沙氏指數(shù)分別是4.0和4.5,SI>0,說明在08時和20時大氣層結(jié)穩(wěn)定度較大。

急流的存在、層結(jié)穩(wěn)定度大、較強(qiáng)的風(fēng)垂直切變是影響重力波發(fā)生發(fā)展的因素[11-13]之一。

4 雷達(dá)回波演變分析

4.1 重力波的徑向速度特征

重力波的傳播寬度是指重力波傳播過程中,重力波的展寬;傳播距離指重力波傳播時能觀測分析出的最前端與最后端的距離。文中所述波動的個數(shù)是指出現(xiàn)一個完整的正負(fù)速度交替的個數(shù)。

4.1.1 波動生成階段

本次過程的重力波在19時11分開始略顯特征,在0.5°仰角,方位180°~225°,距離0~30 km范圍內(nèi)出現(xiàn)了3對正負(fù)速度的波動。該波動不斷向東北方向移動,并且垂直向上發(fā)展,19時48分發(fā)展到6.0°仰角,位置在雷達(dá)中心處,波動已經(jīng)明顯形成,此時在0.5°仰角的波動達(dá)到10個,在1.5°仰角上達(dá)到8個波動,在2.4°仰角上明顯可見6個波動,在3.4°仰角上可見到5個波動,此時的波動的主體位于雷達(dá)的西南方向。

4.1.2 波動發(fā)展強(qiáng)盛階段

從形成明顯波動以后,該波動不僅向東北方向發(fā)展移動,在垂直方向上不斷發(fā)展,波動個數(shù)、傳播寬度以及傳播距離都不斷地增加,20時19分達(dá)到發(fā)展最強(qiáng)盛時刻,此時0.5°仰角為11個波動,傳播寬度延伸到35 km,傳播距離為70 km;1.5°仰角為7個波動,傳播寬度延伸到40 km,傳播距離為55 km;2.4°仰角為7個波動,傳播寬度延伸到50 km,傳播距離為50 km;3.4°仰角為6個波動,傳播寬度延伸到30 km,傳播距離為40 km。此時波動達(dá)到的個數(shù)最多,傳播寬度延伸最寬,傳播距離最大。

4.1.3 波動減弱消亡及弱波動再生階段

該波動繼續(xù)向東北方向移動,強(qiáng)度不斷減弱,波動個數(shù)、傳播寬度以及傳播距離不斷減小,直至消失。

在前一個主體波動消失后,21時52分0.5°仰角,方位0°~30°,距離雷達(dá)15~30 km處又有2個波動新生,但是波動很弱,很快就消散了。

4.2 重力波的相位移動速度分析

對重力波發(fā)展較為明顯的時刻19時37分,19時43分,19時48分,19時53分,19時58分,20時04分六個時次間隔5 min的1.5°仰角的速度圖像進(jìn)行分析。關(guān)注的區(qū)域?yàn)榉轿唤?80°~225°。比較19時37分與20時04分的相位移動,在25 min的時間內(nèi)移過了3個相位,那么1個相位移動的時間約等于8.3 min。

同時根據(jù)相位移動的距離分析相位移動的速度。在25 min的時間里有3個完整的相位移過同一位置,因此可以粗略的計算出相位移動的速度,即相速為10 m/s。

根據(jù)3個完整波動在25 min里移動了15 km,粗略的計算出一個完整的波動的波長為5 km。

5 垂直速度的反演

由于重力波是縱向的波動,將19時11分-20時40分雷達(dá)的徑向速度反演到垂直高度上,形成垂直速度。在水平方向上我們討論重力波的水平分布、能量傳播方向,在垂直方向上我們討論重力波的發(fā)展高度即振幅。

5.1 垂直速度的水平分布

將雷達(dá)的徑向速度反演為垂直速度,垂直速度是雷達(dá)徑向速度的垂直分量,規(guī)定負(fù)速度為下沉區(qū)域,正速度表示上升區(qū)域。由于本次降水主要是層狀云降水,垂直上升速度較小,因此在量級上規(guī)定的數(shù)據(jù)也較小。

重力波波動源于雷達(dá)站的西南方向,不斷增強(qiáng)并向偏北方向移動,在傳播到雷達(dá)站的偏北方向后,西南方向的波動逐漸減弱,偏北方向的波動不斷加強(qiáng),由此可見重力波的波相傳播方向是向著東北方向的,同時重力波的能量傳播也是向著東北方向的。由于重力波發(fā)生發(fā)展的高度較低,所以在重力波遠(yuǎn)離雷達(dá)站后,雷達(dá)的最低仰角(0.5°仰角)已經(jīng)觀測不到重力波的波動。

5.2 垂直速度的垂直結(jié)構(gòu)

本次過程,重力波的波動的主體范圍在距離雷達(dá)50 km以內(nèi),垂直高度伸展在1.5 km以下,因此為了圖像顯示出最明顯的特征,將反演的垂直速度的范圍定在了距離雷達(dá)站中心點(diǎn)的水平距離(S)50 km,距地面的垂直高度(H)1.5 km,在垂直方向上的間距為25 m。由于本次降水主要是層狀云降水,垂直上升速度較小,因此在量級上我們將量級定為10-1m/s。

在重力波初生階段,19時11分在穩(wěn)定的下沉氣流區(qū),出現(xiàn)重力波波動特征(圖略)。正速度的位置分別位于:水平距離0~3 km,高度350 m;水平距離7 km,高度275 m;水平距離24 km,高度400 m。而后正速度的范圍不斷擴(kuò)大,正負(fù)速度交替出現(xiàn)的現(xiàn)象愈加明顯。

19時37 分正速度到達(dá)的最大高度為1 475 m,并且在700 m以上的區(qū)域正速度明顯增強(qiáng),面積加大,上升氣流發(fā)生的很迅速,同時正負(fù)速度交替出現(xiàn)的現(xiàn)象更加明顯。在水平距離0~8 km,高度250~400 m的大部分區(qū)域均為正速度;在水平距離8~11 km,高度1 050 m以下的大部分區(qū)域?yàn)樨?fù)速度;在水平距離11~12 km,高度650~1 200 m的高度上大部分為正速度;水平距離12~15 km,高度1 300 m以下大部分區(qū)域?yàn)樨?fù)速度;水平距離15~17 km,高度1 250 m以下大部分為正速度。

19時37 分與前一時次相比較,在700~1 150 m高度的位置正速度更加集中,但是正速度所到達(dá)的位置有所降低,最高達(dá)到1 250 m,位于水平距離25 m處。此時正負(fù)速度出現(xiàn)5對交替的現(xiàn)象,即有5個相位的波動在此區(qū)域內(nèi)。振幅最高到達(dá)1 250 m。

20時04 分在哈爾濱雷達(dá)站的西南方向的波動減弱,逐漸向偏北方向移動,此時在西南方向有5個相位的波動,但是振幅明顯減弱,正速度所能到達(dá)的最大高度為900 m;在偏北方向已經(jīng)生成3個相位的波動,振幅最大為900 m。

經(jīng)過10 min的重力波相位的移動,20時14分在哈爾濱雷達(dá)站的偏北方向形成了5個相位的重力波波動(圖略)。振幅的最大高度為1 250 m。

20時19 分重力波在哈爾濱站的偏北方向仍然存在4個相位的波動(圖略)。在水平距離分別為4、8、15、18、22、26、29、33 km處,垂直高度在1 100 m以下的區(qū)域可以看到垂直速度分別是負(fù)、正、負(fù)、正、負(fù)、正、負(fù)、正。振幅最高為1 100 m。21時52分主體逐漸北移之后的重力波,又在水平距離15~50 km處出現(xiàn)重力波的波動,但又很快消散。

經(jīng)觀測和計算,在垂直方向上,本次過程的重力波平均振幅在1 100 m左右,最多同時出現(xiàn)8個完整的波動,波動的平均波長為5 km。

6 結(jié)論與討論

本文使用C波段新一代多普勒天氣雷達(dá)的基數(shù)據(jù)資料,利用Visual Basic 6.0和MATLAB工具對基數(shù)據(jù)中的徑向速度進(jìn)行提取,并反演出各個仰角上的垂直速度,以及分層垂直高度上的垂直速度,配合地面降水、高低空形勢場、物理量場的資料,對2005年4月19日19-22時哈爾濱雷達(dá)站觀測到的重力波結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

在本次重力波發(fā)生發(fā)展過程中,重力波的波動在水平方向上是正負(fù)速度交替出現(xiàn),重力波形成初期在低仰角上表現(xiàn)特征明顯,隨著發(fā)展,在垂直方向上迅速形成速度正負(fù)值交替出現(xiàn)的特征,因此重力波的發(fā)生發(fā)展的速度很快。

通過對反演的垂直速度分析,發(fā)現(xiàn)在垂直方向上重力波的表現(xiàn)特征是垂直氣流沿著水平方向的上升下沉氣流交替出現(xiàn)。

通過重力波的觀測特征可以計算出本次重力波的特征參量,波長約為5 km,相速約為10 m/s,周期約為8 min,整個過程中波動的最大振幅約為1.3 km,平均振幅為1.1 km,明顯觀測到完整的重力波波動最大為8個位相。

重力波的波相與波能傳播的方向在同一個方向,均是從哈爾濱雷達(dá)站的中心位置的西南方向向東北方向傳播,而且它們與環(huán)境風(fēng)場的方向相同。

哈爾濱站在觀測到重力波的時間段內(nèi),以層狀云降水為主,層結(jié)穩(wěn)定度大,700 hPa存在西南低空急流,風(fēng)的垂直切變較大,因此重力波在這樣的環(huán)境場中得以產(chǎn)生和發(fā)展。在本次層狀云降水過程中,高低空急流、鋒面以及緯度的共同作用是激發(fā)本次重力波發(fā)生發(fā)展的動力因子。

從降水實(shí)況上看重力波發(fā)生發(fā)展之前,哈爾濱站的6 h降水量為4 mm,在重力波移過之后,哈爾濱站的6 h降水量增加到14 mm,由此可以推斷波在本次降水過程中重力對暖區(qū)中的層狀云降水起到了一定的促進(jìn)作用。

在層狀云降水中探測到重力波只是個例,其特征參量只能說明本次重力波的特征,不具有代表性。文中只將徑向速度的垂直分量作為重力波垂直運(yùn)動的參考,對于切向速度的垂直分量因?yàn)椴痪邆浣M網(wǎng)觀測條件沒有考慮。

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P412.25

A

1002-252X(2012)01-0025-03

2011-12-6

安英玉(1981-),女,黑龍江省哈爾濱市人,南京信息工程大學(xué),碩士生,工程師.

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