楊 欣,于東良,胡怡帆

(1.民航東北空管局黑龍江分局,哈爾濱 150000;2.四平市氣象局,四平 136000)

0 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)以晴空大氣為探測(cè)對(duì)象,利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場(chǎng)等要素的探測(cè)。風(fēng)廓線雷達(dá)提供的風(fēng)場(chǎng)信息具有連續(xù)性強(qiáng)和時(shí)空分辨力高的特點(diǎn),可以發(fā)現(xiàn)不同探測(cè)高度上風(fēng)的變化,并根據(jù)風(fēng)的垂直廓線隨時(shí)間的變化探測(cè)到經(jīng)過(guò)測(cè)站上空不同尺度的天氣系統(tǒng)。因此,風(fēng)廓線雷達(dá)在暴雨、大霧、雷暴、冰雹等天氣預(yù)測(cè)中得到越來(lái)越廣泛應(yīng)用。

近年來(lái),專(zhuān)家學(xué)者利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)天氣過(guò)程和大氣結(jié)構(gòu)展開(kāi)了一系列的研究,得出了許多具有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論,并已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。阿不力米提江·阿布力克木等[1-5]利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析和總結(jié)了暴雨、暴雪、冰雹、霧霾等天氣過(guò)程;黃明策等[6]在利用兩類(lèi)雷達(dá)探測(cè)資料分析超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”登陸期間結(jié)構(gòu)演變特征時(shí)指出,風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)可以對(duì)臺(tái)風(fēng)不同部位經(jīng)過(guò)測(cè)站時(shí)的垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行直觀、精確的描述;汪學(xué)淵等[7]利用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)臺(tái)風(fēng)“蘇拉”登陸過(guò)程進(jìn)行研究,得出垂直速度、信噪比與降雨量變化趨勢(shì)一致的結(jié)論;施晨曉等[8]在研究風(fēng)廓線雷達(dá)資料在臺(tái)風(fēng)“電母”預(yù)報(bào)的應(yīng)用時(shí)指出垂直速度變化與臺(tái)風(fēng)降雨開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間及雨強(qiáng)的變化都有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。中國(guó)東北地區(qū)臺(tái)風(fēng)相較東南沿海較少,對(duì)臺(tái)風(fēng)的研究也相對(duì)較少,基于風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的研究近乎空白。

文章利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料,對(duì)2020-09-03/09-04發(fā)生在哈爾濱市的臺(tái)風(fēng)降水過(guò)程進(jìn)行研究,著重分析臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)資料的演變特征,為臺(tái)風(fēng)降水天氣的觀測(cè)和預(yù)報(bào)提供有益的技術(shù)支持。

1 風(fēng)廓線雷達(dá)主要技術(shù)性能和位置

哈爾濱太平國(guó)際機(jī)場(chǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“太平機(jī)場(chǎng)”)使用的是CFL-03型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)(表1),該雷達(dá)由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理、監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理6個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成,可對(duì)空中水平風(fēng)場(chǎng)和垂直氣流的廓線進(jìn)行全天時(shí)、全天候的測(cè)量。太平機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)采用5個(gè)波束,即4個(gè)與法線方向夾角約15°的斜波束和1個(gè)天頂(法線方向)波束,法線與4個(gè)斜波束分別在2個(gè)正交平面里,且兩兩對(duì)稱(chēng),由雷達(dá)控制器控制波束指向順序改變,天線波束指向的改變是通過(guò)改變移相器的相位實(shí)現(xiàn)的;風(fēng)廓線雷達(dá)按次序向每個(gè)波束指向發(fā)射電磁波并接收這個(gè)波束指向的大氣回波;通過(guò)測(cè)量每個(gè)波束指向回波的多普勒頻移,可以得到每個(gè)散射體積內(nèi)的徑向速度,從而反演出每個(gè)高度層的風(fēng)場(chǎng)信息。天線采用平板微帶天線,576個(gè)天線單元組成互相垂直的2個(gè)線陣組,每組24個(gè)線陣,當(dāng)電磁波從天線單元輻射出去時(shí),在空間產(chǎn)生相互干涉。

表1 CFL-03型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)主要性能參數(shù)

太平機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)位于機(jī)場(chǎng)跑道東南側(cè)(126°23′17″E,45°54′27″N),海拔44.4 m。

2 臺(tái)風(fēng)個(gè)例概況

臺(tái)風(fēng)“美莎克”于2020-08-28T15:00(北京時(shí),下同)在菲律賓呂宋島以東獲得命名,其先在原地回旋,隨后向偏北轉(zhuǎn)北偏西方向移動(dòng),移入東海東南部海面,并于9月1日05:00被中央氣象臺(tái)升級(jí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。此后“美莎克”逐漸向北偏東方向移動(dòng),強(qiáng)度趨于減弱,于9月3日01:30在韓國(guó)慶尚南道沿海登陸,登陸時(shí)中心最大風(fēng)力為14級(jí),隨后繼續(xù)北上。臺(tái)風(fēng)降水從9月3日05:39開(kāi)始影響太平機(jī)場(chǎng),至4日22:25結(jié)束,持續(xù)時(shí)間為41 h 46 min。累計(jì)降水量120.2 mm。9月3日11:00—20:00降水最密集,9月4日19:00—20:00降水量較大。

3 風(fēng)廓線雷達(dá)資料的應(yīng)用

3.1 水平風(fēng)矢量

根據(jù)水平風(fēng)風(fēng)向隨高度的變化可以判斷出大尺度的冷暖平流變化。當(dāng)風(fēng)向隨高度發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)表示有暖平流,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)則預(yù)示著有冷平流。根據(jù)水平風(fēng)垂直切變的大小可以判斷測(cè)站附近環(huán)境是否具有強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生的動(dòng)力條件。在研究臺(tái)風(fēng)天氣時(shí),利用風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)矢量資料,可以清楚地顯示臺(tái)風(fēng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了方便研究,將臺(tái)風(fēng)影響太平機(jī)場(chǎng)過(guò)程分為A,B,C 3個(gè)時(shí)間階段。A時(shí)間段為00:00—20:00,在此時(shí)間段內(nèi)太平機(jī)場(chǎng)開(kāi)始受臺(tái)風(fēng)外圍云系影響,風(fēng)速表現(xiàn)為先增大再減小,風(fēng)速范圍為20～32 m·s-1,整體風(fēng)速較大,從地面到高空,風(fēng)向依次為東北—偏東—東南;B時(shí)間段為20:00—23:00,為臺(tái)風(fēng)眼區(qū)影響階段,從地面到高空風(fēng)速先增大后減小,風(fēng)速范圍為4～14 m·s-1,整體風(fēng)速有減小的趨勢(shì),600 m以下風(fēng)向由偏北轉(zhuǎn)為西南,600～1500 m風(fēng)向由偏東轉(zhuǎn)為偏南最后轉(zhuǎn)為西南,1500 m以上風(fēng)向由東南轉(zhuǎn)為偏南最后轉(zhuǎn)為西南,說(shuō)明臺(tái)風(fēng)眼過(guò)境時(shí),風(fēng)向發(fā)生了逆轉(zhuǎn),并且風(fēng)向有從高空傳導(dǎo)到地面的過(guò)程;23:00后進(jìn)入C時(shí)間段,風(fēng)速又有一個(gè)逐漸增大的過(guò)程,仍然表現(xiàn)為從地面到高空,風(fēng)速先增大后減小,風(fēng)速范圍為16～28 m·s-1,從地面到高空均為西南風(fēng)。

以上分析說(shuō)明臺(tái)風(fēng)影響前后從低空到高空會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)天氣,臺(tái)風(fēng)眼影響期間風(fēng)速減小,這與臺(tái)風(fēng)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制有很高的一致性。

3.2 垂直速度

李妙英等[9]在利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析一次強(qiáng)降水天氣過(guò)程時(shí)指出,在晴朗的大氣狀態(tài)下垂直速度可以反映大氣的垂直運(yùn)動(dòng)速度。風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的垂直速度是大氣的垂直運(yùn)動(dòng)與云中粒子或降水粒子速度的和。正的徑向速度代表朝向風(fēng)廓線雷達(dá)的運(yùn)動(dòng),負(fù)的徑向速度代表遠(yuǎn)離風(fēng)廓線雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)。為了方便表述,用垂直速度代替徑向速度,正的垂直速度為上升運(yùn)動(dòng),負(fù)的垂直速度為下沉運(yùn)動(dòng)。古紅萍等[10]分析發(fā)現(xiàn),在降水情況發(fā)生時(shí),降水的開(kāi)始和結(jié)束可以通過(guò)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的大于4 m·s-1的垂直速度反映出來(lái),且垂直速度越大降水越強(qiáng)。

分析9月2—3日風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度資料可以得出,3日05:30開(kāi)始垂直速度有明顯的增大,與降水開(kāi)始時(shí)間對(duì)應(yīng)較好;06:30-19:30,整層垂直速度維持在4 m·s-1,降水較為強(qiáng)烈;19:30-22:00垂直速度明顯減小,降水也隨之減小,這與臺(tái)風(fēng)眼區(qū)移近有關(guān);22:00后,垂直速度減小為0～4 m·s-1,降水仍然維持,但強(qiáng)度較小,以間歇性降水為主。綜合分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于哈爾濱地區(qū),垂直速度在接近4 m·s-1時(shí)就可以反映出降水的開(kāi)始,且降水強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與垂直速度的變化趨勢(shì)一致。

3.3 信噪比

董保舉等[11]在研究風(fēng)廓線雷達(dá)在暴雨天氣過(guò)程特征分析中的應(yīng)用時(shí)指出,信噪比是雷達(dá)返回信號(hào)中氣象信號(hào)與噪聲信號(hào)之比,反映的是回波功率,信噪比越大對(duì)應(yīng)回波功率越強(qiáng)。楊引明等[12]分析發(fā)現(xiàn),風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的強(qiáng)信噪比與常規(guī)天氣雷達(dá)中的RHI產(chǎn)品相似,信噪比的強(qiáng)度也反映了降水的強(qiáng)度,大于40 dB的強(qiáng)信噪比的開(kāi)始和結(jié)束反映了降水的開(kāi)始和結(jié)束。陳紅玉等[13]在研究強(qiáng)降水過(guò)程風(fēng)廓線雷達(dá)資料的極值特征時(shí)發(fā)現(xiàn),風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的信噪比對(duì)降水的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的敏感程度比垂直速度更高,這是因?yàn)樵谟薪邓臈l件下,風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的垂直速度代表了空氣和雨滴兩者的垂直運(yùn)動(dòng)之和,而信噪比僅反映了雨滴產(chǎn)生的信號(hào)功率大小。

分析9月2—3日風(fēng)廓線雷達(dá)信噪比資料可知,3日06:30開(kāi)始整層的信噪比有增大的趨勢(shì);19:30之前,低層信噪比一直較大,其值范圍為25～40 dB,之后明顯減小;19:30開(kāi)始整層信噪比又呈增大的趨勢(shì),至22:30,信噪比開(kāi)始大幅度減小。通過(guò)分析可知:信噪比的變化趨勢(shì)與垂直速度的變化趨勢(shì)基本相同,兩者均能用于分析臺(tái)風(fēng)降水的起止時(shí)間和強(qiáng)度變化趨勢(shì),在臺(tái)風(fēng)眼影響期間降水強(qiáng)度減小,之后為間歇性降水。

3.4 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)主要取決于大氣濕度、大氣溫度及壓強(qiáng)。張征宇等[14]在利用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)一次強(qiáng)降水過(guò)程的探測(cè)研究時(shí)指出,大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化與降水的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束均有較好的相關(guān)性。黃興友等[15]在利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料反演雨滴譜和水汽通量時(shí)指出,在降水即將來(lái)臨時(shí),大氣高層的水汽含量增加,使大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)增大。大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)能夠作為一個(gè)很好的降水臨近預(yù)報(bào)指標(biāo),當(dāng)達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)時(shí),就意味著降水即將發(fā)生。

分析9月2—3日大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)資料后得出,降水發(fā)生前,即9月3日06:30前,高空大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)<-130 dB,降水期間維持在-120～-110 dB,說(shuō)明整層大氣增濕明顯;9月3日23:00后,大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)減小到-140 dB以下,之后繼續(xù)下降至-150～-120 dB,表明中高層大氣已經(jīng)被干空氣控制,低層仍有大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)在-130～-120 dB的區(qū)域?？梢?jiàn),中高層出現(xiàn)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)<-120 dB的時(shí)間與降水開(kāi)始時(shí)間一致,不僅能較好地反映出臺(tái)風(fēng)降水的開(kāi)始、結(jié)束和強(qiáng)度變化的演變特點(diǎn),也能反映出高空濕度變化情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章利用太平機(jī)場(chǎng)CFL-03邊界層風(fēng)廓線雷達(dá),對(duì)2020-09-03/09-04的臺(tái)風(fēng)降水過(guò)程進(jìn)行分析,表明風(fēng)廓線雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)降水起止時(shí)間和強(qiáng)度變化方面有指導(dǎo)性作用,并得到以下結(jié)論:

1)通過(guò)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)矢量資料,可以清楚地顯示臺(tái)風(fēng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),印證了臺(tái)風(fēng)影響前后從低空到高空會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)天氣,臺(tái)風(fēng)眼影響期間風(fēng)速減小,這與臺(tái)風(fēng)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制有很好的一致性;

2)對(duì)于哈爾濱地區(qū),垂直速度在接近4 m·s-1時(shí)就可以反映出降水的開(kāi)始,且降水強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與垂直速度的變化趨勢(shì)一致;

3)信噪比的變化趨勢(shì)與垂直速度的變化趨勢(shì)基本相同,兩者均能用于分析臺(tái)風(fēng)降水的起止時(shí)間和強(qiáng)度變化趨勢(shì),在臺(tái)風(fēng)眼影響期間降水強(qiáng)度減小,之后為間歇性降水;

4)中高層出現(xiàn)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)<-120 dB的時(shí)間與降水開(kāi)始時(shí)間一致,大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)不僅能較好地反映出臺(tái)風(fēng)降水的開(kāi)始、結(jié)束和強(qiáng)度變化的演變特點(diǎn),也能反映出高空濕度變化情況。

風(fēng)廓線雷達(dá)可以清楚地顯示臺(tái)風(fēng)降水過(guò)程的風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)及其變化特點(diǎn),直觀地反映風(fēng)場(chǎng)的變化特征,彌補(bǔ)了高空常規(guī)探測(cè)資料的不足,在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中體現(xiàn)出時(shí)空分辨力高、連續(xù)性強(qiáng)等特征,對(duì)中小尺度天氣、對(duì)流演變有預(yù)報(bào)意義。