C波段多普勒雷達(dá)對(duì)重力波探測(cè)與分析

安英玉，張?jiān)品?，王承?/p>

（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(tái)，黑龍江哈爾濱 150030）

C波段多普勒雷達(dá)對(duì)重力波探測(cè)與分析

安英玉1，張?jiān)品?，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(tái)，黑龍江哈爾濱 150030）

2005年4月19日19-22時(shí)，哈爾濱雷達(dá)站觀測(cè)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(chǎng)資料對(duì)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(shí)是與垂直方向成一定角度的；重力波波長(zhǎng)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(dòng)最多有8個(gè)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(chǎng)的方向相同。影響本次重力波發(fā)生發(fā)展的動(dòng)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(duì)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(dòng)。在大氣中重力波發(fā)生的頻譜很廣，周期、波長(zhǎng)、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(shí)，氣壓振幅達(dá)幾hPa的大振幅波。重力波又可分移動(dòng)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(shí)存在的地區(qū)。波動(dòng)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(duì)流天氣的颮線是重力慣性波；Riehl[4]也指出，臺(tái)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(tái)風(fēng)）的主要波動(dòng)，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(gè)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(dòng)暴雨的一種機(jī)制，在理論上估計(jì)了暴雨團(tuán)移動(dòng)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(tái)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(duì)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(shí)哈爾濱雷達(dá)站觀測(cè)到重力波的結(jié)構(gòu)特征，由于重力波的觀測(cè)手段通常是微壓計(jì)或測(cè)風(fēng)雷達(dá)，在測(cè)雨雷達(dá)上還未見有重力波的觀測(cè)特征，因此我們對(duì)測(cè)雨雷達(dá)觀測(cè)到的重力波波動(dòng)情況進(jìn)行分析，通過對(duì)降水實(shí)況、天氣形勢(shì)以及雷達(dá)速度場(chǎng)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(dòng)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(shí)哈爾濱站的6 h降水量達(dá)到14 mm，此時(shí)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(jì)表（mm）

3 天氣背景

3.1 高空形勢(shì)特征

4月19日08 時(shí)歐亞大陸中高緯度為兩脊一渦的形勢(shì)，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(chǎng)落后于高度場(chǎng)，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(shí)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(shí)間較長(zhǎng)。

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(shí)針旋轉(zhuǎn)，說明哈爾濱站存在暖平流。

在19日20時(shí)400 hPa和700 hPa全風(fēng)速場(chǎng)與高空觀測(cè)場(chǎng)（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(chǎng)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(shí)哈爾濱站為東南風(fēng)，位于冷渦的前部。19日20時(shí)哈爾濱降小雨，6 h降雨量4 mm；20日02時(shí)哈爾濱6 h降雨量達(dá)14 mm。

地面氣壓場(chǎng)17時(shí)哈爾濱站的地面氣壓為1 009.1 hPa，20時(shí)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(shí)在950～800 hPa存在一個(gè)低空逆溫層，20時(shí)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(shí)和20時(shí)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(shí)能觀測(cè)分析出的最前端與最后端的距離。文中所述波動(dòng)的個(gè)數(shù)是指出現(xiàn)一個(gè)完整的正負(fù)速度交替的個(gè)數(shù)。

4.1.1 波動(dòng)生成階段

本次過程的重力波在19時(shí)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(duì)正負(fù)速度的波動(dòng)。該波動(dòng)不斷向東北方向移動(dòng)，并且垂直向上發(fā)展，19時(shí)48分發(fā)展到6.0°仰角，位置在雷達(dá)中心處，波動(dòng)已經(jīng)明顯形成，此時(shí)在0.5°仰角的波動(dòng)達(dá)到10個(gè)，在1.5°仰角上達(dá)到8個(gè)波動(dòng)，在2.4°仰角上明顯可見6個(gè)波動(dòng)，在3.4°仰角上可見到5個(gè)波動(dòng)，此時(shí)的波動(dòng)的主體位于雷達(dá)的西南方向。

4.1.2 波動(dòng)發(fā)展強(qiáng)盛階段

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

4.1.3 波動(dòng)減弱消亡及弱波動(dòng)再生階段

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

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

4.2 重力波的相位移動(dòng)速度分析

對(duì)重力波發(fā)展較為明顯的時(shí)刻19時(shí)37分，19時(shí)43分，19時(shí)48分，19時(shí)53分，19時(shí)58分，20時(shí)04分六個(gè)時(shí)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(shí)37分與20時(shí)04分的相位移動(dòng)，在25 min的時(shí)間內(nèi)移過了3個(gè)相位，那么1個(gè)相位移動(dòng)的時(shí)間約等于8.3 min。

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

根據(jù)3個(gè)完整波動(dòng)在25 min里移動(dòng)了15 km，粗略的計(jì)算出一個(gè)完整的波動(dòng)的波長(zhǎng)為5 km。

5 垂直速度的反演

由于重力波是縱向的波動(dòng)，將19時(shí)11分-20時(shí)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(jí)上規(guī)定的數(shù)據(jù)也較小。

重力波波動(dòng)源于雷達(dá)站的西南方向，不斷增強(qiáng)并向偏北方向移動(dòng)，在傳播到雷達(dá)站的偏北方向后，西南方向的波動(dòng)逐漸減弱，偏北方向的波動(dòng)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(shí)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(cè)不到重力波的波動(dòng)。

5.2 垂直速度的垂直結(jié)構(gòu)

本次過程，重力波的波動(dòng)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(jí)上我們將量級(jí)定為10-1m/s。

在重力波初生階段，19時(shí)11分在穩(wěn)定的下沉氣流區(qū)，出現(xiàn)重力波波動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)37 分與前一時(shí)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(shí)正負(fù)速度出現(xiàn)5對(duì)交替的現(xiàn)象，即有5個(gè)相位的波動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)。振幅最高到達(dá)1 250 m。

20時(shí)04 分在哈爾濱雷達(dá)站的西南方向的波動(dòng)減弱，逐漸向偏北方向移動(dòng)，此時(shí)在西南方向有5個(gè)相位的波動(dòng)，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(gè)相位的波動(dòng)，振幅最大為900 m。

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

20時(shí)19 分重力波在哈爾濱站的偏北方向仍然存在4個(gè)相位的波動(dòng)（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(shí)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(dòng)，但又很快消散。

經(jīng)觀測(cè)和計(jì)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(shí)出現(xiàn)8個(gè)完整的波動(dòng)，波動(dòng)的平均波長(zhǎng)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(duì)基數(shù)據(jù)中的徑向速度進(jìn)行提取，并反演出各個(gè)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(shì)場(chǎng)、物理量場(chǎng)的資料，對(duì)2005年4月19日19-22時(shí)哈爾濱雷達(dá)站觀測(cè)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(dòng)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(duì)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(cè)特征可以計(jì)算出本次重力波的特征參量，波長(zhǎng)約為5 km，相速約為10 m/s，周期約為8 min，整個(gè)過程中波動(dòng)的最大振幅約為1.3 km，平均振幅為1.1 km，明顯觀測(cè)到完整的重力波波動(dòng)最大為8個(gè)位相。

重力波的波相與波能傳播的方向在同一個(gè)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(chǎng)的方向相同。

哈爾濱站在觀測(cè)到重力波的時(shí)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(chǎng)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(dòng)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(duì)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(cè)到重力波只是個(gè)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(dòng)的參考，對(duì)于切向速度的垂直分量因?yàn)椴痪邆浣M網(wǎng)觀測(cè)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.