基于激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的低空急流結(jié)構(gòu)特征研究

黎 倩，鄭佳鋒,2，朱克云*，張文玲，許皓琳，張 杰

(1.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院 高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225；2.中國(guó)氣象局 交通氣象重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,南京 210008；3.中國(guó)民航 青?？展芊志?氣象臺(tái)，西寧 810000)

引 言

低空急流通常是指在600hPa以下、風(fēng)速不小于12m/s、強(qiáng)而窄的氣流帶[1]，它與強(qiáng)對(duì)流、污染和航空安全等密切相關(guān)。低空急流為強(qiáng)對(duì)流天氣提供水汽輸送，影響污染物的擴(kuò)散，同時(shí)它帶來(lái)的風(fēng)速和風(fēng)向變化對(duì)飛機(jī)飛行具有嚴(yán)重威脅，因此利用激光雷達(dá)研究低空急流的垂直結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變特征，有利于提高航空飛行保障和災(zāi)害性天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)。

目前對(duì)于低空急流的研究主要集中在強(qiáng)對(duì)流、污染和結(jié)構(gòu)探測(cè)等方面。對(duì)于低空急流與強(qiáng)對(duì)流之間的關(guān)系，ZHOU等人[2]利用風(fēng)廓線雷達(dá)指出低空急流的下傳增強(qiáng)了風(fēng)場(chǎng)垂直切變，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)降水發(fā)生前1h～2h低空急流指數(shù)升高，在降水發(fā)生后指數(shù)迅速降低。ZHOU等人[3]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水日變化與低空急流日變化一致，夜間慣性振蕩導(dǎo)致急流增強(qiáng)，降水增強(qiáng)，而白天混合摩擦力增大導(dǎo)致急流減弱或消失，降水減弱。YANG等人[4]利用常規(guī)氣象資料發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水中心與低空急流核位置吻合，在垂直方向上高低空急流耦合作用明顯，有利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展增強(qiáng)。除了強(qiáng)對(duì)流以外，低空急流對(duì)空氣污染也有一定影響。LIU[5]利用歐洲中心再分析資料,研究表明,低空急流有利于上層動(dòng)量下傳，使得地面風(fēng)速增大，出現(xiàn)沙塵天氣。LIAO等人[6]利用風(fēng)廓線雷達(dá)和微波輻射計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，低空急流風(fēng)速增強(qiáng)導(dǎo)致大氣通風(fēng)量增大，使污染物濃度降低。在低空急流結(jié)構(gòu)研究中，BANTA等人[7]利用激光雷達(dá)資料發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定大氣中湍流向上產(chǎn)生向下傳輸?shù)奶卣鳎涂占绷鞲叨鹊淖兓瘜?dǎo)致了低空急流下方的剪切力的變化。CONANGLA等人[8]利用氣象塔資料分析發(fā)現(xiàn)，在低空急流高度上湍流是最弱的，低空急流上方存在較強(qiáng)的湍流。LI等人[9]利用系留氣艇探測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，斜坡地形產(chǎn)生的熱成風(fēng)、山谷風(fēng)可能是北京夏季夜間低空急流產(chǎn)生的主要原因。

由于探測(cè)設(shè)備的限制，對(duì)于低空急流的垂直結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變的探測(cè)研究還較少。2017年11月西寧曹家堡機(jī)場(chǎng)安裝了一部激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，該雷達(dá)時(shí)間分辨率和空間分辨率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以前的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備，有利于風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)的探測(cè)。西寧曹家堡機(jī)場(chǎng)位于青藏高原東北部祁連山脈東南的湟水流域，海拔高度為2160m[10]，三面環(huán)山，地形復(fù)雜，機(jī)場(chǎng)近地層風(fēng)場(chǎng)受地形影響非常大，夜間常出現(xiàn)低空急流。本文中基于西寧曹家堡機(jī)場(chǎng)的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)資料研究了2017-11-30T19:00～2017-12-01T06:00的低空急流垂直結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變特征，通過(guò)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演了溫度平流和湍流耗散率并分析了它們的特征。本文中的研究旨在利用高分辨率激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)揭示低空急流的結(jié)構(gòu)和變化，為飛機(jī)飛行安全保障和低空急流的研究提供重要基礎(chǔ)。

1 設(shè)備與資料

本文中采用的激光雷達(dá)是由西南技術(shù)物理研究所研制的一部全光纖、相干、多普勒脈沖體制雷達(dá)。該雷達(dá)具有體積小、重量輕、移植性好等特點(diǎn)。雷達(dá)通過(guò)發(fā)射激光脈沖，以大氣中直徑為100nm～1000nm大小的氣溶膠粒子作為探測(cè)目標(biāo)，根據(jù)大氣中氣溶膠顆粒隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)對(duì)激光信號(hào)產(chǎn)生的多普勒偏移來(lái)探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)信息[11]。雷達(dá)發(fā)射激光波長(zhǎng)為1.55μm，整機(jī)平均電功率為200W，探測(cè)距離超過(guò)3km，空間和時(shí)間分辨率分別為30m和2s。探測(cè)模式包括不同仰角全方位掃描的平面位置指示(plane position indicator,PPI)模式、固定方位上下俯仰掃描的量程高度指示(range height indicator,RHI)模式、仰角90°的風(fēng)廓線模式和一定方位范圍內(nèi)掃描的下滑道模式。雷達(dá)探測(cè)資料包括大氣風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速和風(fēng)向、垂直風(fēng)向和風(fēng)速以及信噪比等。雷達(dá)主要性能參量如表1所示。

Table 1 Main technical parameters of wind lidar

2 天氣背景分析

采用歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)中心再分析資料的位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)低空急流生效演變期間的天氣背景進(jìn)行分析。資料的時(shí)間分辨率為6h，空間分辨率為0.25°×0.25°。圖1為2017-11-30T20:00時(shí)500hPa和700hPa的天氣圖?？梢?jiàn)，在500hPa上歐亞大陸呈兩槽一脊環(huán)流形勢(shì)，在巴爾喀什湖西北方向有一低壓，不斷分裂短波槽，引導(dǎo)冷空氣南下，西寧在西北風(fēng)控制下，風(fēng)速達(dá)到16m/s，溫度平流較弱，在西寧以東有較強(qiáng)的高空急流。在700hPa上低壓穩(wěn)定少動(dòng)，西寧為偏南風(fēng)，風(fēng)速較小，高原有暖中心，西寧位于冷槽后。為了進(jìn)一步了解西寧上空大氣層的穩(wěn)定度和溫度、濕度等氣象要素特征，可參見(jiàn)圖2(2017-11-30T20:00時(shí)的溫度對(duì)數(shù)壓力圖)。由圖可知，大氣從低層到高層溫度露點(diǎn)差較大，表明大氣濕度較低，為干層結(jié)構(gòu)。在低空存在一個(gè)淺薄的逆溫層，厚度非常小。500hPa以下風(fēng)速較小，500hPa以上風(fēng)速隨高度逐漸增大，且風(fēng)隨著高度有輕微的順轉(zhuǎn)現(xiàn)象，反映了微弱的暖平流現(xiàn)象。大氣層對(duì)流有效位能和對(duì)流指數(shù)都表明大氣層為非常穩(wěn)定的層結(jié)。

Fig.1 Potential height field, wind field and temperature field at 2017-11-30T20:00 with 500hPa and 700hPa

Fig.2 Temperature logarithmic pressure map at 2017-11-30T20:00

3 低空急流發(fā)展演變和垂直結(jié)構(gòu)特征

2017-11-30-T19:00～2017-12-01T06:00期間，安裝于西寧曹家堡機(jī)場(chǎng)的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)探測(cè)到約11h的低空急流過(guò)程。圖3所示為激光雷達(dá)探測(cè)的水平風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間的高度變化。激光雷達(dá)清晰揭示出了低空急流在不同階段強(qiáng)弱和結(jié)構(gòu)的變化特點(diǎn)。低空急流于30日19:00移動(dòng)至雷達(dá)上空，19:00至次日01:30(階段一)，本站低空風(fēng)場(chǎng)主要受急流控制，次日01:30～06:00(階段二)，有西北弱冷空氣逐漸侵入本站，破壞了急流結(jié)構(gòu)。對(duì)于階段一，由于逆溫層的存在，阻礙了上下層動(dòng)量交換，使得在逆溫層頂形成了低空急流，由于地面強(qiáng)摩擦力的作用，白天混合層內(nèi)保持較強(qiáng)的次地轉(zhuǎn)分布，急流強(qiáng)度整體隨時(shí)間先加強(qiáng)后減弱，于20:40～21:50達(dá)到最強(qiáng)，出現(xiàn)了“大風(fēng)核”結(jié)構(gòu)，此時(shí)水平風(fēng)速達(dá)到最大。低空急流底部高度接近地面，頂部高度和厚度隨時(shí)間逐漸上升。在垂直結(jié)構(gòu)上，從地面往上，風(fēng)速先加強(qiáng)后減弱，強(qiáng)風(fēng)速帶明顯，急流內(nèi)部風(fēng)向變化不大較為均勻；但急流上部，風(fēng)向呈順轉(zhuǎn)趨勢(shì)，從偏東風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)，表明大氣層出現(xiàn)暖平流現(xiàn)象。第二階段，受到西北干冷氣流的侵入，逆溫層被破壞，大氣層結(jié)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定層結(jié)，急流強(qiáng)度隨時(shí)間進(jìn)一步減弱，急流結(jié)構(gòu)逐漸不明顯，無(wú)“大風(fēng)核”結(jié)構(gòu)，底部高度逐漸被抬升，但頂部高度基本維持不變，急流厚度逐漸減小。在垂直結(jié)構(gòu)上，急流風(fēng)速整體也呈現(xiàn)先遞增后遞減的變化，其下部的干冷氣團(tuán)風(fēng)速較低，急流下部出現(xiàn)了明顯的風(fēng)切變，上部風(fēng)向仍然均呈顯著的順轉(zhuǎn)變化，即帶來(lái)暖平流。

Fig.3 Change of the horizontal wind with time and altitude measured by lidar from 2017-11-30T19:00 to 2017-12-01T06:00

為進(jìn)一步分析急流結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化，圖4是同時(shí)刻水平風(fēng)隨高度的變化圖。圖中給出了從19:00～05:00每隔2h的風(fēng)速廓線，顯示了低空急流的發(fā)展演變過(guò)程。第一階段，在19:00，此時(shí)急流中心風(fēng)速為17m/s左右，急流厚度約為0.5km～0.9km，風(fēng)速隨高度增大-減小-增大，最大風(fēng)速差達(dá)到13m/s；在21:00，急流強(qiáng)度增強(qiáng)，風(fēng)速達(dá)到20m/s左右，急流核高度到1km～1.5km，厚度增加到1.2km左右，中心軸高度約0.7km左右;在23:00,急流中心風(fēng)速減小到17m/s，急流中心高度維持在0.8km～1.2km，急流厚度減小到0.4km～1km，急流以上風(fēng)速增大。第二階段，冷空氣入侵，急流消散，風(fēng)速遞減為4m/s～8m/s，下層風(fēng)速為2m/s～6m/s。

4 低空急流引起的溫度平流和湍流變化

溫度平流是指冷暖空氣水平運(yùn)動(dòng)引起的某些地區(qū)溫度降低或者升高的現(xiàn)象，是大規(guī)模天氣變化的重要原因[12-13]。根據(jù)熱成風(fēng)定理，當(dāng)某一層中風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流。本文中通過(guò)激光雷達(dá)風(fēng)廓線模式下探測(cè)的水平風(fēng)速和風(fēng)向，考慮標(biāo)準(zhǔn)大氣的特性以及大氣壓和溫度關(guān)系，反演得到了溫度平流，公式如下：

(1)

Fig.5 Temperature advection versus time and altitude from 2017-11-30T19:00 to 2017-12-01T06:00

湍流是指流體運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章、不同層次的流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生激烈的混合現(xiàn)象。流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡雜亂無(wú)章，其對(duì)應(yīng)的物理量也隨空間激烈變化。飛機(jī)遭遇湍流時(shí)會(huì)產(chǎn)生顛簸，飛機(jī)的飛行高度和角度都會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)飛機(jī)通常會(huì)脫離飛行員的控制。湍流耗散率是指在分子粘性作用下由湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為分子熱運(yùn)動(dòng)的速率，湍流速度在空間上隨機(jī)漲落，從而形成顯著的速度梯度，在分子粘性力作用下通過(guò)內(nèi)摩擦不斷地將湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為分子動(dòng)能[14-19]。湍流耗散率值越大，代表湍流強(qiáng)度越大。

本文中利用激光雷達(dá)測(cè)量的譜寬值以及風(fēng)速來(lái)計(jì)算湍流耗散率ε，公式如下[20-21]：

(2)

Fig.6 Diagram of turbulent dissipation rate over time and height from 2017-11-30T19:00 to 2017-12-01T06:00

5 低空急流中的風(fēng)速脈動(dòng)性

由于早期的測(cè)風(fēng)儀器探測(cè)精度和時(shí)空分辨率低，只能探測(cè)到低空急流，近20年，隨著風(fēng)廓線雷達(dá)的出現(xiàn)，大大提高了低空急流的觀測(cè)能力，但是其5min左右的數(shù)據(jù)刷新率仍然不能探測(cè)到低空急流內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)變化。近幾年，以s為單位數(shù)據(jù)刷新率的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)彌補(bǔ)了這一不足，它能非常精確地探測(cè)到低空急流內(nèi)部風(fēng)速的脈動(dòng)情況，當(dāng)飛機(jī)在飛行過(guò)程中遇到了低空急流，急流底和急流頂?shù)娘L(fēng)切變會(huì)對(duì)飛行安全造成一定影響，同時(shí)急流中風(fēng)速的脈動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)顛簸，不同型號(hào)的飛機(jī)影響程度不同，所以風(fēng)速脈動(dòng)性對(duì)于飛行安全也非常重要。

圖7中非常直觀地顯示了這次低空急流中的湍流團(tuán)(風(fēng)速脈動(dòng))的探測(cè)結(jié)果。從激光雷達(dá)風(fēng)廓線圖發(fā)現(xiàn)，在21:00之前，低空急流核的風(fēng)速值維持在20m/s，風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng)，急流核高度在0.6km～1.1km左右。隨著時(shí)間變化，在21:00,急流核分裂，出現(xiàn)急流團(tuán)，風(fēng)速隨時(shí)間出現(xiàn)波動(dòng)。由于前期急流核高度為775m，因此取急流底高度(400m)、急流核高度(775m)和急流頂高度(1225m)繪制不同高度風(fēng)速隨時(shí)間變化圖(見(jiàn)圖8)。從圖中看出，風(fēng)速值隨時(shí)間出現(xiàn)無(wú)規(guī)則的脈動(dòng)現(xiàn)象，400m高度上風(fēng)向一致，風(fēng)速隨時(shí)間從16.5m/s一直下降到11m/s，整體風(fēng)速波動(dòng)較?。?75m和1225m高度上風(fēng)速波動(dòng)趨勢(shì)一致，盡管775m高度上風(fēng)速值比較大，但1225m高度上風(fēng)速脈動(dòng)程度比775m大，這說(shuō)明急流中上部湍流強(qiáng)度大于下部。在21:18，高度775m和1225m風(fēng)速曲線出現(xiàn)了大的波動(dòng)，開(kāi)始出現(xiàn)湍流團(tuán)，盡管湍流強(qiáng)度大但湍流團(tuán)尺度??；在21:35之后，風(fēng)速值波動(dòng)較小，湍流強(qiáng)度減小；到22:06，風(fēng)速值波動(dòng)再次增強(qiáng);到22:30,湍流團(tuán)尺度最大，強(qiáng)度最強(qiáng)；在23:00之后，湍流減弱。

Fig.7 Horizontal wind over time and height from 2017-11-30T22:00 to 2017-11-30T23:00

Fig.8 Diagram of wind speed at different altitudes over time from 2017-11-30T21:00 to 2017-11-30T24:00

6 結(jié) 論

利用2017-11-30T19:00～2017-12-01T06:00的全相干脈沖激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)資料、結(jié)合歐洲中心再分析資料,分析了西寧機(jī)場(chǎng)低空急流過(guò)程，重點(diǎn)討論了急流內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變特征。

(1)低空急流風(fēng)速隨高度先增大后減小，最大風(fēng)速達(dá)到20m/s，急流內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)較為均勻，急流底接地，急流頂有暖平流，急流中心高度在0.7km～1.5km左右，厚度在0.5km～1.2km。

(2)低空急流強(qiáng)度整體隨時(shí)間先增強(qiáng)后減弱，20:40～21:50達(dá)到最強(qiáng)，出現(xiàn)“大風(fēng)核”，在01:30以后受到了干冷空氣的入侵，急流結(jié)構(gòu)遭到了破壞，急流強(qiáng)度進(jìn)一步減弱。

(3)溫度平流隨時(shí)間變化先增大后減弱，較強(qiáng)的冷暖平流高度和強(qiáng)弱與低空急流一致，隨著低空急流強(qiáng)度減弱，溫度平流強(qiáng)度也減弱。從湍流耗散率來(lái)看，低空急流內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)均勻，湍流較弱，隨著急流強(qiáng)度減弱，湍流增強(qiáng)，在急流頂風(fēng)速風(fēng)向變化大，湍流較強(qiáng)，在01:30,冷空氣入侵，使得低層風(fēng)場(chǎng)遭到破壞，湍流達(dá)到最強(qiáng)。

(4)低空急流中隱含著多個(gè)不同時(shí)間尺度的湍流團(tuán)。從21:00開(kāi)始急流核風(fēng)速值出現(xiàn)了波動(dòng)，急流外(400m高度以下)風(fēng)速穩(wěn)定，775m和1225m風(fēng)速波動(dòng)趨勢(shì)一致，但1225m波動(dòng)范圍大于775m，說(shuō)明湍流團(tuán)上部強(qiáng)度大于下部，在21:00～01:00有多個(gè)湍流團(tuán)出現(xiàn)，而且湍流團(tuán)尺度有一個(gè)先增大后減小的過(guò)程，強(qiáng)度呈大-小-大-小的趨勢(shì)。