基于風(fēng)廓線雷達(dá)資料的臺風(fēng)降水過程分析

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)以晴空大氣為探測對象,利用大氣湍流對電磁波的散射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場等要素的探測。風(fēng)廓線雷達(dá)提供的風(fēng)場信息具有連續(xù)性強(qiáng)和時空分辨力高的特點,可以發(fā)現(xiàn)不同探測高度上風(fēng)的變化,并根據(jù)風(fēng)的垂直廓線隨時間的變化探測到經(jīng)過測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)測中得到越來越廣泛應(yīng)用。

近年來,專家學(xué)者利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對天氣過程和大氣結(jié)構(gòu)展開了一系列的研究,得出了許多具有實用價值的結(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、霧霾等天氣過程;黃明策等[6]在利用兩類雷達(dá)探測資料分析超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”登陸期間結(jié)構(gòu)演變特征時指出,風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場可以對臺風(fēng)不同部位經(jīng)過測站時的垂直結(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)對臺風(fēng)“蘇拉”登陸過程進(jìn)行研究,得出垂直速度、信噪比與降雨量變化趨勢一致的結(jié)論;施晨曉等[8]在研究風(fēng)廓線雷達(dá)資料在臺風(fēng)“電母”預(yù)報的應(yīng)用時指出垂直速度變化與臺風(fēng)降雨開始、結(jié)束時間及雨強(qiáng)的變化都有較好的對應(yīng)關(guān)系。中國東北地區(qū)臺風(fēng)相較東南沿海較少,對臺風(fēng)的研究也相對較少,基于風(fēng)廓線雷達(dá)資料對臺風(fēng)降水的研究近乎空白。

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

1 風(fēng)廓線雷達(dá)主要技術(shù)性能和位置

哈爾濱太平國際機(jī)場(簡稱“太平機(jī)場”)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)、信號處理、監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理6個系統(tǒng)構(gòu)成,可對空中水平風(fēng)場和垂直氣流的廓線進(jìn)行全天時、全天候的測量。太平機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá)采用5個波束,即4個與法線方向夾角約15°的斜波束和1個天頂(法線方向)波束,法線與4個斜波束分別在2個正交平面里,且兩兩對稱,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改變移相器的相位實現(xiàn)的;風(fēng)廓線雷達(dá)按次序向每個波束指向發(fā)射電磁波并接收這個波束指向的大氣回波;通過測量每個波束指向回波的多普勒頻移,可以得到每個散射體積內(nèi)的徑向速度,從而反演出每個高度層的風(fēng)場信息。天線采用平板微帶天線,576個天線單元組成互相垂直的2個線陣組,每組24個線陣,當(dāng)電磁波從天線單元輻射出去時,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)場風(fēng)廓線雷達(dá)位于機(jī)場跑道東南側(cè)(126°23′17″E,45°54′27″N),海拔44.4 m。

2 臺風(fēng)個例概況

臺風(fēng)“美莎克”于2020-08-28T15:00(北京時,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,移入東海東南部海面,并于9月1日05:00被中央氣象臺升級為超強(qiáng)臺風(fēng)。此后“美莎克”逐漸向北偏東方向移動,強(qiáng)度趨于減弱,于9月3日01:30在韓國慶尚南道沿海登陸,登陸時中心最大風(fēng)力為14級,隨后繼續(xù)北上。臺風(fēng)降水從9月3日05:39開始影響太平機(jī)場,至4日22:25結(jié)束,持續(xù)時間為41 h 46 min。累計降水量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)生順時針旋轉(zhuǎn)時表示有暖平流,逆時針旋轉(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站附近環(huán)境是否具有強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生的動力條件。在研究臺風(fēng)天氣時,利用風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)矢量資料,可以清楚地顯示臺風(fēng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了方便研究,將臺風(fēng)影響太平機(jī)場過程分為A,B,C 3個時間階段。A時間段為00:00—20:00,在此時間段內(nèi)太平機(jī)場開始受臺風(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時間段為20:00—23:00,為臺風(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,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,說明臺風(fēng)眼過境時,風(fēng)向發(fā)生了逆轉(zhuǎn),并且風(fēng)向有從高空傳導(dǎo)到地面的過程;23:00后進(jìn)入C時間段,風(fēng)速又有一個逐漸增大的過程,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)。

以上分析說明臺風(fēng)影響前后從低空到高空會出現(xiàn)大風(fēng)天氣,臺風(fēng)眼影響期間風(fēng)速減小,這與臺風(fēng)的運轉(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)降水天氣過程時指出,在晴朗的大氣狀態(tài)下垂直速度可以反映大氣的垂直運動速度。風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的垂直速度是大氣的垂直運動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)的運動,負(fù)的徑向速度代表遠(yuǎn)離風(fēng)廓線雷達(dá)的運動。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動,負(fù)的垂直速度為下沉運動。古紅萍等[10]分析發(fā)現(xiàn),在降水情況發(fā)生時,降水的開始和結(jié)束可以通過風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的大于4 m·s-1的垂直速度反映出來,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開始垂直速度有明顯的增大,與降水開始時間對應(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),對于哈爾濱地區(qū),垂直速度在接近4 m·s-1時就可以反映出降水的開始,且降水強(qiáng)度的變化趨勢與垂直速度的變化趨勢一致。

3.3 信噪比

董保舉等[11]在研究風(fēng)廓線雷達(dá)在暴雨天氣過程特征分析中的應(yīng)用時指出,信噪比是雷達(dá)返回信號中氣象信號與噪聲信號之比,反映的是回波功率,信噪比越大對應(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)信噪比的開始和結(jié)束反映了降水的開始和結(jié)束。陳紅玉等[13]在研究強(qiáng)降水過程風(fēng)廓線雷達(dá)資料的極值特征時發(fā)現(xiàn),風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的信噪比對降水的持續(xù)時間和強(qiáng)度的敏感程度比垂直速度更高,這是因為在有降水的條件下,風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的垂直速度代表了空氣和雨滴兩者的垂直運動之和,而信噪比僅反映了雨滴產(chǎn)生的信號功率大小。

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開始整層的信噪比有增大的趨勢;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開始整層信噪比又呈增大的趨勢,至22:30,信噪比開始大幅度減小。通過分析可知:信噪比的變化趨勢與垂直速度的變化趨勢基本相同,兩者均能用于分析臺風(fēng)降水的起止時間和強(qiáng)度變化趨勢,在臺風(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)對一次強(qiáng)降水過程的探測研究時指出,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指出,在降水即將來臨時,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)能夠作為一個很好的降水臨近預(yù)報指標(biāo),當(dāng)達(dá)到一定的數(shù)量級時,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?中高層出現(xiàn)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)<-120 dB的時間與降水開始時間一致,不僅能較好地反映出臺風(fēng)降水的開始、結(jié)束和強(qiáng)度變化的演變特點,也能反映出高空濕度變化情況。

4 結(jié)束語

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

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

2)對于哈爾濱地區(qū),垂直速度在接近4 m·s-1時就可以反映出降水的開始,且降水強(qiáng)度的變化趨勢與垂直速度的變化趨勢一致;

3)信噪比的變化趨勢與垂直速度的變化趨勢基本相同,兩者均能用于分析臺風(fēng)降水的起止時間和強(qiáng)度變化趨勢,在臺風(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的時間與降水開始時間一致,大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)不僅能較好地反映出臺風(fēng)降水的開始、結(jié)束和強(qiáng)度變化的演變特點,也能反映出高空濕度變化情況。

風(fēng)廓線雷達(dá)可以清楚地顯示臺風(fēng)降水過程的風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)及其變化特點,直觀地反映風(fēng)場的變化特征,彌補(bǔ)了高空常規(guī)探測資料的不足,在短時臨近預(yù)報中體現(xiàn)出時空分辨力高、連續(xù)性強(qiáng)等特征,對中小尺度天氣、對流演變有預(yù)報意義。