第三講多普勒天氣雷達(dá)在航空天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用20100707

第三講多普勒天氣雷達(dá)在航空天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用

雷暴天氣嚴(yán)重威脅飛行安全,它不僅對(duì)云中飛行安全有影響，而且由雷暴云造成的下?lián)舯┝?、低空風(fēng)切變等威脅飛行安全的危險(xiǎn)氣象條件影響范圍可延伸到離雷暴母體數(shù)公里甚至更遠(yuǎn)的地方,是影響飛機(jī)起落安全最嚴(yán)重的天氣現(xiàn)象。多普勒天氣雷達(dá)分辨率高并能及時(shí)獲得強(qiáng)對(duì)流天氣的信息，因此在對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中起著非常重要的作用,其他資料由于時(shí)效和分辨率原因只能作為輔助。

Fujita等人把在地面附近形成17.9m/s(八級(jí)風(fēng))以上的向外爆發(fā)的出流的強(qiáng)下沉氣流稱為下?lián)舯┝?。微下?lián)舯┝?水平輻散尺度小于4km，持續(xù)時(shí)間為2-10min。宏下?lián)舯┝?水平輻散尺度≥4km，持續(xù)時(shí)間為5-20min。微下?lián)舯┝骷瓤梢园l(fā)生在濕的也可以發(fā)生在相對(duì)干的大氣環(huán)境下，分別稱為濕微下?lián)舯┝骱透晌⑾聯(lián)舯┝鳌Ｔ谥芯暥?，下?lián)舯┝魍ǔ０l(fā)生在暖季，此時(shí)西風(fēng)帶系統(tǒng)退到北方。在干旱和半干旱地區(qū)，干微下?lián)舯┝髡贾涞匚唬跐駶櫟貐^(qū)，濕微下?lián)舯┝髯畛Ｒ姟?/p>

Proctor指出對(duì)于由冰雹和雨滴的拖曳作用發(fā)動(dòng)的下?lián)舯┝?，其起始高度大約在0℃等溫線(融化層)附近。有些看上去不強(qiáng)的對(duì)流風(fēng)暴也會(huì)產(chǎn)生下?lián)舯┝?，有些產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯膶?duì)流風(fēng)暴中的上升氣流很弱，以至于產(chǎn)生不了雷電。

下?lián)舯┝骷胺诸?/p>

在對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的強(qiáng)烈天氣現(xiàn)象中，由風(fēng)暴的下沉氣流達(dá)到地面時(shí)產(chǎn)生輻散導(dǎo)致的地面大風(fēng)是出現(xiàn)頻率最高的。對(duì)流風(fēng)暴的下沉氣流的空間分布是極不均勻的，往往在大片的下沉氣流中，會(huì)有一股或幾股較強(qiáng)的下沉氣流，大片下沉氣流區(qū)中集中的強(qiáng)下沉氣流叫做下?lián)舯┝?。下?lián)舯┝髟诘孛娓浇斐傻妮椛⑿缘年囷L(fēng)，有時(shí)風(fēng)速很大，可以造成類似龍卷那樣的嚴(yán)重災(zāi)害;有時(shí)雖然風(fēng)速不大，但由于這種輻散性氣流的尺度小，可產(chǎn)生很強(qiáng)的水平風(fēng)切變，對(duì)飛機(jī)起飛和降落影響極大。飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)起降時(shí)發(fā)生的事故中很多都是由于下?lián)舯┝髟斐傻?。下?lián)舯┝骷捌湮：?/p>

提前預(yù)警的主要線索是與下?lián)舯┝飨喟殡S的空中氣流的輻合，即雷達(dá)在探測(cè)到空中氣流輻合的情況下發(fā)出下?lián)舯┝黝A(yù)警。Roberts和Wilson提出使用單多普勒雷達(dá)監(jiān)測(cè)下降的降水核和云中或云底附近的氣流輻合有可能提前幾分鐘預(yù)報(bào)下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生。根據(jù)這一思路美國國家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室的研究人員研制了一個(gè)叫做災(zāi)害性下?lián)舯┝黝A(yù)報(bào)和探測(cè)的算法DDPDA，作為由其開發(fā)的預(yù)警決策支持系統(tǒng)WDSS中的一個(gè)部分。下?lián)舯┝骼走_(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警

安徽定遠(yuǎn)縣和肥東縣交界處系列下?lián)舯┝鞣治?/p>

2003年6月6日在安徽定遠(yuǎn)縣和肥東縣交界處出現(xiàn)一次伴隨強(qiáng)降冰雹的系列下?lián)舯┝魇录?。俞小鼎等?duì)多普勒雷達(dá)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了分析，得到了一些具有預(yù)報(bào)價(jià)值的結(jié)果。

2003年6月6日下午下?lián)舯┝靼l(fā)生前后0.50(左圖)和2.40（右圖）仰角雷達(dá)徑向速度隨時(shí)問的演變。雷達(dá)位于圖像的左下角。16:33，2.40仰角徑向速度場(chǎng)出現(xiàn)明顯的輻合特征(輻合中心如箭頭所示，高度2.8km左右)，輻合區(qū)垂直范圍從1.5到5.5km。而此時(shí)0.50仰角與上述輻合中心對(duì)應(yīng)位置(箭頭所指)還未出現(xiàn)明顯的輻散。16:39出現(xiàn)第一次下?lián)舯┝?，此時(shí)0.50仰角徑向速度圖出現(xiàn)明顯的輻散特征(箭頭所指位置)，最大輻散速度為16m/s，水平尺度3-4km，距地面高度500—600m，表明強(qiáng)下沉氣流(下?lián)舯┝?應(yīng)該已經(jīng)到達(dá)地面。在出現(xiàn)低層輻散的同時(shí)，在中低層出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。16:51，下?lián)舯┝髟斐傻牡蛯虞椛?0.50仰角)的速度最大值的區(qū)域有所減小，表明首輪下?lián)舯┝髭呌诮Y(jié)束。2.40仰角徑向速度場(chǎng)仍有明顯輻合，同時(shí)氣旋式旋轉(zhuǎn)特征比上個(gè)體掃時(shí)更明顯。16:57低層最大輻散速度由14m/s增加到22m/s，第二輪下?lián)舯┝鏖_始，下?lián)舯┝魉匠叨燃s為9km。

17:03低層最大輻散速度仍為22m/s，正、負(fù)速度極大值間的距離，也就是下?lián)舯┝鞯乃匠叨?，增大?5km左右。17:09下?lián)舯┝髟斐傻妮椛饬鲝?qiáng)度減少到16m/s，同時(shí)在這個(gè)宏下?lián)舯┝鞯膮^(qū)域內(nèi)，還包含有一個(gè)尺度在1-2km微下?lián)舯┝?，其位置如圓圈所示，相應(yīng)的最大低層輻散速度為16m/s。17:15出現(xiàn)了第三輪下?lián)舯┝?，其造成的低層輻散，疊加在上一輪下?lián)舯┝髟斐傻恼跍p弱的輻散場(chǎng)上，使低層輻散突然加強(qiáng)，最大輻散速度又達(dá)到22m/s,最大正、負(fù)速度中心間的距離6-7km。隨后，低層輻散逐漸減弱，直到17:53完全消散。三次前后相接的系列下?lián)舯┝骺偣渤掷m(xù)了1小時(shí)14分鐘，平均每個(gè)下?lián)舯┝鞒掷m(xù)25分鐘，前兩個(gè)的持續(xù)時(shí)間每個(gè)為20分鐘左右，最后一個(gè)為35分鐘左右。

16:14，上述雷暴的強(qiáng)度加強(qiáng)到超過40dBZ。16:33時(shí)在3km左右高度，強(qiáng)度超過60dBZ。此時(shí)該雷暴3.40仰角上的反射率因子呈現(xiàn)出彗星一樣的形狀，頭位于西北方，尾位于東南方。這種形狀是由中高空的西北氣流造成的，低層的風(fēng)暴入流來自西南方。反射率因子大值區(qū)位于回波的西北，靠近入流一側(cè)。

16:21時(shí)反射率因子核心位于7km左右高度，隨后反射率因子核心不斷下降。16:33時(shí)的高度在3km左右，強(qiáng)度超過60dBZ。16:39時(shí)反射率因子核心進(jìn)一步下降到1.5km高度附近，另一個(gè)單體正在發(fā)展。16:57時(shí)第二個(gè)單體反射率因子核心下降到大氣低層的同時(shí)，第三個(gè)單體正在發(fā)展。17:03時(shí)其反射率因子核心位于6km高度。隨后，該反射率因子核心逐漸下降。17:15下降到3km以下。

下?lián)舯┝黝A(yù)警指標(biāo)從2003年6月6日在安徽定遠(yuǎn)縣和肥東縣交界處出現(xiàn)的系列下?lián)舯┝鲄?shù)統(tǒng)計(jì)表可以看出：下?lián)舯┝靼l(fā)生前風(fēng)暴反射率因子核心強(qiáng)度超過50dBz；風(fēng)暴反射率因子核心高度超過5km并逐步下降；風(fēng)暴中層（1.5-5.5km）存在輻合。

朱炳海等編輯的“氣象學(xué)詞典”定義：切變線在氣象上是專指具有氣旋式切變的風(fēng)場(chǎng)不連續(xù)線,為我國主要降水天氣系統(tǒng)之一。風(fēng)切變包括水平風(fēng)的垂直切變和水平切變以及垂直風(fēng)的切變。低空風(fēng)切變是造成飛行器在起飛或降落時(shí)發(fā)生事故的主要原因。對(duì)于龍卷、颮線等強(qiáng)對(duì)流云的發(fā)展和維持,低層風(fēng)的垂直切變也有很重要的作用。風(fēng)場(chǎng)上氣流聚合的不連續(xù)線,稱為輻合線。天氣系統(tǒng)中具有輻合線或切變線性質(zhì)的很多,如颮線、鋒面等。輻合線或切變線上也常會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流或其他天氣現(xiàn)象。許多研究和經(jīng)驗(yàn)表明,中低層的中尺度輻合線或切變線的建立對(duì)于暴雨的發(fā)生和落區(qū)具有很好的指示作用,并且是強(qiáng)單體合并的動(dòng)力因素。切變線和輻合線

陣風(fēng)鋒是雷暴云體冷性外流氣流的前緣。陣風(fēng)鋒常以風(fēng)速增強(qiáng)和明顯降溫作為主要特征。最大風(fēng)速可達(dá)40m/s以上，陣風(fēng)鋒前后風(fēng)速差可達(dá)20m/s以上。陣風(fēng)鋒是一種中尺度鋒面，水平尺度10至100km，持續(xù)時(shí)間1至幾小時(shí)。

Uyeda和Hermes等在研究自動(dòng)識(shí)別、追蹤陣風(fēng)鋒的方法中指出,當(dāng)陣風(fēng)鋒與雷達(dá)徑向不垂直時(shí),輻合區(qū)在多普勒雷達(dá)上的顯示為速度沿徑向減小的區(qū)域,進(jìn)而指出可以根據(jù)沿徑向的最大速度梯度區(qū)確定陣風(fēng)鋒的位置。

陣風(fēng)鋒附近的復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)環(huán)境是飛機(jī)起飛和著陸的危險(xiǎn)區(qū)域。陣風(fēng)鋒

是由許多雷暴單體排列成帶狀的狹窄云帶，寬度約幾百米至幾十公里，長度為幾十至幾百公里，其長和寬之比大于5:1;維持時(shí)間為幾小時(shí)至十多小時(shí)小時(shí)。颮線過境處，風(fēng)向急轉(zhuǎn)，風(fēng)速劇增，氣壓陡升，氣溫驟降，常伴有雷暴、暴雨、大風(fēng)、冰雹和龍卷等劇烈天氣現(xiàn)象。中緯度地區(qū)的颮線常發(fā)生在春夏之交，多出現(xiàn)在高空槽后和冷渦的南或西南方；有時(shí)出現(xiàn)在高空槽前、副熱帶高壓西北邊緣的低空西南暖濕氣流里；少數(shù)颮線產(chǎn)生于臺(tái)風(fēng)前部的倒槽或東風(fēng)波里。從相應(yīng)的地面形勢(shì)看，大部分颮線與鋒面活動(dòng)有關(guān)，主要發(fā)生在地面冷鋒前100～500千米的暖區(qū)內(nèi)。颮線產(chǎn)生于強(qiáng)烈位勢(shì)不穩(wěn)定的層結(jié)中。颮線與高空急流也有一定的聯(lián)系，多發(fā)生于急流區(qū)或風(fēng)的鉛直切變較大的區(qū)域。颮線

李萍報(bào)道2008年7月20日中午廣州白云機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)一次雷雨大風(fēng)過程。首先發(fā)生的是圖a中10:54白云機(jī)場(chǎng)北面15km處的颮線，圖中白色箭頭所指具有明顯鉤狀回波特征。

《廣東省災(zāi)害性天氣報(bào)告》顯示11:00在該位置附近的從化龍?zhí)墩詣?dòng)氣象站錄得19.5m/s的大風(fēng)。當(dāng)日給機(jī)場(chǎng)帶來重大影響的主要是圖b中距機(jī)場(chǎng)50km，位于西到西南面，呈南北走向，長度達(dá)100多km的第2條颮線，它在圖a中已經(jīng)表現(xiàn)出“弓”形特征。該颮線的移動(dòng)速度達(dá)60km/h，強(qiáng)大的入流使得回波的中部不斷向前突出，兩端進(jìn)一步向后彎曲，呈現(xiàn)出典型的“弓”形回波結(jié)構(gòu)(圖b)，具有較陡的反射率梯度前沿。白云機(jī)場(chǎng)雷雨大風(fēng)過程分析

3km高度CAPPI回波（香港雷達(dá)）

白云機(jī)場(chǎng)新雷達(dá)圖a中黑色橢圓中的零速度線發(fā)生了顯著彎曲，機(jī)場(chǎng)低層的風(fēng)較小,在零速度線兩側(cè)存在偏西風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合。機(jī)場(chǎng)西南面的負(fù)速度中心達(dá)到25m/s以上。隨著它的向東推進(jìn),零速度線變得越來越清晰、邊界整齊。圖b可見清晰的后側(cè)入流口以及大風(fēng)區(qū)隨弓形回波向東推進(jìn)?！稄V東省災(zāi)害性天氣報(bào)告》顯示，12:00廣州荔灣區(qū)錄到大風(fēng)25.6m/s,天河區(qū)也出現(xiàn)19.7m/s的大風(fēng)。圖C(HWND產(chǎn)品)中,長的棕色輻合線就是反演出來的實(shí)際水平風(fēng)場(chǎng)輻合,短的棕色線顯示負(fù)速度區(qū)中一些小的風(fēng)向切變。

2008年7月13日凌晨廣州白云機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)一次雷雨大風(fēng)過程。雷暴到達(dá)之前，機(jī)場(chǎng)周圍的風(fēng)小而凌亂，沒有明顯的零速度線，南面雷暴區(qū)域存在15～20m/s的大風(fēng)區(qū)。隨著雷暴向機(jī)場(chǎng)靠近,大風(fēng)區(qū)也離機(jī)場(chǎng)越來越近,并從高層向低層傳遞,離地面越來越近,零速度線趨于清晰、整齊。圖中（仰角1.25。）核區(qū)直徑約5km,轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)22m/s,達(dá)到中等強(qiáng)度中氣旋程度,持續(xù)時(shí)間達(dá)30min。機(jī)場(chǎng)跑道南頭上方的強(qiáng)風(fēng)區(qū)和同一時(shí)段機(jī)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)到的大風(fēng)對(duì)應(yīng)很好。白云機(jī)場(chǎng)新雷達(dá)

一次颮線過程對(duì)廣州白云機(jī)場(chǎng)影響的多普勒雷達(dá)資料分析

鐘加杰等報(bào)道2008年8月4日08時(shí),熱帶低壓北冕在南海東北部形成,隨后緩慢向西北偏西方向移動(dòng),強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)。4日傍晚到夜間,處于熱帶氣旋外圍的廣東沿海自東向西出現(xiàn)雷雨和雷暴大風(fēng)天氣,此次天氣過程造成廣州白云機(jī)場(chǎng)雷雨天氣長達(dá)4小時(shí),最大陣風(fēng)為18m/s。廣州白云機(jī)場(chǎng)因此短暫關(guān)閉,導(dǎo)致20多個(gè)航班備降周邊機(jī)場(chǎng),1500多名旅客在機(jī)場(chǎng)短暫滯留。

鐘加杰等報(bào)道8月4日20時(shí)03分,珠江三角洲及附近出現(xiàn)東北西南分布的對(duì)流回波帶,有3個(gè)主要的回波群,西南端在臺(tái)山、江門一帶,強(qiáng)度40～55dBz;中間部分對(duì)流單體較分散,強(qiáng)度也較弱一些,分布在東莞和廣州番禺附近;東北端回波最強(qiáng),呈弓形,回波中心強(qiáng)度達(dá)到58dBz,位于河源西南部。這些回波群向西推進(jìn),移速約為30km·h-1。在西移過程中,東北端的風(fēng)暴稍有減弱;中間回波群逐漸增強(qiáng)并合并在一起,強(qiáng)度有所增強(qiáng),強(qiáng)度在50～55dBz;西南段回波也不斷增強(qiáng)。20時(shí)32分,3個(gè)回波群逐漸合并成一線,這時(shí)斷續(xù)型的颮線已經(jīng)形成。颮線后部有兩個(gè)明顯的后側(cè)入流急流槽口(圖4b箭頭所示),分別在東莞和南海附近。