一次強對流天氣的雷達資料分析

陳從夷

(中國民用航空寧波空中交通管理站，浙江 寧波 315000)

0 引 言

強對流天氣一直是航空氣象預報中的重點。尤其是由中尺度對流系統(tǒng)引發(fā)的颮線、雷暴大風、冰雹、龍卷和低空風切變等強對流天氣對航空安全有很大的影響[1-4]，常造成航班延誤、取消甚至返航等，造成航空部門重要經(jīng)濟損失。另外，旅客滯留機場，也易引發(fā)情緒激動等各種矛盾。因此，對于強對流天氣預報提出了更高更精準要求[5]。多普勒天氣雷達從它在半個多世紀前開始應用于氣象領域開始，一直是監(jiān)測和預警強對流天氣的主要工具。它可以對天氣系統(tǒng)進行有效監(jiān)測，并實時跟蹤其發(fā)展態(tài)勢，其產(chǎn)品給機場天氣預報預警提供可靠有效的資料，全面提高了機場空管保障能力，可以說是機場氣象、管制人員的“電子眼”。

利用氣象雷達分析機場強對流天氣的研究已有很多。虎琳春等總結了氣象雷達產(chǎn)品在機場強對流天氣預報中的應用方面及其重要性[5]。唐民等利用雷達、衛(wèi)星及風廓線儀等多種資料對上海浦東機場一次連續(xù)出現(xiàn)的強對流天氣進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在各次強對流過程發(fā)生前均出現(xiàn)明顯的風向的垂直切變，具有較好的預警意義[6]。馮建碧等分析了首都機場一次春季強對流天氣過程，指出雷達速度圖可以監(jiān)測鋒面和高空槽系統(tǒng)的過境情況，并對雷雨大風的臨近預報有很好的指導作用[7]。沈宏彬等對成都雙流機場多次雷暴天氣進行雷達回波分析,得出局地性熱雷暴和系統(tǒng)性雷暴這兩類雷暴在回波參數(shù)、時空分布、初生源地、移動路徑以及演變過程的差異[8]。潘彭剛等利用普勒天氣雷達資料對武漢天河機場的一次下?lián)舯┝魈鞖膺^程進行了分析，結果表明陣風鋒與雷暴之間距離的變化一定程度上可以預示未來雷暴的強弱[9]。陳柏緯等利用雷達譜寬數(shù)據(jù)對監(jiān)測香港國際機場鄰近地區(qū)湍流強度的可行性進行了探討,提出了多普勒天氣雷達的譜寬數(shù)據(jù)用于監(jiān)測飛機航道上湍流強度的具體方法與構想[10]。

2019年4月9日寧波機場區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生了一次強對流天氣過程，嚴重影響當日航班正常運行。本文充分利用多種氣象觀測資料，對此次強對流天氣過程產(chǎn)生的天氣形勢及物理量特征做了相關分析，重點探討了這次強對流天氣的多普勒天氣雷達特征，以期為今后航班計劃、機場運行和強對流天氣預報預警等提供有價值的參考。

1 天氣背景分析

1.1 過程概況

2019年4月9日15:10(北京時，下同)機場受冷空氣前沿擴散已經(jīng)出現(xiàn)風切變，17:03出現(xiàn)小陣雨，17:51出現(xiàn)中陣雨并伴隨雷暴，17:58降水強度達到最大，能見度從10 km降至4 km，大雷雨持續(xù)約12 min后轉(zhuǎn)為中雷雨，雨勢直到18:30開始減弱，雷暴伴小陣雨，18:45雷暴結束，小陣雨持續(xù)，本次強對流過程結束。過程影響時各時刻天氣現(xiàn)象見表1。

表1 過程影響時各時刻天氣現(xiàn)象

1.2 天氣形勢分析

由9日08時高空形勢圖(圖1a、1b、1c)可見，高空3層為一致的西南氣流，其中500 hPa、700 hPa引導氣流的作用使得系統(tǒng)主要向東北方向移動。850 hPa江浙地區(qū)有一低渦形成，本機場位于低渦暖切附近，具有較好的動力抬升條件。同時，低空急流為本次過程提供了源源不斷的水汽供應，較強的水汽輸送為降水過程提供了有利的條件。到了9日20時(圖略)，高空槽東移北縮，寧波機場仍處于高空槽前西南氣流，850 hPa低渦已經(jīng)東移入海，850 hPa轉(zhuǎn)為西北偏西氣流，受氣旋入海影響，本機場實況為西北風6～8 m/s。

由地面圖(圖1d)可以看出，9日08時地面為低壓中心控制，北面等壓線較為密集，說明有強冷空氣沿北方路徑南下。到了17時(圖略)冷空氣前沿已經(jīng)南下滲透浙江北部。寧波機場先為西南風，隨著冷空氣的南下，寧波機場轉(zhuǎn)至西北風，轉(zhuǎn)風過程用時短，伴隨風切變，既風切變的出現(xiàn)說明冷空氣前沿已經(jīng)開始滲透。

綜上，高空形勢為一致的西南氣流，加強了水汽的輸送，850 hPa有一低渦自西向東移動，當?shù)孛胬淇諝饽舷?，配合高空槽過境，造成了大量的不穩(wěn)定能量，形成本次雷雨過程。

(a：500 hPa，b：700 hPa，c：850 hPa，d：海平面氣壓場)圖1 2019年4月9日08時天氣圖

1.3 大氣層結特征分析

選取9日08時本場周邊杭州站和衢州站的探空曲線進行分析(圖2)，發(fā)現(xiàn)：

1)訂正后的Cape較高，CIN值較低，杭州站SI沙氏指數(shù)達-2.32，對流能量充足；

2)中低層600 hPa以下大氣高濕，中層以上稍干，上干下濕，對流不穩(wěn)定；

3)垂直風切變較強，有利于強風暴的維持。

綜上，大氣層結強烈不穩(wěn)定，比較有利于對流的發(fā)展和維持，一旦觸發(fā)，容易發(fā)生強對流天氣。

圖2 溫度對數(shù)壓力修訂圖(a：杭州站，b：衢州站)

2 雷達圖像分析

2.1 回波演變情況

利用寧波多普勒天氣雷達分析回波的演變情況。從組合反射率因子圖3上可以看出，早在15:31時，寧波機場的東面及東北面已經(jīng)有成片的回波逐漸靠近，16:49時，回波前沿激發(fā)的部分已經(jīng)達到機場位置，偏南位置有一單獨的回波最強達到了60 dBz；17:51回波主體覆蓋寧波機場，機場開始出現(xiàn)中等強度降水，并出現(xiàn)雷暴，于17:58降水強度達到最大；18:53系統(tǒng)完全移出，寧波機場雷暴結束(圖3)。

圖3 不同時次的雷達組合反射率因子圖像

另外，從雷暴最強時刻17:57的回波頂高產(chǎn)品(圖4、圖5)可以看出，機場上空的回波頂高已達到9 km，說明對流發(fā)展較為旺盛。但垂直液態(tài)水含量(VIL)并不是很高，說明機場附近的強對流是以短時強降水為主，并沒有出現(xiàn)冰雹等特強災害。而距離機場東南面70 km左右的寧海、象山地區(qū)回波發(fā)展更為強烈，反射率因子超過65 dBz，垂直液態(tài)水含量也較大，有出現(xiàn)冰雹的可能性，實況也顯示在寧海、象山出現(xiàn)了小冰雹。

圖4 回波頂高產(chǎn)品 圖5 垂直液態(tài)水含量產(chǎn)品

2.2 風的分析

雷達風廓線資料(圖6)可以很好地顯示出雷達中心上空的垂直風場情況，觀察垂直風場隨時間的變化，得到了這次過程中垂直方向上風的切變情況。分析雷達風廓線資料發(fā)現(xiàn)，17:06低層為西北風，高層為西南風，風隨高度逆轉(zhuǎn)，存在風向的切變。風向出現(xiàn)切變，可以推斷對流將加強，而風切變消失，可以判斷雷暴也將逐漸減弱。

從17:57的0.5°仰角的徑向速度圖(圖7)也可以清晰地看出，低層西北風，高層為西南風，且西南風風速較大，圖像右上角已出現(xiàn)速度模糊，最大風速達30 m/s，高空風較強，不僅風向由切變，風速切變也較大，較大的垂直風切變對強對流的發(fā)展和維持提供了有力條件。同時西南風急流也提供了充足的水汽供應，使得降水得以維持。

圖6 雷達風廓線產(chǎn)品

圖7 雷達徑向速度圖像

2.3 偏振參數(shù)分析

自2019年1月起寧波雷達已升級為雙偏振多普勒雷達，相對單偏振雷達，它除了基本的反射率因子、徑向速度、譜寬、還可提供差分反射率、相關系數(shù)、比差分相位等偏振參數(shù)，這些參數(shù)與降水粒子的相態(tài)、形狀、空間取向和分布等密切相關。因此，這些雙偏振參量在雷達定量測量降水、降水粒子的相態(tài)識別、雜波抑制等方面應用更具優(yōu)勢[11]。

Zdr為差分反射率因子，主要表征粒子的空間取向及長短軸之比。Zdr值與雨滴大小密切相關粒子直徑越大，軸比越大，Zdr越大。對于雨滴來說，反射率因子Z值大，對應的Zdr也大；而Z值大，Zdr小則是冰雹存在一個顯著的特征。由偏振特性產(chǎn)品可知，17:57機場上空對應強反射率因子Z的地方，其Zdr值也較大，說明該處以大雨滴為主，雨強較大，但是沒有發(fā)生冰雹。

Kdp為差分傳播相移率，表示不同偏振分量的相位傳播漂移差。Kdp與降水率成比例，通常Kdp大的區(qū)域?qū)υ趶娊邓畢^(qū)域，可用來估測降水；與反射率估算降水相比，Kdp估算降水不受冰雹影響。Kdp與Zdr以及Z圖上大值區(qū)對應關系比較好，且形態(tài)識別得更為明顯，進一步說明是以短時強降水為主。

CC是水平極化和垂直極化回波功率的相關系數(shù)，是描述水平和垂直極化的回波信號變化的相似度的參量。氣象目標CC高，非氣象目標CC低。CC可用于融化層識別，零度層的CC較低且噪聲大。另外，CC還可以識別雨中的混合水凝物[12]。機場上空CC值顯著下降，降至0.70左右，分析由不規(guī)則的凝結核或融化度很高的雪造成。

粒子相態(tài)識別產(chǎn)品(HCL)是雙偏振的常用二次產(chǎn)品之一，提供粒子相態(tài)識別和分類，可以更加直觀的區(qū)分出小雨、大雨、冰雹、大雨滴、生物、地物、干雪、濕雪、冰晶、霰等，有助于快速定位和預警區(qū)域災害性天氣。由17:57的HCL產(chǎn)品可知，在低層寧波大部分地區(qū)識別出了小雨，而機場上空識別出了大雨滴，其形態(tài)與Zdr、Kdp高度對應，與前面的分析一致，說明該產(chǎn)品識別相態(tài)得可信度還是比較高的，對強對流天氣預警有較好的參考價值。

3 結 語

針對2019年4月9日寧波機場區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生的一次強對流天氣，充分利用多種氣象觀測資料，對此次過程產(chǎn)生的天氣形勢及物理量特征做了相關分析，重點分析了這次過程的雷達回波特征及其偏振特性，主要結論如下。

1)本次過程為典型的冷空氣南下配合高空槽過境的系統(tǒng)性對流過程，在高空西南引導氣流的作用下自西向東移動影響寧波機場及周邊航路。其水汽輸送主要來源于南海，高空西南急流提供了充沛的水汽條件。

2)雷達風廓線資料可以很好地顯示出雷達中心上空的垂直風場情況，垂直風切變對強對流的發(fā)生、發(fā)展和維持有很好的指示意義。風向出現(xiàn)切變，可以推斷對流將加強，而風切變消失，可以判斷雷暴也將逐漸減弱。

3)相對單偏振雷達，雙偏振雷達提供了更多的偏振參量，其產(chǎn)品在雷達定量測量降水、降水粒子的相態(tài)識別、雜波抑制等方面應用更具優(yōu)勢。其中，粒子相態(tài)識別產(chǎn)品(HCL)有助于快速定位和預警區(qū)域災害性天氣，對強對流天氣預警有較好的參考價值。