利用風(fēng)廓線雷達資料分析哈爾濱機場低空急流特征

楊欣 王加平

（民航東北空管局黑龍江分局，哈爾濱 150000）

0 引言

低空急流是指在對流層600 hPa以下的強而窄的氣流帶。它與強降水時間、空氣污染、風(fēng)能利用、航空安全、沙塵暴、森林火災(zāi)及其他諸多天氣、氣候現(xiàn)象存在著密切的聯(lián)系[1]。風(fēng)廓線雷達具有很高的時空分辨率，彌補了傳統(tǒng)探空資料時間不連續(xù)的不足。它所提供的風(fēng)場資料可以很直觀地顯示氣流風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)和持續(xù)時間[2]。風(fēng)廓線雷達資料在個例研究中應(yīng)用廣泛[3-7]。

近些年，專家學(xué)者對低空急流的特征進行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)低空急流與強降水密切相關(guān)。趙強等[8]在進行兩次陜北暴雨過程熱力動力機制診斷時指出低空急流對水汽和能量的輸送改變了大氣的濕度、熱力條件。金巍等[9]在研究一次大暴雨過程中低空急流演變與強降水的關(guān)系時指出強降水的強弱和低空急流的強度和伸展高度直接相關(guān)。賽瀚等[10]在總結(jié)中國地區(qū)低空急流研究進展時指出低空急流與暴雨、暴雪有緊密的聯(lián)系，但也存在不具備輸送和累積水汽的性能的低空急流。陳楠等[11]在利用風(fēng)廓線雷達資料對南京地區(qū)低空急流的統(tǒng)計分析時發(fā)現(xiàn)低空急流中心速度的增強有利于降水的發(fā)生。

目前，利用多年的風(fēng)廓線雷達資料進行低空急流的系統(tǒng)性統(tǒng)計分析較少。本文利用2019—2021年風(fēng)廓線雷達資料，揭示低空急流的年變化和日變化特征，并分別對低空急流的強度、高度、風(fēng)向、持續(xù)時間特征進行統(tǒng)計分析，且對低空急流與降水之間的關(guān)系進行探究，為哈爾濱機場強降水的短時臨近預(yù)報、保障飛行安全提供參考。

1 資料和方法

本研究按照低空急流定義，選取出現(xiàn)在3000 m高度以下，風(fēng)速≥12 m/s，且持續(xù)時間≥4 h，各個高度層的風(fēng)向一致為1個低空急流樣本。為了保證統(tǒng)計結(jié)果的代表性和有效性，統(tǒng)計時對風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)做出如下規(guī)定：1 d中出現(xiàn)低空急流并且持續(xù)時間≥4 h計為出現(xiàn)1個低空急流日；若出現(xiàn)連續(xù)4 h以上的急流，但是跨越2 d，計為2個低空急流日；低空急流中心選取最大風(fēng)速所在高度，若有2個以上高度出現(xiàn)相同的最大風(fēng)速，則取最低高度。

本文采用2019—2021年逐小時風(fēng)廓線雷達資料進行統(tǒng)計分析。風(fēng)廓線雷達是由中國航天科工集團第二研究院二十三所生產(chǎn)的CFL-03型邊界層風(fēng)廓線雷達，建設(shè)于哈爾濱太平國際機場跑道東南側(cè)（126°23′17″E、45°54′27″N），海拔高度44.4 m，于2018年10月24日投入使用，設(shè)備運行穩(wěn)定，雷達性能正常，數(shù)據(jù)可靠。雷達工作頻率1320 Hz，時間分辨率≤6.0 min，風(fēng)向誤差≤1.0°，風(fēng)速誤差≤10 m/s，低模式高度分層16層，測風(fēng)高度100～1500 m，高模式高度分層20層，測風(fēng)高度800～4700 m。降水資料選用哈爾濱太平國際機場觀測月總薄和年總薄資料。為與低空急流統(tǒng)計方式保持一致，規(guī)定若在同1 d中降水出現(xiàn)一段時間后消失，間隔一段時間后又一次出現(xiàn)，累計4 h以上也只計為1個降水日；若出現(xiàn)4 h以上連續(xù)性降水，但是跨越2 d，計為2個降水日。

統(tǒng)計學(xué)處理采用SPSS統(tǒng)計軟件處理數(shù)據(jù)，相關(guān)性分析采用雙變量Pearson檢驗。對于X和Y變量，有n個樣本（x1，y1）（x2，y2）…（xn，yn），則Pearson相關(guān)系數(shù)r為：

通過查閱t分布表，得知p值的大小，從而判定當(dāng)前回歸系數(shù)是否有意義，當(dāng)p＜0.05時，為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 低空急流的統(tǒng)計特征

2.1 月變化特征

對2019—2021年風(fēng)廓線雷達資料進行統(tǒng)計，共篩選出646個低空急流樣本。圖1給出哈爾濱機場2019—2021年低空急流日數(shù)月變化。分析發(fā)現(xiàn)哈爾濱機場的低空急流在5月和9月出現(xiàn)峰值，在7月和12月出現(xiàn)谷值，全年低空急流次數(shù)月變化呈現(xiàn)出先增大，后減小，再增大的特征。同時，存在明顯的季節(jié)變化特征，即春、秋季為高值，夏、冬季為低值。12月—次年2月（冬季）低空急流出現(xiàn)次數(shù)最少，平均每年40次左右，從3月開始低空急流次數(shù)明顯增多，在3—5月（春季）是低空急流高發(fā)期，平均每年63次左右，為一年中出現(xiàn)低空急流最多的季節(jié)，9—11月（秋季）次之，6—8月（夏季）低空急流發(fā)生次數(shù)介于秋季和冬季之間。這與李健等[12]研究指出環(huán)渤海地區(qū)夏末、秋季低空急流出現(xiàn)次數(shù)相對較少，春季、夏初是急流頻發(fā)時期有差異，與李佳[13]研究表明華南地區(qū)4—6月低空急流事件逐月增多，8月和9月迅速減少也有一定差異。說明低空急流的月變化特征有明顯的地域差異。

圖1 2019—2021年哈爾濱機場低空急流日數(shù)月變化Fig.1 Monthly changes of occurring days of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

2.2 日變化特征

統(tǒng)計低空急流出現(xiàn)時間日變化特征（表1）發(fā)現(xiàn)，低空急流在一天中的任何時刻均可發(fā)生。低空急流出現(xiàn)時間的日變化特征（表1）是在早晨到上午（06—12時，北京時，下同）出現(xiàn)的次數(shù)最多，平均每年86次，從午后開始逐漸減少，下午（12—18時）平均每年52次，到夜間（18—24時）次數(shù)達到最低，平均每年38次，此后次數(shù)又逐漸增多，次日凌晨（00—06時）平均每年42次。這與王東阡等[14]研究發(fā)現(xiàn)中國東南大部分地區(qū)在夜間和早晨（18時和00時）發(fā)生頻率較高，而在白天和傍晚（08時和12時）發(fā)生頻率較低有一定差異。說明低空急流的日變化也有地域性特征。

表1 2019—2021年哈爾濱機場低空急流出現(xiàn)時間日變化Table 1 Daily changes of the occurrence time of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

3 低空急流中心特征統(tǒng)計分析

3.1 低空急流風(fēng)向和持續(xù)時間

圖2為2019—2021年哈爾濱機場低空急流風(fēng)向時間序列，分析可知，哈爾濱機場低空急流風(fēng)向在180°～270°的天數(shù)最多，以西南風(fēng)為主，其次為270°～360°，為西北風(fēng)，風(fēng)向在0°～90°的東北向的急流最少，東北向的低空急流在每年秋季出現(xiàn)的較多。因此，哈爾濱機場低空急流以西南急流為主，西南急流常常挾帶著充沛的水汽，這為本研究討論的降水與急流風(fēng)速和風(fēng)向的關(guān)系提供依據(jù)。

圖2 2019—2021年哈爾濱機場低空急流風(fēng)向時間序列Fig.2 Time series of wind direction of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

從低空急流持續(xù)時間變化來看（圖3），持續(xù)時間為7～12 h的天數(shù)最多，為238 d，占總天數(shù)的37%，持續(xù)時間＞18 h的次之，為177 d，占總天數(shù)的27%，持續(xù)時間為12～18 h的天數(shù)為137 d，占總天數(shù)的21%，持續(xù)時間為4～6 h的天數(shù)最少，為94 d，占總天數(shù)的15%。

圖3 2019—2021年哈爾濱機場低空急流持續(xù)時間頻次統(tǒng)計Fig.3 Frequency statistics on the duration of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

3.2 低空急流中心高度和風(fēng)速

表2為2019—2021年哈爾濱機場低空急流中心高度出現(xiàn)次數(shù)，分析可知哈爾濱機場低空急流出現(xiàn)的最低高度為100 m，最大高度為3000 m，平均高度為1120 m，出現(xiàn)頻率最多的范圍為1500～2000 m，為258次，占總數(shù)的44%，其次為2000～2500 m，為118次，占總數(shù)的20%，出現(xiàn)在1000～1500 m和2500～3000 m的次數(shù)相近，分別為75次和76次，均占總數(shù)的13%，出現(xiàn)頻率最少的為0～500 m，為19次，占總數(shù)的3%。可見哈爾濱機場出現(xiàn)超低空急流的頻次較少。

表2 2019—2021年哈爾濱機場低空急流中心高度出現(xiàn)次數(shù)Table 2 Frequency statistics on the center height of lowlevel jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

統(tǒng)計2019—2021年哈爾濱機場低空急流中心風(fēng)速出現(xiàn)次數(shù)（圖4）發(fā)現(xiàn)，哈爾濱機場出現(xiàn)的低空急流中，風(fēng)速最大值為40 m/s，最小值為12 m/s，平均風(fēng)速為21 m/s，出現(xiàn)概率最高的風(fēng)速值為20 m/s，其次為24 m/s，出現(xiàn)概率最低的風(fēng)速值為12 m/s。整體分布形態(tài)符合正態(tài)分布特征，這為之后研究低空急流與降水的相關(guān)性提供依據(jù)。

圖4 2019—2021年哈爾濱機場低空急流中心風(fēng)速出現(xiàn)次數(shù)Fig.4 Frequency statistics on the central wind speed of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

4 低空急流與降水的相關(guān)性分析

4.1 降水日數(shù)統(tǒng)計

利用哈爾濱機場觀測月總薄和年總薄資料進行統(tǒng)計，出現(xiàn)在哈爾濱機場單日累計降水量超過0.1 mm計為1個降水日。據(jù)統(tǒng)計，2019—2021年共有降水日401 d，其中8月降水日數(shù)最多，平均每年為18 d，其次是6月，平均每年16 d，12月降水日數(shù)最少，平均每年為1.7 d。3年中，單日最大降水量出現(xiàn)在8月2次，出現(xiàn)在9月1次，單日最大降水量為139.2 mm，出現(xiàn)在2021年8月21日。

4.2 低空急流與降水的統(tǒng)計分析

為統(tǒng)計低空急流和降水的關(guān)系，選取2019—2021年4—9月的低空急流和降水的樣本，將出現(xiàn)低空急流的日數(shù)按照有無降水進行統(tǒng)計（圖5），將有急流、有降水定義為有降水日，將有急流、無降水定義為無降水日。6—8月是低空急流出現(xiàn)最頻繁的月份，其中8月無降水日為0，說明8月出現(xiàn)的低空急流均伴隨著降水出現(xiàn)，6月和7月有少數(shù)天數(shù)有低空急流卻無降水，與當(dāng)日風(fēng)廓線雷達溫廓線產(chǎn)品進行對比，大部分無降水日都有逆溫層存在，且逆溫層存在的時間與低空急流存在的時間吻合，可以推測低空急流無降水日的出現(xiàn)跟逆溫層有關(guān)。

圖5 2019—2021年4—9月哈爾濱機場低空急流按有無降水統(tǒng)計Fig.5 Statistics on low-level jets with or without precipitation at Harbin Airport from April to September during 2019－2021

將2019—2021年4—9月低空急流中心最大風(fēng)速和單日最大降水量進行相關(guān)性檢驗，采用的樣本數(shù)為241個，他們之間的相關(guān)系數(shù)為0.427，顯著性為0.013，通過0.05的顯著性水平檢驗，說明兩組數(shù)據(jù)顯著相關(guān)，低空急流中心最大速度的增大可能導(dǎo)致單日最大降水量的增多。

4.3 低空急流出現(xiàn)時間與降水開始時間的統(tǒng)計分析

為進一步分析低空急流與降水之間的關(guān)系，對2019—2021年4—9月低空急流出現(xiàn)時間與降水開始時間進行統(tǒng)計（圖6），降水開始時間發(fā)生在00—06時的有43次，發(fā)生在06—12時的有48次，發(fā)生在12—18時的有94次，發(fā)生在18—24時的有50次，降水開始時間較低空急流出現(xiàn)時間有延遲，降水一般發(fā)生在低空急流開始輸送后的3～6 h，低空急流通常挾帶著充沛的水汽，當(dāng)水汽累積到一定程度后就開始形成降水。

圖6 2019—2021年4—9月哈爾濱機場低空急流出現(xiàn)時間與降水開始時間Fig.6 The occurrence time of low-level jets and the start time of precipitation at Harbin Airport from April to September during 2019－2021

5 總結(jié)與討論

文中利用2019—2021年風(fēng)廓線雷達資料對哈爾濱機場低空急流的特征進行分析，并利用哈爾濱機場觀測月總薄和年總薄資料對2019—2021年降水情況進行統(tǒng)計，并對低空急流與降水進行相關(guān)性分析，得到了以下結(jié)論。

1）哈爾濱機場的低空急流有明顯的季節(jié)性變化特征，春、秋季出現(xiàn)的概率明顯高于夏、冬季。低空急流在一天中的任何時刻均可發(fā)生，其出現(xiàn)時間的日變化特征是在早晨到上午出現(xiàn)的次數(shù)最多，從午后開始逐漸減少，到午夜次數(shù)達到最低，此后次數(shù)又逐漸增多。

2）哈爾濱機場的低空急流以西南急流為主，從低空急流持續(xù)時間變化來看，持續(xù)時間為7～12 h的天數(shù)最多，持續(xù)時間＞18 h的次之，持續(xù)時間為4～6 h的天數(shù)最少。

3）哈爾濱機場的低空急流中心高度主要集中在1500～2000 m，中心速度集中在20 m/s。

4）哈爾濱機場夏季的低空急流與降水有密切關(guān)系，春季的低空急流不僅跟降水有關(guān)系，還和逆溫層的存在有關(guān)，低空急流中心最大速度和單日最大降水量顯著相關(guān)，低空急流中心速度的增大可能導(dǎo)致單日最大降水量的增多。