利用风廓线雷达资料分析哈尔滨机场低空急流特征

杨欣 王加平

（民航东北空管局黑龙江分局，哈尔滨 150000）

0 引言

低空急流是指在对流层600 hPa以下的强而窄的气流带。它与强降水时间、空气污染、风能利用、航空安全、沙尘暴、森林火灾及其他诸多天气、气候现象存在着密切的联系[1]。风廓线雷达具有很高的时空分辨率，弥补了传统探空资料时间不连续的不足。它所提供的风场资料可以很直观地显示气流风场的垂直结构和持续时间[2]。风廓线雷达资料在个例研究中应用广泛[3-7]。

近些年，专家学者对低空急流的特征进行了一系列研究，发现低空急流与强降水密切相关。赵强等[8]在进行两次陕北暴雨过程热力动力机制诊断时指出低空急流对水汽和能量的输送改变了大气的湿度、热力条件。金巍等[9]在研究一次大暴雨过程中低空急流演变与强降水的关系时指出强降水的强弱和低空急流的强度和伸展高度直接相关。赛瀚等[10]在总结中国地区低空急流研究进展时指出低空急流与暴雨、暴雪有紧密的联系，但也存在不具备输送和累积水汽的性能的低空急流。陈楠等[11]在利用风廓线雷达资料对南京地区低空急流的统计分析时发现低空急流中心速度的增强有利于降水的发生。

目前，利用多年的风廓线雷达资料进行低空急流的系统性统计分析较少。本文利用2019—2021年风廓线雷达资料，揭示低空急流的年变化和日变化特征，并分别对低空急流的强度、高度、风向、持续时间特征进行统计分析，且对低空急流与降水之间的关系进行探究，为哈尔滨机场强降水的短时临近预报、保障飞行安全提供参考。

1 资料和方法

本研究按照低空急流定义，选取出现在3000 m高度以下，风速≥12 m/s，且持续时间≥4 h，各个高度层的风向一致为1个低空急流样本。为了保证统计结果的代表性和有效性，统计时对风廓线雷达数据做出如下规定：1 d中出现低空急流并且持续时间≥4 h计为出现1个低空急流日；若出现连续4 h以上的急流，但是跨越2 d，计为2个低空急流日；低空急流中心选取最大风速所在高度，若有2个以上高度出现相同的最大风速，则取最低高度。

本文采用2019—2021年逐小时风廓线雷达资料进行统计分析。风廓线雷达是由中国航天科工集团第二研究院二十三所生产的CFL-03型边界层风廓线雷达，建设于哈尔滨太平国际机场跑道东南侧（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，设备运行稳定，雷达性能正常，数据可靠。雷达工作频率1320 Hz，时间分辨率≤6.0 min，风向误差≤1.0°，风速误差≤10 m/s，低模式高度分层16层，测风高度100～1500 m，高模式高度分层20层，测风高度800～4700 m。降水资料选用哈尔滨太平国际机场观测月总薄和年总薄资料。为与低空急流统计方式保持一致，规定若在同1 d中降水出现一段时间后消失，间隔一段时间后又一次出现，累计4 h以上也只计为1个降水日；若出现4 h以上连续性降水，但是跨越2 d，计为2个降水日。

统计学处理采用SPSS统计软件处理数据，相关性分析采用双变量Pearson检验。对于X和Y变量，有n个样本（x1，y1）（x2，y2）…（xn，yn），则Pearson相关系数r为：

通过查阅t分布表，得知p值的大小，从而判定当前回归系数是否有意义，当p＜0.05时，为差异有统计学意义。

2 低空急流的统计特征

2.1 月变化特征

对2019—2021年风廓线雷达资料进行统计，共筛选出646个低空急流样本。图1给出哈尔滨机场2019—2021年低空急流日数月变化。分析发现哈尔滨机场的低空急流在5月和9月出现峰值，在7月和12月出现谷值，全年低空急流次数月变化呈现出先增大，后减小，再增大的特征。同时，存在明显的季节变化特征，即春、秋季为高值，夏、冬季为低值。12月—次年2月（冬季）低空急流出现次数最少，平均每年40次左右，从3月开始低空急流次数明显增多，在3—5月（春季）是低空急流高发期，平均每年63次左右，为一年中出现低空急流最多的季节，9—11月（秋季）次之，6—8月（夏季）低空急流发生次数介于秋季和冬季之间。这与李健等[12]研究指出环渤海地区夏末、秋季低空急流出现次数相对较少，春季、夏初是急流频发时期有差异，与李佳[13]研究表明华南地区4—6月低空急流事件逐月增多，8月和9月迅速减少也有一定差异。说明低空急流的月变化特征有明显的地域差异。

图1 2019—2021年哈尔滨机场低空急流日数月变化Fig.1 Monthly changes of occurring days of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

2.2 日变化特征

统计低空急流出现时间日变化特征（表1）发现，低空急流在一天中的任何时刻均可发生。低空急流出现时间的日变化特征（表1）是在早晨到上午（06—12时，北京时，下同）出现的次数最多，平均每年86次，从午后开始逐渐减少，下午（12—18时）平均每年52次，到夜间（18—24时）次数达到最低，平均每年38次，此后次数又逐渐增多，次日凌晨（00—06时）平均每年42次。这与王东阡等[14]研究发现中国东南大部分地区在夜间和早晨（18时和00时）发生频率较高，而在白天和傍晚（08时和12时）发生频率较低有一定差异。说明低空急流的日变化也有地域性特征。

表1 2019—2021年哈尔滨机场低空急流出现时间日变化Table 1 Daily changes of the occurrence time of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

3 低空急流中心特征统计分析

3.1 低空急流风向和持续时间

图2为2019—2021年哈尔滨机场低空急流风向时间序列，分析可知，哈尔滨机场低空急流风向在180°～270°的天数最多，以西南风为主，其次为270°～360°，为西北风，风向在0°～90°的东北向的急流最少，东北向的低空急流在每年秋季出现的较多。因此，哈尔滨机场低空急流以西南急流为主，西南急流常常挟带着充沛的水汽，这为本研究讨论的降水与急流风速和风向的关系提供依据。

图2 2019—2021年哈尔滨机场低空急流风向时间序列Fig.2 Time series of wind direction of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

从低空急流持续时间变化来看（图3），持续时间为7～12 h的天数最多，为238 d，占总天数的37%，持续时间＞18 h的次之，为177 d，占总天数的27%，持续时间为12～18 h的天数为137 d，占总天数的21%，持续时间为4～6 h的天数最少，为94 d，占总天数的15%。

图3 2019—2021年哈尔滨机场低空急流持续时间频次统计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风速

表2为2019—2021年哈尔滨机场低空急流中心高度出现次数，分析可知哈尔滨机场低空急流出现的最低高度为100 m，最大高度为3000 m，平均高度为1120 m，出现频率最多的范围为1500～2000 m，为258次，占总数的44%，其次为2000～2500 m，为118次，占总数的20%，出现在1000～1500 m和2500～3000 m的次数相近，分别为75次和76次，均占总数的13%，出现频率最少的为0～500 m，为19次，占总数的3%。可见哈尔滨机场出现超低空急流的频次较少。

表2 2019—2021年哈尔滨机场低空急流中心高度出现次数Table 2 Frequency statistics on the center height of lowlevel jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

统计2019—2021年哈尔滨机场低空急流中心风速出现次数（图4）发现，哈尔滨机场出现的低空急流中，风速最大值为40 m/s，最小值为12 m/s，平均风速为21 m/s，出现概率最高的风速值为20 m/s，其次为24 m/s，出现概率最低的风速值为12 m/s。整体分布形态符合正态分布特征，这为之后研究低空急流与降水的相关性提供依据。

图4 2019—2021年哈尔滨机场低空急流中心风速出现次数Fig.4 Frequency statistics on the central wind speed of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

4 低空急流与降水的相关性分析

4.1 降水日数统计

利用哈尔滨机场观测月总薄和年总薄资料进行统计，出现在哈尔滨机场单日累计降水量超过0.1 mm计为1个降水日。据统计，2019—2021年共有降水日401 d，其中8月降水日数最多，平均每年为18 d，其次是6月，平均每年16 d，12月降水日数最少，平均每年为1.7 d。3年中，单日最大降水量出现在8月2次，出现在9月1次，单日最大降水量为139.2 mm，出现在2021年8月21日。

4.2 低空急流与降水的统计分析

为统计低空急流和降水的关系，选取2019—2021年4—9月的低空急流和降水的样本，将出现低空急流的日数按照有无降水进行统计（图5），将有急流、有降水定义为有降水日，将有急流、无降水定义为无降水日。6—8月是低空急流出现最频繁的月份，其中8月无降水日为0，说明8月出现的低空急流均伴随着降水出现，6月和7月有少数天数有低空急流却无降水，与当日风廓线雷达温廓线产品进行对比，大部分无降水日都有逆温层存在，且逆温层存在的时间与低空急流存在的时间吻合，可以推测低空急流无降水日的出现跟逆温层有关。

图5 2019—2021年4—9月哈尔滨机场低空急流按有无降水统计Fig.5 Statistics on low-level jets with or without precipitation at Harbin Airport from April to September during 2019－2021

将2019—2021年4—9月低空急流中心最大风速和单日最大降水量进行相关性检验，采用的样本数为241个，他们之间的相关系数为0.427，显著性为0.013，通过0.05的显著性水平检验，说明两组数据显著相关，低空急流中心最大速度的增大可能导致单日最大降水量的增多。

4.3 低空急流出现时间与降水开始时间的统计分析

为进一步分析低空急流与降水之间的关系，对2019—2021年4—9月低空急流出现时间与降水开始时间进行统计（图6），降水开始时间发生在00—06时的有43次，发生在06—12时的有48次，发生在12—18时的有94次，发生在18—24时的有50次，降水开始时间较低空急流出现时间有延迟，降水一般发生在低空急流开始输送后的3～6 h，低空急流通常挟带着充沛的水汽，当水汽累积到一定程度后就开始形成降水。

图6 2019—2021年4—9月哈尔滨机场低空急流出现时间与降水开始时间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 总结与讨论

文中利用2019—2021年风廓线雷达资料对哈尔滨机场低空急流的特征进行分析，并利用哈尔滨机场观测月总薄和年总薄资料对2019—2021年降水情况进行统计，并对低空急流与降水进行相关性分析，得到了以下结论。

1）哈尔滨机场的低空急流有明显的季节性变化特征，春、秋季出现的概率明显高于夏、冬季。低空急流在一天中的任何时刻均可发生，其出现时间的日变化特征是在早晨到上午出现的次数最多，从午后开始逐渐减少，到午夜次数达到最低，此后次数又逐渐增多。

2）哈尔滨机场的低空急流以西南急流为主，从低空急流持续时间变化来看，持续时间为7～12 h的天数最多，持续时间＞18 h的次之，持续时间为4～6 h的天数最少。

3）哈尔滨机场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）哈尔滨机场夏季的低空急流与降水有密切关系，春季的低空急流不仅跟降水有关系，还和逆温层的存在有关，低空急流中心最大速度和单日最大降水量显著相关，低空急流中心速度的增大可能导致单日最大降水量的增多。