基于风廓线雷达资料的台风降水过程分析

杨 欣,于东良,胡怡帆

(1.民航东北空管局黑龙江分局,哈尔滨 150000;2.四平市气象局,四平 136000)

0 引言

风廓线雷达以晴空大气为探测对象,利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场等要素的探测。风廓线雷达提供的风场信息具有连续性强和时空分辨力高的特点,可以发现不同探测高度上风的变化,并根据风的垂直廓线随时间的变化探测到经过测站上空不同尺度的天气系统。因此,风廓线雷达在暴雨、大雾、雷暴、冰雹等天气预测中得到越来越广泛应用。

近年来,专家学者利用风廓线雷达资料对天气过程和大气结构展开了一系列的研究,得出了许多具有实用价值的结论,并已经得到广泛应用。阿不力米提江·阿布力克木等[1-5]利用风廓线雷达资料分析和总结了暴雨、暴雪、冰雹、雾霾等天气过程;黄明策等[6]在利用两类雷达探测资料分析超强台风“威马逊”登陆期间结构演变特征时指出,风廓线雷达水平风场可以对台风不同部位经过测站时的垂直结构特征进行直观、精确的描述;汪学渊等[7]利用风廓线雷达对台风“苏拉”登陆过程进行研究,得出垂直速度、信噪比与降雨量变化趋势一致的结论;施晨晓等[8]在研究风廓线雷达资料在台风“电母”预报的应用时指出垂直速度变化与台风降雨开始、结束时间及雨强的变化都有较好的对应关系。中国东北地区台风相较东南沿海较少,对台风的研究也相对较少,基于风廓线雷达资料对台风降水的研究近乎空白。

文章利用风廓线雷达资料,对2020-09-03/09-04发生在哈尔滨市的台风降水过程进行研究,着重分析台风过境时风廓线雷达资料的演变特征,为台风降水天气的观测和预报提供有益的技术支持。

1 风廓线雷达主要技术性能和位置

哈尔滨太平国际机场(简称“太平机场”)使用的是CFL-03型边界层风廓线雷达(表1),该雷达由天线、发射机、接收机、信号处理、监控和数据处理6个系统构成,可对空中水平风场和垂直气流的廓线进行全天时、全天候的测量。太平机场风廓线雷达采用5个波束,即4个与法线方向夹角约15°的斜波束和1个天顶(法线方向)波束,法线与4个斜波束分别在2个正交平面里,且两两对称,由雷达控制器控制波束指向顺序改变,天线波束指向的改变是通过改变移相器的相位实现的;风廓线雷达按次序向每个波束指向发射电磁波并接收这个波束指向的大气回波;通过测量每个波束指向回波的多普勒频移,可以得到每个散射体积内的径向速度,从而反演出每个高度层的风场信息。天线采用平板微带天线,576个天线单元组成互相垂直的2个线阵组,每组24个线阵,当电磁波从天线单元辐射出去时,在空间产生相互干涉。

表1 CFL-03型边界层风廓线雷达主要性能参数

太平机场风廓线雷达位于机场跑道东南侧(126°23′17″E,45°54′27″N),海拔44.4 m。

2 台风个例概况

台风“美莎克”于2020-08-28T15:00(北京时,下同)在菲律宾吕宋岛以东获得命名,其先在原地回旋,随后向偏北转北偏西方向移动,移入东海东南部海面,并于9月1日05:00被中央气象台升级为超强台风。此后“美莎克”逐渐向北偏东方向移动,强度趋于减弱,于9月3日01:30在韩国庆尚南道沿海登陆,登陆时中心最大风力为14级,随后继续北上。台风降水从9月3日05:39开始影响太平机场,至4日22:25结束,持续时间为41 h 46 min。累计降水量120.2 mm。9月3日11:00—20:00降水最密集,9月4日19:00—20:00降水量较大。

3 风廓线雷达资料的应用

3.1 水平风矢量

根据水平风风向随高度的变化可以判断出大尺度的冷暖平流变化。当风向随高度发生顺时针旋转时表示有暖平流,逆时针旋转则预示着有冷平流。根据水平风垂直切变的大小可以判断测站附近环境是否具有强风暴发生的动力条件。在研究台风天气时,利用风廓线雷达水平风矢量资料,可以清楚地显示台风的内部结构。

为了方便研究,将台风影响太平机场过程分为A,B,C 3个时间阶段。A时间段为00:00—20:00,在此时间段内太平机场开始受台风外围云系影响,风速表现为先增大再减小,风速范围为20～32 m·s-1,整体风速较大,从地面到高空,风向依次为东北—偏东—东南;B时间段为20:00—23:00,为台风眼区影响阶段,从地面到高空风速先增大后减小,风速范围为4～14 m·s-1,整体风速有减小的趋势,600 m以下风向由偏北转为西南,600～1500 m风向由偏东转为偏南最后转为西南,1500 m以上风向由东南转为偏南最后转为西南,说明台风眼过境时,风向发生了逆转,并且风向有从高空传导到地面的过程;23:00后进入C时间段,风速又有一个逐渐增大的过程,仍然表现为从地面到高空,风速先增大后减小,风速范围为16～28 m·s-1,从地面到高空均为西南风。

以上分析说明台风影响前后从低空到高空会出现大风天气,台风眼影响期间风速减小,这与台风的运转机制有很高的一致性。

3.2 垂直速度

李妙英等[9]在利用风廓线雷达资料分析一次强降水天气过程时指出,在晴朗的大气状态下垂直速度可以反映大气的垂直运动速度。风廓线雷达探测到的垂直速度是大气的垂直运动与云中粒子或降水粒子速度的和。正的径向速度代表朝向风廓线雷达的运动,负的径向速度代表远离风廓线雷达的运动。为了方便表述,用垂直速度代替径向速度,正的垂直速度为上升运动,负的垂直速度为下沉运动。古红萍等[10]分析发现,在降水情况发生时,降水的开始和结束可以通过风廓线雷达探测到的大于4 m·s-1的垂直速度反映出来,且垂直速度越大降水越强。

分析9月2—3日风廓线雷达垂直速度资料可以得出,3日05:30开始垂直速度有明显的增大,与降水开始时间对应较好;06:30-19:30,整层垂直速度维持在4 m·s-1,降水较为强烈;19:30-22:00垂直速度明显减小,降水也随之减小,这与台风眼区移近有关;22:00后,垂直速度减小为0～4 m·s-1,降水仍然维持,但强度较小,以间歇性降水为主。综合分析发现,对于哈尔滨地区,垂直速度在接近4 m·s-1时就可以反映出降水的开始,且降水强度的变化趋势与垂直速度的变化趋势一致。

3.3 信噪比

董保举等[11]在研究风廓线雷达在暴雨天气过程特征分析中的应用时指出,信噪比是雷达返回信号中气象信号与噪声信号之比,反映的是回波功率,信噪比越大对应回波功率越强。杨引明等[12]分析发现,风廓线雷达探测到的强信噪比与常规天气雷达中的RHI产品相似,信噪比的强度也反映了降水的强度,大于40 dB的强信噪比的开始和结束反映了降水的开始和结束。陈红玉等[13]在研究强降水过程风廓线雷达资料的极值特征时发现,风廓线雷达探测到的信噪比对降水的持续时间和强度的敏感程度比垂直速度更高,这是因为在有降水的条件下,风廓线雷达探测到的垂直速度代表了空气和雨滴两者的垂直运动之和,而信噪比仅反映了雨滴产生的信号功率大小。

分析9月2—3日风廓线雷达信噪比资料可知,3日06:30开始整层的信噪比有增大的趋势;19:30之前,低层信噪比一直较大,其值范围为25～40 dB,之后明显减小;19:30开始整层信噪比又呈增大的趋势,至22:30,信噪比开始大幅度减小。通过分析可知:信噪比的变化趋势与垂直速度的变化趋势基本相同,两者均能用于分析台风降水的起止时间和强度变化趋势,在台风眼影响期间降水强度减小,之后为间歇性降水。

3.4 大气折射率结构常数

大气折射率结构常数主要取决于大气湿度、大气温度及压强。张征宇等[14]在利用风廓线雷达对一次强降水过程的探测研究时指出,大气折射率结构常数的变化与降水的发生、发展和结束均有较好的相关性。黄兴友等[15]在利用风廓线雷达资料反演雨滴谱和水汽通量时指出,在降水即将来临时,大气高层的水汽含量增加,使大气折射率结构常数增大。大气折射率结构常数能够作为一个很好的降水临近预报指标,当达到一定的数量级时,就意味着降水即将发生。

分析9月2—3日大气折射率结构常数资料后得出,降水发生前,即9月3日06:30前,高空大气折射率结构常数<-130 dB,降水期间维持在-120～-110 dB,说明整层大气增湿明显;9月3日23:00后,大气折射率结构常数减小到-140 dB以下,之后继续下降至-150～-120 dB,表明中高层大气已经被干空气控制,低层仍有大气折射率结构常数在-130～-120 dB的区域。可见,中高层出现大气折射率结构常数<-120 dB的时间与降水开始时间一致,不仅能较好地反映出台风降水的开始、结束和强度变化的演变特点,也能反映出高空湿度变化情况。

4 结束语

文章利用太平机场CFL-03边界层风廓线雷达,对2020-09-03/09-04的台风降水过程进行分析,表明风廓线雷达在台风降水起止时间和强度变化方面有指导性作用,并得到以下结论:

1)通过风廓线雷达水平风矢量资料,可以清楚地显示台风的内部结构,印证了台风影响前后从低空到高空会出现大风天气,台风眼影响期间风速减小,这与台风的运转机制有很好的一致性;

2)对于哈尔滨地区,垂直速度在接近4 m·s-1时就可以反映出降水的开始,且降水强度的变化趋势与垂直速度的变化趋势一致;

3)信噪比的变化趋势与垂直速度的变化趋势基本相同,两者均能用于分析台风降水的起止时间和强度变化趋势,在台风眼影响期间降水强度减小,之后为间歇性降水;

4)中高层出现大气折射率结构常数<-120 dB的时间与降水开始时间一致,大气折射率结构常数不仅能较好地反映出台风降水的开始、结束和强度变化的演变特点,也能反映出高空湿度变化情况。

风廓线雷达可以清楚地显示台风降水过程的风场的垂直结构及其变化特点,直观地反映风场的变化特征,弥补了高空常规探测资料的不足,在短时临近预报中体现出时空分辨力高、连续性强等特征,对中小尺度天气、对流演变有预报意义。