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西宁机场风廓线雷达资料在一次中到大雪天气预报中的应用
来源:中国民航网2018-11-26 10:49:00

摘要:文章利用位于西宁曹家堡机场的两部边界层风廓线雷达结合常规观测资料,对2017年10月9日影响西宁机场的一次中到大雪天气过程进行诊断分析,结果表明:风廓线雷达可以较好的表现降水过程的风场变化,能够清楚分析冷暖平流及风场的辐合、辐散情况,结合垂直速度、谱宽、信噪比、大气折射率常数等产品可以较好反应降水现象的开始、发展和结束的特征。

关键词:风廓线雷达;环流形势;垂直速度;谱宽;

引言

风廓线雷达(WPR)又称风廓线仪(WP)是一种新型的测风雷达,主要以晴空大气作为探测对象,利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等要素进行探测。能够24小时连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数(C2n)、速度谱宽等要素随高度的分布,具有时空分辨率高、资料丰富、连续性和实时性好的特点。近年来,不少研究表明风廓线雷达不仅可以实时监测风场垂直廓线的变化,结合其他产品,可以提供时效性较高的天气系统发展变化信息,可以用于判断降水和晴空;在对流天气预报、环境污染预报等方面也有较好应用。

李峰【1】对北京地区春季一次雾霾雨雪多相态变化的复杂天气过程分析中指出利用风廓线雷达信噪比、大气折射率参数、速度谱宽等产品可以很好的判断天气发展转变过程、揭示降水过程的细节变化。施红蓉等【2】分析了风廓线雷达反射率、谱宽、信噪比等因子在预报降水相态变化中的作用。张彩英【3】利用风廓线雷达的垂直速度、折射率结构常数等指标分析一次暴雪过程中降雪强度的变化。黄钰等【4】利用风廓线雷达谱参数对零度层亮带进行了连续探测研究。张征宇等【5】发现可利用风廓线雷达帮助研究降水粒子相态转化的物理过程。何平、阮征等【6】通过探测原理指出可利用风廓线产品估算降水粒子尺度谱及其高度分布从而开展更深层次的降水物理过程研究。在其它学者的研究中【7-18】也表明风廓线雷达探测资料不仅可用于民航风切变天气研究同时可利用其多元化资料监视并研究锋面、降水等天气过程变化规律,为做好精细化预报服务提供理论依据和技术参考。本文利用风廓线雷达产品对西宁曹家堡机场2017年10月9日中两次出现中到大雪并伴有短时低能见度的天气过程进行分析,为利用风廓线雷达资料进行降雪预报累积经验。

1 天气实况及影响系统形势分析

1.1西宁曹家堡机场简介

西宁曹家堡机场位于青海省海东市互助县高寨乡,为4D级国内干线机场,海拔高度为2184.2m,102°02′E,36°31′N,主跑道方向为111°和291°,跑道全长3800m,宽45m(图1)。机场地处青藏高原东北部祁连山脉东南的湟水河流域,大峡和小峡之间,四周环山,地形复杂。周围山高平均在海拔2500m以上。复杂的地形使得西宁机场处于一个狭长的谷地中,有明显的狭管效应,在大风天气下该效应尤为明显。另外由于本场东部即青海省东北地区为连接河西走廊的相对开阔地区,当有冷空气南下时,极易形成冷空气的倒灌。

西宁机场地形地貌图

1.2降水实况及对航班影响

2017年10月9日西宁机场共出现两次降雪过程。对本场航班运行影响产生较大影响的为12:11~13:34之间的一次中到大雪过程,观测记录如下:10时43分观测到小雨夹雪,11时56分能见度降到1800米;12时11分主导能见度降低至600米,观测到中雪、雾;12时20分能见度降至450米,RVR1分钟平均值小于等于550米,观测到大雪、雾;13时转为中雪,能见度上升至900米;13时34分转为小雪;14时30分转为小雨天气,15时16分第一次天气过程结束,本次降雪并未形成地面积雪。第二次为中雪过程:17时43分降小雪,伴随轻雾,能见度迅速降低至2000米,短时间内转为中雪和雾,18时14分主导能见度低至700。18时30分至18时44分天气好转,降雪强度减小,能见度逐步回升。此次天气过程表现出天气现象变化剧烈、能见度降低迅速的特点,是西宁机场近年来极为罕见的。9日当天共有31架次航班延误,4架航班备降,1架返航,大雪、低能见度严重影响了西宁机场通勤运行能力。

图1.2

图1.3

1.3天气系统形势分析

10月9日,500hPa高空图东亚中高纬度地区环流形势呈两槽一脊,高空冷涡分别位于东北和新疆北部地区,贝加尔湖附近为脊控制,588线自山东半岛延伸至我国西南地区,新疆北部至西藏中部为长波槽区,高空槽以东、蒙古高原以南的大部分地区均受槽前西南气流控制,西宁机场处于高空槽前部西南气流控制,有利于降水水汽积累。图1.2给出自8日08时至10日08时24小时高空槽发展移动过程,可以看出高空横槽转竖并且发展东移,横槽前期积累的冷空气转竖后与西南气流输送孟加拉湾及印度洋暖湿气流汇合造成了此次影响我国的天气过程。9日08时,从图1.3可知地面冷空气主体位于蒙古高原北部,中心强度达1052hPa,有明显冷空气向河套地区侵入,且气压梯度较大,由于青海省北部为祁连山区、东部为河湟谷地,这种较特殊的地理环境导致当有较强冷空气位于河西走廊一带或青海省以东时由于地形影响冷空气较难直接翻越祁连山脉自北向南影响青海省而极易在青海省东部形成冷空气“倒灌”影响青海省东部地区,而这种冷空气从东部低层侵入与高空暖湿气团相遇是造成本次降雪的主要原因。

2风廓线雷达产品分析

2.1西宁机场风廓线雷达介绍及资料选取

西宁机场风廓线雷达为Airda公司生产的Airda3000型边界层风廓线雷达,共两部,分别架设在跑道东西两边偏南一侧(东端风廓线雷达文中简称为29号,西端风廓线雷达文中简称为11号)建设位置见表2.1。

本场风廓线雷达工作频率1287MHz,以偏东、西、南、北各15°夹角及垂直方向共5各波束进行探测,最大探测高度:4600米,对不同高度层分别采用高、中、低三种探测模式,最快每2分钟获取一次探测数据,低模式(0至500米)高度分辨率为25米,中模式(500至1000米)高度分辨率为50米,高模式(1000米以上)高度分辨率为100米。表2为Airda3000型边界层风廓线雷达运行的基本参数。

经对比10月9日天气过程中11号雷达及29号雷达各产品表现基本相同,可相互验证,本文资料选取自西宁机场主用跑道11号风廓线雷达降雪过程资料结合分析风廓线雷达在此次天气过程预报中的作用。

2.2风廓线雷达产品分析

2.2.1垂直风廓线

垂直风廓线图(风羽图)可以表示某个站点的水平风垂直廓线随时间演变情况。从地面形势分析中已经知道本场受锋面后部冷空气倒灌影响,地面风向全天均为东南风,最大风速5m/s。图2.1给出10月9日9:15至15:00时垂直风廓线图,横坐标为时间,资料时间间隔15分钟,纵坐标为高度(左)、气压(右)。可从图中看出9:15~10:00时1000米以下为东南风控制,与形势分析一致,风速在2~8m/s,1000~2000米为偏西气流控制,2000米以上为西南气流控制,风速8~16m/s。从温度平流分析,500至1200米风随高度顺时针旋转,为暖平流控制,2000米以上受冷平流影响,高空层结处于不稳定状态。10:00开始1000米以下以较快速度转为较强西南气流控制,此时降水未开始,可知系统前沿已经以较快速度东移,影响到本场1000米以下的高度层,10:00~11:30期间整层均由西南暖湿气流不断向本场输送水汽,使水汽和不稳定能量辐合,为后期较大降雪累积条件。10:43观测到小雨夹雪出现,此时在500米以下有西南风表现,500~1000米高度有暖平流,2000米以上风随高度先逆转后顺转,整体层结不稳定。11:45开始,500米以下有明显风向转变,由前一时刻西南风转为偏东南风控制,1000~1800米转为西北气流控制,该风向的转变预示着暖湿气团被干冷空气取代,11:45~12:15时间段500~1800米风随高度顺转为暖平流控制,1800米~2200米风随高度逆转为冷平流控制,层结仍处于不稳定状态,为降水提供不稳定能量条件。12:15~12:45之间500~1000米左右及2000米左右的高度层均为冷平流控制,结合1000~1800米的西北气流可知中层已有明显冷空气过境影响测站。12:20观测到大雪出现,且12:00后4600米高空西南气流风速超过16m/s的大风速区高度不断向低层延伸,13:00达到最低2800米,可知在12:00~13:00时段内2800~4800米高度层高空西南气流辐合,为该时段降雪提供有利条件,13:00后随着2800~3700米西南风逐渐减小,高空风辐散时段对应降雪逐渐减小。地面干冷空气逐渐加强配合前期暖湿气流的累积为此次降雪提供良好的条件,高层西南风低层偏东风符合本场冷空气倒灌降水的理论特征。12:45后300~700米为暖平流控制,700~2000米为冷平流控制,大气层结重回不稳定,13:00大雪停止转为中雪,13:30后暖平流层逐渐升高至500~1000米高度层,13:34分中雪停止转为小雪天气。

综上所述,此次降水过程垂直风廓线特征表现为:中到大雪发生前2小时整层为偏西南气流控制,高层为冷平流、低层为暖平流,层结不稳定;前45分钟700米以下风由偏西南风转为偏东南风,1000~1800米层风由偏西风转为西北风;在大雪时段高低层均为冷平流控制,伴随高层西南气流辐合。而随着高空西南气流辐散,低层冷平流的停止,降雪逐渐减弱。此次中到大雪是由于前期西南暖湿气流不断累积水汽及不稳定能量,结合下层偏东风(偏东风即为冷空气前锋)冷空气从低层楔入,促使大雪天气发生发展。通过分析可知风廓线雷达垂直廓线资料,可以比较清楚的表明整个降水过程中水平风连续垂直分布、气团的性质变化情况,且时间精度较高,对短临预报降雪有指示作用。

图2.1  9:15至15:00垂直风廓线图

2.2.2垂直速度

在降水产生的情况下,垂直速度(未经落速度订正)代表了空气的垂直运动与降水粒子的下沉运动的总和。其中正速度表示下沉运动,下沉速度越大降水越强,这种垂直速度与降水强度的正相关关系是由于降水时降水粒子的下落速度造成的。图2.2为风廓线雷达探测的垂直速度时空分布图,从图中可知9:15~10:00测站上空上升气流与下沉气流共存,存在上下空气交换;10:15开始垂直速度整层均为正值且速度明显增大,空气出现较明显的下沉运动,此时并未开始降水,仅受下沉气流影响。10:43分观测到雨夹雪出现,与之对应10:45~11:00垂直风速在500米、3200~4200米高度层有明显增强,达到2.2m/s。11:00之后500米以下高度层正速度增加至1.6~1.9m/s。12:00~12:15时段2600~3000米之间垂直风速增大至2.2m/s,该时段对应中雪的开始,此后垂直气流基本稳定在1.6m/s以下,降雪强度12:20后也稳定在大雪量级。13:00时3000~3300米高度垂直气流增大到1.9m/s且125米以下正速度略有减小,13:45以后测得大气垂直运动结构出现明显变化,14:00整层垂直速度明显减小,最低处不足0.3m/s,2900~3500米甚至转为负值,为弱上升运动,速度低于0.3m/s,与之对应降水强度逐渐减小。由于垂直速度与降水过程有较好的相关性,垂直速度在某一区域的增大与减小分别对应该区域垂直气流的辐合与辐散,因此可以通过反映大气层空气上下运动关系,解释降水发生前后大气活动规律及变化,从而预报降水开始与结束。

综上所述,此次降水过程垂直风速特征表现为:降水开始前1~1.5小时空中上升与下沉气流共存,大气处于混合运动过程;降水开始前1小时整层均转变为下沉气流;在降水开始后,中高空有两次明显下沉气流局部增大的现象,基本对应降水出现或相态出现变化;由于在民航降雪标准中,以能见度作为降雪天气强度判定标准,所以在图2.2中可以看到中到大雪开始并维持的时段下沉气流较为稳定,并无明显变化,可能是由于降雪过程中降雪粒子的增大而引起能见度不断降低,而导致降雪强度增强,但对下沉气流无明显影响;随着下沉气流逐渐减小及上升气流出现,降水逐渐停止。

图2.2  09:15至15:00垂直速度图

2.2.3速度谱宽

多普勒速度谱宽是探测单元内各个反射粒子偏离均值程度的反映,因此多普勒速度谱宽直接反映了大气中湍流脉动的强度,可以用来估计空中湍流的强弱。图2.3a给出了9:15~15:00西宁风廓线雷达谱宽变化,从图中可知,9:15~9:30及9:15之前4小时左右(图略)2000米以下及3600米以上谱宽较窄、2000~3600米谱宽较宽。10:00~12:00期间1000米以下谱宽值明显增大,最大达到2.2m/s。12:00以后2800米以下谱宽明显变窄,值普遍降至1.3m/s以下,12:15开始2800米以上谱宽值明显增加,这种谱宽自下而上的转变,反映了上下大气状态发生了明显变化。结合陈楠【7】等在研究中指出的谱宽在一定高度范围内与降水量有较好的相关性与李峰等【1】的研究中表明速度谱宽信号在不同天气条件下会有明显变化,尤其在降水发生时谱宽较宽,而降雪时则谱宽会变窄的结论可以分析出在西宁机场降水云层的高度(此次过程层积云1200米,高积云2700米)以下谱宽宽度的变化可以较好指示降水的出现及其相态变化。

图2.3   09:15至15:00谱宽图

2.2.4信噪比与折射率结构常数(C2n)特征分析

信噪比是雷达接受到经目标散射后的信号和噪声的比值。风廓线雷达探测到的强信号噪声可以视为常规天气雷达中回波强度的RHI产品。经验表明【8】,信噪比与降水对应关系非常密切,在降水持续时间和强度方面都很敏感,约大于40dB的强信号噪声比的开始和结束反映了降水的开始和结束,信噪比大于50dB则为强降水预报指标。折射率结构常数(C2n)描述描述晴空大气湍流运动对电磁波的后向散射能力。根据阮征[9]等给出的C2n计算公式可知,C2n的估算主要建立在信噪比(SNR)测量上,且成正比。吴蕾等的研究表明【10】,大气中存在冰晶、云滴、雨滴和雾滴时,雷达信噪比将比晴空湍流时增强许多,C2n也会随之增强,由此来判定大气状态和天气状况。由于这两种数据对降水及其相态变化有较好指示作用,故本次过程数据取两分钟平均值。图2.4a~2.4d和图2.4e~2.4h分别给出9:15~14:30时段信噪比和折射率结构常数(C2n)变化图,从图上看,降水开始前段信噪比较低并且在9:15~10:20时段内可自1000米处看到一个“V”字形,其外侧SNR大于内侧,可知SNR值增大趋势为先于近地面及高层增加后逐渐向1000米左右延伸,且增幅最大在30dB左右。10:20在1200~2000米层信噪比明显增大,最大值达28dB,此时未出现降水。在10:30~11:00时段内SNR表现特征为1600米以上及1000米以下SNR处于增加的状态,且增幅较大,而1000~1600米SNR明显减小,可以看出此次过程高层和低层SNR增大的时间先于中间层且增大幅度也大于中间层。11:00以后可以明显观察到整层SNR均增加大到20dB以上,在11:50左右1600~2400米高度层出现SNR极大值41dB持续至12:05左右;在12:00~12:20时段500~1000米SNR明显降低,SNR有明显的变化,该时段基本对应降雪加大转为中雪时段;SNR大于35dB的区域自11:40~13:00表现为阶梯型。从13:20起SNR自上而下呈一斜面逐渐减小,并且可以看出明显边界,到14:20近地面SNR普遍降至8dB以下。综上所述,此次降水过程SNR变化特点:在降水开始前1小时左右高层与低层SNR增加优先于中层,且高层SNR值增幅较大;降水开始后高低层SNR值均有明显增大且高层增大先于低层,整层SNR值基本大于25dB,考虑该值为西宁机场持续性雨夹雪开始指标,降水增大阶段SNR值继续增加,11:40~13:20时段内500米以下及1000~3000米高度层SNR值普遍在30~42dB之间,在雨夹雪转中雪及中雪转大雪阶段500~1000米高度层SNR变化幅度较为剧烈,12:20后500米以下SNR值有降低表现,但100米以下SNR至12:55前均大于35dB,12:55后100米以下SNR减小5dB左右,降雪从大雪转为中雪,同时1000~2000高度层SNR明显增大,增幅10dB左右,其后1000米以下高度层SNR又逐渐回升至35dB并且持续至中雪结束,由以上分析可知SNR在降水预报中高层变化先于低层变化且变化幅度基本一致。在降水逐渐减小后SNR值呈阶梯状自高到底逐渐减小,当整层SNR值均处于较低水平(低于12dB)时降水基本停止。

图2.4(a)

图2.4(b)

图2.4(c)

图2.4(d)

通过对图2.4e~2.4h分析可以看到降水时间与折射率结构常数(C2n)也有较好的对应关系。在降水开始前一个半小时左右自4800米左右高空C2n有明显增大并逐渐向低层延伸,降水开始前半小时1000米以下高度层C2n也有明显增加但增幅明显小于1000米以上高度层C2n的增幅,3000~4400米的C2n在降水开始时达到-9m-2/3,并在降水阶段高层C2n始终大于低层C2n。当降雪由中雪转为小雪后,当降雪强度逐渐减弱,能见度逐渐回升时高层C2n有明显降低并自上而下呈阶梯状分布,但其边界不如SNR在该阶段的变化表现明显,C2n的降低表征了大气中水汽含量的减少,当1000米以下低层C2n普遍降至-12m-2/3以下时降水逐渐减小并停止。

图2.4(e)

图2.4(f)

图2.4(g)

图2.4(h)

3 结论

(1)高空槽前强西南气流是这次大雪天气发生的大环流背景,地面冷空气倒灌为这次大雪的发生提供了冷空气及抬升触发条件。

(2)2017年10月9日,西宁地区共经历了两次降雪过程,利用两部风廓线雷达探测产品在两次降雪时段的表现能够较好帮助判断天气系统的发展与演变过程,且两次过程中产品表现基本相似,可以互为印证。

(3)风廓线雷达垂直风廓线资料可以清楚地展示降雪过程前后风场的演变,可以分析出整个降雪过程高空整体为西南气流,为降雪提供水汽条件,而当1000米以下层出现明显的东西风转换时降雪逐渐开始。在垂直风廓线资料中分析出高空的冷暖平流变化情况从而分析大气稳定度,帮助判断降雪发生及强度变化,而结果表明高层为冷平流、低层为暖平流有利于降雪的增强。

(4)风廓线雷达垂直速度、谱宽指标能一定程度反应降水的开始、结束以及强度变化。垂直速度与降雪强度表现出正相关。谱宽在一定高度范围内与降水量有较好的相关性且速度谱宽信号在不同天气条件下会有明显变化,尤其在降水发生时谱宽较宽,而降雪时主要降雪云层下的谱宽会变窄。

(5)风廓线雷达信噪比及C2n在降水过程中有明显变化,对于信噪比其值表现为自上而下逐渐增大,可看到高低层有明显的分界,当整层信噪比达到20dB以上时,降水开始,当部分区域信噪比达到40dB以上时降雪达到最大,当信噪比呈阶梯状逐渐减小时降雪强度也逐渐减小,整层信噪比低于12dB时降雪基本停止。C2n变化形势与信噪比基本相同,降水开始时3000~4400米的C2n达到-9m-2/3,当1000米以下C2n普遍降至-12m-2/3以下时降水逐渐减小并停止。信噪比C2n的变化与降水的出现与结束有较好的相关性。(民航青海空管分局 黄轩)

责任编辑:shiying
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