C波段多普勒雷达对重力波探测与分析

安英玉，张云峰，王承伟

（1.黑龙江省人工影响天气办公室，黑龙江哈尔滨 150030；2.黑龙江省气象台，黑龙江哈尔滨 150030）

C波段多普勒雷达对重力波探测与分析

安英玉1，张云峰1，王承伟2

（1.黑龙江省人工影响天气办公室，黑龙江哈尔滨 150030；2.黑龙江省气象台，黑龙江哈尔滨 150030）

2005年4月19日19-22时，哈尔滨雷达站观测到重力波结构，本文主要利用新一代多普勒天气雷达速度场资料对本次过程的重力波结构进行分析。在本次重力波发生发展过程中，径向速度在水平方向上表现为正负速度交替分布的特征；垂直速度在水平方向上平均高度1 100 m以下是上升、下沉气流交替分布，垂直方向上的气流有时是与垂直方向成一定角度的；重力波波长约为5 km，相速约为10 m/s，周期约为8 min，最大振幅约为1.3 km，波动最多有8个位相。重力波的波相传播方向与波能传播方向相同，且与环境风场的方向相同。影响本次重力波发生发展的动力因子主要有700 hPa的低空急流、地面到高空强烈的垂直风切变以及锋面。另外重力波对层状云降水有一定的促进作用。

雷达；重力波；径向速度

1 引言

重力波是流体在重力作用下产生的一种波动。在大气中重力波发生的频谱很广，周期、波长、移速差别大，从周期10 min，气压振幅仅10 hPa的高频波到周期为几小时，气压振幅达几hPa的大振幅波。重力波又可分移动性和静止性。重力波发展的条件是Ri<0.25即层结稳定度大，风的垂直切变大的地区容易产生重力波，不少实际分析也表明，一些大振幅的重力波经常发生在低层稳定层结明显和高空风切变同时存在的地区。波动的产生主要由高层风的切变不稳定，而强的低层静力稳定度主要是增强重力波的地面气压振幅[1]。

重力波是形成许多中尺度天气现象的重要因素[2-3]。很早Tepper就认为锋前产生的强对流天气的飑线是重力惯性波；Riehl[4]也指出，台风中的螺旋雨带是大气中的一类重力内波。它是中尺度系统（如台风）的主要波动，也是斜压调整过程中，非地转风向地转风适应，非热成风向热成风适应的主要机制。在70年代，Bosart[5]，Eom[6]等人就研究过与强烈天气有关联的大振幅重力波系统；Uccellini[7]给出了一个有关重力波与雷暴之间因果关系的详细实例分析；李麦村[2-3]得出重力波在条件不稳定大气中可以是发动暴雨的一种机制，在理论上估计了暴雨团移动的速度和中高低压的强度等。在实际的天气过程中，如飑线、冷锋爆发冷涌、台风登陆、低空急流等许多系统中均有中尺度重力波出现，它们与暴雨等强对流天气现象有着密切的关系[3,8-9]。

2005年4月19日19-22时哈尔滨雷达站观测到重力波的结构特征，由于重力波的观测手段通常是微压计或测风雷达，在测雨雷达上还未见有重力波的观测特征，因此我们对测雨雷达观测到的重力波波动情况进行分析，通过对降水实况、天气形势以及雷达速度场分析其结构特征，用提取出的雷达基数据资料反演出垂直速度，分析重力波的垂直结构特征，最后试图找出影响重力波的动力学因子。

2 降水实况

本次过程降水以层状云连续性降水为主，雨量及雨强比较均匀。19日在冷涡前部暖区，哈尔滨及周边地区6 h降水量均在5 mm以下，但是在重力波移过之后，在20日02时哈尔滨站的6 h降水量达到14 mm，此时的降水量就季节而言，属于较大的降水。

表1 2005年4月19-20日哈尔滨及周边地区6 h降水量统计表（mm）

3 天气背景

3.1 高空形势特征

4月19日08 时欧亚大陆中高纬度为两脊一涡的形势，影响黑龙江省的主要天气系统是位于贝加尔湖与黑龙江省之间的冷涡，该冷涡的温度场落后于高度场，由于北部有极地南下的冷空气不断的补充，南部有西南暖湿气流带来充分的水汽，使冷涡不断加强并逐渐东移，19日20时哈尔滨站受东北冷涡前部影响，在极地南下冷空气与西南暖湿气流的配合下，哈尔滨市普降小到中雨，降雨范围较大，持续时间较长。

哈尔滨站的风向从东南转南偏西转西南，存在明显的高低层的垂直风切变，风向随高度顺时针旋转，说明哈尔滨站存在暖平流。

在19日20时400 hPa和700 hPa全风速场与高空观测场（图略）中可看出，在700 hPa等压面图上从朝鲜半岛到黑龙江省的中北部地区存在低空急流，在400 hPa等压面上从内蒙到黑龙江省的西南部存在高空急流。在垂直剖面上从低空到高空向后倾斜，急流的方向均为西南急流。

3.2 地面流场特征

与高空冷涡相配合的是地面蒙古气旋，该气旋不断东移并进入黑龙江省，19日20时哈尔滨站为东南风，位于冷涡的前部。19日20时哈尔滨降小雨，6 h降雨量4 mm；20日02时哈尔滨6 h降雨量达14 mm。

地面气压场17时哈尔滨站的地面气压为1 009.1 hPa，20时的地面气压为1 007.1 hPa，3 h的气压降低2 hPa。3.3探空曲线分析

19日08 时在950～800 hPa存在一个低空逆温层，20时风的垂直切变较强，从950 hPa的东南风14 m/s到700 hPa的西南风-22 m/s，风向风速存在明显的高低层切变。沙氏指数分别是4.0和4.5，SI>0，说明在08时和20时大气层结稳定度较大。

急流的存在、层结稳定度大、较强的风垂直切变是影响重力波发生发展的因素[11-13]之一。

4 雷达回波演变分析

4.1 重力波的径向速度特征

重力波的传播宽度是指重力波传播过程中，重力波的展宽；传播距离指重力波传播时能观测分析出的最前端与最后端的距离。文中所述波动的个数是指出现一个完整的正负速度交替的个数。

4.1.1 波动生成阶段

本次过程的重力波在19时11分开始略显特征，在0.5°仰角，方位180°～225°，距离0～30 km范围内出现了3对正负速度的波动。该波动不断向东北方向移动，并且垂直向上发展，19时48分发展到6.0°仰角，位置在雷达中心处，波动已经明显形成，此时在0.5°仰角的波动达到10个，在1.5°仰角上达到8个波动，在2.4°仰角上明显可见6个波动，在3.4°仰角上可见到5个波动，此时的波动的主体位于雷达的西南方向。

4.1.2 波动发展强盛阶段

从形成明显波动以后，该波动不仅向东北方向发展移动，在垂直方向上不断发展，波动个数、传播宽度以及传播距离都不断地增加，20时19分达到发展最强盛时刻，此时0.5°仰角为11个波动，传播宽度延伸到35 km，传播距离为70 km；1.5°仰角为7个波动，传播宽度延伸到40 km，传播距离为55 km；2.4°仰角为7个波动，传播宽度延伸到50 km，传播距离为50 km；3.4°仰角为6个波动，传播宽度延伸到30 km，传播距离为40 km。此时波动达到的个数最多，传播宽度延伸最宽，传播距离最大。

4.1.3 波动减弱消亡及弱波动再生阶段

该波动继续向东北方向移动，强度不断减弱，波动个数、传播宽度以及传播距离不断减小，直至消失。

在前一个主体波动消失后，21时52分0.5°仰角，方位0°～30°，距离雷达15～30 km处又有2个波动新生，但是波动很弱，很快就消散了。

4.2 重力波的相位移动速度分析

对重力波发展较为明显的时刻19时37分，19时43分，19时48分，19时53分，19时58分，20时04分六个时次间隔5 min的1.5°仰角的速度图像进行分析。关注的区域为方位角180°～225°。比较19时37分与20时04分的相位移动，在25 min的时间内移过了3个相位，那么1个相位移动的时间约等于8.3 min。

同时根据相位移动的距离分析相位移动的速度。在25 min的时间里有3个完整的相位移过同一位置，因此可以粗略的计算出相位移动的速度，即相速为10 m/s。

根据3个完整波动在25 min里移动了15 km，粗略的计算出一个完整的波动的波长为5 km。

5 垂直速度的反演

由于重力波是纵向的波动，将19时11分-20时40分雷达的径向速度反演到垂直高度上，形成垂直速度。在水平方向上我们讨论重力波的水平分布、能量传播方向，在垂直方向上我们讨论重力波的发展高度即振幅。

5.1 垂直速度的水平分布

将雷达的径向速度反演为垂直速度，垂直速度是雷达径向速度的垂直分量，规定负速度为下沉区域，正速度表示上升区域。由于本次降水主要是层状云降水，垂直上升速度较小，因此在量级上规定的数据也较小。

重力波波动源于雷达站的西南方向，不断增强并向偏北方向移动，在传播到雷达站的偏北方向后，西南方向的波动逐渐减弱，偏北方向的波动不断加强，由此可见重力波的波相传播方向是向着东北方向的，同时重力波的能量传播也是向着东北方向的。由于重力波发生发展的高度较低，所以在重力波远离雷达站后，雷达的最低仰角（0.5°仰角）已经观测不到重力波的波动。

5.2 垂直速度的垂直结构

本次过程，重力波的波动的主体范围在距离雷达50 km以内，垂直高度伸展在1.5 km以下，因此为了图像显示出最明显的特征，将反演的垂直速度的范围定在了距离雷达站中心点的水平距离（S）50 km，距地面的垂直高度（H）1.5 km，在垂直方向上的间距为25 m。由于本次降水主要是层状云降水，垂直上升速度较小，因此在量级上我们将量级定为10-1m/s。

在重力波初生阶段，19时11分在稳定的下沉气流区，出现重力波波动特征（图略）。正速度的位置分别位于：水平距离0～3 km，高度350 m；水平距离7 km，高度275 m；水平距离24 km，高度400 m。而后正速度的范围不断扩大，正负速度交替出现的现象愈加明显。

19时37 分正速度到达的最大高度为1 475 m，并且在700 m以上的区域正速度明显增强，面积加大，上升气流发生的很迅速，同时正负速度交替出现的现象更加明显。在水平距离0～8 km，高度250～400 m的大部分区域均为正速度；在水平距离8～11 km，高度1 050 m以下的大部分区域为负速度；在水平距离11～12 km，高度650～1 200 m的高度上大部分为正速度；水平距离12～15 km，高度1 300 m以下大部分区域为负速度；水平距离15～17 km，高度1 250 m以下大部分为正速度。

19时37 分与前一时次相比较，在700～1 150 m高度的位置正速度更加集中，但是正速度所到达的位置有所降低，最高达到1 250 m，位于水平距离25 m处。此时正负速度出现5对交替的现象，即有5个相位的波动在此区域内。振幅最高到达1 250 m。

20时04 分在哈尔滨雷达站的西南方向的波动减弱，逐渐向偏北方向移动，此时在西南方向有5个相位的波动，但是振幅明显减弱，正速度所能到达的最大高度为900 m；在偏北方向已经生成3个相位的波动，振幅最大为900 m。

经过10 min的重力波相位的移动，20时14分在哈尔滨雷达站的偏北方向形成了5个相位的重力波波动（图略）。振幅的最大高度为1 250 m。

20时19 分重力波在哈尔滨站的偏北方向仍然存在4个相位的波动（图略）。在水平距离分别为4、8、15、18、22、26、29、33 km处，垂直高度在1 100 m以下的区域可以看到垂直速度分别是负、正、负、正、负、正、负、正。振幅最高为1 100 m。21时52分主体逐渐北移之后的重力波，又在水平距离15～50 km处出现重力波的波动，但又很快消散。

经观测和计算，在垂直方向上，本次过程的重力波平均振幅在1 100 m左右，最多同时出现8个完整的波动，波动的平均波长为5 km。

6 结论与讨论

本文使用C波段新一代多普勒天气雷达的基数据资料，利用Visual Basic 6.0和MATLAB工具对基数据中的径向速度进行提取，并反演出各个仰角上的垂直速度，以及分层垂直高度上的垂直速度，配合地面降水、高低空形势场、物理量场的资料，对2005年4月19日19-22时哈尔滨雷达站观测到的重力波结构进行分析，得出以下结论：

在本次重力波发生发展过程中，重力波的波动在水平方向上是正负速度交替出现，重力波形成初期在低仰角上表现特征明显，随着发展，在垂直方向上迅速形成速度正负值交替出现的特征，因此重力波的发生发展的速度很快。

通过对反演的垂直速度分析，发现在垂直方向上重力波的表现特征是垂直气流沿着水平方向的上升下沉气流交替出现。

通过重力波的观测特征可以计算出本次重力波的特征参量，波长约为5 km，相速约为10 m/s，周期约为8 min，整个过程中波动的最大振幅约为1.3 km，平均振幅为1.1 km，明显观测到完整的重力波波动最大为8个位相。

重力波的波相与波能传播的方向在同一个方向，均是从哈尔滨雷达站的中心位置的西南方向向东北方向传播，而且它们与环境风场的方向相同。

哈尔滨站在观测到重力波的时间段内，以层状云降水为主，层结稳定度大，700 hPa存在西南低空急流，风的垂直切变较大，因此重力波在这样的环境场中得以产生和发展。在本次层状云降水过程中，高低空急流、锋面以及纬度的共同作用是激发本次重力波发生发展的动力因子。

从降水实况上看重力波发生发展之前，哈尔滨站的6 h降水量为4 mm，在重力波移过之后，哈尔滨站的6 h降水量增加到14 mm，由此可以推断波在本次降水过程中重力对暖区中的层状云降水起到了一定的促进作用。

在层状云降水中探测到重力波只是个例，其特征参量只能说明本次重力波的特征，不具有代表性。文中只将径向速度的垂直分量作为重力波垂直运动的参考，对于切向速度的垂直分量因为不具备组网观测条件没有考虑。

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P412.25

A

1002－252X（2012）01－0025－03

2011－12－6

安英玉（1981-），女，黑龙江省哈尔滨市人，南京信息工程大学，硕士生，工程师.