东源站雷暴天气近地面风对放球的影响

李 茂,张凤梅,秦荣显,赖晓华

(1.广东省连平县气象局,广东 连平 517000;2.新疆维吾尔自治区民航新疆空中交通管理局气象中心,新疆 乌鲁木齐 830000)

1 引言

高空气象探测资料是天气预报、气候预测预报和气候变化研究的重要数据，在天气预报和气候监测中发挥着重要作用。目前我国L波段雷达高空气象探测系统是由GFE(L)1型二次测风雷达(以下简称L波段雷达)与GTS1型数字式电子探空仪(以下简称探空仪)组成[1-3]。此系统基本实现了探测数据采集、监测和集成的自动化，提高了探测资料的质量和精度，有效减少了错情率和值班员的工作量。虽然L波段雷达实现了自动跟踪，但在放球初期遭遇雷暴、大风、大雾等特殊天气时，雷达并不能完全实现自动跟踪。其中雷暴天气对高空探测构成极大威胁，如大风放球丢球、探空仪受雷击未通过500 hPa、雷达被击坏、气球下沉等事故。本文以东源探空站6 a的观测资料为基础，将雷暴天气东源站上空近地面层风的变化特征进行统计分析，提出处理方法供其他台站参考。

东源探空站地处广东省中部，东江中上游，位于河源市东源县县城，23°48′N，114°44′E。东源县地形北高南低，东西两侧多山，以丘陵为主，属中亚热带季风区，气温高，湿度大，日照时间长，雨量充沛。东源探空站2007年建站，同年4月L波段雷达投入业务使用。东源站在过去6 a的常规探测中，经历了各种各样的探测事件，其中雷达在近地面层丢球，是发生最多的探测事故。由于L波段雷达波瓣宽度(≤6°)窄，测角精度高，放球时段遭遇雷暴过境时近地面层瞬间风速过大，或放球后上空风向急转，极易丢球或旁瓣抓球[4-5]。天线波瓣除了主瓣，还有旁瓣，目标被主瓣定向叫真定向，而被旁瓣定向则叫假定向。假定向时，雷达的探测距离大大缩短，而且会发生非常大的测角误差，此类现象一般出现在放球初期，如未及时校正，会导致整份测风记录失真。若丢球发生在冬季或晴好天气的近地面层，可通过雷达摄像头观察或查看前一时次同高度的方位角、仰角预估气球的气行轨迹、或通过放球人员引导抓球等办法可以快速找回目标。即使在规范规定的2 min范围内无法准确找回目标，造成测风缺测部分还可用小球补测来补齐近地面层风资料[6-11]。但遭遇雷暴天气丢球时，由于云层过低，能见度差，气球净举力大，升速快，气球施放后快速进入云层，摄像头根本无法观察，人工引导无法实现，用经纬仪补测更是难上加难，只能造成本次探测近地面层风资料缺测。吴兴洋等[12]探索了L波段探空雷达丢球对策,刘清芳等[13]分析了高空探测丢球与假定向成因，但针对雷暴天气的抓球问题涉及较少，本文对此探索，提出解决方法。

2 资料与方法

本文以东源探空站(2007—2012年)6 a的高空探测资料为基础，提取观测时段(07时、19时)内测站受雷暴天气控制的全部高空风场资料，以及对应的地面瞬间风向风速资料。首先将台站受雷暴天气控制时地面风根据风速大小，分为3个等级绘制出地面放球瞬间风向玫瑰图，作为判断气球施放后近地面层气球的飞行轨迹参考。其次，以放球瞬间的3种地面风为基础，进行统计整理、计算分析并绘制出东源近地面层雷达仰角在波瓣±6°范围内(0°～12°、13°～25°、26°～38°、39°～51°、52°～64°、65°～77°、78°～90°、>90°)方位角的变化频率图。最后根据雷暴天气时不同的地面风，绘制出雷暴天气二次追踪目标的扇扫图(扇扫图色调由深向浅分别表示目标主要的追踪区和次要的追踪区，下同)。

3 雷暴天气东源站地面风的变化特征

雷暴是由旺盛积雨云所引起的伴有闪电、雷鸣和强阵雨的局地风暴。高空探测时段内东源探空站经常遭遇雷暴，为了在雷暴天气探测不丢球，本文从以下3方面进行设计、分析、整理、统计和资料计算。

3.1 放球瞬间地面风速f≤1 m/s为一类

放球时段观测到满天Cb云，且远处伴有闪电，结合本地多普勒雷达回波图，判断测站上空高空风移动方向，若雷暴云正向测站上空移来，而且高空风速较小，移动较慢，短时内未到达测站，距测站还有一段距离，设计为一类。如图1a：从6 a的雷暴天气地面风速f≤1 m/s时地面风向玫瑰图看出，虽然风向呈现杂乱，但东北风和西南风两个历史极值点非常突出，是一类雷暴天气地面风向的变化特征之一。

图1 雷暴天气地面风向玫瑰图，(a):地面风速f≤1 m/s,(b):地面风速f≤2 m/s,(c):地面风速f≤3 m/sFig.1 Ground wind direction rose map when thunderstorm weather,(a):f≤1 m/s,(b):f=2 m/s,(c):f≥3 m/s

当在雷暴天气放球时，探测环境刚好处于一类情形时，可运用图2的扇扫方法准确追踪目标。图2中显示前5 min仰角普遍偏高，第1 min极值出现在71°±6°范围，但未出现过顶数据；说明在一类情形中，放球瞬间极少存在快速过顶。第2、3 min仰角首扫范围略降，但浅色线84°±6°的出现说明有部分仰角在继续上升，处于过顶边缘，扇扫时注意过顶扫描；第4、5 min极值保持在45°±6°线范围，看似趋于稳定，但第4 min出现了范围很宽的双重第二扇扫区域，而第5 min出现双重首扇范围的同时还伴有高仰角84±6°和低仰角19±6°的数据，扇扫时应注意。雷暴天气放球处于本文提出的第一类情形时，前5 min方位角除第1 min外(第1 min只有1个范围225°～360°)，其余4 min均以360°线为中心线，以左右两侧22.5°为重点范围，向两侧展开，而个别数据出现在270°以下偏南方向，最大处均未超过180°线。一类时方位角范围较广，扇扫时应根据雷达实时数据增加或减小相应的范围。

图2 雷暴天气地面风速f≤1 m/s时，高空前5 min仰角、方位角的变化频率图Fig.2 variation frequency of elevation and azimuth Angle in thunderstorm weather when ground wind speed f is no more than 1 m/s

3.2 放球瞬间地面风速f=2 m/s为二类

放球时段观测到满天Cb云，测站四周仍有闪电，但雷暴云已移出测站上空，(虽测站已不受雷暴控制，但放球后气球随高空风进入雷暴区)，地面风速已经减弱至f=2 m/s左右，设计为二类。如图1b：从6 a的雷暴天气地面风速f=2 m/s时地面风向玫瑰图看出，相比一类时风向较齐整，历史极值只出现在180°，说明测站受二类雷暴天气影响时地面吹南风最多。

当在雷暴天气放球时，探测环境刚好处于二类情形时，可运用图3的扇扫方法准确追踪目标。图3中显示仰角除第3 min首扫范围在58°±6°线范围外，其余各分钟仰角极值均出现在45°±6°线范围，第4、5 min出现了双重首扫范围，此外，84°±6°线和32°±6°线每分钟都有数据出现，扇扫时在首扫线没有找到目标时，高仰角和低仰角应注意。

图3 雷暴天气地面风速f=2 m/s时，高空前5 min仰角、方位角的变化频率图Fig.3 variation frequency of elevation Angle and azimuth Angle in thunderstorm weather when ground wind speed f=2 m/s is unprecedented for 5 minutes

其次，方位角除第1 min极值线以360°线为中心线外，其余4 min均以23°线为中心线，向两侧展开，且两侧范围相比一类时明显变窄，中心线也相对突出，此外，在270°以下数据有明显增加，扇扫时根据雷达实时数据加强对270°以下至偏南方位的扫描。

3.3 放球瞬间地面风速f≥3 m/s为三类

当放球时段满天Cb云，雷暴云正处于测站上空或台风过境，风力强劲，电闪雷鸣，地风风速f≥3 m/s时设计为三类。如图1c：从6 a的雷暴天气地面风速f≥3 m/s时地面风向玫瑰图看出，三类时地面风向处在180°～203°、360°～68°两个范围，表现非常齐整，历史极值出现在203°～180°之间，说明三类雷暴天气时地面吹南风和偏南风最多。

3.3.1 当在雷暴天气放球时，探测环境刚好处于三类情形时，可运用图4的扇扫方法准确追踪目标。图4中显示仰角前5 min均以32°±6°线和45°±6°线为主，从图中看出，三类时这两条线不是双重出现在首扫范围，就是占据主、次扫描线，充分说明低仰角是三类的重要特征。三类时前期仰角偏低，后期缓慢回升，第4、5 min出现84°±6°线数据，此外，低仰角线19°±6°数据贯穿每分钟，并未发现有超低仰角数据。三类初期仰角范围较窄，尽量利用第1、2 min抓球。

方位以北为主，西南为辅，两侧范围极窄，北线以23°为中心线，西南线没有突出中心点，但数据较多，扇扫时仰角以45°±6°为主，方位以北线为主，观察雷达实时数据，若在北线未发现目标，应迅速转动雷达180°置于西南线扫描。

3.3.2 在试验和常规探测中发现如雷暴天气地面风速f>8 m/s以上时，仰角扇扫线需在图4中的首扫线上降低10°再进行定位。

3.3.3 在试验和常规探测中发现如雷暴天气地面风速f>12 m/s以上时需要在图4中的首扫线上降低15°再进行定位，如图4中19°±6°线基本是地面风速f>8 m/s以上的资料。

图4 雷暴天气地面风速f≥3 m/s时，高空前5 min仰角、方位角的变化频率图Fig.4 variation frequency of elevation Angle and azimuth Angle in thunderstorm weather when ground wind speed f=3 m/s is unprecedented for 5 minutes

4 比对测试和常规探测试验的部分资料

该扇扫图表生成后，在常规探测时段对成果进行了比对测试和常规探测试验。图5～图7为比对测试部分资料，图8～图13为常规探测部分试验资料。

4.1 比对测试

4.1.1 根据图7的测风原始数据绘制出放球瞬间风向在图表中历史风向玫瑰图中的位置(图8)，比对结果显示二类时地面风向并未处于历史极值处，但并未偏离范围，比对结果合格。

4.1.2 绘制出高空前5 min气球的飞行轨迹(图6)，比对结果显示二类时第1 min方位角完全符合地面风的去向方位，其轨迹也符合东源夏秋季吹西南风的特征，气球随高空风逐渐向西偏移。

4.1.3 绘制前5 min雷达扇扫图(图7)，比对结果显示二类时前3 min仰角均处于浅色扫描线内，第4、5 min处于次线扫描线内。说明在一类、二类时，由于地面风速较小，近地面层高仰角可能并不在手册首扫线范围内，需根据雷达实时数据做适量调整，转入第二、第三浅色扫描线，准确追踪到目标；比对显示二类时方位角均在图表扇扫范围内，比对结果良好；三类时由于近地面层风速较大，图表的准确度较好。

图5 2016年10月1日19时测风原始数据Fig.5 original wind measurement data at 19∶00 on October 1st, 2016

图6 2016年10月1日19时地面风向在f=2 m/s时地面风向玫瑰图中的位置及前5 min气球飞行轨迹Fig.6 the position of ground wind direction at time 19 on October 1, 2016 when f=2 m/s And the first five minutes of balloon flight

经过论证，结果表明吻合性较好，说明图表对雷暴天气丢球后重新找回目标有重要的辅助作用。

4.2 常规探测试验：如图8～图13

4.2.1 2013年9月22日台风“天兔”登陆，东源站放球瞬间风速19 m/s，风向在23°左右，由于地面仰角过低，雷达无法正常跟踪，采用过顶放球法，只能使用盲抓。

根据三类扇扫图，由于瞬间风速过大，此时只能使用第三类中2.3.3的扇扫方法。在仰角首扫线(32°±6°线)的基础上减去15°，将16°线设为气球飞升后第1 min的中心线，方位角在地面风向的反方向(202°)为气球飞升后第1 min的中心线，绘制出预测气球飞行轨迹图(图10)。

准备就绪后，放球前将雷达直接置于仰角16°、方位202°，等待气球的到来(如图9)，放球后38 s时发现雷达亮线较好，频率较小，马上点击自动跟踪和扇扫功能，在54 s成功锁定目标(如图9)。

4.2.2 为了进一步检验此类方法追踪目标的稳定性，在常规探测中多次进行测试。如：2016年7月6日19时雷暴天气常规探测，放球瞬间地面风速为4 m/s，方位角158°，此时测站正好处于雷暴区，由于放球点过低，风速大，无法正常施放，采用过顶放球法。根据图表三类扇扫图，气球施放后，将雷达转向32°扇扫格内，预测以24°线为基准点，方位角在地面风向的反方向以330°左右为中心线，绘制出预测气球飞行轨迹图(图13)。(图12)放球后1 min内的秒数据显示，19 s时雷达已处于预测的方位及仰角点，但亮线显示不够整齐，测距凹口不明显，缓慢转动方位角，在36 s时四条亮线明显好转，马上转入雷达自动跟踪，并迅速使用雷达扇扫功能，40 s后目标成功锁定，雷达跟踪正常。

图7 2016年10月1日19时前5 min高空风的变化特征Fig.7 variation characteristics of upper-air wind in the first five minutes before 19∶00 on October 1, 2016

图8 2013年9月22日20时测风原始数据(放球前5 min秒数据)Fig.8 original wind measurement data at 20 hours on September 22, 2013 (data 5 minutes and seconds before ball release)

图9 2013年9月22日20时测风原始数据(放球后第1 min秒数据)Fig.9 original wind measurement data at 20on September 22, 2013 (data in the first minute and second after ball release)

图10 2013年9月22日20时气球实际飞行轨迹与放球前预测飞行轨迹Fig.10 The actual flight path of the balloon and the predicted flight path before the balloon release at 20 o 'clock on September 22, 2013

5 小结

①通过分析，雷暴天气地面风向在风速f<3 m/s以下(一、二类)时，历史地面风向变化不规律，相应近地面层风场变化与图表扇扫图对比有稍许差异，仰角或偏高或偏低历史极值扇扫线一格，但均未超出次格扇扫线，在允许范围内，方位相对准确。

②通过分析，雷暴天气地面风向在风速f≥3 m/s(三类)时，地面风向稳定，均在两个历史极值范围内，近地面层高空风场相对稳定，方位角、仰角均在手册第一扇扫线内，与图表吻合性较好。

③通过对比测试和实际应用试验，结果显示f<3 m/s以下时，近地面层仰角有差异，方位角基本吻合历史扇扫线；当f≥3 m/s时，近地面层仰角、方位角均表现良好；在试验中还发现如雷暴天气地面风在风速f>8 m/s以上时，仰角扇扫线需在历史首扫线上降低10°再定位，风速f>12 m/s以上时需要在历史首扫线上降低15°再定位，比较容易追踪到目标。

图11 2016年7月6日19时测风原始数据(放球前5 min秒数据)Fig.11 original wind measurement data at time 19, 07/06, 2016 (data 5 minutes and seconds before ball release)

图12 2016年7月6日19时测风原始数据(放球后第1 min秒数据)Fig.12 original wind measurement data at time 19, 07/06, 2016 (data in the first minute and second after ball release)

图13 2016年7月6日19时气球实际飞行轨迹与放球前预测飞行轨迹Fig.13 The actual flight path of the balloon and the predicted flight path before the balloon release at 19∶00, 07/06, 2016