一次强对流天气的雷达资料分析

2020-01-03陈从夷

浙江气象 2019年4期

陈从夷

(中国民用航空宁波空中交通管理站，浙江宁波 315000)

0 引言

强对流天气一直是航空气象预报中的重点。尤其是由中尺度对流系统引发的飑线、雷暴大风、冰雹、龙卷和低空风切变等强对流天气对航空安全有很大的影响[1-4]，常造成航班延误、取消甚至返航等，造成航空部门重要经济损失。另外，旅客滞留机场，也易引发情绪激动等各种矛盾。因此，对于强对流天气预报提出了更高更精准要求[5]。多普勒天气雷达从它在半个多世纪前开始应用于气象领域开始，一直是监测和预警强对流天气的主要工具。它可以对天气系统进行有效监测，并实时跟踪其发展态势，其产品给机场天气预报预警提供可靠有效的资料，全面提高了机场空管保障能力，可以说是机场气象、管制人员的“电子眼”。

利用气象雷达分析机场强对流天气的研究已有很多。虎琳春等总结了气象雷达产品在机场强对流天气预报中的应用方面及其重要性[5]。唐民等利用雷达、卫星及风廓线仪等多种资料对上海浦东机场一次连续出现的强对流天气进行对比分析，发现在各次强对流过程发生前均出现明显的风向的垂直切变，具有较好的预警意义[6]。冯建碧等分析了首都机场一次春季强对流天气过程，指出雷达速度图可以监测锋面和高空槽系统的过境情况，并对雷雨大风的临近预报有很好的指导作用[7]。沈宏彬等对成都双流机场多次雷暴天气进行雷达回波分析,得出局地性热雷暴和系统性雷暴这两类雷暴在回波参数、时空分布、初生源地、移动路径以及演变过程的差异[8]。潘彭刚等利用普勒天气雷达资料对武汉天河机场的一次下击暴流天气过程进行了分析，结果表明阵风锋与雷暴之间距离的变化一定程度上可以预示未来雷暴的强弱[9]。陈柏纬等利用雷达谱宽数据对监测香港国际机场邻近地区湍流强度的可行性进行了探讨,提出了多普勒天气雷达的谱宽数据用于监测飞机航道上湍流强度的具体方法与构想[10]。

2019年4月9日宁波机场区域范围内发生了一次强对流天气过程，严重影响当日航班正常运行。本文充分利用多种气象观测资料，对此次强对流天气过程产生的天气形势及物理量特征做了相关分析，重点探讨了这次强对流天气的多普勒天气雷达特征，以期为今后航班计划、机场运行和强对流天气预报预警等提供有价值的参考。

1 天气背景分析

1.1 过程概况

2019年4月9日15:10(北京时，下同)机场受冷空气前沿扩散已经出现风切变，17:03出现小阵雨，17:51出现中阵雨并伴随雷暴，17:58降水强度达到最大，能见度从10 km降至4 km，大雷雨持续约12 min后转为中雷雨，雨势直到18:30开始减弱，雷暴伴小阵雨，18:45雷暴结束，小阵雨持续，本次强对流过程结束。过程影响时各时刻天气现象见表1。

表1 过程影响时各时刻天气现象

1.2 天气形势分析

由9日08时高空形势图(图1a、1b、1c)可见，高空3层为一致的西南气流，其中500 hPa、700 hPa引导气流的作用使得系统主要向东北方向移动。850 hPa江浙地区有一低涡形成，本机场位于低涡暖切附近，具有较好的动力抬升条件。同时，低空急流为本次过程提供了源源不断的水汽供应，较强的水汽输送为降水过程提供了有利的条件。到了9日20时(图略)，高空槽东移北缩，宁波机场仍处于高空槽前西南气流，850 hPa低涡已经东移入海，850 hPa转为西北偏西气流，受气旋入海影响，本机场实况为西北风6～8 m/s。

由地面图(图1d)可以看出，9日08时地面为低压中心控制，北面等压线较为密集，说明有强冷空气沿北方路径南下。到了17时(图略)冷空气前沿已经南下渗透浙江北部。宁波机场先为西南风，随着冷空气的南下，宁波机场转至西北风，转风过程用时短，伴随风切变，既风切变的出现说明冷空气前沿已经开始渗透。

综上，高空形势为一致的西南气流，加强了水汽的输送，850 hPa有一低涡自西向东移动，当地面冷空气南下，配合高空槽过境，造成了大量的不稳定能量，形成本次雷雨过程。

(a：500 hPa，b：700 hPa，c：850 hPa，d：海平面气压场)图1 2019年4月9日08时天气图

1.3 大气层结特征分析

选取9日08时本场周边杭州站和衢州站的探空曲线进行分析(图2)，发现：

1)订正后的Cape较高，CIN值较低，杭州站SI沙氏指数达-2.32，对流能量充足；

2)中低层600 hPa以下大气高湿，中层以上稍干，上干下湿，对流不稳定；

3)垂直风切变较强，有利于强风暴的维持。

综上，大气层结强烈不稳定，比较有利于对流的发展和维持，一旦触发，容易发生强对流天气。

图2 温度对数压力修订图(a：杭州站，b：衢州站)

2 雷达图像分析

2.1 回波演变情况

利用宁波多普勒天气雷达分析回波的演变情况。从组合反射率因子图3上可以看出，早在15:31时，宁波机场的东面及东北面已经有成片的回波逐渐靠近，16:49时，回波前沿激发的部分已经达到机场位置，偏南位置有一单独的回波最强达到了60 dBz；17:51回波主体覆盖宁波机场，机场开始出现中等强度降水，并出现雷暴，于17:58降水强度达到最大；18:53系统完全移出，宁波机场雷暴结束(图3)。

图3 不同时次的雷达组合反射率因子图像

另外，从雷暴最强时刻17:57的回波顶高产品(图4、图5)可以看出，机场上空的回波顶高已达到9 km，说明对流发展较为旺盛。但垂直液态水含量(VIL)并不是很高，说明机场附近的强对流是以短时强降水为主，并没有出现冰雹等特强灾害。而距离机场东南面70 km左右的宁海、象山地区回波发展更为强烈，反射率因子超过65 dBz，垂直液态水含量也较大，有出现冰雹的可能性，实况也显示在宁海、象山出现了小冰雹。

图4 回波顶高产品图5 垂直液态水含量产品

2.2 风的分析

雷达风廓线资料(图6)可以很好地显示出雷达中心上空的垂直风场情况，观察垂直风场随时间的变化，得到了这次过程中垂直方向上风的切变情况。分析雷达风廓线资料发现，17:06低层为西北风，高层为西南风，风随高度逆转，存在风向的切变。风向出现切变，可以推断对流将加强，而风切变消失，可以判断雷暴也将逐渐减弱。

从17:57的0.5°仰角的径向速度图(图7)也可以清晰地看出，低层西北风，高层为西南风，且西南风风速较大，图像右上角已出现速度模糊，最大风速达30 m/s，高空风较强，不仅风向由切变，风速切变也较大，较大的垂直风切变对强对流的发展和维持提供了有力条件。同时西南风急流也提供了充足的水汽供应，使得降水得以维持。

图6 雷达风廓线产品

图7 雷达径向速度图像

2.3 偏振参数分析

自2019年1月起宁波雷达已升级为双偏振多普勒雷达，相对单偏振雷达，它除了基本的反射率因子、径向速度、谱宽、还可提供差分反射率、相关系数、比差分相位等偏振参数，这些参数与降水粒子的相态、形状、空间取向和分布等密切相关。因此，这些双偏振参量在雷达定量测量降水、降水粒子的相态识别、杂波抑制等方面应用更具优势[11]。

Zdr为差分反射率因子，主要表征粒子的空间取向及长短轴之比。Zdr值与雨滴大小密切相关粒子直径越大，轴比越大，Zdr越大。对于雨滴来说，反射率因子Z值大，对应的Zdr也大；而Z值大，Zdr小则是冰雹存在一个显著的特征。由偏振特性产品可知，17:57机场上空对应强反射率因子Z的地方，其Zdr值也较大，说明该处以大雨滴为主，雨强较大，但是没有发生冰雹。

Kdp为差分传播相移率，表示不同偏振分量的相位传播漂移差。Kdp与降水率成比例，通常Kdp大的区域对在强降水区域，可用来估测降水；与反射率估算降水相比，Kdp估算降水不受冰雹影响。Kdp与Zdr以及Z图上大值区对应关系比较好，且形态识别得更为明显，进一步说明是以短时强降水为主。

CC是水平极化和垂直极化回波功率的相关系数，是描述水平和垂直极化的回波信号变化的相似度的参量。气象目标CC高，非气象目标CC低。CC可用于融化层识别，零度层的CC较低且噪声大。另外，CC还可以识别雨中的混合水凝物[12]。机场上空CC值显著下降，降至0.70左右，分析由不规则的凝结核或融化度很高的雪造成。

粒子相态识别产品(HCL)是双偏振的常用二次产品之一，提供粒子相态识别和分类，可以更加直观的区分出小雨、大雨、冰雹、大雨滴、生物、地物、干雪、湿雪、冰晶、霰等，有助于快速定位和预警区域灾害性天气。由17:57的HCL产品可知，在低层宁波大部分地区识别出了小雨，而机场上空识别出了大雨滴，其形态与Zdr、Kdp高度对应，与前面的分析一致，说明该产品识别相态得可信度还是比较高的，对强对流天气预警有较好的参考价值。