李 茂，謝近年，馬佩強(qiáng)，張運(yùn)林

(廣東省河源市氣象局，廣東 河源 517000)

1 引言

新一代多普勒天氣雷達(dá)具有大發(fā)射功率、大動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，是專門用于大氣探測(cè)的大氣遙感設(shè)備，是用于警戒和預(yù)報(bào)中、小尺度天氣系統(tǒng)的主要探測(cè)工具之一。多普勒天氣雷達(dá)回波不僅可以探測(cè)目標(biāo)物的位置形狀尺度移動(dòng)和發(fā)展變化等宏觀特性，還可以確定出目標(biāo)物的各種物理特性［1］。在常規(guī)高空氣象探測(cè)中，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)多普勒天氣雷達(dá)回波的分析識(shí)別，判斷出強(qiáng)對(duì)流天氣或大范圍降水天氣系統(tǒng)未來(lái)幾小時(shí)內(nèi)的強(qiáng)度、發(fā)展變化和移動(dòng)路徑，進(jìn)而估算出最有利的放球時(shí)間和探空氣球凈舉力的大小。本文通過(guò)東源探空站建站以來(lái)，在日常高空氣象探測(cè)過(guò)程中應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)回波的實(shí)例，進(jìn)行分析和總結(jié)，期望提高高空氣象探測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量和惡劣天氣下的探測(cè)成功率。

2 利用多普勒雷達(dá)速度圖和強(qiáng)度圖，估算最有利的放球時(shí)間

定時(shí)常規(guī)高空氣象觀測(cè)應(yīng)在正點(diǎn)進(jìn)行，不得早測(cè)、遲測(cè)。早測(cè)是指在規(guī)定正點(diǎn)時(shí)間前開始進(jìn)行觀測(cè);遲測(cè)是指超過(guò)規(guī)定正點(diǎn)時(shí)間5 min 以上開始進(jìn)行觀測(cè)。遲測(cè)分為人為遲測(cè)和非人為遲測(cè)，凡因人為原因未能做好放球前的準(zhǔn)備工作而造成遲測(cè)，視為人為遲測(cè)。凡因臺(tái)風(fēng)、大風(fēng)(14 m/s 及以上)、暴雨、暴風(fēng)雪、雷達(dá)故障等原因等而造成遲測(cè)，視為非人為遲測(cè)。遲測(cè)6～30 min、31～60 min、61～75 min，均根據(jù)相應(yīng)的時(shí)間段統(tǒng)計(jì)不同的錯(cuò)情［2－4］。為了將錯(cuò)情率降至最低并獲得及時(shí)有效的第一手高空資料，在惡劣天氣下，選擇最有利的放球時(shí)間至關(guān)重要。所謂最有利的放球時(shí)間是指:在高空探測(cè)規(guī)范允許的范圍內(nèi)，運(yùn)用多普勒雷達(dá)回波判斷出在正點(diǎn)后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)施放氣球，能保證一次性施放成功，不突失、不重放球。過(guò)去幾十年來(lái)，應(yīng)對(duì)惡劣天氣下放球，探空員除了目測(cè)觀天、依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，就只能多準(zhǔn)備1～2個(gè)探空儀和氣球備用，隨時(shí)準(zhǔn)備重放球，既浪費(fèi)物力、財(cái)力，又影響取準(zhǔn)取全實(shí)時(shí)的高空資料，還影響整個(gè)高空業(yè)務(wù)質(zhì)量。新一代多普勒天氣雷達(dá)的產(chǎn)品豐富，每6 min 提供一次資料，我們只需觀看正點(diǎn)前1 h 的回波移動(dòng)速度，將第一時(shí)刻取得的雷達(dá)回波圖像，向任一方向移過(guò)一定的距離，然后計(jì)算此圖像與第二時(shí)刻圖像之間的交叉相關(guān)系數(shù)，直到找到極大值，利用該極大值所對(duì)應(yīng)的位移來(lái)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻降水的位置。如圖1:按氣球350 m/s 的上升速度，在雨天要順利通過(guò)500 hPa 或5 500 m 的高度，至少需要16 min 左右，施放前仔細(xì)觀察多普勒雷達(dá)回波在A 區(qū)的移動(dòng)速度，估算出下一時(shí)刻降水云層的位置，選擇出最有利的放球時(shí)間點(diǎn)。放球后保證氣球隨高空風(fēng)飄升到B 區(qū)內(nèi)是安全區(qū)，這樣施放后氣球一直處于強(qiáng)回波云層的前方，在16 min 可以順利取全500 hPa 的資料。

圖1 估算有利的放球時(shí)間點(diǎn)示意圖

例:2012年11月10日19 時(shí)探測(cè)，多普勒雷達(dá)回波圖顯示測(cè)站上空正受強(qiáng)對(duì)流云控制，但仔細(xì)觀察在一片強(qiáng)回波之后又出現(xiàn)了一條小的空白帶，此時(shí)圖像時(shí)間為19 時(shí)12 分，按6 min 一張圖計(jì)算，此時(shí)的準(zhǔn)確時(shí)間是19 時(shí)06 分，此時(shí)探測(cè)工作已經(jīng)全部準(zhǔn)備就緒，在連續(xù)觀看了10 張回波圖之后，估計(jì)氣球施放后，受高空風(fēng)影響氣球會(huì)處于2 塊回波云層的中間空白帶，決定選擇正點(diǎn)正常放球。果然，施放后3 min 之前籠罩測(cè)站上空的云層已經(jīng)移出測(cè)站上空，后面空白地帶越發(fā)明顯，雨勢(shì)逐漸減弱，雷達(dá)顯示各類數(shù)據(jù)正常，升速處于7 m/s。15 min 后測(cè)站上空完全空白，氣球已經(jīng)安全穿越500 hPa。此次探測(cè)的成功，在于施放前反復(fù)觀察雷達(dá)回波的移動(dòng)，估算出正點(diǎn)放球后，有一個(gè)滿足B 區(qū)條件的安全區(qū)，果斷施放。

3 利用多普勒雷達(dá)速度圖和強(qiáng)度圖，估算氣球的凈舉力大小

高空氣象探測(cè)氣球有多種型號(hào)，如300 g、750 g、1 600 g 等，不管在探測(cè)中選中哪種型號(hào)的氣球，為了獲得準(zhǔn)確的高空資料，對(duì)其升速有著嚴(yán)格的規(guī)定。在我國(guó)750 g 時(shí)氣象氣球使用最為廣泛，要求升速控制在400 m/min，過(guò)快或過(guò)慢都將嚴(yán)重影響到高空資料的質(zhì)量，而升速取決于氣球凈舉力的大小，常規(guī)探空觀測(cè)是用平衡器重量(俗稱充氣嘴)+法碼重量－探空儀重量－掛繩重量［3］求得。在晴好天氣750 g 氣球凈舉力一般在1 000 g 左右為宜，如遇雷雨天氣凈舉力就要大大增加，但具體增加多少，以前只能通過(guò)目測(cè)云層，依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)充灌，由于估計(jì)不足，經(jīng)常在氣球施放后，出現(xiàn)氣球下沉、超升速，甚至重放球等現(xiàn)象。隨著多普勒雷達(dá)回波在常規(guī)高空探測(cè)中的運(yùn)用，在雷雨天氣或大范圍降水天氣來(lái)臨時(shí)，完全可以根據(jù)雷達(dá)回波的強(qiáng)弱來(lái)判斷雨勢(shì)的大小，進(jìn)而選擇充灌氣球凈舉力的大小，保證合理的氣球升速。

多普勒雷達(dá)是透過(guò)量度從雨點(diǎn)反射回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)探測(cè)大氣中的降雨。信號(hào)的強(qiáng)弱取決于多種因素，一般來(lái)說(shuō)，雨點(diǎn)越大越多，反射信號(hào)便越強(qiáng)。雷達(dá)回波分反射率圖和速度場(chǎng)圖，對(duì)于系統(tǒng)性降水來(lái)說(shuō)，反射率在10～15 dBz 就會(huì)有弱降水發(fā)生，20～35 dBz 會(huì)有小雨，35～45 dBz 會(huì)有中雨，＞45 dBz 有大雨，50～55 dBz 有雷雨大風(fēng)和冰雹［5］。

例2011年8月2日19 時(shí)探測(cè)，充灌氣球時(shí)天空晴朗(圖2)只有少量Cu 云，探空員按晴天的凈舉力標(biāo)準(zhǔn)充灌氣球，各項(xiàng)施放前工作準(zhǔn)備就緒，此時(shí)天空有6 份Cu 云，但探空員目測(cè)天空西南面大面積藍(lán)天可見，估計(jì)暫時(shí)沒有天氣過(guò)程，正點(diǎn)時(shí)準(zhǔn)時(shí)放球。但施放后6 min 開始下大雨，12 min 氣球升速開始減小，氣壓開始回升，雷達(dá)報(bào)警，明顯出現(xiàn)氣球下沉。此時(shí)打開天氣雷達(dá)回波查看，發(fā)現(xiàn)在施放初期，測(cè)站上空就已經(jīng)形成了一塊強(qiáng)回波云團(tuán)(圖3)，并不斷加強(qiáng)，移動(dòng)緩慢，直到36 分(圖4)才逐漸減弱，48 分完全消亡。從圖5、圖6 的探空記錄，可以看出明顯的氣球充灌不足，凈舉力太小，氣球施放后受高空風(fēng)的影響，進(jìn)入強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)，在大雨的阻力下，氣球下沉，由于回波云團(tuán)較小，移動(dòng)緩慢，氣球只是和云團(tuán)擦邊而過(guò)，在下沉2 min 后又上升，否則此次探測(cè)肯定是重放球。這次事故再次提醒了探空員，在放球前期對(duì)多普勒雷達(dá)回波的關(guān)注給放球帶來(lái)的重要意義。

圖2 2011年8月2日19時(shí)雷達(dá)回波圖

圖3 2011年8月2日19時(shí)18分雷達(dá)回波圖

圖4 2011年8月2日19時(shí)36分雷達(dá)回波圖

圖5 氣球升速曲線

圖6 探空曲線

4 小結(jié)

雷雨天氣給高空氣象探測(cè)帶來(lái)了不小的沖擊，尤其在南方，漫長(zhǎng)的汛期，惡劣天氣常會(huì)與高空氣象探測(cè)時(shí)段不期而遇，雷擊、信號(hào)突失、氣球下沉、重放球等探測(cè)事故困擾著每個(gè)探空員，而多普勒雷達(dá)資料在高空氣象探測(cè)中的應(yīng)用，為惡劣天氣下氣球的充灌和選擇放球的時(shí)間提供了直觀、可靠的依據(jù)，徹底解決了探空員在惡劣天氣下盲目探測(cè)的問(wèn)題。

［1］呂娜，方曉紅，侯文秀，等. 一次強(qiáng)降雹天氣的雷達(dá)產(chǎn)品分析［J］. 科技資訊，2011，32:120.

［2］中國(guó)氣象局監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)司. L 波段(1 型)高空氣象探測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)操作手冊(cè)［M］. 北京:氣象出版社，2005.

［3］中國(guó)氣象局. 常規(guī)高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范［M］. 北京:氣象出版社，2010.

［4］中國(guó)氣象局. 高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量考核辦法［M］. 北京:氣象出版社，2010.

［5］吳華斌. 雷達(dá)強(qiáng)度圖在氣象測(cè)報(bào)工作中的簡(jiǎn)單作用［J］.廣東氣象，2008，30.05.