李 茂,張鳳梅,秦榮顯,賴(lài)曉華

(1.廣東省連平縣氣象局,廣東 連平 517000;2.新疆維吾爾自治區(qū)民航新疆空中交通管理局氣象中心,新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

高空氣象探測(cè)資料是天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和氣候變化研究的重要數(shù)據(jù)，在天氣預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用。目前我國(guó)L波段雷達(dá)高空氣象探測(cè)系統(tǒng)是由GFE(L)1型二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)L波段雷達(dá))與GTS1型數(shù)字式電子探空儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)探空儀)組成[1-3]。此系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了探測(cè)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)和集成的自動(dòng)化，提高了探測(cè)資料的質(zhì)量和精度，有效減少了錯(cuò)情率和值班員的工作量。雖然L波段雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟蹤，但在放球初期遭遇雷暴、大風(fēng)、大霧等特殊天氣時(shí)，雷達(dá)并不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。其中雷暴天氣對(duì)高空探測(cè)構(gòu)成極大威脅，如大風(fēng)放球丟球、探空儀受雷擊未通過(guò)500 hPa、雷達(dá)被擊壞、氣球下沉等事故。本文以東源探空站6 a的觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，將雷暴天氣東源站上空近地面層風(fēng)的變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出處理方法供其他臺(tái)站參考。

東源探空站地處廣東省中部，東江中上游，位于河源市東源縣縣城，23°48′N(xiāo)，114°44′E。東源縣地形北高南低，東西兩側(cè)多山，以丘陵為主，屬中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣溫高，濕度大，日照時(shí)間長(zhǎng)，雨量充沛。東源探空站2007年建站，同年4月L波段雷達(dá)投入業(yè)務(wù)使用。東源站在過(guò)去6 a的常規(guī)探測(cè)中，經(jīng)歷了各種各樣的探測(cè)事件，其中雷達(dá)在近地面層丟球，是發(fā)生最多的探測(cè)事故。由于L波段雷達(dá)波瓣寬度(≤6°)窄，測(cè)角精度高，放球時(shí)段遭遇雷暴過(guò)境時(shí)近地面層瞬間風(fēng)速過(guò)大，或放球后上空風(fēng)向急轉(zhuǎn)，極易丟球或旁瓣抓球[4-5]。天線波瓣除了主瓣，還有旁瓣，目標(biāo)被主瓣定向叫真定向，而被旁瓣定向則叫假定向。假定向時(shí)，雷達(dá)的探測(cè)距離大大縮短，而且會(huì)發(fā)生非常大的測(cè)角誤差，此類(lèi)現(xiàn)象一般出現(xiàn)在放球初期，如未及時(shí)校正，會(huì)導(dǎo)致整份測(cè)風(fēng)記錄失真。若丟球發(fā)生在冬季或晴好天氣的近地面層，可通過(guò)雷達(dá)攝像頭觀察或查看前一時(shí)次同高度的方位角、仰角預(yù)估氣球的氣行軌跡、或通過(guò)放球人員引導(dǎo)抓球等辦法可以快速找回目標(biāo)。即使在規(guī)范規(guī)定的2 min范圍內(nèi)無(wú)法準(zhǔn)確找回目標(biāo)，造成測(cè)風(fēng)缺測(cè)部分還可用小球補(bǔ)測(cè)來(lái)補(bǔ)齊近地面層風(fēng)資料[6-11]。但遭遇雷暴天氣丟球時(shí)，由于云層過(guò)低，能見(jiàn)度差，氣球凈舉力大，升速快，氣球施放后快速進(jìn)入云層，攝像頭根本無(wú)法觀察，人工引導(dǎo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，用經(jīng)緯儀補(bǔ)測(cè)更是難上加難，只能造成本次探測(cè)近地面層風(fēng)資料缺測(cè)。吳興洋等[12]探索了L波段探空雷達(dá)丟球?qū)Σ?劉清芳等[13]分析了高空探測(cè)丟球與假定向成因，但針對(duì)雷暴天氣的抓球問(wèn)題涉及較少，本文對(duì)此探索，提出解決方法。

2 資料與方法

本文以東源探空站(2007—2012年)6 a的高空探測(cè)資料為基礎(chǔ)，提取觀測(cè)時(shí)段(07時(shí)、19時(shí))內(nèi)測(cè)站受雷暴天氣控制的全部高空風(fēng)場(chǎng)資料，以及對(duì)應(yīng)的地面瞬間風(fēng)向風(fēng)速資料。首先將臺(tái)站受雷暴天氣控制時(shí)地面風(fēng)根據(jù)風(fēng)速大小，分為3個(gè)等級(jí)繪制出地面放球瞬間風(fēng)向玫瑰圖，作為判斷氣球施放后近地面層氣球的飛行軌跡參考。其次，以放球瞬間的3種地面風(fēng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理、計(jì)算分析并繪制出東源近地面層雷達(dá)仰角在波瓣±6°范圍內(nèi)(0°～12°、13°～25°、26°～38°、39°～51°、52°～64°、65°～77°、78°～90°、>90°)方位角的變化頻率圖。最后根據(jù)雷暴天氣時(shí)不同的地面風(fēng)，繪制出雷暴天氣二次追蹤目標(biāo)的扇掃圖(扇掃圖色調(diào)由深向淺分別表示目標(biāo)主要的追蹤區(qū)和次要的追蹤區(qū)，下同)。

3 雷暴天氣東源站地面風(fēng)的變化特征

雷暴是由旺盛積雨云所引起的伴有閃電、雷鳴和強(qiáng)陣雨的局地風(fēng)暴。高空探測(cè)時(shí)段內(nèi)東源探空站經(jīng)常遭遇雷暴，為了在雷暴天氣探測(cè)不丟球，本文從以下3方面進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、整理、統(tǒng)計(jì)和資料計(jì)算。

3.1 放球瞬間地面風(fēng)速f≤1 m/s為一類(lèi)

放球時(shí)段觀測(cè)到滿(mǎn)天Cb云，且遠(yuǎn)處伴有閃電，結(jié)合本地多普勒雷達(dá)回波圖，判斷測(cè)站上空高空風(fēng)移動(dòng)方向，若雷暴云正向測(cè)站上空移來(lái)，而且高空風(fēng)速較小，移動(dòng)較慢，短時(shí)內(nèi)未到達(dá)測(cè)站，距測(cè)站還有一段距離，設(shè)計(jì)為一類(lèi)。如圖1a：從6 a的雷暴天氣地面風(fēng)速f≤1 m/s時(shí)地面風(fēng)向玫瑰圖看出，雖然風(fēng)向呈現(xiàn)雜亂，但東北風(fēng)和西南風(fēng)兩個(gè)歷史極值點(diǎn)非常突出，是一類(lèi)雷暴天氣地面風(fēng)向的變化特征之一。

圖1 雷暴天氣地面風(fēng)向玫瑰圖，(a):地面風(fēng)速f≤1 m/s,(b):地面風(fēng)速f≤2 m/s,(c):地面風(fēng)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

當(dāng)在雷暴天氣放球時(shí)，探測(cè)環(huán)境剛好處于一類(lèi)情形時(shí)，可運(yùn)用圖2的扇掃方法準(zhǔn)確追蹤目標(biāo)。圖2中顯示前5 min仰角普遍偏高，第1 min極值出現(xiàn)在71°±6°范圍，但未出現(xiàn)過(guò)頂數(shù)據(jù)；說(shuō)明在一類(lèi)情形中，放球瞬間極少存在快速過(guò)頂。第2、3 min仰角首掃范圍略降，但淺色線84°±6°的出現(xiàn)說(shuō)明有部分仰角在繼續(xù)上升，處于過(guò)頂邊緣，扇掃時(shí)注意過(guò)頂掃描；第4、5 min極值保持在45°±6°線范圍，看似趨于穩(wěn)定，但第4 min出現(xiàn)了范圍很寬的雙重第二扇掃區(qū)域，而第5 min出現(xiàn)雙重首扇范圍的同時(shí)還伴有高仰角84±6°和低仰角19±6°的數(shù)據(jù)，扇掃時(shí)應(yīng)注意。雷暴天氣放球處于本文提出的第一類(lèi)情形時(shí)，前5 min方位角除第1 min外(第1 min只有1個(gè)范圍225°～360°)，其余4 min均以360°線為中心線，以左右兩側(cè)22.5°為重點(diǎn)范圍，向兩側(cè)展開(kāi)，而個(gè)別數(shù)據(jù)出現(xiàn)在270°以下偏南方向，最大處均未超過(guò)180°線。一類(lèi)時(shí)方位角范圍較廣，扇掃時(shí)應(yīng)根據(jù)雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)增加或減小相應(yīng)的范圍。

圖2 雷暴天氣地面風(fēng)速f≤1 m/s時(shí)，高空前5 min仰角、方位角的變化頻率圖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 放球瞬間地面風(fēng)速f=2 m/s為二類(lèi)

放球時(shí)段觀測(cè)到滿(mǎn)天Cb云，測(cè)站四周仍有閃電，但雷暴云已移出測(cè)站上空，(雖測(cè)站已不受雷暴控制，但放球后氣球隨高空風(fēng)進(jìn)入雷暴區(qū))，地面風(fēng)速已經(jīng)減弱至f=2 m/s左右，設(shè)計(jì)為二類(lèi)。如圖1b：從6 a的雷暴天氣地面風(fēng)速f=2 m/s時(shí)地面風(fēng)向玫瑰圖看出，相比一類(lèi)時(shí)風(fēng)向較齊整，歷史極值只出現(xiàn)在180°，說(shuō)明測(cè)站受二類(lèi)雷暴天氣影響時(shí)地面吹南風(fēng)最多。

當(dāng)在雷暴天氣放球時(shí)，探測(cè)環(huán)境剛好處于二類(lèi)情形時(shí)，可運(yùn)用圖3的扇掃方法準(zhǔn)確追蹤目標(biāo)。圖3中顯示仰角除第3 min首掃范圍在58°±6°線范圍外，其余各分鐘仰角極值均出現(xiàn)在45°±6°線范圍，第4、5 min出現(xiàn)了雙重首掃范圍，此外，84°±6°線和32°±6°線每分鐘都有數(shù)據(jù)出現(xiàn)，扇掃時(shí)在首掃線沒(méi)有找到目標(biāo)時(shí)，高仰角和低仰角應(yīng)注意。

圖3 雷暴天氣地面風(fēng)速f=2 m/s時(shí)，高空前5 min仰角、方位角的變化頻率圖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極值線以360°線為中心線外，其余4 min均以23°線為中心線，向兩側(cè)展開(kāi)，且兩側(cè)范圍相比一類(lèi)時(shí)明顯變窄，中心線也相對(duì)突出，此外，在270°以下數(shù)據(jù)有明顯增加，扇掃時(shí)根據(jù)雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)加強(qiáng)對(duì)270°以下至偏南方位的掃描。

3.3 放球瞬間地面風(fēng)速f≥3 m/s為三類(lèi)

當(dāng)放球時(shí)段滿(mǎn)天Cb云，雷暴云正處于測(cè)站上空或臺(tái)風(fēng)過(guò)境，風(fēng)力強(qiáng)勁，電閃雷鳴，地風(fēng)風(fēng)速f≥3 m/s時(shí)設(shè)計(jì)為三類(lèi)。如圖1c：從6 a的雷暴天氣地面風(fēng)速f≥3 m/s時(shí)地面風(fēng)向玫瑰圖看出，三類(lèi)時(shí)地面風(fēng)向處在180°～203°、360°～68°兩個(gè)范圍，表現(xiàn)非常齊整，歷史極值出現(xiàn)在203°～180°之間，說(shuō)明三類(lèi)雷暴天氣時(shí)地面吹南風(fēng)和偏南風(fēng)最多。

3.3.1 當(dāng)在雷暴天氣放球時(shí)，探測(cè)環(huán)境剛好處于三類(lèi)情形時(shí)，可運(yùn)用圖4的扇掃方法準(zhǔn)確追蹤目標(biāo)。圖4中顯示仰角前5 min均以32°±6°線和45°±6°線為主，從圖中看出，三類(lèi)時(shí)這兩條線不是雙重出現(xiàn)在首掃范圍，就是占據(jù)主、次掃描線，充分說(shuō)明低仰角是三類(lèi)的重要特征。三類(lèi)時(shí)前期仰角偏低，后期緩慢回升，第4、5 min出現(xiàn)84°±6°線數(shù)據(jù)，此外，低仰角線19°±6°數(shù)據(jù)貫穿每分鐘，并未發(fā)現(xiàn)有超低仰角數(shù)據(jù)。三類(lèi)初期仰角范圍較窄，盡量利用第1、2 min抓球。

方位以北為主，西南為輔，兩側(cè)范圍極窄，北線以23°為中心線，西南線沒(méi)有突出中心點(diǎn)，但數(shù)據(jù)較多，扇掃時(shí)仰角以45°±6°為主，方位以北線為主，觀察雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，若在北線未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，應(yīng)迅速轉(zhuǎn)動(dòng)雷達(dá)180°置于西南線掃描。

3.3.2 在試驗(yàn)和常規(guī)探測(cè)中發(fā)現(xiàn)如雷暴天氣地面風(fēng)速f>8 m/s以上時(shí)，仰角扇掃線需在圖4中的首掃線上降低10°再進(jìn)行定位。

3.3.3 在試驗(yàn)和常規(guī)探測(cè)中發(fā)現(xiàn)如雷暴天氣地面風(fēng)速f>12 m/s以上時(shí)需要在圖4中的首掃線上降低15°再進(jìn)行定位，如圖4中19°±6°線基本是地面風(fēng)速f>8 m/s以上的資料。

圖4 雷暴天氣地面風(fēng)速f≥3 m/s時(shí)，高空前5 min仰角、方位角的變化頻率圖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 比對(duì)測(cè)試和常規(guī)探測(cè)試驗(yàn)的部分資料

該扇掃圖表生成后，在常規(guī)探測(cè)時(shí)段對(duì)成果進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試和常規(guī)探測(cè)試驗(yàn)。圖5～圖7為比對(duì)測(cè)試部分資料，圖8～圖13為常規(guī)探測(cè)部分試驗(yàn)資料。

4.1 比對(duì)測(cè)試

4.1.1 根據(jù)圖7的測(cè)風(fēng)原始數(shù)據(jù)繪制出放球瞬間風(fēng)向在圖表中歷史風(fēng)向玫瑰圖中的位置(圖8)，比對(duì)結(jié)果顯示二類(lèi)時(shí)地面風(fēng)向并未處于歷史極值處，但并未偏離范圍，比對(duì)結(jié)果合格。

4.1.2 繪制出高空前5 min氣球的飛行軌跡(圖6)，比對(duì)結(jié)果顯示二類(lèi)時(shí)第1 min方位角完全符合地面風(fēng)的去向方位，其軌跡也符合東源夏秋季吹西南風(fēng)的特征，氣球隨高空風(fēng)逐漸向西偏移。

4.1.3 繪制前5 min雷達(dá)扇掃圖(圖7)，比對(duì)結(jié)果顯示二類(lèi)時(shí)前3 min仰角均處于淺色掃描線內(nèi)，第4、5 min處于次線掃描線內(nèi)。說(shuō)明在一類(lèi)、二類(lèi)時(shí)，由于地面風(fēng)速較小，近地面層高仰角可能并不在手冊(cè)首掃線范圍內(nèi)，需根據(jù)雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做適量調(diào)整，轉(zhuǎn)入第二、第三淺色掃描線，準(zhǔn)確追蹤到目標(biāo)；比對(duì)顯示二類(lèi)時(shí)方位角均在圖表扇掃范圍內(nèi)，比對(duì)結(jié)果良好；三類(lèi)時(shí)由于近地面層風(fēng)速較大，圖表的準(zhǔn)確度較好。

圖5 2016年10月1日19時(shí)測(cè)風(fēng)原始數(shù)據(jù)Fig.5 original wind measurement data at 19∶00 on October 1st, 2016

圖6 2016年10月1日19時(shí)地面風(fēng)向在f=2 m/s時(shí)地面風(fēng)向玫瑰圖中的位置及前5 min氣球飛行軌跡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

經(jīng)過(guò)論證，結(jié)果表明吻合性較好，說(shuō)明圖表對(duì)雷暴天氣丟球后重新找回目標(biāo)有重要的輔助作用。

4.2 常規(guī)探測(cè)試驗(yàn)：如圖8～圖13

4.2.1 2013年9月22日臺(tái)風(fēng)“天兔”登陸，東源站放球瞬間風(fēng)速19 m/s，風(fēng)向在23°左右，由于地面仰角過(guò)低，雷達(dá)無(wú)法正常跟蹤，采用過(guò)頂放球法，只能使用盲抓。

根據(jù)三類(lèi)扇掃圖，由于瞬間風(fēng)速過(guò)大，此時(shí)只能使用第三類(lèi)中2.3.3的扇掃方法。在仰角首掃線(32°±6°線)的基礎(chǔ)上減去15°，將16°線設(shè)為氣球飛升后第1 min的中心線，方位角在地面風(fēng)向的反方向(202°)為氣球飛升后第1 min的中心線，繪制出預(yù)測(cè)氣球飛行軌跡圖(圖10)。

準(zhǔn)備就緒后，放球前將雷達(dá)直接置于仰角16°、方位202°，等待氣球的到來(lái)(如圖9)，放球后38 s時(shí)發(fā)現(xiàn)雷達(dá)亮線較好，頻率較小，馬上點(diǎn)擊自動(dòng)跟蹤和扇掃功能，在54 s成功鎖定目標(biāo)(如圖9)。

4.2.2 為了進(jìn)一步檢驗(yàn)此類(lèi)方法追蹤目標(biāo)的穩(wěn)定性，在常規(guī)探測(cè)中多次進(jìn)行測(cè)試。如：2016年7月6日19時(shí)雷暴天氣常規(guī)探測(cè)，放球瞬間地面風(fēng)速為4 m/s，方位角158°，此時(shí)測(cè)站正好處于雷暴區(qū)，由于放球點(diǎn)過(guò)低，風(fēng)速大，無(wú)法正常施放，采用過(guò)頂放球法。根據(jù)圖表三類(lèi)扇掃圖，氣球施放后，將雷達(dá)轉(zhuǎn)向32°扇掃格內(nèi)，預(yù)測(cè)以24°線為基準(zhǔn)點(diǎn)，方位角在地面風(fēng)向的反方向以330°左右為中心線，繪制出預(yù)測(cè)氣球飛行軌跡圖(圖13)。(圖12)放球后1 min內(nèi)的秒數(shù)據(jù)顯示，19 s時(shí)雷達(dá)已處于預(yù)測(cè)的方位及仰角點(diǎn)，但亮線顯示不夠整齊，測(cè)距凹口不明顯，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)方位角，在36 s時(shí)四條亮線明顯好轉(zhuǎn)，馬上轉(zhuǎn)入雷達(dá)自動(dòng)跟蹤，并迅速使用雷達(dá)扇掃功能，40 s后目標(biāo)成功鎖定，雷達(dá)跟蹤正常。

圖7 2016年10月1日19時(shí)前5 min高空風(fēng)的變化特征Fig.7 variation characteristics of upper-air wind in the first five minutes before 19∶00 on October 1, 2016

圖8 2013年9月22日20時(shí)測(cè)風(fēng)原始數(shù)據(jù)(放球前5 min秒數(shù)據(jù))Fig.8 original wind measurement data at 20 hours on September 22, 2013 (data 5 minutes and seconds before ball release)

圖9 2013年9月22日20時(shí)測(cè)風(fēng)原始數(shù)據(jù)(放球后第1 min秒數(shù)據(jù))Fig.9 original wind measurement data at 20on September 22, 2013 (data in the first minute and second after ball release)

圖10 2013年9月22日20時(shí)氣球?qū)嶋H飛行軌跡與放球前預(yù)測(cè)飛行軌跡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 小結(jié)

①通過(guò)分析，雷暴天氣地面風(fēng)向在風(fēng)速f<3 m/s以下(一、二類(lèi))時(shí)，歷史地面風(fēng)向變化不規(guī)律，相應(yīng)近地面層風(fēng)場(chǎng)變化與圖表扇掃圖對(duì)比有稍許差異，仰角或偏高或偏低歷史極值扇掃線一格，但均未超出次格扇掃線，在允許范圍內(nèi)，方位相對(duì)準(zhǔn)確。

②通過(guò)分析，雷暴天氣地面風(fēng)向在風(fēng)速f≥3 m/s(三類(lèi))時(shí)，地面風(fēng)向穩(wěn)定，均在兩個(gè)歷史極值范圍內(nèi)，近地面層高空風(fēng)場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，方位角、仰角均在手冊(cè)第一扇掃線內(nèi)，與圖表吻合性較好。

③通過(guò)對(duì)比測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果顯示f<3 m/s以下時(shí)，近地面層仰角有差異，方位角基本吻合歷史扇掃線；當(dāng)f≥3 m/s時(shí)，近地面層仰角、方位角均表現(xiàn)良好；在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)如雷暴天氣地面風(fēng)在風(fēng)速f>8 m/s以上時(shí)，仰角扇掃線需在歷史首掃線上降低10°再定位，風(fēng)速f>12 m/s以上時(shí)需要在歷史首掃線上降低15°再定位，比較容易追蹤到目標(biāo)。

圖11 2016年7月6日19時(shí)測(cè)風(fēng)原始數(shù)據(jù)(放球前5 min秒數(shù)據(jù))Fig.11 original wind measurement data at time 19, 07/06, 2016 (data 5 minutes and seconds before ball release)

圖12 2016年7月6日19時(shí)測(cè)風(fēng)原始數(shù)據(jù)(放球后第1 min秒數(shù)據(jù))Fig.12 original wind measurement data at time 19, 07/06, 2016 (data in the first minute and second after ball release)

圖13 2016年7月6日19時(shí)氣球?qū)嶋H飛行軌跡與放球前預(yù)測(cè)飛行軌跡Fig.13 The actual flight path of the balloon and the predicted flight path before the balloon release at 19∶00, 07/06, 2016