陳從夷

(中國(guó)民用航空寧波空中交通管理站，浙江 寧波 315000)

0 引 言

強(qiáng)對(duì)流天氣一直是航空氣象預(yù)報(bào)中的重點(diǎn)。尤其是由中尺度對(duì)流系統(tǒng)引發(fā)的颮線、雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷和低空風(fēng)切變等強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)航空安全有很大的影響[1-4]，常造成航班延誤、取消甚至返航等，造成航空部門重要經(jīng)濟(jì)損失。另外，旅客滯留機(jī)場(chǎng)，也易引發(fā)情緒激動(dòng)等各種矛盾。因此，對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)提出了更高更精準(zhǔn)要求[5]。多普勒天氣雷達(dá)從它在半個(gè)多世紀(jì)前開始應(yīng)用于氣象領(lǐng)域開始，一直是監(jiān)測(cè)和預(yù)警強(qiáng)對(duì)流天氣的主要工具。它可以對(duì)天氣系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)跟蹤其發(fā)展態(tài)勢(shì)，其產(chǎn)品給機(jī)場(chǎng)天氣預(yù)報(bào)預(yù)警提供可靠有效的資料，全面提高了機(jī)場(chǎng)空管保障能力，可以說(shuō)是機(jī)場(chǎng)氣象、管制人員的“電子眼”。

利用氣象雷達(dá)分析機(jī)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)流天氣的研究已有很多?；⒘沾旱瓤偨Y(jié)了氣象雷達(dá)產(chǎn)品在機(jī)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用方面及其重要性[5]。唐民等利用雷達(dá)、衛(wèi)星及風(fēng)廓線儀等多種資料對(duì)上海浦東機(jī)場(chǎng)一次連續(xù)出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在各次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程發(fā)生前均出現(xiàn)明顯的風(fēng)向的垂直切變，具有較好的預(yù)警意義[6]。馮建碧等分析了首都機(jī)場(chǎng)一次春季強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，指出雷達(dá)速度圖可以監(jiān)測(cè)鋒面和高空槽系統(tǒng)的過(guò)境情況，并對(duì)雷雨大風(fēng)的臨近預(yù)報(bào)有很好的指導(dǎo)作用[7]。沈宏彬等對(duì)成都雙流機(jī)場(chǎng)多次雷暴天氣進(jìn)行雷達(dá)回波分析,得出局地性熱雷暴和系統(tǒng)性雷暴這兩類雷暴在回波參數(shù)、時(shí)空分布、初生源地、移動(dòng)路徑以及演變過(guò)程的差異[8]。潘彭剛等利用普勒天氣雷達(dá)資料對(duì)武漢天河機(jī)場(chǎng)的一次下?lián)舯┝魈鞖膺^(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明陣風(fēng)鋒與雷暴之間距離的變化一定程度上可以預(yù)示未來(lái)雷暴的強(qiáng)弱[9]。陳柏緯等利用雷達(dá)譜寬數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)鄰近地區(qū)湍流強(qiáng)度的可行性進(jìn)行了探討,提出了多普勒天氣雷達(dá)的譜寬數(shù)據(jù)用于監(jiān)測(cè)飛機(jī)航道上湍流強(qiáng)度的具體方法與構(gòu)想[10]。

2019年4月9日寧波機(jī)場(chǎng)區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生了一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，嚴(yán)重影響當(dāng)日航班正常運(yùn)行。本文充分利用多種氣象觀測(cè)資料，對(duì)此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程產(chǎn)生的天氣形勢(shì)及物理量特征做了相關(guān)分析，重點(diǎn)探討了這次強(qiáng)對(duì)流天氣的多普勒天氣雷達(dá)特征，以期為今后航班計(jì)劃、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行和強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警等提供有價(jià)值的參考。

1 天氣背景分析

1.1 過(guò)程概況

2019年4月9日15:10(北京時(shí)，下同)機(jī)場(chǎng)受冷空氣前沿?cái)U(kuò)散已經(jīng)出現(xiàn)風(fēng)切變，17:03出現(xiàn)小陣雨，17:51出現(xiàn)中陣雨并伴隨雷暴，17:58降水強(qiáng)度達(dá)到最大，能見(jiàn)度從10 km降至4 km，大雷雨持續(xù)約12 min后轉(zhuǎn)為中雷雨，雨勢(shì)直到18:30開始減弱，雷暴伴小陣雨，18:45雷暴結(jié)束，小陣雨持續(xù)，本次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程結(jié)束。過(guò)程影響時(shí)各時(shí)刻天氣現(xiàn)象見(jiàn)表1。

表1 過(guò)程影響時(shí)各時(shí)刻天氣現(xiàn)象

1.2 天氣形勢(shì)分析

由9日08時(shí)高空形勢(shì)圖(圖1a、1b、1c)可見(jiàn)，高空3層為一致的西南氣流，其中500 hPa、700 hPa引導(dǎo)氣流的作用使得系統(tǒng)主要向東北方向移動(dòng)。850 hPa江浙地區(qū)有一低渦形成，本機(jī)場(chǎng)位于低渦暖切附近，具有較好的動(dòng)力抬升條件。同時(shí)，低空急流為本次過(guò)程提供了源源不斷的水汽供應(yīng)，較強(qiáng)的水汽輸送為降水過(guò)程提供了有利的條件。到了9日20時(shí)(圖略)，高空槽東移北縮，寧波機(jī)場(chǎng)仍處于高空槽前西南氣流，850 hPa低渦已經(jīng)東移入海，850 hPa轉(zhuǎn)為西北偏西氣流，受氣旋入海影響，本機(jī)場(chǎng)實(shí)況為西北風(fēng)6～8 m/s。

由地面圖(圖1d)可以看出，9日08時(shí)地面為低壓中心控制，北面等壓線較為密集，說(shuō)明有強(qiáng)冷空氣沿北方路徑南下。到了17時(shí)(圖略)冷空氣前沿已經(jīng)南下滲透浙江北部。寧波機(jī)場(chǎng)先為西南風(fēng)，隨著冷空氣的南下，寧波機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)至西北風(fēng)，轉(zhuǎn)風(fēng)過(guò)程用時(shí)短，伴隨風(fēng)切變，既風(fēng)切變的出現(xiàn)說(shuō)明冷空氣前沿已經(jīng)開始滲透。

綜上，高空形勢(shì)為一致的西南氣流，加強(qiáng)了水汽的輸送，850 hPa有一低渦自西向東移動(dòng)，當(dāng)?shù)孛胬淇諝饽舷?，配合高空槽過(guò)境，造成了大量的不穩(wěn)定能量，形成本次雷雨過(guò)程。

(a：500 hPa，b：700 hPa，c：850 hPa，d：海平面氣壓場(chǎng))圖1 2019年4月9日08時(shí)天氣圖

1.3 大氣層結(jié)特征分析

選取9日08時(shí)本場(chǎng)周邊杭州站和衢州站的探空曲線進(jìn)行分析(圖2)，發(fā)現(xiàn)：

1)訂正后的Cape較高，CIN值較低，杭州站SI沙氏指數(shù)達(dá)-2.32，對(duì)流能量充足；

2)中低層600 hPa以下大氣高濕，中層以上稍干，上干下濕，對(duì)流不穩(wěn)定；

3)垂直風(fēng)切變較強(qiáng)，有利于強(qiáng)風(fēng)暴的維持。

綜上，大氣層結(jié)強(qiáng)烈不穩(wěn)定，比較有利于對(duì)流的發(fā)展和維持，一旦觸發(fā)，容易發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

圖2 溫度對(duì)數(shù)壓力修訂圖(a：杭州站，b：衢州站)

2 雷達(dá)圖像分析

2.1 回波演變情況

利用寧波多普勒天氣雷達(dá)分析回波的演變情況。從組合反射率因子圖3上可以看出，早在15:31時(shí)，寧波機(jī)場(chǎng)的東面及東北面已經(jīng)有成片的回波逐漸靠近，16:49時(shí)，回波前沿激發(fā)的部分已經(jīng)達(dá)到機(jī)場(chǎng)位置，偏南位置有一單獨(dú)的回波最強(qiáng)達(dá)到了60 dBz；17:51回波主體覆蓋寧波機(jī)場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)開始出現(xiàn)中等強(qiáng)度降水，并出現(xiàn)雷暴，于17:58降水強(qiáng)度達(dá)到最大；18:53系統(tǒng)完全移出，寧波機(jī)場(chǎng)雷暴結(jié)束(圖3)。

圖3 不同時(shí)次的雷達(dá)組合反射率因子圖像

另外，從雷暴最強(qiáng)時(shí)刻17:57的回波頂高產(chǎn)品(圖4、圖5)可以看出，機(jī)場(chǎng)上空的回波頂高已達(dá)到9 km，說(shuō)明對(duì)流發(fā)展較為旺盛。但垂直液態(tài)水含量(VIL)并不是很高，說(shuō)明機(jī)場(chǎng)附近的強(qiáng)對(duì)流是以短時(shí)強(qiáng)降水為主，并沒(méi)有出現(xiàn)冰雹等特強(qiáng)災(zāi)害。而距離機(jī)場(chǎng)東南面70 km左右的寧海、象山地區(qū)回波發(fā)展更為強(qiáng)烈，反射率因子超過(guò)65 dBz，垂直液態(tài)水含量也較大，有出現(xiàn)冰雹的可能性，實(shí)況也顯示在寧海、象山出現(xiàn)了小冰雹。

圖4 回波頂高產(chǎn)品 圖5 垂直液態(tài)水含量產(chǎn)品

2.2 風(fēng)的分析

雷達(dá)風(fēng)廓線資料(圖6)可以很好地顯示出雷達(dá)中心上空的垂直風(fēng)場(chǎng)情況，觀察垂直風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間的變化，得到了這次過(guò)程中垂直方向上風(fēng)的切變情況。分析雷達(dá)風(fēng)廓線資料發(fā)現(xiàn)，17:06低層為西北風(fēng)，高層為西南風(fēng)，風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，存在風(fēng)向的切變。風(fēng)向出現(xiàn)切變，可以推斷對(duì)流將加強(qiáng)，而風(fēng)切變消失，可以判斷雷暴也將逐漸減弱。

從17:57的0.5°仰角的徑向速度圖(圖7)也可以清晰地看出，低層西北風(fēng)，高層為西南風(fēng)，且西南風(fēng)風(fēng)速較大，圖像右上角已出現(xiàn)速度模糊，最大風(fēng)速達(dá)30 m/s，高空風(fēng)較強(qiáng)，不僅風(fēng)向由切變，風(fēng)速切變也較大，較大的垂直風(fēng)切變對(duì)強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展和維持提供了有力條件。同時(shí)西南風(fēng)急流也提供了充足的水汽供應(yīng)，使得降水得以維持。

圖6 雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品

圖7 雷達(dá)徑向速度圖像

2.3 偏振參數(shù)分析

自2019年1月起寧波雷達(dá)已升級(jí)為雙偏振多普勒雷達(dá)，相對(duì)單偏振雷達(dá)，它除了基本的反射率因子、徑向速度、譜寬、還可提供差分反射率、相關(guān)系數(shù)、比差分相位等偏振參數(shù)，這些參數(shù)與降水粒子的相態(tài)、形狀、空間取向和分布等密切相關(guān)。因此，這些雙偏振參量在雷達(dá)定量測(cè)量降水、降水粒子的相態(tài)識(shí)別、雜波抑制等方面應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)[11]。

Zdr為差分反射率因子，主要表征粒子的空間取向及長(zhǎng)短軸之比。Zdr值與雨滴大小密切相關(guān)粒子直徑越大，軸比越大，Zdr越大。對(duì)于雨滴來(lái)說(shuō)，反射率因子Z值大，對(duì)應(yīng)的Zdr也大；而Z值大，Zdr小則是冰雹存在一個(gè)顯著的特征。由偏振特性產(chǎn)品可知，17:57機(jī)場(chǎng)上空對(duì)應(yīng)強(qiáng)反射率因子Z的地方，其Zdr值也較大，說(shuō)明該處以大雨滴為主，雨強(qiáng)較大，但是沒(méi)有發(fā)生冰雹。

Kdp為差分傳播相移率，表示不同偏振分量的相位傳播漂移差。Kdp與降水率成比例，通常Kdp大的區(qū)域?qū)υ趶?qiáng)降水區(qū)域，可用來(lái)估測(cè)降水；與反射率估算降水相比，Kdp估算降水不受冰雹影響。Kdp與Zdr以及Z圖上大值區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系比較好，且形態(tài)識(shí)別得更為明顯，進(jìn)一步說(shuō)明是以短時(shí)強(qiáng)降水為主。

CC是水平極化和垂直極化回波功率的相關(guān)系數(shù)，是描述水平和垂直極化的回波信號(hào)變化的相似度的參量。氣象目標(biāo)CC高，非氣象目標(biāo)CC低。CC可用于融化層識(shí)別，零度層的CC較低且噪聲大。另外，CC還可以識(shí)別雨中的混合水凝物[12]。機(jī)場(chǎng)上空CC值顯著下降，降至0.70左右，分析由不規(guī)則的凝結(jié)核或融化度很高的雪造成。

粒子相態(tài)識(shí)別產(chǎn)品(HCL)是雙偏振的常用二次產(chǎn)品之一，提供粒子相態(tài)識(shí)別和分類，可以更加直觀的區(qū)分出小雨、大雨、冰雹、大雨滴、生物、地物、干雪、濕雪、冰晶、霰等，有助于快速定位和預(yù)警區(qū)域?yàn)?zāi)害性天氣。由17:57的HCL產(chǎn)品可知，在低層寧波大部分地區(qū)識(shí)別出了小雨，而機(jī)場(chǎng)上空識(shí)別出了大雨滴，其形態(tài)與Zdr、Kdp高度對(duì)應(yīng)，與前面的分析一致，說(shuō)明該產(chǎn)品識(shí)別相態(tài)得可信度還是比較高的，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警有較好的參考價(jià)值。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)2019年4月9日寧波機(jī)場(chǎng)區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生的一次強(qiáng)對(duì)流天氣，充分利用多種氣象觀測(cè)資料，對(duì)此次過(guò)程產(chǎn)生的天氣形勢(shì)及物理量特征做了相關(guān)分析，重點(diǎn)分析了這次過(guò)程的雷達(dá)回波特征及其偏振特性，主要結(jié)論如下。

1)本次過(guò)程為典型的冷空氣南下配合高空槽過(guò)境的系統(tǒng)性對(duì)流過(guò)程，在高空西南引導(dǎo)氣流的作用下自西向東移動(dòng)影響寧波機(jī)場(chǎng)及周邊航路。其水汽輸送主要來(lái)源于南海，高空西南急流提供了充沛的水汽條件。

2)雷達(dá)風(fēng)廓線資料可以很好地顯示出雷達(dá)中心上空的垂直風(fēng)場(chǎng)情況，垂直風(fēng)切變對(duì)強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展和維持有很好的指示意義。風(fēng)向出現(xiàn)切變，可以推斷對(duì)流將加強(qiáng)，而風(fēng)切變消失，可以判斷雷暴也將逐漸減弱。

3)相對(duì)單偏振雷達(dá)，雙偏振雷達(dá)提供了更多的偏振參量，其產(chǎn)品在雷達(dá)定量測(cè)量降水、降水粒子的相態(tài)識(shí)別、雜波抑制等方面應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)。其中，粒子相態(tài)識(shí)別產(chǎn)品(HCL)有助于快速定位和預(yù)警區(qū)域?yàn)?zāi)害性天氣，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警有較好的參考價(jià)值。