王周鶴，趙建偉，高 兵

（云南機場集團(tuán)大理機場，云南 大理671000）

颮現(xiàn)象是范圍小、生命史短、氣壓和風(fēng)發(fā)生突變的狹窄強對流天氣帶， 產(chǎn)生于強烈不穩(wěn)定的氣團(tuán)內(nèi)部，在這種大氣中容易形成強烈的上升氣流，生成旺盛的積雨云，當(dāng)雨滴增大到上升氣流托不住時，下降的雨滴通過摩擦力的作用， 使上升氣流轉(zhuǎn)變?yōu)榈孛婵諝獾乃竭\動[1]；颮作為一種風(fēng)暴現(xiàn)象，風(fēng)力強大、風(fēng)向突變，氣壓、氣溫急劇變化，伴隨雷暴、冰雹、強降水等對流天氣，常常是引發(fā)下?lián)舯┝鳌⒌涂诊L(fēng)切變的主要原因之一。 航空氣象觀測颮現(xiàn)象判定標(biāo)準(zhǔn)為： 當(dāng)觀測到的本場地面風(fēng)瞬時風(fēng)速急劇增大了至少8 m/s，且增大后瞬時風(fēng)速達(dá)到11 m/s 或以上，并至少維持1 min，就應(yīng)當(dāng)判定是颮[1]。 颮會給航空飛機的起飛降落、發(fā)動機穩(wěn)定性、飛行能見度、操縱性及儀表穩(wěn)定性等帶來嚴(yán)重的安全隱患[1-4]，因此民航總局發(fā)布雷雨天氣飛行規(guī)定： 飛行活動嚴(yán)禁飛越積雨云或濃積云，嚴(yán)禁穿越雷雨；飛機繞飛雷雨時，距離主降雨區(qū)不少于10 km。 這就是防止民航飛行進(jìn)入颮天氣區(qū)域。

目前對颮的發(fā)生規(guī)律還未完全弄清楚， 颮內(nèi)部要素變化的精細(xì)化觀測也是氣象觀測中的一個難點，對航空氣象保障帶來了極大的挑戰(zhàn)。風(fēng)廓線雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)，能夠連續(xù)地觀測雷達(dá)站上空幾分鐘、幾十米層距的高分辨率的風(fēng)廓線資料， 除了具有可連續(xù)探測優(yōu)點外，還具有高精度和運行可靠性，為颮線內(nèi)部中尺度結(jié)構(gòu)提供了一種良好的觀測工具[5-6]。由于高時空分辨率的特征， 風(fēng)廓線雷達(dá)資料在局地強對流天氣分析和預(yù)報中的應(yīng)用越來越受到人們的重視[7-16]。 楊引明等[13]討論了風(fēng)廓線雷達(dá)資料，特別是垂直速度和溫度資料的應(yīng)用，研究表明，可以實時監(jiān)測水平風(fēng)的垂直切變及其發(fā)展變化全過程； 許麗萍等[5]論述了CFL-03 型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)在中小尺度氣象分析與預(yù)報的應(yīng)用；何平等[6]對風(fēng)廓線雷達(dá)探測降水過程的初步研究， 認(rèn)為國產(chǎn)風(fēng)廓線雷達(dá)能夠在降水天氣下工作，降水時信噪比、垂直速度等要素出現(xiàn)一定的特征；董保舉等[14]分析了風(fēng)廓線雷達(dá)資料在暴雨天氣過程特征應(yīng)用， 開展了降水物理過程研究；陳紅玉等[18]研究了大理地區(qū)強降水過程風(fēng)廓線雷達(dá)資料的極值特征。

盡管針對風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行了很多卓有成效的研究成果[19-21]，但是在颮線系統(tǒng)中的精細(xì)化風(fēng)場結(jié)構(gòu)依然不是太清楚， 風(fēng)場時空演變規(guī)律還有待深入了解，故本文利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料，通過各類產(chǎn)品分析2018 年2 次颮線天氣過程的垂直特征變化，研究颮線天氣的發(fā)生規(guī)律，為及時準(zhǔn)確地識別和預(yù)測颮天氣現(xiàn)象提供參考依據(jù)，保障飛行安全和提高飛行效率。

1 設(shè)備與資料選取

大理機場風(fēng)廓線雷達(dá)是由航天科工集團(tuán)二院二十三所生產(chǎn)的CFL-03 固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，臺址位于大理機場遠(yuǎn)指點標(biāo)臺內(nèi)，海拔高度2 212.3 m，最低探測高度60～120 m， 最高探測高度3～5.5 km。雷達(dá)設(shè)計有5 個波束， 一個垂直波束，4 個斜波束，在2 個互為垂直的平面里， 偏離垂直波束14.6°，通過改變移相器相位值改變波束方向， 每個波束發(fā)射電磁波脈沖，并接受每個脈沖的回波，計算出該波束各個高度層上的徑向速度， 最后根據(jù)公式計算各個高度層上的水平風(fēng)向、風(fēng)速、垂直氣流，輸出圖形產(chǎn)品； 利用測風(fēng)同樣的方法得到各個高度層的回波信號信噪比值和回波信號功率，輸出圖形產(chǎn)品，還提供有徑向速度、譜寬、信噪比、水平風(fēng)向、風(fēng)速和垂直速度和功率譜密度分布數(shù)據(jù)。

大理機場地處滇西低緯高原（100°19′E，25°39′N），機場標(biāo)高2155 m，屬低緯高原季風(fēng)氣候，雨季主要受來自孟加拉灣的西南氣流和南海的東南氣流影響。本文選取2018 年大理機場地面觀測記錄颮現(xiàn)象的2 次天氣過程， 分屬不同的天氣背景，5 月13 日為南支槽東移西南氣流影響本場，8 月4 日為熱帶低壓西行東南氣流影響本場。

2 兩次颮天氣過程分析

2.1 天氣實況及影響

2018 年5 月13 日天氣過程實況（表1），9：30本場風(fēng)速突然增大，出現(xiàn)陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)15 m·s-1，氣溫驟降3.5 ℃，氣壓升高，最大風(fēng)速達(dá)19 m/s；伴隨出現(xiàn)雷暴、冰雹、強降水等對流天氣，按照民航氣象觀測颮天氣現(xiàn)象的判斷標(biāo)準(zhǔn)，是颮現(xiàn)象。此次天氣過程導(dǎo)致了大理機場航班延誤。

2018 年8 月4 日天氣過程實況（表2），13：20本場風(fēng)向70°， 風(fēng)速3 m·s-1，13：30 風(fēng)向轉(zhuǎn)為120°，風(fēng)速突變增大，出現(xiàn)陣風(fēng)19 m·s-1，氣溫驟降3.6 ℃，氣壓10 min 內(nèi)升高2 hPa，伴隨出現(xiàn)雷暴、強降水等對流天氣，強降水在13 min 內(nèi)降水量高達(dá)8.6 mm。此次天氣過程導(dǎo)致了3 架次航班受天氣影響，2 架次航班因本場天氣原因取消。

表1 5 月13 日颮現(xiàn)象天氣過程天氣實況

表2 8 月4 日颮現(xiàn)象天氣過程天氣實況

2.2 環(huán)流形勢分析

5 月13 日青藏高原東南側(cè)有南支槽東移，南支槽前西南暖濕氣流攜帶了大量的水汽， 為大理區(qū)域提供了充沛的水汽條件， 槽后西北氣流引導(dǎo)冷平流南下；700 hPa，長江沿線大理至漢口受切變線影響，尾部位于云南中部偏西大理附近， 其后部轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。 利用NCEP 高空風(fēng)、 溫度再分析資料，12 日18時500 hPa 孟加拉灣熱帶低壓位于緬甸和云南騰沖交界一帶，冷中心位于低壓中心后部北側(cè)，到13 日12 時（圖1） 低壓中心已經(jīng)移動到大理偏北麗江一線，冷中心趕上低壓中心后接近大理區(qū)域，高空冷空氣的加入為強對流天氣提供了有利的條件。

圖1 5 月13 日12 時NCEP 500 hPa 風(fēng)溫

8 月4 日南亞熱帶輻合帶向北抬升， 熱帶低壓中心位于中南半島，700 hPa 低壓中心更為偏北，位于西雙版納至普洱一帶， 大理區(qū)域受低壓外圍的偏東氣流影響， 匯同南亞季風(fēng)為大理區(qū)域提供充沛的水汽條件。 利用NCEP 高空風(fēng)、 溫度再分析資料，8月3 日18 時熱帶低壓中心位于云南西雙版納至普洱一帶，云南大理受熱帶低壓外圍偏東氣流影響；低壓中心向北緩慢移動，到8 月4 日12 時（圖2），冷中心從東向西移動，云南大部為偏東氣流，結(jié)合等溫線，存在明顯冷平流，高空冷平流增加了對稱不穩(wěn)定為強對流天氣提供了有利條件。

圖2 8 月4 日12 時NCEP 500 hPa 風(fēng)溫

3 風(fēng)廓線資料在颮線天氣中的應(yīng)用

利用風(fēng)廓線雷達(dá)每5 min 一次的原始資料，對水平風(fēng)垂直變化、垂直速度、風(fēng)切變等作時間、高度的演變圖。 風(fēng)廓線雷達(dá)5 波束的譜功率數(shù)據(jù)圖以及信噪比、徑向速度數(shù)據(jù)，并結(jié)合天氣過程深入分析其物理過程。

3.1 物理過程開始前的水平風(fēng)和垂直風(fēng)分析

圖3、 圖4 為風(fēng)廓線雷達(dá)每5 min 一次的原始資料，是水平風(fēng)疊加垂直速度的高度時間剖面圖。水平風(fēng)隨高度的變化反映了冷暖平流的變化， 隨時間的變化反映了氣流輻合輻散狀況，也能反映出槽線、切變線等天氣系統(tǒng)的變化發(fā)展[15]。 而垂直風(fēng)隨時間的變化以及變化發(fā)展的高度反映了大氣中垂直熱交換的程度，垂直速度大小隨高度而變化，也是判斷對流發(fā)展強度的一個重要方法， 因此垂直速度在對流天氣預(yù)報中有重要的應(yīng)用價值[17]。

5 月13 日4：30（圖3），800 m 以上存在有明顯的水平風(fēng)向切變， 而且切變高度持續(xù)到3500 m，后續(xù)風(fēng)向由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，地面到1800 m，水平風(fēng)隨高度升高由偏東風(fēng)順時針轉(zhuǎn)變西南風(fēng)， 底層出現(xiàn)了暖平流；5：10—5：40，高度1000 m 以下的垂直速度為負(fù)值，最大值為-2.6 m/s，說明底層開始出現(xiàn)上升運動；6：00—7：00，1800～2500 m 也出現(xiàn)了負(fù)的垂直速度，上升運動已經(jīng)發(fā)展到了中高層，在本場也觀測到了積雨云， 有對流發(fā)展；8：00 以后對流高度達(dá)到了5000 m 以上， 同時在600～2300 m 高度層，隨著時間推移水平風(fēng)明顯增大， 存在水平風(fēng)輻散現(xiàn)象，8：40 后水平風(fēng)最大探測高度5220 m 有弱下沉氣流，且延續(xù)到了近地層，360 m 高度風(fēng)速已達(dá)到了11 m/s；8：50—9：00 垂直風(fēng)在1000 m 以上有上升氣流和下沉氣流，出現(xiàn)了垂直風(fēng)的水平切變，反映了大氣中有垂直熱交換；9：20—10：00， 在800～1200 m有大的下沉速度在上、 小的下沉速度在下的垂直切變，1500～2000 m 形成了上升速度在下、下沉速度在上垂直風(fēng)垂直切變， 上升氣流和下降氣流在垂直方向上同時存在，反映了強烈的對流發(fā)展。

圖3 5 月13 日水平風(fēng)垂直速度疊加

8 月4 日10：00—12：40（圖4），最底層到1300 m水平風(fēng)從西偏北風(fēng)順時針偏轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)， 有暖平流存在；11：40—12：40 在1000 m 以下形成了低壓環(huán)流，同時出現(xiàn)垂直速度負(fù)值區(qū)，最大值為-2.3 m/s，說明底層有上升運動；12：30 在1000 m 以上的偏東風(fēng)突然轉(zhuǎn)變成了西北風(fēng)，12：50 又轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，有強烈的風(fēng)向輻合切變，上升氣流不斷發(fā)展到了中高層，且存在較強的亂流混合， 離地高度達(dá)到了5000 m，在本場地面觀測資料也記錄了積雨云， 本場有對流發(fā)展；13：00 在2500 m 左右的上升氣流遇到了下沉氣流，下沉速度隨時間推移逐漸增大，達(dá)3～5 m/s，上升氣流支撐不住下沉氣流，高度逐漸降低，也正好解釋了本場生成旺盛的積雨云， 當(dāng)雨滴增大到上升氣流支持不住時，下降的雨滴通過摩擦力的作用，使上升氣流轉(zhuǎn)變?yōu)橄鲁翚饬鳎?3：15—14：30 在800～1500 m存在大的下沉速度在上、 小的下沉速度在下的垂直切變，反映了強烈的對流發(fā)展?？偨Y(jié)2 次颮線天氣過程的共性，開始前均出現(xiàn)了水平風(fēng)的風(fēng)向切變，上升氣流和下降氣流同時存在， 大氣中有垂直熱交換過程， 垂直風(fēng)的水平切變及垂直切變， 強烈的對流發(fā)展，高度達(dá)到了5000 m 以上。

圖4 8 月4 日水平風(fēng)垂直速度疊加

3.2 物理過程中的徑向頻譜圖分析

圖5 為5 月13 日颮線過場時風(fēng)廓線雷達(dá)低模式（60～1800 m）頻譜，圖6 為8 月4 日風(fēng)廓線雷達(dá)高模式（900～5600 m）頻譜，朝著雷達(dá)徑向速度為正，離開雷達(dá)為負(fù)。 由圖5 可見，中波束900 m 高度以上頻譜譜寬突然變寬，徑向速度從0.1 m/s 突然增大到了8.2 m/s， 前波束1200 m 高度徑向速度突變增大為4.3 m/s，后波束840 m 高度徑向速度突變增大為6.5 m/s，右波束1080 m 高度徑向速度突變增大為6.9 m/s，左波束840 m 高度徑向速度突變增大為6.5 m/s，分析5 波束頻譜圖，前、后2 個對稱波束和左、 右2 個對稱波束速度突變增大高度及波譜變化均不一致，無對稱性，說明降水相態(tài)發(fā)生了改變，且最大徑向速度突變數(shù)值差異大， 反映了降水的不均勻性或水平風(fēng)的影響。 圖6 在不同的高度層同樣出現(xiàn)了徑向速度突變增大的情況，前、后波束和左、右波束分別為對稱波束， 徑向速度突變增大高度及波譜變化也不一致， 同樣說明了本場降水的不均勻性或水平風(fēng)的影響。吳志根[15]等研究指出，若頻譜圖出現(xiàn)徑向速度折疊， 基本判定出現(xiàn)風(fēng)雨交加的強對流天氣。

圖5 5 月13 日09：55 廓線低模五波束頻譜

圖6 8 月4 日12：41 風(fēng)廓線高模五波束頻譜

圖7 為5 月13 日風(fēng)廓線雷達(dá)高模左波束頻譜。 4140～4260 m 高度徑向速度從-6.74 m/s 變化為7.43 m/s， 這是明顯的徑向速度折疊現(xiàn)象； 圖8為8 月4 日風(fēng)廓線雷達(dá)高模左波束頻譜，1260～1380 m 高度徑向速度從-12.7 m/s 變化為12.3 m/s，也出現(xiàn)了徑向速度折疊現(xiàn)象。 分析判定，出現(xiàn)的徑向速度折疊完全是本場出現(xiàn)風(fēng)雨交加的強對流天氣所致。

3.3 物理過程中的風(fēng)切變指數(shù)分析

圖7 5 月13 日09：12 風(fēng)廓線高模左波束頻譜

圖8 8 月4 日12：38 風(fēng)廓線高模左波束頻譜

風(fēng)切變泛指空間任意相鄰的兩觀測點之間風(fēng)向和風(fēng)速的突然變化， 低空風(fēng)切變主要來源于湍流及平均風(fēng)的水平切變和垂直切變。表3 為國際民航組織第五次航空會議上制定的不同風(fēng)切變強度等級所對應(yīng)的垂直風(fēng)切變值，其中垂直風(fēng)切變值按2 個單位形式給出。 09：00 高空5000 m 出現(xiàn)了中度風(fēng)切變， 并不斷向下傳遞，09：40—11：10，1000 m 以下出現(xiàn)了強烈垂直風(fēng)切變，最大切變值為0.17（圖9）。分析8 月4 日風(fēng)切變時間高度剖面發(fā)現(xiàn)，12：30高空5000 m 開始出現(xiàn)中度風(fēng)切變， 并不斷向下傳遞，在颮線開始前和降水強度突然增大的時間節(jié)點切變系數(shù)較大，最大切變值為0.21，為嚴(yán)重風(fēng)切變?？梢哉f明這兩次颮線天氣過程開始前，從高空到地面存在強烈的湍流運動， 高低空能量交換頻繁，氣流紊亂。

表3 垂直風(fēng)切變強度等級分類標(biāo)準(zhǔn)

圖9 5 月13 日風(fēng)切變時間—高度剖面

4 結(jié)論

兩次颮線天氣過程產(chǎn)生于不同的天氣背景，有不同的移動路徑。 5 月13 日受南支槽西南氣流影響，天氣過程從西南向東北移動影響大理機場；8 月4 日受熱帶低壓外圍偏東氣流影響， 天氣過程從東向西移動影響大理機場。 但是分析兩次颮線天氣風(fēng)廓線雷達(dá)資料的物理過程共同特征，得出以下結(jié)論：

（1）在颮線天氣過程開始前2～4 h，兩次過程均存在水平風(fēng)的風(fēng)向切變， 從底層到高層均出現(xiàn)了明顯的上升運動；臨近天氣過程開始前，上升運動和下沉運動同時存在，表明颮現(xiàn)象天氣過程開始前，大氣中有較強垂直熱交換過程；強烈的對流發(fā)展，發(fā)展到了離地高度5000 m 以上。

（2）颮線天氣過程，是風(fēng)雨交加的強對流天氣，風(fēng)廓線頻譜圖能捕捉到徑向速度突變增大，且前后、左右對稱波束變化高度及頻譜變化均不一致； 單波束出現(xiàn)徑向速度折疊現(xiàn)象。

（3）颮線天氣過程中，從高空到地面存在強烈的湍流運動，高低空能量交換頻繁，氣流紊亂，存在強烈以上等級的風(fēng)切變現(xiàn)象， 對航班飛行存在極大威脅。

（4）本文初步探索了颮線的風(fēng)場垂直變化特征，為今后的颮線、雷暴大風(fēng)等航危天氣監(jiān)測、預(yù)警提供方法和預(yù)報思路， 但是CFL-03 型風(fēng)廓雷達(dá)用來分析颮線天氣現(xiàn)象發(fā)生演變過程在民航機場尚屬首次，颮線天氣過程空間尺度小、變化劇烈，風(fēng)廓線雷達(dá)捕捉的信息有一定的局限性， 仍需大量的個例進(jìn)行分析研究。