第三講多普勒天氣雷達在航空天氣監測預警中的應用20100707

第三講多普勒天氣雷達在航空天氣監測預警中的應用

雷暴天氣嚴重威脅飛行安全,它不僅對云中飛行安全有影響，而且由雷暴云造成的下擊暴流、低空風切變等威脅飛行安全的危險氣象條件影響范圍可延伸到離雷暴母體數公里甚至更遠的地方,是影響飛機起落安全最嚴重的天氣現象。多普勒天氣雷達分辨率高并能及時獲得強對流天氣的信息，因此在對強對流天氣監測和預報中起著非常重要的作用,其他資料由于時效和分辨率原因只能作為輔助。

Fujita等人把在地面附近形成17.9m/s(八級風)以上的向外爆發的出流的強下沉氣流稱為下擊暴流。微下擊暴流:水平輻散尺度小于4km，持續時間為2-10min。宏下擊暴流:水平輻散尺度≥4km，持續時間為5-20min。微下擊暴流既可以發生在濕的也可以發生在相對干的大氣環境下，分別稱為濕微下擊暴流和干微下擊暴流。在中緯度，下擊暴流通常發生在暖季，此時西風帶系統退到北方。在干旱和半干旱地區，干微下擊暴流占支配地位，而在濕潤地區，濕微下擊暴流最常見。

Proctor指出對于由冰雹和雨滴的拖曳作用發動的下擊暴流，其起始高度大約在0℃等溫線(融化層)附近。有些看上去不強的對流風暴也會產生下擊暴流，有些產生下擊暴流的對流風暴中的上升氣流很弱，以至于產生不了雷電。

下擊暴流及分類

在對流風暴產生的強烈天氣現象中，由風暴的下沉氣流達到地面時產生輻散導致的地面大風是出現頻率最高的。對流風暴的下沉氣流的空間分布是極不均勻的，往往在大片的下沉氣流中，會有一股或幾股較強的下沉氣流，大片下沉氣流區中集中的強下沉氣流叫做下擊暴流。下擊暴流在地面附近造成的輻散性的陣風，有時風速很大，可以造成類似龍卷那樣的嚴重災害;有時雖然風速不大，但由于這種輻散性氣流的尺度小，可產生很強的水平風切變，對飛機起飛和降落影響極大。飛機在機場起降時發生的事故中很多都是由于下擊暴流造成的。下擊暴流及其危害

提前預警的主要線索是與下擊暴流相伴隨的空中氣流的輻合，即雷達在探測到空中氣流輻合的情況下發出下擊暴流預警。Roberts和Wilson提出使用單多普勒雷達監測下降的降水核和云中或云底附近的氣流輻合有可能提前幾分鐘預報下擊暴流的發生。根據這一思路美國國家強風暴實驗室的研究人員研制了一個叫做災害性下擊暴流預報和探測的算法DDPDA，作為由其開發的預警決策支持系統WDSS中的一個部分。下擊暴流雷達監測預警

安徽定遠縣和肥東縣交界處系列下擊暴流分析

2003年6月6日在安徽定遠縣和肥東縣交界處出現一次伴隨強降冰雹的系列下擊暴流事件。俞小鼎等對多普勒雷達監測資料進行了分析，得到了一些具有預報價值的結果。

2003年6月6日下午下擊暴流發生前后0.50(左圖)和2.40（右圖）仰角雷達徑向速度隨時問的演變。雷達位于圖像的左下角。16:33，2.40仰角徑向速度場出現明顯的輻合特征(輻合中心如箭頭所示，高度2.8km左右)，輻合區垂直范圍從1.5到5.5km。而此時0.50仰角與上述輻合中心對應位置(箭頭所指)還未出現明顯的輻散。16:39出現第一次下擊暴流，此時0.50仰角徑向速度圖出現明顯的輻散特征(箭頭所指位置)，最大輻散速度為16m/s，水平尺度3-4km，距地面高度500—600m，表明強下沉氣流(下擊暴流)應該已經到達地面。在出現低層輻散的同時，在中低層出現旋轉。16:51，下擊暴流造成的低層輻散(0.50仰角)的速度最大值的區域有所減小，表明首輪下擊暴流趨于結束。2.40仰角徑向速度場仍有明顯輻合，同時氣旋式旋轉特征比上個體掃時更明顯。16:57低層最大輻散速度由14m/s增加到22m/s，第二輪下擊暴流開始，下擊暴流水平尺度約為9km。

17:03低層最大輻散速度仍為22m/s，正、負速度極大值間的距離，也就是下擊暴流的水平尺度，增大到15km左右。17:09下擊暴流造成的輻散氣流強度減少到16m/s，同時在這個宏下擊暴流的區域內，還包含有一個尺度在1-2km微下擊暴流，其位置如圓圈所示，相應的最大低層輻散速度為16m/s。17:15出現了第三輪下擊暴流，其造成的低層輻散，疊加在上一輪下擊暴流造成的正在減弱的輻散場上，使低層輻散突然加強，最大輻散速度又達到22m/s,最大正、負速度中心間的距離6-7km。隨后，低層輻散逐漸減弱，直到17:53完全消散。三次前后相接的系列下擊暴流總共持續了1小時14分鐘，平均每個下擊暴流持續25分鐘，前兩個的持續時間每個為20分鐘左右，最后一個為35分鐘左右。

16:14，上述雷暴的強度加強到超過40dBZ。16:33時在3km左右高度，強度超過60dBZ。此時該雷暴3.40仰角上的反射率因子呈現出彗星一樣的形狀，頭位于西北方，尾位于東南方。這種形狀是由中高空的西北氣流造成的，低層的風暴入流來自西南方。反射率因子大值區位于回波的西北，靠近入流一側。

16:21時反射率因子核心位于7km左右高度，隨后反射率因子核心不斷下降。16:33時的高度在3km左右，強度超過60dBZ。16:39時反射率因子核心進一步下降到1.5km高度附近，另一個單體正在發展。16:57時第二個單體反射率因子核心下降到大氣低層的同時，第三個單體正在發展。17:03時其反射率因子核心位于6km高度。隨后，該反射率因子核心逐漸下降。17:15下降到3km以下。

下擊暴流預警指標從2003年6月6日在安徽定遠縣和肥東縣交界處出現的系列下擊暴流參數統計表可以看出：下擊暴流發生前風暴反射率因子核心強度超過50dBz；風暴反射率因子核心高度超過5km并逐步下降；風暴中層（1.5-5.5km）存在輻合。

朱炳海等編輯的“氣象學詞典”定義：切變線在氣象上是專指具有氣旋式切變的風場不連續線,為我國主要降水天氣系統之一。風切變包括水平風的垂直切變和水平切變以及垂直風的切變。低空風切變是造成飛行器在起飛或降落時發生事故的主要原因。對于龍卷、颮線等強對流云的發展和維持,低層風的垂直切變也有很重要的作用。風場上氣流聚合的不連續線,稱為輻合線。天氣系統中具有輻合線或切變線性質的很多,如颮線、鋒面等。輻合線或切變線上也常會出現強對流或其他天氣現象。許多研究和經驗表明,中低層的中尺度輻合線或切變線的建立對于暴雨的發生和落區具有很好的指示作用,并且是強單體合并的動力因素。切變線和輻合線

陣風鋒是雷暴云體冷性外流氣流的前緣。陣風鋒常以風速增強和明顯降溫作為主要特征。最大風速可達40m/s以上，陣風鋒前后風速差可達20m/s以上。陣風鋒是一種中尺度鋒面，水平尺度10至100km，持續時間1至幾小時。

Uyeda和Hermes等在研究自動識別、追蹤陣風鋒的方法中指出,當陣風鋒與雷達徑向不垂直時,輻合區在多普勒雷達上的顯示為速度沿徑向減小的區域,進而指出可以根據沿徑向的最大速度梯度區確定陣風鋒的位置。

陣風鋒附近的復雜風場環境是飛機起飛和著陸的危險區域。陣風鋒

是由許多雷暴單體排列成帶狀的狹窄云帶，寬度約幾百米至幾十公里，長度為幾十至幾百公里，其長和寬之比大于5:1;維持時間為幾小時至十多小時小時。颮線過境處，風向急轉，風速劇增，氣壓陡升，氣溫驟降，常伴有雷暴、暴雨、大風、冰雹和龍卷等劇烈天氣現象。中緯度地區的颮線常發生在春夏之交，多出現在高空槽后和冷渦的南或西南方；有時出現在高空槽前、副熱帶高壓西北邊緣的低空西南暖濕氣流里；少數颮線產生于臺風前部的倒槽或東風波里。從相應的地面形勢看，大部分颮線與鋒面活動有關，主要發生在地面冷鋒前100～500千米的暖區內。颮線產生于強烈位勢不穩定的層結中。颮線與高空急流也有一定的聯系，多發生于急流區或風的鉛直切變較大的區域。颮線

李萍報道2008年7月20日中午廣州白云機場出現一次雷雨大風過程。首先發生的是圖a中10:54白云機場北面15km處的颮線，圖中白色箭頭所指具有明顯鉤狀回波特征。

《廣東省災害性天氣報告》顯示11:00在該位置附近的從化龍潭政府自動氣象站錄得19.5m/s的大風。當日給機場帶來重大影響的主要是圖b中距機場50km，位于西到西南面，呈南北走向，長度達100多km的第2條颮線，它在圖a中已經表現出“弓”形特征。該颮線的移動速度達60km/h，強大的入流使得回波的中部不斷向前突出，兩端進一步向后彎曲，呈現出典型的“弓”形回波結構(圖b)，具有較陡的反射率梯度前沿。白云機場雷雨大風過程分析

3km高度CAPPI回波（香港雷達）

白云機場新雷達圖a中黑色橢圓中的零速度線發生了顯著彎曲，機場低層的風較小,在零速度線兩側存在偏西風和偏南風的輻合。機場西南面的負速度中心達到25m/s以上。隨著它的向東推進,零速度線變得越來越清晰、邊界整齊。圖b可見清晰的后側入流口以及大風區隨弓形回波向東推進。《廣東省災害性天氣報告》顯示，12:00廣州荔灣區錄到大風25.6m/s,天河區也出現19.7m/s的大風。圖C(HWND產品)中,長的棕色輻合線就是反演出來的實際水平風場輻合,短的棕色線顯示負速度區中一些小的風向切變。

2008年7月13日凌晨廣州白云機場出現一次雷雨大風過程。雷暴到達之前，機場周圍的風小而凌亂，沒有明顯的零速度線，南面雷暴區域存在15～20m/s的大風區。隨著雷暴向機場靠近,大風區也離機場越來越近,并從高層向低層傳遞,離地面越來越近,零速度線趨于清晰、整齊。圖中（仰角1.25。）核區直徑約5km,轉動速度達22m/s,達到中等強度中氣旋程度,持續時間達30min。機場跑道南頭上方的強風區和同一時段機場自動觀測系統測到的大風對應很好。白云機場新雷達

一次颮線過程對廣州白云機場影響的多普勒雷達資料分析

鐘加杰等報道2008年8月4日08時,熱帶低壓北冕在南海東北部形成,隨后緩慢向西北偏西方向移動,強度逐漸加強。4日傍晚到夜間,處于熱帶氣旋外圍的廣東沿海自東向西出現雷雨和雷暴大風天氣,此次天氣過程造成廣州白云機場雷雨天氣長達4小時,最大陣風為18m/s。廣州白云機場因此短暫關閉,導致20多個航班備降周邊機場,1500多名旅客在機場短暫滯留。

鐘加杰等報道8月4日20時03分,珠江三角洲及附近出現東北西南分布的對流回波帶,有3個主要的回波群,西南端在臺山、江門一帶,強度40～55dBz;中間部分對流單體較分散,強度也較弱一些,分布在東莞和廣州番禺附近;東北端回波最強,呈弓形,回波中心強度達到58dBz,位于河源西南部。這些回波群向西推進,移速約為30km·h-1。在西移過程中,東北端的風暴稍有減弱;中間回波群逐漸增強并合并在一起,強度有所增強,強度在50～55dBz;西南段回波也不斷增強。20時32分,3個回波群逐漸合并成一線,這時斷續型的颮線已經形成。颮線后部有兩個明顯的后側入流急流槽口(圖4b箭頭所示),分別在東莞和南海附近。