利用風廓線雷達資料分析大理機場颮線天氣過程的風垂直變化特征

王周鶴，趙建偉，高 兵

（云南機場集團大理機場，云南 大理671000）

颮現象是范圍小、生命史短、氣壓和風發生突變的狹窄強對流天氣帶， 產生于強烈不穩定的氣團內部，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， 使上升氣流轉變為地面空氣的水平運動[1]；颮作為一種風暴現象，風力強大、風向突變，氣壓、氣溫急劇變化，伴隨雷暴、冰雹、強降水等對流天氣，常常是引發下擊暴流、低空風切變的主要原因之一。 航空氣象觀測颮現象判定標準為： 當觀測到的本場地面風瞬時風速急劇增大了至少8 m/s，且增大后瞬時風速達到11 m/s 或以上，并至少維持1 min，就應當判定是颮[1]。 颮會給航空飛機的起飛降落、發動機穩定性、飛行能見度、操縱性及儀表穩定性等帶來嚴重的安全隱患[1-4]，因此民航總局發布雷雨天氣飛行規定： 飛行活動嚴禁飛越積雨云或濃積云，嚴禁穿越雷雨；飛機繞飛雷雨時，距離主降雨區不少于10 km。 這就是防止民航飛行進入颮天氣區域。

目前對颮的發生規律還未完全弄清楚， 颮內部要素變化的精細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。風廓線雷達利用多普勒效應，能夠連續地觀測雷達站上空幾分鐘、幾十米層距的高分辨率的風廓線資料， 除了具有可連續探測優點外，還具有高精度和運行可靠性，為颮線內部中尺度結構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， 風廓線雷達資料在局地強對流天氣分析和預報中的應用越來越受到人們的重視[7-16]。 楊引明等[13]討論了風廓線雷達資料，特別是垂直速度和溫度資料的應用，研究表明，可以實時監測水平風的垂直切變及其發展變化全過程； 許麗萍等[5]論述了CFL-03 型邊界層風廓線雷達在中小尺度氣象分析與預報的應用；何平等[6]對風廓線雷達探測降水過程的初步研究， 認為國產風廓線雷達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一定的特征；董保舉等[14]分析了風廓線雷達資料在暴雨天氣過程特征應用， 開展了降水物理過程研究；陳紅玉等[18]研究了大理地區強降水過程風廓線雷達資料的極值特征。

盡管針對風廓線雷達資料進行了很多卓有成效的研究成果[19-21]，但是在颮線系統中的精細化風場結構依然不是太清楚， 風場時空演變規律還有待深入了解，故本文利用風廓線雷達資料，通過各類產品分析2018 年2 次颮線天氣過程的垂直特征變化，研究颮線天氣的發生規律，為及時準確地識別和預測颮天氣現象提供參考依據，保障飛行安全和提高飛行效率。

1 設備與資料選取

大理機場風廓線雷達是由航天科工集團二院二十三所生產的CFL-03 固定式邊界層風廓線雷達，臺址位于大理機場遠指點標臺內，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。雷達設計有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， 最后根據公式計算各個高度層上的水平風向、風速、垂直氣流，輸出圖形產品； 利用測風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，輸出圖形產品，還提供有徑向速度、譜寬、信噪比、水平風向、風速和垂直速度和功率譜密度分布數據。

大理機場地處滇西低緯高原（100°19′E，25°39′N），機場標高2155 m，屬低緯高原季風氣候，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本場風速突然增大，出現陣風風速達15 m·s-1，氣溫驟降3.5 ℃，氣壓升高，最大風速達19 m/s；伴隨出現雷暴、冰雹、強降水等對流天氣，按照民航氣象觀測颮天氣現象的判斷標準，是颮現象。此次天氣過程導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本場風向70°， 風速3 m·s-1，13：30 風向轉為120°，風速突變增大，出現陣風19 m·s-1，氣溫驟降3.6 ℃，氣壓10 min 內升高2 hPa，伴隨出現雷暴、強降水等對流天氣，強降水在13 min 內降水量高達8.6 mm。此次天氣過程導致了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 日颮現象天氣過程天氣實況

表2 8 月4 日颮現象天氣過程天氣實況

2.2 環流形勢分析

5 月13 日青藏高原東南側有南支槽東移，南支槽前西南暖濕氣流攜帶了大量的水汽， 為大理區域提供了充沛的水汽條件， 槽后西北氣流引導冷平流南下；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， 其后部轉為偏北風。 利用NCEP 高空風、 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，到13 日12 時（圖1） 低壓中心已經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， 大理區域受低壓外圍的偏東氣流影響， 匯同南亞季風為大理區域提供充沛的水汽條件。 利用NCEP 高空風、 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，結合等溫線，存在明顯冷平流，高空冷平流增加了對稱不穩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 風溫

3 風廓線資料在颮線天氣中的應用

利用風廓線雷達每5 min 一次的原始資料，對水平風垂直變化、垂直速度、風切變等作時間、高度的演變圖。 風廓線雷達5 波束的譜功率數據圖以及信噪比、徑向速度數據，并結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和垂直風分析

圖3、 圖4 為風廓線雷達每5 min 一次的原始資料，是水平風疊加垂直速度的高度時間剖面圖。水平風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、切變線等天氣系統的變化發展[15]。 而垂直風隨時間的變化以及變化發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，也是判斷對流發展強度的一個重要方法， 因此垂直速度在對流天氣預報中有重要的應用價值[17]。

5 月13 日4：30（圖3），800 m 以上存在有明顯的水平風向切變， 而且切變高度持續到3500 m，后續風向由偏東風轉為西南風，地面到1800 m，水平風隨高度升高由偏東風順時針轉變西南風， 底層出現了暖平流；5：10—5：40，高度1000 m 以下的垂直速度為負值，最大值為-2.6 m/s，說明底層開始出現上升運動；6：00—7：00，1800～2500 m 也出現了負的垂直速度，上升運動已經發展到了中高層，在本場也觀測到了積雨云， 有對流發展；8：00 以后對流高度達到了5000 m 以上， 同時在600～2300 m 高度層，隨著時間推移水平風明顯增大， 存在水平風輻散現象，8：40 后水平風最大探測高度5220 m 有弱下沉氣流，且延續到了近地層，360 m 高度風速已達到了11 m/s；8：50—9：00 垂直風在1000 m 以上有上升氣流和下沉氣流，出現了垂直風的水平切變，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展。

圖3 5 月13 日水平風垂直速度疊加

8 月4 日10：00—12：40（圖4），最底層到1300 m水平風從西偏北風順時針偏轉為偏東風， 有暖平流存在；11：40—12：40 在1000 m 以下形成了低壓環流，同時出現垂直速度負值區，最大值為-2.3 m/s，說明底層有上升運動；12：30 在1000 m 以上的偏東風突然轉變成了西北風，12：50 又轉為偏東風，有強烈的風向輻合切變，上升氣流不斷發展到了中高層，且存在較強的亂流混合， 離地高度達到了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，使上升氣流轉變為下沉氣流；13：15—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展。總結2 次颮線天氣過程的共性，開始前均出現了水平風的風向切變，上升氣流和下降氣流同時存在， 大氣中有垂直熱交換過程， 垂直風的水平切變及垂直切變， 強烈的對流發展，高度達到了5000 m 以上。

圖4 8 月4 日水平風垂直速度疊加

3.2 物理過程中的徑向頻譜圖分析

圖5 為5 月13 日颮線過場時風廓線雷達低模式（60～1800 m）頻譜，圖6 為8 月4 日風廓線雷達高模式（900～5600 m）頻譜，朝著雷達徑向速度為正，離開雷達為負。 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，說明降水相態發生了改變，且最大徑向速度突變數值差異大， 反映了降水的不均勻性或水平風的影響。 圖6 在不同的高度層同樣出現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的影響。吳志根[15]等研究指出，若頻譜圖出現徑向速度折疊， 基本判定出現風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 風廓線高模五波束頻譜

圖7 為5 月13 日風廓線雷達高模左波束頻譜。 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象； 圖8為8 月4 日風廓線雷達高模左波束頻譜，1260～1380 m 高度徑向速度從-12.7 m/s 變化為12.3 m/s，也出現了徑向速度折疊現象。 分析判定，出現的徑向速度折疊完全是本場出現風雨交加的強對流天氣所致。

3.3 物理過程中的風切變指數分析

圖7 5 月13 日09：12 風廓線高模左波束頻譜

圖8 8 月4 日12：38 風廓線高模左波束頻譜

風切變泛指空間任意相鄰的兩觀測點之間風向和風速的突然變化， 低空風切變主要來源于湍流及平均風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切變強度等級所對應的垂直風切變值，其中垂直風切變值按2 個單位形式給出。 09：00 高空5000 m 出現了中度風切變， 并不斷向下傳遞，09：40—11：10，1000 m 以下出現了強烈垂直風切變，最大切變值為0.17（圖9）。分析8 月4 日風切變時間高度剖面發現，12：30高空5000 m 開始出現中度風切變， 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點切變系數較大，最大切變值為0.21，為嚴重風切變。可以說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 垂直風切變強度等級分類標準

圖9 5 月13 日風切變時間—高度剖面

4 結論

兩次颮線天氣過程產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廓線雷達資料的物理過程共同特征，得出以下結論：

（1）在颮線天氣過程開始前2～4 h，兩次過程均存在水平風的風向切變， 從底層到高層均出現了明顯的上升運動；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；強烈的對流發展，發展到了離地高度5000 m 以上。

（2）颮線天氣過程，是風雨交加的強對流天氣，風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； 單波束出現徑向速度折疊現象。

（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切變現象， 對航班飛行存在極大威脅。

（4）本文初步探索了颮線的風場垂直變化特征，為今后的颮線、雷暴大風等航危天氣監測、預警提供方法和預報思路， 但是CFL-03 型風廓雷達用來分析颮線天氣現象發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，風廓線雷達捕捉的信息有一定的局限性， 仍需大量的個例進行分析研究。