第三讲 多普勒天气雷达在航空天气监测预警中的应用20100707

第三讲多普勒天气雷达在航空天气监测预警中的应用•雷暴天气严重威胁飞行安全,它不仅对云中飞行安全有影响，而且由雷暴云造成的下击暴流、低空风切变等威胁飞行安全的危险气象条件影响范围可延伸到离雷暴母体数公里甚至更远的地方,是影响飞机起落安全最严重的天气现象。•多普勒天气雷达分辨率高并能及时获得强对流天气的信息，因此在对强对流天气监测和预报中起着非常重要的作用,其他资料由于时效和分辨率原因只能作为辅助。•Fujita等人把在地面附近形成17.9m/s(八级风)以上的向外爆发的出流的强下沉气流称为下击暴流。•微下击暴流:水平辐散尺度小于4km，持续时间为2-10min。•宏下击暴流:水平辐散尺度≥4km，持续时间为5-20min。•微下击暴流既可以发生在湿的也可以发生在相对干的大气环境下，分别称为湿微下击暴流和干微下击暴流。在中纬度，下击暴流通常发生在暖季，此时西风带系统退到北方。在干旱和半干旱地区，干微下击暴流占支配地位，而在湿润地区，湿微下击暴流最常见。•Proctor指出对于由冰雹和雨滴的拖曳作用发动的下击暴流，其起始高度大约在0℃等温线(融化层)附近。•有些看上去不强的对流风暴也会产生下击暴流，有些产生下击暴流的对流风暴中的上升气流很弱，以至于产生不了雷电。下击暴流及分类•在对流风暴产生的强烈天气现象中，由风暴的下沉气流达到地面时产生辐散导致的地面大风是出现频率最高的。•对流风暴的下沉气流的空间分布是极不均匀的，往往在大片的下沉气流中，会有一股或几股较强的下沉气流，大片下沉气流区中集中的强下沉气流叫做下击暴流。•下击暴流在地面附近造成的辐散性的阵风，有时风速很大，可以造成类似龙卷那样的严重灾害;有时虽然风速不大，但由于这种辐散性气流的尺度小，可产生很强的水平风切变，对飞机起飞和降落影响极大。•飞机在机场起降时发生的事故中很多都是由于下击暴流造成的。下击暴流及其危害•提前预警的主要线索是与下击暴流相伴随的空中气流的辐合，即雷达在探测到空中气流辐合的情况下发出下击暴流预警。•Roberts和Wilson提出使用单多普勒雷达监测下降的降水核和云中或云底附近的气流辐合有可能提前几分钟预报下击暴流的发生。•根据这一思路美国国家强风暴实验室的研究人员研制了一个叫做灾害性下击暴流预报和探测的算法DDPDA，作为由其开发的预警决策支持系统WDSS中的一个部分。下击暴流雷达监测预警安徽定远县和肥东县交界处系列下击暴流分析•2003年6月6日在安徽定远县和肥东县交界处出现一次伴随强降冰雹的系列下击暴流事件。•俞小鼎等对多普勒雷达监测资料进行了分析，得到了一些具有预报价值的结果。2003年6月6日下午下击暴流发生前后0.50(左图)和2.40（右图）仰角雷达径向速度随时问的演变。雷达位于图像的左下角。16:33，2.40仰角径向速度场出现明显的辐合特征(辐合中心如箭头所示，高度2.8km左右)，辐合区垂直范围从1.5到5.5km。而此时0.50仰角与上述辐合中心对应位置(箭头所指)还未出现明显的辐散。16:39出现第一次下击暴流，此时0.50仰角径向速度图出现明显的辐散特征(箭头所指位置)，最大辐散速度为16m/s，水平尺度3-4km，距地面高度500—600m，表明强下沉气流(下击暴流)应该已经到达地面。在出现低层辐散的同时，在中低层出现旋转。16:51，下击暴流造成的低层辐散(0.50仰角)的速度最大值的区域有所减小，表明首轮下击暴流趋于结束。2.40仰角径向速度场仍有明显辐合，同时气旋式旋转特征比上个体扫时更明显。16:57低层最大辐散速度由14m/s增加到22m/s，第二轮下击暴流开始，下击暴流水平尺度约为9km。17:03低层最大辐散速度仍为22m/s，正、负速度极大值间的距离，也就是下击暴流的水平尺度，增大到15km左右。17:09下击暴流造成的辐散气流强度减少到16m/s，同时在这个宏下击暴流的区域内，还包含有一个尺度在1-2km微下击暴流，其位置如圆圈所示，相应的最大低层辐散速度为16m/s。17:15出现了第三轮下击暴流，其造成的低层辐散，叠加在上一轮下击暴流造成的正在减弱的辐散场上，使低层辐散突然加强，最大辐散速度又达到22m/s,最大正、负速度中心间的距离6-7km。随后，低层辐散逐渐减弱，直到17:53完全消散。三次前后相接的系列下击暴流总共持续了1小时14分钟，平均每个下击暴流持续25分钟，前两个的持续时间每个为20分钟左右，最后一个为35分钟左右。16:14，上述雷暴的强度加强到超过40dBZ。16:33时在3km左右高度，强度超过60dBZ。此时该雷暴3.40仰角上的反射率因子呈现出彗星一样的形状，头位于西北方，尾位于东南方。这种形状是由中高空的西北气流造成的，低层的风暴入流来自西南方。反射率因子大值区位于回波的西北，靠近入流一侧。16:21时反射率因子核心位于7km左右高度，随后反射率因子核心不断下降。16:33时的高度在3km左右，强度超过60dBZ。16:39时反射率因子核心进一步下降到1.5km高度附近，另一个单体正在发展。16:57时第二个单体反射率因子核心下降到大气低层的同时，第三个单体正在发展。17:03时其反射率因子核心位于6km高度。随后，该反射率因子核心逐渐下降。17:15下降到3km以下。下击暴流预警指标从2003年6月6日在安徽定远县和肥东县交界处出现的系列下击暴流参数统计表可以看出：•下击暴流发生前风暴反射率因子核心强度超过50dBz；•风暴反射率因子核心高度超过5km并逐步下降；•风暴中层（1.5-5.5km）存在辐合。•朱炳海等编辑的“气象学词典”定义：切变线在气象上是专指具有气旋式切变的风场不连续线,为我国主要降水天气系统之一。•风切变包括水平风的垂直切变和水平切变以及垂直风的切变。•低空风切变是造成飞行器在起飞或降落时发生事故的主要原因。•对于龙卷、飑线等强对流云的发展和维持,低层风的垂直切变也有很重要的作用。•风场上气流聚合的不连续线,称为辐合线。•天气系统中具有辐合线或切变线性质的很多,如飑线、锋面等。•辐合线或切变线上也常会出现强对流或其他天气现象。许多研究和经验表明,中低层的中尺度辐合线或切变线的建立对于暴雨的发生和落区具有很好的指示作用,并且是强单体合并的动力因素。切变线和辐合线•阵风锋是雷暴云体冷性外流气流的前缘。•阵风锋常以风速增强和明显降温作为主要特征。最大风速可达40m/s以上，阵风锋前后风速差可达20m/s以上。•阵风锋是一种中尺度锋面，水平尺度10至100km，持续时间1至几小时。•Uyeda和Hermes等在研究自动识别、追踪阵风锋的方法中指出,当阵风锋与雷达径向不垂直时,辐合区在多普勒雷达上的显示为速度沿径向减小的区域,进而指出可以根据沿径向的最大速度梯度区确定阵风锋的位置。•阵风锋附近的复杂风场环境是飞机起飞和着陆的危险区域。阵风锋•是由许多雷暴单体排列成带状的狭窄云带，宽度约几百米至几十公里，长度为几十至几百公里，其长和宽之比大于5:1;维持时间为几小时至十多小时小时。•飑线过境处，风向急转，风速剧增，气压陡升，气温骤降，常伴有雷暴、暴雨、大风、冰雹和龙卷等剧烈天气现象。•中纬度地区的飑线常发生在春夏之交，多出现在高空槽后和冷涡的南或西南方；有时出现在高空槽前、副热带高压西北边缘的低空西南暖湿气流里；少数飑线产生于台风前部的倒槽或东风波里。从相应的地面形势看，大部分飑线与锋面活动有关，主要发生在地面冷锋前100～500千米的暖区内。•飑线产生于强烈位势不稳定的层结中。飑线与高空急流也有一定的联系，多发生于急流区或风的铅直切变较大的区域。飑线•李萍报道2008年7月20日中午广州白云机场出现一次雷雨大风过程。•首先发生的是图a中10:54白云机场北面15km处的飑线，图中白色箭头所指具有明显钩状回波特征。•《广东省灾害性天气报告》显示11:00在该位置附近的从化龙潭政府自动气象站录得19.5m/s的大风。•当日给机场带来重大影响的主要是图b中距机场50km，位于西到西南面，呈南北走向，长度达100多km的第2条飑线，它在图a中已经表现出“弓”形特征。该飑线的移动速度达60km/h，强大的入流使得回波的中部不断向前突出，两端进一步向后弯曲，呈现出典型的“弓”形回波结构(图b)，具有较陡的反射率梯度前沿。白云机场雷雨大风过程分析3km高度CAPPI回波（香港雷达）白云机场新雷达图a中黑色椭圆中的零速度线发生了显著弯曲，机场低层的风较小,在零速度线两侧存在偏西风和偏南风的辐合。机场西南面的负速度中心达到25m/s以上。随着它的向东推进,零速度线变得越来越清晰、边界整齐。图b可见清晰的后侧入流口以及大风区随弓形回波向东推进。《广东省灾害性天气报告》显示，12:00广州荔湾区录到大风25.6m/s,天河区也出现19.7m/s的大风。图C(HWND产品)中,长的棕色辐合线就是反演出来的实际水平风场辐合,短的棕色线显示负速度区中一些小的风向切变。2008年7月13日凌晨广州白云机场出现一次雷雨大风过程。雷暴到达之前，机场周围的风小而凌乱，没有明显的零速度线，南面雷暴区域存在15～20m/s的大风区。随着雷暴向机场靠近,大风区也离机场越来越近,并从高层向低层传递,离地面越来越近,零速度线趋于清晰、整齐。图中（仰角1.25。）核区直径约5km,转动速度达22m/s,达到中等强度中气旋程度,持续时间达30min。机场跑道南头上方的强风区和同一时段机场自动观测系统测到的大风对应很好。白云机场新雷达一次飑线过程对广州白云机场影响的多普勒雷达资料分析钟加杰等报道2008年8月4日08时,热带低压北冕在南海东北部形成,随后缓慢向西北偏西方向移动,强度逐渐加强。4日傍晚到夜间,处于热带气旋外围的广东沿海自东向西出现雷雨和雷暴大风天气,此次天气过程造成广州白云机场雷雨天气长达4小时,最大阵风为18m/s。广州白云机场因此短暂关闭,导致20多个航班备降周边机场,1500多名旅客在机场短暂滞留。钟加杰等报道8月4日20时03分,珠江三角洲及附近出现东北西南分布的对流回波带,有3个主要的回波群,西南端在台山、江门一带,强度40～55dBz;中间部分对流单体较分散,强度也较弱一些,分布在东莞和广州番禺附近;东北端回波最强,呈弓形,回波中心强度达到58dBz,位于河源西南部。这些回波群向西推进,移速约为30km·h-1。在西移过程中,东北端的风暴稍有减弱;中间回波群逐渐增强并合并在一起,强度有所增强,强度在50～55dBz;西南段回波也不断增强。20时32分,3个回波群逐渐合并成一线,这时断续型的飑线已经形成。飑线后部有两个明显的后侧入流急流槽口(图4b箭头所示),分别在东莞和南海附近。白云机场雷达的VVP产品(风廓线产品),显示出1～2km高度之间每隔10分钟的低空风的变化情况。从图中可以看到阵风锋和飑线过白云机场的情况。12:40-12:50前后,低空的弱东北风转为东南风,前后具有明显的风向辐合;13:00前后,飑线后部的8～14m/s偏东大风迅速控制机场,伴随飑线的西移是前后风速上的辐合。风向上的辐合和风速上的辐合产生的抬升作用分别对应了阵风锋和飑线的对流天气。参考文献（略）