《边界层风廓线雷达在强对流天气预报中的应用研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《边界层风廓线雷达在强对流天气预报中的应用研究（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 1 边界层风廓线雷达在强对流天气预报中的应用研究 杨引明 1 陶祖钰 2 上海中心气象台上海2 0 0 0 3 0 北京大学物理学院大气科学系北京1 0 0 8 7 1 摘 要 在简要介绍了上海 L A P - 3 0 0 0 边界层风廓线雷达探测原理和产品生成的基础上利用近两年来搜集的资料 分析了风廓线雷达资料短时强降水龙卷风等局地强对流天气预报中的应用结果表明L A P - 3 0 0 0边界层风廓 线雷达资料时间和空间分辨率较高 能有效揭示常规天气资料难以分析的一些大气动力和热力特征 在短时强对 流天气预报中有较好的业务应用前景 关键词风廓线仪无线电声波探测系统R A S S强对流 1
2、 引言 由于高时空分辨率的特征 风廓线雷达资料在局地暴雨 冰雹等夏季强对流天气预报中的应 用正越来越受到人们的重视顾映欣等 1 用 1 9 8 9 年京津冀中尺度试验区的 U H F 风廓线雷达取得 的风廓线资料对局地暴雨锋面等天气过程进行分析从中计算出温度平流表明风廓线雷达 资料在短时预报中的应用能力李晨光 1 分析了香港 S h a m S h u i P o风廓线资料在 I O P 9 8 6 0 8香港 暴雨和 p e n n y 台风中应用证实了它们在探测垂直风切变低空急流等方面的重要作用上海市 气象局 1 9 9 9 年引进了 L A P - 3 0 0 0 边界层风廓线雷达 同年
3、投入业务使用 可连续探测从 1 2 0 3 0 0 0 多米单站水平风速垂直速度和 1 2 0 1 2 0 0 米以下的温度垂直空间分辨率为 6 0 米水平风速 测量精度小于 1 米/ 秒测风精度小于 1 0 度测温精度小于 1C o 每隔 1 0 到 3 0 分钟一次观测 一次在上海气象台的短时和短期业务天气预报中发挥了重要的作用本文通过个例分析讨论 了风廓线雷达资料特别是垂直速度和温度资料在强对流天气预报中的应用 2 L A P - 3 0 0 0 边界层风廓线雷达简介 LAP-3000 边界层风廓线雷达由风廓线仪(Profiler)和无线电声波探测系统(RASS)两部分构 成其中风廓线仪
4、用于探测大气边界层内各高度上的水平风和垂直速度无线电声波探测系统 R A S S 主要探测单站各高度上的温度 与常规多普勒天气雷达相同P r o f i l e r是在晴空方式下工作的一种脉冲多普勒雷达即向 某一方向发射脉冲电磁波 然后接收电磁脉冲碰到目标物后向后散射的部分 根据时间延迟测得 目标物的距离根据多普勒频率变化测得径向速度然而风廓线仪和常规多普勒天气雷达还有 两个显著区别1 探测目标不同风廓线雷达的探测目标为大气折射指数的脉动也就是由于 不均匀的地表加热风的脉动所引起的大气中温压湿微尺度不均匀性2发射电磁脉冲的 方式不同 风廓线雷达是由相控阵天线发射五个固定波束的多普勒雷达 一个波
5、速垂直指向天顶 另外四个波速分别偏向东西南北且与垂直波速成 1 5 . 5 度倾斜角通过计算每个波束的 多普勒频移获得雷达站上空各个高度上的风向风速 1李晨光 风廓线雷达探测在 9 8 年南海季风和暴雨研究中的初步应用北京大学硕士论文 2 特别指出 在有降水的情况下 多普勒雷达垂直指向天顶方向的波束测得的垂直速度代表了 是空气和雨滴两者的垂直运动之和而信号噪声比仅反映了雨滴产生的信号功率大小如下图 图 1 风廓线雷达垂直波束接收到的多普勒功率谱横坐标表示多普勒速度纵坐标表示功率谱密度上 图为只有晴空散射时的谱特征下图为降水条件下的谱特征 a V是空气的垂直运动速度 r V代表雨滴下 落产生的垂
6、直运动速度 t V代表实际测得的垂直径向速度S是测得的信号功率 w 是谱宽N代表 背景躁声 无线电声波探测系统 R A S S 系统测量温度的基本原理是音速在空气中的传播速度与空气中的 温度有关 2 由于声波在大气中的衰减比较明显R A S S 系统所能达到的最大探测高度约为 1 2 0 0 米范围内是 P r o f i l e r 最大探测高度的 1 / 3 左右 3 风廓线雷达资料在强对流天气预报中的释用 自 1 9 9 9 年 7 月 L A P - 3 0 0 0风廓线雷达投入使用以来 在上海共发生超过 3 个区县以上较大范 围的强对流天气过程 9 次 我们对这些过程的风廓线雷达资料
7、进行了详细分析 就风廓线雷达资 料如何在强对流天气监测和预报中使用得到的一些初步结果由于篇幅所限文中仅用 9 9年 8 月 2 2 日和 9 月 6 日两次过程进行简要介绍 3 . 1 温度资料的应用 风廓线雷达测得的温度随时间和高度分布廓线可以清楚的反映大气层结条件 如不稳定层节 逆温等在 1 9 9 9 年 8 月 2 2 日凌晨 0 3 点以前风廓线雷达温度垂直廓线图显示出 5 0 0米以下的强 逆温( 图 2 . a ) 此后, 由于东北冷空气的侵入, 破坏了这一稳定层结, 从 8 点开始, 全市有 8 个县发 3 生了短时强降水, 其中闵行 奉贤 浦东六小时雨量都超过 1 0 0毫米
8、, 松江新桥最大达 1 4 2 . 8毫米, 引水船还观测到 2 4米/ 秒的雷雨大风, 是一次灾害性较强的对流天气过程同样在 1 9 9 9年 9 月 6 日凌晨上海的暴雨和龙卷风天气过程中凌晨 2 点左右开始上海境内开始出现强雷阵雨 此时的风廓线雷达温度廓线为大气不稳定层结但是到零晨 6点 0 5 - 3 5分温度廓线在 6 0 0 米以下出现了短暂而强烈的逆温分布( 图 2 . b ) 6 点 4 0 分左右在其下风方闵行松江奉贤 浦东就发生了中等强度的龙卷风 它说明这种短暂而强烈的逆温分布 极有可能是中小尺度对流 风暴内部强大的下击气流所伴随的下沉绝热增温的结果使大气温度垂直廓线发生了
9、急剧的变 化因而是造成冰雹龙卷风等剧烈强对流天气的一个征兆造成这种急剧变化的确切原因尚有 待进一步的深入研究 图 2 上海 L A P - 3 0 0 0 风廓线雷达 R A S S 测得温资料a b 分别为 1 9 9 9 年 8月 2 2 日和 9 月 6 日温度垂直廓 线随时间变化图横坐标表示温度纵坐标为高度时间标注在廓线上并在图像的右侧说明c d 分别 为 1 9 9 9 年 8 月 2 2 日和 9 月 6 日温度随时间- 高度直方图横坐标表示时间纵坐标为高度温度的高低以 黑点的大小表示图中的细线勾画出温度较高的区域 另外 风廓线雷达测得的温度随时间和高度直方图在一定程度上也反映了局
10、部范围内的能量 和水汽条件如上面分析的两次过程在对流发生前风廓线雷达温度时间- 高度直方图上近地 面层( 约 5 0 0 米之下) 温度都很高( 图 2 . c和 2 . d )白天一般大于 3 0C 0 夜间也在 2 8C 0 度以上 直到对流天气发生后能量释放温度开始下降 3 . 2 信噪比和垂直速度资料的应用 分析发现在降水情况下风廓线雷达探测到约小于- 4 米/ 秒的垂直速度反映了降水的开始 和结束 且垂直速度越小降水越强( 定义垂直速度向上为正) 这种风廓线雷达仪探测到的负垂直 速度与降水强度的对应关系是由于降水时降水粒子的下落速度所造成的 也反映了降水粒子的密 度例如 1 9 9
11、9 年 9 月 6 日的强对流天气过程中风廓线雷达垂直速度直方图和分布廓线显示小 4 于- 4 米/ 秒的垂直速度发生在凌晨 2 点半到 6 点半的 4 个小时内 最小负速度出现在 3 点到 5 点 之间 小于- 6 米/ 秒( 图 3 . a )这与青浦气象站当天的观测事实是一致的 即从 0 2 点开始下小雨 到 6 点 2 5 分雨量超过 4 0 毫米 图 3 上海风廓线雷达测得的垂直速度和信噪比a b 分别为 1 9 9 9 年 9 月 6 垂直速度随时间- 高度分布直 方图信号噪声比随时间- 高度直方图横坐标表示时间纵坐标为高度黑点的大小表示垂直速度大小向 上为正或信号噪声比大小c d
12、 分别为 1 9 9 9 年 9 月 6 日和 8 月 2 2 日垂直速度的垂直廓线时间变化图横 坐标表示垂直速度向上为正纵坐标为高度时间标注在廓线上 一年多的资料分析还表明 风廓线雷达探测到的强信号噪声比与常规天气雷达中的 R H I 产品 相似信号噪声比的强度也反映了降水的强度约大于 4 0 d b 的强信号噪声比的开始和结束反映 了降水的开始和结束 而且风廓线雷达探测到的信号噪声比对降水持续时间和降水强度的敏感程 度比垂直速度更高因为如 2 . 2节所指出的在有降水的条件下风廓线雷达测得的垂直速度 代表了空气和雨滴两者的垂直运动之和 信号噪声比仅反映了雨滴产生的信号功率大小 比较图 3
13、. b 和 3 . a 9 月 6 日青浦的大于 4 0 d b 的强信号噪声比的分布与 3 . a 中小于- 4 米/ 秒的负垂直速 度分布基本一致即从凌晨 2点半到 6点半大约持续了 4个小时但是信噪比还反映了 7 点半到 8 点半的小雨过程( 图 3 . b 中用椭圆标志) 这一点在图 3 . a垂直速度随时间- 高度直方图 中是无法体现的 另外 风廓线仪探测到的垂直速度数值大小随高度的波动 以及这种波动发展的高度可能反 映了大气中垂直热交换的强度 因而它有可能成为判断对流发展强弱的一个重要指标 如图 3 . c 1 9 9 9 年 9 月 6 日的暴雨和龙卷风天气过程垂直速度随时间和高
14、度分布廓线弯弯曲曲随高度 波动最大其中 6 点 0 5 分的分布廓线中垂直速度从 4 0 0 米的- 7 . 6 米/ 秒变化到 1 2 0 0 米的- 4 . 5 米/ 秒波动的高度从近地面持续到 2 0 0 0 米左右( 图中标为 3 ) 这说明在大气的不同层次之间热 力或动力差异较大 预示此对流风暴可能伴随有诸如龙卷风或冰雹等剧烈的强对流天气 相比之 下8 月 2 2 日垂直速度廓线比较陡直垂直速度随高度的波动小( 图 3 . d ) 当天以短时强降水天 气为主 3 . 3 水平风资料的应用 研究表明 3 适度的环境风垂直切变有助于雷暴的传播和组织成持续性强雷暴系统是一 5 般雷暴与强雷
15、暴的重要差别 利用风廓线雷达水平风资料 可以实时监测水平风的垂直切变及其 切变发展的深度如图 4.a 所示的 1999 年 8 月 22 日的局地暴雨过程中在 2000 米左右的高度 层次上 存在显著的西南风和东北风的水平风垂直切变 而且从 8 点开始 随着低层东北风加强 切变增强切变层次升高强对流的发展也到了最剧烈的程度这与 8 点开始的上海境内 8 点开 始的短时强降水是密不可分的在 1999 年 9 月 6 日上海的暴雨龙卷风强对流天气过程中(图 4. b) 从 02 点到 6 点半 从 1500 米以下强东南风随高度顺转为偏南风 而且达到的高度很高 超 过 2500 米风速也很强这段时
16、间内上海暴雨如注奉贤单站累积雨量达 108 毫米6点 4 0 风左右在其下风方闵行松江奉贤浦东地区遭受中等强度龙卷风的袭击这说明水平风 随高度强烈顺转是产生龙卷风的典型环境场特征之一与国内的研究 4 是一致的 图 4 上海风廓线雷达测得的水平风分布a b 分别为 1 9 9 9 年 8 月 2 2 日和 9 月 6 日用风矢量表示的水平 风随时间- 高度分布图横坐标表示时间纵坐标为高度风矢量上的灰度等级表示垂直速度大小向上为 正c d 分别为 1 9 9 9 年 9 月 6 日水平风向和水平风速垂直廓线随时间变化图横坐标表示水平风向0 度 指向偏东按顺时针方向递增或水平风速纵坐标为高度时间标注在廓线上 利用风廓线雷达水平风资料, 还可以探测与夏季强对流天气发生密切相关的边界层内低空 急流的强度和垂直按照时空转换的原则在风廓线雷达探测范围内( 3 0 0 0 米以下) 连续三个 时次( 即持续时间约大于一个小时) 探测到大于 1 2 米/ 秒的强南或西南风速 则可视为存在低空急 流在 9 月 6 日风廓线雷达水平风向的分布图上( 图 4 . c ) 可以
