利用风廓线雷达资料分析大理机场飑线天气过程的风垂直变化特征

王周鹤，赵建伟，高 兵

（云南机场集团大理机场，云南 大理671000）

飑现象是范围小、生命史短、气压和风发生突变的狭窄强对流天气带， 产生于强烈不稳定的气团内部，在这种大气中容易形成强烈的上升气流，生成旺盛的积雨云，当雨滴增大到上升气流托不住时，下降的雨滴通过摩擦力的作用， 使上升气流转变为地面空气的水平运动[1]；飑作为一种风暴现象，风力强大、风向突变，气压、气温急剧变化，伴随雷暴、冰雹、强降水等对流天气，常常是引发下击暴流、低空风切变的主要原因之一。 航空气象观测飑现象判定标准为： 当观测到的本场地面风瞬时风速急剧增大了至少8 m/s，且增大后瞬时风速达到11 m/s 或以上，并至少维持1 min，就应当判定是飑[1]。 飑会给航空飞机的起飞降落、发动机稳定性、飞行能见度、操纵性及仪表稳定性等带来严重的安全隐患[1-4]，因此民航总局发布雷雨天气飞行规定： 飞行活动严禁飞越积雨云或浓积云，严禁穿越雷雨；飞机绕飞雷雨时，距离主降雨区不少于10 km。 这就是防止民航飞行进入飑天气区域。

目前对飑的发生规律还未完全弄清楚， 飑内部要素变化的精细化观测也是气象观测中的一个难点，对航空气象保障带来了极大的挑战。风廓线雷达利用多普勒效应，能够连续地观测雷达站上空几分钟、几十米层距的高分辨率的风廓线资料， 除了具有可连续探测优点外，还具有高精度和运行可靠性，为飑线内部中尺度结构提供了一种良好的观测工具[5-6]。由于高时空分辨率的特征， 风廓线雷达资料在局地强对流天气分析和预报中的应用越来越受到人们的重视[7-16]。 杨引明等[13]讨论了风廓线雷达资料，特别是垂直速度和温度资料的应用，研究表明，可以实时监测水平风的垂直切变及其发展变化全过程； 许丽萍等[5]论述了CFL-03 型边界层风廓线雷达在中小尺度气象分析与预报的应用；何平等[6]对风廓线雷达探测降水过程的初步研究， 认为国产风廓线雷达能够在降水天气下工作，降水时信噪比、垂直速度等要素出现一定的特征；董保举等[14]分析了风廓线雷达资料在暴雨天气过程特征应用， 开展了降水物理过程研究；陈红玉等[18]研究了大理地区强降水过程风廓线雷达资料的极值特征。

尽管针对风廓线雷达资料进行了很多卓有成效的研究成果[19-21]，但是在飑线系统中的精细化风场结构依然不是太清楚， 风场时空演变规律还有待深入了解，故本文利用风廓线雷达资料，通过各类产品分析2018 年2 次飑线天气过程的垂直特征变化，研究飑线天气的发生规律，为及时准确地识别和预测飑天气现象提供参考依据，保障飞行安全和提高飞行效率。

1 设备与资料选取

大理机场风廓线雷达是由航天科工集团二院二十三所生产的CFL-03 固定式边界层风廓线雷达，台址位于大理机场远指点标台内，海拔高度2 212.3 m，最低探测高度60～120 m， 最高探测高度3～5.5 km。雷达设计有5 个波束， 一个垂直波束，4 个斜波束，在2 个互为垂直的平面里， 偏离垂直波束14.6°，通过改变移相器相位值改变波束方向， 每个波束发射电磁波脉冲，并接受每个脉冲的回波，计算出该波束各个高度层上的径向速度， 最后根据公式计算各个高度层上的水平风向、风速、垂直气流，输出图形产品； 利用测风同样的方法得到各个高度层的回波信号信噪比值和回波信号功率，输出图形产品，还提供有径向速度、谱宽、信噪比、水平风向、风速和垂直速度和功率谱密度分布数据。

大理机场地处滇西低纬高原（100°19′E，25°39′N），机场标高2155 m，属低纬高原季风气候，雨季主要受来自孟加拉湾的西南气流和南海的东南气流影响。本文选取2018 年大理机场地面观测记录飑现象的2 次天气过程， 分属不同的天气背景，5 月13 日为南支槽东移西南气流影响本场，8 月4 日为热带低压西行东南气流影响本场。

2 两次飑天气过程分析

2.1 天气实况及影响

2018 年5 月13 日天气过程实况（表1），9：30本场风速突然增大，出现阵风风速达15 m·s-1，气温骤降3.5 ℃，气压升高，最大风速达19 m/s；伴随出现雷暴、冰雹、强降水等对流天气，按照民航气象观测飑天气现象的判断标准，是飑现象。此次天气过程导致了大理机场航班延误。

2018 年8 月4 日天气过程实况（表2），13：20本场风向70°， 风速3 m·s-1，13：30 风向转为120°，风速突变增大，出现阵风19 m·s-1，气温骤降3.6 ℃，气压10 min 内升高2 hPa，伴随出现雷暴、强降水等对流天气，强降水在13 min 内降水量高达8.6 mm。此次天气过程导致了3 架次航班受天气影响，2 架次航班因本场天气原因取消。

表1 5 月13 日飑现象天气过程天气实况

表2 8 月4 日飑现象天气过程天气实况

2.2 环流形势分析

5 月13 日青藏高原东南侧有南支槽东移，南支槽前西南暖湿气流携带了大量的水汽， 为大理区域提供了充沛的水汽条件， 槽后西北气流引导冷平流南下；700 hPa，长江沿线大理至汉口受切变线影响，尾部位于云南中部偏西大理附近， 其后部转为偏北风。 利用NCEP 高空风、 温度再分析资料，12 日18时500 hPa 孟加拉湾热带低压位于缅甸和云南腾冲交界一带，冷中心位于低压中心后部北侧，到13 日12 时（图1） 低压中心已经移动到大理偏北丽江一线，冷中心赶上低压中心后接近大理区域，高空冷空气的加入为强对流天气提供了有利的条件。

图1 5 月13 日12 时NCEP 500 hPa 风温

8 月4 日南亚热带辐合带向北抬升， 热带低压中心位于中南半岛，700 hPa 低压中心更为偏北，位于西双版纳至普洱一带， 大理区域受低压外围的偏东气流影响， 汇同南亚季风为大理区域提供充沛的水汽条件。 利用NCEP 高空风、 温度再分析资料，8月3 日18 时热带低压中心位于云南西双版纳至普洱一带，云南大理受热带低压外围偏东气流影响；低压中心向北缓慢移动，到8 月4 日12 时（图2），冷中心从东向西移动，云南大部为偏东气流，结合等温线，存在明显冷平流，高空冷平流增加了对称不稳定为强对流天气提供了有利条件。

图2 8 月4 日12 时NCEP 500 hPa 风温

3 风廓线资料在飑线天气中的应用

利用风廓线雷达每5 min 一次的原始资料，对水平风垂直变化、垂直速度、风切变等作时间、高度的演变图。 风廓线雷达5 波束的谱功率数据图以及信噪比、径向速度数据，并结合天气过程深入分析其物理过程。

3.1 物理过程开始前的水平风和垂直风分析

图3、 图4 为风廓线雷达每5 min 一次的原始资料，是水平风叠加垂直速度的高度时间剖面图。水平风随高度的变化反映了冷暖平流的变化， 随时间的变化反映了气流辐合辐散状况，也能反映出槽线、切变线等天气系统的变化发展[15]。 而垂直风随时间的变化以及变化发展的高度反映了大气中垂直热交换的程度，垂直速度大小随高度而变化，也是判断对流发展强度的一个重要方法， 因此垂直速度在对流天气预报中有重要的应用价值[17]。

5 月13 日4：30（图3），800 m 以上存在有明显的水平风向切变， 而且切变高度持续到3500 m，后续风向由偏东风转为西南风，地面到1800 m，水平风随高度升高由偏东风顺时针转变西南风， 底层出现了暖平流；5：10—5：40，高度1000 m 以下的垂直速度为负值，最大值为-2.6 m/s，说明底层开始出现上升运动；6：00—7：00，1800～2500 m 也出现了负的垂直速度，上升运动已经发展到了中高层，在本场也观测到了积雨云， 有对流发展；8：00 以后对流高度达到了5000 m 以上， 同时在600～2300 m 高度层，随着时间推移水平风明显增大， 存在水平风辐散现象，8：40 后水平风最大探测高度5220 m 有弱下沉气流，且延续到了近地层，360 m 高度风速已达到了11 m/s；8：50—9：00 垂直风在1000 m 以上有上升气流和下沉气流，出现了垂直风的水平切变，反映了大气中有垂直热交换；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变，1500～2000 m 形成了上升速度在下、下沉速度在上垂直风垂直切变， 上升气流和下降气流在垂直方向上同时存在，反映了强烈的对流发展。

图3 5 月13 日水平风垂直速度叠加

8 月4 日10：00—12：40（图4），最底层到1300 m水平风从西偏北风顺时针偏转为偏东风， 有暖平流存在；11：40—12：40 在1000 m 以下形成了低压环流，同时出现垂直速度负值区，最大值为-2.3 m/s，说明底层有上升运动；12：30 在1000 m 以上的偏东风突然转变成了西北风，12：50 又转为偏东风，有强烈的风向辐合切变，上升气流不断发展到了中高层，且存在较强的乱流混合， 离地高度达到了5000 m，在本场地面观测资料也记录了积雨云， 本场有对流发展；13：00 在2500 m 左右的上升气流遇到了下沉气流，下沉速度随时间推移逐渐增大，达3～5 m/s，上升气流支撑不住下沉气流，高度逐渐降低，也正好解释了本场生成旺盛的积雨云， 当雨滴增大到上升气流支持不住时，下降的雨滴通过摩擦力的作用，使上升气流转变为下沉气流；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变，反映了强烈的对流发展。总结2 次飑线天气过程的共性，开始前均出现了水平风的风向切变，上升气流和下降气流同时存在， 大气中有垂直热交换过程， 垂直风的水平切变及垂直切变， 强烈的对流发展，高度达到了5000 m 以上。

图4 8 月4 日水平风垂直速度叠加

3.2 物理过程中的径向频谱图分析

图5 为5 月13 日飑线过场时风廓线雷达低模式（60～1800 m）频谱，图6 为8 月4 日风廓线雷达高模式（900～5600 m）频谱，朝着雷达径向速度为正，离开雷达为负。 由图5 可见，中波束900 m 高度以上频谱谱宽突然变宽，径向速度从0.1 m/s 突然增大到了8.2 m/s， 前波束1200 m 高度径向速度突变增大为4.3 m/s，后波束840 m 高度径向速度突变增大为6.5 m/s，右波束1080 m 高度径向速度突变增大为6.9 m/s，左波束840 m 高度径向速度突变增大为6.5 m/s，分析5 波束频谱图，前、后2 个对称波束和左、 右2 个对称波束速度突变增大高度及波谱变化均不一致，无对称性，说明降水相态发生了改变，且最大径向速度突变数值差异大， 反映了降水的不均匀性或水平风的影响。 图6 在不同的高度层同样出现了径向速度突变增大的情况，前、后波束和左、右波束分别为对称波束， 径向速度突变增大高度及波谱变化也不一致， 同样说明了本场降水的不均匀性或水平风的影响。吴志根[15]等研究指出，若频谱图出现径向速度折叠， 基本判定出现风雨交加的强对流天气。

图5 5 月13 日09：55 廓线低模五波束频谱

图6 8 月4 日12：41 风廓线高模五波束频谱

图7 为5 月13 日风廓线雷达高模左波束频谱。 4140～4260 m 高度径向速度从-6.74 m/s 变化为7.43 m/s， 这是明显的径向速度折叠现象； 图8为8 月4 日风廓线雷达高模左波束频谱，1260～1380 m 高度径向速度从-12.7 m/s 变化为12.3 m/s，也出现了径向速度折叠现象。 分析判定，出现的径向速度折叠完全是本场出现风雨交加的强对流天气所致。

3.3 物理过程中的风切变指数分析

图7 5 月13 日09：12 风廓线高模左波束频谱

图8 8 月4 日12：38 风廓线高模左波束频谱

风切变泛指空间任意相邻的两观测点之间风向和风速的突然变化， 低空风切变主要来源于湍流及平均风的水平切变和垂直切变。表3 为国际民航组织第五次航空会议上制定的不同风切变强度等级所对应的垂直风切变值，其中垂直风切变值按2 个单位形式给出。 09：00 高空5000 m 出现了中度风切变， 并不断向下传递，09：40—11：10，1000 m 以下出现了强烈垂直风切变，最大切变值为0.17（图9）。分析8 月4 日风切变时间高度剖面发现，12：30高空5000 m 开始出现中度风切变， 并不断向下传递，在飑线开始前和降水强度突然增大的时间节点切变系数较大，最大切变值为0.21，为严重风切变。可以说明这两次飑线天气过程开始前，从高空到地面存在强烈的湍流运动， 高低空能量交换频繁，气流紊乱。

表3 垂直风切变强度等级分类标准

图9 5 月13 日风切变时间—高度剖面

4 结论

两次飑线天气过程产生于不同的天气背景，有不同的移动路径。 5 月13 日受南支槽西南气流影响，天气过程从西南向东北移动影响大理机场；8 月4 日受热带低压外围偏东气流影响， 天气过程从东向西移动影响大理机场。 但是分析两次飑线天气风廓线雷达资料的物理过程共同特征，得出以下结论：

（1）在飑线天气过程开始前2～4 h，两次过程均存在水平风的风向切变， 从底层到高层均出现了明显的上升运动；临近天气过程开始前，上升运动和下沉运动同时存在，表明飑现象天气过程开始前，大气中有较强垂直热交换过程；强烈的对流发展，发展到了离地高度5000 m 以上。

（2）飑线天气过程，是风雨交加的强对流天气，风廓线频谱图能捕捉到径向速度突变增大，且前后、左右对称波束变化高度及频谱变化均不一致； 单波束出现径向速度折叠现象。

（3）飑线天气过程中，从高空到地面存在强烈的湍流运动，高低空能量交换频繁，气流紊乱，存在强烈以上等级的风切变现象， 对航班飞行存在极大威胁。

（4）本文初步探索了飑线的风场垂直变化特征，为今后的飑线、雷暴大风等航危天气监测、预警提供方法和预报思路， 但是CFL-03 型风廓雷达用来分析飑线天气现象发生演变过程在民航机场尚属首次，飑线天气过程空间尺度小、变化剧烈，风廓线雷达捕捉的信息有一定的局限性， 仍需大量的个例进行分析研究。