多普勒雷达在重庆江北机场雷暴天气的应用

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摘 要 本文采用重庆江北机场2003-2012年的观测资料，详细分析了雷暴天气的特点。利用2012年配备的多普勒气象雷达及其探测的雷达回波资料，总结出多普勒雷达在重庆江北机场雷暴天气的本地化应用方法，对夏季飞行保障和雷暴的预报监测服务具有一定的指导意义。

关键词 雷暴；多普勒雷达；雷达回波

中图分类号TN95 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）102-0130-04

0 引言

雷暴天气是重庆江北机场春、夏两季主要天气现象。它是由对流旺盛的积雨云组成，伴有闪电、雷鸣、湍流、积冰、阵雨、大风、冰雹、龙卷和下击暴流的中小尺度对流天气系统[1]，是飞机航行时所遇到的最恶劣最危险的天气之一。本文统计分析了重庆江北机场最近10年的观测资料，发现重庆江北机场全年除冬季的12月和1月外，均有雷暴天气出现，夏季最盛。加强雷达监控是预报雷暴发生、发展和消散的有效途径，预报员利用2012年新配备的双线偏振多普勒雷达及其探测的雷达资料，总结出一些行之有效的本地化应用方法，从而进一步提高了机场雷暴天气的短临气象服务水平。

1 重庆江北机场雷暴的特点

重庆江北机场位于中国西南地区，处于四川盆地东部，位于北纬30度，属于亚热带气候。主要受海洋暖气团和极地大陆冷气团交替影响，以及其对应的西南季风和东北信风影响，形成四季变化分明，冬暖夏热，潮湿，多降水，多雷暴的气候。从春季到夏季，西风带槽脊强度逐渐减弱，西南季风加强，盆地上空多为偏西或西南风控制，多小波动活动。影响机场的天气系统一般为副热带高压、南支槽、青藏高压、西南涡、切变线和冷锋等。本文采用重庆江北机场的观测资料，分析2003-2012年10年的雷暴数据，统计得出机场年平均雷暴日数为32.7天。年最多雷暴日数为2007年的41天，最少雷暴日数为2003年和2009年的26天。机场冬季12月和1月无雷暴天气出现。初雷出现的最早时间为2007年2月6日，最晚时间为2005年4月8日；终雷出现的最早时间为2007年8月31日，最晚时间为2010年11月13日。由图1可知，月平均雷暴日数在4月和7月出现两个极大值，7月平均雷暴日数达到最大值为6.9天。4月～8月是雷暴最盛季节，占全年雷暴平均日数的84.7%。规定当日20时（北京时，本文以下出现的时间均为北京时）至次日08时为夜间。统计发现，4-8月以夜雷暴为主，占4月～8月平均雷暴日数74.6%。

2 双线偏振多普勒雷达的本地化应用

气象雷达对中小尺度天气的探测和监测最为有效，其回波图具有直观、易用、定位准确、实时性强等优点，是雷雨季节保障飞行安全的重要手段之一，在民航机场得到了普遍应用。民航重庆江北机场于2012年初安装运行了由成都锦江电子系统工程有限公司生产的新一代双线偏振多普勒雷达。该雷达安装于重庆江北机场的跑道以西，离机场塔台约500m，在使用雷达探测时，可将图像原点信息近似为跑道信息。

双线偏振多普勒雷达通过交替发射或同时发射水平和垂直偏振波，并接收两个偏振方向的回波信号的方法，可同时探测到降水系统的回波强度、差反射率因子、双程差分传播相位差、差传播相移率以及水平垂直信号相关系数等参数，这些参数直接反映了降水系统粒子相态、滴谱分布等微物理结构的变化规律，从而可以明显提高雷达估测降水和进行降水粒子相态识别的能力[2-4]。在此基础上，为了方便分析和应用多普勒雷达资料，提高现有多普勒雷达数据处理系统软件的能力，还配备了气象雷达产品显示系统。软件系统采用面向对象技术，基于中文Windows的平台上开发，完成双偏振数据的处理和显示。包括体扫，PPI（平面位置显示）和RHI（距离高度显示）的强度、速度、谱宽的单画面以及多画面的显示，以及各种非实时产品的自动生成和显示，为天气预警和预报提供有效的支持。

2.1 资料格式和调取方法

运行双线偏振多普勒雷达探测时，可存储的原始数据分PPI，RHI和体积三种格式。例如：PPI图原始资料存储名是201206280505270.15P。数据格式释义简单易懂，年是2012，月份是06，日期是28，小时是05（北京时），分钟是05，秒是27，最后一位是阿拉伯数字0，小数点后两位是仰角1.5度，以字母P为结束符。RHI和体积扫描数据格式的小数点前的含义与PPI相同，小数点后分别是“方位角末两位数值”+“字母R为结束符”和“初始仰角体扫度数”+“字母V为结束符”。在雷达产品处理的显示系统中，从“产品设置”中选择“原始数据文件夹”，直接调取雷达探测后所存储的原始数据资料（图2a），便可根据所存储的三类数据在该操作系统中进行更加详细的非实时数据分析。由这三类原始数据信息按5大类处理方式进行分析，可综合得到数据产品类别100余种。同时，若在“文件”中勾选“新文件监视”，则当监视数据文件夹中有新的原始数据文件时，程序将自动显示最新图像产品（图2b）。

2.2 相关功能

2.2.1 显示属性设置

在菜单栏“显示设置”中选择“显示属性设置”项，便可叠加航线和叠加空域到显示产品中（图3）。使用雷达监控雷暴天气，叠加此功能后，除了能对本场进行雷暴天气预警外，还可以针对民航的重要导航站点和机场进近的航线航路进行气象服务。

2.2.2 鼠标信息提取和区域统计

鼠标提取信息的功能是在菜单栏“显示设置”中，将“信息提取”的方式勾选为“鼠标跟随”。信息提取可通过鼠标的移动，读取相应位置的回波信息，并显示该信息。可得到的信息有强度，高度，中心点的距离和方位信息（图5a）。除了获取点的信息外，还可对一个区域进行统计分析。在产品图象中将鼠标移到所关注的区域，按住鼠标左键拖动，划出一矩形区域，放开鼠标左键，即弹出统计结果窗口，结果显示以饼图形式（图4a）。在饼图显示区点击鼠标右键会弹出菜单，选择直方图，则会以直方图的形式显示（图4b）。统计功能可直观的显示所想了解区域的各色回波的情况，实现了从点到面的雷达回波的分析。

2.3 RHI回波的应用

对强对流云团进行剖面扫图，可帮助预报员详细了解其垂直方向的回波情况。RHI图的仰角从0.5度至50度，探测高度达到24 km，方位角是根据强对流云团的位置进行确定。图5a-b是节选自2012年6月28日雷暴过程中的一张PPI图和RHI图。在PPI图上，强对流云团位于本场西和西北部30 km左右。选择方位280度，距离原点约35 km的位置做的RHI图上显示：强对流云顶高于12 km，回拨较强区域主要在高度6 km以下，最强对流中心在高度3至5 km。

但在使用中需注意，由于仰角高度的局限，距离原点太近的RHI图的高层信息有缺失的现象。图6a-b是节选自2012年6月30日雷暴过程中的一张PPI图和RHI图。在PPI图上强对流云团位于本场西和西北部4 km左右。选择方位311度，距离原点约4 km位置做的RHI图上显示：在5 km以内的高空回波明显缺失，无法得知该强对流云团近原点处的高空信息。所以距离原点5 km以内的强对流云团不推荐进行RHI图分析。但为了对雷暴达到更好的监测和预报效果，这就需要预报员尽可能早的关注移向本场的强对流云团，在5 km以外进行剖面分析。

2.4多普勒雷达的距离折叠现象

2013年7月8日傍晚，本场是受副高控制，为晴间多云的天气。四川中东部受高原波动槽影响，有雷阵雨的天气。图7a-d是节选自2013年7月8日18点36分至18点57分，显示距离为150km，仰角为1度的反射率因子回波图。图上每一圈间隔是30km。

图7a是18点36分采用双频率600 Hz和399 Hz交替发射所探测的回波图（最大不模糊距离分别是250 km和375 km），约离本场35 km，方位约260度处有回波。为了判断该回波的真实性。在18点42分采用单脉冲频率600Hz（最大不模糊距离是250KM），显示回波约离本场30 km，方位约260度。图7a-b显示回波向本场方向移。图7c是18点47分采用双频率900 Hz和599Hz交替发射探测的回波图（最大不模糊距离分别是167 km和250 km），在方位约260度显示有两块弱回波，分别约离本场115km和30km。如果图7a-b显示的回波是真实的回波，那么改变脉冲重复频率是不会改变回波的强度和位置的。而由图7c可知，改变脉冲重复频率后，在约30km的回波不仅减弱，同在260度方位的115km处还多了一块弱回波。再次改变频率后，图7d是18点57分采用双频率500 Hz和399 Hz交替发射探测的回波图（最大不模糊距离分别是300km和375km，显示260度方向上无任何回波。

整个时间段，四川东部约离本场280km，方位260度处有降水回波。由图7a-c可知，频率600Hz（最大不模糊距离250km），显示在方位260度，约30km处的弱回波，实际应是其最大不模糊距离外30km，即约280km处的降水回波。图7c采用双频率900Hz和599Hz，显示在方位角260度，约115km的弱回波实际对应的是频率900Hz，最大不模糊距离167km外115km，即约280km处的回波。由此可知，图7a-c显示的回波非该显示距离的真实回波，而是由距离折叠现象造成的“假回波”。图7d更进一步的佐证了这一距离折叠现象，在降低脉冲重复频率，最大不模糊距离大于300km后，在150km范围内无任何回波显示。综上所述，实际使用时，可通过改变脉冲重复频率或采用较低的双脉冲重复频率来辨别距离折叠现象所产生的“假回波”，从而加强对雷达图的识别，更好的监控天气。

3 一次典型的夏季强雷暴天气过程

2012年6月28日至6月30日，重庆江北机场观测强雷暴天气先后出现了5次之多，时间最长持续了5个多小时。分别发生的时间是28日18时28分至19时10分，28日19时42分至21时49分，29日03时15分至04时48分，29日20时53分至30日01时59分，30日13时36分至14时06分。利用常规实况场可以看出，500 hPa本场是位于副热带高压西北部，副高逐渐加强西伸，西北部多小波动槽自西向东移动，中低层受切变线的影响。29日夜间至30日早本场中低层西南气流加强，将大量的热量、水汽和动量向北输送，使当地具有大量的不稳定能量，为对流的发生提供了热力和动力条件。

图8a-d是节选自2012年6月29日雷暴天气过程的4张PPI雷达图。PPI雷达图上，雷暴回波的移动速度对于外推预报来说十分重要，较强的系统容易判断。图8a中显示，位于本场西南方向30km外呈西北东南向的带状回波，回波主体自南向北移动，移动速度快，外推其速度约为25 km /h。带状强回波西面逐渐联合加强，南面分裂出一部分后先后影响本场（图8b-d）。本次雷暴过程利用雷达至少可提前一个小时机场警报。另外从PPI图上可知，本场东北方向始终为净空，无强对流云团，飞机可利用本场未被强对流云团覆盖的间隙从东北方向进近到机场。

4结论

1）统计重庆江北机场2003-2012年10年的雷暴资料得出：全年除12月和1月外，均有雷暴天气出现，4月～8月是雷暴最盛的时段，占全年雷暴平均日数的84.7%；

2）双线偏振多普勒雷达可以明显提高雷达估测降水和进行降水粒子相态识别的能力，其存储的原始数据分PPI，RHI和体积扫描三种数据格式。雷达产品处理显示系统的常用功能有叠加航线、鼠标跟随和区域统计；

3）探测在PPI图上离原点5km以内的强回波发现，其对应的RHI图的高层有大部分回波缺失的现象。建议提前监控强对流云团，距离本场5 km以外时使用RHI图分析；

4）距离折叠现象在多普勒雷达探测中时有发生，可通过改变脉冲重复频率或采用较低的双脉冲重复频率来辨别距离折叠所产生的“假回波”；

5）PPI图是监测和预报雷暴的有力手段，强度较强的系统可对其移动速度进行外推预报。并且PPI雷达图可清楚的显示净空区域，协助飞机进离场。

参考文献

[1]周建华主编.航空气象业务.气象出版社，2011，2：20.

[2]Seliga T A，Bringi V N.Potential Use of Radar Differential Reflectivity Measurements at Orthogonal Polarisations for Measuring Precipitation[J].Journal ofApplied Meteorology，1976，15（1）：69-76.

[3]Doviak R J，Bringi V，Ryzhkov A，et a1.Consideration for Polarimetric Upgrades to Operational WER一88D Radars[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2000，17（3）：257-277.

[4]曹俊武，陈晓辉，方文贵，陈俊.双偏振多普勒雷达测量参数KDP的估算分析.雷达科学与技术，2010，8（1）：69-73.