利用相控阵雷达对2021年4月28日厦门机场一次降水过程的分析

利用相控阵雷达对 2021年 4月 28日厦门机场一次降水过程的分析

孙凯 苏蕾 梁秋枫 施思

中国民用航空厦门空中交通管理站 福建厦门 361000

摘要：近年来，相控阵雷达这项技术开始在气象上投入试验及使用。本文使用多普勒雷达和相控阵雷达的反射率产品做对比，加上相控阵雷达其他产品的展示，分析了2021年4月28日影响厦门机场的一次降水过程，结果表明相控阵雷达对于对流云团演变的快速判断有很大作用。

关键字：多普勒雷达，相控阵雷达，厦门机场

1、引言

随着我国民航运输架次逐年不断增长，基于民航日常运行和安全保障的需要，对航空气象提出了更高更精细的要求。在精细的临近预报中，多普勒雷达本身就有举足轻重的地位。而现使用的S波段雷达，其产品分辨率为6分钟，在这个分辨率下部分对流云团看起来有如跳跃式发展。这对于对流云团形成、发展、演变的细节就有缺失，也不利于判断其是连续还是非连续传播，最终影响到预报结论的准确性。还有一些中小尺度的灾害性天气，比如下击暴流，本身持续时间就不长仅仅几分钟。6分钟的产品更新间隔，在使用上就不容易预警、监视及跟踪这些灾害性天气。

因此，雷达产品能更快速更新的相控阵雷达技术呼之欲出，近年来已经开始在气象领域投入试验以及使用^[1-2]。同时也有了天气过程的案例分析，比如于明慧等人^[3]利用相控阵雷达对2016年华南一次强对流过程的分析。

2、资料来源

本文所使用的雷达资料来源为厦门市气象局原有的S波段单偏振多普勒雷达，以及市气象局新部署在海沧的X波段双偏振相控阵雷达。X波段双偏振相控阵雷达扫描半径为42公里，其产品的仰角以1.8°为间隔，范围从0.9°到20.7°，产品更新时间间隔为69秒。

3、天气背景分析和实况

受中高层槽线东移和低层切变线南压的影响，28日08:00在粤北到闽中偏南一带已有分散的对流回波存在。全天水汽输送强，湿度高且湿层厚，探空资料上能量较稳定。总体而言，28日机场全天都有降水形势，但高低层配置不同步。

实际情况根据观测统计，28日从05:02到24:00，机场有连续性小雨或小阵雨，24小时降水量为23.4毫米。其中中午11:33到12:52时段的中阵雨持续最长，有1小时19分钟，且期间于11:56-12:20之间出现大阵雨。因此本文单独对中午的大阵雨降水过程做分析。

4、对流云团特征分析

4.1 多普勒雷达组合反射率因子产品

11:51厦门机场天气为中阵雨，此前中阵雨已维持了20分钟左右；如图1（a）所示，此时机场西侧有相对较强的对流回波正在东移靠近，移速40公里/小时，最强回波强度40dBz，回波顶高6-8公里。在图1（b）这个时间11:57，机场天气已经转为大阵雨，图1（c）12:03看上去回波有点减弱，图1（d）12:09回波减弱更多。实际观测报告上，大阵雨持续时间为11:56到12:20。从图1（a,b,c,d）可以看出，这次过程多普勒雷达产品上显示大阵雨与中阵雨的回波差别不大，在机场跑道上空时均为40dBz的回波。故在对流云团东移过境机场的整个过程中，不容易通过区别回波来判断降水强度，也不容易在整片中阵雨回波中识别出嵌套的大阵雨回波。

（a）

（b）

（c）

（d）

图1 28日厦门11:51（a）、11:57（b）、12:03（c）、12:09（d）各时刻

多普勒雷达显示的回波强度，图中箭头为厦门机场的位置

4.2 相控阵雷达组合反射率因子产品

（a）

（b）

（c）

（d）

图2 28日厦门11:51（a）、11:56（b）、12:03（c）、12:09（d）各时刻

相控阵雷达显示的回波强度，图中箭头为厦门机场的位置

由于相控阵雷达的产品时间分辨率更高，所以挑选出和多普勒雷达同时刻的同种产品做对比（11:56产品具体时间为11:56:57，而下一时刻为11:58:06，在没有11:57的情况下故选11:56比较接近）。

如图2（a）所示，11:51在成片的黄色降水回波中，机场西侧有多块深黄色回波；其回波强度43dBz，云顶高6到7公里，垂直累积含水量的值为5。如图2（b）所示，11:56回波有所加强，在深黄色中嵌套有发展更强的红色回波；其回波强度45dBz，云顶高8公里，垂直累积含水量的值为5；且开始覆盖机场，与实况上大阵雨的时间相吻合。如图2（c）所示，12:03回波减弱并逐渐移出。如图2（d）所示，12:09回波基本减弱，但是机场西侧又有新的对流云团发展加强并东移，将要影响机场。经过后续时刻相控阵产品的显示，勾勒出这次大阵雨过程，实际上是有前后共两波对流云团而不是一波影响了机场。

（a）

（b）

（c）

（d）

图3 28日厦门11:56（a）、12:05（b）、12:11（c）、12:25（d）各时刻

相控阵雷达显示的基本反射率RHI图，图中箭头为厦门机场的位置

再结合图3（a,b,c,d）垂直方向上的产品，印证了实况。既11:56相对较强的回波开始影响机场跑道，12:05减弱移出；12:11又有新的回波影响，12:25已经减弱移出。

通过对比多普勒雷达反射率产品，可以直观地感受到两者的差别。相控阵雷达对这次大阵雨回波的识别则较为清晰。同时能更细节地看出，对流云团在机场跑道上空移动演变的过程。且由于产品时间分辨率的提高，通过让预报员对对流云团的快速判断，从而能支持预报员更好地提供更高精度的预报和服务。

另外垂直累积含水量和回波顶高这两个产品，在天气过程分析中十分有用，但是在实际使用中相控阵雷达这方面效果远没有多普勒雷达好。加上相控阵雷达本身有扫描范围小、回波易衰减等固有缺陷，这正好和扫描范围大、衰减少的多普勒雷达组成互补，在预报中还是应该结合起来一起使用。

4.3相控阵雷达基本速度产品

（a）

（b）

图4 28日厦门11:10（a）和12:14（b）相控阵雷达显示的6.3°仰角径向速度

如图4（a）所示，在大范围的速度场中，从11:10开始6.3°仰角上可见负速度区中有大风区，风速为12m/s，这有利于风速辐合，对流云团发展。如图4（b）所示，12:14后大风区开始逐渐减弱，不利于后续能影响到机场的对流云团发展。

4.4相控阵雷达其他产品

（b）

（a）

（c）

（d）

图5 28日厦门11:58相控阵雷达显示的13.5°仰角PPI图及对应的RHI图

分别为差分反射率（a,c）和相关系数（b,d）

如图5（a,b）所示，在高仰角13.5°下差分反射率和相关系数产品都呈现出环形亮带，这是由于固态粒子融化而产生的零度层亮带。图5（c,d）也从垂直方向上印证了结论，在差不多4.2公里的高度上有一条明显的界限。

5、结论

通过使用多普勒雷达与相控阵雷达的反射率产品做对比，和相控阵雷达其他产品的展示，分析了2021年4月28日影响厦门机场的一次降水过程。而这次过程，对流强度不高且移动比较迅速，算不上典型的强对流天气过程。按以往经验，在预报时是不容易把握生消时间的。但是在相控阵雷达高时间分辨率产品的支持下，依然可以做出较为准确的预报服务。表明相控阵雷达对于对流云团演变的快速判断有很大作用。总结如下：

（1）在相控阵雷达产品上，可以看出降水过程实际上是有前后共两波对流云团而不是一波影响了机场。

（2）通过对比多普勒雷达发现，相控阵雷达对这次大阵雨回波的识别则较为清晰。同时能更细节地看出，对流云团移动演变的过程。

（3）相控阵雷达产品的高时间分辨率，对于对流云团演变的快速判断有很大作用，能支持预报员更好地提供更高精度的预报和服务。

（4）相控阵雷达本身有扫描范围小，回波易衰减等固有缺陷，在预报中还是应该和互补的多普勒雷达结合起来一起使用。

参考文献

[1]刘黎平,胡志群,吴翀.双线偏振雷达和相控阵天气雷达技术的发展和应用[J].气象科技进展. 2016,(03)

[2]王超,吴翀,刘黎平. X波段双线偏振雷达数据质量分析及控制方法[J].高原气象. 2019,(03)

[3]于明慧,刘黎平,吴翀,肖艳娇.利用相控阵及双偏振雷达对2016年6月3日华南一次强对流过程的分析[J].气象,2019,45(3)