双流机场一次风廓线雷达数据空洞原因分析

双流机场一次风廓线雷达数据空洞原因分析

袁  振1 张杰2

1民航西南空管局气象中心，成都市，四川省 610202

2 成都信息工程大学，成都市 610225

摘要：风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场等要素的探测。湍流运动是风廓线雷达回波信号产生的根本，大气湍流的发生需具备一定的动力学和热力学条件。本文对双流机场一次风廓线雷达数据空洞进行分析，发现本次风廓线数据空洞主要原因为大气湍流弱，在空洞位置湍流条件被破坏，中空深厚的等温层和一定厚度的冷云（过冷水和冰晶构成）破坏了低层湍流运动，使得风廓线接收的低层湍流信号非常微弱，低空风谱混乱，无法得到准确风场信息，所以形成空洞。

关键词： 风廓线雷达；湍流；空洞

1 情况描述

2018年1月13-15日连续三天，双流机场风廓线雷达1000米以下反复出现数据空洞现象，直至2018年1月15日15时（北京时下同）数据恢复正常，从图1逐小时风羽图所示，14日21时到15日11时为连续空洞区，是本文重点讨论的时段。

图1-3 风廓线逐小时风羽、双流机场上空水汽总含量图、 13-15日液态水路径图

2 原因分析

风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场等要素的探测，而大气湍流的发生需具备的动力学和热力学条件为:其动力学条件是空气层中具有明显的风速切变;热力学条件是空气层必须具有一定的不稳定度，其中最有利的条件是上层空气温度低于下层的对流条件，在风速切变较强时，上层气温略高于下层，仍可能存在较弱的大气湍流。

出现风廓线探测空洞，表示在这些位置湍流条件被破坏，即空气要么是非常稳定，导致湍流非常微弱，要么空气是稳定运动，形成层流或者对流。

下面利用安装在双流机场的微波辐射仪数据进行分析。由于风廓线采用北京时，而辐射仪采用UTC时间，需要变换为北京时，下面的时间除特别说明外的时间，均默认为北京时。

图2是2018年1月13日00时（UTC）到15日24时（UTC）的水汽总含量图。从图中14日21时到15日11时可看出，双流机场上空的水汽总含量一直较高（12.5-25kg/m2）。

众所周知，水气存在三种状态，气态、液态和固态。而双流机场上空的高水气的状态可以从微波辐射计看出。辐射仪产品中液态水路径表示在空中液态水的值随时间的演变特征中，从图中可以看出，13日11时到15日1时液态水值基本为零，表示没有探测到液态水。15日1时到8时液态水开始增加到160g/m2，并维持到15日13时，随后迅速增加到15日23时的超过1000g/m2。在重点讨论时段14日21时到15日11时中的前一段（14日21时-15日1时），双流机场空中液态水值为零，这意味着，该时段空中大值的总含水量是以气态或固态形式存在。在后一段（15日1时到13时），双流机场液态水为160g/m2左右的小值，还有相当比例的气态或固态存在。

辐射仪产品中液态水廓线表示空中液态水随时间出现的高度和密度。图4给出了13日-15日双流机场液态水廓线演变图。从中可见，空中存在液态水时，其底高在1.3km左右，13日11时前液态水的顶高在2.8km左右，15日3时（UTC为14日19时）-15时期间，液态水顶高在2km左右，随后逐步升高，15日24时达到最高km左右。其他时段，液态水高度为0，即没有探测到液态水。

图4 -6双流机场液态水廓线演变图、温度和露点垂直廓线图、辐射仪上边界层温廓线图

2018年1月13日00时-15日24时(UTC)

图5为重点考察时段中14日21时（UTC为14日13时）和15日06时（UTC为14日22时）的双流机场温度和露点垂直廓线图。按照成都地区空中温度露点差不大于3℃意味着在云中推知，在重点考察时段中空中是有云的，14日21时云底高为1500m左右，云顶高在2800m左右，其温度在272-268K之间，表示为冷云，即此时的云由过冷水或冰晶构成。15日06时云云底高为800m左右，云顶高在2600m左右，其温度在276-269K之间，表示为混合云，即由底部部分液态水和中上层过冷水或冰晶构成。这与图4中15日06时（UTC为14日22时）表现出在1.3-2.8km高度上的红色值及图3中对应时刻液态水含量为160g/m2是完全吻合的。

值得注意的是，风廓线雷达出现数据空洞的13日到15日11时期间，辐射仪上边界层温廓线上始终保持约2km厚度的等温层，13日11时底高在2km左右，15日1日底高为1.8km左右并维持到15日11时，15日11时以后，随着700hPa高空槽的影响，高空冷平流侵入双流机场上空，该等温层迅速减弱，风廓线探测数据恢复正常。

3 结论

本次风廓线雷达空洞原因是由双流上空深厚的等温层和一定厚度的冷云（过冷水和冰晶构成）破坏了低层湍流运动，使得风廓线雷达接收的低层湍流信号非常微弱，同时低空风谱混乱，无法得到准确风场信息，所以形成空洞。