多普勒雷達(dá)對(duì)一次陣風(fēng)鋒的分析

多普勒雷達(dá)對(duì)一次陣風(fēng)鋒的分析

序言mcs是中國的一個(gè)主要?dú)夂蛳到y(tǒng)。國內(nèi)外對(duì)mcs和mcc的研究很多，如馬宇。1地面中尺度單站要素變化2003年4月17日11時(shí)30分左右,濟(jì)南出現(xiàn)氣壓涌升(氣壓在10min內(nèi)上升了1hPa)、氣溫驟降(氣溫在10min內(nèi)下降了7.7℃)、風(fēng)向陡轉(zhuǎn)(偏東轉(zhuǎn)為西西南風(fēng))、風(fēng)力陡增(出現(xiàn)瞬時(shí)風(fēng)速為19.6m/s的大風(fēng))的現(xiàn)象,10min內(nèi)降水量達(dá)到8mm。從這些氣象要素的變化可以看出,11時(shí)30分左右,有陣風(fēng)鋒在濟(jì)南過境。濟(jì)陽從12時(shí)開始,氣壓在10min內(nèi)上升了2hPa,氣溫在10min內(nèi)下降了2.4℃,12時(shí)至12時(shí)10分,陣風(fēng)鋒在濟(jì)陽過境。從這些單站要素的變化看,在這次MCS引發(fā)的大暴雨過程中,地面還出現(xiàn)了一次典型的陣風(fēng)鋒過程。濟(jì)陽位于濟(jì)南以北(NNE)約30km,陣風(fēng)鋒過境時(shí)間相差30～40min(濟(jì)南11:30;濟(jì)陽12:10),因而據(jù)此可估計(jì)出颮線的移速約為45～60km/h,與Wakimoto1982年總結(jié)的陣風(fēng)鋒的模型完全吻合(圖1)。2回波帶的發(fā)展從濟(jì)南齊河新一代多普勒天氣雷達(dá)回波上可以看到:4月17日7時(shí)28分西南方向約150～230km處生成一些結(jié)構(gòu)松散的回波,中心強(qiáng)度只有36dBZ。到8時(shí)53分左右,這些回波的中心已發(fā)展為53dBZ的強(qiáng)回波,并且多塊回波排列成一條弧線(圖2左)。9時(shí)29分左右(圖略),回波塊已逐漸合成一個(gè)呈西北—東南走向的回波帶,回波帶的前端到達(dá)距濟(jì)南約100km的地方。至10時(shí)38分,回波的中心強(qiáng)度加強(qiáng)到56dBZ,強(qiáng)回波帶的寬度也明顯增加,其前沿距濟(jì)南僅50km(圖2中)。11時(shí)08分這條強(qiáng)回波帶到達(dá)濟(jì)南,它造成了濟(jì)南第一個(gè)時(shí)段的強(qiáng)降水,1h雨量達(dá)到12.2mm并伴有強(qiáng)陣風(fēng)。至12時(shí)06分(圖2右),強(qiáng)回波帶已移至濟(jì)南東北方50～100km處,第一時(shí)段的強(qiáng)降水基本結(jié)束。此時(shí)帶狀回波的中心強(qiáng)度和寬度已略有減弱,但強(qiáng)回波帶的后方出現(xiàn)相當(dāng)寬的較弱回波區(qū)。上述分析表明,陣風(fēng)鋒在雷達(dá)回波圖上表現(xiàn)為一條狹窄的弧狀強(qiáng)回波帶。它在9時(shí)至12時(shí)之間從濟(jì)南西南方150km之外移到東北方100km,移動(dòng)方向與西南風(fēng)低空急流的方向一致,反映了陣風(fēng)鋒降水為暖區(qū)的強(qiáng)對(duì)流降水。在雷達(dá)回波的形態(tài)上,初始對(duì)流階段為多個(gè)有規(guī)則排列的對(duì)流單體,然后發(fā)展成一條狹窄的弧狀強(qiáng)回波帶。最后在強(qiáng)回波帶的后方再發(fā)展出寬度加大而強(qiáng)度較弱的回波區(qū)。這種回波形態(tài)和Houze等在此特別需要強(qiáng)調(diào)的是:雷達(dá)最初看到的西南方150～240km處的回波實(shí)際上是MαCS中強(qiáng)對(duì)流帶的頂部,隨著MαCS的移近,雷達(dá)可以掃描到MαCS的中下部,所以在8:53看到的雷達(dá)回波稀散而無規(guī)律,10:38和12:06看到的雷達(dá)回波緊密而有規(guī)律,并不是說回波強(qiáng)度增加了,而是由于雷達(dá)距離MαCS的距離不同所造成的掃描高度的不同,回波的形態(tài)更趨于完整。3速度場的變化圖3給出多普勒雷達(dá)的速度圖。雷達(dá)徑向速度圖基本可分為4個(gè)部分:西北象限為弱的正速度區(qū),速度只有0～5m/s(指徑向速度,而非實(shí)際風(fēng)速);東南象限為弱的負(fù)速度區(qū),徑向速度也只有1～5m/s;西南象限既有正速度區(qū),也有負(fù)速度區(qū),但徑向速度均較弱,且風(fēng)場呈連續(xù)變化。東北象限卻有很明顯變化:在一大片較弱的負(fù)速度區(qū)中插入一條長約70～80km、寬約15～20km的正速度帶,徑向速度由5m/s突變?yōu)?9m/s,梯度大,斷線的兩側(cè)風(fēng)速對(duì)吹,風(fēng)向風(fēng)速都不連續(xù),速度零線出現(xiàn)明顯的折角。從速度場的定性分析可以看出,陣風(fēng)鋒前的暖區(qū)是弱的東北風(fēng)(-1～-5m/s),陣風(fēng)鋒過后是強(qiáng)的西南風(fēng)(13～19m/s),位于強(qiáng)對(duì)流回波帶的前沿,具有典型的陣風(fēng)鋒風(fēng)向突變、風(fēng)力劇增的特征。陣風(fēng)鋒的移動(dòng)方向是向東北方而不是西南方。從11:47至12:12,25min時(shí)間內(nèi)向東北方向移動(dòng)了25km,移速為60km/h,與我們上面所看到的單站要素和地面風(fēng)場實(shí)況非常吻合(圖1)。相同時(shí)刻的強(qiáng)度回波也具有相同的特征,強(qiáng)風(fēng)速帶對(duì)應(yīng)著強(qiáng)回波帶,位于陣風(fēng)鋒后方,強(qiáng)度達(dá)到40～45dBZ(圖4)。4位置和徑向速度回波的特征從圖4可以看出,強(qiáng)回波帶的長度>200km,但正負(fù)速度強(qiáng)烈對(duì)比的多普勒速度不連續(xù)線(包括方向和大小)長度卻只有70～80km左右(圖5中白色短線之間),其他2/3的部分由于距雷達(dá)較遠(yuǎn),處于雷達(dá)視線以下觀測不到。原因是地球曲率和大氣折射所引起的,當(dāng)探測距離較遠(yuǎn)時(shí),即使地面雷達(dá)作水平探測,波束軸線的高度也會(huì)離開地面數(shù)千米。若遠(yuǎn)處降水云發(fā)展高度較低,雷達(dá)可能探測不到。所以在雷達(dá)回波上陣風(fēng)鋒的長度表現(xiàn)為低仰角長,高仰角短,而陣風(fēng)鋒距離表現(xiàn)為低仰角遠(yuǎn),高仰角近。多普勒天氣雷達(dá)不同距離圈對(duì)應(yīng)的高度是不同的(表1、表2),而相同的距離圈上對(duì)應(yīng)的高度也不同。陣風(fēng)鋒距雷達(dá)的距離約為55km,在不考慮地球曲率的情況下,這個(gè)距離對(duì)應(yīng)雷達(dá)的0.5°仰角的高度應(yīng)為0.48km。也就是說,陣風(fēng)鋒的垂直厚度只有500m左右。Doviak,R.J從上面對(duì)這次個(gè)例的陣風(fēng)鋒分析來看,符合Doviak,R.J的分析,說明陣風(fēng)鋒只是一種近地面的現(xiàn)象,處于雷達(dá)視線以下的部分雷達(dá)觀測不到。以12時(shí)12分的速度圖為例,利用雷達(dá)0.5°、1.5°、2.4°、3.4°4個(gè)仰角來進(jìn)一步分析同一時(shí)刻同一陣風(fēng)鋒的3維結(jié)構(gòu)。圖5分別給出0.5°、1.5°、2.4°和3.4°仰角的速度場。從圖上可以看出,隨著仰角的增大,強(qiáng)的正速度帶變短,在1.5°仰角上與雷達(dá)距離變近,而且0.5°仰角上陣風(fēng)鋒前方有弱負(fù)速度區(qū),在1.5°仰角上已沒有負(fù)速度(東北風(fēng)的入流)。說明隨著仰角的抬高,由地面陣風(fēng)鋒過境所帶來的風(fēng)向突變?cè)诟呖湛床坏?陣風(fēng)鋒是近地面現(xiàn)象。另外,從高仰角(3.4°)的徑向速度回波對(duì)高層的風(fēng)向做定性分析,強(qiáng)正速度帶距雷達(dá)35km,說明在2.1km高度上也有強(qiáng)風(fēng)。西南方70km處-19m/s的負(fù)速度極值說明5km高度有強(qiáng)西南風(fēng);東東北方向130km處19m/s正速度極值說明在7.7km以上為SSW風(fēng)。另外,近雷達(dá)處的速度分布顯示出近地面為較弱的南風(fēng)。5陣風(fēng)鋒呈現(xiàn)的對(duì)流單體、回波特點(diǎn)中層徑向輻合(MidaltitudeRadialCovergence)位于MCS中層,高度在3～9km,是MCS后部下沉的干空氣和云體前部傾斜上升的暖濕氣流在中層的輻合,在雷達(dá)回波上表現(xiàn)為弓狀回波。圖6上圖是成熟的MCS的垂直剖面圖,黑色三角為雷達(dá)位置,白色線為雷達(dá)射線,黃色箭頭為上升暖濕氣流和下沉干冷空氣,黑色橢圓為中尺度徑向輻合區(qū)。下圖為MCS中的氣流,紅色箭頭為暖空氣入流,藍(lán)色箭頭為中空入流,氣流干冷下沉,近地面層的藍(lán)色箭頭為低空外流,黑色粗箭頭為風(fēng)暴移動(dòng)方向,上面黑色細(xì)箭頭所指為正在發(fā)展的風(fēng)暴單體,下面黑色細(xì)箭頭所指為冷暖空氣形成界面,也就是經(jīng)常說的陣風(fēng)鋒、密度流等。在本例中我們也發(fā)現(xiàn)了與圖6完全符合的中層徑向輻合和中層入流。12:12時(shí),從圖7右下圖可以看到2個(gè)對(duì)流單體,說明在對(duì)流單體的移動(dòng)方向上觸發(fā)了新對(duì)流單體的產(chǎn)生。在高度大約為2.5～7km之間有一強(qiáng)度達(dá)45～55dBZ的強(qiáng)回波區(qū),從圖7左圖看應(yīng)為中層徑向輻合區(qū),颮線就位于強(qiáng)回波的前下方。在地面至500m高度地方,沒有回波,這和雷達(dá)仰角有關(guān),距離雷達(dá)較遠(yuǎn)的地面很難測到回波。從速度垂直剖面圖可以更清楚地看到中層徑向輻合區(qū)(圖7左)。在高度低于1km的地方,距離雷達(dá)50～55km處有一明顯大速度區(qū),風(fēng)速達(dá)到19m/s,方向?yàn)殡x開雷達(dá),此處為地面陣風(fēng)鋒后部的干冷空氣出流。在同一高度,距離雷達(dá)約60km處也有一弱正速度區(qū),風(fēng)速僅為0～5m/s,方向?yàn)槌蚶走_(dá),為陣風(fēng)鋒前部的暖濕空氣入流。風(fēng)速梯度大,風(fēng)向突變,風(fēng)速輻合線距雷達(dá)約58km。在距離雷達(dá)20～40km處、高度為2.5～7km之間有大速度區(qū),從地面到此高度,不連續(xù)線呈后傾趨勢。不連續(xù)線的前方有一條寬度約10km的正速度區(qū),此處即為中層徑向輻合區(qū),與強(qiáng)度垂直剖面基本一致。6密度流模型陣風(fēng)鋒(1)從濟(jì)南單站的地面要素可以顯示出有颮線過境,過境時(shí)間為2004年4月17日上午11:30分左右,過濟(jì)陽時(shí)間為12:10,颮線移速約為每小時(shí)45～60km左右。過境處出現(xiàn)了風(fēng)向急轉(zhuǎn),風(fēng)速劇增,氣壓陡升,氣溫驟降的典型颮線現(xiàn)象,與Wakimoto1982年總結(jié)的陣風(fēng)鋒的模型吻合。(2)多普勒雷達(dá)速度和回波圖像反演出典型的密度流外流邊界陣風(fēng)鋒(颮線)的特征。強(qiáng)降水在雷達(dá)回波圖上表現(xiàn)為一條狹窄的弧狀強(qiáng)回波帶,強(qiáng)回波