東源站雷暴天氣近地面風(fēng)對放球的影響

李 茂,張鳳梅,秦榮顯,賴曉華

(1.廣東省連平縣氣象局,廣東 連平 517000;2.新疆維吾爾自治區(qū)民航新疆空中交通管理局氣象中心,新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

高空氣象探測資料是天氣預(yù)報、氣候預(yù)測預(yù)報和氣候變化研究的重要數(shù)據(jù)，在天氣預(yù)報和氣候監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。目前我國L波段雷達(dá)高空氣象探測系統(tǒng)是由GFE(L)1型二次測風(fēng)雷達(dá)(以下簡稱L波段雷達(dá))與GTS1型數(shù)字式電子探空儀(以下簡稱探空儀)組成[1-3]。此系統(tǒng)基本實現(xiàn)了探測數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和集成的自動化，提高了探測資料的質(zhì)量和精度，有效減少了錯情率和值班員的工作量。雖然L波段雷達(dá)實現(xiàn)了自動跟蹤，但在放球初期遭遇雷暴、大風(fēng)、大霧等特殊天氣時，雷達(dá)并不能完全實現(xiàn)自動跟蹤。其中雷暴天氣對高空探測構(gòu)成極大威脅，如大風(fēng)放球丟球、探空儀受雷擊未通過500 hPa、雷達(dá)被擊壞、氣球下沉等事故。本文以東源探空站6 a的觀測資料為基礎(chǔ)，將雷暴天氣東源站上空近地面層風(fēng)的變化特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，提出處理方法供其他臺站參考。

東源探空站地處廣東省中部，東江中上游，位于河源市東源縣縣城，23°48′N，114°44′E。東源縣地形北高南低，東西兩側(cè)多山，以丘陵為主，屬中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣溫高，濕度大，日照時間長，雨量充沛。東源探空站2007年建站，同年4月L波段雷達(dá)投入業(yè)務(wù)使用。東源站在過去6 a的常規(guī)探測中，經(jīng)歷了各種各樣的探測事件，其中雷達(dá)在近地面層丟球，是發(fā)生最多的探測事故。由于L波段雷達(dá)波瓣寬度(≤6°)窄，測角精度高，放球時段遭遇雷暴過境時近地面層瞬間風(fēng)速過大，或放球后上空風(fēng)向急轉(zhuǎn)，極易丟球或旁瓣抓球[4-5]。天線波瓣除了主瓣，還有旁瓣，目標(biāo)被主瓣定向叫真定向，而被旁瓣定向則叫假定向。假定向時，雷達(dá)的探測距離大大縮短，而且會發(fā)生非常大的測角誤差，此類現(xiàn)象一般出現(xiàn)在放球初期，如未及時校正，會導(dǎo)致整份測風(fēng)記錄失真。若丟球發(fā)生在冬季或晴好天氣的近地面層，可通過雷達(dá)攝像頭觀察或查看前一時次同高度的方位角、仰角預(yù)估氣球的氣行軌跡、或通過放球人員引導(dǎo)抓球等辦法可以快速找回目標(biāo)。即使在規(guī)范規(guī)定的2 min范圍內(nèi)無法準(zhǔn)確找回目標(biāo)，造成測風(fēng)缺測部分還可用小球補(bǔ)測來補(bǔ)齊近地面層風(fēng)資料[6-11]。但遭遇雷暴天氣丟球時，由于云層過低，能見度差，氣球凈舉力大，升速快，氣球施放后快速進(jìn)入云層，攝像頭根本無法觀察，人工引導(dǎo)無法實現(xiàn)，用經(jīng)緯儀補(bǔ)測更是難上加難，只能造成本次探測近地面層風(fēng)資料缺測。吳興洋等[12]探索了L波段探空雷達(dá)丟球?qū)Σ?劉清芳等[13]分析了高空探測丟球與假定向成因，但針對雷暴天氣的抓球問題涉及較少，本文對此探索，提出解決方法。

2 資料與方法

本文以東源探空站(2007—2012年)6 a的高空探測資料為基礎(chǔ)，提取觀測時段(07時、19時)內(nèi)測站受雷暴天氣控制的全部高空風(fēng)場資料，以及對應(yīng)的地面瞬間風(fēng)向風(fēng)速資料。首先將臺站受雷暴天氣控制時地面風(fēng)根據(jù)風(fēng)速大小，分為3個等級繪制出地面放球瞬間風(fēng)向玫瑰圖，作為判斷氣球施放后近地面層氣球的飛行軌跡參考。其次，以放球瞬間的3種地面風(fēng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行統(tǒng)計整理、計算分析并繪制出東源近地面層雷達(dá)仰角在波瓣±6°范圍內(nèi)(0°～12°、13°～25°、26°～38°、39°～51°、52°～64°、65°～77°、78°～90°、>90°)方位角的變化頻率圖。最后根據(jù)雷暴天氣時不同的地面風(fēng)，繪制出雷暴天氣二次追蹤目標(biāo)的扇掃圖(扇掃圖色調(diào)由深向淺分別表示目標(biāo)主要的追蹤區(qū)和次要的追蹤區(qū)，下同)。

3 雷暴天氣東源站地面風(fēng)的變化特征

雷暴是由旺盛積雨云所引起的伴有閃電、雷鳴和強(qiáng)陣雨的局地風(fēng)暴。高空探測時段內(nèi)東源探空站經(jīng)常遭遇雷暴，為了在雷暴天氣探測不丟球，本文從以下3方面進(jìn)行設(shè)計、分析、整理、統(tǒng)計和資料計算。

3.1 放球瞬間地面風(fēng)速f≤1 m/s為一類

放球時段觀測到滿天Cb云，且遠(yuǎn)處伴有閃電，結(jié)合本地多普勒雷達(dá)回波圖，判斷測站上空高空風(fēng)移動方向，若雷暴云正向測站上空移來，而且高空風(fēng)速較小，移動較慢，短時內(nèi)未到達(dá)測站，距測站還有一段距離，設(shè)計為一類。如圖1a：從6 a的雷暴天氣地面風(fēng)速f≤1 m/s時地面風(fēng)向玫瑰圖看出，雖然風(fēng)向呈現(xiàn)雜亂，但東北風(fēng)和西南風(fēng)兩個歷史極值點非常突出，是一類雷暴天氣地面風(fēng)向的變化特征之一。

圖1 雷暴天氣地面風(fēng)向玫瑰圖，(a):地面風(fēng)速f≤1 m/s,(b):地面風(fēng)速f≤2 m/s,(c):地面風(fēng)速f≤3 m/sFig.1 Ground wind direction rose map when thunderstorm weather,(a):f≤1 m/s,(b):f=2 m/s,(c):f≥3 m/s

當(dāng)在雷暴天氣放球時，探測環(huán)境剛好處于一類情形時，可運(yùn)用圖2的扇掃方法準(zhǔn)確追蹤目標(biāo)。圖2中顯示前5 min仰角普遍偏高，第1 min極值出現(xiàn)在71°±6°范圍，但未出現(xiàn)過頂數(shù)據(jù)；說明在一類情形中，放球瞬間極少存在快速過頂。第2、3 min仰角首掃范圍略降，但淺色線84°±6°的出現(xiàn)說明有部分仰角在繼續(xù)上升，處于過頂邊緣，扇掃時注意過頂掃描；第4、5 min極值保持在45°±6°線范圍，看似趨于穩(wěn)定，但第4 min出現(xiàn)了范圍很寬的雙重第二扇掃區(qū)域，而第5 min出現(xiàn)雙重首扇范圍的同時還伴有高仰角84±6°和低仰角19±6°的數(shù)據(jù)，扇掃時應(yīng)注意。雷暴天氣放球處于本文提出的第一類情形時，前5 min方位角除第1 min外(第1 min只有1個范圍225°～360°)，其余4 min均以360°線為中心線，以左右兩側(cè)22.5°為重點范圍，向兩側(cè)展開，而個別數(shù)據(jù)出現(xiàn)在270°以下偏南方向，最大處均未超過180°線。一類時方位角范圍較廣，扇掃時應(yīng)根據(jù)雷達(dá)實時數(shù)據(jù)增加或減小相應(yīng)的范圍。

圖2 雷暴天氣地面風(fēng)速f≤1 m/s時，高空前5 min仰角、方位角的變化頻率圖Fig.2 variation frequency of elevation and azimuth Angle in thunderstorm weather when ground wind speed f is no more than 1 m/s

3.2 放球瞬間地面風(fēng)速f=2 m/s為二類

放球時段觀測到滿天Cb云，測站四周仍有閃電，但雷暴云已移出測站上空，(雖測站已不受雷暴控制，但放球后氣球隨高空風(fēng)進(jìn)入雷暴區(qū))，地面風(fēng)速已經(jīng)減弱至f=2 m/s左右，設(shè)計為二類。如圖1b：從6 a的雷暴天氣地面風(fēng)速f=2 m/s時地面風(fēng)向玫瑰圖看出，相比一類時風(fēng)向較齊整，歷史極值只出現(xiàn)在180°，說明測站受二類雷暴天氣影響時地面吹南風(fēng)最多。

當(dāng)在雷暴天氣放球時，探測環(huán)境剛好處于二類情形時，可運(yùn)用圖3的扇掃方法準(zhǔn)確追蹤目標(biāo)。圖3中顯示仰角除第3 min首掃范圍在58°±6°線范圍外，其余各分鐘仰角極值均出現(xiàn)在45°±6°線范圍，第4、5 min出現(xiàn)了雙重首掃范圍，此外，84°±6°線和32°±6°線每分鐘都有數(shù)據(jù)出現(xiàn)，扇掃時在首掃線沒有找到目標(biāo)時，高仰角和低仰角應(yīng)注意。

圖3 雷暴天氣地面風(fēng)速f=2 m/s時，高空前5 min仰角、方位角的變化頻率圖Fig.3 variation frequency of elevation Angle and azimuth Angle in thunderstorm weather when ground wind speed f=2 m/s is unprecedented for 5 minutes

其次，方位角除第1 min極值線以360°線為中心線外，其余4 min均以23°線為中心線，向兩側(cè)展開，且兩側(cè)范圍相比一類時明顯變窄，中心線也相對突出，此外，在270°以下數(shù)據(jù)有明顯增加，扇掃時根據(jù)雷達(dá)實時數(shù)據(jù)加強(qiáng)對270°以下至偏南方位的掃描。

3.3 放球瞬間地面風(fēng)速f≥3 m/s為三類

當(dāng)放球時段滿天Cb云，雷暴云正處于測站上空或臺風(fēng)過境，風(fēng)力強(qiáng)勁，電閃雷鳴，地風(fēng)風(fēng)速f≥3 m/s時設(shè)計為三類。如圖1c：從6 a的雷暴天氣地面風(fēng)速f≥3 m/s時地面風(fēng)向玫瑰圖看出，三類時地面風(fēng)向處在180°～203°、360°～68°兩個范圍，表現(xiàn)非常齊整，歷史極值出現(xiàn)在203°～180°之間，說明三類雷暴天氣時地面吹南風(fēng)和偏南風(fēng)最多。

3.3.1 當(dāng)在雷暴天氣放球時，探測環(huán)境剛好處于三類情形時，可運(yùn)用圖4的扇掃方法準(zhǔn)確追蹤目標(biāo)。圖4中顯示仰角前5 min均以32°±6°線和45°±6°線為主，從圖中看出，三類時這兩條線不是雙重出現(xiàn)在首掃范圍，就是占據(jù)主、次掃描線，充分說明低仰角是三類的重要特征。三類時前期仰角偏低，后期緩慢回升，第4、5 min出現(xiàn)84°±6°線數(shù)據(jù)，此外，低仰角線19°±6°數(shù)據(jù)貫穿每分鐘，并未發(fā)現(xiàn)有超低仰角數(shù)據(jù)。三類初期仰角范圍較窄，盡量利用第1、2 min抓球。

方位以北為主，西南為輔，兩側(cè)范圍極窄，北線以23°為中心線，西南線沒有突出中心點，但數(shù)據(jù)較多，扇掃時仰角以45°±6°為主，方位以北線為主，觀察雷達(dá)實時數(shù)據(jù)，若在北線未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，應(yīng)迅速轉(zhuǎn)動雷達(dá)180°置于西南線掃描。

3.3.2 在試驗和常規(guī)探測中發(fā)現(xiàn)如雷暴天氣地面風(fēng)速f>8 m/s以上時，仰角扇掃線需在圖4中的首掃線上降低10°再進(jìn)行定位。

3.3.3 在試驗和常規(guī)探測中發(fā)現(xiàn)如雷暴天氣地面風(fēng)速f>12 m/s以上時需要在圖4中的首掃線上降低15°再進(jìn)行定位，如圖4中19°±6°線基本是地面風(fēng)速f>8 m/s以上的資料。

圖4 雷暴天氣地面風(fēng)速f≥3 m/s時，高空前5 min仰角、方位角的變化頻率圖Fig.4 variation frequency of elevation Angle and azimuth Angle in thunderstorm weather when ground wind speed f=3 m/s is unprecedented for 5 minutes

4 比對測試和常規(guī)探測試驗的部分資料

該扇掃圖表生成后，在常規(guī)探測時段對成果進(jìn)行了比對測試和常規(guī)探測試驗。圖5～圖7為比對測試部分資料，圖8～圖13為常規(guī)探測部分試驗資料。

4.1 比對測試

4.1.1 根據(jù)圖7的測風(fēng)原始數(shù)據(jù)繪制出放球瞬間風(fēng)向在圖表中歷史風(fēng)向玫瑰圖中的位置(圖8)，比對結(jié)果顯示二類時地面風(fēng)向并未處于歷史極值處，但并未偏離范圍，比對結(jié)果合格。

4.1.2 繪制出高空前5 min氣球的飛行軌跡(圖6)，比對結(jié)果顯示二類時第1 min方位角完全符合地面風(fēng)的去向方位，其軌跡也符合東源夏秋季吹西南風(fēng)的特征，氣球隨高空風(fēng)逐漸向西偏移。

4.1.3 繪制前5 min雷達(dá)扇掃圖(圖7)，比對結(jié)果顯示二類時前3 min仰角均處于淺色掃描線內(nèi)，第4、5 min處于次線掃描線內(nèi)。說明在一類、二類時，由于地面風(fēng)速較小，近地面層高仰角可能并不在手冊首掃線范圍內(nèi)，需根據(jù)雷達(dá)實時數(shù)據(jù)做適量調(diào)整，轉(zhuǎn)入第二、第三淺色掃描線，準(zhǔn)確追蹤到目標(biāo)；比對顯示二類時方位角均在圖表扇掃范圍內(nèi)，比對結(jié)果良好；三類時由于近地面層風(fēng)速較大，圖表的準(zhǔn)確度較好。

圖5 2016年10月1日19時測風(fēng)原始數(shù)據(jù)Fig.5 original wind measurement data at 19∶00 on October 1st, 2016

圖6 2016年10月1日19時地面風(fēng)向在f=2 m/s時地面風(fēng)向玫瑰圖中的位置及前5 min氣球飛行軌跡Fig.6 the position of ground wind direction at time 19 on October 1, 2016 when f=2 m/s And the first five minutes of balloon flight

經(jīng)過論證，結(jié)果表明吻合性較好，說明圖表對雷暴天氣丟球后重新找回目標(biāo)有重要的輔助作用。

4.2 常規(guī)探測試驗：如圖8～圖13

4.2.1 2013年9月22日臺風(fēng)“天兔”登陸，東源站放球瞬間風(fēng)速19 m/s，風(fēng)向在23°左右，由于地面仰角過低，雷達(dá)無法正常跟蹤，采用過頂放球法，只能使用盲抓。

根據(jù)三類扇掃圖，由于瞬間風(fēng)速過大，此時只能使用第三類中2.3.3的扇掃方法。在仰角首掃線(32°±6°線)的基礎(chǔ)上減去15°，將16°線設(shè)為氣球飛升后第1 min的中心線，方位角在地面風(fēng)向的反方向(202°)為氣球飛升后第1 min的中心線，繪制出預(yù)測氣球飛行軌跡圖(圖10)。

準(zhǔn)備就緒后，放球前將雷達(dá)直接置于仰角16°、方位202°，等待氣球的到來(如圖9)，放球后38 s時發(fā)現(xiàn)雷達(dá)亮線較好，頻率較小，馬上點擊自動跟蹤和扇掃功能，在54 s成功鎖定目標(biāo)(如圖9)。

4.2.2 為了進(jìn)一步檢驗此類方法追蹤目標(biāo)的穩(wěn)定性，在常規(guī)探測中多次進(jìn)行測試。如：2016年7月6日19時雷暴天氣常規(guī)探測，放球瞬間地面風(fēng)速為4 m/s，方位角158°，此時測站正好處于雷暴區(qū)，由于放球點過低，風(fēng)速大，無法正常施放，采用過頂放球法。根據(jù)圖表三類扇掃圖，氣球施放后，將雷達(dá)轉(zhuǎn)向32°扇掃格內(nèi)，預(yù)測以24°線為基準(zhǔn)點，方位角在地面風(fēng)向的反方向以330°左右為中心線，繪制出預(yù)測氣球飛行軌跡圖(圖13)。(圖12)放球后1 min內(nèi)的秒數(shù)據(jù)顯示，19 s時雷達(dá)已處于預(yù)測的方位及仰角點，但亮線顯示不夠整齊，測距凹口不明顯，緩慢轉(zhuǎn)動方位角，在36 s時四條亮線明顯好轉(zhuǎn)，馬上轉(zhuǎn)入雷達(dá)自動跟蹤，并迅速使用雷達(dá)扇掃功能，40 s后目標(biāo)成功鎖定，雷達(dá)跟蹤正常。

圖7 2016年10月1日19時前5 min高空風(fēng)的變化特征Fig.7 variation characteristics of upper-air wind in the first five minutes before 19∶00 on October 1, 2016

圖8 2013年9月22日20時測風(fēng)原始數(shù)據(jù)(放球前5 min秒數(shù)據(jù))Fig.8 original wind measurement data at 20 hours on September 22, 2013 (data 5 minutes and seconds before ball release)

圖9 2013年9月22日20時測風(fēng)原始數(shù)據(jù)(放球后第1 min秒數(shù)據(jù))Fig.9 original wind measurement data at 20on September 22, 2013 (data in the first minute and second after ball release)

圖10 2013年9月22日20時氣球?qū)嶋H飛行軌跡與放球前預(yù)測飛行軌跡Fig.10 The actual flight path of the balloon and the predicted flight path before the balloon release at 20 o 'clock on September 22, 2013

5 小結(jié)

①通過分析，雷暴天氣地面風(fēng)向在風(fēng)速f<3 m/s以下(一、二類)時，歷史地面風(fēng)向變化不規(guī)律，相應(yīng)近地面層風(fēng)場變化與圖表扇掃圖對比有稍許差異，仰角或偏高或偏低歷史極值扇掃線一格，但均未超出次格扇掃線，在允許范圍內(nèi)，方位相對準(zhǔn)確。

②通過分析，雷暴天氣地面風(fēng)向在風(fēng)速f≥3 m/s(三類)時，地面風(fēng)向穩(wěn)定，均在兩個歷史極值范圍內(nèi)，近地面層高空風(fēng)場相對穩(wěn)定，方位角、仰角均在手冊第一扇掃線內(nèi)，與圖表吻合性較好。

③通過對比測試和實際應(yīng)用試驗，結(jié)果顯示f<3 m/s以下時，近地面層仰角有差異，方位角基本吻合歷史扇掃線；當(dāng)f≥3 m/s時，近地面層仰角、方位角均表現(xiàn)良好；在試驗中還發(fā)現(xiàn)如雷暴天氣地面風(fēng)在風(fēng)速f>8 m/s以上時，仰角扇掃線需在歷史首掃線上降低10°再定位，風(fēng)速f>12 m/s以上時需要在歷史首掃線上降低15°再定位，比較容易追蹤到目標(biāo)。

圖11 2016年7月6日19時測風(fēng)原始數(shù)據(jù)(放球前5 min秒數(shù)據(jù))Fig.11 original wind measurement data at time 19, 07/06, 2016 (data 5 minutes and seconds before ball release)

圖12 2016年7月6日19時測風(fēng)原始數(shù)據(jù)(放球后第1 min秒數(shù)據(jù))Fig.12 original wind measurement data at time 19, 07/06, 2016 (data in the first minute and second after ball release)

圖13 2016年7月6日19時氣球?qū)嶋H飛行軌跡與放球前預(yù)測飛行軌跡Fig.13 The actual flight path of the balloon and the predicted flight path before the balloon release at 19∶00, 07/06, 2016