应用气象学报  2007, 18 (3): 306-313   PDF    
引用本文
袁野, 杨光, 胡雯, 曾光平. 利用双多普勒雷达分析对流云垂直运动结构试验[J]. 应用气象学报, 2007, 18(3): 306-313.
Yuan Ye, Yang Guang, Hu Wen, Zeng Guangping. The Upright Motion Structure in Convection Cloud by Dual-Doppler Radar[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2007, 18(3): 306-313  
利用双多普勒雷达分析对流云垂直运动结构试验
袁野1, 杨光1, 胡雯2, 曾光平2     
1. 安徽省人工影响天气办公室, 合肥 230061;
2. 安徽省气象局, 合肥 230061
2006-02-10 收到, 2007-01-26 收到修改稿.
资助项目: 安徽省“十五”重点项目“安徽省空中云水资源开发利用工程”、中国气象局2005年气象新技术推广项目“基于新一代天气雷达的省级人影业务系统”(CMATG2005M34) 和安徽省气象局科技带头人项目“对流云人工增雨试验研究”(KD200510) 共同资助    
摘要: 对流云是我国南方地区主要的降水云系, 含有丰富的云水资源, 是南方人工增雨作业的主要对象。为了研究江淮地区对流云发生发展规律, 利用双多普勒雷达反演技术分析了发生在2004年7月31日的一块对流云不同发展阶段的垂直运动结构。对流云在发展阶段以上升气流为主, 底层辐合明显, 结构紧密; 成熟阶段的上升与下沉气流势力相当, 且比发展阶段强盛, 强回波位置下移, 结构较发展阶段松散; 减弱阶段上升和下沉速度均减小, 水平辐散增强。结果表明:反演的不同阶段对流云垂直运动结构合理, 可以利用双多普勒雷达反演技术进行对流云三维运动结构研究。
关键词: 双多普勒雷达    对流云    垂直运动结构    
The Upright Motion Structure in Convection Cloud by Dual-Doppler Radar
Yuan Ye1, Yang Guang1, Hu Wen2, Zeng Guangping2     
1. Anhui Weather Modification Office, Hefei 230061;
2. Anhui Provincial Meteorological Bureau, Hefei 230061
Abstract: The convection cloud is the main precipitation system in south China, having abundant water resource. And it is the main modification object in south China too. A convective cloud development is closely correlated with the structure of the upright wind field, but it is hardly observed directly for the equipment limit. With the quick development in multiple Doppler radar synchronously observation and retrieved technique of the wind field, analysis is possible in the upright wind structure by dual-Doppler radar. The dual-Doppler radar data are retrieved for the upright wind structure analysis in such three different phases as the development, the intensification and the decaying in a convection cloud on July 31, 2004. In the development stage, a whole secondary circulation is found in 5—10 km height, and its center is at about 8 km height. In this phase, the updraft is more than downdraught obviously. All current is updraft under the secondary circulation, at about 5 km height. The convergence area on the VCS of Hefei Doppler radar is under 6 km height, the area of retrieved updraft. The transformation area from convergence to divergence is about 6—9 km height, which corresponds with the secondary circulation. In this phase, the heavy echo concentrates near the secondary circulation, and the heaviest echo at about 5—8 km height is underside of the center of the secondary circulation. In this phase, the echo dimension is small, about 10 km in longitude direction and 20 km in latitude direction. In the intense stage, the secondary circulation is strong. Its location is at 4—10 km height, near the center of cloud. The downdraught is almost under the secondary circulation and the updraft is above the secondary circulation. In this phase, the velocity of downdraught and updraft are bigger than the development stage, and their values are almost equal which is different from the dominant updraft in the development stage. The convergence area on VCS of Hefei Doppler radar is still at the bottom, and the wind tow ards Hefei radar is in higher layer corresponding with the retrieved result. In this phase, the heavy echo area is near the lower cloud and the heaviest echo is about 3 km height under the secondary circulation. The area of echo is obviously bigger than the development stage, about 30 km in longitude direction and 30 km in latitude direction. In the decaying stage, the secondary circulation has disappeared, that means the convection in cloud has become weak. The velocities of downdraught and updraft are both slow, and the strong out-flux is in the east and the north of the cloud top. The horizontal velocity is faster than in the intense stage but the upright velocity is slower than in the intense's. At this time, the horizontal radiation in cloud is increased. The wind direction on VCS of Hefei Doppler radar is toward the radar station in lower layer and outward in higher layer. And the observation and the retrieved result are similar. The echo in this phase is obviously weaker than in the development stage and in the intense stage. The heavy echo area is near the lower cloud, and the dimension of echo area is bigger than in the intense stage, about 50 km in longitude direction and 40 km in latitude direction. Result shows that it is possible and workable on the structure analysis in wind upright fields by dual-Doppler radar.
Key words: dual-Doppler radar     convection cloud     upright motion structure    
引言

对流云是我国南方地区主要的降水云系, 含有丰富的云水资源, 是南方人工增雨作业的主要对象[1-3], 同时发展剧烈的对流云又可以产生冰雹等强对流天气[4-5], 给人民生活和农业生产带来危害。为了研究对流云垂直运动结构, 国内科学家利用单多普勒天气雷达反演云的风场[6-8], 取得了许多研究成果。从20世纪60年代以来, 随着双或三或多部多普勒天气雷达联合探测大气风场技术的发展[9-12], 国内科学家开始利用双多普勒天气雷达研究云和降水结构, 2001年开始的973“中国暴雨试验研究”项目在长江中游和下游地区开展的外场试验, 分别在合肥、马鞍山和宜昌、荆州设置了两个双多普勒雷达观测系统, 对双多普勒探测大气风场及反演计算方法有了进一步的推动。张沛源等[13]从双多普勒天气雷达风场探测原理和多普勒天气雷达数据处理技术出发, 分析了影响双多普勒天气雷达风场反演可靠性的内在因素, 提出了一些解决方法; 刘黎平等[14]提出了用双多普勒雷达观测资料进行回波强度、径向速度和方位定位的质量控制方法, 以及利用概率分布法订正配对的双多普勒雷达回波强度的方法; 刘黎平[15]利用双多普勒雷达资料, 分析了一次切变线降水过程三维风场的中尺度结构, 并与回波强度和天气图进行了比较, 得出反演的云边缘的风场方向与降水的环境风场基本一致的结论; 2004年刘黎平等[16-17]利用外场试验资料, 采用双多普勒雷达技术和径向速度场分析方法, 分析了长江流域暴雨过程的回波和风场中尺度结构及其演变过程; 庄薇等[18]分析了双多普勒雷达风场反演方法和资料的可靠性, 研究了发生在乌鲁木齐和五家渠的一次强对流性降水的回波和风场中尺度结构及演变过程, 认为用双多普勒雷达观测得到对流系统的内部风场有利于了解对流系统的内部动力过程。

为了研究江淮地区对流云发生发展规律和对流云人工增雨作业技术, 2003年开始, 安徽省气象局在合肥、马鞍山双多普勒雷达覆盖区内开展了“对流云人工增雨外场试验”。本文利用外场试验中的双多普勒雷达观测资料, 分析了2004年7月31日东北低涡形势下一个对流云在不同发展阶段的垂直风场结构, 认为双多普勒雷达反演的对流云垂直运动结构是合理的。

1 反演方法

对对流云垂直运动作较合理的探测最好使用风廓线雷达等垂直指向雷达, 或者利用RHI扫描资料反演也可获得较细微的探测, 但是由于设备等条件限制, 往往很难实现直接观测, 随着双部、三部或多部多普勒天气雷达联合探测大气风场技术和反演计算方法的快速发展, 使得利用双多普勒雷达观测资料反演云中垂直运动成为可能。

双多普勒雷达最理想的观测模式是同时观测得到同一散射体的两个径向速度, 并以最快的速度完成体积扫描, 这样才能保证两部雷达所观测到的数据代表同一个目标场。比较理想的观测方法是共面观测, 即两部雷达同时在不同角度通过两个雷达的平面内进行观测, 以获取降水系统的三维风场结构资料, 这样可以最大限度地减少时间差造成的反演误差, 但这非常困难, 雷达必须同时改变方位和仰角, 以保证雷达的扫描线在一个平面上, 目前, 我国新一代天气雷达系统还没有这种功能。所以, 本研究采取尽量减少时间差的方法, 选择两部雷达观测时间最接近的体扫资料, 尽量减少时间差对反演结果造成的影响。

由于共面法的计算求解相当复杂, 采用双线性差值方法来处理两部雷达的体扫数据。对于空间任意网格点的物理量s, 它的值由其上下两层体扫平面的观测值差值得到。首先, 做通过此点的垂直线与上下两层雷达体扫平面相交于两点s1和s2。再分别通过s1和s2做其相邻径向的垂直线, 再由每个径向上垂点前后2个观测值差值得出结果。即s点的值是由上下两层体扫, 4个径向, 一共8个观测值通过3次线性差值得到。

对于空间任意点, 有两部雷达观测到的径向速度v1和v2。这样, 在双多普勒雷达共同覆盖区的格点上就有两个雷达同步观测的径向速度和回波强度4个量。

采用了迭代方法计算三维风场。首先, 假设垂直速度对径向速度的贡献为零, 然后利用下式计算水平风场U和V的第一估值[6]:

(1)
(2)
(3)
(4)

式 (1)~(4) 中, X, Y, Z为反演风场的位置坐标, (X01, Y01, Z01), (X02, Y02, Z02) 分别为笛卡儿坐标系中两部多普勒雷达天线的坐标。Vr1, Vr2分别为两部雷达探测的该点在这两个方向的径向速度。Vt为降水粒子的下落速度, 它可以利用雷达回波强度进行估测:

(5)

这样利用质量连续方程计算垂直速度的第一估值:

(6)
(7)

式 (6)~(7) 中, u, v, w分别为x, y, z方向上的速度, ρ为空气密度。

得到w的第一估值后, 使用迭代方法, 将w的值代入上面的方法重新计算u, v, w, 通过若干次迭代, 直到满足精度得到最后的三维风场结果。

在本文双多普勒雷达观测系统中, 合肥为WSR-98D型S波段多普勒雷达, 马鞍山为3830型C波段多普勒雷达, 两部雷达相距119 km。按照文献[15]方法, 首先进行双多普勒雷达资料的质量控制, 包括格式的同化, 差值坐标系的选择, 回波强度、径向速度、回波位置等的对比和修正, 资料的回波强度和方位的调整等。然后将以球坐标方式表示的多普勒雷达的原始资料 (回波强度和径向速度) 用文献[15]所述的方法插值到水平格距为1 km, 垂直格距为0.5 km的直角坐标上, 再根据两部雷达的同步观测时间进行资料的配对, 选取时间最接近的对应资料, 代入反演公式进行迭代计算, 最后以图形方式显示反演结果。

2 垂直运动结构分析

利用双多普勒雷达反演方法, 以2004年7月31日双多普勒雷达覆盖区内的一个对流云为例, 分析对流云在发展、成熟、减弱3个不同阶段垂直运动结构。

由于插值后水平分辨率和垂直分辨率均大于原始观测资料的分辨率, 插值平滑作用使反演结果不能完全反映对流云结构的真实情况, 但其结构分布和演变趋势还是合理的, 可以对对流云垂直运动有所了解。

表 1列出所选对流云部分时刻插值前后, 云中最大强度、最大正负速度的演变情况, 其中合肥雷达插值前选取的仰角为0.5°, 马鞍山雷达插值前选取的仰角为1.5°, 此时云体在合肥、马鞍山雷达PPI上高度均约为2000 m左右; 插值后两部雷达均选取2000 m高度上的值。在最大速度一栏同时给出最大的正速度和负速度 (如:14:50(北京时, 下同) 马鞍山插值前最大速度为19/-20, 表明此时马鞍山雷达1.5°仰角上该云体中最大正速度为19 m/s, 最大负速度为-20 m/s)。

表 1 合肥、马鞍山雷达插值前后强度和速度对应表 Table 1 Hefei and Maanshan radar intensity and velocity retrieved contrast

从表 1可以看出合肥、马鞍山雷达资料插值前后最大强度和最大速度对应的均比较好, 其演变趋势基本一致。合肥与马鞍山两部雷达在强度上对应较好, 具有较好的一致性, 但两者的速度相差较大, 这是由于云体位于两部雷达的相对位置不同造成的, 对流云位于合肥雷达的东北70°方向附近, 位于马鞍山雷达西北350°方向附近, 两个方向夹角接近90°, 所以两部雷达径向速度基本垂直, 故相差较大。

2.1 天气形势和对流云发展过程

2004年7月31日08:00 500 hPa形势图上 (图略), 我国东北地区为一低涡, 东北经华北、河套到四川盆地为一低槽, 长江中下游地区受副热带高压控制, 2004年第10号强热带风暴位于日本岛附近。随着强热带风暴北行和北方冷空气扩散南下, 控制长江中下游地区的副热带高压减弱, 冷暖空气交汇, 在华北南部到长江中上游地区形成一条东北—西南向的雨带, 同时在安徽东部地区激发产生对流, 生成对流云。

彩图 1给出所选取对流云在不同发展阶段合肥雷达2.4°仰角反射率因子图, 此时对流云回波对应高度约为5600 m。彩图 1中标注的回波即为所选取的对流云回波, 它距离合肥雷达120 km, 距离马鞍山雷达65 km, 稳定少动。对流云初始回波出现在14:00的0.5°仰角反射率因子图上, 强度为5 dBz。14:06对流云回波在合肥雷达2.4°仰角出现 (彩图 1a), 最大回波强度15 dBz, 最大回波顶高6.5 km; 随后, 对流云不断发展, 14:16最大回波强度达到50 dBz, 最大回波顶高8 km; 14:38最大回波强度达到55 dBz, 最大回波顶高10 km, 强回波区位于3~6 km之间, 2.4°仰角图上对流云面积173 km2, 30dBz以上面积85 km2, 50 dBz以上面积13 km2; 14:44对流云最大顶高迅速达到17 km, 此时50 dBz回波高度达到10 km; 14:50对流云最大回波强度达到60 dBz, 50 dBz回波高度达到12 km, 60 dBz回波区集中在3~8 km的高度上; 15:06对流云在2.4°仰角图上30 dBz以上面积达到329 km2, 50 dBz以上面积达到84 km2; 15:11对流云在2.4°仰角图上回波面积达到493 km2, 此时最大回波强度再次达到60 dBz, 最大回波顶高为13 km; 此后, 对流云逐渐减弱, 至15:28, 在2.4°仰角图上对流云再次出现50 dBz回波, 此时最大回波顶高为14 km, 回波面积为466 km2; 15:51在2.4°仰角图上出现30 dBz回波, 回波面积为374 km2, 最大回波顶高仍然在12 km; 至16:35对流云完全消亡。

图 1. 2004年7月31日合肥多普勒雷达2.4°仰角反射率因子图 （每个距离图相距55km）(a)14:06, (b)14:50, (c)15:06, (d)15:28 Fig 1. Refectivity of Hefei doppler radar with 2.4° elavation on July 31, 2004 (each distance circle is 55km)(a)14:06, (b)14:50, (c)15:06, (d)15:28

分别选取发展、成熟和减弱阶段的14:50(彩图 1b), 15:06(彩图 1c) 和15:28(彩图 1d)3个时次双多普勒雷达资料反演风场, 分析不同阶段的对流云垂直运动结构特征。

2.2 垂直运动结构分析 2.2.1 发展阶段

14:50对流云处于发展阶段, 此时回波最大强度达到60 dBz, 回波最大高度达到17 km, 在0.5°仰角径向速度图上 (图略), 云内存在径向速度辐合, 最大正速度区位于最大负速度区的西部, 最大正负速度差为10 m/s (见表 1)。彩图 2是利用双多普勒雷达反演的14:50所选对流云的双多普勒雷达反演图 (略去了10 dBz以下的回波, 下同)。从彩图 2a上可以看出, 在5~10 km高度处对流云发展阶段有一个完整的次级环流, 中心位于8 km高度附近。对流云的南侧 (彩图 2a) 和东侧 (彩图 2b) 有入流进入, 出流在云体上部的东侧 (彩图 2b)。这一时刻的上升气流明显多于下沉气流, 而且东侧的上升气流速度较大, 出流速度大于入流速度, 次级环流位置以下的区域, 即5 km以下全部为上升气流 (彩图 2b)。在彩图 2c中可以看出对流云内有南北风的辐合, 云体的东部和南部有气流进入, 风向围绕云体作气旋性旋转。

图 2. 2004年7月31日14:50发展阶段对流云合肥、马鞍山双多普勒雷达回波反演图 （a）合肥以东110km处南北向剖面，（b）合肥以北40km处东西向剖面，（c）2km高度处水平剖面图 Fig 2. The retrieved wind field in the develoment stage at 14:50 on July 31, 2004 (a) north-south section at 110 km east to Hefei, (b) east-west section at 40 km north to Hefei, (c) level image at 2 km height

从回波强度上看, 强回波区主要集中在次级环流附近, 位于次级环流中心的下部, 即5~8 km高度上 (彩图 2a)。此时的回波面积较小, 南北约10 km, 东西约20 km。

为了对比双多普勒雷达反演的可靠性, 对合肥多普勒雷达14:50径向速度场过雷达站向69°方向做垂直剖面 (图略), 可以看出对流云的径向速度辐合区位于6 km高度以下, 与彩图 2中的上升气流区域位置相对应; 6~9 km高度是径向速度从辐合向辐散转变的区域, 与彩图 2中次级环流的位置相对应。

在对流云的发展阶段 (彩图 2), 底层为辐合区, 云内垂直速度主要表现为上升速度, 出流在云体的上部, 而且速度比入流速度大, 强回波位于云体的中部, 这些特征均符合文献[19]中的对流云发展阶段的描述, 可见双多普勒雷达反演出的对流云发展阶段垂直运动结构是合理的。

2.2.2 成熟阶段

15:06对流云处于成熟阶段, 最大回波强度达到60 dBz, 回波顶高为16 km, 在0.5°仰角径向速度图上 (图略), 最大负速度为-5 m/s, 最大正速度为1 m/s, 水平辐合明显减弱。彩图 3给出此时的对流云双多普勒雷达回波反演图。从彩图 3可以看出, 此时的次级环流得到加强, 位置在4~10 km高度上, 位于云体的中部, 次级环流以下变为以下沉气流为主, 次级环流以上仍然以上升气流为主, 在云顶也有下沉气流进入云体。此时上升和下沉速度与发展阶段相比均明显增强, 而且此时的下沉气流与上升气流基本相当, 已经与发展阶段的以上升气流为主明显不同。此时的强回波区主要集中在云体的中下部, 重心明显下移, 最大回波区位于3 km高度上, 在次级环流以下。此时的回波面积比发展阶段明显增大, 南北约30 km, 东西约30 km。在彩图 3c上云中水平风向基本为东南风, 在云体的西南部为有弱的辐合存在。此时过合肥雷达站向68°方向做的径向速度垂直剖面图 (图略) 上, 底层辐合仍然存在, 但已经明显减弱, 高层为一致的负速度。

图 3. 2004年7月31日15:06成熟阶段对流云合肥、马鞍山双多普勒雷达回波反演图 （其他说明同图 2） Fig 3. Same as in Fig. 2, but for the mature stage at 15:06

在对流云的成熟阶段, 因降水物拖曳作用, 强回波重心下移, 云中的下沉气流明显增强, 与上升气流基本相当, 上升和下沉速度也比发展阶段有明显增强, 云体的下部以下沉气流为主, 上部仍然维持较强的上升气流, 这些特征均符合文献[19]的描述。与发展阶段相比, 成熟阶段的对流云, 云中的下沉气流明显增强, 底层的辐合明显减弱, 云的顶部有下沉气流进入, 最大强回波区移至次级环流的下方。

2.2.3 减弱阶段

15:28对流云发展进入减弱阶段, 此时最大回波强度为50 dBz, 回波顶高14 km, 在0.5°仰角径向速度图上 (图略), 最大负速度为-3 m/s, 最大正速度为7 m/s, 呈水平辐散。彩图 4给出此时的对流云双多普勒雷达回波反演图。从彩图 4中可以看出, 发展阶段和成熟阶段存在的次级环流已经消失, 说明此时云中的对流已经减弱, 除了云顶有大于5 m/s的上升速度外, 其他部位的上升和下沉速度均很小。在云顶的东侧和北侧有较强的出流。在彩图 4c上云中部水平风向基本为偏南风, 在云体外围以偏北风为主, 风向围绕云体作反气旋性旋转。

图 4. 2004年7月31日15:28减弱阶段对流云合肥、马鞍山双多普勒雷达回波反演图 （其他说明同图 2） Fig 4. Same as in Fig. 2, but for the decaying stage at 15:28

此时的回波强度与发展和成熟阶段相比明显减弱, 而且较强回波区位于云体的下部。回波面积比成熟阶段有所增大, 南北约50 km, 东西约40 km。

15:28过合肥雷达站向68°方向的径向速度速度垂直剖面图 (图略), 此时底层为一致的正速度, 高层为一致的负速度, 但是其速度值却要比成熟阶段的要大一些, 而此时垂直速度 (彩图 4) 比成熟阶段 (彩图 3) 要小, 说明此时云中的水平速度增大, 辐散增强。

3 结论与讨论

本文利用合肥、马鞍山双多普勒雷达观测资料, 对2004年7月31日东北低涡形势下出现在安徽东部地区的一个对流云垂直运动结构进行了分析, 并与合肥多普勒雷达的径向速度垂直剖面进行了对比。结果表明:对流云的发展阶段主要为上升气流, 底层有明显的辐合, 出流在云体的上部, 而且速度比入流速度大, 强回波位于云体的中部, 云体结构紧密, 回波范围较小; 在成熟阶段, 上升气流与下沉气流共存, 且势力相当, 均比发展阶段强盛, 云体的下部基本为下沉气流, 上部仍然维持较强的上升气流, 有下沉气流进入, 强回波区位置下移, 位于云的中下部, 结构比发展阶段松散, 回波面积增大; 对流云发展至减弱阶段, 对流减弱, 上升和下沉速度均减小, 但在云顶仍有较强的出流, 此时的回波强度与发展和成熟阶段相比明显减弱, 而且较强回波区位于云体的下部, 回波面积与成熟阶段相比进一步增大。

从本文结果来看, 利用双多普勒雷达反演对流云垂直运动, 其结果合理, 利用双部或多部多普勒雷达观测系统进行对流云三维运动结构研究, 弥补观测手段的不足是可行的。

致谢 本研究中双多普勒雷达反演计算方法及软件设计得到中国气象科学研究院刘黎平研究员的指导, 在此表示感谢!
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