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通过前文对测风激光雷达的分析研究可以看到,利用测风激光雷达的综合探测模式可以有效监测,并提前判断出动量下传大风的发生和发展。在DBS产品(见图 3)13:33以后低层出现强下沉气流柱并接地,在这一下沉气流柱中,13:53的1500 m~2100 m的大风区与下沉气流相配合,其中1500 m高度的风速为16.8 m/s,下降气流速率为0.68 m/s,通过计算可知, 在37 min后的14:30地面将出现大风天气,这与实际大风出现的14:20误差仅有10 min,因此利用这一方法可以提前30 min较为精准地预报出地面动量下传大风的出现时间。
那是否还有其它的预报方法,可以更早地预报出动量下传大风的发生时间呢?分析2022-03-06T08:00银川机场的温度对数压力图(见图 7a),图中LCL(lifting condensation level)为抬升凝结高度,在850 hPa有逆温层存在,在逆温层以下垂直方向以西南风为主,风速在4 m/s,在850 hPa~500 hPa则以西北风为主,风速在14 m/s~18 m/s,逆温层阻碍了中高层与低层的能量交换,在14:00(见图 7b)的温度对数压力图上可以看到,逆温层破坏,850 hPa至近地面风向都转为西北风,低层风速增大,风速增至12 m/s~18 m/s,动量下传到地面。在这个过程中,逆温层相当于阻挡层,它将低层和对流上层分开,阻碍对流的发展,有利于静力能的积累。只有当逆温层破坏,中高层的动力才能传递到低层,因此逆温层的破坏时间是预报地面出现动量下传大风的重要指标,通过计算逆温层的破坏时间来与实况进行对比,验证两者是否相符。
图 7 银川机场2022-03-06不同时刻温度对数压力图
Figure 7. Temperature logarithmic pressure diagram of Yinchuan Airportat different time on 2022-03-06
逆温层破坏时间的预报原理: 逆温层可因地面加热或抬升作用而破坏,因此根据对流温度的原理,即沿经过对流凝结高度的干绝热线下降到地面所对应的温度,当地面加热使气温能超过对流温度,则有热对流的可能。同理沿从逆温层顶高度的干绝热线下降到地面所对应的温度计为T1,当地面加热使气温能超过T1时,则逆温层破坏,因此只需要预报T1出现时间即为逆温层破坏时间。T1的计算公式如下:
$ T_1=T+r_{\mathrm{d}}\left(H_1-H_0\right) $
(1) 式中,T为逆温层顶的温度,rd为干绝热递减率,H1是逆温层顶高度,H0机场的标高。将当日08:00的温度对数压力图上的数据代入以上公式可得T1=14 ℃,表明当地面温度增温到14 ℃以上时,逆温层会破坏。通过表 1利用银川机场自动观测系统采集的风场和温度数据可以看到,在当日早间08:55, 机场气温为7.7 ℃,风速7.2 m/s,西南风为主,到13:15, 地面气温升至13.7 ℃,风向转为偏西风,风速增至12 m/s,13:40, 气温升至14 ℃,但机场于14:20, 出现了16 m/s的大风天气(其中阵风:21 m/s),预报误差在40 min,这种方法的提前量大,但误差相比较利用测风激光雷达计算后的误差要大。因此两种方法应结合应用会给实际业务工作带来更大的帮助。
表 1 银川机场自动观测系统风场温度变化情况
Table 1. Temperature change of wind field of automatic observation system of Yinchuan Airport
time meteorological elements wind speed/(m·s -1) wind direction/(°) temperature/℃ 08:55 7.2 210 7.7 13:15 12 270 13.7 13:40 9.3 275 14 14:20 16(gust: 21) 296 11 为了验证逆温层破坏时间的预报方法是否准确,由图 7b可见,在下午14:00, 地面气温升至14 ℃后,逆温层消失,与通过当日08:00的温度对数压力图的数据计算结果基本一致的。同样利用测风激光雷达的RHI产品,也可以说明逆温层的变化情况,在11:33(见图 6b), 出现分层现象,表明在500 m这一高度有逆温层的存在,同时随着升温,逆温层强度逐渐减弱,厚度逐渐变薄,到了13:19, 逆温层破坏,空中分层现象消失,这一时间点也与前面计算结果基本吻合。
基于测风激光雷达银川机场动量下传大风特征研究
Research on the characteristics of momentum downward gale in Yinchuan Airport based on wind LiDAR
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摘要: 为了研究动量下传大风的特征、探讨动量下传大风的预报方法, 利用美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料、常规气象观测资料和测风激光雷达(LiDAR)资料, 对银川机场2022-03-06动量下传大风过程进行了分析。结果表明, 银川机场位于西风急流入口左侧的辐合区, 为动量下传大风的发生提供了有利的环流背景, 在晴空条件下, 测风激光雷达产品可以精准探测动量下传大风的时空演变特征; 多普勒光束摆动(DBS)模式产品中强下沉气流标志动量下传开始, 平面位置显示(PPI)模式探测范围的衰减程度和变化方位反映了沙尘天气强度和影响路径, 距离高度显示(RHI)模式500 m高度径向风分层现象的出现及被破坏是动量下传变化的预报指标; 利用测风激光雷达可提前30 min计算和预报出动量下传大风的出现时间。该研究对提高气象服务保障能力具有重要意义。Abstract: In order to research the characteristics of momentum downward gale and discussion on forecast method of momentum downward gale, the momentum downward gale process at Yinchuan Airport on 2022-03-06 was analyzed by using the reanalysis data of National Centers for Environmental Prediction (NCEP), conventional meteorological observation data, and wind light detection and ranging (LiDAR) data. The results show that Yinchuan Airport is located in the convergence area on the left side of the westerly jet inlet, which provides a favorable circulation background for the occurrence of momentum downward gale; Under clear sky conditions, the temporal and spatial evolution characteristics of momentum downwind can be accurately detected by the wind LiDAR product; the strong downdraft in the Doppler beam swinging(DBS) mode product marks the beginning of momentum downward transmission, the attenuation degree and change direction of the detection range of the plan position indicator(PPI) mode reflect the sand dust weather intensity and influence path, the occurrence and destruction of radial wind stratification at 500 m height in the range height indicator(RHI) model are the prediction indicators of momentum downward transmission changes; Using the wind LiDAR, the time of occurrence of downwind strong wind can be calculated and predicted 30 min in advance. This research is of great significance to improve the meteorological service support capability.
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表 1 银川机场自动观测系统风场温度变化情况
Table 1. Temperature change of wind field of automatic observation system of Yinchuan Airport
time meteorological elements wind speed/(m·s -1) wind direction/(°) temperature/℃ 08:55 7.2 210 7.7 13:15 12 270 13.7 13:40 9.3 275 14 14:20 16(gust: 21) 296 11 -