Structural characteristics of low-level jet based on wind lidar

低空急流通常是指在600hPa以下、风速不小于12m/s、强而窄的气流带^[1]，它与强对流、污染和航空安全等密切相关。低空急流为强对流天气提供水汽输送，影响污染物的扩散，同时它带来的风速和风向变化对飞机飞行具有严重威胁，因此利用激光雷达研究低空急流的垂直结构和发展演变特征，有利于提高航空飞行保障和灾害性天气的预警预报。

目前对于低空急流的研究主要集中在强对流、污染和结构探测等方面。对于低空急流与强对流之间的关系，ZHOU等人^[2]利用风廓线雷达指出低空急流的下传增强了风场垂直切变，同时发现在强降水发生前1h~2h低空急流指数升高，在降水发生后指数迅速降低。ZHOU等人^[3]通过数值模拟发现强降水日变化与低空急流日变化一致，夜间惯性振荡导致急流增强，降水增强，而白天混合摩擦力增大导致急流减弱或消失，降水减弱。YANG等人^[4]利用常规气象资料发现强降水中心与低空急流核位置吻合，在垂直方向上高低空急流耦合作用明显，有利于中尺度对流系统发展增强。除了强对流以外，低空急流对空气污染也有一定影响。LIU^[5]利用欧洲中心再分析资料, 研究表明, 低空急流有利于上层动量下传，使得地面风速增大，出现沙尘天气。LIAO等人^[6]利用风廓线雷达和微波辐射计资料发现，低空急流风速增强导致大气通风量增大，使污染物浓度降低。在低空急流结构研究中，BANTA等人^[7]利用激光雷达资料发现，在稳定大气中湍流向上产生向下传输的特征，低空急流高度的变化导致了低空急流下方的剪切力的变化。CONANGLA等人^[8]利用气象塔资料分析发现，在低空急流高度上湍流是最弱的，低空急流上方存在较强的湍流。LI等人^[9]利用系留气艇探测数据分析得出，斜坡地形产生的热成风、山谷风可能是北京夏季夜间低空急流产生的主要原因。

由于探测设备的限制，对于低空急流的垂直结构和发展演变的探测研究还较少。2017年11月西宁曹家堡机场安装了一部激光测风雷达，该雷达时间分辨率和空间分辨率都远远超过以前的风场探测设备，有利于风场垂直结构的探测。西宁曹家堡机场位于青藏高原东北部祁连山脉东南的湟水流域，海拔高度为2160m^[10]，三面环山，地形复杂，机场近地层风场受地形影响非常大，夜间常出现低空急流。本文中基于西宁曹家堡机场的激光测风雷达资料研究了2017-11-30T19:00~2017-12-01T06:00的低空急流垂直结构和发展演变特征，通过激光雷达数据反演了温度平流和湍流耗散率并分析了它们的特征。本文中的研究旨在利用高分辨率激光测风雷达揭示低空急流的结构和变化，为飞机飞行安全保障和低空急流的研究提供重要基础。

本文中采用的激光雷达是由西南技术物理研究所研制的一部全光纤、相干、多普勒脉冲体制雷达。该雷达具有体积小、重量轻、移植性好等特点。雷达通过发射激光脉冲，以大气中直径为100nm~1000nm大小的气溶胶粒子作为探测目标，根据大气中气溶胶颗粒随风运动对激光信号产生的多普勒偏移来探测大气风场信息^[11]。雷达发射激光波长为1.55μm，整机平均电功率为200W，探测距离超过3km，空间和时间分辨率分别为30m和2s。探测模式包括不同仰角全方位扫描的平面位置指示(plane position indicator, PPI)模式、固定方位上下俯仰扫描的量程高度指示(range height indicator, RHI)模式、仰角90°的风廓线模式和一定方位范围内扫描的下滑道模式。雷达探测资料包括大气风场的水平风速和风向、垂直风向和风速以及信噪比等。雷达主要性能参量如表 1所示。

采用欧洲数值预报中心再分析资料的位势高度场、风场和温度场数据对低空急流生效演变期间的天气背景进行分析。资料的时间分辨率为6h，空间分辨率为0.25°×0.25°。图 1为2017-11-30T20:00时500hPa和700hPa的天气图。可见，在500hPa上欧亚大陆呈两槽一脊环流形势，在巴尔喀什湖西北方向有一低压，不断分裂短波槽，引导冷空气南下，西宁在西北风控制下，风速达到16m/s，温度平流较弱，在西宁以东有较强的高空急流。在700hPa上低压稳定少动，西宁为偏南风，风速较小，高原有暖中心，西宁位于冷槽后。为了进一步了解西宁上空大气层的稳定度和温度、湿度等气象要素特征，可参见图 2(2017-11-30T20:00时的温度对数压力图)。由图可知，大气从低层到高层温度露点差较大，表明大气湿度较低，为干层结构。在低空存在一个浅薄的逆温层，厚度非常小。500hPa以下风速较小，500hPa以上风速随高度逐渐增大，且风随着高度有轻微的顺转现象，反映了微弱的暖平流现象。大气层对流有效位能和对流指数都表明大气层为非常稳定的层结。

Figure 1.  Potential height field, wind field and temperature field at 2017-11-30T20:00 with 500hPa and 700hPa

Figure 2.  Temperature logarithmic pressure map at 2017-11-30T20:00

2017-11-30-T19:00~2017-12-01T06:00期间，安装于西宁曹家堡机场的激光测风雷达探测到约11h的低空急流过程。图 3所示为激光雷达探测的水平风场随时间的高度变化。激光雷达清晰揭示出了低空急流在不同阶段强弱和结构的变化特点。低空急流于30日19:00移动至雷达上空，19:00至次日01:30(阶段一)，本站低空风场主要受急流控制，次日01:30~06:00(阶段二)，有西北弱冷空气逐渐侵入本站，破坏了急流结构。对于阶段一，由于逆温层的存在，阻碍了上下层动量交换，使得在逆温层顶形成了低空急流，由于地面强摩擦力的作用，白天混合层内保持较强的次地转分布，急流强度整体随时间先加强后减弱，于20:40~21:50达到最强，出现了“大风核”结构，此时水平风速达到最大。低空急流底部高度接近地面，顶部高度和厚度随时间逐渐上升。在垂直结构上，从地面往上，风速先加强后减弱，强风速带明显，急流内部风向变化不大较为均匀; 但急流上部，风向呈顺转趋势，从偏东风转变为西南风，表明大气层出现暖平流现象。第二阶段，受到西北干冷气流的侵入，逆温层被破坏，大气层结转为稳定层结，急流强度随时间进一步减弱，急流结构逐渐不明显，无“大风核”结构，底部高度逐渐被抬升，但顶部高度基本维持不变，急流厚度逐渐减小。在垂直结构上，急流风速整体也呈现先递增后递减的变化，其下部的干冷气团风速较低，急流下部出现了明显的风切变，上部风向仍然均呈显著的顺转变化，即带来暖平流。

Figure 3.  Change of the horizontal wind with time and altitude measured by lidar from 2017-11-30T19:00 to 2017-12-01T06:00

为进一步分析急流结构随时间变化，图 4是同时刻水平风随高度的变化图。图中给出了从19:00~05:00每隔2h的风速廓线，显示了低空急流的发展演变过程。第一阶段，在19:00，此时急流中心风速为17m/s左右，急流厚度约为0.5km~0.9km，风速随高度增大-减小-增大，最大风速差达到13m/s; 在21:00，急流强度增强，风速达到20m/s左右，急流核高度到1km~1.5km，厚度增加到1.2km左右，中心轴高度约0.7km左右; 在23:00, 急流中心风速减小到17m/s，急流中心高度维持在0.8km~1.2km，急流厚度减小到0.4km~1km，急流以上风速增大。第二阶段，冷空气入侵，急流消散，风速递减为4m/s~8m/s，下层风速为2m/s~6m/s。

Figure 4.  Horizontal wind speed with height change at different times measured by lidar from 2017-11-30T19:00 to 2017-12-01T06:00

温度平流是指冷暖空气水平运动引起的某些地区温度降低或者升高的现象，是大规模天气变化的重要原因^[12-13]。根据热成风定理，当某一层中风向随高度顺转有暖平流，风向随高度逆转有冷平流。本文中通过激光雷达风廓线模式下探测的水平风速和风向，考虑标准大气的特性以及大气压和温度关系，反演得到了温度平流，公式如下：

式中, p=(p₁+p₂)/2，Δp=p₁-p₂，p₁和p₂为不同时刻测到的大气压，v₁和v₂为不同时刻测到的风速，v为平均风速, ΔT为温度变化量，θ₁和θ₂为风向，R=8.314为气体常数，f为科氏常数。图 5为急流发生发展期间对应的温度平流随时间的高度变化图。可见，在第一阶段，19:00~23:00之间，1.3km以上温度平流非常弱，较强的冷暖平流出现在该高度以下，与低空急流的位置相一致; 0.6km以下为冷平流，0.6km~1.3km为暖平流，强度在0K/s~1.5×10^-4K/s，下冷上暖的结构表明此时刻大气层结稳定。入夜后，机场地面降温比大气快，2017-11-30T23:00~2017-12-01T01:30时，低层均为暖平流，且下部弱，上部略强，此时低空急流高度升高，强度减弱。第二阶段，随着冷空气的入侵，低层平流逐渐减小，温度平流高度随急流高度升高而升高。

Figure 5.  Temperature advection versus time and altitude from 2017-11-30T19:00 to 2017-12-01T06:00

湍流是指流体运动杂乱无章、不同层次的流体质点发生激烈的混合现象。流体质点的运动轨迹杂乱无章，其对应的物理量也随空间激烈变化。飞机遭遇湍流时会产生颠簸，飞机的飞行高度和角度都会发生变化，这时飞机通常会脱离飞行员的控制。湍流耗散率是指在分子粘性作用下由湍流动能转化为分子热运动的速率，湍流速度在空间上随机涨落，从而形成显著的速度梯度，在分子粘性力作用下通过内摩擦不断地将湍流动能转化为分子动能^[14-19]。湍流耗散率值越大，代表湍流强度越大。

本文中利用激光雷达测量的谱宽值以及风速来计算湍流耗散率ε，公式如下^[20-21]：

式中, a=0.55, 为Kolmogorov常数，σ_v为激光雷达平均速度的标准差，L为抽样时间内不同时间不同高度平均风速和抽样时间的乘积，L₁为激光雷达每个波束测得平均风速与脉冲重复时间的乘积。图 6为湍流耗散率随时间高度变化图。当天湍流耗散率量级在10^-5m²·s^-3~10^-3.8m²·s^-3之间。在第一阶段，由于低空急流风向不变，风速变化小，因此在低空急流高度上湍流耗散率量级在10^-5m²·s^-3~10^-4.7m²·s^-3之间，而急流核的湍流耗散率最弱; 而低空急流上方风向随高度顺转，风速变化较大，导致湍流耗散率达到10^-3.8m²·s^-3，湍流增强，这个现象与CONANGLA等人^[9]得出的低空急流高度湍流最小，低空急流上方存在持续较大湍流结论一致。2017-11-30T23:00~2017-12-01T01:30，随着低空急流的减弱，风速变化增大，湍流迅速增强。在第二阶段，在01:00, 低空急流消失，近地层由于随着冷空气主体侵入，风速小，风向变化大; 在02:00, 近地层和1.9km出现了湍流耗散率最大值，冷空气慢慢过境，湍流强度由强变弱。

Figure 6.  Diagram of turbulent dissipation rate over time and height from 2017-11-30T19:00 to 2017-12-01T06:00

由于早期的测风仪器探测精度和时空分辨率低，只能探测到低空急流，近20年，随着风廓线雷达的出现，大大提高了低空急流的观测能力，但是其5min左右的数据刷新率仍然不能探测到低空急流内部风场变化。近几年，以s为单位数据刷新率的激光测风雷达弥补了这一不足，它能非常精确地探测到低空急流内部风速的脉动情况，当飞机在飞行过程中遇到了低空急流，急流底和急流顶的风切变会对飞行安全造成一定影响，同时急流中风速的脉动也会导致飞机颠簸，不同型号的飞机影响程度不同，所以风速脉动性对于飞行安全也非常重要。

图 7中非常直观地显示了这次低空急流中的湍流团(风速脉动)的探测结果。从激光雷达风廓线图发现，在21:00之前，低空急流核的风速值维持在20m/s，风向为偏东风，急流核高度在0.6km~1.1km左右。随着时间变化，在21:00, 急流核分裂，出现急流团，风速随时间出现波动。由于前期急流核高度为775m，因此取急流底高度(400m)、急流核高度(775m)和急流顶高度(1225m)绘制不同高度风速随时间变化图(见图 8)。从图中看出，风速值随时间出现无规则的脉动现象，400m高度上风向一致，风速随时间从16.5m/s一直下降到11m/s，整体风速波动较小; 775m和1225m高度上风速波动趋势一致，尽管775m高度上风速值比较大，但1225m高度上风速脉动程度比775m大，这说明急流中上部湍流强度大于下部。在21:18，高度775m和1225m风速曲线出现了大的波动，开始出现湍流团，尽管湍流强度大但湍流团尺度小; 在21:35之后，风速值波动较小，湍流强度减小; 到22:06，风速值波动再次增强; 到22:30, 湍流团尺度最大，强度最强; 在23:00之后，湍流减弱。

Figure 7.  Horizontal wind over time and height from 2017-11-30T22:00 to 2017-11-30T23:00

Figure 8.  Diagram of wind speed at different altitudes over time from 2017-11-30T21:00 to 2017-11-30T24:00

利用2017-11-30T19:00~2017-12-01T06:00的全相干脉冲激光测风雷达资料、结合欧洲中心再分析资料, 分析了西宁机场低空急流过程，重点讨论了急流内部垂直结构和发展演变特征。

(1) 低空急流风速随高度先增大后减小，最大风速达到20m/s，急流内部风场较为均匀，急流底接地，急流顶有暖平流，急流中心高度在0.7km~1.5km左右，厚度在0.5km~1.2km。

(2) 低空急流强度整体随时间先增强后减弱，20:40~21:50达到最强，出现“大风核”，在01:30以后受到了干冷空气的入侵，急流结构遭到了破坏，急流强度进一步减弱。

(3) 温度平流随时间变化先增大后减弱，较强的冷暖平流高度和强弱与低空急流一致，随着低空急流强度减弱，温度平流强度也减弱。从湍流耗散率来看，低空急流内部风场均匀，湍流较弱，随着急流强度减弱，湍流增强，在急流顶风速风向变化大，湍流较强，在01:30, 冷空气入侵，使得低层风场遭到破坏，湍流达到最强。

(4) 低空急流中隐含着多个不同时间尺度的湍流团。从21:00开始急流核风速值出现了波动，急流外(400m高度以下)风速稳定，775m和1225m风速波动趋势一致，但1225m波动范围大于775m，说明湍流团上部强度大于下部，在21:00~01:00有多个湍流团出现，而且湍流团尺度有一个先增大后减小的过程，强度呈大-小-大-小的趋势。