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东北冷涡的多普勒雷达瓷料特征分析 东北冷涡的多普勒雷达资料特征分析 摘要 本文主要从多普勒雷达资料入手，对一些大尺度复合风场的径向速度模拟 图像均找到相似的实际回波图例与之相对应；特别对具有特殊结构的东北冷涡 进行分析，探讨单部多普勒雷达探测大尺度圆周运动的一些特征。 在实际业务观测中，多普勒天气雷达探测大尺度的旋转运动时，有明显的 径向速度分布特征。如在探测东北冷涡的过程中，发现东北冷涡的多普勒正、 负速度中心以及零速度线的分布特征与探测中小尺度气旋及台风的特征相似。 之所以出现这种多普勒径向速度特征，与东北冷涡气旋环流的分布以及多普勒 雷达所探测的径向速度是分不开的：即在同一等高面或等压面上，冷涡气旋中 心处的风速较小或为静风”“”；随着气旋半径r 的增大，环流圈上的风速也随 之增加；当r 增大到一定距离时，出现一风速大值区；而后，随着r 的增大风 速呈减小趋势。冷涡的这种风速变化结构，用蓝金模式来描述，是很好的近似； 多普勒雷达探测东北冷涡时，某一高度上的风速大值区内的环流圈进入雷达有 效探测范围内并与雷达的扫描半径相切。在多普勒雷达速度图上表现为两个正、 负速度中心呈方位对称分布，我们定义径向速度值最大的环流圈为最大速度圆， 其半径为r ，此时r = r 。定义最大速度圆上的半径r 为气旋核半径，其速度为气 旋的旋转速度圪。，。由于东北冷涡尺度较大，多普勒雷达只能探测到该系统的 一部分。本文采用蓝金模式进行数值模拟，模拟结果证实，其模拟的多普勒速 度分布特征与多普勒雷达实际探测冷涡的特征极其相似。 根据模拟结果及实际多普勒速度图像特征，确定东北冷涡中心位置。我们 在实际的冷涡速度图中，读取两个速度中心的位置，分别作两条和这两速度中 心所在径线的垂线，两条垂线的交点即为某一高度上的冷涡中心，或者正( 负) 中心的位置所在径向的垂线和零速度线呈直线分布的延长线的交点，也可近似 为冷涡中心。冷涡中心确定后，冷涡的移动路径也随之而定，进而冷涡移动路 径与降水的对应关系也确定。 对东北冷涡系统连续观测，得到冷涡的移动路径、发展维持、增强减弱以 及旋转速度、核半径、方位角变化等信息，对预报有一定的补充、指导意义； 应用多普勒天气雷达探测东北冷涡，对三次冷涡过程的速度特征进行分析， 既有一定的创新，更有较高的应用价值，同时也为今后的研究工作奠定了基础。 关键词：东北冷涡冷涡中心多普勒径向速度数值模拟蓝金模式 东北痔涡的多普勒雷达壹料特征分析 t h ed o p p l e rr a d a rd a t ac h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s o nn o r t he a s t e r nc 0 1 dv o r t e x a b s t r a c t i nt 1 1 i s p a p e r ，t h ec h a f a c t e r i s t i ca 1 1 a l y s i so nt h es p e c i a ls 衄l c t i l r eo f n o r 山e a s t e mc 0 1 dv o r t e xb a s e do nd o p p l e rr a d a rd a t aa n ds o m er e s e a r c h 曲o u ts i n 9 1 ed o p p l e rr a d a rd 就e c t i n gl a r g es c a l ec y c l o 血cc i r c u l a t i o nh a v e b e e nf i l l i s h e d m e a n w “1 e ，s o m ei m a g e so fd o p p l c rr a d i a lv e l o c i t yh a v e b e e np r o v i d e df o rs o m ew i n dp r o f i l ei m a g e s t h eo b v i o u sc h a m c t c ro fd o p p l e rm d i a lv e l o c 时w a sf o u n dw h e n d o p p l e r r a d a rd e t e c t c dt h el a r g e s c a l em 诅t i o nc i r c u l a t i o n _ o r t h e a s t e m c 0 1 dv o r t e x t h ed i s t r i b u t i o n so ft 1 1 em a xa n dm i nr a d i a lv e l o c i t yc e n t e r s a sw e l la st h ez e ml i l l eo nd o p p l e rr a d a ri m a g ea r ev e r ys i l i l a rt ot 1 1 e m e d i mo rs m a l l s c a l ec y c l o n ea n dt y p h o o n t h e s ec h a r a c t e r so fd o p p l e r r a d i a lv e l o c i t va r ea s s o c i a t e dw i t l lt h ec y c l o m cc i r c 试a t i o nd i s m b u t i o n a n dm ed o p p l e rv e l o c i t ) r w h e na t 吐l es 锄el e v e l ，t 1 1 ew i n ds p e e do f c y c l o n i cc i i u l a t i o ni sp r o p o r t i o nt om ed i s 劬c eo f r ”矗o mm ec e n t e rt o 也ec y c l o n i cc i r c l et i l lt h es 拄o n g e s t 池dr e g i o n t h e nt h ew 血ds p e e dw i l l b ei v e r s ep r o p o r t i o nt ot 1 1 ed i s t a n c eo f “r ”丘o mt 1 1 es 廿o n g e s tv d n dr e g i o n a w a ya 1 1 dt h e 谢n ds p e e do ft h ec y c l o n i cc e n t e ri ss m a l lo rz e r o t h e d i g t r i b u t i o no fc y c l o m cc i r c l ev e l o c i t ym e e t sap a no fr a n k i n em o d e l o n e o fc y c l o n i cc i r c l e s ( 也ec y c l o 血cc i r c l e si nt h es t r o n g e s t 丽n dr e g i o n ) c o m ei n t o 也er a d a rv a l i da r e aa n di ti st a n g e mw i t l lt h es c a nm d i u so f r a d a r t l l ed o p p l c rv e l o c i t yw i l le m e 唱ep l u sa n dm m sv e l o c i t ) rc e n t e r s w ed e f i n et h i sc y c l o i l i cc i r c l ea sm em a xv e l o c 竹c i r c l e ；也er a d i u si s “r ”， a n dt h ev e l o c i t ya sr o t a i i o ns p e e d t h er a 尚n em o d e lh a sb e e nu s e di n r m m e r i cm o d e li no r d e rt op r o v et h a tc h 啪c t e las e r i e so fn 啪e r i cm o d e i r e s u l t sh a v ei d e n t i f i e dm a td o p p l e rr a d a rc a nd e t e c tp a r t so fn o r t h e a s t e m 2 东北冷涡的多普勒雷达资料特征分析 c o l dv o r t e x t h en o n h e a s t e mc o l dv o r 七e xi ss ol a r g e 也a td o p p l e rr a d a r c a no m yd e t e c tap a no f i t d 叩p l e rr a d a r 髓dm en 吼e r i cm o d e li i n a g ed e t e r i n i n e d 也ec e n t e r p o s 证o no fn o m i e a s t e mc o i dv o n “t h et 、v oc e n t e r so fv e l o c 毋c a nb e r e a d 丘o mm ev e l o c i t yi m a g e t h ei m e r s e c t i o n 也a tt w op e r p e n d i c l l l a ro f t w of a d i l l sc r o s s i n g 也et 、v oc e n t e r so fv e l o c i t yi s 也ec e n t e ro ft 1 1 en o r t h e a s t e mc 0 1 dv o r t e x ，o rt l l ei m e r s e c t i o nc r o s s i n gp e r p e n d i c l l l a ro fo n e r a d i u sa 1 1 dm ee x t e n d e dz e r o1 i n e ，廿1 e nt h em o v i n gp a 血w a ya 1 1 d 血e r e l a t i o nb e t 、v e e nt b e m o v i n gp a 幢】w a y a 1 1 d p r e c i p i 诅t i o n w i l lb e d e t e n l l i n e d t h es p a t i a la n dt e m p o 翻c h a r a c t e r0 fc 0 1 da n dw a n na d v e c t i o n d i s 埘b u t i o na n dm ed i v e 唱e n c ea n dc o n v e 曙e n c ew a sa n a l ”e da c c o r 曲玛 t od o p p l e rr a d a rd a t a ，t 1 1 e nt 1 1 ev a r yp h a s eo ft h en o n h e a s t e mc 0 1 dv o r t e x w i l lb ei d e m m e d t h ei n f b i l a t i o no fn o m l e a s t e mc o l dv o n e xi n c l u d i n gm em o v i i l g p a t h w a y ，t h e 丽e t yo fi n t e n s 畋t h ev e l o c i t yo fr o 砸o i l ，血er a d i u sa n d m ea z i m u t hc a i lb eg o t t e nb yd e t e c t i n gt 1 1 i sw e a m e rs y s t c mc o n t i n u a l l y a n dm i sr e s e a r c hw i l lb eu s e df b rm es e r v i c ea n dr e s e a r c hi n 廿】ef h n 耽 m e a d w l l i l e ，t h em e 血o dt l l a tu s e sd o p p l e rr a d a rd a t at oa n a l y z et 1 1 r c e p r o c e s s e so f c o l dv o r t e xi si 皿o v a t i v e 矗n dv a l u a b l ef o rf o r e c a s t e r s k e y _ o r d s ：也en o r 七h e a s t e mc 0 1 dv o r t e x ，t h ec e m e ro fc 0 1 dv o r t e x ，也e r a d i a lv e l o c 毋o f d o p p l e rr a d 鸡n u m e r i cm o d e l ， r a n k j n e 瑚o d e l 3 东北冷涡的多昔勒雷迭蔓料特征分析 第一章引言 1 1 研究的目的和意义 东北冷涡是影响东北地区的主要天气系统。该系统是在5 0 0 h p a 图 上。1 1 5 1 4 0 。e ，3 0 6 0 。n 范围内出现等高线闭合圈，且有冷中心或冷槽配合的低 压系统。冷涡天气一般发展比较深厚，向上可发展到2 0 0 h p a ，向下到 8 5 0 h p a 一7 0 0 h p a ，地面有低压配合，是深厚的冷性系统，可近似看作轴对称环流风 场，且具有明显的旋转特征。该系统在发展过程中能够造成强天气的发生。主 要表现为局地暴雨、冰雹、飑线等。 东北冷涡一年四季都出现，但主要集中在夏季，尤以6 月最多。东北冷涡 的分布主要集中在黑龙江流域低洼地的上空，其次集中在大兴安岭和长白山的 东侧。吉林省地处东北地区中部，有利的地形抬升作用常使冷涡发展和加深p j 。 东北冷涡与不同的地面天气系统配合，可以产生不同的天气现象，如强降水、 雷雨、大风、冰雹等，有时会造成严重的自然灾害。当地面配合东北低压时，降 水性质以混合性或不稳定性降水为主；地面系统为河套气旋时，由于气旋的前 部水汽充足，所以降水面积大，降水强度也较大，降水性质以混合性及稳定性 降水为主；当受渤海气旋影响时，由于气旋携带大量的水汽，可产生强降水( 降 水强度大) ，主要以混合性及稳定性降水为主：当地面受直接北上的江淮气旋影 响时，一般配合偏南的低空急流，水汽充沛，降水面积大，维持时间长，先期 以稳定性降水为主，后期转混合性降水”j 。蒙古气旋与冷涡相配台产生的降水， 基本上都是不稳定性降水。在冷涡形成的初始阶段和减弱衰亡阶段，降水天气 较弱，几乎很少出现区域性暴雨，区域性暴雨多发生在冷祸的发展阶段【l 。 东北冷涡是大尺度环流形势在东北地区特定条件下的产物，是东亚地区重 要的天气系统p j 。东北地区著名的“冷涡雨季”就是由东北冷涡的频繁活动造 成的。它产生的暴雨、冰雹和低温等灾害性天气对农业生产有着较大影响。东 北冷涡是东北地区独特的天气系统，多数东北冷涡的水平尺度较大( 属天气尺 度) ，但其造成的灾害性天气却有着明显的局地性，因此，在确定东北冷涡降水 强度及位置时有较多的困难，一直是预报难点( 1 “。而高空观测网，测站间距一 4 东北冷涡的多普勒雷达赉料特征分析 般在3 0 0 k m 以上，探测时间间隔1 2 小时，因而很难反映出冷涡系统中生命史 短和水平尺度小的中尺度系统的活动，由于常规气象观测网的限制，难以得到必 要的资料。随着多普勒天气雷达在东北地区布点、应用，气象工作者可以利用 这一先进的探测工具得到实时、连续的空间探测资料。应用多普勒雷达探测到 的气象信息研究东北冷涡的发生、发展、维持时间的长短等对东北地区的自然 经济和人民生命财产起着重要作用。 1 。2 国内外状况 9 0 年代，东北三省成立了东北冷涡课题研究组，为中国气象局资助项目。 分别从冷涡暴雨“、冷涡持续活动的大的环流背景、与东亚太槽环流系统的关 系 1 5 】、普分析、动力学诊断分析引及温度条件诊断分析f 6 】等方面对冷涡进行了 系统的分析，取得了很大的成就。但是，气象学者们在研究东北冷涡的过程中 也同时发现，高空及地面资料的局限性极大地限制了对冷涡的更加深入的研究， 尤其在研究东北冷涡的连续演变特征、对中小尺度系统的分析、冷涡中心的移 动变化、环流风场的增强减弱等方面。为了解决这一问题，1 9 9 5 年6 月2 3 日 一2 5 日，组织了东北三省一市全部的地面观测站和探空站对东北冷涡进行了一 次加密观测，得到的资料非常的有限，效果并不理想【”。所以，连续的实时的 空间观测资料对冷涡的研究至关重要。 近年来，国家气象局开始在全国布置多普勒天气雷达。吉林省现已有两部 多普勒天气雷达，分别分布在白城市和长春市。该雷达可以对气象目标物进行 连续的立体扫描，从而得到雷达观测的实时回波强度( z ) 、径向速度( v ) 、速 度谱宽( w ) 的回波图像。在这些回波图像中，提供了丰富的气象信息。综合使 用z 、v 、w 的图像分布，可以较准确和及时的监测天气系统的演变信息。回波 强度的分析与常规天气雷达相似，而径向速度分布图中却可以看出气流中的辐 合、辐散以及旋转的特征，并可给出定性和半定量的估算。除此之外，还可以 提供雷达估算的累积雨量分布。多普勒天气雷达获取的风场信息除了在实时显 示的径向速度分布图像上直接用来识别、监测各种天气外，在一定的假设条件 下，通过对测得的径向速度分布进行一定的反演处理可以得到垂直风廓线和二 维水平风场分布等。 目前对单多普勒雷达获取的径向速度场资料进行分析应用的方法，主要是 观测某些典型流场在径向速度场上造成的特征，例如大尺度风向风速的垂直切 东北冷涡的多普勒雷达壹辩特征分析 变，锋面、切变线等风向风速的不连续面等以及与中小尺度的大气运动密切相 关的龙卷风、下击暴流、阵锋风和暴雨天气等。对台风的径向速度场特征的分 析，也有了一些进展，钟卓约、帅方红“”对9 9 1 4 号台风多普勒雷达资料进行 了分析，提出了不同强度的台风其回波特征也不同。而刘峰，王明钧“在文章 “应用多普勒雷达对9 7 1 0 号台风进行定位跟踪”中对台风的径向速度特征进行 了详尽分析。然而，迄今为止，有关多普勒雷达探测大尺度圆周运动例如东北 冷涡方面的论述还未见到。多普勒雷达能否探测到大尺度圆周运动的一些特征 成为人们关注的论题。 1 3 研究内容和方向 实践证明，多普勒天气雷达探测大尺度的旋转运动时，有明显的径向速度 分布特征。 在探测东北冷涡的过程中，我们发现东北冷涡的多普勒正、负速度中心以 及零速度线的分布特征与探测中小尺度气旋及台风的特征相似，东北冷涡的多 普勒速度图中的零速度线呈直线分布，多普勒正、负速度中心呈方位对称，正、 负速度区也分别分布在正负速度中心的同一例，负速度中心和负速度区在雷达 探测方向的左测，正速度中心和正速度区在雷达探测方向的右侧，而且两速度 中心的连线与零速度线垂直。之所以出现这种多普勒径向速度特征，与东北冷 涡气旋环流的分布以及多普勒雷达所探测的径向速度是分不开的：即在同一等 高面上，冷涡气旋中心处的风速较小或为静风“：随着气旋半径r 的增大， 环流圈上的风速也随之增加：当r 增大到一定距离时，出现一风速大值区i 而 后，随着r 的增大风速呈减小趋势。冷涡的这种风速变化结构，可近似的用蓝 金模式来描述。多普勒雷达探测东北冷涡时，某一高度上的风速大值区内的环 流圈进入雷达有效探测范围内并与雷达的扫描半径相切，在多普勒雷达速度图 上表现为两个正、负速度中心，我们定义该环流圈为最大速度圆，其半径为r ， 此时r = r ；该环流圈上的风速在理想条件下，与雷达探测到的正、负速度中心 值( 正、负速度中心绝对值相等) 相等，即为气旋的旋转速度k 。，。但在实际 应用中，由于受到环境风的影响，取正、负速度中心绝对值的平均数作为旋转 速度。由于东北冷涡尺度较大，多普勒雷达只能探测到该系统的一部分。 为了定量说明我们探测到的多普勒速度图像特征确实是东北冷涡即大尺度 6 东北冷涡的多普勒雷运资料特征分析 气旋环流运动的一部分，我们采用蓝金模式进行数值模拟，从而对其进行验证。 在模拟中，选取冷涡的核半径达上百公里，同时分别选取冷涡的方位为4 5 0 、 1 3 5 “、2 2 5 0 、3 1 5 0 ，从四个象限对多普勒雷达探测到的部分冷涡的流场及相应 的速度图像进行了模拟。模拟图像与实际探测到的冷涡的多普勒速度图像有非 常好的近似，当然，由于东北冷涡尺度较大，多普勒雷达只能探测到该系统的 一部分，而无法探测到它的全部。 根据多普勒雷达实际探测到的速度图像特征及数值模拟图像特征的分析情 况，我们在实际的冷涡速度图中，寻找两个速度中心的位置，分别作两条和这 两速度中心所在径线的垂线，两条垂线的交点即为雷达探测到的冷涡中心。或 者正( 负) 中心的位置所在径向的垂线和零速度线呈直线分布的延长线的交点， 也可近似为某高度上雷达探测到的冷涡中心。冷涡中心确定了，冷涡的移动 路径也随之而定。应用多普勒天气雷达探测到的东北冷涡的中心位置与天气图 资料进行比较，发现误差很小。进一步证明数值模拟的正确性及多普勒雷达在 大尺度天气系统中正发挥重要作用。 在此基础上，对多普勒雷达探测到的三次东北冷涡的回波资料进行了详细 的分析，主要分析冷暖平流、辐合辐散在不同空间、不同时间上的分布特征与 冷涡不同变化阶段的相互联系，以及冷涡移动路径与降水的对应关系等。这类 工作目前尚未见到相关报道，而且在多普勒雷达二次产品中是没有的。因此， 应用多普勒天气雷达探测东北冷涡，对冷涡的速度特征分析，既有一定的创新， 更有较高的应用价值。多普勒雷达对冷涡连续观测，能及时得到冷涡的移动路 径、强度变化等信息，对预报有一定的补充、指导意义，同时为今后的研究工 作奠定了基础。 本文对一些大尺度及复合风场的径向速度模拟图像均找到相似的实际回波 图例与之相对应，为以后的分析创造了良好的条件。 东北冷涡按中心数量可以分为两种形式，即单个中心的冷涡和多个中心的 冷涡”“。本文仅对单个中心且多普勒速度呈对称分布的东北冷涡的多普勒雷达 资料进行了初步研究，其它类型冷涡的多普勒速度特征待有观测资料后，作进一 步的研究，文中不足之处，尚待日后不断的优化补充。 7 东北冷罚的多昔勒雷选资料特征分析 第二章中小尺度大气运动和大尺度风场运动 的多普勒图像特征 2 1 引言 在探测东北跨涡的过程中，我们发现东北冷涡的多普勒正、负速度中心以 丑零速度线的分布特征与探测甲小尺度气旋及台风的特征相似，为了便于问题 的展开，首先对中小尺度大气运动有关内容及相关的多普勒图像特征作一简要 的回顾。其次，东北冷涡是人尺度天气系统，随高度的变化，它的风场也呈现 不同的特征，所以本章对犬尺度风场运动特征也作一简要的介绍；同对，对一 些大尺度风场运动的径向速度模拟图，均找到相似的实际回波图例与之相对应， 为后续工作奠定基础。 2 2 中小尺度气旋运动 龙卷风、下击暴流、阵风锋等灾害性天气都与中小尺度的大气运动密切相 关因此讨论这些中小尺度运动在多普勒速度图像中钓特征十分重要。 2 2 1 蓝盘模式 中小尺度气旋往往可用理想垂直轴对称气旋环流的蓝金模式( r a n k i n e ) 来模拟，图2 1 为蓝金模式的速度分布示意图，横坐标为半径，纵举标为气旋 环流的速度。 从凰2 】中可必看出，从旋转速度为零的气旋中心到曰半径约范周内， 旋转速度矿随半径线巨增加，即 矿= 凸，( ，兰r )( 2i ) 在尺范围以外，旋转速度与半径成反比，即 y = c ，r( r 胄)( 2 2 ) 其中q 和c ，为常数月为中尺度气旋的核半径，中气旋的尺度大小由核堂径眉 米衡量。，丑的区域称为旋转核区。 和岛为常数，可以由下面的关系式确定： q 和岛为常数，可以由r 面的关系式确定： 东北冷涡的多普勒雷达蠢科特征分析 在r = r 时，旋转速度最大，则有以下等式成立 。= q r 圪。= c 2 矗 由2 3 、2 4 式可得 q = r ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 岛= r 圪。， ( 2 6 ) 蓝金模式对描述大气中从尺度较大的台风中心附近区域到中尺度气旋及龙 卷风都是很好的一级近似。该模式中描述气旋旋转运动的关键参数是核半径r 的大小和该半径圆周上的最大旋转速度。 2 2 2 中小尺度气旋的多普勒速度图像特征 图2 2 为气旋环流流场及其相对应的多普勒速度图像，流场中的核半径且 为4 5 k m ，以r 为半径圆周上的旋转速度为2 0 m s ，箭头的长度正比与风速。 右侧的多普勒速度图像中，雷达位于气旋中心的正南方，距离气旋中心约为 1 2 0 k m 。图2 2 中可以明显的看到一对正、负速度中心呈方位对称分布，也就是 说，这两个中心距离雷达的径向距离相等。中心为零速度带，负速度中心在左 侧，正速度中心在右侧，而且正、负速度区也分别位于正、负中心的同一侧。 这是因为，根据蓝金模式，当雷达射线与以r 为半径的左半圆周相切时，切点 的径向速度即为该圆周上的气旋旋转速度圪。，该速度为朝向雷达方向，所以 是负速度中心。当雷达射线指向气旋中心时，中心处风速为零，其它圆周上的 风向都与该雷达射线相垂直，所以这条径线上的所有的径向速度都为零。当雷 达射线指向以r 为半径的圆周上的右侧并与之相切时，切点的径向速度即为该 圆周上的旋转速度圪。，且远离雷达方向，是正的速度中心。正、负中心距离 雷达测站的径向距离基本相同，所以显示出如图2 2 所示的多普勒速度图像。 与其相对应的流场图像如图2 2 左图所示。 l 图2 _ 2 中尺度气旋的流场及多普勒速度图像 l 东北冷涡的多普勒雷达赍料特征分析 2 2 3 中小尺度辐合辐散 2 2 3 1 中小尺度辐合 轴对称辐合流场及其相应的多普勒速度图像如图2 3 所示，雷达位于辐合 中心正南方，左图中流场中的箭头正比于风速，流线代表整个流场，最大径向 速度位于距离辐合中心4 5 k m 处。左图中的多普勒速度图显示，一对正、负速 度中心呈径向对称，即位于同一方位，负速度及负速度区在远距离一侧，正中 心及正速度区在近距离一侧，正负速度区中间为零速度带。这是因为，当雷达 射线指向辐台中心时，风向和径向相同，风速即为径向速度；雷达由近及远地 采集资料时，首先探测到远离雷达方向的正速度，尔后速度值随距离增加，到 核半径处正速度值最大，形成正中心速度区，然后速度值随距离的增加而减少， 到辐合中心时，风速为零。从辐合中心开始随远离雷达距离的增加径向速度成 为朝向雷达的负值，到核半径处负值最大为负速度中心，之后又随距离增加负 速度值减少。中间的零速度带主要是因为该带上的风向都于雷达径向基本垂直， 多普勒径向速度为零。 l 图2 3轴对称辐合运动的多普勒流场及速度图像l 2 2 3 2 中小尺度辐散 轴对称的辐散气流相应的多普勒速度图像与辐合气流的基本相同，完全不 同的是负速度中心在近距离一侧，正速度中心在远距离一侧( 图略) 。 2 3 大尺度风场运动的径向速度图像特征 本节所要描述的是在水平风场非均匀的情况下，大尺度风场运动所产生的 多普勒图像特征，如冷、暖平流，辐合辐散及相互叠加等，并有吉林省长春市 多普勒雷达探测到的实际图例与之相对应，有一定的应用价值。 2 3 1 大尺度辐台辐散的多普勒速度图像特征 大尺度的风向型辐合辐散运动的前提条件是，雷达探测不到辐合( 散) 源， 只能探测到部分的辐合( 散) 场。 大尺度的辐台运动( 见图2 4 a ) ，雷达探测到的是其中一部分的辐合区，在 雷达的北部是正速度区，在南部为负速度区，表示整个风场以偏南风为主，而 在雷达的东部区域风向随距离的增加是逆转的，在雷达西部风向是随距离的增 加顺转。我们很容易地分析到，在雷达东部的零速度带，是以显示中心开始， 由近及远地逆转；同理，在雷达西部，零速度带顺转。所以整个零速度带的形 1 0 东北冷涡的多普勒雷达蠢料特征分析 状呈弓形，弓两侧弯向正速度区( 见图2 - 4 a ) ；2 0 0 4 年8 月2 8 日，吉林省长春 市多普勒雷达在一次混合性降水过程中，探测到大尺度风向型辐合场的雷达回 波图像( 见图2 - 4 c ) ，与模拟后的图像基本致。 风向型辐散场的特征与辐合型风场正相反( 见图2 4 b ) ，在雷达的西部是负 速度区，东部为正速度区，表示整个风场以西风为主，在雷达的北部区域，风 向随距离的增加是逆转的；在雷达的南部，风向是随距离的增加顺转的。同理， 零速度线也呈“弓”型，弓的顶端位于雷达中心，零速度线的一侧至雷达中心 开始随距离的增加逆转，另一侧则随距离的增加顺转，但两侧都弯向负速度区， 正速度区的面积大于负速度区的面积，出现该速度图像特征的风场为辐散场( 见 图2 - 4 b ) ，2 0 0 4 年1 1 月2 6 日，长春市多普勒雷达在一次降雪过程中，在5 0 公 里范围内，探测到了风向型辐散场的图像( 见图2 。4 d ) 。 i 图2 4 大尺度辐台辐散场的多普勒速度图像特征( a 、b 、c 、d ) l 2 3 2 冷暖平流的径向速度图像特征 在图2 5 a 中，风向随高度顺转，说明自雷达中心开始，自近而远的距离圈 上的两个零速度点( 每个距离圈上都有两个零速度点) 。也分别顺转。顺转方向 和风向顺转方向相差9 0 。，整个显示区域的零速度带呈通过雷达显示中心的s 型。由图可见，地面为南风，风向随高度逐渐向西偏转，中高处为西南风。相 应多普勒速度图上中心点邻近区域的零速度带为西北东南向，尔后分别由近及 远地顺转，在快到最远处的时候的零速度带分别位于3 1 0 。和1 3 0 。方位处，都 与相应位置的西南风垂直，整个零速度带里s 型。负速度区和正速度区分别在 零速度带两侧，众所周知，风向随高度顺转为暖平流。图2 5 c 为长春市多普勒 雷达在一次大到暴雨的降水过程中，探测到的5 0 公里范围内明显的s 型暖平 流影响的多普勒速度图像。在图2 5 b 中，风向随高度逆转。和上述讨论类似， 零速度从显示中心开始，随距离增加而逆转，整个零速度带呈反s 型。风向随 高度逆转为冷平流( 见图2 5 b ) ，图2 5 d 为实际探测到的反s 型冷平流的多普 勒速度图像。 2 3 3 复台风场的单多普勒速度场特征 在实际的多普勒速度图像分析与应用中，大尺度运动往往是冷暖平流与大 尺度辐合辐散运动的集中反映，因此相应的多普勒径向速度分布特征与上述纯 粹的冷暖平流及纯粹的大尺度辐合辐散运动有着明显地差异。事实上在实际应 东北冷涡的多昔勒雷达赉辩特征分析 用中，大尺度运动往往是大尺度辐合辐散运动与冷暖平流的结合，汤达章教授 等在己研究的多普勒速度模拟图像基础上，将相应的多普勒径向速度特征分成 以下4 种类型p l j ： 1 ) 暖平流与辐合的结合； 2 1 暖平流与辐散的结合； 3 ) 冷平流与辐合的结合： 4 1 冷平流与辐散的结合。 相应的多普勒速度特征类型体现出零速度线在雷达两侧的顺转或逆转的弯 曲程度存在明显的差异。这些特征可以定性地解释为：大尺度辐合辐散运动与 冷暖平流迭加造成零速度线在显示中心一侧弯曲程度加大，而在另一侧弯曲程 度减小甚至会变成某个直线，形成了零速度线过显示中心两侧弯曲程度不同的 特征。下面分别对这四种类型进行介绍，并有实际探测到的多普勒速度图像相 对应。 2 3 3 1 大尺度辐合辐散与暖平流叠加的多普勒速度图像特征 大尺度辐台运动在多普勒径向速度图上的特征是，零速度线呈弯向正速度 区的弓状，而暖平流则表现为零速度线在雷达显示中心两侧随着距离的增加而 顺转，总体上呈s 型，二者迭加以后必定造成零速度线弯向正区的顺转程度大 大增加，弯向负区的顺转程度减小，暖平流加辐合的多普勒速度图像如图2 6 a 所示。实际探测到的图像见图2 - 6 c ，在1 0 0 公里范围内，自雷达中心开始，东北 部的零速度线顺转程度减小接近于直线，西南部的零速度线至雷达中心开始由 近及远的顺转程度加大，从而导致正速度区的面积小于负速度区的面积，这种 暖平流加辐合的风场特征一般在低层存在，商层则很少见到，如果出现该多普 勒速度特征，降水将会继续维持。 暖平流加辐散的多普勒速度图像如图2 6 b 所示。暖平流与大尺度辐散运 动迭加，零速度线弯向负速度区的顺转程度加剧，弯向正速度区的顺转程度减 少接近于直线，零速度线在东北部顺转程度要太子西南部的顺转程度，出现顺 转程度不对称特征，正速度区的面积大于负速度区的面积，这种暖平流加辐散 的多普勒速度图像特征一旦出现，则预示着天气系统缺乏上升机制，天气将会 变得闷热，同时空气的湿度也在增加，2 0 0 4 年7 月5 日，长春雷达探测到暖平流 加辐散的多普勒速度图像( 见图2 - 6 d ) 。 东北冷涡的多普勒雷选斑料特征分析 l 图2 6大尺度辐合辐散场与暖平流叠加的多普勒速度图像特征( a 、b 、c 、d ) l 2 3 3 2 大尺度辐合辐散与冷平流叠加的多普勒速度图像特征 冷平流在多普勒径向速度图上表现为零速度线在雷达显示中心两侧随着距 离的增加而逆转，总体上呈反s 型，冷平流与大尺度辐台运动迭加后，其零速 度线的弯向负速度区的逆转程度减小，而另一侧弯向正速度区的逆转程度加大。 大尺度辐合运动与冷平流叠加时( 见图2 7 a ) ，自雷达中心向东北，零速度线 逆转程度加大，而西南部零速度线逆转程度减小，导致负速度区的面积大于正 速度区的面积，实际探测到的雷达回波速度图像见图2 7 c ：同理，冷平流与大 尺度辐散运动迭加后，其零速度线弯向负速度区的逆转程度加剧，而弯向正速 度区的逆转程度减弱( 见图2 7 b ) ，出现负速度区小于正速度区的多普勒速度 特征，实际探测到的多普勒速度图像见图2 - 7 d 。 l 图2 7大尺度辐合辐散场与冷平流叠加的多普勒速度图像特征( a 、b 、c 、d ) l 2 3 4 大尺度风速型辐合辐散 当风向不变，风速随距离的改变而发生变化时，出现风速的辐合辐散的特 征如下所述：在同一距离圈上且在同一径向上，如果多普勒正速度值( 或面积) 大于多普勒负速度值，则认为在此高度上存在风速辐散；反之，在同一距离圈 的同一径向上，多普勒正速度( 或面积) 小于负速度，在此高度上则存在风速 辐合( 图略) 。 2 4 测高公式及退速度模糊方法 在后面的有关章节中，我们将会用到测高公式进行运算；在速度的应用方 面将会涉及速度的退模糊，现将这两部分内容进行简要的介绍。 2 。4 。1 测高公式的应用 在标准大气折射条件下，雷达的测高公式为：日= + ，s i n 口+ r 2 1 7 0 0 0 ， 口为雷达探测仰角，r 为目标物的斜距，玩为天线架设高度。当口= 0 5 0 角时，r 一定时，由测高公式或测高表即可查出目标物所在的高度。 2 4 2 速度退模糊方法 当实际的径向风速大于雷达所能够探测到的最大径向风速的绝对值时，多普 勒速度图上将会出现模糊现象，即由零速度开始向外搜索，临近零速度区的速 度是不模糊的，当由正( 负) 最大突变成负( 正) 值时，模糊开始出现。具体 东北冷涡的多普勒雷达壹料特征分析 的退模糊方法是： 圪为实际真实的径向速度，为多普勒探测到的模糊速度，l 。为多普 勒雷达所能够探测到的虽大径向速度的绝对值，则有， 当，。，= 。+ 2 k 。 ( 2 7 ) 当c 一巧。，= 一2 。 ( 2 8 ) 由( 2 7 ) 式及( 2 f 8 ) 式可得到退模糊后的实际真实的径向速度。 2 5 小结 本章对中小尺度气旋运动、大尺度风场运动进行了论述，同时对中小尺度 辐合辐散以及大尺度辐台辐散与冷暖平流叠加即复合风场的多普勒速度特征进 行了概述，并有实际探测到的图例相对应；对测高公式以及速度退模糊的方法 等作了简要的介绍，为以下章节工作的开展打下良好的基础。 4 东北冷涡的多昔勒雷达资料特征分析 第三章东北冷涡的多普勒速度特征 及数值模拟 3 1 引言 目前对单多普勒雷达获取的径向速度场资料进行分析应用的方法，主要是 观测某些典型流场在径向速度场上造成的特征，例如大尺度风向风速的垂直切 变，锋面、切变线等风向风速的不连续面，与中小尺度的大气运动密切相关的 龙卷风、中尺度气旋、下击暴流、阵锋风等各种天气系统，都有其明确的速度 特征。迄今为止，有关多普勒雷达探测大尺度旋转环流运动例如东北冷涡方面 的论述还未见到。实践证明，多普勒天气雷达探测大尺度的旋转运动时，有明 显的径向速度分布特征。如在探测东北冷涡的过程中，发现东北冷涡的多普勒 正、负速度中心以及零速度线的分布特征与其它如切变线、锋面等大尺度风场 的多普勒速度分布特征完全不同。本章采用蓝金模式进行数值模拟，模拟结果 证实，其模拟的多普勒速度分布特征与多普勒雷达实际探测冷涡的特征极其相 似。模拟图像说明，根据现有资料，我们采用蓝金模式进行的数值模拟结果与 实际情况是相符合的，而且具有实际意义。本章仅对多普勒速度图像具有对称 结构的东北冷涡进行了研究，而具有非对称结构的东北冷涡的多普勒速度图像 特征暂时还未观测到，这方面的工作有待进一步的研究。当然，由于东北冷涡 尺度较大，多普勒雷达只能探测到该系统的一部分。 东北冷涡是影响东北地区的主要天气系统，该系统在发展过程中能够造成 强天气的发生。主要表现为局地暴雨、冰雹、飑线等。所以，应用多普勒雷达 探测东北冷涡意义深远。 3 2 东北冷涡的流场及气压场特征 东北冷涡是在5 0 0 h p a 图上，1 1 5 - 1 4 0 。e ，3 0 - 6 0 。n 范围内出现等高线闭合圈， 且有冷中心或冷槽配合的低压系统。该系统出现时，地面常配合地面低压，包 括东北低压、江淮气旋、蒙古气旋、河套倒槽低压等。7 0 0 h p a 、8 5 0 h p a 一般有 东北冷涡扮多普韵雷达蠢科特征分析 闭合等高线相匹配。冷涡天气一般发展比较深厚，向上可发展到2 0 0 h p a ，向下 到8 5 0 h 口a 7 0 0 h p a ，可近似看作轴对称气旋环流风场，且具有明显的旋转特征。 冷涡中心随高度的增加具有一定的倾斜性，在冷涡形成的初始阶段，低层冷涡 中心明显偏前于中高层冷涡中心，冷涡中心轴向随高度明显向西北倾斜，在冷涡 减弱衰亡阶段，高空温压场近于重合，接近于正压结构。在东北冷涡发展强盛阶 段，冷涡中心轴向随高度略向后倾斜”。 3 3 东北冷涡的多普勒速度特征 吉林省现有两部多普勒雷达，一部设在吉林省的上游城市白城市，另一部 设在吉林省的中部长春市。通过近几年对东北冷涡的探测发现，东北冷涡常出 现图3 1 所示的多普勒速度特征。由于东北冷涡是一种大尺度的天气系统，当 对这个旋转流场进行探测时，由于尺度较大，多普勒雷达只能探测到这种现象 的一部分。因此，当冷涡中心距雷达测站有一定距离时，在多普勒速度图上， 表现出两个多普勒速度正、负中心里气旋式旋转( 见图3 1 ) 。零速度线在正、 负速度之间近似为直线，多普勒速度正、负中心的连线与直线部分的零速度线 垂直。之所以出现这种多普勒径向速度特征，与气旋环流的分布以及多普勒雷达 所探测的径向速度关系密切。一般情况下，在同一等高面或等压面上，冷涡气 旋中心处的风速较小或为静风“；随着气旋半径r 的增大，环流圈上的风速 也随之增加；当r 增大l i 一定距离时，出现一风速大值区：而后，随着r 的增 大风速呈减小趋势。冷涡的这种风速变化结构，可近似的认为满足蓝金模式。 多普勒雷达探测东北冷涡时，风速大值区内的环流圈进入雷达有效探测范围内 并与雷达的扫描半径相切，在多普勒雷达速度圈上表现为两个正、负速度中心， 我们定义该环流圈为最大速度圆，定义其半径r 为气旋的核半径，此时r = r ， 该环流圈上的风速为气旋的旋转速度圪。在理想条件下，即无其它环境风影 响下，旋转速度与最大速度圆上的风速相等。 图3 一l2 0 0 3 年8 月6 日1 7 时白城市d 叩p l e r 雷达探测到的冷涡速度图特征 ( 仰角0 5 度) 东北冷涡的其它类型的多普勒速度图像特征，例如正、负速度中心呈非对称 性分布、多条零速度线同时出现等，由于客观条件限制，这部分的工作有待日 后进行进一步的研究，探讨。 东北冷涡的多普勒雷达资料特征分析 3 4 数值模拟 为了定量说明图3 1 所示的多普勒速度图像特征确实是东北冷涡气旋环 流运动的一部分，我们采用数值模拟方式对其进行验证。 3 4 1 数值模拟基本原理 以雷达中心为坐标原点0 ，以正东为x 轴的正向，正北为y 轴的正向，气 旋中心为c ，设气旋某一环流圈与雷达某一探测距离圈相交于a ，b 两点( 如 图3 - 2 ) 。 l 图3 2 数值模拟示意图 i 下面以点a 为例，推导a 点处的径向速度。 由上翻，司以求得c ，a 曲点的坐杯为： 刊s i n 妒( 3 1 )fl h = d c o s 妒 髂塞弓 ：， 其中，d 为气旋中心与雷达中心的距离，妒为o c 与y 轴的夹角，r 为距离圈 半径，口为雷达波束o a 与y 轴的夹角。则a c 与x 轴的夹角少为： 一c t a n 警 ， a 点处的水平风速k 由蓝金( r a n k i n e ) 模式求得，当气旋环流半径t r 时： k = c ( 3 4 ) 当 r 时： k = c ( 3 5 ) 1 7 东北冷涡的多昔勒冒迭资料特征分析 其中：= 、肛i 百再了 常数c l ，c 2 由气旋最大旋转速度p o 及气旋的核半径月可以求得： c 1 = “7 r( 3 6 ) 【c 2 = r 因此，a 点处的径向速度t 为 = 吒c o s 口c o s ( 口一( 厅一) ) 一s i n 口 r 3 7 ) 其中g 为雷达仰角，以为垂直速度。 3 4 2 数值模拟结果 设雷达仰角较低，不考虑粒子垂直速度巧的影响，令妒分别等于 4 5 。，1 3 5 0 ，2 2 5 0 ，3 1 5 0