東源站雷暴天氣近地面風對放球的影響

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報、氣候預測預報和氣候變化研究的重要數據，在天氣預報和氣候監測中發揮著重要作用。目前我國L波段雷達高空氣象探測系統是由GFE(L)1型二次測風雷達(以下簡稱L波段雷達)與GTS1型數字式電子探空儀(以下簡稱探空儀)組成[1-3]。此系統基本實現了探測數據采集、監測和集成的自動化，提高了探測資料的質量和精度，有效減少了錯情率和值班員的工作量。雖然L波段雷達實現了自動跟蹤，但在放球初期遭遇雷暴、大風、大霧等特殊天氣時，雷達并不能完全實現自動跟蹤。其中雷暴天氣對高空探測構成極大威脅，如大風放球丟球、探空儀受雷擊未通過500 hPa、雷達被擊壞、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，將雷暴天氣東源站上空近地面層風的變化特征進行統計分析，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，東西兩側多山，以丘陵為主，屬中亞熱帶季風區，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波段雷達投入業務使用。東源站在過去6 a的常規探測中，經歷了各種各樣的探測事件，其中雷達在近地面層丟球，是發生最多的探測事故。由于L波段雷達波瓣寬度(≤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速過大，或放球后上空風向急轉，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，雷達的探測距離大大縮短，而且會發生非常大的測角誤差，此類現象一般出現在放球初期，如未及時校正，會導致整份測風記錄失真。若丟球發生在冬季或晴好天氣的近地面層，可通過雷達攝像頭觀察或查看前一時次同高度的方位角、仰角預估氣球的氣行軌跡、或通過放球人員引導抓球等辦法可以快速找回目標。即使在規范規定的2 min范圍內無法準確找回目標，造成測風缺測部分還可用小球補測來補齊近地面層風資料[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，氣球施放后快速進入云層，攝像頭根本無法觀察，人工引導無法實現，用經緯儀補測更是難上加難，只能造成本次探測近地面層風資料缺測。吳興洋等[12]探索了L波段探空雷達丟球對策,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，提取觀測時段(07時、19時)內測站受雷暴天氣控制的全部高空風場資料，以及對應的地面瞬間風向風速資料。首先將臺站受雷暴天氣控制時地面風根據風速大小，分為3個等級繪制出地面放球瞬間風向玫瑰圖，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種地面風為基礎，進行統計整理、計算分析并繪制出東源近地面層雷達仰角在波瓣±6°范圍內(0°～12°、13°～25°、26°～38°、39°～51°、52°～64°、65°～77°、78°～90°、>90°)方位角的變化頻率圖。最后根據雷暴天氣時不同的地面風，繪制出雷暴天氣二次追蹤目標的扇掃圖(扇掃圖色調由深向淺分別表示目標主要的追蹤區和次要的追蹤區，下同)。

3 雷暴天氣東源站地面風的變化特征

雷暴是由旺盛積雨云所引起的伴有閃電、雷鳴和強陣雨的局地風暴。高空探測時段內東源探空站經常遭遇雷暴，為了在雷暴天氣探測不丟球，本文從以下3方面進行設計、分析、整理、統計和資料計算。

3.1 放球瞬間地面風速f≤1 m/s為一類

放球時段觀測到滿天Cb云，且遠處伴有閃電，結合本地多普勒雷達回波圖，判斷測站上空高空風移動方向，若雷暴云正向測站上空移來，而且高空風速較小，移動較慢，短時內未到達測站，距測站還有一段距離，設計為一類。如圖1a：從6 a的雷暴天氣地面風速f≤1 m/s時地面風向玫瑰圖看出，雖然風向呈現雜亂，但東北風和西南風兩個歷史極值點非常突出，是一類雷暴天氣地面風向的變化特征之一。

圖1 雷暴天氣地面風向玫瑰圖，(a):地面風速f≤1 m/s,(b):地面風速f≤2 m/s,(c):地面風速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

當在雷暴天氣放球時，探測環境剛好處于一類情形時，可運用圖2的扇掃方法準確追蹤目標。圖2中顯示前5 min仰角普遍偏高，第1 min極值出現在71°±6°范圍，但未出現過頂數據；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°的出現說明有部分仰角在繼續上升，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，看似趨于穩定，但第4 min出現了范圍很寬的雙重第二扇掃區域，而第5 min出現雙重首扇范圍的同時還伴有高仰角84±6°和低仰角19±6°的數據，扇掃時應注意。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22.5°為重點范圍，向兩側展開，而個別數據出現在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，扇掃時應根據雷達實時數據增加或減小相應的范圍。

圖2 雷暴天氣地面風速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進入雷暴區)，地面風速已經減弱至f=2 m/s左右，設計為二類。如圖1b：從6 a的雷暴天氣地面風速f=2 m/s時地面風向玫瑰圖看出，相比一類時風向較齊整，歷史極值只出現在180°，說明測站受二類雷暴天氣影響時地面吹南風最多。

當在雷暴天氣放球時，探測環境剛好處于二類情形時，可運用圖3的扇掃方法準確追蹤目標。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在45°±6°線范圍，第4、5 min出現了雙重首掃范圍，此外，84°±6°線和32°±6°線每分鐘都有數據出現，扇掃時在首掃線沒有找到目標時，高仰角和低仰角應注意。

圖3 雷暴天氣地面風速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，向兩側展開，且兩側范圍相比一類時明顯變窄，中心線也相對突出，此外，在270°以下數據有明顯增加，扇掃時根據雷達實時數據加強對270°以下至偏南方位的掃描。

3.3 放球瞬間地面風速f≥3 m/s為三類

當放球時段滿天Cb云，雷暴云正處于測站上空或臺風過境，風力強勁，電閃雷鳴，地風風速f≥3 m/s時設計為三類。如圖1c：從6 a的雷暴天氣地面風速f≥3 m/s時地面風向玫瑰圖看出，三類時地面風向處在180°～203°、360°～68°兩個范圍，表現非常齊整，歷史極值出現在203°～180°之間，說明三類雷暴天氣時地面吹南風和偏南風最多。

3.3.1 當在雷暴天氣放球時，探測環境剛好處于三類情形時，可運用圖4的扇掃方法準確追蹤目標。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在首掃范圍，就是占據主、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84°±6°線數據，此外，低仰角線19°±6°數據貫穿每分鐘，并未發現有超低仰角數據。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，兩側范圍極窄，北線以23°為中心線，西南線沒有突出中心點，但數據較多，扇掃時仰角以45°±6°為主，方位以北線為主，觀察雷達實時數據，若在北線未發現目標，應迅速轉動雷達180°置于西南線掃描。

3.3.2 在試驗和常規探測中發現如雷暴天氣地面風速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°再進行定位。

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

圖4 雷暴天氣地面風速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 比對測試和常規探測試驗的部分資料

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

4.1 比對測試

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

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

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

圖5 2016年10月1日19時測風原始數據Fig.5 original wind measurement data at 19∶00 on October 1st, 2016

圖6 2016年10月1日19時地面風向在f=2 m/s時地面風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

經過論證，結果表明吻合性較好，說明圖表對雷暴天氣丟球后重新找回目標有重要的輔助作用。

4.2 常規探測試驗：如圖8～圖13

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

根據三類扇掃圖，由于瞬間風速過大，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)的基礎上減去15°，將16°線設為氣球飛升后第1 min的中心線，方位角在地面風向的反方向(202°)為氣球飛升后第1 min的中心線，繪制出預測氣球飛行軌跡圖(圖10)。

準備就緒后，放球前將雷達直接置于仰角16°、方位202°，等待氣球的到來(如圖9)，放球后38 s時發現雷達亮線較好，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(如圖9)。

4.2.2 為了進一步檢驗此類方法追蹤目標的穩定性，在常規探測中多次進行測試。如：2016年7月6日19時雷暴天氣常規探測，放球瞬間地面風速為4 m/s，方位角158°，此時測站正好處于雷暴區，由于放球點過低，風速大，無法正常施放，采用過頂放球法。根據圖表三類扇掃圖，氣球施放后，將雷達轉向32°扇掃格內，預測以24°線為基準點，方位角在地面風向的反方向以330°左右為中心線，繪制出預測氣球飛行軌跡圖(圖13)。(圖12)放球后1 min內的秒數據顯示，19 s時雷達已處于預測的方位及仰角點，但亮線顯示不夠整齊，測距凹口不明顯，緩慢轉動方位角，在36 s時四條亮線明顯好轉，馬上轉入雷達自動跟蹤，并迅速使用雷達扇掃功能，40 s后目標成功鎖定，雷達跟蹤正常。

圖7 2016年10月1日19時前5 min高空風的變化特征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時測風原始數據(放球前5 min秒數據)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時測風原始數據(放球后第1 min秒數據)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時氣球實際飛行軌跡與放球前預測飛行軌跡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

①通過分析，雷暴天氣地面風向在風速f<3 m/s以下(一、二類)時，歷史地面風向變化不規律，相應近地面層風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，方位相對準確。

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

③通過對比測試和實際應用試驗，結果顯示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f≥3 m/s時，近地面層仰角、方位角均表現良好；在試驗中還發現如雷暴天氣地面風在風速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。

圖11 2016年7月6日19時測風原始數據(放球前5 min秒數據)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時測風原始數據(放球后第1 min秒數據)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時氣球實際飛行軌跡與放球前預測飛行軌跡Fig.13 The actual flight path of the balloon and the predicted flight path before the balloon release at 19∶00, 07/06, 2016