利用風廓線雷達資料分析哈爾濱機場低空急流特征

楊欣 王加平

（民航東北空管局黑龍江分局，哈爾濱 150000）

0 引言

低空急流是指在對流層600 hPa以下的強而窄的氣流帶。它與強降水時間、空氣污染、風能利用、航空安全、沙塵暴、森林火災及其他諸多天氣、氣候現象存在著密切的聯系[1]。風廓線雷達具有很高的時空分辨率，彌補了傳統探空資料時間不連續的不足。它所提供的風場資料可以很直觀地顯示氣流風場的垂直結構和持續時間[2]。風廓線雷達資料在個例研究中應用廣泛[3-7]。

近些年，專家學者對低空急流的特征進行了一系列研究，發現低空急流與強降水密切相關。趙強等[8]在進行兩次陜北暴雨過程熱力動力機制診斷時指出低空急流對水汽和能量的輸送改變了大氣的濕度、熱力條件。金巍等[9]在研究一次大暴雨過程中低空急流演變與強降水的關系時指出強降水的強弱和低空急流的強度和伸展高度直接相關。賽瀚等[10]在總結中國地區低空急流研究進展時指出低空急流與暴雨、暴雪有緊密的聯系，但也存在不具備輸送和累積水汽的性能的低空急流。陳楠等[11]在利用風廓線雷達資料對南京地區低空急流的統計分析時發現低空急流中心速度的增強有利于降水的發生。

目前，利用多年的風廓線雷達資料進行低空急流的系統性統計分析較少。本文利用2019—2021年風廓線雷達資料，揭示低空急流的年變化和日變化特征，并分別對低空急流的強度、高度、風向、持續時間特征進行統計分析，且對低空急流與降水之間的關系進行探究，為哈爾濱機場強降水的短時臨近預報、保障飛行安全提供參考。

1 資料和方法

本研究按照低空急流定義，選取出現在3000 m高度以下，風速≥12 m/s，且持續時間≥4 h，各個高度層的風向一致為1個低空急流樣本。為了保證統計結果的代表性和有效性，統計時對風廓線雷達數據做出如下規定：1 d中出現低空急流并且持續時間≥4 h計為出現1個低空急流日；若出現連續4 h以上的急流，但是跨越2 d，計為2個低空急流日；低空急流中心選取最大風速所在高度，若有2個以上高度出現相同的最大風速，則取最低高度。

本文采用2019—2021年逐小時風廓線雷達資料進行統計分析。風廓線雷達是由中國航天科工集團第二研究院二十三所生產的CFL-03型邊界層風廓線雷達，建設于哈爾濱太平國際機場跑道東南側（126°23′17″E、45°54′27″N），海拔高度44.4 m，于2018年10月24日投入使用，設備運行穩定，雷達性能正常，數據可靠。雷達工作頻率1320 Hz，時間分辨率≤6.0 min，風向誤差≤1.0°，風速誤差≤10 m/s，低模式高度分層16層，測風高度100～1500 m，高模式高度分層20層，測風高度800～4700 m。降水資料選用哈爾濱太平國際機場觀測月總薄和年總薄資料。為與低空急流統計方式保持一致，規定若在同1 d中降水出現一段時間后消失，間隔一段時間后又一次出現，累計4 h以上也只計為1個降水日；若出現4 h以上連續性降水，但是跨越2 d，計為2個降水日。

統計學處理采用SPSS統計軟件處理數據，相關性分析采用雙變量Pearson檢驗。對于X和Y變量，有n個樣本（x1，y1）（x2，y2）…（xn，yn），則Pearson相關系數r為：

通過查閱t分布表，得知p值的大小，從而判定當前回歸系數是否有意義，當p＜0.05時，為差異有統計學意義。

2 低空急流的統計特征

2.1 月變化特征

對2019—2021年風廓線雷達資料進行統計，共篩選出646個低空急流樣本。圖1給出哈爾濱機場2019—2021年低空急流日數月變化。分析發現哈爾濱機場的低空急流在5月和9月出現峰值，在7月和12月出現谷值，全年低空急流次數月變化呈現出先增大，后減小，再增大的特征。同時，存在明顯的季節變化特征，即春、秋季為高值，夏、冬季為低值。12月—次年2月（冬季）低空急流出現次數最少，平均每年40次左右，從3月開始低空急流次數明顯增多，在3—5月（春季）是低空急流高發期，平均每年63次左右，為一年中出現低空急流最多的季節，9—11月（秋季）次之，6—8月（夏季）低空急流發生次數介于秋季和冬季之間。這與李健等[12]研究指出環渤海地區夏末、秋季低空急流出現次數相對較少，春季、夏初是急流頻發時期有差異，與李佳[13]研究表明華南地區4—6月低空急流事件逐月增多，8月和9月迅速減少也有一定差異。說明低空急流的月變化特征有明顯的地域差異。

圖1 2019—2021年哈爾濱機場低空急流日數月變化Fig.1 Monthly changes of occurring days of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

2.2 日變化特征

統計低空急流出現時間日變化特征（表1）發現，低空急流在一天中的任何時刻均可發生。低空急流出現時間的日變化特征（表1）是在早晨到上午（06—12時，北京時，下同）出現的次數最多，平均每年86次，從午后開始逐漸減少，下午（12—18時）平均每年52次，到夜間（18—24時）次數達到最低，平均每年38次，此后次數又逐漸增多，次日凌晨（00—06時）平均每年42次。這與王東阡等[14]研究發現中國東南大部分地區在夜間和早晨（18時和00時）發生頻率較高，而在白天和傍晚（08時和12時）發生頻率較低有一定差異。說明低空急流的日變化也有地域性特征。

表1 2019—2021年哈爾濱機場低空急流出現時間日變化Table 1 Daily changes of the occurrence time of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

3 低空急流中心特征統計分析

3.1 低空急流風向和持續時間

圖2為2019—2021年哈爾濱機場低空急流風向時間序列，分析可知，哈爾濱機場低空急流風向在180°～270°的天數最多，以西南風為主，其次為270°～360°，為西北風，風向在0°～90°的東北向的急流最少，東北向的低空急流在每年秋季出現的較多。因此，哈爾濱機場低空急流以西南急流為主，西南急流常常挾帶著充沛的水汽，這為本研究討論的降水與急流風速和風向的關系提供依據。

圖2 2019—2021年哈爾濱機場低空急流風向時間序列Fig.2 Time series of wind direction of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

從低空急流持續時間變化來看（圖3），持續時間為7～12 h的天數最多，為238 d，占總天數的37%，持續時間＞18 h的次之，為177 d，占總天數的27%，持續時間為12～18 h的天數為137 d，占總天數的21%，持續時間為4～6 h的天數最少，為94 d，占總天數的15%。

圖3 2019—2021年哈爾濱機場低空急流持續時間頻次統計Fig.3 Frequency statistics on the duration of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

3.2 低空急流中心高度和風速

表2為2019—2021年哈爾濱機場低空急流中心高度出現次數，分析可知哈爾濱機場低空急流出現的最低高度為100 m，最大高度為3000 m，平均高度為1120 m，出現頻率最多的范圍為1500～2000 m，為258次，占總數的44%，其次為2000～2500 m，為118次，占總數的20%，出現在1000～1500 m和2500～3000 m的次數相近，分別為75次和76次，均占總數的13%，出現頻率最少的為0～500 m，為19次，占總數的3%?？梢姽枮I機場出現超低空急流的頻次較少。

表2 2019—2021年哈爾濱機場低空急流中心高度出現次數Table 2 Frequency statistics on the center height of lowlevel jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

統計2019—2021年哈爾濱機場低空急流中心風速出現次數（圖4）發現，哈爾濱機場出現的低空急流中，風速最大值為40 m/s，最小值為12 m/s，平均風速為21 m/s，出現概率最高的風速值為20 m/s，其次為24 m/s，出現概率最低的風速值為12 m/s。整體分布形態符合正態分布特征，這為之后研究低空急流與降水的相關性提供依據。

圖4 2019—2021年哈爾濱機場低空急流中心風速出現次數Fig.4 Frequency statistics on the central wind speed of low-level jets at Harbin Airport from 2019 to 2021

4 低空急流與降水的相關性分析

4.1 降水日數統計

利用哈爾濱機場觀測月總薄和年總薄資料進行統計，出現在哈爾濱機場單日累計降水量超過0.1 mm計為1個降水日。據統計，2019—2021年共有降水日401 d，其中8月降水日數最多，平均每年為18 d，其次是6月，平均每年16 d，12月降水日數最少，平均每年為1.7 d。3年中，單日最大降水量出現在8月2次，出現在9月1次，單日最大降水量為139.2 mm，出現在2021年8月21日。

4.2 低空急流與降水的統計分析

為統計低空急流和降水的關系，選取2019—2021年4—9月的低空急流和降水的樣本，將出現低空急流的日數按照有無降水進行統計（圖5），將有急流、有降水定義為有降水日，將有急流、無降水定義為無降水日。6—8月是低空急流出現最頻繁的月份，其中8月無降水日為0，說明8月出現的低空急流均伴隨著降水出現，6月和7月有少數天數有低空急流卻無降水，與當日風廓線雷達溫廓線產品進行對比，大部分無降水日都有逆溫層存在，且逆溫層存在的時間與低空急流存在的時間吻合，可以推測低空急流無降水日的出現跟逆溫層有關。

圖5 2019—2021年4—9月哈爾濱機場低空急流按有無降水統計Fig.5 Statistics on low-level jets with or without precipitation at Harbin Airport from April to September during 2019－2021

將2019—2021年4—9月低空急流中心最大風速和單日最大降水量進行相關性檢驗，采用的樣本數為241個，他們之間的相關系數為0.427，顯著性為0.013，通過0.05的顯著性水平檢驗，說明兩組數據顯著相關，低空急流中心最大速度的增大可能導致單日最大降水量的增多。

4.3 低空急流出現時間與降水開始時間的統計分析

為進一步分析低空急流與降水之間的關系，對2019—2021年4—9月低空急流出現時間與降水開始時間進行統計（圖6），降水開始時間發生在00—06時的有43次，發生在06—12時的有48次，發生在12—18時的有94次，發生在18—24時的有50次，降水開始時間較低空急流出現時間有延遲，降水一般發生在低空急流開始輸送后的3～6 h，低空急流通常挾帶著充沛的水汽，當水汽累積到一定程度后就開始形成降水。

圖6 2019—2021年4—9月哈爾濱機場低空急流出現時間與降水開始時間Fig.6 The occurrence time of low-level jets and the start time of precipitation at Harbin Airport from April to September during 2019－2021

5 總結與討論

文中利用2019—2021年風廓線雷達資料對哈爾濱機場低空急流的特征進行分析，并利用哈爾濱機場觀測月總薄和年總薄資料對2019—2021年降水情況進行統計，并對低空急流與降水進行相關性分析，得到了以下結論。

1）哈爾濱機場的低空急流有明顯的季節性變化特征，春、秋季出現的概率明顯高于夏、冬季。低空急流在一天中的任何時刻均可發生，其出現時間的日變化特征是在早晨到上午出現的次數最多，從午后開始逐漸減少，到午夜次數達到最低，此后次數又逐漸增多。

2）哈爾濱機場的低空急流以西南急流為主，從低空急流持續時間變化來看，持續時間為7～12 h的天數最多，持續時間＞18 h的次之，持續時間為4～6 h的天數最少。

3）哈爾濱機場的低空急流中心高度主要集中在1500～2000 m，中心速度集中在20 m/s。

4）哈爾濱機場夏季的低空急流與降水有密切關系，春季的低空急流不僅跟降水有關系，還和逆溫層的存在有關，低空急流中心最大速度和單日最大降水量顯著相關，低空急流中心速度的增大可能導致單日最大降水量的增多。