鞏敏瑩,黎 巍,崔竹囡,高 潔

(西北空管局氣象中心,西安 710082)

咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)對(duì)流天氣中高層垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)初探

鞏敏瑩,黎 巍,崔竹囡,高 潔

(西北空管局氣象中心,西安 710082)

對(duì)2011年西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)所有雷暴日雷暴發(fā)生時(shí)間前后的NCEP1°×1°再分析資料的400hPa垂直速度場(chǎng)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)雷暴發(fā)生在中高層為上升氣流區(qū)的環(huán)境中,少數(shù)雷暴發(fā)生在中高層為下沉氣流區(qū)的環(huán)境中。進(jìn)一步的研究表明:當(dāng)?shù)蛯訛楦邷馗邼袂矣忻黠@輻合運(yùn)動(dòng)時(shí),中高層的垂直速度場(chǎng)對(duì)雷暴的出現(xiàn)并不起決定性的作用;但當(dāng)?shù)蛯拥膶?duì)流條件不明顯,而中高層為強(qiáng)的上升氣流區(qū)時(shí),仍有發(fā)生雷暴的可能。研究為雷暴天氣的預(yù)報(bào)提供了新的思路,提醒預(yù)報(bào)員在低層對(duì)流條件不明顯時(shí),還需關(guān)注中高層強(qiáng)上升氣流區(qū)的作用。

雷暴;垂直速度場(chǎng);高溫高濕

雷暴天氣是影響民航安全的災(zāi)害性天氣之一。與冬季大霧相比,夏季雷暴天氣不僅對(duì)機(jī)場(chǎng)有重要影響,還對(duì)航路飛行有明顯影響。由于雷暴云中常常伴有閃電、強(qiáng)烈的顛簸和積冰,不利于飛機(jī)的安全飛行。為了避免遭遇雷擊、強(qiáng)烈的顛簸和積冰,飛機(jī)需繞開雷暴云飛行,造成空管指揮程序復(fù)雜化,調(diào)配壓力增大,飛行間隔加大,空域容量減小等情況,這些不利因素對(duì)于非常脆弱的正常飛行鏈條會(huì)產(chǎn)生一系列影響,尤其當(dāng)大范圍雷暴云團(tuán)處于主要航路時(shí),會(huì)造成全國(guó)范圍航班的不正常;而且雷暴天氣同樣對(duì)機(jī)場(chǎng)也會(huì)造成嚴(yán)重的影響,伴隨雷暴出現(xiàn)的低云、低能見度、下?lián)舯┝?、低空風(fēng)切變等都對(duì)起降飛機(jī)構(gòu)成巨大威脅,雷電、冰雹、強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)降水等會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備造成損壞。

雷暴是由較強(qiáng)發(fā)展的對(duì)流云引發(fā),在早期雷暴的研究中,已經(jīng)認(rèn)識(shí)雷暴發(fā)生需要有三個(gè)要素:水汽、條件不穩(wěn)定層結(jié)和啟動(dòng)機(jī)制[1]。對(duì)于第一和第二條件,可以通過分析溫度對(duì)數(shù)壓力圖來(lái)判斷大氣的溫濕層結(jié)是否有利于對(duì)流的發(fā)生。而在溫濕環(huán)境方面前人也做出了許多令人矚目的研究成果,例如干暖蓋的存在,會(huì)使低層的不穩(wěn)定能量得到大量的累積,從而在干暖蓋受到破壞時(shí)引發(fā)雷暴天氣[2]。對(duì)于雷暴發(fā)生的動(dòng)力條件,由于大氣運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性,研究似乎較為困難。從天氣系統(tǒng)方面來(lái)講,冷鋒、高空槽、切變線、低渦、臺(tái)風(fēng)等均能產(chǎn)生抬升運(yùn)動(dòng),從而引發(fā)雷暴。過去的研究還認(rèn)為雷暴發(fā)生時(shí)低層輻合和上升運(yùn)動(dòng)的環(huán)境場(chǎng)有利于雷暴的發(fā)生[3]。還有研究認(rèn)為風(fēng)的垂直切變?cè)綇?qiáng),越有利于對(duì)流的發(fā)生[4]。在陜西的雷暴天氣研究中,也有許多成果:許新田等分析了2010年春季陜西中南部一次暴雪和雷暴天氣的觸發(fā)條件及中尺度特征[5];劉宏總結(jié)了2011年陜西省雷電活動(dòng)特征[6],發(fā)現(xiàn)陜北南部、渭北和陜南西南部為陜西省雷電高發(fā)區(qū);肖湘卉等對(duì)兩次強(qiáng)對(duì)流天氣的熱力不穩(wěn)定條件進(jìn)行了對(duì)比[7];王秀成等分析了陜西中南部一次秋季強(qiáng)雷暴天氣過程[8],認(rèn)為強(qiáng)天氣出現(xiàn)在雷暴云右后部下沉輻散氣流中心附近;高菊霞等從物理量場(chǎng)的角度對(duì)陜西兩次特強(qiáng)雷電天氣過程進(jìn)行了對(duì)比分析[9],認(rèn)為最強(qiáng)正閃出現(xiàn)在中層相對(duì)濕度大于50%的區(qū)域內(nèi),相對(duì)濕度急劇增大時(shí),最強(qiáng)正閃出現(xiàn)時(shí)垂直上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng);而負(fù)閃出現(xiàn)在中層相對(duì)濕度大于80%的區(qū)域內(nèi),中層相對(duì)濕度減小梯度較大處或者相對(duì)濕度增大梯度較小時(shí),最強(qiáng)負(fù)閃出現(xiàn)時(shí)垂直上升運(yùn)動(dòng)較弱。而在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn),雷暴天氣表現(xiàn)非常復(fù)雜,K指數(shù)和沙氏指數(shù)在雷暴預(yù)報(bào)中有重要的指示作用,但雷暴的強(qiáng)度和落區(qū)與K指數(shù)和沙氏指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系卻很不穩(wěn)定;常規(guī)天氣圖表在預(yù)報(bào)中非常重要,反應(yīng)了實(shí)際大氣狀況,但當(dāng)天氣尺度強(qiáng)迫作用較弱,細(xì)微的物理?xiàng)l件變化在常規(guī)高低空天氣圖上很難表達(dá)出來(lái),預(yù)報(bào)員很難捕捉到影響雷暴發(fā)生發(fā)展的有利條件和觸發(fā)機(jī)制;數(shù)值預(yù)報(bào)在近年來(lái)發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用,對(duì)穩(wěn)定性降水的預(yù)報(bào)效果較為理想,但對(duì)雷暴這種對(duì)物理?xiàng)l件非常敏感的對(duì)流天氣而言,預(yù)報(bào)與實(shí)況仍有較大出入。所以由于雷暴天氣影響巨大而精確預(yù)報(bào)非常困難,雷暴一直是航空氣象研究的重點(diǎn)。

1 資料與方法

雷暴天氣的發(fā)生與各個(gè)層次的環(huán)境場(chǎng)均有關(guān)系,以往的研究多側(cè)重于低層,而對(duì)于中高層的研究仍顯不足,而400hPa高度在7km左右,夏季其溫度在-20℃左右,民航氣象航站重要天氣評(píng)分規(guī)則中CB云的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為頂高在8 km以上的對(duì)流云,在以往的研究中也認(rèn)為當(dāng)云頂溫度低于-20℃則出現(xiàn)雷電的可能性較大。所以400hPa的物理量場(chǎng)對(duì)雷暴的研究也非常重要,若對(duì)流云能發(fā)展到該層次,則出現(xiàn)雷電的可能性大。因此選取咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)2011年雷暴過程的NCEP1°×1°再分析資料,使用客觀分析方法,對(duì)400hPa的垂直速度場(chǎng)進(jìn)行研究。

2 2011年雷暴日介紹

2011年咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)共出現(xiàn)雷暴日為11d,其中4月發(fā)生1d,6月2d,7月4d,8月4d,其中8月15日和16日為一次雷暴過程,因跨16時(shí) (以下時(shí)間除特別說(shuō)明外均為世界時(shí))日界,記為兩個(gè)雷暴日,實(shí)際雷暴過程為10次(見表1)。由表1可以看出,2011年咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)雷暴多發(fā)生在夜間,平均持續(xù)時(shí)間在2h左右,其中以8月15日持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),達(dá)4h41min,且伴隨出現(xiàn)了29m/s的地面陣風(fēng),是咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)建場(chǎng)以來(lái)最大的雷暴大風(fēng)。

表1 2011年咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)雷暴過程發(fā)生時(shí)間、結(jié)束時(shí)間(世界時(shí))、持續(xù)時(shí)間

3 中高層垂直速度場(chǎng)分析

3.1 雷暴的發(fā)生對(duì)應(yīng)中高層上升氣流區(qū)

對(duì)2011年咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)發(fā)生在00:00、06:00、12:00、18:00標(biāo)準(zhǔn)時(shí)次附近的雷暴個(gè)例進(jìn)行中高空垂直速度場(chǎng)分析 (個(gè)例為4月16日、6月9日、7月15日、7月17日、8月28日),發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)雷暴發(fā)生時(shí)中高層對(duì)應(yīng)上升氣流區(qū)。以6月9日發(fā)生的雷暴為例,從18時(shí)400 hPa垂直速度場(chǎng) (圖1)上可以看到咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)雷暴發(fā)生時(shí),河套區(qū)域?yàn)樯仙龤饬鲄^(qū),咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)處于上升氣流區(qū)的中心位置附近。

圖1 2011-06-09T18400hPa垂直速度場(chǎng)(單位為10-4hPa/s;·為咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)位置,下同)

圖2 2011-06-06400hPa垂直速度場(chǎng)(a06時(shí);b12時(shí))(單位為10-4hPa/s)

對(duì)于2011年發(fā)生在00:00、06:00、12: 00、18:00時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)次之間的雷暴個(gè)例,分析了雷暴發(fā)生前和發(fā)生后中高層垂直速度的變化,發(fā)現(xiàn)雷暴發(fā)生前關(guān)中地區(qū)中高層存在下沉氣流區(qū),雷暴發(fā)生后為上升氣流區(qū)。此類個(gè)例包括6月6日、7月21日、8月25日發(fā)生的雷暴。以6月6日為例,雷暴發(fā)生于09:45至10:18,當(dāng)日06時(shí)400hPa垂直速度場(chǎng)(圖2a)上,關(guān)中地區(qū)為下沉氣流區(qū),當(dāng)時(shí)咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)并未發(fā)生雷暴;而到12時(shí)400hPa垂直速度場(chǎng)(圖2b)上整個(gè)河套區(qū)域卻表現(xiàn)為一致的上升氣流區(qū),咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)所處位置在關(guān)中的中部,在發(fā)生轉(zhuǎn)換的時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)了雷暴天氣。

以上8個(gè)例子均表明在雷暴發(fā)生時(shí),中高空為上升氣流區(qū)環(huán)境,占到了10次過程的十分之八,比率非常高,表明中高層上升氣流區(qū)有利于對(duì)流活動(dòng)向上發(fā)展。

3.2 雷暴的發(fā)生對(duì)應(yīng)中高層下沉氣流區(qū)

以上的個(gè)例分析表明雷暴多發(fā)生在中高層為上升氣流區(qū)的環(huán)境中,但也有不同的情況,在中高層為下沉氣流區(qū)的環(huán)境中也有雷暴發(fā)生的個(gè)例,但個(gè)例較少,僅有2例,分別發(fā)生在7月28日和8月15日。以7月28日雷暴為例,分析當(dāng)日12時(shí)中高層垂直速度場(chǎng) (圖3),發(fā)現(xiàn)關(guān)中中南部均為較強(qiáng)的下沉氣流區(qū),咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)接近下沉氣流中心位置。但通過分析兩次雷暴過程的形勢(shì)場(chǎng)和物理量場(chǎng),發(fā)現(xiàn)有非常明顯的共性,形勢(shì)上均處于西太平洋副熱帶高壓的西北側(cè) (圖略),低層水汽條件非常理想,過程前均持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的高溫天氣,低層大氣蘊(yùn)含大量不穩(wěn)定能量,即低層為高溫高濕的不穩(wěn)定大氣。在此條件下,當(dāng)有抬升作用出現(xiàn),極易誘發(fā)雷暴天氣。在西北地區(qū)造成或誘發(fā)抬升作用的一般多為低槽或東移冷鋒。分析這兩次過程的物理量場(chǎng),發(fā)現(xiàn)低層大氣的比濕都很大(圖略),850hPa比濕均在17g/kg左右,700hPa比濕均大于11g/kg,為非常理想的水汽條件;散度場(chǎng)上低層存在明顯的輻合區(qū),且都表現(xiàn)為850hPa輻合較700hPa輻合明顯(圖略),輻合運(yùn)動(dòng)有利于空氣中的水汽發(fā)生抬升凝結(jié),造成潛熱釋放,產(chǎn)生熱浮力,有利于對(duì)流的發(fā)展。

圖3 2011-07-28T12400hPa垂直速度場(chǎng)(單位:10-4hPa/s)

通過以上的分析可以得知,在高溫高濕的條件下,即使中高層為下沉氣流區(qū)仍有可能發(fā)生雷暴,低槽等天氣系統(tǒng)或熱力作用引發(fā)的對(duì)流會(huì)非常強(qiáng)烈,可以沖破中高層下沉氣流的壓制繼續(xù)向上發(fā)展。

3.3 實(shí)例

為了說(shuō)明中高層垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)對(duì)對(duì)流活動(dòng)的發(fā)生具有重要的作用,對(duì)咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)2012年4月20日一次雷暴過程進(jìn)行分析。當(dāng)日07:36至08: 07咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了一次伴有冰雹的強(qiáng)雷暴過程,在716A-43天氣雷達(dá)PPI回波圖上,該雷暴云團(tuán)水平尺度只有20km,回波強(qiáng)度達(dá)到55dBz以上(圖4),具有水平尺度小、回波強(qiáng)度大的特點(diǎn)。

分析該過程的形勢(shì)場(chǎng),發(fā)現(xiàn)低層對(duì)流條件并不明顯。4月20日雷暴發(fā)生前06時(shí)河套中南部中低層(500～850hPa)為一致的西北氣流(圖略),并沒有明顯的系統(tǒng)活動(dòng),只有中高層(400 hPa以上)有明顯的低槽位于河套中部,并已經(jīng)進(jìn)入陜西的西部(圖略)。850hPa比濕為6g/ kg、700hPa為4g/kg,低層大氣非常干燥(圖略)。分析西安站4月20日00:00的溫度對(duì)數(shù)壓力圖,也可發(fā)現(xiàn)環(huán)境大氣的溫濕層結(jié)也不利于對(duì)流的發(fā)展,并非下濕上干的層結(jié)。K指數(shù)僅為26.4℃,沙氏指數(shù)為2.3℃,均未達(dá)到對(duì)流發(fā)生的有利條件(圖5)。

圖4 2012-04-20咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)雷暴716A-43天氣雷達(dá)回波 (圖中時(shí)間為北京時(shí))

圖5 2012-04-20T08西安站溫度對(duì)數(shù)壓力圖(時(shí)間為北京時(shí))

分析4月20日06時(shí)400hPa垂直速度場(chǎng)可發(fā)現(xiàn)在陜西西部有非常明顯的上升氣流區(qū) (圖6),且隨著高空低槽的逐漸東移,上升氣流區(qū)必然逐漸東移影響到關(guān)中地區(qū),造成關(guān)中地區(qū)有利的中高層垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)條件,利用400hPa高空風(fēng)速推算,在06時(shí)后1.5h上升氣流區(qū)正好位于咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)附近,到12時(shí)高空低槽已經(jīng)移出陜西區(qū)域,400hPa轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅睔饬?垂直速度場(chǎng)為下沉氣流區(qū),不再有利于對(duì)流的發(fā)展。

圖6 2012-04-20T06400hPa垂直速度場(chǎng)(單位:10-3m/s)

通過以上的雷暴過程分析可以看出,雖然在低層沒有有利的濕度條件、不穩(wěn)定條件、抬升條件,但當(dāng)中高層為強(qiáng)烈的上升氣流區(qū)時(shí)仍有可能發(fā)生雷暴,且有發(fā)生強(qiáng)雷暴的可能性。

4 結(jié)論與討論

(1)咸陽(yáng)2011年多數(shù)雷暴過程對(duì)應(yīng)中高層為上升氣流區(qū);少數(shù)雷暴發(fā)生在中高層的下沉氣流區(qū)中,對(duì)應(yīng)低層為高溫高濕的強(qiáng)烈不穩(wěn)定對(duì)流環(huán)境。

(2)雷暴是非常復(fù)雜的天氣系統(tǒng),當(dāng)?shù)蛯拥膶?duì)流條件非常理想時(shí),則高層的垂直速度場(chǎng)影響較弱;但當(dāng)?shù)蛯拥膶?duì)流條件并不顯著時(shí),高層的上升氣流區(qū)會(huì)發(fā)揮重要的作用,造成雷暴天氣的發(fā)生。研究為雷暴天氣的預(yù)報(bào)提供了新的思路,提醒預(yù)報(bào)員在低層對(duì)流條件不明顯時(shí),還需關(guān)注中高層強(qiáng)上升氣流區(qū)的作用。

(3)當(dāng)對(duì)流活動(dòng)發(fā)展到500hPa以上時(shí),如果從動(dòng)力條件考慮,中高層為上升氣流區(qū)則有利于該對(duì)流活動(dòng)繼續(xù)向上發(fā)展,如果中高層為下沉氣流區(qū)則由于下沉氣流的壓制而不利于對(duì)流向上發(fā)展。當(dāng)對(duì)流活動(dòng)達(dá)到400hPa高度,云頂溫度低于-20℃則容易產(chǎn)生雷暴天氣。

(4)當(dāng)?shù)蛯訛楦邷馗邼竦臈l件,不論是由于天氣系統(tǒng)移動(dòng)造成的系統(tǒng)性的雷暴還是由于熱力增溫造成的局地性對(duì)流活動(dòng),其熱浮力作用會(huì)較為明顯,能夠克服中高層的下沉運(yùn)動(dòng),并由于中高層環(huán)境大氣的下沉運(yùn)動(dòng)造成與上升氣流的摩擦作用增強(qiáng),并由于中層干冷入流加強(qiáng),從而引發(fā)較強(qiáng)的雷電現(xiàn)象。

(5)樣本數(shù)量有限,深入研究還需收集更多的資料,且由于雷暴發(fā)生的過程非常復(fù)雜,研究只涉及到中高層垂直速度場(chǎng)一個(gè)方面,有一定的局限性。另外所使用的NCEP1°×1°再分析資料在時(shí)間和空間分辨率還很不足,為研究工作也帶來(lái)了許多困擾。

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P434.2

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1006-4354(2014)01-0029-05

2013-07-03

鞏敏瑩(1974—),女,漢族,陜西三原人,碩士,高工,從事航空天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)及研究。