杜安妮，陳陽權

(民航新疆空中交通管理局氣象中心，烏魯木齊830016)

0 引言

強對流天氣是氣象學上所指的發(fā)生突然、移動迅速、天氣劇烈、破壞力極強的災害性天氣，常帶來雷暴大風、短時強降水、冰雹等惡劣天氣，是具有重大殺傷性的災害性天氣之一。強對流天氣空間尺度小，生命史短暫并帶有明顯的突發(fā)性，對人民的生命財產安全和國民經濟造成巨大的危害[1-3]。國內外學者針對此類天氣過程做了大量工作，沈杭鋒[4]等利用多種資料從熱力不穩(wěn)定、水汽條件和觸發(fā)機制方面分析了浙江盛夏強對流天氣的成因；許愛華[5]等對中國近百次強對流天氣進行分析，闡述了強對流的生成環(huán)境和觸發(fā)條件。對于民航業(yè)而言，雷雨及所伴隨的大風、短時強降水、低空風切變等強對流天氣對航空安全威脅巨大[6]，造成機場大面積航班延誤，嚴重影響航空飛行的安全。

烏魯木齊國際機場氣象學者對該地強對流天氣也做了大量的研究，如張利平[7]等從與強對流天氣發(fā)生相關的不正常事件中分析了該類天氣的預報和服務能力，認為較難把握該類天氣在機場出現的時間，但結束時間一般預報較為準確。 2020-06-05新疆北部地區(qū)出現了大范圍的強對流天氣過程，烏魯木齊機場也相繼出現了西北大風、雷雨、短時沙塵暴等天氣，對航班正常運行造成了嚴重的影響。文章利用FNL 0.25°× 0.25°再分析資料、加密自動氣象站和機場自動觀測資料，以及多普勒雷達資料等，通過對環(huán)流背景、不穩(wěn)定條件、水汽條件、抬升觸發(fā)機制等進行成因診斷分析，逐步積累經驗，以提高對此類天氣的預報和服務能力。

1 天氣實況及其對飛行的影響

2020-06-05，受高空槽、切變線、低空偏西急流共同影響，北疆大部、天山山區(qū)局地出現了大范圍的西北大風、雷暴、局地冰雹、局地暴雨等天氣過程。烏魯木齊機場于5日19：00出現西北大風和短時沙暴天氣，短時主導能見度500 m，19：34-20：30出現雷雨天氣，20：30轉小陣雨，持續(xù)至6日01：30，過程降水量為7.4 mm。受此次雷雨大風天氣直接或間接影響，造成航班延誤36架次，備降11架次，返航2架次，航空器復飛2架次。

在強對流天氣過程中，由于風的陣性變化，易產生較強的水平風切變。烏魯木齊機場目前還沒有能夠直接探測此類風切變的設備或系統，對機場的水平風切變的研究多使用美國在跑道風切變預警中采用的方法進行跑道風切變的計算[8，9]。通過對烏魯木齊機場逐15 s自動觀測風向風速數據進行分析和計算可知，在強對流來臨時(18：00-19：00)，25跑道與07跑道方向風速存在較大差異，水平風切變值在18：05達到11.8 m/s，之后多個時刻都達到或超過7.7 m/s的參考值，在1 h內，跑道上或近跑道區(qū)域的風切變造成了2架航空器復飛。而在強對流發(fā)生過程中，雖然07和25方向風速都較大，但風存在很強的陣性，跑道風切變也頻繁超過參考標準。在強對流影響的后期(20：30-21：00)，風速雖然較前期有所減小，但仍然存在較大的風向和風速差異，也產生了較強的水平風切變。

2 環(huán)流形勢演變特征

從500 hPa、700 hPa、850 hPa高空環(huán)流形勢上分析，2020-06-03—2020-06-04在500 hPa環(huán)流形勢上，伊朗高壓北頂與烏拉爾山脊同位相疊加，烏拉爾山脊迅速發(fā)展，脊前北風帶加強并引導北方冷空氣南下，在西西伯利亞地區(qū)有低渦穩(wěn)定維持。至5日，低渦后部分裂低槽沿偏北氣流南下，攜帶冷空氣迅速影響新疆地區(qū)。700 hPa中緯度有1支偏西低空急流攜帶暖濕氣流進入北疆區(qū)域。14：00分裂南下的高空槽主力位于巴湖東北方向，東移開始影響北疆西部、北部地區(qū)，700 hPa上的偏西急流從伊犁河谷伸入北疆沿天山一帶，850 hPa在伊犁河谷至北疆北部阿勒泰一帶有強高空鋒區(qū)，溫度梯度大，在溫度梯度區(qū)前部形成了明顯的冷式切變，從北疆北部一直延伸到北疆西部地區(qū)。從整層配置來看，700～500 hPa影響系統幾乎垂直，850～700 hPa略有后傾，鋒區(qū)坡度大，且隨西伯利亞低渦后部再次分裂低槽南下，預示著影響系統將快速東移南下影響北疆地區(qū)。

隨著高空槽迅速東移南下，5日20：00，500 hPa槽區(qū)迅速移動至北疆中部地區(qū)，700 hPa輻合區(qū)移至烏魯木齊機場附近，850 hPa強溫度梯度區(qū)位于烏魯木齊機場及偏東方向。由此可見，強冷空氣在6 h內影響了北疆大部分地區(qū)。

受500 hPa高空槽、700 hPa和850 hPa冷式切變的共同影響，北疆出現大范圍的西北大風、局地雷雨、冰雹等天氣。烏魯木齊機場的雷暴大風就發(fā)生在此次強冷空氣快速東移的背景下，中低層前部暖濕平流和冷空氣入侵、低層的輻合切變分別提供了不穩(wěn)定能量和動力條件。

3 成因診斷分析

3.1 熱力不穩(wěn)定能量和水汽條件分析

假相當位溫綜合反映了大氣的溫濕狀況，通常假相當位溫隨高度增大，若其隨高度減小，表明大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由14：00 850 hPa假相當位溫可見，北疆西部、北部、北疆沿天山一帶處于假相當位溫的大值區(qū)中，假相當位溫的值大于330 K，為高能舌區(qū)，而發(fā)生在伊犁河谷、北疆沿天山一線、北疆北部的強對流天氣均位于高能舌區(qū)內。通常500 hPa和850 hPa的假相當位溫差值可以用來表征大氣的不穩(wěn)定度，負值越大，表明大氣越不穩(wěn)定。14：00，伊犁河谷、北疆沿天山一線、北疆北部其差值均處于-5 K以下，局地達到了-10 K以下，表明大氣處于較強的熱力不穩(wěn)定狀態(tài)中，其位置和范圍與高能舌區(qū)相對應。至20：00，隨著強冷空氣的進入及強對流的發(fā)生，北疆的高能舌區(qū)消失，500 hPa與850 hPa假相當位溫差增大至5 K以上，可見從14：00-20：00，北疆地區(qū)釋放不穩(wěn)定能量，大氣從不穩(wěn)定狀態(tài)逐漸轉為穩(wěn)定狀態(tài)。

對流有效位能CAPE是具有明確物理意義的熱力不穩(wěn)定參數，CAPE越大，對流發(fā)展高度越高，對流強度越大[10]。分析新疆區(qū)域對流有效位能區(qū)域分布可知，在14：00北疆大部地區(qū)均有一定的對流有效位能區(qū)，其中北疆沿天山一帶，尤其是石河子至烏魯木齊以東的天山北坡一線，對流有效位能達到600～900 J/kg，形成1個對流有效位能的大值區(qū)，中心位于烏魯木齊附近，烏魯木齊機場位于中心點北部邊緣。可見，一旦有合適的啟動機制，就可能觸發(fā)強對流。至20：00，北疆區(qū)域的對流有效位能明顯減小，石河子至烏魯木齊一帶的天山北坡對流有效位能大值區(qū)消失，所以，14：00-20：00是不穩(wěn)定能量釋放的時段，這與假相當位溫的分析結論一致。

圖1(a，b)是由再分析資料計算得到的溫度對數壓力圖，從5日14：00的圖上可見，500 hPa以下大氣濕度較小，濕層較高，K指數為28 ℃，對流有效位能CAPE已經有所累積，達到了780 J/kg，同時具備一定的對流抑制能CIN達287 J/kg，可見只要有合適的抬升機制，就可以克服對流抑制而爆發(fā)強對流。至5日20：00，對流有效位能已經明顯減小，能量得到釋放，從溫度和露點廓線結構來看，飽和濕層有明顯的下降，主要集中在850～600 hPa，在600 hPa以上及850 hPa以下比較干，可見在對流發(fā)生前期，600 hPa以上有干冷空氣入侵，同時由于低層比較干燥，中層產生的降水在低層因為蒸發(fā)而使溫度下降，冷空氣下沉達到地面時產生地面大風，這與烏魯木齊機場產生的短時雷暴大風時段是一致的。

從圖1(c)的時間剖面圖中可見，在5日20：00前，假相當位溫隨高度減小，可見氣層處于不穩(wěn)定狀態(tài)，同時飽和濕層高度較高。在20：00前后，假相當位溫逐漸隨高度的變化而增大，相對濕度大值區(qū)層次下降，同時有明顯的上升運動發(fā)展，最大達到了-2 Pa/s，有明顯的對流發(fā)展，上升運動增強，能量得到了釋放。

圖1 (a)和(b)為5日14：00和5日20：00烏魯木齊機場溫度對數壓力圖；(c)為烏魯木齊機場假相當位溫

3.2 動力觸發(fā)機制分析

通過對大尺度環(huán)流背景進行分析發(fā)現，大尺度強迫抬升對此次雷雨大風有一定的作用。從風場隨時間變化來看，5日14：00-20：00有冷空氣影響烏魯木齊機場，5日20：00，850 hPa輻合區(qū)已經從14：00的偏西、偏北地區(qū)移動至烏魯木齊機場附近，在烏魯木齊機場附近有明顯的風速輻合，同時在其偏東地區(qū)有明顯的風向輻合，而此時的垂直速度在北疆沿天山一帶為明顯的上升區(qū)，可見850 hPa的輻合切變?yōu)榇舜卫子甏箫L天氣提供了較好的動力條件。但由于再分析資料時間分辨率僅有6 h，無法滿足對流觸發(fā)的時間精度，因此還需要通過時間和空間分辨率更高的自動氣象站和雷達資料輔助做進一步的分析。

5日18：10烏魯木齊以西及西北方向的呼圖壁一帶有明顯的風速風向輻合區(qū)，形成一條中尺度輻合線，在對應的雷達組合反射率上，中尺度輻合線的南端已經觸發(fā)了較多的對流單體，位于機場以西100 km附近。同時，在距離機場50 km范圍內有弱對流云發(fā)展，強度不強。至18：30中尺度輻合線南壓，移動速度緩慢，機場以西50 km附近對流云團強度加強，并逐漸與東移的對流云團合并。至19：05中尺度輻合線移至烏魯木齊機場附近，風速輻合區(qū)分成兩段，機場西北方向輻合區(qū)在西北方向觸發(fā)了多個對流單體，在其西部，在輻合線和對流單體疊加過程中，對流云團尺度明顯增大，強度增強。此時烏魯木齊機場出現雷暴大風?？梢姷孛骘L場輻合區(qū)的存在有利于此次強對流的維持和發(fā)展。

4 結束語

2020-06-05發(fā)生在烏魯木齊國際機場的雷雨大風天氣過程，對航班運行造成了較大的影響，文章利用再分析資料、加密自動氣象站、自動觀測數據、機場雷達回波等對其特征及成因進行初步分析，得到以下結論：

1)此次雷雨大風天氣持續(xù)時間短，天氣現象劇烈，影響大。在雷雨大風來臨前、過程中以及臨近結束時，均產生較強的跑道水平風切變，尤其是在對流前期和后期這兩個階段，嚴重影響飛行安全。

2)天氣過程是在西西伯利亞低渦分裂低槽東移南下的背景下產生的，前期低層暖濕平流為此次過程堆積大量不穩(wěn)定能量，形成有利于強對流發(fā)生發(fā)展的不穩(wěn)定層結和環(huán)流背景。

3)對熱力不穩(wěn)定能量分析發(fā)現，此次過程是在北疆盆地大范圍的熱力不穩(wěn)定背景下發(fā)生的，在對流發(fā)展前，氣層處于強烈的不穩(wěn)定狀態(tài)，機場上空對流有效位能得到了大量累積，假相當位溫和對流有效位能都能較好地表現出區(qū)域熱力不穩(wěn)定能量的累積狀況。通過對機場溫度對數壓力圖分析發(fā)現，中高層干冷空氣入侵和中層產生的降水在低層蒸發(fā)冷卻下沉等共同作用，預計是產生短時雷暴大風天氣的原因。

4)大尺度強迫抬升和低層切變輻合共同作用觸發(fā)了此次雷雨大風天氣，通過對地面風場和雷達組合反射率的分析發(fā)現，地面中尺度輻合線使得此次過程的對流云團進一步發(fā)展和維持。