奴開 陶俞鋒 吳艾黎

中國民用航空寧波空中交通管理站 浙江 寧波 315000

引言

雷暴是世界民航局公認(rèn)的能夠嚴(yán)重威脅航空飛行安全的天氣現(xiàn)象[1]。它是一種由發(fā)展旺盛的積雨云引起的強(qiáng)對(duì)流天氣，有著發(fā)展迅速、破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)。常伴隨強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、低空風(fēng)切變等危害性天氣，造成航班延誤、取消甚至返航等，給航空部門帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我國東南沿海地區(qū)常年受臺(tái)風(fēng)影響，且臺(tái)風(fēng)邊緣或外圍時(shí)常會(huì)出現(xiàn)雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣，目前國內(nèi)不少學(xué)者對(duì)于臺(tái)風(fēng)外圍的雷暴天氣已有不少的研究。賀忠等[2]曾對(duì)熱帶氣旋邊緣的雷暴天氣做了研究分析；黃忠等[3]從水汽、CAPE值、垂直速度和海風(fēng)輻合等方面對(duì)2004年8月臺(tái)風(fēng)云娜外圍發(fā)生的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了綜合分析；閔愛蓮等[4]對(duì)2004年7月5日發(fā)生在吉林省的一次典型臺(tái)風(fēng)外圍雨帶降水天氣過程進(jìn)行了分析；

本文利用NCEP1°×1°的再分析資料和多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)資料，對(duì)2021年9月11日寧波機(jī)場發(fā)生的一次臺(tái)風(fēng)外圍雷暴天氣過程進(jìn)行診斷分析，旨在研究臺(tái)風(fēng)外圍雷暴發(fā)生前后的天氣形勢(shì)和物理量變化情況，對(duì)往后寧波機(jī)場的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)工作提供一定的理論和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 資料選取及處理

環(huán)流資料和物理量診斷使用NCEP1°×1°逐6h再分析資料以及華東地區(qū)多普勒雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)。具體分析寧波櫟社機(jī)場（29.8°N，121.5°E）以及周邊區(qū)域，通過對(duì)雷暴過程的環(huán)流形勢(shì)和物理量等進(jìn)行診斷分析，對(duì)2021年9月11日發(fā)生在寧波機(jī)場的一次臺(tái)風(fēng)外圍雷暴過程加以探討研究，初步分析其特征及原因。

2 環(huán)流背景分析

2021年9月11日00時(shí)（世界時(shí)，下同）500hPa寧波地區(qū)上空受西南氣流影響，寧波機(jī)場位于副高邊緣外側(cè)，上游安徽-贛北地區(qū)有高空槽逐漸東移；中低層700hPa及850hPa在蘇南到贛北一帶有弱切變輻合；地面圖上（圖略）00時(shí)臺(tái)風(fēng)“燦都”位于臺(tái)灣東南海域并向西北偏北方向移動(dòng)，寧波機(jī)場受第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“燦都”外圍云系影響，云量較多，水汽條件較好，以東北風(fēng)為主；06時(shí)浙江東部地區(qū)存在風(fēng)向的輻合，主要是臺(tái)風(fēng)外圍的偏東氣流和內(nèi)陸的西北氣流相交匯，風(fēng)向的輻合為當(dāng)日下午寧波地區(qū)發(fā)生雷暴天氣提供了動(dòng)力抬升機(jī)制。

3 物理量診斷分析

強(qiáng)雷暴的形成往往需要充足的水汽、大量的不穩(wěn)定能量和強(qiáng)的沖擊力來配合，因此本文將從水汽條件、層結(jié)條件和動(dòng)力條件3個(gè)方面來分析診斷此次臺(tái)風(fēng)外圍雷暴過程。

3.1 水汽條件

水汽輸送是形成強(qiáng)對(duì)流天氣的重要條件之一，雷雨天氣的維持也需要源源不斷的水汽供應(yīng)。從11日00時(shí)和06時(shí)700hPa的水汽通量分布圖（圖略）可以看出，隨著第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“燦都”不斷靠近，水汽逐漸在南海海域聚集，并不斷從南海輸送至寧波沿海海域，建立了一條較強(qiáng)的水汽輸送通道。

3.2 層結(jié)條件

層結(jié)不穩(wěn)定有利于強(qiáng)雷暴天氣的發(fā)生，用于判斷強(qiáng)對(duì)流的物理參數(shù)有很多，李勇等[5]通過對(duì)2006年5-9月國內(nèi)發(fā)生的雷暴天氣進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，各物理量指數(shù)對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生呈現(xiàn)不同的概率分布。田琨等[6]通過分析35種不同的對(duì)流參數(shù)發(fā)現(xiàn)：處于不穩(wěn)定的對(duì)流參數(shù)的個(gè)數(shù)與雷暴發(fā)生的概率呈正相關(guān)，并且總結(jié)出CAPE值等11個(gè)與雷暴強(qiáng)度相關(guān)性較好的對(duì)流參數(shù)。本文通過K指數(shù)和對(duì)流有效位能CAPE來診斷分析此次雷暴過程的層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)。

本文根據(jù)NCEP1°×1°的再分析資料繪制出寧波機(jī)場上空的T-logP探空?qǐng)D，從9月11日00時(shí)的探空?qǐng)D來看，探空曲線呈“喇叭口”，上干下濕配置，900～950hPa之間存在一淺薄的逆溫層，使得不穩(wěn)定能量可以在近地面積聚。

K指數(shù)是用來反映大氣潛在能量的一種物理量，經(jīng)常用于分析大氣層結(jié)的穩(wěn)定程度，K指數(shù)和大氣層結(jié)的不穩(wěn)定程度成正比，K指數(shù)越大出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的可能性越大[7]。由探空?qǐng)D可知，11日00時(shí)寧波上空的K指數(shù)為29℃，大氣層結(jié)接近一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)。

對(duì)流有效位能（CAPE）值也是判斷大氣穩(wěn)定度的一個(gè)常用指數(shù)，它能反映出對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，研究表明[3]在浙江省范圍內(nèi)，當(dāng)對(duì)流有效位能數(shù)值在500到4000J/kg之間時(shí)，發(fā)生雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣的概率最大，探空?qǐng)D表明寧波機(jī)場上空的對(duì)流有效位能值為1939J/kg，同時(shí)對(duì)流抑制位能（CIN）值很小，僅為3J/kg，綜合表明寧波機(jī)場出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的概率非常大。

3.3 熱力條件

假相當(dāng)位溫θse表現(xiàn)了大氣中溫度、氣壓和濕度的綜合特征，其水平或垂直分布情況往往對(duì)雷暴天氣的發(fā)生以及發(fā)展產(chǎn)生重要影響。研究表明[8]，當(dāng)氣層中θse隨高度降低會(huì)造成對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)，從而促進(jìn)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生以及發(fā)展。

9月11日00時(shí)和06時(shí)寧波上空的假相當(dāng)位溫θse均隨高度上升而降低，表明寧波上空大氣存在不穩(wěn)定層結(jié)。06時(shí)和12時(shí)寧波東部30-33°N區(qū)域內(nèi)從低層到高層，θse等值線接近垂直，說明θse隨高度上升緩慢，即?θse/?p＞0，但值很小。金小霞等[8]對(duì)2011年11月4日-5日江蘇的一次強(qiáng)雷暴天氣過程進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)雷暴區(qū)對(duì)應(yīng)著明顯的θse密集區(qū)，?θse/?p越小，對(duì)應(yīng)的上升輻合運(yùn)動(dòng)越大。因此，寧波東部30-33°N區(qū)域的不穩(wěn)定能量較高，存在不穩(wěn)定層結(jié)。

圖1 2021年9月11日00時(shí)（a）和06時(shí)（b）沿121.5°E假相當(dāng)位溫緯度-高度剖面圖

3.4 動(dòng)力條件

垂直速度是能夠體現(xiàn)動(dòng)力強(qiáng)迫及穩(wěn)定度等多種因素作用的物理量。大氣的垂直運(yùn)動(dòng)可以影響水汽的凝結(jié)，從而進(jìn)一步帶來降水過程，不穩(wěn)定能量也需要有一定的上升運(yùn)動(dòng)條件才能從大氣層結(jié)中釋放，同時(shí)水汽以及熱量等的垂直輸送也需要由垂直運(yùn)動(dòng)來提供，這些都是強(qiáng)對(duì)流天氣形成的必要條件。圖2為2021年9月11日12時(shí)沿寧波機(jī)場經(jīng)度121.5°E作垂直速度剖面圖，分析表面，11日12時(shí)，在28°N-30°N之間1000hPa以上垂直速度均為負(fù)值，表面寧波上空氣塊總體呈抬升狀態(tài)，氣流上升運(yùn)動(dòng)最大的區(qū)域在850～500hPa之間，速度為-0.8Pa/s，強(qiáng)烈的抬升運(yùn)動(dòng)符合雷暴天氣的特征，對(duì)于水汽和能量向高層輸送是有利的，產(chǎn)生了位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)。

圖2 2021年9月11日12時(shí)121.5°垂直速度-高度剖面圖

3.5 多普勒雷達(dá)圖

雷達(dá)是監(jiān)測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)最有效的手段，分析雷達(dá)回波資料能夠更好地分析其發(fā)展以及演變的過程。

從寧波市氣象局的多普勒雷達(dá)圖可以看出，11日05時(shí)雷達(dá)回波主要分兩大塊，北面部分位于浙北杭州灣、湖州至上海區(qū)域，南面部分位于東海洋面上，兩者都是受臺(tái)風(fēng)外圍云系影響，往西北方向移動(dòng)。07時(shí)北面對(duì)流回波在移動(dòng)過程中，強(qiáng)度明顯減弱；另外在浙江省內(nèi)受副高邊緣的影響，局地性熱對(duì)流開始發(fā)展起來。08時(shí)原先北面對(duì)流回波基本減弱消失，而大范圍的強(qiáng)對(duì)流回波主要集中在浙江東部沿海地區(qū)，尤其是浙東北寧波地區(qū)更甚，這與地面形勢(shì)場上在浙東地區(qū)存在風(fēng)場輻合有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。09時(shí)浙東及洋面上的對(duì)流回波范圍較大，其中強(qiáng)的回波是熱對(duì)流合并而成，而稍弱的對(duì)流回波是由臺(tái)風(fēng)外圍云系引起的。到11時(shí)熱對(duì)流回波明顯減弱，寧波地區(qū)僅有小范圍的存在，強(qiáng)度也減弱，臺(tái)州及洋面上的對(duì)流回波基本是臺(tái)風(fēng)云系引起的。

4 結(jié)束語

本文對(duì)2021年9月11日寧波櫟社機(jī)場的一次強(qiáng)對(duì)流雷雨天氣過程進(jìn)行分析，得到的主要結(jié)論如下：

前期寧波機(jī)場位于副高外側(cè)，上游有高空槽逐漸東移，中低層有弱切變輻合，地面受第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“燦都”外圍云系影響，水汽條件較好，后期受臺(tái)風(fēng)外圍偏東氣流和內(nèi)陸西北氣流的輻合，為此次的雷暴天氣提供了動(dòng)力抬升條件。

11日00時(shí)寧波上空的K指數(shù)為29℃，對(duì)流有效位能（CAPE）值為1939J·kg-1，對(duì)流抑制位能（CIN）值為3；同時(shí)寧波上空θse均隨高度上升而降低，表明寧波上空大氣存在不穩(wěn)定層結(jié)。

雷暴可分為兩個(gè)部分，前期由臺(tái)風(fēng)外圍云系引起，回波在移動(dòng)過程中逐漸減弱；后期受副高邊緣的影響，局地性熱對(duì)流開始發(fā)展起來，隨著臺(tái)風(fēng)外圍水汽條件以及風(fēng)向輻合的配合，最終發(fā)展成為熱力性雷暴天氣過程。