咸陽機場對流天氣中高層垂直運動場初探

鞏敏瑩,黎 巍,崔竹囡,高 潔

(西北空管局氣象中心,西安 710082)

咸陽機場對流天氣中高層垂直運動場初探

鞏敏瑩,黎 巍,崔竹囡,高 潔

(西北空管局氣象中心,西安 710082)

對2011年西安咸陽國際機場所有雷暴日雷暴發生時間前后的NCEP1°×1°再分析資料的400hPa垂直速度場進行分析,發現大多數雷暴發生在中高層為上升氣流區的環境中,少數雷暴發生在中高層為下沉氣流區的環境中。進一步的研究表明:當低層為高溫高濕且有明顯輻合運動時,中高層的垂直速度場對雷暴的出現并不起決定性的作用;但當低層的對流條件不明顯,而中高層為強的上升氣流區時,仍有發生雷暴的可能。研究為雷暴天氣的預報提供了新的思路,提醒預報員在低層對流條件不明顯時,還需關注中高層強上升氣流區的作用。

雷暴;垂直速度場;高溫高濕

雷暴天氣是影響民航安全的災害性天氣之一。與冬季大霧相比,夏季雷暴天氣不僅對機場有重要影響,還對航路飛行有明顯影響。由于雷暴云中常常伴有閃電、強烈的顛簸和積冰,不利于飛機的安全飛行。為了避免遭遇雷擊、強烈的顛簸和積冰,飛機需繞開雷暴云飛行,造成空管指揮程序復雜化,調配壓力增大,飛行間隔加大,空域容量減小等情況,這些不利因素對于非常脆弱的正常飛行鏈條會產生一系列影響,尤其當大范圍雷暴云團處于主要航路時,會造成全國范圍航班的不正常;而且雷暴天氣同樣對機場也會造成嚴重的影響,伴隨雷暴出現的低云、低能見度、下擊暴流、低空風切變等都對起降飛機構成巨大威脅,雷電、冰雹、強風、強降水等會對機場設施設備造成損壞。

雷暴是由較強發展的對流云引發,在早期雷暴的研究中,已經認識雷暴發生需要有三個要素:水汽、條件不穩定層結和啟動機制[1]。對于第一和第二條件,可以通過分析溫度對數壓力圖來判斷大氣的溫濕層結是否有利于對流的發生。而在溫濕環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,會使低層的不穩定能量得到大量的累積,從而在干暖蓋受到破壞時引發雷暴天氣[2]。對于雷暴發生的動力條件,由于大氣運動的復雜性,研究似乎較為困難。從天氣系統方面來講,冷鋒、高空槽、切變線、低渦、臺風等均能產生抬升運動,從而引發雷暴。過去的研究還認為雷暴發生時低層輻合和上升運動的環境場有利于雷暴的發生[3]。還有研究認為風的垂直切變越強,越有利于對流的發生[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條件及中尺度特征[5];劉宏總結了2011年陜西省雷電活動特征[6],發現陜北南部、渭北和陜南西南部為陜西省雷電高發區;肖湘卉等對兩次強對流天氣的熱力不穩定條件進行了對比[7];王秀成等分析了陜西中南部一次秋季強雷暴天氣過程[8],認為強天氣出現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的角度對陜西兩次特強雷電天氣過程進行了對比分析[9],認為最強正閃出現在中層相對濕度大于50%的區域內,相對濕度急劇增大時,最強正閃出現時垂直上升運動較強;而負閃出現在中層相對濕度大于80%的區域內,中層相對濕度減小梯度較大處或者相對濕度增大梯度較小時,最強負閃出現時垂直上升運動較弱。而在實際工作中發現,雷暴天氣表現非常復雜,K指數和沙氏指數在雷暴預報中有重要的指示作用,但雷暴的強度和落區與K指數和沙氏指數的對應關系卻很不穩定;常規天氣圖表在預報中非常重要,反應了實際大氣狀況,但當天氣尺度強迫作用較弱,細微的物理條件變化在常規高低空天氣圖上很難表達出來,預報員很難捕捉到影響雷暴發生發展的有利條件和觸發機制;數值預報在近年來發揮了越來越重要的作用,對穩定性降水的預報效果較為理想,但對雷暴這種對物理條件非常敏感的對流天氣而言,預報與實況仍有較大出入。所以由于雷暴天氣影響巨大而精確預報非常困難,雷暴一直是航空氣象研究的重點。

1 資料與方法

雷暴天氣的發生與各個層次的環境場均有關系,以往的研究多側重于低層,而對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分規則中CB云的評定標準為頂高在8 km以上的對流云,在以往的研究中也認為當云頂溫度低于-20℃則出現雷電的可能性較大。所以400hPa的物理量場對雷暴的研究也非常重要,若對流云能發展到該層次,則出現雷電的可能性大。因此選取咸陽機場2011年雷暴過程的NCEP1°×1°再分析資料,使用客觀分析方法,對400hPa的垂直速度場進行研究。

2 2011年雷暴日介紹

2011年咸陽機場共出現雷暴日為11d,其中4月發生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 (以下時間除特別說明外均為世界時)日界,記為兩個雷暴日,實際雷暴過程為10次(見表1)。由表1可以看出,2011年咸陽機場雷暴多發生在夜間,平均持續時間在2h左右,其中以8月15日持續時間最長,達4h41min,且伴隨出現了29m/s的地面陣風,是咸陽機場建場以來最大的雷暴大風。

表1 2011年咸陽機場雷暴過程發生時間、結束時間(世界時)、持續時間

3 中高層垂直速度場分析

3.1 雷暴的發生對應中高層上升氣流區

對2011年咸陽機場發生在00:00、06:00、12:00、18:00標準時次附近的雷暴個例進行中高空垂直速度場分析 (個例為4月16日、6月9日、7月15日、7月17日、8月28日),發現絕大多數雷暴發生時中高層對應上升氣流區。以6月9日發生的雷暴為例,從18時400 hPa垂直速度場 (圖1)上可以看到咸陽機場雷暴發生時,河套區域為上升氣流區,咸陽機場處于上升氣流區的中心位置附近。

圖1 2011-06-09T18400hPa垂直速度場(單位為10-4hPa/s;·為咸陽機場位置,下同)

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

對于2011年發生在00:00、06:00、12: 00、18:00時標準時次之間的雷暴個例,分析了雷暴發生前和發生后中高層垂直速度的變化,發現雷暴發生前關中地區中高層存在下沉氣流區,雷暴發生后為上升氣流區。此類個例包括6月6日、7月21日、8月25日發生的雷暴。以6月6日為例,雷暴發生于09:45至10:18,當日06時400hPa垂直速度場(圖2a)上,關中地區為下沉氣流區,當時咸陽機場并未發生雷暴;而到12時400hPa垂直速度場(圖2b)上整個河套區域卻表現為一致的上升氣流區,咸陽機場所處位置在關中的中部,在發生轉換的時間段內出現了雷暴天氣。

以上8個例子均表明在雷暴發生時,中高空為上升氣流區環境,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有利于對流活動向上發展。

3.2 雷暴的發生對應中高層下沉氣流區

以上的個例分析表明雷暴多發生在中高層為上升氣流區的環境中,但也有不同的情況,在中高層為下沉氣流區的環境中也有雷暴發生的個例,但個例較少,僅有2例,分別發生在7月28日和8月15日。以7月28日雷暴為例,分析當日12時中高層垂直速度場 (圖3),發現關中中南部均為較強的下沉氣流區,咸陽機場接近下沉氣流中心位置。但通過分析兩次雷暴過程的形勢場和物理量場,發現有非常明顯的共性,形勢上均處于西太平洋副熱帶高壓的西北側 (圖略),低層水汽條件非常理想,過程前均持續長時間的高溫天氣,低層大氣蘊含大量不穩定能量,即低層為高溫高濕的不穩定大氣。在此條件下,當有抬升作用出現,極易誘發雷暴天氣。在西北地區造成或誘發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,發現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;散度場上低層存在明顯的輻合區,且都表現為850hPa輻合較700hPa輻合明顯(圖略),輻合運動有利于空氣中的水汽發生抬升凝結,造成潛熱釋放,產生熱浮力,有利于對流的發展。

圖3 2011-07-28T12400hPa垂直速度場(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仍有可能發生雷暴,低槽等天氣系統或熱力作用引發的對流會非常強烈,可以沖破中高層下沉氣流的壓制繼續向上發展。

3.3 實例

為了說明中高層垂直運動場對對流活動的發生具有重要的作用,對咸陽機場2012年4月20日一次雷暴過程進行分析。當日07:36至08: 07咸陽機場出現了一次伴有冰雹的強雷暴過程,在716A-43天氣雷達PPI回波圖上,該雷暴云團水平尺度只有20km,回波強度達到55dBz以上(圖4),具有水平尺度小、回波強度大的特點。

分析該過程的形勢場,發現低層對流條件并不明顯。4月20日雷暴發生前06時河套中南部中低層(500～850hPa)為一致的西北氣流(圖略),并沒有明顯的系統活動,只有中高層(400 hPa以上)有明顯的低槽位于河套中部,并已經進入陜西的西部(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的溫度對數壓力圖,也可發現環境大氣的溫濕層結也不利于對流的發展,并非下濕上干的層結。K指數僅為26.4℃,沙氏指數為2.3℃,均未達到對流發生的有利條件(圖5)。

圖4 2012-04-20咸陽機場雷暴716A-43天氣雷達回波 (圖中時間為北京時)

圖5 2012-04-20T08西安站溫度對數壓力圖(時間為北京時)

分析4月20日06時400hPa垂直速度場可發現在陜西西部有非常明顯的上升氣流區 (圖6),且隨著高空低槽的逐漸東移,上升氣流區必然逐漸東移影響到關中地區,造成關中地區有利的中高層垂直運動場條件,利用400hPa高空風速推算,在06時后1.5h上升氣流區正好位于咸陽機場附近,到12時高空低槽已經移出陜西區域,400hPa轉變為西北氣流,垂直速度場為下沉氣流區,不再有利于對流的發展。

圖6 2012-04-20T06400hPa垂直速度場(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、不穩定條件、抬升條件,但當中高層為強烈的上升氣流區時仍有可能發生雷暴,且有發生強雷暴的可能性。

4 結論與討論

(1)咸陽2011年多數雷暴過程對應中高層為上升氣流區;少數雷暴發生在中高層的下沉氣流區中,對應低層為高溫高濕的強烈不穩定對流環境。

(2)雷暴是非常復雜的天氣系統,當低層的對流條件非常理想時,則高層的垂直速度場影響較弱;但當低層的對流條件并不顯著時,高層的上升氣流區會發揮重要的作用,造成雷暴天氣的發生。研究為雷暴天氣的預報提供了新的思路,提醒預報員在低層對流條件不明顯時,還需關注中高層強上升氣流區的作用。

(3)當對流活動發展到500hPa以上時,如果從動力條件考慮,中高層為上升氣流區則有利于該對流活動繼續向上發展,如果中高層為下沉氣流區則由于下沉氣流的壓制而不利于對流向上發展。當對流活動達到400hPa高度,云頂溫度低于-20℃則容易產生雷暴天氣。

(4)當低層為高溫高濕的條件,不論是由于天氣系統移動造成的系統性的雷暴還是由于熱力增溫造成的局地性對流活動,其熱浮力作用會較為明顯,能夠克服中高層的下沉運動,并由于中高層環境大氣的下沉運動造成與上升氣流的摩擦作用增強,并由于中層干冷入流加強,從而引發較強的雷電現象。

(5)樣本數量有限,深入研究還需收集更多的資料,且由于雷暴發生的過程非常復雜,研究只涉及到中高層垂直速度場一個方面,有一定的局限性。另外所使用的NCEP1°×1°再分析資料在時間和空間分辨率還很不足,為研究工作也帶來了許多困擾。

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P434.2

:A

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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,從事航空天氣預報業務及研究。