武漢天河機場一次下擊暴流天氣的多普勒雷達分析

潘彭剛 田 霄

（民航湖北空管分局，武漢 430100）

武漢天河機場一次下擊暴流天氣的多普勒雷達分析

潘彭剛 田 霄

（民航湖北空管分局，武漢 430100）

利用常規氣象資料、跑道自動觀測資料（AWOS）、自動觀測站資料和多普勒天氣雷達資料等，對武漢天河機場的一次下擊暴流天氣過程進行了分析。結果表明：1）本次下擊暴流發生在副熱帶高壓減弱，西風槽向東移動，地面輻合線相配合的天氣背景下；2）下擊暴流影響機場期間，具有氣壓陡升、溫度驟降、風向變化和風速突增等氣象要素的演變特征；3）陣風鋒與雷暴之間距離的變化一定程度上可以預示未來雷暴的強弱；4）本次下擊暴流與陣風鋒有緊密的聯系，陣風鋒北移過程中激發出β中尺度對流單體，β中尺度對流單體產生了下擊暴流，并且雷達速度圖上沿雷達徑向的正負大值速度對是下擊暴流發生的典型特征之一。

下擊暴流，陣風鋒，大風

0 引言

Fujita等［1］將下擊暴流定義為地面上水平風速大于17.9m/s、中空氣流向下、地面氣流為輻散或直線型的災害性風，并根據外流的災害性范圍大小，又把下擊暴流分為宏下擊暴流（尺度大于4km，持續時間大于10min）和微下擊暴流（尺度大于4km，持續時間大于10min）。由于下擊暴流尺度小，生命史短，目前主要依靠多普勒雷達來觀測和推斷下擊暴流發生的可能性。

本文以常規資料為基礎，利用湖北省氣象局多普勒雷達資料重點分析2013年8月11日發生在武漢天河機場的一次下擊暴流過程，為今后類似天氣過程的臨近預警提供參考。分析使用的多普勒雷達資料來自于湖北省氣象局，其多普勒雷達位于武漢天河機場，為了便于分析，本文在雷達圖上標注了天河機場，圖上的“本場”即代表“天河機場”。

1 天氣實況及地面氣象要素分析

2013年8月11日，湖北省東南一帶對流云強烈發展，引起陣風鋒，然后在陣風鋒前沿激發出β中尺度的對流單體和下擊暴流，從而使得武漢天河遭遇雷雨大風的侵襲。18：00（北京時，下同），天河機場突然刮起強風，平均風速11m/s，陣風16m/s，與此同時，天河機場出現干雷暴和揚沙，能見度從17：00的10000m，迅速下降到5000m，并伴有氣壓突升、溫度驟降、濕度升高等氣象要素變化。18：17，強雷雨開始侵襲天河機場，陣風風速上升到28m/s，能見度進一步下降為2000m，此時在機場跑道南面出現風切變。18：21，能見度下降到了200m，18：30，陣風風速達到34m/s，創造了天河機場開航以來風速之最。19：20，強降水結束，轉為干雷暴，風速下降到了4m/s。

此次下擊暴流過程具有氣壓陡升、溫度驟降、風速突增、風速變化的特點。17：00，機場風向偏西北，風速3m/s，氣壓1003hPa，溫度39℃。18：10，由陣風鋒激發的β中尺度對流單體開始影響本場，下擊暴流也隨之產生，風向轉為西南，瞬時風速激增為16m/s，氣壓升幅2hPa，溫度為32℃。18：21，瞬時風速達到28m/s，溫度降至24℃。18：21—18：30，9min內氣壓升幅達到3hPa，瞬時風速達到34m/s，溫度降至21℃，此時也是下擊暴流最強的時刻。

2 天氣形勢分析

2.1 副熱帶高壓邊緣的西風帶低槽

在2013年8月11日，在08時500hPa天氣圖上（圖略），588dagpm線位于湖北以西（107°E左右），副熱帶高壓（以下簡稱副高）脊線位于31°N左右，整個湖北省基本在副高的控制之下，在河套地區以及湖北以西皆有高空低槽在緩慢東移。在20時500hPa圖上（圖略），588dagpm線出現明顯東退，位于113°E左右，武漢天河機場剛好位于其邊緣，并且西部冷槽也隨之加速東移，湖北大部開始受槽前西南氣流影響。一般地，以500hPa圖上的588dagpm等高線的向北、向西擴展來表示副高的向北、向西推移。所以，由此可以表明，副高當天出現了明顯的減弱東退，抑制對流活動的下沉運動也因此有所減弱。當副高位置有明顯西進或東退，副高西北側有高空低槽活動時，容易出現強對流天氣［2］，這就是武漢天河機場當日出現強雷雨大風天氣的環流背景。

2.2 動力條件

通過分析2013年8月11日14、17以及20時的地面圖（圖略）發現，武漢天河機場強對流發生前，河套地區以西有一地面輻合線逐漸東移南下，并于當日17—20時影響到武漢地區，這與武漢機場出現強對流的時間段基本一致，因此可以判斷，地面輻合線是本次強對流天氣發生的重要觸發條件。通過分析11日17和18時的湖北自動氣象站觀測資料（圖1）后進一步發現，當地面輻合線影響武漢地區時，由于太陽輻射加熱的不均勻，在武漢及其南部地區出現由北指向南的地面溫度鋒區，相距100km左右的武漢站與咸寧站，溫度差達到了13℃。分析當日武漢周邊強對流多普勒回波的發生發展以及移動后發現，強對流回波主要是在武漢南部生成，并在上層西南氣流引導下，北移影響武漢機場，這與地面溫度鋒區有很好地對應。

圖1 2013年8月11日17時（a）和18時（b）湖北自動氣象站觀測溫度資料以及相應時刻陣風鋒的位置（紫色實線）Fig.1 The temperature data at Hubei automatic observation and the gust front at 17:00 (a), 18:00 (b), 11 August 2011

3 熱力條件

天河機場位于武漢北部，所以用漢口探空資料（圖2）分析大氣穩定度等氣象環境條件具有較好代表性。分析發現，2013年8月11日08時，武漢地區低層存在逆溫，這可能為對流性天氣的發生儲存了能量。而后經過午后的加熱，破壞了原有的逆溫層，在一定的觸發機制下能使不穩定能量迅速釋放。08時，漢口站K指數為38℃，沙氏指數為-3.95℃。至20時，漢口站K指數為41℃，沙氏指數為-4.42℃，不穩定狀態有一定程度的加強。這是由于下墊面受加熱影響，午后整個鄂東皆為35℃以上的高溫天氣，從而加強了整個大氣的不穩定狀態。08時CAPE為2708.1J/kg，20時CAPE為1290.6J/kg，CAPE有所下降，這是由于下午強對流天氣的發生發展，CAPE產生了一定的損耗。從溫度層結曲線和露點曲線的形態來看，08時，兩條曲線在低層靠得較近，在400hPa附近有干空氣卷入，形成喇叭口形。分析還發現，08時，850hPa以下，溫度層結曲線接近平行于干絕熱線，20時，這一現象更加明顯，800hPa以下，溫度層結曲線更加平行于干絕熱線。中高層干空氣卷入以及低層溫度層結曲線接近平行于干絕熱線，均有利于雷雨大風的形成。

圖2 2013年8月11日08時（a）和20時（b）漢口站的T-logp圖Fig.2 The T-logp diagrams at 08:00(a) and 20:00(b), 11 August, 2011 at Hankou Station

4 多普勒天氣雷達回波特征

4.1 陣風鋒演變過程

在適當的環境條件下，強風暴內部的下沉氣流到達地面以后向四面散開，其與環境空氣交匯形成的界面，稱為陣風峰，又稱雷暴的出流邊界。

8月11日下午，鄂東南出現多個β中尺度的對流單體，強度都在50dBz以上。隨后，這些對流單體開始整合合并，逐漸發展成為一條明顯的寬帶狀回波，并開始向北移動。16：18，弓形回波移動到武漢的南面100km左右（圖3a和3g）。在回波上可以清晰地分析出多個雷暴單體，最大強度達到了55dBz。在帶狀回波前面20km處出現一條長約60km、寬約5km的弱而窄呈東西向的帶狀回波，強度10～15dBz，與寬帶狀回波一起向偏北方向移動（圖3a和3g），這就是陣風鋒。陣風鋒在對應的反射率產品上表現為弱的窄帶回波，這是由于陣風鋒的溫壓濕場在水平和垂直方向上分布不連續，造成折射指數的突變，導致對電磁波的散射或反射形成回波，使其能被靈敏的多普勒雷達探測并以窄帶回波表現出來［3］。

陣風鋒具有陣性風大和低空風切變顯著的特點［4］，對飛機起降和航空安全有很大影響。此次天河機場大風就是陣風鋒到達機場附近后所激發的。

陣風鋒前推過程中，出流的抬升作用對上升氣流進入風暴有加強效應，會促使新單體的發展［5］，并且在本次過程中，陣風鋒移動方向是由南向北，即沿溫度鋒區的梯度移動，所以陣風鋒前后溫度的冷暖對比更加強烈，更有助于陣風鋒前方暖空氣的強迫抬升，從而有利于新單體的生成。在本次陣風鋒向北移動過程中，其周圍不斷有β中尺度的雷暴單體生成。17：32，陣風鋒離天河機場只有20km左右，在其西段新生出3個小直徑5km左右的雷暴單體（圖3b和3h）。17：38，陣風鋒西段的3個雷暴回波強度都有不同程度的加強，最北邊的雷暴單體A的強度達到了55dBz，并且3個雷暴單體有合并的趨勢（圖3c和3i）。17：44，陣風鋒到達天河機場南端5km左右，此時先前的3個雷暴單體已經合并加強，形成直徑18km、強度60dBz的雷暴B。然后，雷暴B隨陣風鋒移向天河機場（圖3d和3j）。18：00左右，雷暴B與陣風鋒移至天河機場（圖3e）。此時，天河機場出現雷雨天氣并伴隨16m/s的陣風，氣壓升至1005hPa，氣溫由17時的39℃降至32℃，大風開始侵襲天河機場，并在18：30，風速達到歷史性的34m/s。由于新的雷暴在陣風鋒的前面新生，導致原陣風鋒出現斷裂。隨著雷暴B發展成熟，其下沉氣流又在機場東南面形成了一條新的陣風鋒（圖3f）。

4.2 邊界層輻合線與多單體雷暴的演變

圖3 2013年8月11日16:18（a，g），17:32（b，h），17:38（c，i），17:44（d，j），18:00（e）和18:30（f）武漢多普勒雷達基本反射率因子（a—f，仰角1.5°）及局部放大（g—j）圖Fig.3 The evolution of reflectivity in Wuhan Doppler radar at 1.5° elevation, at times 16:18 (a, g), 17:32 (b ,h), 17:38 (c, i), 17:44 (d, j), 18:00 (e), 18:30 (h), respectively on 13 August, 2013

關于邊界層輻合線，國內進行過大量的研究，定義為多普勒天氣雷達強度場上的一條細線或速度場上的輻合線，其寬度約為1～3km，長度大于10km，持續時間15min以上。邊界層輻合線包括陣風鋒、天氣尺度的鋒面、地形引起的環流、加熱不同引起的環流等。按此定義，本次過程也多次伴有邊界層輻合線。

陣風鋒在移動過程的前期，與其后多單體雷暴回波的距離基本保持10～15km，并且由于陣風鋒對暖濕氣流的抬升作用，在陣風鋒周圍也不斷地激發出新的雷暴單體（圖4a和4b）。8月11日16：49以后，陣風鋒與其后帶狀回波的距離逐漸達到了60km左右（圖4c和4d），帶狀回波的強度也隨之減弱，其大部分回波強度都下降到了20～25dBz。這是因為雷暴前陣風鋒逐漸遠離風暴時，會逐漸切斷雷暴的暖濕入流，使原有雷暴減弱；而當陣風鋒與雷暴保持一定距離時，陣風鋒對前方的暖濕氣流起抬升作用，被抬升的暖濕氣流形成新的雷暴，新的雷暴與原有雷暴連成一體，逐漸代替原有雷暴，也產生下沉氣流，使得陣風鋒得以維持，而陣風鋒的維持又使得新的雷暴得以生成。

圖4 2013年8月11日16:18（a），16:37（b），16:49（c）和17:19（d）武漢多普勒雷達基本反射率因子（仰角1.5°）Fig.4 The reflectivity in Wuhan Doppler radar at 1.5° elevation, at 16:18 (a), 16:37 (b), 16:49 (c), 17:19 (d) respectively on 11 August, 2013

4.3 徑向正負速度對

當下擊暴流到達地面時會產生強烈的輻散外流，多普勒天氣雷達速度圖上常有正負速度對出現［6］。陣風鋒在徑向速度圖中呈現出正負速度交界的輻合帶，并且輻合帶呈狹窄的弧線回波［7］。

8月11日17：19，在0.5°徑向速度圖（圖略）上，在機場南邊20km處，觀察到一條與陣風鋒相對應的弧狀輻合線，并且隨陣風鋒北移（圖略），這是邊界層輻合線在速度圖上的表現。8月11日17：50，輻合線北移至機場附近，可以看出低層為西南氣流，此時低層已經出現輻散型正負徑向速度對，大小在1～10m/s，即底層出現下沉輻散氣流，之后此輻散氣流越來越明顯（圖5a和5e）。18：14，正徑向速度最大值在15～20m/s，負徑向速度最小值在10～20m/s。而下擊暴流也隨著陣風鋒不斷向本場移動（圖5b和5f）。18：21，天河機場陣風達到30m/s（圖5c）。18：30，機場瞬時陣風甚至達到了34m/s，為天河機場開航以來風速之最。之后，隨著原有陣風鋒的斷裂消失，此正負風速對也不斷減弱。18：51，負徑向速度只有5m/s，最大正徑向速度為10～15m/s（圖5d）。19：00，天河機場風速降到了16m/s。

5 結論

1）副高東退、地面弱冷空氣南侵是2013年8月11日武漢天河機場下擊暴流過程發生的大背景。午后下墊面加熱，增強了大氣的不穩定性，也有利于強風暴的發生。

2）由于太陽輻射加熱的不均勻，在武漢地區及其南部地區出現由北向南的地面溫度鋒區，地面溫度鋒區與對流系統的移動有很好的對應關系。下擊暴流影響機場期間，具有氣壓陡升、溫度驟降、風向變化、風速突增等氣象要素的演變特征。

3）陣風鋒與其后雷暴回波的距離變化一定程度上可以預示未來雷暴回波的強度變化：陣風鋒遠離雷暴時，雷暴將減弱；陣風鋒與雷暴的距離基本保持不變，則雷暴的強度也基本保持不變。

4）下擊暴流與陣風鋒有緊密的聯系，陣風鋒北移過程中激發出β中尺度對流單體，β中尺度對流單體產生了下擊暴流，并且雷達速度圖上的徑向正負大值速度對是下擊暴流發生的典型特征之一。

［1］ Fujita T T， Byers H R. Spearhead echo and downburst in the crash of an airliner. Mon Wea Rev， 1977， 105： 129-146.

［2］ 孫繼松， 戴建華， 何立富， 等. 強對流天氣預報的基本原理與技術方法. 北京： 氣象出版社， 2014.

［3］ 朱敏華， 周華根. 多普勒天氣雷達在陣風鋒監測中的應用. 氣象科學， 2006， 26（1）： 13-18.

［4］ 孫繼松， 陶祖鈺. 強對流天氣分析與預報中的若干基本問題. 氣象， 2012， 38（2）： 164-173.

［5］ 張濤， 李柏， 楊洪平， 等. 三次雷暴導致的陣風鋒過程分析. 氣象，2013， 39（10）： 1275-1283.

［6］ 張家國， 王平， 吳濤. 鄂東一次下擊暴流天氣的中尺度分析. 氣象科學， 2010， 30（2）： 239-244.

［7］ 張利平， 王清平， 陳陽權， 等. 烏魯木齊國際機場一次陣風鋒天氣成因分析. 氣象科技， 2013， 41（2）： 320-325.

Analysis of Doppler Radar Data when a Downburst Event Occurred in Wuhan Tianhe Airport

Pan Penggang， Tian Xiao
（Air Traffi c Management Bureau of Middle & Southern Region in Hubei， Wuhan 430100 ）

Combining the Doppler radar data with conventional weather records， AWOS data and automatic meteorological station data， a downburst event occurred in Wuhan Tianhe Airport is analyzed. The results show that： （1） The synoptic background featured that the subtropical high weakening， the slot line moving eastward and the surface wind converging. （2） Meteorological elements changed obviously during the downburst， such as pressure rising， temperature dropping， and wind speed increasing.（3） The variation of the distance between the gust front and thunderstorm may indicates the future trend of the thunderstorm somewhat. （4） The gust front closely linked with the downburst event， the meso-β scale convective cells were inspired when the gust front moving northward， then the meso-β scale convective inspired the downburst， and especially， the contrast of high values between the positive and negative radial velocity is one of the typical characteristics in the downburst.

downburst， gust front， strong wind

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.05.006

2015年2月4日；

2015年7月5日

潘彭剛（1987—），Email： 407076371@qq.com