對影響首都機場的一次冷渦雷雨天氣過程的分析

摘 要：本文利用NCEP再分析資料（1°*1°）、衛星云圖及多普勒雷達資料，對北京首都機場發生的一次夏季冷渦雷雨過程進行分析。此次過程由冷渦持續性活動引起，是一次冷渦副冷鋒型雷雨。文中通過對衛星云圖及雷達資料的應用，及時有效判斷冷渦雷雨的起始、結束時間及強度的變化，有效提高臨近預報精度。從而由氣象服務角度協助空管應對和緩解由雷雨天氣引起的航班延誤，對提高生產運行效率有一定幫助。

關鍵詞：高空冷渦；雷雨；衛星云圖；副冷鋒；多普勒雷達資料

引言

高空冷渦是東亞大氣環流中的重要組成部分，也是中國東北及華北地區特有的重要天氣系統，它一年四季均可出現，對東北及華北地區的天氣氣候有著很大影響。冷渦的主要特征之一是其出現往往具有持續性，如夏季（特別是初夏）冷渦的發生頻率就遠遠多于其它季節，有些年份它們可以連續不斷地反復出現。冷渦的持續性活動可對其影響的區域內造成連續數日的雷雨天氣，而每段雷雨發生的起止時間卻難以預判，因此，對飛行影響極大，是航空氣象中重點關注的天氣系統。文章通過對夏季冷渦持續性活動過程中的一次雷雨進行分析，探討了冷渦型雷雨發生前后一些氣象要素的特點。另外，通過對衛星云圖及多普勒雷達資料的分析，簡單探討了衛星云圖及雷達在雷雨預報中的應用，以期提高臨近預報服務效果。

1 天氣實況及天氣形勢分析

1.1 當日天氣實況

2010年6月13日北京首都機場白天為多云間陰天氣，午后在華北區域西部及西北部開始出現雷雨回波，并向偏東方向緩慢移動。傍晚時分首都機場本場遭遇雷雨天氣短時伴有CB大風。雷暴發生在1054UTC-1447UTC，其中1115UTC本場出現強雷雨。最大陣風出現在1054UTC達350°16m/s，最大平均風出現在1100UTC達360°10m/s。降水量為11.4mm。

1.2 利用NCEP再分析資料對天氣形勢分析

利用時間分辨率6小時，空間分辨率1°*1°的NCEP再分析資料對當日天氣形勢作簡要分析：

由500hPa風溫場可清楚看到中心位于（55°N，122°E）以北的低壓系統穩定少動。從13日00 UTC前開始，受其后部從蒙古向貝加爾方向隆起的暖脊影響，在其底部逐步形成一個新的渦旋系統；13日06UTC前后，其低壓中心位于50°N，115°E，并有完整的閉合環流中心與冷中心相配合，即高空冷渦已經生成，本場處在冷渦底部。12UTC前后槽區壓至本場，本場出現雷暴降水。18UTC本場已經轉為槽后的西北氣流控制，本場的雷暴降水也于此前結束。

中低層風溫場同樣有明顯低壓環流存在，位置與500hPa的冷渦位置對應。白天中層風速有較為明顯的增大，槽前輻合明顯。實況表明12UTC前后中高層槽壓至本場，該時段內出現雷暴降水，18UTC本場已轉為槽后的西北氣流控制。而低層槽東移動緩慢，本場一直處于西伸的強盛暖脊控制下，850hPa偏南氣流旺盛，持續時間長，保證了低層的水汽輸送的充足；槽線附近的切變輻合明顯。

1.3 物理量場分析

利用NCEP再分析資料對幾項典型物理量場作分析，試探求本次冷渦雷雨過程中一些典型物理量的變化規律。

1.4 渦度分布

從500hPa渦度場可看出，在冷渦的環流中心附近從00UTC開始就存在一個正渦度的高值區。并且兩個正渦度中心在東移過程中，加強合并為一個中心，由此看出冷渦在東移過程中是加強的。正渦度區與冷渦的發展有良好對應關系。

由渦度場和溫度平流場的對比來看，干冷空氣的侵入位于正渦度區的第3象限中，即冷渦后部。冷渦的后部有明顯的冷平流大值區，說明此時段內有一次冷空氣入侵過程；而強天氣的發生區主要在冷渦的東南部，即正渦度區的第2象限中。另，在雷雨發生前及雷雨時500hPa的濕度大值區一直處于強天氣的發生區即正渦度區的第2象限中，且與云圖中的冷鋒云系的位置保持一致。

冷渦系統及冷渦云系在東移過程中，大氣中必須具備足夠的濕度才使冷渦得以發展，從而產生強天氣過程。在這次雷雨過程中，500hPa上的濕區與冷渦系統配合十分良好，使冷渦得到了發展，冷渦云系增強，為強天氣過程的產生提供了有利的條件；而在冷渦后部適時入侵的干冷空氣，成為本此雷雨過程的一個重要的觸發條件。

1.5 垂直速度和層結條件分析

從風和溫度層結來看整層系統前傾明顯。說明在高層冷空氣過境后，低層還處于槽前的暖區中。這樣上冷下暖的層結十分不穩定，高層下傳的干冷空氣與低層輻合抬升的暖濕空氣相遇，極易產生強的對流性天氣。從垂直速度圖上看，槽前及槽區附近的上升運動強烈，說明輻合強烈。同時，可以看到中高層在槽后的區域，都有一個明顯得下沉速度區，說明槽后的冷空氣明顯，在這樣的下沉速度區易產生雷暴大風。從12UTC的垂直速度圖上可以看到，槽后有一塊整層明顯的下沉速度區；說明高層冷空氣直接下傳至地面，此時能夠產生比較強的地面風。本場的觀測資料顯示，1054UTC出現最大陣風350°16米/秒，1100UTC出現最大平均風360°10m/s，時間上與之相吻合。

2 衛星云圖分析

夏季冷渦后部盛行西北干冷氣流，由于白天地表受太陽的加熱及較好的水汽狀況，容易形成上干冷下暖濕的不穩定形勢。當冷渦后部有小擾動，地面就會出現副冷鋒，誘發大片積云、濃積云發生發展并加強，形成強的帶狀雷暴云團。這些在衛星云圖上表現最明顯。

從云圖上分析，本場2010年6月13日雷雨過程為冷渦副冷鋒型。圖4所示為此次副冷鋒雷暴發生發展的過程。圖中，發展過程中的冷渦向東北方向移動；A-B是冷渦相聯系的副冷鋒云帶。從紅外云圖上可以看到，13日造成冷渦副冷鋒云系已經較為清楚，表現為東北-西南向帶狀積狀云；午后急速移動的同時不斷加強，傍晚前后加強為颮鋒云系。引起了本場本次強雷雨天氣。所以，如果早晨衛星云圖看到上游出現了弱線狀副冷鋒云帶，本場出現雷雨的可能性非常大，此時應給予充分關注。

結合圖4總結冷渦副冷鋒型雷暴的衛星云圖的一些特點：

（1）早晨為冷渦后部大范圍晴空區，有時冷渦西到西北象限也會出現一條條螺旋云線，云線由積云、濃積云組成。紅外云圖總云纖維灰白色，云體一般為較小的粒狀或塊狀。

（2）中午前后，本場西北部便會出項一條條東北西南向的有孤立的雷暴云團組成的帶狀雷暴帶。紅外圖上孤立的雷暴云團呈橢圓形或圓形，邊界光滑，色調亮白。可見光圖中一位亮白色，云團中可以看出顆粒狀的上沖云頂。在副冷鋒延伸線上仍會不斷出現積云、濃積云，觸發點沿云線向西南方向延伸（延伸的范圍有時可以超出高空槽線的范圍，所以預報時一定要考慮延伸出云線是否能到達本場）。

（3）傍晚前后，孤立的雷暴云團相互合并，下風方向出現云砧，形成較強的雷暴云帶，地面圖上顯示為一條颮線，而雷達圖為一條強回波帶。這時的雷暴云團很容易出現冰雹、雷暴大風及風切變等強對流天氣。

3 雷達圖分析

從雷達回波圖來看，本次雷雨為一東北——西南向帶狀回波自西北向東南方向移動過境的過程，回波范圍長約250km，寬約90km。回波強度在25-45dbz，中心頂高達10km以上，其前部對流發展旺盛。回波在發展初期，其后部不斷有對流云團生成，在速度圖上也可以看在相應的位置有比較明顯的輻合區與之對應。回波帶在過山后明顯減弱，但其前部的強回波區依然維持。1055UTC左右，回波前部的強回波區移至本場，1054UTC本場雷雨并伴有CB大風。CB大風的產生是受對流云團前部強烈的下沉氣流影響，同時次速度圖上也可看出，恰有一速度大值區處在本場。離雷達較近的地面一直維持典型的S型，說明底層為暖平流維持，不穩定能量積累，利于雷暴云團發展。隨著回波不斷靠近，離雷達較遠的回波有成反S型的變換趨勢，說明此時高空有冷平流。

從1110UTC和1240UTC強度圖來看，本場兩次受到局地加強回波影響，短時出現中到強雷雨天氣，CB云達7-8個分量。而后隨回波移出，本場降水和雷暴分別于1440UTC和1447UTC結束。從速度圖上看，本場地面也逐漸轉為反S型，受冷平流控制。

本次降水回波屬于明顯的冷渦天氣形勢下的混合云降水回波，除具有一般混合云降水回波的基本特征外，還有一些自身的特性。由于冷渦系統夾帶的強烈冷空氣與地面暖濕空氣相互作用，使得冷渦天氣形勢下的混合云降水回波中的對流云較其他形勢下的發展更為劇烈。層狀云降水為積狀云發展提供了豐富的水汽條件，從混合云中進入對流云的空氣是接近飽和的，這增加了凝結釋放的潛熱，引發更強的上升氣流，促進對流云發展。因此，冷渦天氣形勢下的混合云中的對流云生存時間會更長一些。

4 結束語

（1）利于發生雷雨的冷渦天氣形勢：高空整層系統深厚且前傾；中高層冷渦后部有明顯的冷空氣，中低層偏暖且輻合強烈。上冷下暖的高低空配置，為冷渦的發展及雷雨的產生提供了不穩定層結條件。另外，底層持續時間很長的偏南氣流提供了十分有利的水汽條件。（2）衛星云圖的使用，對分析判斷冷渦副冷鋒的發生和發展有很好的指示作用，對于預報冷渦副冷鋒型雷雨有很大的幫助。（3）雷達資料的使用，特別是速度圖的使用，對把握臨近天氣的發展變化有很大幫助，提高精細化預報服務效果。

作者簡介：馬天宇（1986-），男，北京人，工作單位：民航氣象中心，工程師，研究方向：航空氣象。