2019年4月廣州白云機場持續暴雨前對流層頂和平流層異常信號分析*

郭智亮，劉 娟，張有洋，張 軍，高聰暉，陳淑敏

(1.中國民用航空中南地區空中交通管理局氣象中心，廣東 廣州 510406；2.福建省氣象臺，福建 福州 350000；3.中山大學大氣科學院，廣東 廣州 510275)

0 引言

強降水天氣嚴重威脅著航空器飛行安全[1]。降水帶來的雨霧會影響飛行員的目視距離；降水在云層以下易產生下沉氣流，減小飛行器升力；飛行器在雨中飛行，過多的雨水卷入發動機會造成空中停車[2-3]。強降水也影響飛行器的起飛和降落，濕跑道會減小機輪與跑道摩擦，增大滑行距離[4]。越來越多的學者從事機場強降水的預報方面的研究[5-7]。

目前,天氣預報的研究主要集中于對流層環流背景的變化，平流層僅“被動的受對流層變化的影響”的傳統理念使得平流層對降水影響偏少[8]。但越來越多的研究表明平流層異常影響對流層天氣系統[9-11]。研究2008年南方雪災發生時，發現平流層極渦位置偏亞洲及強度偏強，使得東亞大槽偏東[12]，平流層位相的超前信號作為對流層異常天氣過程一個先行指標，對提高對流層天氣的預報時限有重要意義。

民航氣象降水預報主要從對流層天氣形勢進行短期和臨期預報，中長期降水預報研究偏少。每年華南前汛期爆發后，天氣影響是造成廣州白云機場航班進離港不正常的主要原因。通過分析超前的對流層頂以及平流層信號，找出其與華南前汛期強降水爆發的聯系，提升中長期預報準確率，提前為民航管制運行管理部門提供流量決策依據，可降低運行風險并提高運行效率。

1 資料及方法

1.1 資料

1.1.1 ERA5降水資料 本文所用的天氣要素資料是歐洲中心(ECMWF)提供的新一代再分析資料ERA5，與之前ERA-Interim產品相比，ERA5具有更高的時空分辨率，其水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向共37層。所使用的資料包括2010—2019年10a逐時的風場、溫度場、位勢高度場、位勢渦度場等資料。

1.1.2 白云機場自動觀測資料 廣州白云國際機場目前是3條跑道運行，每條跑道的南北兩頭配備自動氣象觀測點，每個自動氣象觀測點均引進使用芬蘭VAISALA公司的自動氣象觀測系統，安裝了雨量筒傳感器對降水要素進行探測[13]，民航氣象規定機場日降水量是基準氣象觀測點00—24時(北京時，下同)的降水量。本文使用的降水數據來自廣州白云機場觀測月總簿2013—2019年逐日降水資料。

1.2 方法

廣州白云機場經緯度為23.4°N，113.3°E，選取ERA5再分析資料中23.5°N，113.25°E代表白云機場所在位置。廣州機場終端區選取以機場中心，邊長約為100 km的近似正方形[14]，在ERA5格點數據中，選取23.0～24.0°N，112.75～113.75°E范圍內的格點數據代表廣州機場終端區。

2 廣州白云機場2019年4月降水實況

根據月總簿的逐日降水資料統計了2013—2019年4月月累計降水量，2013—2018年廣州白云機場4月月平均降水量為173.27 mm，2019年4月累計降水量為698.6 mm，是近6 a同期平均降水量的4.03倍。圖1為廣州白云機場2013—2019年4月上、中、下旬累計降水柱狀圖，從圖中看到2019白云機場4月上旬降水異常偏少，僅為5.3 mm，中旬、下旬累計降水量分別為418.8、274.8 mm，累計降水量遠超同期，甚至超過近6a 4月的月平均降水量。圖2為2019年4月逐日降水量序列圖，2019年4月降水呈兩極分化形勢，4月機場無雨日和小雨日數分別為12 d和7 d，中雨日數4 d，日雨量超過50 mm的大雨日數、暴雨日數、大暴雨日數為7 d。圖2還可以看到4月上旬累計降水為5.0 mm，中下旬累計降水達693.5 mm，日降水量為23.1 mm，期間一共出現了3次連續多日的強降水天氣過程，分別是11—16日、19—22日、26—27日。受強降水以及對流天氣影響，廣州白云機場大量的航班延誤、航班備降或返航甚至取消，嚴重影響了機場正常運行。

圖1 2013—2019年廣州白云機場4月上、中、下旬累計降水Fig.1 Accumulated precipitation of Guangzhou Baiyun Airport in the early, mid and late April from 2013 to 2019

圖2 2019年4月廣州白云機場逐日降水時間序列Fig.2 Time series of daily precipitation at Guangzhou Baiyun Airport in April 2019

3 暴雨發生前廣州白云機場對流層頂高度的演變

對流層頂是對流層和平流層過渡層[15]，在平流層和對流層交換具有相當重要的作用[24]；它又是一個深厚的阻滯層，它阻礙著積雨云頂的發展與水汽的垂直交換[20,25]。有研究指出，對流層頂變化是對流層變化的指示器[26]。圖3是廣州白云機場終端區近10 a平均、2019年4月對流層頂高度逐日時間序列圖。從圖中看到，白云機場近10 a 4月對流層頂高度比較平緩，無劇烈變化，僅在4月18—26日出現了先上升再緩慢下降。2019年4月機場對流層頂有明顯的波動，3次暴雨發生前對流層頂高度均出現下降，第1次是6日(暴雨發生前5 d)對流層頂高度顯著下降，9日開始回升；第2次是17日(第2次暴雨發生前2 d)對流頂高度下降；第3次是25日(第3次暴雨發生前1 d)對流層頂高度顯著下降，且變化幅度最大。

圖3 廣州白云機場2019年4月對流層高度逐日變化(實線)及2009—2018年10a平均(虛線)Fig.3 Daily variation of tropospheric height at Guangzhou Baiyun Airport in April(Realization indicates 2019, the dotted line is the average of 10 years from 2009 to 2018)

壽紹文等[27]研究發現江淮梅雨暴雨發生過程中，具有高濕位渦值的高冷空氣沿等熵面快速南下。圖4是第1次暴雨前8 d(4月3日)、6 d(4月5日)、4 d(4月7日)、2 d(4月9日)沿23.5°N(機場緯度)位渦的經向高度垂直剖面圖,圖中可以看到：暴雨發生前8 d到暴雨發生前2 d，白云機場上空為正位勢渦度異常區，且在白云機場的西側有凹陷現象，并逐漸東移加深，暴雨發生前2 d(圖4d)移到白云機場上空。

結合圖3和圖4，第1次暴雨發生前廣州白云機場對流層頂附近有平流層高位渦的冷空氣向下入侵，白云機場正位渦異常，對應的對流層頂出現“折卷”，對流層頂高度下降。

圖4 2019年4月3日(a)、5日(b)、7日(c)、9日(d)23.5°位渦的緯向垂直剖面(等值線表示位渦，單位PVU；紅色三角形代表白云機場所在的經度，紅色虛線表示白云機場的位渦垂直分布)Fig.4 Zonal vertical profile of 23.5° potential vorticity on 3(a),5(b),7(c) and 9(d), April 2019 (contour represents potential vorticity, unit: PVU; red triangle represents longitude of Baiyun Airport, red dotted line represents vertical distribution of potential vorticity of Baiyun Airport

4 廣州機場持續暴雨前對流層頂—平流層信號異常分析

4.1 環流場形勢分析

研究表明[28]，華南地區前汛期強降水與東亞季風爆發有著密切的關系，低層季風爆發前，平流層是否有更提前的信號呢？圖5是利用ERA5緯向風場資料沿113.25°E(廣州白云機場所在的經度)的緯向風經向垂直剖面圖，從圖中可以看到從第1次暴雨前8 d(圖5a)，東風風速極大值區位于赤道至低緯度平流層中下層以及對流層頂處(0～8°N，200～150 hPa)，在暴雨發生前6 d(圖5b)，東風風速極大值區向北推至10°N，并逐漸向下傳播至250 hPa高度，暴雨發生前4 d(圖5c)，東風已向北傳播至12°N附近的350 hPa高度上，此后(圖5d)東風繼續下傳至400 hPa高度上，也對華南地區上空風場產生了影響，廣州白云機場終端區上空的緯向風場與氣候平均態變化如圖6所示，機場暴雨前存在西風下傳，且早于氣候態，第1次暴雨爆發前8 d(4月3日)起，緯向風正異常自100 hPa向下傳播，正異常加強并下傳，并在降水前3 d(4月8日)下傳至對流層中層500 hPa，降水前2 d轉為負異常，機場暴雨前的西風下傳，將高空動能下傳，也增大機場上空的風切變，有利于垂直運動的發展，形成有利于降水的背景條件。

圖5 2019年4月3日(a)、5日(b)、7日(c)、9日(d)沿113.25°E的緯向風經向垂直剖面(虛線表示東風，實線表示西風，紅色三角形代表白云機場所在的緯度)Fig.5 Longitude vertical section of zonal wind along 113.25 ° E on 3(a),5(b),7(c) and 9(d), April 2019 (dotted line represents east wind, solid line represents west wind, red triangle represents latitude of Baiyun Airport)

圖6 廣州白云機場終端區2019年4月與2009—2018年氣候平均緯向風差值的垂直分布逐日序列(虛線代表負值，實線代表正值)Fig.6 Daily sequence diagram of vertical distribution of climate mean zonal wind difference between April 2019 and 2009—2018 in terminal area of Guangzhou Baiyun Airport (dotted line represents negative value, solid line represents positive value)

4.2 位勢高度場形勢分析

利用ERA5資料的位勢高度場資料分析廣州白云機場暴雨發生前對流層頂至平流層位勢高度場的變化情況。圖7是廣州白云機場終端區2019年4月與氣候平均的逐日位勢高度差值時間—高度序列圖，從圖可以看出，廣州白云機場終端區上空位勢高度場從4月6日起自500 hPa至平流層一直正異常，對應機場上空風場有增強，由圖4分析知，平流層的高位渦冷空氣南下，白云機場上空的位渦值逐漸升高。最強的正異常出現在第1次暴雨發生前4 d至發生前1 d，出現在150～80 hPa的高度上次增強(減弱)過程，持續暴雨開始后，平流層位勢高度正異常減弱。

圖7 廣州白云機場終端區2019年4月與2009—2018年氣候平均位勢高度差值時間—高度序列Fig.7 Time-altitude sequence diagram of the climatic average geopotential height difference between April 2019 and 2009—2018 in the terminal area of Guangzhou Baiyun Airport

5 結論與討論

5.1 結論

利用20a的ERA5再分析資料，結合白云機場降水資料，分析白云機場2019年4月持續暴雨對流層頂和平流層信號異常特征，得出以下結論：

①廣州白云機場2019年4月降水異常偏多，累積降水量達698.6 mm，是氣候態平均的4.03倍，主要集中在4月中、下旬，共出現3次連續多日的強降水天氣過程。

②2019年4月廣州白云機場對流層頂有明顯的波動，3次暴雨發生前對流層頂高度均出現下降趨勢，且變化幅度明顯高于氣候平均。暴雨發生前，白云機場上空為正位勢渦度異常區，對流層頂出現“折卷”，對流層頂附近有平流層高位渦的冷空氣向下入侵。

③從暴雨發生前環流場分析，中低緯平流層東風向北傳播至12°N附近的400 hPa高度附近，廣州白云機場終端區上空的緯向風場暴雨發生前 8 d正異常自100 hPa向下傳播，加強并繼續下傳，并在降水前3 d下傳至對流層中層500 hPa，暴雨持續前機場上空一直存在西風下傳。

④廣州白云機場暴雨發生前對流層頂至平流層位勢高度從4月6日起自500 hPa至平流層一直正異常，對應機場上空風場有增強，白云機場上空的位渦值逐漸升高,持續暴雨開始后，平流層位勢高度正異常減弱。

5.2 討論

廣州白云機場2019年暴雨發生前，機場上空有冷的高位渦移入，位渦值迅速升高，與此同時，廣州白云機場上空對流層頂開始下降，且降幅明顯高于氣候平均，根據位渦理論[29]，當高層穩定的高位渦空氣下傳到不穩定的環境，根據位渦守恒原理，渦度會增大，渦度增大有利于氣旋的發生和發展，有利于暴雨的形成；同時對流層頂下降，大氣靜力穩定度減小，大氣的氣旋性渦度增大，氣旋性環流增多。同時，暴雨發生前中低緯的東風向北和向對流層傳播，并在降水前3 d(4月8日)下傳至對流層中層500 hPa高度附近，機場上空西風的下傳將高空動能下傳，增大機場上空的風切變，有利于垂直運動的發展，形成有利于暴雨的形成。