咸阳机场对流天气中高层垂直运动场初探

巩敏莹,黎 巍,崔竹囡,高 洁

(西北空管局气象中心,西安 710082)

咸阳机场对流天气中高层垂直运动场初探

巩敏莹,黎 巍,崔竹囡,高 洁

(西北空管局气象中心,西安 710082)

对2011年西安咸阳国际机场所有雷暴日雷暴发生时间前后的NCEP1°×1°再分析资料的400hPa垂直速度场进行分析,发现大多数雷暴发生在中高层为上升气流区的环境中,少数雷暴发生在中高层为下沉气流区的环境中。进一步的研究表明:当低层为高温高湿且有明显辐合运动时,中高层的垂直速度场对雷暴的出现并不起决定性的作用;但当低层的对流条件不明显,而中高层为强的上升气流区时,仍有发生雷暴的可能。研究为雷暴天气的预报提供了新的思路,提醒预报员在低层对流条件不明显时,还需关注中高层强上升气流区的作用。

雷暴;垂直速度场;高温高湿

雷暴天气是影响民航安全的灾害性天气之一。与冬季大雾相比,夏季雷暴天气不仅对机场有重要影响,还对航路飞行有明显影响。由于雷暴云中常常伴有闪电、强烈的颠簸和积冰,不利于飞机的安全飞行。为了避免遭遇雷击、强烈的颠簸和积冰,飞机需绕开雷暴云飞行,造成空管指挥程序复杂化,调配压力增大,飞行间隔加大,空域容量减小等情况,这些不利因素对于非常脆弱的正常飞行链条会产生一系列影响,尤其当大范围雷暴云团处于主要航路时,会造成全国范围航班的不正常;而且雷暴天气同样对机场也会造成严重的影响,伴随雷暴出现的低云、低能见度、下击暴流、低空风切变等都对起降飞机构成巨大威胁,雷电、冰雹、强风、强降水等会对机场设施设备造成损坏。

雷暴是由较强发展的对流云引发,在早期雷暴的研究中,已经认识雷暴发生需要有三个要素:水汽、条件不稳定层结和启动机制[1]。对于第一和第二条件,可以通过分析温度对数压力图来判断大气的温湿层结是否有利于对流的发生。而在温湿环境方面前人也做出了许多令人瞩目的研究成果,例如干暖盖的存在,会使低层的不稳定能量得到大量的累积,从而在干暖盖受到破坏时引发雷暴天气[2]。对于雷暴发生的动力条件,由于大气运动的复杂性,研究似乎较为困难。从天气系统方面来讲,冷锋、高空槽、切变线、低涡、台风等均能产生抬升运动,从而引发雷暴。过去的研究还认为雷暴发生时低层辐合和上升运动的环境场有利于雷暴的发生[3]。还有研究认为风的垂直切变越强,越有利于对流的发生[4]。在陕西的雷暴天气研究中,也有许多成果:许新田等分析了2010年春季陕西中南部一次暴雪和雷暴天气的触发条件及中尺度特征[5];刘宏总结了2011年陕西省雷电活动特征[6],发现陕北南部、渭北和陕南西南部为陕西省雷电高发区;肖湘卉等对两次强对流天气的热力不稳定条件进行了对比[7];王秀成等分析了陕西中南部一次秋季强雷暴天气过程[8],认为强天气出现在雷暴云右后部下沉辐散气流中心附近;高菊霞等从物理量场的角度对陕西两次特强雷电天气过程进行了对比分析[9],认为最强正闪出现在中层相对湿度大于50%的区域内,相对湿度急剧增大时,最强正闪出现时垂直上升运动较强;而负闪出现在中层相对湿度大于80%的区域内,中层相对湿度减小梯度较大处或者相对湿度增大梯度较小时,最强负闪出现时垂直上升运动较弱。而在实际工作中发现,雷暴天气表现非常复杂,K指数和沙氏指数在雷暴预报中有重要的指示作用,但雷暴的强度和落区与K指数和沙氏指数的对应关系却很不稳定;常规天气图表在预报中非常重要,反应了实际大气状况,但当天气尺度强迫作用较弱,细微的物理条件变化在常规高低空天气图上很难表达出来,预报员很难捕捉到影响雷暴发生发展的有利条件和触发机制;数值预报在近年来发挥了越来越重要的作用,对稳定性降水的预报效果较为理想,但对雷暴这种对物理条件非常敏感的对流天气而言,预报与实况仍有较大出入。所以由于雷暴天气影响巨大而精确预报非常困难,雷暴一直是航空气象研究的重点。

1 资料与方法

雷暴天气的发生与各个层次的环境场均有关系,以往的研究多侧重于低层,而对于中高层的研究仍显不足,而400hPa高度在7km左右,夏季其温度在-20℃左右,民航气象航站重要天气评分规则中CB云的评定标准为顶高在8 km以上的对流云,在以往的研究中也认为当云顶温度低于-20℃则出现雷电的可能性较大。所以400hPa的物理量场对雷暴的研究也非常重要,若对流云能发展到该层次,则出现雷电的可能性大。因此选取咸阳机场2011年雷暴过程的NCEP1°×1°再分析资料,使用客观分析方法,对400hPa的垂直速度场进行研究。

2 2011年雷暴日介绍

2011年咸阳机场共出现雷暴日为11d,其中4月发生1d,6月2d,7月4d,8月4d,其中8月15日和16日为一次雷暴过程,因跨16时 (以下时间除特别说明外均为世界时)日界,记为两个雷暴日,实际雷暴过程为10次(见表1)。由表1可以看出,2011年咸阳机场雷暴多发生在夜间,平均持续时间在2h左右,其中以8月15日持续时间最长,达4h41min,且伴随出现了29m/s的地面阵风,是咸阳机场建场以来最大的雷暴大风。

表1 2011年咸阳机场雷暴过程发生时间、结束时间(世界时)、持续时间

3 中高层垂直速度场分析

3.1 雷暴的发生对应中高层上升气流区

对2011年咸阳机场发生在00:00、06:00、12:00、18:00标准时次附近的雷暴个例进行中高空垂直速度场分析 (个例为4月16日、6月9日、7月15日、7月17日、8月28日),发现绝大多数雷暴发生时中高层对应上升气流区。以6月9日发生的雷暴为例,从18时400 hPa垂直速度场 (图1)上可以看到咸阳机场雷暴发生时,河套区域为上升气流区,咸阳机场处于上升气流区的中心位置附近。

图1 2011-06-09T18400hPa垂直速度场(单位为10-4hPa/s;·为咸阳机场位置,下同)

图2 2011-06-06400hPa垂直速度场(a06时;b12时)(单位为10-4hPa/s)

对于2011年发生在00:00、06:00、12: 00、18:00时标准时次之间的雷暴个例,分析了雷暴发生前和发生后中高层垂直速度的变化,发现雷暴发生前关中地区中高层存在下沉气流区,雷暴发生后为上升气流区。此类个例包括6月6日、7月21日、8月25日发生的雷暴。以6月6日为例,雷暴发生于09:45至10:18,当日06时400hPa垂直速度场(图2a)上,关中地区为下沉气流区,当时咸阳机场并未发生雷暴;而到12时400hPa垂直速度场(图2b)上整个河套区域却表现为一致的上升气流区,咸阳机场所处位置在关中的中部,在发生转换的时间段内出现了雷暴天气。

以上8个例子均表明在雷暴发生时,中高空为上升气流区环境,占到了10次过程的十分之八,比率非常高,表明中高层上升气流区有利于对流活动向上发展。

3.2 雷暴的发生对应中高层下沉气流区

以上的个例分析表明雷暴多发生在中高层为上升气流区的环境中,但也有不同的情况,在中高层为下沉气流区的环境中也有雷暴发生的个例,但个例较少,仅有2例,分别发生在7月28日和8月15日。以7月28日雷暴为例,分析当日12时中高层垂直速度场 (图3),发现关中中南部均为较强的下沉气流区,咸阳机场接近下沉气流中心位置。但通过分析两次雷暴过程的形势场和物理量场,发现有非常明显的共性,形势上均处于西太平洋副热带高压的西北侧 (图略),低层水汽条件非常理想,过程前均持续长时间的高温天气,低层大气蕴含大量不稳定能量,即低层为高温高湿的不稳定大气。在此条件下,当有抬升作用出现,极易诱发雷暴天气。在西北地区造成或诱发抬升作用的一般多为低槽或东移冷锋。分析这两次过程的物理量场,发现低层大气的比湿都很大(图略),850hPa比湿均在17g/kg左右,700hPa比湿均大于11g/kg,为非常理想的水汽条件;散度场上低层存在明显的辐合区,且都表现为850hPa辐合较700hPa辐合明显(图略),辐合运动有利于空气中的水汽发生抬升凝结,造成潜热释放,产生热浮力,有利于对流的发展。

图3 2011-07-28T12400hPa垂直速度场(单位:10-4hPa/s)

通过以上的分析可以得知,在高温高湿的条件下,即使中高层为下沉气流区仍有可能发生雷暴,低槽等天气系统或热力作用引发的对流会非常强烈,可以冲破中高层下沉气流的压制继续向上发展。

3.3 实例

为了说明中高层垂直运动场对对流活动的发生具有重要的作用,对咸阳机场2012年4月20日一次雷暴过程进行分析。当日07:36至08: 07咸阳机场出现了一次伴有冰雹的强雷暴过程,在716A-43天气雷达PPI回波图上,该雷暴云团水平尺度只有20km,回波强度达到55dBz以上(图4),具有水平尺度小、回波强度大的特点。

分析该过程的形势场,发现低层对流条件并不明显。4月20日雷暴发生前06时河套中南部中低层(500～850hPa)为一致的西北气流(图略),并没有明显的系统活动,只有中高层(400 hPa以上)有明显的低槽位于河套中部,并已经进入陕西的西部(图略)。850hPa比湿为6g/ kg、700hPa为4g/kg,低层大气非常干燥(图略)。分析西安站4月20日00:00的温度对数压力图,也可发现环境大气的温湿层结也不利于对流的发展,并非下湿上干的层结。K指数仅为26.4℃,沙氏指数为2.3℃,均未达到对流发生的有利条件(图5)。

图4 2012-04-20咸阳机场雷暴716A-43天气雷达回波 (图中时间为北京时)

图5 2012-04-20T08西安站温度对数压力图(时间为北京时)

分析4月20日06时400hPa垂直速度场可发现在陕西西部有非常明显的上升气流区 (图6),且随着高空低槽的逐渐东移,上升气流区必然逐渐东移影响到关中地区,造成关中地区有利的中高层垂直运动场条件,利用400hPa高空风速推算,在06时后1.5h上升气流区正好位于咸阳机场附近,到12时高空低槽已经移出陕西区域,400hPa转变为西北气流,垂直速度场为下沉气流区,不再有利于对流的发展。

图6 2012-04-20T06400hPa垂直速度场(单位:10-3m/s)

通过以上的雷暴过程分析可以看出,虽然在低层没有有利的湿度条件、不稳定条件、抬升条件,但当中高层为强烈的上升气流区时仍有可能发生雷暴,且有发生强雷暴的可能性。

4 结论与讨论

(1)咸阳2011年多数雷暴过程对应中高层为上升气流区;少数雷暴发生在中高层的下沉气流区中,对应低层为高温高湿的强烈不稳定对流环境。

(2)雷暴是非常复杂的天气系统,当低层的对流条件非常理想时,则高层的垂直速度场影响较弱;但当低层的对流条件并不显著时,高层的上升气流区会发挥重要的作用,造成雷暴天气的发生。研究为雷暴天气的预报提供了新的思路,提醒预报员在低层对流条件不明显时,还需关注中高层强上升气流区的作用。

(3)当对流活动发展到500hPa以上时,如果从动力条件考虑,中高层为上升气流区则有利于该对流活动继续向上发展,如果中高层为下沉气流区则由于下沉气流的压制而不利于对流向上发展。当对流活动达到400hPa高度,云顶温度低于-20℃则容易产生雷暴天气。

(4)当低层为高温高湿的条件,不论是由于天气系统移动造成的系统性的雷暴还是由于热力增温造成的局地性对流活动,其热浮力作用会较为明显,能够克服中高层的下沉运动,并由于中高层环境大气的下沉运动造成与上升气流的摩擦作用增强,并由于中层干冷入流加强,从而引发较强的雷电现象。

(5)样本数量有限,深入研究还需收集更多的资料,且由于雷暴发生的过程非常复杂,研究只涉及到中高层垂直速度场一个方面,有一定的局限性。另外所使用的NCEP1°×1°再分析资料在时间和空间分辨率还很不足,为研究工作也带来了许多困扰。

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P434.2

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1006-4354(2014)01-0029-05

2013-07-03

巩敏莹(1974—),女,汉族,陕西三原人,硕士,高工,从事航空天气预报业务及研究。