白云机场终端区一次热力对流诊断分析

2021-08-31陈春元

广东气象 2021年4期

陈春元

（中国民用航空中南地区空中交通管理局，广东广州 510405）

7月份正值华南后汛期。关于华南后汛期降水的相关研究中，吕梅等［1］、史学丽等［2］指出7月中旬以后副高脊线稳定在33°N—35°N之间，华南主要受副高南侧偏东风里的热带天气系统及印度西南季风影响；黄忠等［3］、吴尚森等［4］指出季风槽是华南后汛期除了热带气旋之外的主要降水系统；梁巧倩［5］指出后汛期季风强降水的对流高度更低，对流活动具有正压的热带对流性质，可在弱的水汽通量辐合和垂直风切变环境中维持。影响华南后汛期降水的系统中［6－10］，局地热力对流也是重要的影响因子。热力对流突发性强，局地生消，很难提前预判对流发生的时间和位置，且回波几乎原地不动，若落点位于本场及重要导航点，将长时间影响航班起降及进出港，引发大面积航班延误，造成严重的经济损失。关于热力对流的预报至今仍是难点。

本研究利用白云机场气象观测资料和ERAinterim再分析资料（空间分辨率为0.5°×0.5°），从热力和动力角度对白云机场后汛期的一次午后热力对流天气进行诊断分析，加深对局地热力对流天气的认识，希望为相似形势下的预报和服务提供有益的参考。

1 天气过程概述

2019年7月22日广州白云机场终端区出现了一次午后热对流天气过程（图1）。

图1 2019年7月22日10：30（a）、13：00（b）、15：00（c）、23：00（d）广州白云机场终端区雷达组合反射率拼图（单位：dBz）

7月22日10：30（北京时，下同）开始，白云机场终端区开始有对流生成，此时较强对流位于终端区外广东东部地区；12：00以后机场终端区内有对流不断向西扩展并逐渐发展加强，13：00对流覆盖本场上空，本场闻雷，此时整个终端区南部开始出现大范围的孤立对流云团。13：10—15：00本场受到中到强雷雨天气影响，短时能见度下降至600 m，回波移速缓慢，以小于10 km／h的速度向东北方向移动。本场长时间的雷雨天气严重影响航班起降，终端区范围的对流云团覆盖率和强度均增大。15：00以后对流云团主体移到本场东侧，但终端区东部和南部仍有成片的强对流天气影响，回波顶高达13 km，且回波间隙不足，对飞机在导航点附近的绕飞造成很大影响，其中终端区南部的带状回波位于跑道延长线上，长时间堵住飞机进近和进出港。随后对流云团强度逐渐减弱，但对白云机场终端区范围的影响持续到23：00。

该次降水回波随着温度升高，强度和覆盖率逐渐增加；回波原地生成，移速非常缓慢，随着温度降低逐渐减弱消散，这些特点均符合午后热力对流的回波特征。

2 环流背景分析

从7月22日14：00天气形势分布（图2ac）可知，500 hPa副高位置偏北，副高脊线位于32°N附近，华南位于副高南侧，在北部湾和南海东北部分别存在一个气旋式环流，即存在两个中层气旋，中层气旋是与夏季风天气直接相关的一种系统扰动，是华南后汛期典型的天气系统之一，中层气旋以下的大气十分不稳定［11－12］，有利于对流的发展。广州位于两个气旋环流北侧，盛行东北风场。在西南地区也存在一个气旋式环流。该环流在850 hPa和地面更加明显，该深厚系统为西南低涡。850 hPa整个华南均受西南风场控制，切变线位于长江流域，风场较弱没有低空急流。地面气压场东高西低，呈东北－西南走向，整个华南位于低压槽中，在广西中南部存在小范围风速辐合。该次过程存在的天气系统包括中层气旋、西南低涡和低压槽，为雷雨天气的发生提供了不稳定的背景环境。结合地面中尺度分析（图2d）可知在珠江口以北有两条地面辐合线，辐合线位于终端区南部，对应图1对流在终端区南部发展较强，且沿辐合线方向呈线状发展，为对流天气提供抬升条件，有利于对流的持续激发。

图2 2019年7月22日14：00 500 hPa（a）、850 hPa（b）风场（风向杆，单位：m／s）和位势高度（等值线，单位：dagpm）；地面风场（风向杆，单位：m／s）和海平面气压（等值线，单位：hPa）（c）；08：30地面中尺度分析（d）

3 物理量场诊断分析

3.1 水汽条件

该次过程华南位于西南低涡东南侧的西南风场中，带动水汽不断向西南方向输送，水汽主要来源于孟加拉湾，并在北部湾得到补充。广西东部和广东西部存在水汽通量大值区，中心值达12 g·cm－1·hPa－1·s－1，白云机场位于水汽输送通道上，通量值达8 g·cm－1·hPa－1·s－1。此处水汽通量散度值为－1×10－5g·cm－2·hPa－1·s－1，存在水汽通量辐合，水汽在此处积累汇聚（图3a）。从相对湿度剖面图（图3b）可以看出，白云机场上空的湿层深厚（图中黑色圆点表示白云机场所在位置，下同），250 hPa以下相对湿度达到80%，其中低层900 hPa以下大值区达90%。可见该次过程白云机场处于水汽充足的高湿度环境中，为强对流天气的发生提供有利的水汽条件。

图3 2019年7月22日14：00 850 hPa水汽通量（填色区和矢量箭头，单位：g·cm－1·hPa－1·s－1）和水汽通量散度（等值线，单位：g·cm－2·hPa－1·s－1）（a）以及沿113.5°E相对湿度垂直剖面（单位：%）（b）

3.2 不稳定能量

假相当位温可表征大气的温湿特征［13］，从其垂直剖面图（图4）可以看出，假相当位温高值中心位于靠近地面26°N附近，量值达380 K，此处为高能区；低值中心位于800～500 hPa，20°N—22°N之间，为340 K，能力差值达40 K。白云机场位于高值中心向低值中心的过渡区，等值线密集，说明白云机场上空存在能量梯度大值区，大气的湿斜压性很强，有能量锋区相配合。大气中的高能量有利于对流天气的发生，另外，白云机场上空700 hPa以下，风场随高度顺时针旋转，表明大气低层有暖平流渗透，有利于能量的补充，增加大气的对流不稳定性。

图4 2019年7月22日14：00沿113.5°E假相当位温（等值线，单位：K）和水平风场（风向杆，单位：m／s）垂直剖面

从7月22日08：00的清远探空资料可知，对流有效位能（CAPE）值达到1 643 J／kg，可见此时大气已经积累了很高的不稳定能量，而对流抑制有效位能（CIN）为0，有利于对流发展。K指数和沙氏指数（SI）分别为40和－2.08℃，可见大气层结处于不稳定状态。抬升凝结高度（LFC）为952.2 hPa，只需要较小的外力抬升作用，就容易触发对流发展。

本场温度在22日早上08：00为28℃，09：00上升到29℃，09：30温度达到30℃。温度在30℃以上是热力对流产生的必要条件。之后温度继续上升，11：00温度上升到32℃。13：00后本场受到降水天气影响，温度维持在32℃。持续高温对大气的加热作用，促使不稳定能量进一步增大，为午后对流降水提供热力条件。

3.3 动力条件

3.2节分析可知，白云机场上空已经积累了较高的不稳定能量和层结不稳定度，但强对流天气的发生还需要触发机制。分析白云机场上空涡度平流垂直分布（图5）可知，500 hPa以下为弱的负涡度平流，负值中心位于900 hPa附近，量值为－0.4×10－4s－2，200 hPa附近有正涡度平流中心，量值为1.2×10－4s－2。

图5 2019年7月22日14：00沿113.5°E垂直剖面涡度平流（单位：×104 s－2）

这种低层负值、高层正值的涡度平流配置，有利于触发次级环流发展［14］，使动力作用加强。

从散度场垂直分布可以看出，白云机场上空500 hPa以下散度为负值区，500 hPa以上为正值区，正值中心达1.5×10－5s－1。可见散度场为低层辐合、高层辐散的配置，有利于Ekman抽吸作用，为强对流天气的发生提供了有利的动力条件。

3.4 风廓线雷达

本场风廓线雷达所在位置在图1a中黑色方框中标出。风廓线雷达水平风场显示10：00开始白云机场低层主要盛行东南风，随着高度增加风向转为偏南风，1 000 m高度以上风向又逐渐转为西南风，2 000 m以上逐渐转为偏西风，甚至西北风（图6）。风向随高度明显顺转，该日低层雷暴发生前后均有暖平流不断渗透。在雷暴发生前11：00—13：00和雷暴影响中15：00—17：00，中层大气3 000～4 000 m盛行东北风，且风向随高度逆转，有干冷平流渗透，增加大气层结不稳定度。在13：30—14：00期间，机场上空3 000 m以下先盛行西南风，然后盛行西北风，表明有小尺度气旋式环流过境，为雷暴触发提供动力上升机制，与本场雷雨爆发时间相对应。随后14：00—15：00时段也不断有小尺度涡旋扰动过境（红色方框标出），为雷暴的持续激发提供有利机制。

图6 2019年7月22日10：00—18：00白云机场风廓线雷达水平风分布（单位：m／s）

4 CDM产品检验分析

CDM对流临近预报产品为中南空管局气象中心自主研发的终端区对流临近预报产品。该产品能够提前显示出本场和终端区重要导航点预计受对流影响的时段和强度。在12：30时CDM产品显示本场将于13：36受到中等强度对流天气影响，对比实况，本场于13：30出现强雷雨。预报时间提前量达1 h，强度略弱。随着时间临近不断修正预报结果，13：18 CDM显示本场持续受到强对流影响，并于14：30后减弱，15：00后不再影响本场。对比实况本场强雷雨于14：30后转为弱雷雨，15：00雷雨过程结束，与预报完全一致。可见CDM产品对于该次午后热力雷暴有很好的预报效果。