近20 a哈尔滨机场初雷特征及影响系统分型

2021-12-08张秋实

黑龙江气象 2021年3期

杨欣,张秋实

（中国民用航空东北地区空中交通管理局黑龙江分局，黑龙江哈尔滨150000）

1 引言

雷暴是对流云强烈发展的产物，是严重影响飞行安全的危险天气之一，也是航空气象预报的重点和难点，特别是每年的初次雷暴（以下简称初雷），代表着一年雷雨季节的开始，是气象要素发生重大变化的一个标志，因此初暴已成为哈尔滨预报员在春夏之交重点考虑的天气之一。通过对初雷的分析，揭示初雷发生的气象条件，将对提高初雷预报预警能力，更好地服务于航空飞行安全有重大意义。

2 资料与方法

根据2001-2020年哈尔滨机场民用航空气象地面观测月总簿、哈尔滨机场航空气候志资料以及NCAR/UCAR FNL（精度为1°×1°）再分析资料，共选出20个初雷天气过程进行客观分析。初雷日的选取以哈尔滨太平国际机场（以下简称哈尔滨机场）每年第一次观测到闪电或雷雨的日期为准。通过逐项累加法，对初雷的时空特征和天气特征进行统计分析。李遐[1]通过00时（本文所述时间均为世界时）地面、850 hPa、500 hPa天气图进行分析后，对引起初雷的天气形势进行分型。

3 初雷时空特征分析

本文通过对哈尔滨机场2001-2020年初雷资料进行统计，发现它们有以下特征。

3.1 时间分布特征及持续时间

哈尔滨机场的初雷主要发生在每年的4月和5月，其中出现最早为2008年4月6日，持续时间为6 min，为最短的一次;出现最晚为2009年5月29日，持续时间为185 min，为最长的一次。按旬分类统计出4月、5月各旬初雷发生次数分布（图1）。其中4月份发生5次，5月发生15次。5月中旬发生次数最多，为6次，其次是5月上旬。因此，5月中旬为初雷主要发生时间，预报员要重点关注。

图1 哈尔滨机场初雷日期分布

为统计初雷主要发生时段，将一日分为4个时间段（图2），即22-04、04-10、10-16、16-22,从发生的时次分析，发生时段概率依次为在午后45%，傍晚40%，上午10%，夜间为0%。因此当预报员预报初雷时应重点关注午后和傍晚。

图2 哈尔滨机场发生时次分布

近20 a初雷持续时间平均为54.4 min，最短为6 min，最长为185 min。其中持续时间在30-60 min概率最大，为45%，其次是小于30 min和60-120 min，均为25%，持续120 min以上的概率最小，为5%（图3）。

图3 初雷持续时间分布概率

3.2 空间分布特征及伴随天气

如图4所示，哈尔滨机场初雷发生的主要方位有Z（天顶）、S、N、SW、E五个，其中在Z出现的次数最多，为10次，S次之，为6次，其他均为1次。由此可知，引起哈尔滨机场初雷的对流云团主要是在本场生成，所以应当注意监视在本场上空生成的对流云团，还要注意南部移向本场的对流云团。

图4 初雷发生方位玫瑰图

如表1所示，哈尔滨机场初雷发生时伴有天气现象有-SHRA（小阵雨）、SHRA（中阵雨）、GA（≥17 m/s的大风）、DU（尘），其中伴随初雷出现概率最大的为-SHRA，为70%，其次为GA，为15%，SHRA和DU均为5%。初雷伴随的降水过程中，在初雷前出现的占60%，在初雷后出现的占15%，没有降水过程的占25%。伴随雷暴的降水中，降水量最大为14.0 mm。降水量小于2.5 mm的概率为40%，大于2.6 mm小于8.0 mm的概率为20%，大于8.1 mm的概率为15%。因此，伴随雷暴出现的降水过程中降水主要出现在初雷发生以前，以弱雷雨为主，近20 a未出现强雷雨。此外，近20 a伴随初雷出现的大风最大风速为20 m/s。

表1 历年初雷过境时基本天气特征

4 初雷影响系统分型

通过对2001-2020年共20 a初雷的天气形势进行分析，其中2001、2002、2003、2006、2008、2014、2015、2017、2019、2020十年是由空中槽和切变线引起；2004、2007、2009、2010、2012、2013、2016、2018八年是由冷涡引起；2005、2011两年是由西北气流引起。因此，可将初雷影响系统分为空中槽和切变线型、冷涡型、西北气流型三种。其中空中槽和切变线型对哈尔滨初雷影响最多，为50%；其次为冷涡型，为40%；西北气流型最少，为10%（图5）。

图5 初雷影响系统分型比例

4.1 空中槽和切变线型

空中槽出现时，有些地面图上有锋面与之对应，有些则无锋面对应。姜兵[2]在春夏交替时，空气比较潮湿，空中槽和切变线附近的气流辐合提供了垂直运动条件和水汽。这时，空中槽和切变线是否引起初雷产生决定于气流辐合的强弱，辐合越强，产生的上升运动范围越大，强度越剧烈，越有利于产生初雷。章国才[3]判断辐合的强弱，一般以切变线的强度为依据，主要是根据空中槽和切变线前后的风向和风速分布来判断。在850 hPa天气图中，在切变线南侧常有≥12 m/s的西南急流，在槽前或切变南侧也常有暖湿平流输送。空中槽和切变线附近的雷暴和其他天气系统中产生的初雷一样，并不是处处都有，一般离空中槽和切变线越近，越容易发生初雷。

以2014年5月2日初雷天气过程为例，500 hPa（图6a）哈尔滨机场位于低压槽前，盛行西南气流，有冷平流，850 hPa（图6b）哈尔滨地区有一个很明显的切变线，切变线南侧有一很强的西南低空急流，急流最大风速达到12 m/s，从渤海湾带来了丰沛的水汽，且在切变线南侧有较强的暖平流，这种强烈的暖湿空气辐合抬升极易触发对流活动的发展。海平面气压场、风场图（图6c）中，哈尔滨地区位于冷锋后部，受暖气团控制，这种上冷下暖的天气形势有利于对流的发展,且△T850-500≈24℃，有很强的热力不稳定。在机场西南侧有较大面积的RH＞80%的区域（图略），随着西南低空急流的输送，为机场带来充沛的水汽。此次初雷天气过程持续了89 min，降水持续总时间达18 h。

图6 2014年5月2日00时

4.2 冷涡型

冷涡是深厚的高空冷性系统，它是一个相当稳定的天气系统。冷涡在500 hPa反映最明显，低涡中心附近常有冷中心或冷槽相配合，低涡后部通常有暖性高压脊，且向东北方向伸展，因此就会有一股一股的冷空气沿着冷涡后部偏北气流南下；850 hPa也可分析出冷涡，有时则表现为宽广的低槽区，其北部常有东西向锋区，槽前常有暖舌；地面图上有冷空气东移南压，锋前有低压或倒槽，有时只有露点锋或中尺度辐合线。周建华[4]在冷涡周围地区，冷暖平流明显，在春夏季经常会引起哈尔滨地区冷涡型雷暴，甚至会带来冰雹天气[5]。

以2013年5月11日初雷天气过程为例，11日00时500 hPa（图7a）我国北部为两槽一脊的天气形势，哈尔滨地区受冷涡控制,低压中心强度较强，同时配合闭合冷中心，冷涡系统较为深厚，有冷平流，低涡后部有暖性高压脊，低涡前部暖湿气流明显；850 hPa（图7b）哈尔滨地区受低涡前部暖空气控制，△T850-500≈26℃，这种高低空配置有利于不稳定度倾向加大。850 hPa相对湿度场中可以看出（图略），哈尔滨机场北侧RH＞80%，为一个显著湿区，机场南侧有显著气流进入显著湿区，存在一个明显的干线。由于冷涡位置偏西北，机场是受冷涡外围分散对流云团影响，本次初雷天气过程仅持续11 min，但强度较强，局地出现了极短时间的雷暴伴冰雹天气。

图7 2013年5月11日00时（a）500 hPa温压场；（b）850 hPa温压场

4.3 西北气流型

西北气流型是指500 hPa或700 hPa为西北或偏北气流控制，为冷平流；850 hPa所在区域或上风方向有切变线、小低涡等低值系统；地面常有辐合区。高层冷平流与低层暖平流的差动温度平流和风切变为强对流天气提供了重要的环境条件。西北气流型下要特别关注温度垂直递减率和垂直风切变，其中任何一项出现超常值时都易产生对流性天气。当低层湿度条件好时，下层任何扰动、辐合都能造成湿空气的抬升条件，极易生成对流云。通常西北气流型初雷会伴随较大的阵风。当垂直温度梯度和垂直风切变很大，但低层湿度很低时，则只会产生对流性大风而不会出现雷暴天气。

以2005年5月24日初雷天气过程为例，500 hPa（图8a）哈尔滨地区位于高压脊前，盛行西北气流，有冷中心，存在明显的冷平流，850 hPa（图8b）位于高压脊中，东侧有一低涡，可以从海上带来一定量的暖湿平流。从温度场时间垂直剖面图中可以看出（图略），当日有一定垂直温度梯度（△T850-500≈14℃），存在位势不稳定，相对较弱。当日哈尔滨机场850 hPa相对湿度30-40%（图略），水汽条件一般。因此，西北气流型雷暴的判断对于预报员来说是一个难点，极易出现漏报。当天在初雷发生时还出现了17 m/s的阵风。