南宁机场2014—2022年初雷统计分析

2023-03-11谢忠妙

科技创新与应用 2023年6期

谢忠妙

（民航广西空管分局，南宁 530048）

初雷指的是每年首次发生的雷暴，多发生在春季，其出现意味着雷雨季节的到来，在航空气象中，意味着预报员的保障思路要从冬季低能见度保障转变为雷雨天气保障，因此，能够及时准确预报出初雷是非常重要的[1]。相对广西初春来说，夏季由于大气环境非常容易满足高温高湿和位势不稳定层结条件，所以夏季强对流天气较为多见，影响系统也较为清晰。而由于广西初春的地面气温相对较低和水汽输送较少，且影响系统一般强度较弱、厚度较为浅薄，较难判断是否达到产生强对流天气的水汽、热力和动力条件，预报难度较大[2]。本文通过对南宁机场2014—2022年的初雷进行统计分析，以期降低此类天气的漏报率。

1 资料与方法

南宁机场从2013年10月1日开始实行实施24 h人工观测，因此本文选取2014—2022年南宁机场地面观测月总簿资料和ERA5再分析资料（0.25°×0.25°）对9个初雷个例从时空特征、天气形势分型和物理量场等方面进行诊断分析。具体方法为通过对个例最接近初雷发生时间的整点（以下统计均采用北京时）的地面至500 hPa天气图进行综合分析，得出初雷天气形势分型，然后对同一种类型的个例进行合成平均，进一步分析天气形势和物理量特征。

2 初雷特征与分型

2.1 初雷时空特征

经过统计可知，2014—2022年南宁机场初雷最多发生在每年的3月，占比为67%，其中最早发生在2020年1月24日，最晚出现在2015年4月7日。从发生时间来看，初雷最多发生在早晨和下午，占比均为33%。初雷的平均持续时间为71 min，最短为20 min（2020年），最长为192 min（2018年），其中持续时间小于30 min的占比最高，为44%。此外，统计初雷发生前1 h的地面气温发现，除2019年外，其余年份均为15~23℃。

南宁机场初雷发生的方位有6个，分别为Z、SW、W、NW、N、S，常见方位为SW、W、NW，说明上游系统的影响是导致雷暴产生的重要原因。

2.2 初雷类型划分

对2014—2022年初雷发生当日最接近初雷发生时间的整点的地面至500 hPa天气图进行综合分析，根据主要影响系统进行分型，得出初雷主要分为4类，分别为冷锋型、暖区型、高压后部型和高架型，其中，占比最高的是冷锋型雷暴，达到44%，其次为暖区型雷暴和高压后部型雷暴，均为22%，最低的是高架型雷暴。下面对4种初雷类型的天气形势进行特征分析。

2.2.1 冷锋型雷暴

冷锋型雷暴的天气形势（图略）：500 hPa中高纬地区为“一槽一脊”形势，中低纬地区，陕西到四川一带存在明显的高空槽，南支槽位于95°E附近，槽线纬向距离长达18个纬距，南宁机场处于南支槽前较强的西南暖湿气流中。850 hPa南宁机场处于桂北切变线南侧的偏南气流中。925 hPa南宁机场位于切变线附近。地面图上，冷高压中心位于北京附近，中心强度大于等于1 030 hPa，锋面位于梧州、玉林、南宁一带。

2.2.2 暖区型雷暴

暖区型雷暴的天气形势（图略）：500 hPa中高纬地区为“一槽一脊”形势，中低纬地区，副热带高压（以下简称“副高”）位于菲律宾东部，四川和济南地区分别存在高空小槽，南支槽位于102°E附近，槽线纬向距离为8个纬距，南宁机场处于南支槽前较强的西南暖湿气流中。850 hPa西南急流轴位于钦州到桂林一带，整个广西地区受急流影响，南宁机场位于急流轴左侧。925 hPa湛江、南宁、柳州一带存在超低空偏南急流。地面图上，长江中下游地区以南为低压槽形势，西南低压中心位于贵州附近，中心强度小于等于1 005 hPa，南宁机场处于西南低压外围。

2.2.3 高压后部型雷暴

高压后部型雷暴的天气形势（图略）：500 hPa中高纬地区为“一槽一脊”形势，中低纬地区，副高位于菲律宾东部，兰州到四川一带存在高空小槽，南支槽位于95°E附近，槽线纬向距离长达15个纬距，南宁机场处于南支槽前较强的西南暖湿气流中。850 hPa西南急流轴位于崇左到河池一带，南宁机场位于急流轴附近。925 hPa切变线位于桂北，南宁机场位于东南急流前方风速辐合区中。地面图上，冷高压中心已经东移到黄海，中心强度大于等于1 025 hPa，南宁机场处于高压后部。

2.2.4 高架型雷暴

高架型雷暴的天气形势（图略）：500 hPa中高纬地区为“一槽一脊”形势，中低纬地区，副高位于菲律宾东部，陕西到四川存在高空槽，槽线纬向距离长达12个纬距，南支槽位于105°E附近，槽线纬向距离长达16个纬距，南宁机场处于南支槽前较强的西南暖湿气流中。850 hPa西南急流轴位于两广交界附近，南宁机场处于急流轴左侧较强的西南暖湿气流中，且位于暖脊附近。925 hPa切变线位于桂北，湛江、玉林一带存在超低空偏南急流，南宁机场处于急流左侧。地面图上，前期冷空气已经南下过境南宁机场，冷高压中心位于蒙古东南部，中心强度大于等于1 027.5 hPa，南宁机场受冷高脊控制。

综上分析可知，冷锋型雷暴主要受高空槽、桂北切变线和冷锋共同影响；暖区型雷暴受南支槽、低空西南急流、超低空偏南急流共同影响，地面形势处于西南低压中；高压后部型雷暴主要受南支槽、低空偏南急流、超低空东南急流共同影响，地面处于入海高压后部；高架型雷暴的主要影响系统为南支槽、低空西南急流、超低空偏南急流和地面冷高脊。

3 物理量场分析

雷暴发生的3个必要物理条件是丰富的水汽、层结不稳定和气块抬升到凝结高度的触发机制[3]，下面将从这3个方面进行分析和对比。

3.1 水汽条件分析

由水汽通量垂直剖面图（图略）可以看出，冷锋型雷暴整层水汽通量值偏低，在2.5~7 g/（s·hPa·cm），这与其低层较弱的偏南气流有关；其他类型的水汽通量整体呈现出“近地面和高层低，中低层明显高”的特征，900~700 hPa均达到10 g/（s·hPa·cm）以上，暖区型雷暴的水汽通量高值区的厚度更为深厚，高架型雷暴相对较薄，结合风场分析可知，这3种类型都有较强西南到东南低空急流作为主要的水汽输送通道。分析水汽通量散度垂直剖面图（图略）可知，冷锋型雷暴整体水汽通量散度绝对值较小，仅在925 hPa以下水汽通量散度为负值；其他类型的水汽通量散度在975~850 hPa均为负值，为-4×10-7g/（s·hPa·cm2）左右。以上分析表明初雷发生时南宁上空有充足的水汽输送并出现辐合抬升，但整体水汽辐合偏弱，因此初雷发生时伴随的降水强度较弱。

3.2 层结稳定度分析

大气层结不稳定是强对流天气发生的必要条件之一，表征和衡量大气层结稳定度的指标有很多[4]。前人研究指出，CAPE数值越大，发生强对流天气的可能性越大，但由于春季近地层相对稳定，所以初雷发生时表征意义不大；K指数能够反映环境大气温湿层结，数值越大，越有利于雷暴的发生发展。冷锋型雷暴、暖区型雷暴、高压后部型雷暴、高架型雷暴的K指数分别为34℃、37℃、34℃、28℃，且暖区型雷暴K指数高值范围更广，因此对应的对流覆盖面积更大。

假相当位温θse能比较好地显示能量的积累与释放，是温度、水汽含量、气压的函数，在相同气压条件下其数值越大表明空气越暖湿，反之则空气越干冷；且θse在500 hPa与850 hPa之间的差值能够指示大气层结的稳定性，值越大表明大气层结越趋于不稳定[1，5]。分析图1可知，对于冷锋型雷暴和高压后部型雷暴，南宁机场处于等θse线密集带中，南宁机场及其以南低层为θse高值区，随着高度增加往北倾斜，中层为θse低值区；对于暖区型雷暴，整体南宁机场及其以北低层为θse高值区，随着高度增加往南倾斜，中层为θse低值区；而对于高架型雷暴，南宁机场近地层为θse低值区，925~750 hPa为θse高值区，随着高度增加往北倾斜，再往上为θse低值区。以上分析表明，4种类型初雷的低层均为暖湿区，中层为干冷区，从而形成对流不稳定层结，有利于强对流天气的发生和维持。值得注意的是高架型雷暴近地层受冷空气控制，暖湿空气是从925 hPa附近开始抬升，而其他类型均是从地面开始抬升；冷锋型雷暴和高压后部型雷暴均处于边界层能量锋前方的高能区附近。

图1 沿108°E的假相当位温垂直剖面图

3.3 动力条件分析

当高层辐散，低层辐合时，大气存在扰动导致上下运动耦合作用，抬升力更强，极易产生降水和强对流天气。从图2可以看出，对于冷锋型雷暴，南宁机场在925 hPa以下散度处于负值中心附近，中心极值达-7×10-5s-1，垂直梯度较大，700 hPa和400 hPa附近为较弱的负散度，其余层次为正值，中心极值达5×10-5s-1；对于暖区型雷暴，南宁机场在850 hPa以下处于散度负值中心附近，中心极值达-7×10-5s-1，垂直梯度较大，850 hPa以上整体为正值，中心极值为3×10-5s-1；对于高压后部型雷暴，南宁机场在825 hPa以下处于散度负值中心附近，中心极值达-5×10-5s-1，825~400 hPa散度整体为正值，中心极值为3×10-5s-1；对于高架型雷暴，南宁机场在975 hPa以下处于散度正值中心附近，中心极值达5×10-5s-1，975~700 hPa散度为负值，中心极值为-5×10-5s-1，700 hPa以上整体为正值，中心极值为5×10-5s-1。综合以上分析可知，4种类型初雷的低层散度为负值，中高层为正值，低层暖湿辐合上升与中层辐散气流的抽吸作用相配合，有利于上升运动的维持和发展。