2023 年2 月5 日南宁吴圩国际机场初雷天气过程分析

2024-01-08曾翔宇刘箩石肖称根

科技创新与应用 2024年1期

曾翔宇，刘箩石，梁宸，肖称根

（民航广西空中交通管理分局，南宁 530048）

雷暴是最常见的天气现象之一，其具有突发性强、破坏力大的特点，常常伴随有大风、冰雹等强对流天气，是夏季影响飞行安全最主要的天气之一[1]；初雷指的是每年首次发生的雷暴，多发生在春季，预示着雷雨季节的到来[2]，是气象要素发生重大变化的一个标志[3]。许多文献对于初雷天气进行了分析研究[1-6]，尤其对不同地区初雷的出现时段、形成机制、发生特点进行了分析和统计，但对于单次初雷天气过程的分析研究较少，对于预报员来说，初雷天气的发生是预报思路开始转变的重要指示条件，因此，针对单次初雷天气地研究对于航空气象预报来说具有重大的指示意义。

本文选用EC 再分析资料ERA5（0.25°×0.25°）、自动气象观测站资料、多普勒天气雷达资料、探空资料与风廓线雷达资料，对2023 年2 月5 日南宁吴圩国际机场发生的初雷天气过程进行分析，总结初雷天气预报经验。

1 天气过程概况及特点

1.1 过程概况

2023 年2 月4 日—5 日受低层切变线及强西南暖湿气流影响，广西出现大范围降水伴雷暴天气。南宁机场于2 月4 日15：00—5 日14：00（北京时间，下同）出现长时间间歇性降水并伴有雷暴天气。如图1 所示，4日15：00—5 日03：00，南宁机场一直是连阴雨天气，降水强度较弱，受地面冷空气过境影响，气温很低，在12～13 ℃，均低于2 月份累年平均气温15.3 ℃，5 日3时开始南宁机场雨量有所增强，03：56—03：58 机场出现雷暴，持续时间2 min，04：08 降水加强为中阵雨，04：41 减弱为小阵雨，在05：00 前1 h 累积降水量最大，达到了9.1 mm。5 日10：08 南宁机场再次出现中阵雨，10：26—10：46、11：20—11：48 分别再次出现雷暴，持续时间分别为20 和28 min。此次天气过程为南宁机场2023 年初雷，降水时间较长，累积降雨量为29.4 mm。

图1 2 月4 日15：00—5 日15：00 南宁机场前1 h 累积降水量及气温图

1.2 过程特点

从南宁机场初雷历史统计数据上来看[2]，2012—2022 年南宁机场初雷发生在每年的3 月份的次数最多，且1986—2020 年南宁机场平均初雷日期为3 月6日，2023 年的初雷出现在2 月上旬，出现时间较以往偏早。此次雷雨天气过程中3 次雷暴过程持续时间分别为2、20、28 min，持续时间偏短。从2012—2022 年的统计数据来看，南宁机场3 月份前出现的初雷过程雷暴持续时间较短，均未超过30 min。

2 天气形势分析

2.1 环流形势场

5 日04：00，南宁地区地面为冷高脊形势，弱冷空气从桂北向南渗透，地面冷垫特征明显（图略）。925 hPa切变线位于桂中一带（图略），桂北受冷舌控制，桂中地区冷暖交汇明显，南宁机场位于切变线以南较强的偏南暖湿气流中，暖湿空气遇低层冷垫抬升后易产生上升运动。850 hPa 切变线位于广西、贵州与湖南交界处（图略），南宁机场亦受切变线以南较强偏南暖湿气流影响。南宁地区低层强西南暖湿气流叠加在切变线及边界层冷垫之上，暖湿空气沿925 hPa 的锋面做斜升运动，具备一定的对称不稳定性。南宁机场700 hPa 同样受西南急流影响（图略），与850 hPa 的暖湿空气一起为南宁机场上空带来了高温、高湿的环境，为对流不稳定的建立提供前提条件，500 hPa 南支槽位于云南和中南半岛交界处（图略），南宁机场处于南支槽前的西南风场中，槽前辐合使得暖湿空气抬升，有利于对流天气的形成。

2.2 温度平流场

5 日04：00，南宁机场上空850 hPa 及其上游也有明显的暖平流（图略），南宁地区低层暖平流特征明显。而在400 hPa 及其上游则存在明显的冷平流特征（图略），中低层暖平流、高层冷平流的配置加大了高低层温差，垂直温度递减率增大，热力不稳定增强，为此次初雷和降水的形成提供了不稳定层结条件。

2.3 风廓线雷达

从图2 南宁机场风廓线雷达风羽图可以看出，5 日00：00—06：00 南宁机场925 hPa 以下为东北气流，近地面一直有一层较浅薄的冷空气存在，03：30 前500～400 hPa 存在高空急流，从03：30 开始，925～700 hPa 偏南风场开始逐渐加强为低空急流，南宁机场上空暖湿输送增强，使不稳定层结加强，且由于存在高低空急流耦合，为暖湿气流的抬升提供了一定的动力条件；500 hPa 也由偏西风场转为明显的西南风场，表明影响南宁机场的高空槽在加深。

图2 2 月5 日00：00—06：00 南宁机场风廓线雷达风羽图

4 日21：30 开始，南宁机场风廓线雷达的最大探测高度由6 000 m 突然增大至7 500 m，有个突增的过程，表明在对流性降水发生前风廓线雷达的探测高度有一个增大过程，在降水发生时最大探测高度再次增大。主要原因是风廓线雷达回波信号产生的主要机制是大气湍流运动导致的折射率在时间上和空间上不均匀分布，大气折射率起伏越大，雷达作用距离就越大，卢维中等[7]研究发现大气折射指数与大气环境密切相关，且大气湿度越大，雷达探测高度越高。4 日21：30 开始风廓线雷达的探测高度突然增大，反映出南宁机场上空的水汽在增加，水汽的辐合增强，表明水汽条件充足。图3 是根据5 日南宁机场风廓线雷达资料计算出的低空急流指数，其计算方法为用3 000 m 高度以下低空急流中心的最大风速除以风速达到12.0m·s-1及以上的最低高度，低空风速越大、急流所在高度越低，低空急流指数也就越大，03：30 前低空急流指数为010-3s-1，03：30 低空急流指数突然增大至1610-3s-1，且在每6 min 降水量最大的时候，低空急流指数也达到了最大，结合图2 来看，说明在对流性降水发生前半小时左右低层的西南气流加强为急流，触发了本次降水天气过程。

图3 2 月4 日—5 日南宁机场低空急流变化

3 环境条件分析

3.1 探空曲线图

从4 日20 时南宁站探空图（图4）可以看出，南宁地区上空970～870 hPa 存在明显逆温层，逆温达到5 ℃。从垂直风场，地面到925 hPa 有弱冷空气渗透，925 hPa～700 hPa 风向随高度顺转，有暖平流，700 hPa～400 hPa 风向随高度逆转，有冷平流。在垂直方向的风向中，近地层为东北风，925 hPa 逆转为偏南风，风速陡增至12 m/s，在低层925～850 hPa 存在低空急流；450 hPa 以上为偏西风，风速均大于30 m/s，450 hPa 以上存在高空急流；近地面至400 hPa 的垂直风速切变达到36 m/s，南宁上空存在明显的垂直风切变，有利于对流的发生和维持。

图4 2 月4 日20：00 南宁站修订抬升高度后的T-logP图

综上所述，本次初雷过程发生之前，南宁地区地面有弱冷空气渗透，低层受偏南暖湿气流影响，因此近地层存在逆温层，层结相对稳定，但是由于南宁上空存在一支强的高空急流，当高空急流引导动量下传造成低空急流增强时，低层的暖湿水汽会出现明显的增强，产生辐合抬升，从而触发对流的发展，此次对流过程形成于近地层冷垫之上，是一次明显的高架雷暴过程。

从4 日20 时南宁站对流参数实际值和广西区气象局统计的南宁地区易产生对流天气时各项对流参数的指标值可以对比看出（表1），4 日20 时南宁地区K指数为38.2，SI指数为-2.1，θse850-θse500为12.12，均达到了气象局统计给出的对流参数指标值，T850-T500为24.5，也非常接近指标值，不稳定条件较好，有利于雷电产生。虽然CAPE仅为1.9 J/kg，但假定气块从逆温层顶870 hPa 开始绝热上升对状态曲线进行订正，CAPE值增加至306.7 J/kg，不稳定能量主要集中在870 hPa 到450 hPa 高度之间；同时由图4 可以看出南宁地区湿层较厚，水汽条件较好，从地面到550 hPa 相对湿度均大于等于80%，低层大气基本处于饱和状态。

表1 2 月4 日20 时南宁站对流参数实际值与气象局统计的指标值

3.2 物理量场

从垂直水汽通量散度剖面图上可以看出（图5），5日04：00，南宁地区及其下游附近，低层1 000 hPa 至中层600 hPa 为水汽通量散度的负值区，最大达到-2.5×10-5g/（s·hPs·cm2），说明南宁地区及其下游附近存在明显低层至中层的水汽辐合，而500～300 hPa 为水汽通量散度的正值区，最大达到0.2×10-5g/（s·hPs·cm2），表明南宁地区及其下游附近的高层存在水汽的辐散，高层辐散场产生的抽吸作用有利于水汽的抬升，为对流的产生提供了水汽动力条件。从垂直速度场可以看出（图6），南宁地区4 日20：00—5 日03：00，1 000～925 hPa 存在较弱的垂直上升运动，中层为较弱的下沉运动，5 日04：00—06：00，850～500 hPa垂直上升运动有明显的加强，垂直上升速度最高达到了-0.8 Pa/s，为对流性降水以及初雷的发生提供了有利的抬升条件。