哈尔滨机场初雷诊断和异常气候背景分析

2024-01-20王天竺高雷恒

黑龙江气象 2023年4期

杨欣，王天竺，高雷恒

（民航东北空管局黑龙江分局，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，特别是每年的初次雷暴（以下简称初雷），其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。处于春夏换季期，天气系统难以准确把握，卫星雷达指示特征均不明显，造成初雷预报的准确率较低[1]。因此，初雷预报已成为哈尔滨太平国际机场（以下简称哈尔滨机场）预报员在春夏之交重点考虑的天气之一。杨欣等[2]在统计哈尔滨机场2001-2020 年初雷天气时发现，初雷的发生时间主要是在每年的4 月和5 月，发生次数最多的是在五月中旬，最少的为4 月上旬，20 a 仅出现一次。2023 年初雷天气过程发生时间偏早，这与大气环流异常情况有关。目前对于低纬度大气环流异常与ENSO 的发展关系研究较多，对于东北地区气候影响的研究较少，由于地处中纬度地区，影响东北地区降水的环流因子更为复杂, 不仅包括夏季风、副热带高压等热带、副热带环流系统, 还包括西风急流、东北亚阻塞高压等中高纬环流系统[3]。何金海等[4]认为, 中国近海的海温异常可以通过影响东北冷涡的活动进而影响东北地区降水。因此，分析大气环流异常特征，并对其进行与ENSO 的相关性研究对于做好强对流天气预报，尤其是初雷天气预报，有很大的作用。

2 资料和方法

本文利用欧洲中期数值预报中心（ECMWF）发布的第5 代全球大气再分析逐小时格点资料（ERA-5），格距为0.25°× 0.25°，分析2023 年初雷天气过程的环流形势演变，对垂直热力结构、动力抬升和水汽条件进行综合诊断，从天气学角度探索本次天气形成的原因，诊断分析中物理量的垂直剖面沿45.62°N、126.25°E(哈尔滨太平国际机场跑道中心点所在经纬度)。同时，以1991-2020 年4 月中旬气候平均场为气候态，分析大气大尺度环流异常情况，并讨论环流异常情况是否与ENSO 相关。

3 天气实况概述

哈尔滨机场2023 年初雷发生于4 月11 日02时15 分（北京时，下同），持续时间为1 h8 min ，期间伴有小雨天气。 10 日09 时29 分-13 时48 分有大风伴扬沙天气，风向为西南风，最大风速为18 m/s，主导能见度长时间维持在3000 m 以下，11 日早间出现小雨天气，午后气温骤降，降温幅度10-12 ℃，气压涌升，相对湿度增大明显，在3 h 内，相对湿度由25%迅速增大至95%，风速有明显增大，11 日13 时46分-16 时27 分机场出现小雨夹雪天气，气象要素变化较为明显(图1)。

图1 4 月10-11 日各气象要素(a)温度、(b)修正海平面气压、(c)相对湿度和(d)风速的时间变化特征

4 成因分析

4.1 天气形势特征

4 月10 日18 时，200 hPa 纬向风场图（图2a）中，东亚地区为一致的西风气流，黑龙江省上空存在一个明显的高空急流分流区，辐散作用明显，对底层有一定的抽吸作用；500 hPa（图2b）中，在整个欧亚大陆中高纬度地区为两低一高型，低压槽的位置分别位于乌拉尔山地区和蒙古国东部，在蒙古东部地区形成了切断低压，中间为宽广的高压脊区，哈尔滨地区位于蒙古国东部的低压槽前，有正涡度平流，温度场与高度场近于垂直，低压还在持续发展之中；850 hPa（图2c）中，在哈尔滨地区西侧有一切变，为辐合区，在切变前部西南急流明显，急流中心风速可达22-26 m/s；海平面气压场（图2d）中，哈尔滨地区位于地面冷锋前部，受暖气团控制，冷锋后部冷空气较为强劲，温差可达10-15 ℃。

图2 4 月11 日02 时(a)200 hPa 纬向风场(等值线，单位:m·s-1)、(b)500 hPa 高度场(实等值线，单位:10 gpm)、温度场(虚等值线，单位:℃)及风场(矢量，单位:m·s-1)、(c)850 hPa 高度场(等值线，单位:10 gpm)及风场(矢量，单位:m·s-1，阴影部分为低空急流，风速>12 m·s-1 区域)和(d)海平面气压场(等值线，单位:hPa)及温度场(阴影，单位:℃)的分布特征(黑色三角为哈尔滨太平国际机场所在位置)

4.2 物理量诊断分析

4.2.1 水汽条件分析

分析10 日08 时-12 日08 时哈尔滨机场上空整层比湿时间序列图（图3b）可知，在这个时间段内，比湿有两个峰值，一个是在10 日14-17 时，此时低层和中层湿度大值区对应情况一般，湿层较为浅薄，另一个是在11 日01-04 时，此时从低层到725 hPa 比湿均>3 g·kg-1，中低层水汽条件较好。 1000-925 hPa比湿达到8 g·kg-1，600 hPa 以上比湿均<1 g·kg-1，上干下湿条件有利于强对流天气的发生发展。分析4月11 日02 时中低层水汽通量和水汽通量散度（图3a）可知，哈尔滨地区在此时正处于水汽通量散度大值区内，中心值为-8-(-6)×10-7g·s-1·cm-2，此时仍有来自西南方向的水汽输送，但西南气流不够强盛，导致本次降水量较少，以小雨量级为主。

图3 4 月11 日02 时(a)中低层(从地表积分至500 hPa)水汽通量(矢量，单位: g·s-1·cm-1)及水汽通量散度(阴影，单位:10-7 g·s-1·cm-2) 的空间分布特征和10 日08 时-12 日08 时哈尔滨机场上空整层比湿时间序列图(单位:g·kg-1)

4.2.2 动力条件分析

分析4 月11 日02 时哈尔滨机场上空垂直速度场探空曲线（图4a）可知，自1000 hPa-200 hPa 均为上升运动区，上升运动区较厚，垂直速度最大值出现在500 hPa，为-4.5 Pa·s-1， 500 hPa 以上垂直速度开始减小，上升运动有所减弱。分析4 月11 日02 时哈尔滨机场上空散度场探空曲线（图4b）可知，500 hPa以下，除800 hPa 存在一散度正值区，其他大部分高度均为散度负值区，散度最小值出现在700 hPa，为-9 s-1，500 hPa 以上为散度正值区，中低层辐合，高层辐散，垂直运动明显，有利于对流活动的发展。

图4 4 月11 日02 时哈尔滨机场上空(a)垂直速度场(单位:Pa·s-1)和(b)散度场(等值线，单位:s-1)探空曲线图

4.2.3 热力条件分析

对流有效位能CAPE 是条件不稳定与水汽条件相结合起来表示雷暴发生潜势的物理量。分析4 月10 日08 时-12 日08 时哈尔滨机场上空对流有效位能探空曲线（图5a）可知，CAPE 在11 日02 时达到峰值，数值为280 J·kg-1，较夏季对流活动时小很多。同时考虑此时仍是春季，CAPE 的相对高值，对对流活动仍然存在一定的指导意义。分析4 月10 日08 时-12 日08 时哈尔滨机场上空对流K 指数探空曲线（图5b）可知，K 指数在此时间段内有两个峰值，一个是在10 日14 时，为24 K，之后迅速减小，到20 时达到最小，随后又有一次上升过程，到11 日02 时附近再一次达到峰值，为21 K，较夏季强对流发生阈值较小，但仍然考虑是在春季，且在夜间，仍有强对流发展的可能。

图5 4 月10 日08 时-12 日08 时哈尔滨机场上空(a)对流有效位能(单位:J·kg-1)和(b)K 指数(单位:K)探空曲线图

综合分析各物理量，10 日14 时和11 日02 时为强对流天气发生的可能时间，11 日02 时的水汽条件和动力条件均较10 日14 时要好，在热力条件上，11日02 时较10 日14 时略差，但CAPE 要比10 日14时大得多，因此，11 日02 时有初雷发生的有利条件。

5 大气环流异常特征

如图6a 所示，200 hPa 纬向风距平场上，在亚欧大陆中纬度地区，副热带西风急流偏强，急流中心位于40°N 附近，急流中心风速较气候态偏强20 m/s 以上，贝加尔湖东侧高空急流偏弱，哈尔滨机场位于急流轴前侧，高空急流下方强垂直切变的环境风能提供对流发展的动能，急流区的强风有利于对流云顶质量辐散的增强和上升气流的维持，另外，在对流云体发展的过程中，由于水汽凝结释放潜热，使云体上部增暖，使层结趋于稳定，因而抑制对流发展。这时高空急流能将云体上部增暖的空气带走，起到抽吸作用，从而有利于对流云的维持和发展。如图6b 所示，500 hPa 高度距平场和风距平场上，在蒙古东部受异常低压控制，表现为东北低涡较气候态异常偏强21 dagpm，日本上空有位势高度正异常，形成东高西低的异常分布特征，哈尔滨机场位于低值系统的东南侧，为正涡度平流控制区，正涡度平流有利于地面气旋的发展，为强对流发展提供了动力条件。如图6c 所示，850 hPa 高度距平场和风距平场上，东北地区上空为位势高度负异常区，负异常中心位于黑龙江省北部，较气候态异常偏强16 dagpm，哈尔滨机场位于低涡西南部，受异常西南低空急流控制，西南低空急流将来自渤海湾的暖湿平流输送到哈尔滨机场，产生位势不稳定层结，在急流最大风速中心的前方有明显的水汽、质量辐合以及强的上升运动，有利于强对流活动连续发展，急流轴左前方是正切变涡度区，有利于对流活动发生。如图6d 所示，在海平面气压距平场及温度距平场中，海平面气压距平场中表现为一致的负异常分布特征，负异常中心位于黑龙江省北部，温度距平场中温度场表现为东高西低的分布特征，哈尔滨机场温度较气候态异常偏高3-6℃，这有利于地面水汽的蒸腾和上升作用的加剧，从而使对流运动增强。

图6 4 月10-11 日(a)200 hPa 纬向风距平场(等值线，单位:m·s-1)、(b)500 hPa 高度距平场(实等值线，单位：10 gpm)及风距平场(矢量，单位:m·s-1)、(c)850hPa 高度距平场(等值线，单位:10 gpm)及风距平场(矢量，单位：m·s-1)和(d)海平面气压距平场(等值线，单位:hPa)及温度距平场(阴影，单位:℃)的分布特征(1991-2020 年4 月中旬气候平均场为气候态)(黑色三角为哈尔滨太平国际机场所在位置)

综上所述，高、低空急流的异常增强、低涡异常增强，以及海平面气压的异常降低以及地面温度的异常升高，这些共同构成了本次环流异常特征，这些均有利于强对流天气的发生和发展。有研究表明，东北地区的环流异常与ENSO 的发展关系密切。由于秋季是ENSO 发展期，为了更好地探究ENSO 秋季异常与春季大气环流的联系，将前期（秋季）NINO34 指数分别与次年春季200 hPa 纬向风场、500 hPa 高度场及风场、850 hPa 高度场及风场和海平面气压场及温度场做相关分析分布特征（图7），200 hPa 纬向风与NINO34 正相关，自低纬度地区向高纬度地区表现为“正-负-正”的相关分布特征，在中国东北地区和日本表现为显著正相关，当前期NINO34 指数偏大（小）时，中国东北地区和日本纬向风大（小），中国黄淮地区纬向风小（大）。 500 hPa 东亚地区位势高度场为一致的正相关，对低纬度的响应更为显著，当NINO34 指数偏大（小）时，东亚地区位势高度场偏高（低），贝加尔湖上空表现为气旋式（反气旋式）环流控制，对高纬度的响应较差。 850 hPa 在东北亚地区表现为一致的正相关，正值中心位于日本岛南部附近，当NINO34 指数偏大（小）时，东北地区受偏南（北）控制，有利于水汽输送。海平面气压场中NINO34 指数与海平面气压场关系较差，对温度场的影响较小，因此，NINO34 指数与中高层的联系显著，地面对ENSO 的响应较差。