對(duì)影響首都機(jī)場(chǎng)的一次冷渦雷雨天氣過(guò)程的分析

摘 要：本文利用NCEP再分析資料（1°*1°）、衛(wèi)星云圖及多普勒雷達(dá)資料，對(duì)北京首都機(jī)場(chǎng)發(fā)生的一次夏季冷渦雷雨過(guò)程進(jìn)行分析。此次過(guò)程由冷渦持續(xù)性活動(dòng)引起，是一次冷渦副冷鋒型雷雨。文中通過(guò)對(duì)衛(wèi)星云圖及雷達(dá)資料的應(yīng)用，及時(shí)有效判斷冷渦雷雨的起始、結(jié)束時(shí)間及強(qiáng)度的變化，有效提高臨近預(yù)報(bào)精度。從而由氣象服務(wù)角度協(xié)助空管應(yīng)對(duì)和緩解由雷雨天氣引起的航班延誤，對(duì)提高生產(chǎn)運(yùn)行效率有一定幫助。

關(guān)鍵詞：高空冷渦；雷雨；衛(wèi)星云圖；副冷鋒；多普勒雷達(dá)資料

引言

高空冷渦是東亞大氣環(huán)流中的重要組成部分，也是中國(guó)東北及華北地區(qū)特有的重要天氣系統(tǒng)，它一年四季均可出現(xiàn)，對(duì)東北及華北地區(qū)的天氣氣候有著很大影響。冷渦的主要特征之一是其出現(xiàn)往往具有持續(xù)性，如夏季（特別是初夏）冷渦的發(fā)生頻率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其它季節(jié)，有些年份它們可以連續(xù)不斷地反復(fù)出現(xiàn)。冷渦的持續(xù)性活動(dòng)可對(duì)其影響的區(qū)域內(nèi)造成連續(xù)數(shù)日的雷雨天氣，而每段雷雨發(fā)生的起止時(shí)間卻難以預(yù)判，因此，對(duì)飛行影響極大，是航空氣象中重點(diǎn)關(guān)注的天氣系統(tǒng)。文章通過(guò)對(duì)夏季冷渦持續(xù)性活動(dòng)過(guò)程中的一次雷雨進(jìn)行分析，探討了冷渦型雷雨發(fā)生前后一些氣象要素的特點(diǎn)。另外，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星云圖及多普勒雷達(dá)資料的分析，簡(jiǎn)單探討了衛(wèi)星云圖及雷達(dá)在雷雨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，以期提高臨近預(yù)報(bào)服務(wù)效果。

1 天氣實(shí)況及天氣形勢(shì)分析

1.1 當(dāng)日天氣實(shí)況

2010年6月13日北京首都機(jī)場(chǎng)白天為多云間陰天氣，午后在華北區(qū)域西部及西北部開(kāi)始出現(xiàn)雷雨回波，并向偏東方向緩慢移動(dòng)。傍晚時(shí)分首都機(jī)場(chǎng)本場(chǎng)遭遇雷雨天氣短時(shí)伴有CB大風(fēng)。雷暴發(fā)生在1054UTC-1447UTC，其中1115UTC本場(chǎng)出現(xiàn)強(qiáng)雷雨。最大陣風(fēng)出現(xiàn)在1054UTC達(dá)350°16m/s，最大平均風(fēng)出現(xiàn)在1100UTC達(dá)360°10m/s。降水量為11.4mm。

1.2 利用NCEP再分析資料對(duì)天氣形勢(shì)分析

利用時(shí)間分辨率6小時(shí)，空間分辨率1°*1°的NCEP再分析資料對(duì)當(dāng)日天氣形勢(shì)作簡(jiǎn)要分析：

由500hPa風(fēng)溫場(chǎng)可清楚看到中心位于（55°N，122°E）以北的低壓系統(tǒng)穩(wěn)定少動(dòng)。從13日00 UTC前開(kāi)始，受其后部從蒙古向貝加爾方向隆起的暖脊影響，在其底部逐步形成一個(gè)新的渦旋系統(tǒng)；13日06UTC前后，其低壓中心位于50°N，115°E，并有完整的閉合環(huán)流中心與冷中心相配合，即高空冷渦已經(jīng)生成，本場(chǎng)處在冷渦底部。12UTC前后槽區(qū)壓至本場(chǎng)，本場(chǎng)出現(xiàn)雷暴降水。18UTC本場(chǎng)已經(jīng)轉(zhuǎn)為槽后的西北氣流控制，本場(chǎng)的雷暴降水也于此前結(jié)束。

中低層風(fēng)溫場(chǎng)同樣有明顯低壓環(huán)流存在，位置與500hPa的冷渦位置對(duì)應(yīng)。白天中層風(fēng)速有較為明顯的增大，槽前輻合明顯。實(shí)況表明12UTC前后中高層槽壓至本場(chǎng)，該時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)雷暴降水，18UTC本場(chǎng)已轉(zhuǎn)為槽后的西北氣流控制。而低層槽東移動(dòng)緩慢，本場(chǎng)一直處于西伸的強(qiáng)盛暖脊控制下，850hPa偏南氣流旺盛，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，保證了低層的水汽輸送的充足；槽線附近的切變輻合明顯。

1.3 物理量場(chǎng)分析

利用NCEP再分析資料對(duì)幾項(xiàng)典型物理量場(chǎng)作分析，試探求本次冷渦雷雨過(guò)程中一些典型物理量的變化規(guī)律。

1.4 渦度分布

從500hPa渦度場(chǎng)可看出，在冷渦的環(huán)流中心附近從00UTC開(kāi)始就存在一個(gè)正渦度的高值區(qū)。并且兩個(gè)正渦度中心在東移過(guò)程中，加強(qiáng)合并為一個(gè)中心，由此看出冷渦在東移過(guò)程中是加強(qiáng)的。正渦度區(qū)與冷渦的發(fā)展有良好對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由渦度場(chǎng)和溫度平流場(chǎng)的對(duì)比來(lái)看，干冷空氣的侵入位于正渦度區(qū)的第3象限中，即冷渦后部。冷渦的后部有明顯的冷平流大值區(qū)，說(shuō)明此時(shí)段內(nèi)有一次冷空氣入侵過(guò)程；而強(qiáng)天氣的發(fā)生區(qū)主要在冷渦的東南部，即正渦度區(qū)的第2象限中。另，在雷雨發(fā)生前及雷雨時(shí)500hPa的濕度大值區(qū)一直處于強(qiáng)天氣的發(fā)生區(qū)即正渦度區(qū)的第2象限中，且與云圖中的冷鋒云系的位置保持一致。

冷渦系統(tǒng)及冷渦云系在東移過(guò)程中，大氣中必須具備足夠的濕度才使冷渦得以發(fā)展，從而產(chǎn)生強(qiáng)天氣過(guò)程。在這次雷雨過(guò)程中，500hPa上的濕區(qū)與冷渦系統(tǒng)配合十分良好，使冷渦得到了發(fā)展，冷渦云系增強(qiáng)，為強(qiáng)天氣過(guò)程的產(chǎn)生提供了有利的條件；而在冷渦后部適時(shí)入侵的干冷空氣，成為本此雷雨過(guò)程的一個(gè)重要的觸發(fā)條件。

1.5 垂直速度和層結(jié)條件分析

從風(fēng)和溫度層結(jié)來(lái)看整層系統(tǒng)前傾明顯。說(shuō)明在高層冷空氣過(guò)境后，低層還處于槽前的暖區(qū)中。這樣上冷下暖的層結(jié)十分不穩(wěn)定，高層下傳的干冷空氣與低層輻合抬升的暖濕空氣相遇，極易產(chǎn)生強(qiáng)的對(duì)流性天氣。從垂直速度圖上看，槽前及槽區(qū)附近的上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，說(shuō)明輻合強(qiáng)烈。同時(shí)，可以看到中高層在槽后的區(qū)域，都有一個(gè)明顯得下沉速度區(qū)，說(shuō)明槽后的冷空氣明顯，在這樣的下沉速度區(qū)易產(chǎn)生雷暴大風(fēng)。從12UTC的垂直速度圖上可以看到，槽后有一塊整層明顯的下沉速度區(qū)；說(shuō)明高層冷空氣直接下傳至地面，此時(shí)能夠產(chǎn)生比較強(qiáng)的地面風(fēng)。本場(chǎng)的觀測(cè)資料顯示，1054UTC出現(xiàn)最大陣風(fēng)350°16米/秒，1100UTC出現(xiàn)最大平均風(fēng)360°10m/s，時(shí)間上與之相吻合。

2 衛(wèi)星云圖分析

夏季冷渦后部盛行西北干冷氣流，由于白天地表受太陽(yáng)的加熱及較好的水汽狀況，容易形成上干冷下暖濕的不穩(wěn)定形勢(shì)。當(dāng)冷渦后部有小擾動(dòng)，地面就會(huì)出現(xiàn)副冷鋒，誘發(fā)大片積云、濃積云發(fā)生發(fā)展并加強(qiáng)，形成強(qiáng)的帶狀雷暴云團(tuán)。這些在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)最明顯。

從云圖上分析，本場(chǎng)2010年6月13日雷雨過(guò)程為冷渦副冷鋒型。圖4所示為此次副冷鋒雷暴發(fā)生發(fā)展的過(guò)程。圖中，發(fā)展過(guò)程中的冷渦向東北方向移動(dòng)；A-B是冷渦相聯(lián)系的副冷鋒云帶。從紅外云圖上可以看到，13日造成冷渦副冷鋒云系已經(jīng)較為清楚，表現(xiàn)為東北-西南向帶狀積狀云；午后急速移動(dòng)的同時(shí)不斷加強(qiáng)，傍晚前后加強(qiáng)為颮鋒云系。引起了本場(chǎng)本次強(qiáng)雷雨天氣。所以，如果早晨衛(wèi)星云圖看到上游出現(xiàn)了弱線狀副冷鋒云帶，本場(chǎng)出現(xiàn)雷雨的可能性非常大，此時(shí)應(yīng)給予充分關(guān)注。

結(jié)合圖4總結(jié)冷渦副冷鋒型雷暴的衛(wèi)星云圖的一些特點(diǎn)：

（1）早晨為冷渦后部大范圍晴空區(qū)，有時(shí)冷渦西到西北象限也會(huì)出現(xiàn)一條條螺旋云線，云線由積云、濃積云組成。紅外云圖總云纖維灰白色，云體一般為較小的粒狀或塊狀。

（2）中午前后，本場(chǎng)西北部便會(huì)出項(xiàng)一條條東北西南向的有孤立的雷暴云團(tuán)組成的帶狀雷暴帶。紅外圖上孤立的雷暴云團(tuán)呈橢圓形或圓形，邊界光滑，色調(diào)亮白?？梢?jiàn)光圖中一位亮白色，云團(tuán)中可以看出顆粒狀的上沖云頂。在副冷鋒延伸線上仍會(huì)不斷出現(xiàn)積云、濃積云，觸發(fā)點(diǎn)沿云線向西南方向延伸（延伸的范圍有時(shí)可以超出高空槽線的范圍，所以預(yù)報(bào)時(shí)一定要考慮延伸出云線是否能到達(dá)本場(chǎng)）。

（3）傍晚前后，孤立的雷暴云團(tuán)相互合并，下風(fēng)方向出現(xiàn)云砧，形成較強(qiáng)的雷暴云帶，地面圖上顯示為一條颮線，而雷達(dá)圖為一條強(qiáng)回波帶。這時(shí)的雷暴云團(tuán)很容易出現(xiàn)冰雹、雷暴大風(fēng)及風(fēng)切變等強(qiáng)對(duì)流天氣。

3 雷達(dá)圖分析

從雷達(dá)回波圖來(lái)看，本次雷雨為一東北——西南向帶狀回波自西北向東南方向移動(dòng)過(guò)境的過(guò)程，回波范圍長(zhǎng)約250km，寬約90km?；夭◤?qiáng)度在25-45dbz，中心頂高達(dá)10km以上，其前部對(duì)流發(fā)展旺盛。回波在發(fā)展初期，其后部不斷有對(duì)流云團(tuán)生成，在速度圖上也可以看在相應(yīng)的位置有比較明顯的輻合區(qū)與之對(duì)應(yīng)?；夭◣г谶^(guò)山后明顯減弱，但其前部的強(qiáng)回波區(qū)依然維持。1055UTC左右，回波前部的強(qiáng)回波區(qū)移至本場(chǎng)，1054UTC本場(chǎng)雷雨并伴有CB大風(fēng)。CB大風(fēng)的產(chǎn)生是受對(duì)流云團(tuán)前部強(qiáng)烈的下沉氣流影響，同時(shí)次速度圖上也可看出，恰有一速度大值區(qū)處在本場(chǎng)。離雷達(dá)較近的地面一直維持典型的S型，說(shuō)明底層為暖平流維持，不穩(wěn)定能量積累，利于雷暴云團(tuán)發(fā)展。隨著回波不斷靠近，離雷達(dá)較遠(yuǎn)的回波有成反S型的變換趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)高空有冷平流。

從1110UTC和1240UTC強(qiáng)度圖來(lái)看，本場(chǎng)兩次受到局地加強(qiáng)回波影響，短時(shí)出現(xiàn)中到強(qiáng)雷雨天氣，CB云達(dá)7-8個(gè)分量。而后隨回波移出，本場(chǎng)降水和雷暴分別于1440UTC和1447UTC結(jié)束。從速度圖上看，本場(chǎng)地面也逐漸轉(zhuǎn)為反S型，受冷平流控制。

本次降水回波屬于明顯的冷渦天氣形勢(shì)下的混合云降水回波，除具有一般混合云降水回波的基本特征外，還有一些自身的特性。由于冷渦系統(tǒng)夾帶的強(qiáng)烈冷空氣與地面暖濕空氣相互作用，使得冷渦天氣形勢(shì)下的混合云降水回波中的對(duì)流云較其他形勢(shì)下的發(fā)展更為劇烈。層狀云降水為積狀云發(fā)展提供了豐富的水汽條件，從混合云中進(jìn)入對(duì)流云的空氣是接近飽和的，這增加了凝結(jié)釋放的潛熱，引發(fā)更強(qiáng)的上升氣流，促進(jìn)對(duì)流云發(fā)展。因此，冷渦天氣形勢(shì)下的混合云中的對(duì)流云生存時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)一些。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）利于發(fā)生雷雨的冷渦天氣形勢(shì)：高空整層系統(tǒng)深厚且前傾；中高層冷渦后部有明顯的冷空氣，中低層偏暖且輻合強(qiáng)烈。上冷下暖的高低空配置，為冷渦的發(fā)展及雷雨的產(chǎn)生提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。另外，底層持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的偏南氣流提供了十分有利的水汽條件。（2）衛(wèi)星云圖的使用，對(duì)分析判斷冷渦副冷鋒的發(fā)生和發(fā)展有很好的指示作用，對(duì)于預(yù)報(bào)冷渦副冷鋒型雷雨有很大的幫助。（3）雷達(dá)資料的使用，特別是速度圖的使用，對(duì)把握臨近天氣的發(fā)展變化有很大幫助，提高精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)效果。

作者簡(jiǎn)介：馬天宇（1986-），男，北京人，工作單位：民航氣象中心，工程師，研究方向：航空氣象。