陶俞鋒 陳光宇 朱占云

(1.中國(guó)民用航空寧波空中交通管理站,浙江 寧波 315000；2.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051；3.浙江省氣象服務(wù)中心，浙江 杭州 310017)

0 引 言

寧波位于東海之濱、長(zhǎng)江三角洲的東南隅,地處寧紹平原,緯度適中,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),是冷暖氣團(tuán)常交匯的地帶,加之倚山靠海,特定的地理位置和自然環(huán)境使其天氣多變,災(zāi)害性天氣相對(duì)頻繁,雷暴是該地區(qū)夏季常發(fā)的氣象災(zāi)害之一。據(jù)寧波機(jī)場(chǎng)氣象臺(tái)觀測(cè)記載,機(jī)場(chǎng)雷暴天氣多發(fā)于夏季6、7、8月,雷暴平均初日為3月22日,終日為9月24日,自1991年以來(lái),寧波機(jī)場(chǎng)雷暴結(jié)束最晚的日期是1997年12月6日。但近年來(lái)隨著全球極端天氣事件頻發(fā),冬季雷暴的發(fā)生率有所增長(zhǎng)。冬季雷暴這類小概率災(zāi)害性天氣事件,不僅給民航運(yùn)行安全帶來(lái)極大的不利影響,同時(shí)也給氣象預(yù)報(bào)帶來(lái)前所未有的考驗(yàn)。

近年來(lái)隨著新一代多普勒雷達(dá)、ADTD閃電定位系統(tǒng)等探測(cè)設(shè)備投入使用,國(guó)內(nèi)針對(duì)冷季雷暴也開展了一些研究,如蘇德斌[1]等(2012)對(duì)2009年11月9日北京市一次伴隨雷電的暴雪過(guò)程進(jìn)行了分析,認(rèn)為冬季雷暴是由西南暖濕氣流在低層冷空氣之上產(chǎn)生的高架對(duì)流而產(chǎn)生,對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制是中空擾動(dòng);吳乃庚[2]等(2013)分析了2012年2月華南地區(qū)一次伴有短時(shí)強(qiáng)降水、雷電和冰雹的較典型的冷區(qū)“高架雷暴”天氣,認(rèn)為邊界層冷空氣補(bǔ)充南下迫使低層暖濕空氣抬升,中高層槽前輻散氣流產(chǎn)生高空“抽吸”作用,配合華南上空有利的大氣動(dòng)力和熱力不穩(wěn)定條件,是形成高架強(qiáng)對(duì)流的主要原因;農(nóng)孟松[3]等(2013)對(duì)2012年早春廣西高架強(qiáng)雷暴冰雹天氣過(guò)程進(jìn)行分析,認(rèn)為冰雹伴隨雷暴發(fā)生在地面鋒后,高空冷槽東移為對(duì)流發(fā)生提供觸發(fā)條件;張一平[4]等(2014)對(duì)2012年早春河南一次高架雷暴天氣成因分析,認(rèn)為此次高架雷暴發(fā)生在強(qiáng)斜壓環(huán)境中,700 hPa的西南暖濕低空急流提供了充足的水汽和能量,使低層逆溫層頂以上出現(xiàn)弱條件不穩(wěn)定層結(jié),高架對(duì)流是由暖濕氣塊被抬升而造成的。

2016年12月21日,受高空槽東移影響,浙北地區(qū)在冬至日出現(xiàn)了一次罕見的雷暴天氣,而寧波機(jī)場(chǎng)也受其影響,在05:45(UTC,下同)至06:22出現(xiàn)了大雷雨。自氣象臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)記載以來(lái),這是寧波機(jī)場(chǎng)最晚的雷暴結(jié)束日期。此次過(guò)程是冷鋒前沿暖區(qū)中的雷暴降水,雖持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng),但強(qiáng)度較強(qiáng),降水量半小時(shí)內(nèi)達(dá)到11.4 mm。本文利用NCEP的1°×1°再分析資料、多普勒雷達(dá)資料和MICAPS 3.1常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)此次雷雨過(guò)程的天氣特征及機(jī)制進(jìn)行了分析和探討,以期提高對(duì)航空氣象的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和保障能力。

1 環(huán)流背景分析

12月21日00時(shí),500 hPa(圖1a)東亞上空分為南北兩支高空槽,其中北支槽位于貝加爾湖和蒙古中部地區(qū),其后部有相對(duì)應(yīng)的溫度槽,促使北支槽未來(lái)將發(fā)展加深。而南支槽則位于河套地區(qū)至湘鄂一帶,發(fā)展較深,浙贛地區(qū)處于槽前西南氣流中,暖濕氣流不斷向?qū)幉C(jī)場(chǎng)上空輸送水汽和不穩(wěn)定能量。在700 hPa上(圖1b),南北兩支槽合并發(fā)展成為一東亞大槽,槽線位置與500 hPa南支槽比較一致,其強(qiáng)度較深。槽前的西南氣流已發(fā)展成為急流,風(fēng)速急劇增大到16～22 m·s-1,而本場(chǎng)正處于這支西南急流中,所輸送的水汽通道主要來(lái)源于孟加拉灣。850 hPa圖上(圖1c)已發(fā)展為一大低渦,北至內(nèi)蒙古,南至湘贛北部。其內(nèi)部河南和安徽地區(qū)風(fēng)場(chǎng)輻合明顯,到06時(shí)在江蘇南部有一新低渦生成。另外,等高線坡度增大,浙江轉(zhuǎn)受槽前西南偏南氣流影響,水汽輸送主要來(lái)源于南海。從溫度場(chǎng)上看,850 hPa及以下高度浙江一帶為溫度脊控制,其與等高線近于垂直,斜壓性強(qiáng),該地區(qū)相對(duì)濕度較大(T-Td≤3 ℃),水汽充足。地面圖上(圖略),蒙古和西北被強(qiáng)大的冷性高壓控制,東南沿海為倒槽所影響,00時(shí)在蘇南浙北地區(qū)氣流存在明顯的氣旋性曲率,輻合較強(qiáng),對(duì)應(yīng)高空200 hPa有一個(gè)中-β尺度的輻散中心。這樣的高低層配置,促使06時(shí)在寧波附近有低渦生成。

綜上分析可見,寧波這次冬季雷暴發(fā)生在暖性高空槽東移發(fā)展的環(huán)流形勢(shì)下,是低空低渦系統(tǒng)及槽前西南急流之間相互作用的結(jié)果。

2 物理量診斷分析

冬季雷暴之所以罕見,主要原因是一方面北方冷空氣勢(shì)力強(qiáng)盛,另一方面西南暖濕氣流活動(dòng)較弱,既缺少熱力不穩(wěn)定作用,也缺少充足水汽的輸送。研究表明，雷暴是由水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)和觸發(fā)因子等3要素綜合作用而造成的。為探討此次冬季雷暴的成因,本文主要從低空水汽條件、大氣層結(jié)不穩(wěn)定和溫度平流、動(dòng)力抬升這4個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 低空水汽條件分析

水汽不止是產(chǎn)生降水的重要條件,它的垂直分布也影響到氣層的穩(wěn)定度。低層暖濕空氣的存在是對(duì)流天氣產(chǎn)生的一個(gè)有利條件。從20日06時(shí)到21日18時(shí)600 hPa到近地面均處于90%以上的大濕度區(qū)中,空氣中水汽壓很接近飽和水汽壓,其中21日00時(shí)在850 hPa上有個(gè)相對(duì)“干區(qū)”,可能是由于逆溫層存在的緣故,06時(shí)本場(chǎng)雷暴天氣發(fā)生,使得逆溫層破壞,“干區(qū)”也隨之消失(圖2a)。整個(gè)時(shí)間段來(lái)看,高濕區(qū)的變化為“凸”字形,前期暖濕氣流的輸送,使低層到高層的相對(duì)濕度逐漸增大,到雷暴發(fā)生期時(shí),大濕度區(qū)層達(dá)到最高,后期隨著冷空氣的滲透,相對(duì)濕度從高層往低層下降。

圖2 2016年12月20日06時(shí)至22日06時(shí)(121.5°E,29.8°N)相對(duì)濕度時(shí)間-高度剖面圖(a),700 hPa風(fēng)場(chǎng)矢量及水汽通量場(chǎng)圖(單位:g.s-1.hPa-1.cm-1)(b)

圖2b為21日06時(shí)中層700 hPa風(fēng)場(chǎng)矢量和水汽通量場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出,雷暴發(fā)生前,從孟加拉灣和南海到我國(guó)東南沿海一帶已有一條較強(qiáng)的水汽通道建立,呈西南-東北分布,水汽輸送值在10 g/(cm·hPa·s)以上,最高達(dá)16 g/(cm·hPa·s)。寧波機(jī)場(chǎng)上空850和700 hPa水汽通量值均在14～16 g/(cm·hPa·s)之間,為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生創(chuàng)造了水汽條件。

2.2 大氣層結(jié)不穩(wěn)定分析

大氣層結(jié)不穩(wěn)定是雷暴天氣發(fā)生的必要條件之一,表征和衡量大氣層結(jié)穩(wěn)定度和不穩(wěn)定能量的物理參數(shù)和指標(biāo)很多,常用的有K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI、抬升指數(shù)LI、對(duì)流有效位能CAPE、850與500 hPa假相當(dāng)位溫差Δθse850等。

1)ΔT850-500是表征大氣層結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)的量,ΔT850-500越大,表明大氣越不穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)表明夏季雷暴發(fā)生時(shí)ΔT850-500一般大于27 ℃。這次過(guò)程主要發(fā)生在21日06時(shí),由于前期西南暖濕氣流處于增強(qiáng)期,ΔT850-500值也處于增強(qiáng)期。00時(shí)(圖略)ΔT850-500大值區(qū)主要分布在浙閩東南沿海一帶,其值均在26 ℃以上,最大值位于浙北地區(qū),達(dá)到28 ℃。06時(shí)隨著雷暴天氣的發(fā)生,寧波地區(qū)上空ΔT850-500一直維持在26 ℃左右。12時(shí)后由于低層冷空氣的影響,不穩(wěn)定層結(jié)破壞,ΔT850-500值下降。

2)K指數(shù)是表征大氣層結(jié)的穩(wěn)定度情況,K值越大,表示層結(jié)越不穩(wěn)定,K指數(shù)是綜合了垂直溫度梯度、低層水汽含量和濕層厚度的一個(gè)物理量。從圖3a中可以看出,06時(shí)浙江境內(nèi)的K指數(shù)值均為34 ℃以上,其中在寧波地區(qū)和浙西南衢州地區(qū)K值達(dá)到36～37 ℃。之后隨高空引導(dǎo)氣流作用下,K指數(shù)逐漸減弱,層結(jié)區(qū)域穩(wěn)定。

圖3 2016年12月21日06時(shí)K指數(shù)圖(單位:℃)(a)和沿121.5°E的假相當(dāng)位溫(θse)垂直剖面圖(單位:K)(b)

3)θse是個(gè)位勢(shì)不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定參數(shù),反應(yīng)了大氣中濕斜壓不穩(wěn)定能量集中表現(xiàn),θse高值區(qū)表示蘊(yùn)藏著可供中尺度對(duì)流發(fā)展所必須的不穩(wěn)定能量,反映了大氣的溫濕特征。分析沿121.5°E的θse場(chǎng)垂直剖面可知,21日06時(shí)(圖3b),在浙中北和蘇南地區(qū)(28°～32°N)θse最低值為324 K,出現(xiàn)在500 hPa附近,500 hPa層向上θse增大,層結(jié)穩(wěn)定,500 hPa層向下θse也增大,到近地面層θse達(dá)到336 K,表明大氣處于上干冷、下暖濕的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)。同時(shí)可以看出在該區(qū)域附近θse線有傾斜現(xiàn)象,特別是在低層θse線基本與等壓面垂直,說(shuō)明對(duì)流層低層的對(duì)流穩(wěn)定度很小,由濕斜壓渦度發(fā)展理論[5],當(dāng)具有較高濕位渦值得冷空氣向下入侵時(shí),極易造成對(duì)流性天氣。

2.3 溫度平流分析

溫度平流是考慮平流冷暖性質(zhì)和強(qiáng)度的量。在雷暴發(fā)生前,寧波機(jī)場(chǎng)上空整層為深厚的暖平流,其中在21日00時(shí),中低層700 hPa和900 hPa有閉合的正溫度平流,其值為10×10-5K/s以上,高層300 hPa的溫度平流則達(dá)到20×10-5K/s以上,表明前期暖濕氣流對(duì)本場(chǎng)的輸送很強(qiáng)盛,未來(lái)影響寧波的850 hPa低渦和700 hPa的槽線系統(tǒng)會(huì)發(fā)展。06時(shí)在近地層950～800 hPa出現(xiàn)了負(fù)溫度平流,強(qiáng)度較弱,為-5×10-5K/s,而800 hPa以上仍為正暖溫度平流控制。冷空氣快速南下,入侵暖濕空氣底部而形成冷墊,并強(qiáng)迫暖濕空氣抬升,從而觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流,形成雷暴。到12時(shí),隨著冷空氣的不斷滲透,冷平流層增厚,700 hPa高度層以下已均為負(fù)溫度平流,而700 hPa以上暖平流也開始急劇減弱,浙江境內(nèi)的雷暴及降水過(guò)程結(jié)束，見圖4。

圖4 2016年12月20日06時(shí)至22日06時(shí)(121.5°E,29.8°N)溫度平流時(shí)間—高度剖面圖(單位:10-5 K·s-1)

2.4 動(dòng)力抬升分析

垂直運(yùn)動(dòng)的分布是動(dòng)力強(qiáng)迫、穩(wěn)定度等多種因素作用的綜合體現(xiàn)。從垂直速度剖面圖分析,21日06時(shí),在30°N附近900 hPa以上垂直速度均為負(fù)值,表明寧波機(jī)場(chǎng)上空氣塊總體是抬升的,氣流最大上升運(yùn)動(dòng)區(qū)出現(xiàn)在850～500 hPa之間,速度為-1.0 Pa/s,有利于水汽和能量向高層輸送,產(chǎn)生和形成位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)(圖5)。另外,在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)的下方略偏北方向(31°N附近)存在一0.2 Pa/s的弱下沉運(yùn)動(dòng)區(qū),此弱下沉區(qū)位于850 hPa以下,其高度與逆溫層高度基本相當(dāng),與邊界層冷空氣墊相關(guān),表現(xiàn)出類似高架高暴的特征。850～500 hPa的負(fù)速度大值區(qū)位于此正速度小值區(qū)之上表明逆溫層之上的暖濕空氣在近地面穩(wěn)定的冷層之上被抬升,這符合暖平流強(qiáng)迫上升、冷平流下沉的大氣動(dòng)力學(xué)原理,逆溫層以下的冷空氣層對(duì)高架雷暴具有抬升觸發(fā)作用[4]。

3 多普勒雷達(dá)分析

寧波機(jī)場(chǎng)一直沿用市氣象局多普勒雷達(dá),該設(shè)備位于慈溪達(dá)蓬山頂,距本場(chǎng)27 km左右。2016年12月21日,達(dá)蓬山雷達(dá)監(jiān)測(cè)到了浙中北地區(qū)大部分雷暴區(qū),因此該站基本發(fā)射率、速度場(chǎng)以及風(fēng)廓線資料可以反映對(duì)流性天氣系統(tǒng)的演變特征。

3.1 基本反射率特征

21日04:30時(shí)達(dá)蓬山雷達(dá)顯示,在寧波機(jī)場(chǎng)西南方向20 km外已有分散性的對(duì)流回波生成,范圍較小,強(qiáng)度45 dBz以上,向東北方向移動(dòng)。伴隨著回波整體東移北抬,回波強(qiáng)度逐漸加強(qiáng),結(jié)構(gòu)更加緊密,反射率因子梯度也逐漸加大。05:15時(shí)(圖6a)本場(chǎng)已被對(duì)流性回波包圍,但未聞雷,實(shí)況為中陣雨伴隨Cb,并受下沉氣流影響,平均風(fēng)速由1 m/s突增到4 m/s。05:48時(shí)(圖6b)可以看出,移過(guò)本場(chǎng)的分散性對(duì)流云團(tuán)合并成一條狹長(zhǎng)的對(duì)流回波帶,回波頂高達(dá)到8 km以上,且存在明顯的多峰結(jié)構(gòu),主要原因是四明山脈的抬升作用,再次觸發(fā)回波的發(fā)展合并,而本場(chǎng)只受強(qiáng)回波帶后殘留的雷暴單體影響。

圖5 2016年12月21日06時(shí)垂直速度沿121.5°E的剖面圖(單位:Pa·s-1)

圖6 2016年12月21日05:15(a)和05:48(b)1.5°仰角基本反射率圖

3.2 風(fēng)廓線和徑向速度特征

從雷達(dá)VAD風(fēng)廓線圖中可以看出,在雷暴發(fā)生前期,高空整層均為一致的西南氣流,且風(fēng)速較大,有急流生成。05:59時(shí)(圖略)風(fēng)廓線顯示,在4.9 km高度上有西南風(fēng)小幅的逆轉(zhuǎn),表明雷達(dá)站上空處于500 hPa槽前西南風(fēng)的輻合區(qū)中并伴有弱冷平流。到06:33時(shí)(圖7a),該高度上轉(zhuǎn)為西北風(fēng),且在6.1km上方高度又轉(zhuǎn)為西南風(fēng),導(dǎo)致回波過(guò)了本場(chǎng)后又再次發(fā)展加強(qiáng)的另一原因。另外在徑向速度圖上(圖7b)的零速度線呈北西北—南東南走向,表示以西南風(fēng)為主,且50 km范圍內(nèi)零速度線基本呈“S”型分布,風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn),有暖平流,而暖平流的存在是造成位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)的重要原因。到50 km外,零速度線開始呈反“S”型,表明高層有弱冷空氣入侵,這種高低層冷暖空氣的配置,是雷暴發(fā)展的重要條件。

圖7 2016年12月21日06:11—07:07(a)垂直風(fēng)廓線演變,21日05:48 1.5°仰角徑向速度(b)

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析,得到以下結(jié)論:

1)大尺度天氣形勢(shì)分析發(fā)現(xiàn),本次冬季雷暴天氣過(guò)程是在高空槽東移發(fā)展的環(huán)流形勢(shì)下,配合低層低渦系統(tǒng)及地面倒槽共同發(fā)展的結(jié)果。

2)從整個(gè)雷暴過(guò)程發(fā)生前后來(lái)看,寧波機(jī)場(chǎng)上空高濕區(qū)的變化呈“凸”字形;另外在前期,寧波機(jī)場(chǎng)中低層水汽通量值在14～16 g/(cm·hPa·s)之間,為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生創(chuàng)造了水汽條件。

3)夏季雷暴天氣常用的一些大氣不穩(wěn)定參數(shù)在本次冬季雷暴預(yù)報(bào)中也有一定的參考價(jià)值,如:在寧波機(jī)場(chǎng)上空ΔT850-500最大達(dá)到28 ℃,K指數(shù)為36～37 ℃,θse值在近地面層為336 K。

4)寧波機(jī)場(chǎng)上空的強(qiáng)暖平流(900 hPa:10×10-5K/s,700 hPa:10×10-5K/s,300 hPa:20×10-5K/s)為雷暴發(fā)生提供充足能量,而低層冷空氣的入侵強(qiáng)迫暖濕空氣抬升,從而觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流形成。

5)雷達(dá)資料顯示,雷暴發(fā)生區(qū)對(duì)應(yīng)的基本反射率強(qiáng)度≥45 dBz,回波頂高度≥8 km,可作為實(shí)際工作中預(yù)報(bào)冬季雷暴的一個(gè)參考。

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