近20 a哈爾濱機(jī)場(chǎng)初雷特征及影響系統(tǒng)分型

楊 欣,張秋實(shí)

（中國(guó)民用航空東北地區(qū)空中交通管理局黑龍江分局，黑龍江 哈爾濱150000）

1 引言

雷暴是對(duì)流云強(qiáng)烈發(fā)展的產(chǎn)物，是嚴(yán)重影響飛行安全的危險(xiǎn)天氣之一，也是航空氣象預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，特別是每年的初次雷暴（以下簡(jiǎn)稱初雷），代表著一年雷雨季節(jié)的開始，是氣象要素發(fā)生重大變化的一個(gè)標(biāo)志，因此初暴已成為哈爾濱預(yù)報(bào)員在春夏之交重點(diǎn)考慮的天氣之一。通過(guò)對(duì)初雷的分析，揭示初雷發(fā)生的氣象條件，將對(duì)提高初雷預(yù)報(bào)預(yù)警能力，更好地服務(wù)于航空飛行安全有重大意義。

2 資料與方法

根據(jù)2001-2020年哈爾濱機(jī)場(chǎng)民用航空氣象地面觀測(cè)月總簿、哈爾濱機(jī)場(chǎng)航空氣候志資料以及NCAR/UCAR FNL（精度為1°×1°）再分析資料，共選出20個(gè)初雷天氣過(guò)程進(jìn)行客觀分析。初雷日的選取以哈爾濱太平國(guó)際機(jī)場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱哈爾濱機(jī)場(chǎng)）每年第一次觀測(cè)到閃電或雷雨的日期為準(zhǔn)。通過(guò)逐項(xiàng)累加法，對(duì)初雷的時(shí)空特征和天氣特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。李遐[1]通過(guò)00時(shí)（本文所述時(shí)間均為世界時(shí)）地面、850 hPa、500 hPa天氣圖進(jìn)行分析后，對(duì)引起初雷的天氣形勢(shì)進(jìn)行分型。

3 初雷時(shí)空特征分析

本文通過(guò)對(duì)哈爾濱機(jī)場(chǎng)2001-2020年初雷資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)它們有以下特征。

3.1 時(shí)間分布特征及持續(xù)時(shí)間

哈爾濱機(jī)場(chǎng)的初雷主要發(fā)生在每年的4月和5月，其中出現(xiàn)最早為2008年4月6日，持續(xù)時(shí)間為6 min，為最短的一次;出現(xiàn)最晚為2009年5月29日，持續(xù)時(shí)間為185 min，為最長(zhǎng)的一次。按旬分類統(tǒng)計(jì)出4月、5月各旬初雷發(fā)生次數(shù)分布（圖1）。其中4月份發(fā)生5次，5月發(fā)生15次。5月中旬發(fā)生次數(shù)最多，為6次，其次是5月上旬。因此，5月中旬為初雷主要發(fā)生時(shí)間，預(yù)報(bào)員要重點(diǎn)關(guān)注。

圖1 哈爾濱機(jī)場(chǎng)初雷日期分布

為統(tǒng)計(jì)初雷主要發(fā)生時(shí)段，將一日分為4個(gè)時(shí)間段（圖2），即22-04、04-10、10-16、16-22,從發(fā)生的時(shí)次分析，發(fā)生時(shí)段概率依次為在午后45%，傍晚40%，上午10%，夜間為0%。因此當(dāng)預(yù)報(bào)員預(yù)報(bào)初雷時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注午后和傍晚。

圖2 哈爾濱機(jī)場(chǎng)發(fā)生時(shí)次分布

近20 a初雷持續(xù)時(shí)間平均為54.4 min，最短為6 min，最長(zhǎng)為185 min。其中持續(xù)時(shí)間在30-60 min概率最大，為45%，其次是小于30 min和60-120 min，均為25%，持續(xù)120 min以上的概率最小，為5%（圖3）。

圖3 初雷持續(xù)時(shí)間分布概率

3.2 空間分布特征及伴隨天氣

如圖4所示，哈爾濱機(jī)場(chǎng)初雷發(fā)生的主要方位有Z（天頂）、S、N、SW、E五個(gè)，其中在Z出現(xiàn)的次數(shù)最多，為10次，S次之，為6次，其他均為1次。由此可知，引起哈爾濱機(jī)場(chǎng)初雷的對(duì)流云團(tuán)主要是在本場(chǎng)生成，所以應(yīng)當(dāng)注意監(jiān)視在本場(chǎng)上空生成的對(duì)流云團(tuán)，還要注意南部移向本場(chǎng)的對(duì)流云團(tuán)。

圖4 初雷發(fā)生方位玫瑰圖

如表1所示，哈爾濱機(jī)場(chǎng)初雷發(fā)生時(shí)伴有天氣現(xiàn)象有-SHRA（小陣雨）、SHRA（中陣雨）、GA（≥17 m/s的大風(fēng)）、DU（塵），其中伴隨初雷出現(xiàn)概率最大的為-SHRA，為70%，其次為GA，為15%，SHRA和DU均為5%。初雷伴隨的降水過(guò)程中，在初雷前出現(xiàn)的占60%，在初雷后出現(xiàn)的占15%，沒(méi)有降水過(guò)程的占25%。伴隨雷暴的降水中，降水量最大為14.0 mm。降水量小于2.5 mm的概率為40%，大于2.6 mm小于8.0 mm的概率為20%，大于8.1 mm的概率為15%。因此，伴隨雷暴出現(xiàn)的降水過(guò)程中降水主要出現(xiàn)在初雷發(fā)生以前，以弱雷雨為主，近20 a未出現(xiàn)強(qiáng)雷雨。此外，近20 a伴隨初雷出現(xiàn)的大風(fēng)最大風(fēng)速為20 m/s。

表1 歷年初雷過(guò)境時(shí)基本天氣特征

4 初雷影響系統(tǒng)分型

通過(guò)對(duì)2001-2020年共20 a初雷的天氣形勢(shì)進(jìn)行 分 析，其 中2001、2002、2003、2006、2008、2014、2015、2017、2019、2020十年是由空中槽和切變線引起；2004、2007、2009、2010、2012、2013、2016、2018八年是由冷渦引起；2005、2011兩年是由西北氣流引起。因此，可將初雷影響系統(tǒng)分為空中槽和切變線型、冷渦型、西北氣流型三種。其中空中槽和切變線型對(duì)哈爾濱初雷影響最多，為50%；其次為冷渦型，為40%；西北氣流型最少，為10%（圖5）。

圖5 初雷影響系統(tǒng)分型比例

4.1 空中槽和切變線型

空中槽出現(xiàn)時(shí)，有些地面圖上有鋒面與之對(duì)應(yīng)，有些則無(wú)鋒面對(duì)應(yīng)。姜兵[2]在春夏交替時(shí)，空氣比較潮濕，空中槽和切變線附近的氣流輻合提供了垂直運(yùn)動(dòng)條件和水汽。這時(shí)，空中槽和切變線是否引起初雷產(chǎn)生決定于氣流輻合的強(qiáng)弱，輻合越強(qiáng)，產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)范圍越大，強(qiáng)度越劇烈，越有利于產(chǎn)生初雷。章國(guó)才[3]判斷輻合的強(qiáng)弱，一般以切變線的強(qiáng)度為依據(jù)，主要是根據(jù)空中槽和切變線前后的風(fēng)向和風(fēng)速分布來(lái)判斷。在850 hPa天氣圖中，在切變線南側(cè)常有≥12 m/s的西南急流，在槽前或切變南側(cè)也常有暖濕平流輸送。空中槽和切變線附近的雷暴和其他天氣系統(tǒng)中產(chǎn)生的初雷一樣，并不是處處都有，一般離空中槽和切變線越近，越容易發(fā)生初雷。

以2014年5月2日初雷天氣過(guò)程為例，500 hPa（圖6a）哈爾濱機(jī)場(chǎng)位于低壓槽前，盛行西南氣流，有冷平流，850 hPa（圖6b）哈爾濱地區(qū)有一個(gè)很明顯的切變線，切變線南側(cè)有一很強(qiáng)的西南低空急流，急流最大風(fēng)速達(dá)到12 m/s，從渤海灣帶來(lái)了豐沛的水汽，且在切變線南側(cè)有較強(qiáng)的暖平流，這種強(qiáng)烈的暖濕空氣輻合抬升極易觸發(fā)對(duì)流活動(dòng)的發(fā)展。海平面氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)圖（圖6c）中，哈爾濱地區(qū)位于冷鋒后部，受暖氣團(tuán)控制，這種上冷下暖的天氣形勢(shì)有利于對(duì)流的發(fā)展,且△T850-500≈24℃，有很強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定。在機(jī)場(chǎng)西南側(cè)有較大面積的RH＞80%的區(qū)域（圖略），隨著西南低空急流的輸送，為機(jī)場(chǎng)帶來(lái)充沛的水汽。此次初雷天氣過(guò)程持續(xù)了89 min，降水持續(xù)總時(shí)間達(dá)18 h。

圖6 2014年5月2日00時(shí)

4.2 冷渦型

冷渦是深厚的高空冷性系統(tǒng)，它是一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的天氣系統(tǒng)。冷渦在500 hPa反映最明顯，低渦中心附近常有冷中心或冷槽相配合，低渦后部通常有暖性高壓脊，且向東北方向伸展，因此就會(huì)有一股一股的冷空氣沿著冷渦后部偏北氣流南下；850 hPa也可分析出冷渦，有時(shí)則表現(xiàn)為寬廣的低槽區(qū)，其北部常有東西向鋒區(qū)，槽前常有暖舌；地面圖上有冷空氣東移南壓，鋒前有低壓或倒槽，有時(shí)只有露點(diǎn)鋒或中尺度輻合線。周建華[4]在冷渦周圍地區(qū)，冷暖平流明顯，在春夏季經(jīng)常會(huì)引起哈爾濱地區(qū)冷渦型雷暴，甚至?xí)?lái)冰雹天氣[5]。

以2013年5月11日初雷天氣過(guò)程為例，11日00時(shí)500 hPa（圖7a）我國(guó)北部為兩槽一脊的天氣形勢(shì)，哈爾濱地區(qū)受冷渦控制,低壓中心強(qiáng)度較強(qiáng)，同時(shí)配合閉合冷中心，冷渦系統(tǒng)較為深厚，有冷平流，低渦后部有暖性高壓脊，低渦前部暖濕氣流明顯；850 hPa（圖7b）哈爾濱地區(qū)受低渦前部暖空氣控制，△T850-500≈26℃，這種高低空配置有利于不穩(wěn)定度傾向加大。850 hPa相對(duì)濕度場(chǎng)中可以看出（圖略），哈爾濱機(jī)場(chǎng)北側(cè)RH＞80%，為一個(gè)顯著濕區(qū)，機(jī)場(chǎng)南側(cè)有顯著氣流進(jìn)入顯著濕區(qū)，存在一個(gè)明顯的干線。由于冷渦位置偏西北，機(jī)場(chǎng)是受冷渦外圍分散對(duì)流云團(tuán)影響，本次初雷天氣過(guò)程僅持續(xù)11 min，但強(qiáng)度較強(qiáng)，局地出現(xiàn)了極短時(shí)間的雷暴伴冰雹天氣。

圖7 2013年5月11日00時(shí)（a）500 hPa溫壓場(chǎng)；（b）850 hPa溫壓場(chǎng)

4.3 西北氣流型

西北氣流型是指500 hPa或700 hPa為西北或偏北氣流控制，為冷平流；850 hPa所在區(qū)域或上風(fēng)方向有切變線、小低渦等低值系統(tǒng)；地面常有輻合區(qū)。高層冷平流與低層暖平流的差動(dòng)溫度平流和風(fēng)切變?yōu)閺?qiáng)對(duì)流天氣提供了重要的環(huán)境條件。西北氣流型下要特別關(guān)注溫度垂直遞減率和垂直風(fēng)切變，其中任何一項(xiàng)出現(xiàn)超常值時(shí)都易產(chǎn)生對(duì)流性天氣。當(dāng)?shù)蛯訚穸葪l件好時(shí)，下層任何擾動(dòng)、輻合都能造成濕空氣的抬升條件，極易生成對(duì)流云。通常西北氣流型初雷會(huì)伴隨較大的陣風(fēng)。當(dāng)垂直溫度梯度和垂直風(fēng)切變很大，但低層濕度很低時(shí)，則只會(huì)產(chǎn)生對(duì)流性大風(fēng)而不會(huì)出現(xiàn)雷暴天氣。

以2005年5月24日初雷天氣過(guò)程為例，500 hPa（圖8a）哈爾濱地區(qū)位于高壓脊前，盛行西北氣流，有冷中心，存在明顯的冷平流，850 hPa（圖8b）位于高壓脊中，東側(cè)有一低渦，可以從海上帶來(lái)一定量的暖濕平流。從溫度場(chǎng)時(shí)間垂直剖面圖中可以看出（圖略），當(dāng)日有一定垂直溫度梯度（△T850-500≈14℃），存在位勢(shì)不穩(wěn)定，相對(duì)較弱。當(dāng)日哈爾濱機(jī)場(chǎng)850 hPa相對(duì)濕度30-40%（圖略），水汽條件一般。因此，西北氣流型雷暴的判斷對(duì)于預(yù)報(bào)員來(lái)說(shuō)是一個(gè)難點(diǎn)，極易出現(xiàn)漏報(bào)。當(dāng)天在初雷發(fā)生時(shí)還出現(xiàn)了17 m/s的陣風(fēng)。

圖8 2005年5月24日00時(shí)（a）500 hPa溫壓場(chǎng)；（b）850 hPa溫壓場(chǎng)

5 結(jié)論與小結(jié)

（1）哈爾濱機(jī)場(chǎng)初雷在5月中旬發(fā)生的次數(shù)最多，其次是5月上旬。初雷持續(xù)時(shí)間在30-60 min概率最大，其次是小于30 min和60-120 min，120 min以上的概率最小。

（2）哈爾濱機(jī)場(chǎng)初雷的對(duì)流云團(tuán)主要是在本場(chǎng)生成。伴隨初雷出現(xiàn)概率最大的天氣現(xiàn)象為小陣雨，其次為大風(fēng)。伴隨雷暴出現(xiàn)的降水過(guò)程中降水主要出現(xiàn)在初雷發(fā)生以前，以弱雷雨為主。

（3）導(dǎo)致哈爾濱初雷發(fā)生的天氣形勢(shì)分為空中槽和切變線型、冷渦型、西北氣流型三種。