基于SWCWARR模式的一次重慶江北機(jī)場對流天氣過程分析

劉 旸 , 程曉龍 , 海 瀅

（1. 民航西南空管局重慶分局，重慶 401120；2. 中國氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072；3. 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072）

引言

近年來，我國民航業(yè)發(fā)展迅猛，而天氣原因?qū)е潞桨嗖徽５谋壤哌_(dá)57.31%[1]，其中，由強(qiáng)對流云造成的短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴、風(fēng)切變等天氣被證實(shí)嚴(yán)重影響飛行安全。重慶江北國際機(jī)場作為全國重要機(jī)場，2020年旅客吞吐量累計(jì)3493.8萬人次，居全國第四。每年由于強(qiáng)對流天氣引起的繞飛、備降、延誤等給管制指揮和乘客正常出行帶來了極大的影響和安全隱患。因此，提升對本地強(qiáng)對流天氣機(jī)理的認(rèn)識(shí)及其預(yù)報(bào)、預(yù)警的提前量和準(zhǔn)確性顯得至關(guān)重要。

已有研究[2-3]表明，強(qiáng)對流天氣的發(fā)生一般需要具備3個(gè)基本條件，即條件不穩(wěn)定層結(jié)、低層充足的水汽和較強(qiáng)的輻合抬升，而大氣靜力穩(wěn)定度和水汽條件通常是相互獨(dú)立發(fā)展的。為了檢驗(yàn)整層大氣的對流潛勢，通常采用氣塊法并引入一些對流參數(shù)，包括抬升指數(shù)、SI指數(shù)、K指數(shù)、對流有效位能及對流抑制能量等，都是將大氣靜力穩(wěn)定度和水汽條件結(jié)合在一起。其中，一些學(xué)者認(rèn)為物理意義最清晰的是對流有效位能和對流抑制能量概念[4-6]。對于抬升觸發(fā)條件，Doswell[3]研究指出，觸發(fā)雷暴的主要是中尺度的上升運(yùn)動(dòng)，而天氣尺度的上升運(yùn)動(dòng)通常不直接觸發(fā)雷暴，只是使得大氣變得更加不穩(wěn)定。這些觸發(fā)雷暴的中尺度系統(tǒng)主要包括邊界層輻合線、中尺度地形和中尺度重力波，其中邊界層中尺度輻合線尤為重要。孫繼松等[6]、俞小鼎等[7]對強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行了詳細(xì)和深入的闡述。目前，強(qiáng)對流天氣潛勢預(yù)報(bào)方法主要分為兩大類：流型辨識(shí)法[8-10]和基于構(gòu)成要素的預(yù)報(bào)方法[11-12]，又稱配料法。許愛華等[13]進(jìn)一步提出了中國強(qiáng)對流天氣5種基本形勢配置：冷平流強(qiáng)迫類、暖平流強(qiáng)迫類、斜壓鋒生類、準(zhǔn)正壓類、高架雷暴類。

強(qiáng)對流天氣研究和預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)是大氣探測。而近幾十年，由于數(shù)值模式與技術(shù)手段的高速發(fā)展，數(shù)值預(yù)報(bào)已成為強(qiáng)對流與雷暴預(yù)報(bào)的重要手段之一[14]。美國國家大氣研究中心（NCAR）基于TREC(Tracking Radar Echo by Correlations)，同時(shí)綜合考慮邊界層輻合線、大氣穩(wěn)定度和大氣低層垂直風(fēng)切變等研發(fā)了用于預(yù)報(bào)雷暴生消和強(qiáng)弱的臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)NCAR-ANC（Auto-Nowcaster）[15]。而WRF(Weather Research Forecast)模式系統(tǒng)作為新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)，在預(yù)報(bào)各種天氣過程中均反映出較好的性能[16]。薛羽君等[17]利用WRF模式模擬了四川盆地一次大暴雨過程，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水的模擬與對流層中水汽、動(dòng)力以及熱力條件的模擬效果緊密相關(guān)。王鴿等[18]應(yīng)用巴中地區(qū)2016年6~8月的逐日累計(jì)雨量檢驗(yàn)SWCWARMS和EC模式，TS評分表明SWCWARMS模式得分更高。屠妮妮等[19]對2014年5~12月西南日降水量的檢驗(yàn)結(jié)果表明，SWCWARMS模式預(yù)報(bào)能力優(yōu)于GRAPES模式。程曉龍等[20]對比分析了SWCWARMS、EC以及GRAPES三種模式對2018年6月25日12時(shí)~26日12時(shí)四川暴雨過程的預(yù)報(bào)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)SWCWARMS模式在四川盆地內(nèi)的強(qiáng)降雨中心預(yù)報(bào)方面有較大優(yōu)勢。

雖然隨著觀測資料分辨率的提高、數(shù)值模式的進(jìn)步及預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)對流天氣的研究水平有了較大的提升，但是復(fù)雜地形區(qū)強(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)難度仍然較大。因此，本文針對2019年4月27~28日重慶江北國際機(jī)場的一次強(qiáng)對流天氣過程，擬利用常規(guī)觀測資料、雷達(dá)觀測資料以及西南區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品對該次過程進(jìn)行診斷分析，以期為加深強(qiáng)對流天氣演變認(rèn)知和提高航空氣象保障水平提供科技支撐。

1 資料與模式介紹

研究所用觀測資料為常規(guī)降雨資料、探空資料、重慶地區(qū)S波段天氣雷達(dá)資料和重慶江北機(jī)場C波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)資料，數(shù)值模式資料包括西南區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)SWCWARR（South West Center WRF ADAS Rapid Refresh）模式產(chǎn)品和重慶RUC模式產(chǎn)品。

西南區(qū)域9 km SWCWARMS（South West Center WRF ADAS Real-Time Modeling System）和3 km SWCWARR（South West Center WRF ADAS Rapid Refresh）模式是中國氣象局成都高原氣象研究所研發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)的數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。SWCWARMS模式范圍大致覆蓋整個(gè)中國。SWCWARR模式范圍為除西藏西部外的整個(gè)西南地區(qū)，是以SWCWARMS模式輸出為初邊條件的3 km模式，積分時(shí)長為24 h。已有研究表明9 km SWCWARMS模式在西南地區(qū)強(qiáng)對流預(yù)報(bào)方面有較好表現(xiàn)，但針對3 km SWCWARR模式產(chǎn)品應(yīng)用效果的檢驗(yàn)相對較少。本文將利用SWCWARR模式產(chǎn)品，分析其在重慶江北機(jī)場的對流天氣預(yù)報(bào)能力（文中時(shí)間均為世界時(shí)）。

2 天氣過程與環(huán)流形勢

2019年4月27~28日重慶江北國際機(jī)場的強(qiáng)對流天氣過程主要集中在27日15~20時(shí)，持續(xù)時(shí)間短，強(qiáng)度大。從圖1可以看出，此次過程降水量由北至南逐漸增多，強(qiáng)降水中心在南部的江津站，達(dá)到45 mm。江北機(jī)場氣象臺(tái)27日14時(shí)臨時(shí)會(huì)商，綜合分析預(yù)報(bào)夜間江北國際機(jī)場（簡稱本場）將出現(xiàn)雷雨天氣，先后發(fā)布終端區(qū)預(yù)警和機(jī)場警報(bào)。整個(gè)過程未造成大面積返航、備降情況，但由于對流系統(tǒng)在東移過程中不斷的變化、誘生，給短臨外推預(yù)報(bào)帶來了極大的困難，造成南部航路受影響時(shí)間較長，管制指揮較為被動(dòng)。

圖1 2019年4月27日12時(shí)~28日00時(shí)重慶市降水分布（填色，單位：mm）

從圖2可知，2019年4月27日12時(shí)，對流層中層中高緯西風(fēng)帶多波動(dòng)，500 hPa有低槽東移過境，本場上空低層700 hPa和850 hPa均明顯存在一條西南-東北走向的切變線，重慶地區(qū)基本位于槽前西南暖濕氣流控制范圍內(nèi)，槽前的正渦度平流加深了低層氣流輻合上升。27日12時(shí)，重慶地區(qū)低層為高溫、高濕區(qū)，850 hPa有一濕舌疊加，低層伴隨西南暖濕急流，最大風(fēng)速達(dá)到12 m/s，且低層有暖脊發(fā)展，ΔT700~500為20℃，ΔT850~500達(dá)到26℃，位勢不穩(wěn)定特征明顯。地面西北部、東部有冷空氣入侵，地面倒槽向東北方向伸展，有利于觸發(fā)對流活動(dòng)。23日開始重慶市南部最高氣溫突破30℃后逐漸上升，到27日達(dá)到了36℃，氣溫上升極大地增強(qiáng)了大氣中不穩(wěn)定能量的累積，為此次強(qiáng)對流雷暴天氣提供了充足的熱力與能量。

圖2 2019年4月27日12時(shí)500 hPa環(huán)流形勢場以及各層天氣系統(tǒng)（紅色雙實(shí)線表示850 hPa切變線，黑色雙實(shí)線表示700 hPa切變線，棕色實(shí)線表示500 hPa槽線，藍(lán)色鋸齒線表示冷鋒，紅色虛線表示850 hPa濕舌）

3 雷達(dá)組合反射率

2019年4月27日17時(shí)和18時(shí)，即天氣過程最為劇烈的時(shí)刻，在重慶地區(qū)天氣雷達(dá)組合反射率實(shí)況拼圖（圖3b1~2）上，強(qiáng)回波位于區(qū)域西南部，35 dBz以上的強(qiáng)回波已經(jīng)覆蓋本場。從重慶RUC模式預(yù)報(bào)的組合反射率（圖3a1~2）可知， 27日17時(shí)強(qiáng)回波主要位于本場西北部，但實(shí)況上此時(shí)本場西北部回波強(qiáng)度較弱；18時(shí)，本場西北部回波持續(xù)增強(qiáng)，其西南部的回波預(yù)報(bào)明顯減弱，與實(shí)況不符。從西南區(qū)域模式SWCWARR預(yù)報(bào)的組合反射率（圖3c1~2）可知，強(qiáng)回波區(qū)域多集中在本場西南以及偏南位置，且東移過程中無減弱趨勢，本場西北上游位置以中等或偏弱回波為主，在東移過程中回波強(qiáng)度略有減弱。

圖3 2019年4月27日17時(shí)(上)和18時(shí)(下)重慶地區(qū)天氣雷達(dá)組合反射率實(shí)況和模式模擬結(jié)果（a1~2. 重慶RUC模式；b1~2. 實(shí)況拼圖，圓心為本場；c1~2. SWCWARR模式，黑點(diǎn)為本場；單位：dBz）

通過對比發(fā)現(xiàn)，基于本場西北及西南方向圈出位置回波的強(qiáng)度及發(fā)展趨勢，西南區(qū)域模式和實(shí)況驗(yàn)證符合度顯著地高于重慶RUC模式，而影響重慶江北機(jī)場的對流出現(xiàn)時(shí)刻和強(qiáng)度，西南區(qū)域模式SWCWARR也有較好的預(yù)報(bào)，重慶RUC模式在影響時(shí)間上有較好的效果，但位置和強(qiáng)度有一定的偏差。

圖4給出了2019年4月27日15~20時(shí)本場雷達(dá)實(shí)況和SWCWARR模擬的組合反射率。從本場雷達(dá)實(shí)況（圖4a1~6）可以看出：此次天氣過程的系統(tǒng)由塊狀回波逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蠋罨夭?，也就是從對流單體逐漸聚合發(fā)展為有組織的整體，系統(tǒng)邊界清晰，自西南向東北移動(dòng)；27日17~20時(shí)在本場上方穩(wěn)定維持，系統(tǒng)主體的雷達(dá)組合反射率強(qiáng)度在30 dBz以上，局部區(qū)域達(dá)到了50 dBz，且隨時(shí)間逐步發(fā)展增強(qiáng)；27日17時(shí)左右達(dá)到最強(qiáng)，本場伴有雷暴大風(fēng)及短時(shí)強(qiáng)降水等天氣現(xiàn)象，之后本場北面的強(qiáng)回波系統(tǒng)開始逐漸減弱消亡，但同時(shí)南部又有一些強(qiáng)回波塊新生發(fā)展；到27日20時(shí)，系統(tǒng)主體組合反射率強(qiáng)度也維持在30 dBz左右；這一過程對北向航路影響輕微，主要影響本場及南部航路。從SWCWARR模式模擬結(jié)果（圖4b1~6）可以看出：模式模擬的回波情況與實(shí)況對應(yīng)較好，模擬的組合反射率也顯示出對流系統(tǒng)自西南向東北移動(dòng)，但強(qiáng)度略偏高；值得一提的是，SWCWARR模式在本場南部一直預(yù)報(bào)出與實(shí)況相符的較強(qiáng)回波，可以對機(jī)場南部航路的航班運(yùn)行保障、空中交通管制指揮起到很好的指示作用。

圖4 2019年4月27日15~20時(shí)雷達(dá)組合反射率逐時(shí)演變（a1~6. 雷達(dá)實(shí)況，圓心為本場；b1~6. SWCWARR模式模擬結(jié)果，黑點(diǎn)為本場）

4 基于SWCWARR產(chǎn)品的物理量診斷

通過以上對雷達(dá)組合反射率隨時(shí)間演變和最強(qiáng)時(shí)刻模式模擬與實(shí)況對比可知，SWCWARR模式對江北機(jī)場此次強(qiáng)對流天氣過程的發(fā)展具有較好的預(yù)報(bào)效果。同時(shí)，鑒于氣象觀測得到的數(shù)據(jù)在時(shí)空分辨率上不夠精細(xì)，運(yùn)用數(shù)值模式產(chǎn)品進(jìn)行天氣過程分析則可以彌補(bǔ)這一不足。下面，基于SWCWARR模式的一些物理量產(chǎn)品和診斷量對此次強(qiáng)對流天氣過程發(fā)生發(fā)展的機(jī)理進(jìn)行分析。

圖5為2019年4月27日12~21時(shí)SWCWARR模式模擬的本站850 hPa西南風(fēng)與雷達(dá)反射率變化?？梢钥吹?，在此次強(qiáng)對流天氣過程中，西南風(fēng)強(qiáng)度與雷達(dá)反射率呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)性；當(dāng)西南風(fēng)增大時(shí)，雷達(dá)反射率也增大，且西南風(fēng)有所超前。同時(shí)，該時(shí)段內(nèi)本場上空的水汽凝結(jié)和水凝物增長(圖6)也出現(xiàn)在西南風(fēng)增強(qiáng)的時(shí)段內(nèi)。總之，西南風(fēng)帶來了充沛的水汽，強(qiáng)天氣系統(tǒng)的發(fā)生伴隨著水凝物的迅速演變。

圖5 2019年4月27日12~21時(shí)SWCWARR模式模擬的本站雷達(dá)組合反射率（黑色，單位：dBz）與850 hPa西南風(fēng)（紅色，單位:m/s）時(shí)間變化

圖6 2019年4月27日12~21時(shí)SWCWARR模式模擬的本站上空水汽凝結(jié)量（黑色）和水凝物含量（藍(lán)色表示雨水混合比，紅色表示雪水混合比，棕色表示云水混合比）時(shí)間變化（單位：kg·m-2）

圖7給出了川渝盆地的地形分布。可以看出，本場位于盆地東南邊緣地區(qū)，除西部外三面環(huán)山，山脈呈西南-東北走向，結(jié)合圖3和4中雷達(dá)實(shí)況顯示的天氣系統(tǒng)從西南向東北的移動(dòng)特征，得出山脈地形的阻擋使經(jīng)過氣流出現(xiàn)狹管效應(yīng)，造成偏南風(fēng)增強(qiáng)并形成輻合抬升，對對流系統(tǒng)的發(fā)生與發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

分析4月27日16~18時(shí)的散度場(圖8)可知：16時(shí)，本場散度>-20×10-5·s-1，其南部輻合中心強(qiáng)度為-60×10-5·s-1，形成低層強(qiáng)輻合，暖濕氣流向降水區(qū)輸送，此時(shí)對流初生；17時(shí)，本場上空低層輻合加強(qiáng)，散度達(dá)到-20×10-5·s-1，其南部輻合區(qū)散度達(dá)到-60×10-5·s-1，輻合中心范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)，此時(shí)也是對流過程最為強(qiáng)烈的時(shí)段；18時(shí)，本場輻合逐漸減弱消失，但本場南部又有一些氣流輻合出現(xiàn)，對應(yīng)其對流的發(fā)生發(fā)展。值得注意的是，從圖7中可以看到低層輻合區(qū)主要是低海拔的山谷地區(qū)，其走向與山脈相平行，這從另一個(gè)角度體現(xiàn)出山脈地形對氣流的阻擋作用。

圖7 川渝盆地海拔高程（填色，單位：m）

由圖9可知，2019年4月27日15~18時(shí)，在與山脈地勢走向平行、位于本場上空沿29.25°N、106.25°E~30.25°N、107°E的垂直剖面上，南風(fēng)的垂直變化最為明顯。27日15時(shí)，在本場西南部，低層南風(fēng)開始向東北發(fā)展，急流中心位于900 hPa，中心風(fēng)速為12 m/s，本場低層出現(xiàn)弱輻合區(qū)，開始出現(xiàn)降水。16時(shí)，低層南風(fēng)已經(jīng)覆蓋了本場上空，急流中心上升至850 hPa，中心風(fēng)速維持在12 m/s；此時(shí)，本場西南部上游強(qiáng)對流主體的輻合區(qū)已向上發(fā)展到500 hPa高度，但與本場局地對流并不是同一系統(tǒng)，本場900 hPa以下輻合增強(qiáng)，降水也開始加強(qiáng)。17時(shí)，上游強(qiáng)對流系統(tǒng)持續(xù)東北移，南風(fēng)急流繼續(xù)發(fā)展，急流中心在800 hPa附近，中心風(fēng)速達(dá)到16 m/s，本場上空的西南急流中心風(fēng)速也達(dá)到14 m/s，并出現(xiàn)了較強(qiáng)的低層輻合與高層輻散區(qū)，輻合中心在900 hPa左右，強(qiáng)度達(dá)到-40×10-5·s-1，本站降水達(dá)到最強(qiáng)。18時(shí)，中低層已經(jīng)完全受南風(fēng)控制，本場上空輻合區(qū)開始消失，降水也開始減弱，本站形成的對流系統(tǒng)向東北移出源地。結(jié)合圖8也可看出：低層偏南風(fēng)與本場的輻合以及對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系十分密切；高層輻散加強(qiáng)對流抽吸作用，中低層暖濕氣流輻合有利于暖濕氣流上升，維持并促進(jìn)對流發(fā)展，在前期不穩(wěn)定能量增加的條件下，促進(jìn)能量垂直輸送，增強(qiáng)對流不穩(wěn)定性，對強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展極其有利。

圖8 2019年4月27日16~18時(shí)重慶地區(qū)925 hPa散度場（a. 16時(shí)，b. 17時(shí)，c. 18時(shí)，黑點(diǎn)為本場；等值線表示散度，單位：10-5·s-1；填色表示海拔高度，單位：m）

圖9 2019年4月27日15~18時(shí)沿29.25°N、106.25°E~30.25°N、107°E的水平散度（填色，單位：10-5·s-1）與經(jīng)向風(fēng)（等值線，單位：m/s）垂直剖面（a. 15時(shí)，b. 16時(shí)，c. 17時(shí)，d. 18時(shí)，黑色三角形代表本場位置）

5 結(jié)論

本文利用地面、探空和雷達(dá)觀測資料，結(jié)合SWCWARR模式和重慶RUC模式輸出的雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品，以及SWCWARR模式預(yù)報(bào)的有關(guān)物理量和診斷量，綜合分析了2019年4月27日15~21時(shí)影響重慶江北國際機(jī)場的一次強(qiáng)對流天氣過程，得到如下主要結(jié)論：

（1）本次強(qiáng)對流天氣過程是由于對流層500 hPa中高緯西風(fēng)帶多波動(dòng)，高空槽后冷空氣與中低層西南暖濕氣流相遇形成切變，地面倒槽前傾形成鋒面所產(chǎn)生。高溫天氣引起的強(qiáng)位勢不穩(wěn)定、低層暖脊發(fā)展以及低層輻合高層輻散的配置為強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展提供有利的環(huán)流條件。

（2）西南區(qū)域SWCWARR模式模擬得到的雷達(dá)回波范圍、強(qiáng)度及發(fā)展趨勢與實(shí)況更為符合，優(yōu)于重慶RUC模式，且報(bào)出了27日18時(shí)以后本場南部新生的對流，為預(yù)報(bào)此類新生對流提供了很好的參考依據(jù)。對于機(jī)場警報(bào)解除時(shí)間及航空器的管制指揮，西南區(qū)域SWCWARR模式能夠起到關(guān)鍵作用。

（3）本場低層偏南風(fēng)、雷達(dá)反射率、大氣整層水凝物變化以及低層輻合強(qiáng)度演變均呈現(xiàn)出良好的相關(guān)性。重慶東北-西南走勢的山脈和本場南部的山脈阻擋使暖濕偏南氣流被迫抬升形成對流，通過SWCWARR模式模擬的西南風(fēng)強(qiáng)度與雷達(dá)反射率呈現(xiàn)出的正相關(guān)性，結(jié)合重慶地區(qū)地形作用下強(qiáng)南風(fēng)區(qū)域的分布，對重慶區(qū)域內(nèi)的航路及本場強(qiáng)對流天氣發(fā)生、發(fā)展具有較好的指示作用。