哈爾濱機場初雷診斷和異常氣候背景分析

楊 欣，王天竺，高雷恒

（民航東北空管局黑龍江分局，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 引言

雷暴是對流云強烈發(fā)展的產(chǎn)物， 是嚴重影響飛行安全的危險天氣之一，特別是每年的初次雷暴（以下簡稱初雷），其代表著一年雷雨季節(jié)的開始，是氣象要素發(fā)生重大變化的一個標(biāo)志。 處于春夏換季期，天氣系統(tǒng)難以準確把握， 衛(wèi)星雷達指示特征均不明顯，造成初雷預(yù)報的準確率較低[1]。 因此，初雷預(yù)報已成為哈爾濱太平國際機場（以下簡稱哈爾濱機場）預(yù)報員在春夏之交重點考慮的天氣之一。 楊欣等[2]在統(tǒng)計哈爾濱機場2001-2020 年初雷天氣時發(fā)現(xiàn)， 初雷的發(fā)生時間主要是在每年的4 月和5 月， 發(fā)生次數(shù)最多的是在五月中旬，最少的為4 月上旬，20 a 僅出現(xiàn)一次。2023 年初雷天氣過程發(fā)生時間偏早，這與大氣環(huán)流異常情況有關(guān)。 目前對于低緯度大氣環(huán)流異常與ENSO 的發(fā)展關(guān)系研究較多， 對于東北地區(qū)氣候影響的研究較少，由于地處中緯度地區(qū)，影響東北地區(qū)降水的環(huán)流因子更為復(fù)雜, 不僅包括夏季風(fēng)、副熱帶高壓等熱帶、 副熱帶環(huán)流系統(tǒng), 還包括西風(fēng)急流、東北亞阻塞高壓等中高緯環(huán)流系統(tǒng)[3]。何金海等[4]認為, 中國近海的海溫異?？梢酝ㄟ^影響東北冷渦的活動進而影響東北地區(qū)降水。 因此，分析大氣環(huán)流異常特征， 并對其進行與ENSO 的相關(guān)性研究對于做好強對流天氣預(yù)報，尤其是初雷天氣預(yù)報，有很大的作用。

2 資料和方法

本文利用歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心（ECMWF）發(fā)布的第5 代全球大氣再分析逐小時格點資料 （ERA-5），格距為0.25°× 0.25°，分析2023 年初雷天氣過程的環(huán)流形勢演變，對垂直熱力結(jié)構(gòu)、動力抬升和水汽條件進行綜合診斷， 從天氣學(xué)角度探索本次天氣形成的原因， 診斷分析中物理量的垂直剖面沿45.62°N、126.25°E(哈爾濱太平國際機場跑道中心點所在經(jīng)緯度)。同時，以1991-2020 年4 月中旬氣候平均場為氣候態(tài)，分析大氣大尺度環(huán)流異常情況，并討論環(huán)流異常情況是否與ENSO 相關(guān)。

3 天氣實況概述

哈爾濱機場2023 年初雷發(fā)生于4 月11 日02時15 分（北京時，下同），持續(xù)時間為1 h8 min ，期間伴有小雨天氣。 10 日09 時29 分-13 時48 分有大風(fēng)伴揚沙天氣，風(fēng)向為西南風(fēng)，最大風(fēng)速為18 m/s，主導(dǎo)能見度長時間維持在3000 m 以下，11 日早間出現(xiàn)小雨天氣，午后氣溫驟降，降溫幅度10-12 ℃，氣壓涌升，相對濕度增大明顯，在3 h 內(nèi)，相對濕度由25%迅速增大至95%， 風(fēng)速有明顯增大，11 日13 時46分-16 時27 分機場出現(xiàn)小雨夾雪天氣， 氣象要素變化較為明顯(圖1)。

圖1 4 月10-11 日各氣象要素(a)溫度、(b)修正海平面氣壓、(c)相對濕度和(d)風(fēng)速的時間變化特征

4 成因分析

4.1 天氣形勢特征

4 月10 日18 時，200 hPa 緯向風(fēng)場圖 （圖2a）中，東亞地區(qū)為一致的西風(fēng)氣流，黑龍江省上空存在一個明顯的高空急流分流區(qū)，輻散作用明顯，對底層有一定的抽吸作用；500 hPa（圖2b）中，在整個歐亞大陸中高緯度地區(qū)為兩低一高型， 低壓槽的位置分別位于烏拉爾山地區(qū)和蒙古國東部， 在蒙古東部地區(qū)形成了切斷低壓，中間為寬廣的高壓脊區(qū)，哈爾濱地區(qū)位于蒙古國東部的低壓槽前，有正渦度平流，溫度場與高度場近于垂直， 低壓還在持續(xù)發(fā)展之中；850 hPa（圖2c）中，在哈爾濱地區(qū)西側(cè)有一切變，為輻合區(qū)，在切變前部西南急流明顯，急流中心風(fēng)速可達22-26 m/s；海平面氣壓場（圖2d）中，哈爾濱地區(qū)位于地面冷鋒前部，受暖氣團控制，冷鋒后部冷空氣較為強勁，溫差可達10-15 ℃。

圖2 4 月11 日02 時(a)200 hPa 緯向風(fēng)場(等值線，單位:m·s-1)、(b)500 hPa 高度場(實等值線，單位:10 gpm)、溫度場(虛等值線，單位:℃)及風(fēng)場(矢量，單位:m·s-1)、(c)850 hPa 高度場(等值線，單位:10 gpm)及風(fēng)場(矢量，單位:m·s-1，陰影部分為低空急流，風(fēng)速>12 m·s-1 區(qū)域)和(d)海平面氣壓場(等值線，單位:hPa)及溫度場(陰影，單位:℃)的分布特征(黑色三角為哈爾濱太平國際機場所在位置)

4.2 物理量診斷分析

4.2.1 水汽條件分析

分析10 日08 時-12 日08 時哈爾濱機場上空整層比濕時間序列圖（圖3b）可知，在這個時間段內(nèi)，比濕有兩個峰值，一個是在10 日14-17 時，此時低層和中層濕度大值區(qū)對應(yīng)情況一般，濕層較為淺薄，另一個是在11 日01-04 時， 此時從低層到725 hPa 比濕均>3 g·kg-1，中低層水汽條件較好。 1000-925 hPa比濕達到8 g·kg-1，600 hPa 以上比濕均<1 g·kg-1，上干下濕條件有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。 分析4月11 日02 時中低層水汽通量和水汽通量散度 （圖3a）可知，哈爾濱地區(qū)在此時正處于水汽通量散度大值區(qū)內(nèi)，中心值為-8-(-6)×10-7g·s-1·cm-2，此時仍有來自西南方向的水汽輸送，但西南氣流不夠強盛，導(dǎo)致本次降水量較少，以小雨量級為主。

圖3 4 月11 日02 時(a)中低層(從地表積分至500 hPa)水汽通量(矢量，單位: g·s-1·cm-1)及水汽通量散度(陰影，單位:10-7 g·s-1·cm-2) 的空間分布特征和10 日08 時-12 日08 時哈爾濱機場上空整層比濕時間序列圖(單位:g·kg-1)

4.2.2 動力條件分析

分析4 月11 日02 時哈爾濱機場上空垂直速度場探空曲線（圖4a）可知，自1000 hPa-200 hPa 均為上升運動區(qū)，上升運動區(qū)較厚，垂直速度最大值出現(xiàn)在500 hPa，為-4.5 Pa·s-1， 500 hPa 以上垂直速度開始減小，上升運動有所減弱。 分析4 月11 日02 時哈爾濱機場上空散度場探空曲線（圖4b）可知，500 hPa以下，除800 hPa 存在一散度正值區(qū)，其他大部分高度均為散度負值區(qū)， 散度最小值出現(xiàn)在700 hPa，為-9 s-1，500 hPa 以上為散度正值區(qū)，中低層輻合，高層輻散，垂直運動明顯，有利于對流活動的發(fā)展。

圖4 4 月11 日02 時哈爾濱機場上空(a)垂直速度場(單位:Pa·s-1)和(b)散度場(等值線，單位:s-1)探空曲線圖

4.2.3 熱力條件分析

對流有效位能CAPE 是條件不穩(wěn)定與水汽條件相結(jié)合起來表示雷暴發(fā)生潛勢的物理量。 分析4 月10 日08 時-12 日08 時哈爾濱機場上空對流有效位能探空曲線（圖5a）可知，CAPE 在11 日02 時達到峰值，數(shù)值為280 J·kg-1，較夏季對流活動時小很多。 同時考慮此時仍是春季，CAPE 的相對高值， 對對流活動仍然存在一定的指導(dǎo)意義。 分析4 月10 日08 時-12 日08 時哈爾濱機場上空對流K 指數(shù)探空曲線（圖5b）可知，K 指數(shù)在此時間段內(nèi)有兩個峰值，一個是在10 日14 時，為24 K，之后迅速減小，到20 時達到最小，隨后又有一次上升過程，到11 日02 時附近再一次達到峰值，為21 K，較夏季強對流發(fā)生閾值較小，但仍然考慮是在春季，且在夜間，仍有強對流發(fā)展的可能。

圖5 4 月10 日08 時-12 日08 時哈爾濱機場上空(a)對流有效位能(單位:J·kg-1)和(b)K 指數(shù)(單位:K)探空曲線圖

綜合分析各物理量，10 日14 時和11 日02 時為強對流天氣發(fā)生的可能時間，11 日02 時的水汽條件和動力條件均較10 日14 時要好，在熱力條件上，11日02 時較10 日14 時略差， 但CAPE 要比10 日14時大得多，因此，11 日02 時有初雷發(fā)生的有利條件。

5 大氣環(huán)流異常特征

如圖6a 所示，200 hPa 緯向風(fēng)距平場上，在亞歐大陸中緯度地區(qū)，副熱帶西風(fēng)急流偏強，急流中心位于40°N 附近，急流中心風(fēng)速較氣候態(tài)偏強20 m/s 以上，貝加爾湖東側(cè)高空急流偏弱，哈爾濱機場位于急流軸前側(cè)， 高空急流下方強垂直切變的環(huán)境風(fēng)能提供對流發(fā)展的動能， 急流區(qū)的強風(fēng)有利于對流云頂質(zhì)量輻散的增強和上升氣流的維持，另外，在對流云體發(fā)展的過程中，由于水汽凝結(jié)釋放潛熱，使云體上部增暖，使層結(jié)趨于穩(wěn)定，因而抑制對流發(fā)展。 這時高空急流能將云體上部增暖的空氣帶走， 起到抽吸作用，從而有利于對流云的維持和發(fā)展。 如圖6b 所示，500 hPa 高度距平場和風(fēng)距平場上， 在蒙古東部受異常低壓控制， 表現(xiàn)為東北低渦較氣候態(tài)異常偏強21 dagpm，日本上空有位勢高度正異常，形成東高西低的異常分布特征， 哈爾濱機場位于低值系統(tǒng)的東南側(cè)，為正渦度平流控制區(qū)，正渦度平流有利于地面氣旋的發(fā)展，為強對流發(fā)展提供了動力條件。 如圖6c 所示，850 hPa 高度距平場和風(fēng)距平場上， 東北地區(qū)上空為位勢高度負異常區(qū)， 負異常中心位于黑龍江省北部，較氣候態(tài)異常偏強16 dagpm，哈爾濱機場位于低渦西南部，受異常西南低空急流控制，西南低空急流將來自渤海灣的暖濕平流輸送到哈爾濱機場，產(chǎn)生位勢不穩(wěn)定層結(jié)，在急流最大風(fēng)速中心的前方有明顯的水汽、質(zhì)量輻合以及強的上升運動，有利于強對流活動連續(xù)發(fā)展， 急流軸左前方是正切變渦度區(qū)，有利于對流活動發(fā)生。 如圖6d 所示，在海平面氣壓距平場及溫度距平場中， 海平面氣壓距平場中表現(xiàn)為一致的負異常分布特征， 負異常中心位于黑龍江省北部， 溫度距平場中溫度場表現(xiàn)為東高西低的分布特征，哈爾濱機場溫度較氣候態(tài)異常偏高3-6℃， 這有利于地面水汽的蒸騰和上升作用的加劇，從而使對流運動增強。

圖6 4 月10-11 日(a)200 hPa 緯向風(fēng)距平場(等值線，單位:m·s-1)、(b)500 hPa 高度距平場(實等值線，單位：10 gpm)及風(fēng)距平場(矢量，單位:m·s-1)、(c)850hPa 高度距平場(等值線，單位:10 gpm)及風(fēng)距平場(矢量，單位：m·s-1)和(d)海平面氣壓距平場(等值線，單位:hPa)及溫度距平場(陰影，單位:℃)的分布特征(1991-2020 年4 月中旬氣候平均場為氣候態(tài))(黑色三角為哈爾濱太平國際機場所在位置)

綜上所述，高、低空急流的異常增強、低渦異常增強， 以及海平面氣壓的異常降低以及地面溫度的異常升高，這些共同構(gòu)成了本次環(huán)流異常特征，這些均有利于強對流天氣的發(fā)生和發(fā)展。 有研究表明，東北地區(qū)的環(huán)流異常與ENSO 的發(fā)展關(guān)系密切。 由于秋季是ENSO 發(fā)展期，為了更好地探究ENSO 秋季異常與春季大氣環(huán)流的聯(lián)系，將前期（秋季）NINO34 指數(shù)分別與次年春季200 hPa 緯向風(fēng)場、500 hPa 高度場及風(fēng)場、850 hPa 高度場及風(fēng)場和海平面氣壓場及溫度場做相關(guān)分析分布特征（圖7），200 hPa 緯向風(fēng)與NINO34 正相關(guān)，自低緯度地區(qū)向高緯度地區(qū)表現(xiàn)為“正-負-正”的相關(guān)分布特征，在中國東北地區(qū)和日本表現(xiàn)為顯著正相關(guān)， 當(dāng)前期NINO34 指數(shù)偏大（?。r，中國東北地區(qū)和日本緯向風(fēng)大（?。袊S淮地區(qū)緯向風(fēng)?。ù螅?500 hPa 東亞地區(qū)位勢高度場為一致的正相關(guān)，對低緯度的響應(yīng)更為顯著，當(dāng)NINO34 指數(shù)偏大（?。r，東亞地區(qū)位勢高度場偏高（低），貝加爾湖上空表現(xiàn)為氣旋式（反氣旋式）環(huán)流控制，對高緯度的響應(yīng)較差。 850 hPa 在東北亞地區(qū)表現(xiàn)為一致的正相關(guān)， 正值中心位于日本島南部附近，當(dāng)NINO34 指數(shù)偏大（?。r，東北地區(qū)受偏南（北） 控制， 有利于水汽輸送。 海平面氣壓場中NINO34 指數(shù)與海平面氣壓場關(guān)系較差，對溫度場的影響較小，因此，NINO34 指數(shù)與中高層的聯(lián)系顯著，地面對ENSO 的響應(yīng)較差。

圖7 前期（秋季）NINO34 指數(shù)分別與次年春季(a)200 hPa 緯向風(fēng)場、(b)500 hPa 高度場及風(fēng)場、(c)850 hPa 高度場及風(fēng)場和(d)海平面氣壓場(等值線)及溫度場(陰影)的相關(guān)分析分布特征.(黑色三角為哈爾濱太平國際機場所在位置)

6 結(jié)論

（1）本次初雷天氣過程是在高空槽、低空切變線和地面冷鋒共同影響下發(fā)生的，高、低空急流配合較好，動力條件充足，水汽條件和熱力條件雖較盛夏時期弱，但也處于同時期高值，這些有利條件共同導(dǎo)致了本次初雷天氣的發(fā)生。

（2）同時，本次過程是在大氣環(huán)流背景下發(fā)生的，高、低空急流存在異常增強、低渦存在異常增強，以及海平面氣壓存在異常降低、 地面溫度存在異常升高，這些均有利于強對流天氣的發(fā)生，這也是本次初雷天氣發(fā)生時間偏早的原因。

（3）東北地區(qū)的環(huán)流異常與ENSO 的發(fā)展關(guān)系密切，NINO34 指數(shù)與中高層的聯(lián)系顯著， 地面對ENSO 的響應(yīng)較差。