廣漢機(jī)場(chǎng)一次非典型局地強(qiáng)對(duì)流天氣過程的診斷分析

干全

【摘 要】利用常規(guī)觀測(cè)資料和NCEP FNL 1° X1°再分析資料，對(duì)2012年7月26日至28日廣漢機(jī)場(chǎng)一次典型的局地強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明：此次局地強(qiáng)對(duì)流天氣是在兩槽一脊的形勢(shì)下發(fā)生的，對(duì)流層中高層受高值系統(tǒng)控制而輻散，低層偏南風(fēng)向盆地輸送高溫高濕氣流，且暖平流明顯。對(duì)稱不穩(wěn)定是局地強(qiáng)對(duì)流形成的重要條件。濕位渦正壓項(xiàng)MPV1反映了對(duì)稱不穩(wěn)定與對(duì)流不穩(wěn)定共同作用的結(jié)果，斜壓項(xiàng)MPV2反映了低空急流維持和發(fā)展在強(qiáng)對(duì)流天氣形成中起到了重要作用。

【關(guān)鍵詞】條件性對(duì)流不穩(wěn)定；濕位渦；雷暴

Diagnostic study on a non-typical thunderstorm in Guanghan airport

GAN Quan

（Civil Aviation Flight University of China， Ghuanghan Sichuan 618307， China）

【Abstract】Using conventional observation and NCEP FNL 1° X1° data， a typical local strong convective weather process was analyzed in the days from July 26， 2012 to 28. The results show： under the condition of high pressure system， There is a local high temperature and high humidity caused by instability. Symmetric instability is an important condition for the formation of local strong convection. Wet potential vorticity barotropic term MPV1 reflects the results of symmetric instability and convective instability of joint action， and the baroclinic term MPV2 reflects the low-level jet maintenance and development plays an important role in the formation of strong convective weather.

【Key words】Conditional symmetric instability； MPV； Thunderstorm

0 引言

強(qiáng)對(duì)流天氣雖然是中小尺度天氣系統(tǒng)的產(chǎn)物，但往往離不開有利的大尺度環(huán)流形勢(shì)，這類強(qiáng)對(duì)流過程只要掌握好大尺度環(huán)流形勢(shì)，結(jié)合天氣云圖和雷達(dá)等工具，一般能提前準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出，而穩(wěn)定天氣形勢(shì)下形成的局地性強(qiáng)對(duì)流，具有時(shí)空尺度小，系統(tǒng)性影響不顯著，突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，這使得這類強(qiáng)對(duì)流過程的預(yù)報(bào)難度大。由于強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)航空飛行安全影響較大，常造成航班延誤、取消甚至返航等，而廣漢機(jī)場(chǎng)屬于訓(xùn)練機(jī)場(chǎng)，強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生的大風(fēng)、閃電等惡劣天氣現(xiàn)象對(duì)訓(xùn)練飛機(jī)以及學(xué)生的安全影響更大，所以強(qiáng)對(duì)流天氣的研究對(duì)于保障飛行訓(xùn)練安全等有著十分重要的意義。

近年來，利用各種誘發(fā)因子對(duì)局地性強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行的研究已經(jīng)取得諸多成果[1-4]。對(duì)稱不穩(wěn)定，是指在對(duì)流穩(wěn)定、水平運(yùn)動(dòng)慣性穩(wěn)定時(shí)，空氣作傾斜上升運(yùn)動(dòng)時(shí)的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。廣漢機(jī)場(chǎng)（104.22°E，30.93°N）位于川西平原中心偏北。北接秦嶺山脈，西鄰青藏高原，南面為云貴高原，川內(nèi)也四周環(huán)山。機(jī)場(chǎng)東北面有沱江，西南面有岷江，兩江之間河流縱橫。復(fù)雜的地形環(huán)境及水汽分布為局地性天氣的產(chǎn)生提供了有利的下墊面，盆地盛夏多出現(xiàn)熱雷暴，而統(tǒng)計(jì)顯示廣漢機(jī)場(chǎng)1999年至2014年7-8月有很多局地?zé)崂妆┑陌l(fā)生有著共同特點(diǎn)，那就是其發(fā)生與發(fā)展都與對(duì)稱不穩(wěn)定的存在具有一定的必然聯(lián)系。本文選取2012年7月26日至28日廣漢機(jī)場(chǎng)一次典型的局地強(qiáng)對(duì)流天氣過程，利用廣漢機(jī)場(chǎng)歷史觀測(cè)資料和NCEP FNL 1° X1°再分析資料對(duì)這類天氣進(jìn)行天氣診斷分析，以對(duì)局地強(qiáng)對(duì)流天氣的研究提供一定的參考。

1 天氣過程與形勢(shì)分析

2012年7月26日至28日在廣漢地區(qū)連續(xù)3天出現(xiàn)了短時(shí)局地雷暴天氣過，據(jù)廣漢機(jī)場(chǎng)氣象觀測(cè)顯示，雷暴過程中出現(xiàn)了28mm/h以上的強(qiáng)降水，以及瞬時(shí)風(fēng)最大達(dá)到16m/s以上的大風(fēng)。

圖1 2012年7月26-28日平均的500hPa和850hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）以及風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位：m/s）

從大尺度環(huán)流形勢(shì)來看（圖1），此次雷暴過程是發(fā)生在，500hPa中高緯兩槽一脊的環(huán)流背景下，兩槽分別位于巴爾克什湖和貝加爾湖，兩湖之間為高脊控制。在副熱帶地區(qū)，西太平洋副熱帶高壓脊線位于34°N，5880線西伸至110°E一帶，盆地位于副高西側(cè)邊緣，受西南風(fēng)控制，環(huán)流呈輻散形勢(shì)。在對(duì)流層低層850hPa，從南海到四川盆地為一致的偏南氣流，這有利于高溫高濕氣流的輸送，并且盆地受東南風(fēng)控制，從低層到中層風(fēng)場(chǎng)呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表明有暖平流，這進(jìn)一步有利于盆地對(duì)流不穩(wěn)定的發(fā)展。而26日前兩日的連續(xù)晴好天氣，造成了盆地內(nèi)高溫高濕環(huán)境特征，此次雷暴過程是一次典型的“高值雷暴”天氣過程。

2 大氣層結(jié)特征

2.1 對(duì)流參數(shù)分析

由于對(duì)流參數(shù)可以較好地反映強(qiáng)對(duì)流天氣過程中大氣低層的溫濕狀況和不穩(wěn)定度，因此參數(shù)估計(jì)成為了強(qiáng)對(duì)流潛勢(shì)預(yù)報(bào)中的重要依據(jù)。表1給出了26日08時(shí)廣漢機(jī)場(chǎng)（104°E，31°N）的常用對(duì)流不穩(wěn)定指數(shù)值。從表中可見，SI、K、A、TT均明顯反映了層結(jié)的不穩(wěn)定性，但CAPE、CIN、LI值卻為0，反映大氣層結(jié)是穩(wěn)定的。這種層結(jié)構(gòu)特征很容易使預(yù)報(bào)員產(chǎn)生疏忽，在局地性強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)工作中出現(xiàn)漏報(bào)。

表1 2012年7月26日08時(shí)廣漢機(jī)場(chǎng)的對(duì)流參數(shù)

2.2 假相當(dāng)位溫和M-θ分布

圖2 2012年7月26日等M面（a）和等θse面沿114°E經(jīng)向剖面圖（b）（虛線表示M線，實(shí)線表示θse線）

由圖2a可見，在102°E以西為假相當(dāng)位溫的高值區(qū)，表明該區(qū)域儲(chǔ)存有很高的能量，這就是青藏高原熱源區(qū)，而在104°E附近800hPa以下假相當(dāng)位溫等值線呈垂直狀且分布非常密集，表明該地區(qū)存在能量鋒區(qū)。由于800hPa以上對(duì)流較為穩(wěn)定，成都站T-lnP圖中（圖略），狀態(tài)曲線始終不與層結(jié)曲線相交，能量參數(shù)對(duì)流有效位能CAPE、對(duì)流抑制能量CIN和抬升指數(shù)LI的值為零。這種層結(jié)結(jié)構(gòu)反映了盛夏季節(jié)廣漢機(jī)場(chǎng)在高值系統(tǒng)控制下，下墊面強(qiáng)烈的溫濕度分布不均勻的特性。在高值天氣系統(tǒng)下低層的高能氣團(tuán)是否受到擾動(dòng)而被抬升則是局地強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖2b給出了7月26日08時(shí)沿104°E絕對(duì)動(dòng)量面M（M=ug-fy）和等位溫面？墜？茲se的剖面圖。在31°N南北兩側(cè)分別存在一個(gè)？茲se的高值中心，31°N附近在750hPa以下？茲se線陡立，說明層結(jié)是弱穩(wěn)定或者中性的（？墜？茲se/？墜p≈0），并且700hPa以下等M面斜率明顯小于等？茲se面斜率，由此可判斷對(duì)稱不穩(wěn)定的存在。

3 濕位渦（MPV）分析

3.1 MPV1的時(shí)空分布及演變

濕位渦不僅僅代表了大氣熱力和動(dòng)力屬性，還考慮了水汽作用[7]，其由正壓項(xiàng)MPV1和斜壓項(xiàng)MPV2兩項(xiàng)組成，正壓項(xiàng)MPV1代表慣性穩(wěn)定性和對(duì)流穩(wěn)定性的作用，當(dāng)大氣為不穩(wěn)定時(shí)，？墜？茲e/？墜p>0，MPV1<0。

從這次過程中02至20時(shí)各時(shí)次的MPV1剖面圖（圖3a-d）可以看出，雷暴發(fā)生前（圖3b）08時(shí)，廣漢機(jī)場(chǎng)（104°E，31°N）850hPa至600hPa附近為MPV1正值，而其它層次MPV1均小于0，這種分布形勢(shì)表明本場(chǎng)地區(qū)處于弱的對(duì)流穩(wěn)定，而在上游一帶有對(duì)流不穩(wěn)定在發(fā)展。

14時(shí)，MPV1中-0.4PVU已向上伸展至600hPa，對(duì)流層低層的MPV1由-0.8顯著增長(zhǎng)至-1.2PVU。機(jī)場(chǎng)上游750hPa以上為垂直對(duì)流區(qū)，機(jī)場(chǎng)750hPa以下則出現(xiàn)了一強(qiáng)度小于-0.4pvu的傾斜對(duì)流區(qū)，該區(qū)明顯向冷區(qū)傾斜。通過前面分析可以認(rèn)為，此處應(yīng)是條件對(duì)稱不穩(wěn)定作用的結(jié)果。在對(duì)流不穩(wěn)定和對(duì)稱不穩(wěn)定的共同作用下，促使了這次局地強(qiáng)雷暴發(fā)生，雷暴落區(qū)在MPV1正負(fù)梯度密集帶的正值一側(cè)。

20時(shí)到02時(shí)，垂直對(duì)流區(qū)和傾斜對(duì)流區(qū)MPV1逐漸減弱，強(qiáng)對(duì)流過程結(jié)束。由于本次雷暴過程發(fā)生在高值區(qū)內(nèi)，并沒有出現(xiàn)較明顯的系統(tǒng)性動(dòng)力因子，因此過程僅僅持續(xù)了不到兩小時(shí)，可預(yù)報(bào)性較差。在14時(shí)到20時(shí)雷暴過程結(jié)束之后，MPV1負(fù)值強(qiáng)度仍然維持，表明雷暴過程僅發(fā)生在對(duì)流不穩(wěn)定增長(zhǎng)的過程中。20時(shí)本場(chǎng)天氣出現(xiàn)多云的高值系統(tǒng)天氣特征，上游700hPa以下任然維持較強(qiáng)的不穩(wěn)定，表明了條件性對(duì)稱不穩(wěn)定在本次強(qiáng)對(duì)流過程發(fā)展中的重要性。

此次雷暴過程中還存在著弱的干冷空氣從高空向下入侵的特征，對(duì)流層中高層的正值MPV1區(qū)對(duì)應(yīng)低層負(fù)值MPV1區(qū)，以往的研究表明，這種“垂直疊加”形勢(shì)十分有利于低層的對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放以及發(fā)展。

圖3 7月26日02時(shí)—20時(shí)每6小時(shí)MPV1（a-d）沿114°E經(jīng)向剖面圖（單位：PVU）

3.2 MPV2的時(shí)空分布及演變

斜壓項(xiàng)MPV2表示風(fēng)的垂直切變和相當(dāng)位溫水平梯度的貢獻(xiàn)，MPV2負(fù)值越強(qiáng)，大氣斜壓性越強(qiáng)。從圖4中MPV2的剖面圖可以看出26日08時(shí)MPV2剖面圖，在650hPa以下MPV2存在一中心強(qiáng)度大于0.12pvu的正值區(qū)，表明此處大氣斜壓性較為穩(wěn)定。由于在近地轉(zhuǎn)條件下，濕位渦的水平分量必為負(fù)值[8]，而在這里卻出現(xiàn)了正值，說明此處并不滿足地轉(zhuǎn)平衡，大氣是不穩(wěn)定的。由前面對(duì)稱不穩(wěn)定分析可知，此處大氣對(duì)流穩(wěn)定并且慣性穩(wěn)定，因此此處的不穩(wěn)定可能為對(duì)稱不穩(wěn)定。MPV2的正值中心表明了700hPa高度低空急流的作用，即風(fēng)的垂直切變和低層暖濕氣流的輸送，這與圖1顯示的廣漢機(jī)場(chǎng)東北部為明顯的偏南風(fēng)急流，中心風(fēng)速達(dá)到16m/s相一致。14時(shí)，MPV2在800hPa以下出現(xiàn)了由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值的區(qū)域，表明大氣的斜壓性明顯增強(qiáng)。大氣的濕斜壓性的增強(qiáng)，導(dǎo)致垂直渦度的顯著性發(fā)展，使局地對(duì)流得到加強(qiáng)并出現(xiàn)雷暴。

20時(shí)以后，MPV2負(fù)值中心向下游移動(dòng)，800hPa以下MPV2發(fā)展為正值，大氣的斜壓性開始減弱。到27日02時(shí)，本場(chǎng)上空MPV2在800hPa形成一大于0.2pvu的正值中心，低空急流重新建立。這種低空急流的破壞與重建過程在26日、27日、28日重復(fù)出現(xiàn)，導(dǎo)致本場(chǎng)連續(xù)出現(xiàn)3天局地性雷暴天氣過程，直到28日20時(shí)后，700hPa低空急流消失，本場(chǎng)上空正值MPV2中心消散，天氣過程才結(jié)束。由此可見，低空急流在本次天氣過程中起到了重要的作用。

圖4 7月26日02時(shí)—20時(shí)每6小時(shí)MPV2（a-d）沿114°E經(jīng)向剖面圖（單位：PVU）

4 結(jié)論

對(duì)2012年7月26日-28日高值系統(tǒng)控制下廣漢機(jī)場(chǎng)連續(xù)雷暴的天氣形勢(shì)及對(duì)流不穩(wěn)定參數(shù)等進(jìn)行了診斷分析，結(jié)論如下：

（1）通過M-θ分析了這次局地強(qiáng)對(duì)流過程中，在高壓系統(tǒng)條件下，大氣水平方向慣性穩(wěn)定，垂直方向上對(duì)流穩(wěn)定，但仍然存在對(duì)稱不穩(wěn)定。

（2）濕位渦分析中，MPV1顯示對(duì)稱不穩(wěn)定形成的傾斜上升運(yùn)動(dòng)將低層的高溫高濕大氣帶到中高層，與上游的對(duì)流不穩(wěn)定共同作用，加劇了對(duì)流不穩(wěn)定的發(fā)展。在強(qiáng)對(duì)流天氣結(jié)束期間對(duì)流不穩(wěn)定仍維持較高數(shù)值，顯示了對(duì)稱不穩(wěn)定在強(qiáng)對(duì)流天氣形成中起到了重要作用。MPV2正值反映了低空急流的活動(dòng)，中低層MPV2由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，加強(qiáng)了大氣的斜壓性，有利于對(duì)流不穩(wěn)定發(fā)展。低空急流的減弱與重建導(dǎo)致了26日至28日連續(xù)性局地強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。

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