一次短時(shí)強(qiáng)對流天氣試飛氣象保障分析

張 華，倪洪波，閆文輝，張?jiān)虑?，趙 婕

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安710089）

1 引言

強(qiáng)對流天氣具有突發(fā)性、 局地性及高強(qiáng)度等特點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)很可能達(dá)到暴雨量級，同時(shí)還會伴隨冰雹、短時(shí)大風(fēng)等災(zāi)害，因此一直是航空氣象保障中的重點(diǎn)[1-2]。 由于此類天氣的影響系統(tǒng)強(qiáng)迫較弱，難以根據(jù)大尺度動(dòng)力條件來進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警[3-4]。 陜西地處高原東北側(cè)，突發(fā)性強(qiáng)對流來勢兇猛，生消演變較快，還經(jīng)常伴隨嚴(yán)重的局地雷暴、 大風(fēng)、 暴雨等氣象災(zāi)害，預(yù)報(bào)預(yù)警難度較大，對閻良機(jī)場（以下簡稱本場）的科研試飛效率、質(zhì)量、進(jìn)度產(chǎn)生影響，甚至威脅試飛安全，是試飛氣象保障中極具挑戰(zhàn)性的問題[5-7]。

2014 年9 月2 日， 本場發(fā)生了一次突發(fā)性短時(shí)局地強(qiáng)對流天氣過程，南部沒有急流存在，也沒有明顯的水汽和能量輸送，未能識別出明顯的影響系統(tǒng)，導(dǎo)致飛行準(zhǔn)備階段的天氣預(yù)報(bào)失敗， 飛行實(shí)施階段多架參試飛機(jī)只能在復(fù)雜氣象條件下冒險(xiǎn)降落，或在空中盤旋等待天氣好轉(zhuǎn)后延遲返場降落。 因此，科學(xué)認(rèn)識此類天氣發(fā)生發(fā)展規(guī)律， 準(zhǔn)確預(yù)報(bào)此類天氣的落區(qū)、強(qiáng)度和起止時(shí)間，對于提升試飛氣象預(yù)警保障綜合效能具有重要意義。

本文綜合利用自動(dòng)氣象站資料、FY-2D 衛(wèi)星云圖、多普勒雷達(dá)資料及NCEP 再分析資料，通過飛行準(zhǔn)備階段的天氣預(yù)報(bào)、 飛行實(shí)施階段的氣象保障到飛行總結(jié)階段的物理量診斷分析和研究， 探討本場此次突發(fā)性天氣過程的前期征兆及形成的可能機(jī)理， 從而為此類天氣條件下的試飛氣象保障預(yù)警提供有益的借鑒。

2 天氣過程特點(diǎn)及對試飛的影響

2014 年9 月2 日中午， 陜西關(guān)中地區(qū)發(fā)生了一次突發(fā)性短時(shí)強(qiáng)對流天氣過程。 陜西省99 個(gè)自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料和臨近本場的5 個(gè)測站航危報(bào)資料表明， 此次突發(fā)性短時(shí)強(qiáng)對流天氣過程降水較為集中，落區(qū)近似圓形，東西向及南北向水平尺度均小于100 km，過程最大降水量為8.7 mm，降水中心位于閻良機(jī)場。

分析本場的降水時(shí)段觀測資料，可以發(fā)現(xiàn)，此次過程降水主要出現(xiàn)在13:05-14:10（北京時(shí)，下同），歷時(shí)僅1 h 06 min。 其中，13:05-13:19 為微量降水，雖然雨量計(jì)觀測到降水量為0.0 mm， 但人工目測地面仍有濕斑；13:20-14 時(shí)為主要降水時(shí)段，其中13:51-14 時(shí)10 min 累積降水量達(dá)3.9 mm；14:01-14:09 為微量降水，14:10 觀測員報(bào)告降水停止。

在試飛氣象保障中，除了降水會造成影響，短時(shí)強(qiáng)對流天氣過程所帶來的大風(fēng)雷暴也會造成嚴(yán)重危害。 本次天氣過程中， 本場的大風(fēng)現(xiàn)象持續(xù)了26 min，期間平均風(fēng)速達(dá)15 m/s、瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)18 m/s。 伴隨而來的是， 本場的有效能見度突然轉(zhuǎn)差，在30 min 內(nèi)由6000 m 降低至3200 m，同時(shí)出現(xiàn)了持續(xù)34 min 的中等強(qiáng)度雷暴現(xiàn)象。

3 天氣分析

2014 年9 月2 日10 時(shí)500 hPa 高空圖上， 歐亞中高緯度地區(qū)為兩槽一脊型， 西風(fēng)槽位于巴湖以北地區(qū)， 新疆北部至蒙古中西部受高脊控制， 東亞槽從我國東北地區(qū)西部一直延伸至平?jīng)鎏m州一帶，槽后配合有冷平流， 副熱帶高壓588 等高線西脊點(diǎn)位于貴州西部， 副高后部偏南暖濕氣流和東亞槽后西北氣流在關(guān)中地區(qū)輻合交匯 （圖1a）。 700 hPa 高空圖上， 我國東北地區(qū)西部過河套地區(qū)至銀川一帶受東亞槽影響， 并配合有冷平流， 河西走廊、 甘南一帶受反氣旋控制， 河套地區(qū)至河西走廊中東部受反氣旋前部東北風(fēng)控制。 反氣旋前部的偏北氣流和副高頂部的偏西氣流在黃淮地區(qū)形成一條近乎東西向的切變線， 本場位于切變北側(cè)偏北氣流中 （圖1b）。

圖1 2014 年9 月2 日08 時(shí)（a）500 hPa（b）700 hPa 高空圖

850 hPa 圖上， 我國華北地區(qū)南部受氣旋控制，西北地區(qū)東部受反氣旋控制，副高位于華南地區(qū)，反氣旋與副高之間的切變位于濟(jì)南-鄭州-重慶一帶（圖2a）。 9 月2 日08 時(shí)地面圖上，與高空槽及切變線對應(yīng)的降水區(qū)分別位于華北地區(qū)和黃淮地區(qū)，青藏高原東北側(cè)區(qū)域均為晴空區(qū)。 分析氣壓場和風(fēng)場的配置發(fā)現(xiàn)， 陜北到平?jīng)鲆粠в?-10 m/s 的偏北風(fēng)影響，關(guān)中地區(qū)為0-2 m/s 的偏西風(fēng)，在關(guān)中地區(qū)有風(fēng)向風(fēng)速的輻合， 平?jīng)龅貐^(qū)與太原地區(qū)24 h 變壓差達(dá)到10 hPa，本場附近氣壓梯度較大，冷暖分布不均勻，有利于局地強(qiáng)對流的發(fā)生(圖2b)。

圖2 2014 年9 月2 日08 時(shí)(a)850 hPa 高空圖(b)地面天氣圖

4 飛行實(shí)施階段天氣監(jiān)測及保障

4.1 衛(wèi)星云圖分析

在飛行實(shí)施階段，通過分析FY-2D 衛(wèi)星紅外云圖進(jìn)行宏觀天氣監(jiān)測。12 時(shí)30 分的云圖上，隴東、寧夏、陜西受大范圍中、高云影響，關(guān)中地區(qū)和陜北南部云層的紋理較均勻。13:30，陜西秦嶺以北上空的云層，有絮狀特征，但無對流云團(tuán)結(jié)構(gòu)。 14 時(shí)30 分，關(guān)中地區(qū)上空云層更加稀薄，甚至顯露出地形輪廓。 在12 時(shí)50 分本場觀測到積雨云之前，未接到空中參與飛行試驗(yàn)的飛機(jī)和咸陽機(jī)場民航起降航班關(guān)于對流天氣發(fā)生發(fā)展的報(bào)告。

4.2 雷達(dá)監(jiān)測分析

9 月2 日12:28 西安涇陽站多普勒天氣雷達(dá)回波顯示，在耀縣與富平交界處，距本場25 km 的西北方向出現(xiàn)小范圍塊狀回波，其中心強(qiáng)度約為40 dBz，12 時(shí)40 分多普勒雷達(dá)顯示， 該塊狀回波向本場移動(dòng)，范圍明顯增大，中心強(qiáng)度迅速增大到55-60 dBz。12 時(shí)54 分本場北部有積雨云發(fā)展，系不穩(wěn)定云團(tuán)前沿的積雨云和頂部云砧部分， 積雨云的單獨(dú)分云量為2 成。 13 時(shí)02 分本場觀測到零星陣性降水，與前期回波位置相比，本場北部塊狀回波明顯南壓東移，主體強(qiáng)度大于65 dBz。 13 時(shí)20 分本場出現(xiàn)雷暴，13時(shí)50 分本場出現(xiàn)大風(fēng)危險(xiǎn)天氣， 雷聲明顯減小，但降水強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢。 13:54 本場雷暴停止，最大雨強(qiáng)達(dá)到0.8 mm/min。14 時(shí)本場西南風(fēng)達(dá)到18 m/s，本場已經(jīng)不具備飛機(jī)降落條件。

14 時(shí)10 分本場降水停止，本場僅有4 成淡積云和濃積云，能見度大于10 km，平均風(fēng)速為3-5 m/s，雷達(dá)回波顯示，對流云團(tuán)主體已經(jīng)移至本場東部，其前沿明顯分裂減弱，后部柱狀云體范圍明顯減小，中心強(qiáng)度減弱至55 dBz，飛機(jī)隨后安全降落。

5 天氣診斷

通過物理量診斷和分析， 探討此次突發(fā)性局地強(qiáng)對流天氣過程的可能機(jī)制， 以期提升此類天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力和試飛氣象保障效能。

5.1 渦度分析

渦度是強(qiáng)對流系統(tǒng)中一個(gè)重要的物理量， 它表述風(fēng)暴單體中空氣質(zhì)塊的旋轉(zhuǎn)作用， 其分析可用于中小尺度強(qiáng)對流天氣，中小尺度強(qiáng)對流天氣的生成、發(fā)展和消亡均可用垂直渦度來診斷其變化。

9 月2 日08 時(shí)突發(fā)性局地強(qiáng)對流天氣過程發(fā)生之前，500 hPa 正渦度中心分裂成兩部分， 其中一部分位于陜西東北部到山西一帶， 另一部分位于我國東北地區(qū)西部地區(qū)，中心強(qiáng)度均大于6×10-5s-1。 陜西境內(nèi)渦度強(qiáng)度從陜北到陜南逐漸遞減， 本場位于正渦度控制區(qū)。700 hPa 正渦度中心位于黃淮流域到我國東北地區(qū)西部， 本場位于弱的正渦度控制區(qū)，850 hPa 和700 hPa 類似，但渦度強(qiáng)度更小。 正渦度范圍和天氣系統(tǒng)位置基本一致， 并且本場附近渦度大小從高層到低層逐層遞減。

11 時(shí)的計(jì)算結(jié)果表明， 正渦度中心區(qū)域整體隨著天氣系統(tǒng)東移南壓。并且600 hPa 和700 hPa 正渦度有所發(fā)展加強(qiáng)，400 hPa 以上有負(fù)渦度。14 時(shí)之后，陜西中部500 hPa 以下各層渦度均顯著降低，其中除600 hPa 渦度為1×10-5s-1之外，其它各層渦度均變?yōu)樨?fù)值區(qū)。

本場周圍渦度場的這種分布特征不利于中低層氣旋性環(huán)流的生成和發(fā)展， 及對流天氣的產(chǎn)生和維持，給當(dāng)天本場試飛氣象預(yù)報(bào)帶來挑戰(zhàn)。

5.2 散度分析

散度的診斷有利于分析高低空的輻合輻散情況。9 月2 日08 時(shí)關(guān)中上空500 hPa 和850 hPa 均為較弱的負(fù)散度區(qū)， 最強(qiáng)的輻合中心量值為-2.4×10-5s-1。700 hPa 配合有正散度區(qū)， 最強(qiáng)的輻散中心量值達(dá)2.4×10-5s-1。11 時(shí)前后上述正、負(fù)散度區(qū)中心均明顯南壓， 最大中心量值也隨之減小， 低層尤其是700 hPa的正散度大值中心控制本場，表明對流發(fā)展的高度有限，輻散區(qū)的高度并沒有延伸到很高的高空，意味著此次突發(fā)性天氣過程主要集中在低層發(fā)生發(fā)展。

5.3 垂直運(yùn)動(dòng)分析

分析各高度層垂直速度發(fā)現(xiàn)，11 時(shí)關(guān)中地區(qū)500 hPa 存在弱下沉運(yùn)動(dòng)，14 時(shí)， 關(guān)中北部的下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)加強(qiáng)。11-14 時(shí)關(guān)中地區(qū)700 hPa 弱上升運(yùn)動(dòng)有所減弱，這是強(qiáng)對流天氣發(fā)生后，局地能量消減的反映。 在850 hPa 高度，11 時(shí)和14 時(shí)關(guān)中地區(qū)則為弱上升運(yùn)動(dòng)。 在三個(gè)高度層上，無論是上升運(yùn)動(dòng)，還是下沉運(yùn)動(dòng)，均較08 時(shí)有明顯加強(qiáng)。 這一特征可以作為短臨天氣預(yù)警的參考。 另外，據(jù)垂直速度所分析的垂直運(yùn)動(dòng)狀況，與渦度場的匹配并不完全相同，這或是因?yàn)榇舜瓮话l(fā)性天氣過程尺度小、 歷時(shí)短、 強(qiáng)度小，故上升運(yùn)動(dòng)和下沉運(yùn)動(dòng)層高和強(qiáng)度也相對較小。

5.4 K 指數(shù)分析

關(guān)中地區(qū)診斷雷暴天氣經(jīng)常會用到氣團(tuán)指標(biāo)K指數(shù)。在使用K 指數(shù)診斷不穩(wěn)定天氣時(shí)，通常配合沙氏指數(shù)（SI）進(jìn)行判定，準(zhǔn)確率更高。經(jīng)驗(yàn)證明，關(guān)中地區(qū)在K 指數(shù)≥30 ℃、SI 指數(shù)＜0 ℃時(shí)， 發(fā)生雷暴天氣的概率≥40 %。 隨著K 指數(shù)的增加和SI 指數(shù)的減小，雷暴天氣發(fā)生的機(jī)率會迅速增加。

9 月2 日08 時(shí)西安涇陽站溫度對數(shù)壓力 （TlnP）圖顯示，氣團(tuán)指標(biāo)（K）為29.5 ℃，沙氏指數(shù)（SI）為-1 ℃。08 時(shí)T639 數(shù)值模式氣團(tuán)指標(biāo)（K）強(qiáng)中心區(qū)域處于山西到河北一帶， 關(guān)中地區(qū)氣團(tuán)指標(biāo) （K）為30-35 ℃。 11 時(shí)前后，關(guān)中地區(qū)氣團(tuán)指標(biāo)（K）增大到＞35 ℃。 K 指數(shù)突然劇增，可以作為短臨天氣預(yù)警的參考指標(biāo)。

5.5 可能機(jī)制

500 hPa 以下各高度層天氣資料的加密分析表明， 此次突發(fā)性強(qiáng)對流天氣過程降水落區(qū)上游1～2個(gè)經(jīng)度處，中低層普遍有中尺度輻合線，逐層配置呈現(xiàn)疊置或交叉狀態(tài)，說明中尺度系統(tǒng)比較深厚。 由上述物理量分析可見，各物理量的中心區(qū)域并不重合，具有明顯的斜壓特征， 為此次突發(fā)性強(qiáng)對流天氣過程的觸發(fā)提供了有利的動(dòng)力環(huán)境條件。 溫度場落后于高度場，高空槽前正渦度平流，使得槽前移，在地轉(zhuǎn)偏向力作用下輻散，產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，有利于地面輻合減壓。 由于溫度場落后于高度場，來自于西北地區(qū)的大量干冷空氣吹向東南地區(qū)的暖濕區(qū)域， 引發(fā)強(qiáng)烈的對流不穩(wěn)定， 是導(dǎo)致此次突發(fā)性天氣過程的關(guān)鍵成因。

6 總結(jié)與討論

（1）此次突發(fā)性天氣過程尺度小，歷時(shí)短，突發(fā)性強(qiáng)，氣象要素復(fù)雜多變，對試飛進(jìn)度、質(zhì)量和安全影響大，是試飛氣象保障的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

（2）常規(guī)的天氣學(xué)分析僅考慮大陸高壓和西太平洋副熱帶高壓之間的切變線， 無法有效捕捉突發(fā)性天氣過程的征兆， 導(dǎo)致飛行準(zhǔn)備階段天氣預(yù)報(bào)出現(xiàn)重大失誤。

（3）衛(wèi)星監(jiān)測和航危報(bào)資料對此次突發(fā)性天氣過程的預(yù)警能力有限。 而多普勒天氣雷達(dá)可以提供高時(shí)間密度監(jiān)測產(chǎn)品， 具有常規(guī)天氣監(jiān)測手段無法替代的作用，對于試飛氣象保障具有重要意義。

（4）天氣診斷和分析表明，大陸高壓和西太平洋副熱帶高壓之間的東北西南向切變線是造成此次突發(fā)性天氣過程的主要影響系統(tǒng)， 高空反氣旋渦度的發(fā)展是此次突發(fā)性天氣過程形成的動(dòng)力機(jī)制。