白云機(jī)場終端區(qū)一次熱力對流診斷分析

陳春元

（中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局，廣東廣州 510405）

7月份正值華南后汛期。關(guān)于華南后汛期降水的相關(guān)研究中，呂梅等［1］、史學(xué)麗等［2］指出7月中旬以后副高脊線穩(wěn)定在33°N—35°N之間，華南主要受副高南側(cè)偏東風(fēng)里的熱帶天氣系統(tǒng)及印度西南季風(fēng)影響；黃忠等［3］、吳尚森等［4］指出季風(fēng)槽是華南后汛期除了熱帶氣旋之外的主要降水系統(tǒng)；梁巧倩［5］指出后汛期季風(fēng)強(qiáng)降水的對流高度更低，對流活動具有正壓的熱帶對流性質(zhì)，可在弱的水汽通量輻合和垂直風(fēng)切變環(huán)境中維持。影響華南后汛期降水的系統(tǒng)中［6－10］，局地?zé)崃α饕彩侵匾挠绊懸蜃?。熱力對流突發(fā)性強(qiáng)，局地生消，很難提前預(yù)判對流發(fā)生的時間和位置，且回波幾乎原地不動，若落點(diǎn)位于本場及重要導(dǎo)航點(diǎn)，將長時間影響航班起降及進(jìn)出港，引發(fā)大面積航班延誤，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。關(guān)于熱力對流的預(yù)報至今仍是難點(diǎn)。

本研究利用白云機(jī)場氣象觀測資料和ERAinterim再分析資料（空間分辨率為0.5°×0.5°），從熱力和動力角度對白云機(jī)場后汛期的一次午后熱力對流天氣進(jìn)行診斷分析，加深對局地?zé)崃α魈鞖獾恼J(rèn)識，希望為相似形勢下的預(yù)報和服務(wù)提供有益的參考。

1 天氣過程概述

2019年7月22日廣州白云機(jī)場終端區(qū)出現(xiàn)了一次午后熱對流天氣過程（圖1）。

圖1 2019年7月22日10：30（a）、13：00（b）、15：00（c）、23：00（d）廣州白云機(jī)場終端區(qū)雷達(dá)組合反射率拼圖（單位：dBz）

7月22日10：30（北京時，下同）開始，白云機(jī)場終端區(qū)開始有對流生成，此時較強(qiáng)對流位于終端區(qū)外廣東東部地區(qū)；12：00以后機(jī)場終端區(qū)內(nèi)有對流不斷向西擴(kuò)展并逐漸發(fā)展加強(qiáng)，13：00對流覆蓋本場上空，本場聞雷，此時整個終端區(qū)南部開始出現(xiàn)大范圍的孤立對流云團(tuán)。13：10—15：00本場受到中到強(qiáng)雷雨天氣影響，短時能見度下降至600 m，回波移速緩慢，以小于10 km／h的速度向東北方向移動。本場長時間的雷雨天氣嚴(yán)重影響航班起降，終端區(qū)范圍的對流云團(tuán)覆蓋率和強(qiáng)度均增大。15：00以后對流云團(tuán)主體移到本場東側(cè)，但終端區(qū)東部和南部仍有成片的強(qiáng)對流天氣影響，回波頂高達(dá)13 km，且回波間隙不足，對飛機(jī)在導(dǎo)航點(diǎn)附近的繞飛造成很大影響，其中終端區(qū)南部的帶狀回波位于跑道延長線上，長時間堵住飛機(jī)進(jìn)近和進(jìn)出港。隨后對流云團(tuán)強(qiáng)度逐漸減弱，但對白云機(jī)場終端區(qū)范圍的影響持續(xù)到23：00。

該次降水回波隨著溫度升高，強(qiáng)度和覆蓋率逐漸增加；回波原地生成，移速非常緩慢，隨著溫度降低逐漸減弱消散，這些特點(diǎn)均符合午后熱力對流的回波特征。

2 環(huán)流背景分析

從7月22日14：00天氣形勢分布（圖2ac）可知，500 hPa副高位置偏北，副高脊線位于32°N附近，華南位于副高南側(cè)，在北部灣和南海東北部分別存在一個氣旋式環(huán)流，即存在兩個中層氣旋，中層氣旋是與夏季風(fēng)天氣直接相關(guān)的一種系統(tǒng)擾動，是華南后汛期典型的天氣系統(tǒng)之一，中層氣旋以下的大氣十分不穩(wěn)定［11－12］，有利于對流的發(fā)展。廣州位于兩個氣旋環(huán)流北側(cè)，盛行東北風(fēng)場。在西南地區(qū)也存在一個氣旋式環(huán)流。該環(huán)流在850 hPa和地面更加明顯，該深厚系統(tǒng)為西南低渦。850 hPa整個華南均受西南風(fēng)場控制，切變線位于長江流域，風(fēng)場較弱沒有低空急流。地面氣壓場東高西低，呈東北－西南走向，整個華南位于低壓槽中，在廣西中南部存在小范圍風(fēng)速輻合。該次過程存在的天氣系統(tǒng)包括中層氣旋、西南低渦和低壓槽，為雷雨天氣的發(fā)生提供了不穩(wěn)定的背景環(huán)境。結(jié)合地面中尺度分析（圖2d）可知在珠江口以北有兩條地面輻合線，輻合線位于終端區(qū)南部，對應(yīng)圖1對流在終端區(qū)南部發(fā)展較強(qiáng)，且沿輻合線方向呈線狀發(fā)展，為對流天氣提供抬升條件，有利于對流的持續(xù)激發(fā)。

圖2 2019年7月22日14：00 500 hPa（a）、850 hPa（b）風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m／s）和位勢高度（等值線，單位：dagpm）；地面風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m／s）和海平面氣壓（等值線，單位：hPa）（c）；08：30地面中尺度分析（d）

3 物理量場診斷分析

3.1 水汽條件

該次過程華南位于西南低渦東南側(cè)的西南風(fēng)場中，帶動水汽不斷向西南方向輸送，水汽主要來源于孟加拉灣，并在北部灣得到補(bǔ)充。廣西東部和廣東西部存在水汽通量大值區(qū)，中心值達(dá)12 g·cm－1·hPa－1·s－1，白云機(jī)場位于水汽輸送通道上，通量值達(dá)8 g·cm－1·hPa－1·s－1。此處水汽通量散度值為－1×10－5g·cm－2·hPa－1·s－1，存在水汽通量輻合，水汽在此處積累匯聚（圖3a）。從相對濕度剖面圖（圖3b）可以看出，白云機(jī)場上空的濕層深厚（圖中黑色圓點(diǎn)表示白云機(jī)場所在位置，下同），250 hPa以下相對濕度達(dá)到80%，其中低層900 hPa以下大值區(qū)達(dá)90%?？梢娫摯芜^程白云機(jī)場處于水汽充足的高濕度環(huán)境中，為強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供有利的水汽條件。

圖3 2019年7月22日14：00 850 hPa水汽通量（填色區(qū)和矢量箭頭，單位：g·cm－1·hPa－1·s－1）和水汽通量散度（等值線，單位：g·cm－2·hPa－1·s－1）（a）以及沿113.5°E相對濕度垂直剖面（單位：%）（b）

3.2 不穩(wěn)定能量

假相當(dāng)位溫可表征大氣的溫濕特征［13］，從其垂直剖面圖（圖4）可以看出，假相當(dāng)位溫高值中心位于靠近地面26°N附近，量值達(dá)380 K，此處為高能區(qū)；低值中心位于800～500 hPa，20°N—22°N之間，為340 K，能力差值達(dá)40 K。白云機(jī)場位于高值中心向低值中心的過渡區(qū)，等值線密集，說明白云機(jī)場上空存在能量梯度大值區(qū)，大氣的濕斜壓性很強(qiáng)，有能量鋒區(qū)相配合。大氣中的高能量有利于對流天氣的發(fā)生，另外，白云機(jī)場上空700 hPa以下，風(fēng)場隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，表明大氣低層有暖平流滲透，有利于能量的補(bǔ)充，增加大氣的對流不穩(wěn)定性。

圖4 2019年7月22日14：00沿113.5°E假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）和水平風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m／s）垂直剖面

從7月22日08：00的清遠(yuǎn)探空資料可知，對流有效位能（CAPE）值達(dá)到1 643 J／kg，可見此時大氣已經(jīng)積累了很高的不穩(wěn)定能量，而對流抑制有效位能（CIN）為0，有利于對流發(fā)展。K指數(shù)和沙氏指數(shù)（SI）分別為40和－2.08℃，可見大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。抬升凝結(jié)高度（LFC）為952.2 hPa，只需要較小的外力抬升作用，就容易觸發(fā)對流發(fā)展。

本場溫度在22日早上08：00為28℃，09：00上升到29℃，09：30溫度達(dá)到30℃。溫度在30℃以上是熱力對流產(chǎn)生的必要條件。之后溫度繼續(xù)上升，11：00溫度上升到32℃。13：00后本場受到降水天氣影響，溫度維持在32℃。持續(xù)高溫對大氣的加熱作用，促使不穩(wěn)定能量進(jìn)一步增大，為午后對流降水提供熱力條件。

3.3 動力條件

3.2節(jié)分析可知，白云機(jī)場上空已經(jīng)積累了較高的不穩(wěn)定能量和層結(jié)不穩(wěn)定度，但強(qiáng)對流天氣的發(fā)生還需要觸發(fā)機(jī)制。分析白云機(jī)場上空渦度平流垂直分布（圖5）可知，500 hPa以下為弱的負(fù)渦度平流，負(fù)值中心位于900 hPa附近，量值為－0.4×10－4s－2，200 hPa附近有正渦度平流中心，量值為1.2×10－4s－2。

圖5 2019年7月22日14：00沿113.5°E垂直剖面渦度平流（單位：×104 s－2）

這種低層負(fù)值、高層正值的渦度平流配置，有利于觸發(fā)次級環(huán)流發(fā)展［14］，使動力作用加強(qiáng)。

從散度場垂直分布可以看出，白云機(jī)場上空500 hPa以下散度為負(fù)值區(qū)，500 hPa以上為正值區(qū)，正值中心達(dá)1.5×10－5s－1?？梢娚⒍葓鰹榈蛯虞椇?、高層輻散的配置，有利于Ekman抽吸作用，為強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供了有利的動力條件。

3.4 風(fēng)廓線雷達(dá)

本場風(fēng)廓線雷達(dá)所在位置在圖1a中黑色方框中標(biāo)出。風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場顯示10：00開始白云機(jī)場低層主要盛行東南風(fēng)，隨著高度增加風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，1 000 m高度以上風(fēng)向又逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，2 000 m以上逐漸轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，甚至西北風(fēng)（圖6）。風(fēng)向隨高度明顯順轉(zhuǎn)，該日低層雷暴發(fā)生前后均有暖平流不斷滲透。在雷暴發(fā)生前11：00—13：00和雷暴影響中15：00—17：00，中層大氣3 000～4 000 m盛行東北風(fēng)，且風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，有干冷平流滲透，增加大氣層結(jié)不穩(wěn)定度。在13：30—14：00期間，機(jī)場上空3 000 m以下先盛行西南風(fēng)，然后盛行西北風(fēng)，表明有小尺度氣旋式環(huán)流過境，為雷暴觸發(fā)提供動力上升機(jī)制，與本場雷雨爆發(fā)時間相對應(yīng)。隨后14：00—15：00時段也不斷有小尺度渦旋擾動過境（紅色方框標(biāo)出），為雷暴的持續(xù)激發(fā)提供有利機(jī)制。

圖6 2019年7月22日10：00—18：00白云機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)分布（單位：m／s）

4 CDM產(chǎn)品檢驗(yàn)分析

CDM對流臨近預(yù)報產(chǎn)品為中南空管局氣象中心自主研發(fā)的終端區(qū)對流臨近預(yù)報產(chǎn)品。該產(chǎn)品能夠提前顯示出本場和終端區(qū)重要導(dǎo)航點(diǎn)預(yù)計受對流影響的時段和強(qiáng)度。在12：30時CDM產(chǎn)品顯示本場將于13：36受到中等強(qiáng)度對流天氣影響，對比實(shí)況，本場于13：30出現(xiàn)強(qiáng)雷雨。預(yù)報時間提前量達(dá)1 h，強(qiáng)度略弱。隨著時間臨近不斷修正預(yù)報結(jié)果，13：18 CDM顯示本場持續(xù)受到強(qiáng)對流影響，并于14：30后減弱，15：00后不再影響本場。對比實(shí)況本場強(qiáng)雷雨于14：30后轉(zhuǎn)為弱雷雨，15：00雷雨過程結(jié)束，與預(yù)報完全一致?？梢奀DM產(chǎn)品對于該次午后熱力雷暴有很好的預(yù)報效果。

5 結(jié)論

1）該次降水回波隨著日增溫，強(qiáng)度和覆蓋率逐漸增加；回波原地生成，移速非常緩慢，隨著溫度降低逐漸消散。這些均符合午后熱力對流的特征。

2）影響該次過程的天氣系統(tǒng)包括位于白云機(jī)場西北側(cè)的深厚系統(tǒng)西南低渦、北部灣和南海東北部的中層氣旋以及地面低壓槽，為對流天氣的發(fā)生提供不穩(wěn)定環(huán)境。地面存在中尺度輻合線，有利于對流的持續(xù)激發(fā)。

3）該次天氣過程中，白云機(jī)場位于源自孟加拉灣的水汽輸送通道上，并有水汽的積累，其上空大氣濕層深厚，白云機(jī)場位于高濕區(qū)，水汽條件充足。

4）白云機(jī)場上空存在能量梯度大值區(qū)，大氣的濕斜壓性很強(qiáng)，有能量鋒區(qū)相配合，且低層有暖平流滲透，有利于能量補(bǔ)充。中層有干冷平流不斷滲透，維持大氣層結(jié)長時間處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于積累不穩(wěn)定能量。持續(xù)高溫為對流天氣的發(fā)生提供熱力條件。

5）渦度平流低層負(fù)值、高層正值的配置，有利于觸發(fā)次級環(huán)流，使動力作用加強(qiáng)。散度場低層輻合、高層輻散的配置，有利于Ekman抽吸作用，為強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供動力條件。小尺度渦旋擾動不斷過境，為雷暴持續(xù)性激發(fā)提供觸發(fā)機(jī)制。

6）CDM對流臨近預(yù)報產(chǎn)品對于該次熱力對流的開始和結(jié)束時間做出了較為準(zhǔn)確的預(yù)報，強(qiáng)度開始預(yù)報偏弱，動態(tài)修訂后趨于準(zhǔn)確。CDM產(chǎn)品對于該次午后熱力雷暴有很好的預(yù)報效果。