烏魯木齊機(jī)場(chǎng)1次短時(shí)雷雨大風(fēng)天氣特征及成因分析

杜安妮，陳陽(yáng)權(quán)

(民航新疆空中交通管理局氣象中心，烏魯木齊830016)

0 引言

強(qiáng)對(duì)流天氣是氣象學(xué)上所指的發(fā)生突然、移動(dòng)迅速、天氣劇烈、破壞力極強(qiáng)的災(zāi)害性天氣，常帶來(lái)雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹等惡劣天氣，是具有重大殺傷性的災(zāi)害性天氣之一。強(qiáng)對(duì)流天氣空間尺度小，生命史短暫并帶有明顯的突發(fā)性，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的危害[1-3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此類天氣過程做了大量工作，沈杭鋒[4]等利用多種資料從熱力不穩(wěn)定、水汽條件和觸發(fā)機(jī)制方面分析了浙江盛夏強(qiáng)對(duì)流天氣的成因；許愛華[5]等對(duì)中國(guó)近百次強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行分析，闡述了強(qiáng)對(duì)流的生成環(huán)境和觸發(fā)條件。對(duì)于民航業(yè)而言，雷雨及所伴隨的大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、低空風(fēng)切變等強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)航空安全威脅巨大[6]，造成機(jī)場(chǎng)大面積航班延誤，嚴(yán)重影響航空飛行的安全。

烏魯木齊國(guó)際機(jī)場(chǎng)氣象學(xué)者對(duì)該地強(qiáng)對(duì)流天氣也做了大量的研究，如張利平[7]等從與強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生相關(guān)的不正常事件中分析了該類天氣的預(yù)報(bào)和服務(wù)能力，認(rèn)為較難把握該類天氣在機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)的時(shí)間，但結(jié)束時(shí)間一般預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確。 2020-06-05新疆北部地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，烏魯木齊機(jī)場(chǎng)也相繼出現(xiàn)了西北大風(fēng)、雷雨、短時(shí)沙塵暴等天氣，對(duì)航班正常運(yùn)行造成了嚴(yán)重的影響。文章利用FNL 0.25°× 0.25°再分析資料、加密自動(dòng)氣象站和機(jī)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)資料，以及多普勒雷達(dá)資料等，通過對(duì)環(huán)流背景、不穩(wěn)定條件、水汽條件、抬升觸發(fā)機(jī)制等進(jìn)行成因診斷分析，逐步積累經(jīng)驗(yàn)，以提高對(duì)此類天氣的預(yù)報(bào)和服務(wù)能力。

1 天氣實(shí)況及其對(duì)飛行的影響

2020-06-05，受高空槽、切變線、低空偏西急流共同影響，北疆大部、天山山區(qū)局地出現(xiàn)了大范圍的西北大風(fēng)、雷暴、局地冰雹、局地暴雨等天氣過程。烏魯木齊機(jī)場(chǎng)于5日19：00出現(xiàn)西北大風(fēng)和短時(shí)沙暴天氣，短時(shí)主導(dǎo)能見度500 m，19：34-20：30出現(xiàn)雷雨天氣，20：30轉(zhuǎn)小陣雨，持續(xù)至6日01：30，過程降水量為7.4 mm。受此次雷雨大風(fēng)天氣直接或間接影響，造成航班延誤36架次，備降11架次，返航2架次，航空器復(fù)飛2架次。

在強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，由于風(fēng)的陣性變化，易產(chǎn)生較強(qiáng)的水平風(fēng)切變。烏魯木齊機(jī)場(chǎng)目前還沒有能夠直接探測(cè)此類風(fēng)切變的設(shè)備或系統(tǒng)，對(duì)機(jī)場(chǎng)的水平風(fēng)切變的研究多使用美國(guó)在跑道風(fēng)切變預(yù)警中采用的方法進(jìn)行跑道風(fēng)切變的計(jì)算[8，9]。通過對(duì)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)逐15 s自動(dòng)觀測(cè)風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算可知，在強(qiáng)對(duì)流來(lái)臨時(shí)(18：00-19：00)，25跑道與07跑道方向風(fēng)速存在較大差異，水平風(fēng)切變值在18：05達(dá)到11.8 m/s，之后多個(gè)時(shí)刻都達(dá)到或超過7.7 m/s的參考值，在1 h內(nèi)，跑道上或近跑道區(qū)域的風(fēng)切變?cè)斐闪?架航空器復(fù)飛。而在強(qiáng)對(duì)流發(fā)生過程中，雖然07和25方向風(fēng)速都較大，但風(fēng)存在很強(qiáng)的陣性，跑道風(fēng)切變也頻繁超過參考標(biāo)準(zhǔn)。在強(qiáng)對(duì)流影響的后期(20：30-21：00)，風(fēng)速雖然較前期有所減小，但仍然存在較大的風(fēng)向和風(fēng)速差異，也產(chǎn)生了較強(qiáng)的水平風(fēng)切變。

2 環(huán)流形勢(shì)演變特征

從500 hPa、700 hPa、850 hPa高空環(huán)流形勢(shì)上分析，2020-06-03—2020-06-04在500 hPa環(huán)流形勢(shì)上，伊朗高壓北頂與烏拉爾山脊同位相疊加，烏拉爾山脊迅速發(fā)展，脊前北風(fēng)帶加強(qiáng)并引導(dǎo)北方冷空氣南下，在西西伯利亞地區(qū)有低渦穩(wěn)定維持。至5日，低渦后部分裂低槽沿偏北氣流南下，攜帶冷空氣迅速影響新疆地區(qū)。700 hPa中緯度有1支偏西低空急流攜帶暖濕氣流進(jìn)入北疆區(qū)域。14：00分裂南下的高空槽主力位于巴湖東北方向，東移開始影響北疆西部、北部地區(qū)，700 hPa上的偏西急流從伊犁河谷伸入北疆沿天山一帶，850 hPa在伊犁河谷至北疆北部阿勒泰一帶有強(qiáng)高空鋒區(qū)，溫度梯度大，在溫度梯度區(qū)前部形成了明顯的冷式切變，從北疆北部一直延伸到北疆西部地區(qū)。從整層配置來(lái)看，700～500 hPa影響系統(tǒng)幾乎垂直，850～700 hPa略有后傾，鋒區(qū)坡度大，且隨西伯利亞低渦后部再次分裂低槽南下，預(yù)示著影響系統(tǒng)將快速東移南下影響北疆地區(qū)。

隨著高空槽迅速東移南下，5日20：00，500 hPa槽區(qū)迅速移動(dòng)至北疆中部地區(qū)，700 hPa輻合區(qū)移至烏魯木齊機(jī)場(chǎng)附近，850 hPa強(qiáng)溫度梯度區(qū)位于烏魯木齊機(jī)場(chǎng)及偏東方向。由此可見，強(qiáng)冷空氣在6 h內(nèi)影響了北疆大部分地區(qū)。

受500 hPa高空槽、700 hPa和850 hPa冷式切變的共同影響，北疆出現(xiàn)大范圍的西北大風(fēng)、局地雷雨、冰雹等天氣。烏魯木齊機(jī)場(chǎng)的雷暴大風(fēng)就發(fā)生在此次強(qiáng)冷空氣快速東移的背景下，中低層前部暖濕平流和冷空氣入侵、低層的輻合切變分別提供了不穩(wěn)定能量和動(dòng)力條件。

3 成因診斷分析

3.1 熱力不穩(wěn)定能量和水汽條件分析

假相當(dāng)位溫綜合反映了大氣的溫濕狀況，通常假相當(dāng)位溫隨高度增大，若其隨高度減小，表明大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由14：00 850 hPa假相當(dāng)位溫可見，北疆西部、北部、北疆沿天山一帶處于假相當(dāng)位溫的大值區(qū)中，假相當(dāng)位溫的值大于330 K，為高能舌區(qū)，而發(fā)生在伊犁河谷、北疆沿天山一線、北疆北部的強(qiáng)對(duì)流天氣均位于高能舌區(qū)內(nèi)。通常500 hPa和850 hPa的假相當(dāng)位溫差值可以用來(lái)表征大氣的不穩(wěn)定度，負(fù)值越大，表明大氣越不穩(wěn)定。14：00，伊犁河谷、北疆沿天山一線、北疆北部其差值均處于-5 K以下，局地達(dá)到了-10 K以下，表明大氣處于較強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定狀態(tài)中，其位置和范圍與高能舌區(qū)相對(duì)應(yīng)。至20：00，隨著強(qiáng)冷空氣的進(jìn)入及強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生，北疆的高能舌區(qū)消失，500 hPa與850 hPa假相當(dāng)位溫差增大至5 K以上，可見從14：00-20：00，北疆地區(qū)釋放不穩(wěn)定能量，大氣從不穩(wěn)定狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)流有效位能CAPE是具有明確物理意義的熱力不穩(wěn)定參數(shù)，CAPE越大，對(duì)流發(fā)展高度越高，對(duì)流強(qiáng)度越大[10]。分析新疆區(qū)域?qū)α饔行荒軈^(qū)域分布可知，在14：00北疆大部地區(qū)均有一定的對(duì)流有效位能區(qū)，其中北疆沿天山一帶，尤其是石河子至烏魯木齊以東的天山北坡一線，對(duì)流有效位能達(dá)到600～900 J/kg，形成1個(gè)對(duì)流有效位能的大值區(qū)，中心位于烏魯木齊附近，烏魯木齊機(jī)場(chǎng)位于中心點(diǎn)北部邊緣?？梢姡坏┯泻线m的啟動(dòng)機(jī)制，就可能觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流。至20：00，北疆區(qū)域的對(duì)流有效位能明顯減小，石河子至烏魯木齊一帶的天山北坡對(duì)流有效位能大值區(qū)消失，所以，14：00-20：00是不穩(wěn)定能量釋放的時(shí)段，這與假相當(dāng)位溫的分析結(jié)論一致。

圖1(a，b)是由再分析資料計(jì)算得到的溫度對(duì)數(shù)壓力圖，從5日14：00的圖上可見，500 hPa以下大氣濕度較小，濕層較高，K指數(shù)為28 ℃，對(duì)流有效位能CAPE已經(jīng)有所累積，達(dá)到了780 J/kg，同時(shí)具備一定的對(duì)流抑制能CIN達(dá)287 J/kg，可見只要有合適的抬升機(jī)制，就可以克服對(duì)流抑制而爆發(fā)強(qiáng)對(duì)流。至5日20：00，對(duì)流有效位能已經(jīng)明顯減小，能量得到釋放，從溫度和露點(diǎn)廓線結(jié)構(gòu)來(lái)看，飽和濕層有明顯的下降，主要集中在850～600 hPa，在600 hPa以上及850 hPa以下比較干，可見在對(duì)流發(fā)生前期，600 hPa以上有干冷空氣入侵，同時(shí)由于低層比較干燥，中層產(chǎn)生的降水在低層因?yàn)檎舭l(fā)而使溫度下降，冷空氣下沉達(dá)到地面時(shí)產(chǎn)生地面大風(fēng)，這與烏魯木齊機(jī)場(chǎng)產(chǎn)生的短時(shí)雷暴大風(fēng)時(shí)段是一致的。

從圖1(c)的時(shí)間剖面圖中可見，在5日20：00前，假相當(dāng)位溫隨高度減小，可見氣層處于不穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)飽和濕層高度較高。在20：00前后，假相當(dāng)位溫逐漸隨高度的變化而增大，相對(duì)濕度大值區(qū)層次下降，同時(shí)有明顯的上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，最大達(dá)到了-2 Pa/s，有明顯的對(duì)流發(fā)展，上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，能量得到了釋放。

圖1 (a)和(b)為5日14：00和5日20：00烏魯木齊機(jī)場(chǎng)溫度對(duì)數(shù)壓力圖；(c)為烏魯木齊機(jī)場(chǎng)假相當(dāng)位溫

3.2 動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制分析

通過對(duì)大尺度環(huán)流背景進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大尺度強(qiáng)迫抬升對(duì)此次雷雨大風(fēng)有一定的作用。從風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間變化來(lái)看，5日14：00-20：00有冷空氣影響烏魯木齊機(jī)場(chǎng)，5日20：00，850 hPa輻合區(qū)已經(jīng)從14：00的偏西、偏北地區(qū)移動(dòng)至烏魯木齊機(jī)場(chǎng)附近，在烏魯木齊機(jī)場(chǎng)附近有明顯的風(fēng)速輻合，同時(shí)在其偏東地區(qū)有明顯的風(fēng)向輻合，而此時(shí)的垂直速度在北疆沿天山一帶為明顯的上升區(qū)，可見850 hPa的輻合切變?yōu)榇舜卫子甏箫L(fēng)天氣提供了較好的動(dòng)力條件。但由于再分析資料時(shí)間分辨率僅有6 h，無(wú)法滿足對(duì)流觸發(fā)的時(shí)間精度，因此還需要通過時(shí)間和空間分辨率更高的自動(dòng)氣象站和雷達(dá)資料輔助做進(jìn)一步的分析。

5日18：10烏魯木齊以西及西北方向的呼圖壁一帶有明顯的風(fēng)速風(fēng)向輻合區(qū)，形成一條中尺度輻合線，在對(duì)應(yīng)的雷達(dá)組合反射率上，中尺度輻合線的南端已經(jīng)觸發(fā)了較多的對(duì)流單體，位于機(jī)場(chǎng)以西100 km附近。同時(shí)，在距離機(jī)場(chǎng)50 km范圍內(nèi)有弱對(duì)流云發(fā)展，強(qiáng)度不強(qiáng)。至18：30中尺度輻合線南壓，移動(dòng)速度緩慢，機(jī)場(chǎng)以西50 km附近對(duì)流云團(tuán)強(qiáng)度加強(qiáng)，并逐漸與東移的對(duì)流云團(tuán)合并。至19：05中尺度輻合線移至烏魯木齊機(jī)場(chǎng)附近，風(fēng)速輻合區(qū)分成兩段，機(jī)場(chǎng)西北方向輻合區(qū)在西北方向觸發(fā)了多個(gè)對(duì)流單體，在其西部，在輻合線和對(duì)流單體疊加過程中，對(duì)流云團(tuán)尺度明顯增大，強(qiáng)度增強(qiáng)。此時(shí)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)?？梢姷孛骘L(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)的存在有利于此次強(qiáng)對(duì)流的維持和發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

2020-06-05發(fā)生在烏魯木齊國(guó)際機(jī)場(chǎng)的雷雨大風(fēng)天氣過程，對(duì)航班運(yùn)行造成了較大的影響，文章利用再分析資料、加密自動(dòng)氣象站、自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)場(chǎng)雷達(dá)回波等對(duì)其特征及成因進(jìn)行初步分析，得到以下結(jié)論：

1)此次雷雨大風(fēng)天氣持續(xù)時(shí)間短，天氣現(xiàn)象劇烈，影響大。在雷雨大風(fēng)來(lái)臨前、過程中以及臨近結(jié)束時(shí)，均產(chǎn)生較強(qiáng)的跑道水平風(fēng)切變，尤其是在對(duì)流前期和后期這兩個(gè)階段，嚴(yán)重影響飛行安全。

2)天氣過程是在西西伯利亞低渦分裂低槽東移南下的背景下產(chǎn)生的，前期低層暖濕平流為此次過程堆積大量不穩(wěn)定能量，形成有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展的不穩(wěn)定層結(jié)和環(huán)流背景。

3)對(duì)熱力不穩(wěn)定能量分析發(fā)現(xiàn)，此次過程是在北疆盆地大范圍的熱力不穩(wěn)定背景下發(fā)生的，在對(duì)流發(fā)展前，氣層處于強(qiáng)烈的不穩(wěn)定狀態(tài)，機(jī)場(chǎng)上空對(duì)流有效位能得到了大量累積，假相當(dāng)位溫和對(duì)流有效位能都能較好地表現(xiàn)出區(qū)域熱力不穩(wěn)定能量的累積狀況。通過對(duì)機(jī)場(chǎng)溫度對(duì)數(shù)壓力圖分析發(fā)現(xiàn)，中高層干冷空氣入侵和中層產(chǎn)生的降水在低層蒸發(fā)冷卻下沉等共同作用，預(yù)計(jì)是產(chǎn)生短時(shí)雷暴大風(fēng)天氣的原因。

4)大尺度強(qiáng)迫抬升和低層切變輻合共同作用觸發(fā)了此次雷雨大風(fēng)天氣，通過對(duì)地面風(fēng)場(chǎng)和雷達(dá)組合反射率的分析發(fā)現(xiàn)，地面中尺度輻合線使得此次過程的對(duì)流云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展和維持。