2019年4月廣州白云機(jī)場持續(xù)暴雨前對流層頂和平流層異常信號分析*

郭智亮，劉 娟，張有洋，張 軍，高聰暉，陳淑敏

(1.中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局氣象中心，廣東 廣州 510406；2.福建省氣象臺，福建 福州 350000；3.中山大學(xué)大氣科學(xué)院，廣東 廣州 510275)

0 引言

強(qiáng)降水天氣嚴(yán)重威脅著航空器飛行安全[1]。降水帶來的雨霧會影響飛行員的目視距離；降水在云層以下易產(chǎn)生下沉氣流，減小飛行器升力；飛行器在雨中飛行，過多的雨水卷入發(fā)動機(jī)會造成空中停車[2-3]。強(qiáng)降水也影響飛行器的起飛和降落，濕跑道會減小機(jī)輪與跑道摩擦，增大滑行距離[4]。越來越多的學(xué)者從事機(jī)場強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)方面的研究[5-7]。

目前,天氣預(yù)報(bào)的研究主要集中于對流層環(huán)流背景的變化，平流層僅“被動的受對流層變化的影響”的傳統(tǒng)理念使得平流層對降水影響偏少[8]。但越來越多的研究表明平流層異常影響對流層天氣系統(tǒng)[9-11]。研究2008年南方雪災(zāi)發(fā)生時，發(fā)現(xiàn)平流層極渦位置偏亞洲及強(qiáng)度偏強(qiáng)，使得東亞大槽偏東[12]，平流層位相的超前信號作為對流層異常天氣過程一個先行指標(biāo)，對提高對流層天氣的預(yù)報(bào)時限有重要意義。

民航氣象降水預(yù)報(bào)主要從對流層天氣形勢進(jìn)行短期和臨期預(yù)報(bào)，中長期降水預(yù)報(bào)研究偏少。每年華南前汛期爆發(fā)后，天氣影響是造成廣州白云機(jī)場航班進(jìn)離港不正常的主要原因。通過分析超前的對流層頂以及平流層信號，找出其與華南前汛期強(qiáng)降水爆發(fā)的聯(lián)系，提升中長期預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，提前為民航管制運(yùn)行管理部門提供流量決策依據(jù)，可降低運(yùn)行風(fēng)險并提高運(yùn)行效率。

1 資料及方法

1.1 資料

1.1.1 ERA5降水資料 本文所用的天氣要素資料是歐洲中心(ECMWF)提供的新一代再分析資料ERA5，與之前ERA-Interim產(chǎn)品相比，ERA5具有更高的時空分辨率，其水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向共37層。所使用的資料包括2010—2019年10a逐時的風(fēng)場、溫度場、位勢高度場、位勢渦度場等資料。

1.1.2 白云機(jī)場自動觀測資料 廣州白云國際機(jī)場目前是3條跑道運(yùn)行，每條跑道的南北兩頭配備自動氣象觀測點(diǎn)，每個自動氣象觀測點(diǎn)均引進(jìn)使用芬蘭VAISALA公司的自動氣象觀測系統(tǒng)，安裝了雨量筒傳感器對降水要素進(jìn)行探測[13]，民航氣象規(guī)定機(jī)場日降水量是基準(zhǔn)氣象觀測點(diǎn)00—24時(北京時，下同)的降水量。本文使用的降水?dāng)?shù)據(jù)來自廣州白云機(jī)場觀測月總簿2013—2019年逐日降水資料。

1.2 方法

廣州白云機(jī)場經(jīng)緯度為23.4°N，113.3°E，選取ERA5再分析資料中23.5°N，113.25°E代表白云機(jī)場所在位置。廣州機(jī)場終端區(qū)選取以機(jī)場中心，邊長約為100 km的近似正方形[14]，在ERA5格點(diǎn)數(shù)據(jù)中，選取23.0～24.0°N，112.75～113.75°E范圍內(nèi)的格點(diǎn)數(shù)據(jù)代表廣州機(jī)場終端區(qū)。

2 廣州白云機(jī)場2019年4月降水實(shí)況

根據(jù)月總簿的逐日降水資料統(tǒng)計(jì)了2013—2019年4月月累計(jì)降水量，2013—2018年廣州白云機(jī)場4月月平均降水量為173.27 mm，2019年4月累計(jì)降水量為698.6 mm，是近6 a同期平均降水量的4.03倍。圖1為廣州白云機(jī)場2013—2019年4月上、中、下旬累計(jì)降水柱狀圖，從圖中看到2019白云機(jī)場4月上旬降水異常偏少，僅為5.3 mm，中旬、下旬累計(jì)降水量分別為418.8、274.8 mm，累計(jì)降水量遠(yuǎn)超同期，甚至超過近6a 4月的月平均降水量。圖2為2019年4月逐日降水量序列圖，2019年4月降水呈兩極分化形勢，4月機(jī)場無雨日和小雨日數(shù)分別為12 d和7 d，中雨日數(shù)4 d，日雨量超過50 mm的大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)、大暴雨日數(shù)為7 d。圖2還可以看到4月上旬累計(jì)降水為5.0 mm，中下旬累計(jì)降水達(dá)693.5 mm，日降水量為23.1 mm，期間一共出現(xiàn)了3次連續(xù)多日的強(qiáng)降水天氣過程，分別是11—16日、19—22日、26—27日。受強(qiáng)降水以及對流天氣影響，廣州白云機(jī)場大量的航班延誤、航班備降或返航甚至取消，嚴(yán)重影響了機(jī)場正常運(yùn)行。

圖1 2013—2019年廣州白云機(jī)場4月上、中、下旬累計(jì)降水Fig.1 Accumulated precipitation of Guangzhou Baiyun Airport in the early, mid and late April from 2013 to 2019

圖2 2019年4月廣州白云機(jī)場逐日降水時間序列Fig.2 Time series of daily precipitation at Guangzhou Baiyun Airport in April 2019

3 暴雨發(fā)生前廣州白云機(jī)場對流層頂高度的演變

對流層頂是對流層和平流層過渡層[15]，在平流層和對流層交換具有相當(dāng)重要的作用[24]；它又是一個深厚的阻滯層，它阻礙著積雨云頂?shù)陌l(fā)展與水汽的垂直交換[20,25]。有研究指出，對流層頂變化是對流層變化的指示器[26]。圖3是廣州白云機(jī)場終端區(qū)近10 a平均、2019年4月對流層頂高度逐日時間序列圖。從圖中看到，白云機(jī)場近10 a 4月對流層頂高度比較平緩，無劇烈變化，僅在4月18—26日出現(xiàn)了先上升再緩慢下降。2019年4月機(jī)場對流層頂有明顯的波動，3次暴雨發(fā)生前對流層頂高度均出現(xiàn)下降，第1次是6日(暴雨發(fā)生前5 d)對流層頂高度顯著下降，9日開始回升；第2次是17日(第2次暴雨發(fā)生前2 d)對流頂高度下降；第3次是25日(第3次暴雨發(fā)生前1 d)對流層頂高度顯著下降，且變化幅度最大。

圖3 廣州白云機(jī)場2019年4月對流層高度逐日變化(實(shí)線)及2009—2018年10a平均(虛線)Fig.3 Daily variation of tropospheric height at Guangzhou Baiyun Airport in April(Realization indicates 2019, the dotted line is the average of 10 years from 2009 to 2018)

壽紹文等[27]研究發(fā)現(xiàn)江淮梅雨暴雨發(fā)生過程中，具有高濕位渦值的高冷空氣沿等熵面快速南下。圖4是第1次暴雨前8 d(4月3日)、6 d(4月5日)、4 d(4月7日)、2 d(4月9日)沿23.5°N(機(jī)場緯度)位渦的經(jīng)向高度垂直剖面圖,圖中可以看到：暴雨發(fā)生前8 d到暴雨發(fā)生前2 d，白云機(jī)場上空為正位勢渦度異常區(qū)，且在白云機(jī)場的西側(cè)有凹陷現(xiàn)象，并逐漸東移加深，暴雨發(fā)生前2 d(圖4d)移到白云機(jī)場上空。

結(jié)合圖3和圖4，第1次暴雨發(fā)生前廣州白云機(jī)場對流層頂附近有平流層高位渦的冷空氣向下入侵，白云機(jī)場正位渦異常，對應(yīng)的對流層頂出現(xiàn)“折卷”，對流層頂高度下降。

圖4 2019年4月3日(a)、5日(b)、7日(c)、9日(d)23.5°位渦的緯向垂直剖面(等值線表示位渦，單位PVU；紅色三角形代表白云機(jī)場所在的經(jīng)度，紅色虛線表示白云機(jī)場的位渦垂直分布)Fig.4 Zonal vertical profile of 23.5° potential vorticity on 3(a),5(b),7(c) and 9(d), April 2019 (contour represents potential vorticity, unit: PVU; red triangle represents longitude of Baiyun Airport, red dotted line represents vertical distribution of potential vorticity of Baiyun Airport

4 廣州機(jī)場持續(xù)暴雨前對流層頂—平流層信號異常分析

4.1 環(huán)流場形勢分析

研究表明[28]，華南地區(qū)前汛期強(qiáng)降水與東亞季風(fēng)爆發(fā)有著密切的關(guān)系，低層季風(fēng)爆發(fā)前，平流層是否有更提前的信號呢？圖5是利用ERA5緯向風(fēng)場資料沿113.25°E(廣州白云機(jī)場所在的經(jīng)度)的緯向風(fēng)經(jīng)向垂直剖面圖，從圖中可以看到從第1次暴雨前8 d(圖5a)，東風(fēng)風(fēng)速極大值區(qū)位于赤道至低緯度平流層中下層以及對流層頂處(0～8°N，200～150 hPa)，在暴雨發(fā)生前6 d(圖5b)，東風(fēng)風(fēng)速極大值區(qū)向北推至10°N，并逐漸向下傳播至250 hPa高度，暴雨發(fā)生前4 d(圖5c)，東風(fēng)已向北傳播至12°N附近的350 hPa高度上，此后(圖5d)東風(fēng)繼續(xù)下傳至400 hPa高度上，也對華南地區(qū)上空風(fēng)場產(chǎn)生了影響，廣州白云機(jī)場終端區(qū)上空的緯向風(fēng)場與氣候平均態(tài)變化如圖6所示，機(jī)場暴雨前存在西風(fēng)下傳，且早于氣候態(tài)，第1次暴雨爆發(fā)前8 d(4月3日)起，緯向風(fēng)正異常自100 hPa向下傳播，正異常加強(qiáng)并下傳，并在降水前3 d(4月8日)下傳至對流層中層500 hPa，降水前2 d轉(zhuǎn)為負(fù)異常，機(jī)場暴雨前的西風(fēng)下傳，將高空動能下傳，也增大機(jī)場上空的風(fēng)切變，有利于垂直運(yùn)動的發(fā)展，形成有利于降水的背景條件。

圖5 2019年4月3日(a)、5日(b)、7日(c)、9日(d)沿113.25°E的緯向風(fēng)經(jīng)向垂直剖面(虛線表示東風(fēng)，實(shí)線表示西風(fēng)，紅色三角形代表白云機(jī)場所在的緯度)Fig.5 Longitude vertical section of zonal wind along 113.25 ° E on 3(a),5(b),7(c) and 9(d), April 2019 (dotted line represents east wind, solid line represents west wind, red triangle represents latitude of Baiyun Airport)

圖6 廣州白云機(jī)場終端區(qū)2019年4月與2009—2018年氣候平均緯向風(fēng)差值的垂直分布逐日序列(虛線代表負(fù)值，實(shí)線代表正值)Fig.6 Daily sequence diagram of vertical distribution of climate mean zonal wind difference between April 2019 and 2009—2018 in terminal area of Guangzhou Baiyun Airport (dotted line represents negative value, solid line represents positive value)

4.2 位勢高度場形勢分析

利用ERA5資料的位勢高度場資料分析廣州白云機(jī)場暴雨發(fā)生前對流層頂至平流層位勢高度場的變化情況。圖7是廣州白云機(jī)場終端區(qū)2019年4月與氣候平均的逐日位勢高度差值時間—高度序列圖，從圖可以看出，廣州白云機(jī)場終端區(qū)上空位勢高度場從4月6日起自500 hPa至平流層一直正異常，對應(yīng)機(jī)場上空風(fēng)場有增強(qiáng)，由圖4分析知，平流層的高位渦冷空氣南下，白云機(jī)場上空的位渦值逐漸升高。最強(qiáng)的正異常出現(xiàn)在第1次暴雨發(fā)生前4 d至發(fā)生前1 d，出現(xiàn)在150～80 hPa的高度上次增強(qiáng)(減弱)過程，持續(xù)暴雨開始后，平流層位勢高度正異常減弱。

圖7 廣州白云機(jī)場終端區(qū)2019年4月與2009—2018年氣候平均位勢高度差值時間—高度序列Fig.7 Time-altitude sequence diagram of the climatic average geopotential height difference between April 2019 and 2009—2018 in the terminal area of Guangzhou Baiyun Airport

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

利用20a的ERA5再分析資料，結(jié)合白云機(jī)場降水資料，分析白云機(jī)場2019年4月持續(xù)暴雨對流層頂和平流層信號異常特征，得出以下結(jié)論：

①廣州白云機(jī)場2019年4月降水異常偏多，累積降水量達(dá)698.6 mm，是氣候態(tài)平均的4.03倍，主要集中在4月中、下旬，共出現(xiàn)3次連續(xù)多日的強(qiáng)降水天氣過程。

②2019年4月廣州白云機(jī)場對流層頂有明顯的波動，3次暴雨發(fā)生前對流層頂高度均出現(xiàn)下降趨勢，且變化幅度明顯高于氣候平均。暴雨發(fā)生前，白云機(jī)場上空為正位勢渦度異常區(qū)，對流層頂出現(xiàn)“折卷”，對流層頂附近有平流層高位渦的冷空氣向下入侵。

③從暴雨發(fā)生前環(huán)流場分析，中低緯平流層?xùn)|風(fēng)向北傳播至12°N附近的400 hPa高度附近，廣州白云機(jī)場終端區(qū)上空的緯向風(fēng)場暴雨發(fā)生前 8 d正異常自100 hPa向下傳播，加強(qiáng)并繼續(xù)下傳，并在降水前3 d下傳至對流層中層500 hPa，暴雨持續(xù)前機(jī)場上空一直存在西風(fēng)下傳。

④廣州白云機(jī)場暴雨發(fā)生前對流層頂至平流層位勢高度從4月6日起自500 hPa至平流層一直正異常，對應(yīng)機(jī)場上空風(fēng)場有增強(qiáng)，白云機(jī)場上空的位渦值逐漸升高,持續(xù)暴雨開始后，平流層位勢高度正異常減弱。

5.2 討論

廣州白云機(jī)場2019年暴雨發(fā)生前，機(jī)場上空有冷的高位渦移入，位渦值迅速升高，與此同時，廣州白云機(jī)場上空對流層頂開始下降，且降幅明顯高于氣候平均，根據(jù)位渦理論[29]，當(dāng)高層穩(wěn)定的高位渦空氣下傳到不穩(wěn)定的環(huán)境，根據(jù)位渦守恒原理，渦度會增大，渦度增大有利于氣旋的發(fā)生和發(fā)展，有利于暴雨的形成；同時對流層頂下降，大氣靜力穩(wěn)定度減小，大氣的氣旋性渦度增大，氣旋性環(huán)流增多。同時，暴雨發(fā)生前中低緯的東風(fēng)向北和向?qū)α鲗觽鞑?，并在降水? d(4月8日)下傳至對流層中層500 hPa高度附近，機(jī)場上空西風(fēng)的下傳將高空動能下傳，增大機(jī)場上空的風(fēng)切變，有利于垂直運(yùn)動的發(fā)展，形成有利于暴雨的形成。