首都國際機(jī)場一次秋季弱對流型雷雨特征分析

黃億

【摘 要】本文利用NCEP1°×1°再分析資料，通過環(huán)流形勢、水汽條件和垂直運動以及穩(wěn)定度和能量等方面分析討論了秋季影響中弱對流系統(tǒng)發(fā)展的天氣尺度環(huán)境條件。結(jié)果表明：弱對流發(fā)展時，天氣尺度上升運動的強(qiáng)度不強(qiáng)，上升運動中心出現(xiàn)的高度不高，不利于深對流的發(fā)展；對流層中下層空氣的濕度偏小，不能夠支持強(qiáng)對流云發(fā)展。因此，天氣尺度上升運動發(fā)展的高度以及對流層中下層大氣的含水量是判斷秋季對流強(qiáng)弱的重要依據(jù)。由于對流層低層環(huán)境大氣絕對濕度降低，各大氣穩(wěn)定度指數(shù)均偏小，垂直上升運動主要源于高空槽和對流層低層能量鋒區(qū)的強(qiáng)迫運動，而環(huán)境大氣的穩(wěn)定度貢獻(xiàn)很小。

【關(guān)鍵詞】弱對流；雷雨；天氣尺度

0 前言

秋季是華北地區(qū)對流天氣多發(fā)季節(jié)之一。入秋后，隨著西太平洋副熱帶高壓南撤，對流層中下層環(huán)境大氣的濕度較盛夏有所降低。中緯度地區(qū)處在冷暖空氣的交匯地帶，冷空氣活動日趨頻繁、勢力逐漸加強(qiáng)。大氣環(huán)流形勢的上述變化導(dǎo)致該季節(jié)對流天氣的統(tǒng)計特征發(fā)生了一些改變。首先，對流性暴雨減少，強(qiáng)對流活動較多地表現(xiàn)為冰雹和雷暴大風(fēng)；其次，弱對流過程增加。對流強(qiáng)度判別一直是預(yù)報實踐中的難點，它影響著精細(xì)化預(yù)報和預(yù)警的準(zhǔn)確程度，在過渡季節(jié)更是如此。因此，分析和研究影響弱對流的因素十分必要。

本文選擇了2013年10月1日發(fā)生在秋季的貝蒙槽前環(huán)流型（槽前暖區(qū)里），強(qiáng)度為較弱的線型對流過程，利用NCEP1°×1°再分析資料，通過環(huán)流形勢、水汽條件和垂直運動以及穩(wěn)定度和能量等方面分析討論了秋季影響對流強(qiáng)弱的天氣尺度環(huán)境條件。在天氣尺度背景條件研究中，所用資料的空間分辨率一般較低，因此，選擇尺度相對較大的對流系統(tǒng)、對流天氣范圍較大的個例將有助于對天氣尺度系統(tǒng)的分析；在分析對流系統(tǒng)中的單體時，其對流系統(tǒng)的強(qiáng)弱在某種程度上決定于單體的強(qiáng)弱。

1 環(huán)流形勢特征及其系統(tǒng)的配置

圖1 海平面氣壓

圖2 850hPa、700hPa、500hPa風(fēng)溫濕度場

（時間：10月01日00UTC）

在9月30日夜間16UTC（世界協(xié)調(diào)時）之前華北管區(qū)西部河套走廊南部有雷雨回波生成，向東北方向移動，逐漸減弱，其移動成跳躍式，至18UTC時回波明顯減弱，閃電定位儀上已無顯示，但是隨著高空小波動逐漸東移，19：40UTC時在首都機(jī)場150公里外有回波快速生成，并向東北移動，回波頂高6-7公里，移速較快，于21：37-22：19UTC，22：59-23：48UTC首都機(jī)場出現(xiàn)雷雨，分別持續(xù)近42分鐘和47分鐘，期間以小陣雨為主。這次雷雨雖然產(chǎn)生的雨量并不大，累計只有4.8毫米。

此次北京秋季弱雷雨過程是在歐亞中高緯度為穩(wěn)定的經(jīng)向環(huán)流，呈兩脊兩槽的形勢下產(chǎn)生的。500hPa冷槽東移南壓至中蒙邊境附近，此時烏拉爾山阻塞高壓形成，貝加爾湖以東至我國內(nèi)蒙地區(qū)位于寬闊的低壓槽中，同時，整個華北至東北均位于低壓槽前部，華北處于明顯正渦度區(qū)，隨著冷空氣從槽后不斷南下，北京地區(qū)正處于槽前明顯的西南暖濕氣流中。華北地面系統(tǒng)發(fā)展移動很快（圖1），北京位于冷高壓前部狹長的低壓帶中，風(fēng)向輻合切變線也出現(xiàn)在地面鋒區(qū)附近，只是強(qiáng)度較弱，具有一定的地面輻合抬升條件。圖2中700hPa、500hPa較850hPa系統(tǒng)稍稍后傾，700hPa與500hPa系統(tǒng)幾乎垂直，均處在槽前暖區(qū)中。從上述系統(tǒng)的配置可以初步看到，高低空的系統(tǒng)特征差異較小。我們知道前傾槽背景下易形成不穩(wěn)定層結(jié)，從而有利于強(qiáng)對流發(fā)展，而此次過程是在垂直結(jié)構(gòu)槽背景下形成的對流系統(tǒng)，范圍較窄且強(qiáng)度較前傾槽弱。當(dāng)然只根據(jù)環(huán)流形勢和高空槽的配置是不能完全說明對流強(qiáng)弱的原因，需要作進(jìn)一步的深入分析。

2 水汽條件和垂直運動分析

圖3 地面2米溫度、濕度場和10米風(fēng)場

圖4 沿40°N水汽通量散度剖面

（時間：10月01日00UTC）

圖5 首都機(jī)場（40°N，116°E）溫度和露點廓線圖

圖6 沿40°N垂直運動剖面（時間：10月01日00UTC）

對流系統(tǒng)的強(qiáng)弱與水汽條件好壞有著很大關(guān)系。圖2中北京地區(qū)高低層溫度露點差較小，分布區(qū)域也與槽前西南氣流大致重合，但中低層暖濕區(qū)維持時間較短，在01日00Z時，700hPa和850hPa濕區(qū)已經(jīng)被切斷。地面相對濕度（圖3）在雷暴前達(dá)到80%以上，并且高值區(qū)與溫度密集區(qū)幾乎重合，在01日00Z濕區(qū)范圍與大小均迅速下降與減小?？梢婁h前暖區(qū)為孕育雷暴提供有利條件，但水汽含量的多少與持續(xù)時間決定了對流系統(tǒng)所維持的強(qiáng)度與時間。

從圖4剖面圖看，可以看到對流發(fā)生、發(fā)展的水汽主要來自500hPa以下，首都機(jī)場（116°附近）中低層的水汽通量散度為負(fù)，高層為正，形成水汽低層輻合，高層輻散的有利配置，而從溫度和露點廓線（圖5）來看水汽含量的垂直分布，低層的水汽含量明顯較中層少，低層環(huán)境大氣中的絕對含水量低導(dǎo)致動力抬升后凝結(jié)量有限，從而制約了對流系統(tǒng)的發(fā)展。

天氣尺度垂直運動的分布是動力強(qiáng)迫、穩(wěn)定度等多種因素作用的綜合體現(xiàn)，也是決定中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的基本環(huán)境條件。此次雷暴過程中對流活動均產(chǎn)生在天氣尺度上升區(qū)內(nèi)（圖6），垂直運動的最大值位于600hPa高度上下，對流的上升氣流只存在于400hPa以下，而在400hPa以上則開始轉(zhuǎn)變?yōu)橄鲁翚饬鳎瑥亩拗屏藢α髟瓢l(fā)展的高度，這與雷達(dá)圖上顯示的對流回波頂高6-7公里相一致。綜合圖7，首都機(jī)場從雷暴發(fā)生至結(jié)束，低層（850hPa以下）并未出現(xiàn)強(qiáng)的上升氣流，這與中低層垂直分布的槽產(chǎn)生的天氣尺度強(qiáng)迫強(qiáng)度有關(guān)。因此，對流層低層水汽含量、水汽的垂直分布及其與上升運動的配置共同決定了此次雷雨過程的對流強(qiáng)度不如強(qiáng)對流系統(tǒng)。

3 大氣穩(wěn)定度和能量分析

影響環(huán)境大氣穩(wěn)定度的因素之一是溫度。此次雷雨過程暖平流主要分布在較低的邊界層內(nèi)，層結(jié)較薄。850hPa暖平流值最大值位于北京地區(qū)附近（圖8），冷空氣的主體在北京地區(qū)北部。500hPa對流區(qū)內(nèi)在整個雷雨過程中維持著暖平流，強(qiáng)度減小明顯，而且暖平流的最大值位于北京地區(qū)西南，槽前的西南氣流不斷的將暖濕空氣引入北京上空，配合500hpa主槽前部底部有短波槽影響，具有一定的不穩(wěn)定能量。

圖7 首都機(jī)場（40°N，116°E）風(fēng)溫濕廓線圖

圖8 850hPa、500hPa溫度平流（時間：10月01日00Z）

影響天氣尺度垂直運動的另一個重要因素是環(huán)境大氣穩(wěn)定度。眾所周知，9月底10月初，季節(jié)已逐漸由中秋漸轉(zhuǎn)為晚秋，幾乎接近終雷日期，各項雷雨指標(biāo)絕對數(shù)值都已經(jīng)很不明顯。CAPE值與CIN值絕對值（圖9）都在雷雨開始至結(jié)束階段均處于10J/kg以下，沒有指示意義。從850hPa與500hPa的溫度差來看，溫度遞減率逐步增大，在30日18UTC達(dá)到最大值27，之后迅速減小，環(huán)境大氣偏不穩(wěn)定，TT指數(shù)的變化特征也同樣說明大氣不穩(wěn)定，K指數(shù)變化趨勢一直增大，但數(shù)值小于31°C，依據(jù)判定條件可能會出現(xiàn)零星至分散的雷雨。從A指數(shù)越臨近雷雨越大來看，中低層的水汽飽和程度較高，有利于對流降水。綜上分析弱雷雨發(fā)展時，各大氣穩(wěn)定度指數(shù)均偏小，可見垂直上升運動主要源于高空槽和對流層低層能量鋒區(qū)的強(qiáng)迫運動，而環(huán)境大氣的穩(wěn)定度貢獻(xiàn)很小。

圖9 首都機(jī)場（40°N，116°E）各能量指數(shù)圖

4 結(jié)論

本文分析了北京地區(qū)秋季一次弱雷雨對流個例，目的是討論過渡季節(jié)中弱對流系統(tǒng)發(fā)展的天氣尺度環(huán)境條件究竟是什么？得到了以下結(jié)論：

1）弱對流發(fā)展時，天氣尺度上升運動的強(qiáng)度不強(qiáng)，上升運動中心出現(xiàn)的高度不高，不利于深對流的發(fā)展。

2）弱對流發(fā)展時，對流層中下層空氣的濕度偏小，不能夠支持強(qiáng)對流云發(fā)展。因此，天氣尺度上升運動發(fā)展的高度以及對流層中下層大氣的含水量是判斷秋季對流強(qiáng)弱的重要依據(jù)。

3）此次弱雷雨個例的CAPE值僅在10J/kg以下，只有邊界層內(nèi)具有暖濕和不穩(wěn)定的特征。上述分析結(jié)果說明，進(jìn)入秋季后，由于對流層低層環(huán)境大氣絕對濕度降低，各大氣穩(wěn)定度指數(shù)均偏小，可見垂直上升運動主要源于高空槽和對流層低層能量鋒區(qū)的強(qiáng)迫運動，而環(huán)境大氣的穩(wěn)定度貢獻(xiàn)很小，因此，暖濕層和不穩(wěn)定層的厚度也是影響北京秋季對流強(qiáng)弱的因素。

本文通過分析總結(jié)了華北地區(qū)秋季影響對流強(qiáng)弱的天氣尺度環(huán)境條件?？紤]到研究中使用的NCEP再分析資料的分辨率，選擇了尺度相對較大的線型對流作為研究對象，得到有關(guān)秋季弱對流特征的判定，而不能完全反映整個對流系統(tǒng)的發(fā)展條件。因為線型對流的發(fā)生、發(fā)展是一個復(fù)雜的問題，天氣尺度背景條件可能只是決定其強(qiáng)弱的一部分，還應(yīng)該考慮有中尺度機(jī)制以及不同尺度系統(tǒng)之間的相互作用，下一步將通過高分辨率中尺度數(shù)值模擬來探討對流系統(tǒng)中尺度機(jī)制與單體發(fā)展。

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[責(zé)任編輯：王楠]