寧波機場一次臺風外圍雷暴過程分析

奴開 陶俞鋒 吳艾黎

中國民用航空寧波空中交通管理站 浙江 寧波 315000

引言

雷暴是世界民航局公認的能夠嚴重威脅航空飛行安全的天氣現(xiàn)象[1]。它是一種由發(fā)展旺盛的積雨云引起的強對流天氣，有著發(fā)展迅速、破壞性強的特點。常伴隨強降水、雷暴大風、低空風切變等危害性天氣，造成航班延誤、取消甚至返航等，給航空部門帶來巨大的經(jīng)濟損失。我國東南沿海地區(qū)常年受臺風影響，且臺風邊緣或外圍時常會出現(xiàn)雷暴等強對流天氣，目前國內(nèi)不少學者對于臺風外圍的雷暴天氣已有不少的研究。賀忠等[2]曾對熱帶氣旋邊緣的雷暴天氣做了研究分析；黃忠等[3]從水汽、CAPE值、垂直速度和海風輻合等方面對2004年8月臺風云娜外圍發(fā)生的強對流天氣進行了綜合分析；閔愛蓮等[4]對2004年7月5日發(fā)生在吉林省的一次典型臺風外圍雨帶降水天氣過程進行了分析；

本文利用NCEP1°×1°的再分析資料和多普勒雷達數(shù)據(jù)資料，對2021年9月11日寧波機場發(fā)生的一次臺風外圍雷暴天氣過程進行診斷分析，旨在研究臺風外圍雷暴發(fā)生前后的天氣形勢和物理量變化情況，對往后寧波機場的強對流天氣預報工作提供一定的理論和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 資料選取及處理

環(huán)流資料和物理量診斷使用NCEP1°×1°逐6h再分析資料以及華東地區(qū)多普勒雷達拼圖數(shù)據(jù)。具體分析寧波櫟社機場（29.8°N，121.5°E）以及周邊區(qū)域，通過對雷暴過程的環(huán)流形勢和物理量等進行診斷分析，對2021年9月11日發(fā)生在寧波機場的一次臺風外圍雷暴過程加以探討研究，初步分析其特征及原因。

2 環(huán)流背景分析

2021年9月11日00時（世界時，下同）500hPa寧波地區(qū)上空受西南氣流影響，寧波機場位于副高邊緣外側，上游安徽-贛北地區(qū)有高空槽逐漸東移；中低層700hPa及850hPa在蘇南到贛北一帶有弱切變輻合；地面圖上（圖略）00時臺風“燦都”位于臺灣東南海域并向西北偏北方向移動，寧波機場受第14號臺風“燦都”外圍云系影響，云量較多，水汽條件較好，以東北風為主；06時浙江東部地區(qū)存在風向的輻合，主要是臺風外圍的偏東氣流和內(nèi)陸的西北氣流相交匯，風向的輻合為當日下午寧波地區(qū)發(fā)生雷暴天氣提供了動力抬升機制。

3 物理量診斷分析

強雷暴的形成往往需要充足的水汽、大量的不穩(wěn)定能量和強的沖擊力來配合，因此本文將從水汽條件、層結條件和動力條件3個方面來分析診斷此次臺風外圍雷暴過程。

3.1 水汽條件

水汽輸送是形成強對流天氣的重要條件之一，雷雨天氣的維持也需要源源不斷的水汽供應。從11日00時和06時700hPa的水汽通量分布圖（圖略）可以看出，隨著第14號臺風“燦都”不斷靠近，水汽逐漸在南海海域聚集，并不斷從南海輸送至寧波沿海海域，建立了一條較強的水汽輸送通道。

3.2 層結條件

層結不穩(wěn)定有利于強雷暴天氣的發(fā)生，用于判斷強對流的物理參數(shù)有很多，李勇等[5]通過對2006年5-9月國內(nèi)發(fā)生的雷暴天氣進行了統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，各物理量指數(shù)對于強對流天氣發(fā)生呈現(xiàn)不同的概率分布。田琨等[6]通過分析35種不同的對流參數(shù)發(fā)現(xiàn)：處于不穩(wěn)定的對流參數(shù)的個數(shù)與雷暴發(fā)生的概率呈正相關，并且總結出CAPE值等11個與雷暴強度相關性較好的對流參數(shù)。本文通過K指數(shù)和對流有效位能CAPE來診斷分析此次雷暴過程的層結不穩(wěn)定狀態(tài)。

本文根據(jù)NCEP1°×1°的再分析資料繪制出寧波機場上空的T-logP探空圖，從9月11日00時的探空圖來看，探空曲線呈“喇叭口”，上干下濕配置，900～950hPa之間存在一淺薄的逆溫層，使得不穩(wěn)定能量可以在近地面積聚。

K指數(shù)是用來反映大氣潛在能量的一種物理量，經(jīng)常用于分析大氣層結的穩(wěn)定程度，K指數(shù)和大氣層結的不穩(wěn)定程度成正比，K指數(shù)越大出現(xiàn)強對流天氣的可能性越大[7]。由探空圖可知，11日00時寧波上空的K指數(shù)為29℃，大氣層結接近一個不穩(wěn)定的狀態(tài)。

對流有效位能（CAPE）值也是判斷大氣穩(wěn)定度的一個常用指數(shù)，它能反映出對流上升運動的強度，研究表明[3]在浙江省范圍內(nèi)，當對流有效位能數(shù)值在500到4000J/kg之間時，發(fā)生雷暴等強對流天氣的概率最大，探空圖表明寧波機場上空的對流有效位能值為1939J/kg，同時對流抑制位能（CIN）值很小，僅為3J/kg，綜合表明寧波機場出現(xiàn)強對流天氣的概率非常大。

3.3 熱力條件

假相當位溫θse表現(xiàn)了大氣中溫度、氣壓和濕度的綜合特征，其水平或垂直分布情況往往對雷暴天氣的發(fā)生以及發(fā)展產(chǎn)生重要影響。研究表明[8]，當氣層中θse隨高度降低會造成對流不穩(wěn)定層結，從而促進強對流天氣的發(fā)生以及發(fā)展。

9月11日00時和06時寧波上空的假相當位溫θse均隨高度上升而降低，表明寧波上空大氣存在不穩(wěn)定層結。06時和12時寧波東部30-33°N區(qū)域內(nèi)從低層到高層，θse等值線接近垂直，說明θse隨高度上升緩慢，即?θse/?p＞0，但值很小。金小霞等[8]對2011年11月4日-5日江蘇的一次強雷暴天氣過程進行分析時發(fā)現(xiàn)，強雷暴區(qū)對應著明顯的θse密集區(qū)，?θse/?p越小，對應的上升輻合運動越大。因此，寧波東部30-33°N區(qū)域的不穩(wěn)定能量較高，存在不穩(wěn)定層結。

圖1 2021年9月11日00時（a）和06時（b）沿121.5°E假相當位溫緯度-高度剖面圖

3.4 動力條件

垂直速度是能夠體現(xiàn)動力強迫及穩(wěn)定度等多種因素作用的物理量。大氣的垂直運動可以影響水汽的凝結，從而進一步帶來降水過程，不穩(wěn)定能量也需要有一定的上升運動條件才能從大氣層結中釋放，同時水汽以及熱量等的垂直輸送也需要由垂直運動來提供，這些都是強對流天氣形成的必要條件。圖2為2021年9月11日12時沿寧波機場經(jīng)度121.5°E作垂直速度剖面圖，分析表面，11日12時，在28°N-30°N之間1000hPa以上垂直速度均為負值，表面寧波上空氣塊總體呈抬升狀態(tài)，氣流上升運動最大的區(qū)域在850～500hPa之間，速度為-0.8Pa/s，強烈的抬升運動符合雷暴天氣的特征，對于水汽和能量向高層輸送是有利的，產(chǎn)生了位勢不穩(wěn)定層結。

圖2 2021年9月11日12時121.5°垂直速度-高度剖面圖

3.5 多普勒雷達圖

雷達是監(jiān)測強對流天氣系統(tǒng)最有效的手段，分析雷達回波資料能夠更好地分析其發(fā)展以及演變的過程。

從寧波市氣象局的多普勒雷達圖可以看出，11日05時雷達回波主要分兩大塊，北面部分位于浙北杭州灣、湖州至上海區(qū)域，南面部分位于東海洋面上，兩者都是受臺風外圍云系影響，往西北方向移動。07時北面對流回波在移動過程中，強度明顯減弱；另外在浙江省內(nèi)受副高邊緣的影響，局地性熱對流開始發(fā)展起來。08時原先北面對流回波基本減弱消失，而大范圍的強對流回波主要集中在浙江東部沿海地區(qū)，尤其是浙東北寧波地區(qū)更甚，這與地面形勢場上在浙東地區(qū)存在風場輻合有著很好的對應關系。09時浙東及洋面上的對流回波范圍較大，其中強的回波是熱對流合并而成，而稍弱的對流回波是由臺風外圍云系引起的。到11時熱對流回波明顯減弱，寧波地區(qū)僅有小范圍的存在，強度也減弱，臺州及洋面上的對流回波基本是臺風云系引起的。

4 結束語

本文對2021年9月11日寧波櫟社機場的一次強對流雷雨天氣過程進行分析，得到的主要結論如下：

前期寧波機場位于副高外側，上游有高空槽逐漸東移，中低層有弱切變輻合，地面受第14號臺風“燦都”外圍云系影響，水汽條件較好，后期受臺風外圍偏東氣流和內(nèi)陸西北氣流的輻合，為此次的雷暴天氣提供了動力抬升條件。

11日00時寧波上空的K指數(shù)為29℃，對流有效位能（CAPE）值為1939J·kg-1，對流抑制位能（CIN）值為3；同時寧波上空θse均隨高度上升而降低，表明寧波上空大氣存在不穩(wěn)定層結。

雷暴可分為兩個部分，前期由臺風外圍云系引起，回波在移動過程中逐漸減弱；后期受副高邊緣的影響，局地性熱對流開始發(fā)展起來，隨著臺風外圍水汽條件以及風向輻合的配合，最終發(fā)展成為熱力性雷暴天氣過程。