2023 年2 月5 日南寧吳圩國際機場初雷天氣過程分析

曾翔宇，劉籮石，梁 宸，肖稱根

（民航廣西空中交通管理分局，南寧 530048）

雷暴是最常見的天氣現(xiàn)象之一，其具有突發(fā)性強、破壞力大的特點，常常伴隨有大風、冰雹等強對流天氣，是夏季影響飛行安全最主要的天氣之一[1]；初雷指的是每年首次發(fā)生的雷暴，多發(fā)生在春季，預(yù)示著雷雨季節(jié)的到來[2]，是氣象要素發(fā)生重大變化的一個標志[3]。許多文獻對于初雷天氣進行了分析研究[1-6]，尤其對不同地區(qū)初雷的出現(xiàn)時段、形成機制、發(fā)生特點進行了分析和統(tǒng)計，但對于單次初雷天氣過程的分析研究較少，對于預(yù)報員來說，初雷天氣的發(fā)生是預(yù)報思路開始轉(zhuǎn)變的重要指示條件，因此，針對單次初雷天氣地研究對于航空氣象預(yù)報來說具有重大的指示意義。

本文選用EC 再分析資料ERA5（0.25°×0.25°）、自動氣象觀測站資料、多普勒天氣雷達資料、探空資料與風廓線雷達資料，對2023 年2 月5 日南寧吳圩國際機場發(fā)生的初雷天氣過程進行分析，總結(jié)初雷天氣預(yù)報經(jīng)驗。

1 天氣過程概況及特點

1.1 過程概況

2023 年2 月4 日—5 日受低層切變線及強西南暖濕氣流影響，廣西出現(xiàn)大范圍降水伴雷暴天氣。南寧機場于2 月4 日15：00—5 日14：00（北京時間，下同）出現(xiàn)長時間間歇性降水并伴有雷暴天氣。如圖1 所示，4日15：00—5 日03：00，南寧機場一直是連陰雨天氣，降水強度較弱，受地面冷空氣過境影響，氣溫很低，在12～13 ℃，均低于2 月份累年平均氣溫15.3 ℃，5 日3時開始南寧機場雨量有所增強，03：56—03：58 機場出現(xiàn)雷暴，持續(xù)時間2 min，04：08 降水加強為中陣雨，04：41 減弱為小陣雨，在05：00 前1 h 累積降水量最大，達到了9.1 mm。5 日10：08 南寧機場再次出現(xiàn)中陣雨，10：26—10：46、11：20—11：48 分別再次出現(xiàn)雷暴，持續(xù)時間分別為20 和28 min。此次天氣過程為南寧機場2023 年初雷，降水時間較長，累積降雨量為29.4 mm。

圖1 2 月4 日15：00—5 日15：00 南寧機場前1 h 累積降水量及氣溫圖

1.2 過程特點

從南寧機場初雷歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)上來看[2]，2012—2022 年南寧機場初雷發(fā)生在每年的3 月份的次數(shù)最多，且1986—2020 年南寧機場平均初雷日期為3 月6日，2023 年的初雷出現(xiàn)在2 月上旬，出現(xiàn)時間較以往偏早。此次雷雨天氣過程中3 次雷暴過程持續(xù)時間分別為2、20、28 min，持續(xù)時間偏短。從2012—2022 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，南寧機場3 月份前出現(xiàn)的初雷過程雷暴持續(xù)時間較短，均未超過30 min。

2 天氣形勢分析

2.1 環(huán)流形勢場

5 日04：00，南寧地區(qū)地面為冷高脊形勢，弱冷空氣從桂北向南滲透，地面冷墊特征明顯（圖略）。925 hPa切變線位于桂中一帶（圖略），桂北受冷舌控制，桂中地區(qū)冷暖交匯明顯，南寧機場位于切變線以南較強的偏南暖濕氣流中，暖濕空氣遇低層冷墊抬升后易產(chǎn)生上升運動。850 hPa 切變線位于廣西、貴州與湖南交界處（圖略），南寧機場亦受切變線以南較強偏南暖濕氣流影響。南寧地區(qū)低層強西南暖濕氣流疊加在切變線及邊界層冷墊之上，暖濕空氣沿925 hPa 的鋒面做斜升運動，具備一定的對稱不穩(wěn)定性。南寧機場700 hPa 同樣受西南急流影響（圖略），與850 hPa 的暖濕空氣一起為南寧機場上空帶來了高溫、高濕的環(huán)境，為對流不穩(wěn)定的建立提供前提條件，500 hPa 南支槽位于云南和中南半島交界處（圖略），南寧機場處于南支槽前的西南風場中，槽前輻合使得暖濕空氣抬升，有利于對流天氣的形成。

2.2 溫度平流場

5 日04：00，南寧機場上空850 hPa 及其上游也有明顯的暖平流（圖略），南寧地區(qū)低層暖平流特征明顯。而在400 hPa 及其上游則存在明顯的冷平流特征（圖略），中低層暖平流、高層冷平流的配置加大了高低層溫差，垂直溫度遞減率增大，熱力不穩(wěn)定增強，為此次初雷和降水的形成提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。

2.3 風廓線雷達

從圖2 南寧機場風廓線雷達風羽圖可以看出，5 日00：00—06：00 南寧機場925 hPa 以下為東北氣流，近地面一直有一層較淺薄的冷空氣存在，03：30 前500～400 hPa 存在高空急流，從03：30 開始，925～700 hPa 偏南風場開始逐漸加強為低空急流，南寧機場上空暖濕輸送增強，使不穩(wěn)定層結(jié)加強，且由于存在高低空急流耦合，為暖濕氣流的抬升提供了一定的動力條件；500 hPa 也由偏西風場轉(zhuǎn)為明顯的西南風場，表明影響南寧機場的高空槽在加深。

圖2 2 月5 日00：00—06：00 南寧機場風廓線雷達風羽圖

4 日21：30 開始，南寧機場風廓線雷達的最大探測高度由6 000 m 突然增大至7 500 m，有個突增的過程，表明在對流性降水發(fā)生前風廓線雷達的探測高度有一個增大過程，在降水發(fā)生時最大探測高度再次增大。主要原因是風廓線雷達回波信號產(chǎn)生的主要機制是大氣湍流運動導(dǎo)致的折射率在時間上和空間上不均勻分布，大氣折射率起伏越大，雷達作用距離就越大，盧維中等[7]研究發(fā)現(xiàn)大氣折射指數(shù)與大氣環(huán)境密切相關(guān)，且大氣濕度越大，雷達探測高度越高。4 日21：30 開始風廓線雷達的探測高度突然增大，反映出南寧機場上空的水汽在增加，水汽的輻合增強，表明水汽條件充足。圖3 是根據(jù)5 日南寧機場風廓線雷達資料計算出的低空急流指數(shù)，其計算方法為用3 000 m 高度以下低空急流中心的最大風速除以風速達到12.0m·s-1及以上的最低高度，低空風速越大、急流所在高度越低，低空急流指數(shù)也就越大，03：30 前低空急流指數(shù)為010-3s-1，03：30 低空急流指數(shù)突然增大至1610-3s-1，且在每6 min 降水量最大的時候，低空急流指數(shù)也達到了最大，結(jié)合圖2 來看，說明在對流性降水發(fā)生前半小時左右低層的西南氣流加強為急流，觸發(fā)了本次降水天氣過程。

圖3 2 月4 日—5 日南寧機場低空急流變化

3 環(huán)境條件分析

3.1 探空曲線圖

從4 日20 時南寧站探空圖（圖4）可以看出，南寧地區(qū)上空970～870 hPa 存在明顯逆溫層，逆溫達到5 ℃。從垂直風場，地面到925 hPa 有弱冷空氣滲透，925 hPa～700 hPa 風向隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，700 hPa～400 hPa 風向隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流。在垂直方向的風向中，近地層為東北風，925 hPa 逆轉(zhuǎn)為偏南風，風速陡增至12 m/s，在低層925～850 hPa 存在低空急流；450 hPa 以上為偏西風，風速均大于30 m/s，450 hPa 以上存在高空急流；近地面至400 hPa 的垂直風速切變達到36 m/s，南寧上空存在明顯的垂直風切變，有利于對流的發(fā)生和維持。

圖4 2 月4 日20：00 南寧站修訂抬升高度后的T-logP圖

綜上所述，本次初雷過程發(fā)生之前，南寧地區(qū)地面有弱冷空氣滲透，低層受偏南暖濕氣流影響，因此近地層存在逆溫層，層結(jié)相對穩(wěn)定，但是由于南寧上空存在一支強的高空急流，當高空急流引導(dǎo)動量下傳造成低空急流增強時，低層的暖濕水汽會出現(xiàn)明顯的增強，產(chǎn)生輻合抬升，從而觸發(fā)對流的發(fā)展，此次對流過程形成于近地層冷墊之上，是一次明顯的高架雷暴過程。

從4 日20 時南寧站對流參數(shù)實際值和廣西區(qū)氣象局統(tǒng)計的南寧地區(qū)易產(chǎn)生對流天氣時各項對流參數(shù)的指標值可以對比看出（表1），4 日20 時南寧地區(qū)K指數(shù)為38.2，SI指數(shù)為-2.1，θse850-θse500為12.12，均達到了氣象局統(tǒng)計給出的對流參數(shù)指標值，T850-T500為24.5，也非常接近指標值，不穩(wěn)定條件較好，有利于雷電產(chǎn)生。雖然CAPE僅為1.9 J/kg，但假定氣塊從逆溫層頂870 hPa 開始絕熱上升對狀態(tài)曲線進行訂正，CAPE值增加至306.7 J/kg，不穩(wěn)定能量主要集中在870 hPa 到450 hPa 高度之間；同時由圖4 可以看出南寧地區(qū)濕層較厚，水汽條件較好，從地面到550 hPa 相對濕度均大于等于80%，低層大氣基本處于飽和狀態(tài)。

表1 2 月4 日20 時南寧站對流參數(shù)實際值與氣象局統(tǒng)計的指標值

3.2 物理量場

從垂直水汽通量散度剖面圖上可以看出（圖5），5日04：00，南寧地區(qū)及其下游附近，低層1 000 hPa 至中層600 hPa 為水汽通量散度的負值區(qū)，最大達到-2.5×10-5g/（s·hPs·cm2），說明南寧地區(qū)及其下游附近存在明顯低層至中層的水汽輻合，而500～300 hPa 為水汽通量散度的正值區(qū)，最大達到0.2×10-5g/（s·hPs·cm2），表明南寧地區(qū)及其下游附近的高層存在水汽的輻散，高層輻散場產(chǎn)生的抽吸作用有利于水汽的抬升，為對流的產(chǎn)生提供了水汽動力條件。從垂直速度場可以看出（圖6），南寧地區(qū)4 日20：00—5 日03：00，1 000～925 hPa 存在較弱的垂直上升運動，中層為較弱的下沉運動，5 日04：00—06：00，850～500 hPa垂直上升運動有明顯的加強，垂直上升速度最高達到了-0.8 Pa/s，為對流性降水以及初雷的發(fā)生提供了有利的抬升條件。

圖5 2 月5 日04：00 垂直水汽通量散度剖面圖

圖6 2 月4 日20：00—5 日07：00 南寧地區(qū)垂直速度剖面圖

4 結(jié)論與討論

1）2023 年的初雷出現(xiàn)在2 月上旬，較歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，出現(xiàn)時間偏早，雷暴持續(xù)時間偏短。

2）此次雷雨天氣過程發(fā)生時近地面受冷空氣控制，氣溫較低，近地層存在明顯的逆溫層，雷暴在逆溫層以上發(fā)展，是明顯的高架雷暴天氣過程。

3）高層冷平流、中低層暖平流的配置使得垂直溫度遞減率加大，層結(jié)不穩(wěn)定加強，同時中低層層結(jié)接近飽和，水汽充足，這是此次高架雷暴產(chǎn)生的主要條件。

4）中低層強西南暖濕氣流疊加在近地層鋒區(qū)上，沿鋒區(qū)做斜升運動，低空急流加強產(chǎn)生的輻合以及925 hPa 高度的切變輻合可能是本次對流形成的觸發(fā)機制。

5）風廓線雷達最大探測高度的增大可以反映測站上空存在水汽輻合，對降水的預(yù)測有一定的指示作用，低空急流指數(shù)很容易反映出低空急流的加強過程，而低空急流的突然加強在適宜的環(huán)境條件下往往容易形成降水，所以低空急流指數(shù)的突然增大對降水的發(fā)生也有一定的指示作用。

6）K指數(shù)、SI指數(shù)、θse850-θse500以及T850-T500的值均對此次雷暴天氣的預(yù)報有較好的指示意義，由于逆溫層的存在，CAPE值在訂正前為1.9 J/kg，但從逆溫層頂對狀態(tài)曲線進行訂正后CAPE值增加至306.7 J/kg，在今后的初雷預(yù)測中，可多關(guān)注這幾個對流參數(shù)。

7）低層水汽輻合，高層水汽輻散，以及中低層的垂直上升速度增強，為對流性降水以及初雷的發(fā)生提供了有利的動力抬升條件。

8）此次雷雨發(fā)生前的天氣形勢及天氣實況更符合冬春季連陰雨天氣的情況，往往容易忽略雷暴的產(chǎn)生，在今后的保障過程中值得注意。