陳春元

（中國(guó)民用航空中南地區(qū)空中交通管理局，廣東廣州 510405）

7月份正值華南后汛期。關(guān)于華南后汛期降水的相關(guān)研究中，呂梅等［1］、史學(xué)麗等［2］指出7月中旬以后副高脊線穩(wěn)定在33°N—35°N之間，華南主要受副高南側(cè)偏東風(fēng)里的熱帶天氣系統(tǒng)及印度西南季風(fēng)影響；黃忠等［3］、吳尚森等［4］指出季風(fēng)槽是華南后汛期除了熱帶氣旋之外的主要降水系統(tǒng)；梁巧倩［5］指出后汛期季風(fēng)強(qiáng)降水的對(duì)流高度更低，對(duì)流活動(dòng)具有正壓的熱帶對(duì)流性質(zhì)，可在弱的水汽通量輻合和垂直風(fēng)切變環(huán)境中維持。影響華南后汛期降水的系統(tǒng)中［6－10］，局地?zé)崃?duì)流也是重要的影響因子。熱力對(duì)流突發(fā)性強(qiáng)，局地生消，很難提前預(yù)判對(duì)流發(fā)生的時(shí)間和位置，且回波幾乎原地不動(dòng)，若落點(diǎn)位于本場(chǎng)及重要導(dǎo)航點(diǎn)，將長(zhǎng)時(shí)間影響航班起降及進(jìn)出港，引發(fā)大面積航班延誤，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。關(guān)于熱力對(duì)流的預(yù)報(bào)至今仍是難點(diǎn)。

本研究利用白云機(jī)場(chǎng)氣象觀測(cè)資料和ERAinterim再分析資料（空間分辨率為0.5°×0.5°），從熱力和動(dòng)力角度對(duì)白云機(jī)場(chǎng)后汛期的一次午后熱力對(duì)流天氣進(jìn)行診斷分析，加深對(duì)局地?zé)崃?duì)流天氣的認(rèn)識(shí)，希望為相似形勢(shì)下的預(yù)報(bào)和服務(wù)提供有益的參考。

1 天氣過(guò)程概述

2019年7月22日廣州白云機(jī)場(chǎng)終端區(qū)出現(xiàn)了一次午后熱對(duì)流天氣過(guò)程（圖1）。

圖1 2019年7月22日10：30（a）、13：00（b）、15：00（c）、23：00（d）廣州白云機(jī)場(chǎng)終端區(qū)雷達(dá)組合反射率拼圖（單位：dBz）

7月22日10：30（北京時(shí)，下同）開(kāi)始，白云機(jī)場(chǎng)終端區(qū)開(kāi)始有對(duì)流生成，此時(shí)較強(qiáng)對(duì)流位于終端區(qū)外廣東東部地區(qū)；12：00以后機(jī)場(chǎng)終端區(qū)內(nèi)有對(duì)流不斷向西擴(kuò)展并逐漸發(fā)展加強(qiáng)，13：00對(duì)流覆蓋本場(chǎng)上空，本場(chǎng)聞雷，此時(shí)整個(gè)終端區(qū)南部開(kāi)始出現(xiàn)大范圍的孤立對(duì)流云團(tuán)。13：10—15：00本場(chǎng)受到中到強(qiáng)雷雨天氣影響，短時(shí)能見(jiàn)度下降至600 m，回波移速緩慢，以小于10 km／h的速度向東北方向移動(dòng)。本場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的雷雨天氣嚴(yán)重影響航班起降，終端區(qū)范圍的對(duì)流云團(tuán)覆蓋率和強(qiáng)度均增大。15：00以后對(duì)流云團(tuán)主體移到本場(chǎng)東側(cè)，但終端區(qū)東部和南部仍有成片的強(qiáng)對(duì)流天氣影響，回波頂高達(dá)13 km，且回波間隙不足，對(duì)飛機(jī)在導(dǎo)航點(diǎn)附近的繞飛造成很大影響，其中終端區(qū)南部的帶狀回波位于跑道延長(zhǎng)線上，長(zhǎng)時(shí)間堵住飛機(jī)進(jìn)近和進(jìn)出港。隨后對(duì)流云團(tuán)強(qiáng)度逐漸減弱，但對(duì)白云機(jī)場(chǎng)終端區(qū)范圍的影響持續(xù)到23：00。

該次降水回波隨著溫度升高，強(qiáng)度和覆蓋率逐漸增加；回波原地生成，移速非常緩慢，隨著溫度降低逐漸減弱消散，這些特點(diǎn)均符合午后熱力對(duì)流的回波特征。

2 環(huán)流背景分析

從7月22日14：00天氣形勢(shì)分布（圖2ac）可知，500 hPa副高位置偏北，副高脊線位于32°N附近，華南位于副高南側(cè)，在北部灣和南海東北部分別存在一個(gè)氣旋式環(huán)流，即存在兩個(gè)中層氣旋，中層氣旋是與夏季風(fēng)天氣直接相關(guān)的一種系統(tǒng)擾動(dòng)，是華南后汛期典型的天氣系統(tǒng)之一，中層氣旋以下的大氣十分不穩(wěn)定［11－12］，有利于對(duì)流的發(fā)展。廣州位于兩個(gè)氣旋環(huán)流北側(cè)，盛行東北風(fēng)場(chǎng)。在西南地區(qū)也存在一個(gè)氣旋式環(huán)流。該環(huán)流在850 hPa和地面更加明顯，該深厚系統(tǒng)為西南低渦。850 hPa整個(gè)華南均受西南風(fēng)場(chǎng)控制，切變線位于長(zhǎng)江流域，風(fēng)場(chǎng)較弱沒(méi)有低空急流。地面氣壓場(chǎng)東高西低，呈東北－西南走向，整個(gè)華南位于低壓槽中，在廣西中南部存在小范圍風(fēng)速輻合。該次過(guò)程存在的天氣系統(tǒng)包括中層氣旋、西南低渦和低壓槽，為雷雨天氣的發(fā)生提供了不穩(wěn)定的背景環(huán)境。結(jié)合地面中尺度分析（圖2d）可知在珠江口以北有兩條地面輻合線，輻合線位于終端區(qū)南部，對(duì)應(yīng)圖1對(duì)流在終端區(qū)南部發(fā)展較強(qiáng)，且沿輻合線方向呈線狀發(fā)展，為對(duì)流天氣提供抬升條件，有利于對(duì)流的持續(xù)激發(fā)。

圖2 2019年7月22日14：00 500 hPa（a）、850 hPa（b）風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位：m／s）和位勢(shì)高度（等值線，單位：dagpm）；地面風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位：m／s）和海平面氣壓（等值線，單位：hPa）（c）；08：30地面中尺度分析（d）

3 物理量場(chǎng)診斷分析

3.1 水汽條件

該次過(guò)程華南位于西南低渦東南側(cè)的西南風(fēng)場(chǎng)中，帶動(dòng)水汽不斷向西南方向輸送，水汽主要來(lái)源于孟加拉灣，并在北部灣得到補(bǔ)充。廣西東部和廣東西部存在水汽通量大值區(qū)，中心值達(dá)12 g·cm－1·hPa－1·s－1，白云機(jī)場(chǎng)位于水汽輸送通道上，通量值達(dá)8 g·cm－1·hPa－1·s－1。此處水汽通量散度值為－1×10－5g·cm－2·hPa－1·s－1，存在水汽通量輻合，水汽在此處積累匯聚（圖3a）。從相對(duì)濕度剖面圖（圖3b）可以看出，白云機(jī)場(chǎng)上空的濕層深厚（圖中黑色圓點(diǎn)表示白云機(jī)場(chǎng)所在位置，下同），250 hPa以下相對(duì)濕度達(dá)到80%，其中低層900 hPa以下大值區(qū)達(dá)90%?？梢?jiàn)該次過(guò)程白云機(jī)場(chǎng)處于水汽充足的高濕度環(huán)境中，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供有利的水汽條件。

圖3 2019年7月22日14：00 850 hPa水汽通量（填色區(qū)和矢量箭頭，單位：g·cm－1·hPa－1·s－1）和水汽通量散度（等值線，單位：g·cm－2·hPa－1·s－1）（a）以及沿113.5°E相對(duì)濕度垂直剖面（單位：%）（b）

3.2 不穩(wěn)定能量

假相當(dāng)位溫可表征大氣的溫濕特征［13］，從其垂直剖面圖（圖4）可以看出，假相當(dāng)位溫高值中心位于靠近地面26°N附近，量值達(dá)380 K，此處為高能區(qū)；低值中心位于800～500 hPa，20°N—22°N之間，為340 K，能力差值達(dá)40 K。白云機(jī)場(chǎng)位于高值中心向低值中心的過(guò)渡區(qū)，等值線密集，說(shuō)明白云機(jī)場(chǎng)上空存在能量梯度大值區(qū)，大氣的濕斜壓性很強(qiáng)，有能量鋒區(qū)相配合。大氣中的高能量有利于對(duì)流天氣的發(fā)生，另外，白云機(jī)場(chǎng)上空700 hPa以下，風(fēng)場(chǎng)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表明大氣低層有暖平流滲透，有利于能量的補(bǔ)充，增加大氣的對(duì)流不穩(wěn)定性。

圖4 2019年7月22日14：00沿113.5°E假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）和水平風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位：m／s）垂直剖面

從7月22日08：00的清遠(yuǎn)探空資料可知，對(duì)流有效位能（CAPE）值達(dá)到1 643 J／kg，可見(jiàn)此時(shí)大氣已經(jīng)積累了很高的不穩(wěn)定能量，而對(duì)流抑制有效位能（CIN）為0，有利于對(duì)流發(fā)展。K指數(shù)和沙氏指數(shù)（SI）分別為40和－2.08℃，可見(jiàn)大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。抬升凝結(jié)高度（LFC）為952.2 hPa，只需要較小的外力抬升作用，就容易觸發(fā)對(duì)流發(fā)展。

本場(chǎng)溫度在22日早上08：00為28℃，09：00上升到29℃，09：30溫度達(dá)到30℃。溫度在30℃以上是熱力對(duì)流產(chǎn)生的必要條件。之后溫度繼續(xù)上升，11：00溫度上升到32℃。13：00后本場(chǎng)受到降水天氣影響，溫度維持在32℃。持續(xù)高溫對(duì)大氣的加熱作用，促使不穩(wěn)定能量進(jìn)一步增大，為午后對(duì)流降水提供熱力條件。

3.3 動(dòng)力條件

3.2節(jié)分析可知，白云機(jī)場(chǎng)上空已經(jīng)積累了較高的不穩(wěn)定能量和層結(jié)不穩(wěn)定度，但強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生還需要觸發(fā)機(jī)制。分析白云機(jī)場(chǎng)上空渦度平流垂直分布（圖5）可知，500 hPa以下為弱的負(fù)渦度平流，負(fù)值中心位于900 hPa附近，量值為－0.4×10－4s－2，200 hPa附近有正渦度平流中心，量值為1.2×10－4s－2。

圖5 2019年7月22日14：00沿113.5°E垂直剖面渦度平流（單位：×104 s－2）

這種低層負(fù)值、高層正值的渦度平流配置，有利于觸發(fā)次級(jí)環(huán)流發(fā)展［14］，使動(dòng)力作用加強(qiáng)。

從散度場(chǎng)垂直分布可以看出，白云機(jī)場(chǎng)上空500 hPa以下散度為負(fù)值區(qū)，500 hPa以上為正值區(qū)，正值中心達(dá)1.5×10－5s－1。可見(jiàn)散度場(chǎng)為低層輻合、高層輻散的配置，有利于Ekman抽吸作用，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件。

3.4 風(fēng)廓線雷達(dá)

本場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)所在位置在圖1a中黑色方框中標(biāo)出。風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)顯示10：00開(kāi)始白云機(jī)場(chǎng)低層主要盛行東南風(fēng)，隨著高度增加風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，1 000 m高度以上風(fēng)向又逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，2 000 m以上逐漸轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，甚至西北風(fēng)（圖6）。風(fēng)向隨高度明顯順轉(zhuǎn)，該日低層雷暴發(fā)生前后均有暖平流不斷滲透。在雷暴發(fā)生前11：00—13：00和雷暴影響中15：00—17：00，中層大氣3 000～4 000 m盛行東北風(fēng)，且風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，有干冷平流滲透，增加大氣層結(jié)不穩(wěn)定度。在13：30—14：00期間，機(jī)場(chǎng)上空3 000 m以下先盛行西南風(fēng)，然后盛行西北風(fēng)，表明有小尺度氣旋式環(huán)流過(guò)境，為雷暴觸發(fā)提供動(dòng)力上升機(jī)制，與本場(chǎng)雷雨爆發(fā)時(shí)間相對(duì)應(yīng)。隨后14：00—15：00時(shí)段也不斷有小尺度渦旋擾動(dòng)過(guò)境（紅色方框標(biāo)出），為雷暴的持續(xù)激發(fā)提供有利機(jī)制。

圖6 2019年7月22日10：00—18：00白云機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)分布（單位：m／s）

4 CDM產(chǎn)品檢驗(yàn)分析

CDM對(duì)流臨近預(yù)報(bào)產(chǎn)品為中南空管局氣象中心自主研發(fā)的終端區(qū)對(duì)流臨近預(yù)報(bào)產(chǎn)品。該產(chǎn)品能夠提前顯示出本場(chǎng)和終端區(qū)重要導(dǎo)航點(diǎn)預(yù)計(jì)受對(duì)流影響的時(shí)段和強(qiáng)度。在12：30時(shí)CDM產(chǎn)品顯示本場(chǎng)將于13：36受到中等強(qiáng)度對(duì)流天氣影響，對(duì)比實(shí)況，本場(chǎng)于13：30出現(xiàn)強(qiáng)雷雨。預(yù)報(bào)時(shí)間提前量達(dá)1 h，強(qiáng)度略弱。隨著時(shí)間臨近不斷修正預(yù)報(bào)結(jié)果，13：18 CDM顯示本場(chǎng)持續(xù)受到強(qiáng)對(duì)流影響，并于14：30后減弱，15：00后不再影響本場(chǎng)。對(duì)比實(shí)況本場(chǎng)強(qiáng)雷雨于14：30后轉(zhuǎn)為弱雷雨，15：00雷雨過(guò)程結(jié)束，與預(yù)報(bào)完全一致?？梢?jiàn)CDM產(chǎn)品對(duì)于該次午后熱力雷暴有很好的預(yù)報(bào)效果。

5 結(jié)論

1）該次降水回波隨著日增溫，強(qiáng)度和覆蓋率逐漸增加；回波原地生成，移速非常緩慢，隨著溫度降低逐漸消散。這些均符合午后熱力對(duì)流的特征。

2）影響該次過(guò)程的天氣系統(tǒng)包括位于白云機(jī)場(chǎng)西北側(cè)的深厚系統(tǒng)西南低渦、北部灣和南海東北部的中層氣旋以及地面低壓槽，為對(duì)流天氣的發(fā)生提供不穩(wěn)定環(huán)境。地面存在中尺度輻合線，有利于對(duì)流的持續(xù)激發(fā)。

3）該次天氣過(guò)程中，白云機(jī)場(chǎng)位于源自孟加拉灣的水汽輸送通道上，并有水汽的積累，其上空大氣濕層深厚，白云機(jī)場(chǎng)位于高濕區(qū)，水汽條件充足。

4）白云機(jī)場(chǎng)上空存在能量梯度大值區(qū)，大氣的濕斜壓性很強(qiáng)，有能量鋒區(qū)相配合，且低層有暖平流滲透，有利于能量補(bǔ)充。中層有干冷平流不斷滲透，維持大氣層結(jié)長(zhǎng)時(shí)間處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于積累不穩(wěn)定能量。持續(xù)高溫為對(duì)流天氣的發(fā)生提供熱力條件。

5）渦度平流低層負(fù)值、高層正值的配置，有利于觸發(fā)次級(jí)環(huán)流，使動(dòng)力作用加強(qiáng)。散度場(chǎng)低層輻合、高層輻散的配置，有利于Ekman抽吸作用，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供動(dòng)力條件。小尺度渦旋擾動(dòng)不斷過(guò)境，為雷暴持續(xù)性激發(fā)提供觸發(fā)機(jī)制。

6）CDM對(duì)流臨近預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)于該次熱力對(duì)流的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間做出了較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，強(qiáng)度開(kāi)始預(yù)報(bào)偏弱，動(dòng)態(tài)修訂后趨于準(zhǔn)確。CDM產(chǎn)品對(duì)于該次午后熱力雷暴有很好的預(yù)報(bào)效果。