首都國際機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，通過環流形勢、水汽條件和垂直運動以及穩定度和能量等方面分析討論了秋季影響中弱對流系統發展的天氣尺度環境條件。結果表明：弱對流發展時，天氣尺度上升運動的強度不強，上升運動中心出現的高度不高，不利于深對流的發展；對流層中下層空氣的濕度偏小，不能夠支持強對流云發展。因此，天氣尺度上升運動發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弱的重要依據。由于對流層低層環境大氣絕對濕度降低，各大氣穩定度指數均偏小，垂直上升運動主要源于高空槽和對流層低層能量鋒區的強迫運動，而環境大氣的穩定度貢獻很小。

【關鍵詞】弱對流；雷雨；天氣尺度

0 前言

秋季是華北地區對流天氣多發季節之一。入秋后，隨著西太平洋副熱帶高壓南撤，對流層中下層環境大氣的濕度較盛夏有所降低。中緯度地區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。大氣環流形勢的上述變化導致該季節對流天氣的統計特征發生了一些改變。首先，對流性暴雨減少，強對流活動較多地表現為冰雹和雷暴大風；其次，弱對流過程增加。對流強度判別一直是預報實踐中的難點，它影響著精細化預報和預警的準確程度，在過渡季節更是如此。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日發生在秋季的貝蒙槽前環流型（槽前暖區里），強度為較弱的線型對流過程，利用NCEP1°×1°再分析資料，通過環流形勢、水汽條件和垂直運動以及穩定度和能量等方面分析討論了秋季影響對流強弱的天氣尺度環境條件。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、對流天氣范圍較大的個例將有助于對天氣尺度系統的分析；在分析對流系統中的單體時，其對流系統的強弱在某種程度上決定于單體的強弱。

1 環流形勢特征及其系統的配置

圖1 海平面氣壓

圖2 850hPa、700hPa、500hPa風溫濕度場

（時間：10月01日00UTC）

在9月30日夜間16UTC（世界協調時）之前華北管區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首都機場出現雷雨，分別持續近42分鐘和47分鐘，期間以小陣雨為主。這次雷雨雖然產生的雨量并不大，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定的經向環流，呈兩脊兩槽的形勢下產生的。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蒙地區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，隨著冷空氣從槽后不斷南下，北京地區正處于槽前明顯的西南暖濕氣流中。華北地面系統發展移動很快（圖1），北京位于冷高壓前部狹長的低壓帶中，風向輻合切變線也出現在地面鋒區附近，只是強度較弱，具有一定的地面輻合抬升條件。圖2中700hPa、500hPa較850hPa系統稍稍后傾，700hPa與500hPa系統幾乎垂直，均處在槽前暖區中。從上述系統的配置可以初步看到，高低空的系統特征差異較小。我們知道前傾槽背景下易形成不穩定層結，從而有利于強對流發展，而此次過程是在垂直結構槽背景下形成的對流系統，范圍較窄且強度較前傾槽弱。當然只根據環流形勢和高空槽的配置是不能完全說明對流強弱的原因，需要作進一步的深入分析。

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）

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

從圖4剖面圖看，可以看到對流發生、發展的水汽主要來自500hPa以下，首都機場（116°附近）中低層的水汽通量散度為負，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，低層環境大氣中的絕對含水量低導致動力抬升后凝結量有限，從而制約了對流系統的發展。

天氣尺度垂直運動的分布是動力強迫、穩定度等多種因素作用的綜合體現，也是決定中尺度對流系統發生、發展的基本環境條件。此次雷暴過程中對流活動均產生在天氣尺度上升區內（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以上則開始轉變為下沉氣流，從而限制了對流云發展的高度，這與雷達圖上顯示的對流回波頂高6-7公里相一致。綜合圖7，首都機場從雷暴發生至結束，低層（850hPa以下）并未出現強的上升氣流，這與中低層垂直分布的槽產生的天氣尺度強迫強度有關。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度不如強對流系統。

3 大氣穩定度和能量分析

影響環境大氣穩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，層結較薄。850hPa暖平流值最大值位于北京地區附近（圖8），冷空氣的主體在北京地區北部。500hPa對流區內在整個雷雨過程中維持著暖平流，強度減小明顯，而且暖平流的最大值位于北京地區西南，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，具有一定的不穩定能量。

圖7 首都機場（40°N，116°E）風溫濕廓線圖

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境大氣穩定度。眾所周知，9月底10月初，季節已逐漸由中秋漸轉為晚秋，幾乎接近終雷日期，各項雷雨指標絕對數值都已經很不明顯。CAPE值與CIN值絕對值（圖9）都在雷雨開始至結束階段均處于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達到最大值27，之后迅速減小，環境大氣偏不穩定，TT指數的變化特征也同樣說明大氣不穩定，K指數變化趨勢一直增大，但數值小于31°C，依據判定條件可能會出現零星至分散的雷雨。從A指數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。綜上分析弱雷雨發展時，各大氣穩定度指數均偏小，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的強迫運動，而環境大氣的穩定度貢獻很小。

圖9 首都機場（40°N，116°E）各能量指數圖

4 結論

本文分析了北京地區秋季一次弱雷雨對流個例，目的是討論過渡季節中弱對流系統發展的天氣尺度環境條件究竟是什么？得到了以下結論：

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

2）弱對流發展時，對流層中下層空氣的濕度偏小，不能夠支持強對流云發展。因此，天氣尺度上升運動發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弱的重要依據。

3）此次弱雷雨個例的CAPE值僅在10J/kg以下，只有邊界層內具有暖濕和不穩定的特征。上述分析結果說明，進入秋季后，由于對流層低層環境大氣絕對濕度降低，各大氣穩定度指數均偏小，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的強迫運動，而環境大氣的穩定度貢獻很小，因此，暖濕層和不穩定層的厚度也是影響北京秋季對流強弱的因素。

本文通過分析總結了華北地區秋季影響對流強弱的天氣尺度環境條件?？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，得到有關秋季弱對流特征的判定，而不能完全反映整個對流系統的發展條件。因為線型對流的發生、發展是一個復雜的問題，天氣尺度背景條件可能只是決定其強弱的一部分，還應該考慮有中尺度機制以及不同尺度系統之間的相互作用，下一步將通過高分辨率中尺度數值模擬來探討對流系統中尺度機制與單體發展。

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[責任編輯：王楠]