首都国际机场一次秋季弱对流型雷雨特征分析

黄亿

【摘 要】本文利用NCEP1°×1°再分析资料，通过环流形势、水汽条件和垂直运动以及稳定度和能量等方面分析讨论了秋季影响中弱对流系统发展的天气尺度环境条件。结果表明：弱对流发展时，天气尺度上升运动的强度不强，上升运动中心出现的高度不高，不利于深对流的发展；对流层中下层空气的湿度偏小，不能够支持强对流云发展。因此，天气尺度上升运动发展的高度以及对流层中下层大气的含水量是判断秋季对流强弱的重要依据。由于对流层低层环境大气绝对湿度降低，各大气稳定度指数均偏小，垂直上升运动主要源于高空槽和对流层低层能量锋区的强迫运动，而环境大气的稳定度贡献很小。

【关键词】弱对流；雷雨；天气尺度

0 前言

秋季是华北地区对流天气多发季节之一。入秋后，随着西太平洋副热带高压南撤，对流层中下层环境大气的湿度较盛夏有所降低。中纬度地区处在冷暖空气的交汇地带，冷空气活动日趋频繁、势力逐渐加强。大气环流形势的上述变化导致该季节对流天气的统计特征发生了一些改变。首先，对流性暴雨减少，强对流活动较多地表现为冰雹和雷暴大风；其次，弱对流过程增加。对流强度判别一直是预报实践中的难点，它影响着精细化预报和预警的准确程度，在过渡季节更是如此。因此，分析和研究影响弱对流的因素十分必要。

本文选择了2013年10月1日发生在秋季的贝蒙槽前环流型（槽前暖区里），强度为较弱的线型对流过程，利用NCEP1°×1°再分析资料，通过环流形势、水汽条件和垂直运动以及稳定度和能量等方面分析讨论了秋季影响对流强弱的天气尺度环境条件。在天气尺度背景条件研究中，所用资料的空间分辨率一般较低，因此，选择尺度相对较大的对流系统、对流天气范围较大的个例将有助于对天气尺度系统的分析；在分析对流系统中的单体时，其对流系统的强弱在某种程度上决定于单体的强弱。

1 环流形势特征及其系统的配置

图1 海平面气压

图2 850hPa、700hPa、500hPa风温湿度场

（时间：10月01日00UTC）

在9月30日夜间16UTC（世界协调时）之前华北管区西部河套走廊南部有雷雨回波生成，向东北方向移动，逐渐减弱，其移动成跳跃式，至18UTC时回波明显减弱，闪电定位仪上已无显示，但是随着高空小波动逐渐东移，19：40UTC时在首都机场150公里外有回波快速生成，并向东北移动，回波顶高6-7公里，移速较快，于21：37-22：19UTC，22：59-23：48UTC首都机场出现雷雨，分别持续近42分钟和47分钟，期间以小阵雨为主。这次雷雨虽然产生的雨量并不大，累计只有4.8毫米。

此次北京秋季弱雷雨过程是在欧亚中高纬度为稳定的经向环流，呈两脊两槽的形势下产生的。500hPa冷槽东移南压至中蒙边境附近，此时乌拉尔山阻塞高压形成，贝加尔湖以东至我国内蒙地区位于宽阔的低压槽中，同时，整个华北至东北均位于低压槽前部，华北处于明显正涡度区，随着冷空气从槽后不断南下，北京地区正处于槽前明显的西南暖湿气流中。华北地面系统发展移动很快（图1），北京位于冷高压前部狭长的低压带中，风向辐合切变线也出现在地面锋区附近，只是强度较弱，具有一定的地面辐合抬升条件。图2中700hPa、500hPa较850hPa系统稍稍后倾，700hPa与500hPa系统几乎垂直，均处在槽前暖区中。从上述系统的配置可以初步看到，高低空的系统特征差异较小。我们知道前倾槽背景下易形成不稳定层结，从而有利于强对流发展，而此次过程是在垂直结构槽背景下形成的对流系统，范围较窄且强度较前倾槽弱。当然只根据环流形势和高空槽的配置是不能完全说明对流强弱的原因，需要作进一步的深入分析。

2 水汽条件和垂直运动分析

图3 地面2米温度、湿度场和10米风场

图4 沿40°N水汽通量散度剖面

（时间：10月01日00UTC）

图5 首都机场（40°N，116°E）温度和露点廓线图

图6 沿40°N垂直运动剖面（时间：10月01日00UTC）

对流系统的强弱与水汽条件好坏有着很大关系。图2中北京地区高低层温度露点差较小，分布区域也与槽前西南气流大致重合，但中低层暖湿区维持时间较短，在01日00Z时，700hPa和850hPa湿区已经被切断。地面相对湿度（图3）在雷暴前达到80%以上，并且高值区与温度密集区几乎重合，在01日00Z湿区范围与大小均迅速下降与减小。可见锋前暖区为孕育雷暴提供有利条件，但水汽含量的多少与持续时间决定了对流系统所维持的强度与时间。

从图4剖面图看，可以看到对流发生、发展的水汽主要来自500hPa以下，首都机场（116°附近）中低层的水汽通量散度为负，高层为正，形成水汽低层辐合，高层辐散的有利配置，而从温度和露点廓线（图5）来看水汽含量的垂直分布，低层的水汽含量明显较中层少，低层环境大气中的绝对含水量低导致动力抬升后凝结量有限，从而制约了对流系统的发展。

天气尺度垂直运动的分布是动力强迫、稳定度等多种因素作用的综合体现，也是决定中尺度对流系统发生、发展的基本环境条件。此次雷暴过程中对流活动均产生在天气尺度上升区内（图6），垂直运动的最大值位于600hPa高度上下，对流的上升气流只存在于400hPa以下，而在400hPa以上则开始转变为下沉气流，从而限制了对流云发展的高度，这与雷达图上显示的对流回波顶高6-7公里相一致。综合图7，首都机场从雷暴发生至结束，低层（850hPa以下）并未出现强的上升气流，这与中低层垂直分布的槽产生的天气尺度强迫强度有关。因此，对流层低层水汽含量、水汽的垂直分布及其与上升运动的配置共同决定了此次雷雨过程的对流强度不如强对流系统。

3 大气稳定度和能量分析

影响环境大气稳定度的因素之一是温度。此次雷雨过程暖平流主要分布在较低的边界层内，层结较薄。850hPa暖平流值最大值位于北京地区附近（图8），冷空气的主体在北京地区北部。500hPa对流区内在整个雷雨过程中维持着暖平流，强度减小明显，而且暖平流的最大值位于北京地区西南，槽前的西南气流不断的将暖湿空气引入北京上空，配合500hpa主槽前部底部有短波槽影响，具有一定的不稳定能量。

图7 首都机场（40°N，116°E）风温湿廓线图

图8 850hPa、500hPa温度平流（时间：10月01日00Z）

影响天气尺度垂直运动的另一个重要因素是环境大气稳定度。众所周知，9月底10月初，季节已逐渐由中秋渐转为晚秋，几乎接近终雷日期，各项雷雨指标绝对数值都已经很不明显。CAPE值与CIN值绝对值（图9）都在雷雨开始至结束阶段均处于10J/kg以下，没有指示意义。从850hPa与500hPa的温度差来看，温度递减率逐步增大，在30日18UTC达到最大值27，之后迅速减小，环境大气偏不稳定，TT指数的变化特征也同样说明大气不稳定，K指数变化趋势一直增大，但数值小于31°C，依据判定条件可能会出现零星至分散的雷雨。从A指数越临近雷雨越大来看，中低层的水汽饱和程度较高，有利于对流降水。综上分析弱雷雨发展时，各大气稳定度指数均偏小，可见垂直上升运动主要源于高空槽和对流层低层能量锋区的强迫运动，而环境大气的稳定度贡献很小。

图9 首都机场（40°N，116°E）各能量指数图

4 结论

本文分析了北京地区秋季一次弱雷雨对流个例，目的是讨论过渡季节中弱对流系统发展的天气尺度环境条件究竟是什么？得到了以下结论：

1）弱对流发展时，天气尺度上升运动的强度不强，上升运动中心出现的高度不高，不利于深对流的发展。

2）弱对流发展时，对流层中下层空气的湿度偏小，不能够支持强对流云发展。因此，天气尺度上升运动发展的高度以及对流层中下层大气的含水量是判断秋季对流强弱的重要依据。

3）此次弱雷雨个例的CAPE值仅在10J/kg以下，只有边界层内具有暖湿和不稳定的特征。上述分析结果说明，进入秋季后，由于对流层低层环境大气绝对湿度降低，各大气稳定度指数均偏小，可见垂直上升运动主要源于高空槽和对流层低层能量锋区的强迫运动，而环境大气的稳定度贡献很小，因此，暖湿层和不稳定层的厚度也是影响北京秋季对流强弱的因素。

本文通过分析总结了华北地区秋季影响对流强弱的天气尺度环境条件。考虑到研究中使用的NCEP再分析资料的分辨率，选择了尺度相对较大的线型对流作为研究对象，得到有关秋季弱对流特征的判定，而不能完全反映整个对流系统的发展条件。因为线型对流的发生、发展是一个复杂的问题，天气尺度背景条件可能只是决定其强弱的一部分，还应该考虑有中尺度机制以及不同尺度系统之间的相互作用，下一步将通过高分辨率中尺度数值模拟来探讨对流系统中尺度机制与单体发展。

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[责任编辑：王楠]