一次短时强对流天气试飞气象保障分析

张 华，倪洪波，闫文辉，张月晴，赵 婕

（中国飞行试验研究院，陕西 西安710089）

1 引言

强对流天气具有突发性、 局地性及高强度等特点，短时间内很可能达到暴雨量级，同时还会伴随冰雹、短时大风等灾害，因此一直是航空气象保障中的重点[1-2]。 由于此类天气的影响系统强迫较弱，难以根据大尺度动力条件来进行预报预警[3-4]。 陕西地处高原东北侧，突发性强对流来势凶猛，生消演变较快，还经常伴随严重的局地雷暴、 大风、 暴雨等气象灾害，预报预警难度较大，对阎良机场（以下简称本场）的科研试飞效率、质量、进度产生影响，甚至威胁试飞安全，是试飞气象保障中极具挑战性的问题[5-7]。

2014 年9 月2 日， 本场发生了一次突发性短时局地强对流天气过程，南部没有急流存在，也没有明显的水汽和能量输送，未能识别出明显的影响系统，导致飞行准备阶段的天气预报失败， 飞行实施阶段多架参试飞机只能在复杂气象条件下冒险降落，或在空中盘旋等待天气好转后延迟返场降落。 因此，科学认识此类天气发生发展规律， 准确预报此类天气的落区、强度和起止时间，对于提升试飞气象预警保障综合效能具有重要意义。

本文综合利用自动气象站资料、FY-2D 卫星云图、多普勒雷达资料及NCEP 再分析资料，通过飞行准备阶段的天气预报、 飞行实施阶段的气象保障到飞行总结阶段的物理量诊断分析和研究， 探讨本场此次突发性天气过程的前期征兆及形成的可能机理， 从而为此类天气条件下的试飞气象保障预警提供有益的借鉴。

2 天气过程特点及对试飞的影响

2014 年9 月2 日中午， 陕西关中地区发生了一次突发性短时强对流天气过程。 陕西省99 个自动站逐小时降水资料和临近本场的5 个测站航危报资料表明， 此次突发性短时强对流天气过程降水较为集中，落区近似圆形，东西向及南北向水平尺度均小于100 km，过程最大降水量为8.7 mm，降水中心位于阎良机场。

分析本场的降水时段观测资料，可以发现，此次过程降水主要出现在13:05-14:10（北京时，下同），历时仅1 h 06 min。 其中，13:05-13:19 为微量降水，虽然雨量计观测到降水量为0.0 mm， 但人工目测地面仍有湿斑；13:20-14 时为主要降水时段，其中13:51-14 时10 min 累积降水量达3.9 mm；14:01-14:09 为微量降水，14:10 观测员报告降水停止。

在试飞气象保障中，除了降水会造成影响，短时强对流天气过程所带来的大风雷暴也会造成严重危害。 本次天气过程中， 本场的大风现象持续了26 min，期间平均风速达15 m/s、瞬时最大风速达18 m/s。 伴随而来的是， 本场的有效能见度突然转差，在30 min 内由6000 m 降低至3200 m，同时出现了持续34 min 的中等强度雷暴现象。

3 天气分析

2014 年9 月2 日10 时500 hPa 高空图上， 欧亚中高纬度地区为两槽一脊型， 西风槽位于巴湖以北地区， 新疆北部至蒙古中西部受高脊控制， 东亚槽从我国东北地区西部一直延伸至平凉兰州一带，槽后配合有冷平流， 副热带高压588 等高线西脊点位于贵州西部， 副高后部偏南暖湿气流和东亚槽后西北气流在关中地区辐合交汇 （图1a）。 700 hPa 高空图上， 我国东北地区西部过河套地区至银川一带受东亚槽影响， 并配合有冷平流， 河西走廊、 甘南一带受反气旋控制， 河套地区至河西走廊中东部受反气旋前部东北风控制。 反气旋前部的偏北气流和副高顶部的偏西气流在黄淮地区形成一条近乎东西向的切变线， 本场位于切变北侧偏北气流中 （图1b）。

图1 2014 年9 月2 日08 时（a）500 hPa（b）700 hPa 高空图

850 hPa 图上， 我国华北地区南部受气旋控制，西北地区东部受反气旋控制，副高位于华南地区，反气旋与副高之间的切变位于济南-郑州-重庆一带（图2a）。 9 月2 日08 时地面图上，与高空槽及切变线对应的降水区分别位于华北地区和黄淮地区，青藏高原东北侧区域均为晴空区。 分析气压场和风场的配置发现， 陕北到平凉一带有6-10 m/s 的偏北风影响，关中地区为0-2 m/s 的偏西风，在关中地区有风向风速的辐合， 平凉地区与太原地区24 h 变压差达到10 hPa，本场附近气压梯度较大，冷暖分布不均匀，有利于局地强对流的发生(图2b)。

图2 2014 年9 月2 日08 时(a)850 hPa 高空图(b)地面天气图

4 飞行实施阶段天气监测及保障

4.1 卫星云图分析

在飞行实施阶段，通过分析FY-2D 卫星红外云图进行宏观天气监测。12 时30 分的云图上，陇东、宁夏、陕西受大范围中、高云影响，关中地区和陕北南部云层的纹理较均匀。13:30，陕西秦岭以北上空的云层，有絮状特征，但无对流云团结构。 14 时30 分，关中地区上空云层更加稀薄，甚至显露出地形轮廓。 在12 时50 分本场观测到积雨云之前，未接到空中参与飞行试验的飞机和咸阳机场民航起降航班关于对流天气发生发展的报告。

4.2 雷达监测分析

9 月2 日12:28 西安泾阳站多普勒天气雷达回波显示，在耀县与富平交界处，距本场25 km 的西北方向出现小范围块状回波，其中心强度约为40 dBz，12 时40 分多普勒雷达显示， 该块状回波向本场移动，范围明显增大，中心强度迅速增大到55-60 dBz。12 时54 分本场北部有积雨云发展，系不稳定云团前沿的积雨云和顶部云砧部分， 积雨云的单独分云量为2 成。 13 时02 分本场观测到零星阵性降水，与前期回波位置相比，本场北部块状回波明显南压东移，主体强度大于65 dBz。 13 时20 分本场出现雷暴，13时50 分本场出现大风危险天气， 雷声明显减小，但降水强度呈增强趋势。 13:54 本场雷暴停止，最大雨强达到0.8 mm/min。14 时本场西南风达到18 m/s，本场已经不具备飞机降落条件。

14 时10 分本场降水停止，本场仅有4 成淡积云和浓积云，能见度大于10 km，平均风速为3-5 m/s，雷达回波显示，对流云团主体已经移至本场东部，其前沿明显分裂减弱，后部柱状云体范围明显减小，中心强度减弱至55 dBz，飞机随后安全降落。

5 天气诊断

通过物理量诊断和分析， 探讨此次突发性局地强对流天气过程的可能机制， 以期提升此类天气的预报预警能力和试飞气象保障效能。

5.1 涡度分析

涡度是强对流系统中一个重要的物理量， 它表述风暴单体中空气质块的旋转作用， 其分析可用于中小尺度强对流天气，中小尺度强对流天气的生成、发展和消亡均可用垂直涡度来诊断其变化。

9 月2 日08 时突发性局地强对流天气过程发生之前，500 hPa 正涡度中心分裂成两部分， 其中一部分位于陕西东北部到山西一带， 另一部分位于我国东北地区西部地区，中心强度均大于6×10-5s-1。 陕西境内涡度强度从陕北到陕南逐渐递减， 本场位于正涡度控制区。700 hPa 正涡度中心位于黄淮流域到我国东北地区西部， 本场位于弱的正涡度控制区，850 hPa 和700 hPa 类似，但涡度强度更小。 正涡度范围和天气系统位置基本一致， 并且本场附近涡度大小从高层到低层逐层递减。

11 时的计算结果表明， 正涡度中心区域整体随着天气系统东移南压。并且600 hPa 和700 hPa 正涡度有所发展加强，400 hPa 以上有负涡度。14 时之后，陕西中部500 hPa 以下各层涡度均显著降低，其中除600 hPa 涡度为1×10-5s-1之外，其它各层涡度均变为负值区。

本场周围涡度场的这种分布特征不利于中低层气旋性环流的生成和发展， 及对流天气的产生和维持，给当天本场试飞气象预报带来挑战。

5.2 散度分析

散度的诊断有利于分析高低空的辐合辐散情况。9 月2 日08 时关中上空500 hPa 和850 hPa 均为较弱的负散度区， 最强的辐合中心量值为-2.4×10-5s-1。700 hPa 配合有正散度区， 最强的辐散中心量值达2.4×10-5s-1。11 时前后上述正、负散度区中心均明显南压， 最大中心量值也随之减小， 低层尤其是700 hPa的正散度大值中心控制本场，表明对流发展的高度有限，辐散区的高度并没有延伸到很高的高空，意味着此次突发性天气过程主要集中在低层发生发展。

5.3 垂直运动分析

分析各高度层垂直速度发现，11 时关中地区500 hPa 存在弱下沉运动，14 时， 关中北部的下沉运动区加强。11-14 时关中地区700 hPa 弱上升运动有所减弱，这是强对流天气发生后，局地能量消减的反映。 在850 hPa 高度，11 时和14 时关中地区则为弱上升运动。 在三个高度层上，无论是上升运动，还是下沉运动，均较08 时有明显加强。 这一特征可以作为短临天气预警的参考。 另外，据垂直速度所分析的垂直运动状况，与涡度场的匹配并不完全相同，这或是因为此次突发性天气过程尺度小、 历时短、 强度小，故上升运动和下沉运动层高和强度也相对较小。

5.4 K 指数分析

关中地区诊断雷暴天气经常会用到气团指标K指数。在使用K 指数诊断不稳定天气时，通常配合沙氏指数（SI）进行判定，准确率更高。经验证明，关中地区在K 指数≥30 ℃、SI 指数＜0 ℃时， 发生雷暴天气的概率≥40 %。 随着K 指数的增加和SI 指数的减小，雷暴天气发生的机率会迅速增加。

9 月2 日08 时西安泾阳站温度对数压力 （TlnP）图显示，气团指标（K）为29.5 ℃，沙氏指数（SI）为-1 ℃。08 时T639 数值模式气团指标（K）强中心区域处于山西到河北一带， 关中地区气团指标 （K）为30-35 ℃。 11 时前后，关中地区气团指标（K）增大到＞35 ℃。 K 指数突然剧增，可以作为短临天气预警的参考指标。

5.5 可能机制

500 hPa 以下各高度层天气资料的加密分析表明， 此次突发性强对流天气过程降水落区上游1～2个经度处，中低层普遍有中尺度辐合线，逐层配置呈现叠置或交叉状态，说明中尺度系统比较深厚。 由上述物理量分析可见，各物理量的中心区域并不重合，具有明显的斜压特征， 为此次突发性强对流天气过程的触发提供了有利的动力环境条件。 温度场落后于高度场，高空槽前正涡度平流，使得槽前移，在地转偏向力作用下辐散，产生上升运动，有利于地面辐合减压。 由于温度场落后于高度场，来自于西北地区的大量干冷空气吹向东南地区的暖湿区域， 引发强烈的对流不稳定， 是导致此次突发性天气过程的关键成因。

6 总结与讨论

（1）此次突发性天气过程尺度小，历时短，突发性强，气象要素复杂多变，对试飞进度、质量和安全影响大，是试飞气象保障的难点和重点。

（2）常规的天气学分析仅考虑大陆高压和西太平洋副热带高压之间的切变线， 无法有效捕捉突发性天气过程的征兆， 导致飞行准备阶段天气预报出现重大失误。

（3）卫星监测和航危报资料对此次突发性天气过程的预警能力有限。 而多普勒天气雷达可以提供高时间密度监测产品， 具有常规天气监测手段无法替代的作用，对于试飞气象保障具有重要意义。

（4）天气诊断和分析表明，大陆高压和西太平洋副热带高压之间的东北西南向切变线是造成此次突发性天气过程的主要影响系统， 高空反气旋涡度的发展是此次突发性天气过程形成的动力机制。