豫中地区一次雷雨过程特征分析

赵芳 侯振奎 侯曾译

（民航河南空管分局，郑州 450000）

0 引言

雷雨是夏季影响飞行安全最主要的天气之一。雷雨天气出现的强对流和大风具有强度大、空间尺度小、突发性强等特点，对于航空运输来说，容易造成飞行中、起飞和着陆的航空器遭遇低空风切变和雷击，对航空器和地面设备设施带来损害。目前关于雷雨天气的特点和成因分析已经很成熟。随着探测技术的发展，越来越多的非常规资料也被应用于研究中。多普勒双偏振雷达、微波辐射计、闪电定位仪、风廓线雷达等都对近时强对流天气的变化和发展有一定的预报意义。

郑州机场2019年共发生雷雨天气总计14次，气候年平均次数为17次，2019年雷雨次数略低于气候平均。大部分雷雨天气是发生在下午至前半夜，正是航班量的高峰期，雷雨天气从发生到结束对机场安全运行的影响一般约为3～5 h，这就要求预报员需准确把握雷雨发生和结束时间，移动速度和方向及强度变化情况，并将这些信息及时准确地传递给管制部门及机场相关单位，为雷雨天气的飞行保障做好充分的准备。通过分析总结夏季雷雨爆发的天气形势和天气特征，提前对雷雨天气造成影响做出预判和预警，有效的提高民航气象保障服务，提升航班准点率。2019年郑州机场因雷雨启动大面积航班延误颜色预警（MDRS）共2次。

2019年8月6日16—19时郑州机场受雷雨天气影响，自观采集降水量为43 mm，最大阵风达15 m/s。郑州机场启动大面积航班延误（MDRS）黄色预警，因为天气原因致使135架次航班受到影响，返航114架次，备降21架次。但是此次雷雨天气过程预报员前期准备工作充足，预报结论准确，服务和通报及时，大大缩减了预期受影响的航班量，出色地完成了气象保障工作。将本次雷雨过程进行特征分析和总结，为今后雷雨天气预报工作提供参考依据和经验，提高极端天气的预报和预警能力。

1 资料说明

本次过程的分析资料采用ERA再分析资料，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间间隔为1 h。多普勒雷达为郑州机场S波段多普勒雷达仰角0.5°，探测范围300 km，时间间隔为6 min。风廓线雷达为郑州机场对流层风廓线雷达，探测高度为5 km，时间间隔为5 min。

温度过高,幼苗下胚轴伸长过快,易导致徒长,温度过低,幼苗生长缓慢。由表2可以看出,株高和下胚轴长度随温度升高,增长明显; 昼温为30℃时,随着夜温的降低,植株矮化明显; 夜温固定为15℃时,随昼温的升高,植株高度明显增加。茎粗随温度升高呈变细趋势,适当低温有利于提高幼苗粗壮程度。

2 降水过程成因分析

2.1 降水环流特征

像李英这样能以基准利率贷款的民营企业还算“幸运儿”。“虽然近段时间银行贷款利率稍微稳定下来了，但前阵子一直在涨。”另一省份某医药公司董事长刘成贵说，他们公司主要通过银行贷款进行融资，“以前企业效益好，找银行贷款多少还给点优惠，今年可能是整个社会资金吃紧，各家贷款银行利率普遍上浮了5到10个百分点。”

这次过程主要影响系统为高空蒙古冷涡后部的干冷空气，它随短波槽东移南下，河南省位于槽前上升气流控制区。底层存在切变辐合，并伴有暖空气，但是暖空气湿度较小，所以本次过程造成河南地区的雷暴大风天气而非强降水为主的强对流天气。

图1 2019年8月6日08时（a，北京时，下同）及14时（b）500 hPa位势高度（黑色实线，单位：dagpm）、温度（红色虚线，单位：℃），850 hPa风场（箭头，单位：m/s）Fig.1 Geopotential height (black solid lines,unit:dagpm)and temperature (red solid lines,unit:℃)at 500 hPa,850 hPa wind (arrows,unit:m/s) at 08:00 BT(a) and 14:00 BT (b) on 6 August 2019

经计算，28个荸荠土壤中锌、铜和铬的污染指数均小于1，没有污染指数大于1的样品，可见，在采用《食用农产品产地环境质量评价标准》进行单因子污染指数评价时，荸荠土壤未受到锌、铜和铬元素的污染。荸荠土壤中锌、铜和铬污染评价的具体计算与评价结果见表6。

雷暴的抬升触发多位于地面附近，地面气象要素场的变化对触发雷暴有重要的指示意义。地面要素场变化主要为高温乱流和地面辐合线的影响。对6日白天，由于辐射增温，中午陕西、河南局部地区的气温已达30 ℃，位于切变线和低压槽区的陕西东部、河南西部由于局地加热作用开始产生零散的局地对流。郑州机场6日早上出现轻雾天气，底层层结和湿度条件较好。白天辐射增温明显，温度从06时25.5 ℃增加至14时的31 ℃，从郑州站加密探空资料发现，14时郑州站的K指数为39 ℃，沙氏指数为-11.4 ℃，CAPE值为1099.7 J/kg，这表明测站上空已经聚集较强的不稳定能量，热力条件较好，陕西东部和豫西地区的雷暴随引导气流东移。14时的地面风场及温度露点差分布（图2）图上可以看出，在豫西洛阳、三门峡附近有明显的风场辐合，并且辐合区又处在高湿区内，高温高湿利于不稳定能量增加，地面辐合线促成了雷雨的爆发。

2.2 触发条件

大学课堂教学，尤其是思想政治理论课课堂教学是对大学生进行理想信念教育的主渠道。高校教师要坚持言教与身教相结合，坚持继承传统与创新手段相结合，着力提升课堂教学的说服力和感染力，着力增强大学生思想政治教育的时代性和实效性。尤其是思想政治课教师，要在真知、真懂、真信、真讲上下功夫，在培养真情、付出真爱上下功夫，紧密结合青年学生的思想实际，大力推进社会主义核心价值体系大众化、通俗化、具体化，推进社会主义核心价值体系进教材、进课堂、进头脑，从而引导大学生正确处理好个人利益与国家利益、个人需求与社会责任之间的关系，培养他们关注祖国的前途和命运的爱国情怀和责任意识。

图2 2019年8月6日14时地面风场（风向杆，单位：m/s）及温度露点差（阴影，单位：℃）分布Fig.2 The surface wind (wind vane,unit:m/s) and the depression of the dew point (shaded,unit :℃)at 14:00 BT on 6 August 2019

2.3 水汽和动力条件

风廓线雷达可以探测对流层中各层的风，从风的垂直分布和其随时间的演变可以判断温度和湿度平流状况；根据垂直风切变的变化和大小可以估算对流天气的发展和强弱变化。郑州机场的风廓线雷达是CFL-03边界层雷达，是监测5000 m以下的风场变化，从垂直风廓线图（图6）可以看出，在雷雨阶段4000 m以上的风场基本是西南或偏西气流，郑州机场处在高空的槽前正涡度平流区，与高空形势场一致。如图在08：00—10：30 UTC（16：00—18：30 BT），位于高空2500～3500 m（约700 hPa附近），水平风场由偏南气流转为西北或偏北气流，说明此时上空有短波槽过境。高空1500 m附近在中雨期间，西南气流加强带来部分水汽，但是未达到急流强度，也说明本次降水过程主要是短时的中雨。在雷暴阶段风廓线雷达出现缺测，但是在09：00—09：20 UTC（17：00—17：20 BT），高空1000 m以下出现强的垂直风切变，红色框内标示出了在出现强扰动切变时的情况，此时两个雷暴单体在郑州机场合并，遂出现复杂的风场分布情况。这对雷暴的内部风场结构起到一定的指示作用。

对2019年8月6日河南省雷雨过程进行环流背景、水汽条件、常规动热力变量及多普勒雷达和风廓线雷达等多种资料特征分析，得到以下结论：

2019年8月6日08时，500 hPa中高纬地区的天气形势为两槽一脊，西部槽在巴尔克什湖附近，缓慢东移，东部槽位于鄂霍次克海西侧并有逐渐加强的趋势。由于冷空气的堆积，两槽之间中高纬大范围地区为阻塞高压，中心位置位于贝加尔湖附近。高压底部有两个明显的切断冷涡（图1）。一个位于新疆西北部，另一个位于内蒙古中部形成蒙古气旋，气旋位置少动，其后部的横槽不断引导冷空气南下，横槽北部有明显的冷平流。气旋南部位于山西与陕西省界至秦岭附近有一南支短波槽；在700 hPa表现为明显的风切变辐合区（图略），河南省上空为暖脊控制；850 hPa河南北部到陕西东南部有弱的低涡切变存在，河南位于暖中心附近。6日14时，500 hPa中高纬地区仍然是两槽一脊的形势，受台风利奇马和范斯高外围气流的共同影响，位于内蒙古中部的冷涡中心位置少动，强度略有加强，短波槽缓慢东移至河南省西部，冷空气跟随南下；700 hPa上的风切变辐合区位置也随之缓慢东移，移动到河南省西部。切变线两侧的风速比08时明显增大。河南省东部仍为暖脊控制；850 hPa低涡切变和位置变化不明显。显著湿区的位置偏南，稳定在江南附近，北方水汽条件较差。

图3 2019年8月6日08时（a）和14时（b）850 hPa水汽输送通量（箭头，单位：g·kg-1·m·s-1）、水汽通量散度（阴影，单位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1，红点为郑州机场位置）和相对湿度（黑色实线，单位：%）Fig.3 Water vapor transport fluxes(arrows,unit:g·kg-1·m·s-1) and,water vapor flux divergences (shaded,units:10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1) and relative humidity (black solid lines,units:%) at 850 hPa at 08:00 BT(a) and 14:00 BT (b) on 6 August(Red point is Zhengzhou Airport)

对流天气除了由强的水汽输送给和辐合外，还要有低层的动力触发条件及维持机制。大气层结、冷暖平流及高低空辐合辐散的配合都可以成为触发上升运动的原因。在垂直速度（图略）的分布上，可见河南省中西部大部分地区中底层有明显的上升运动。从6日郑州机场（34.5°N，113.5°E）的散度和涡度的时间（UTC）剖面图可见（图4），前期垂直运动和辐合辐散均不明显，04时（UTC）也就是北京时12时之后整体表现为低层辐合高层辐散的形势。900 hPa以下上升运动开始加强，在雷雨天气的发展阶段存在850 hPa一下辐合、700～850 hPa辐散、700～500 hPa辐合，500 hPa以上辐散的两个辐合辐散中心。在雷雨过程后期则是850 hPa以下辐合、850 hPa以上辐散的单值中心。同时雷雨期间900 hPa有两个最大值中心，第一次最大中心对应雷雨的发展到旺盛阶段，低层均是强的上升气流促使雷雨发展形成，此时郑州机场正是强雷雨天气覆盖。第二次最大值中心对应郑州机场中雨阶段，低层辐合更加剧烈，有利于地层水汽的整体辐合抬升。

图4 2019年8月6日郑州机场散度（阴影，单位：10-5s-1）、涡度（等值线，单位：10-5s-1）的高度—时间剖面图（UTC）Fig.3 Divergence (shaded,unit:10-5s-1) and vorticity(contours,unit:10-5s-1) height-time cross section in Zhengzhou Airport on 6 August 2019（UTC）

3 雷达产品的应用

郑州机场夏季对流天气临近预报主要采用机场多普勒雷达和风廓线雷达。14时的反射率因子雷达图上（图略），豫西地区辐合线前沿和漯河附近开始有分散性的雷暴单体陆续发展成熟，豫西主要在洛阳、济源、登封等地形成，中心强度都在55 dBz以上，造成这些地区强雷雨天气。随着地面辐合线东移和引导气流的共同影响下，在15时左右，在荥阳附近回波发展合并成西北东南走向距离10～15 km的两个强回波中心，并以40～50 km/h的速度向郑州机场移动，此时前端的雷暴单体发展出阵风锋，并逐渐加强扩大，在雷达图上为一条明显的出流边界。下午16：00（图5a），位于雷暴单体前部20～30 km处的阵风锋到达郑州机场，风向变化大，郑州机场出现强风切变，风向由南风（2 m/s）转为西北大风，风速迅速增加至7 m/s，阵风为14 m/s，强烈的低层风切变触发了不稳定能量。16：10郑州机场开始出现强对流天气，上空闻雷，随即出现中雨天气。郑州机场最大反射率（图5b）此时的最大反射率超过60 dBz，回波顶高在12 km以上，回波移速30～40 km/h略有减慢，南部漯河附近的雷暴单体加强并北上至长葛附近，回波中心强度也在60 dBz以上。16：47郑州机场的雷达回波强度减弱缓慢东移，机场本场也开始转为小雨天气，风速降至5 m/s。南部的雷暴单体强度也明显减弱，位置移动至机场西南4 km处。17：10南部的雷暴单体开始两个合并，低层强烈的风场辐合抬升使得合并后的回波强度迅速加强，移速降为25～30 km/h，本场东侧又出现中雨天气。19：00郑州机场转为小雨天气，本次雷雨天气过程结束。多普勒雷达很好的显示了在雷雨到达前地面阵风锋的变化和触发过程，强中心的变化也反映了降水的强度的变化规律及雷暴合并发展的过程。

图5 2019年8月6日郑州机场多普勒雷达15：580.5°仰角基本反射率因子（a）和16：10最大反射率因子（b）Fig.5 Radar products of Zhengzhou Airport at 0.5°elevation angle(a) base reflectivity at 15:58 BT,(b) max reflectivity at 16:10 BT on 6 August 2019

水汽在对流天气形成中起着非常重要的作用，一方面有利于强对流天气的不稳定能量增加，另一方面充足的水汽会形成强对流天气下的强降水。从850 hPa水汽输送（图3）可以看出，6日低纬的西南气流从我国的西南地区北上通过在四川到陕西省附近形成较大的水汽辐合区，并且呈加强的趋势。另一方面台风利奇马和范斯高汇聚西太平洋上空的水汽，通过偏北和偏东气流由黄海经山东半岛流入河南，使得洋面上的水汽向河南北中部输送，两股水汽通道在河南西部、北部汇合，形成较强的水汽辐合区。对比两个时次可以发现，高湿区和水汽输送通量辐合区有很好的对应关系。08时（图3a）陕西和河南西部地区湿度都超过90%，且在西安附近出现了水汽通量散度中心，西南气流的水汽供应较强。由于湿度条件较好，过程在西部三门峡、南阳附近产生了较强的降水。14时（图3b），湿度略有减弱，高湿区的范围也有所减小，西南的水汽输送减缓，但是来自洋面的水汽输送加强，高湿区也随之向东发展，水汽通量散度中心也东移至三门峡附近，同时在郑州附近对流运动加强，水汽通量散度明显增加。

图6 郑州机场2019年8月6日08—12 UTC风廓线雷达水平风时间序列图（红框显示强扰动切变区）Fig.6 Horizontal wind time series from 08:00-12:00 UTC on 6 August 2019 of wind profile radar of Zhengzhou Airport(Red box is the strongly disturbed shear region)

4 结论

通过前期的学习，学生已经对知识可视化有了兴趣与初步感知，又通过对知识可视化的分析获得了视觉认知经验，最后，可以让学生创作知识可视化的作品，真正掌握知识可视化的技能，并且要求和鼓励学生把知识可视化进行网络传播，让学生学会知识可视化形式网络传播的技能，比如，如何在网络上发布图片、视频、动画、图形等技能。这样，让学生在创作中学习到网络传播的技能和知识可视化的技能，体会到知识可视化在网络传播中的优势，真正体现杜威的“在做中学”的教学思想。

1）本次过程500 hPa天气形势为两槽一脊，河南省位于槽前的不稳定区，主要天气系统有缓慢东移加强的蒙古低涡、西太平洋热带气旋。蒙古冷涡后部的干冷空气东移南下，700 hPa有切变辐合，并伴有暖平流，但是暖空气湿度较小，850 hPa配合有弱的低涡切变。由于水汽条件较差，郑州机场主要以雷暴大风为主，而非强降水为主的一次低涡雷雨过程。

2）水汽输送路径主要是西南暖湿气流直接沿西侧、西南侧流入河南省和台风外围水汽越山东半岛沿东侧流入河南省。水汽辐合中心位于河南省西侧，提供了水汽条件。郑州机场雷雨阶段垂直方向上呈现出两个辐合辐散中心，低层辐合明显。

3）地面辐合线和出流边界是本次过程的触发条件。前期弱冷空气入侵形成地面辐合线，使其近地面温湿条件较好地区产生的局地热对流向东移动。而后期雷暴单体发展前部产生出流边界，与另一单体相互作用，合并发展，造成郑州机场短时中雨和大风天气。

4）风廓线雷达对研究雷雨的垂直结构效果较好。风廓线雷达可以反映高层气流变化趋势和低层垂直运动发展状态，从而可以更准确地预计雷雨后续发展。

通过结合多种资料对不同天气型产生的雷雨进行特征分析，总结其生成发展的变化规律，提高预报预警的提前量，有效的提供航空气象保障服务，从而提高航班的准点率。