乌鲁木齐机场1次短时雷雨大风天气特征及成因分析

杜安妮，陈阳权

(民航新疆空中交通管理局气象中心，乌鲁木齐830016)

0 引言

强对流天气是气象学上所指的发生突然、移动迅速、天气剧烈、破坏力极强的灾害性天气，常带来雷暴大风、短时强降水、冰雹等恶劣天气，是具有重大杀伤性的灾害性天气之一。强对流天气空间尺度小，生命史短暂并带有明显的突发性，对人民的生命财产安全和国民经济造成巨大的危害[1-3]。国内外学者针对此类天气过程做了大量工作，沈杭锋[4]等利用多种资料从热力不稳定、水汽条件和触发机制方面分析了浙江盛夏强对流天气的成因；许爱华[5]等对中国近百次强对流天气进行分析，阐述了强对流的生成环境和触发条件。对于民航业而言，雷雨及所伴随的大风、短时强降水、低空风切变等强对流天气对航空安全威胁巨大[6]，造成机场大面积航班延误，严重影响航空飞行的安全。

乌鲁木齐国际机场气象学者对该地强对流天气也做了大量的研究，如张利平[7]等从与强对流天气发生相关的不正常事件中分析了该类天气的预报和服务能力，认为较难把握该类天气在机场出现的时间，但结束时间一般预报较为准确。 2020-06-05新疆北部地区出现了大范围的强对流天气过程，乌鲁木齐机场也相继出现了西北大风、雷雨、短时沙尘暴等天气，对航班正常运行造成了严重的影响。文章利用FNL 0.25°× 0.25°再分析资料、加密自动气象站和机场自动观测资料，以及多普勒雷达资料等，通过对环流背景、不稳定条件、水汽条件、抬升触发机制等进行成因诊断分析，逐步积累经验，以提高对此类天气的预报和服务能力。

1 天气实况及其对飞行的影响

2020-06-05，受高空槽、切变线、低空偏西急流共同影响，北疆大部、天山山区局地出现了大范围的西北大风、雷暴、局地冰雹、局地暴雨等天气过程。乌鲁木齐机场于5日19：00出现西北大风和短时沙暴天气，短时主导能见度500 m，19：34-20：30出现雷雨天气，20：30转小阵雨，持续至6日01：30，过程降水量为7.4 mm。受此次雷雨大风天气直接或间接影响，造成航班延误36架次，备降11架次，返航2架次，航空器复飞2架次。

在强对流天气过程中，由于风的阵性变化，易产生较强的水平风切变。乌鲁木齐机场目前还没有能够直接探测此类风切变的设备或系统，对机场的水平风切变的研究多使用美国在跑道风切变预警中采用的方法进行跑道风切变的计算[8，9]。通过对乌鲁木齐机场逐15 s自动观测风向风速数据进行分析和计算可知，在强对流来临时(18：00-19：00)，25跑道与07跑道方向风速存在较大差异，水平风切变值在18：05达到11.8 m/s，之后多个时刻都达到或超过7.7 m/s的参考值，在1 h内，跑道上或近跑道区域的风切变造成了2架航空器复飞。而在强对流发生过程中，虽然07和25方向风速都较大，但风存在很强的阵性，跑道风切变也频繁超过参考标准。在强对流影响的后期(20：30-21：00)，风速虽然较前期有所减小，但仍然存在较大的风向和风速差异，也产生了较强的水平风切变。

2 环流形势演变特征

从500 hPa、700 hPa、850 hPa高空环流形势上分析，2020-06-03—2020-06-04在500 hPa环流形势上，伊朗高压北顶与乌拉尔山脊同位相叠加，乌拉尔山脊迅速发展，脊前北风带加强并引导北方冷空气南下，在西西伯利亚地区有低涡稳定维持。至5日，低涡后部分裂低槽沿偏北气流南下，携带冷空气迅速影响新疆地区。700 hPa中纬度有1支偏西低空急流携带暖湿气流进入北疆区域。14：00分裂南下的高空槽主力位于巴湖东北方向，东移开始影响北疆西部、北部地区，700 hPa上的偏西急流从伊犁河谷伸入北疆沿天山一带，850 hPa在伊犁河谷至北疆北部阿勒泰一带有强高空锋区，温度梯度大，在温度梯度区前部形成了明显的冷式切变，从北疆北部一直延伸到北疆西部地区。从整层配置来看，700～500 hPa影响系统几乎垂直，850～700 hPa略有后倾，锋区坡度大，且随西伯利亚低涡后部再次分裂低槽南下，预示着影响系统将快速东移南下影响北疆地区。

随着高空槽迅速东移南下，5日20：00，500 hPa槽区迅速移动至北疆中部地区，700 hPa辐合区移至乌鲁木齐机场附近，850 hPa强温度梯度区位于乌鲁木齐机场及偏东方向。由此可见，强冷空气在6 h内影响了北疆大部分地区。

受500 hPa高空槽、700 hPa和850 hPa冷式切变的共同影响，北疆出现大范围的西北大风、局地雷雨、冰雹等天气。乌鲁木齐机场的雷暴大风就发生在此次强冷空气快速东移的背景下，中低层前部暖湿平流和冷空气入侵、低层的辐合切变分别提供了不稳定能量和动力条件。

3 成因诊断分析

3.1 热力不稳定能量和水汽条件分析

假相当位温综合反映了大气的温湿状况，通常假相当位温随高度增大，若其随高度减小，表明大气处于不稳定状态。由14：00 850 hPa假相当位温可见，北疆西部、北部、北疆沿天山一带处于假相当位温的大值区中，假相当位温的值大于330 K，为高能舌区，而发生在伊犁河谷、北疆沿天山一线、北疆北部的强对流天气均位于高能舌区内。通常500 hPa和850 hPa的假相当位温差值可以用来表征大气的不稳定度，负值越大，表明大气越不稳定。14：00，伊犁河谷、北疆沿天山一线、北疆北部其差值均处于-5 K以下，局地达到了-10 K以下，表明大气处于较强的热力不稳定状态中，其位置和范围与高能舌区相对应。至20：00，随着强冷空气的进入及强对流的发生，北疆的高能舌区消失，500 hPa与850 hPa假相当位温差增大至5 K以上，可见从14：00-20：00，北疆地区释放不稳定能量，大气从不稳定状态逐渐转为稳定状态。

对流有效位能CAPE是具有明确物理意义的热力不稳定参数，CAPE越大，对流发展高度越高，对流强度越大[10]。分析新疆区域对流有效位能区域分布可知，在14：00北疆大部地区均有一定的对流有效位能区，其中北疆沿天山一带，尤其是石河子至乌鲁木齐以东的天山北坡一线，对流有效位能达到600～900 J/kg，形成1个对流有效位能的大值区，中心位于乌鲁木齐附近，乌鲁木齐机场位于中心点北部边缘。可见，一旦有合适的启动机制，就可能触发强对流。至20：00，北疆区域的对流有效位能明显减小，石河子至乌鲁木齐一带的天山北坡对流有效位能大值区消失，所以，14：00-20：00是不稳定能量释放的时段，这与假相当位温的分析结论一致。

图1(a，b)是由再分析资料计算得到的温度对数压力图，从5日14：00的图上可见，500 hPa以下大气湿度较小，湿层较高，K指数为28 ℃，对流有效位能CAPE已经有所累积，达到了780 J/kg，同时具备一定的对流抑制能CIN达287 J/kg，可见只要有合适的抬升机制，就可以克服对流抑制而爆发强对流。至5日20：00，对流有效位能已经明显减小，能量得到释放，从温度和露点廓线结构来看，饱和湿层有明显的下降，主要集中在850～600 hPa，在600 hPa以上及850 hPa以下比较干，可见在对流发生前期，600 hPa以上有干冷空气入侵，同时由于低层比较干燥，中层产生的降水在低层因为蒸发而使温度下降，冷空气下沉达到地面时产生地面大风，这与乌鲁木齐机场产生的短时雷暴大风时段是一致的。

从图1(c)的时间剖面图中可见，在5日20：00前，假相当位温随高度减小，可见气层处于不稳定状态，同时饱和湿层高度较高。在20：00前后，假相当位温逐渐随高度的变化而增大，相对湿度大值区层次下降，同时有明显的上升运动发展，最大达到了-2 Pa/s，有明显的对流发展，上升运动增强，能量得到了释放。

图1 (a)和(b)为5日14：00和5日20：00乌鲁木齐机场温度对数压力图；(c)为乌鲁木齐机场假相当位温

3.2 动力触发机制分析

通过对大尺度环流背景进行分析发现，大尺度强迫抬升对此次雷雨大风有一定的作用。从风场随时间变化来看，5日14：00-20：00有冷空气影响乌鲁木齐机场，5日20：00，850 hPa辐合区已经从14：00的偏西、偏北地区移动至乌鲁木齐机场附近，在乌鲁木齐机场附近有明显的风速辐合，同时在其偏东地区有明显的风向辐合，而此时的垂直速度在北疆沿天山一带为明显的上升区，可见850 hPa的辐合切变为此次雷雨大风天气提供了较好的动力条件。但由于再分析资料时间分辨率仅有6 h，无法满足对流触发的时间精度，因此还需要通过时间和空间分辨率更高的自动气象站和雷达资料辅助做进一步的分析。

5日18：10乌鲁木齐以西及西北方向的呼图壁一带有明显的风速风向辐合区，形成一条中尺度辐合线，在对应的雷达组合反射率上，中尺度辐合线的南端已经触发了较多的对流单体，位于机场以西100 km附近。同时，在距离机场50 km范围内有弱对流云发展，强度不强。至18：30中尺度辐合线南压，移动速度缓慢，机场以西50 km附近对流云团强度加强，并逐渐与东移的对流云团合并。至19：05中尺度辐合线移至乌鲁木齐机场附近，风速辐合区分成两段，机场西北方向辐合区在西北方向触发了多个对流单体，在其西部，在辐合线和对流单体叠加过程中，对流云团尺度明显增大，强度增强。此时乌鲁木齐机场出现雷暴大风。可见地面风场辐合区的存在有利于此次强对流的维持和发展。

4 结束语

2020-06-05发生在乌鲁木齐国际机场的雷雨大风天气过程，对航班运行造成了较大的影响，文章利用再分析资料、加密自动气象站、自动观测数据、机场雷达回波等对其特征及成因进行初步分析，得到以下结论：

1)此次雷雨大风天气持续时间短，天气现象剧烈，影响大。在雷雨大风来临前、过程中以及临近结束时，均产生较强的跑道水平风切变，尤其是在对流前期和后期这两个阶段，严重影响飞行安全。

2)天气过程是在西西伯利亚低涡分裂低槽东移南下的背景下产生的，前期低层暖湿平流为此次过程堆积大量不稳定能量，形成有利于强对流发生发展的不稳定层结和环流背景。

3)对热力不稳定能量分析发现，此次过程是在北疆盆地大范围的热力不稳定背景下发生的，在对流发展前，气层处于强烈的不稳定状态，机场上空对流有效位能得到了大量累积，假相当位温和对流有效位能都能较好地表现出区域热力不稳定能量的累积状况。通过对机场温度对数压力图分析发现，中高层干冷空气入侵和中层产生的降水在低层蒸发冷却下沉等共同作用，预计是产生短时雷暴大风天气的原因。

4)大尺度强迫抬升和低层切变辐合共同作用触发了此次雷雨大风天气，通过对地面风场和雷达组合反射率的分析发现，地面中尺度辐合线使得此次过程的对流云团进一步发展和维持。