2019年4月广州白云机场持续暴雨前对流层顶和平流层异常信号分析*

郭智亮，刘 娟，张有洋，张 军，高聪晖，陈淑敏

(1.中国民用航空中南地区空中交通管理局气象中心，广东 广州 510406；2.福建省气象台，福建 福州 350000；3.中山大学大气科学院，广东 广州 510275)

0 引言

强降水天气严重威胁着航空器飞行安全[1]。降水带来的雨雾会影响飞行员的目视距离；降水在云层以下易产生下沉气流，减小飞行器升力；飞行器在雨中飞行，过多的雨水卷入发动机会造成空中停车[2-3]。强降水也影响飞行器的起飞和降落，湿跑道会减小机轮与跑道摩擦，增大滑行距离[4]。越来越多的学者从事机场强降水的预报方面的研究[5-7]。

目前,天气预报的研究主要集中于对流层环流背景的变化，平流层仅“被动的受对流层变化的影响”的传统理念使得平流层对降水影响偏少[8]。但越来越多的研究表明平流层异常影响对流层天气系统[9-11]。研究2008年南方雪灾发生时，发现平流层极涡位置偏亚洲及强度偏强，使得东亚大槽偏东[12]，平流层位相的超前信号作为对流层异常天气过程一个先行指标，对提高对流层天气的预报时限有重要意义。

民航气象降水预报主要从对流层天气形势进行短期和临期预报，中长期降水预报研究偏少。每年华南前汛期爆发后，天气影响是造成广州白云机场航班进离港不正常的主要原因。通过分析超前的对流层顶以及平流层信号，找出其与华南前汛期强降水爆发的联系，提升中长期预报准确率，提前为民航管制运行管理部门提供流量决策依据，可降低运行风险并提高运行效率。

1 资料及方法

1.1 资料

1.1.1 ERA5降水资料 本文所用的天气要素资料是欧洲中心(ECMWF)提供的新一代再分析资料ERA5，与之前ERA-Interim产品相比，ERA5具有更高的时空分辨率，其水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向共37层。所使用的资料包括2010—2019年10a逐时的风场、温度场、位势高度场、位势涡度场等资料。

1.1.2 白云机场自动观测资料 广州白云国际机场目前是3条跑道运行，每条跑道的南北两头配备自动气象观测点，每个自动气象观测点均引进使用芬兰VAISALA公司的自动气象观测系统，安装了雨量筒传感器对降水要素进行探测[13]，民航气象规定机场日降水量是基准气象观测点00—24时(北京时，下同)的降水量。本文使用的降水数据来自广州白云机场观测月总簿2013—2019年逐日降水资料。

1.2 方法

广州白云机场经纬度为23.4°N，113.3°E，选取ERA5再分析资料中23.5°N，113.25°E代表白云机场所在位置。广州机场终端区选取以机场中心，边长约为100 km的近似正方形[14]，在ERA5格点数据中，选取23.0～24.0°N，112.75～113.75°E范围内的格点数据代表广州机场终端区。

2 广州白云机场2019年4月降水实况

根据月总簿的逐日降水资料统计了2013—2019年4月月累计降水量，2013—2018年广州白云机场4月月平均降水量为173.27 mm，2019年4月累计降水量为698.6 mm，是近6 a同期平均降水量的4.03倍。图1为广州白云机场2013—2019年4月上、中、下旬累计降水柱状图，从图中看到2019白云机场4月上旬降水异常偏少，仅为5.3 mm，中旬、下旬累计降水量分别为418.8、274.8 mm，累计降水量远超同期，甚至超过近6a 4月的月平均降水量。图2为2019年4月逐日降水量序列图，2019年4月降水呈两极分化形势，4月机场无雨日和小雨日数分别为12 d和7 d，中雨日数4 d，日雨量超过50 mm的大雨日数、暴雨日数、大暴雨日数为7 d。图2还可以看到4月上旬累计降水为5.0 mm，中下旬累计降水达693.5 mm，日降水量为23.1 mm，期间一共出现了3次连续多日的强降水天气过程，分别是11—16日、19—22日、26—27日。受强降水以及对流天气影响，广州白云机场大量的航班延误、航班备降或返航甚至取消，严重影响了机场正常运行。

图1 2013—2019年广州白云机场4月上、中、下旬累计降水Fig.1 Accumulated precipitation of Guangzhou Baiyun Airport in the early, mid and late April from 2013 to 2019

图2 2019年4月广州白云机场逐日降水时间序列Fig.2 Time series of daily precipitation at Guangzhou Baiyun Airport in April 2019

3 暴雨发生前广州白云机场对流层顶高度的演变

对流层顶是对流层和平流层过渡层[15]，在平流层和对流层交换具有相当重要的作用[24]；它又是一个深厚的阻滞层，它阻碍着积雨云顶的发展与水汽的垂直交换[20,25]。有研究指出，对流层顶变化是对流层变化的指示器[26]。图3是广州白云机场终端区近10 a平均、2019年4月对流层顶高度逐日时间序列图。从图中看到，白云机场近10 a 4月对流层顶高度比较平缓，无剧烈变化，仅在4月18—26日出现了先上升再缓慢下降。2019年4月机场对流层顶有明显的波动，3次暴雨发生前对流层顶高度均出现下降，第1次是6日(暴雨发生前5 d)对流层顶高度显著下降，9日开始回升；第2次是17日(第2次暴雨发生前2 d)对流顶高度下降；第3次是25日(第3次暴雨发生前1 d)对流层顶高度显著下降，且变化幅度最大。

图3 广州白云机场2019年4月对流层高度逐日变化(实线)及2009—2018年10a平均(虚线)Fig.3 Daily variation of tropospheric height at Guangzhou Baiyun Airport in April(Realization indicates 2019, the dotted line is the average of 10 years from 2009 to 2018)

寿绍文等[27]研究发现江淮梅雨暴雨发生过程中，具有高湿位涡值的高冷空气沿等熵面快速南下。图4是第1次暴雨前8 d(4月3日)、6 d(4月5日)、4 d(4月7日)、2 d(4月9日)沿23.5°N(机场纬度)位涡的经向高度垂直剖面图,图中可以看到：暴雨发生前8 d到暴雨发生前2 d，白云机场上空为正位势涡度异常区，且在白云机场的西侧有凹陷现象，并逐渐东移加深，暴雨发生前2 d(图4d)移到白云机场上空。

结合图3和图4，第1次暴雨发生前广州白云机场对流层顶附近有平流层高位涡的冷空气向下入侵，白云机场正位涡异常，对应的对流层顶出现“折卷”，对流层顶高度下降。

图4 2019年4月3日(a)、5日(b)、7日(c)、9日(d)23.5°位涡的纬向垂直剖面(等值线表示位涡，单位PVU；红色三角形代表白云机场所在的经度，红色虚线表示白云机场的位涡垂直分布)Fig.4 Zonal vertical profile of 23.5° potential vorticity on 3(a),5(b),7(c) and 9(d), April 2019 (contour represents potential vorticity, unit: PVU; red triangle represents longitude of Baiyun Airport, red dotted line represents vertical distribution of potential vorticity of Baiyun Airport

4 广州机场持续暴雨前对流层顶—平流层信号异常分析

4.1 环流场形势分析

研究表明[28]，华南地区前汛期强降水与东亚季风爆发有着密切的关系，低层季风爆发前，平流层是否有更提前的信号呢？图5是利用ERA5纬向风场资料沿113.25°E(广州白云机场所在的经度)的纬向风经向垂直剖面图，从图中可以看到从第1次暴雨前8 d(图5a)，东风风速极大值区位于赤道至低纬度平流层中下层以及对流层顶处(0～8°N，200～150 hPa)，在暴雨发生前6 d(图5b)，东风风速极大值区向北推至10°N，并逐渐向下传播至250 hPa高度，暴雨发生前4 d(图5c)，东风已向北传播至12°N附近的350 hPa高度上，此后(图5d)东风继续下传至400 hPa高度上，也对华南地区上空风场产生了影响，广州白云机场终端区上空的纬向风场与气候平均态变化如图6所示，机场暴雨前存在西风下传，且早于气候态，第1次暴雨爆发前8 d(4月3日)起，纬向风正异常自100 hPa向下传播，正异常加强并下传，并在降水前3 d(4月8日)下传至对流层中层500 hPa，降水前2 d转为负异常，机场暴雨前的西风下传，将高空动能下传，也增大机场上空的风切变，有利于垂直运动的发展，形成有利于降水的背景条件。

图5 2019年4月3日(a)、5日(b)、7日(c)、9日(d)沿113.25°E的纬向风经向垂直剖面(虚线表示东风，实线表示西风，红色三角形代表白云机场所在的纬度)Fig.5 Longitude vertical section of zonal wind along 113.25 ° E on 3(a),5(b),7(c) and 9(d), April 2019 (dotted line represents east wind, solid line represents west wind, red triangle represents latitude of Baiyun Airport)

图6 广州白云机场终端区2019年4月与2009—2018年气候平均纬向风差值的垂直分布逐日序列(虚线代表负值，实线代表正值)Fig.6 Daily sequence diagram of vertical distribution of climate mean zonal wind difference between April 2019 and 2009—2018 in terminal area of Guangzhou Baiyun Airport (dotted line represents negative value, solid line represents positive value)

4.2 位势高度场形势分析

利用ERA5资料的位势高度场资料分析广州白云机场暴雨发生前对流层顶至平流层位势高度场的变化情况。图7是广州白云机场终端区2019年4月与气候平均的逐日位势高度差值时间—高度序列图，从图可以看出，广州白云机场终端区上空位势高度场从4月6日起自500 hPa至平流层一直正异常，对应机场上空风场有增强，由图4分析知，平流层的高位涡冷空气南下，白云机场上空的位涡值逐渐升高。最强的正异常出现在第1次暴雨发生前4 d至发生前1 d，出现在150～80 hPa的高度上次增强(减弱)过程，持续暴雨开始后，平流层位势高度正异常减弱。

图7 广州白云机场终端区2019年4月与2009—2018年气候平均位势高度差值时间—高度序列Fig.7 Time-altitude sequence diagram of the climatic average geopotential height difference between April 2019 and 2009—2018 in the terminal area of Guangzhou Baiyun Airport

5 结论与讨论

5.1 结论

利用20a的ERA5再分析资料，结合白云机场降水资料，分析白云机场2019年4月持续暴雨对流层顶和平流层信号异常特征，得出以下结论：

①广州白云机场2019年4月降水异常偏多，累积降水量达698.6 mm，是气候态平均的4.03倍，主要集中在4月中、下旬，共出现3次连续多日的强降水天气过程。

②2019年4月广州白云机场对流层顶有明显的波动，3次暴雨发生前对流层顶高度均出现下降趋势，且变化幅度明显高于气候平均。暴雨发生前，白云机场上空为正位势涡度异常区，对流层顶出现“折卷”，对流层顶附近有平流层高位涡的冷空气向下入侵。

③从暴雨发生前环流场分析，中低纬平流层东风向北传播至12°N附近的400 hPa高度附近，广州白云机场终端区上空的纬向风场暴雨发生前 8 d正异常自100 hPa向下传播，加强并继续下传，并在降水前3 d下传至对流层中层500 hPa，暴雨持续前机场上空一直存在西风下传。

④广州白云机场暴雨发生前对流层顶至平流层位势高度从4月6日起自500 hPa至平流层一直正异常，对应机场上空风场有增强，白云机场上空的位涡值逐渐升高,持续暴雨开始后，平流层位势高度正异常减弱。

5.2 讨论

广州白云机场2019年暴雨发生前，机场上空有冷的高位涡移入，位涡值迅速升高，与此同时，广州白云机场上空对流层顶开始下降，且降幅明显高于气候平均，根据位涡理论[29]，当高层稳定的高位涡空气下传到不稳定的环境，根据位涡守恒原理，涡度会增大，涡度增大有利于气旋的发生和发展，有利于暴雨的形成；同时对流层顶下降，大气静力稳定度减小，大气的气旋性涡度增大，气旋性环流增多。同时，暴雨发生前中低纬的东风向北和向对流层传播，并在降水前3 d(4月8日)下传至对流层中层500 hPa高度附近，机场上空西风的下传将高空动能下传，增大机场上空的风切变，有利于垂直运动的发展，形成有利于暴雨的形成。