基于SWCWARR模式的一次重庆江北机场对流天气过程分析

刘 旸 , 程晓龙 , 海 滢

（1. 民航西南空管局重庆分局，重庆 401120；2. 中国气象局成都高原气象研究所，成都 610072；3. 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072）

引言

近年来，我国民航业发展迅猛，而天气原因导致航班不正常的比例高达57.31%[1]，其中，由强对流云造成的短时强降水、雷暴、风切变等天气被证实严重影响飞行安全。重庆江北国际机场作为全国重要机场，2020年旅客吞吐量累计3493.8万人次，居全国第四。每年由于强对流天气引起的绕飞、备降、延误等给管制指挥和乘客正常出行带来了极大的影响和安全隐患。因此，提升对本地强对流天气机理的认识及其预报、预警的提前量和准确性显得至关重要。

已有研究[2-3]表明，强对流天气的发生一般需要具备3个基本条件，即条件不稳定层结、低层充足的水汽和较强的辐合抬升，而大气静力稳定度和水汽条件通常是相互独立发展的。为了检验整层大气的对流潜势，通常采用气块法并引入一些对流参数，包括抬升指数、SI指数、K指数、对流有效位能及对流抑制能量等，都是将大气静力稳定度和水汽条件结合在一起。其中，一些学者认为物理意义最清晰的是对流有效位能和对流抑制能量概念[4-6]。对于抬升触发条件，Doswell[3]研究指出，触发雷暴的主要是中尺度的上升运动，而天气尺度的上升运动通常不直接触发雷暴，只是使得大气变得更加不稳定。这些触发雷暴的中尺度系统主要包括边界层辐合线、中尺度地形和中尺度重力波，其中边界层中尺度辐合线尤为重要。孙继松等[6]、俞小鼎等[7]对强对流天气预报进行了详细和深入的阐述。目前，强对流天气潜势预报方法主要分为两大类：流型辨识法[8-10]和基于构成要素的预报方法[11-12]，又称配料法。许爱华等[13]进一步提出了中国强对流天气5种基本形势配置：冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类、高架雷暴类。

强对流天气研究和预报的基础是大气探测。而近几十年，由于数值模式与技术手段的高速发展，数值预报已成为强对流与雷暴预报的重要手段之一[14]。美国国家大气研究中心（NCAR）基于TREC(Tracking Radar Echo by Correlations)，同时综合考虑边界层辐合线、大气稳定度和大气低层垂直风切变等研发了用于预报雷暴生消和强弱的临近预报系统NCAR-ANC（Auto-Nowcaster）[15]。而WRF(Weather Research Forecast)模式系统作为新一代中尺度预报模式和同化系统，在预报各种天气过程中均反映出较好的性能[16]。薛羽君等[17]利用WRF模式模拟了四川盆地一次大暴雨过程，发现强降水的模拟与对流层中水汽、动力以及热力条件的模拟效果紧密相关。王鸽等[18]应用巴中地区2016年6~8月的逐日累计雨量检验SWCWARMS和EC模式，TS评分表明SWCWARMS模式得分更高。屠妮妮等[19]对2014年5~12月西南日降水量的检验结果表明，SWCWARMS模式预报能力优于GRAPES模式。程晓龙等[20]对比分析了SWCWARMS、EC以及GRAPES三种模式对2018年6月25日12时~26日12时四川暴雨过程的预报结果，发现SWCWARMS模式在四川盆地内的强降雨中心预报方面有较大优势。

虽然随着观测资料分辨率的提高、数值模式的进步及预报技术的发展，强对流天气的研究水平有了较大的提升，但是复杂地形区强对流天气的预报难度仍然较大。因此，本文针对2019年4月27~28日重庆江北国际机场的一次强对流天气过程，拟利用常规观测资料、雷达观测资料以及西南区域数值预报模式产品对该次过程进行诊断分析，以期为加深强对流天气演变认知和提高航空气象保障水平提供科技支撑。

1 资料与模式介绍

研究所用观测资料为常规降雨资料、探空资料、重庆地区S波段天气雷达资料和重庆江北机场C波段双偏振多普勒天气雷达资料，数值模式资料包括西南区域数值预报系统SWCWARR（South West Center WRF ADAS Rapid Refresh）模式产品和重庆RUC模式产品。

西南区域9 km SWCWARMS（South West Center WRF ADAS Real-Time Modeling System）和3 km SWCWARR（South West Center WRF ADAS Rapid Refresh）模式是中国气象局成都高原气象研究所研发、运行和维护的数值预报业务系统。SWCWARMS模式范围大致覆盖整个中国。SWCWARR模式范围为除西藏西部外的整个西南地区，是以SWCWARMS模式输出为初边条件的3 km模式，积分时长为24 h。已有研究表明9 km SWCWARMS模式在西南地区强对流预报方面有较好表现，但针对3 km SWCWARR模式产品应用效果的检验相对较少。本文将利用SWCWARR模式产品，分析其在重庆江北机场的对流天气预报能力（文中时间均为世界时）。

2 天气过程与环流形势

2019年4月27~28日重庆江北国际机场的强对流天气过程主要集中在27日15~20时，持续时间短，强度大。从图1可以看出，此次过程降水量由北至南逐渐增多，强降水中心在南部的江津站，达到45 mm。江北机场气象台27日14时临时会商，综合分析预报夜间江北国际机场（简称本场）将出现雷雨天气，先后发布终端区预警和机场警报。整个过程未造成大面积返航、备降情况，但由于对流系统在东移过程中不断的变化、诱生，给短临外推预报带来了极大的困难，造成南部航路受影响时间较长，管制指挥较为被动。

图1 2019年4月27日12时~28日00时重庆市降水分布（填色，单位：mm）

从图2可知，2019年4月27日12时，对流层中层中高纬西风带多波动，500 hPa有低槽东移过境，本场上空低层700 hPa和850 hPa均明显存在一条西南-东北走向的切变线，重庆地区基本位于槽前西南暖湿气流控制范围内，槽前的正涡度平流加深了低层气流辐合上升。27日12时，重庆地区低层为高温、高湿区，850 hPa有一湿舌叠加，低层伴随西南暖湿急流，最大风速达到12 m/s，且低层有暖脊发展，ΔT700~500为20℃，ΔT850~500达到26℃，位势不稳定特征明显。地面西北部、东部有冷空气入侵，地面倒槽向东北方向伸展，有利于触发对流活动。23日开始重庆市南部最高气温突破30℃后逐渐上升，到27日达到了36℃，气温上升极大地增强了大气中不稳定能量的累积，为此次强对流雷暴天气提供了充足的热力与能量。

图2 2019年4月27日12时500 hPa环流形势场以及各层天气系统（红色双实线表示850 hPa切变线，黑色双实线表示700 hPa切变线，棕色实线表示500 hPa槽线，蓝色锯齿线表示冷锋，红色虚线表示850 hPa湿舌）

3 雷达组合反射率

2019年4月27日17时和18时，即天气过程最为剧烈的时刻，在重庆地区天气雷达组合反射率实况拼图（图3b1~2）上，强回波位于区域西南部，35 dBz以上的强回波已经覆盖本场。从重庆RUC模式预报的组合反射率（图3a1~2）可知， 27日17时强回波主要位于本场西北部，但实况上此时本场西北部回波强度较弱；18时，本场西北部回波持续增强，其西南部的回波预报明显减弱，与实况不符。从西南区域模式SWCWARR预报的组合反射率（图3c1~2）可知，强回波区域多集中在本场西南以及偏南位置，且东移过程中无减弱趋势，本场西北上游位置以中等或偏弱回波为主，在东移过程中回波强度略有减弱。

图3 2019年4月27日17时(上)和18时(下)重庆地区天气雷达组合反射率实况和模式模拟结果（a1~2. 重庆RUC模式；b1~2. 实况拼图，圆心为本场；c1~2. SWCWARR模式，黑点为本场；单位：dBz）

通过对比发现，基于本场西北及西南方向圈出位置回波的强度及发展趋势，西南区域模式和实况验证符合度显著地高于重庆RUC模式，而影响重庆江北机场的对流出现时刻和强度，西南区域模式SWCWARR也有较好的预报，重庆RUC模式在影响时间上有较好的效果，但位置和强度有一定的偏差。

图4给出了2019年4月27日15~20时本场雷达实况和SWCWARR模拟的组合反射率。从本场雷达实况（图4a1~6）可以看出：此次天气过程的系统由块状回波逐渐转变为混合带状回波，也就是从对流单体逐渐聚合发展为有组织的整体，系统边界清晰，自西南向东北移动；27日17~20时在本场上方稳定维持，系统主体的雷达组合反射率强度在30 dBz以上，局部区域达到了50 dBz，且随时间逐步发展增强；27日17时左右达到最强，本场伴有雷暴大风及短时强降水等天气现象，之后本场北面的强回波系统开始逐渐减弱消亡，但同时南部又有一些强回波块新生发展；到27日20时，系统主体组合反射率强度也维持在30 dBz左右；这一过程对北向航路影响轻微，主要影响本场及南部航路。从SWCWARR模式模拟结果（图4b1~6）可以看出：模式模拟的回波情况与实况对应较好，模拟的组合反射率也显示出对流系统自西南向东北移动，但强度略偏高；值得一提的是，SWCWARR模式在本场南部一直预报出与实况相符的较强回波，可以对机场南部航路的航班运行保障、空中交通管制指挥起到很好的指示作用。

图4 2019年4月27日15~20时雷达组合反射率逐时演变（a1~6. 雷达实况，圆心为本场；b1~6. SWCWARR模式模拟结果，黑点为本场）

4 基于SWCWARR产品的物理量诊断

通过以上对雷达组合反射率随时间演变和最强时刻模式模拟与实况对比可知，SWCWARR模式对江北机场此次强对流天气过程的发展具有较好的预报效果。同时，鉴于气象观测得到的数据在时空分辨率上不够精细，运用数值模式产品进行天气过程分析则可以弥补这一不足。下面，基于SWCWARR模式的一些物理量产品和诊断量对此次强对流天气过程发生发展的机理进行分析。

图5为2019年4月27日12~21时SWCWARR模式模拟的本站850 hPa西南风与雷达反射率变化。可以看到，在此次强对流天气过程中，西南风强度与雷达反射率呈现出良好的正相关性；当西南风增大时，雷达反射率也增大，且西南风有所超前。同时，该时段内本场上空的水汽凝结和水凝物增长(图6)也出现在西南风增强的时段内。总之，西南风带来了充沛的水汽，强天气系统的发生伴随着水凝物的迅速演变。

图5 2019年4月27日12~21时SWCWARR模式模拟的本站雷达组合反射率（黑色，单位：dBz）与850 hPa西南风（红色，单位:m/s）时间变化

图6 2019年4月27日12~21时SWCWARR模式模拟的本站上空水汽凝结量（黑色）和水凝物含量（蓝色表示雨水混合比，红色表示雪水混合比，棕色表示云水混合比）时间变化（单位：kg·m-2）

图7给出了川渝盆地的地形分布。可以看出，本场位于盆地东南边缘地区，除西部外三面环山，山脉呈西南-东北走向，结合图3和4中雷达实况显示的天气系统从西南向东北的移动特征，得出山脉地形的阻挡使经过气流出现狭管效应，造成偏南风增强并形成辐合抬升，对对流系统的发生与发展起到了促进作用。

分析4月27日16~18时的散度场(图8)可知：16时，本场散度>-20×10-5·s-1，其南部辐合中心强度为-60×10-5·s-1，形成低层强辐合，暖湿气流向降水区输送，此时对流初生；17时，本场上空低层辐合加强，散度达到-20×10-5·s-1，其南部辐合区散度达到-60×10-5·s-1，辐合中心范围扩大，强度增强，此时也是对流过程最为强烈的时段；18时，本场辐合逐渐减弱消失，但本场南部又有一些气流辐合出现，对应其对流的发生发展。值得注意的是，从图7中可以看到低层辐合区主要是低海拔的山谷地区，其走向与山脉相平行，这从另一个角度体现出山脉地形对气流的阻挡作用。

图7 川渝盆地海拔高程（填色，单位：m）

由图9可知，2019年4月27日15~18时，在与山脉地势走向平行、位于本场上空沿29.25°N、106.25°E~30.25°N、107°E的垂直剖面上，南风的垂直变化最为明显。27日15时，在本场西南部，低层南风开始向东北发展，急流中心位于900 hPa，中心风速为12 m/s，本场低层出现弱辐合区，开始出现降水。16时，低层南风已经覆盖了本场上空，急流中心上升至850 hPa，中心风速维持在12 m/s；此时，本场西南部上游强对流主体的辐合区已向上发展到500 hPa高度，但与本场局地对流并不是同一系统，本场900 hPa以下辐合增强，降水也开始加强。17时，上游强对流系统持续东北移，南风急流继续发展，急流中心在800 hPa附近，中心风速达到16 m/s，本场上空的西南急流中心风速也达到14 m/s，并出现了较强的低层辐合与高层辐散区，辐合中心在900 hPa左右，强度达到-40×10-5·s-1，本站降水达到最强。18时，中低层已经完全受南风控制，本场上空辐合区开始消失，降水也开始减弱，本站形成的对流系统向东北移出源地。结合图8也可看出：低层偏南风与本场的辐合以及对流系统的发生、发展关系十分密切；高层辐散加强对流抽吸作用，中低层暖湿气流辐合有利于暖湿气流上升，维持并促进对流发展，在前期不稳定能量增加的条件下，促进能量垂直输送，增强对流不稳定性，对强对流天气的发生发展极其有利。

图8 2019年4月27日16~18时重庆地区925 hPa散度场（a. 16时，b. 17时，c. 18时，黑点为本场；等值线表示散度，单位：10-5·s-1；填色表示海拔高度，单位：m）

图9 2019年4月27日15~18时沿29.25°N、106.25°E~30.25°N、107°E的水平散度（填色，单位：10-5·s-1）与经向风（等值线，单位：m/s）垂直剖面（a. 15时，b. 16时，c. 17时，d. 18时，黑色三角形代表本场位置）

5 结论

本文利用地面、探空和雷达观测资料，结合SWCWARR模式和重庆RUC模式输出的雷达组合反射率产品，以及SWCWARR模式预报的有关物理量和诊断量，综合分析了2019年4月27日15~21时影响重庆江北国际机场的一次强对流天气过程，得到如下主要结论：

（1）本次强对流天气过程是由于对流层500 hPa中高纬西风带多波动，高空槽后冷空气与中低层西南暖湿气流相遇形成切变，地面倒槽前倾形成锋面所产生。高温天气引起的强位势不稳定、低层暖脊发展以及低层辐合高层辐散的配置为强对流天气的发生发展提供有利的环流条件。

（2）西南区域SWCWARR模式模拟得到的雷达回波范围、强度及发展趋势与实况更为符合，优于重庆RUC模式，且报出了27日18时以后本场南部新生的对流，为预报此类新生对流提供了很好的参考依据。对于机场警报解除时间及航空器的管制指挥，西南区域SWCWARR模式能够起到关键作用。

（3）本场低层偏南风、雷达反射率、大气整层水凝物变化以及低层辐合强度演变均呈现出良好的相关性。重庆东北-西南走势的山脉和本场南部的山脉阻挡使暖湿偏南气流被迫抬升形成对流，通过SWCWARR模式模拟的西南风强度与雷达反射率呈现出的正相关性，结合重庆地区地形作用下强南风区域的分布，对重庆区域内的航路及本场强对流天气发生、发展具有较好的指示作用。