乌鲁木齐机场2022年夏季1次短时雷雨大风天气分析

Analysis of a Short-Term Thunderstorm and Gale Weather in Urumqi Airport in Summer of 2022

摘要: 本文利用FNL 1˚ × 1˚逐6小时的再分析资料、新疆加密自动站资料、常规气象观测资料及乌鲁木齐机场自动观测资料(AWOS)等，对乌鲁木齐机场2022年6月28日短时雷雨大风天气特征及成因进行分析，结果表明：1) 此次强对流天气发生在乌拉尔槽底前部，多短波分裂东移的有利环流背景下，机场雷暴大风呈现持续时间短、尺度小、移动速度快、起始突然等特点。2) 雷暴发生前，机场700 hPa高度存在垂直风切变，处于假相当位温能量锋区内，呈现“上干冷下暖湿”的温–湿廓线的垂直结构，具备动力和热力不稳定。3) 水汽来源于地中海地区，雷暴发生等地具有明显水汽通量带和水汽通量的辐合，具备丰富的水汽条件。4) 低层辐合高层辐散的高低空配置，低层西北急流与地形产生的强迫抬升作用，使机场具备强烈的上升运动。5) 机场低层850 hPa具有切变线，地面位于风向风速辐合区，有利于强对流的触发和维持。

Abstract: In this paper, the characteristics and causes of short-term thunderstorm and gale weather in Urumqi Airport on June 28, 2022 are analyzed by using FNL 1 ˚ × 1 ˚ reanalysis data every 6 hours, Xinjiang encrypted automatic station data, conventional meteorological observation data and Urumqi Airport automatic observation data (AWOS). The results show that: 1) The strong convective weather occurred in the front of Ural trough bottom, and under the favorable circu-lation background of multi-short-wave split moving eastward, the thunderstorm and gale at the airport showed the characteristics of short duration, small scale, fast moving speed and sudden start. 2) Before the thunderstorm, there was vertical wind shear at the height of 700 hPa at the airport, which was located in the pseudo-equivalent potential temperature energy front, show-ing a vertical structure of temperature-humidity profile of “dry and cold at the top, warm and humid at the bottom”, and was dynamically and thermally unstable. 3) Water vapor originates from the Mediterranean region. Thunderstorms and other places have obvious convergence of water vapor flux bands and water vapor fluxes, and have abundant water vapor conditions. 4) Lower-level convergence and upper-level divergence, and the forced uplift of lower-level northwest jet and topography make the airport have strong upward movement. 5) The airport has a shear line at 850 hPa at the lower level, and the ground is located in the convergence area of wind direction and wind speed, which is beneficial to trigger and maintain strong convection.

1. 引言

雷暴大风是一种强烈的对流性天气，是由强烈发展的积雨云产生的，具有季节性强，短时大风强降水，尺度小、持续时间短、移动速度快、局地性强等特点，能带来严重的自然灾害，给社会经济和人民生产生活带来巨大的损失 [1] 。近年来，随着强对流灾害频发，国内外对强对流的天气研究越来越多，研究表明，强雷暴大风主要发生在中国中东部地区，从3月开始由南向北移 [2] 。中国大范围雷暴大风事件(Derechos)具有季节变化，春季到夏季由北向南移，具有明显的日变化，多开始于午后到前半夜 [3] 。张琳娜等 [4] 利用模拟资料，对雷暴大风过程中径向动量和质量动能进行收支分析，得出雷暴过程中对流层中低层动量和动能通量输送的特征。在中尺度环境物理量特征方面的诸多研究表明，中尺度辐合切变线、上干冷下暖湿的温–湿廓线垂直结构、强的深层垂直风切变、高空动量下传等条件是雷暴的发展和维持的主要原因 [5] [6] [7] 。

新疆学者对疆内强对流研究中对雷暴大风和冰雹的统计和诊断分析居多。研究表明，新疆雷暴分布地域性强，山区多于平原，北部多于西部，西部多于东部，天山西段及其两侧呈现带状分布 [8] 。庄晓翠等 [9] 和赵俊荣 [10] 对北疆的强对流天气研究表明，强对流天气是在大尺度环流异常的形势下，高、中、低层多中系统相互作用的结果。赵俊荣 [11] 和魏勇等 [12] 对天山北坡的冰雹天气分析表明，多普勒天气雷达能较好地监测出冰雹等强对流天气，钩状回波、“V”型缺口及回波墙等特征回波的出现对强对流天气具有较好的指示意义。刘雯等 [13] 对南疆中尺度对流天气分析得出，南疆夏季中尺度对流系统活动频繁，天山南坡和昆仑山北坡是MCS活跃区。

乌鲁木齐地区雷暴平均活动期在4~9月，集中在5~8月，7月最多 [14] ，是乌鲁木齐机场夏季航空运行的主要威胁之一。短波槽东移、逆温层的存在、近地层高温高湿、急流出口区右侧辐散区、低层切变线、地面能量锋、地面辐合线等是导致乌鲁木齐机场强雷暴触发的主要条件 [15] [16] [17] 。由于新疆雷暴具有时空尺度小、突发性强的特点，所以夏季的雷暴一直都是乌鲁木齐机场预报的重点和难点，本文通过对乌鲁木齐机场一次雷暴大风天气进行了诊断分析，以期能更深入地认识雷暴大风天气的特点和成因，为今后雷暴的预报提供一定的参考。

2. 资料与方法

本文使用的资料包括2023年6月28日(北京时，以下同)的FNL 1˚ × 1˚逐6小时的再分析资料、新疆加密自动站资料、常规气象观测资料、及乌鲁木齐机场自动观测资料(AWOS)等，对28日机场强对流天气过程的特点、环流形势演变特点及雷暴三要素等方面进行初步的诊断分析。

3. 天气实况及要素特征

2022年6月28日，受乌拉尔槽底前部偏西、西南气流影响，北疆西部、天山山区及其北坡出现大范围的强对流天气。下午–傍晚，伊犁河谷、北疆沿天山一带及天山山区西段出现强对流性天气，其中，14:00~15:00、17:06~19:00克拉玛依机场出现雷暴，14:06~17:23博乐机场出现弱雷雨，17:40~18:18伊宁机场出现弱雷雨，18:47~20:00石河子机场出现弱雷雨。傍晚~夜间，天山山区中段及天山北坡、南疆西部地区出现对流性天气，其中，20:32~23:20那拉提机场出现弱雷雨，20:34~24:00乌鲁木齐机场(以下简称“机场”)出现雷雨大风短时伴尘暴，23:05~24:00喀什机场出现雷暴，23:27~24:00吐鲁番机场出现西北风320˚，平均风15 m·s⁻¹，阵风20 m·s⁻¹。

28日20:34~20:46机场出现尘暴天气，主导能见度700~900 m，20:46~22:00出现弱雷雨伴扬沙，22:00~24:00出现小阵雨伴CB天气，过程降水量1.1 mm。图1为机场跑道两端(R07和R25)的风向风速演变图，由图可见，20:30~22:30出现偏西风5~16 m·s⁻¹，阵风10~20 m·s⁻¹，大风时段集中在20:39~21:30，平均风速12~16 m·s⁻¹，阵风最大达20 m·s⁻¹。此次雷暴大风天气造成机场出港延误20架次(延误超两小时1架次)，备降7架次，返航1架次，对航空运行造成了较大的影响。

Figure 1. Time sequence diagram of wind direction and wind speed at both ends of airport runway

图1. 机场跑道两端风向风速时序图

4. 环流形势演变

300 hPa上西西伯利亚存在闭合的低压中心，伊朗–青藏高原受伊朗高压控制，新疆地区受偏西气流控制。28日，西西伯利亚低压加强东移南压，伊朗高压逐渐西退，北疆地区受扰动侵袭明显。

500 hpa，28日，欧亚地区中高纬为“两脊一槽”的环流形势，乌拉尔~西西伯利亚为宽广的槽区，低值系统配合有−20℃的冷中心。温度槽落后于高度槽，槽不断发展东移，新疆位于槽底前部，多短波活动。14~20时，北疆西部~天山山区西段、北疆盆地~天山山区中段及东疆~天山山区东段有明显短波活动。20时，北疆沿天山一带冷平流明显，短波槽移动至石河子附近，为强对流的发生提供动力条件(图2(a))。

700 hPa上，28日，新疆多短波活动，等高线与等温线近乎垂直，冷平流明显。20时，乌鲁木齐处于西北风和偏南风的切变线上，冷暖空气交汇，为强对流的发生提供不稳定条件(图2(b))。20时，850~925 hPa上，北疆沿天山一带为西北急流控制，最大风速达26 m·s⁻¹，乌鲁木齐附近为风向风速辐合区，加上地形的强迫抬升作用，利于上升运动的增强。

(a) (b)

Figure 2. Circulation pattern of 500 hPa (a) and 700 hPa (b) at 20:00 (height (blue line: Dagpm), temperature (red line: ˚C), the ★ in the picture is the location of the airport (the same as below))

图2. 20时500 hPa (a)和700 hPa (b)环流形势图(高度(蓝线：dagpm)、温度(红线：℃)，图中★为机场位置(以下同))

地面上，冷高压中心位于乌拉尔地区，前部不断分裂小股冷空气东移南下入侵新疆。14时，新疆偏西地区为东南~西北向的弱高压控制，新疆偏东地区为低压后部，北疆西部有冷空气入侵，西北风逐渐增大，最大风速12 m·s⁻¹。3小时正变压中心位于巴湖~北疆西部，博乐~塔城位于弱正变压前沿。20时，冷高压进一步东移，气压梯度在新疆中部加强，北疆沿天山一带西北风增大，最大风速位于乌鲁木齐附近，达18 m·s⁻¹。正变压东移至伊犁河谷~天山山区西段，中心强度为+2 hpa，天山山区中段及其北坡位于正变压前沿。

5. 成因诊断分析

5.1. 稳定度分析

分析假相当位温可知，28日14时，850 hPa高能舌从伊犁河谷东伸至天山山区中段，中心位于天山山区西段，强度为70℃。假相当位温综合反映大气的温湿状况，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 [18] 。88˚E~91˚E的空间剖面上，300 hPa下假相当位温是随着高度增加而减弱的，低值中心位于伊犁河谷上空500 hPa，中心值为50℃。500 hPa与低层850 hPa的假相当位温差为−5℃~10℃，伊犁河谷、天山北坡大气处于不稳定状态，而午后–傍晚的强对流天气均出现在上述区域内。20时，高能舌减弱消散，南疆西部、天山山区西段~中段的部分区域出现高能中心，乌鲁木齐西南山区出现强度达70℃的高能中心，乌鲁木齐处于假相对位温相对密集处的能量锋区内(图3(a))。80˚E~83˚E、87˚E~91˚E的500 hPa上存在强度为55℃的低值中心，低层高温高湿的不稳定能量与中层向下渗透的冷空气导致中低层位势不稳定(图3(b))。

分析k指数和对流有效位能(CAPE)值可知，14时，北疆大部具有热力不稳定，较强不稳定区集中在北疆北部、西部及天山山区西段，上述地区的k指数中心强度达35℃，CAPE值中心强度达400 J∙kg⁻¹以上。20时，北疆大部的CAPE值明显减弱，不稳定能量明显得到释放。伊犁河谷、天山山区及其北坡为热力不稳定区，大于400 J∙kg⁻¹的CAPE值位于博乐~精河，大于40℃的k指数位于石河子和乌鲁木齐附近，为雷暴的发生提供不稳定层结条件。由51463站的温度对数压力图可见，正不稳定能量位于中层600~300 hpa，CAPE值为340 J∙kg⁻¹，对流抑制能量(CIN)为0 J∙kg⁻¹，K指数为34℃，沙氏指数为−3.03℃ (图3(c))，较以往经验表明，所有指数均有利于乌鲁木齐雷暴的发生。

图3(d)为沿44˚N作风、温度及相对湿度的纬向空间垂直剖面图，由图可知，20时，机场低空冷空气侵入，700 hPa以下转为西北急流，700 hPa高度存在偏西风和偏东风的垂直风切变，为机场雷暴提供动力不稳定条件。在87˚~88˚E剖面上600~300 hPa为大湿区，相对湿度大于90%，600 hPa下为干区，低空600 hPa以下风随高度顺转存在暖平流，高空600 hPa以上风随高度逆转存在冷平流，机场上空呈现“下暖湿上干冷”的温–湿廓线垂直结构，此时机场大气为强不稳定状态。

(a) (b) (c) (d)

Figure 3. Pseudo-equivalent potential temperature (unit: ˚C) of 850 hPa at 20:00 (a), vertical zonal section along 44˚N pseudo-equivalent potential temperature (unit: ˚C) (b), logarithmic diagram of temperature and pressure at station 51463 (d) and vertical zonal section along 44˚N wind field, temperature (unit: ˚C) and humidity (unit: %) (d)

图3. 20时850 hPa假相当位温(单位：℃)平面图(a)，沿44˚N作假相当位温(单位：℃)的纬向空间垂直剖面图(b)，51463站的温度压力对数图(d)及沿44˚N作风场、温度(单位：℃)和湿度(单位：%)的纬向空间垂直剖面图(d)

5.2. 水汽条件分析

700 hpa上，乌拉尔槽前具有强度为4~8 × 10⁻³ g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹的水汽通量带，偏西气流和西南急流接力源源不断将地中海地区的水汽输送至新疆地区。14时，北疆大部水汽充沛，北疆西部、天山山区西段有中心强度为4~8 × 10⁻³ g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹的水汽通量大值区，配合伊犁河谷、北疆沿天山一带及天山山区西段中心强度为−2~−1 × 10⁻⁹ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹的水汽通量散度，有利于水汽在克拉玛依、博乐等地汇聚，促进雷暴发生。20时，北疆水汽有所耗散，水汽通量带范围减小至北疆西部~天山山区中段，强度略加强至8~12 × 10⁻³ g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹ (图4(a))，配合那拉提、天山山区中段中心强度大于−4 × 10⁻⁹ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹的水汽通量散度(图4(b))，为乌鲁木齐、那拉提等地雷暴发生提供充足的水汽条件。

(a) (b)

Figure 4. Water vapor flux (unit: ×10⁻³ g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹) (a) and water vapor flux divergence (b) (unit: ×10⁻⁹ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹) of 700 hPa at 20:00

图4. 20时700 hPa水汽通量(单位：×10⁻³ g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹) (a)和水汽通量散度(b) (单位：×10⁻⁹ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹)

5.3. 触发机制和抬升条件分析

由垂直速度可知，28日08时，垂直速度大值区主要集中在北疆盆地、北疆沿天山一带及北疆东部，中心强度最大为8 × 10⁻² m·s⁻¹，位于北疆东部的富蕴和北疆沿天山一带的乌鲁木齐附近。14时，随着短波东移，北疆西部、天山山区、北疆沿天山一带的上升运动明显加强，垂直速度中心位于天山山区西段的低层925~850 hPa，中心强度增强至12 × 10⁻² m·s⁻¹。20时，北疆西部、天山山区西段上升运动逐渐减弱至4~8 × 10⁻² m·s⁻¹，北疆盆地中部~乌鲁木齐的925~500 hPa具有较强垂直上升运动，垂直速度中心强度位于中高层，强度大于40 × 10⁻² m·s⁻¹，为乌鲁木齐、吐鲁番等地的强对流天气提供动力条件。

由图5可知，28日14时，机场上空低层辐合高层辐散的高低空配置逐渐形成，上升运动逐渐加强。20时，机场上空低层925~850 hPa出现辐合中心，高层600~500 hPa出现辐散中心，辐合中心强度为−8 × 10⁻⁵ s⁻¹，辐散中心强度为8 × 10⁻⁵ s⁻¹，低空辐合高空辐散配置达到最强(图5(a))。此时，冷空气渗透，机场低层700 hPa以下转为西北大风，最大风速达16 m·s⁻¹，与地形产生的强迫抬升作用有利于上升运动的加强。垂直速度中心位于850~700 hPa，中心强度为32 × 10⁻² m·s⁻¹ (图5(b))，机场低空出现强烈的上升运动，为雷暴触发提供强动力条件。此时低层850 hPa和925 hPa上乌鲁木齐处于西北风和西南风的切变线上，地面上位于风向风速辐合区的前沿(图5(c))，有利于机场强对流的触发和维持。

6. 结束语

本文对乌鲁木齐机场2022年6月28日夜间出现的短时雷暴大风天气的特征及成因进行初步的分析，得出以下结论：

1) 此次强对流天气发生在乌拉尔槽底前部，多短波分裂东移影响新疆的有利环流背景下，呈现范围广、局地性强的特点。28日午后–夜间北疆西部、天山山区及其两侧出现大范围的短时雷雨大风等对流性天气，对航空运行产生较大影响。

(a) (b) (c)

Figure 5. Time profile of horizontal divergence (a) (unit: ×10⁻⁵ s⁻¹) and vertical velocity (b) (unit: ×10⁻² m·s⁻¹) of airport and wind field of ground encryption automatic station at 20:00 (c)

图5. 机场水平散度(a) (单位：×10⁻⁵ s⁻¹)、垂直速度(b) (单位：×10⁻² m∙s⁻¹)的时间剖面图及20时地面加密自动站风场(c)

2) 雷暴发生前，700 hPa高度存在垂直风切变，机场处于假相当位温能量锋区内，垂直结构上呈现“上干冷下暖湿”的温–湿廓线，机场大气层结具备动力和热力不稳定。

3) 700 hPa偏西急流和西南急流接力源源不断将地中海地区水汽输送至新疆地区，雷暴发生等地具有明显水汽通量带和水汽通量的辐合，有利于水汽汇聚，为雷暴提供充足水汽条件。

4) 雷暴发生前，低层辐合高层辐散的高低空配置逐渐建立，雷暴发生时，这种配置达到最强，低层700 hPa以下转为西北急流，与地形产生的强迫抬升作用，机场出现强烈的上升运动。低层850的切变线和地面位于风向风速辐合区的存在，有利于机场强对流的触发和维持。