1. 引言
高架雷暴是指从大气边界层之上被触发的，发生在地面锋面的北侧冷气团中的一种雷暴，此时地面附近通常为稳定冷空气，低层有明显的逆温，来自地面的气块很难穿透逆温层而获得浮力，而是从逆温层之上的气块绝热上升获得浮力[1]。其发生常与春季初雷有关，且易伴有短时强降水甚至是冰雹天气，对航空飞行安全危害极大。高架雷暴分析和预报一直以来是强对流预报工作中的重点和难点。近年来国内外许多专家学者利用多种探测手段和资料对高架雷暴天气的发生发展和预报业务做了大量研究。许爱华等对中国中东部强对流天气特征进行分类研究，提出高架雷暴分析重点是低层冷垫和逆温、700 hPa的西南急流、500 hPa的短波槽以及700与500 hPa的温度差[2]。盛杰等统计了2010~2012年我国春季冷锋后的高架雷暴，指出我国高架雷暴是条件不稳定、中尺度对称不稳定以及低层锋生共同作用的结果[3]。吴乃庚等对2012年初春华南地区一次高架雷暴过程进行分析，发现高架雷暴强对流天气的落区与850 hPa切变线有较好的对应关系[4]。张伟等分析2020年4月闽西南地区一次高架雷暴的中尺度特征，表明500 hPa冷平流，850 hPa暖平流、925 hPa闽西南地区的假相当位温高能舌为高架雷暴的发生发展提供了有利的环流条件[5]。
2024年2月21日下午至22日早晨，浙江地区自西向东出现了一次长时间强对流天气过程，范围广、影响大，其中台州、温州、丽水多地观测到了冰雹。当日下午，宁波机场雷暴持续时间长达4 h 26 min，中阵雨从21日下午15:57间歇性持续至22日07:49，整个过程雨量49.8 mm，达暴雨级别。此次过程对宁波机场正常运行造成了一定的影响，多架次航班延误。本文利用宁波机场地面气象观测资料和NCEP/FNL 1˚ × 1˚再分析资料从天气实况、环流背景、环境条件、抬升和水汽条件等方面对本次天气过程进行分析，以期为今后春季强对流，特别是高架雷暴的预报和预警提供参考。
2. 天气实况
2024年2月20日，宁波机场已经受到北方寒潮前沿的影响，日最高温度从19日28.5℃迅速降温至20日10.4℃。21日早晨，寒潮主体南下，在宁波机场西面山区激发对流，出现短时中雷雨天气，是2024年的第一场雷雨，也是宁波机场近10年来发生时间最早的初雷。2月21日下午15:57开始，宁波机场再次出现雷阵雨天气，雷暴持续至21日20:23。图1为2月21日16时至22日08时的小时降水量和气温的分布，可见雷暴发生在4~6℃的低温状态下。受强冷空气和降水影响，气温持续走低至22日08时3.0℃。整个过程雨量达49.8 mm，特别是22日00~08时，宁波机场有长时间的中阵雨天气过程，最大小时雨量7.1 mm/h，出现在22日06时。
Figure 1. Distribution of hourly precipitation and temperature at Ningbo Airport from 16:00 21 February to 08:00 22 February 2024
图1. 2024年2月21日16时~22日08时宁波机场小时降水量和气温分布
3. 环流背景和环境条件
3.1. 环流背景
2024年2月21日14时500 hPa (图2(a))上游高空冷槽位于鄂霍次克海西南部–朝鲜半岛北部–内蒙古中部一带，在42˚N~50˚N有明显温度锋区，700 hPa(图2(b))相对应冷槽，从鄂霍次克海向西南延伸至黄河流域中下游-贵州北部地区，宁波机场受槽前西南急流控制，急流最大风速500 hPa达28 m/s，700 hPa达24 m/s。850 hPa (图2(c))上黄海海域有低涡发展东移，高空槽线从低涡中心向西南延伸至湖南北部，明显锋区维持在浙北至苏南地区，宁波机场位于高空槽前西南急流带左侧。至20时(图略)，850 hPa槽线和锋区移动至宁波机场附近并维持。
地面图(图2(d))海上与850 hPa低涡对应有一气旋，华南-华东沿海地面倒槽北顶，地面冷锋已经移至宁波机场前部，地面冷空气南下并持续扩散。21日下午雷暴发生时，宁波机场为稳定冷垫，气温仅6.2℃，西北风3~6 m/s。因此考虑此次强对流天气是一次高架雷暴。
3.2. 环境条件
3.2.1. 探空曲线
利用NCEP/FNL再分析资料，绘制宁波机场站探空曲线来估测其上空的大气层结状况。21日14时探空图上(图3(a))显示对流层中下层的水汽垂直结构呈上干下湿的状态分布，925 hPa到近地面接近饱和。另外，850 hPa以下有一明显逆温层。雷暴发生前925 hPa以下已转为东北偏北风到西北风，是一个稳定冷垫；且近地层风随高度逆转有冷平流。从地面开始计算Cape为0 J/kg，而从最不稳定层(800 hPa)开始
Figure 2. Weather situation field of 500 hPa (a), 700 hPa (b), 850 hPa (c) and surface (d) at 14:00 21 February 2024
图2. 2024年2月21日14时500 hPa (a)、700 hPa (b)、850 hPa (c)和地面(d)天气形势图
计算Bcape值约91 J/kg，符合高架雷暴的特征。在高架雷暴中，常常计算700和500 hPa的温差代替850和500 hPa的温差，其阈值基本在16℃以上，可以作为业务预报中冷锋后高架雷暴不稳定条件的指标。[3]因此计算得出ΔT700-500 > 16℃，ΔT850-500 > 25℃，均可说明宁波机场上空存在较强的不稳定层结。高空暖湿气流在冷垫之上的强锋区做斜升运动，非常有利于形成高架雷暴。0~6 km深度垂直风切变超过35 m/s，为强环境风垂直切变，使强对流的发展与维持[6]。
至21日20时(图3(b))，宁波机场雷暴和降水已经持续4个小时，整层湿度大。逆温层顶抬升至800 hPa；700~500 hPa的西南急流均有所减弱，Bcape值约3 J/kg，较14时明显降低，此时宁波机场实况雷暴逐渐停止，后期以中等强度降水为主。
3.2.2. 假相当位温
假相当位温θse是代表大气中温湿的综合特征量，其水平分布和垂直分布与强对流天气的发生、发展密切相关。θse随高度升高而减小表明大气层结为对流不稳定，有利于强对流天气的发生和发展。[7]图4为2024年2月21日14时假相当位温θse、风场和比湿q沿121.5˚E的垂直分布，可以看出宁波机场(29.8˚N)的北方对流层中低层有明显后侧入流和干冷空气(蓝色箭头)渗透，在近地面产生辐散下沉气流，宁波机场为冷的下垫面且层结稳定。而在宁波机场南侧为假相当位温θse和比湿q的大值区，表现为暖湿气流(红色箭头)沿稳定冷垫强迫抬升。并且在宁波机场上空800 hPa附近有假相当位温θse大值中心约328 K，与3.2.1探空曲线中最不稳定层800 hPa相吻合。800 hPa以上(粗虚线部分)假相当位温θse随高度减
Figure 3. T-lnp diagrams of Ningbo Airport (121.5 ˚ E, 29.8 ˚ N) at 14:00 (a) and 20:00 (b) 21 February 2024 (thick solid line is the stratification curve, thick dotted line is the state curve, and long dashed line is the dew point curve)
图3. 2024年2月21日宁波机场(121.5˚E、29.8˚N)14时(a)和20时(b) T-lnp图(粗实线为层结曲线，粗点线为状态曲线，长虚线为露点曲线)
Figure 4. Vertical distribution of pseudo-equivalent potential temperature (contour, unit: K), wind field (wind vector) and specific humidity (colored) along 121.5˚E at 14:00 21 February 2024
图4. 2024年2月21日14时假相当位温θse(等值线，单位：K)、风场(风矢)和比湿(填色)沿121.5˚E的垂直分布
小，大气为不稳定层结。这也进一步说明此次过程最不稳定大气存在于700~850 hPa之间，是从逆温层顶开始触发的高架雷暴。
4. 长时间降水成因分析
4.1. 动力抬升条件
强盛的垂直运动是形成长时间强降水的重要条件之一。大气的垂直上升运动有利于水汽在辐合上升中绝热膨胀冷却凝结成云而致雨[8]。一方面，850 hPa附近的西南暖湿气流不断沿地面稳定冷垫抬升；另一方面，中高层高空槽前的辐散气流也有利于宁波机场上空暖湿空气上升发展，并发生在850 hPa槽线(切变线)附近。
图5(a)绘制的是2024年2月21日20时沿29.8˚N的散度纬向垂直剖面图，可以看出21日晚上在宁波机场上空近地面到低层为正的散度中心，与地面冷空气相对应，为稳定的下沉气流，850 hPa至500 hPa为负散度区，有强的上升运动，强的负散度中心位于700 hPa附近，约−7 × 10−5 s−1。同样，涡度纬向垂直剖面图(图5(b))也呈现出近地面下沉，850~700 hPa辐合上升的特征，说明中高层辐散气流产生了一定的“抽吸作用”，配合地面冷空气促使高空暖湿气流的抬升，对强对流和长时间降水的发生发展和维持十分有利。这与高空暖湿空气在逆温层顶附近抬升相吻合。
Figure 5. Longitudinal vertical profile of divergence (a) and vorticity (b) along 29.8˚N at 20:00 21 February 2024 (unit: × 10−5 s−1)
图5. 2024年2月21日20时沿29.8˚N的散度(a)和涡度(b)的纬向垂直剖面图(单位：×10−5 s−1)
4.2. 水汽条件
从2024年2月21日各时次的700 hPa和850 hPa水汽通量场，尤其是21日14时700 hPa水汽通量(图6(a))可见，我国中东部地区有一强盛而稳定的水汽输送带，呈西南–东北走向，水汽通量的数值约为2.2 g∙(cm∙hPa∙s)−1。水汽通量散度则表示水汽的辐合辐散。21日20时700 hPa上宁波地区出现水汽通量散度负的大值区(图6(b))，最大值 < −5 × 10−8 g∙(cm2∙hPa∙s)−1，这表明有大量的水汽在其上空辐合。同时，2月21日早晨的雷雨天气使宁波机场局地空气的水汽含量有所增加，为长时间降水发生提供了一定的水汽条件。
22日00~08时，宁波机场降水强度持续加强，出现长时间的中阵雨天气。由22日02时700 hPa水汽通量(图略)来看，孟加拉湾和南海的水汽持续被西南急流输送至长三角地区，一直维持至22日08时才略减弱。长时间的水汽输送为此次长时间降水提供源源不断的水汽来源。水汽通量散度负的大值区也一直维持至22日08时，水汽在宁波上空不断辐合积聚，这也是此次宁波机场出现长时间降水的原因之一[9]。
Figure 6. Water vapor flux at 700 hPa ((a) unit: g∙(cm∙hPa∙s)−1, colored) and the water vapor flux divergence at 700 hPa ((b) unit: × 10−8 g∙(cm2∙hPa∙s)−1, colored) at 14:00 21 February 2024
图6. 2024年2月21日14时700 hPa水汽通量((a) 单位：g·(cm·hPa·s)−1，填色)和20时700 hPa水汽通量散度((b) 单位：×10−8 g·(cm2·hPa·s)−1，填色)
5. 小结和讨论
利用天气学分析和物理量诊断，从天气实况、环流背景、环境条件、抬升和水汽条件等方面，对2024年2月21~22日宁波机场一次强对流过程进行了分析，得到以下结论：
1) 此次强对流天气过程是发生在地面冷锋后部，伴有雷电、短时强降水和局地冰雹。近地层大气层结稳定，低层有一明显逆温层，西南暖湿气流从逆温层顶开始抬升，而不是从边界层开始，是一次典型的高架雷暴。
2) 过程发生时，宁波机场上空中高层为高空槽前强盛的西南急流控制，配合850 hPa槽线和锋区。地面冷空气南下并持续扩散促使低层暖湿空气沿冷垫之上的强锋区做斜升运动，以及强的环境风垂直切变，均有利于强对流天气的触发、发展和维持。
3) 前期的降水、强盛西南急流源源不断的水汽输送，以及水汽局地的辐合，为此次过程提供了充足的水汽。