双流机场一次副高边缘雷雨天气过程诊断分析

Diagnostic Analysis of a Thunderstorm Event on the Edge of the Subtropical High at Shuangliu Airport

摘要: 利用双流机场气象自动观测资料、欧洲中心ERA5再分析资料及MICAPS常规气象资料，从天气环流形势配置、流函数和物理量诊断方面，对双流机场2023年7月11日~12日的雷雨天气过程进行分析。结果表明，此次雷雨天气是在西太平洋副热带高压西进东退演变趋势下，受副高边缘暖湿气流与高空槽等天气系统共同作用的结果。对流活动在副高外围暖湿气流与地形抬升等因素的强迫下逐渐发展，并在副高东退、高空槽东移带来的冷空气影响下加强。此次过程的对流主要发生在588线最大西伸位置边缘与流函数零线靠近负值区一侧的交叉区域。此次过程，成都终端区充足的水汽与高不稳定能量促进了雷暴活动的增强。在雷雨发生前，双流机场850 hPa的比湿 ≥ 18 g/kg，700 hPa的比湿 ≥ 16 g/kg，平均K指数为42℃，平均CAPE为2000 J/kg。

Abstract: Utilizing automatic meteorological observation data from Shuangliu Airport, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) ERA5 reanalysis data, and MICAPS conventional meteorological data, this study analyzes the thunderstorm event that occurred at Shuangliu Airport from July 11th to 12th, 2023, in terms of synoptic circulation patterns, stream function, and physical quantity diagnostics. The results indicate that this thunderstorm event was the combined effect of the warm and moist airflow on the edge of the western Pacific subtropical high (WPSH), which exhibited a westward-then-eastward retreat pattern, and other weather systems such as upper-level troughs. Convective activities gradually developed due to the forcing of the warm and moist airflow on the periphery of the subtropical high and terrain uplift, and intensified under the influence of cold air brought by the eastward retreat of the subtropical high and the eastward movement of the upper-level trough. The convective weather mainly occurred in the intersection area between the edge of the 588-dagpm line at its westernmost extension and the side of the stream function zero line close to the negative value region. During this thunderstorm event, abundant moisture and high instability energy in the Chengdu terminal area contributed to the enhancement of thunderstorm activities. Prior to the thunderstorm, the specific humidity at 850 hPa at Shuangliu Airport was ≥18 g/kg, the specific humidity at 700 hPa was ≥16 g/kg, the average K-index was 42˚C, and the average Convective Available Potential Energy (CAPE) was 2000 J/kg.

1. 引言

在气象学中，副热带高压作为一种持久的大型天气系统，对全球特别是东亚地区的天气变化具有重要影响，其位置和强度的变化直接影响着季风环流、降水分布以及极端天气事件的发生[1] [2]。西太平洋副热带高压(此后文章简称副高)，在夏季常控制我国大部分地区，其外围的暖湿气流是夏季雷雨天气的重要水汽能量来源。当这些暖湿气流与冷空气相遇时，往往能激发强烈的对流活动，导致雷雨、暴雨等天气现象的发生。双流机场作为西南地区的重要航空枢纽，地处四川盆地，其独特的地理位置和地形条件使得其天气变化更为复杂和极端[3]。复杂天气不仅关系到航空安全，还对区域经济和社会发展有着深远的影响。

近年来，副高活跃，夏季其复杂的西伸东退演变趋势导致处于副高边缘的双流机场雷雨天气复杂多变，预报难度较大，此类天气过程的分析和总结十分必要，然而目前这方面的研究还比较欠缺。本文旨在通过诊断分析双流机场2023年7月11日~12日的一次典型的副高边缘暖湿气流产生的雷雨天气过程，揭示其发生机制及对运行的影响。利用双流机场机逐小时气象观测资料、欧洲中心ERA5再分析资料、MICAPS常规气象资料以及多普勒天气雷达反射率因子资料，从雷雨天气的天气形势、流函数与物理量诊断方面展开详细探讨，为未来预报此类天气提供思路和方法借鉴。

2. 天气实况与影响

通过图1和图2可知，从7月11日傍晚18时开始，受高温高湿的环境影响，成都终端区西部、东南部对流不断初生，双流机场关键区孤立对流云团逐渐发展。18~22时，孤立对流云团逐渐发展扩大合并，在双流机场西侧连成片，强度增强，出现闪电，回波向北偏西方向缓慢移动。22~24时，受低层辐合影响，双流机场关键区以南的乐山区域雷暴云团快速发展，在副高外围的东南气流的引导下，自东南向西北影响成都终端区，逐渐覆盖双流机场机场，双流机场的雷雨天气开始。12日02~04时，随着副高东退，高空槽东移带来的冷空气逐渐影响成都终端区，对流逐渐加强，成都终端区的对流区域扩大。12日07时后，高空槽东移，成都终端区转为槽后西北气流影响，双流机场的雷雨天气结束，成都终端区的对流减弱。双流机场整个雷雨过程持续时间长，降水量大，过程降水量53.5 mm，预报预警难度较大。

此次雷雨天气对运行影响较大，流控措施复杂，航班备降延误较多。在此过程中，成都空管中心流量室发布了双流进港的GDP (地面延误程序，主要用于容量控制)，并协同双流机场运管委以及驻场航空公司开展航班调时工作，共对双流机场的61架次航班进行了调时。夜间，因双流机场天气不佳，出现了40架次航班备降的情况，其中32架次备降在天府机场，7架次备降在重庆机场，1架次备降在贵阳机场。由于凌晨雷雨天气的影响，有大量备降航班需要返回，这使得12日早高峰的放行压力剧增。众多备降航班在天府机场积压，而天府机场自身早高峰航班数量也较多，从而导致早高峰放行出现较多延误。并且，由于航班尚未完成上一段航程，下一段航程也无法按时执行。最终，天府机场有75班航班出现放行延误，双流机场有18班航班出现起飞延误。

20时 22时

24时 02时

04时 06时

Figure 1. Radar reflectivity map of Shuangliu Airport (from 20:00 on the 11th to 06:00 on the 12th)

图1. 双流机场雷达反射率图(11日20时~12日06时)

11日22:00	12日00:00	02:20	02:45	04:10	04:15	05:13	06:00	07:00

Figure 2. Distribution period of thunderstorm weather at Shuangliu Airport

图2. 双流机场雷雨天气分布时段

3. 环流分析

(a) (b)

Figure 3. 500 hPa synoptic chart (Left picture: (a) At 20:00 on the 11th, right picture: (b) At 00:00 on the 12th; red solid line: temperature; green shading: relative humidity; pink shading: area within the 588 contour)

图3. 500 hPa形势场图(左图：(a) 11日20时，右图：(b) 12日00时；红色实线：温度；绿色填充：相对湿度；粉色填充：588等高线区域)

在此次天气过程中，在500 hPa上影响四川地区的天气系统主要包括位于川西北的高空槽和处于四川盆地内的波动槽(图3)。其中，高空槽受到副高的阻挡而在原地维持，而波动槽则逐渐向东移动。在11日20时到23时这一时间段内，副高加强西进北顶。受日变化的影响，从12日00时开始，副高逐渐减弱东退南落。在11日20时之后，波动槽的东移对副高产生挤压作用，致使川东北、重庆西北部的副高发生变形，向西北方向凸出。在这样的环流形势影响下，波动槽逐渐加深加强，并对成都终端区产生影响。成都终端区在副高外围暖湿气流与波动槽的共同作用下，对流活动逐渐发展起来，并在22时之后开始影响双流机场。

(a) (b)

Figure 4. Synoptic chart at 20:00 on the 11th (left picture: (a) 700 hPa, right picture: (b) 850 hPa; red solid line: temperature; green shading: relative humidity; pink shading: contour area)

图4. 11日20时形势场图(左图：(a) 700 hPa，右图：(b) 850 hPa；红色实线：温度；绿色填充：相对湿度；粉色填充：等高线区域)

Figure 5. Synoptic chart of the vertical structure at 500 hPa, 700 hPa and 850 hPa at 22:00 on the 11th (red solid line: temperature; green shading: relative humidity; pink shading: contour area)

图5. 11日22时500 hPa、700 hPa和850 hPa垂直结构形势场图(红色实线：温度；绿色填充：相对湿度；粉色填充：等高线区域)

700 hPa，在云贵地区西南气流强盛，形成急流带，水汽输送显著，使得西南地区中低层水汽十分充足(图4(a))。在11日20时，切变线维持在成都终端区西部，此时成都终端区处于西南偏南气流的控制之下，风速处于4~6米/秒之间，且位于急流轴的左侧，存在较强的正涡度，这种配置有利于对流发展。850 hPa，11日20时，成都终端区东南部处于辐合区的控制，并且东部急流带明显，存在较强的风速辐合，而双流机场处于辐合区的西北侧，风速辐合产生的东南气流为双流机场以及成都终端区西部、西北部的雷暴发展提供了动力上升和能量方面的条件(图4(b))。

从500 hPa、700 hPa和850 hPa的垂直结构配置来看(图5)，三层天气系统配合较好，呈倾斜结构。这种500 hPa高空槽落后于700 hPa低层切变线和850 hPa辐合线的倾斜结构，会使天气系统更加不稳定。11日前半夜，低层切变线和辐合线率先对成都终端区产生影响，为其提供了充足的水汽和不稳定能量，从而引发了前半夜的暖区雷雨。到了12日凌晨，随着副高东退，500 hPa高空槽向东移动，其所携带的强冷平流与低层的暖湿气流相互交汇，致使成都终端区的对流发展更为强劲，双流机场的雷雨也随之增强。由于副高的阻挡作用，天气系统向东移动的速度较为缓慢，移动历时长，因此雷雨的影响时间长，降水量也较大。

4. 流函数诊断分析

4.1. 流函数天气分析应用介绍

流函数在气象中的应用广泛且重要，它主要用于描述和分析大气中的无辐散运动，即不伴随质量辐合或辐散的流体运动。通过流函数，可以清晰地揭示出大气中的环流结构，如涡旋、急流等。流函数的等值线即为流线，它们描绘了流体微元的运动轨迹，有助于理解大气环流的动态变化。在天气分析中，流函数常被用来辅助判断天气系统的性质、强度和位置。通过分析流函数的分布和变化，可以预测台风、暴雨等灾害性天气的发生和发展趋势。例如，当流函数在某区域出现显著变化时，可能意味着该区域将有新的天气系统生成或发展；当流函数等值线密集且方向一致时，可能预示着强风或暴雨等灾害性天气的发生。王庆万、胡淑娟等人[4]利用全球大气环流三型分解模型中的水平型环流流函数重新定义了西太平洋副热带高压的面积、强度、脊线及西伸脊点指数。该方法不仅从形态上准确刻画了副高的大尺度涡旋环流特征，而且为分析副高边缘的雷雨天气提供了新的视角。根据此方法，本文选取流函数等值线作为客观标准，分析此次副高边缘复杂环流背景下的雷雨天气发生机制，以期提高对这类极端天气事件的预测能力。

4.2. 流函数计算

在二维不可压缩流体流动中，流函数$\psi \left(x,y\right)$ 是一个重要的标量函数，它与速度场u和v的关系为：

$\text{u}=\frac{\partial \psi }{\partial y},v=-\frac{\partial \psi }{\partial x}$ (1)

流函数的泊松方程在二维不可压缩流体动力学中，特别是在描述无旋流动中流函数$\psi \left(x,y\right)$ 满足的泊松方程为：

$\frac{{\partial }^2\psi }{\partial x^2}+\frac{{\partial }^2\psi }{\partial y^2}=\zeta$ (2)

ζ表示垂直涡度，与u，v的关系为：

$\zeta =\frac{\partial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y}$ (3)

利用松弛迭代法[5] [6]，结合泊松方程可解出流函数。

4.3. 诊断分析

流函数的负值区域表示流体在该点的运动方向与流线切线方向相反，该区域气流受到的压力越大，流速减缓，为流体的缓速区；流函数的正值区域表示流体在该点的运动方向与流线切线方向相同，该区域气流收到的压力较小，流速较快，为流体的加速区。

(a) (b)

(c) (d)

Figure 6. Diagram of the 588 contour line, stream function and 3-hour precipitation ((a) The 588 contour line and stream function at 20:00, and the 3-hour accumulated precipitation from 18:00 to 20:00; (b) The 588 contour line and stream function at 22:00, and the 3-hour accumulated precipitation from 20:00 to 22:00; (c) The 588 contour line and stream function at 24:00, and the 3-hour accumulated precipitation from 22:00 to 24:00; (d) The 588 contour line and stream function at 02:00, and the 3-hour accumulated precipitation from 00:00 to 02:00. Among them, the black line represents the 588 contour line, the red and blue color filling represents the stream function (unit: 10⁻⁶ m²/s), and the seven-color filling represents the 3-hour precipitation)

图6. 588线、流函数与3小时降水量图((a) 20时588线与流函数、18~20时3小时累计降水量；(b) 22时588线与流函数、20~22时3小时累计降水量；(c) 24时588线与流函数、22~24时3小时累计降水量；(d) 02时588线与流函数、00~02时3小时累计降水量；其中，黑色线表示588线，红蓝颜色填图表示流函数，流函数单位10⁻⁶ m²/s，七色填图表示3小时降水量)

如图6(a)所示，在11日20时，西南地区大部、湖北北部、河南西部处于流函数负值区域的控制之下，该区域内气流流速较为平缓；而甘肃至河北西部以及东南沿海地区则受流函数正值区域控制，气流流速相对较快。在图6(a)中，18至20时的3小时累积降水落区主要集中在流速缓速区与加速区的过渡地带，即川西、川西北、甘肃南部、河南西北部等地区。在这些区域，气流流速突然发生改变，这通常意味着有新的天气系统正在生成或处于发展阶段，并且降水落区大多分布在流函数零线附近且靠近负值的一侧。从20时到22时(图6(a)、图6(b))，成都终端区的西部、西南部、北部，其流函数值大于−1.0 (单位为10⁻⁶ m²/s)且小于0，处于流函数零线靠近负值区的位置，在该区域内逐渐产生对流天气，到22时，降水量增大，对流发展趋于旺盛。在12日00到02时期间(图6(c)、图6(d))，成都终端区东部的流函数正值区域不断加强并向西扩展，而负值区域则缩小并向西退去，气流流速改变的过渡区域随之缩小，相应地，成都终端区的强对流天气区域也变小。

为了分析副高588线、流函数与对流落区的关系，本文选取11日18时~12日08时的过程降水落区来代表对流落区，该时段的降水过程也代表了该雷雨过程的主要对流时段。从图7(a)分析可知，降水落区主要分布在588线最大西伸位置边缘(图7(b)，红色线)与流函数零线靠近负值区一侧的交叉区域，交叉区域降水量普遍较强，过程降水量超过20 mm。从这次个例分析来看，利用副高588线最大西伸位置与流函数零线的交叉区域对判断对流天气发生区域有较高的参考指示作用。

(a) (b)

Figure 7. Diagram of the 588 Contour Line, Stream Function and Precipitation ((a) The 588 contour line and stream function at 23:00, and the process precipitation from 18:00 to 08:00 on the next day. Among them, the black line represents the 588 contour line, the red and blue color filling represents the stream function (unit: 10⁻⁶ m²/s), and the seven-color filling represents the 3-hour precipitation. (b) Diagram of the westward movement process of the Western Pacific Subtropical High’s 588 contour line. The blue color represents 21:00, the black color represents 22:00, the red color represents 03:00, and the pink filled part represents 20:00)

图7. 588线、流函数与降水量图((a) 23时的588线与流函数、18~次日08时刻过程降水量；其中，黑色线表示588线，红蓝颜色填图表示流函数，流函数单位10⁻⁶ m²/s，七色填图表示3小时降水量。(b) 副高588线西进过程图，蓝色表示21时，黑色表示22时，红色表示03时，粉色填色部分表示20时)

5. 物理量诊断分析

5.1. 动力条件

从图8能够看出，在7月11日20时，受副高外围东南气流的强迫抬升影响，成都终端区东南部以及双流机场上空的对流开始发展，其对流发展高度可达8公里，最大上升速度为−1.1 Pa∙s⁻¹，此最大上升速度位于4公里高度处。在22时到次日00时期间，随着副高西进，东南气流与地形抬升作用相互配合，使得双流机场上空的强迫抬升作用增强，雷暴天气开始出现，此时上升运动超过16公里，最大上升速度达到−2.0 Pa∙s⁻¹，且位于9公里高度。00时到04时，由于副高东退，500 hPa高空槽东移并对成都终端区产生影响，高层东北向的冷平流得以加强，冷平流与低层的东南暖湿气流交汇，进一步促进了对流发展。在垂直运动的携带下，低层水汽使得对流发展得更为深厚，上升气流最高超过17公里，在04时最大上升速度达到−2.4 Pa∙s⁻¹，最大上升气流中心维持在7~11公里高度之间，这为持续降水提供了动力抬升条件。通过对这一个例的分析可知，当副高西进时，副高外围的低层东南暖湿气流会在盆地东南低、西北高的地形强迫抬升作用下触发对流发展；而在副高东退后，高层天气系统东移将进一步增强对流，导致对流天气系统影响时间长，累积降水量大。

Figure 8. Spatial profile of vertical velocity in the northwest-southeast direction of the Chengdu terminal area from 20:00 on July 11th to 04:00 on July 12th, 2023 (The red arrow indicates the location of Shuangliu Airport. It is a spatial profile of the flow field and vertical velocity made along the Western Pacific Subtropical High, along the coordinate points (29.0, 105.75) and (32.25, 102), from southeastern Sichuan to northwestern Sichuan)

图8. 2023年7月11日20时~12日04时成都终端区西北东南向垂直速度空间剖面图(红色箭头为双流机场的位置，沿着坐标点(29.0, 105.75)、(32.25, 102)，川东南到川西北，副高沿线制作的流场和垂直速度的空间剖面图)

5.2. 水汽条件及不稳定能量

11日22时，对流发生前(如图9(a)和图9(b))成都终端区受副高外围东南气流和低层的西南气流影响，水汽输送较为显著，在850 hPa上，成都终端区东南侧比湿达到18 g/kg，其中泸州宜宾区域的比湿最大值超过20 g/kg，整个成都终端区的比湿也都在16 g/kg及以上；在700 hPa上，成都终端区1区、双流机场上空比湿同样达到16 g/kg。在12日02时副高东退以后，850 hPa和700 hPa (图9(c)和图9(b))的比湿在成都终端区南部、一区、双流机场上空仍然维持在16 g/kg以上，并且双流机场上空以及成都终端区西侧的大湿区还有所扩大。通过对比湿的分析可知，在雷雨发生前，双流机场850 hPa的比湿 ≥ 18 g/kg，700 hPa的比湿 ≥ 16 g/kg，水汽十分丰富，这对于对流的发展以及长历时降水的维持较为有利。

(a) (b)

(c) (d)

Figure 9. Specific humidity distribution map ((a) 850 hPa at 22:00 on the 11th; (b) 700 hPa at 22:00 on the 11th; (c) 850 hPa at 02:00 on the 12th; (d) 700 hPa at 02:00 on the 12th)

图9. 比湿分布图((a) 11日22时850 hPa；(b) 11日22时700 hPa；(c) 12日02时850 hPa；(d) 12日02时700 hPa)

从不稳定能量的分布(如图10)来看，在雷暴发生前的18~22时之间整个四川盆地及川东、东南部不稳定能量充足，其中川东南部泸州宜宾区域平均K指数达到44℃，平均CAPE达到3600 J/kg，成都终端区平均K指数在40~44℃，平均CAPE达到1200~3600 J/kg，双流机场上空平均K指数为42℃，平均CAPE为2000 J/kg。整个高不稳定能量区域主要分布在副高边缘，副高外围东南暖湿气流与低层的西南气流为此次雷暴过程提供了丰富的能量。

(a) (b)

Figure 10. (a) Average K-index, (b) CAPE energy diagram from 18:00 to 22:00

图10. 18~22时(a) 平均K指数，(b) CAPE能量图

6. 结论

本文通过综合运用双流机场逐小时气象观测资料、欧洲中心ERA5再分析资料、MICAPS常规气象资料以及多普勒天气雷达反射率因子资料，结合流函数和物理量诊断分析方法，对2023年7月11日~12日发生在双流机场的一次典型雷雨天气过程进行了详细分析，形成以下主要结论：

(1) 此次雷雨天气是在西太平洋副热带高压西进东退演变趋势下，受副高边缘暖湿气流与高空槽等天气系统共同作用的结果。在副高外围暖湿气流与地形抬升等因素的强迫下逐渐发展，并在副高东退、高空槽东移带来的冷空气影响下加强；

(2) 500 hPa、700 hPa与850 hPa天气系统的倾斜垂直结构，即高空槽落后于低层切变线和辐合线，这种不稳定配置促进了雷暴的生成与发展，同时由于副高阻挡作用，天气系统移动缓慢，使得雷雨影响时间延长，降水量较大；

(3) 流函数在描述大气无辐散运动方面具有重要意义。通过流函数诊断分析发现，此次雷雨天气过程对流主要在588线最大西伸位置边缘与流函数零线靠近负值区一侧的交叉区域发生，利用交叉区域判断对流落区对以后预报副高外围对流天气有一定参考指示作用；

(4) 此次雷雨天气过程，成都终端区充足的水汽与高不稳定能量(K指数和CAPE)促进了雷暴活动的增强。在雷雨发生前，双流机场850 hPa的比湿 ≥ 18 g/kg，700 hPa的比湿 ≥ 16 g/kg，平均K指数为42℃，平均CAPE为2000 J/kg。