1. 引言
雷暴是气象学上一种发生突然、移动迅速、局地性强、伴随天气剧烈的强对流天气，其一般发生在强烈的对流云中，产生时伴有雷鸣和闪电，且有强烈的阵雨或暴雨，偶有下击暴流、冰雹和龙卷风发生[1]。张敏锋等[2]研究指出我国雷暴发生的次高值区包括了青藏高原与其邻近地区，研究该地区雷暴活动特征对于雷暴天气预测和防御指导具有一定意义。国内许多气象专家对高原东侧发生的暴雨做了不少研究，盛夏暴雨大多与500 hPa短波槽的东移发展以及副热带高压迅速南退有密切关系，副高西北侧易于发生雷雨天气和局地性暴雨[3] [4]。王金兰[5]研究显示，由于副高控制下高层干冷空气的下沉作用促进了对流层在垂直方向的发展，低空热力正环流的生消对暴雨的加强及维持起着十分重要的作用，低层冷空气侵入、良好的水汽辐合条件等均是该地产生强雷暴天气的主要原因。
随着社会经济的迅速发展，民航事业也与时俱进，蓬勃壮大，而航班的安全和效率往往与当地天气密切相关。成都双流机场处于四川盆地西侧，夏季影响飞行安全的主要天气之一即是雷暴，所以做好雷暴天气的准确预报在民航预报中有着重要而现实的意义。2021年10月4日夜间成都双流机场发生了一次非典型的雷暴天气过程，虽然天气过程持续时间不长，但因为其属于非典型的临界性天气，前期预报难度大，发生突然，为运行造成了较大影响。因此，本文拟对该次强对流天气过程进行较深入的综合分析，试图能为今后类似天气的预报提供一些参考依据。本文的分析研究有助于提升双流机场高架雷暴天气过程的认知，更有利于深入理解高架雷暴天气形成机制与演变规律。通过对此次天气过程的详细剖析，能够为气象预报员提供高架雷暴预报思路与诊断方法，增强对类似天气的识别与预判能力。这将直接有利于提高民航气象预报的准确性与可靠性，减少因雷暴天气导致的航班延误、取消、备降等情况，保障民航运输的正常秩序，降低航空公司的运营成本与旅客的出行风险，进一步促进民航事业朝着安全、高效、稳定的方向持续发展。同时，研究成果也可为其他地区机场应对高架雷暴天气提供有益的借鉴与参考。
2. 天气实况
2021年10月4日夜间至5日上午，四川盆地自西南向东北出现了一次明显的强对流天气过程。成都双流机场于4日23:46~24:00及5日01:00~01:09两个时段分别出现了短时的中阵雨天气。01:09本场闻雷，雷声剧烈、闪电明显、降水集中，03:00本场重要天气结束，转为小阵雨。图1为本场闪电定位仪显示闪电频率随时间的分布图。从图中可以看出，05日00:46~01:03，本场周边(20 km内)开始出现闪电，且逐渐频繁。从01:03开始，闪电逐渐逼近本场，一直持续到02:20，此后慢慢远离。整个雷雨过程持续时间虽不长，但局地突发特征明显，预报预警难度较大。
Figure 1. Distribution of lightning frequency over time at Shuangliu Airport on the night of October 4th, 2021
图1. 2021年10月4日夜间双流机场闪电频率随时间分布
3. 环流背景
10月4日20时，500 hPa欧亚大陆高纬度为两槽一脊形势，副热带高压西伸，588线位于重庆西侧，高原上低值系统发展，本场上游青海东部有波动槽(图2(a))。因副高阻挡作用，高原槽停滞不前，本场当晚始终受副高外围气流偏南风影响(图略)，副高西北侧及北侧西南风强盛，形成一条中空大风速带，造成一定的垂直风切变，有利于雷暴发生。
Figure 2. Weather situation at 500 hPa (a), 700 hPa (b), 850 hPa (c) and 925 hPa (d) at 20:00 on October 4th, 2021
图2. 2021年10月4日20:00 500 hPa (a)、700 hPa (b)、850 hPa (c)和925 hPa (d)天气形势
20时700 hPa切变线自内蒙古东南部经山西、陕西延伸至四川北部，本场处于切变尾前部。切变前部为西南低空急流，本场受急流轴外围的偏南风影响，同时位于低空急流左侧辐合区。后期(图略)急流有所加强并西进，本场辐合上升运动增强。另外，甘南至川北有冷槽，温度梯度较大，北侧冷平流与南侧暖湿气流于本场附近交汇，增强了大气的不稳定性(图2(b))。盆地中北部处于大湿区内，水汽充沛。
20时850 hPa切变线从华北平原一路延伸至四川东部，本场位于切变尾部，受东北气流控制，风速较大，达12 m/s。与700 hPa相比，本场东北侧冷槽及温度梯度更加明显，存在锋区。同时本场温度与周边相比偏低，说明低层冷空气已逐渐影响本场(图2(c))。低空急流位于黔渝地区，水汽输送作用强势。
20时925 hPa切变线与850 hPa切变位置一致，川东南有较强的辐合区，本场位于辐合后部，东北风较大。温度槽延伸至四川南部，说明低层冷空气已过本场，但700 hPa以上还未至(图2(d))。此时地面冷锋位于川东重庆一线，本场处于锋后偏北气流控制(图略)。
4. 物理量分析
4.1. 动力条件
图3为北京时间2021年10月4日08:00到5日08:00双流机场附近(30˚N, 104˚E)垂直运动的时间–高度剖面图，该垂直运动的垂直结构反映了强对流发生前后气流的垂直结构特征。分析可知，对流发生前，4日08:00~14:00，上升运动向上达到650 hPa，上升运动中心位于850 hPa上下，600 hPa以上为下沉运动。从4日17:00开始，上升运动的垂直高度开始向上延伸，其有利于触发对流天气的发生、发展。图中可见上升运动沿近地面至900 hPa的下沉运动层爬升，说明此时地面附近已为稳定的冷空气，低层有逆温层，来自地面的气块很难穿透逆温层获得浮力，而是逆温层之上的气块上升获得浮力。这也进一步说明此次雷暴过程为高架雷暴型。在5日02:00上升运动的高度达到400 hPa，有两个较强的上升运动区，最大上升运动层分别位于800 hPa、500 hPa，此时本场天气亦较为剧烈，可见强对流天气往往配合有深厚的上升运动层。
Figure 3. Time-height cross-section of vertical motion (Pa·s⁻¹) near Shuangliu Airport (30˚N, 104˚E) from 08:00 on October 4th to 08:00 on October 5th, 2021
图3. 2021年10月4日08:00~5日08:00双流机场附近(30˚N, 104˚E)垂直运动(Pa·s−1)的时间–高度剖面图
4.2. 水汽条件
强对流天气的发生需要大气环境中具有一定量的水汽条件，图4为2021年10月4日08:00到5日08:00成都双流机场附近(30˚N, 104˚E)相对湿度的时间–高度剖面图。图中可见，4日全天双流机场湿层深厚，从地面延伸至500 hPa，上干下湿，有利于雷暴天气的发生。自午后起，中高层湿度开始增加，高湿区集中于90~600 hPa，本场湿度条件进一步加强，其中对应本场雷暴天气最剧烈时段5日02:00前后，湿层最为深厚。
Figure 4. Time-height cross-section diagram of relative humidity near Shuangliu Airport (30˚N, 104˚E) from 08:00 on October 4th to 08:00 on October 5th, 2021
图4. 2021年10月4日08:00~5日08:00双流机场附近(30˚N, 104˚E)相对湿度的时间–高度剖面图
水汽通量与水汽通量散度可以定量描述水汽输送的方向、大小以及水汽在何处集中，从而更易预报形成强对流天气发生的位置。图5为大气整层垂直积分的水汽通量和水汽通量散度分布图。从水汽通量来看，本场有一条明显的强水汽输送带，从南海经黔渝地区的东南显著气流带来大量水汽，同时云南地区的一致偏南气流将暖湿空气不断向四川地区输送，这也解释了图4本场当日相对湿度不断增加的原因。从水汽通量散度来看，四川地区水汽集中的区域呈东西两条带状分布，这与初期对流天气产生的形态也较为相似，说明强对流天气发生与水汽集中区域有紧密关系。另图中明显可见在双流机场范围亦有一小尺度的水汽通量辐合区，这也进一步验证当日20:00本场处于一个水汽聚集，易发生强对流天气的环境下。
Figure 5. Distribution of vertically integrated water vapor flux (vector arrows, kg/m·s) in the whole atmosphere layer and water vapor flux divergence (shaded area, 10−4 kg/(m2·s)) at 20:00 on October 4th, 2021
图5. 2021年10月4日20:00大气整层垂直积分水汽通量(矢量箭头，kg/m·s)及水汽通量散度(阴影区，10−4 kg/(m2·s))分布
4.3. 不稳定能量
分析成都温江(本场西侧)探空站资料，K指数34.6，沙氏指数SI为1.3。K指数的计算考虑了温度直减率、低层水汽条件以及中层饱和程度，因此可以反映大气的层结稳定情况。从K指数来看，成都的能量条件尚可，有发生雷雨条件的可能。而从沙氏指数来看，SI指数是根据850 hPa空气质点上升到500 hPa后的温度与大气实际500 hPa温度的差值来判定层结稳定度，雷雨可能性很低，本文分析或许与低层弱逆温层有关，使其丧失了参考意义。另当日地面最高温度20℃，从感官或经验上容易得出不稳定能量欠缺的结论。
为进一步验证中低层温差，本文分别分析了500 hPa与700 hPa、850 hPa温度差。图中可见大值区均位于重庆地区,本场DT75为17℃~18℃ (图6(a))，未达到强对流天气发生的参考阈值，但DT85温差较大，达25℃~26℃ (图6(b))，达到强雷暴大风发生的阈值，由此可见本场低层850 hPa温度偏高，层结上冷下暖，导致热力不稳定。
Figure 6. Distribution of DT75 ((a), ˚C) and DT85 ((b), ˚C) at 20:00 on October 4th, 2021
图6. 2021年10月4日20:00 DT75 ((a) ℃)及DT85 ((b) ℃)分布
假相当位温是综合了温度和湿度的变量，图7为850 hPa假相当位温分布。图中表明，4日20:00四川盆地假相当位温均偏大(>320 K)，说明低层四川盆地大部处于高温高湿状态下。在四川中部存在一大值区(>360 K)，呈东北–西南向的带状分布，本场位于大值区的东侧。大值区东北侧等值线密集，可见四川北部能量锋区大，有利于对流在此处发展。
Figure 7. Distribution map of pseudo-equivalent potential temperature (K) at 850 hPa at 20:00 on October 4th, 2021
图7. 2021年10月4日20:00 850 hPa假相当位温(K)分布图
5. 雷达回波分析
从西南雷达拼图(图8)来看，4日21:00在盆地中部自北向南已有强带状回波生成，21:00~23:00带状回波西侧开始有零星、分散回波逐渐生成。23:00开始，双流机场以南、以东、以西方向陆续有回波发展加强，回波整体自西南向东北方向移动，移速较快。以西方向的回波向东传播，以南方向的回波向北推进，于5日00:00左右连成一片，向东北方向移动，逐渐覆盖本场，本场雷雨天气开始。回波整体移速较快，02:30回波主体已移出本场，本场转为小阵雨天气，周围有远闪。
Figure 8. Distribution of combined radar reflectivity factor of radar mosaics in Southwest China from 21:00 on October 4th to 02:00 on October 5th, 2021 ((a) 21:00, (b) 22:00, (c) 23:00, (d) 24:00, (e) 01:00, (f) 02:00. The solid line represents the scope of Shuangliu Airport terminal area and air route)
图8. 2021年10月4日21:00~5日02:00西南地区雷达拼图组合反射率因子分布((a) 21:00，(b) 22:00，(c) 23:00，(d) 24:00，(e) 01:00，(f) 02:00，实线为双流机场终端区范围及航路)
从成都雷达基本反射率因子三维立体图来看(图9(a))，在成片带状回波中有多个独立的强质心结构，表明此次雷雨天气为一个多单体雷暴过程。回波自西南向东北方向移动，回波垂直结构随高度增加而向移动方向倾斜。从随经度分布的垂直剖面可见典型的对流单体结构特征，每一个单体中心为强势的斜升气流，其前部为下沉气流(图9(b))。
Figure 9. 3D Stereoscopic Display of the basic radar reflectivity factor of Chengdu radar in the early morning of October 5th, 2021 (a) and vertical section distribution along longitude (b)
图9. 2021年10月5日凌晨成都雷达基本反射率因子三维立体显示(a)及随经度分布的垂直剖面(b)
6. 结论
(1) 此次过程发生在副高外围气流影响下，500 hPa有极大风速带，造成一定的垂直风切变，700 hPa受西南急流外围的偏南风控制，位于低空急流左侧辐合区，850 hPa处于弱辐合区内，有锋区存在，地面处于锋面北侧冷气团中，低层有弱逆温层，属于一次高架雷暴天气过程。700 hpa暖湿气流沿锋区做斜升运动，同时夜间西南低空急流加强、西进，辐合上升运动加强，使上升运动的垂直高度向上延伸，是此次强雷暴天气的主要触发条件。
(2) 在预报中应注意当低层存在逆温层时，沙氏指数SI往往会有较大误差，应结合其他指标综合分析。虽当日地面最高温度仅20℃左右，但大气层结仍有概率处于高温高湿、不稳定能量充足的状态下。
(3) 在一次强对流天气过程中，天气现象最剧烈的时段往往伴有深厚的湿层及上升运动层并伴随上升运动速率极大值。
(4) 从雷达回波分析来看，本次雷暴天气是一个多单体雷暴过程，呈带状分布自西南向东北方向移动，回波垂直结构随高度增加而不断向移动方向倾斜。同时在垂直剖面图上可见典型的对流单体结构特征，单体中心为强势的斜升气流，其前部为下沉气流。