1. 引言
强对流天气是一类发展速度快、破坏性大的高影响局地性自然天气，通常伴随雷暴、大风、冰雹、龙卷、强降水等天气现象[1]，因强对流天气具有空间尺度小、突发性强、破坏力大的特点，对其的预报预警一直是天气预报中的难点，许多气象工作者针对强对流天气做了大量的研究。朱义清等[2]认为强对流发生区与低层辐合高层辐散区有较好的对应关系。顾天红等[3]通过分析发现强对流出现在水汽通量散度大值区、θse高能区、上升气流大值中心和SRH的大值区的位置。吴和俐等[4]根据FY-2G卫星云顶亮温TBB演变分析冰雹主要出现在TBB梯度大值区及TBB大值区之间。
贵州位于低纬度高原山区，春季多发强对流天气，大量气象工作者从个例分析、中尺度特征、物理量和雷达回波特征多方面对贵州的各类强对流天气开展了大量分析和研究[5]-[11]。贵阳龙洞堡机场位于贵州中部，海拔高度1139米，坐标为(106˚48'E，26˚32'N)，由于周围多山的地形，贵阳机场多受强对流天气的影响。强对流天气一直是民航运行中的重点关注对象，大范围强对流天气和短时强降水对民航运行安全和效率有重大的影响。民航贵州空管分局的气象工作者多年来对影响贵阳机场的强对流天气做了大量历史个例分析和总结，对影响贵阳机场的强对流天气的发生和发展过程有细致的分析，积累了一定的预报经验[12] [13]。本文主要分析2023年3月16日贵阳机场的一次强对流天气过程形势特点，对物理量和雷达图像进行分析和总结，以期找到此次冰雹形成的原因，为日后航空气象预报服务提供部分指标，保证民航活动的安全、高效。
2. 资料与方法
本文使用欧洲中心ERA5逐小时再分析地面资料(平均海平面气压、10米风、2米温度等)和高空资料(UV风、位势高度、垂直速度、相对湿度等共32层)，空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚。以及2023年3月16日贵阳龙洞堡机场逐小时常规观测场资料、探空资料、多普勒雷达资料，利用高斯平滑、有限差分法对数据进行了处理，分析探讨了2023年3月16日贵阳机场一次雷暴、冰雹天气的形势场、物理量及天气发展过程。
3. 天气实况
根据表1贵阳机场天气现象演变观测纪要栏数据可知，2023年3月16日，北京时间19:22~23:46贵阳机场出现弱到中雷雨天气，19:22初次雷声位于贵阳机场西北方向，雷雨出现在21:44，期间21:56~22:12本场出现小冰雹，世界协调时(UTC)13:46出现最大偏北阵风23 m/s。图1是贵阳机场2023年3月16日北京时间00时~23时风向和相对湿度变化时间序列图，横坐标为3月16日北京时间序列，灰色折线表示风向变化，蓝色折线表示相对湿度变化，据图所析3月16日白天呈现稳定南风形势，在22时地面风由南风转为北风，相对湿度也迅速增长至95%以上。
Table 1. Summary column of weather phenomenon evolution in Guiyang Airport
表1. 贵阳机场天气现象演变纪要栏
时间(UTC) |
3月16日 |
天气现象演变纪要栏 |
TS1122NW-1156NE-1211NE-1312NW-1134Z-1420SE-1546SEBR1325-1600 GA1345-1355 20(1346)340 SHRA1344--SHRA1446-1600 -SHGR1356-1412 |
Figure 1. Time series diagram of wind direction and relative humidity change in Guiyang Airport from 00:00 to 23:00 Beijing time on March 16, 2023
图1. 2023年3月16日北京时间00~23时贵阳机场风向和相对湿度变化时间序列图
4. 环流形势分析
图2显示500 hPa上16日20:00 (北京时)，中高纬呈现两槽一脊形势，西槽位于蒙古东部至新疆东部交界，东槽位于贝加尔湖东侧。中低纬度呈两脊一槽形势，高空槽位于川黔交界处，贵阳机场位于槽前，受高空西南急流控制，此时温度槽落后于高度槽，槽后存在明显干冷平流，且有明显的向南加深的形势。16日22:00 (北京时)，此时高空槽东移位于贵州中西部地区，此时温度槽稍提前高度槽，无明显疏散或聚拢形势。
16日700 hPa上20:00 (图3(a))和22:00 (图3(c))，贵州中南部存在一支低空西南急流，其位置与500 hPa上高空急流基本重合。贵阳处于低空西南急流轴左侧，同时伴有较强的风场辐合，低层西南急流大风速向东北方向传播，这是强对流天气发生发展的重要要素之一。低空西南急流多数为暖湿气流，在急流的左侧常存在较强的气旋性切变和抬升作用。
16日850 hPa上20:00 (图3(b))贵州北部有一低涡中心，切变线位于贵州中西部呈东北西南走向分布，贵阳机场处于切变线前部偏南急流控制，南风势力逐渐增强。22:00 (图3(d))切变线南压至贵阳南部，切变线前部有明显的风场辐合，南风势力逐渐减弱。
Figure 2. 500 hPa geopotential height field (units: hPa), wind field (units: m/s), and temperature field (units: ˚C) at 20:00 (left) and 22:00 (right) on March 16, 2023
图2. 2023年3月16日500 hPa 20:00 (左)、22:00 (右)位势高度场(单位：hPa)、风场(单位：m∙s−1和温度场(单位：℃)
Figure 3. Relative humidity field (units: %) and wind field (units: m/s) at 700 hPa and 850 hPa on March 16, 2023. (a) 700 hPa 20:00; (b) 850 hPa 20:00; (c) 700 hPa 22:00; (d) 850 hPa 22:00
图3. 2023年3月16日北京时间700 hPa和850 hPa相对湿度场(单位：％)和风场(单位：m∙s−1)。(a) 700 hPa 20:00；(b) 850 hPa 20:00；(c) 700 hPa 22:00；(d) 850 hPa 22:00
图4显示16日20:00，贵州省西南部受热低压控制，从东北方向下来的冷空气前沿已达到遵义市、铜仁市一带，此时的地面辐合线位于贵州省东北部一带。22:00时，热低压势力逐渐减弱，冷空气进一步南下，此时地面辐合线位于贵阳市一带。
Figure 4. Surface 2-meter temperature field (units: ˚C), wind field (units: m/s), and mean sea level pressure field (units: hPa) at 20:00 (left) and 22:00 (right) Beijing Time on March 16, 2023
图4. 2023年3月16日北京时间20:00 (左)，22:00 (右)地面2 m温度场(单位：℃)、风场(单位：m∙s−1)和海平面气压场(单位：hPa)
综合分析：500 hPa上高空槽过境且伴随高空急流，700 hPa和850 hPa主要由低空西南急流和切变线影响。槽后偏北气流带来的干冷空气，与低层西南暖湿平流配合，形成了“上干冷、下暖湿”的层结结构，有利于热力不稳定层的增长。在此次过程中，贵阳机场上空存在高低空急流的位置配合，500 hPa上的急流右侧对应低层西南急流的左侧，高空急流右侧区域往往具有反气旋特征，表现为风的辐散，低空西南急流的左侧表现为气旋式切变，在高低空急流的配合下，形成了“高层辐散、低层辐合”的强上升运动，这种动力、热力作用产生的上升运动有利于对流不稳定能量的释放。地面形势场上有冷空气的入侵，夜间热低压发展减弱，使得地面辐合线南移，有利于低空气块的抬升。本次天气过程形势配置符合低层暖平流强迫类强对流天气配置。
5. 物理量分析
5.1. 水汽条件
如图5所示，16日19:00~23:00，选取贵阳机场所在的坐标范围(26˚N~27˚N, 106˚E~107˚E)的相对湿度计算区域平均表征此次天气过程贵阳机场实际情况，从地面至500 hPa高度上的相对湿度均达到50%以上，700 hPa以下的相对湿度均达到80%以上。从剖面图可知低层水汽充沛，在20:00后近地面至700 hPa相对湿度达到饱和，为强对流天气的发展提供了充足的水汽条件。
5.2. 能量条件与动力抬升条件
16日08:00贵阳探空资料(图6左)显示，850 hPa近地面露点线与温度线几近重合，近地面空气近乎饱和。700 hPa附近存在逆温层，低层风向随高度顺转，高层风随高度逆转，层结稳定度减小，中高层空气较为干燥，午后不稳定能量将进一步增强。此时K指数为23.3，SI指数为0.44，CAPE值为90.1，CIN值为277.8，DCAPE值为2.6。
分析16日20:00贵阳探空资料(图6右)低层和中层的温差可知，850hPa和500hPa温差达到28.2℃，大于25℃阈值，垂直温度梯度大，热力不稳定条件较好。DCAPE值达到21.7，CAPE值达到398.6，K指数为41.3，SI指数为−3.79，潜在不稳定能量大，600 hPa至850 hPa湿度都几乎达到饱和，大气层结处于不稳定状态。600 hPa以下风随高度顺转，表明低层有暖平流。700 hPa以下有明显的垂直风切变，这有利中层干冷空气的吸入，加强风暴中的下沉气流，使低空暖湿空气更强烈地上升。中高层强烈干冷空气叠加在低层相对暖湿气流上，热力结构使得大气温度垂直递减率很大，造成低层空气负浮力加大，有利地面强对流天气特别是雷暴大风的出现[14]。0℃高度约为4.1 km，−20℃高度约为7.0 km，适宜冰雹的生成。
Figure 5. Height-time vertical cross-section of relative humidity (units: %) and vertical velocity (units: Pa/s) at Guiyang Airport on March 16, 2023
图5. 2023年3月16日贵阳机场相对湿度(单位：％)、垂直速度(单位：m∙s−1)的高度–时间垂直剖面图
Figure 6. T-lnP diagram (skew-T log-P diagram) from the Guiyang sounding station at 08:00 (left) and 20:00 (right) on March 16, 2023
图6. 2023年3月16日08:00 (左)、20:00 (右)贵阳探空站T-lnP示意图
6. 雷达图像分析
贵阳机场雷达组合反射率图像更加直观地展现本次天气过程(图7)，16日18:06机场60公里处330˚方向有强对流云团存在，并以25km/h的速度自西北向东南移动，在后续的移动过程中回波激发出新的回波，强度逐渐增强，在21:45出现V型缺口。至23:49强回波中心已过境贵阳机场。
Figure 7. Radar composite reflectivity diagram for Guiyang Airport from 18:06 to 23:49 on March 16, 2023
图7. 2023年3月16日18:06~23:49贵阳机场雷达组合反射率示意图
7. 结束语
2023年3月16日夜间贵州大部出现强对流天气，贵阳机场伴随雷雨、大风、冰雹天气，造成航班的延误和备降，对民航运行产生了影响。
1) 本次强对流天气过程自西北向东南发展移动，高空槽与低空切变线和地面辐合线配合较好，对流在850 hPa切变线南侧不断发生发展。2) 此次过程对流与700 hPa西南急流对应较好，位于低空急流左侧，对流发生时存在明显的上升气流和高层辐散、低层辐合垂直结构。3) 探空CAPE、K、SI等指数指示意义较好，对流发生前存在逆温层，有利不稳定能量积聚。