1. 引言
下击暴流作为强对流天气系统中的“隐形杀手”，是由雷暴云内强下沉气流触地后引发的地面辐散性直线型大风，其瞬时风速可达50 m/s (15级)，水平尺度通常小于10公里，持续时间仅数分钟至20分钟[1]。由于尺度小、突发性和致灾性强等特点，下击暴流较难进行监测预警[2] [3]，对飞行安全造成重大威胁。为此，国内外的学者对下击暴流的监测和预警开展了深入研究。Sengupta等[4]的研究发现，降水的蒸发和冻结水凝固物的融化为干下击暴流的产生提供了负的浮力。王秀明等[5]指出，下击暴流的动力过程涉及降水粒子拖曳效应、中层干空气侵入及垂直风切变协同作用。王凯等[6]在“东方之星”事件调查中发现，类似地形辐合线可通过增强低层暖湿平流与垂直不稳定能量积累，显著提升下击暴流触发概率。孙凌峰等[7]对武汉6.22空难中下击暴流特征的分析发现，下击暴流的发生发展与大尺度天气系统密不可分，大尺度天气背景为其提供有利的环境场。牛向华等[8]对发生西宁机场的下击暴流观测的研究发现，测风激光雷达对跑道区域下击暴流辐散风场的水平和垂直结构均有良好的识别效果。夏羽等[9]的研究发现，强下沉气流叠加降水拖曳作用，会导致地面出现大范围大风，同时快速降低的VIL和中气旋对大风的预报有一定的指示意义。毕旭等[10]的研究指出，下击暴流生命周期中，由于垂直气流快速变化，会导致雷达反射率因子先减小，后短时增大的情况。
2025年5月20日，贵阳龙洞堡国际机场(以下简称贵阳机场)遭遇了一次剧烈的下击暴流天气过程，通过数据资料的分析，发现贵阳机场正处于下击暴流移动路线上，机场跑道安装的自动气象观测设备和激光测风雷达等设备较好地记录了下击暴流的要素变化情况。因此分析此次下击暴流天气过程的多源探测数据，对贵阳机场下击暴流监测预警的方法和技术进行更深层次的研究，显得尤为必要。
2. 探测设备及资料
2.1. 贵阳机场多源探测设备
自动气象观测系统：一共6套，分别位于贵阳机场19R跑道入口、01L跑道入口以及跑道中间(西跑道)和19L跑道入口、01R跑道入口以及跑道中间(东跑道)，能够探测该点的风向风速、气温、气压、湿度、RVR、能见度和降水量等信息。C波段多普勒双偏振天气雷达，探测范围150 km，能够探测对流天气的相关产品。FC-III型激光测风雷达，安装于贵阳机场老塔台明室外，高度42米，距跑道中线600米，能够测量水平10 km距离范围内的风场信息。HTG-4型地基多通道微波辐射计，能自动完成地面到高空 10 km的大气温湿度探测，时间间隔3 min，垂直共93层。上述探测设备的安装位置图见图1。
Figure 1. Location map of detection equipment at Guiyang Airport
图1. 贵阳机场探测设备位置图
2.2. 数据资料
欧洲中心ERA5逐小时地面资料(2米气温、地表气压、10米风等)和高空资料(UV风、位势高度、垂直速度、涡度、散度、相对湿度、比湿等共37层)，空间分辨率 0.25 × 0.25˚。贵阳龙洞堡机场逐小时常规观测数据、地面观测记录以及贵阳市实况探空资料。2.1中所述探测设备探测到的气象资料，包括自动气象观测系统分钟级数据、双偏振雷达扫描数据、激光雷达风场数据和微波辐射计探空数据等。Himawari-9气象卫星B13通道资料，包括云顶亮温等数据。本文采用Python、Origin及雷达软件对数据资料进行处理并制图。
3. 天气实况回顾
5月20日凌晨(北京时间，下同)，贵阳机场出现一次极端强对流天气过程，根据气象地面观测记录显示，5月20日04:30-08:47雷暴；04:56~05:30中阵雨，04:59~05:22大阵雨；05:03~05:29飑；05:03~05:06和05:17~05:21大风，最大风速31.3米/秒，05:06~05:22弱冰雹，直径9 mm，过程降水量：68.9 mm。极端大风造成贵阳机场范围内118棵树木倾倒，滑行道遭到污染，因为天气过境阶段机场航班量较少，同时气象部门提前发布了强天气机场警报，仅有1架进港航班备降，另有8架出港航班因滑行道清理延误。
4. 天气形势分析
环流形势分析
5月19日20时的环流形势(图2)进行分析可知，高空500 hPa上环流特征为两槽一脊型，两槽位于乌拉尔山以东的西伯利亚及亚洲东岸上空，脊位于贝加尔湖以南的蒙古高原为主，我国西南地区受槽底偏西气流控制，夜间多波动；700 hPa贵州地区以偏西南气流为主，川渝地区有弱低涡，夜间东移，水汽大值区与低空急流主要在广西至湖南南部；850 hP以偏南气流为主，水汽大值区及低空急流同样位于广西湖南等地。地面上有弱冷空气自东北路径向西南渗透。
Figure 2. Weather map at 20:00 on 2025.5.19: 500 hPa. (a) 700 hPa; (b) Contour: geopotential height, unit: dagpm; shading: relative humidity, unit: %, wind field: wind barbs
图2. 2025年5月19日20时天气图：500 hPa。(a) 700 hPa；(b) 等值线：位势高度，单位：dagpm；填色：相对湿度，单位：%，风场：风杆
5. 探测资料分析
5.1. 自动气象观测数据分析
此次天气过程较强时段为05:00~05:30间，重点对此阶段的自动气象观测系统探测到的分钟级风向风速、气压、温度、降水、能见度等气象要素变化情况进行分析。
图3给出了04:40~05:40间贵阳机场两条跑道共6套自动气象观测系统记录到的分钟级瞬时风向风速变化情况。从图3(a)可以看出，西跑道地面风从04:55开始迅速增大，在05:05左右达到风速峰值，其中01L跑道(西跑道南头)最大风速30米/秒，大风时间维持至05:20左右，风向由东北风转为北风再转为东风；19R跑道(西跑道北头)最大风速23米/秒，在05:09左右风速降低至仅5.9米/秒，后又快速增大至19.1米/秒，风向由西北风转为偏西风至偏东南风。从图3(b)可以看出，东跑道地面风从04:55开始迅速增大，在05:05左右达到风速峰值，其中01R跑道(东跑道南头)最大风速31.3米/秒，大风时间维持至05:20左右，风向由东北风转为北风至偏东风；19L跑道(东跑道北头)最大风速26.8米/秒，在05:12左右风速降低13.2米/秒，后又快速增大至20.9米/秒，风向由西北风转为偏西风至偏南风。由此可见，两条跑道的风向风速变化情况较为相似，大风期间呈现出跑道北头风向北风为主，跑道南头南风为主的辐散形势，且均出现了风速快速减小后又陡增的情况，尤其在中间端至北头的体现更为明显，本次过程地面强风(≥17 m/s)持续时间为25分钟(04:55~05:20)，水平影响尺度约4 km，符合一次下击暴流路径上风向风速的变化情况。
Figure 3. Instantaneous wind direction and speed variations at Guiyang Airport’s west runway (a) and east runway (b) from 04:40 to 05:40 on 2025.5.20
图3. 2025年5月20日04:40~05:40贵阳机场西跑道(a)和东跑道(b)瞬时风向风速变化
为更深入研究此次过程中的风向风速变化情况，选取如图4所示从04:55开始间隔5分钟的8个时间点不同自观设备所测的风向风速数据与机场平面图相叠加(图4)，更加直观地对下击暴流移经贵阳机场的过程进行观测和分析。本场于04:00左右地面风由南风转为北风并维持；04:55时，机场以北风为主，风速开始增大；05:00时，风向维持西北风，风速快速增大，南头风速最大；05:05时，北头转为偏西至西南大风，中间和南头保持偏北大风，风速均超过20米/秒；05:10时，北头与中间端风速迅速减小，并开始呈现出辐散形势，南头继续保持偏东北大风；05:15时，北头与中间端风速再次快速增大，其中北头为偏东南风，中间端与南头为东风，呈现出辐散趋势；05:20与05:25整体风场维持，但风速持续减小；05:30时，机场已转为偏南风并继续维持。地面风场上的快速变化和地面辐散的出现，再次印证了下击暴流发生的可能性，并指示出机场位于下击暴流移动路径之上。
图5给出了04:40~05:40期间，基准观测点气象要素的变化情况。从04:52开始出现降水，并在04:55开始降水量快速增大，一度达到4.3 mm/分钟，从降水开始至05:21降水量就达到61.5 mm，已达到较强短时强降水的标准。跑道视程RVR在降水开始后出现陡降的情况，最低降至75米，降水减小后RVR迅速回升，说明降水是引起RVR降低的主要原因。气温在降水开始后迅速降低，从21.3℃迅速降低至15.5℃，后缓慢回升，同时气压快速上升，从降水开始前的881 hPa猛增至884 hPa，后又快速恢复至降水前数值。结合地面风的变化可以看出，各项要素变化的主要原因是下击暴流中的高空冷空气随强降水迅速冲向地面，造成气温骤降、气压急升、RVR急剧降低，从侧面印证了机场位于下击暴流移动路径之上。
Figure 4. Wind direction and speed measured by the automatic weather observation system at Guiyang Airport at different times
图4. 不同时刻贵阳机场自动气象观测系统所测风向风速图
Figure 5. Precipitation (unit: mm), RVR (unit: m), temperature (unit: ˚C), surface pressure (unit: hPa), and surface wind variation trends at the reference point of Guiyang Airport from 04:40 to 05:40 on 2025.5.20
图5. 2025年5月20日04:40~05:40贵阳机场基准点降水量(单位：mm) RVR (单位：米)气温(单位：℃)场面气压(单位：hPa)和地面风变化趋势
5.2. 多普勒天气雷达资料分析
从天气雷达扫描产品中辨别强对流天气特征。图6给出了2025年5月19日不同时次的天气雷达图，从图6(a)~(d)组合反射率可以看出，机场西北侧，一条西南东北走向的强对流云带，正在发展并向东南方向移动，尤其是西北方向40~60公里处的强对流云团中，反射率因子强度超过65 dBZ，反映出对流云团中伴随较大的降水粒子，有冰雹存在的可能性；从图6(e)~(h)仰角1.5˚的径向速度图可以看出，对应组合反射率最强位置处出现正负速度对应特征，反映出强对流云团强烈的上升情况；从图6(i)~(l)垂直液态水含量图可以看出，对于组合反射率因子最强位置处出现垂直液态水含量大值区，最大值超过37.5 kg/m2，同时垂直液态水含量呈现先增后减的趋势；从图6(m)~(p)雨强图可以看出，对应组合反射率最强位置处的雨强出现大值区，最大雨强超过150 mm；从图6(q)~(t)粒子相态图可以看出，对应位置出现大雨滴、雨夹雹的识别情况，且维持时间较长，说明对流云团发展较为深厚。从中可以看出强回波核移动到本场时(≥50 dBZ)生命史已超过90分钟。
Figure 6. Weather radar images at different times on 2025.5.20, where (a)~(d) represent composite reflectivity (unit: dBZ), (e)~(h) denote radial velocity (elevation angle 1.5˚, unit: m/s), (i)~(l) indicate vertically integrated liquid water content (unit: kg/m²), (m)~(p) show rainfall intensity (unit: mm), and (q)~(t) display hydrometeor phase classification
图6. 2025年5月20日不同时次的天气雷达图，其中(a)~(d)为组合反射率(单位：dBZ)，(e)~(h)为径向速度(仰角1.5˚，单位：m/s)，(i)~(l)为垂直液态水含量(单位：kg/m2)，(m)~(p)为雨强(单位：mm)，(q)~(t)为粒子相态
5.3. 卫星云图资料分析
从此次天气过程的TBB演变情况(图7)可以看出，这是一次中-β尺度对流复合体天气过程。20日03时(图7(a))，贵州西部开始有中-α尺度对流云生成发展。04时(图7(b))，对流云团已发展至中-β尺度并与中部对流云团开始合并。05时(图7(c))，该中-β尺度对流云团已覆盖贵阳市大部，中心TBB值远低于−60℃，给贵阳机场带来强降水。06时(图7(d))对流云团继续东移，对贵阳机场的影响减小。
Figure 7. Evolution of TBB on 2025.5.20 (Unit: ℃)
图7. 2025年5月20日TBB演变情况(单位：℃)
5.4. 微波辐射计资料分析
Figure 8. Liquid water profile (LPR), absolute humidity profile (HPC), and relative humidity profile (RH) during 00:00-09:00 on 2025.5.20
图8. 2025年5月20日00:00~09:00期间液态水廓线(LPR)、绝对湿度廓线(HPC)以及相对湿度廓线(RH)
微波辐射计可以对大气层结和稳定性情况进行探测。图8分别显示了微波辐射计探测的液态水廓线(LPR)、绝对湿度廓线(HPC)以及相对湿度廓线(RH)。分析其变化情况可以看出，微波辐射计上空液态水、绝对湿度及相对湿度均呈现出先增强再减弱又增强的变化趋势，变化趋势与此次天气过程实况记录吻合。5月20日04:30左右开始，LPR廓线开始在高空出现液态水含量大值区，05:10左右最强降水时段，最大值达1.32 g/m3以上，且最大值中心快速下降，说明高空中的液态水呈现快速下冲趋势；从HPC廓线上也能反映出相同时段内绝对湿度增强明显(最高可达18.6 g/m3)，同时高湿层略微抬升；从RH廓线上可以看出相对湿度快速增加，相对湿度大值区自地面延伸至4000米以上，且整层RH均大于97%。
图9则是微波辐射计探测到的稳定性指数变化情况，可以看出在天气发生前(04:30)，K和TTI指数保持在40左右，SI、KOI、LI保持在0以下，呈现出较强的不稳定性，天气开始后，上述指数均出现小幅度震动，随着天气过境震动逐渐降低。CAPE值则体现出较大变化，天气发生之前，CAPE值保持在70~900 J/kg之间震动，平均值387 J/kg，天气开始后出现较大震荡，波动上升至1000 J/kg以上，峰值达1933 J/kg，CAPE值剧增时段(04:30~05:10)与雷达VIL跃增时段相关系数达0.91 (p < 0.01)，表明能量累积与云内水凝物增长高度协同，体现出较大的不稳定能量以及较为不稳定的大气层结状态，为后续雷暴天气的持续发生创造了条件。
Figure 9. Showing the changes over time of LI, TTI, SI, KOI, K, and CAPE from 00:00 to 08:00 on 2025.5.20
图9. 2025年5月20日00:00~08:00期间LI、TTI、SI、KOI、K、CAPE随时间的变化
5.5. 激光测风雷达资料分析
Figure 10. :Horizontal wind and radial wind speed PPI from wind lidar on 2025.5.20 (3˚ elevation angles)
图10. 2025年5月20日激光测风雷达水平风和径向风速PPI(3˚仰角)
由2025年5月20日激光测风雷达PPI产品(图10)分析可知：04:28~04:30雷达量程开始受到降水影响，北面量程降低为8公里，并在45˚方位探测到西北风，风速12~20米/秒，在雷达中心2公里范围内探测到北风，风速2~4米/秒，北风层高度120米以内。04:45~04:46北面量程降低至5公里，因较强降水影响了雷达对该部分区域风向风速的探测情况，此时雷达中心北风区域扩展至3公里以上，风速增大到8~10米/秒，北风层高度上升到150米以上，雷达中心以南2公里处出现较强径向辐合。由于激光雷达安装位置原因，雷达西面有较大遮挡角(202˚~352˚)，因此对于本次由西向东发展移动的天气过程观测和预警效果有限。同时因此次过程伴随较强降水，导致能见度快速降低，也影响了激光雷达对于风向风速的探测，但是能够从雷达量程的快速缩减情况以及该方向上最大量程，结合其他探测设备资料，综合判断强降水及地面辐合线的位置。
6. 结论
本研究通过多源观测数据综合分析了2025年5月20日贵阳机场下击暴流天气过程，主要结论如下：
(1) 天气背景与触发机制：本次过程发生在西南槽前偏西气流背景下，中层干冷空气侵入叠加降水粒子拖曳效应，在“上干下湿”层结、中激发强下沉气流。
(2) 地面风场与要素响应：机场的自动气象观测系统清晰记录到辐散型风场演变：跑道北端由西北风转为偏南风，南端维持东北风，水平尺度约4 km；气象要素剧变：气压陡升3 hPa，气温骤降5.8℃，RVR最低降至75 m，与下沉气流触地特征高度吻合。
(3) 多源观测协同验证：双偏振雷达上识别出正负速度对、高悬强回波、粒子相态及低相关系数等冰雹回波特征；卫星云团上云顶亮温TBB反映云团发展旺盛；微波辐射计上CAPE值大幅度震荡，反映能量快速累积并释放，液态水廓线较好反演了强降水情况。激光雷达捕捉到地面辐合线形成。