一次低涡造成的南宁机场强对流天气过程分析

Analysis of a Strong Convection Weather Process Caused by a Low Vortex at Nanning Airport

摘要: 本文利用EC再分析资料ERA5 (0.25˚ × 0.25˚)、风廓线雷达资料、自动气象观测站资料、探空资料，对2024年5月19日南宁吴圩国际机场发生的强对流天气过程进行分析。结果表明：(1) 高空短波槽东移、中低层低涡切变系统活动与地面冷空气南下共同作用，是此次强对流天气的主要触发条件；(2) 低层湿舌北伸与偏南暖湿气流持续输送，为对流发展提供了充足的水汽供应和辐合抬升条件；(3) 南宁机场探空“上干下湿”的垂直结构，有利于对流不稳定能量积累与释放；(4) 低层辐合与高层辐散形成的垂直抽吸效应，是此次对流天气维持、发展并增强的关键动力机制。

Abstract: This article analyzes the severe convective weather process that occurred at Nanning Wuwei International Airport on May 19, 2024, using EC reanalysis data ERA5 (0.25˚ × 0.25˚), wind profile radar data, automatic weather observation station data, and sounding data. The results show that: (1) The eastward movement of the high-level shortwave trough, the activity of the low-level low vortex shear system, and the southward movement of cold air on the ground are the main triggering conditions for this severe convective weather; (2) The northward extension of the low-level wet tongue and the continuous transport of warm and humid air towards the south provide sufficient water vapor supply and convergence lifting conditions for convective development; (3) The vertical structure of “dry on top and wet on bottom” sounding at Nanning Airport is conducive to the accumulation and release of convective unstable energy; (4) The vertical suction effect formed by low-level convergence and high-level divergence is the key driving mechanism for the maintenance, development, and enhancement of this convective weather.

1. 引言

雷雨作为典型的中小尺度强对流天气，其伴随的冰雹、积冰、大风、风切变等天气现象具有极强的破坏力[1] [2]。在雷雨天气条件下，航空器易遭遇强烈的垂直气流扰动，导致机体剧烈颠簸，严重时可能破坏飞机结构的完整性[3] [4]。同时，降雨引发的低能见度、跑道积水等问题，会显著增加飞机起降难度，严重威胁航空飞行安全[5]。据统计，雷雨天气是导致航空事故的主要气象因素之一，有超过35%的航空事故受雷雨天气影响[6] [7]。因此，掌握雷雨天气的特点、研究雷雨天气的触发机制，对减少飞行事故具有重要的指示意义。本文选用EC再分析资料ERA5 (0.25˚ × 0.25˚)、风廓线雷达资料、自动气象观测站资料、探空资料，对2025年5月19日南宁机场发生的强对流天气过程进行分析，用天气学分析及物理量诊断方法，从大气环流背景和垂直结构特征等方面探讨该过程的特点和成因，为今后强对流天气的实时监测、分析研判和预警预报提供有益的思路。

2. 天气过程概况及特点

2024年18日至19日，受高空槽和西南低涡东移影响，有系统性对流天气自西北向东南横扫广西地区，强降水落区主要集中在广西东北部、西部、中部和南部沿海地区。南宁机场处于强降水区中部，19日04:24~04:47 (北京时、下同)、07:27~09:29、11:06~11:46出现弱雷雨天气，19日07:40~08:19、08:22~09:12出现中等及以上强度雷雨天气，其中07:40~07:57、08:47~08:57出现强雷雨，06~09时的3小时降雨量达50毫米以上，达到暴雨级别，07:44出现最大阵风16米/秒，短时最低能见度800米，日累计降雨量达74.9毫米。

3. 天气形势分析

3.1. 环流形势场

从5月18日20时空中风场可以看出(图略)，500 hPa南宁机场处于西北气流中，有短波槽影响桂北，700 hPa桂西北有短波槽活动，850 hPa南宁机场受低涡东南侧的西南气流影响，925 hPa桂北有风速辐合，机场处于辐合线南侧的偏南气流中。19日08时天气形势如图1所示，500 hPa副高南落，高原槽东移影响桂北，机场(红点位置，下同)有浅槽过境，700 hPa西南低涡东移，切变线南压到南宁机场，相较于18日20时，850 hPa低涡中心由桂西北东移南压至桂中附近，925 hPa切变线南压并形成低涡，机场处于低涡偏东侧的东南风与西南风的水汽辐合区，存在较强的风速辐合。

Figure 1. Circulation pattern field at 08:00 on May 19th: (a) 500 hPa; (b) 700 hPa; (c) 850 hPa; (d) 925 hPa

图1. 5月19日08:00环流形势场：(a) 500 hPa；(b) 700 hPa；(c) 850 hPa；(d) 925 hPa

3.2. 地面天气形势

由地面天气形势可知(图略)，18日20时南宁地区处于低压槽内，此时冷空气主体仍在四川北部区域，桂北有弱冷空气渗透，随着冷空气逐步向南推进，19日08时冷锋南压至南宁机场附近，地面辐合线位于桂东南至沿海一带。

3.3. 风廓线雷达

从南宁机场风廓线雷达风羽图(图略)可以看出，19日05:00~08:00南宁机场925 hPa以下为偏南气流，925 hPa~700 hPa存在较强的西南低空急流，08:00冷空气渗透，从近地面到700 hPa逐渐转为偏北气流，08:20时700 hPa~500 hPa有浅槽移到南宁机场上空。

由图2(a)可以看出，19日03:00开始，南宁机场风廓线雷达的最大探测高度由5700米突增至7500米，19日04:00~06:00减小，06:00~07:00再次增大至11,000米，可知对流性降水发生前风廓线雷达的探测高度有两次增大，在降水发生时最大探测高度达到最大，表明在降水发生前南宁机场上空的水汽在增加，水汽的辐合增强，在强降水发生时段水汽条件充足。由图2(b)可知，19日第1次降水过程(04:20~04:50)发生前，探测到400米以下垂直速度几乎为零，400米以上有较小的垂直下降速度，降水发生后期，因降水粒子影响，垂直下降速度加大，07:27第二次降水过程开始时，因降水发生时降水粒子影响，探测到垂直速度瞬速增大至5米/秒以上，且3000米以下均为垂直下降速度，一直维持至第三次降水过程(11:06~11:40)结束。

Figure 2. Nanning airport from May 18th to 19th: (a) Maximum detection altitude of wind profile radar; (b) Vertical velocity

图2. 5月18日~19日南宁机场：(a) 风廓线雷达最大探测高度；(b) 垂直速度

4. 环境条件分析

4.1. 水汽条件分析

由比湿图来看，850 hPa (图3(a))湿舌呈东北–西南向，由广西西南部向东北方向延伸，南宁地区处于湿舌中部，比湿接近18 g/kg，925 hPa (图3(b))有显著湿区，桂西南、桂南、桂中部分地区比湿达到18 g/kg以上，南宁地区处于高值区内，水汽条件充足。

Figure 3. Nanning Airport specific humidity at 08:00 on May 19th: (a) 850 hPa; (b) 925 hPa

图3. 5月19日08:00南宁机场比湿：(a) 850 hPa；(b) 925 hPa

持续的水汽输送是降水形成与维持的必要条件。从19日08时925 hPa水汽通量及其散度的分布(图4)可以看出，一条显著的水汽输送带自北部湾延伸至广西中部，其主要水汽源地为北部湾，广东南部沿海及南海北部也贡献了部分水汽。925 hPa水汽通量最大值超过15 g/(cm∙s∙hPa)，表明低层有较强的水汽输送。在水汽通量散度场上，广西沿海至南宁北部呈现明显的负值区，表明该区域低层存在持续的水汽辐合。低层水汽汇聚有利于增强垂直上升运动，为降水的发生与持续提供了必要的水汽条件，也从水汽收支角度解释了该时段降水系统的维持机制。

Figure 4. 925 hPa water vapor flux (vector arrow, unit 10 g/(cm*s*hPa)) and water vapor flux divergence (colored area, unit: 10e−7 kg (m²*s*hPa)) at Nanning Airport on May 19th at 08:00

图4. 5月19日08:00南宁机场925 hPa水汽通量(矢量箭头，单位10 g/(cm*s*hPa))和水汽通量散度(填色区，单位：10e−7 kg (m²*s*hPa))

4.2. 层结条件分析

根据18日20时探空资料分析(图略)，南宁地区大气层结呈现有利于对流发展的条件。不稳定能量显著，对流有效位能CAPE值达814.9 J/kg，不稳定能量主要集中在750 hPa到200 hPa之间，表明具备较好的潜在不稳定能量，容易受到扰动的影响而释放。从温湿结构来看，地面至700 hPa为深厚的湿层，700 hPa以上高度较干，形成典型的“上干下湿”层结。这种结构有利于在对流触发后，因上层干空气卷入而增强蒸发冷却，促进下沉气流发展，从而维持和加强对流活动。风场垂直结构显示，低层为东南风，随高度逐渐转为西北风，0~6 km存在中等强度的垂直风切变。从常用热力指数看，18日20时K指数为40.1℃，沙氏指数(SI)为−0.84℃，两者均达到有利于雷暴发生的阈值，表明当时大气具备较好的热力不稳定条件。

4.3. 动力条件分析

从水汽通量散度的垂直剖面图来看(图5)，19日04时弱雷雨天气发生时，1000~925 hPa为散度弱正值区，925~775 hPa为散度负值区，表明925 hPa以下有较弱的辐散运动，925 hPa以上高度有辐合运动，05时后925~825 hPa之间的负值区向低层延伸且范围不断变大，直至07:40左右中雷雨天气发生时，1000~650 hPa为散度负值区，说明低层存在强的辐合运动，中心最大值达−1.2 × 1 e⁻⁴s⁻¹，450~200 hPa为散度正值区，中心最大值达0.8 × 1 e⁻⁴s⁻¹，表明高层存在较强的辐散运动，这种中低层辐合上升运动配合高层辐散的抽吸作用，有利于上升运动的发展和维持，为雷雨天气提供良好的动力条件。09时后825~500 hPa为散度正值区，中层为辐散运动，此时中低层的辐合运动减弱，与09时后减弱为弱雷雨天气相对应。

Figure 5. Divergence profile of Nanning airport from 02:00 to 13:00 on May 19th (unit: 1 e⁻⁴s⁻¹)

图5. 5月19日02:00~13:00南宁机场散度剖面图(单位：1 e⁻⁴s⁻¹)

进一步分析南宁机场垂直速度剖面可知(图6)，19日大部分时段为垂直速度负值，在强雷雨天气发生时段(07~08时)，925~250 hPa负值区中心最大值达−2 pa/s，表明此时有强烈的垂直上升运动，为强对流天气的触发提供了有利条件。

Figure 6. Vertical velocity profile of Nanning airport from 02:00 to 13:00 on May 19th (unit: Pa/s)

图6. 5月19日02:00~13:00南宁机场垂直速度剖面图(单位：Pa/s)

5. 总结与讨论

(1) 孟加拉湾季风和南海季风加强北推，在华南地区与弱冷空气碰撞形成低涡切变，地面冷空气侵入与高层东移的短波槽相叠加，共同构成了此次强对流天气发生的环流背景。

(2) 风廓线雷达的最大探测高度在降水发生前出现两次显著跃增，与后续两次强降水时段相对应。该特征能有效反映大气中水汽含量的增加与低层辐合的增强，对判断降水的发生时间具有一定的参考意义。

(3) 雷雨天气过程发生时段低层水汽条件充足，低层存在一支强盛的偏南暖湿输送带，水汽主要来源于北部湾；850~925 hPa层上湿舌明显，925 hPa比湿在18 g/kg以上。水汽通量散度场显示桂西南地区为辐合区，为强降水提供了充足的水汽供应。

(4) 大气层结呈现显著的对流不稳定特征。5月19日08时南宁机场探空资料显示CAPE值达814.9 J/kg，K指数为40.1℃，沙氏指数为−0.84℃，其“上干下湿”的垂直结构有利于对流触发与增强。

(5) 南宁地区低层辐合、高层辐散的动力抽吸作用，有利于上升运动的维持和发展。19日南宁地区大部分时段均为负的垂直速度，雷雨天气发生时段上升运动最强，为雷雨天气提供了动力条件。