1. 引言
强对流是我国常见的影响极大的天气之一，由于其具有历时短、强度大等特点，可以在短时间内形成大量级的降水、雷暴大风等，引发滑坡、泥石流、城市内涝等灾害，常常造成重大经济损失和人员伤亡。另一方面，由于其突发性强、时空尺度较小，一直是气象预报业务的难点[1] [2]。其中，初雷是一年雷电活动的开始，它表明大气层结状态开始变得不稳定，往往预示着天气的逐渐变暖以及雨季的即将来临，对于警示一年当中雷电天气的防范具有一定的指示意义[3]。同时雷雨过程常伴有大风、微下击暴流、冰雹等灾害性天气，会造成飞机的返航、备降、延误等，从而影响航班的正常率[4]。
2023年4月28日，受中高层的槽线以及地面的锋面系统过境影响，北京首都及大兴国际机场出现了2023年的首场雷暴天气，对于航空运输的安全性影响较大。本文将对此次初雷天气过程的环流形势、水汽条件、动力条件及大气层结稳定度进行诊断分析，以期对初雷天气过程建立更深入、全面的认识，防御和减轻强对流天气对航空运输的影响。
2. 资料说明
由ECMWF (欧洲中期天气预报中心)提供的全球气候的第五代大气再分析数据集(ERA5)，可提供大量大气、陆地和海洋气候变量的每小时估计值。时间分辨率为逐小时，空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚。本文使用的单层变量如下：平均海平面气压、10米的u风分量和10米的v风分量；本文使用的多层压力层变量如下：涡度、位势高度、温度、垂直速度、高空u风分量和10米的v风分量。本文利用上述资料，对2023年4月28日发生在北京首都及大兴国际机场的初雷天气过程进行诊断分析。
全文中的时次如无特别说明，均为北京时间；且全文中的图表如无特别说明，均为利用FNL再分析资料处理所得到。
3. 过程概况和天气形势
3.1. 过程概况
2023年4月28日，华北地区出现了一次显著的强对流天气过程，伴有雷暴、短时强降水及大风等强对流天气现象。由图1可知，28日14时至20时，我国华北东部以及南部地区出现了较大范围的强对流天气过程，其中主要集中在京津冀地区，且北京首都及大兴国际机场分别于16时03分~18时43分、16时48分~18时00分出现了2023年的首场雷暴天气，其中上述机场因雷雨天气共出现了10份不安全事件，对于航空运输的安全性影响较大。
Figure 1. 6-hour cumulative monitoring of severe convective weather in north China from 14:00 on April 28 to 20:00 on April 28, 2023
图1. 2023年4月28日14时至28日20时华北地区强对流天气6小时累计监测
3.2. 环流背景
强对流天气一般出现在有利的高低空系统配置下。从500以及850 hPa (图2)上分析此次强对流天气发生时的环流形势，28日08时(图2(a))，500 hPa上，槽线位于我国内蒙古东北部–河套地区–河西走廊一线，其中在内蒙古东北部地区存在冷涡，温度槽落后于高度槽，有利于槽线的进一步发展，此时首都及大兴国际机场均处于槽前西南气流区域，槽后较强的西北气流对冷空气南下有引导作用，与槽前西南的暖湿气流交汇，为强对流天气的发生发展提供了有利的条件。至28日20时(图2(b))，槽线进一步东移南下，槽线移动较缓慢，而此时北京首都及大兴国际机场处于西北气流与西南气流交汇处，持续的暖湿气流有利于强对流天气的发生、发展。进一步分析850 hPa上的环流形势，27日20时(图2(c))，此时北京首都及大兴国际机场地区受槽前西南气流控制，此时槽线位于我国内蒙古东北部–内蒙古中西部–华北中部地区一线。至28日08时(图2(d))，槽线进一步向东南方向移动，此时两机场均处于西北与西南气流交汇区，为强对流天气的发生发展提供了有利条件。由以上高空环流形势分析可知，在对流中层风场出现辐合，同时配合一股弱冷空气南下，西北与西南气流交汇为强对流天气的发生提供了有利的环流条件。
(a)
(b)
(c)
(d)
Figure 2. (a) 08:00 on April 28, 2023; (b) 500 hPa at 20:00 on 28 July; (c) 20:00 on 27th; (d) 28 August 08:00 850 hPa geopotential height field (black solid line, unit: dagpm), wind field (wind plume, unit: m∙s−1) and temperature field (gray solid line, unit: ˚C)
图2. 2023年4月(a) 28日08时；(b) 28日20时500 hPa；(c) 27日20时；(d) 28日08时850 hPa位势高度场(黑色实线，单位：dagpm)、风场(风羽，单位：m∙s−1)以及温度场(红色虚线，单位：℃)
由于高空槽后冷平流的输送，北京的海平面气压场逐渐降低。高层干冷、中低层暖湿的配置加大了气层的不稳定性，有利于北京地区强对流天气的发生。由地面场(图3)分析可知，28日08时(图3(a))，锋面位于我国内蒙古东北部–华北北部地区一线，首都及大兴国际机场基本处于锋前位置。至28日20时(图3(b))，锋面呈东北–西南向，且不断东移南下，此时首都及大兴国际机场受锋面过境影响，低层强烈的辐合上升运动，为强对流天气的持续提供了有利的动力条件。
(a)
(b)
Figure 3. (a) 08:00 on April 28, 2023; (b) 20:00 on 28th; the average sea level pressure field (black solid line, unit: hPa) and wind field (wind plume, unit: m∙s−1)
图3. 2023年4月(a) 28日08时；(b) 28日20时；平均海平面气压场(黑色实线，单位：hPa)以及风场(风羽，单位：m∙s−1)
由以上分析可知，出现在中高层的槽线以及地面的锋面系统，是首都及大兴国际机场地区此次初雷发生的主要影响天气系统。高空槽后西北气流引导冷空气南下与中低层的暖湿气流相交汇，同时配合地面锋面过境，为本次强对流天气过程提供了较好的动力及热力条件。
4. 物理量诊断分析
4.1. 水汽条件
作为强对流过程发生的关键物理条件之一，是否有充沛、持续的水汽供应是诊断强对流过程必须要考虑的因素，大气中水汽含量的多少是决定降水多少的重要影响因子。本次初雷天气开始前，700 hPa上，27日20时(图4(a))，在我国内蒙古东北部、东北中部以及华北中东部地区相对湿度较大，中心数值超过95%。持续的西南气流，将水汽进一步向京津冀地区输送，为强对流天气提供了有利的水汽条件。至28日08时(图4(b))，随着冷空气的东移南下，大气相对湿度大值区范围也进一步向东南方向移动，在内蒙古中东部及京津冀地区，大气相对湿度中心最大值仍超过85%。由此可知，在此次初雷天气过程中，首都及大兴国际机场地区上空相对湿度较大，为对流性降水的发生发展提供了有利的水汽条件，同时风切变也为强对流天气的发生和持续提供了有利的动力条件。
(a)
(b)
Figure 4. April 2023 (a) 20:00 on 27th; (b) At 08:00 on 28th, 700 hPa relative humidity (color, unit: %) and wind field (wind plume, unit: m∙s−1)
图4. 2023年4月(a) 27日20时；(b) 28日08时700 hPa相对湿度(填色，单位：%)以及风场(风羽，单位：m∙s−1)
4.2. 动力条件
涡度及垂直速度通常被用以表征天气过程中动力条件的强弱，本文沿北京大兴国际机场(116.41˚E)做经向剖面，通过分析其上空的涡度以及垂直速度分布，分析此次初雷天气过程的动力条件(图5)，29.51˚N为北京大兴国际机场所在纬度，可以看到，27日20时(图5(a))，大兴机场以南近地面至600 hPa存在显著的垂直速度场正值区，表明该区域存在一定的辐散下沉运动，而在600 hPa以上为垂直速度场负值区，表明在高空存在辐合上升运动，高空和低空的差异较大；在大兴机场以北约至41.5˚N近地面为垂直速度场负值区，这种交替的上升下沉运动为强对流天气的发生提供了较好的动力条件。至28日08时(图5(b))，负涡度区位于大兴机场北侧，从低层向北延伸至对流层高层，下沉运动与负涡度区相对应，此时上升速度大值区位于负涡度区北侧；在大兴机场南侧近地面至500 hPa为垂直速度场正值区，500 hPa以上为垂直速度场负值区，上升运动与正涡度区相对应，大值区位于600 hPa附近，其中大兴机场北侧上升运动更为显著。由涡度和垂直速度的配置和演变过程分析可知，在低涡中心不断发展时，伴随高空气流向南输送，在这样的配置下，斜压能量在中层大气中得到大量积累，为此次强对流天气过程的发展提供了有利的动力条件。
(a)
(b)
Figure 5. April 2023 (a) 20:00 on 27th; (b) Vorticity (fill color, unit: 10−5∙s−1) and vertical velocity (isoline, unit: Pa∙s−1) at 08:00 on 28 August, meridional profile along Beijing Daxing International Airport (116.41˚E)
图5. 2023年4月(a) 27日20时；(b) 28日08时涡度(填色，单位：10−5∙s−1)及垂直速度(等值线，单位：Pa∙s−1)沿北京大兴国际机场(116.41˚E)经向剖面图
4.3. 大气层结稳定度
本文选取北京站的探空图(图6)，分析此次初雷天气过程中的不稳定能量，由探空的比湿曲线可以看出，28日08时(图6(a))，在700~600 hPa之间层结曲线落后于状态曲线，表明此时北京地区上空大气稳定度较低，不稳定能量正在逐步积累过程中；925 hPa以下均为西南风，在925~500 hPa上为西北风，500 hPa以上转为西南风，这表明此时北京地区空中处于槽前位置。至28日20时(图6(b))，在近地层至850 hPa层结曲线落后于状态曲线，此时K指数为21.1℃，表明在北京地区上空仍积累了大量不稳定能量；且此时700 hPa以下为西北风，以上为较为一致的西南风，表明此时北京地区处于空中处于槽线上，槽过境也增加了大气的不稳定度，为此次强对流天气过程的持续发展提供了较为有利的动力以及热力条件。
(a)
(b)
Figure 6. April 28, 2023 (a) 08:00; (b) 20:00 sounding
图6. 2023年4月28日(a) 08时；(b) 20时探空
4.4. 雷达回波
本文以北京首都国际机场为例，分析此次强对流天气过程的范围和强度。由首都国际机场的雷达回答可知，28日15时00分探测到首都机场北部、东部以及南部地区已经出现了大范围的强对流天气，其中心最大值已超过30 dBZ，降水回波由西北向东南方向推进。至16时00分，强对流回波进一步向东南方向移动，其中降水主要集中在首都机场东部地区。至16时30分，强对流回波进一步向东南方向移动，且强度有所增大，其中心最大值超过40 dBZ。至17时00分，降水回波主体已经移至首都机场东部30 km范围外，且其回波较强处呈南北向带状分布，首都机场的雷雨天气逐渐趋于结束。首都机场此次强对流回波的移动与降水时间基本对应，以短时强降水和雷暴为主，由此可知，本次北京地区的降水性质为对流性强降水，有较强的破坏力。
5. 小结
本文使用由ECMWF提供的ERA5数据集，对2023年4月28日北京首都及大兴国际机场的初雷天气过程的天气学成因进行了诊断分析，得到如下结论：
1) 本次北京地区的强对流天气过程，伴有雷暴、短时强降水及大风等强对流天气现象，且北京首都及大兴国际机场分别于，16时03分~18时43分、16时48分~18时00分出现了2023年的首场雷暴天气，对于航空运输的安全性影响较大。
2) 出现在中高层的槽线以及地面的锋面系统，是首都及大兴国际机场地区此次初雷发生的主要影响天气系统。高空槽后西北气流引导冷空气南下与中低层的暖湿气流相交汇，配合地面锋面过境，为本次强对流天气过程提供了较好的动力及热力条件。
3) 从物理量场进行诊断，水汽条件方面，在此次初雷天气过程中，首都及大兴国际机场地区上空相对湿度较大，为对流性降水的发生发展提供了有利的水汽条件，同时风切变也为强对流天气的发生和持续提供了有利的动力条件；动力条件方面，由涡度和垂直速度的配置和演变过程分析可知，在低涡中心不断发展时，伴随高空气流向南输送，在这样的配置下，斜压能量在中层大气中得到大量积累，为此次强对流天气过程的发展提供了有利的动力条件；大气层结稳定度方面，在强对流天气发展过程中，层结曲线落后于状态曲线，表明在北京地区上空积累了大量不稳定能量，有利于强对流天气的发展。强对流回波移动特征显著，逐渐向东移动。
NOTES
*通讯作者。