长春龙嘉机场一次强飑线对流天气过程分析

长春龙嘉机场一次强飑线对流天气过程分析

王玥

吉林空管分局气象台，长春市，吉林省130000

摘要：利用常规探测资料，NCEP再分析资料，多普勒雷达资料等，对2023年9月18日发生在长春龙嘉机场的一次强飑线对流天气过程进行综合分析。结果表明：该次强飑线天气过程是在深厚的东北冷涡背景下发生的，飑线回波在移动过程中“弓”状特征愈发明显，后侧入流缺口，中气旋及速度模糊的出现，预示着地面极端大风的发生；回波垂直剖面上存在一个有界弱回波区，中高层有回波悬垂，在飑线发展过程中，近地面层风场垂直梯度增大，风切变迅速增强，有利于对流风暴的组织化和飑线的维持，对流层中低层存在一稳定层结，有利于低层能量的累积，随着冷中心南移，干冷空气叠加在低层暖湿气流之上，引发上升运动，突破了大气稳定层结，强对流爆发。

关键词：飑线  强对流  雷暴   大风

1引言

飑线是由许多雷暴单体侧向排列成带状，组织性较强的中小尺度的对流系统。飑线过境时，气象要素会在短时间内发生剧烈变化，同时伴随雷暴、暴雨、冰雹和龙卷风等强对流天气，是一种破坏力强大的灾害性天气，对人民的生命财产和社会经济的发展都会带来严重的影响。近年来，专家学者从不同方面对飑线展开了研究，并取得了不少成果。瞿国庆等分析了华东飑线过程的地面中尺度物理特征，蔡则怡等则对华北飑线系统的结构和演变特征进行了研究。丁一汇等将国内形成飑线的天气形势分为槽后型、槽前型、前后型和台风倒槽或东风波型4种类型，并分别讨论各类型飑线的热动力学条件以及触发机制。张弛等分析了典型飑线个例的雷达回波特征。郑媛媛等分析了在东北冷涡背景下，江淮地区飑线生成的特征。支树林等分析了江西的一次飑线天气过程，并指出了强垂直风切变、地面中尺度辐合线、中尺度温度锋区以及高低空急流耦合等都能够维持强对流的发展。王秀明等研究表明，飑线发展、维持的原因是其组织结构，干线及其上的小扰动能够不断触发新生积云带；强下沉辐散气流、强冷池密度流和降水粒子的蒸发均对地面灾害性大风有增幅作用。张建军等研究指出，随着飑线的发展，动量、热量和水汽会有一个再分配的过程，从而影响系统内部对流的组织化过程。上述研究揭示了飑线天气的形成机理、触发条件和演变规律，对其监测和预警发挥了重要作用。

2023年9月18日长春机场出现了一次强对流天气过程，18日17：45分（北京时，下同）强对流进入长春机场50公里范围内之后，逐渐发展成为飑线（以下简称“9.18”飑线过程），伴随它的移动，所到之处出现了强降水和雷暴等强对流天气,一个半小时本场降水量达到22.4mm,有4架航班备降。本文利用常规探空和地面观测资料、NECP0.25°✖0.25°逐6h再分析资料、多普勒雷达等探测资料，对此次过程的背景形势场、物理量和雷达回波中尺度特征进行综合分析，以便为今后开展飑线预报和预警提供参考。

2天气实况

2023年9月18日18：16分，受锋面过境发展起来的飑线影响，长春机场出现了雷雨大风强对流天气，长春市16个站出现短期强降水，12小时降水量达到10-20mm不等（图1a），近20个站出现17m/s以上大风（图2b），其中长春机场最大瞬时风速达到24m/s。

图1 吉林省各区域近12小时降水量（1a）（单位：mm）、吉林省各区域过去24小时极大风向风速（2b）（单位：m/s）

3飑线过程中气象要素变化及环流特征分析

3.1气象要素变化

从长春各观测站的观测资料可以看到，飑线过境前后地面风向突变，风速骤增，气压涌升，温度剧降。飑线过境前后，长春机场气温从26℃（17：00）骤降到15℃（18：50），温度降幅达11℃；相对湿度56%（17：00）猛增至90%（18：50）；风速剧增，风力由6m/s（17：00）迅速增至平均风速17m/s，阵风24m/s（18：29）(图2)；气压从1005hpa（17：00）上升至1009hpa（18：50），增加了4hpa。

图2  2023年9月18日18：00全国逐小时极大风速图（a）和长春机场18：29瞬时风图（b）

3.2大尺度环流背景

2023年9月18日08时，200hpa上东亚中高纬环流呈现两脊以槽型，2个高压脊分别位于贝加尔湖西侧，吉林与朝鲜接壤处，蒙古国东部有一冷涡，冷涡低槽位于东北至内蒙古一线，槽后有强劲的西北风急流，槽前是范围较小的西南急流（图3a）。分析17时（图3b、3c、3d）冷涡的垂直结构可以发现，冷涡系统较深厚，500、700、850、925hpa上冷涡结构都比较完整，冷涡中心逐渐向南偏移。

图3 2023年9月18日08时200hpa高空图（a）和17时200hpa高空图（b）、17时500hpa高空图（c）、17时850hpa高空图（d）

500hpa冷槽位于蒙古东部，紧靠吉林省，925hpa上，在吉林白城上空有12℃暖中心，吉林省850与500hpa温差大于28℃，大气层结不稳定。同时地面图上，有地面气旋配合，冷锋（图4）位于黑龙江中部至吉林西部一带。

图4 2023年9月18日17时地面图

18日20：00，500hpa冷涡已分裂南下，在蒙古东部和华北东部地区分别形成2个冷性涡旋，由蒙古东部进入东北地区，进而形成东北冷涡低槽深入黑龙江中部至吉林省西部一线，对应850hpa在哈尔滨西侧形成一个低涡系统中心，随着地面冷锋向东南方向推进，直到进入长春机场50公里范围内。

4飑线过程中的雷达回波特征

2023年9月18日08：00（图5）吉林省西侧有分散性块状回波，其中镶嵌有反射率因子超过35dBZ的块状强回波，此块状强回波快速向东移，在移动过程中还有新生回波单体在其原位发展壮大，15分钟（从17：45到18：00）移动了近20公里。此时，其正南方地区，又生成一块新回波并加强，与其北部的回波共同发展成飑线并继续东移，其中心回波强度达到50dBZ。18：15分南北两块飑线主体进入长春机场，开始影响本场，最强反射率因子超过65dBZ，顶高12km，在飑线回波带前侧有强反射率因子梯度，且强回波带向前凸起呈“弓”状，而飑线回波带后侧的入流缺口，表明存在强的下沉后侧入流急流，有利于地面极端大风的出现，从17：45到18：15的1.0°仰角的雷达径向速度图（图6）上可以看到，前期飑线的大风区并不紧实，比较松散，后期大风区边界清晰，结构紧实。飑线前沿呈明显的气旋式辐合，并伴有中气旋，而其后测区域则有正速度大风区，风速达25m/s。

图5  2023年9月18日17：45、18：00、18：15、18：25长春机场1.0°仰角基本反射率因子（a）（b）（c）（d）

图6  2023年9月18日17：45、18：15长春机场1.0°仰角径向速度图（a）(b)

5环境场结构特征分析

5.1动力条件

5.1.1水平风场垂直结构

为了解飑线发生过程风场的垂直结构，分别作环境风u风量和v分量的垂直剖面。从纬向风垂直机构的演变发现，18日14：00（图7），125°E以西纬向风为上下一致的西风，西风大值带位于300hpa高度附近，中心位于121°E附近，中心值为40m/s，近地面层的127°E以东为弱的偏东风，700—1000hpa风速差约为12m/s，在飑线发展移动过程中，20：00（图略），200hpa上偏西风风速中心由121°E东移至124°E附近，中心值由40m/s逐渐增强至44m/s，并向低层伸展，同时近地面层的东风也大增至20m/s，在125°E附近低层形成东西风的辐合，700hpa以下风速等值线变密集，纬向风垂直切变逐渐增强，18日18：00，风速差最大达到20m/s。

经向风垂直结构的演变特征显示，强对流发展期间，对流层低层伴有南风的向北推进，同时对流层中高层的偏北风迅速发展并向低层扩展。从18：00环境风v分量的垂直分布场（图7）中可以看出，对流层高层250hpa上，其中心为36m/s的风速中心，200-300hpa等风速线较为密集，中高层为偏北风，低层为偏南风控制，飑线所在区域，北风已经侵入到近地面层，500hpa以下呈现南北风叠置的结构，且及地面层风场垂直梯度增大，风切变迅速增强，有利于对流风暴的组织化和飑线的维持。

图7  2023年9月18日14：00环境风u 分量沿43°N（a）和18：00环境风v分量沿125°E(b)的垂直剖面（单位：m/s）

5.1.2涡度散度和垂直速度

18日18：00，中高层为一气旋性涡度区（图8a），飑线处于冷涡槽前正涡度区，气旋性涡度大值中心在对流层高层400hpa-500hpa高度上的125°E附近，中心值为1.2×10¯5s¯1，同时可以发现，在对流层低层飑线西侧，500hpa也有一个强烈发展的气旋性涡度中心，且该涡度中心通过一条相对较弱的先向西伸展，再向东倾斜的上升的涡度通道与500hpa的涡度大值区相连，再散度场（图8b）中，强对流发生时刻，对流层低层辐合明显，近地面辐合中心强度达到1.2×10¯5s¯1，其上空有一辐散中心与之重叠。与之对应的垂直速度为900hpa以上为上升运动，850hpa及500hpa分别为上升运动强中心，上升中心强度达-1.2Pa / s。

图7  2023年9月18日18：00涡度沿125°E垂直剖面（a）（单位：10¯5s¯1）、散度(b)垂直剖面（单位：10¯5s¯1）和垂直度度时间剖面（c）(单位：Pa / s）

5.2热力条件

5.2.1假相当位温

由14;00（图8）可知，飑线发生前Θse锋区在44°N附近先向南伸展至700hpa高度，再向北倾斜至500hpa高度，最后向北倾斜至对流层高层，这表明低层暖湿气流活跃，且在41°N附近700—800hpa 大气层呈稳定状态，有利于未来强对流发生区域低层能量的累积，干冷中心位于47°N附近800-500hpa，冷中心强度为-312K。18：00冷中心南移至39°N附近，且低层暖湿平流有所加强，干冷空气叠加于低层暖湿气流之上，引发上升运动，突破了700-800hpa 大气稳定层结。

图8  2023年9月18日14：00和18：00假相当位温沿125°E的垂直剖面（单位：K）

5.2.2不稳定能量

大气不稳定层结是强对流天气发生的必要条件，选取长春站探空资料进行分析。从08：00的T-lnp图（图9）可以看出，强对流发生前大气处于不稳定状态，K指数为32℃，950hpa以下接近饱和，中层为干层，上干下湿的层结结构也有利于雷暴大风天气的产生，且-20℃层高度将近7000m，0℃层高度将近4000m，高度适宜，也有利于冰雹天气的产生。

图9   2023年9月18日08时探空图

6结论

（1）该次强飑线天气过程是在深厚的东北冷涡背景下发生的，低层由暖中心配合，上冷下暖的不稳定大气层结构，极易发生强对流天气。飑线过境前后，气象要素变化明显。

（2）在雷达图上，飑线回波在东移南压过程中发展迅速，“弓”状特征愈发明显，且弓状对流回波带内由强烈发展的风暴尺度的对流单体，风暴后侧入流缺口、中气旋及大风区的出现，预示着地面极端大风的发生。

（3）在飑线发展过程中，近地面层风场垂直梯度增大，风切变迅速增强，有利于对流风暴的组织化和飑线的维持。

（4）假相当位温的垂直分布显示出对流层中低层存在一个稳定层结，有利于低层能量的累积，随着冷中心南移，干冷空气叠加于低层暖湿气流之上，引发上升运动，突破了大气稳定层结，引发了强对流。探空资料也显示，强对流发生前大气处于上干下湿的不稳定状态，并具有充沛的能量。

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