Climate Change Research Letters 气候变化研究快报, 2024, 9(5), 461-468
Published Online September 2024 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ccrl https://doi.org/10.12677/ccrl.2024.95050
2024年贵阳机场一次超级单体风暴天气 诊断分析
罗 璇
民航贵州空管分局，贵州 贵阳
收稿日期：2024年8月20日；录用日期：2024年9月4日；发布日期：2024年9月11日
摘 要
本文利用地面和高空资料，对贵阳机场2024年5月19日超级单体风暴发生的天气形势、动力和水汽条件进行诊断分析，得到以下结论：(1) 强天气发生前贵州区域有高低空急流耦合，中西部500 hPa有干冷空气入侵，低层有暖湿气流输送；(2) 超级单体风暴天气落区和地面辐合线的位置基本一致；(3) 0~6公里之间存在强的垂直风切变，0℃层和?20℃层高度适宜；(4) θse值大于340 K，气层对流性不稳定，垂直方向有强烈的上升运动；(5) 水汽自南向北、自地面向高空输送，机场上空中低层水汽充沛；(6) 雷达图像上有超级单体风暴特征，径向速度图像存在中气旋。
关键词
超级单体，雷暴大风，中气旋
Diagnostic Analysis of a Supercell Storm Weather at Guiyang Airport in 2024
Xuan Luo
Guizhou ATC Branch, Guiyang Guizhou
Received: Aug. 20th, 2024; accepted: Sep. 4th, 2024; published: Sep. 11th, 2024
Abstract
This paper uses the ground and upper air data to diagnose and analyze the weather situation, power and water vapor conditions of the supercell storm on May 19, 2024 in Guiyang Airport. The
文章引用: 罗璇. 2024年贵阳机场一次超级单体风暴天气诊断分析[J]. 气候变化研究快报, 2024, 9(5): 461-468. DOI: 10.12677/ccrl.2024.95050
罗璇
following conclusions are obtained: (1) The high and low air jets are coupled before the occur-rence of strong weather in Guizhou, and dry and cold air invading at 500 hPa in the central and western regions, with warm and humid air flows in the lower layers; (2) the locations of the su-percell storm weather landing area and the ground convergence line are basically the same; (3) there is a strong vertical wind shear between 0 - 6 km ,the 0?C layer and the ?20?C layer are suita-ble; (4) the θse value is greater than 340 K, the air layer is unstable in convection, and there is a strong upward movement in the vertical direction; (5) the water vapor is transported from south to north and from the ground to high altitude, and there is plenty of water vapor in the low-level sky above the airport; (6) the radar image has the characteristics of a supercell storm, and the radial velocity image has a mesocyclone.
Keywords
Supercell, Thunderstorm Gale, Mesocyclone
Copyright ? 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
超级单体风暴是具有单一的特大垂直环流的巨大强风暴云[1]，水平尺度最大可达几十公里，生命史一般为几小时，出现的天气现象要比一般雷暴强很多，常伴有大风、短时强降水、冰雹、龙卷等灾害性天气。“超级单体”是由Browning and Ludlam [2]在1962年首次提出的，Browning [3]指出，超级单体风暴一个重要的雷达回波特征是存在一个弱回波区(WER)或有界弱回波区(BWER)。1978年Browning将[4]超级单体定义为具有中气旋的对流单体，自此雷达气象界将具有持久深厚的中气旋作为超级单体的定义。中气旋是与强对流风暴的上升气流和下沉气流紧密相联的小尺度涡旋[5] [6]。中气旋在雷达图上的典型模式是有一对正负速度中心呈方位对称，背向雷达时，负速度中心在零速度带的左侧，正速度中心在零速度带的右侧。当中气旋处在有一定风速的环境风场中时，其多普勒速度图像特征稍有变化[6] [7]。超级单体风暴根据其降水强度和空间特征可以分为经典超级单体风暴、强降水(HP)超级单体风暴和弱降水(LP)超级单体风暴[6] [8]。2024年5月19日夜间影响贵阳机场的强雷雨大风天气，通过雷达图像特征和天气形势的分析，可以判定为是一次超级单体风暴天气。
贵州位于云贵高原的东斜坡上，西北高东南低，地貌类型复杂，以山地、丘陵为主。贵阳市位于贵州中部，而贵阳龙洞堡机场位于贵阳市西南方向，距市区10公里，海拔高度1037米。机场西侧15~30公里有红枫湖、百花湖、花溪水库等几个人工水库，对于机场雷暴天气提供了丰富的水汽来源。
北京时间2024年5月19日21:00时至22:40时贵阳机场受超级单体风暴过境影响，发生弱到强雷雨天气，21:52时至22:23时伴随出现17米/秒以上的大风天气，22:05出现32米/秒阵风，刷新贵阳机场历年来的风速极值，过程降水量36.4 mm，大风导致2个航空器位移，5个航班受雷雨影响备降。全省受此次天气影响，有29个测站出现8级以上大风，贵阳城区很多大树被拦腰折断，电线杆倒塌，贵阳城区、白云区、观山湖区、清镇市等地降冰雹，最大冰雹直径15毫米。
本文利用常规观测资料，计算相关物理量场，分析了过程发生的环流特点、动热力和水汽条件，希望能为以后预报超级单体风暴天气提供帮助。本文选取的资料时间为天气发生前2024年5月19日08时、20时(北京时)的地面和高空实况探测资料。贵阳机场海拔1037米，坐标26?N、106?E。
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2. 环流形势分析
2.1. 高空形势
在19日08时200 hPa天气图上，贵州中部、东部受西北风向的高空急流带控制，贵阳上空风速达50米/秒，20时200 hPa天气图上，高空急流继续维持，贵阳上空风速48米/秒，威宁站(42米/秒)、贵阳站(48米/秒)昆明站(34米/秒)、百色站(36米/秒)间有显著的风速差，在贵州西部形成风速辐散区。在08、20时500 hPa天气图上，高空槽位于湖南、江西交界处，贵州区域受高空槽后西北气流影响，贵阳上空西北风风速14米/秒，温度槽落后于高度槽，有冷平流从西北部进入贵州。在19日08时700 hPa天气图上，高空槽位于云南东部，贵州受槽前西南气流影响，贵阳为西南风，风速4米/秒；暖中心位于云南南部，贵州受暖脊控制。20时700 hPa天气图上，云南境内的高空槽加深，延伸至云南、广西交界处，贵州境内西南气流加强为西南急流，贵阳站风速14米/秒；暖中心强度和范围增强，北抬至昆明、西昌、威宁间，中心气温17℃，贵阳仍位于暖脊范围，气温11℃。在19日08时850 hPa天气图上，川东、重庆地区受低涡控制，切变线位于成都以南，重庆以北地区，同时暖中心也位于川东，中心气温23℃，贵州受切变前部偏南暖湿气流影响。20时850 hPa天气图上，切边南压至川黔交界处，暖中心强度增强，达26℃，贵阳上空偏南暖湿气流增强，风速增大至偏南急流12米/秒，温度为24℃。
图1是2024年05月19日20时200 hPa至850 hPa的中尺度天气分析。通过分析，200 hPa高空急流和700 hPa低空急流趋于正交，和850 hPa低空急流交角为180度，根据尤西林尼等人研究[9] [10] [11]最大的对流不稳定发生在高低空急流轴趋于正交和平流强度最大时。200 hPa高空急流和低空急流的耦合作用加强了上升运动和次级环流的发展。在500 hPa上有干舌(温度露点差大于15℃)从云南东部延伸至贵州中西部及广西大部分地区，850 hPa上的显著湿区(露点温度大于10℃)位于贵州、广西、广东和云南，同时贵州、广西以及云南、及广东部分地区也是T850-T500大值区(图1黄色虚线区域，温差大于22℃)，综上所述，在贵州尤其是贵州中西部，对流层中层500 hPa有干冷空气入侵，而低层有暖湿气流自南向北输送，并且是高低空急流耦合区，这些是深厚对流发展的有利条件。因此贵州西部是此次超级单体风暴的初生地，而贵州中部是风暴发展最强盛的地区。
Figure 1. Mesoscale analysis chart at 20:00 (Beijing time) on May 19, 2024 图1. 2024年05月19日20时(北京时)中尺度分析图
2.2. 地面形势
图2是贵州省自动气象站测得实时风向风速图。在18时图上(图2(a))，贵州区域受偏南气流影响，
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但在贵州西北部毕节–大方、金沙–黔西之间有一条较短的地面辐合线，同时探测到毕节附近闪电，这与雷达图像上探测到的雷暴生成时间基本吻合。19时(图2(b))地面辐合线仍在毕节–大方、金沙–黔西之间，但其东侧延伸至息烽–修文之间，此时贵阳市范围仍受一致的偏南风影响，风速6~10米/秒。20时地面辐合线压过毕节–大方，在黔西–织金、修文–清镇间形成气旋式环流，而清镇附近有贵阳市周边水域面积最大的人工水库红枫湖，根据雷达图像，此时超级单体在距贵阳西北30公里的清镇市增强，后侧出现V型缺口。21时，虽然黔西–织金、修文–清镇间仍维持气旋式环流，但在环流前部贵阳–乌当–龙里又生成地面辐合线，此时机场(机场位于贵阳–龙里之间)开始闻雷。22时，气旋式环流中心移动至贵阳–龙里–都匀–花溪–惠水间，此时贵阳城区和龙洞堡机场出现17米/秒以上的大风、短时强降水。23时后，气旋环流东移至龙里–都匀间，贵阳市区及机场强天气结束。此次超级单体风暴天气落区和地面辐合线的位置基本一致，地面辐合线为此次强对流的发生提供了最重要的动力抬升条件。
Figure 2. The wind direction and speed map of the automatic ground station in Guizhou Province on May 19, 2024, 18:00 - 23: 00 (Beijing time). (a) 18 o’clock; (b) 19 o’clock; (c) 20 o’clock; (d) 21 o’clock; (e) 22 o’clock; (f) 23 o’clock
图2. 2024年05月19日18时~23时(北京时)贵州省地面自动站风向风速图。(a) 18时；(b) 19时；(c) 20时；(d) 21时；(e) 22时；(f) 23时
2.3. 探空图分析
从5月19日20时贵阳的探空图3可以发现，20时贵阳站测得K指数38，CAPE值为477，此次超级单体风暴发生前对流有效位能并不高，根据陆汉城等人的研究[12]，高值CAPE有利于强对流的发展，但低值CAPE并不能排除对流风暴的发生，垂直风切变与大气不稳定能量两者可以互相弥补。而在垂直方向上，850 hPa至600 hPa之间风向随高度顺转，中低层有暖平流加入。500 hPa (16米/秒，西北气流)和700 hPa (14米/秒，西南急流)之间有明显的垂直风切变，风矢量差的数值约为15米/秒，垂直风切变此次过程也验证了超级单体中强的上升气流不完全是由CAPE转换而来的，还可的数值为0.5 × 10?2 s?1。
以通过环境风垂直风切变转换而来[8]。0℃高度5418米，在500 hPa (高度为5810米)附近有干冷平流加入，?20℃高度8345米，0℃层和?20℃层高度差2927米，符合强对流及冰雹发生时温度层结配置。根据探空图，贵阳上空，低层暖湿，中层干冷，是极不稳定的层结，并且0~6公里之间明显的垂直风切变，有利于上升运动的形成，加速了暖湿气流和干冷空气的融合。
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Figure 3. T_lnP map of Guiyang Station at 20:00 (Beijing time) on May 19, 2024 图3. 2024年05月19日20时(北京时)贵阳站探空图
3. 动力、水汽条件分析
3.1. 动力条件分析
θse随高度增加，假相当位温(θse)随高度的变化是判断气层稳定度的一个判据：表示气层对流性稳定；θse随高度减小，表示气层对流性不稳定；θse随高度不变，表示气层对流性中性[13]。在θse沿106?E (贵
阳机场的经度)的垂直剖面图(图4(a))中，25 oN至35 oN之间是等θse线密集陡峭区，而25 oN至30 oN之间1公里以下的边界层，等θse线随纬度向北倾斜，θse随高度增加，气层对流稳定，而1公里~5.5公里间的中低空，θse随高度减小，气层对流性不稳定，并且θse线密集陡峭，根据湿位涡和倾斜涡度发展理论[14]，这能促进上升运动发展，并且在贵阳上空θse值大于340 K，超出了强对流天气发生时的阈值，有利于强天气的发生。
Figure 4. The vertical cross-sectional view of each physical quantity at 20:00 (Beijing time) on May 19, 2024. (a) θse (unit: K); (b) Divergence (unit: 10?5 s?1)
图4. 2024年05月19日20时(北京时)各物理量垂直剖面图。(a) 假相当位温θse (单位：K)；(b) 散度(单位：10?5 s?1)
图4(b)是5月19日20时散度沿106?E的垂直剖面。在图中，25 oN至30 oN之间，3公里以下的中低空是辐合区(图中虚线区域)，其中1.5公里处是辐合中心，中心值为?6 × 10?5 s?1。垂直高度3~9公里是辐散区，5.5~7公里之间是辐散中心，中心值为7 × 10?5 s?1。26 oN (机场的纬度)的空中，中低层辐合，
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