新津机场雷暴的影响因子与雷暴特征物理量研究

摘 要:对1996-2005年期间发生在新津机场雷暴天气的历史资料进行整理和特征分析,归纳出形成新津机场雷暴发生的几种天气形势主要有西南涡、副热带高压、冷锋、青藏高原上空低涡切变四种;把各类不同类型的雷暴进行了归类分析后,发现新津机场的雷暴天气有着普遍性的雷暴天气的特征,有时也呈现出独立的地方性特点,新津机场发生最多的是热力性雷暴;通过对各种雷暴天气预报的判断依据、包括温度场、能量场、稳定度等诊断工具进行地方性检验,总结出目前的各种不稳定度判断指标在新津机场雷暴预报的适用性,筛选出最适合新津机场天气特征的稳定度诊断工具为K指数,且温度场的诊断分析在预报春雷时有极大的指导意义。

关键词:新津机场 雷暴 影响系统物理量

中图分类号: P4文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 03-079-02

1引言

雷暴形成于层结强烈不稳定的大气中,深厚而明显的不稳定气层具有大量的不稳定能量,充沛的水汽供应能形成庞大的积雨云,在这种大气环境中,如果出现一种大气的冲击力使空气上升到达自由对流高度以上,则不稳定能量释放出来,形成雷暴。

新津机场主要承担初教机的训练飞行教学任务,训练机型和机载设备都相对简陋,对气象要素的要求较高。特别是夏季常发生的雷暴天气带来的雷击、强降雨、大风、低云等现象,严重威胁着训练飞行的安全,也给机场地面设施和导航设备造成极大的破坏。所以做好夏季雷雨天气的预报对新津分院的气象保障任务来说显得尤为重要。本章通过对1996-2005年十年间雷暴日资料在micaps系统里处理分析,总结影响新津机场雷暴发生的各种影响因子,并检验目前常用的雷暴特征物理量与新津机场雷暴出现的相关性。

2新津机场雷暴的分类与影响因子分析

根据形成机制的不同,把雷暴分为热雷暴、地形雷暴和天气系统雷暴。在1996年到2005年十年间资料统计中,热雷暴发生最多,占56%,地形雷暴出现比例最少,占11%,天气系统性雷暴占33%。

2.1热雷暴影响因子分析

热雷暴的发生主要取决于下垫面的水汽条件。新津机场所处环境河流纵横,紧邻机场南端500米为西北-东南走向的金马河,与金马河紧连着的有同样走向的羊马河,2000米处为同样走向的西河,西部4000处为东西走向的南河。几条河流从西、北两个方向汇流到新津西侧(距机场南端一公里)邓公场汇入岷江南流进入彭山,从而构成特别密集的河网区,加上新津养殖业发达,周围渔塘众多,总的来看水域面积较大。形成了新津机场多热雷暴的特殊地方性气候特征。热雷暴多数时候出现在7、8月份的午后,平均4-6天在新津机场会出现一次热雷暴,一般多在机场西南方向的山区产生后随高空偏南风北移。由于热力对流不够旺盛,因而热雷暴表现出范围小,孤立分散,各个雷暴云间隙明显的日变化特点。据实践经验,上午有对流云出现,12点前后发展为浓积云,午后往往有热雷暴产生,但持续时间短,往往不足一小时。

2.2地形雷暴影响因子分析

地形雷暴是暖湿不稳定气块在山脉迎风坡被迫抬升而形成的雷暴。新津机处于四川盆地西侧,距机场较近的山脉主要有机场270度方向5千米处的老君山,东部的牧马山,西北方的邛崃山脉,北方的九顶山;因夏季暖湿空气经常存在,气层多不稳定,如果这时垂直于山脉走向的风速分量较大,山坡也比较陡峭,地形抬升作用较明显,容易出现地形雷暴。但因地形雷暴的积雨云移动少,或者是在移动过程中就逐渐消散,对新津机场本场的飞行训练影响不大。但对航线飞行构成威胁,地形雷暴积雨云云底较低,云中气流对流激烈,有时降水强度大,云体覆盖广,飞机不宜从云下通过。所以在有地形雷暴发生时一般不建议在雷雨区组织飞行。

2.3天气系统雷暴的影响因子分析

天气系统雷暴是由于天气系统产生系统性的上升运动,在气团不稳定,水汽较充沛的条件下,使对流发生发展而产生的雷暴。天气系统雷暴发生范围大、持续时间长,对飞行影响较大。形成新津机场天气系统性雷暴的影响因子主要有以下五个方面:

(1)锋面

锋面诱发的雷暴分为冷锋类雷暴、暖锋雷暴、静止锋雷暴三类。

冷锋雷暴是冷空气强烈冲击暖湿不稳定空气而形成的。冷锋强、锋面坡度大且移动快、暖空气湿度大、不稳定能量强是冷锋类雷暴发生的有利条件。积雨云常沿锋线排列成行,形成一条宽几千米甚至几十千米,长几百千米的狭长雷雨带,飞机往往难于找到有利空隙飞越。新津机场最容易诱发雷暴的天气系统就是冷锋。它多发生在下午和前半夜,其特点是强度大、持续时间长,影响范围广日变化小、移动速度快。

静止锋雷暴是由暖湿不稳定空气沿锋面上升,或是由底层气流辐合上升而形成,多出现在地面锋线的两侧,呈分散的块状分布。新津机场静止锋雷暴多发生在后半夜,白天逐渐减弱,日变化较明显。其特点是影响范围较广、持续时间长,有时可连续几天出现,产生的雷暴天气不像冷锋雷暴那样强烈。但对飞行却有极大的安全威胁,因为静止锋型雷暴云常常隐藏在深厚的层状云中,飞机在云中飞行时容易误入其中。

暖锋类雷暴在新津机场在资料统计的十年中未出现。

(2)西太平洋副热带高压

西太平洋副热带高压的活动,与新津机场及成都地区的雷暴关系非常密切,而且还影响到每一次降水过程的强弱及地理分布。因为在副热带高压影响新津机场时,它带来较强劲的西南暖湿气流,尤其在七月、八月份,受副高西部外围暖湿气流影响,储存有较多不稳定能量,一有冲击力,极易产生雷暴。雷暴多发生在高压脊线以北的西南气流中,在副热带高压西进和东退时出现较多。

(3)青藏高原上空的低槽、切变线

从青藏高原上空东移影响新津机场的低槽、低涡和切变线, 许多是在青藏高原上产生,也有一部份是自西和自北移经高原影响本场,它们是夏季诱发新津机场及成都地区雷雨天气过程的重要因子。空中槽雷暴常沿槽线呈带状分布,或呈零星状分布,离槽线越近,越容易产生雷暴。槽线一般在槽前、地面等压线气旋性曲率最大的区域出现,特别是在空中槽和地面低压上下重叠区域最有利于雷暴的发生。

(4)冷涡

冷涡是指出现在700HPA高度以上的冷性低压。影响新津机场雷暴的低涡主要有西北低涡和西南低涡两类。

西北低涡往往形成于青藏高原或者是青藏高原西部山区,在西风带的影响下逐渐东移影响新津机场。这种低涡一般形成较少,对新津机场有较大影响的是西南低涡。机场4～9月的雷暴天气和降水过程约30%都与西南涡有关。西南低涡形成东移时,辐合上升运动较强,其本身带来的暖湿不稳定气流在其东部偏南气流中产生雷暴,在其北部和西部则很少产生雷暴。低涡雷暴日变化不明显,雷暴产生强度强、影响范围广,持续时间长,对飞行影响较大。

3新津机场雷暴特征物理量分析

3.1温度场的分析

根据1996年至2005年这十年的资料统计发现,新津机场在每年的春雷发生时气温这一气象要素变化特征明显。如下表3-1所示:

表3-1 新津机场春雷五日变温

表中变温表示每年春雷发生前五日新津机场的温度变量,从上表可以看出,在2004年出现了最大五日变温,达12.5℃,平均日增温2.5℃,五日变温最小年出现在1999年,平均日增温1.9℃。春雷前异常的增温,为高空不稳定能量的积累提供了有利条件,在有天气系统共同影响时,出现了新津机场的第一个雷雨天气。

3.2能量分析

任何一次雷雨天气过程,都是大气不稳定能量的产生、聚积、释放过程。大范围的雷暴、大风天气出现,是在上升气流很强的对流不稳定层结中形成的。气层中的总能量在一定程度上反映出了大气的温度、湿度和稳定度特征,通常计算850、700、500三层的能量来判断空中层结情况。

单位质量的湿空气,其总能量有四个部分组成:感热能、潜热能、位能和动能。感热能和潜热能合称为内能。总能量的Et的表达式为:

分析总能量相对应的温度Tt。根据能量与热量的关系,热量与温度的关系,求得总能量在定压的情况下所相当的温度为:

Tt为总温度,A为热功当量,Cp为定压比热,L是单位质量的水在相变时释放或吸收的热量。若将它们相对应的值带入算出系数和 。则:

如果略去动能项则为湿静力总温度,近似于假相当位温。

把资料统计的十年中雷暴天气过程发生前后几天的各要素值带入上式,可计算出各标准大气层的总温度,反映出各标准大气层的总能量。用雷暴发生前三天各高度层要素值计算结果如图3-2,由图可看出,在雷暴发生的前三天时间内,850HPA高度层的总能量变化明显,有49%的雷暴天气过程850HPA的总温度变化值达到14℃,有37%达到10℃-14℃之间,仅有14%三日变温小于10℃。

3.3稳定度计算

沙氏指数(SI)计算

沙氏指数SI是一种常用的稳定度判断指标。

其中T500为500hpa上的实际温度,Ts为气块从850hpa开始,沿着干绝热线抬升到凝结高度,然后再沿湿绝热线抬升到500hpa的温度。如果SI>0,则表示稳定,SI<0,则表示不稳定。SI 的具体数值可以用850hpa以及500hpa天气图上的数值借助Ts参数查算表查得。把雷暴日雷暴发生前的相关数值带入计算,计算结果表明在SI<0℃时容易发生雷暴,特别是在SI指数<-3℃,雷暴发生的几率较大。

K指数计算

K指数也是一种常用稳定度判断指标。

其中[T850-T500]为850hpa与500hpa的实际温度差,[Td]850为850hpa的露点,[T-Td]700为700hpa的温度露点差。K值越大,气块愈不稳定。把雷暴日相关数值代入计算出K指数发现:在K指数>35℃,发生雷暴的几率达到了65%,是所有指标中最明显的指标。

由以上四类能量以及不稳定度判断指标可总结出,它们对雷暴预报的指导意义大小依次排列为 K指数 > SI指数 > 总能量 > 变温。需要特别指出的是,在做春雷的预报时,温度场的变化对春雷的预报具有最好的指导意义,当发现连续几日的增温,而且增温幅度达到10℃以上时,往往春雷即将发生。

4总结

(1)根据形成机制的不同把新津机场雷暴分为热雷暴、地形雷暴和天气系统雷暴三大类。

(2)诱发雷暴的主要天气系统为:锋面、西太平洋副热带高压、青藏高原上空的低槽与切变线、冷涡、南支槽五大类天气系统。

(3)异常的增温对春雷的预报有很好的指导意义,K指数在做雷暴预报进行稳定度判断时最明显适用。

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