利用多源数据对2019年2月贵阳机场准静止锋低云天气诊断分析.pdf
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1、文章编号:1674 2184(2023)02 0044 08利用多源数据对 2019 年 2 月贵阳机场准静止锋低云天气诊断分析罗浩,张亚男*(中国民用航空西南地区空中交通管理局贵州分局,贵阳550012)摘要:利用多源数据对贵阳机场 2019 年 2 月发生的昆明准静止锋低云天气进行诊断分析。结果表明:当贵阳机场发生低云天气时,昆明准静止锋位于 2427.5N、104.5109E;850 hPa 及以下的偏南气流为准静止锋背景下贵阳机场低云天气的发生提供了主要水汽来源,越接近地面,水汽来源越趋向于西太平洋;贵阳机场低云天气发生时,准静止锋具有浅薄冷空气层的特点,冷空气层平均厚度为 390 m
2、,最厚 780 m,最浅时仅有 120 m。低云天气发生时,贵州中部一线多有地面辐合线出现,可分为三类:当准静止锋位于贵州西部或云南东部时,需要重点关注偏北风与东南风之间的辐合;当准静止锋东退时,近地面偏南气流大范围进入贵州中南部区域,并与偏北气流在贵州中部一线形成辐合;当准静止锋处于锋生时,较强的冷空气南下与昆明热低压前沿的偏南气流在贵州中部形成对峙,产生辐合线。关键词:昆明准静止锋;低云低能见度;锋生函数;温度平流;水汽通量散度;地面辐合线中图分类号:P441文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1674-2184.2023.02.006 引言引言昆明准静止锋又称云贵准静止锋
3、、滇黔准静止锋,是冬半年长期活跃在云贵高原上的天气系统,由于其单次维持时间长且出现次数多,因此对云贵地区冬半年的气候影响很大。昆明准静止锋不仅会带来低温凝冻天气1,还会触发暴雨等对流天气23。另外,常常伴随准静止锋而来的低云低能见度天气不仅严重影响地面交通,还会对航班的正常起降产生影响46,当机场出现云底高度低于 90 m 的低云或主导能见度降至 800 m 以下时,即可能会影响航班的正常起降,如果低云低能见度天气长时间维持,还会造成大量旅客滞留机场和航班大面积延误。从预报分析的角度出发,杨静等78不但总结了贵州锋面雾的基本特征和昆明准静止锋对贵州锋面雾的生消影响,指出贵州地区锋面雾通常发生在
4、准静止锋后,具有浅薄云层、弱降水、弱逆温和地面水汽饱和等特征,还分析了昆明准静止锋雾的中尺度环境场及短期预报着眼点,强调了南支槽、850 hPa 切变线及偏南气流对准静止锋雾的影响。贵阳机场位于云贵高原东部,冬春季受昆明准静止锋影响低云天气频发,不仅严重影响人们的正常出行,还常常造成大量航班返航备降,给航空公司带来巨大的经济损失。尽管已在昆明准静止锋的形成、结构、环流特征等方面开展了大量研究914,但对于准静止锋近地面层风场结构的研究仍不够深入,严重制约了区域低云天气预报预警水平的提升。针对这一问题,本文利用地面常规观测资料进行加密插值处理,结合欧洲中心高精度地面再分析资料(ERA5 Land
5、)和机场逐 6 min 风廓线雷达资料,重点研究了 2019 年2 月贵州地区近地层风场结构和地面辐合线在昆明准静止锋发生发展及移动时的摆动情况,以期为提升贵阳机场低云天气预报预警水平提供科技支撑。11资料和方法资料和方法本文选取的资料包括:(1)高空及地面常规观测资料;(2)贵阳机场自动观测系统(AWOS)分钟级观测资料;(3)贵阳机场风廓线雷达逐 6 min 观测资料;(4)欧洲中心 0.25 0.25 ERA5 逐小时高空再分析资料;(5)欧洲中心 0.1 0.1 ERA5 Land 逐小时地面再分析资料;(6)日本 JMA 葵花 8 卫星逐小时云图资料,包含反照率及云顶亮温数据;(7)
6、全球数字高程模型DEM 地形数据。本文所涉及的时间均为北京时。昆明准静止锋的认定标准为云贵高原上地面锋线至少维持 2 d 以上15,地面锋线位置的确定是在综合考虑气象要素梯度、云量变化及地面风场的基础 收稿日期:2022 03 30资助项目:中国民用航空西南地区空中交通管理局贵州分局科技项目(民航贵州空发20239 号)作者简介:罗浩,工程师,主要从事数值天气预报研究。E-mail:通讯作者:张亚男,硕士研究生,主要从事短临天气预报研究。E-mail:ynu_ 第 43 卷 第 2 期高原山地气象研究Vol.43 No.22023 年 6 月Plateau and Mountain Meteo
7、rology ResearchJun.2023上进行人工判定。据统计,2019 年 2 月云贵地区仅有 3 日(57 日)无昆明准静止锋存在,静止锋存在的25 日中伴随了 2 次锋消及 2 次锋生,其余时候准静止锋多来回摆动,当遇有冷空气加强时则西进,当冷气团减弱且热低压发展时则东退。根据贵阳机场 AWOS分钟级自动观测资料进行统计,将昆明准静止锋背景下贵阳机场出现低云量5 个量(天空 8 等分)且云底高90 m 并持续超过 2 h 的天气计为一次低云天气过程,2019 年 2 月 1 日 00 时3 月 1 日 00 时贵阳机场共计出现 20 次低云天气过程,累计造成 3 架次航班复飞,45
8、 架次航班返航/备降,具体分布时段如表 1 所示。由表可见,2019 年 2 月贵阳机场大部分低云天气的发生有着较为明显的日变化特征,主要集中在早晚两个时段,发生时间通常在 08 时以前或 17 时以后,平均持续时间为 6.36 h,最长持续时间达到了 19.13 h(从 2 月 11 日 19:50 一直持续到次日 14:58)。由于早晚分别是航班出港和进港的高峰期,因此造成大量航班延误,甚至出现复飞或返航备降的情况。本文对地面常规观测资料进行加密插值处理,采用径向基函数三次样条插值(RBF Cubic Spline Inter-polation),插值经纬度范围分别为90110E、1030
9、N,插值后网格数量为 200200,插值后的地面场资料分辨率为 0.1 0.1,插值要素包括地面风向风速、主导能见度、气温、露点及相当位温。锋生函数采用标量锋生函数16:F=(2(xQx+yQy)2(wxx+wyy)zD|h|2E(x)2+2HxyE(y)2)/|h|(1)D=ux+vyE=uxvyH=vx+uy式中:,;当 F0时表示有锋生作用,反之表示有锋消作用。22准静止锋诊断分析准静止锋诊断分析2.1锋生区域分布锋生函数大值区能够很好地对应昆明准静止锋的位置和强度9,使用 ERA5 高空再分析数据对贵阳机场 2019 年 2 月共计发生的 20 次低云天气过程进行合成分析,样本合成时取
10、最接近低云发生的 t0 时刻(以下简称 t0 时刻)的整点数据(下同),合成场能够反映出某一要素在不同时间范围内的总体分布情况。图 1 给出了相当位温和总锋生函数的合成场。如图所示,700 hPa 上云贵地区并无明显锋生区域,850 hPa 及900 hPa 总锋生函数大值区主要分布于贵州中西部及南部地区,与之对应的是相当位温的密集区域,900 hPa上总锋生函数大值区分布范围较 850 hPa 更广,说明当贵阳机场低云天气发生时,越接近地面则准静止锋的振荡范围越大。以贵州地区为事件关注区域,当总锋生函数大值区位于贵州西部时呈准南北向,锋生函数大值中心最西到达了 104.5E 附近,而当总锋生
11、函数大值区位于贵州中部一线时往往呈西北-东南向,总锋生函数大值中心最北到达了 27.5N。整体而言,总锋生函数大值区南北跨度在 24N 与 27.5N 之间,东西跨度在 104.5E 与 109E 之间,这与主观分析的准静止锋地面锋线位置变化是一致的。2.2天气形势及水汽来源分析 20 次低云个例的环流背景场可知,500 hPa(图略)中纬地区维持纬向偏西环流,无明显槽脊活动,由于昆明准静止锋的发展高度通常不超过 700 hPa15,因此对 700 hPa、850 hPa 及 900 hPa 的风场和湿度场进行合成分析(图 2)。如图所示,700 hPa 合成风场显示为一致的西南气流,风速达到
12、了 16m/s 及以上的急流强度,但并无明显水汽辐合,850 hPa 和 900 hPa 则可见明显的水汽通量散度负值极大区,主要分布于贵州省的中南部,受地形高度的阻挡,900 hPa 水汽辐合表 1 2019 年 2 月 1 日3 月 1 日贵阳机场准静止锋低云发生结束时刻及持续时间 日期发生时间(t0时刻)结束时间持续时间(h)日期发生时间结束时间持续时间(h)2月1日01:0904:253.262月13日19:5002:13(次日)6.382月1日08:4712:594.22月14日03:5111:087.282月1日16:0122:416.672月15日18:0221:283.432月
13、5日02:2604:2622月16日22:4000:57(次日)2.282月8日22:0603:14(次日)5.132月18日00:5903:582.982月9日18:4706:02(次日)11.252月19日00:0911:2011.182月11日19:5014:58(次日)19.132月19日19:4307:56(次日)12.222月12日19:4101:36(次日)4.922月20日18:2320:242.022月13日04:0207:313.482月22日19:5522:022.122月13日09:4914:535.072月26日19:4507:54(次日)12.15第 2 期罗浩,等
14、:利用多源数据对 2019 年 2 月贵阳机场准静止锋低云天气诊断分析45大值区相较于 850 hPa 更加偏南,但强度却更强。由此可推测,越接近地面,尤其是 850 hPa 及其以下的层次,水汽输送就越集中并趋近于饱和,这与杜静等7的研究结论基本一致。结合风场来看,850 hPa 上有来自印度洋经中南半岛绕流进入贵州区域与来自西太平洋经南海北上的两支暖湿气流,而 900 hPa 上的水汽则主要来源于西太平洋;这一方面是受地形影响,另一方面则是由于来自印度洋的西南季风有着明显的雨季干季相互交错的特征,冬季时往往较为干暖;当暖湿气流从贵州南部山区持续向北输送,由于地形摩擦和贵州中北部近地层冷空气
15、的阻力逐渐缓滞,导致这一带成为水汽辐合的集中区域。从海平面气压场合成(图 3a)看,昆明热低压中心在云南中部,合成场低压中心气压值在 1010 hPa 以内,而云贵高原东部是冷暖空气交汇的前沿地带,等压线密集,贵州省境内有 4 或 5 根等值线,越接近西部地区,等值线越密集并趋于南北走向。从地面风场合成(图 3b)看,冷空气(蓝色所代表的偏北风)与暖空气(红色所代表的偏南风)交汇于云贵交界位置,结合气压场及相当位温的密集分布可推断出地面锋线的位置,总云量的合成场也反映出了准静止锋云界清晰的特点,锋面西侧暖区以晴好天气为主,锋面东侧冷区则阴云密布,多降水及低云低能见度天气7。结合上文分析,850
16、 hPa 合成场偏南暖湿气流在水汽输送上有着显著的作用,对 20 次个例逐一进行分析,选择与 t0 时刻最接近的 850 hPa 探空资料及地面观测数据进行对比(数据样本计 19 次,表 1 中 t0 时刻 13 日 04:02 及 09:49 时刻较为接近,均使用 13 日08 时探空资料)。如图 4 所示,850 hPa偏南风共计出现 10 次,偏北风 8 次,偏东风 1 次,而地面风向仅有 2次偏南风出现,其余17 次均为偏北风,这揭示了2019 年2 月贵阳机场低云天气发生时近地层冷暖气团配置的主导结构。就平均状况而言,850 hPa 及以上贵州中南部区域受来自印度洋及西太平洋大范围暖
17、湿空气水平输送的影响形成高湿环境,同时由于云贵高原地形西高东低,暖湿空气在向北水平运动时受地形摩擦作用或遇到来自偏东方向的气流后容易产生气旋性曲率,位于贵州中部的贵阳机场正好位于气旋性曲率中心附近,风向在偏东南风与偏东北风之间摆动;地面风场则反映出与之不同的情况,偏北风占据了绝对主导的地位,这说明冷空气垫的不可或缺,下文将针对近地层冷暖平流的活动及冷空气垂直方向的厚 30N282624100110E1021041061089.58.06.55.03.52.002.0 3.5 5.0 6.5 8.0 9.5(a)30N282624100110E102104106108(b)30N28262410
18、0110E102104106108(c)图 1 t0 时刻相当位温(等值线,单位:K)、总锋生函数(填色,单位:109 Km1s1)合成场(a.700 hPa,b.850 hPa,c.900 hPa,黑色正方形表示贵阳机场所在位置)30N252015951090105100115110125E12030N252015951090105100115110125E12030N252015951090105100115110125E12012876432(a)(b)(c)图 2 t0 时刻风场(风矢量,单位:m/s)、水汽通量散度(填色,单位:108 gs1hPa1cm2)合成场(a.700 hPa
19、,b.850 hPa,c.900 hPa,灰色阴影表示高于指定气压层的地理区域,红色正方形表示贵阳机场所在位置)46高原山地气象研究第 43 卷度进行具体分析。2.3垂直结构为了探究 2019 年 2 月昆明准静止锋在垂直方向上的结构特征,对 20 次个例合成场部分要素沿 26N的经度-高度剖面(图 5)进行分析。如前文所述,锋生函数大值区的范围横跨了 104.5109E,在垂直方向上最高只到达了 750 hPa 附近,大部分都集中在 800 hPa及以下区域。由此可以推断,当贵阳机场发生低云低能见度天气时,准静止锋的位置通常不会到达 104.5E以西,垂直方向上的高度发展也通常不会超过 10
20、00 m(以贵阳机场海拔高度 1139 m 为基准)。图 5b 可以清晰地看到水汽的来源主要是东南气流,越接近地面,水汽来源更趋向于西太平洋,而位于近地面贴地层浅薄的偏东和偏东北冷气团虽然携带水汽较少,却同样不可忽视。结合图 5c 可知,近地层弱冷平流缓滞在东西向的倾斜坡面,其上方的是暖空气控制的范围,这样的冷暖结构在近地层形成了稳定的逆温层,有利于长时间维持,仅当有足够厚度的冷空气从中层或东面侵入并破坏掉逆温层结构,或当昆明热低压东北向发展并清除掉贵州中部贴地层冷空气势力时,锋区结构才开始消亡。贵阳机场自 2019 年起安装了风廓线雷达一部,位于机场跑道南端,风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波
21、的散射作用对大气风场等物理量进行探测的遥感设备,能够有效探测大气边界层以内的风场结构,对于贵阳机场而言其探测高度通常可达 3000 m 以上,最高可达 5000 m 左右,这对于研究准静止锋的风场结构来说已经足够。将近地面偏东到偏东北风视为冷空气,偏南风视为暖空气,冷暖空气分界处所在的高度减去地面高度视为冷空气的厚度,同样对表 1 给出的低云天气发生 t0 时刻样本数据进行分析。如图 6所示,在 20 次样本中,有 3 次近地面完全为偏南气流控制,冷空气厚度记为 0 m,这通常发生在地面辐合线来回摆动的情况之下,并不代表冷空气势力的完全褪去;其余 17 次近地面冷空气的厚度介于 120780
22、m,平均厚度仅为 390 m,即在 850 hPa 附近,这验证了前 30N252015951090105100115110125E12030N282624102100106104110E10812102030405060708090100(a)(b)图 3 t0 时刻(a)修正海平面气压(等值线,单位:hPa)和(b)地面风(风矢量,蓝色表示北风,红色表示南风,单位:m/s)、总云量(填色,单位:%)、相当位温(等值线,单位:K)合成场(红色正方形表示贵阳机场所在位置)0601201802403003600481216202401/31/2002/01/0802/01/2002/04/200
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