不同类型大尺度环境背景下北京首都国际机场的雷暴特征分析及流型识别（一）

不同类型大尺度环境背景下北京首都国际机场的

雷暴特征分析及流型识别

—Ⅰ.不同类型雷暴的气候特征

卓鸿 霍苗 任佳 纪鹏飞

华北气象中心，北京市 100621

摘要:利用2001-2014年共14年的北京首都国际机场（以下简称机场）雷雨观测资料，将雷暴日按雨量大小、有无大风和有无冰雹将机场雷暴的类型分为八类（即强雷暴、弱雷暴、湿对流、干对流、弱冰雹、强冰雹、冰雹大风和混合对流），并利用每日2次的Micaps高空观测资料和每3小时一次的地面观测资料，按照500hPa的影响系统和地面的触发系统，对雷暴的气候特征进行了研究。结果表明：机场的雷暴以弱雷暴为主，其次为干对流，没有强冰雹出现。雷暴期从3月份至11月份，主要集中在6-8月，峰值出现在6月份。弱雷暴从3月份至11月份均出现，以6月份最多，而强雷暴只出现在5-8月，以7月份最多；干对流出现在4-11月，以6月份最多，而湿对流只出现在6-8月，6月份最少；弱冰雹出现在春末夏初及秋季，而冰雹大风出现在6-7月份，混合对流仅在7月份出现一次。

研究又表明，西风槽造成的雷暴过程最多，其它依次为西北气流、低涡、横槽、副高边缘和低压倒槽。从逐月的分布来看，低涡系统和西北气流型造成的雷雨均在6月份最多，其次是7月份；而横槽造成的雷雨在7月份最多，其次为6月份；西风槽造成的雷雨却以8月份最多，其次为7月份；副高边缘和低压倒槽造成的雷雨较少，主要集中在7-8月。西风槽、低涡和西北气流型均造成最多的弱雷雨和次多的干对流，西风槽可以产生所有类型的雷暴，但低涡没有造成湿对流和混合对流天气，横槽只产生弱雷暴和干对流天气，副高边缘型产生弱雷雨和强雷雨及干对流，低压倒槽产生弱雷雨、干对流过程和湿对流。横槽产生的雷暴出现的时间较早（05UTC-12UTC），而西北气流型比横槽型的略偏晚2-3h，主要集中在08-14UTC，低涡型雷暴有一个明显峰值出现在12-13UTC，西风槽型主要集中在8-17UTC。

研究还表明，地面触发系统以辐合线最多，其次为冷锋和地形辐合线。冷锋触发的雷雨主要集中在5-6月份，辐合线触发的雷暴以6月份为最多，其次为7月份和8月份；地形辐合线主要集中在盛夏的7、8月份。

关键词：首都国际机场  大尺度环流背景  形势分型  雷暴气候特征

 

1引言

雷暴是一种发展旺盛的强对流天气，通常伴随闪电、雷鸣、阵雨、大风、冰雹和龙卷风等，是飞行中的飞机所遇到的最恶劣、最危险的天气，停放在地面的飞机也会遭到大风和冰雹的袭击（周建华，2011），因此雷暴的预报是航空预报的重点和难点。

基于长期经验积累同时又有一定理论基础的流型总结能够帮助预报员快速识别出雷暴可能发生的区域（Maddox et al, 1979；郑媛媛等，2011），对大范围雷暴天气有较好的预报能力，对环流形势的分析是做好强对流预报的前提。我国对造成雷暴的环流形势研究已有许多，例如丁一汇等（1982）提出了我国四种飑线发生的天气背景和触发条件，即槽后型、槽前型、高压后部型、台风倒槽型或东风波型。郑媛媛等（2011）将安徽省强对流天气系统形势分为冷涡槽后型和槽前型。陈立祥等（1989）根据对流层中低层水平风的垂直切变将广州地区强对流天气分为强切变类和弱切变类。许爱华等（2013）分析了中国南方春季冷锋北侧中冰雹天气的环境场特征，指出700hPa强西南气流在强锋区上强迫抬升和400-700hPa上的对流不稳定和对称不稳定是这类高架对流的主要机制。许爱华等（2014）综合考虑了强对流天气发生的三个条件，提出了中国强对流天气5种基本类别：冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类和高架对流类。Meng 等（2012）对我国东部的飑线进行了研究，将天气系统分为短波槽前型、长波槽前型、冷涡型、副热带高压型、热带气旋型和槽后型。

以上这些分型标准不同，有的按照500hPa形势分型，有的按照雷暴发生的条件分型。各省（市）气象业务部门天气分型以500hPa形式为主的居多，也有的省将高空和地面形势混合分型。章国材（2011）认为天气分型不宜过多过杂，天气形势只是提供一个强对流天气发生的背景。他以500hPa形式为主，将500hPa形式分为高空低槽、冷涡、西北气流、副高边缘、高压（脊）内和热带低值系统等六种。

对北京地区的强对流的研究也有许多，包括气候学特征（苏永玲，2011）、个例分析等等（雷蕾等，2011；王令等，2004；李志楠等，2000；薛秋芳等，1999；孙明生等，1996；陈良栋等，1993，1994；王笑芳等，1994）。研究表明，在2001年至2008年中，京津冀地区雷雨大风多发生在5-6月，而冰雹的多发期集中在6月份，7-8月则是短时暴雨的频发时期，62%的强对流天气发生在午后到傍晚14：00-20：00时段。冷涡型天气多造成冰雹并伴随雷雨大风和短时暴雨，冷槽型多雷雨大风为主并伴随短时暴雨，低槽副高型多造成短时暴雨（苏永玲等，2011）。孙明生等（1996）通过500hPa逐日分型，将影响北京地区的大尺度环流型划分为5种类型，即东北冷涡型、西北冷涡型、横槽型、竖槽型和槽后型，并随机抽取样本，分别作合成分析，概括出概念模型，导出各环流型预报着眼点。王笑芳等（1994）概括出冰雹落区的概念模式，并利用北京08时单站探空资料预报强对流天气有无及强度的判断树方法。

边界层辐合线是雷暴发生的触发机制，有的研究人员将触发机制称为抬升条件，但“抬升”，即上升运动，多指天气尺度系统的强迫上升，而在雷暴中需要在几小时内将气块抬升到自由对流高度以上的强抬升，仅靠大尺度的抬升不足以触发雷暴（Doswell，1987），因此，地面中尺度系统常常是强对流天气的触发系统。Wilson 等（1986）认为边界层辐合线可以是天气尺度的冷锋或露点锋，也可以是中尺度的海陆风幅合带，包括雷暴的出流边界和由地表特征如土壤湿度的空间分布不均匀造成的幅合带，但章国材（2011）认为露点锋和土壤湿度的空间分布不均匀确实是有利于强对流天气发生的环境，但他们并非抬升触发系统，地面触发系统包括中尺度辐合线、中尺度风速幅合区、风场上明显的气旋性弯曲处、冷锋等。Wilson 等（1992，1993，1997）的研究还发现，大多数风暴都起源于边界层辐合线附近。刁秀广等（2009）利用济南多普勒天气雷达探测到的边界层幅合信息，分析了对流边界触发新雷暴的条件。王彦等（2011）利用天津SA雷达研究了2008-2009年6-9月发生在天津地区的边界层辐合线，发现在不同的天气形势下，边界层辐合线的演变和碰撞与强对流天气的发生发展密切相关。

以上这些研究为强对流天气的短时临近预报提供了有应用价值的思路和方法，有助于预报员判别典型强对流天气的潜势和类型，但以上这些研究主要关注的是造成暴雨、冰雹和大风的强对流天气，对没有强天气现象的其它雷暴关注甚少，也缺乏用地面观测资料对边界层辐合线的研究。此外，缺少对北京地区关于不同类型大尺度环境背景下的雷暴特征分析，北京地区强对流天气的研究所使用的资料也以南郊观象台（图1中54511）资料为准，不能涵盖北京的其它区域。航空气象不仅关注强雷暴，也同样关注普通雷暴，并且航空气象对大风、雨强及能见度等有自己的行业标准，但到目前为止，利用航空气象的标准针对雷暴的研究工作很少。作为世界航班量第二、中国航班量最大的首都国际机场，坐落在北京东北部的顺义区（图1中ZBAA），拥有自己的观测站和每半小时一次的人工观测资料。由于距离西部及北部的山区较近，复杂的地形造成机场雷暴的复杂性。这篇文章将使用这些观测资料，对首都机场雷暴及触发雷暴的边界层辐合线的气候特征分布进行研究。

图1 首都机场观测站（以ZBAA表示）与北京市气象局南郊观象台（以54511表示）的地理位置（图中实线为北京市行政区域，虚线为地形高度）。

2 资料和方法

使用的资料包括国家气象局Micaps系统中一天两次的常规高空探测资料和3h一次的地面观测资料及机场观测室每半小时一次的雷雨观测资料。

将有雷暴出现的天气定义为一个雷暴日，时间从前一日16：00UTC至当日16：00UTC（在此24h内有多次雷暴出现仍定义为一个雷暴日）。雷暴过程定义为当某日出现雷暴且雷暴中断时间不超过60min，若雷暴中断时间超过60min，则记为一次新的雷暴过程，若雷暴在16：00UTC仍持续，则记为上一次雷暴过程（肇启锋，2005）。

因为产生降水、冰雹、对流性大风的环境条件是不同的，难以找到对每类天气都适用的环境条件，因此将雷暴日按雨量大小、有无大风和有无冰雹，分为八类：

第一类，强雷暴日。1h平均降水量≥20mm，同时机场观测站地面记录强降水符号（+RA）≥0.5h或者雷暴日总降水量≥50mm，但无冰雹和大风（10分钟平均风力≥10m/s或者瞬时风力≥15m/s）；

第二类，湿对流日。即伴随大风，但无冰雹的强雷雨过程；

第三类，强冰雹日。即伴随冰雹，但无大风的强雷雨过程；

第四类，混合对流日。伴随大风和冰雹的强雷雨过程；

第五类，弱雷暴日。除强雷雨过程之外的其它雷雨过程，包括0.0mm降水，但无大风和冰雹；

第六类，干对流日。即伴随大风，但无冰雹的弱雷雨过程；

第七类，弱冰雹日，即伴随冰雹，但无大风的弱雷雨过程；

第八类，冰雹大风日。伴随大风和冰雹的弱雷雨过程。

在流型识别中，按照各省气象局的普遍做法，以强对流发生前500hPa的形势进行分型（章国材，2011）。首先将500hPa形势分为低涡、西风槽、横槽、西北气流型、副高边缘和低压倒槽型。低涡定义为在500hPa上涡旋环流中心位于50ºN以南、116ºW以西，至少一根闭合等压线且维持时间在24h以上。低压倒槽定义为500hPa上涡旋环流中心位于40ºN以南，北京受其中心伸展出来的东南气流与东北气流之间的倒槽影响。其它系统定义同章国材（2011）。

将地面中尺度触发系统分为冷锋、辐合线和地形辐合线3类，雷暴的外流边界归入辐合线类。冷锋定义为锋后冷空气范围达10个纬距（经距）以上、3h变压达2hPa或以上；辐合线指地面的风向不连续线，但冷空气不明显，3h变压在2hPa以下或为正变压；地形辐合线指地面无明显辐合线，偏东气流或东南气流受北京西部地形的抬升，造成地面降水，或者在后半夜，北京西部的山区温度下降后形成偏北风，与东部平原之间南部的南风形成的辐合线。

3 结果分析

3.1 雷暴日分类

2001-2014年14年中共得到雷暴日459 d（包括降水量为0.0mm的天数），其中，弱雷暴为363 d，占整个雷暴日的79%（表1），干对流日为69 d，占整个雷暴日的15.1%；强雷暴日为11 d，占整个雷暴日的2.5%；湿对流日为7 d，占整个雷暴日的1.5%；弱冰雹日为5 d，占整个雷暴日的1.1%；冰雹大风日为3 d，占整个雷暴日的0.6%；混合对流日为1 d，占整个雷暴日的0.2%；没有强冰雹日。

表1 不同雷暴日所占比例及逐月分布

弱雷暴天数最多，远超过其它类型的雷暴日，其次为干对流，其它几种雷暴日按天数多少依次为强雷暴、湿对流、弱冰雹日、冰雹大风日、混合对流日和强冰雹日（图2）。

雷暴期长达9个月，最早从3月份开始，最晚11月份中止（图3a）。雷暴日主要集中在夏季6-8月份，分布呈单峰式分布，峰值在6月份，为123d，此外7月份为116 d；8月份为93 d。春季雷雨以5月份最多，为53 d，其次是4月，为14 d，3月份仅1 d。秋季雷雨以9月份最多，为42 d，其次为10月份，为15 d，最少为11月，为5 d。

图2  2001—2014年不同种类雷暴日分布

强雷暴和弱雷暴最多天数也出现在夏季（图3b），但强雷暴日以7月份最多，共5 d，而弱雷暴日以6月份最多，共95 d。次强雷暴日出现在8月份，为3d，而次弱雷暴日出现在7月份，为86
d。第三强雷雨日是6月份，为2d，而第三弱雷雨日是6月份，为78d。强雷雨日5月份仅有1d,而弱雷雨日5月份与9月份相差不多，分别为39天和38天；4月份与10月份相近，分别为11 d和13 d；3月份与11月份最少，分别为3 d和2 d。

干对流日（图3c）主要集中在6月份和7月份，分别为21 d和19 d。同弱雷暴日相同，干对流日也以6月份为最多；其次是7月，但5月份的干对流日（10 d）多于8月份的9 d，4月份与9月份相近，分别为3 d和4 d，10月份与11月份相同，均为2 d。

湿对流日（图3c）以7月份和8月份最多，均为3 d，6月份为1 d，其它月份无湿对流。

弱冰雹日出现在5月份、6月份和11月份，分别为2d、2d和1d，冰雹大风日出现在6-7月份，风别为1d和2d（图3d）。强冰雹日无（图略），混合对流日只有1d,出现在7月份（图略）。

强雷暴、湿对流和混合对流主要出现在7月份可能和7月份西太平洋副热带高压（简称副高）的北跳有关，副高边缘的西南气流输送大量的水汽，使降水量增加。

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图3  2001—2014年雷暴日分布(a)总雷暴日，(b)弱雷暴日和强雷暴日，(c)干对流日和湿对流日，(d)弱冰雹日和冰雹大风日

3.2 雷暴过程分类

2001-2014年共雷暴过程532个（表2）。按照500hPa的形势分型，造成机场雷暴的系统主要有低涡型、西风槽型、横槽型、西北气流型、副高边缘型和低压倒槽型。受低涡影响产生的雷暴过程为86个，受西风槽影响产生的雷暴为263个，受横槽影响产生的雷暴为47个，西北气流型为119个，副高边缘型和低压倒槽型较少，分别为10个和7个。

总体来看，西风槽造成的雷暴过程最多，远超过其它几种天气系统造成的雷暴，其次为西北气流造成的雷暴，低涡造成的雷暴过程排名第三，其它几种天气系统造成的雷暴按多少依次为横槽、副高边缘和低压倒槽（图4a）。

表2 不同雷暴过程的影响系统逐月分布

从雷暴发生的逐月变化来看，低涡系统在6月份造成的雷雨最多，为45次，其次是7月份，为17次，5月份产生10次，4月份、8月份和9月份均为4次，10月份仅2次（图4b）。

横槽造成的雷雨在7月份最多，为21次；其次为6月份，为10次；8月份为8次，5月份为4次，4月份2次， 9月份与10月份均为1次（图4b）。

西风槽造成的雷雨以8月份最多，为69次，其次为7月份，为60次，6月份为57次，9月份（29次）比5月份稍多（26次），10月份（10次）比4月份（7次）稍多，而11月份仅5次（图4c）。

西北气流型造成的雷雨以6月份为最多，为48次，其次为7月份（28次）和8月份（18次），5月份（11次）与9月份（10次）相差不多，3月份（1次）、4月份（2次）和10月份（1次）次数较少（图4c）。

副高边缘型造成的雷雨主要集中在7-8月，分别为2次和6次，9月份和10月份各1次。低压倒槽造成的雷雨主要集中在7月份和8月份，分别为4次和3次（图4d）。

 

 

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图4  500hPa不同影响系统的分布(a)总体分布；（b）低涡与横槽型的逐月分布；(c)西风槽与西北气流型的逐月分布；(d)副高边缘与低压倒槽型的逐月分布。

3.3 不同天气系统造成的雷暴种类分布

按照本文第一部分的雷雨分类标准将雷暴分为八类，按500hPa不同天气系统对造成的不同天气现象进行分型。

低涡共造成了85次雷雨过程，在造成的天气中，以弱雷雨为最多（61次），其次是干对流雷暴（16次），强雷雨、弱冰雹、冰雹大风和混合对流天气分别为4次、2次、2次和1次，没有造成湿对流和强冰雹天气（图5a）。

西风槽造成的雷暴中，仍以弱雷雨最多（214次），其次是干对流雷暴（25次），产生的强雷雨和湿对流分别为14次和6次，弱冰雹2次，冰雹大风1次，没有造成混合对流和强冰雹天气（图5a）。

西北气流型造成也以弱雷雨最多，其次是干对流，分别为94次和22次，其次产生了湿对流、冰雹大风和混合对流天气各1次（图5a）。

横槽只产生弱雷暴和干对流天气，分别为42次和5次。低压倒槽产生5次弱雷雨过程，1次干对流过程和1次湿对流过程。副高边缘型产生6次弱雷雨和3次强雷雨和1次干对流过程。（图5b）。

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图5 不同天气系统造成的雷暴种类分布(a)低涡、西风槽与西北气流型；（b）横槽、低压倒槽和西北气流型。

从上面的分析可以看出，无论是那种天气形势，造成的雷暴均以弱雷雨为主，其次是干对流，但强雷暴和湿对流的产生与水汽条件有关，低涡和西风槽带来的水汽明显多于横槽和西北气流，因此造成的强雷暴和湿对流明显多于横槽和西北气流，横槽只造成弱对流和干对流天气。副高边缘型共有10次，其中强雷雨为3次，占30%，这与副高边缘西南气流带来的水汽充沛有很大关系。

3.4 不同天气类型雷暴开始时间的日循环分布

低涡型雷暴除了22-23UTC和03-04UTC外，其它时段均有发生，有一个明显峰值出现在12-13UTC，次峰值出现在7-8UTC（图6a）。

横槽型雷暴主要集中在05UTC-12UTC，此外20-21UTC也有少量雷暴产生（图6a）。

西北气流型与横槽型相似，主要集中在傍晚，但比横槽型的略偏晚2-3h，主要集中在08-14UTC，此外，18-19UTC也出现了一个小的峰值（图6b）。

西风槽型雷暴在一天24h中均有可能发生，但主要集中在8-17UTC，此外在00-01UTC有一个次峰值（图6b）。

副高边缘型和低压倒槽型数量较少，无一定的规律可循（图略）。

图6 不同天气类型雷暴发生时间的日循环分布. (a)横槽型和低涡型；(b)西北气流型和西风槽型。

4 地面触发系统的分布

从表2来看，在14年共有的532个雷暴中，地面触发系统主要为辐合线、冷锋和地形辐合线，其中辐合线触发的雷暴最多，为438个，其次为冷锋，为77个，地面辐合线16个，另有一种触发系统不明确（图7a）。

从逐月分布来看，地面辐合线从6月份至9月份呈递减趋势：6月份最多（143次），其次为7月份（117次）和8月份（99次），9月份为次。5月份（29次）少于9月份（35次），10月份和4月份相差不多，分别为7次和5次，11月份仅3次（图7b）。

地形辐合线数量较少，主要集中在盛夏的7、8月份，均为6次，6月份为3次，5月份仅为1次。

冷锋触发的雷暴主要集中在5月份和6月份，分别为21次和14次，7月份和8月份次数明显减少，分别为9次和6次，4月份、9月份和10月份的数量比盛夏的8月份多，分别为9次、9次和8次，10月份的冷锋次数比辐合线多，为8次，11月份为1次。

 

 

图7 地面触发系统的分布 （a）总体分布；(b)逐月分布。

从冷锋触发的雷暴次数来看，春、秋季的热力条件虽然比夏季弱，但强的动力条件同样可以造成雷暴天气，冷锋比起辐合线的辐合强，是强的动力系统，是春秋季热力条件较差情况下主要的雷雨触发机制，而在盛夏季节，只要有辐合线，甚至是地形辐合线，不需要很强的动力系统，即可以产生雷暴，这与许爱华等（2014）的观点相同，即强对流天气可以发生在强的动力条件下和强的热力条件下，也可以发生在强的动力条件和弱的热力条件下以及弱的动力条件和强的热力条件下。

5 结论与讨论

利用2001 -2014年的首都机场雷雨观测资料及每日2次的micaps高空观测资料和每3小时一次的地面观测资料，对造成不同雷暴类型的天气形势按照500hPa进行了分型，并对触发雷暴的地面系统进行了分类研究，得出了如下结论：

（1）首都机场的雷暴以弱雷暴为主，占整个雷暴日的79%，其次为干对流，占整个雷暴日的15.1%；强雷暴、湿对流、弱冰雹、冰雹大风和混合对流分别占整个雷暴日的2.5%、1.5%、1.1%、0.6%和0.2%，没有强冰雹出现。雷暴期从3月份开始，11月份中止。雷暴日主要集中在夏季6-8月份，分布呈单峰式分布，峰值在6月份，其它月份按照雷暴日多少依次为7月、8月、5月、9月、10月、4月、11月和3月。弱雷暴从3月份开始至11月份均出现，以6月份最多，而强雷暴只出现在5-8月，以7月份最多；干对流出现在4-11月，以6月份最多，而湿对流只出现在6-8月，6月份最少；弱冰雹出现在春末夏初及秋季，而冰雹大风出现在6-7月份，混合对流仅在7月份出现一次。

（2）西风槽造成的雷暴过程最多，其次为西北气流、低涡、横槽、副高边缘和低压倒槽。从逐月的分布来看，低涡和西北气流型造成的雷雨均在6月份最多，其次是7月份；而横槽造成的雷雨在7月份最多，其次为6月份；西风槽造成的雷雨却以8月份最多，其次为7月份；副高边缘和低压倒槽造成的雷雨较少，主要集中在7-8月。

（3）西风槽、低涡和西北气流型均造成弱雷雨最多，其次是干对流，西风槽没有造成强冰雹和混合对流天气，低涡没有造成湿对流天气，横槽只产生弱雷暴和干对流天气，副高边缘型产生弱雷雨和强雷雨及1次干对流过程，低压倒槽产生弱雷雨、干对流过程和1次湿对流过程。

（4）从雷暴生成的时间来看，横槽产生的雷暴出现的时间较早，主要集中在05UTC-12UTC，而西北气流型比横槽型的略偏晚2-3h，主要集中在08-14UTC；低涡型雷暴有一个明显峰值出现在12-13UTC，次峰值出现在7-8UTC；西风槽型雷暴在一天24h中均有可能发生，但主要集中在8-17UTC。

（5）地面触发系统以辐合线最多，其次为冷锋，地面辐合线最少，另有一种触发系统不明确。冷锋触发的雷雨主要集中在5月份和6月份，4月份、9月份和10月份的数量均超过8月份；辐合线触发的雷暴以6月份为最多，其次为7月份和8月份；地形辐合线数量较少，主要集中在盛夏的7、8月份。春、秋季的热力条件虽然比夏季弱，但只要有强的动力条件（冷锋或气旋），依然能产生雷暴天气，盛夏季节的热力条件好，不需要很强的动力系统，只要有辐合线（甚至是地形辐合线），即可以产生雷暴。

 

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