西安咸阳国际机场夏季对流参数特征研究

1. 西安咸阳国际机场夏季对流参数特征研究 姜琳 何小东 2013年10月

2. 主要内容 1、引言； 2、夏季雷暴天气统计； 3、夏季对流参数统计分析； 4、结论

3. 强对流天气是夏季严重威胁飞行安全的天气，具有空间尺度小、生命史短、突发性强、破坏力大的特点。雷暴云能产生各种各样的危及飞行安全的天气现象—强烈的湍流、积冰、闪电(雷击) 、雷雨、大风、下击暴流、低空风切变,有时甚至伴有冰雹和龙卷风，若飞机误入雷暴区内其后果不堪设想。 据估计,全球每年发生雷暴约1600 万次，每小时约发生1820 次。在世界航空史上，由雷暴造成的飞行事故最多。雷暴天气经常影响航班的正常率，而每延误、返航一架次航班损失在2000-5000元之间。因此，做好强对流天气的预报，预防强对流天气的突然袭击，不仅能保障航空飞行安全，而且对提高航空公司的经济效益也有重要的意义。 引 言

4. 强对流天气的研究历来是气象领域关注的重点，近年来，国内外气象工作者和气象学者对此做了大量的研究工作，揭示了强对流天气的一些重要特征。强对流天气的发生必须具备三个基本条件：不稳定层结环境、充足的水汽、适当的抬升力。其中，各种热力和动力不稳定的环境是对流发展的前提。为了表述强对流天气（也称强天气）发生、发展的环境，经常用到各种对流参数。强对流天气的研究历来是气象领域关注的重点，近年来，国内外气象工作者和气象学者对此做了大量的研究工作，揭示了强对流天气的一些重要特征。强对流天气的发生必须具备三个基本条件：不稳定层结环境、充足的水汽、适当的抬升力。其中，各种热力和动力不稳定的环境是对流发展的前提。为了表述强对流天气（也称强天气）发生、发展的环境，经常用到各种对流参数。 由研究可以看出，与对流有关的很多对流参数，在强对流日和非对流日存在不同的气候特征，在强对流日具有明显的日变化特征，与强对流天气的发展演变具有良好的对应关系。因此，研究这些对流参数的变化特征，对于了解强对流天气的特征和演变规律，具有重要作用，能够为我们准确预报强对流天气提供依据。

5. 本文在统计西安咸阳机场夏季（1998-2006）雷暴天气特征的基础上计算了夏季各种对流参数，对咸阳机场夏季重要对流参数进行详细的统计，分析不同对流参数在夏季各月的分布特征以及在强对流日与非强对流日的变化特征，为应用对流参数进行强对流天气的分析和预报提供依据。本文在统计西安咸阳机场夏季（1998-2006）雷暴天气特征的基础上计算了夏季各种对流参数，对咸阳机场夏季重要对流参数进行详细的统计，分析不同对流参数在夏季各月的分布特征以及在强对流日与非强对流日的变化特征，为应用对流参数进行强对流天气的分析和预报提供依据。

6. 1998年至2006年夏季（6-8）咸阳机场共发生雷暴60日。从逐年雷暴日数分布来看，如图1 所示，2006年夏季雷暴日数最多，达到10日；1998年最少，只有3日。从变化趋势来看，98-06年夏季雷暴日数呈缓慢上升的趋势。 夏季雷暴天气统计 图1 1998至2006年6至8月雷暴日数变化趋势

7. 从9年平均各月雷暴日数分布（图2）可以看出，6至8月的雷暴日数占总雷暴日数的67%，夏季雷暴最多。从4月开始月雷暴日数呈上升阶段，到7月盛夏时达到最多，过去9年达到25日，平均2.8日，其次是8月有23日，6月最少只有12日，平均不到1.5日。 图2 1996-2006年6至8月各月总雷暴日数及年平均雷暴日数

8. 通过对60个雷暴日雷暴发生时段、持续时间和起始方位的统计发现，如图3，西安咸阳机场发生的雷暴在13时到16时最多，其次是07时到10时和10时到13时，从下午到午夜是雷暴的高发时段，占到了所有雷暴发生时间的65%；午夜之后发生概率开始下降，后半夜19时之前还有18%，清晨到中午只有14%；而中午发生雷暴的概率最低。通过对60个雷暴日雷暴发生时段、持续时间和起始方位的统计发现，如图3，西安咸阳机场发生的雷暴在13时到16时最多，其次是07时到10时和10时到13时，从下午到午夜是雷暴的高发时段，占到了所有雷暴发生时间的65%；午夜之后发生概率开始下降，后半夜19时之前还有18%，清晨到中午只有14%；而中午发生雷暴的概率最低。 图3 1998至2006年6至8月雷暴发生时段分布图

9. 从从雷暴持续时间来看，如图4，33%的雷暴短于半个小时，58%的雷暴短于1个小时，随着持续时间的增长，发生的概率逐渐降低，持续1到2个小时的概率为28%。9年间夏季西安咸阳机场持续时间最长的雷暴发生于2002年7月4日，共计227分钟。从从雷暴持续时间来看，如图4，33%的雷暴短于半个小时，58%的雷暴短于1个小时，随着持续时间的增长，发生的概率逐渐降低，持续1到2个小时的概率为28%。9年间夏季西安咸阳机场持续时间最长的雷暴发生于2002年7月4日，共计227分钟。 图4 1998至2006年6至8月雷暴持续时间分布图

10. 夏季持续时间超过1小时的雷暴9年间共发生了23次，其中8月最多，有11次，7月次之，有7次，6月有5次；从6至8月9年平均雷暴持续时间来看，6月到达61.9分钟，7月达到了62.8分钟，8月最长为64.7分钟，所以夏季不仅是雷暴的多发季节，雷暴的持续时间也较长。夏季持续时间超过1小时的雷暴9年间共发生了23次，其中8月最多，有11次，7月次之，有7次，6月有5次；从6至8月9年平均雷暴持续时间来看，6月到达61.9分钟，7月达到了62.8分钟，8月最长为64.7分钟，所以夏季不仅是雷暴的多发季节，雷暴的持续时间也较长。

11. 根据雷暴发生的起始方位的统计发现，西北方向最多，其次是西方、北方，这三个方位合计在所有方位中比重超过了60%，是机场产生雷暴最多的区域，这与关中平原大部分天气系统自西北向东南方向移动相符合。相较于西北方向，其余方位的雷暴概率较小，均在10%以下，只有天顶的雷暴占到了10%。根据雷暴发生的起始方位的统计发现，西北方向最多，其次是西方、北方，这三个方位合计在所有方位中比重超过了60%，是机场产生雷暴最多的区域，这与关中平原大部分天气系统自西北向东南方向移动相符合。相较于西北方向，其余方位的雷暴概率较小，均在10%以下，只有天顶的雷暴占到了10%。 图5 1998至2006年6至8月雷暴起始方位分布

12. 夏季对流参数统计特征分析 3.1 对流参数介绍； 3.2 对流参数月平均分析； 3.3 对流参数在强对流日的分布特征； 3.4 对流参数的日变化

13. 对流参数介绍 3.1.1 常用热力不稳定参数 K指数,沙氏(SI)指数,抬升指数(LI),深对流指数(DCI),修正的K指数，对流稳定度指数（IL） 3.1.2 能量参数 对流有效位能(CAPE),对流抑制能量(CIN),下沉对流有效位能(DCAPE) 3.1.3 动力及组合型参数 风暴相对螺旋度(SRH),风暴强度指数(SSI),能量螺旋度指数(EHI)

14. 夏季对流参数统计特征分析 3.1 对流参数介绍； 3.2 对流参数月平均分析； 3.3 对流参数在强对流日的分布特征； 3.4 对流参数的日变化

15. 3.2 对流参数月平均分析 • （1）热力不稳定参数的月平均 • （2）能量参数的月平均 • （3）动力及组合型参数的月平均

16. 热力不稳定参数的月平均 总的来看，表征大气中低层温湿状况的热力不稳定参数，K 指数、mK 指数、DCI 指数，在夏季7 月份的平均值最大，SI 指数和LI 指数、IL指数在7 月份的平均值最小，说明咸阳机场夏季7 月份与6、8 月份相比，处于较强的热力不稳定状态，这种不稳定的层结环境，如果配合有适当的触发机制，极易发生强对流性天气。 表1 咸阳机场热力不稳定参数的多年月平均

17. 能量参数的月平均 可以看出，CAPE 和DCAPE 均是7月份的平均值最大，8 月份次之，6 月份最小；CIN 则是7月份的平均值最小，8月份次之，6 月份最大。说明7 月份大气中具有较高的不稳定能量，容易发生强对流天气。对流抑制能量CIN 和下沉对流有效位能DCAPE 在夏季最大值均出现在8月。 表2 咸阳机场夏季历年能量参数的月平均

18. 动力及组合型参数的月平均 可以看出，SRH、SSI、EHI夏季在7月份的平均值都是最大，6月最小，说明7月份相比其他两个月份更有利于强对流天气的发生。 表3 动力及组合型参数的多年月平均

19. 夏季对流参数统计特征分析 3.1 对流参数介绍； 3.2 对流参数月平均分析； 3.3 对流参数在强对流日的分布特征； 3.4 对流参数的日变化

20. 3.3对流参数在强对流日的分布特征 • （1）热力参数在强对流日的特征 • （2）能量参数在强对流日的特征 • （3）动力及组合型参数在强对流日的特征

21. 热力参数在强对流发生前后的变化 可以看出K指数、mK指数、DCI指数无论从最大值还是平均值都高于强对流发生后。K 指数在强对流发生后一般变化不大，平均减小不到1℃左右，这是因为雷暴等强对流天气，一般都伴有降水，会使得空中的湿度增大。mK 指数与K 指数相比，考虑了地面的温湿状况，更具有代表性，从强对流发生后mK 指数的变化来看，mK 指数均有不同程度的下降，平均降幅都在3℃以上。 SI、LI、IL等参数在强对流发生前平均值均为负值，小于强对流发生后的值，这说明在雷暴发生前大气中已经具有较强的热力不稳定。 表4 热力参数在强对流发生前后的变化

22. 热力参数在强对流发生前时刻的累计分布与多年平均对比热力参数在强对流发生前时刻的累计分布与多年平均对比 图7热力参数在强对流发生前时刻的累计分布与多年平均对比

23. 能量参数在强对流发生前后的变化 可以看到在强对流发生前CAPE的最小值可以很小，甚至为0，这说明CAPE并不是发生强对流的必要条件。 下沉对流有效位能DCAPE在强对流发生前与强对流发生后减小幅度不大。 对流抑制能量CIN太大会抑制对流发展，太小则不利于能量积聚。在强对流发生前的平均值与最大值均小于强对流发生后的值，这说明在强对流发生后对流抑制能量加大，对流不易发生。 表5 能量参数在强对流发生前后的变化

24. 能量参数在强对流发生前时刻的累计分布与多年平均对比能量参数在强对流发生前时刻的累计分布与多年平均对比 在雷暴发生前CAPE≥700的占70%远大于多年平均的35%，说明强对流发生前的大气中通常积聚着较高的不稳定能量，CAPE≥700对西安夏季的强对流天气有一定的指示意义。 图8 能量参数在强对流发生前时刻的累计分布与多年平均对比

25. 动力及组合型参数在强对流发生前后的变化 表6 组合型参数在强对流发生前后的变化 从最大值和最小值来看，雷暴发生后SRH 的最大值超过了强对流发生前SRH 的最大值，强对流发生前SRH 的最小值也可以为负值，说明强的垂直风切变并不是诱发强对流天气的决定因素，还需要有利的天气形势和水汽条件的配合。而SSI指数和EHI指数在雷暴发生前的平均值也是明显大于强对流发生后的平均值。

26. 夏季对流参数统计特征分析 3.1 对流参数介绍； 3.2 对流参数月平均分析； 3.3 对流参数在强对流日的分布特征； 3.4 对流参数的日变化

27. 各种对流参数08时20时多年平均对比 由表7比较可粗略得知，K指数、SI指数、IL指数的日变化不明显，平均早晚变化不到1℃；而mK指数、LI指数、DCI指数、CAPE指数、CIN指数、DCAPE指数的日变化较为明显。 日变化明显的参数不仅与中低层的温湿状况有关，还考虑了地面的温湿状态，由于地面温湿状态日变化大，因此具有明显的日变化特征。 表7 各种对流参数08时20时多年平均对比

28. 结 论 （1）98-06年夏季西安咸阳机场总共发生雷暴日数为60日，其中7月发生雷暴日数最多，有65%的雷暴发生在下午至午夜，雷暴持续时间在两小时以内的占总数的85%，而雷暴起始方位西北方和西方共占60%。 （2）西安地区夏季的对流参数有明显的月变化特征，一些对流参数如K指数、mK指数、DCI指数、CAPE指数、DCAPE指数、EHI指数、SSI指数均是7月平均值最大，而SI指数、LI指数、IL指数等在7月份平均值则是最小的。对流参数的月变化特征表明7月份较其它月大气层结更不稳定，不稳定能量积聚更大，说明7月份大气的热力和动力环境有利于强对流天气的发生。 （3）西安地区夏季对流参数，如K指数、SI指数、IL指数的日变化不明显，而mK指数、LI指数、DCI指数、CAPE指数、CIN指数、DCAPE指数等均有明显的日变化特征。 （4）从强对流天气发生前对流参数的分布来看，K≥33℃、mk≥40℃、DCI≥40℃、SI≤0℃、LI≤-1℃、IL≤-3℃、CAPE≥700对西安咸阳机场夏季强对流天气的发生具有一定的指示意义。