引言

每年4—6月是华南的前汛期。其中，4月份是华南地区冬季风向夏季风过渡时期，由于冷空气仍不断南下，同时南方暖空气逐渐增强，空气中的水汽增多，使降水陡增，华南前汛期的降水量占全年总降水量的45%^[1]。对于航空气象保障来说，降水过程中伴随的雷暴、大风、冰雹、龙卷、低云和低能见度天气等恶劣天气对航空安全有很大的影响。

2007年4月17日下午，广州白云机场遭受两场强雷雨袭击。其中，14时左右机场附近的源潭导航站出现冰雹天气；17时左右飑线过境，造成众多航班返航备降。本文对此次强对流天气过程进行诊断分析和数值模拟，以揭示春夏之交广州地区强对流天气的发生发展机制，进而探讨应用中尺度数值模式^[2-5]预报强对流天气以及保障航空安全的可能性。

1 天气过程分析 1.1 地面形势与强对流天气

从17日中午开始，地面冷空气前沿越过南岭后自北向南影响华南和东南沿海地区，锋面 附近产生了大范围的降水云系。其中在14时(图 1a)，还处于锋前低槽暖区中的南岭山区及其偏东地区，局地生成了中-β尺度的对流云团，14：30时此块对流云团造成了白云机场附近的冰雹天气。此后，随着锋面的南移，锋前和锋面附近不断有中-β和中-α的对流云团生成和发展。17：40时锋面经过广州白云机场，带状对流云系对机场造成强雷暴天气(图 1b)。由于此次过程影响时间长、局地强度大，对华南地区和东南沿海的航空飞行安全产生了较大的影响。

1.2 有利的动力和不稳定条件

17日08时，850hPa长江以南大部分是辐合区，辐合中心位于长江流域与南岭之间，辐合值达到-40×10^-6s^-1；与之对应的200hPa辐散中心值达到40×10^-6s^-1。低层辐合与高层辐散造成垂直上升运动。沿113°E(广州附近)作垂直剖面(图 2)，广州(23°N)以北地区400hPa下方为辐合区、上方为辐散区，850～300hPa之间的垂直速度值达 到-3×10^-1～5×10^-1Pa·s^-1。随着冷空气的南压，低层辐合、高层辐散和垂直上升区也移到华南和东南沿海地区。同时，21～25°N之间50 0hPa与850hPa两层相当位温差值达到-8～-10K，说明具备了对流性不稳定条件。

1.3 低层系统的建立和加强

周秀骥等^[6]指出，低层系统对华南前汛期暴雨最具决定性作用。其中，低空急流与华南前汛期雨带相配合。无急流对应的暴雨过程只占5%。低空急流的生成和发展过程有两类：一类是副高加强及其两侧低值系统发展；另一类是西南季风的加强；还有二个重要系统是低层切变线和低涡，西南涡的东移对华南暴雨的影响主要是促使低空急流的发展。

16日08时，850hPa上贵阳附近还是一个弱低涡，低涡南部是4m·s^-1左右的西南偏西风。到了16日20时，低涡强度加强。低涡南部风向转为西南偏南风，风速加大到6～10m·s^-1，范围也有所东扩。到17日08时(图 3)，26°N以南地区被风速达12～16m·s^-1的西南偏南低空急流控制。低空急流与北方的偏北气流在长江和南岭之间形成了此 次过程的重要的低层系统，即东西向的“人”字形的切变线和辐合性气旋。随着西南风低空急流的建立和加强，对华南地区的水汽输送也逐步加大。到了17日08时，华南西部是比湿是13g·kg^-1、华南东部是11～13g·kg^-1的高湿区。

南海季风涌是指夏季南海向东亚地区输送的大量水汽。张顺利和陶诗言等^[7]使用大气整层水汽通量矢量表示南海季风涌。本文对此做了简化，只分析850hPa一层的水汽通量矢量。从图 4可以看到，此次过程中南海季风涌发生从不活跃到活跃的转换。17日出现的季风涌把大量的水汽输送到了华南以及更北地区，并在北部湾、华南南岭等地区激发起大片对流云系的发展。说明此次低层系统的加强的同时也伴随了南海季风涌的加强。

2 数值模拟与分析 2.1 数值模拟方案

使用WRFV2.1.2 模式^[8]，采用了三重双向嵌套方案。区域1的水平分辨率为27km，格点数为89×85，覆盖长江流域及其南部区域；区域2的水平分辨率为9km，格点数为127×106，覆盖华南地区；区域3的水平分辨率为3km，格点数为196×169，覆盖雷达探测范围。区域1和2的积云参数化方案选用Betts-Miller方案，区域3不使用积云参数化方案。区域1、2和3的其它物理过程方案都采用：Lin微物理过程方案，Rrtm长波辐射方案，Dudhia短波辐射方案，Noah陆面过程方案，Monin-Obukhov近地面层方案，YSU边界层方案。

初始场采用NCEP提供的1°×1°FNL分析场资料。模式初始时间：2007年4月16日08时, 积分48小时，每6小时更新侧边界条件。使用RIP软件进行模式输出资料后处理以生成降水量、雷达反射率因子等产品。

2.2 降水的模拟

模拟的降水与实况总体分布特征基本一致(图 5)，并且都有范围广、局地强度大的特点。模拟的强降水区与实况在落区与强度上稍有些偏差。实况的降水强中心主要是在南岭山区、广东与福建交界沿海和江西境内分别出现了日降水量达95.6mm、97.8mm和49.8mm的中-β尺度雨团。而模拟结果是在南岭稍南地区出现108.4mm、江西境内出现48.6mm的降水，但广东与福建交界沿海虽也出现60mm中心。

模拟出在南岭偏南地区与实况基本相符的强度达到大暴雨左右的中尺度雨团，充分反映了此次天气过程的中尺度对流天气的特征，预示了广州白云机场将遭遇复杂的对流性天气。

2.3 雷达反射率因子的模拟结果

17日08时，模拟结果与实况都是西面有少量的弱积状云。14时(图 6a)，虽然落点有一定的差异，但都表现为北面出现一些对流单体。其中在雷达西北部出现一块最强中心，而此块强中心就是在源潭导航站产生冰雹的超级单体。14时之前，整个区域3中地面都是偏南风控制，说明此时的对流天气都还是处于锋前低槽暖区中。17时(图 6b)锋面到达，北部地面转为偏北风，南北对峙的气流对对流云起着组织和加强作用。模拟结果与实况都表现出沿着辐合线的正在加强的飑线。模拟的飑线位置与实况相当接近，中心强度也达到50～55dBz，不足的地方是宽度偏大。此时的飑线正影响着广州白云机场，给机场带来强对流天气。20时，飑线南压到达华南沿海，广州白云机场转为飑线后部的减弱的对流云控制。

综合来看，虽然模拟输出的对流在落点等方面与实况有一定的偏差，但模拟出的强对流单体和飑线在影响形式、影响时间和中心强度等方面与实况接近，因而对航空保障有很好的指示作用。

3 强对流天气发生发展机制分析 3.1 低层系统的形成和发展

利用模式输出的高层位势涡度、低层温度场变化说明对西南低涡等低层系统建 立和加强的作用。寿绍文等^[9]编著的《中尺度气象学》指出，围绕高空正、负位涡异常区分别有气旋性环流和反气旋性环流出现；而近地面层的正、负温度异常区也分别有气旋性环流和反气旋性环流相对应。上下层位涡和温度异常所诱生的风场之和便构成了总风场。

16日08时(图略)，在贵阳附近200hPa上是位涡等于4 PVU的正值中心、925hPa上是温 度等于26.65℃的正值中心。到16日20时(图 7a)，位涡正值中心继续东扩，925hPa上正温度中心达到32.36℃。在昆明到贵阳之间，20时与08时的温度差是达到6～9℃的正变温中心(图 7b)。高空正位涡与低层的正变温度配置，说明此处的气旋性环流将加强。850hPa的风场模拟结果(图 7c)与实况(图 3)的表现相当一致。偏西部地区的风场由弱的偏西风，到了16日20日已经自西向东转为西南偏南风，风速也达到10～15m·s^-1，低空急流已经建立。到了17日08时，整个华南地区转受低空急流控制，并在长江和南岭之间形成了与实况一致的东西向“人”字形的切变线和辐合性气旋。

3.2 锋前强对流的发生发展机制 3.2.1 热力作用

利用17日08时清远站(源潭为清远的一个县)实况探空资料制作的温度对数 压力图求对流温度。如图 8(a)所示，先找出经过地面露点22℃的等饱和比湿线与温度层结曲线的交点，再由此交点定出的干绝热线与地面等压线的交点，此时所对应的温度即为对流温度27℃。如果地面温度预计会大于此温度则有对流形成，且可估计对流形成的时间。图 8(b)显示，数值模式输出的地面温度在13时达到27℃, 15时以后则有大幅度降温。说明清远地区的热力对流能够形成，而且是在13时开始形成。而15时以后的降温，是冷空气来到的原因。

3.2.2 地形抬升作用

在图 9中，根据近地面层的等位温线的密集区来跟踪锋面的移动。在锋面来临之前，对 流云与气流的上升运动相联系。而气流上升区的下垫面的地形都是偏南风的迎风坡。说明锋前不稳定的暖湿偏南气流受到了地形的抬升作用，从而产生对流天气。14时正是在源潭附近的一个迎风坡上产生了强对流。分析地形图(图略)可以知道，这个迎风坡所在地是海拔高度为1000m的罗壳山。

3.3 锋面飑线的发生发展机制

在图 10中，17时左右锋面过境广州白云机场，锋前的偏南风与锋后的偏北风汇合，激发出强烈的对流云系，对流云的顶高到达300hPa以上。随着锋面的南压，对流云系也一同南压。

4 总结与讨论

(1)此次天气过程发生于高低层系统有利配置、南海季风涌活跃和低空急流等低层系统建立和加强，使得华南地区具备充足水汽和不稳定条件的环境中。

(2)模式能够很好地模拟出此次过程的局地强降水、锋前对流和伴随锋面移动的飑线等强对流天气。数值模式输出的降水和雷达回波等产品对保障航空安全有很好的指示作用。

(3) 锋前暖区中的冰雹等局地强对流天气发生发展与热力作用、地形的抬升作用有关。

(4) 锋面的抬升作用激发出飑线强对流天气。

(5) 高层的正位涡与低层的正变温中心相配合对低涡等低层系统的发生发展有较好的指 示作用。