華南靜止鋒

如果靜止鋒在某地區停留時間較長，受它影響的地區將連綿陰雨。靜止鋒以北到高空切變線以南的地區通常為大片雨區。淮河以南六七月份的梅雨，就是受江淮流域靜止鋒和高空切變線影晌的結果。

航空氣象上，低能見度是指造成能見度低於800m的大霧、沙塵等天氣現象。低能見度會給航空正常運行帶來了很大的影響，輕則導致航班延誤，重則引發航空事故，造成巨大的經濟損失和人員傷亡，因此是航空氣象觀測和預報工作的重點之一。通過利用機場人工觀測和跑道上自動站實時探測資料以及常規地面和高空探測資料。分析環流形勢和邊界層條件，定性研究2月21—24日大霧生成機制。同時利用二元相關係數、K均值聚類分析法對形成因子進行定量分析。探討此次中南區域內各機場大霧生成特徵與原因。

2月21日夜晚開始一直到23日早晨，武漢、長沙、桂林、廣州、深圳、湛江、海口等7個主要機場先後出現了能見度低於800m。其中，廣州白雲機場最低能見度達到250m，武漢、桂林、海口機場的能見度長時間在300一600m之間徘徊。海口最低能見度低至50m。中南地區大面積航班受到嚴重影響。此次過程中還出現降水現象．且特徵如同Tardif描述的一般，是典型的雨霧過程。

（1）天氣形勢

21日08時開始，500hPa上江南和華南地區受南支槽前西南氣流控制，850hPa上開始華南地區南風開始加強。地面華南靜止鋒於21日20時形成。22日凌晨開始，850hPa上長江流域切變線形成並南壓，在南嶺附近維持至24日。

21日20時．850hPa西南急流開始形成。到22日20時達到最強，水汽輸送強盛，中南地區22日清晨出現大範圍雨霧天氣，但不同機場的情況有所不同。武漢、長沙機場位於靜止鋒後，地面是西北風，但高層是西南風，空氣濕度容易達到飽和，尤其是長沙機場露點温度差基本為0或1℃：桂林機場位於靜止鋒附近，冷暖空氣處於膠着狀態，降水維持時間長；廣州、深圳、湛江、海口機場位於靜止鋒前，温度比武漢、長沙機場高，受熱帶海洋氣團影響，濕度很大，有利降水生成。從過去24小時降水來看，靜止鋒附近均有降水，且鋒後的長江流域降水相對鋒前華南地區降水強度要大(表1)。

23日20時西南急流開始減弱。24日500hPa江南和華南地區基本轉受西北風氣流控制，地面北方冷空氣逐漸加強，華南低槽減弱，靜止鋒減弱，降水減少。受500hPa小槽波動影響，湛江24日出現2次大霧。海口機場22日夜間至23日清晨出現3次短暫的大霧現象。

（2）大氣邊界層結構

①地面風場條件21到22日，中南地區地面風速基本在2m·s^-1以下．武漢機場主要以靜風、東南風、西北風為主，長沙機場以吹西北風和東風為主，桂林機場長時間靜風。廣州、深圳和海口機場以靜風、東風、西南風、西北風為主，湛江機場以吹東風、東南風為主。

23日08時起，長江流域中上游風速增大，武漢、桂林轉吹偏東風時，受擴散冷空氣影響，武漢機場最大風速達到7m·s^-1以上，長沙西北風風速增大，而廣州、深圳和海口機場南風加大。

②低層水汽條件

從21日至23日的1000hPa、925hPa、850hPa的大氣層水汽通量散度上看，隨着冷空氣推動靜止鋒南壓，水汽通量散度大值區也南移，且隨着西南急流的增強水汽輻合增強。長江流域850hPa水汽分佈區與過去24小時降水區對應較吻合，武漢和長沙機場925llPa、1000hPa的水汽輸入則較弱。桂林機場近地面水汽通量散度一直為負。這表示四周有水汽向桂林機場彙集，且強度較大，桂林機場濕度大，雨霧天氣維持時間長。湛江機場21日1000hPa水汽通量散度也為正，地面風速較大帶動水汽自湛江機場向四周輻散：22日起925hPa以下一直保持水汽輻合，風速減小至1m·s^-1以下，出現雨霧天氣。廣州、深圳和海口機場1000hPa一直處於較強的水汽輻合區，850hPa水汽輸送不穩定，不同的是廣州、深圳機場925hPa一直有水汽輸送。海口機場逐漸減弱。

③逆温條件

從逆温層温度來看．位於鋒後的武漢、長沙機場温度低於10℃，位於鋒面的桂林機場在10℃附近，而位於鋒前的廣州、深圳、湛江、海口在15℃附近。

（1）相關性分析

使用機場氣象觀測員整點觀測到的主導能見度與氣象要素作二元相關分析，探討各氣象要素對低能見度生成的影響。二元相關顯示了兩變量之間相互影響(包括直接影響和間接影響)的程度，不排除第三變量的影響。風向、降水數據採取事件概率迴歸法轉換：北風(0°≤冬風向<9°或270°≤風向≤360°)記為0，南風(90°≤風向<270°)記為1，風向不定和靜風記為-1，有降水記為1，無降水記為0。

二元相關分析結果可以看出：七大機場的温度露點差與能見度是正相關性。且係數較大，表明温度露點差越小，濕度越大，能見度越低；降水因素呈負相關性，降水越大，能見度越低，這兩個特徵和雨霧天氣的本質吻合。

武漢和長沙機場相似之處在於。温度和温度露點差的貢獻遠比其他氣象要素大。但對兩地能見度貢獻較大的温度因子．正負正好相反。

而對桂林、廣州、深圳、海口機場來説，風速越小越利於霧的形成，地面温度越低，與低層大氣層向下輸送的西南暖濕氣流混合．越利於霧的形成，當南風加大時，能見度好轉。

（2）聚類分析

根據能見度和各氣象要素的相關係數，採用K均值聚類法，對七大機場進行分類。通過MATLAB軟件計算，得出第1類為武漢和長沙，第2類為桂林，第3類為廣州、深圳和海口，第4類為湛江。每個輪廓值都是正的．且均在0.2以上。説明分為4類是非常合適的。

(1)此次中南地區的雨霧天氣在華南靜止鋒、逆温層以及弱冷空氣入侵條件下形成。出現雨霧的七大機場中，武漢、湖南機場屬於鋒後霧；桂林機場屬於鋒面霧或低壓倒槽霧；廣州、深圳、海口機場屬於鋒前霧；湛江機場屬平流霧。

(2)二元相關分析得出，七大機場的温度露點差因子與能見度為正相關性，降水因素呈負相關性。武漢、長沙機場的温度和温度露點差對能見度的貢獻遠比其他氣象要素大。風速因子和温度因子對能見度的貢獻是相反的。對桂林、廣州、深圳、海口機場來説，風速越小，地面温度越低，越利於霧的形成。

(3)根據能見度和各氣象要素的相關係數，採用K均值聚類法對七大機場進行分類。聚類分析結果如下：第l類為武漢和長沙，第2類為桂林，第3類為廣州、深圳和海口。第4類為湛江。 ^[1] 

中尺度對流系統(Meso-scale convective system，縮寫為MCS)是造成嚴重氣象災害的主要天氣系統之一。近些年我國的學者對MCS做了大量的研究。通過普查研究了中國及鄰近地區1993—1995夏季MCS的天氣氣候特點，發現華南西部、高原東側、長江中下游、黃河下游均是M_αCS多發區。對處於華南靜止鋒上的MCS全面、系統的研究還比較少，加之廣西中北部暴雨具有強度大，局地性和驟發性強，時空分佈極不均勻等特點，預報有很大難度。研究的MCS採用馬禹等 ^[2]  702定義的標準，即：M_αCS和M_βCS是紅外雲圖上具有圓形或橢圓形冷雲蓋的對流系統，其雲頂亮温tBB≤-32℃的冷雲蓋的短軸在1.5-3.0緯距(1緯距約為111km)之間的為M_βCS，超過3.0緯距的為M_αCS，偏心率為0.5。

2010年6月18日，柳州北部出現了一次大暴雨過程，主要降水區域位於柳州北部融安、融水2縣，加密自動站資料顯示降水時間從17日20時開始到18日20時,2縣的34個加密自動站17個站點降水量超過50mm，其中6個站超過100mm，1個站超過200mm，其中融水縣三防鎮達299mm，最大小時降水量達63.3mm。圖1可以看出強降水的主要時段在18日00-08時的8個小時內,具有突發性、雨強大、歷時短的中尺度強對流特徵。利用衞星雲圖和雷達回波以及強降水範圍，可以看出本次暴雨過程的直接系統是中尺度強對流單體MCS。關於強對流中尺度暴雨系統已有很多的研究。

研究主要採用9210衞星資料、加密自動站資料、常規高空地面資料、雷達資料、T639模式零場資料，分析2010年6月17-18由靜止鋒觸發的中尺度對流雲系所引發的柳州北部及其周邊地區暴雨過程進行分析，為以後相似過程預報提供參考。

2010年6月17日20時環流形勢如(圖2（a）)，200hPa南壓高壓為典型的“西部型”，強盛的西北氣流控制華南一帶；500hPa歐亞大陸中高緯度上空維持“兩槽一脊型”，烏拉爾山地區為一高脊，貝加爾湖及以東地區為低槽（低渦），華北地區有一低渦中心，中低緯高原有小波動不斷東移，副熱帶高壓（下文簡稱副高）基本穩定在華南中南部一帶，17日白天有北方槽東移，槽底影響到我市北部一帶，20時588線已經北抬控制我市，脊線伸至我市北部一帶；850hPa低渦在湖南中北部，17日08時西段切變南壓到貴州南部，20時減弱北抬到貴州北部一帶，我市受一致的西南暖濕氣流影響；925hPa出現12m.s^-1的超低空急流軸，我市正好處在急流北側的輻合帶中，在桂西正好處於風場的奇異點，最明顯的區域；地面華南靜止剛好壓在我市北部一帶（圖2d）。

這次暴雨的發生與高低空天氣系統的有利配置是密不可分的。在對流層高層，我市處在高空輻散風場的附近；而對流層中層，華南地區北側處在東亞大槽槽後的西北氣流中，高原上不斷有小槽分裂東移動影響，南側處於副高邊緣，在低空850hPa上如圖2（b），雖然西南風沒達到急流強度，切變線也位於26°N附近，但我市北部處在有很強的西南風風速輻合帶。另外，地面上華南地區始終維持一條近似東西走向的靜止鋒。因此，這次過程的主要響系統是高原小槽、超低空急流和地面靜止鋒。其中，500hPa副高的穩定維持，有利於冷暖空氣在桂北的北部地區附近不斷交匯，導致大氣層結向不穩定狀態的轉變；而高層輻散場的分佈與低空切變線的對應，則有利於對流運動的加強、發展和維持。

（1）MCS活動概況

圖3(2張)

從6月17日20:00（圖2a）開始，造成該次暴雨過程的對流雲團開始發展，雲圖上此時從貴州盤縣到桂林一帶有4個小對流雲團開始逐漸發展，相應地面6小時降雨也達到了20-60mm。23:00貴州境內的2個小對流單體東移合併為一個，桂林上空和柳州融安、融水一帶的2個小對流雲團也發展合併，最終形成了2箇中β尺度對流系統(分別記為M_βCS-A、M_βCS-B)（如圖3（b）），主要強降水區在對流系統的東南部；與M_βCS-A對應的強降雨中心在河池的羅城和環江一帶，最強降雨量達20以上；與M_βCS-B對應的強降水中心在桂林永福一帶，最強降雨量達40以上。

到18日00時，M_βCS-A繼續發展東南移動，M_βCS-B中心位置穩定少動，在原地發展。A、B兩個對流雲團迅速合併成為一個對流雲團M_αCS-C（如圖3（c）），雲區範圍擴大並形成橢圓形的雲區。並發展成為了一個-52℃雲區範圍超過5000km²的中α尺度對流系統，對流強度也得到了進一步加強，雲區內逐漸發展出了雲頂温度<-80℃的核區，但還是可以看到與原來2箇中β尺度對流系統對應的雨區還存在，其中M_βCS-A的偏北側雲頂温度<-80℃的核區發展很快，在其對應下的59022（南丹站）1h降雨達到70.9mm，由於雲頂温度<-80℃的核區位置在整個對流雲系的北部，核區對應下的區域降水最明顯，雨強最大；核區南北側區域均有一定的降水；但雨強較小，如其北側的N8126（拉堡站）小時降雨不超過5mm，這一特徵説明高層的中尺度對流系統與地面靜止鋒位置相對應才能引發的強降雨。

18日02-04時MαCS-C基本在原地發展（如圖3（d）（e）），tBB<-80℃的核區面積逐漸擴大，對應地面融水三防站（N2024）記錄02-04時每小時的雨強，分別為34.2mm、46.7mm、47.6mm，正是由M_αCS-C的影響造成的。直到此時是該中α尺度對流系統發展最強盛時期，但僅維持了約1h，06時，tBB<-80℃的核區範圍減小到不足04時的一半，降水區和強度也相應縮小減弱。但是<-80℃的核區穩定少變，對應地面降水看，三防鎮05-06時1h降雨達到63.3mm。之後系統即開始減弱，主要表現TBB<-80℃的核區範圍減小，降水區和強度也相應縮小減弱。對流雲區範圍減少東移減弱消亡，09時後，過程降水基本結束。

以上的分析表明，主要發生在18日凌晨期間的這場華南靜止鋒面上的暴雨過程是由4個小的對流單體，逐漸發展成2箇中β尺度對流系統，最終發展成為一箇中α尺度對流系統影響造成的，中α尺度對流系統發展最強時的水平尺度均可達到1000km左右，維持時間也達到了6h以上，強降水主要在TBB<-80℃的核區南側邊緣。與MβCS-A對應的雨團多集中發生在貴州西南部及河池北部地區，主要呈近似橢圓狀結構；而與M_βCS-B對應的雨團成帶狀結構；與M_αCS-C對應的雨團降水強度最強，也呈現帶狀與靜止鋒位置比較一致，主要影響南丹、融水、永福一帶地區。

（2）中尺度環境

華南靜止鋒上的中尺度對流系統不斷在靜止鋒上生成、移動、發展和消亡，這些中尺度對流系統究竟發生在什麼樣的中尺度環境中？下面，主要分析柳州北部的強降水天氣發生的環境場特徵。表2是柳州北部靜止鋒兩側探空代表站點計算的物理量，可見在華南靜止鋒西段的暴雨區，大氣處於豐富的水汽環境、高總温度指數環境、大氣抬升凝結高度低和抬升指數低等有利的環境場中。17日08時，代表站點河池（桂林）的整層比濕積分6300（6226），總温度指數為47(41)℃，抬升凝結高度為974(984)hPa。與靜止鋒北側的代表站點桂林相比，靜止鋒南側的代表站點河池的環境場更有利於降水系統的發生，雖然該站處於豐富的水汽環境中，但是由於對流抑制能量（CIN）264.2J.kg^-1的束縛，加之抬升凝結高度高(974hPa)，因而沒有明顯的降水發生。17日20時，靜止鋒北側桂林站，對流抑制能量迅速增加，對流有效位能(CAPE)則明顯減小；而靜止鋒南側的河池站對流抑制能量明顯減小，對流有效位能從08時候的478.5J.kg^-1迅速上升到3476.8J.kg^-1，靜止鋒上的大氣層結出現很強對流不穩定能量積聚。因此，華南靜止鋒上或鋒前的中尺度對流系統發生在高水汽、高對流不穩定能量、低對流抑制能量和低抬升指數等有利的環境場中，抬升凝結高度低也是中尺度對流系統和暴雨產生的一個重要因子。

從等高面的反射率因子和徑向速度的演變可以看到：從17日20:03已經有幾個小對流單體發展(圖4a)，對應徑向速度圖（圖5a）。到18日00時-06(圖4b-d)上，開始分散的幾個對流單體逐漸發展成最大中心強度大於55dBz的強回波帶，強對流雲帶的前方同時生成很大的反射率因子梯度（圖4d），而回波帶呈現東西走向，與靜止鋒比較一致，使得在鋒面位置上的地區不斷有較強的對流雨團不斷經過，因為列車效應而導致局地強降雨；徑向速度圖上，18日03:55時（圖5b），在西西南氣流中逐漸出現中γ尺度的逆風區，並出現氣旋性輻合；04:25（圖5c）逆風區範圍擴大，氣旋性輻合區(負速度區)出現中β尺度逆風區。這段時間正好對應了雲圖上的對流雲系逐漸發展到最強盛，強降水範圍達到最大。而到18日07-08（圖4e-f）在MCS的南部邊緣生成反射率因子大於55dBz弓形回波。但該弓形回波主要是由鬆散的單體組合演變成的，維持時間較短，而且此時雲圖上MCS已經開始減弱，之前的強降雨已經釋放了一定的不穩定能量，因此只出現了局地的短時強降雨；從對應的徑向速度場上看到(圖5d)，此時生成範圍很大的徑向強輻散氣流，之後輻散氣流減弱，強降雨結束。

本次過程是華南靜止鋒上MCS暴雨過程，通過對採用的多種資料，對（靜止鋒西段）桂西北部2010年6月17-18日局地大暴雨的大尺度環流形勢、中尺度對流系統的動力、熱力觸發機制、中-α尺度對流系統發生發展等進行分析，得到如下結論：

(1)大暴雨發生前，中高緯地區呈現“兩槽一脊型”，貝加爾湖及以東的低槽穩定維持，為冷空氣的南下提供了有利的環流條件。高原小槽分裂東移為暴雨的產生提供了有利的動力條件。

(2)200hPa南亞高壓東側的西北氣流加強，500hPa有高原小槽東移，925hPa的超低空西南急流，豐富的大濕度氣流既為暴雨提供了有利的水汽條件，又有利於對流不穩定層結的建立和維持，低層輻合與高空強輻散場配置,有利於大氣形成強烈的上升氣流,為中尺度對流系統發生發展提供有利的動力背景。

(3)對雲頂温度TBB資料分析，本次暴雨是由4個小的對流單體，逐漸發展成2箇中β尺度對流系統，最終發展成為一箇中α尺度對流系統影響造成的，中α尺度對流系統發展最強時的水平尺度均可達到1000km左右，維持時間也達到了6h以上，在TBB<-80℃的核區，而強降水主要在核區南側邊緣。

(4)華南靜止鋒上或鋒前的中尺度對流系統發生在高水汽、高對流不穩定能量、低對流抑制能量和低抬升指數等有利的環境場中，抬升凝結高度低也是中尺度對流系統和暴雨產生的一個重要因子。

(5)CAPPI(1.5km)反射率因子顯示，MCS的生成、發展和消亡，對應一條反射率因子>45dBz、東西向強對流雲帶的生成、東移發展、減弱的過程。對於MCS的生成、發展、維持和消亡，在CAPPI(1.5km)徑向速度圖上看到：首先有中γ尺度的逆風區生成，接着出現氣旋性輻合或徑向輻合，並出現了明顯的列車效應，最後形成了弓形的強對流雲帶的東移，生成範圍很大的徑向強輻散氣流；弓形回波的減弱消失，預示着MCS的減弱或消散。 ^[3]