1. 引言
强对流天气属于一种局地性自然天气现象，通常包括雷暴大风、冰雹、龙卷和短时强降水等天气类型，其特征为突发性强，范围小，破坏力极强，是影响较为严重的天气现象 [1] 。由于局地强对流较小的时空尺度和较快的演变速度，仍然是当前短临预报预警业务中的重点和难点 [2] 。其发生发展对民航安全平稳运行带来了很大的挑战，因此，加强对贵阳机场强对流天气的预报工作十分必要。
近年来，国内有大量气象学家对强对流天气展开了研究。许爱华等 [3] 通过对21世纪以来中国中东部地区近百次强对流天气个例的环境场进行分析，全面分析强对流天气形成的热力不稳定、动力抬升以及水汽条件，从强对流的不稳定条件和主要触发条件方面提出中国强对流天气的5种基本类别：暖平流强迫类、冷平流强迫类、斜压锋生类、高架对流类、准正压类，其中前三类发生频率最高。刘帆等 [4] 指出了短时强降水需要中低层具有一定厚度的湿层和较厚的暖云层。许多学者对强对流触发条件的研究表明 [5] - [11] ，冷锋、地面辐合、干线(露点锋)、阵风锋等均为强对流的触发天气系统。
微波辐射计作为一种被动遥感探测设备，2021年7月正式投入贵阳机场使用，其通过接收来自大气一定波段的微波辐射，可全天候连续探测液态水含量、温湿度以及云底高等要素的垂直廓线 [12] [13] ，时间分辨率达分秒级，垂直分辨率也较高，同时还具有无人值守的优势，现已在各项气象科研和业务工作中广泛应用。研究表明，微波辐射计探测显示的降水情况与实况雨情基本相符 [14] ，反演值与实际观测值也较为接近 [15] 。
贵阳龙洞堡机场位于中国贵州省贵阳市东郊，坐标为(106.7988˚E, 26.5438˚N)，海拔高度1139米，地处云贵高原东麓。2023年6月18~19日贵阳机场遭遇了一次持续时间较长的强对流天气过程，此次天气过程造成了6个航班备降，对民航运行带来了一定的影响。近年来，综合利用多源数据开展强对流天气过程的分析研究还相对较少。因此，本文利用贵阳机场常规观测数据、微波辐射计观测数据以及ERA5再分析地面和高空资料、贵阳市实况探空等多源数据对此次过程进行分析研究，探索此次强对流天气过程发生机制以及新技术新资料的可应用性。
2. 数据
1) 2023年6月18日~6月19日贵阳龙洞堡机场逐小时常规观测场数据以及贵阳市实况探空资料。
2) 欧洲中心ERA5逐小时地面资料(地表气压、10米风、总降水和对流降水等)和高空资料(UV风、位势高度、垂直速度、相对湿度、比湿等共37层)，空间分辨率0.25 × 0.25˚。
3) 贵阳机场HTG-4型地基多通道微波辐射计2023年6月18日~19日观测数据，该微波辐射计能自动完成地面到高空10 km的大气温湿探测，时间间隔3 min，垂直共93层，选用其输出产品包括液态水路径(LWP)、云底高(CBH)、液态水廓线(LPR)、相对湿度/绝对湿度廓线(HPC)等原始数据，并通过数据解码对数据格式进行转换。
3. 过程回顾
2023年6月18日~19日，贵阳机场遭遇了一次强对流天气影响，此次过程持续时间较长，降水强度较大，6月18日20点贵阳机场由南风转为北风控制，同时相对湿度也迅速增大至90%以上，见图1，其中红线表示风向变化，绿线表示相对湿度(RH)变化，横坐标表示2023年6月18日~19日时间序列(北京时，下同)，灰色虚线表示日界。
Figure 1. Time series of wind direction and relative humidity change at Guiyang Airport
图1. 贵阳机场风向和相对湿度变化时间序列
分析表1贵阳机场降水观测纪要栏数据可知，此次贵阳机场强降水过程从6月18日20点40分持续至19日07点46分，其中最强的降水过程分布在18日23~24点，中等强度的降水分布在19日05点左右。
Table 1. Precipitation observation record column of Guiyang Airport (ZUGY)
表1. 贵阳机场(ZUGY)降水观测纪要栏
利用欧洲中心ERA5再分析资料的小时总降水和小时对流降水数据对该次过程进行分析，见图2。通过分析6月18日14点~6月19日14点的24小时总降水和对流降水可知，此次过程降水区呈西南–东北向带状分布，大值区位于贵州省中部，最大值超过120 mm/24 h。从对流降水图分布可知，对流降水分布与总降水分布大致相同，降水大值区均为对流降水。
Figure 2. Spatial distribution of 24-hour total precipitation and convective precipitation from ERA5 reanalysis data in the European Center, where: (a) Total precipitation; (b) Convective precipitation
图2. 欧洲中心ERA5再分析资料24小时总降水和对流降水空间分布图，其中，(a) 总降水；(b) 对流降水
4. 过程分析
4.1. 形势场分析
Figure 3. The situation field at 20 o’clock on June 18, 2023, with purple dots indicating the location of Guiyang Airport. (a) 500 hPa wind field and potential height field; (b) 700 hPa wind field and potential height field; (c) 850 hPa wind field and potential height field; (d) 10-metre wind field and surface pressure field
图3. 2023年6月18日20点形势场，紫色点表示贵阳机场位置。(a) 500 hPa风场和位势高度场；(b) 700 hPa风场和位势高度场；(c) 850 hPa风场和位势高度场；(d) 10米风场以及地面气压场
挑选2023年6月18日20点和6月19日10点的500 hPa、700 hPa、850 hPa和地面的位势高度场、风场以及气压场数据进行分析，6月18日20点形势场见图3，6月19日10点形势场见图4。
分析图3(a)可知，500 hPa中高纬地区呈现一槽一脊型分布，槽位于我国内蒙古地区，脊位于我国东北地区；中低纬地区西太平洋副热带高压位于贵州省东南部，贵州省受副高西北侧西南气流影响。700 hPa槽线位于贵州省西北一侧，贵州省西部为低位势高度区，东部为高位势高度区，贵州省大部受槽前西南气流影响。850 hPa切变线位于贵州省中部地区，位势高度场从西向东呈高–低–高分布。地面贵州省西侧低压控制，北侧高压控制，东侧高压控制，地面辐合线呈西南–东北向影响贵州省中部及以北区域。
图4为贵阳机场强对流天气结束后的形势场。对比图3可知，500 hPa中高纬地区槽脊均已向东移动，中低纬地区副高东退，700 hPa弱低涡环流位于贵州省中北部地区，贵阳机场受低涡底部西南气流影响，850 hPa切变线南压至贵州省东南部，贵阳机场转西北气流控制，地面辐合线南压至贵州省东南部，中部转为西北风控制。
Figure 4. The situation field at 10 o’clock on June 19, 2023, with purple dots indicating the location of Guiyang Airport. (a) 500 hPa wind field and potential height field; (b) 700 hPa wind field and potential height field; (c) 850 hPa wind field and potential height field; (d) 10-metre wind field and surface pressure field
图4. 2023年6月19日10点形势场，紫色点表示贵阳机场位置。(a) 500 hPa风场和位势高度场；(b) 700 hPa风场和位势高度场；(c) 850 hPa风场和位势高度场；(d) 10米风场以及地面气压场
选取(23˚N~24˚N, 106˚E~107˚E)区域的垂直速度求区域平均表征贵阳机场上空垂直速度分布，其高度–时间序列见图5，横坐标表示时间，纵坐标表示气压(左)和高度(右)。由图5可知，自6月18日下午17点开始，上升运动明显增强且整层均为上升区，分析图还可知，此次过程持续时间较长，从6月18日17点至6月19日08点均为强上升运动状态。
Figure 5. Vertical profile of vertical velocity of Guiyang Airport. The abscissa shows time, and the abscissa shows pressure (left) and altitude (right)
图5. 贵阳机场垂直速度垂直剖面图。横坐标表示时间，纵坐标表示气压(左)和高度(右)
综合形势场分析可知，500 hPa副高西北侧西南气流、700 hPa槽前西南气流、850 hPa切变线和地面辐合线同时处于贵州省中部，这使得贵州省中部出现强烈的抬升运动，由于副高的阻挡作用，也会使得切变线长时间维持在贵州省中部，导致抬升运动较为持久。
4.2. 水汽条件分析
Figure 6. Relative humidity field and specific humidity field at 20 points on June 18, 2023, with purple dots indicating the location of Guiyang Airport. (a) (c) (e) are 500 hPa, 700 hPa and 850 hPa relative humidity fields, respectively; (b) (d) (f) are the specific wet fields of 500 hPa, 700 hPa and 850 hPa respectively
图6. 2023年6月18日20点相对湿度场和比湿场，紫色点表示贵阳机场位置。(a) (c) (e)分别为500 hPa、700 hPa、850 hPa相对湿度场；(b) (d) (f)分别为500 hPa、700 hPa、850 hPa比湿场。
同样挑选2023年6月18日20点和6月19日10点的500 hPa、700 hPa、850 hPa的相对湿度场和比湿场对水汽条件进行分析，6月18日20点水汽场分布见图6，6月19日10点水汽场分布见图7。
由图6可知，6月18日20点500 hPa、700 hPa、850 hPa贵州省中部空气饱和程度较高，相对湿度均达到90%以上；从比湿条件来看，贵州省中部500 hPa比湿分布在6~8 g/kg之间，700 hPa比湿分布在10~14 g/kg之间，850 hPa比湿分布在12 g/kg以上。从空间分布上来看，相对湿度和比湿大值区均分布在贵州省中部和西南部，呈西南–东北向分布。
对比6月18日20点的相对湿度场和比湿场可知，图7中相对湿度场和比湿场大值区均已移出贵州省中部，大值区分布在贵州省东南部。
Figure 7. Relative humidity field and specific humidity field at 10:00 on June 19, 2023, with purple dots indicating the location of Guiyang Airport. (a) (c) (e) are 500 hPa, 700 hPa and 850 hPa relative humidity fields, respectively; (b) (d) (f) are the specific wet fields of 500 hPa, 700 hPa and 850 hPa respectively
图7. 2023年6月19日10点相对湿度场和比湿场，紫色点表示贵阳机场位置。(a) (c) (e)分别为500 hPa、700 hPa、850 hPa相对湿度场；(b) (d) (f)分别为500 hPa、700 hPa、850 hPa比湿场
选取(23˚N~24˚N、106˚E~107˚E)区域的相对湿度和比湿求区域平均表征贵阳机场上空水汽分布状况，其高度–时间序列如图8，a) 表示比湿场随时间的分布情况；b) 表示相对湿度场随时间的分布情况，横坐标表示时间，纵坐标表示气压(左)和高度(右)。
由图8(a)可知，从6月18日12点~6月19日08点，贵阳机场近地面850~700 hPa比湿数值较高，最高可达18 g/kg，表明贵阳机场上空大气的水汽含量较高；从图8(b)可知，从6月18日17点~6月19日08点，贵阳机场整层均为高相对湿度区，其相对湿度均大于90%，而这也表明贵阳机场上空大气的饱和程度较高。贵阳机场上空大气长时间的高水汽含量以及高饱和状态为持久的强对流天气过程提供了水汽条件支持。
Figure 8. Vertical profile of specific humidity and relative humidity of Guiyang Airport, (a) specific humidity; (b) Relative humidity. The abscissa shows time, and the ordinate shows pressure (left) and altitude (right)
图8. 贵阳机场比湿、相对湿度的垂直剖面图，(a) 比湿；(b) 相对湿度。横坐标表示时间，纵坐标表示气压(左)和高度(右)
4.3. 能量条件分析
选取贵阳市探空站观测数据进行探空分析可知，对流触发前，2023年6月18日08点贵阳探空图(图9(a))呈“喇叭口”形态，对流有效位能(CAPE)高达1027.7 J/kg，K指数达35.6，说明大气不稳定度较高。从风的垂直分布来看，近地面西南风风速较小约4 m/s，风速随高度增大，850 hPa和700 hPa西南风风速10~12 m/s，表明垂直风切变较大；400 hPa转为西北风控制，300 hPa又转为西南风控制，表明中低层风向随高度顺时针旋转，为暖平流，高层风向随高度逆时针旋转，为冷平流。高层冷平流叠加在低层暖平流的不稳定结构加上垂直风切变较大极有利于对流天气的发生。
对流触发时，2023年6月18日20点(图9(b))湿层明显增厚，CAPE可达588.9 J/kg，K指数高达42.8，说明大气不稳定度依然较高。对流触发后，2023年6月19日08点(图9(c))湿层同样较厚，但CAPE已减小至21 J/kg，且K指数降至36.1，从风的垂直分布来看，风向随高度逆转，说明原低层暖平流结构已经破坏，整层为冷平流控制，而这也代表此次强对流过程走到了终点。
Figure 9. Sounding T-lnp diagram of Guiyang Station. (a) At 0800 on 18 June, before the convective trigger; (b) 20 o’clock on 18 June, when convection is triggered; (c) 08:00 June 19 after convective trigger
图9. 贵阳站探空T-lnp图。(a) 对流触发前6月18日08点；(b) 对流触发时6月18日20点；(c) 对流触发后6月19日08点
综上分析，6月18日~6月19日波动槽东移至贵州省且被副热带高压阻挡在贵州省中部，同时低层切变线和地面辐合线配合较好，导致其抬升运动明显且持久；同时贵阳机场上空持久的水汽含量较高且整层大气均达到饱和，为此次过程提供了较好的水汽条件；加上高层冷平流叠加低层暖平流、强垂直风切变以及CAPE、K指数等偏高均表征着此次过程大气不稳定度较高。因此，贵阳机场遭遇了一次持续时间长且强度较高的强对流天气过程。
5. 微波辐射计分析
利用贵阳机场微波辐射计原位观测资料可以更进一步分析此次强对流天气发生强度的变化。图10显示了贵阳机场6月18日~19日强降水期间微波辐射计探测的液态水路径(LWP)和云底高(CBH)的变化情况。从图10(a)可知，LWP随时间变化呈现双峰型分布，其中，6月18日晚上23点左右为最高峰，其LWP值最大可达8000 g/m2，次高峰分布在6月19日凌晨05点左右，其LWP值最大可达5000 g/m2。从图10(b)云底高时间序列分析可知，云底高对此次强对流过程也存在一定的反映，在降水最强的时段，其云底高也较低。
Figure 10. Liquid water path (LWP) and cloud base height (CBH) data of Guiyang Airport, where the horizontal coordinate represents time and the vertical coordinate represents variable value
图10. 贵阳机场液态水路径(LWP)和云底高(CBH)数据，其中横坐标表示时间，纵坐标表示变量值
图11分别显示了微波辐射计探测的相对湿度廓线(RH)、绝对湿度廓线(HPC)以及液态水廓线(LPR)。综合分析图11(a) (b) (c)可知，贵阳机场上空相对湿度、绝对湿度以及液态水均呈现出先增强再减弱又增强的变化趋势，且此变化趋势与贵阳机场实况观测记录极为吻合。6月18日晚上23点左右强降水期间，相对湿度大值区分布在地面至4000米之间，且整层RH均大于97%；同时从HPC廓线上也能反映出相同时段内绝对湿度增强明显(最高可达19.2 g/m3)，且水汽抬升高度较高；LPR廓线分布也可看出，18日23点左右液态水含量明显增多且高度较高，其最大值可达1.25 g/m3。同样，6月19日05点左右也显示出相对湿度增大且大值区有所抬升、绝对湿度也有所增多、液态水廓线也在3700米附近显示出大值区。
Figure 11. Relative humidity profile (RH), absolute humidity profile (HPC) and liquid water profile (LPR) of Guiyang Airport, where the horizontal coordinate represents time, the vertical coordinate represents height, and the colored part represents the corresponding variable
图11. 贵阳机场相对湿度廓线(RH)、绝对湿度廓线(HPC)以及液态水廓线(LPR)，其中横坐标表示时间，纵坐标表示高度，填色部分表示对应变量
综上，微波辐射计能够较为准确地追踪此次强对流天气过程强度变化特征，其液态水路径、云底高、液态水廓线、相对湿度和绝对湿度廓线在反映强对流天气强度和持续时间方面具有较好的效果。
6. 结论
1) 此次强对流天气过程产生的降水呈西南–东北向的带状分布，其发生原因为波动槽东移至贵州省且被副热带高压阻挡在贵州省中部，同时低层切变线和地面辐合线配合较好，同时水汽条件较好，加上高层冷平流叠加低层暖平流、强垂直风切变以及CAPE、K指数等偏高均表征着此次过程大气不稳定度较高。因此，不稳定大气且存在强烈的上升运动搭配充沛的水汽条件，导致贵阳机场遭遇了一次持续时间长且强度较高的强对流天气过程。
2) 贵阳机场HTG-4型微波辐射计能够较为准确的追踪此次强对流天气过程强度变化特征，其液态水路径、云底高、液态水廓线、相对湿度和绝对湿度廓线在反映强对流天气强度和持续时间方面具有较好的效果，表明微波辐射计在强对流天气过程中的应用极为重要。