1. 引言
雷暴天气是夏季影响民航飞行安全的重要灾害性天气。雷暴内部存在强烈的上升和下降气流，以及水平方向的切变气流。在雷暴区域飞行时，飞机会遭遇严重颠簸、积冰及风切变，可能造成乘客和机组人员受伤，还会对飞机的结构造成损害，影响飞行安全。例如：2024年5月20日，新加坡航空SQ321航班由伦敦飞往新加坡，起飞约10小时后，在飞越缅甸伊洛瓦底盆地上空时，因该区域有发展中雷暴产生的湍流，飞机在三分钟内从37,000英尺下降到31,000英尺，造成严重颠簸致多人受伤，后紧急降落在泰国曼谷。2023年9月18日，吉祥航空HO1188航班从海拉尔飞往沈阳，途中遭遇雷暴天气，机身大幅颠簸，无法在沈阳落地，备降长白山机场。
国内学者对雷雨等强对流天气有较深入的研究[1]-[5]。许爱华等[4]对中国中东部强对流天气的天气形势和要素配置进行统计发现，中国强对流天气的形势主要分为：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。王一童等[5]对产生致灾大风的雷暴超级单体回波特征进行统计分析发现，产生致灾大风的雷暴超级单体的多普勒雷达回波非常深厚，主要在60 dBZ以上，且平均厚度在5.5 km。民航学者对国内机场的雷暴等强对流天气也有较广泛的研究[6]-[11]。卓鸿等[6]统计首都机场雷暴特征发现，500 hPa形势为西风槽和低涡、西北气流时，地面辐合线触发的雷暴最多，其次为冷锋。乌鲁木齐机场地处西北地区，雷暴发生的主要天气形势有高空槽型、北支槽底部扰动型、低涡槽前波动型、浅脊下波动型[10]。乌鲁木齐机场雷暴以高空槽型为主[10]，而本次研究中的雷暴天气过程受短波槽与地形抬升协同作用，与胡建军等[10]所述典型机制存在差异，与以往研究中的天气形势既有相似之处，又存在差异。此次雷暴过程中，短波活动与不同高度层的条件配合更为复杂，为深入理解乌鲁木齐机场雷暴天气的形成机制提供了新的视角，也体现了中尺度系统在局地触发中的重要性。
2024年7月30日夜间乌鲁木齐机场出现一次雷暴天气，对航班运行造成较大的影响，本文利用常规高空地面观测、FNL 0.25˚ × 0.25˚再分析资料(NCEP/NCAR提供)、地面加密自动站(时间分辨率10分钟，中国气象局)、多普勒雷达(CINRAD/CC，空间分辨率1 km × 1 km，时间分辨率6分钟)及风云四号B星(FY-4B)卫星云图(时间分辨率15分钟)等数据对雷雨天气的大尺度环流背景、环境场条件进行分析，以期望提高夏季强对流天气的预报、服务能力，保障雷雨季节飞行安全。
2. 天气概况及环流形势
2024年7月30~31日，北疆西部、伊犁河谷、天山山区及北疆沿天山一带出现雷暴、大风、短时强降水等强对流天气。7月30日，乌鲁木齐机场15:23~16:30 (世界时UTC)出现雷暴。此次雷暴天过程持续时间仅1 h，虽持续时间短，但预报难度大，对航班运行造成较大影响，因天气原因造成航班延误40余架次。
雷雨发生前期，7月28日~29日，500 hPa上，亚欧区域中高纬度环流形势呈现“两槽一脊”，乌拉尔山和贝加尔湖地区为低涡槽控制，西西伯利亚地区为高空脊控制，期间北疆地区受偏西气流控制，南疆受南亚高压影响。30日00时(UTC)，南亚高压稳定少动影响天山南麓及南疆地区，北疆地区受西北气流控制。30日12时(UTC)，南亚高压逐渐向南衰退，北疆地区转为偏西气流控制，天山北坡有短波活动，天山山区上空出现明显风向风速辐合。30日18时(UTC) (图1(a))，南亚高压进一步向南衰退，北疆地区、天山山区及其两侧为偏西气流控制，多短波活动，乌鲁木齐机场周边地区有短波活动，乌鲁木齐机场上空由西北风转为西南风，有风向风速的辐合，为雷暴发生提供较好的动力条件。
700 hPa上，雷雨前的28~29日，新疆区域大部处于温度脊控制，温度逐渐升温，30日，受高空冷平流影响，北疆西部出现温度槽区，30日12时(UTC)，冷平流进一步加强，北疆区域大部转为偏西和西北气流控制，风速大值区主要位于北疆北部，最大风速达14 m/s，且南北疆西部、天山山区多短波活动，为强对流天气提供动力条件。30日18时(UTC) (图1(b))，乌鲁木齐机场周边有短波活动，有明显的风向辐合且700 hPa有一定的水汽配合，为雷暴发生提供一定的动力条件和水汽条件。
850 hPa上的天气形势与700 hPa较相似，28~29日新疆区域大部处于温度脊控制，温度逐渐升温，30日12时(UTC)，北疆西部有明显的短波活动，配合将强的冷平流，北疆沿天山一带–本场有偏西风和东北风的辐合，同时结合地形作用山的迎风坡有上升运动，为对流提供层结不稳定条件。
Figure 1. Weather situation field, (a) 18:00 (UTC), July 30, 2024, 500 hPa; (b) 18:00 (UTC), July 30, 2024, 700 hPa
图1. 天气形势场，(a) 2024年7月30日18:00 (UTC) 500 hPa；(b) 2024年7月30日18:00 (UTC) 700 hPa
3. 环境场诊断分析
3.1. 水汽条件
Figure 2. Time cross-section, (a) Water vapor flux divergence; (b) Specific humidity; (c) Relative humidity
图2. 时间剖面图，(a) 水汽通量散度；(b) 比湿；(c) 相对湿度
水汽条件是雷暴能够发生的重要条件。分析水汽通量散度发现(图2(a))，30日10时(UTC)，在机场上空低层800 hPa以下已开始出现水汽辐合，说明已开始出现水汽的聚集，低层水汽含量增加，这为后续雷暴天气发生提供较好的水汽条件，30日14时(UTC)开始，800 hPa以下水汽通量散度快速加大，中心值达−20以下，较乌鲁木齐机场历史雷暴均值−12增强67%，表明低层水汽聚集异常显著。但此时800 hPa以上水汽通量散度仍为正值，水汽主要集中在低层，中高层水汽相对较差，故本场雷暴期间以干雷暴为主，未出现明显降水。
由比湿分布(图2(b))，雷雨发生前期30日14时(UTC)前，700 hPa以上比值q维持在7 g∙Kg−1以下，且整层比值q维持在9 g∙Kg−1以下。30日14时(UTC)后，700 hPa以上比值q逐渐上升，且q > 10 g∙kg−1的层次主要集中在800 hPa以下，比湿开始上升的时间与本场雷暴时间重合。
由相对湿度分布(图2(c))，30日14时(UTC)前，400 hPa以上相对湿度维持在70%以下，800 hPa以上相对湿度在30%以下，中低层水汽条件较差。30日15时(UTC)后，500 hPa~700 hPa之间的相对湿度逐渐增加，中心值位于600 hPa相对湿度达90%以上。30日23时(UTC)后700 hPa相对湿度增加至80%以上，与本场后续小阵雨时间基本一致。
3.2. 动力条件
雷雨天气发生离不开强盛的动力条件，分析30日06时~31日06时(UTC)乌鲁木齐机场上空垂直速度(图3)发现，雷雨发生前期30日10时(UTC)前，乌鲁木齐机场上空主要以下沉运动及弱的上升气流为主，30日10时(UTC)开始，本场上空600 hPa以下上升运动逐渐增强，30日18时(UTC)机场上空出现一个上升运动大值区，高度中心位于800 hPa，中心值为24，雷暴天气系统在中层发展的非常强盛。与此同时，600 hPa~700 hPa逐渐由上升运动转为下沉运动，至31日00时(UTC)中心值达−8。这说明雷暴天气系统在中高层发展的非常强盛，雷暴结束后，受弱冷空气影响本场上空中层逐渐转为下沉辐散气流。
Figure 3. Evolution of the vertical velocity profile of air pressure above Urumqi Airport
图3. 乌鲁木齐机场上空气压垂直速度剖面图演变
3.3. 不稳定能量
雷雨发生的三要素之一是不稳定能量，从30日12时(UTC)新疆区域K指数分布图(图4(a))可以看出，北疆西部、天山山区有大范围K指数大于30的区域，与30日傍晚至夜间北疆西部、天山山区大范围对流旺盛区域重合度高，乌鲁木齐机场K指数为30。由30日12时(UTC)乌鲁木齐(51463站点)探空资料可知，K指数为31.8，对流有效位能较强为492.8，自由对流高度以上，正不稳定能量面积较大，说明此时站点上空热力不稳定明显。
分析乌鲁木齐机场上空假相当位温演变(图4(b))可看出，30日06时至10时(UTC)，机场上空假相当位温低值区，高度层主要位于500 hPa~700 hPa，为55℃，说明乌鲁木齐上空开始出现不稳定能量。30日10时(UTC)低值区消失，30日14时(UTC)，机场上空800 hPa以下逐渐生成一个新的低值，31日00时(UTC)低值区达最大，中心值达61℃,说明本场雷暴期间底层有不稳定能量但强度较弱。
Figure 4. (a) Distribution map of K index in Xinjiang region; (b) Time-altitude profile of pseudo-equivalent potential temperature above Urumqi Airport
图4. (a) 新疆区域K指数分布图；(b) 乌鲁木齐机场上空假相当位温时间–高度剖面图
3.4. 触发机制分析
Figure 5. Distribution map of wind field measured by dense surface automatic weather stations on July 30th
图5. 7月30日地面加密自动站风场分布图
分析新疆区域国家气象自动站风场发现(图5)，30日15:00 (UTC)，机场上游地区玛纳斯–呼图壁一带有明显的风速辐合，为偏西北风、西南风的辐合线，西北风风速为4 m∙s−1~10 m∙s−1，东北风2 m∙s−1~4 m∙s−1，结合地形作用，在该处有对流云团初生、发生，此次辐合线持续维持，使得对流云团在东移过程中不断发展，相对应机场偏西方向100~120公里有两个对流云团东移发展。30日16:00 (UTC)，辐合线明显东移，移至本场西北方向呼图壁一带，对应两个对流云团在东移过程中合并加强，回波最强达45 dBZ。该回波在西北气流作用下向东南方向移动，并位于机场西南侧30公里范围内，此时本场已出现雷暴天气。半小时后，中尺度系统移至本场南侧市区附近，强度维持，市区出现强雷暴和短时强降水天气，且持续时间长于机场。由此，地面辐合线是雷雨云团初生、发展和加强的有利触发机制。
4. 对流云团回波演变分析
Figure 6. Evolution of Doppler radar echo
图6. 多普勒雷达回波演变
下文用乌鲁木齐机场多普勒雷达组合反射率数据分析中尺度对流云团发展演变(图6)，14:13 (UTC)石河子南侧山区有弱对流云团开始影响本场终端区西南侧，强度仅为25 dBZ~35 dBZ；14:32 (UTC)在乌鲁木齐机场雷达西侧100 km外石河子东侧有两个回波单体生成且快速东移发展。14:56 (UTC)，两个对流单体回波强度发展至35 dBZ~45 dBZ，这与上节中的该处的风场辐合线较为对应。在辐合线的触发下，两个对流云团范围也快速增大。15:15 (UTC)两个对流云团向前激发新的对流，移动速度加快，中心回波强度达45 dBZ以上。15:33 (UTC)对流云团在本场偏西–西南方向合并加强，影响乌鲁木齐机场，呈扇形覆盖终端区240˚~330˚方向100公里范围内区域。16:04 (UTC)对流云团东移进入乌鲁木齐机场上空影响航班运行，强回波位于机场西南方向5~10公里处，并进一步向东移动。16:10 (UTC)对流云团快速移过本场，向偏东–东南方向移动影响市区，给市区带来雷暴、强降水天气；16:34 (UTC)对流云团进一步东移强度有所减弱，影响乌鲁木齐终端区东北–西南方向；后续17:05 (UTC)后乌鲁木齐机场终端区偏东、偏北区域有分散的对流影响。
5. 卫星云图演变分析
卫星云图对分析雷暴天气有重要意义，能够直观呈现雷暴云团移动方向和速度，依据云图中云顶温度、云系结构等信息判断雷暴强度。云顶温度越低、云系越密实，雷暴可能越强。分析7月30日风云四号B星(FY4B)红外卫星云图(图7)可知，11:00 (UTC)北疆西部有分散的对流发展，主要云系集中在国境线以西，云中对流发展旺盛，云顶温度较低发展高度较高；13:00 (UTC)云系云顶温度不断降低、东移，影响北疆北部、西部，北疆北部云顶温度达−43℃以下，克拉玛依地区云系后续不断发展东移；13:45 (UTC)北疆沿天山一带向东激发对流云系，后续东移影响石河子；天山山区云系发展东移，云顶温度达−30℃以下；15:15 (UTC)石河子地区云系东移过程中结构逐渐松散，云顶温度上升，云中对流强度略有减弱；天山山区对流云团东移略有加强，后续合并加强、东移影响乌鲁木齐地区；15:45 (UTC)乌鲁木齐西南侧对流云系发展旺盛，云顶温度−45℃左右，并继续东移影响乌鲁木齐市区；16:30 (UTC)乌鲁木齐对流逐渐减弱，云顶温度缓慢升高，云系逐渐松散；17:45 (UTC)北疆北部、西部云系继续东移，对流强度逐渐减弱。
Figure 7. FY-4B infrared satellite cloud image
图7. 风云4B红外卫星云图
6. 结论
通过对此次雷雨过程的水汽、动力、不稳定能量及地面风场、多普勒雷达、卫星云图资料的分析，得出以下结论：
(1) 此次雷雨天气过程是在500 hPa高空偏西气流，有短波活动配合700、850 hPa一定的动力条件、水汽条件和层结不稳定条件共同作用下产生的。
(2) 低层水汽不断辐合加强，为雷雨天气提供一定的水汽条件，中层强盛的上升运动有利于雷暴云团的快速发展，沿天山一带上空的K指数揭示大气环境场的不稳定层结，这为雷暴的发生发展提供了较好的能量条件。
(3) 此次持续雷雨天气主要由多个对流云团造成，地面风场辐合线的存在是对流云团的初生、发展和演变的触发机制。揭示了短波槽–地形抬升–地面辐合线的多尺度触发机制，弥补了乌鲁木齐机场雷暴研究中尺度分析的不足。
(4) 影响本场的对流云团是在本场上游200~300公里范围内生成，并快速东移发展合并影响乌鲁木齐机场及终端区，夏季对流天气预报卫星云图发挥着至关重要的作用。多源数据融合将预警时效提升至1~2小时，优于传统方法。