關(guān)中一次陣風(fēng)鋒觸發(fā)的強(qiáng)對流天氣分析

陳小婷，趙 強(qiáng)，劉瑞芳，杜莉麗

(陜西省氣象臺，西安 710014)

在合適的環(huán)境條件下，強(qiáng)風(fēng)暴內(nèi)部下沉冷空氣到達(dá)近地面向外流出與環(huán)境空氣交匯形成的界面，稱為陣風(fēng)鋒。陣風(fēng)鋒不但具有陣性風(fēng)大和低空風(fēng)切變顯著的特點(diǎn)，還能觸發(fā)新對流單體的產(chǎn)生[1]，是短時臨近預(yù)報關(guān)注的重要對象。針對陣風(fēng)鋒國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[2-10]，張濤等[2]對三次陣風(fēng)鋒過程分析表明，持續(xù)下沉的冷空氣形成雷暴高壓是陣風(fēng)鋒產(chǎn)生的直接原因。王秀明等[3]對河南、安徽一次大范圍雷暴大風(fēng)天氣分析表明，冷池合并是商丘產(chǎn)生極端大風(fēng)的主要原因。陳明軒等[4]分析了出流邊界對京津冀地區(qū)對流局地新生及快速增強(qiáng)的動力效應(yīng)。陜西地區(qū)陣風(fēng)鋒天氣時有發(fā)生，武麥鳳等[11]對2015年8月23日關(guān)中地區(qū)伴有陣風(fēng)鋒的強(qiáng)對流天氣分析表明，該過程雖然發(fā)生在槽前，但是垂直環(huán)境配置為“上干下濕”，屬于槽前“干”對流；劉勇等[12]對2004年7月關(guān)中中部兩次陣風(fēng)鋒天氣進(jìn)行分析，總結(jié)了這兩次陣風(fēng)鋒天氣中雷達(dá)回波及氣象要素的典型特征。目前針對陜西此類天氣分析的個例中陣風(fēng)鋒大多在北邊生成，向南移動[11-14]。2018年7月26日陜西關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)了一次陣風(fēng)鋒觸發(fā)的強(qiáng)對流天氣，對流風(fēng)暴首先在秦嶺山區(qū)發(fā)展產(chǎn)生陣風(fēng)鋒，隨后雷暴下山，在平原地區(qū)觸發(fā)新的對流，并快速發(fā)展，形成大風(fēng)、短時強(qiáng)降水天氣，陣風(fēng)鋒移速達(dá)到50 km/h，具有突發(fā)性強(qiáng)、降水時間短、伴隨風(fēng)力大的特點(diǎn)。秦嶺山區(qū)活動的雷暴是否會下山，下山后雷暴是增強(qiáng)或減弱，以及災(zāi)害性天氣的落區(qū)是目前短時臨預(yù)報的難點(diǎn)，對其開展深入研究具有重要的科學(xué)和業(yè)務(wù)應(yīng)用價值。受地面觀測水平限制，之前針對陜西的陣風(fēng)鋒天氣個例分析所用觀測資料時空分辨率不高，本文使用加密自動站資料，細(xì)致分析陣風(fēng)鋒觸發(fā)對流局地新生并快速加強(qiáng)的演變過程。同時利用雷達(dá)、探空和NCEP1°×1°再分析資料探討此次強(qiáng)對流天氣的形成機(jī)制，為后期此類突發(fā)性強(qiáng)對流天氣的預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 天氣實況

2018年7月26日13：30(北京時，下同)前后秦嶺山區(qū)的對流云團(tuán)下山過程中和西安南部分散的對流單體合并加強(qiáng)并向北發(fā)展，13：50對流風(fēng)暴的冷出流在西安扈邑區(qū)、長安區(qū)南部形成陣風(fēng)鋒，并向東北方向快速移動，經(jīng)過西安、咸陽東南部、渭南北部大部分地區(qū)，強(qiáng)對流造成關(guān)中地區(qū)大范圍大風(fēng)、短時強(qiáng)降水天氣，多處綠化樹木被大風(fēng)刮斷、刮倒，多路段積水嚴(yán)重。14—16時關(guān)中地區(qū)產(chǎn)生19站次20 mm/h以上的短時強(qiáng)降水，18站次8級以上大風(fēng)天氣。西安三橋阿房宮站14：35出現(xiàn)極大風(fēng)速29 m/s,渭南華陰16時1 h雨量達(dá)到47 mm。由于雷達(dá)觀測限制，16：30左右陣風(fēng)鋒的窄帶回波特征不再清晰，但是強(qiáng)對流天氣仍造成關(guān)中東北部地區(qū)17—18時出現(xiàn)8站短時強(qiáng)降水，5站8級以上大風(fēng)天氣。

2 影響系統(tǒng)分析

26日08時500 hPa高空圖(圖略)上，歐亞中高緯度呈兩槽兩脊型，西槽位于貝加爾湖以西地區(qū)，東槽位于140°E以東地區(qū)，其斷裂的尾部在我國東北地區(qū)形成淺槽并伸向河套地區(qū)。西太平洋副熱帶高壓主體呈東北西南向位于槽前，陜西東南部地區(qū)受副高控制。從該時刻中尺度天氣分析圖(圖1，見第8頁)可以看出，588 dagpm線西北界位于安康、西安、渭南一線，副高外圍存在東北西南向淺槽，陜西西北部地區(qū)處于槽后弱脊控制。700 hPa副高外圍的偏南暖濕氣流直達(dá)陜北地區(qū)，850 hPa在陜南地區(qū)存在弱的切變線，有利于輻合抬升形成上升運(yùn)動。陜西中南部700 hPa、850 hPa有濕舌自西南向東北伸展，關(guān)中南部地區(qū)地面露點(diǎn)大于22 ℃，低層濕度條件較好。關(guān)中東部、陜南東部t850-500>25 ℃，大氣垂直不穩(wěn)定度較高。從環(huán)流形勢綜合配置可以看出，關(guān)中東部、陜南東部地區(qū)有良好的水汽和不穩(wěn)定條件，隨著500 hPa淺槽東移侵入副高內(nèi)部，層結(jié)不穩(wěn)定度增強(qiáng)，槽前上升氣流有利于不穩(wěn)定能量釋放形成強(qiáng)對流天氣。

3 雷達(dá)回波特征分析

26日13：00前后秦嶺山區(qū)有對流云團(tuán)發(fā)展,位于秦嶺北麓的鄠邑區(qū)南部、周至南部有分散的對流單體活動，13:33對流單體與下山的對流云團(tuán)合并后迅速增強(qiáng)發(fā)展。13:50在0.5°仰角基本反射率因子圖上(圖略)多單體風(fēng)暴呈塊狀位于鄠邑區(qū)、長安中南部，其前部激發(fā)出陣風(fēng)鋒。陣風(fēng)鋒的水平長度20 km左右，垂直高度在1.5 km以下,距離后部強(qiáng)回波約5 km。組合反射率因子(圖 2a)顯示，風(fēng)暴發(fā)展旺盛，強(qiáng)回波中心超過65 dBz,陣風(fēng)鋒移動方向前方及左側(cè)觸發(fā)多個對流單體新生。對應(yīng)速度圖上(圖略)，陣風(fēng)鋒位于風(fēng)暴出流邊界風(fēng)速梯度最大區(qū)域，大風(fēng)核風(fēng)速可以達(dá)到25 m/s。新生的對流單體位于徑向風(fēng)風(fēng)向切變形成的零風(fēng)速區(qū)。實況顯示，13：35鄠邑區(qū)草堂鎮(zhèn)草下小學(xué)出現(xiàn)15.6 m/s的陣風(fēng)，13：49鄠邑區(qū)秦鎮(zhèn)土地所院內(nèi)出現(xiàn)13.6 m/s的陣風(fēng)，結(jié)合雷達(dá)徑向風(fēng)速及實況觀測，大風(fēng)主要出現(xiàn)在陣風(fēng)鋒后部強(qiáng)的反射率因子梯度區(qū)，且強(qiáng)回波有所斷裂的部位。26日14：13(圖 2b)新觸發(fā)的多個對流單體發(fā)展加強(qiáng)連成一片，冷出流激發(fā)出的陣風(fēng)鋒緊挨強(qiáng)風(fēng)暴，位于雁塔區(qū)西南部，形成陣風(fēng)鋒的跳躍式發(fā)展。該時段實況顯示，13：52鄠邑區(qū)秦鎮(zhèn)土地所陣風(fēng)18.8 m/s，14：03長安站陣風(fēng)20.1 m/s，14：10西安高新一中陣風(fēng)17.4 m/s。陣風(fēng)鋒快速移動，逐漸遠(yuǎn)離風(fēng)暴母體，14：30(圖略)位于西安、咸陽南部，距離后部強(qiáng)回波5 km，其西北側(cè)有新單體觸發(fā)。自動站觀測資料顯示14：26漢城湖出現(xiàn)12.3 m/s的偏南風(fēng)，14：27大唐芙蓉園出現(xiàn)12 m/s的偏北風(fēng)，這兩個站點(diǎn)相距12 km，海拔高度相當(dāng)，14：30氣壓分別為956 hPa、952 hPa,結(jié)合周邊站點(diǎn)氣壓可以看出，下沉氣流形成的雷暴高壓位于兩個測站之間,冷出流造成兩站截然相反的風(fēng)向。14：41(圖 2c)陣風(fēng)鋒西北部新觸發(fā)的對流單體和禮泉地區(qū)回波合并后迅速發(fā)展加強(qiáng)，風(fēng)暴的下沉氣流補(bǔ)充了冷池強(qiáng)度，該地區(qū)的冷出流進(jìn)一步加強(qiáng)，之前強(qiáng)度相對較弱的西段陣風(fēng)鋒，強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，并向北拱起，距離風(fēng)暴母體10 km左右。同時，合并后的強(qiáng)風(fēng)暴在禮泉東部激發(fā)出一條準(zhǔn)南北向的陣風(fēng)鋒，兩條陣風(fēng)鋒相交向東北方向移動，后部風(fēng)暴的冷池過境給咸陽地區(qū)帶來大風(fēng)天氣。自動站觀測顯示咸陽湖14：32陣風(fēng)17.3 m/s，秦都14：43陣風(fēng)16.6 m/s。14：41陣風(fēng)鋒經(jīng)過雷達(dá)本站涇河站，此時該站并沒有出現(xiàn)較大的風(fēng)速，14：40極大風(fēng)速為8.8 m/s，14：50陣風(fēng)18.1 m/s，15：01陣風(fēng)15.9 m/s，結(jié)合自動站風(fēng)速觀測和雷達(dá)回波可以看出，大風(fēng)出現(xiàn)在陣風(fēng)鋒后部強(qiáng)的反射率因子梯度區(qū)。15：00之后回波強(qiáng)度維持穩(wěn)定(圖略)，陣風(fēng)鋒距離風(fēng)暴母體15 km以上，實況15：50之前風(fēng)力相對較小，很少有超過17 m/s的大風(fēng)天氣。16：06(圖 2d)陣風(fēng)鋒位于銅川南部、富平北部，蒲城西部一線，其西北部有新觸發(fā)的對流發(fā)展加強(qiáng)，后部強(qiáng)回波中心位于富平，同時，渭南南部回波前側(cè)也有冷的出流邊界形成，兩者相接后共同向北推進(jìn)，造成渭北地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)天氣，自動站觀測顯示白水西固鎮(zhèn)17：14陣風(fēng)25.5 m/s。由于渭北地區(qū)距離雷達(dá)中心較遠(yuǎn)，0.5°仰角探測高度達(dá)1.2 km,而陣風(fēng)鋒的高度一般在1.5 km以下[5]，受雷達(dá)觀測限制，陣風(fēng)鋒窄帶回波特征逐漸不明顯。

暗紅色實線為500 hPa槽線，黑色實線為588 dagpm線，橘黃色虛線為ΔT850-500≥25 ℃區(qū)域，紅色雙實線為850 hPa切變線，暗紅色箭頭為700 hPa顯著流線，綠色虛線為700、850 hPa T-Td≤6 ℃區(qū)域，綠色點(diǎn)線為地面露點(diǎn)≥22 ℃區(qū)域。圖1 2018-07-26T08:00中尺度天氣分析

圖2 2018-07-26西安多普勒雷達(dá)圖(a為13：50組合反射率因子；b、c、d依次為0.5°仰角14：13、14：41、16：06基本反射率因子)

4 地面自動站要素分析

陣風(fēng)鋒的形成與冷池密切相關(guān)。從逐小時氣象要素演變可以看出，26日13時(圖3a)秦嶺北麓的長安、扈邑區(qū)南部出現(xiàn)5 ℃左右的負(fù)變溫,冷池前方存在偏南風(fēng)和偏東風(fēng)的輻合。14時(圖3b)隨著冷空氣堆積，負(fù)變溫區(qū)出現(xiàn)了正變壓，同時，冷池北上,前部的風(fēng)場輻合位置北移，結(jié)合雷達(dá)回波演變，可以看出陣風(fēng)鋒窄帶回波和風(fēng)場輻合位置有很好的對應(yīng)關(guān)系。15時(圖3c)冷池迅速北進(jìn)至西安城區(qū)，負(fù)變溫超過5 ℃的范圍可達(dá)5 000 km2，西安、咸陽交界處大部分地區(qū)1小時降溫超過10 ℃，其中愛知中學(xué)站降溫幅度達(dá)到16 ℃，造成該地區(qū)大范圍大風(fēng)、降水天氣。16時(圖3d)西安地區(qū)的冷池和渭南南部的冷池合并北上接近銅川地區(qū)，與冷池對應(yīng)的是正變壓。17時(圖3e)冷池移動至渭南西北部，強(qiáng)度依然達(dá)到-10 ℃。 18時(圖3f)冷池中心北移至渭南、延安交界處，強(qiáng)度明顯減弱?？梢钥闯?，冷池的強(qiáng)度、位置變化和回波強(qiáng)度、災(zāi)害性天氣的發(fā)展演變基本一致,陣風(fēng)鋒位于冷池前沿，兩者相伴存在，冷池與陣風(fēng)鋒強(qiáng)度和維持有密切關(guān)系。

圖3 2018-07-26T13—18 1 h變溫(填色，單位為℃)、1 h變壓(等值線，單位：hPa)及整點(diǎn)風(fēng)場(a—f依次為13—18時)

雷達(dá)中心涇河站10 min的溫度、露點(diǎn)、氣壓及風(fēng)的演變(圖4a)顯示，14：40—15：10降溫13.6 ℃，氣壓升高2.3 hPa，風(fēng)向順轉(zhuǎn)154°,其中14：40—14：45氣溫下降4.5 ℃，露點(diǎn)溫度下降4 ℃，氣壓上升1.1 hPa，風(fēng)向由東南風(fēng)順轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)速由2.8 m/s增加到10.1 m/s(圖略)。西安降水量最大的星火立交站14—15時5 min間隔變溫及5 min累計降水(圖4b)顯示，14：20左右陣風(fēng)鋒過境，5 min內(nèi)氣溫下降5 ℃，隨著氣溫下降，大氣接近飽和，同時風(fēng)向轉(zhuǎn)變，輻合增強(qiáng)，降水產(chǎn)生并加強(qiáng)，兩者的演變趨勢表明先有冷池降溫、而后產(chǎn)生降水，并不是因為降水的發(fā)生使得氣溫下降。降溫幅度逐漸遞減，降水逐漸增強(qiáng)，陣風(fēng)鋒過境帶來的冷池降溫及風(fēng)向輻合是產(chǎn)生短時強(qiáng)降水的原因。從陣風(fēng)鋒移動主軸方向上站點(diǎn)要素演變可以看出(圖略)：14：00、14：20、14：45、15：10、15：40陣風(fēng)鋒依次經(jīng)過了長安站、西安人大機(jī)關(guān)大院站、涇河站、高陵站、富平站，移速達(dá)到50 km/h。陣風(fēng)鋒過境后30 min內(nèi)，氣溫持續(xù)下降直至最低點(diǎn)；氣壓陡升之后持續(xù)緩慢上升直至最大值；風(fēng)速維持較大；露點(diǎn)在下降后有小幅回升。

5 強(qiáng)對流發(fā)生發(fā)展機(jī)制分析

5.1 雷暴生成

大氣中深厚濕對流的發(fā)生需要垂直層結(jié)不穩(wěn)定、水汽和抬升觸發(fā)三個基本條件。從26日08時中尺度分析可以看出，關(guān)中東部、陜南東部地區(qū)有利于強(qiáng)對流天氣發(fā)生的中尺度環(huán)境，利用地面觀測及再分析資料對26日14時雷暴生成前后基本要素進(jìn)行進(jìn)一步診斷分析。14時地面觀測顯示，關(guān)中東部地區(qū)為37 ℃以上的高溫中心，訂正后的西安探空資料顯示(圖略),CAPE值1 700 J/kg，K指數(shù)37.1 ℃，850 hPa以下溫度遞減率接近干絕熱線，大氣不穩(wěn)定度高。從26日14時110°E多要素剖面可以看出(圖5)，低層?xùn)|南風(fēng)和高層?xùn)|北風(fēng)之間存在明顯的干濕對比，風(fēng)垂直切變較08時增強(qiáng)，以35°N為中心中低層有弱的上升運(yùn)動，表明存在初始擾動。圖6為26日14時109°E溫度平流剖面，從圖可以看出，低層35°N以北冷平流加強(qiáng)，有利于強(qiáng)迫暖空氣上升產(chǎn)生上升運(yùn)動，高層有冷平流自北向南擴(kuò)散，且冷平流中心逐漸下降有利于增強(qiáng)大氣垂直方向不穩(wěn)定度?？梢?，高層?xùn)|北路干冷空氣和低層?xùn)|南風(fēng)暖濕氣流的共同增強(qiáng)，使該地區(qū)冷暖空氣疊置，大氣不穩(wěn)定度增加，低層弱的上升運(yùn)動形成初始擾動，當(dāng)陣風(fēng)鋒移入后極易觸發(fā)強(qiáng)對流天氣發(fā)生。

圖4 2018-07-26陣風(fēng)鋒過境時氣象要素演變(a 14：20—15：20涇河站；b 14—15時星火立交站)

由26日逐小時地面觀測資料可見(圖略)，09時西安地區(qū)有弱輻合，11時西安地區(qū)風(fēng)場存在氣旋式輻合，風(fēng)場初始擾動有利于對流系統(tǒng)移入后增強(qiáng)發(fā)展。從雷達(dá)回波和自動站要素演變可以看出，最初在秦嶺山區(qū)活動的對流云團(tuán)，下山過程中和秦嶺北麓多個局地對流單體合并加強(qiáng)形成有組織的多單體風(fēng)暴，風(fēng)暴下沉氣流堆積形成雷暴高壓，和其北部暖濕氣流形成明顯的溫度、密度梯度，進(jìn)而形成陣風(fēng)鋒，多單體風(fēng)暴及陣風(fēng)鋒隨著環(huán)境風(fēng)向北推進(jìn)的過程中，進(jìn)入能量、不穩(wěn)定機(jī)制、初始擾動條件都較好的地區(qū)，迅速觸發(fā)形成新的對流。

圖5 2018-07-26T14:00沿110°E風(fēng)場、垂直速度(填色,單位：Pa/s)及相對濕度(虛線,單位：%)垂直剖面

圖6 2018-07-26T14:00沿109°E溫度平流垂直剖面(單位：10-4 K·s-1)

5.2 雷暴發(fā)展和維持

雷暴的發(fā)展和維持通常和雷暴與低層風(fēng)切變的關(guān)系、雷暴與輻合線相遇、多個雷暴合并、雷暴與出流邊界的距離、低層輻合的強(qiáng)度等因素有關(guān)[5]。從探空資料及地面自動站資料分析可以看出，此次過程關(guān)中東部低層以偏東風(fēng)為主，700 hPa為西南風(fēng)，0～3 km切變比0～6 km切變更明顯，陣風(fēng)鋒形成后自西南向東北移動，低層的偏東風(fēng)和向東北移動的雷暴出流輻合，有利于觸發(fā)新的對流，新生對流的上升氣流在中層偏西環(huán)境風(fēng)引導(dǎo)下向東伸展，和低層單體移動方向一致，可以保持對流單體中上升運(yùn)動垂直向上發(fā)展。根據(jù)Wilson等[6-7]的結(jié)論，當(dāng)雷暴生成后，如果邊界層內(nèi)的風(fēng)向與雷暴運(yùn)動方向或出流邊界相反，而邊界層以上的風(fēng)向與之相同，則有利于雷暴的維持和加強(qiáng)。本次過程雷暴及環(huán)境風(fēng)場的配置與上述判斷條件基本吻合，因此雷暴的強(qiáng)度不斷加強(qiáng)且自身組織程度越來越高，形成強(qiáng)的下沉氣流維持冷池的強(qiáng)度，冷池過境造成大風(fēng)天氣。從雷達(dá)回波演變分析中可以看出，陣風(fēng)鋒觸發(fā)形成的雷暴移動過程中，14：41和16：06前后分別與咸陽禮泉、渭南大荔的雷暴合并加強(qiáng)，新對流的補(bǔ)充有利于風(fēng)暴迅速強(qiáng)烈發(fā)展[11]，造成咸陽東南部、渭南北部的大風(fēng)天氣，冷池的補(bǔ)充有利于陣風(fēng)鋒維持，整個強(qiáng)對流天氣持續(xù)5 h左右。

6 結(jié)論

(1)本次強(qiáng)對流天氣過程中，關(guān)中東部地區(qū)受副高控制，具有良好的不穩(wěn)定能量和溫濕條件，500 hPa淺槽侵入副高內(nèi)部，增強(qiáng)層結(jié)不穩(wěn)定，槽前上升運(yùn)動有利于不穩(wěn)定能量釋放。

(2)陣風(fēng)鋒是本次強(qiáng)對流天氣的觸發(fā)機(jī)制。新的對流單體在陣風(fēng)鋒前徑向風(fēng)風(fēng)向切變最大的地方觸發(fā)。大風(fēng)天氣出現(xiàn)在陣風(fēng)鋒后部強(qiáng)的反射率因子梯度區(qū)。

(3)陣風(fēng)鋒位于冷池前沿，兩者的發(fā)展演變密切相關(guān)。陣風(fēng)鋒過境后30 min內(nèi)，氣溫持續(xù)下降至最低點(diǎn)；氣壓陡升后持續(xù)緩慢上升直至最大值；風(fēng)速維持較大值；露點(diǎn)在下降后有小幅回升。

(4)邊界層內(nèi)風(fēng)向與陣風(fēng)鋒移動方向相反，而邊界層之上的風(fēng)向與之相同是陣風(fēng)鋒觸發(fā)的對流風(fēng)暴維持加強(qiáng)的一個因素。雷暴合并加強(qiáng)補(bǔ)充了冷池強(qiáng)度，使陣風(fēng)鋒及強(qiáng)對流天氣維持較長時間。