關(guān)中陣風(fēng)鋒環(huán)境場(chǎng)和雷達(dá)特征分析

孟妙志，盧 曄,王仲文

(寶雞市氣象局，陜西寶雞 721006)

陣風(fēng)鋒是中小尺度天氣，是雷暴的下沉氣流到達(dá)地面往四周擴(kuò)展的水平氣流前緣帶，是雷暴周?chē)蛯迎h(huán)境暖濕氣流與來(lái)自中層準(zhǔn)飽和空氣之間的交接面[1]，它常和氣壓跳躍、風(fēng)向轉(zhuǎn)變、風(fēng)速突增、溫度降低等天氣現(xiàn)象相聯(lián)系。陜西在2005年西安多普勒雷達(dá)布設(shè)后，已有學(xué)者對(duì)觀(guān)測(cè)到的陣風(fēng)鋒個(gè)例進(jìn)行過(guò)分析，劉勇等[1]、張健宏[2]分析了陜西的陣風(fēng)鋒個(gè)例觀(guān)測(cè)特征，畢旭等[3-4]對(duì)陜北的2次陣風(fēng)鋒進(jìn)行了分析，已有的研究對(duì)陣風(fēng)鋒觀(guān)測(cè)特征認(rèn)識(shí)較為一致 ，但對(duì)陣風(fēng)鋒預(yù)報(bào)研究較少。為了較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)陣風(fēng)鋒天氣，選取2012—2018年寶雞多普勒雷達(dá)資料中的7例陣風(fēng)鋒個(gè)例，利用高空、地面天氣圖，寶雞多普勒雷達(dá)資料，統(tǒng)計(jì)分析陣風(fēng)鋒發(fā)生背景場(chǎng)和雷達(dá)回波演變特征，提煉基于多普勒雷達(dá)的短臨預(yù)報(bào)預(yù)警經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)。

1 引發(fā)陣風(fēng)鋒的強(qiáng)雷暴天氣環(huán)流背景和地面要素特征

寶雞地區(qū)7例陣風(fēng)鋒天氣發(fā)生在6—8月，6月出現(xiàn)2例，7月出現(xiàn)3例，8月出現(xiàn)2例，均由強(qiáng)雷暴產(chǎn)生。產(chǎn)生陣風(fēng)鋒的強(qiáng)雷暴出現(xiàn)的形勢(shì)均為高空西風(fēng)氣流型,是陜西關(guān)中產(chǎn)生強(qiáng)雷暴天氣的典型天氣類(lèi)型之一。地面圖上關(guān)中受暖低壓控制,中空有西北路或東北路冷空氣入侵,觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。強(qiáng)雷暴發(fā)生的主要影響系統(tǒng)是500 hPa冷槽，中層500～700 hPa干舌(“干”侵入)，850 hPa暖中心、濕區(qū)，地面圖上平?jīng)觥]縣的干線(xiàn)或輻合線(xiàn)，關(guān)中強(qiáng)對(duì)流天氣區(qū)附近t850-500≥25 ℃。中層“干冷”侵入是強(qiáng)雷暴產(chǎn)生的必要條件之一[5-6]，是關(guān)中產(chǎn)生陣風(fēng)鋒的必要條件。

地面環(huán)境要素很重要，一些地方對(duì)流風(fēng)暴頻繁出現(xiàn)，但出現(xiàn)陣風(fēng)鋒比較少。個(gè)例分析統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，平坦的川道、午后地面氣溫≥35 ℃、相對(duì)濕度為20%～35%，利于陣風(fēng)鋒的形成、傳播。

2 陣風(fēng)鋒雷達(dá)回波特征

2.1 陣風(fēng)鋒生命史

陣風(fēng)鋒是多單體風(fēng)暴產(chǎn)生，風(fēng)暴的生命史、強(qiáng)度決定了陣風(fēng)鋒的生命史、強(qiáng)度。為了定量認(rèn)識(shí)陣風(fēng)鋒，統(tǒng)計(jì)了寶雞多普勒雷達(dá)7例陣風(fēng)鋒個(gè)例的強(qiáng)度、長(zhǎng)度，及其與主體風(fēng)暴的距離及主體風(fēng)暴的強(qiáng)度、徑向速度等，根據(jù)陣風(fēng)鋒長(zhǎng)度、強(qiáng)度等，將其演變過(guò)程分為四個(gè)階段：初生、發(fā)展、加強(qiáng)、減弱。表1列出其中較強(qiáng)的三例陣風(fēng)鋒特征值。

表1 2012—2018寶雞3例陣風(fēng)鋒各階段在多普勒雷達(dá)上特征值及對(duì)應(yīng)的風(fēng)暴特征值

注：表中均為1.5°仰角數(shù)據(jù)

由表1可見(jiàn),2018-06-11出現(xiàn)的陣風(fēng)鋒，其生命史為1 h 10 min，雷達(dá)回波最大強(qiáng)度15 dBz、陣風(fēng)鋒長(zhǎng)度達(dá)40 km；風(fēng)暴強(qiáng)度達(dá)到60 dBz時(shí)陣風(fēng)鋒出現(xiàn)，風(fēng)暴中心強(qiáng)度≤35 dBz時(shí)，陣風(fēng)鋒開(kāi)始減弱。2012-07-13出現(xiàn)的陣風(fēng)鋒，其生命史為2 h 30 min，雷達(dá)回波最大強(qiáng)度為30 dBz、陣風(fēng)鋒長(zhǎng)度達(dá)120 km；風(fēng)暴強(qiáng)度為50 dBz時(shí)陣風(fēng)鋒出現(xiàn)。2013-07-31出現(xiàn)的陣風(fēng)鋒，其生命史約2 h，雷達(dá)回波最大強(qiáng)度為10 dBz、陣風(fēng)鋒長(zhǎng)度達(dá)110 km；風(fēng)暴強(qiáng)度55 dBz時(shí)陣風(fēng)鋒出現(xiàn)。

對(duì)7例陣風(fēng)鋒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)鋒生命史為1～3 h，寬度為3～5 km，長(zhǎng)度為10～120 km，雷達(dá)回波強(qiáng)度為5～30 dBz，與主體風(fēng)暴距離為20～30 km，當(dāng)雷暴減弱時(shí)，遠(yuǎn)離雷暴的陣風(fēng)鋒明顯減弱。

分析可見(jiàn)，陣風(fēng)鋒出現(xiàn)前雷暴發(fā)展到最強(qiáng)(中心回波強(qiáng)度為55～60 dBz)，當(dāng)雷暴開(kāi)始減弱時(shí), 陣風(fēng)鋒出現(xiàn)，弧狀窄帶回波首先出現(xiàn)在1.5°仰角。陣風(fēng)鋒生成以后，不斷發(fā)展、加強(qiáng)，最為強(qiáng)盛時(shí)，長(zhǎng)度最大；當(dāng)原主體風(fēng)暴開(kāi)始顯著減弱(≤35 dBz)、出流減小，陣風(fēng)鋒也減弱。

陣風(fēng)鋒在1.5°仰角反射率因子圖上比在0.5°仰角圖提前兩個(gè)體掃出現(xiàn)，而早1～2個(gè)體掃減弱。陣風(fēng)鋒最強(qiáng)階段，在0.5°、1.5°、2.4°仰角都可見(jiàn)，陣風(fēng)鋒高度達(dá)到1～3.3 km。陣風(fēng)鋒在1.5°仰角出現(xiàn)最早，關(guān)注1.5°仰角可以為大風(fēng)預(yù)警提供依據(jù)。

2.2 陣風(fēng)鋒移動(dòng)方向、移速

寶雞地區(qū)的陣風(fēng)鋒有兩種移向。一種(5例)是對(duì)流風(fēng)暴自隴縣沿西北路向東南方向移動(dòng)，陣風(fēng)鋒在對(duì)流風(fēng)暴主體右前方，其移動(dòng)方向與對(duì)流風(fēng)暴移動(dòng)方向一致，為西北—東南向，移速約10 m/s。陣風(fēng)鋒回波長(zhǎng)度增加很快，寬度穩(wěn)定在4 km左右，回波強(qiáng)度最大為15 dBz。另外2例是對(duì)流風(fēng)暴自崇信、千陽(yáng)偏北向東南方向移動(dòng)，陣風(fēng)鋒出現(xiàn)在對(duì)流風(fēng)暴移動(dòng)方向的右側(cè)，陣風(fēng)鋒移動(dòng)方向呈西南向，與對(duì)流風(fēng)暴移動(dòng)方向有約90°夾角，接近于垂直，為東北—西南向，移速約5 m/s，陣風(fēng)鋒回波強(qiáng)度最大為30 dBz。

陣風(fēng)鋒在移動(dòng)過(guò)程中移動(dòng)速度先增大后減小。以雷雨為主的雷暴產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒徑向速度平均為5 m/s；以強(qiáng)風(fēng)暴為主的雷暴產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒徑向速度平均為10 m/s。

2.3 陣風(fēng)鋒天氣

陣風(fēng)鋒過(guò)境時(shí)多個(gè)氣象要素出現(xiàn)明顯變化，風(fēng)速增大、風(fēng)向突變、氣壓升高、氣溫下降、濕度增大等。表2為寶雞三次陣風(fēng)鋒影響前后代表站的氣象要素演變，可見(jiàn)其中風(fēng)速變化最顯著，均增大8 m/s以上，風(fēng)向有偏東偏西之間轉(zhuǎn)變，最大風(fēng)向改變110°。陣風(fēng)鋒前為≤6.2 m/s的偏西風(fēng)或偏東風(fēng)，陣風(fēng)鋒影響時(shí)出現(xiàn)≥10.1 m/s的大風(fēng)(偏西風(fēng)或偏東風(fēng))。陣風(fēng)鋒過(guò)境，氣溫下降3～13 ℃，其中6月陣風(fēng)鋒過(guò)境降溫最明顯為12.8 ℃；濕度增大10%～40%。

表2 2012—2018寶雞3例陣風(fēng)鋒過(guò)境代表自動(dòng)站氣象要素特征

統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)，陣風(fēng)鋒影響區(qū)普遍出現(xiàn)8～15 m/s的吹風(fēng)天氣，影響區(qū)域大(5～8縣區(qū))，吹風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(陣風(fēng)鋒維持時(shí)段)，其中2012年7月13日吹風(fēng)持續(xù)最長(zhǎng)為3 h[7]。

陣風(fēng)鋒在移動(dòng)過(guò)程中還能夠觸發(fā)新的對(duì)流產(chǎn)生。有2例陣風(fēng)鋒在移動(dòng)中與其前方局地弱對(duì)流結(jié)合，形成強(qiáng)對(duì)流帶。陣風(fēng)鋒遇山地地形，在迎風(fēng)坡形成對(duì)流帶，有2例陣風(fēng)鋒在向南移近秦嶺時(shí)，加強(qiáng)形成對(duì)流帶。

3 典型陣風(fēng)鋒雷達(dá)回波個(gè)例分析

2018年6月11日下午到夜間，寶雞市9區(qū)(縣)出現(xiàn)雷陣雨天氣，并伴有短時(shí)大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹等強(qiáng)對(duì)流性天氣。其中17—19時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)伴有陣風(fēng)鋒，陣風(fēng)鋒影響5縣區(qū)(隴縣、陳倉(cāng)、渭濱、鳳翔、千陽(yáng))并出現(xiàn)5～7級(jí)大風(fēng)，最大風(fēng)速為14.2 m/s。

3.1 環(huán)流背景及大氣層結(jié)穩(wěn)定度

2018年6月11日08:00—20:00，500 hPa天氣圖上，陜西處在新疆高脊前西北氣流中，有-8 ℃溫度槽在陜西上空，冷平流明顯；700 hPa自河西地區(qū)有干舌伸到平?jīng)觯經(jīng)?、西安之間有風(fēng)向切變；850 hPa有暖脊移入河套，平?jīng)?、西安之間仍有風(fēng)向切變，陜西上空具有上干冷、下暖的大氣層結(jié)，是有利于強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)的環(huán)流背景。西安SI為-2.7 ℃、K指數(shù)為38 ℃、CAPE值為879 J/kg、西安t(850-500)≥30 ℃，表明關(guān)中層結(jié)非常不穩(wěn)定。14:00地面圖上，平?jīng)鲇幸桓删€(xiàn)，沿干線(xiàn)有對(duì)流云形成，未來(lái)發(fā)展東移影響寶雞。當(dāng)日14時(shí)寶雞近地面大氣高溫干燥，氣溫≥36 ℃、相對(duì)濕度為29%～34%，地面環(huán)境利于陣風(fēng)鋒產(chǎn)生。

3.2 回波演變過(guò)程

寶雞多普勒雷達(dá)反射率因子圖顯示，16：14隴縣出現(xiàn)多單體風(fēng)暴，沿西北—東南向移入千陽(yáng)。17：11風(fēng)暴右前方出現(xiàn)陣風(fēng)鋒。陣風(fēng)鋒由西北向東南方向移動(dòng)，先后影響千陽(yáng)、陳倉(cāng)、鳳翔、渭濱，18：21陣風(fēng)鋒減弱，陣風(fēng)鋒歷時(shí)1 h 10 min。經(jīng)比對(duì)，陣風(fēng)鋒在0.5°、1.5°、2.4°仰角的反射率因子圖中均可見(jiàn)，其中1.5°仰角反射率因子圖中出現(xiàn)最早、歷時(shí)最長(zhǎng)，較0.5°仰角早4個(gè)體掃出現(xiàn)，但較0.5°仰角早2個(gè)體掃減弱；從1.5°仰角的圖中可明顯看出陣風(fēng)鋒經(jīng)歷初始、發(fā)展、加強(qiáng)、減弱階段；2.4°仰角圖上陣風(fēng)鋒只在加強(qiáng)階段(4個(gè)體掃)可以看出。即陣風(fēng)鋒在最強(qiáng)盛時(shí)段，0.5°、1.5°、2.4°仰角均可探測(cè)到，此時(shí)陣風(fēng)鋒達(dá)2.5 km高度，其余時(shí)段在2 km高度左右。

3.3 陣風(fēng)鋒演變特征

11日17:11，陣風(fēng)鋒出現(xiàn)在雷暴右前方(圖1a)。初始階段陣風(fēng)鋒長(zhǎng)度為10 km、中心強(qiáng)度5 dBz、距離主體風(fēng)暴約10 km，為不明顯的弧狀回波帶，風(fēng)暴中心強(qiáng)度55～60 dBz。陣風(fēng)鋒發(fā)展階段(17:22—17:46，圖1b)經(jīng)歷5個(gè)體掃，陣風(fēng)鋒長(zhǎng)度增加到20 km，強(qiáng)度增強(qiáng)到10 dBz，距離主體風(fēng)暴距離明顯增大，為20 km，為明顯的弧狀回波帶(0.5°仰角開(kāi)始出現(xiàn))。陣風(fēng)鋒的出現(xiàn)切斷了雷暴低層的暖濕氣流，風(fēng)暴開(kāi)始減弱，強(qiáng)度減弱為45～55 dBz，中心徑向速度維持在10 m/s。

17:52—17:58陣風(fēng)鋒加強(qiáng)(如圖1c)，經(jīng)歷2個(gè)體掃，陣風(fēng)鋒達(dá)到最強(qiáng)，長(zhǎng)度增加為35 km、中心強(qiáng)度增強(qiáng)到15 dBz、距離主體風(fēng)暴25 km，為完整弧狀回波帶，對(duì)應(yīng)風(fēng)暴中心強(qiáng)度由45 dBz減弱為40 dBz，中心徑向速度快速增大出現(xiàn)模糊，最大速度達(dá)18～23 m/s。即風(fēng)暴出流速度快速增大到最大時(shí)，陣風(fēng)鋒發(fā)展達(dá)到最為強(qiáng)盛時(shí)段。18:03—18:21陣風(fēng)鋒開(kāi)始減弱(圖1d)，經(jīng)歷4個(gè)體掃，長(zhǎng)度維持，但弧度變小，鋒線(xiàn)出現(xiàn)間斷，強(qiáng)度減弱為5 dBz，離主體風(fēng)暴距離增大為30 km。原雷暴中心強(qiáng)度減弱為30 dBz，中心徑向速度減小為10 m/s，即原強(qiáng)雷暴顯著減弱、出流開(kāi)始減小時(shí)，陣風(fēng)鋒也明顯減弱。

這次陣風(fēng)鋒移動(dòng)方向?yàn)榈湫偷奈鞅薄獤|南移向，陣風(fēng)鋒處于主體風(fēng)暴右前方，移速約10 m/s。陣風(fēng)鋒回波長(zhǎng)度增加很快，強(qiáng)度最大為15 dBz、其徑向速度為3～5 m/s。陣風(fēng)鋒影響區(qū)普遍出現(xiàn)8～10 m/s的吹風(fēng)天氣，影響區(qū)域五縣區(qū)，吹風(fēng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)2 h。

圖1 2018-06-11T17：11—2018-06-11T 18：15寶雞雷達(dá)1.5°仰角反射率因子和徑向速度(a 、e為初始階段，b 、f為發(fā)展階段，c、g為加強(qiáng)階段，d、h為減弱階段)

4 結(jié)論和討論

(1)西北氣流攜帶的中空干冷平流有利于強(qiáng)雷暴天氣的發(fā)生，地面露點(diǎn)鋒是強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制， 500 hPa冷槽，中層700 hPa干舌、近地面大氣高溫且干燥是陣風(fēng)鋒發(fā)生的有利環(huán)境。

(2)雷達(dá)分析表明，陣風(fēng)鋒的生命史和雷暴由強(qiáng)減弱有密切關(guān)系，陣風(fēng)鋒初生于雷暴最強(qiáng)(≥55 dBz)時(shí)；當(dāng)雷暴顯著減弱(≤35 dBz)、低層出流減小，陣風(fēng)鋒開(kāi)始減弱。

(3)陣風(fēng)鋒移動(dòng)速度與雷暴出流速度有直接關(guān)系，雷暴出流快速增加達(dá)最大(≥17m/s)時(shí)，陣風(fēng)鋒發(fā)展最為強(qiáng)盛，尺度達(dá)最大。

(4)關(guān)中西部陣風(fēng)鋒移動(dòng)方向，與雷暴移動(dòng)方向大體一致。一般是西北—東南向；少數(shù)與雷暴移動(dòng)方向有約90°夾角，為東北—西南移向。陣風(fēng)鋒影響區(qū)易出現(xiàn)≥8 m/s吹風(fēng)天氣，須及時(shí)發(fā)布大風(fēng)預(yù)警。

(5)陣風(fēng)鋒在雷達(dá)回波1.5°仰角出現(xiàn)最早，較0.5°仰角早2個(gè)體掃減弱。關(guān)注識(shí)別1.5°仰角陣風(fēng)鋒窄帶回波前兆可為發(fā)布大風(fēng)預(yù)警提供依據(jù)。