渤海灣陣風(fēng)鋒垂直結(jié)構(gòu)特征及維持機(jī)制分析

許長義，王彥

（1.天津市濱海新區(qū)氣象局，天津300457；2.天津市人工影響天氣辦公室，天津300074）

1 引言

對(duì)流風(fēng)暴中的冷性下沉氣流到達(dá)低層并向外擴(kuò)散，與低層暖濕空氣交匯形成中尺度邊界，即陣風(fēng)鋒或出流邊界，陣風(fēng)鋒實(shí)際上是對(duì)流內(nèi)部下沉冷空氣和近風(fēng)暴環(huán)境暖空氣之間的分界線[1]。除“高架”對(duì)流外，對(duì)流風(fēng)暴的局地新生和演變的決定性因素在邊界層內(nèi)，而陣風(fēng)鋒是最主要的邊界層輻合線類型之一。由于陣風(fēng)鋒是雷暴出流強(qiáng)風(fēng)的前緣，常與氣壓涌升、風(fēng)向突變、風(fēng)速驟增或溫度驟降等現(xiàn)象相聯(lián)系，特別是地面災(zāi)害性大風(fēng)常造成重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，因此，研究陣風(fēng)鋒引起的災(zāi)害性大風(fēng)成因機(jī)制問題，對(duì)掌握沿海地區(qū)災(zāi)害性天氣的發(fā)生發(fā)展規(guī)律并提升臨近預(yù)警能力具有積極意義。

陣風(fēng)鋒作為邊界層內(nèi)不穩(wěn)定觸發(fā)因子之一，在對(duì)流風(fēng)暴的局地新生及演變中發(fā)揮著重要的作用[2]。對(duì)陣風(fēng)鋒的研究主要基于雷達(dá)圖像的定性觀測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，研究的著眼點(diǎn)主要有以下3個(gè)方面：一是關(guān)注陣風(fēng)鋒的動(dòng)力結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)制。陣風(fēng)鋒后有明顯的地面輻散[3]，鋒前則有輻合特征，陣風(fēng)鋒附近能夠觀測(cè)到明顯的上升運(yùn)動(dòng)[4-7]。吳舉秀等[8]對(duì)陣風(fēng)鋒及鋒后大風(fēng)演變特征進(jìn)行分析，指出風(fēng)暴后部入流導(dǎo)致產(chǎn)生更強(qiáng)的下沉氣流，從而在地面產(chǎn)生更強(qiáng)的下?lián)舯┝?。二是陣風(fēng)鋒之間及陣風(fēng)鋒與其他邊界層輻合線之間的相互作用對(duì)雷暴的觸發(fā)作用。海風(fēng)鋒和陣風(fēng)鋒等邊界層輻合線在海南文昌EF2級(jí)龍卷形成過程中可能起決定性的作用[9]，兩個(gè)風(fēng)暴下沉氣流導(dǎo)致的出流相遇在海風(fēng)鋒輻合線上觸發(fā)了龍卷母云體。超級(jí)單體南側(cè)的陣風(fēng)鋒與東移颮線陣風(fēng)鋒相遇而加強(qiáng)地面輻合，有助于低層中氣旋獲得拉伸旋轉(zhuǎn)加速而形成龍卷[10]。三是陣風(fēng)鋒與低層環(huán)境風(fēng)切變等對(duì)雷暴發(fā)展維持的作用。鄭艷等[11]認(rèn)為陣風(fēng)鋒對(duì)對(duì)流風(fēng)暴的正反饋?zhàn)饔谩?duì)流風(fēng)暴前側(cè)的暖濕入流與后側(cè)冷池出流三者的自組織結(jié)構(gòu)是多單體風(fēng)暴維持和加強(qiáng)的主要原因。

我國渤海灣地區(qū)是夏季華北東部中尺度對(duì)流系統(tǒng)的匯聚地[12]，由于渤海灣具有內(nèi)凹外凸的喇叭口型獨(dú)特海岸線結(jié)構(gòu)，華北東部中尺度對(duì)流系統(tǒng)移入渤海灣的幾率非常高[13]，且入海前后強(qiáng)度變化顯著[14]。近年來，上游雷暴系統(tǒng)東移進(jìn)入渤海灣后加強(qiáng)還是減弱，一直是強(qiáng)對(duì)流天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵問題。前期研究大多是針對(duì)發(fā)生在內(nèi)陸地區(qū)雷暴陣風(fēng)鋒強(qiáng)度的變化，而對(duì)于沿海地區(qū)陣風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)演變及其維持機(jī)制研究相對(duì)較少。本文將以渤海灣地區(qū)兩次陣風(fēng)鋒天氣為例，分析兩條陣風(fēng)鋒的垂直結(jié)構(gòu)演變及其發(fā)展維持機(jī)制有何特殊性，以期為研究沿海地區(qū)雷暴陣風(fēng)鋒的維持機(jī)制及其引發(fā)災(zāi)害性大風(fēng)的短臨預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

2 資料

天津塘沽站（39.04°N，117.72°E）和河北滄州站（38.35°N，116.85°E）兩部CINRAD/SA多普勒天氣雷達(dá)逐6 min體掃觀測(cè)資料，海拔高度分別為69.8 m和111.9 m。

風(fēng)廓線數(shù)據(jù)來源于天津西青站（39.08°N，117.05°E）CFL-16對(duì)流層Ⅰ型和河北黃驊站（38.37°N，117.35°E）的CFL-03B型風(fēng)廓線雷達(dá)，用于分析陣風(fēng)鋒的垂直氣流結(jié)構(gòu)特征。

基于京津冀6部雷達(dá)觀測(cè)的四維變分同化系統(tǒng)（Variational Doppler Radar Analysis System，VDRAS）反演高時(shí)空分辨率要素場(chǎng)[15]，用于揭示陣風(fēng)鋒發(fā)展維持過程的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)。

京津冀地區(qū)加密自動(dòng)站資料，用于分析地面風(fēng)場(chǎng)和溫濕場(chǎng)等要素。

美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的FNL（1°×1°）再分析資料，用于天氣尺度背景分析。

3 實(shí)況及環(huán)流背景

3.1 災(zāi)情與天氣背景

2016年6月10日下午到傍晚，渤海灣地區(qū)出現(xiàn)大范圍雷雨大風(fēng)、冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，以8～11級(jí)災(zāi)害性大風(fēng)為主要特征，其中10級(jí)以上的極端大風(fēng)主要出現(xiàn)在渤海灣南岸，最大風(fēng)速出現(xiàn)在黃驊海事局碼頭，達(dá)到29.2 m/s（11級(jí)）。另外，有10個(gè)自動(dòng)站觀測(cè)到冰雹，其中最大冰雹直徑為8 mm。此次強(qiáng)對(duì)流天氣受災(zāi)嚴(yán)重，特別是天津?yàn)I海新區(qū)茶淀街葡萄種植業(yè)遭受嚴(yán)重?fù)p害，受災(zāi)面積達(dá)367公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失2 840萬元（2016年民政部數(shù)據(jù)）。

這次災(zāi)害性大風(fēng)先后受南北兩條陣風(fēng)鋒影響，圖1為6月10日14—23時(shí)（北京時(shí)，下同）渤海灣地區(qū)國家級(jí)自動(dòng)站瞬時(shí)風(fēng)速≥17.0 m/s的實(shí)況分布和基于多普勒天氣雷達(dá)1.5°仰角基本反射率因子圖識(shí)別的兩條陣風(fēng)鋒移動(dòng)路徑圖。從圖中可見，第一條陣風(fēng)鋒（稱為西岸陣風(fēng)鋒）于17時(shí)形成于天津西北部，19時(shí)移入渤海灣西岸，維持時(shí)間約2 h，造成渤海西岸8～9級(jí)災(zāi)害性大風(fēng)；第二條陣風(fēng)鋒（稱為南岸陣風(fēng)鋒）于20：30在河北中部形成，23時(shí)移入渤海灣南岸，維持時(shí)間近3 h，造成渤海灣南岸10～11級(jí)災(zāi)害性大風(fēng)。6月10日08時(shí)500 hPa蒙古冷渦穩(wěn)定維持，渤海灣處于冷渦東南部的西南偏西氣流，風(fēng)速約22～24 m/s，強(qiáng)于美國大多數(shù)大風(fēng)事件的相應(yīng)數(shù)值（15 m/s）[16]。850 hPa上（圖略）處于暖脊（19～20℃）前緣，低空西南急流（風(fēng)速20～24 m/s）左前方，伴隨低空急流的發(fā)展，有暖濕舌向北發(fā)展。中層入侵的干冷空氣疊加在低層暖濕空氣之上，850 hPa與500 hPa溫度差超過28℃，表明上干冷下暖濕的結(jié)構(gòu)非常明顯，滿足強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展所需不穩(wěn)定能量條件的要求[17]。14時(shí)地面圖上津冀交界出現(xiàn)氣旋性渦旋（圖略），并配合強(qiáng)暖濕中心（溫度≥33℃，比濕≥12 g/kg），與渤海冷中心之間形成高溫度梯度帶，這些都表明該區(qū)域大氣低層溫濕條件的改善進(jìn)一步增加了對(duì)流不穩(wěn)定能量。

3.2 對(duì)流發(fā)生前環(huán)境條件特征

3.2.1 不穩(wěn)定條件

6月10日08時(shí)北京站探空資料顯示，850～1 000 hPa為濕層，800～500 hPa為干層，本文用700 hPa、500 hPa和400 hPa 3層的平均溫度露點(diǎn)差代表對(duì)流層中上層干空氣強(qiáng)度，其值越大表示干空氣越干或干層越深厚，對(duì)風(fēng)暴內(nèi)強(qiáng)烈下沉氣流發(fā)展越有利[18]。08時(shí)對(duì)流層中上層干空氣強(qiáng)度達(dá)20℃，存在明顯干層，且對(duì)流層中層為強(qiáng)風(fēng)區(qū)（500 hPa風(fēng)速達(dá)23 m/s），有利于大動(dòng)量氣塊的夾卷。下沉對(duì)流有效位能（Downdraft Convective Available PotentialEnergy，DCAPE）達(dá)到1 153.9 J/kg（見圖2，600 hPa開始），表明具有強(qiáng)下沉氣流和大風(fēng)產(chǎn)生的潛勢(shì)[19]。對(duì)流有 效位 能（Convective Available Potential Energy，CAPE）從08時(shí)的365 J/kg增大到14時(shí)的2 179 J/kg，CAPE增幅及14時(shí)CAPE均較大，有利于不穩(wěn)定對(duì)流天氣的發(fā)展。08時(shí)850 hPa與500 hPa溫差達(dá)27℃，與魯中地區(qū)雷暴大風(fēng)型強(qiáng)對(duì)流天氣中位數(shù)（26℃）基本持平。

3.2.2 垂直風(fēng)切變

垂直風(fēng)切變的大小和方向是影響對(duì)流風(fēng)暴組織、結(jié)構(gòu)和發(fā)展的重要因素之一，也是強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的重要參數(shù)。10日08時(shí)0～6 km垂直環(huán)境風(fēng)切變22.8 m/s，屬于強(qiáng)垂直風(fēng)切變。隨著高空冷渦南下，強(qiáng)垂直風(fēng)切變與上升氣流之間的相互作用產(chǎn)生了附近抬升作用，增強(qiáng)中層干冷空氣吸入，加強(qiáng)了風(fēng)暴中下沉氣流和低層冷空氣外流，出現(xiàn)陣風(fēng)鋒，使得對(duì)流系統(tǒng)長時(shí)間維持。

通過以上研究，我們對(duì)于新時(shí)代背景下秘色瓷文化品牌打造有了更好的了解與認(rèn)知。由于本人的專業(yè)水平有限，所以在問題的研究中還存在著一定不足，希望這方面的專家學(xué)者能夠給予批評(píng)指正。

雷暴大風(fēng)的形成與強(qiáng)烈的下沉氣流及動(dòng)量下傳有關(guān)[20-21]。一般而言，雷暴大風(fēng)時(shí)下沉氣流夾卷區(qū)的環(huán)境水平風(fēng)越強(qiáng)，動(dòng)量下傳對(duì)地面大風(fēng)的貢獻(xiàn)越大[21]。本文采用高曉梅等[18]給出的風(fēng)暴承載層平均風(fēng)的計(jì)算方法，由850 hPa、700 hPa、500 hPa和300 hPa平均風(fēng)矢量的絕對(duì)值表示。通過計(jì)算，6月10日過程風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速達(dá)16.5 m/s，與魯中雷暴大風(fēng)型強(qiáng)對(duì)流天氣中位數(shù)（16 m/s）基本持平[18]，對(duì)流風(fēng)暴移動(dòng)速度較快，動(dòng)量下傳效率高，有助于雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生和增強(qiáng)。

4 陣風(fēng)鋒入海前后垂直結(jié)構(gòu)演變特征

4.1 西岸陣風(fēng)鋒入海前后垂直結(jié)構(gòu)演變特征

從天津多普勒天氣雷達(dá)1.5°仰角反射率因子圖可以看出（見圖3），強(qiáng)回波移動(dòng)方向前沿25 km附近出現(xiàn)窄帶回波，即為西岸陣風(fēng)鋒，其最強(qiáng)陣風(fēng)出流10～12 m/s（圖略），發(fā)展高度達(dá)1.7 km，略高于陶嵐等[22]統(tǒng)計(jì)的上海地區(qū)雷暴陣風(fēng)鋒平均高度（1.26 km）。雷暴回波頂高維持在14～16 km，反射率因子核心強(qiáng)度維持在55～65 dBZ。根據(jù)對(duì)流風(fēng)暴的運(yùn)動(dòng)方向沿著雷達(dá)徑向330°方向的垂直剖面可見，雷暴前沿的陣風(fēng)出流位于2 km以下，雷暴母體具有中層徑向輻合（Mid-Altitude Radial Convergence，MARC）特征（見圖3c黑色橢圓），并伴有高懸的后側(cè)入流急流（Rear Inflow Jet，RIJ）。西岸陣風(fēng)鋒移入渤海后，RIJ始終維持在4～8 km高度附近，最大速度為24 m/s。陣風(fēng)鋒將其前側(cè)低層暖濕空氣抬升至2 km高度以上，并沿陣風(fēng)鋒輸送到雷暴母體中，使得雷暴母體入海后強(qiáng)度穩(wěn)定維持在55～65 dBZ。

圖3 18：18天津多普勒天氣雷達(dá)反射率因子和徑向速度圖

從西青站風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)和垂直速度演變可知（見圖4），西岸陣風(fēng)鋒過境時(shí)，對(duì)流層中層（3～7 km）處于西風(fēng)氣流控制，平均強(qiáng)度為18.8 m/s，但始終未下傳，對(duì)流層低層（1.5～3 km）西南暖濕氣流平均強(qiáng)度達(dá)12.4 m/s。近地層冷池出流對(duì)應(yīng)的下沉速度擴(kuò)散至990 m高度附近，上升速度自6.5 km高度附近下傳至1 km以下，18:24上升和下沉運(yùn)動(dòng)同時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，分別在2.3 km和5.7 km達(dá)到1.0 m/s和1.4 m/s，此時(shí)近地層冷池出流與暖濕氣流交匯達(dá)到最強(qiáng)，西青站出現(xiàn)17.0 m/s的災(zāi)害性大風(fēng)。值得注意的是，西岸陣風(fēng)鋒過境后5 min，對(duì)流層中層下沉氣流開始下傳，西青站出現(xiàn)災(zāi)害性大風(fēng)，說明其最大陣風(fēng)不是陣風(fēng)鋒本體造成的，而是陣風(fēng)鋒過境后造成的。陣風(fēng)鋒過境時(shí)，下沉輻散氣流還未達(dá)到地面，隨著陣風(fēng)鋒后部強(qiáng)輻散氣流達(dá)到地面，出現(xiàn)災(zāi)害性大風(fēng)。

4.2 南岸陣風(fēng)鋒入海前后垂直結(jié)構(gòu)演變特征

從河北滄州多普勒天氣雷達(dá)1.5°仰角反射率因子圖可以看出（見圖5），10日21:42南岸陣風(fēng)鋒呈東西向，其對(duì)應(yīng)的雷暴母體反射率因子核心強(qiáng)度維持在60～65 dBZ，55 dBZ的強(qiáng)反射率因子核心伸展至11 km高度。南岸陣風(fēng)鋒入海后與雷暴母體之間的距離逐漸增大，尾部位于雷暴母體移動(dòng)方向的右前側(cè)，并且東移入海后弓形結(jié)構(gòu)更加明顯，垂直伸展高度達(dá)2.6 km（見圖5b），明顯高于上海地區(qū)移動(dòng)型陣風(fēng)鋒[22]，陣風(fēng)鋒引發(fā)的大風(fēng)位于弓形的頂點(diǎn)處。從黃驊站風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)演變可知（見圖4），南岸陣風(fēng)鋒過境前，對(duì)流層中層有冷空氣再次補(bǔ)充，干冷氣流平均強(qiáng)度增強(qiáng)至21.2 m/s，21:00前后對(duì)流層中層大風(fēng)速核（28 m/s）開始逐漸下傳，較雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)提前約30 min，整層均處于西北氣流控制。21:24上升和下沉運(yùn)動(dòng)同時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，分別在2.5 km和3.5 km達(dá)到0.9 m/s和2.6 m/s。南岸陣風(fēng)鋒作為下沉輻散氣流的前沿，其邊界層對(duì)應(yīng)下沉運(yùn)動(dòng)，對(duì)流層低層為上升運(yùn)動(dòng)，南岸陣風(fēng)鋒頂高對(duì)應(yīng)上升速度最大值。與西岸陣風(fēng)鋒不同，南岸陣風(fēng)鋒入海后持續(xù)增強(qiáng)，并造成渤海南岸11級(jí)的災(zāi)害性大風(fēng)（黃驊海事局碼頭陣風(fēng)29.2 m/s）。這與Goff[23]分析的發(fā)生在美國俄克拉何馬州的經(jīng)典陣風(fēng)鋒的區(qū)別在于，南岸陣風(fēng)鋒在150～750 m的邊界層內(nèi)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的東北氣流，對(duì)應(yīng)下沉輻散運(yùn)動(dòng)。

圖4 西青站（17:30—20:06）和黃驊站（20:30—21:48）風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)和垂直速度演變圖（單位：m/s；表示出現(xiàn)極大風(fēng)速時(shí)刻；黑色虛線表示陣風(fēng)鋒過境時(shí)刻）

圖5 21:42滄州雷達(dá)反射率因子和徑向速度圖

5 陣風(fēng)鋒入海前后維持機(jī)制分析

沿海地區(qū)陣風(fēng)鋒的發(fā)展維持機(jī)制及其造成地面大風(fēng)的強(qiáng)度仍是當(dāng)前短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的難點(diǎn)之一。利用VDRAS反演資料和加密自動(dòng)站資料，進(jìn)一步分析兩條陣風(fēng)鋒入海前后的維持機(jī)制及造成地面大風(fēng)強(qiáng)度差異的原因。

5.1 冷池密度流

陣風(fēng)鋒的發(fā)展維持與冷池的發(fā)展密切相關(guān)。研究表明[24-25]，冷池與陣風(fēng)鋒是伴生關(guān)系，冷池強(qiáng)弱直接影響陣風(fēng)鋒強(qiáng)度。從本次過程地面要素變化可以看出，6月10日18時(shí)對(duì)流風(fēng)暴中心開始出現(xiàn)大于20 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水，與強(qiáng)降水伴隨的地面冷池面積為200 km×150 km，冷池造成地面加壓3 hPa，降溫中心達(dá)到12℃，冷池邊界后部形成輻散性風(fēng)場(chǎng)，冷池前部為暖濕入流造成的負(fù)變壓區(qū)（見圖6a）。19時(shí)隨著西岸陣風(fēng)鋒東移入海（見圖6b），出現(xiàn)鋒前負(fù)變壓、鋒后正變壓和尾流負(fù)變壓的中尺度氣壓場(chǎng)特征，強(qiáng)回波朝著負(fù)變壓中心發(fā)展。陣風(fēng)鋒兩側(cè)溫度梯度達(dá)1.9℃/10 km，氣壓梯度達(dá)1.7 hPa/10 km，地面大風(fēng)速區(qū)出現(xiàn)在等壓線和等溫線梯度大值區(qū)。

與西岸陣風(fēng)鋒不同，南岸陣風(fēng)鋒入海前并無鋒前負(fù)變壓和尾流負(fù)變壓現(xiàn)象，鋒后1 h正變壓中心達(dá)4.5 hPa（見圖6c）。入海后陣風(fēng)鋒兩側(cè)溫度梯度達(dá)1.3℃/10 km，氣壓梯度為0.6 hPa/10 km，地面大風(fēng)速區(qū)出現(xiàn)在負(fù)變溫大值區(qū)（見圖6d）。

圖6 地面加密觀測(cè)的1 h變壓（等值線，單位：hPa）、變溫（陰影，單位：℃）和風(fēng)場(chǎng)（橙色虛線表示西岸陣風(fēng)鋒，紅色虛線表示南岸陣風(fēng)鋒，陣風(fēng)鋒位置根據(jù)多普勒天氣雷達(dá)1.5°仰角反射率因子圖中窄帶回波位置確定，數(shù)字標(biāo)注為最大負(fù)變溫中心值和最大正、負(fù)變壓中心值）

研究指出，VDRAS資料反演的擾動(dòng)溫度的空間梯度可以反映冷池的空間結(jié)構(gòu)，指示陣風(fēng)鋒的相對(duì)位置和強(qiáng)弱[15]。從圖7a看出，西岸陣風(fēng)鋒在200 m為西南風(fēng)，強(qiáng)度達(dá)到10～12 m/s，將近地層暖濕氣流不斷輸送到雷暴發(fā)展區(qū)域，雷暴單體形成冷池及其前沿明顯的出流邊界，擾動(dòng)溫度梯度的大值區(qū)呈現(xiàn)弧形結(jié)構(gòu)。西岸陣風(fēng)鋒造成的最強(qiáng)溫度梯度為22～24℃，最大上升速度達(dá)1.2 m/s，位于其移動(dòng)方向的左前側(cè)。南岸陣風(fēng)鋒在200 m為東南風(fēng)（見圖7b），將渤海南岸的水汽不斷輸送至雷暴發(fā)展區(qū)域，形成強(qiáng)冷池及其前沿明顯的出流邊界，低層輻合輻散場(chǎng)上能夠明顯看到與出流邊界對(duì)應(yīng)的低層輻合帶。南岸陣風(fēng)鋒最強(qiáng)擾動(dòng)溫度梯度達(dá)到30～32℃，最大上升速度達(dá)1.8 m/s，輻合上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)線狀對(duì)流的發(fā)展。

5.2 下沉強(qiáng)迫

圖8 是沿圖7中的紅色虛線，即經(jīng)過陣風(fēng)鋒移動(dòng)方向的水平風(fēng)速、散度和V-W合成風(fēng)場(chǎng)垂直剖面圖。兩條陣風(fēng)鋒的動(dòng)力結(jié)構(gòu)均以其前側(cè)入流構(gòu)成的逆時(shí)針垂直環(huán)流圈A和后側(cè)出流構(gòu)成的順時(shí)針垂直環(huán)流圈C為典型特征，區(qū)別在于垂直環(huán)流圈的伸展高度和強(qiáng)度。西岸陣風(fēng)鋒后側(cè)垂直環(huán)流圈伸展高度約1.8 km，與雷達(dá)觀測(cè)到的最大發(fā)展高度（1.7 km）基本吻合。后側(cè)出流支位于對(duì)流層低層（2 600～3 400 m），0.6 km以下表現(xiàn)為輻散下沉特征，0.6 km以上為輻合特征，下沉運(yùn)動(dòng)與鋒后上升運(yùn)動(dòng)結(jié)合構(gòu)成垂直環(huán)流，其上升支在1.5 km和0.6 km附近最大上升速度和下沉速度分別為3.9 m/s和0.3 m/s。西岸陣風(fēng)鋒后側(cè)0.2 km高度附近最大水平風(fēng)速達(dá)18 m/s，與其造成的地面最大陣風(fēng)風(fēng)速基本持平。

從VDRAS反演結(jié)果來看（見圖7b），擾動(dòng)溫度梯度大值帶與垂直速度大值區(qū)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，呈東西走向的狹窄弓形結(jié)構(gòu)。南岸陣風(fēng)鋒入海后對(duì)流層低層表現(xiàn)為輻合特征（見圖8b），下沉運(yùn)動(dòng)與鋒后上升運(yùn)動(dòng)結(jié)合構(gòu)成垂直環(huán)流，上升支伸展高度約2.6 km。0.9 km附近最大下沉速度為0.8 m/s，下沉氣流強(qiáng)度強(qiáng)于西岸陣風(fēng)鋒。0.2 km高度附近最大水平風(fēng)速達(dá)27 m/s，略大于地面觀測(cè)到的最大陣風(fēng)風(fēng)速（24.9 m/s）。

圖7 VDRAS資料反演的200 m高度水平風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位：m/s）、擾動(dòng)溫度梯度（陰影，單位：℃）和600 m高度垂直速度（黑色實(shí)線，單位：m/s，紅色虛線分別為圖8剖面路徑）

圖8 VDRAS反演的沿圖7紅色虛線的水平風(fēng)速（綠色虛線，等值線為≥8 m/s的風(fēng)速，間隔為2 m/s）、散度（陰影，正值為輻合，負(fù)值為輻散，單位：10-5/s）和V-W（W放大50倍）合成風(fēng)場(chǎng)的垂直剖面（▲代表陣風(fēng)鋒所在位置）

5.3 冷池與低層垂直風(fēng)切變的相互作用

Rotunno等[26]的研究表明，冷池與低層垂直風(fēng)切變的平衡關(guān)系可通過冷池傳播速度C與低層垂直風(fēng)切變?chǔ)（一般取ΔU0-3km）的比值表示。關(guān)于冷池密度流引起的環(huán)流與低層垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的環(huán)流之間的相互關(guān)系，Rotunno等[26]給出了3種配置狀態(tài)：（1）“最優(yōu)切變態(tài)”，當(dāng)C/ΔU≈1時(shí)，即兩者引發(fā)的環(huán)流相當(dāng)時(shí)，雷暴系統(tǒng)發(fā)展維持最為有利，有利于形成直立、發(fā)展高度較高的雷暴單體；（2）“亞最優(yōu)切變態(tài)”，當(dāng)C/ΔU＞1時(shí)，即密度流產(chǎn)生的環(huán)流更強(qiáng)時(shí)，上升氣流將沿著密度流上邊界較為平緩的向后傾斜上升，不利于雷暴系統(tǒng)的旺盛發(fā)展；（3）“超最優(yōu)切變態(tài)”，當(dāng)C/ΔU＜1時(shí)，即密度流產(chǎn)生的環(huán)流小于環(huán)境風(fēng)切變引起的環(huán)流時(shí)，上升氣流隨高度向前傾斜，上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的降水將下落到地面，阻擋系統(tǒng)上游低層暖濕空氣的吸入，進(jìn)而影響雷暴系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

根據(jù)Benjamin[27]的工作和RKW理論，冷池傳播速度C可認(rèn)為是二維密度流的傳播速度，假設(shè)冷池具有位溫?cái)_動(dòng)Δθ、厚度為H，則冷池傳播速度C可按照冷池造成的氣壓擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)：

式中，ΔP為冷池內(nèi)外氣壓變化；ρˉ為地面空氣的平均密度。根據(jù)式（1），利用地面自動(dòng)站觀測(cè)10 min間隔變壓和風(fēng)廓線雷達(dá)資料，計(jì)算兩條陣風(fēng)鋒發(fā)展演變過程中冷池強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的低層垂直風(fēng)切變強(qiáng)度。如圖9a所示，西岸陣風(fēng)鋒入海前，地面冷池相對(duì)較弱，冷池傳播速度僅為5.9 m/s，弱于西青站低層垂直風(fēng)切變（ΔU0-3km=12.9 m/s），C/ΔU=0.46，雷暴系統(tǒng)具有向冷區(qū)傾斜的層云結(jié)構(gòu)，此階段低層風(fēng)切變占主導(dǎo)地位。18:20后地面冷池迅速發(fā)展增強(qiáng)，18:25冷池邊界擴(kuò)張速度達(dá)到18.1 m/s，C/ΔU=1.3，西岸陣風(fēng)鋒入海后，雷暴系統(tǒng)處于“亞最優(yōu)切變態(tài)”，不利于系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

圖9 冷池傳播速度與垂直風(fēng)切變時(shí)間演變（▲表示極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)刻）

與西岸陣風(fēng)鋒不同，南岸陣風(fēng)鋒入海前，C/ΔU=2.1，此時(shí)地面冷池起驅(qū)動(dòng)作用，在陣風(fēng)鋒形成過程中占主導(dǎo)地位。之后低層垂直風(fēng)切變迅速增大，21:20時(shí)C/ΔU≈1，此時(shí)雷暴單體處于“最優(yōu)切變態(tài)”，雷暴單體發(fā)展最為強(qiáng)盛，在此狀態(tài)下冷池密度流向外擴(kuò)展速度加快，導(dǎo)致雷暴母體與南岸陣風(fēng)鋒之間的距離增大（見圖5a），使得發(fā)展旺盛的雷暴單體在其上游產(chǎn)生的垂直上升運(yùn)動(dòng)有一定的發(fā)展空間。21:30冷池邊界擴(kuò)張速度達(dá)到峰值（31.0 m/s），雷暴單體內(nèi)的上升氣流更加豎直，有利于低層濕空氣直接經(jīng)陣風(fēng)鋒抬升至凝結(jié)高度并進(jìn)入雷暴單體內(nèi)，從而促進(jìn)雷暴單體的進(jìn)一步發(fā)展，這也進(jìn)一步說明了兩條陣風(fēng)鋒入海前后強(qiáng)度差異的原因。冷池?cái)U(kuò)張峰值速度總體上比地面災(zāi)害性大風(fēng)強(qiáng)度略偏強(qiáng)。

5.4 陣風(fēng)鋒概念模型

陣風(fēng)鋒通常位于強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)前側(cè)，下沉氣流是強(qiáng)風(fēng)暴演變過程中的一個(gè)重要特征。風(fēng)暴形成后，下沉氣流在降水粒子拖曳作用、動(dòng)力擾動(dòng)氣壓和冷卻負(fù)浮力驅(qū)動(dòng)下形成；風(fēng)暴從中間層吸入干冷未飽和空氣，與云中飽和空氣混合，液態(tài)水和固態(tài)凝結(jié)物蒸發(fā)或升華冷卻使得云中空氣變得比環(huán)境冷，形成一支強(qiáng)下沉氣流降至地面，進(jìn)而造成地面出現(xiàn)大風(fēng)。本文在以前學(xué)者的研究基礎(chǔ)上[23]，進(jìn)一步總結(jié)了沿海地區(qū)陣風(fēng)鋒發(fā)展維持的機(jī)制及其概念模型。

分別選取兩條陣風(fēng)鋒影響的國家級(jí)自動(dòng)站逐5 min觀測(cè)資料，探討陣風(fēng)鋒過境前后地面氣象要素演變特征（見圖10）。西岸陣風(fēng)鋒過境時(shí)，首先表現(xiàn)為氣壓上升，之后風(fēng)向突變（南風(fēng)突轉(zhuǎn)為西北風(fēng)），溫度和露點(diǎn)溫度驟降，地面溫度露點(diǎn)差高達(dá)15.4℃，近地層并無充分的水分供應(yīng)，強(qiáng)的干冷下沉氣流沿接近于干絕熱將至地面，陣風(fēng)鋒過境后5 min西青站出現(xiàn)8級(jí)災(zāi)害性大風(fēng)。與經(jīng)典陣風(fēng)鋒模型不同[23]，南岸陣風(fēng)鋒過境時(shí)，表現(xiàn)為溫度和露點(diǎn)溫度驟降，地面溫度露點(diǎn)差為3.3℃，下沉氣流沿接近于濕絕熱下降至地面，氣壓涌升后迅速下降，出現(xiàn)雷暴“高壓鼻”現(xiàn)象，平均風(fēng)速增強(qiáng)至15.1 m/s，瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到24.9 m/s。

圖10 自動(dòng)站氣象要素隨時(shí)間的變化（表示出現(xiàn)極大風(fēng)速時(shí)刻，黑色虛線表示陣風(fēng)鋒過境時(shí)刻）

結(jié)合兩條陣風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)特征對(duì)照表可知（見表1），西岸陣風(fēng)鋒過境時(shí)，首先表現(xiàn)為氣壓上升，然后是溫度、露點(diǎn)溫度驟降以及風(fēng)向風(fēng)速變化，垂直伸展高度約1.8 km（見圖11a）。雷暴系統(tǒng)處于“亞最優(yōu)切變態(tài)”，大風(fēng)出現(xiàn)在陣風(fēng)鋒過境后5 min，是強(qiáng)冷空氣堆下沉與近地層暖濕空氣形成的氣壓和溫度梯度密集區(qū)在水平和垂直方向上的不連續(xù)界面造成的；南岸陣風(fēng)鋒過境時(shí)，同時(shí)表現(xiàn)溫度、露點(diǎn)溫度驟降、風(fēng)速驟增和“高壓鼻”現(xiàn)象，垂直伸展高度達(dá)2.6 km（見圖11b）。雷暴系統(tǒng)處于“最優(yōu)切變態(tài)”，在后側(cè)入流急流下沉過程中，干空氣被夾卷進(jìn)入下沉氣流，使得降水粒子被迅速蒸發(fā)，加之降水粒子的拖曳作用，加強(qiáng)了下沉氣流強(qiáng)度，造成更強(qiáng)的地面大風(fēng)。與西岸陣風(fēng)鋒相比，南岸陣風(fēng)鋒邊界層最大下沉速度更強(qiáng)，大風(fēng)及地速度更快，這也是南岸陣風(fēng)鋒入海后強(qiáng)度加強(qiáng)并造成更強(qiáng)的雷暴大風(fēng)的原因之一。

表1 兩條陣風(fēng)鋒垂直結(jié)構(gòu)特征表

圖11 兩條陣風(fēng)鋒垂直結(jié)構(gòu)概念模型

6 結(jié)論與討論

本文利用多源探測(cè)資料對(duì)2016年6月10日從渤海灣西岸和南岸入海的兩次陣風(fēng)鋒垂直結(jié)構(gòu)演變特征及其維持機(jī)制進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

（1）此次陣風(fēng)鋒大風(fēng)過程發(fā)生高空冷渦前部，中層干層和強(qiáng)的DCAPE對(duì)預(yù)報(bào)雷暴大風(fēng)天氣具有較好的指示意義。

（2）西岸陣風(fēng)鋒入海后強(qiáng)度維持，垂直伸展高度為1.8 km，雷暴母體處于“亞最優(yōu)切變態(tài)”，并伴有RIJ和MARC，對(duì)流層低層強(qiáng)盛的西南暖濕氣流沿陣風(fēng)鋒輸送到雷暴中，強(qiáng)冷空氣堆下沉與近地層暖濕空氣形成的氣壓和溫度梯度密集區(qū)造成8級(jí)大風(fēng)。

（3）南岸陣風(fēng)鋒入海后強(qiáng)度加強(qiáng)，垂直伸展高度達(dá)到2.6 km，區(qū)別于經(jīng)典陣風(fēng)鋒概念模型，雷暴母體處于“最優(yōu)切變態(tài)”，RIJ侵入至陣風(fēng)鋒，RIJ下沉過程中干冷空氣被夾卷進(jìn)入下沉氣流，通過蒸發(fā)作用產(chǎn)生負(fù)浮力和降水粒子的拖曳作用加速冷空氣下沉，最終導(dǎo)致10～11級(jí)的災(zāi)害性大風(fēng)。

兩條陣風(fēng)鋒大風(fēng)發(fā)生在同一次低壓過境的背景下，大風(fēng)與陣風(fēng)鋒的過境時(shí)間或前或后，明顯不同，這給短臨預(yù)報(bào)預(yù)警帶來不確定性，在實(shí)際預(yù)報(bào)工作中難以精準(zhǔn)把握。同時(shí)，兩條陣風(fēng)鋒的垂直氣流結(jié)構(gòu)不同，造成地面大風(fēng)強(qiáng)度及其入海后發(fā)展演變特征具有顯著差異，這可能與海陸熱力和動(dòng)力差異有關(guān)。兩條陣風(fēng)鋒既有聯(lián)系，又有差別，各有特色，一方面反映出陣風(fēng)鋒大風(fēng)的多樣性，另一方面，究竟是陣風(fēng)鋒引起的雷暴大風(fēng)，還是雷暴大風(fēng)（包括下沉氣流）造成的陣風(fēng)鋒仍有待進(jìn)一步研究。