关中一次阵风锋触发的强对流天气分析

2019-10-21陈小婷刘瑞芳杜莉丽

陕西气象 2019年5期

陈小婷，赵强，刘瑞芳，杜莉丽

(陕西省气象台，西安 710014)

在合适的环境条件下，强风暴内部下沉冷空气到达近地面向外流出与环境空气交汇形成的界面，称为阵风锋。阵风锋不但具有阵性风大和低空风切变显著的特点，还能触发新对流单体的产生[1]，是短时临近预报关注的重要对象。针对阵风锋国内外学者进行了大量研究[2-10]，张涛等[2]对三次阵风锋过程分析表明，持续下沉的冷空气形成雷暴高压是阵风锋产生的直接原因。王秀明等[3]对河南、安徽一次大范围雷暴大风天气分析表明，冷池合并是商丘产生极端大风的主要原因。陈明轩等[4]分析了出流边界对京津冀地区对流局地新生及快速增强的动力效应。陕西地区阵风锋天气时有发生，武麦凤等[11]对2015年8月23日关中地区伴有阵风锋的强对流天气分析表明，该过程虽然发生在槽前，但是垂直环境配置为“上干下湿”，属于槽前“干”对流；刘勇等[12]对2004年7月关中中部两次阵风锋天气进行分析，总结了这两次阵风锋天气中雷达回波及气象要素的典型特征。目前针对陕西此类天气分析的个例中阵风锋大多在北边生成，向南移动[11-14]。2018年7月26日陕西关中地区出现了一次阵风锋触发的强对流天气，对流风暴首先在秦岭山区发展产生阵风锋，随后雷暴下山，在平原地区触发新的对流，并快速发展，形成大风、短时强降水天气，阵风锋移速达到50 km/h，具有突发性强、降水时间短、伴随风力大的特点。秦岭山区活动的雷暴是否会下山，下山后雷暴是增强或减弱，以及灾害性天气的落区是目前短时临预报的难点，对其开展深入研究具有重要的科学和业务应用价值。受地面观测水平限制，之前针对陕西的阵风锋天气个例分析所用观测资料时空分辨率不高，本文使用加密自动站资料，细致分析阵风锋触发对流局地新生并快速加强的演变过程。同时利用雷达、探空和NCEP1°×1°再分析资料探讨此次强对流天气的形成机制，为后期此类突发性强对流天气的预报预警提供参考。

1 天气实况

2018年7月26日13：30(北京时，下同)前后秦岭山区的对流云团下山过程中和西安南部分散的对流单体合并加强并向北发展，13：50对流风暴的冷出流在西安扈邑区、长安区南部形成阵风锋，并向东北方向快速移动，经过西安、咸阳东南部、渭南北部大部分地区，强对流造成关中地区大范围大风、短时强降水天气，多处绿化树木被大风刮断、刮倒，多路段积水严重。14—16时关中地区产生19站次20 mm/h以上的短时强降水，18站次8级以上大风天气。西安三桥阿房宫站14：35出现极大风速29 m/s,渭南华阴16时1 h雨量达到47 mm。由于雷达观测限制，16：30左右阵风锋的窄带回波特征不再清晰，但是强对流天气仍造成关中东北部地区17—18时出现8站短时强降水，5站8级以上大风天气。

2 影响系统分析

26日08时500 hPa高空图(图略)上，欧亚中高纬度呈两槽两脊型，西槽位于贝加尔湖以西地区，东槽位于140°E以东地区，其断裂的尾部在我国东北地区形成浅槽并伸向河套地区。西太平洋副热带高压主体呈东北西南向位于槽前，陕西东南部地区受副高控制。从该时刻中尺度天气分析图(图1，见第8页)可以看出，588 dagpm线西北界位于安康、西安、渭南一线，副高外围存在东北西南向浅槽，陕西西北部地区处于槽后弱脊控制。700 hPa副高外围的偏南暖湿气流直达陕北地区，850 hPa在陕南地区存在弱的切变线，有利于辐合抬升形成上升运动。陕西中南部700 hPa、850 hPa有湿舌自西南向东北伸展，关中南部地区地面露点大于22 ℃，低层湿度条件较好。关中东部、陕南东部t850-500>25 ℃，大气垂直不稳定度较高。从环流形势综合配置可以看出，关中东部、陕南东部地区有良好的水汽和不稳定条件，随着500 hPa浅槽东移侵入副高内部，层结不稳定度增强，槽前上升气流有利于不稳定能量释放形成强对流天气。

3 雷达回波特征分析

26日13：00前后秦岭山区有对流云团发展,位于秦岭北麓的鄠邑区南部、周至南部有分散的对流单体活动，13:33对流单体与下山的对流云团合并后迅速增强发展。13:50在0.5°仰角基本反射率因子图上(图略)多单体风暴呈块状位于鄠邑区、长安中南部，其前部激发出阵风锋。阵风锋的水平长度20 km左右，垂直高度在1.5 km以下,距离后部强回波约5 km。组合反射率因子(图 2a)显示，风暴发展旺盛，强回波中心超过65 dBz,阵风锋移动方向前方及左侧触发多个对流单体新生。对应速度图上(图略)，阵风锋位于风暴出流边界风速梯度最大区域，大风核风速可以达到25 m/s。新生的对流单体位于径向风风向切变形成的零风速区。实况显示，13：35鄠邑区草堂镇草下小学出现15.6 m/s的阵风，13：49鄠邑区秦镇土地所院内出现13.6 m/s的阵风，结合雷达径向风速及实况观测，大风主要出现在阵风锋后部强的反射率因子梯度区，且强回波有所断裂的部位。26日14：13(图 2b)新触发的多个对流单体发展加强连成一片，冷出流激发出的阵风锋紧挨强风暴，位于雁塔区西南部，形成阵风锋的跳跃式发展。该时段实况显示，13：52鄠邑区秦镇土地所阵风18.8 m/s，14：03长安站阵风20.1 m/s，14：10西安高新一中阵风17.4 m/s。阵风锋快速移动，逐渐远离风暴母体，14：30(图略)位于西安、咸阳南部，距离后部强回波5 km，其西北侧有新单体触发。自动站观测资料显示14：26汉城湖出现12.3 m/s的偏南风，14：27大唐芙蓉园出现12 m/s的偏北风，这两个站点相距12 km，海拔高度相当，14：30气压分别为956 hPa、952 hPa,结合周边站点气压可以看出，下沉气流形成的雷暴高压位于两个测站之间,冷出流造成两站截然相反的风向。14：41(图 2c)阵风锋西北部新触发的对流单体和礼泉地区回波合并后迅速发展加强，风暴的下沉气流补充了冷池强度，该地区的冷出流进一步加强，之前强度相对较弱的西段阵风锋，强度显著增强，并向北拱起，距离风暴母体10 km左右。同时，合并后的强风暴在礼泉东部激发出一条准南北向的阵风锋，两条阵风锋相交向东北方向移动，后部风暴的冷池过境给咸阳地区带来大风天气。自动站观测显示咸阳湖14：32阵风17.3 m/s，秦都14：43阵风16.6 m/s。14：41阵风锋经过雷达本站泾河站，此时该站并没有出现较大的风速，14：40极大风速为8.8 m/s，14：50阵风18.1 m/s，15：01阵风15.9 m/s，结合自动站风速观测和雷达回波可以看出，大风出现在阵风锋后部强的反射率因子梯度区。15：00之后回波强度维持稳定(图略)，阵风锋距离风暴母体15 km以上，实况15：50之前风力相对较小，很少有超过17 m/s的大风天气。16：06(图 2d)阵风锋位于铜川南部、富平北部，蒲城西部一线，其西北部有新触发的对流发展加强，后部强回波中心位于富平，同时，渭南南部回波前侧也有冷的出流边界形成，两者相接后共同向北推进，造成渭北地区出现大风天气，自动站观测显示白水西固镇17：14阵风25.5 m/s。由于渭北地区距离雷达中心较远，0.5°仰角探测高度达1.2 km,而阵风锋的高度一般在1.5 km以下[5]，受雷达观测限制，阵风锋窄带回波特征逐渐不明显。

暗红色实线为500 hPa槽线，黑色实线为588 dagpm线，橘黄色虚线为ΔT850-500≥25 ℃区域，红色双实线为850 hPa切变线，暗红色箭头为700 hPa显著流线，绿色虚线为700、850 hPa T-Td≤6 ℃区域，绿色点线为地面露点≥22 ℃区域。图1 2018-07-26T08:00中尺度天气分析

图2 2018-07-26西安多普勒雷达图(a为13：50组合反射率因子；b、c、d依次为0.5°仰角14：13、14：41、16：06基本反射率因子)

4 地面自动站要素分析

阵风锋的形成与冷池密切相关。从逐小时气象要素演变可以看出，26日13时(图3a)秦岭北麓的长安、扈邑区南部出现5 ℃左右的负变温,冷池前方存在偏南风和偏东风的辐合。14时(图3b)随着冷空气堆积，负变温区出现了正变压，同时，冷池北上,前部的风场辐合位置北移，结合雷达回波演变，可以看出阵风锋窄带回波和风场辐合位置有很好的对应关系。15时(图3c)冷池迅速北进至西安城区，负变温超过5 ℃的范围可达5 000 km2，西安、咸阳交界处大部分地区1小时降温超过10 ℃，其中爱知中学站降温幅度达到16 ℃，造成该地区大范围大风、降水天气。16时(图3d)西安地区的冷池和渭南南部的冷池合并北上接近铜川地区，与冷池对应的是正变压。17时(图3e)冷池移动至渭南西北部，强度依然达到-10 ℃。 18时(图3f)冷池中心北移至渭南、延安交界处，强度明显减弱。可以看出，冷池的强度、位置变化和回波强度、灾害性天气的发展演变基本一致,阵风锋位于冷池前沿，两者相伴存在，冷池与阵风锋强度和维持有密切关系。

图3 2018-07-26T13—18 1 h变温(填色，单位为℃)、1 h变压(等值线，单位：hPa)及整点风场(a—f依次为13—18时)

雷达中心泾河站10 min的温度、露点、气压及风的演变(图4a)显示，14：40—15：10降温13.6 ℃，气压升高2.3 hPa，风向顺转154°,其中14：40—14：45气温下降4.5 ℃，露点温度下降4 ℃，气压上升1.1 hPa，风向由东南风顺转为西南风，风速由2.8 m/s增加到10.1 m/s(图略)。西安降水量最大的星火立交站14—15时5 min间隔变温及5 min累计降水(图4b)显示，14：20左右阵风锋过境，5 min内气温下降5 ℃，随着气温下降，大气接近饱和，同时风向转变，辐合增强，降水产生并加强，两者的演变趋势表明先有冷池降温、而后产生降水，并不是因为降水的发生使得气温下降。降温幅度逐渐递减，降水逐渐增强，阵风锋过境带来的冷池降温及风向辐合是产生短时强降水的原因。从阵风锋移动主轴方向上站点要素演变可以看出(图略)：14：00、14：20、14：45、15：10、15：40阵风锋依次经过了长安站、西安人大机关大院站、泾河站、高陵站、富平站，移速达到50 km/h。阵风锋过境后30 min内，气温持续下降直至最低点；气压陡升之后持续缓慢上升直至最大值；风速维持较大；露点在下降后有小幅回升。

5 强对流发生发展机制分析

5.1 雷暴生成

大气中深厚湿对流的发生需要垂直层结不稳定、水汽和抬升触发三个基本条件。从26日08时中尺度分析可以看出，关中东部、陕南东部地区有利于强对流天气发生的中尺度环境，利用地面观测及再分析资料对26日14时雷暴生成前后基本要素进行进一步诊断分析。14时地面观测显示，关中东部地区为37 ℃以上的高温中心，订正后的西安探空资料显示(图略),CAPE值1 700 J/kg，K指数37.1 ℃，850 hPa以下温度递减率接近干绝热线，大气不稳定度高。从26日14时110°E多要素剖面可以看出(图5)，低层东南风和高层东北风之间存在明显的干湿对比，风垂直切变较08时增强，以35°N为中心中低层有弱的上升运动，表明存在初始扰动。图6为26日14时109°E温度平流剖面，从图可以看出，低层35°N以北冷平流加强，有利于强迫暖空气上升产生上升运动，高层有冷平流自北向南扩散，且冷平流中心逐渐下降有利于增强大气垂直方向不稳定度。可见，高层东北路干冷空气和低层东南风暖湿气流的共同增强，使该地区冷暖空气叠置，大气不稳定度增加，低层弱的上升运动形成初始扰动，当阵风锋移入后极易触发强对流天气发生。

图4 2018-07-26阵风锋过境时气象要素演变(a 14：20—15：20泾河站；b 14—15时星火立交站)

由26日逐小时地面观测资料可见(图略)，09时西安地区有弱辐合，11时西安地区风场存在气旋式辐合，风场初始扰动有利于对流系统移入后增强发展。从雷达回波和自动站要素演变可以看出，最初在秦岭山区活动的对流云团，下山过程中和秦岭北麓多个局地对流单体合并加强形成有组织的多单体风暴，风暴下沉气流堆积形成雷暴高压，和其北部暖湿气流形成明显的温度、密度梯度，进而形成阵风锋，多单体风暴及阵风锋随着环境风向北推进的过程中，进入能量、不稳定机制、初始扰动条件都较好的地区，迅速触发形成新的对流。

图5 2018-07-26T14:00沿110°E风场、垂直速度(填色,单位：Pa/s)及相对湿度(虚线,单位：%)垂直剖面

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

5.2 雷暴发展和维持

雷暴的发展和维持通常和雷暴与低层风切变的关系、雷暴与辐合线相遇、多个雷暴合并、雷暴与出流边界的距离、低层辐合的强度等因素有关[5]。从探空资料及地面自动站资料分析可以看出，此次过程关中东部低层以偏东风为主，700 hPa为西南风，0～3 km切变比0～6 km切变更明显，阵风锋形成后自西南向东北移动，低层的偏东风和向东北移动的雷暴出流辐合，有利于触发新的对流，新生对流的上升气流在中层偏西环境风引导下向东伸展，和低层单体移动方向一致，可以保持对流单体中上升运动垂直向上发展。根据Wilson等[6-7]的结论，当雷暴生成后，如果边界层内的风向与雷暴运动方向或出流边界相反，而边界层以上的风向与之相同，则有利于雷暴的维持和加强。本次过程雷暴及环境风场的配置与上述判断条件基本吻合，因此雷暴的强度不断加强且自身组织程度越来越高，形成强的下沉气流维持冷池的强度，冷池过境造成大风天气。从雷达回波演变分析中可以看出，阵风锋触发形成的雷暴移动过程中，14：41和16：06前后分别与咸阳礼泉、渭南大荔的雷暴合并加强，新对流的补充有利于风暴迅速强烈发展[11]，造成咸阳东南部、渭南北部的大风天气，冷池的补充有利于阵风锋维持，整个强对流天气持续5 h左右。