副高异常偏西背景下一次阵风锋主导的雷暴大风天气分析

姚 静，康 磊，费海燕，刘 慧，井 宇

（1.陕西省气象台，陕西 西安710015；2.榆林市气象台，陕西 榆林719000；3.中国气象局气象干部培训学院，北京100081）

阵风锋是一种中小尺度的灾害性天气，可以由成熟阶段的超级单体风暴、多单体风暴和飑线系统产生，多出现在中高层干冷空气与近地面相对暖湿的空气所形成的辐合边界处。阵风锋所经之处常会造成气压升高、气温骤降、风速骤增及风向突变等强烈的天气现象。阵风锋常常可以导致农作物倒伏、树枝折断、广告牌刮倒等，更为严重时对飞机的降落和起飞产生危害[1]。国外学者20 世纪70 年代开始针对阵风锋内部的气流结构特征[2]，阵风锋与环境场气流、主体风暴相互作用[3-4]等方面进行了深入的研究。研究表明[5]雷暴出流边界发展强盛时可以引发环境场中新的对流单体的形成。我国对阵风锋的研究开展较晚，近年来许多气象学者阐明了阵风锋的类型、雷达回波特征、形成机制、传播机理[5-8]，指出一类阵风锋出现在雷暴的发展和成熟阶段，主体风暴与阵风锋相对距离保持不变；另一类出现在雷暴的减弱和消亡阶段，阵风锋远离主体风暴。另外有一些学者提出了阵风锋的客观识别算法和试验[9-13]，以期提高这类天气的预警能力。近些年雷暴引发地面大风的研究越来越多[14-22]，有学者指出阵风锋引起的大风风速差异与其是否具有后侧入流有密切关系[23]。这些成果对陕西雷暴大风预报起到一定的指导和借鉴作用，但对于陕西伴随阵风锋的对流天气的物理机制、预警指标等内容的研究仍较为缺乏。

本次强风暴事件发生在副高异常偏西的背景下。利用1981—2010 年的NCEP/NCAR（1°×1°）逐6 h 再分析资料得出，7 月26 日30 a 平均西太平洋副高西脊点位于114.21°E，而2018 年7 月26 日500 hPa 上西太平洋副热带高压西伸到陕西中部，西脊点位于108°E 附近，较常年平均位置偏西6.2个经距。此次强风暴中59 个观测站出现了＞7 级的短时大风，最大风力达到了10 级，雷达回波上不仅观测到了明显的阵风锋，还出现了下击暴流。这次漏报的原因主要是，500 hPa 天气图上陕西中南部几乎受副高控制，处于高温高湿环境下，其阻塞作用使得西侧西风槽不能东移，有组织的风暴出现概率减小。ECWMF 数值模式预报26 日白天陕西中部和南部是区域性小到中雨过程，没有预报对流性强降水。探空图显示，当日08：00（北京时，下同）西安站CIN为292.4 J·kg-1，且0～6 km 垂直风切变仅为8 m·s-1，综合以上不利因素，当日并未预测会出现区域性的强风暴事件。因为从强对流潜势的角度预报大风难度较大。因此本文利用常规气象资料、西安L 波段风廓线雷达资料、多普勒天气雷达资料和陕西加密自动站资料，对这次强对流天气进行中尺度分析，雷暴大风主要与阵风锋相伴，文章分3 个阶段对阵风锋进行分析，给出雷暴大风观测特征结构，初步探索这类天气的形成机制，以期提高对阵风锋引发大风的预警能力。

1 局地强对流天气实况

2018 年7 月26 日午后，陕西西安、咸阳、渭南、铜川自南向北出现了一次强雷雨大风天气，此次过程主要以短时大风为主，伴有短时强降水。59 个观测站出现了＞7 级的短时大风，最大风力达到10 级。去掉可疑的站点，共有2 个中尺度站出现了10 级大风。63 个观测站出现20 mm 以上的降水，10 个观测站出现40 mm 以上的短时强降水，最大雨强为61.7 mm，位于西安与渭南的交界处。

2 背景场分析

2.1 天气尺度环境

7 月26 日08 时500 hPa 天气图上，副热带高压西伸到陕西西界，陕西中南部受副高控制，这在陕西比较少见。一般而言，副高异常西伸，使得西侧西风槽不能东移而影响陕西，且出现有组织风暴的概率较小。高空综合分析图（图2a）中，700 hPa 上重庆—四川—陕西南部有西南气流发展，且四川北部最大风速达12 m·s-1，陕南到关中有风速辐合，850 hPa 上四川与陕西交界处有东西向的横切变，说明整层动力抬升条件较好。700、850 hPa 位于四川西南较强的暖湿气流中，并且关中大部分地区850 与500 hPa 温差超过25～27 ℃。700、850 hPa 显著湿区位于关中南部到陕南，中层的干平流位于低层湿平流上部，形成有利的位势不稳定层结。地面上，08：00 青海西北部有暖低压，中心气压为997.5 hPa，暖低压向河套地区移动，午后关中地区升温明显，地面气温为35 ℃以上，能量快速聚集，且关中地区风场辐合明显。14：00 陕西大部分地方海平面气压下降4～5 hPa，河套地区形成气压梯度高值区，河套北部可达5 hPa/100 km，关中地区也达2.5 hPa/100 km以上（图2b）。

2.2 环境要素分析

图1 2018 年7 月26 日14：00—19：00 西安及周边降水量（a，单位：mm）和极大风速（b，单位：m/s）

图2 2018 年7 月26 日08：00 天气分析综合图（a）、海平面气压（b）和西安站T-logP（c，d）

西安站08：00 探空图上对流有效位能CAPE 为493.3 J·kg-1，自700～250 hPa 表现为狭长形状。K 指数为37 ℃，Si 指数为-2 ℃，LI 指数为-0.8 ℃，各个不稳定指数都表征出较强的对流不稳定潜势。CIN为292.4 J·kg-1。08：00 西安探空站的垂直风切变弱，0～6 km 在8 m/s，400～700 hPa 为一致的西南风，20：00，500 hPa 已经转为北风。利用14：00 西安2 m的气温（37 ℃）与露点温度（22 ℃）代替08：00 的相应数据（30 ℃与21 ℃），对探空图进行订正，其中对流有效位能达到了1 637 J·kg-1，这说明低层暖湿气流的增温增湿作用提高了对流潜在能量。综合以上，低层高温高湿，大气层结极不稳定且垂直风切变弱的环境下，500 hPa 冷空气也不明显，增加了强风暴预报预警的难度。

3 阵风锋演变特征

根据阵风锋的发展趋势，将阵风锋风暴分为3 个阶段进行分析，13：50 之前为形成发展阶段，13：00—13：50 极大风速＜17 m·s-1，13：50—17：00 为阵风锋强盛阶段，14：00—17：00 极大风速基本＞17 m·s-1，17：00 之后为阵风锋减弱阶段，绝大多数极大风速＜17 m·s-1。需要指出的是在强盛阶段前期，阵风锋移动过程中并没有遇到其他的对流单体，而在后期，阵风锋与渭南的对流单体相遇，促使了主体风暴愈加强烈发展。利用雷达回波结合区域气象站气温、相对湿度、本站气压、2 min 平均风向风速对阵风锋过程进行综合分析。

3.1 阵风锋形成发展阶段

从西安雷达13：39 组合反射率因子（图3a）可以看到西安周边低层潮湿大气的杂波，强度为5～15 dBZ，说明地表大气中具有较好的水汽条件。图3b 是图3a 中最强风暴的演变趋势，图3c 将13：00—13：50 的极大风速叠加13：50 仰角为0.5°反射率因子。西安雷达探测资料表明，12：00 在汉中东北部有对流回波生成并向北移动，13：04 进入西安西南部的户县至周至一带，此后迅速发展，13：33 发展成了东西走向团状回波，长度约为50 km，向北东北方向移动，逼近西安市区，强对流单体最大反射率因子（DBZM）为63 dBZ（图3b），强中心高度为5.3 km，顶高为8.8 km，基于单体的液态含水量（C-VIL）为48 kg·m-2，在13：50 西安雷达0.5°仰角反射率因子上出现了阵风锋，影响长安区南部。阵风锋高度为2.0～2.2 km，13：35 草下小学极大风速为15.6 m·s-1。之后阵风锋向北东北方向移动，所经之处风速迅速增大，13：50—14：01 阵风锋移动的距离约17 km，由此判断阵风锋移速约50 km·h-1。主体风暴移进长安后发展迅速。12：21—13：50 最大反射率因子呈缓慢增加趋势，从53 dBZ 缓慢增加到63 dBZ，单体顶高与强中心均呈现先降低再增高的趋势，C-VIL 基本呈现上升趋势。13：50 强单体前部与阵风锋之间，2.1 km 高度上出现速度模糊（图3d），退模糊后实际径向速度≥23 m·s-1。14：01 达到最强，退模糊后实际径向速度≥28 m·s-1，说明主体风暴右前侧有强烈的下沉气流，阵风锋的风力骤增。区域气象站资料显示，从14：00 的温度与相对湿度（图6a）可看到，西安、渭南均为高温与低相对湿度区，温度为30～37 ℃，相对湿度为50%～60%，14：00 前后周至、户县附近出现较强地面辐散，西南风强盛，长安辐合明显，地面自动站极大风速显示，13：50 长安出现20.1 m·s-1的偏西风，阵风锋开始发展。

3.2 阵风锋强盛阶段一

14：00—15：30，阵风锋移动前方，没有遇到其他的对流单体。从叠加了14：00—14：20 的极大风速与西安雷达14：13 的0.5°反射率因子显示阵风锋经过户县至长安一带，出现了＞17.2 m·s-1的短时大风，14：03 长安站风速达20.1 m·s-1左右（图4a），14：10西安高新一中风速为17.4 m·s-1，另外马王14：00 风速为14.1 m·s-1，秦镇14：05 风速为14.1 m·s-1、陕西宾馆14：02 风速为14.4 m·s-1。14：13 的0.5°反射率因子（图4a）显示阵风锋后的强风暴迅速发展，位于右侧风暴群前方阵风锋经过之处对应的地面风速远远大于左侧风暴群前方的风速，分析其原因，14：13 风暴群右侧下沉气流对应的最大实际径向速度约28 m·s-1，且速度模糊面积远大于左侧风暴群形成的速度模糊面积，强度也比左侧大5 m·s-1左右。14：20—14：40 阵风锋继续向北移动，先后在咸阳湖、汉城湖、阿房宫、咸阳、草滩造成17.3、19.4、29、14.7、14.2 m·s-1的7～10 级大风（图4c）。

图3 2018 年7 月26 日13：39 西安雷达组合反射率因子（a，单位dBZ），最强风暴的演变趋势（b），13：50 0.5°仰角反射率因子叠加13：00—13：50 极大风速（c，单位m·s-1）及13：50 0.5°仰角径向速度（d，单位m·s-1）

14：40—15：32 大风速区位于阵风锋的中部，且有多处断裂（图5a），但阵风锋所经之处的风速并没有减弱，这是因为风暴主体位于西安雷达站北部，雷达站与阵风锋的窄带回波之间为面积较大的强回波，阵风锋回波信号由于强回波的阻挡而被衰减，平均径向速度图上，阵风锋经过雷达站之后，窄带回波与母体回波之间依然是大面积的速度模糊区（图5b），退模糊后实际径向速度约为27 m·s-1，表明出流的冷空气依然很强，14：50 泾河站出现8 级大风，风速为18.1 m·s-1。15：04 高陵风速为17.2 m·s-1，另外中尺度站14：45 洪庆下鲁峪村为17.3 m·s-1，莲花寺15：11风速为17 m·s-1，羌白15：17 风速为17 m·s-1。结合区域气象站资料，15：00 地面强辐合区位于西安、渭南、咸阳交界处（图7a），15：04 低仰角反射率因子显示，强辐合区与阵风锋的窄带回波对应。地面强辐散区位于西安、咸阳交界处，最大地面散度＞40×10-6s-1，对应14：58 西安雷达1.5°仰角反射率因子，发现强辐散区正好对应风暴主体的50 dBZ 以上强回波区域，图6b、7a 可看到15：00 强辐合区的地面气温较14：00 下降约7～10 ℃，湿度增大约10%，15：00 之前自动站未观测到降水，因此可以推断强回波处有高速的雷暴冷湿出流，14：00—15：00 阵风锋所经之处有4 个中尺度站达到了18 m·s-1以上的风速，综合以上特征，表明本次过程出现了下击暴流。

3.3 阵风锋强盛阶段二

15：30—17：00 阵风锋与前方的对流单体逐渐合并，主体风暴加强发展。15：32 的0.5°仰角反射率因子图上可以看到阵风锋前方渭南市区北部有一较小的对流云团（图5a），阵风锋携带的冷出流强迫对流云团的暖湿空气抬升，暖湿空气沿着上升气流输送到风暴主体中去，使得风暴得到能量补充和发展。15：32—16：01 的反射率因子图上得到了很好的印证，锋前渭南、大荔、蒲城境内的多个对流单体随着阵风锋的接近迅速加强，且与阵风锋后部的风暴主体逐渐合并，猛烈发展（图5c）。与此同时，16：12 窄带回波基本消失。虽然雷达图上窄带回波消散，但从叠加了逐10 min 极大风速图上（图5c）可知，15：47耀州风速为17.5 m·s-1，16：02 康桥风速为22.1 m·s-1，16：36 西固风速为20 m·s-1。16：00 的自动站资料表明，西安与渭南交界处依然存在较强的地面辐合线，湿度场上T-Td≤2 ℃，而渭南北部蒲城、澄城、大荔等地T-Td≥10 ℃，强湿度梯度和地面辐合的存在也说明实际阵风锋依然存在，只是由于窄带回波与降水回波严重混杂被淹没，且超过泾河雷达站径向范围50 km，垂直高度能观测到的最低高度＞2.2 km，随着窄带回波远离雷达，雷达探测高度逐渐升高，最终也会导致无法识别近地面窄带回波。结合区域气象站分析，图7b 中富平为强辐合区，西安东部为辐散区，结合地面测站气压，这里出现了中γ 尺度的弱雷暴高压，与雷达图上的强回波区域基本重合，图6c中西安、渭南大面积温度较15：00 下降7～10 ℃以上，湿度继续增大为80 %～90 %，湿度大值区与温度低值区基本重合，而强辐散区却位于其北侧（图7b），这是由于15：00—16：00 西安北出现了25 mm 强降水，可以推断雷暴的冷性出流东移经过重合区时带来的下沉冷湿气流与强降水及其蒸发等作用相结合，造成地表温度下降较其他地方更加显著。

3.4 阵风锋减弱阶段

图4 2018 年7 月26 日14：13 的0.5°反射率因子叠加14：00—14：20 极大风速（a），14：13 的0.5°径向速度（b），14：24 的0.5°反射率因子叠加14：20—14：40 极大风速（c）及14：24 的0.5°径向速度（d）

图5 2018 年7 月26 日15：32 0.5°反射率因子叠加14：40—15：30 极大风速（a），15：32 0.5°径向速度（b），16：29 0.5°反射率因子叠加15：30—17：00 极大风速（c），16：29 0.5°径向速度（d）

17：20—18：00 阵风锋移动距离约30 km，移动速度约为45 km·h-1。西安雷达17：24 的0.5°仰角反射率因子叠加17：20—18：00 极大风速可知，阵风锋前沿极大风速在17：20 之后均＜17.2 m·s-1，直到18：00 极大风速减弱到14 m·s-1左右，18：00 之后，阵风锋消失在渭南北部。区域气象站资料显示，17：00地面强辐散区面积加大，强度继续加强，其值达到了40×10-6·s-1以上，可以推断阵风锋后的主体风暴下沉气流猛烈，但强辐合区面积较16：00 明显减小，说明阵风锋有减弱的趋势，而在16：10 之后0.5°雷达反射率因子图上已经看不到窄带回波，这是由于窄带回波与降水回波严重混杂被淹没，另一方面强辐合区距离西安雷达中心80～90 km，随着阵风锋远离雷达，雷达探测高度逐渐升高，最终也会导致无法探测近地面阵风锋系统，说明在距离雷达较远处，加密区域站可以帮助预报员继续进行阵风锋的监测。18：00 地面强辐散区减弱分裂成两个，强辐合区几乎消失，此次过程趋于结束，关中西部温度也开始回升。

图6 14：00（a）、15：00（b）、16：00（c）、17：00（d）地面气温（阴影，单位：℃）与相对湿度（等值线）

图7 15：00（a）、16：00（b）、17：00（c）、18：00（d）地面散度（单位：10-6 s-1）与测站1 h 变压（单位：hPa）

4 单站气象要素分析

阵风锋过境时常出现气压陡升、风速加大、风向突变、温度骤降等现象。从不同测站观测到的温度、气压随时间变化曲线来看，由于阵风锋从南向北运动，长安站的温度（图8a）最早开始下降，下降幅度非常大，13：40 温度为36.9 ℃，14：10 降为24.5 ℃，降温幅度达0.41 ℃·min-1。泾河、泾阳、高陵站14：40、15：00、15：10 依次骤降，30 min 降温幅度达10～12 ℃。阵风锋系统经过测站时有高速下沉的冷气流，各站气压都有显著的升高（图8b），60 min 内气压变化约3 hPa。根据前述雷达反射率因子产品可知，14：41 阵风锋刚好经过西安雷达站上空。西安风廓线雷达（测站位于泾河）7 月26 日14：36 之前0～1 km 均为偏东风（图6c），这与地面图上，陕西位于低压底部一致。随着阵风锋向东北移动经过西安雷达站，14：36 前后0～1 km 迅速转变为偏西风或西南风，14：54—15：12 风速最大达18 m·s-1以上（图8c），引起泾河自动站14：50 的18.1 m·s-1短时大风。14：36 阵风锋经过西安风廓线雷达站上空只引起了0～1 km 以下的风向改变，从另一个角度说明了只有在距离天气雷达较近的地方才能观测到阵风锋，在距离天气雷达较远时还需要借助地面加密站进行分析。

图8 13：30—17：30 长安、泾河、泾阳、高陵气象站温度（a）、气压（b）时序变化和14：00—16：00 西安L 波段风廓线雷达风羽（c）

结合自动站极大风速与雷达分析来看，部分测站中的极大风速并不是出现在阵风锋附近，而是出现在锋后的冷气团中，就是说雷暴主体中的下沉气流仍可以形成更大的地面大风。以泾河为例进行分析，泾河（西安雷达所在地）在阵风锋过后两次出现8 级大风。14：50 风向为183°，风力为18.1 m·s-1，15：01 风向为211°，风力为15.9 m·s-1。从图9c 雷达0.5°径向速度得到，阵风锋是14：41 经过西安雷达上空，14：47 阵风锋离开雷达中心约8 km，同时也没有风暴经过雷达中心，图9a 看到14：50 的极大风速应该是强风暴F8 的下沉气流所为，其演变趋势（图9b）显示，单体F8 的液态含水量（C-VIL）从14：17 的32 kg·m-2经过两个体扫跃升到49 kg·m-2，单体顶高为8.3 km，同时62 dBZ 的强中心高度达到8.3 km，14：41 C-VIL 降低到33 kg·m-2，回波顶降低到6.8 km，强中心由较高的高度8.3 km 迅速下降到1 km，质心高度也下降，说明较强的下击暴流已经开始出现。14：56 泾阳站极大风速为18 m·s-1，风向159°。从图9c 可以看到，阵风锋正在经过雷达站上空，在雷达南侧有50 km2的速度模糊区域，速度可达18 m·s-1以上，从过雷达站的速度剖面（图9d）可以看到，沿强风暴前进方向，在强风暴前侧的底部有东北向环境风，同时在风暴后侧有倾斜下沉气流存在，从风暴尾部自上而下直至风暴底部，依然可以看到速度模糊区域，从而在地面产生较强的下击暴流。

5 预警讨论

陕西关中地形特点是，东西向的盆地结构，北部为黄土高原，南部为秦巴山区，26 日11：00 在关中南缘宁陕县山区开始有对流云团发展北移，回波开始高度约为7.3 km，随后逐渐向上和向下发展，12：13 回波强度达到50 dBZ，高度下探至6.2 km，因冷空气过山后居高临下，有利于加强盆地层结的位势不稳定。地面气象站数据显示12：00 西安地区有东西向的地面辐合线，关中盆地当时处于高温高湿的环境，关中北部环境风均为东北风，根据对流云团向东北移动的特点，可以判断有利于触发强对流天气。且11：00—12：00 回波经过的宁陕地区已经产生了雷阵雨，因此预报员可以提前1 h 发布雷阵雨和大风的临近预警。13：44 西安雷达0.5°仰角开始出现窄带回波，并且移动速度很快，这时可以考虑升级之前的大风预警级别。值得注意的是，15：32 之后，当雷达图上的阵风锋弱窄带回波逐渐模糊时，不可放松警惕，需要借助中尺度加密观测网，继续进行严密监视。

图9 2018 年7 月26 日14：47 西安雷达0.5°反射率因子（a，单位dBZ）、强风暴F8 演变趋势（b）、14：41 西安雷达0.5°径向速度（c，单位m·s-1）及图9c 中沿AB 的剖面（d）

6 结论与讨论

（1）这次伴随阵风锋的天气过程中，西安站08：00 探空图上700～250 hPa 表现为狭长形状。K指数为37 ℃，Si 指数为-2 ℃，LI 指数为-0.8 ℃，各个不稳定指数都表征出较强的对流不稳定潜势。副高异常偏西、低层高温高湿，但500 hPa 冷平流较弱、垂直风切变弱，增加了强风暴预报预警的难度。

（2）结合雷达回波与地面加密站的风速，将风暴分为3 个阶段进行分析，13：50 之前为形成发展阶段，13：00—13：50 极大风速＜17 m·s-1；13：50—17：00为阵风锋强盛阶段，14：00—17：00 极大风速基本＞17 m·s-1，17：00 之后为阵风锋减弱阶段。发展过程中，阵风锋与渭南的对流单体相遇，促使了主体风暴愈加强烈发展。

（3）利用地面加密站进行分析，发现地面散度可以很好地反映主体雷暴的下沉气流到达地面的强辐散与窄带回波区域的强辐合，辐合辐散区域的面积和强度与阵风锋的强度变化对应。阵风锋过境时出现了气压陡升、风速加大、风向突变、温度骤降等现象。

（4）部分测站中的极大风速并不是出现在阵风锋附近，而是出现在锋后的冷气团中。雷暴主体中的下沉气流仍可以形成更大的地面大风，沿强风暴前进方向，在强风暴前侧的底部有东北向环境风，同时在风暴后侧有下降的入流存在，从风暴尾部自上而下直至到达风暴底部，从而在地面产生较强的下击暴流。