黄花机场多次阵风锋天气过程多普勒雷达特征分析

余佳

摘 要：利用多普勒天气雷达资料和黄花机场自动观测资料，对黄花机场的多次阵风锋过程进行综合分析。结果表明：冷空气外流的强度与环境风的大小共同决定了阵风锋出现在母体的方位以及移动方向。阵风锋与雷暴母体的距离可作为一个研究阵风锋与雷暴母体的重要参数。两条阵风锋相遇时，碰撞越激烈，造成的对流发展也越迅速和猛烈。最强回波出现在两条阵风锋交汇线沿着移动方向的前端处。阵风锋本身的强度并不能反映风速的大小，其后部的速度图确能准确地反映风速的大小。同时，阵风锋的移速、形态也有助于粗略判断其后跟随的风速大小。

关键词：阵风锋;冷空气外流;阵风锋交汇;低空风切变

中图分类号：P441     文献标识码：A     文章编号：1003-5168（2021）36-0137-04

Analysis of Doppler Radar Characteristics of Weather Process of Multiple Gust Fronts in Huanghua Airport

YU Jia

（Meteorological Office of Hunan ATM Sub-bureau，Changsha Hunan 410000）

Abstract：The process of multiple gust fronts in Huanghua Airport is comprehensively analyzed by using Doppler weather radar data and automatic observation data of Huanghua Airport.The results show that the intensity of cold air outflow and the size of ambient wind jointly determine the orientation and moving direction of gust front in the parent body.The distance between gust front and thunderstorm matrix can be used as an important parameter to study gust front and thunderstorm matrix. When two gust fronts meet， the more intense the collision， the more rapid and violent the development of convection.The strongest echo appears at the front end of the intersection line of two gust fronts along the moving direction.The intensity of gust front itself can not reflect the size of wind speed， and the velocity diagram at the back can accurately reflect the size of wind speed.At the same time， the moving speed and shape of gust front can also help us roughly judge the following wind speed.

Keywords：gust front; cold air outflow; gust front intersection; low level wind shear

對流风暴中由降水导致的下沉气流将环境较干的空气夹卷进去，致使降水粒子因蒸发或升华剧烈降温，进而导致雷暴内下沉气流温度远低于环境温度，落地时形成冷池冷池向四周流出的强烈出流的前缘，称为阵风锋。

阵风锋回波与灾害性大风的研究已经成为短时临近预报的重要课题。根据Wilson等的统计，1984年5—8月，科罗拉多州山区的653个对流风暴中，有79%是由雷达观测到的边界层辐合线触发的。在71%的个例中，辐合线的相交激发了新生风暴或加强了已经生成的风暴[1]。Wilson等对边界层辐合线、对流风暴的触发、组织和生命史等开展了相关的研究，做出了系统性的总结[2-3]。以上研究表明，阵风锋作为边界层辐合线的重要种类之一，在雷暴生成、发展和衰减过程中发挥着重要作用。我国气象工作者也做了许多相关的研究，如李国翠等研究了阵风锋在短时大风预报中的应用，发现阵风锋在雷达反射率因子图上表现为强对流回波前方近似条状或弧状弱窄带状回波[4];王彦等在分析一次雷暴大风的中尺度结构特征时认为，不仅有弓状回波的对流系统能够产生雷暴大风，而且阵风锋也能够产生雷暴大风[5];戴建华等认为距离主体的远近表明主体的爆发强度，距离近表明爆发强烈[6]。刘娟等分析了阵风锋回波对雹暴系统的反馈作用，并探讨了阵风锋回波带在短时预报中的应用[7]。

本文选取了长沙黄花机场多次阵风锋过程的多普勒雷达（c波段）资料。结合机场自动观测系统的记录数据进行对比分析，重点总结了阵风锋与雷暴母体的关系、两条阵风锋或阵风锋与辐合线交汇发展特征以及阵风锋与地面大风或低空风切变的关系。

1 阵风锋与雷暴母体的相互影响

席宝珠指出，阵风锋的影响范围和生命史与雷暴母体和周边环境中是否存在明显的中层干空气层有直接关系。一般认为环境中干空气层越明显和深厚，大气中低层温度直减率越大，生命史越长[8]。

阵风锋往往出现在雷暴母体移动方向的前沿，但是2018年5月20日、2018年7月5日发生的阵风锋均出现在雷暴母体移动方向的后侧，且移动方向与雷暴母体相反。而这两次与雷暴母体移动方向相反的阵风锋，其出现的方向均与地面或低层环境风的方向一致。当雷暴主体及外流边界较强时，冷空气外流受环境风的影响较小，阵风锋出现的方向为雷暴主体的前侧，移动方向与雷暴移动方向一致;而雷暴主体偏弱时，其冷空气外流也偏弱。因此，受低层及环境风的影响较大，会出现在环境风的下风方向，移动方向与环境风一致。冷空气外流的强度与环境风的大小共同决定了阵风锋的出现位置以及移动方向。阵风锋与雷暴母体移动方向相反的，雷暴母体往往迅速减弱。

阵风锋与雷暴母体的距离是一个重要的参数，阵风锋与雷暴母体的很多相关性都由这个距离决定。

阵风锋顶高一般在1 km左右，很少超过2 km[9]。阵风锋在长沙黄花机场西北面20～25 km开始生成，逐渐在雷暴单体前方出现断裂的弱回波，再逐渐连成直线状，如图1（a）所示。这是因为此时阵风锋刚刚形成，雷暴母体前部的冷空气外流较弱，因此阵风锋形状不规则，移动速度缓慢。此时，由于阵风锋与母体较近，阵风锋不断将移动前方的低空暖湿空气抬升，像一台巨大的铲煤机和输送带一样，将移动前方的低空暖湿空气沿着前侧斜升气流输送到雷暴中[10]，使得雷暴母体不断发展加强，如图1（b）所示。而雷暴母体发展加强以后，雷暴母体前部的冷空气外流也加强，风速增大，使得阵风锋移动速度也增加，并开始远离母体，如图1（c）所示。移速增加以后的阵风锋自然就形成了图1（c）中规则的圆弧状，此时的阵风锋也达到了其最典型的时刻。此后，由于阵风锋距离雷暴母体越来越远，母体的冷空气外流难以对阵风锋继续提供冷空气补充，而阵风锋未能在当地激发起对流天气，于是开始逐渐减弱，最终消失，如图1（d）所示。这次过程很好地反演了阵风锋的整个生命史以及阵风锋与雷暴母体的强度相关性。

在阵风锋初生阶段，两者的距离较近，阵风锋将暖湿空气抬升至雷暴母体上方，促进了雷暴母体的发展，对于雷暴母体为正反馈。当两者之间的距离开始拉长时，这种正反馈会逐渐减弱，拉长至某个距离时，阵风锋不仅无法将暖湿空气输送到雷暴母体上空，反而均匀地向前铺开，像盖子一样截断了暖湿空气对于风暴的供应，因此开始对于雷暴母体为负反馈作用。这个临界距离显然受多方面因素的影响，如雷暴母体本身的强度、阵风锋前方空气的暖湿程度、不稳定能量多少等。经统计，黄花机场的阵风锋天气过程中，当雷暴母体与阵风锋的距离稳定在2～10 km时，阵风锋对雷暴母体以正反馈为主，拉长至10～15 km时，阵风锋对雷暴母体开始逐渐转为负反馈。除了一些特别强的雷暴母体造成的极强冷空气流外，阵风锋很难离开雷暴母体30 km以上。

2 两条阵风锋或阵风锋与辐合线交汇发展

Mahoney通过双多普勒雷达反演科罗拉多州东部夏季对流天气，证实两条辐合线“交汇”导致更强的上升运动。这样更容易触发对流，使得所触发对流的影响范围更大，生命史较单一辐合线触发得更长[10]。

以2018年8月3日阵风锋过程为例，如图2所示。1号阵风锋移动方向是南偏西，3号是西南方向，两者方向相对比较接近，因此之间并没有对流被激发。而2号阵风锋是向东北方向移动，与1号阵风锋恰好是对立方向，因此，1、2号之间有对流发展。而这两条阵风锋强度偏强，速度也快。因此，交汇处对流天气发展迅猛且强度很强，见图2（c）。这说明了阵风锋相遇时，两者的移动方向、移动速度和阵风锋本身的强度共同决定了交汇处对流发展的最大强度和迅猛程度。图2（d）中折角处为两条阵风锋相交处的前端，对流发展最为旺盛。

3 阵风锋与地面大风或低空风切变关系

阵风锋本身的强度并不能反映风速的大小，其后部的速度图却能准确地反映风速的大小。同时，通过对阵风锋的移速、形态分析，也能粗略判断其后跟随的风速的大小。

阵风锋不一定会伴随着大风或风切变天气。2018年7月5日雷暴过程中，只有一条阵风锋，在影响黄花机场时，阵风锋与雷暴母体距离保持比较近且形状不规则，说明了雷暴母体的冷空气外流偏弱，阵风锋的移速也慢，此时最大风速在7 m/s左右。而几次两条或以上阵风锋相遇的过程中，均出现了不同程度的大风，并伴有机组报告的风切变。

阵风锋移速越快，其伴随的风速一般也越大。形状接近弓状的阵风锋比形状不规则的阵风锋移速快。同时，多条阵风锋相遇加强的过程中，一般伴有17 m/s以上的大风或风切变。

4 结语

当雷暴主体及外流边界较强时，阵风锋出现方向为雷暴主体的前侧，移动方向与雷暴移动方向一致;而雷暴主体偏弱时，受低层及环境风的影响较大，会出现在环境风的下风方向，移动方向与环境风一致。冷空气外流的强度与环境风的大小共同决定了阵风锋的出现位置以及移动方向。阵风锋与雷暴母体移动方向相反时，雷暴母体往往迅速减弱。

阵风锋与雷暴母体的距离可作为研究阵风锋与雷暴母体的一个重要参数。阵风锋与雷暴母体的很多相关性都由这个距离决定。在黄花机场的阵风锋天气过程中应用该参数分析，当雷暴母体与阵风锋的距离稳定在2～10 km时，对于雷暴母體以正反馈为主，距离拉长至10～15 km，对于雷暴母体开始逐渐转为负反馈。除了一些特别强的雷暴母体，造成极强的冷空气外流以外，阵风锋很难离开雷暴母体30 km以上。当阵风锋上有对流天气发展时，如果阵风锋与雷暴母体距离保持在5～10 km，甚至更近时，新生单体往往与雷暴母体连起来，形成超级单体或多单体风暴。

两条阵风锋相遇时，碰撞越激烈，造成的对流发展也越迅速和猛烈，回波强度极强。最强回波出现在两条阵风锋交汇线沿着移动方向的前端处。

阵风锋本身的强度并不能反映风速的大小，其后部的速度图能准确地反映风速的大小。同时，阵风锋的移速、形态也有助于粗略判断其后跟随的风速的大小。

参考文献：

[1] WILSON J W， SCHREIBER W E. Initiation of convective storms at radar observed boundary-layer convergence lines[J]. Monthly Weather Review，1986（114）：2516-2536.

[2] WILSON J W， MUELLER C K.Nowcasts of thunderstorm initiation and evolution[J]. Weather and Forecasting，1993（1）：113-131.

[3] WILSON J W， ROBERTS R D.Summary of convective storm initiation and evolution during IHOP：Observational and modeling perspective[J].Monthly Weather Review， 2006（1）：23-47.

[4] 李国翠，郭卫红，王丽荣，等.阵风锋在短时大风预报中的应用[J].气象，2006（8）：36-41.

[5] 王彦，于莉莉，李艳伟，等.边界层辐合线对强对流系统形成和发展的作用[J].应用气象学报，2011（6）：724-731.

[6] 戴建华，陶岚，丁杨，等.一次罕见飑前强降雹超级单体风暴特征分析[J].气象学报，2012（4）：609-627.

[7] 刘娟，宋子忠，李金城.一次强雹暴系统及其阵风锋的雷达回波研究[J].气象，1994（1）：13-17.

[8] 席宝珠，俞小鼎，孙力，等.我国阵风锋类型与产生机制分析及其主观识别方法[J].气象，2015（2）：133-142.

[9] 葛润生.阵风锋的雷达探测和研究[J].气象科学研究院院刊，1986（2）：113-121.

[10] MAHONEY W P.Gust front characteristics and the kinematics associated with interacting thunderstorm outflows[J].Monthly Weather Review，1988（7）：1474-1492.