渤海北部东岸海风锋活动及其触发对流特征分析

2021-06-15张晶姚文陈海涛何晓东张运芝李黎赵晓川

气象与环境学报 2021年2期

张晶姚文陈海涛何晓东张运芝李黎赵晓川

(营口市气象局，辽宁营口115001)

引言

海陆风是近海地区由于海、陆加热快慢不均造成的风向昼夜变化显著的风，海陆风环流是沿海地区大气边界层中特有的一种局地中小尺度地形性环流。海风锋指海陆风环流中的海风。海风锋在合适的天气形势和环境背景之下可以作为触发机制，导致强对流天气发生，海风锋的触发作用是沿海地区强对流预报需要考虑的重要因素[1]。中国不同地区海风锋活动差异明显，如海南岛全年均有海风，但多发生于春、秋季[2]；台湾海峡西岸4—5月以及夏末秋初海陆风日较多，冬季相对较少[3]；上海地区海风锋多发生在6—9月，7—8月海风锋最易触发对流，且分为南支海风锋、北支海风锋及南北支海风锋三种类型[4－6]；渤海湾地区6—9月发生海风锋的频率较高，不同海风锋过程维持的时间和伸展到内陆的距离差异明显[7－9]。此外，还有气象工作者对海风锋触发的雷暴、局地暴雨、强对流等过程进行了综合分析，归纳出海风锋触发对流活动的特征和规律[10－12]，并应用数值模拟方式分析了海风锋触发强对流天气的机理[13－15]。

辽宁省毗邻黄海和渤海，海洋对辽宁气候影响明显，有研究对辽宁省海岸带大风[16]、冷槽降水[17]和风雹天气[18－19]进行详细分析，总结了大连地区海陆风环流[19]及大连地区雷暴[20]时空变化特征，但总体来说对渤海北部海风锋的活动研究较少，本文通过对渤海北部东岸的海风锋活动及其触发对流特征进行统计，并结合实例分析，以期为辽宁沿海地区海风锋的雷达监测和短临预报提供参考。

1 资料与方法

使用的资料为2015年、2018年和2019年3 a的营口(Z9417)CINRAD/SA雷达资料、地面加密自动站资料、卫星和高空、地面常规观测资料。营口雷达位于大石桥蟠龙山(40.64°N，122.52°E)，海拔高度为230 m，时间分辨率为6 min，所用资料2015年和2018年为单偏振雷达产品，2019年为双偏振雷达产品。

本文识别海风锋的资料以雷达为主要依据，以加密自动站的风场资料和常规资料分析为辅助。参考上海地区的研究结果[4－5]，并结合本地实际情况，确定海风锋在多普勒雷达产品上的特征为:低仰角(只出现在0.5°/1.5°仰角)；窄带弱回波(呈线状)；回波两侧为风的辐合(存在海风与环境风的辐合)；初始时通常平行于海岸线；出现在白天晴空状况下。定义海风锋为同时满足上述条件的低仰角弱窄带回波。但出流边界(阵风锋)、下击暴流、锋面等同样具有上述雷达回波特征，因此在具体判定中还需要根据实际的天气情况进行分析判断。发生海风锋的当日称为“海风锋日”，无论当天出现几支海风锋，只计做“1次”。

2 结果分析

2.1 渤海北部东岸海风锋时间

2015年、2018年和2019年渤海北部东岸共出现57次海风锋，其中2015年11次，2018年24次，2019年22次(表1)，不同年份海风锋出现次数差异较大。渤海北部东岸海风锋主要出现在6—8月，集中时段在6月下旬到8月中旬，其中7月最多，占夏季总频次的比例2015年、2018年、2019年分别为45%、50%、77%。三个年份中的5月和9月未出现海风锋，主要是渤海北部东岸地处39°N以北，从季节变化的角度，5月和9月气温相对较低，不易形成海陆风环流。

表1 2015年、2018年和2019年渤海北部东岸海风锋出现次数Table 1 Occurrence numbers of sea breeze fronts on the eastern coast of the northern Bohai Sea in 2015，2018 and 2019 次

从日变化上看，海风锋起始时刻与温度的日变化相关性明显，2019年22次渤海北部东岸海风锋起始时刻与当天陆地和海面白天最高温度统计情况见图1(陆地选取营口地区自动气象站观测的温度最高值，海面选取的是营口海上灯船自动站温度观测数据)。6月到7月上旬海风锋初始时刻一般在11—12时，消亡时刻一般在16—17时；7月中旬到8月海风锋初始时刻一般在9—10时，消亡时刻一般在18—19时。具体时刻还与当天的温度日变化密切相关，如上午天空有云或温度上升缓慢时，海风锋初始时刻可推迟到13—14时；处于副热带高压内部时，海风锋初始时刻最早可出现在08时左右；白天温度较高时，海风锋消亡时刻可推迟至20—21时；在海风锋上触发大范围强雷暴时，海风锋消亡较快。

图1 2019年渤海北部东岸22次海风锋过程维持时间及当日海陆最高温度变化Fig.1 Duration and daily maximum temperature over the land and sea of 22 sea breeze fronts in 2019 on the eastern coast of the northern Bohai Sea

2.2 渤海北部东岸海风锋空间分布及移动

辽宁地势的特点是东西两侧高、中间低，地势整体呈马蹄形环绕渤海。渤海北部东岸海岸线分为两段，营口盖州西海村以南为东北—西南走向，西海村以北为东南—西北走向。渤海北部海风锋移动与地形和近地面风向密切相关，根据雷达观测到海风锋起始位置不同，渤海北部东岸海风锋形式和移动路径分为3种:一是沿山型(图2a)，二是北部沿海型(图3a)，三是混合型(图4a)。

图2 沿山型海风锋示意(a)、2019年7月24日营口(Z9417)SA雷达0.5°仰角实例(b)和沈阳(Z9240)SC雷达0.5°仰角实例(c)Fig.2 Schematic diagram of the along-mountain type of sea breeze front(a)，distribution of SA radar reflectivity with 0.5°elevation at Yingkou(Z9417)(b)and Shenyang(Z9240)(c)on July 24，2019

2.2.1 沿山型

沿山型为海风锋移动的主要类型，占比为渤海北部东岸海风锋的75%左右，多发生在地面偏南风背景下。一般11时左右开始生成，生成时基本与东北—西南走向的海岸线平行，之后向东推进，北部速度快，南部速度慢；13—14时南部到达盖州、大石桥东部山地之后维持不动，北部继续向东北方向移动；15—16时北部达到海城东部山地，并沿山继续向东北方向伸展，有时可以达到辽阳至沈阳地区(图2b)；17—18时海风锋逐渐减弱消失。雷达随探测距离的变大，波束距地面距离逐渐增高，0.5°仰角上，在辽阳地区距地面高度达到1.5 km，由于海风锋属于近地面的浅薄系统，在辽阳以北地区营口雷达无法探测到，查看同时刻的沈阳雷达，可以看到辽阳—灯塔—沈阳沿山一线仍有窄带回波延伸，可以判定海风锋延伸的距离可以达到沈阳地区(图2c)。不同季节起始时间和维持时间略有变化，一般维持时间越长，向东北方向延伸的距离越远。

2.2.2 北部沿海型

北部沿海型占比为渤海北部东岸海风锋的5%左右，多发生在地面偏北风或偏西风背景下。该类型发生在盖州西海以北沿海地区，初始时刻与东南—西北走向的海岸线平行，随后逐渐向内陆移动(图3b)。该类型海风锋向内陆伸展的距离较短，一般在沿海附近稳定少动，也有向东移动逐渐发展成沿山型的。单纯北部沿海型的海风锋比较少，多数情况为混合型。

图3 北部沿海型海风锋示意(a)及2018年7月29日营口(Z9417)SA雷达0.5°仰角实例(b)Fig.3 Schematic diagram of the northern-coast type of sea breeze front(a)and distribution of SA radar reflectivity with 0.5°elevation at Yingkou(Z9417)on July 29，2018(b)

2.2.3 混合型

混合型为多条海风锋同时出现的情况，占比为渤海北部东岸海风锋的20%左右，多出现在地面弱风场的背景下，北部多为偏西或偏北风，南部为偏南风(图4 b)。在移动的过程中海风锋可能合并。

2.3 渤海北部东岸海风锋的雷达产品特征

2.3.1 反射率因子

渤海北部东岸海风锋在反射率产品上表现为窄带弱回波，宽度为5—7 km，有时会达到10 km，其中最强的中心宽为2—4 km。统计2015年、2018年和2019年3 a的渤海北部东岸海风锋反射率因子强度(表2)，海风锋强度范围一般小于27 dBz，个别达到32 dBz。按照海风锋强度大小分为5个等级，分别为7—12 dBz、12—17 dBz、17—22 dBz、22—27 dBz、27—32 dBz。其中17—22 dBz最多，占比40%。

图4 混合型海风锋示意(a)及2018年7月5日营口(Z9417)SA雷达0.5°仰角实例(b)Fig.4 Schematic diagram of the hybrid type of sea breeze front(a)and distribution of SA radar reflectivity with 0.5°elevation at Yingkou(Z9417)on July 5，2018(b)

表2 2015年、2018年和2019年渤海北部东岸海风锋强度统计Table 2 Intensity of sea breeze fronts on the eastern coast of the northern Bohai Sea in 2015，2018 and 2019 次

统计发现，7—12 dBz主要出现在6月至7月上中旬，此时气温相对低一些，海风锋的强度相对较弱。

27—32 dBz多发生在温度较高的情况下，陆地白天最高温度可达36—37℃。据统计，约50%发生在超折射的背景下，如2018年8月3日海风锋过程，雷达图上地物杂波较多，从当日08时锦州探空图上可以看到，大气中地面到925 hPa气温向上递增、露点温度向上迅速递减，存在明显的“干暖盖”大气层结，有利于超折射的形成(图略)。

2019年探测到的海风锋强度较2015年和2018年偏强。这主要与雷达的算法有关，单偏振雷达分辨率为1000 m，是对来自4个相接的距离库的回波功率取平均，升级后的双偏振雷达强度距离分辨率由1000 m提高至250 m，不再对距离库取平均。海风锋是窄带回波，其宽度较小，相邻距离库间的数值差异较大，4个距离库取平均之后数值减小，而双偏振产品不存在这种情况，因此双偏振产品较单偏振产品偏强。

2.3.2 径向速度

渤海北部东岸海风锋在雷达径向速度图上的特征没有反射率图上明显，与环境场的风向风速和海风锋本身的移向移速均有关系。图5为沿山型海风锋发展最为旺盛的情况。反射率图上可以看到自大连北部到辽阳以北整个沿山地区均有明显的窄带回波(图5a)。在径向速度图上可以分为3部分，南部为偏南风区域，中间为偏西风和东南风的辐合带，北部为西南风，在海风锋处可以看到风速较其他地方略强(图5b)。从地面自动站风场可以看出，南部为偏西风和偏南风的辐合带，中部为偏西风和东南风辐合，北部为西南风(图5c)。雷达径向速度和地面自动站风向大致相同，地面受到地形作用，在弱风的情况下风向会有局地变化。

图5 2019年7月24日沿山型海风锋营口(Z9417)SA雷达0.5°仰角反射率(a)、径向速度(b)和地面自动站风速图(c)Fig.5 Distribution of SA radar reflectivity(a)and radial velocity(b)with 0.5°elevation at Yingkou(Z9417)and surface wind rose(c)during the along-mountain type of sea breeze front on July 24，2019

图6为混合型海风锋的情况。反射率因子图上可以看到西侧有一条西北—东南向沿海岸线的窄带回波，东侧有一条沿山的窄带回波，两条窄带回波在营口青石岭附近交汇(图6a)。径向速度图上，左边西北—东南向海风锋的西侧为偏西风、东侧为偏北风，沿山的海风锋西侧为偏北风、东侧为偏南风，两条海风锋上风向辐合明显，风速较小(图6b)。自动站风速图上与雷达速度图对应的比较好(图6c)。

图6 2018年7月5日混合型海风锋营口(Z9417)SA雷达0.5°仰角反射率(a)、径向速度(b)和地面自动站风速图(c)Fig.6 Distribution of SA radar reflectivity(a)and radial velocity(b)with 0.5°elevation at Yingkou(Z9417)and surface wind rose(c)during the hybrid type of sea breeze front on July 5，2018

2.3.3 其他双偏振参量

分析渤海北部东岸海风锋出现时差分反射率、相关系数和差分相移率3个双偏振雷达参量产品显示，海风锋附近差分反射率数值较大，达到5 dB以上，但其他非降水回波的差分反射率也比较大，该产品不能提供较好的分辨力；海风锋上相关系数均在0.8以下；差分相移率产品上没有数值。总的来说，双偏振雷达参量上没有可明显识别的特征(图略)。

2.4 渤海北部东岸海风锋环流背景与触发对流

2015年，2018年和2019年渤海北部东岸海风锋形势场与触发对流统计见表3。由表3可知，海风锋在各种天气背景下均能发生，57次海风锋中有20次触发了对流，其中弱对流12次，较强对流8次。槽后脊前、高空脊背景下出现海风锋的概率最高，共22次，触发对流5次。高空脊控制下大气稳定、天气晴好，白天地面升温快，有利于海风锋的形成。5次对流过程均为弱对流，其中盖州南部山区和海城东部山区最易触发，一般出现在14时以后，触发后以孤立对流单体方式发展，持续时间短、强度弱，为午后热对流。

表3 2015年、2018年和2019年渤海北部东岸海风锋形势场与触发对流统计Table 3 Synoptic condition and triggered convection during sea breeze fronts in the eastern coast of the northern Bohai Sea in 2015，2018 and 2019 次

高空槽前背景下出现18次海风锋，触发对流8次，其中较强对流4次，6—8月均有发生；冷涡背景下出现11次海风锋，触发对流4次，其中较强对流2次，多发生在7月中旬之前和8月中旬及以后；副热带高压后部背景下出现6次海风锋，触发对流3次，其中较强对流2次，一般发生在7月下旬到8月上旬。高空槽和冷涡背景均为降水天气的有利形势，副热带高压后部水汽条件充足、不稳定能量较大，3种天气背景下海风锋的存在成为对流的有利触发机制，且一旦触发就容易产生较强的对流。海风锋触发的强对流多在12—13时开始，在整条海风锋上均易触发，触发后很快连成一片，形成对流风暴，可造成一定影响。

2.5 渤海北部东岸海风锋触发对流个例

2019年8月1日午后，辽宁南部出现强对流天气。多地发生短时强降水，最大降水出现在鞍山牧牛镇，2 h降水量达58.2 mm；营口九寨、陈屯、小石棚、卧龙泉、建一等乡镇出现冰雹，冰雹最大直径为4 cm左右，持续时间为30 min左右，持续时间长，密度大；同时伴有雷雨大风，营口九寨镇瞬时风力为27 m·s－1(10级)。

2.5.1 形势场和环境场

2019年8月1日08时，200 hPa上辽宁南部受高空西南急流影响，急流强度较强，达到34 m·s－1；500 hPa上黑龙江北部存在冷涡中心，辽宁南部处于冷涡底部高空槽前，槽后冷空气不断积聚并随高空槽东移南压，副热带高压后部控制辽宁南部地区；850 hPa上黑龙江北部冷涡中心更为明显，辽宁南部位于冷涡底部切变前，高低空呈上冷下暖的配置，强对流潜势明显；地面辽宁南部位于低压底部、高压后部弱气压场控制。

8月1日08时大连探空图上(图略)，CAPE值为1374.7 J·kg－1，辽宁南部午后气温达到36℃以上，将探空图的地面温度订正到36℃，CAPE值达到2906.8 J·kg－1，不稳定能量较大。在风场上，地面到850 hPa风向由西南风转为西北风，呈顺时针旋转，风力不大，为弱的暖平流；850 hPa到500 hPa风向由西北风转为西南风，呈逆时针旋转，风速从4 m·s－1急剧增加至16 m·s－1，冷平流强盛；同时地面到500 hPa存在较强的风切变。水汽上，850 hPa附近有浅薄的湿层，850 hPa与500 hPa之间、地面与850 hPa之间均有明显的干层，温度层结曲线与露点温度曲线整体呈“X”型，为雷暴大风型探空曲线。综上，辽宁南部具备出现雷暴大风的潜势。

2.5.2 海风锋

2019年8月1日上午辽宁南部气温快速升至35℃以上，海陆温差明显，从雷达反射率因子图可以看到(图7a)，09:00左右在沿海地区逐渐有海风锋生成，并向东向北移动，到达沿山地区，并逐渐加强成一条东北—西南向的明显的窄带回波，海风锋北端到海城附近，南端在瓦房店境内，长度约150 km，回波中心强度17—22 dBz，从对应速度图可以看到(图7b)，海风锋西侧为偏西风，东侧为偏南风，海风锋上为偏西风和偏南风的辐合，与自动站风场相对应(图7c)，同时在可见光云图上可以看到一条明显的对流云带(图8a)。

2.5.3 对流风暴

2019年8月1日13:30左右沿着海风锋自西南向东北方向开始有对流发展，到15时以后整条海风锋上有对流快速发展加强。8月1日13:49海风锋在营口雷达反射率、径向速度和自动站风速见图7，图8可见光云图上能看到海风锋触发的对流。8月1日14:00—16:30可见光云图见图8，14:00(图8 a)整条海风锋表现为一条比较弱的狭长的对流云带，对流发展尚不明显；14:30在海风锋的南部对流已经发展起来(图8 b)；15:30在整条海风锋上均有对流触发，并且对流单体连成一片，成为多单体强风暴(图8 c)；16:30对流风暴整体向东北方向移动，高空云砧伸展到辽宁东北部地区，同时在风暴西侧渤海上可以看到从雷暴中分离的阵风锋快速西移(图8 d)；18:00以后风暴逐渐消亡。

图7 2019年8月1日13:49海风锋在营口(Z9417)SA雷达0.5°仰角反射率(a)、径向速度(b)和自动站(c)风速图Fig.7 Distribution of SA radar reflectivity(a)and radial velocity(b)with 0.5°elevation at Yingkou(Z9417)and surface wind rose(c)during a sea breeze front at 13:49 on August 1，2019

图8 2019年8月1日14:00(a)、14:30(b)、15:30(c)、16:30(d)可见光云图Fig.8 Satellite visible imagery at 14:00(a)，14:30(b)，15:30(c)，and 16:30(d)on August 1，2019

图9 2019年8月1日14:48营口(Z9417)SA双偏振雷达0.5°仰角反射率(a)、相关系数(b)、差分反射率(c)、差分相移率(d)、粒子分类(e)、径向速度(f)分布Fig.9 Distribution of reflectivity(a)，correlation coefficient(b)，differential reflectivity(c)，differential phase-shift rate(d)，particle classification(e)，and radial velocity(f)measured by a SA dual-polarization radar with 0.5°elevation at Yingkou(Z9417)at 14:48 on August 1，2019

图9为8月1日14:48营口双偏振雷达0.5°仰角上各产品反映的对流风暴。反射率图上对流单体呈线状排列，每个单体发展都非常旺盛，单体强回波均在50 dBz以上，最强达到66.5 dBz。分析反射率回波不同强度所对应的双偏振产品特征可知，45 dBz以下(回波边缘除外)，相关系数基本均在0.98以上，差分反射率为0.5—2.0 dBz，差分相移率为每公里0.1°—0.5°，双偏振产品都比较均匀，粒子识别为小雨滴；45—55 dBz时，相关系数为0.96—0.97，差分反射率为1.0—2.5 dB，差分相移率为每公里0.5°—1.0°，粒子识别为大雨滴；大于55 dBz时，相关系数均为0.96以下(在60 dBz以上的强中心处相关系数甚至降至0.88以下)，差分反射率为2—3 dB(在60 dBz以上的强中心处降至－1～1 dB，差分相移率为每公里2°—6°(最大达到每公里9.6°，在60 dBz以上的强中心处存在空洞)，粒子识别为大雨滴或冰雹。对应的速度图上在强回波附近有明显的大风速中心，最大达到16.6 m·s－1，对应地面强风的位置。综上，风暴具有短时强降水、冰雹和雷雨大风的特征，落区均在强回波中心附近。