黃花機場多次陣風鋒天氣過程多普勒雷達特征分析

余佳

摘 要：利用多普勒天氣雷達資料和黃花機場自動觀測資料，對黃花機場的多次陣風鋒過程進行綜合分析。結果表明：冷空氣外流的強度與環境風的大小共同決定了陣風鋒出現在母體的方位以及移動方向。陣風鋒與雷暴母體的距離可作為一個研究陣風鋒與雷暴母體的重要參數。兩條陣風鋒相遇時，碰撞越激烈，造成的對流發展也越迅速和猛烈。最強回波出現在兩條陣風鋒交匯線沿著移動方向的前端處。陣風鋒本身的強度并不能反映風速的大小，其后部的速度圖確能準確地反映風速的大小。同時，陣風鋒的移速、形態也有助于粗略判斷其后跟隨的風速大小。

關鍵詞：陣風鋒;冷空氣外流;陣風鋒交匯;低空風切變

中圖分類號：P441 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：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

對流風暴中由降水導致的下沉氣流將環境較干的空氣夾卷進去，致使降水粒子因蒸發或升華劇烈降溫，進而導致雷暴內下沉氣流溫度遠低于環境溫度，落地時形成冷池冷池向四周流出的強烈出流的前緣，稱為陣風鋒。

陣風鋒回波與災害性大風的研究已經成為短時臨近預報的重要課題。根據Wilson等的統計，1984年5—8月，科羅拉多州山區的653個對流風暴中，有79%是由雷達觀測到的邊界層輻合線觸發的。在71%的個例中，輻合線的相交激發了新生風暴或加強了已經生成的風暴[1]。Wilson等對邊界層輻合線、對流風暴的觸發、組織和生命史等開展了相關的研究，做出了系統性的總結[2-3]。以上研究表明，陣風鋒作為邊界層輻合線的重要種類之一，在雷暴生成、發展和衰減過程中發揮著重要作用。我國氣象工作者也做了許多相關的研究，如李國翠等研究了陣風鋒在短時大風預報中的應用，發現陣風鋒在雷達反射率因子圖上表現為強對流回波前方近似條狀或弧狀弱窄帶狀回波[4];王彥等在分析一次雷暴大風的中尺度結構特征時認為，不僅有弓狀回波的對流系統能夠產生雷暴大風，而且陣風鋒也能夠產生雷暴大風[5];戴建華等認為距離主體的遠近表明主體的爆發強度，距離近表明爆發強烈[6]。劉娟等分析了陣風鋒回波對雹暴系統的反饋作用，并探討了陣風鋒回波帶在短時預報中的應用[7]。

本文選取了長沙黃花機場多次陣風鋒過程的多普勒雷達（c波段）資料。結合機場自動觀測系統的記錄數據進行對比分析，重點總結了陣風鋒與雷暴母體的關系、兩條陣風鋒或陣風鋒與輻合線交匯發展特征以及陣風鋒與地面大風或低空風切變的關系。

1 陣風鋒與雷暴母體的相互影響

席寶珠指出，陣風鋒的影響范圍和生命史與雷暴母體和周邊環境中是否存在明顯的中層干空氣層有直接關系。一般認為環境中干空氣層越明顯和深厚，大氣中低層溫度直減率越大，生命史越長[8]。

陣風鋒往往出現在雷暴母體移動方向的前沿，但是2018年5月20日、2018年7月5日發生的陣風鋒均出現在雷暴母體移動方向的后側，且移動方向與雷暴母體相反。而這兩次與雷暴母體移動方向相反的陣風鋒，其出現的方向均與地面或低層環境風的方向一致。當雷暴主體及外流邊界較強時，冷空氣外流受環境風的影響較小，陣風鋒出現的方向為雷暴主體的前側，移動方向與雷暴移動方向一致;而雷暴主體偏弱時，其冷空氣外流也偏弱。因此，受低層及環境風的影響較大，會出現在環境風的下風方向，移動方向與環境風一致。冷空氣外流的強度與環境風的大小共同決定了陣風鋒的出現位置以及移動方向。陣風鋒與雷暴母體移動方向相反的，雷暴母體往往迅速減弱。

陣風鋒與雷暴母體的距離是一個重要的參數，陣風鋒與雷暴母體的很多相關性都由這個距離決定。

陣風鋒頂高一般在1 km左右，很少超過2 km[9]。陣風鋒在長沙黃花機場西北面20～25 km開始生成，逐漸在雷暴單體前方出現斷裂的弱回波，再逐漸連成直線狀，如圖1（a）所示。這是因為此時陣風鋒剛剛形成，雷暴母體前部的冷空氣外流較弱，因此陣風鋒形狀不規則，移動速度緩慢。此時，由于陣風鋒與母體較近，陣風鋒不斷將移動前方的低空暖濕空氣抬升，像一臺巨大的鏟煤機和輸送帶一樣，將移動前方的低空暖濕空氣沿著前側斜升氣流輸送到雷暴中[10]，使得雷暴母體不斷發展加強，如圖1（b）所示。而雷暴母體發展加強以后，雷暴母體前部的冷空氣外流也加強，風速增大，使得陣風鋒移動速度也增加，并開始遠離母體，如圖1（c）所示。移速增加以后的陣風鋒自然就形成了圖1（c）中規則的圓弧狀，此時的陣風鋒也達到了其最典型的時刻。此后，由于陣風鋒距離雷暴母體越來越遠，母體的冷空氣外流難以對陣風鋒繼續提供冷空氣補充，而陣風鋒未能在當地激發起對流天氣，于是開始逐漸減弱，最終消失，如圖1（d）所示。這次過程很好地反演了陣風鋒的整個生命史以及陣風鋒與雷暴母體的強度相關性。

在陣風鋒初生階段，兩者的距離較近，陣風鋒將暖濕空氣抬升至雷暴母體上方，促進了雷暴母體的發展，對于雷暴母體為正反饋。當兩者之間的距離開始拉長時，這種正反饋會逐漸減弱，拉長至某個距離時，陣風鋒不僅無法將暖濕空氣輸送到雷暴母體上空，反而均勻地向前鋪開，像蓋子一樣截斷了暖濕空氣對于風暴的供應，因此開始對于雷暴母體為負反饋作用。這個臨界距離顯然受多方面因素的影響，如雷暴母體本身的強度、陣風鋒前方空氣的暖濕程度、不穩定能量多少等。經統計，黃花機場的陣風鋒天氣過程中，當雷暴母體與陣風鋒的距離穩定在2～10 km時，陣風鋒對雷暴母體以正反饋為主，拉長至10～15 km時，陣風鋒對雷暴母體開始逐漸轉為負反饋。除了一些特別強的雷暴母體造成的極強冷空氣流外，陣風鋒很難離開雷暴母體30 km以上。

2 兩條陣風鋒或陣風鋒與輻合線交匯發展

Mahoney通過雙多普勒雷達反演科羅拉多州東部夏季對流天氣，證實兩條輻合線“交匯”導致更強的上升運動。這樣更容易觸發對流，使得所觸發對流的影響范圍更大，生命史較單一輻合線觸發得更長[10]。

以2018年8月3日陣風鋒過程為例，如圖2所示。1號陣風鋒移動方向是南偏西，3號是西南方向，兩者方向相對比較接近，因此之間并沒有對流被激發。而2號陣風鋒是向東北方向移動，與1號陣風鋒恰好是對立方向，因此，1、2號之間有對流發展。而這兩條陣風鋒強度偏強，速度也快。因此，交匯處對流天氣發展迅猛且強度很強，見圖2（c）。這說明了陣風鋒相遇時，兩者的移動方向、移動速度和陣風鋒本身的強度共同決定了交匯處對流發展的最大強度和迅猛程度。圖2（d）中折角處為兩條陣風鋒相交處的前端，對流發展最為旺盛。

3 陣風鋒與地面大風或低空風切變關系

陣風鋒本身的強度并不能反映風速的大小，其后部的速度圖卻能準確地反映風速的大小。同時，通過對陣風鋒的移速、形態分析，也能粗略判斷其后跟隨的風速的大小。

陣風鋒不一定會伴隨著大風或風切變天氣。2018年7月5日雷暴過程中，只有一條陣風鋒，在影響黃花機場時，陣風鋒與雷暴母體距離保持比較近且形狀不規則，說明了雷暴母體的冷空氣外流偏弱，陣風鋒的移速也慢，此時最大風速在7 m/s左右。而幾次兩條或以上陣風鋒相遇的過程中，均出現了不同程度的大風，并伴有機組報告的風切變。

陣風鋒移速越快，其伴隨的風速一般也越大。形狀接近弓狀的陣風鋒比形狀不規則的陣風鋒移速快。同時，多條陣風鋒相遇加強的過程中，一般伴有17 m/s以上的大風或風切變。

4 結語

當雷暴主體及外流邊界較強時，陣風鋒出現方向為雷暴主體的前側，移動方向與雷暴移動方向一致;而雷暴主體偏弱時，受低層及環境風的影響較大，會出現在環境風的下風方向，移動方向與環境風一致。冷空氣外流的強度與環境風的大小共同決定了陣風鋒的出現位置以及移動方向。陣風鋒與雷暴母體移動方向相反時，雷暴母體往往迅速減弱。

陣風鋒與雷暴母體的距離可作為研究陣風鋒與雷暴母體的一個重要參數。陣風鋒與雷暴母體的很多相關性都由這個距離決定。在黃花機場的陣風鋒天氣過程中應用該參數分析，當雷暴母體與陣風鋒的距離穩定在2～10 km時，對于雷暴母體以正反饋為主，距離拉長至10～15 km，對于雷暴母體開始逐漸轉為負反饋。除了一些特別強的雷暴母體，造成極強的冷空氣外流以外，陣風鋒很難離開雷暴母體30 km以上。當陣風鋒上有對流天氣發展時，如果陣風鋒與雷暴母體距離保持在5～10 km，甚至更近時，新生單體往往與雷暴母體連起來，形成超級單體或多單體風暴。

兩條陣風鋒相遇時，碰撞越激烈，造成的對流發展也越迅速和猛烈，回波強度極強。最強回波出現在兩條陣風鋒交匯線沿著移動方向的前端處。

陣風鋒本身的強度并不能反映風速的大小，其后部的速度圖能準確地反映風速的大小。同時，陣風鋒的移速、形態也有助于粗略判斷其后跟隨的風速的大小。

參考文獻：

[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] 李國翠，郭衛紅，王麗榮，等.陣風鋒在短時大風預報中的應用[J].氣象，2006（8）：36-41.

[5] 王彥，于莉莉，李艷偉，等.邊界層輻合線對強對流系統形成和發展的作用[J].應用氣象學報，2011（6）：724-731.

[6] 戴建華，陶嵐，丁楊，等.一次罕見颮前強降雹超級單體風暴特征分析[J].氣象學報，2012（4）：609-627.

[7] 劉娟，宋子忠，李金城.一次強雹暴系統及其陣風鋒的雷達回波研究[J].氣象，1994（1）：13-17.

[8] 席寶珠，俞小鼎，孫力，等.我國陣風鋒類型與產生機制分析及其主觀識別方法[J].氣象，2015（2）：133-142.

[9] 葛潤生.陣風鋒的雷達探測和研究[J].氣象科學研究院院刊，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.