關中一次陣風鋒觸發的強對流天氣分析

陳小婷，趙 強，劉瑞芳，杜莉麗

(陜西省氣象臺，西安 710014)

在合適的環境條件下，強風暴內部下沉冷空氣到達近地面向外流出與環境空氣交匯形成的界面，稱為陣風鋒。陣風鋒不但具有陣性風大和低空風切變顯著的特點，還能觸發新對流單體的產生[1]，是短時臨近預報關注的重要對象。針對陣風鋒國內外學者進行了大量研究[2-10]，張濤等[2]對三次陣風鋒過程分析表明，持續下沉的冷空氣形成雷暴高壓是陣風鋒產生的直接原因。王秀明等[3]對河南、安徽一次大范圍雷暴大風天氣分析表明，冷池合并是商丘產生極端大風的主要原因。陳明軒等[4]分析了出流邊界對京津冀地區對流局地新生及快速增強的動力效應。陜西地區陣風鋒天氣時有發生，武麥鳳等[11]對2015年8月23日關中地區伴有陣風鋒的強對流天氣分析表明，該過程雖然發生在槽前，但是垂直環境配置為“上干下濕”，屬于槽前“干”對流；劉勇等[12]對2004年7月關中中部兩次陣風鋒天氣進行分析，總結了這兩次陣風鋒天氣中雷達回波及氣象要素的典型特征。目前針對陜西此類天氣分析的個例中陣風鋒大多在北邊生成，向南移動[11-14]。2018年7月26日陜西關中地區出現了一次陣風鋒觸發的強對流天氣，對流風暴首先在秦嶺山區發展產生陣風鋒，隨后雷暴下山，在平原地區觸發新的對流，并快速發展，形成大風、短時強降水天氣，陣風鋒移速達到50 km/h，具有突發性強、降水時間短、伴隨風力大的特點。秦嶺山區活動的雷暴是否會下山，下山后雷暴是增強或減弱，以及災害性天氣的落區是目前短時臨預報的難點，對其開展深入研究具有重要的科學和業務應用價值。受地面觀測水平限制，之前針對陜西的陣風鋒天氣個例分析所用觀測資料時空分辨率不高，本文使用加密自動站資料，細致分析陣風鋒觸發對流局地新生并快速加強的演變過程。同時利用雷達、探空和NCEP1°×1°再分析資料探討此次強對流天氣的形成機制，為后期此類突發性強對流天氣的預報預警提供參考。

1 天氣實況

2018年7月26日13：30(北京時，下同)前后秦嶺山區的對流云團下山過程中和西安南部分散的對流單體合并加強并向北發展，13：50對流風暴的冷出流在西安扈邑區、長安區南部形成陣風鋒，并向東北方向快速移動，經過西安、咸陽東南部、渭南北部大部分地區，強對流造成關中地區大范圍大風、短時強降水天氣，多處綠化樹木被大風刮斷、刮倒，多路段積水嚴重。14—16時關中地區產生19站次20 mm/h以上的短時強降水，18站次8級以上大風天氣。西安三橋阿房宮站14：35出現極大風速29 m/s,渭南華陰16時1 h雨量達到47 mm。由于雷達觀測限制，16：30左右陣風鋒的窄帶回波特征不再清晰，但是強對流天氣仍造成關中東北部地區17—18時出現8站短時強降水，5站8級以上大風天氣。

2 影響系統分析

26日08時500 hPa高空圖(圖略)上，歐亞中高緯度呈兩槽兩脊型，西槽位于貝加爾湖以西地區，東槽位于140°E以東地區，其斷裂的尾部在我國東北地區形成淺槽并伸向河套地區。西太平洋副熱帶高壓主體呈東北西南向位于槽前，陜西東南部地區受副高控制。從該時刻中尺度天氣分析圖(圖1，見第8頁)可以看出，588 dagpm線西北界位于安康、西安、渭南一線，副高外圍存在東北西南向淺槽，陜西西北部地區處于槽后弱脊控制。700 hPa副高外圍的偏南暖濕氣流直達陜北地區，850 hPa在陜南地區存在弱的切變線，有利于輻合抬升形成上升運動。陜西中南部700 hPa、850 hPa有濕舌自西南向東北伸展，關中南部地區地面露點大于22 ℃，低層濕度條件較好。關中東部、陜南東部t850-500>25 ℃，大氣垂直不穩定度較高。從環流形勢綜合配置可以看出，關中東部、陜南東部地區有良好的水汽和不穩定條件，隨著500 hPa淺槽東移侵入副高內部，層結不穩定度增強，槽前上升氣流有利于不穩定能量釋放形成強對流天氣。

3 雷達回波特征分析

26日13：00前后秦嶺山區有對流云團發展,位于秦嶺北麓的鄠邑區南部、周至南部有分散的對流單體活動，13:33對流單體與下山的對流云團合并后迅速增強發展。13:50在0.5°仰角基本反射率因子圖上(圖略)多單體風暴呈塊狀位于鄠邑區、長安中南部，其前部激發出陣風鋒。陣風鋒的水平長度20 km左右，垂直高度在1.5 km以下,距離后部強回波約5 km。組合反射率因子(圖 2a)顯示，風暴發展旺盛，強回波中心超過65 dBz,陣風鋒移動方向前方及左側觸發多個對流單體新生。對應速度圖上(圖略)，陣風鋒位于風暴出流邊界風速梯度最大區域，大風核風速可以達到25 m/s。新生的對流單體位于徑向風風向切變形成的零風速區。實況顯示，13：35鄠邑區草堂鎮草下小學出現15.6 m/s的陣風，13：49鄠邑區秦鎮土地所院內出現13.6 m/s的陣風，結合雷達徑向風速及實況觀測，大風主要出現在陣風鋒后部強的反射率因子梯度區，且強回波有所斷裂的部位。26日14：13(圖 2b)新觸發的多個對流單體發展加強連成一片，冷出流激發出的陣風鋒緊挨強風暴，位于雁塔區西南部，形成陣風鋒的跳躍式發展。該時段實況顯示，13：52鄠邑區秦鎮土地所陣風18.8 m/s，14：03長安站陣風20.1 m/s，14：10西安高新一中陣風17.4 m/s。陣風鋒快速移動，逐漸遠離風暴母體，14：30(圖略)位于西安、咸陽南部，距離后部強回波5 km，其西北側有新單體觸發。自動站觀測資料顯示14：26漢城湖出現12.3 m/s的偏南風，14：27大唐芙蓉園出現12 m/s的偏北風，這兩個站點相距12 km，海拔高度相當，14：30氣壓分別為956 hPa、952 hPa,結合周邊站點氣壓可以看出，下沉氣流形成的雷暴高壓位于兩個測站之間,冷出流造成兩站截然相反的風向。14：41(圖 2c)陣風鋒西北部新觸發的對流單體和禮泉地區回波合并后迅速發展加強，風暴的下沉氣流補充了冷池強度，該地區的冷出流進一步加強，之前強度相對較弱的西段陣風鋒，強度顯著增強，并向北拱起，距離風暴母體10 km左右。同時，合并后的強風暴在禮泉東部激發出一條準南北向的陣風鋒，兩條陣風鋒相交向東北方向移動，后部風暴的冷池過境給咸陽地區帶來大風天氣。自動站觀測顯示咸陽湖14：32陣風17.3 m/s，秦都14：43陣風16.6 m/s。14：41陣風鋒經過雷達本站涇河站，此時該站并沒有出現較大的風速，14：40極大風速為8.8 m/s，14：50陣風18.1 m/s，15：01陣風15.9 m/s，結合自動站風速觀測和雷達回波可以看出，大風出現在陣風鋒后部強的反射率因子梯度區。15：00之后回波強度維持穩定(圖略)，陣風鋒距離風暴母體15 km以上，實況15：50之前風力相對較小，很少有超過17 m/s的大風天氣。16：06(圖 2d)陣風鋒位于銅川南部、富平北部，蒲城西部一線，其西北部有新觸發的對流發展加強，后部強回波中心位于富平，同時，渭南南部回波前側也有冷的出流邊界形成，兩者相接后共同向北推進，造成渭北地區出現大風天氣，自動站觀測顯示白水西固鎮17：14陣風25.5 m/s。由于渭北地區距離雷達中心較遠，0.5°仰角探測高度達1.2 km,而陣風鋒的高度一般在1.5 km以下[5]，受雷達觀測限制，陣風鋒窄帶回波特征逐漸不明顯。

暗紅色實線為500 hPa槽線，黑色實線為588 dagpm線，橘黃色虛線為ΔT850-500≥25 ℃區域，紅色雙實線為850 hPa切變線，暗紅色箭頭為700 hPa顯著流線，綠色虛線為700、850 hPa T-Td≤6 ℃區域，綠色點線為地面露點≥22 ℃區域。圖1 2018-07-26T08:00中尺度天氣分析

圖2 2018-07-26西安多普勒雷達圖(a為13：50組合反射率因子；b、c、d依次為0.5°仰角14：13、14：41、16：06基本反射率因子)

4 地面自動站要素分析

陣風鋒的形成與冷池密切相關。從逐小時氣象要素演變可以看出，26日13時(圖3a)秦嶺北麓的長安、扈邑區南部出現5 ℃左右的負變溫,冷池前方存在偏南風和偏東風的輻合。14時(圖3b)隨著冷空氣堆積，負變溫區出現了正變壓，同時，冷池北上,前部的風場輻合位置北移，結合雷達回波演變，可以看出陣風鋒窄帶回波和風場輻合位置有很好的對應關系。15時(圖3c)冷池迅速北進至西安城區，負變溫超過5 ℃的范圍可達5 000 km2，西安、咸陽交界處大部分地區1小時降溫超過10 ℃，其中愛知中學站降溫幅度達到16 ℃，造成該地區大范圍大風、降水天氣。16時(圖3d)西安地區的冷池和渭南南部的冷池合并北上接近銅川地區，與冷池對應的是正變壓。17時(圖3e)冷池移動至渭南西北部，強度依然達到-10 ℃。 18時(圖3f)冷池中心北移至渭南、延安交界處，強度明顯減弱。可以看出，冷池的強度、位置變化和回波強度、災害性天氣的發展演變基本一致,陣風鋒位于冷池前沿，兩者相伴存在，冷池與陣風鋒強度和維持有密切關系。

圖3 2018-07-26T13—18 1 h變溫(填色，單位為℃)、1 h變壓(等值線，單位：hPa)及整點風場(a—f依次為13—18時)

雷達中心涇河站10 min的溫度、露點、氣壓及風的演變(圖4a)顯示，14：40—15：10降溫13.6 ℃，氣壓升高2.3 hPa，風向順轉154°,其中14：40—14：45氣溫下降4.5 ℃，露點溫度下降4 ℃，氣壓上升1.1 hPa，風向由東南風順轉為西南風，風速由2.8 m/s增加到10.1 m/s(圖略)。西安降水量最大的星火立交站14—15時5 min間隔變溫及5 min累計降水(圖4b)顯示，14：20左右陣風鋒過境，5 min內氣溫下降5 ℃，隨著氣溫下降，大氣接近飽和，同時風向轉變，輻合增強，降水產生并加強，兩者的演變趨勢表明先有冷池降溫、而后產生降水，并不是因為降水的發生使得氣溫下降。降溫幅度逐漸遞減，降水逐漸增強，陣風鋒過境帶來的冷池降溫及風向輻合是產生短時強降水的原因。從陣風鋒移動主軸方向上站點要素演變可以看出(圖略)：14：00、14：20、14：45、15：10、15：40陣風鋒依次經過了長安站、西安人大機關大院站、涇河站、高陵站、富平站，移速達到50 km/h。陣風鋒過境后30 min內，氣溫持續下降直至最低點；氣壓陡升之后持續緩慢上升直至最大值；風速維持較大；露點在下降后有小幅回升。

5 強對流發生發展機制分析

5.1 雷暴生成

大氣中深厚濕對流的發生需要垂直層結不穩定、水汽和抬升觸發三個基本條件。從26日08時中尺度分析可以看出，關中東部、陜南東部地區有利于強對流天氣發生的中尺度環境，利用地面觀測及再分析資料對26日14時雷暴生成前后基本要素進行進一步診斷分析。14時地面觀測顯示，關中東部地區為37 ℃以上的高溫中心，訂正后的西安探空資料顯示(圖略),CAPE值1 700 J/kg，K指數37.1 ℃，850 hPa以下溫度遞減率接近干絕熱線，大氣不穩定度高。從26日14時110°E多要素剖面可以看出(圖5)，低層東南風和高層東北風之間存在明顯的干濕對比，風垂直切變較08時增強，以35°N為中心中低層有弱的上升運動，表明存在初始擾動。圖6為26日14時109°E溫度平流剖面，從圖可以看出，低層35°N以北冷平流加強，有利于強迫暖空氣上升產生上升運動，高層有冷平流自北向南擴散，且冷平流中心逐漸下降有利于增強大氣垂直方向不穩定度。可見，高層東北路干冷空氣和低層東南風暖濕氣流的共同增強，使該地區冷暖空氣疊置，大氣不穩定度增加，低層弱的上升運動形成初始擾動，當陣風鋒移入后極易觸發強對流天氣發生。

圖4 2018-07-26陣風鋒過境時氣象要素演變(a 14：20—15：20涇河站；b 14—15時星火立交站)

由26日逐小時地面觀測資料可見(圖略)，09時西安地區有弱輻合，11時西安地區風場存在氣旋式輻合，風場初始擾動有利于對流系統移入后增強發展。從雷達回波和自動站要素演變可以看出，最初在秦嶺山區活動的對流云團，下山過程中和秦嶺北麓多個局地對流單體合并加強形成有組織的多單體風暴，風暴下沉氣流堆積形成雷暴高壓，和其北部暖濕氣流形成明顯的溫度、密度梯度，進而形成陣風鋒，多單體風暴及陣風鋒隨著環境風向北推進的過程中，進入能量、不穩定機制、初始擾動條件都較好的地區，迅速觸發形成新的對流。

圖5 2018-07-26T14:00沿110°E風場、垂直速度(填色,單位：Pa/s)及相對濕度(虛線,單位：%)垂直剖面

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

5.2 雷暴發展和維持

雷暴的發展和維持通常和雷暴與低層風切變的關系、雷暴與輻合線相遇、多個雷暴合并、雷暴與出流邊界的距離、低層輻合的強度等因素有關[5]。從探空資料及地面自動站資料分析可以看出，此次過程關中東部低層以偏東風為主，700 hPa為西南風，0～3 km切變比0～6 km切變更明顯，陣風鋒形成后自西南向東北移動，低層的偏東風和向東北移動的雷暴出流輻合，有利于觸發新的對流，新生對流的上升氣流在中層偏西環境風引導下向東伸展，和低層單體移動方向一致，可以保持對流單體中上升運動垂直向上發展。根據Wilson等[6-7]的結論，當雷暴生成后，如果邊界層內的風向與雷暴運動方向或出流邊界相反，而邊界層以上的風向與之相同，則有利于雷暴的維持和加強。本次過程雷暴及環境風場的配置與上述判斷條件基本吻合，因此雷暴的強度不斷加強且自身組織程度越來越高，形成強的下沉氣流維持冷池的強度，冷池過境造成大風天氣。從雷達回波演變分析中可以看出，陣風鋒觸發形成的雷暴移動過程中，14：41和16：06前后分別與咸陽禮泉、渭南大荔的雷暴合并加強，新對流的補充有利于風暴迅速強烈發展[11]，造成咸陽東南部、渭南北部的大風天氣，冷池的補充有利于陣風鋒維持，整個強對流天氣持續5 h左右。

6 結論

(1)本次強對流天氣過程中，關中東部地區受副高控制，具有良好的不穩定能量和溫濕條件，500 hPa淺槽侵入副高內部，增強層結不穩定，槽前上升運動有利于不穩定能量釋放。

(2)陣風鋒是本次強對流天氣的觸發機制。新的對流單體在陣風鋒前徑向風風向切變最大的地方觸發。大風天氣出現在陣風鋒后部強的反射率因子梯度區。

(3)陣風鋒位于冷池前沿，兩者的發展演變密切相關。陣風鋒過境后30 min內，氣溫持續下降至最低點；氣壓陡升后持續緩慢上升直至最大值；風速維持較大值；露點在下降后有小幅回升。

(4)邊界層內風向與陣風鋒移動方向相反，而邊界層之上的風向與之相同是陣風鋒觸發的對流風暴維持加強的一個因素。雷暴合并加強補充了冷池強度，使陣風鋒及強對流天氣維持較長時間。