關中陣風鋒環境場和雷達特征分析

孟妙志，盧 曄,王仲文

(寶雞市氣象局，陜西寶雞 721006)

陣風鋒是中小尺度天氣，是雷暴的下沉氣流到達地面往四周擴展的水平氣流前緣帶，是雷暴周圍低層環境暖濕氣流與來自中層準飽和空氣之間的交接面[1]，它常和氣壓跳躍、風向轉變、風速突增、溫度降低等天氣現象相聯系。陜西在2005年西安多普勒雷達布設后，已有學者對觀測到的陣風鋒個例進行過分析，劉勇等[1]、張健宏[2]分析了陜西的陣風鋒個例觀測特征，畢旭等[3-4]對陜北的2次陣風鋒進行了分析，已有的研究對陣風鋒觀測特征認識較為一致 ，但對陣風鋒預報研究較少。為了較為準確地預報陣風鋒天氣，選取2012—2018年寶雞多普勒雷達資料中的7例陣風鋒個例，利用高空、地面天氣圖，寶雞多普勒雷達資料，統計分析陣風鋒發生背景場和雷達回波演變特征，提煉基于多普勒雷達的短臨預報預警經驗指標。

1 引發陣風鋒的強雷暴天氣環流背景和地面要素特征

寶雞地區7例陣風鋒天氣發生在6—8月，6月出現2例，7月出現3例，8月出現2例，均由強雷暴產生。產生陣風鋒的強雷暴出現的形勢均為高空西風氣流型,是陜西關中產生強雷暴天氣的典型天氣類型之一。地面圖上關中受暖低壓控制,中空有西北路或東北路冷空氣入侵,觸發強對流天氣發生。強雷暴發生的主要影響系統是500 hPa冷槽，中層500～700 hPa干舌(“干”侵入)，850 hPa暖中心、濕區，地面圖上平涼—隴縣的干線或輻合線，關中強對流天氣區附近t850-500≥25 ℃。中層“干冷”侵入是強雷暴產生的必要條件之一[5-6]，是關中產生陣風鋒的必要條件。

地面環境要素很重要，一些地方對流風暴頻繁出現，但出現陣風鋒比較少。個例分析統計發現，平坦的川道、午后地面氣溫≥35 ℃、相對濕度為20%～35%，利于陣風鋒的形成、傳播。

2 陣風鋒雷達回波特征

2.1 陣風鋒生命史

陣風鋒是多單體風暴產生，風暴的生命史、強度決定了陣風鋒的生命史、強度。為了定量認識陣風鋒，統計了寶雞多普勒雷達7例陣風鋒個例的強度、長度，及其與主體風暴的距離及主體風暴的強度、徑向速度等，根據陣風鋒長度、強度等，將其演變過程分為四個階段：初生、發展、加強、減弱。表1列出其中較強的三例陣風鋒特征值。

表1 2012—2018寶雞3例陣風鋒各階段在多普勒雷達上特征值及對應的風暴特征值

注：表中均為1.5°仰角數據

由表1可見,2018-06-11出現的陣風鋒，其生命史為1 h 10 min，雷達回波最大強度15 dBz、陣風鋒長度達40 km；風暴強度達到60 dBz時陣風鋒出現，風暴中心強度≤35 dBz時，陣風鋒開始減弱。2012-07-13出現的陣風鋒，其生命史為2 h 30 min，雷達回波最大強度為30 dBz、陣風鋒長度達120 km；風暴強度為50 dBz時陣風鋒出現。2013-07-31出現的陣風鋒，其生命史約2 h，雷達回波最大強度為10 dBz、陣風鋒長度達110 km；風暴強度55 dBz時陣風鋒出現。

對7例陣風鋒進行統計，發現陣風鋒生命史為1～3 h，寬度為3～5 km，長度為10～120 km，雷達回波強度為5～30 dBz，與主體風暴距離為20～30 km，當雷暴減弱時，遠離雷暴的陣風鋒明顯減弱。

分析可見，陣風鋒出現前雷暴發展到最強(中心回波強度為55～60 dBz)，當雷暴開始減弱時, 陣風鋒出現，弧狀窄帶回波首先出現在1.5°仰角。陣風鋒生成以后，不斷發展、加強，最為強盛時，長度最大；當原主體風暴開始顯著減弱(≤35 dBz)、出流減小，陣風鋒也減弱。

陣風鋒在1.5°仰角反射率因子圖上比在0.5°仰角圖提前兩個體掃出現，而早1～2個體掃減弱。陣風鋒最強階段，在0.5°、1.5°、2.4°仰角都可見，陣風鋒高度達到1～3.3 km。陣風鋒在1.5°仰角出現最早，關注1.5°仰角可以為大風預警提供依據。

2.2 陣風鋒移動方向、移速

寶雞地區的陣風鋒有兩種移向。一種(5例)是對流風暴自隴縣沿西北路向東南方向移動，陣風鋒在對流風暴主體右前方，其移動方向與對流風暴移動方向一致，為西北—東南向，移速約10 m/s。陣風鋒回波長度增加很快，寬度穩定在4 km左右，回波強度最大為15 dBz。另外2例是對流風暴自崇信、千陽偏北向東南方向移動，陣風鋒出現在對流風暴移動方向的右側，陣風鋒移動方向呈西南向，與對流風暴移動方向有約90°夾角，接近于垂直，為東北—西南向，移速約5 m/s，陣風鋒回波強度最大為30 dBz。

陣風鋒在移動過程中移動速度先增大后減小。以雷雨為主的雷暴產生的陣風鋒徑向速度平均為5 m/s；以強風暴為主的雷暴產生的陣風鋒徑向速度平均為10 m/s。

2.3 陣風鋒天氣

陣風鋒過境時多個氣象要素出現明顯變化，風速增大、風向突變、氣壓升高、氣溫下降、濕度增大等。表2為寶雞三次陣風鋒影響前后代表站的氣象要素演變，可見其中風速變化最顯著，均增大8 m/s以上，風向有偏東偏西之間轉變，最大風向改變110°。陣風鋒前為≤6.2 m/s的偏西風或偏東風，陣風鋒影響時出現≥10.1 m/s的大風(偏西風或偏東風)。陣風鋒過境，氣溫下降3～13 ℃，其中6月陣風鋒過境降溫最明顯為12.8 ℃；濕度增大10%～40%。

表2 2012—2018寶雞3例陣風鋒過境代表自動站氣象要素特征

統計可見，陣風鋒影響區普遍出現8～15 m/s的吹風天氣，影響區域大(5～8縣區)，吹風持續時間長(陣風鋒維持時段)，其中2012年7月13日吹風持續最長為3 h[7]。

陣風鋒在移動過程中還能夠觸發新的對流產生。有2例陣風鋒在移動中與其前方局地弱對流結合，形成強對流帶。陣風鋒遇山地地形，在迎風坡形成對流帶，有2例陣風鋒在向南移近秦嶺時，加強形成對流帶。

3 典型陣風鋒雷達回波個例分析

2018年6月11日下午到夜間，寶雞市9區(縣)出現雷陣雨天氣，并伴有短時大風、短時強降水、冰雹等強對流性天氣。其中17—19時，出現強對流天氣時伴有陣風鋒，陣風鋒影響5縣區(隴縣、陳倉、渭濱、鳳翔、千陽)并出現5～7級大風，最大風速為14.2 m/s。

3.1 環流背景及大氣層結穩定度

2018年6月11日08:00—20:00，500 hPa天氣圖上，陜西處在新疆高脊前西北氣流中，有-8 ℃溫度槽在陜西上空，冷平流明顯；700 hPa自河西地區有干舌伸到平涼，平涼、西安之間有風向切變；850 hPa有暖脊移入河套，平涼、西安之間仍有風向切變，陜西上空具有上干冷、下暖的大氣層結，是有利于強對流天氣出現的環流背景。西安SI為-2.7 ℃、K指數為38 ℃、CAPE值為879 J/kg、西安t(850-500)≥30 ℃，表明關中層結非常不穩定。14:00地面圖上，平涼有一干線，沿干線有對流云形成，未來發展東移影響寶雞。當日14時寶雞近地面大氣高溫干燥，氣溫≥36 ℃、相對濕度為29%～34%，地面環境利于陣風鋒產生。

3.2 回波演變過程

寶雞多普勒雷達反射率因子圖顯示，16：14隴縣出現多單體風暴，沿西北—東南向移入千陽。17：11風暴右前方出現陣風鋒。陣風鋒由西北向東南方向移動，先后影響千陽、陳倉、鳳翔、渭濱，18：21陣風鋒減弱，陣風鋒歷時1 h 10 min。經比對，陣風鋒在0.5°、1.5°、2.4°仰角的反射率因子圖中均可見，其中1.5°仰角反射率因子圖中出現最早、歷時最長，較0.5°仰角早4個體掃出現，但較0.5°仰角早2個體掃減弱；從1.5°仰角的圖中可明顯看出陣風鋒經歷初始、發展、加強、減弱階段；2.4°仰角圖上陣風鋒只在加強階段(4個體掃)可以看出。即陣風鋒在最強盛時段，0.5°、1.5°、2.4°仰角均可探測到，此時陣風鋒達2.5 km高度，其余時段在2 km高度左右。

3.3 陣風鋒演變特征

11日17:11，陣風鋒出現在雷暴右前方(圖1a)。初始階段陣風鋒長度為10 km、中心強度5 dBz、距離主體風暴約10 km，為不明顯的弧狀回波帶，風暴中心強度55～60 dBz。陣風鋒發展階段(17:22—17:46，圖1b)經歷5個體掃，陣風鋒長度增加到20 km，強度增強到10 dBz，距離主體風暴距離明顯增大，為20 km，為明顯的弧狀回波帶(0.5°仰角開始出現)。陣風鋒的出現切斷了雷暴低層的暖濕氣流，風暴開始減弱，強度減弱為45～55 dBz，中心徑向速度維持在10 m/s。

17:52—17:58陣風鋒加強(如圖1c)，經歷2個體掃，陣風鋒達到最強，長度增加為35 km、中心強度增強到15 dBz、距離主體風暴25 km，為完整弧狀回波帶，對應風暴中心強度由45 dBz減弱為40 dBz，中心徑向速度快速增大出現模糊，最大速度達18～23 m/s。即風暴出流速度快速增大到最大時，陣風鋒發展達到最為強盛時段。18:03—18:21陣風鋒開始減弱(圖1d)，經歷4個體掃，長度維持，但弧度變小，鋒線出現間斷，強度減弱為5 dBz，離主體風暴距離增大為30 km。原雷暴中心強度減弱為30 dBz，中心徑向速度減小為10 m/s，即原強雷暴顯著減弱、出流開始減小時，陣風鋒也明顯減弱。

這次陣風鋒移動方向為典型的西北—東南移向，陣風鋒處于主體風暴右前方，移速約10 m/s。陣風鋒回波長度增加很快，強度最大為15 dBz、其徑向速度為3～5 m/s。陣風鋒影響區普遍出現8～10 m/s的吹風天氣，影響區域五縣區，吹風持續時長2 h。

圖1 2018-06-11T17：11—2018-06-11T 18：15寶雞雷達1.5°仰角反射率因子和徑向速度(a 、e為初始階段，b 、f為發展階段，c、g為加強階段，d、h為減弱階段)

4 結論和討論

(1)西北氣流攜帶的中空干冷平流有利于強雷暴天氣的發生，地面露點鋒是強對流的觸發機制， 500 hPa冷槽，中層700 hPa干舌、近地面大氣高溫且干燥是陣風鋒發生的有利環境。

(2)雷達分析表明，陣風鋒的生命史和雷暴由強減弱有密切關系，陣風鋒初生于雷暴最強(≥55 dBz)時；當雷暴顯著減弱(≤35 dBz)、低層出流減小，陣風鋒開始減弱。

(3)陣風鋒移動速度與雷暴出流速度有直接關系，雷暴出流快速增加達最大(≥17m/s)時，陣風鋒發展最為強盛，尺度達最大。

(4)關中西部陣風鋒移動方向，與雷暴移動方向大體一致。一般是西北—東南向；少數與雷暴移動方向有約90°夾角，為東北—西南移向。陣風鋒影響區易出現≥8 m/s吹風天氣，須及時發布大風預警。

(5)陣風鋒在雷達回波1.5°仰角出現最早，較0.5°仰角早2個體掃減弱。關注識別1.5°仰角陣風鋒窄帶回波前兆可為發布大風預警提供依據。