陳小婷,趙 強(qiáng),劉瑞芳,杜莉麗
(陜西省氣象臺(tái),西安 710014)
在合適的環(huán)境條件下,強(qiáng)風(fēng)暴內(nèi)部下沉冷空氣到達(dá)近地面向外流出與環(huán)境空氣交匯形成的界面,稱為陣風(fēng)鋒。陣風(fēng)鋒不但具有陣性風(fēng)大和低空風(fēng)切變顯著的特點(diǎn),還能觸發(fā)新對(duì)流單體的產(chǎn)生[1],是短時(shí)臨近預(yù)報(bào)關(guān)注的重要對(duì)象。針對(duì)陣風(fēng)鋒國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[2-10],張濤等[2]對(duì)三次陣風(fēng)鋒過程分析表明,持續(xù)下沉的冷空氣形成雷暴高壓是陣風(fēng)鋒產(chǎn)生的直接原因。王秀明等[3]對(duì)河南、安徽一次大范圍雷暴大風(fēng)天氣分析表明,冷池合并是商丘產(chǎn)生極端大風(fēng)的主要原因。陳明軒等[4]分析了出流邊界對(duì)京津冀地區(qū)對(duì)流局地新生及快速增強(qiáng)的動(dòng)力效應(yīng)。陜西地區(qū)陣風(fēng)鋒天氣時(shí)有發(fā)生,武麥鳳等[11]對(duì)2015年8月23日關(guān)中地區(qū)伴有陣風(fēng)鋒的強(qiáng)對(duì)流天氣分析表明,該過程雖然發(fā)生在槽前,但是垂直環(huán)境配置為“上干下濕”,屬于槽前“干”對(duì)流;劉勇等[12]對(duì)2004年7月關(guān)中中部?jī)纱侮囷L(fēng)鋒天氣進(jìn)行分析,總結(jié)了這兩次陣風(fēng)鋒天氣中雷達(dá)回波及氣象要素的典型特征。目前針對(duì)陜西此類天氣分析的個(gè)例中陣風(fēng)鋒大多在北邊生成,向南移動(dòng)[11-14]。2018年7月26日陜西關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)了一次陣風(fēng)鋒觸發(fā)的強(qiáng)對(duì)流天氣,對(duì)流風(fēng)暴首先在秦嶺山區(qū)發(fā)展產(chǎn)生陣風(fēng)鋒,隨后雷暴下山,在平原地區(qū)觸發(fā)新的對(duì)流,并快速發(fā)展,形成大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水天氣,陣風(fēng)鋒移速達(dá)到50 km/h,具有突發(fā)性強(qiáng)、降水時(shí)間短、伴隨風(fēng)力大的特點(diǎn)。秦嶺山區(qū)活動(dòng)的雷暴是否會(huì)下山,下山后雷暴是增強(qiáng)或減弱,以及災(zāi)害性天氣的落區(qū)是目前短時(shí)臨預(yù)報(bào)的難點(diǎn),對(duì)其開展深入研究具有重要的科學(xué)和業(yè)務(wù)應(yīng)用價(jià)值。受地面觀測(cè)水平限制,之前針對(duì)陜西的陣風(fēng)鋒天氣個(gè)例分析所用觀測(cè)資料時(shí)空分辨率不高,本文使用加密自動(dòng)站資料,細(xì)致分析陣風(fēng)鋒觸發(fā)對(duì)流局地新生并快速加強(qiáng)的演變過程。同時(shí)利用雷達(dá)、探空和NCEP1°×1°再分析資料探討此次強(qiáng)對(duì)流天氣的形成機(jī)制,為后期此類突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。
2018年7月26日13:30(北京時(shí),下同)前后秦嶺山區(qū)的對(duì)流云團(tuán)下山過程中和西安南部分散的對(duì)流單體合并加強(qiáng)并向北發(fā)展,13:50對(duì)流風(fēng)暴的冷出流在西安扈邑區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)南部形成陣風(fēng)鋒,并向東北方向快速移動(dòng),經(jīng)過西安、咸陽東南部、渭南北部大部分地區(qū),強(qiáng)對(duì)流造成關(guān)中地區(qū)大范圍大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水天氣,多處綠化樹木被大風(fēng)刮斷、刮倒,多路段積水嚴(yán)重。14—16時(shí)關(guān)中地區(qū)產(chǎn)生19站次20 mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水,18站次8級(jí)以上大風(fēng)天氣。西安三橋阿房宮站14:35出現(xiàn)極大風(fēng)速29 m/s,渭南華陰16時(shí)1 h雨量達(dá)到47 mm。由于雷達(dá)觀測(cè)限制,16:30左右陣風(fēng)鋒的窄帶回波特征不再清晰,但是強(qiáng)對(duì)流天氣仍造成關(guān)中東北部地區(qū)17—18時(shí)出現(xiàn)8站短時(shí)強(qiáng)降水,5站8級(jí)以上大風(fēng)天氣。
26日08時(shí)500 hPa高空?qǐng)D(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(qū),東槽位于140°E以東地區(qū),其斷裂的尾部在我國(guó)東北地區(qū)形成淺槽并伸向河套地區(qū)。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(qū)受副高控制。從該時(shí)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(qū)處于槽后弱脊控制。700 hPa副高外圍的偏南暖濕氣流直達(dá)陜北地區(qū),850 hPa在陜南地區(qū)存在弱的切變線,有利于輻合抬升形成上升運(yùn)動(dòng)。陜西中南部700 hPa、850 hPa有濕舌自西南向東北伸展,關(guān)中南部地區(qū)地面露點(diǎn)大于22 ℃,低層濕度條件較好。關(guān)中東部、陜南東部t850-500>25 ℃,大氣垂直不穩(wěn)定度較高。從環(huán)流形勢(shì)綜合配置可以看出,關(guān)中東部、陜南東部地區(qū)有良好的水汽和不穩(wěn)定條件,隨著500 hPa淺槽東移侵入副高內(nèi)部,層結(jié)不穩(wěn)定度增強(qiáng),槽前上升氣流有利于不穩(wěn)定能量釋放形成強(qiáng)對(duì)流天氣。
26日13:00前后秦嶺山區(qū)有對(duì)流云團(tuán)發(fā)展,位于秦嶺北麓的鄠邑區(qū)南部、周至南部有分散的對(duì)流單體活動(dòng),13:33對(duì)流單體與下山的對(duì)流云團(tuán)合并后迅速增強(qiáng)發(fā)展。13:50在0.5°仰角基本反射率因子圖上(圖略)多單體風(fēng)暴呈塊狀位于鄠邑區(qū)、長(zhǎng)安中南部,其前部激發(fā)出陣風(fēng)鋒。陣風(fēng)鋒的水平長(zhǎng)度20 km左右,垂直高度在1.5 km以下,距離后部強(qiáng)回波約5 km。組合反射率因子(圖 2a)顯示,風(fēng)暴發(fā)展旺盛,強(qiáng)回波中心超過65 dBz,陣風(fēng)鋒移動(dòng)方向前方及左側(cè)觸發(fā)多個(gè)對(duì)流單體新生。對(duì)應(yīng)速度圖上(圖略),陣風(fēng)鋒位于風(fēng)暴出流邊界風(fēng)速梯度最大區(qū)域,大風(fēng)核風(fēng)速可以達(dá)到25 m/s。新生的對(duì)流單體位于徑向風(fēng)風(fēng)向切變形成的零風(fēng)速區(qū)。實(shí)況顯示,13:35鄠邑區(qū)草堂鎮(zhèn)草下小學(xué)出現(xiàn)15.6 m/s的陣風(fēng),13:49鄠邑區(qū)秦鎮(zhèn)土地所院內(nèi)出現(xiàn)13.6 m/s的陣風(fēng),結(jié)合雷達(dá)徑向風(fēng)速及實(shí)況觀測(cè),大風(fēng)主要出現(xiàn)在陣風(fēng)鋒后部強(qiáng)的反射率因子梯度區(qū),且強(qiáng)回波有所斷裂的部位。26日14:13(圖 2b)新觸發(fā)的多個(gè)對(duì)流單體發(fā)展加強(qiáng)連成一片,冷出流激發(fā)出的陣風(fēng)鋒緊挨強(qiáng)風(fēng)暴,位于雁塔區(qū)西南部,形成陣風(fēng)鋒的跳躍式發(fā)展。該時(shí)段實(shí)況顯示,13:52鄠邑區(qū)秦鎮(zhèn)土地所陣風(fēng)18.8 m/s,14:03長(zhǎng)安站陣風(fēng)20.1 m/s,14:10西安高新一中陣風(fēng)17.4 m/s。陣風(fēng)鋒快速移動(dòng),逐漸遠(yuǎn)離風(fēng)暴母體,14:30(圖略)位于西安、咸陽南部,距離后部強(qiáng)回波5 km,其西北側(cè)有新單體觸發(fā)。自動(dòng)站觀測(cè)資料顯示14:26漢城湖出現(xiàn)12.3 m/s的偏南風(fēng),14:27大唐芙蓉園出現(xiàn)12 m/s的偏北風(fēng),這兩個(gè)站點(diǎn)相距12 km,海拔高度相當(dāng),14:30氣壓分別為956 hPa、952 hPa,結(jié)合周邊站點(diǎn)氣壓可以看出,下沉氣流形成的雷暴高壓位于兩個(gè)測(cè)站之間,冷出流造成兩站截然相反的風(fēng)向。14:41(圖 2c)陣風(fēng)鋒西北部新觸發(fā)的對(duì)流單體和禮泉地區(qū)回波合并后迅速發(fā)展加強(qiáng),風(fēng)暴的下沉氣流補(bǔ)充了冷池強(qiáng)度,該地區(qū)的冷出流進(jìn)一步加強(qiáng),之前強(qiáng)度相對(duì)較弱的西段陣風(fēng)鋒,強(qiáng)度顯著增強(qiáng),并向北拱起,距離風(fēng)暴母體10 km左右。同時(shí),合并后的強(qiáng)風(fēng)暴在禮泉東部激發(fā)出一條準(zhǔn)南北向的陣風(fēng)鋒,兩條陣風(fēng)鋒相交向東北方向移動(dòng),后部風(fēng)暴的冷池過境給咸陽地區(qū)帶來大風(fēng)天氣。自動(dòng)站觀測(cè)顯示咸陽湖14:32陣風(fēng)17.3 m/s,秦都14:43陣風(fēng)16.6 m/s。14:41陣風(fēng)鋒經(jīng)過雷達(dá)本站涇河站,此時(shí)該站并沒有出現(xiàn)較大的風(fēng)速,14:40極大風(fēng)速為8.8 m/s,14:50陣風(fēng)18.1 m/s,15:01陣風(fēng)15.9 m/s,結(jié)合自動(dòng)站風(fēng)速觀測(cè)和雷達(dá)回波可以看出,大風(fēng)出現(xiàn)在陣風(fēng)鋒后部強(qiáng)的反射率因子梯度區(qū)。15:00之后回波強(qiáng)度維持穩(wěn)定(圖略),陣風(fēng)鋒距離風(fēng)暴母體15 km以上,實(shí)況15:50之前風(fēng)力相對(duì)較小,很少有超過17 m/s的大風(fēng)天氣。16:06(圖 2d)陣風(fēng)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(fā)的對(duì)流發(fā)展加強(qiáng),后部強(qiáng)回波中心位于富平,同時(shí),渭南南部回波前側(cè)也有冷的出流邊界形成,兩者相接后共同向北推進(jìn),造成渭北地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)天氣,自動(dòng)站觀測(cè)顯示白水西固鎮(zhèn)17:14陣風(fēng)25.5 m/s。由于渭北地區(qū)距離雷達(dá)中心較遠(yuǎn),0.5°仰角探測(cè)高度達(dá)1.2 km,而陣風(fēng)鋒的高度一般在1.5 km以下[5],受雷達(dá)觀測(cè)限制,陣風(fēng)鋒窄帶回波特征逐漸不明顯。
暗紅色實(shí)線為500 hPa槽線,黑色實(shí)線為588 dagpm線,橘黃色虛線為ΔT850-500≥25 ℃區(qū)域,紅色雙實(shí)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(qū)域,綠色點(diǎn)線為地面露點(diǎn)≥22 ℃區(qū)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(dá)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)
陣風(fēng)鋒的形成與冷池密切相關(guān)。從逐小時(shí)氣象要素演變可以看出,26日13時(shí)(圖3a)秦嶺北麓的長(zhǎng)安、扈邑區(qū)南部出現(xiàn)5 ℃左右的負(fù)變溫,冷池前方存在偏南風(fēng)和偏東風(fēng)的輻合。14時(shí)(圖3b)隨著冷空氣堆積,負(fù)變溫區(qū)出現(xiàn)了正變壓,同時(shí),冷池北上,前部的風(fēng)場(chǎng)輻合位置北移,結(jié)合雷達(dá)回波演變,可以看出陣風(fēng)鋒窄帶回波和風(fēng)場(chǎng)輻合位置有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。15時(shí)(圖3c)冷池迅速北進(jìn)至西安城區(qū),負(fù)變溫超過5 ℃的范圍可達(dá)5 000 km2,西安、咸陽交界處大部分地區(qū)1小時(shí)降溫超過10 ℃,其中愛知中學(xué)站降溫幅度達(dá)到16 ℃,造成該地區(qū)大范圍大風(fēng)、降水天氣。16時(shí)(圖3d)西安地區(qū)的冷池和渭南南部的冷池合并北上接近銅川地區(qū),與冷池對(duì)應(yīng)的是正變壓。17時(shí)(圖3e)冷池移動(dòng)至渭南西北部,強(qiáng)度依然達(dá)到-10 ℃。 18時(shí)(圖3f)冷池中心北移至渭南、延安交界處,強(qiáng)度明顯減弱??梢钥闯?,冷池的強(qiáng)度、位置變化和回波強(qiáng)度、災(zāi)害性天氣的發(fā)展演變基本一致,陣風(fēng)鋒位于冷池前沿,兩者相伴存在,冷池與陣風(fēng)鋒強(qiáng)度和維持有密切關(guān)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(diǎn)風(fēng)場(chǎng)(a—f依次為13—18時(shí))
雷達(dá)中心涇河站10 min的溫度、露點(diǎn)、氣壓及風(fēng)的演變(圖4a)顯示,14:40—15:10降溫13.6 ℃,氣壓升高2.3 hPa,風(fēng)向順轉(zhuǎn)154°,其中14:40—14:45氣溫下降4.5 ℃,露點(diǎn)溫度下降4 ℃,氣壓上升1.1 hPa,風(fēng)向由東南風(fēng)順轉(zhuǎn)為西南風(fēng),風(fēng)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(shí)5 min間隔變溫及5 min累計(jì)降水(圖4b)顯示,14:20左右陣風(fēng)鋒過境,5 min內(nèi)氣溫下降5 ℃,隨著氣溫下降,大氣接近飽和,同時(shí)風(fēng)向轉(zhuǎn)變,輻合增強(qiáng),降水產(chǎn)生并加強(qiáng),兩者的演變趨勢(shì)表明先有冷池降溫、而后產(chǎn)生降水,并不是因?yàn)榻邓陌l(fā)生使得氣溫下降。降溫幅度逐漸遞減,降水逐漸增強(qiáng),陣風(fēng)鋒過境帶來的冷池降溫及風(fēng)向輻合是產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的原因。從陣風(fēng)鋒移動(dòng)主軸方向上站點(diǎn)要素演變可以看出(圖略):14:00、14:20、14:45、15:10、15:40陣風(fēng)鋒依次經(jīng)過了長(zhǎng)安站、西安人大機(jī)關(guān)大院站、涇河站、高陵站、富平站,移速達(dá)到50 km/h。陣風(fēng)鋒過境后30 min內(nèi),氣溫持續(xù)下降直至最低點(diǎn);氣壓陡升之后持續(xù)緩慢上升直至最大值;風(fēng)速維持較大;露點(diǎn)在下降后有小幅回升。
大氣中深厚濕對(duì)流的發(fā)生需要垂直層結(jié)不穩(wěn)定、水汽和抬升觸發(fā)三個(gè)基本條件。從26日08時(shí)中尺度分析可以看出,關(guān)中東部、陜南東部地區(qū)有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的中尺度環(huán)境,利用地面觀測(cè)及再分析資料對(duì)26日14時(shí)雷暴生成前后基本要素進(jìn)行進(jìn)一步診斷分析。14時(shí)地面觀測(cè)顯示,關(guān)中東部地區(qū)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(shù)37.1 ℃,850 hPa以下溫度遞減率接近干絕熱線,大氣不穩(wěn)定度高。從26日14時(shí)110°E多要素剖面可以看出(圖5),低層?xùn)|南風(fēng)和高層?xùn)|北風(fēng)之間存在明顯的干濕對(duì)比,風(fēng)垂直切變較08時(shí)增強(qiáng),以35°N為中心中低層有弱的上升運(yùn)動(dòng),表明存在初始擾動(dòng)。圖6為26日14時(shí)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(qiáng),有利于強(qiáng)迫暖空氣上升產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),高層有冷平流自北向南擴(kuò)散,且冷平流中心逐漸下降有利于增強(qiáng)大氣垂直方向不穩(wěn)定度。可見,高層?xùn)|北路干冷空氣和低層?xùn)|南風(fēng)暖濕氣流的共同增強(qiáng),使該地區(qū)冷暖空氣疊置,大氣不穩(wěn)定度增加,低層弱的上升運(yùn)動(dòng)形成初始擾動(dòng),當(dāng)陣風(fēng)鋒移入后極易觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。
圖4 2018-07-26陣風(fēng)鋒過境時(shí)氣象要素演變(a 14:20—15:20涇河站;b 14—15時(shí)星火立交站)
由26日逐小時(shí)地面觀測(cè)資料可見(圖略),09時(shí)西安地區(qū)有弱輻合,11時(shí)西安地區(qū)風(fēng)場(chǎng)存在氣旋式輻合,風(fēng)場(chǎng)初始擾動(dòng)有利于對(duì)流系統(tǒng)移入后增強(qiáng)發(fā)展。從雷達(dá)回波和自動(dòng)站要素演變可以看出,最初在秦嶺山區(qū)活動(dòng)的對(duì)流云團(tuán),下山過程中和秦嶺北麓多個(gè)局地對(duì)流單體合并加強(qiáng)形成有組織的多單體風(fēng)暴,風(fēng)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(jìn)而形成陣風(fēng)鋒,多單體風(fēng)暴及陣風(fēng)鋒隨著環(huán)境風(fēng)向北推進(jìn)的過程中,進(jìn)入能量、不穩(wěn)定機(jī)制、初始擾動(dòng)條件都較好的地區(qū),迅速觸發(fā)形成新的對(duì)流。
圖5 2018-07-26T14:00沿110°E風(fēng)場(chǎng)、垂直速度(填色,單位:Pa/s)及相對(duì)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)
雷暴的發(fā)展和維持通常和雷暴與低層風(fēng)切變的關(guān)系、雷暴與輻合線相遇、多個(gè)雷暴合并、雷暴與出流邊界的距離、低層輻合的強(qiáng)度等因素有關(guān)[5]。從探空資料及地面自動(dòng)站資料分析可以看出,此次過程關(guān)中東部低層以偏東風(fēng)為主,700 hPa為西南風(fēng),0~3 km切變比0~6 km切變更明顯,陣風(fēng)鋒形成后自西南向東北移動(dòng),低層的偏東風(fēng)和向東北移動(dòng)的雷暴出流輻合,有利于觸發(fā)新的對(duì)流,新生對(duì)流的上升氣流在中層偏西環(huán)境風(fēng)引導(dǎo)下向東伸展,和低層單體移動(dòng)方向一致,可以保持對(duì)流單體中上升運(yùn)動(dòng)垂直向上發(fā)展。根據(jù)Wilson等[6-7]的結(jié)論,當(dāng)雷暴生成后,如果邊界層內(nèi)的風(fēng)向與雷暴運(yùn)動(dòng)方向或出流邊界相反,而邊界層以上的風(fēng)向與之相同,則有利于雷暴的維持和加強(qiáng)。本次過程雷暴及環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的配置與上述判斷條件基本吻合,因此雷暴的強(qiáng)度不斷加強(qiáng)且自身組織程度越來越高,形成強(qiáng)的下沉氣流維持冷池的強(qiáng)度,冷池過境造成大風(fēng)天氣。從雷達(dá)回波演變分析中可以看出,陣風(fēng)鋒觸發(fā)形成的雷暴移動(dòng)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(qiáng),新對(duì)流的補(bǔ)充有利于風(fēng)暴迅速?gòu)?qiáng)烈發(fā)展[11],造成咸陽東南部、渭南北部的大風(fēng)天氣,冷池的補(bǔ)充有利于陣風(fēng)鋒維持,整個(gè)強(qiáng)對(duì)流天氣持續(xù)5 h左右。
(1)本次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中,關(guān)中東部地區(qū)受副高控制,具有良好的不穩(wěn)定能量和溫濕條件,500 hPa淺槽侵入副高內(nèi)部,增強(qiáng)層結(jié)不穩(wěn)定,槽前上升運(yùn)動(dòng)有利于不穩(wěn)定能量釋放。
(2)陣風(fēng)鋒是本次強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)機(jī)制。新的對(duì)流單體在陣風(fēng)鋒前徑向風(fēng)風(fēng)向切變最大的地方觸發(fā)。大風(fēng)天氣出現(xiàn)在陣風(fēng)鋒后部強(qiáng)的反射率因子梯度區(qū)。
(3)陣風(fēng)鋒位于冷池前沿,兩者的發(fā)展演變密切相關(guān)。陣風(fēng)鋒過境后30 min內(nèi),氣溫持續(xù)下降至最低點(diǎn);氣壓陡升后持續(xù)緩慢上升直至最大值;風(fēng)速維持較大值;露點(diǎn)在下降后有小幅回升。
(4)邊界層內(nèi)風(fēng)向與陣風(fēng)鋒移動(dòng)方向相反,而邊界層之上的風(fēng)向與之相同是陣風(fēng)鋒觸發(fā)的對(duì)流風(fēng)暴維持加強(qiáng)的一個(gè)因素。雷暴合并加強(qiáng)補(bǔ)充了冷池強(qiáng)度,使陣風(fēng)鋒及強(qiáng)對(duì)流天氣維持較長(zhǎng)時(shí)間。