許長義 卜清軍 黃安寧

1 天津市濱海新區(qū)氣象局，天津 300457 2 南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210023

提 要： 為加深對雷暴陣風(fēng)鋒多樣性的認(rèn)識，利用多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、邊界層氣象鐵塔、地面加密自動觀測資料結(jié)合VDRAS系統(tǒng)分析場資料，對比分析了2016年6月10日渤海灣連續(xù)出現(xiàn)的兩條陣風(fēng)鋒的差異及相互聯(lián)系。結(jié)果表明：兩條陣風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)存在明顯差異，陣風(fēng)鋒1前沿強切變位置形成近地層γ中尺度渦旋，邊界層和對流層低層的西南暖濕氣流沿陣風(fēng)鋒1輸送到雷暴母體；陣風(fēng)鋒2呈現(xiàn)兩支強入流的典型動力結(jié)構(gòu)，一支位于其后側(cè)邊界層內(nèi)呈強東北入流，另一支位于前側(cè)對流層低層呈強西南入流，兩支入流分別構(gòu)成陣風(fēng)鋒前側(cè)反環(huán)流和后側(cè)正環(huán)流圈。冷池與低層垂直風(fēng)切變的配置對陣風(fēng)鋒的發(fā)展維持起到重要作用。陣風(fēng)鋒1后部冷池強度相對較弱，低層垂直風(fēng)切變強于冷池傳播速度，雷暴單體具有向冷區(qū)傾斜的層云結(jié)構(gòu)，不利于系統(tǒng)的發(fā)展加強；陣風(fēng)鋒2后部冷池發(fā)展強盛，冷池傳播速度強于低層垂直風(fēng)切變，雷暴單體內(nèi)的上升氣流更加豎直，從而促進(jìn)雷暴單體加強發(fā)展。陣風(fēng)鋒前沿γ中尺度渦旋和后部冷池存在相互影響及內(nèi)在關(guān)聯(lián)，近地層γ中尺度渦旋的碰撞，增強了兩條陣風(fēng)鋒之間的輻合抬升，同時配合冷池的合并增強，加劇了低層不穩(wěn)定，有利于維持上下層旋轉(zhuǎn)，形成較強的水平渦度，從而導(dǎo)致對流風(fēng)暴快速加強發(fā)展并演變?yōu)楣位夭ā?/p>

引 言

渤海灣地區(qū)地形復(fù)雜，對流的新生、加強和減弱是短時臨近預(yù)報的重點，也是難點。一場局地性、突發(fā)性強對流天氣不僅會導(dǎo)致沿海城市的交通癱瘓，而且會給港口安全生產(chǎn)作業(yè)帶來嚴(yán)重隱患。夏季對流新生常常會引起局地短時強降水、雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷等災(zāi)害性天氣(崔新艷等，2021；萬夫敬等，2021)。雷暴出流邊界或外流邊界也稱陣風(fēng)鋒，是常見的對流觸發(fā)條件(Wilson and Schreiber,1986；Wilson and Mueller,1993；Wilson and Megenhardt,1997；Wilson and Roberts,2006；俞小鼎等，2020)，尤其是在暖季雷暴多發(fā)期。另外，陣風(fēng)鋒與對流系統(tǒng)的加強和減弱也有密切關(guān)系(Fritsch and Vislocky,1996；Wilson and Megenhardt,1997；俞小鼎等，2012)。由于陣風(fēng)鋒不僅本身會導(dǎo)致大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，同時陣風(fēng)鋒觸發(fā)的對流有時也會帶來惡劣天氣，具有強致災(zāi)性。因此，陣風(fēng)鋒的研究對掌握災(zāi)害性天氣的發(fā)生發(fā)展規(guī)律、提升臨近預(yù)警能力具有積極意義(俞小鼎和鄭永光，2020)。

陣風(fēng)鋒作為邊界層內(nèi)不穩(wěn)定觸發(fā)因子之一，在對流風(fēng)暴的局地新生及演變中發(fā)揮著重要的作用(陳明軒等，2017)。席寶珠等(2015)總結(jié)了中國學(xué)者對陣風(fēng)鋒開展的相關(guān)研究，闡明了陣風(fēng)鋒的空間結(jié)構(gòu)、類型及其特征，提出了陣風(fēng)鋒的主觀識別方法。何娜等(2020)對北京及周邊地區(qū)陣風(fēng)鋒過程進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)有67 %的陣風(fēng)鋒過程能夠觸發(fā)對流，表明陣風(fēng)鋒對雷暴具有較強的抬升觸發(fā)能力。陶嵐等(2016a)系統(tǒng)地研究了上海地區(qū)的移動型陣風(fēng)鋒，根據(jù)陣風(fēng)鋒生成的時段以及與母體雷暴的相互作用和影響分為兩類：一類出現(xiàn)在雷暴發(fā)展、成熟階段，陣風(fēng)鋒與雷暴保持一定距離同向運動，雷暴母體通常伴有高懸的后側(cè)入流急流，生命史超過2 h；另一類出現(xiàn)在雷暴的減弱、消亡階段，出現(xiàn)后逐漸遠(yuǎn)離雷暴，雷暴母體通常伴有從雷暴系統(tǒng)后側(cè)傾斜向下正好達(dá)到雷暴前側(cè)陣風(fēng)鋒處的后側(cè)入流急流。陣風(fēng)鋒過境后地面具有明顯的輻散特征(Klingle et al,1987；刁秀廣等，2011)，鋒前則有輻合特征，陣風(fēng)鋒附近能夠觀測到上升運動(Browning et al,2007；Harrison et al,2009；Karan and Knupp,2009；Quan et al,2014)。吳舉秀等(2017)對陣風(fēng)鋒及鋒后大風(fēng)演變特征進(jìn)行分析，指出風(fēng)暴后部入流導(dǎo)致更強的下沉氣流，從而在地面產(chǎn)生更強的下?lián)舯┝?。鄭麗娜和刁秀廣(2016)分析華北颮線陣風(fēng)鋒特征發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)鋒首先產(chǎn)生在颮線的強雷暴群前，并隨著颮線的增強而增強。此外，冷池與陣風(fēng)鋒強度和維持直接相關(guān)，冷池在陣風(fēng)鋒形成過程中起主導(dǎo)作用(岳彩軍等，2016；雷蕾等，2021)，對于陣風(fēng)鋒形成過程中冷池演變特征的認(rèn)識仍需要進(jìn)一步深入分析。

另一方面，陣風(fēng)鋒形成機制復(fù)雜，既能在其邊界上產(chǎn)生致災(zāi)強風(fēng)，也能觸發(fā)新生雷暴單體，與對流系統(tǒng)之間存在著相互作用和相互影響的復(fù)雜關(guān)系。陣風(fēng)鋒移動過程中，導(dǎo)致雷暴近環(huán)境的垂直風(fēng)切變增大、地面輻合強度增強，從而促進(jìn)周邊雷暴的新生和加強(陶嵐等，2016b)。鄭艷等(2017a)認(rèn)為陣風(fēng)鋒對對流風(fēng)暴的正反饋作用、對流風(fēng)暴前側(cè)的暖濕入流與后側(cè)冷池出流，三者自組織結(jié)構(gòu)是多單體風(fēng)暴維持和加強的主要原因。海風(fēng)鋒、陣風(fēng)鋒等邊界層輻合線在海南文昌EF2級龍卷形成過程中起決定性作用 ，下沉氣流導(dǎo)致的出流相遇在海風(fēng)鋒輻合線上觸發(fā)了龍卷母云體(王秀明和俞小鼎，2019)。超級單體南側(cè)的陣風(fēng)鋒與東移颮線陣風(fēng)鋒相遇而加強地面輻合，有助于低層中氣旋獲得拉伸旋轉(zhuǎn)加速而形成龍卷(鄭艷等，2017b)。Trapp and Weisman(2003)、Markowski and Richardson(2010)和Wakimoto et al(2016)的數(shù)值模擬研究表明，冷池前沿的斜壓水平渦管受下沉氣流傾斜影響可能形成近地面γ中尺度渦旋，陣風(fēng)鋒前沿的強切變位置也會形成近地面γ中尺度渦旋。由此可見，陣風(fēng)鋒在對流風(fēng)暴新生、發(fā)展和維持過程中起著重要的作用，且維持對流風(fēng)暴的方式迥異，因而不同特征的陣風(fēng)鋒發(fā)展維持機制也需要做進(jìn)一步研究。

2016年6月10日，我國渤海灣地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)兩條雷暴陣風(fēng)鋒，造成天津、河北多個國家級氣象觀測站出現(xiàn)8級以上雷暴大風(fēng)，兩條陣風(fēng)鋒及其后部冷池演變特征復(fù)雜。本文在對比分析兩條陣風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)差異特征基礎(chǔ)上，著重討論兩條陣風(fēng)鋒的內(nèi)在聯(lián)系及其與冷池演變的關(guān)系，以期加深對陣風(fēng)鋒多樣性的科學(xué)認(rèn)識，為今后類似過程的短時臨近預(yù)警提供參考。

1 資料介紹

(1)天津塘沽站和河北滄州站兩部CINRAD/SA多普勒天氣雷達(dá)逐6 min體掃觀測資料，用于分析陣風(fēng)鋒的回波特征和徑向速度特征。

(2)天津西青站CFL-16對流層Ⅰ型和河北黃驊站的CFL-03B型風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，時間分辨率為6 min，用于分析陣風(fēng)鋒的垂直氣流結(jié)構(gòu)特征。

(3)天津邊界層氣象鐵塔資料，風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和濕度的高度層次為5、10、20、30、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220和250 m，時間分辨率為1 min，用于分析陣風(fēng)鋒的近地層熱力、動力結(jié)構(gòu)特征。

(4)VDRAS(Variational Doppler Radar Analysis System)資料，該系統(tǒng)由北京城市氣象研究院研發(fā)，通過快速刷新四維同化技術(shù)和三維數(shù)值云模式，實現(xiàn)同化京津冀地區(qū)4部(北京、天津、石家莊、秦皇島)S波段天氣雷達(dá)和2部(張北、承德)C波段天氣雷達(dá)的反射率因子和徑向速度，同時融合京津冀區(qū)域5 min地面自動站觀測資料和BJ-RUC v2.0數(shù)值模式結(jié)果，分析輸出低層的動力場和熱力場以及與之相關(guān)的解釋應(yīng)用產(chǎn)品。其中系統(tǒng)的三維云模式采用考慮溫度冷卻影響的暖云參數(shù)化方案，該資料為非靜力模式輸出資料。本文采用的資料水平分辨率為5 km，垂直分辨率為400 m，時間分辨率為18 min，用于揭示陣風(fēng)鋒發(fā)展過程中冷池的發(fā)展演變特征。為了驗證VDRAS反演物理量的準(zhǔn)確性，Sun et al(2010)已利用風(fēng)廓線雷達(dá)和地基微波輻射儀資料，分別對VDRAS反演的風(fēng)場和溫度場進(jìn)行相關(guān)檢驗的結(jié)果表明，風(fēng)速偏差小于-1.5 m·s-1，均方根誤差小于2.5 m·s-1，風(fēng)向偏差小于20°，均方根誤差小于45°；對于低層溫度來說，偏差小于-1.9℃，均方根誤差小于2.8℃，雖與實際有一定偏差，但均在合理范圍之內(nèi)。此外，對VDRAS系統(tǒng)反演結(jié)果的可靠性已經(jīng)過驗證(陳明軒等，2012;2016；肖現(xiàn)等，2015)。

(5)京津冀地區(qū)加密自動站觀測資料，要素包括降水、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、露點溫度和氣溫等，時間分辨率為1 h，用于分析近地面層中尺度環(huán)境。

(6)NCEP-FNL(1°×1°)再分析資料，時間分辨率為6 h，水平分辨率為1°×1°，垂直方向為31層，資料的時間段為2016年6月10日08時至11日08時(北京時，下同)，用于分析天氣尺度背景及環(huán)境條件。

2 實況及環(huán)流背景

2.1 天氣實況

2016年6月10日下午到傍晚，渤海灣地區(qū)出現(xiàn)大范圍雷暴、冰雹和短時強降水等強對流天氣，以8級以上的雷暴大風(fēng)為主要特征，其中10級以上大風(fēng)主要出現(xiàn)在渤海灣南岸，最大風(fēng)速出現(xiàn)在黃驊海事局碼頭，達(dá)到29.2 m·s-1(11級)。另外，有10個自動站觀測到冰雹，最大冰雹直徑為8 mm。此次強對流天氣導(dǎo)致受災(zāi)嚴(yán)重，特別是天津濱海新區(qū)茶淀街葡萄種植業(yè)遭受嚴(yán)重?fù)p害，受災(zāi)面積達(dá)367 hm2，直接經(jīng)濟損失為2 840萬元(1)源自2016年民政部統(tǒng)計數(shù)據(jù)。。

這次災(zāi)害性大風(fēng)先后受南北兩條陣風(fēng)鋒影響，圖1為6月10日14—23時渤海灣地區(qū)國家級自動站瞬時風(fēng)速≥17.0 m·s-1的實況分布和兩條陣風(fēng)鋒移動路徑。雷達(dá)資料顯示(圖略)，14—17時造成北京中南部雷暴大風(fēng)的系統(tǒng)為超級單體風(fēng)暴，其最大反射率因子超過65 dBz。從圖中可見，第一條陣風(fēng)鋒(稱為陣風(fēng)鋒1)于17時形成于天津西北部，19時移入渤海灣西岸，維持約2 h，造成渤海灣西岸8～9級雷暴大風(fēng)，其中國家級自動站最大風(fēng)速出現(xiàn)在西青站，風(fēng)速為17.2 m·s-1，出現(xiàn)時間為18:23。第二條陣風(fēng)鋒(稱為陣風(fēng)鋒2)于20時在河北中部形成，23時移入渤海灣南岸，維持近3 h，造成渤海灣南岸10～11級雷暴大風(fēng)，其中國家級自動站最大風(fēng)速出現(xiàn)在黃驊站，風(fēng)速為24.9 m·s-1，出現(xiàn)時間為21:28。

圖1 2016年6月10日14—23時渤海灣國家級自動站極大風(fēng)速實況分布和兩條陣風(fēng)鋒路徑(灰色為地形高度；“★”表示風(fēng)廓線雷達(dá)位置，“+”表示多普勒雷達(dá)位置，“▲”表示天津氣象鐵塔位置；綠色、紅色字體分別標(biāo)注陣風(fēng)鋒1、陣風(fēng)鋒2導(dǎo)致的極大風(fēng)速出現(xiàn)時間、地點和數(shù)值)Fig.1 Gust front tracks and distribution of observed maximum wind speed in Bohai Sea Bay from 14:00 BT to 23:00 BT 10 June 2016 (gray shaded: topography, ★: Wind Profiler, +: Doppler Radar, ▲: Tianjin Meteorological Tower; green font: the first gust front, red font: the second gust front)

為了進(jìn)一步了解兩條陣風(fēng)鋒經(jīng)過時氣象要素的變化特征，分別選取陣風(fēng)鋒移動路徑上的西青、黃驊兩個國家級氣象觀測站逐5 min觀測資料以探討陣風(fēng)鋒過境前后地面氣象要素演變特征。陣風(fēng)鋒1過境時，西青站首先表現(xiàn)為氣壓上升，隨后風(fēng)向突變(南風(fēng)突轉(zhuǎn)為西北風(fēng))，溫度和露點溫度驟降，地面溫度露點差高達(dá)15.4℃(圖2a)，表明近地層并無充分的水分供應(yīng)，陣風(fēng)鋒1過境后5 min西青站出現(xiàn)8級災(zāi)害性大風(fēng)。與經(jīng)典陣風(fēng)鋒模型(Goff，1976；Mahoney Ⅲ，1988)不同，陣風(fēng)鋒2過境時，黃驊站表現(xiàn)為溫度和露點溫度驟降，地面溫度露點差為3.3℃(圖2b)。氣壓涌升后迅速下降，出現(xiàn)雷暴“高壓鼻”現(xiàn)象，平均風(fēng)速增強至15.1 m·s-1，瞬時風(fēng)速達(dá)到24.9 m·s-1。

圖2 2016年6月10日(a)西青、(b)黃驊自動站氣象要素隨時間的變化(“▲”表示出現(xiàn)極大風(fēng)速時刻，數(shù)值表示極大風(fēng)速，綠色和紅色虛線分別表示陣風(fēng)鋒1和陣風(fēng)鋒2過境時刻)Fig.2 Variations of surface pressure, temperature, dew point temperatureand wind from the automatic weather observations at (a) Xiqing Station and (b) Huanghua Station on 10 June 2016 (“▲”: occurrence time of the maximum wind speed, green and red dashed lines: the time of the first and second gust fronts passing by, respectively)

2.2 天氣背景

如圖3所示，矩形為此次過程的主要影響區(qū)域。10日08時，500 hPa蒙古冷渦穩(wěn)定維持(圖3a)，渤海灣處于冷渦東南部的西南偏西氣流，風(fēng)速約為22～24 m·s-1。850 hPa上(圖3b)處于暖脊(19～20℃)前緣和低空西南急流(風(fēng)速為20～24 m·s-1)左前方，伴隨低空急流的發(fā)展有暖濕舌向北發(fā)展。中層入侵的干冷空氣疊加在低層暖濕空氣之上，導(dǎo)致850 hPa與500 hPa的溫度差超過28℃，“上干冷下暖濕”的結(jié)構(gòu)有利于形成強對流天氣發(fā)生發(fā)展所需的不穩(wěn)定能量條件(王秀明等，2014；鄭永光等，2017)。14時地面圖上津冀交界出現(xiàn)氣旋性渦旋(圖3c)，并配合強暖濕中心(溫度≥33℃，比濕≥12 g·kg-1)，與渤海冷中心之間形成高溫度梯度帶，這些都表明該區(qū)域大氣低層溫濕條件的改善進(jìn)一步增加了對流不穩(wěn)定能量。

圖3 2016年6月10日08時(a)500 hPa和(b)850 hPa等壓面圖,14時(c)地面圖以及(d)北京探空(圖3a～3c中，D、W、C分別表示低壓、暖中心、冷中心，標(biāo)有S的矩形區(qū)域表示對流系統(tǒng)的發(fā)生區(qū)域；虛線為等溫線，單位：℃；圖3a、3b中，藍(lán)實線為等高線，單位：dagpm，粗實線為槽線或切變線；圖3a中填色為溫度露點差，圖3b中填色為850 hPa與500 hPa溫度差；圖3c中，藍(lán)實線為等壓線，單位：hPa，填色為地面以上2 m高度處的比濕，粗虛線為地面輻合線；圖3d中綠色陰影為DCAPE區(qū))Fig.3 Synoptic setting at (a, b) 08:00 BT and (c, d) 14:00 BT 10 June 2016 (a) 500 hPa geopotential height (blue line, unit: dagpm), isotherm (dotted line, unit: ℃), depression of the dew point (colored), trough line (red line); (b) 850 hPa geopotential height (blue line, unit: dagpm), isotherm (dotted line, unit: ℃), temperature difference between 850 hPa and 500 hPa (colored), shear line (red line); (c) surface pressure field (blue line, unit: hPa), 2 m temperature (dotted line, unit: ℃), 2 m specific humidity (colored), surface convergence line (red dashed line); and (d) sounding in Beijing(in Figs.3a-3c, D: low pressure, W: warm center, C: cold center, rectangular: place with MCS; in Fig.3d, green shaded: DCAPE)

6月10日08時北京站探空資料顯示850 hPa與500 hPa溫差達(dá)到27℃。1 000～850 hPa為濕層，而800～500 hPa為干層，本文利用700、500、400 hPa三層的平均溫度露點差代表對流層中上層干空氣強度。08時對流層中上層干空氣強度高達(dá)20℃，存在明顯干層，且對流層中層為強風(fēng)區(qū)(500 hPa 風(fēng)速達(dá)23 m·s-1)，有利于大動量氣塊的夾卷。下沉對流有效位能(DCAPE，圖3d，600 hPa開始)達(dá)到1 153.9 J·kg-1，表明具有強下沉氣流和大風(fēng)產(chǎn)生的潛勢(McCann,1994；王秀明等，2012)。對流有效位能(CAPE)從08時的365 J·kg-1增大到14時的2 179 J·kg-1，08—14時CAPE的增幅及14時CAPE均較大，有利于不穩(wěn)定對流天氣的發(fā)展。

雷暴大風(fēng)的形成與強烈的下沉氣流及動量下傳有關(guān)(張琳娜等，2018)，一般而言，對應(yīng)于下沉氣流夾卷區(qū)的環(huán)境水平風(fēng)越強，動量下傳對地面大風(fēng)的貢獻(xiàn)越大(俞小鼎等，2012)。本文采用高曉梅等(2018)給出的風(fēng)暴承載層平均風(fēng)的計算方法，由850、700、500和300 hPa平均風(fēng)矢量的絕對值表示。通過計算，“6·10”過程風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速達(dá)16.5 m·s-1(表1)，對流風(fēng)暴移動速度較快，動量下傳效率高，有助于雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生和增強。此外，08時0～6 km垂直環(huán)境風(fēng)切變?yōu)?2.8 m·s-1，屬于強垂直風(fēng)切變。隨著高空冷渦的南下，強垂直風(fēng)切變與上升氣流之間的相互作用產(chǎn)生了抬升作用，增強中層干冷空氣吸入，加強了風(fēng)暴中下沉氣流和低層冷空氣外流，出現(xiàn)陣風(fēng)鋒，使得對流系統(tǒng)長時間維持。

表1 2016年6月10日北京探空站環(huán)境要素特征表Table 1 Variations of environmental parameters at Beijing Sounding Station

3 兩條陣風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)特征的異同點

從天津多普勒天氣雷達(dá)1.5°仰角反射率因子圖可以看出(圖4a)，18:18強回波中心位于距雷達(dá)中心西北方向35～40 km，向東南方向移動前沿25 km 附近出現(xiàn)窄帶回波，即為陣風(fēng)鋒1，其最強陣風(fēng)出流強度為10～12 m·s-1(圖略)，發(fā)展高度達(dá)1.7 km。雷暴母體1回波頂高維持在14～16 km，反射率因子核心強度維持在55～65 dBz。根據(jù)對流風(fēng)暴的運動方向沿著雷達(dá)徑向330°方向的垂直剖面可見，雷暴前沿的出流位于2 km以下，雷暴母體具有中層徑向輻合(mid-altitude radial convergence,MARC)特征(圖4c，黑色橢圓)，并伴有高懸的后側(cè)入流急流(rear inflow jet,RIJ)，RIJ達(dá)到對流風(fēng)暴前沿始終維持在4～8 km高度附近，最大速度為24 m·s-1。陣風(fēng)鋒1將其前側(cè)近地層-邊界層暖濕空氣抬升至2 km高度以上，并沿陣風(fēng)鋒輸送到雷暴母體中，使得雷暴母體穩(wěn)定維持。

圖4 2016年6月10日18:18天津雷達(dá)(a)1.5°仰角基本反射率因子,沿330°方向的(b)反射率因子和(c)徑向速度剖面(圖4a中綠色虛線表示陣風(fēng)鋒1;圖4c中白色箭頭表示后側(cè)入流急流，下同；黑色橢圓表示中層徑向輻合)Fig.4 (a) Base reflectivity factors at elevation 1.5°, (b) reflectivity cross-section and (c) radial velocity cross-section along the direction of 330° for Tianjin Radar at 18:18 BT 10 June 2016(in Fig.4a, green dashed: first gust front； in Fig.4c white arrow： RIJ, the same below； black ellipse： MARC)

天津邊界層氣象鐵塔數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制，風(fēng)場和溫濕場資料合理可靠(劉敬樂等，2020)，并在近年的強對流天氣過程中得到驗證(Quan et al,2014；許長義等，2017；吳進(jìn)等，2018)。天津鐵塔觀測到陣風(fēng)鋒1的邊界層氣象要素變化如圖5所示。陣風(fēng)鋒1過境時塔層整層為偏南風(fēng)，風(fēng)速不超過5.5 m·s-1，塔層整層依舊為干暖氣流控制。陣風(fēng)鋒1過境13 min后塔層整層轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，近地層開始劇烈降溫，最強降溫率首先表現(xiàn)在塔層低層，之后迅速上傳至塔層高層(圖5b)。注意到，陣風(fēng)鋒1過境后溫度變化率最大值從塔層低層30 m向上傳播至塔層頂層。18:25—18:29，短短4 min內(nèi)降溫達(dá)4～5℃，為整個過程最強降溫幅度，相對濕度增加幅度達(dá)10%～16%。陣風(fēng)鋒過境造成的降溫幅度超過其雷暴母體造成的降溫幅度。

圖5 2016年6月10日18:00—19:30天津邊界層氣象鐵塔不同高度層逐分鐘氣象要素時間演變(a)水平風(fēng)場，(b)溫度，(c)相對濕度Fig.5 Temporal variation of minutely meteorological elements at different heights of Tianjin Meteorological Tower from 18:00 BT to 19:30 BT 10 June 2016(a) horizontal wind, (b) temperature, (c) relative humidity

從河北滄州多普勒天氣雷達(dá)1.5°仰角反射率因子可以看出(圖6a)，10日21:42陣風(fēng)鋒2呈東西向，其對應(yīng)的雷暴母體2的反射率因子核心強度維持在60～65 dBz，55 dBz以上的強反射率因子核心伸展至11 km高度。區(qū)別于陣風(fēng)鋒1的RIJ結(jié)構(gòu)，陣風(fēng)鋒2的RIJ通過將干冷的中層空氣引導(dǎo)到地面，加強了對流風(fēng)暴的下沉運動(Smull and Houze, 1987)。陣風(fēng)鋒2與雷暴母體2的距離逐漸增大，尾部位于雷暴母體移動方向的右前側(cè)，并且東移過程中弓形結(jié)構(gòu)更加明顯。陣風(fēng)鋒2引發(fā)的最強地面大風(fēng)位于其移動方向的北端，其垂直伸展高度達(dá)2.6 km(圖6b)，明顯高于陣風(fēng)鋒1的垂直伸展高度。

圖6 2016年6月10日21:42滄州雷達(dá)(a)1.5°仰角基本反射率因子,沿105°方向的(b)反射率因子和(c)徑向速度剖面(圖6a中紅色虛線表示陣風(fēng)鋒2，下同)Fig.6 (a) Base reflectivity factors at elevation 1.5°, (b) reflectivity cross-section and (c) radial velocity cross-section along the direction of 105° for Cangzhou Radar at 21:42 BT 10 June 2016(in Fig.6a, red dashed line： the second gust front, the same below)

4 兩條陣風(fēng)鋒垂直氣流特征的異同點

4.1 風(fēng)廓線雷達(dá)資料可用性分析

為檢驗風(fēng)廓線雷達(dá)資料的可用性，選取兩次雷暴過程中風(fēng)廓線雷達(dá)與上游對流系統(tǒng)影響的探空站風(fēng)場進(jìn)行對比檢驗。從圖7可知，兩部風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場在低層差異較高層的略大(王棟成等，2019)，除150 m附近西青站與北京站風(fēng)向差異大于30°、3 km附近黃驊站與邢臺站風(fēng)向差異超過60°外，其他層次風(fēng)向、風(fēng)速基本一致?？傮w上看，兩部風(fēng)廓線雷達(dá)與探空站風(fēng)向、風(fēng)速大體一致，表明此次雷暴期間風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場數(shù)據(jù)可用。

圖7 2016年6月10日20時(a，c)西青風(fēng)廓線雷達(dá)與北京探空站,(b，d)黃驊風(fēng)廓線雷達(dá)與邢臺探空站的(a，b)風(fēng)向,(c，d)風(fēng)速對比Fig.7 Comparison of (a, b) wind direction and (c, d) wind velocity (a, c) between Beijing Sounding and Xiqing Wind Profiler Radar, and (b, d) Xingtai Sounding and Huanghua Wind Profiler Radar at 20:00 BT 10 June 2016

在有降水的情況下，風(fēng)廓線雷達(dá)測得的垂直速度是空氣和雨滴兩者垂直運動之和(馬建立等，2015)。本次過程西青站20:00前和黃驊站21:40前均未出現(xiàn)降水，故未對所用風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度進(jìn)行訂正。

4.2 兩條陣風(fēng)鋒垂直氣流差異特征

基于天津多普勒天氣雷達(dá)1.5°基本反射率因子判斷陣風(fēng)鋒1移入西青站時間為18:18(圖4a)，從西青站風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場和垂直速度演變可知(圖8a)，此時對流層中層(3～7 km)處于西風(fēng)氣流控制，平均強度為18.8 m·s-1，但始終未下傳，對流層低層(1.5～3 km)西南暖濕氣流平均強度達(dá)12.4 m·s-1。下沉速度擴散至990 m高度附近，上升速度自6.5 km高度附近下傳至1 km以下，18:24，上升和下沉運動同時達(dá)到最強，分別在2.3 km 和5.7 km達(dá)到1.0 m·s-1和1.4 m·s-1，此時西青站出現(xiàn)17.2 m·s-1的災(zāi)害性大風(fēng)。注意到陣風(fēng)鋒1過境5 min后對流層中層下沉氣流開始下傳，西青站出現(xiàn)災(zāi)害性大風(fēng)，說明其最大陣風(fēng)不是陣風(fēng)鋒本體造成的，而是陣風(fēng)鋒過境后造成的。陣風(fēng)鋒1過境時，下沉氣流還未達(dá)到地面，隨著陣風(fēng)鋒后部強下沉氣流達(dá)到地面，出現(xiàn)災(zāi)害性大風(fēng)。

從黃驊站風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場演變可知(圖8b)，陣風(fēng)鋒2過境前，對流層中層有冷空氣再次補充，干冷氣流平均強度增強至21.2 m·s-1，21時前后對流層中層大風(fēng)速核(28 m·s-1)開始逐漸下傳，較雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)提前約30 min，整層均處于西北氣流控制。21:24，上升和下沉運動同時達(dá)到最強，分別在2.5 km和3.5 km達(dá)到0.9 m·s-1和2.6 m·s-1。陣風(fēng)鋒2作為輻散氣流的前沿，其邊界層對應(yīng)下沉運動，對流層低層為上升運動，陣風(fēng)鋒頂高對應(yīng)上升速度最大值。與Goff(1976)分析的經(jīng)典陣風(fēng)鋒垂直氣流結(jié)構(gòu)相比，陣風(fēng)鋒2呈現(xiàn)出兩支強入流氣流為典型特征的動力結(jié)構(gòu)：其后側(cè)150～750 m的邊界層內(nèi)則為強烈的東北入流(18.5 m·s-1)，對應(yīng)下沉運動；前側(cè)990～2 190 m的對流層低層為強烈的西南入流(20.4 m·s-1)，對應(yīng)上升運動。

圖8 2016年6月10日(a)17:30—20:06西青站和(b)20:30—21:48黃驊站150～7 160 m高度的水平風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)、全風(fēng)速(灰色實線，單位：m·s-1)及垂直速度廓線(填色)(“Δ”表示出現(xiàn)極大風(fēng)速時刻，綠色、紅色虛線分別表示陣風(fēng)鋒1、陣風(fēng)鋒2過境時刻)Fig.8 Profiles of horizontal wind field (vector, unit: m·s-1), speed (gray solid line, unit: m·s-1) and vertical velocity (colored) at (a) Xiqing Station from 17:30 BT to 20:06 BT and (b) Huanghua Station from 20:30 BT to 21:48 BT at 150-7 160 m height on 10 June 2016(“Δ” denotes the time with maximum wind speed, green and red dashed lines denote the time of the first and second gust fronts passing by, respectively)

5 冷池與陣風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)變化對比分析

陣風(fēng)鋒的發(fā)展演變及其造成地面大風(fēng)的強度仍是當(dāng)前短時臨近預(yù)報業(yè)務(wù)的難點之一。利用VDRAS反演資料和加密自動站資料分析陣風(fēng)鋒與冷池的關(guān)系及其造成地面大風(fēng)強度差異的原因。

5.1 冷池的演變及聯(lián)系

陣風(fēng)鋒的發(fā)展維持與冷池的發(fā)展密切相關(guān)。從地面要素變化可以看出，10日18時對流風(fēng)暴中心開始出現(xiàn)大于20 mm·h-1的短時強降水，與陣風(fēng)鋒1伴隨的近地層冷池1造成地面1 h正變壓達(dá)3 hPa，負(fù)變溫達(dá)12℃，冷池邊界后部形成輻散性風(fēng)場，冷池前部為暖濕入流造成的負(fù)變壓區(qū)(圖9a)。19時隨著陣風(fēng)鋒1東移入海，出現(xiàn)鋒前負(fù)變壓、鋒后正變壓和尾流負(fù)變壓的中尺度氣壓場特征，強回波朝著負(fù)變壓中心發(fā)展。陣風(fēng)鋒兩側(cè)變溫梯度達(dá)1.9 ℃·(10 km)-1，變壓梯度達(dá)1.7 hPa·(10 km)-1，地面大風(fēng)速區(qū)出現(xiàn)在等壓線和等溫線梯度大值區(qū)。

20時隨著對流風(fēng)暴衍生的新冷池2與原有冷池1逐漸擴展靠近，兩個冷池前沿的兩條陣風(fēng)鋒發(fā)生碰撞。與陣風(fēng)鋒1不同，陣風(fēng)鋒2并無鋒前負(fù)變壓和尾流負(fù)變壓現(xiàn)象(圖9c)。21時冷池2進(jìn)一步擴展增強，造成地面1 h正變壓中心達(dá)4.5 hPa(圖9d)。陣風(fēng)鋒2兩側(cè)變溫梯度達(dá)1.3 ℃·(10 km)-1，變壓梯度為0.6 hPa·(10 km)-1，地面大風(fēng)速區(qū)出現(xiàn)在負(fù)變溫大值區(qū)(圖9e)。

5.2 冷池與近地層γ中尺度渦旋的演變特征

為了進(jìn)一步探討陣風(fēng)鋒發(fā)展維持機制，本文利用VDRAS系統(tǒng)反演的熱力和動力場研究冷池與陣風(fēng)鋒的相對位置和強弱(陳明軒等，2011)。從圖10a看出，陣風(fēng)鋒1在200 m高度為西南風(fēng)，強度達(dá)到10～12 m·s-1，將近地層暖濕氣流不斷輸送到雷暴發(fā)展區(qū)域，雷暴單體形成冷池1及其前沿明顯的出流邊界，冷池中心的最低擾動溫度為-2.5℃，擾動溫度梯度呈弧形結(jié)構(gòu)，陣風(fēng)鋒1前沿存在強烈的暖濕抬升，最大上升速度達(dá)1.0 m·s-1。注意到陣風(fēng)鋒1前沿最強切變位置存在多個近地層γ中尺度氣旋性渦旋中心(圖10a,10b數(shù)字標(biāo)注)，最強渦度值為2.8×10-5s-1，其水平尺度為5～15 km，垂直伸展至1 km高度(圖略)，對應(yīng)位置多普勒天氣雷達(dá)識別出相應(yīng)中尺度氣旋。20時陣風(fēng)鋒2出現(xiàn)，兩條陣風(fēng)鋒前沿的γ中尺度氣旋性渦旋逐漸靠近，20:36兩條陣風(fēng)鋒碰撞，受對流風(fēng)暴下沉氣流和較強環(huán)境西南風(fēng)場影響，兩冷池之間形成強烈的輻合抬升區(qū)，γ中尺度氣旋性渦旋合并并迅速增強，其最大強度達(dá)3.4×10-5s-1(圖10d)，最大伸展厚度達(dá)1.4 km(圖略)。隨著時間推移，陣風(fēng)鋒2在200 m高度處的環(huán)境西南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)(圖10e)，將近地層冷濕氣流不斷輸送至雷暴發(fā)展區(qū)域，形成強冷池及其前沿明顯的出流邊界，冷池中心的最低擾動溫度增強為-3.5℃，冷池增強導(dǎo)致邊緣處存在較強的風(fēng)切變，有利于維持上下層旋轉(zhuǎn)，形成較強的水平渦度，低層輻合輻散場上能夠明顯看到與出流邊界對應(yīng)的低層輻合帶，最大輻合上升速度達(dá)1.8 m·s-1。從擾動溫度可以看出，與渤海灣西岸和南岸的兩個風(fēng)暴相伴隨的冷池都在不斷加強，并逐漸擴展和靠近(圖10d)，使得渤海灣南岸的低層暖濕空氣不斷被抬升，形成了有利于風(fēng)暴加強的動力條件，而冷池前沿兩條陣風(fēng)鋒的碰撞又加劇了這種低層的不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致對流風(fēng)暴快速加強發(fā)展并演變?yōu)楣位夭?圖6a)。

圖10 2016年6月10日VDRAS資料反演的200 m高度水平風(fēng)場、擾動溫度(填色)和渦度(紅色實線，單位：10-5·s-1)(a)18:12，(b)19:12，(c)20:00，(d)20:36，(e)21:12，(f)21:42(綠色、紅色虛線分別表示陣風(fēng)鋒1、陣風(fēng)鋒2，綠色、紅色數(shù)字分別表示其前沿γ中尺度渦旋；圖10a和10f中的紅色鉛直虛線為圖12剖面路徑)Fig.10 The VDRAS wind perturbation temperature (colored) and vorticity (red solid line, unit: 10-5·s-1) at 200 m height on 10 June 2016 (a) 18:12 BT, (b) 19:12 BT, (c) 20:00 BT, (d) 20:36 BT, (e) 21:12 BT, (f) 21:42 BT(Green and red fonts are the first and the second gust fronts； green and red numbers represent γ-meso scale vortices along the leading edges, respectively; in Figs.10a, 10f, red vertical dashed line indicates the section path in Fig.12)

5.3 冷池與低層垂直風(fēng)切變的配置對陣風(fēng)鋒發(fā)展維持作用

根據(jù)RKW理論(Rotunno et al,1988;Weisman et al,1988;Weisman and Rotunno,2004)，當(dāng)冷池傳播速度與對應(yīng)低層垂直切變(一般取ΔU0～3 km)相當(dāng)時，對流風(fēng)暴將穩(wěn)定發(fā)展。其中冷池傳播速度(C)可認(rèn)為是二維密度流的傳播速度(Benjamin，1968)，假設(shè)冷池具有擾動位溫(Δθ)、厚度為H，則冷池傳播速度可按照冷池造成的氣壓擾動進(jìn)行估計：

與陣風(fēng)鋒1不同，陣風(fēng)鋒2發(fā)展初期，C/ΔU=2.1(圖11b)，此時地面冷池起驅(qū)動作用，在陣風(fēng)鋒形成過程中占主導(dǎo)地位。之后低層垂直風(fēng)切變迅速增大，21:20，C/ΔU≈1，此時雷暴單體發(fā)展最為強盛(紀(jì)彬等，2020)，在此狀態(tài)下冷池密度流向外擴展速度加快，導(dǎo)致雷暴母體與陣風(fēng)鋒之間的距離增大(圖6a)，使得發(fā)展旺盛的雷暴單體在其上游產(chǎn)生的垂直上升運動有一定的發(fā)展空間。21:30冷池傳播速度達(dá)到峰值(31.0 m·s-1)，雷暴單體內(nèi)的上升氣流更加豎直，有利于低層濕空氣直接經(jīng)陣風(fēng)鋒抬升至凝結(jié)高度并進(jìn)入雷暴單體內(nèi)，從而促進(jìn)雷暴單體的進(jìn)一步發(fā)展，這也進(jìn)一步說明了兩條陣風(fēng)鋒的強度差異原因。冷池傳播速度峰值比地面災(zāi)害性大風(fēng)強度(24.9 m·s-1)偏強1個量級。

5.4 兩條陣風(fēng)鋒之間的聯(lián)系

從上述分析可以看出，由于兩條陣風(fēng)鋒前沿近地層γ中尺度氣旋性渦旋的合并及迅速加強，配合兩冷池之間形成強烈的輻合抬升區(qū)，使得對流風(fēng)暴附近的低層暖濕空氣不斷被抬升，形成了有利于風(fēng)暴新生加強的動力條件，而兩條陣風(fēng)鋒的相互作用(碰撞)，加劇了這種低層的不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致雷暴母體2在渤海灣南岸附近快速加強。雷達(dá)觀測顯示，雷暴母體2的組織化發(fā)展過程發(fā)生在20:48—22:18，21:12雷暴母體1前沿陣風(fēng)鋒1末端觸發(fā)的新生單體與西南方向傳播與西段對流系統(tǒng)前沿陣風(fēng)鋒2相遇，相遇處對流存在快速增強過程，最大反射率因子從45 dBz增強至63 dBz，垂直液態(tài)水含量值從35 kg·m-2迅速躍增至65 kg·m-2。陣風(fēng)鋒2成為連接兩條對流系統(tǒng)的“橋”，最終雷暴母體2演變?yōu)楣位夭?。而陣風(fēng)鋒1逐漸遠(yuǎn)離雷暴母體1，入流氣流被切斷，造成雷暴母體1強度減弱。

圖11 2016年6月10日(a)陣風(fēng)鋒1和(b)陣風(fēng)鋒2的冷池傳播速度、0～3 km垂直風(fēng)切變及兩者比值的時間演變(“▲”表示出現(xiàn)極大風(fēng)速時刻)Fig.11 Time series of the speed of cold pool (C, unit: m·s-1), 0-3 km AGL vertical wind shear (ΔU, unit: m·s-1) and C/ΔU during the passage of (a) the first gust front and (b) the seond gust front (▲: the time with maximum wind speed)

6 陣風(fēng)鋒形成機制及概念模型對比分析

為了更好地說明冷池與環(huán)境風(fēng)場的相互配合對陣風(fēng)鋒的發(fā)展維持機制，分別沿兩條陣風(fēng)鋒移動方向做水平風(fēng)速、散度和V-W合成風(fēng)場垂直剖面圖(圖12)。這里規(guī)定沿冷空氣到暖空氣一側(cè)順時針垂直環(huán)流為正環(huán)流(記為P)，逆時針垂直環(huán)流為反環(huán)流(記為A)。兩條陣風(fēng)鋒的垂直氣流結(jié)構(gòu)均以其前側(cè)反環(huán)流圈A和后側(cè)正環(huán)流圈P為典型特征，區(qū)別在于垂直環(huán)流圈的伸展高度和強度。陣風(fēng)鋒1后側(cè)垂直環(huán)流圈伸展高度約1.8 km，與雷達(dá)觀測到的最大發(fā)展高度(1.7 km)基本吻合。后側(cè)出流支位于對流層低層(2.6～3.4 km)。0.6 km以下表現(xiàn)為輻散下沉特征，輻散中心強度為-0.3×10-5s-1，0.2～1.4 km表現(xiàn)為輻合特征，輻合中心強度為2.0×10-5s-1，下沉運動與鋒后上升運動結(jié)合構(gòu)成垂直環(huán)流，其上升支在1.5 km和0.6 km附近最大上升速度和下沉速度分別為3.9 m·s-1和0.3 m·s-1。陣風(fēng)鋒后0.2 km高度附近最大水平風(fēng)速達(dá)18 m·s-1，與其造成的地面最大陣風(fēng)風(fēng)速基本持平。

從VDRAS反演結(jié)果來看，陣風(fēng)鋒2在1.4 km以下表現(xiàn)為輻合特征(圖12b)，輻合中心強度為2.4×10-5s-1，下沉運動與鋒后上升運動結(jié)合構(gòu)成垂直環(huán)流，上升支伸展高度約2.6 km。0.2 km輻散中心強度達(dá)-1.0×10-5s-1，0.9 km附近最大下沉速度為0.8 m·s-1，下沉輻散強度強于陣風(fēng)鋒1。0.2 km高度附近最大水平風(fēng)速達(dá)27 m·s-1(圖12b)，略大于地面觀測到的最大陣風(fēng)風(fēng)速(24.9 m·s-1)。區(qū)別于經(jīng)典陣風(fēng)鋒垂直結(jié)構(gòu)(Goff，1976；Mahoney Ⅲ，1988)，陣風(fēng)鋒2呈現(xiàn)兩支強入流為典型特征的動力結(jié)構(gòu)：一支位于陣風(fēng)鋒后側(cè)的邊界層內(nèi)(150～750 m)呈強東北入流(18.5 m·s-1)，另一支位于陣風(fēng)鋒前側(cè)對流層低層(990～2 190 m)呈強西南入流(20.4 m·s-1)，兩支入流分別構(gòu)成陣風(fēng)鋒前側(cè)反垂直環(huán)流圈和后側(cè)正垂直環(huán)流圈。在這一過程中，陣風(fēng)鋒2前后兩側(cè)不同高度、不同性質(zhì)的兩支入流加強，造成垂直環(huán)流和垂直風(fēng)切變隨之加強，即5.3節(jié)提到的0～3 km垂直風(fēng)切變增大本質(zhì)上是陣風(fēng)鋒雷暴母體發(fā)展反饋的結(jié)果，也是驅(qū)動雷暴入海發(fā)展加強的重要因素。

圖12 VDRAS反演的2016年6月10日(a)18:12沿圖10a，(b)21:42沿圖10f中紅色鉛直虛線的水平風(fēng)速(綠色虛線，≥8 m·s-1)、散度(填色)、V-W合成風(fēng)場(黑色流線，W放大50倍)的垂直剖面(▲代表陣風(fēng)鋒所在位置，粉色箭頭表示下沉氣流，黃色箭頭表示暖入流，黑色橢圓表示輻合區(qū)，A和P分別表示逆時針和順時針垂直環(huán)流圈)Fig.12 Cross-sections of the VDRAS retrieved horizontal wind speed (green dashed line, unit: m·s-1), divergence (colored) and V-W (black stream line, W being amplified 50 times) along (a) 117.05°E at 18:12 BT and (b) 117.35°E at 21:42 BT on 10 June 2016 (▲: the position of gust front, pink arrow: the downward flow, yellow arrow: the warm inflow, black ellipse: convergence zone, A: anticlockwise vertical circulation, P: clockwise vertical circulation)

結(jié)合兩條陣風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)特征對照表(表2)可知，陣風(fēng)鋒1過境時，首先表現(xiàn)為氣壓上升，然后是溫度、露點溫度驟降以及風(fēng)向風(fēng)速變化，垂直伸展高度約1.8 km，大風(fēng)出現(xiàn)在陣風(fēng)鋒過境后5 min，是強冷空氣堆下沉與近地層暖濕空氣形成的氣壓和溫度梯度密集區(qū)在水平和垂直方向上的不連續(xù)界面造成的；陣風(fēng)鋒2過境時，同時表現(xiàn)溫度、露點溫度驟降、風(fēng)速驟增和“高壓鼻”現(xiàn)象，垂直伸展高度高于典型陣風(fēng)鋒(2.6 km)，在后側(cè)入流急流下沉過程中，干空氣被夾卷進(jìn)入下沉氣流，使得降水粒子被迅速蒸發(fā)，加之降水粒子的拖曳作用，加強了下沉氣流強度，進(jìn)而造成更強的地面大風(fēng)。與陣風(fēng)鋒1相比，陣風(fēng)鋒2邊界層最大下沉速度更強，大風(fēng)及地速度更快，這也是陣風(fēng)鋒2造成雷暴大風(fēng)偏強的原因之一。

對比兩條陣風(fēng)鋒可以發(fā)現(xiàn)冷池的強度、傳播速度及其與低層垂直風(fēng)切變的配置對陣風(fēng)鋒的發(fā)展維持起到重要作用：就陣風(fēng)鋒1而言，冷池強度相對較弱，低層垂直風(fēng)切變強于冷池傳播速度，雷暴單體具有向冷區(qū)傾斜的層云結(jié)構(gòu)，不利于系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展加強；就陣風(fēng)鋒2而言，冷池發(fā)展強盛，具有強邊界層下沉速度，冷池傳播速度強于低層垂直風(fēng)切變，雷暴單體內(nèi)的上升氣流更加豎直，有利于低層濕空氣直接經(jīng)陣風(fēng)鋒抬升至凝結(jié)高度并進(jìn)入雷暴單體內(nèi)，從而促進(jìn)雷暴單體的進(jìn)一步發(fā)展。圖13給出兩條陣風(fēng)鋒的垂直結(jié)構(gòu)概念模型。

表2 兩條陣風(fēng)鋒及其伴隨的冷池結(jié)構(gòu)特征Table 2 Structure characteristics of two gust fronts and their associated cold pools

圖13 2016年6月10日兩條陣風(fēng)鋒垂直氣流結(jié)構(gòu)概念模型(a)陣風(fēng)鋒1,(b)陣風(fēng)鋒2Fig.13 Schematic diagrams for vertical structures of (a) the first gust front and (b) the second gust front on 10 June 2016

7 結(jié)論與討論

2016年6月10日午后到夜間，環(huán)渤海灣地區(qū)受連續(xù)兩條陣風(fēng)鋒影響出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣，兩條陣風(fēng)鋒在垂直結(jié)構(gòu)、維持機制均存在明顯差異，同時兩者也存在相互聯(lián)系。本文利用新一代天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、邊界層氣象鐵塔、地面加密觀測資料，結(jié)合雷達(dá)變分同化分析系統(tǒng)輸出的高分辨率分析場資料，對比分析了兩條陣風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)特征的異同點及兩者間的聯(lián)系，得到以下主要結(jié)論：

(1)此次強對流天氣發(fā)生在高空冷渦前部，明顯的靜力不穩(wěn)定層結(jié)、對流層中上層強烈的干冷空氣侵入及強深層垂直風(fēng)切變是此次強對流天氣發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵中尺度環(huán)境條件。

(2)兩條陣風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)存在明顯差異：陣風(fēng)鋒1前沿強切變位置形成近地層γ中尺度渦旋，邊界層和對流層低層的西南暖濕氣流沿陣風(fēng)鋒輸送到雷暴中，強冷空氣堆下沉與近地層暖濕空氣形成的氣壓和溫度梯度密集區(qū)造成地面大風(fēng)。陣風(fēng)鋒2呈現(xiàn)兩支強入流為典型特征的動力結(jié)構(gòu)：一支位于陣風(fēng)鋒后側(cè)邊界層內(nèi)(150～750 m)呈強東北入流，另一支位于前側(cè)對流層低層(990～2 190 m)呈強西南入流，兩支入流分別構(gòu)成陣風(fēng)鋒前側(cè)反環(huán)流和后側(cè)正環(huán)流圈。后側(cè)入流和前側(cè)入流的同時加強，造成陣風(fēng)鋒2垂直環(huán)流不斷加強，與之對應(yīng)的環(huán)境垂直風(fēng)切變也同步增強，這一動力過程形成了有利于雷暴母體組織化發(fā)展的中尺度垂直切變環(huán)境，同時也是驅(qū)動雷暴加強的重要因素。

(3)冷池與低層垂直風(fēng)切變的配置對陣風(fēng)鋒的發(fā)展維持起到重要作用：陣風(fēng)鋒1后部冷池強度相對較弱，低層垂直風(fēng)切變強于冷池傳播速度，雷暴單體具有向冷區(qū)傾斜的層云結(jié)構(gòu)，不利于系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展加強；陣風(fēng)鋒2后部冷池發(fā)展強盛，冷池傳播速度強于低層垂直風(fēng)切變，雷暴單體內(nèi)的上升氣流更加豎直，從而促進(jìn)雷暴單體加強發(fā)展。

(4)兩條陣風(fēng)鋒前沿γ中尺度渦旋和后部冷池存在相互影響及內(nèi)在關(guān)聯(lián)，近地層γ中尺度渦旋的碰撞，增強了兩條陣風(fēng)鋒之間的輻合抬升，同時配合冷池的合并增強，一方面加劇了低層不穩(wěn)定，另一方面有利于維持上下層旋轉(zhuǎn)，形成較強的水平渦度，從而導(dǎo)致對流風(fēng)暴快速加強發(fā)展并演變?yōu)楣位夭ā?/p>

兩條陣風(fēng)鋒發(fā)生在同一次高空冷渦環(huán)流背景下，大風(fēng)與陣風(fēng)鋒的過境時間和陣風(fēng)強度，明顯不同，這給短時臨近預(yù)報預(yù)警帶來不確定性，在實際預(yù)報工作中難以精準(zhǔn)把握。同時，兩條陣風(fēng)鋒前沿γ中尺度渦旋和后部冷池的結(jié)構(gòu)明顯不同，造成其發(fā)展演變特征具有顯著差異。兩條陣風(fēng)鋒既有聯(lián)系，又有差別，各有特色。這一方面反映出陣風(fēng)鋒的多樣性，另一方面，關(guān)于γ中尺度渦旋和冷池的動力效應(yīng)，還需要通過云尺度數(shù)值模擬進(jìn)行更為深入的研究。