关中阵风锋环境场和雷达特征分析

时间：2024-09-03

孟妙志，卢晔,王仲文

(宝鸡市气象局，陕西宝鸡 721006)

阵风锋是中小尺度天气，是雷暴的下沉气流到达地面往四周扩展的水平气流前缘带，是雷暴周围低层环境暖湿气流与来自中层准饱和空气之间的交接面[1]，它常和气压跳跃、风向转变、风速突增、温度降低等天气现象相联系。陕西在2005年西安多普勒雷达布设后，已有学者对观测到的阵风锋个例进行过分析，刘勇等[1]、张健宏[2]分析了陕西的阵风锋个例观测特征，毕旭等[3-4]对陕北的2次阵风锋进行了分析，已有的研究对阵风锋观测特征认识较为一致，但对阵风锋预报研究较少。为了较为准确地预报阵风锋天气，选取2012—2018年宝鸡多普勒雷达资料中的7例阵风锋个例，利用高空、地面天气图，宝鸡多普勒雷达资料，统计分析阵风锋发生背景场和雷达回波演变特征，提炼基于多普勒雷达的短临预报预警经验指标。

1 引发阵风锋的强雷暴天气环流背景和地面要素特征

宝鸡地区7例阵风锋天气发生在6—8月，6月出现2例，7月出现3例，8月出现2例，均由强雷暴产生。产生阵风锋的强雷暴出现的形势均为高空西风气流型,是陕西关中产生强雷暴天气的典型天气类型之一。地面图上关中受暖低压控制,中空有西北路或东北路冷空气入侵,触发强对流天气发生。强雷暴发生的主要影响系统是500 hPa冷槽，中层500～700 hPa干舌(“干”侵入)，850 hPa暖中心、湿区，地面图上平凉—陇县的干线或辐合线，关中强对流天气区附近t850-500≥25 ℃。中层“干冷”侵入是强雷暴产生的必要条件之一[5-6]，是关中产生阵风锋的必要条件。

地面环境要素很重要，一些地方对流风暴频繁出现，但出现阵风锋比较少。个例分析统计发现，平坦的川道、午后地面气温≥35 ℃、相对湿度为20%～35%，利于阵风锋的形成、传播。

2 阵风锋雷达回波特征

2.1 阵风锋生命史

阵风锋是多单体风暴产生，风暴的生命史、强度决定了阵风锋的生命史、强度。为了定量认识阵风锋，统计了宝鸡多普勒雷达7例阵风锋个例的强度、长度，及其与主体风暴的距离及主体风暴的强度、径向速度等，根据阵风锋长度、强度等，将其演变过程分为四个阶段：初生、发展、加强、减弱。表1列出其中较强的三例阵风锋特征值。

表1 2012—2018宝鸡3例阵风锋各阶段在多普勒雷达上特征值及对应的风暴特征值

注：表中均为1.5°仰角数据

由表1可见,2018-06-11出现的阵风锋，其生命史为1 h 10 min，雷达回波最大强度15 dBz、阵风锋长度达40 km；风暴强度达到60 dBz时阵风锋出现，风暴中心强度≤35 dBz时，阵风锋开始减弱。2012-07-13出现的阵风锋，其生命史为2 h 30 min，雷达回波最大强度为30 dBz、阵风锋长度达120 km；风暴强度为50 dBz时阵风锋出现。2013-07-31出现的阵风锋，其生命史约2 h，雷达回波最大强度为10 dBz、阵风锋长度达110 km；风暴强度55 dBz时阵风锋出现。

对7例阵风锋进行统计，发现阵风锋生命史为1～3 h，宽度为3～5 km，长度为10～120 km，雷达回波强度为5～30 dBz，与主体风暴距离为20～30 km，当雷暴减弱时，远离雷暴的阵风锋明显减弱。

分析可见，阵风锋出现前雷暴发展到最强(中心回波强度为55～60 dBz)，当雷暴开始减弱时, 阵风锋出现，弧状窄带回波首先出现在1.5°仰角。阵风锋生成以后，不断发展、加强，最为强盛时，长度最大；当原主体风暴开始显著减弱(≤35 dBz)、出流减小，阵风锋也减弱。

阵风锋在1.5°仰角反射率因子图上比在0.5°仰角图提前两个体扫出现，而早1～2个体扫减弱。阵风锋最强阶段，在0.5°、1.5°、2.4°仰角都可见，阵风锋高度达到1～3.3 km。阵风锋在1.5°仰角出现最早，关注1.5°仰角可以为大风预警提供依据。

2.2 阵风锋移动方向、移速

宝鸡地区的阵风锋有两种移向。一种(5例)是对流风暴自陇县沿西北路向东南方向移动，阵风锋在对流风暴主体右前方，其移动方向与对流风暴移动方向一致，为西北—东南向，移速约10 m/s。阵风锋回波长度增加很快，宽度稳定在4 km左右，回波强度最大为15 dBz。另外2例是对流风暴自崇信、千阳偏北向东南方向移动，阵风锋出现在对流风暴移动方向的右侧，阵风锋移动方向呈西南向，与对流风暴移动方向有约90°夹角，接近于垂直，为东北—西南向，移速约5 m/s，阵风锋回波强度最大为30 dBz。

阵风锋在移动过程中移动速度先增大后减小。以雷雨为主的雷暴产生的阵风锋径向速度平均为5 m/s；以强风暴为主的雷暴产生的阵风锋径向速度平均为10 m/s。

2.3 阵风锋天气

阵风锋过境时多个气象要素出现明显变化，风速增大、风向突变、气压升高、气温下降、湿度增大等。表2为宝鸡三次阵风锋影响前后代表站的气象要素演变，可见其中风速变化最显著，均增大8 m/s以上，风向有偏东偏西之间转变，最大风向改变110°。阵风锋前为≤6.2 m/s的偏西风或偏东风，阵风锋影响时出现≥10.1 m/s的大风(偏西风或偏东风)。阵风锋过境，气温下降3～13 ℃，其中6月阵风锋过境降温最明显为12.8 ℃；湿度增大10%～40%。

表2 2012—2018宝鸡3例阵风锋过境代表自动站气象要素特征

统计可见，阵风锋影响区普遍出现8～15 m/s的吹风天气，影响区域大(5～8县区)，吹风持续时间长(阵风锋维持时段)，其中2012年7月13日吹风持续最长为3 h[7]。

阵风锋在移动过程中还能够触发新的对流产生。有2例阵风锋在移动中与其前方局地弱对流结合，形成强对流带。阵风锋遇山地地形，在迎风坡形成对流带，有2例阵风锋在向南移近秦岭时，加强形成对流带。

3 典型阵风锋雷达回波个例分析

2018年6月11日下午到夜间，宝鸡市9区(县)出现雷阵雨天气，并伴有短时大风、短时强降水、冰雹等强对流性天气。其中17—19时，出现强对流天气时伴有阵风锋，阵风锋影响5县区(陇县、陈仓、渭滨、凤翔、千阳)并出现5～7级大风，最大风速为14.2 m/s。

3.1 环流背景及大气层结稳定度

2018年6月11日08:00—20:00，500 hPa天气图上，陕西处在新疆高脊前西北气流中，有-8 ℃温度槽在陕西上空，冷平流明显；700 hPa自河西地区有干舌伸到平凉，平凉、西安之间有风向切变；850 hPa有暖脊移入河套，平凉、西安之间仍有风向切变，陕西上空具有上干冷、下暖的大气层结，是有利于强对流天气出现的环流背景。西安SI为-2.7 ℃、K指数为38 ℃、CAPE值为879 J/kg、西安t(850-500)≥30 ℃，表明关中层结非常不稳定。14:00地面图上，平凉有一干线，沿干线有对流云形成，未来发展东移影响宝鸡。当日14时宝鸡近地面大气高温干燥，气温≥36 ℃、相对湿度为29%～34%，地面环境利于阵风锋产生。

3.2 回波演变过程

宝鸡多普勒雷达反射率因子图显示，16：14陇县出现多单体风暴，沿西北—东南向移入千阳。17：11风暴右前方出现阵风锋。阵风锋由西北向东南方向移动，先后影响千阳、陈仓、凤翔、渭滨，18：21阵风锋减弱，阵风锋历时1 h 10 min。经比对，阵风锋在0.5°、1.5°、2.4°仰角的反射率因子图中均可见，其中1.5°仰角反射率因子图中出现最早、历时最长，较0.5°仰角早4个体扫出现，但较0.5°仰角早2个体扫减弱；从1.5°仰角的图中可明显看出阵风锋经历初始、发展、加强、减弱阶段；2.4°仰角图上阵风锋只在加强阶段(4个体扫)可以看出。即阵风锋在最强盛时段，0.5°、1.5°、2.4°仰角均可探测到，此时阵风锋达2.5 km高度，其余时段在2 km高度左右。

3.3 阵风锋演变特征

11日17:11，阵风锋出现在雷暴右前方(图1a)。初始阶段阵风锋长度为10 km、中心强度5 dBz、距离主体风暴约10 km，为不明显的弧状回波带，风暴中心强度55～60 dBz。阵风锋发展阶段(17:22—17:46，图1b)经历5个体扫，阵风锋长度增加到20 km，强度增强到10 dBz，距离主体风暴距离明显增大，为20 km，为明显的弧状回波带(0.5°仰角开始出现)。阵风锋的出现切断了雷暴低层的暖湿气流，风暴开始减弱，强度减弱为45～55 dBz，中心径向速度维持在10 m/s。

17:52—17:58阵风锋加强(如图1c)，经历2个体扫，阵风锋达到最强，长度增加为35 km、中心强度增强到15 dBz、距离主体风暴25 km，为完整弧状回波带，对应风暴中心强度由45 dBz减弱为40 dBz，中心径向速度快速增大出现模糊，最大速度达18～23 m/s。即风暴出流速度快速增大到最大时，阵风锋发展达到最为强盛时段。18:03—18:21阵风锋开始减弱(图1d)，经历4个体扫，长度维持，但弧度变小，锋线出现间断，强度减弱为5 dBz，离主体风暴距离增大为30 km。原雷暴中心强度减弱为30 dBz，中心径向速度减小为10 m/s，即原强雷暴显著减弱、出流开始减小时，阵风锋也明显减弱。

这次阵风锋移动方向为典型的西北—东南移向，阵风锋处于主体风暴右前方，移速约10 m/s。阵风锋回波长度增加很快，强度最大为15 dBz、其径向速度为3～5 m/s。阵风锋影响区普遍出现8～10 m/s的吹风天气，影响区域五县区，吹风持续时长2 h。

图1 2018-06-11T17：11—2018-06-11T 18：15宝鸡雷达1.5°仰角反射率因子和径向速度(a 、e为初始阶段，b 、f为发展阶段，c、g为加强阶段，d、h为减弱阶段)