副高異常偏西背景下一次陣風鋒主導的雷暴大風天氣分析

姚 靜，康 磊，費海燕，劉 慧，井 宇

（1.陜西省氣象臺，陜西 西安710015；2.榆林市氣象臺，陜西 榆林719000；3.中國氣象局氣象干部培訓學院，北京100081）

陣風鋒是一種中小尺度的災害性天氣，可以由成熟階段的超級單體風暴、多單體風暴和颮線系統產生，多出現在中高層干冷空氣與近地面相對暖濕的空氣所形成的輻合邊界處。陣風鋒所經之處常會造成氣壓升高、氣溫驟降、風速驟增及風向突變等強烈的天氣現象。陣風鋒常常可以導致農作物倒伏、樹枝折斷、廣告牌刮倒等，更為嚴重時對飛機的降落和起飛產生危害[1]。國外學者20 世紀70 年代開始針對陣風鋒內部的氣流結構特征[2]，陣風鋒與環境場氣流、主體風暴相互作用[3-4]等方面進行了深入的研究。研究表明[5]雷暴出流邊界發展強盛時可以引發環境場中新的對流單體的形成。我國對陣風鋒的研究開展較晚，近年來許多氣象學者闡明了陣風鋒的類型、雷達回波特征、形成機制、傳播機理[5-8]，指出一類陣風鋒出現在雷暴的發展和成熟階段，主體風暴與陣風鋒相對距離保持不變；另一類出現在雷暴的減弱和消亡階段，陣風鋒遠離主體風暴。另外有一些學者提出了陣風鋒的客觀識別算法和試驗[9-13]，以期提高這類天氣的預警能力。近些年雷暴引發地面大風的研究越來越多[14-22]，有學者指出陣風鋒引起的大風風速差異與其是否具有后側入流有密切關系[23]。這些成果對陜西雷暴大風預報起到一定的指導和借鑒作用，但對于陜西伴隨陣風鋒的對流天氣的物理機制、預警指標等內容的研究仍較為缺乏。

本次強風暴事件發生在副高異常偏西的背景下。利用1981—2010 年的NCEP/NCAR（1°×1°）逐6 h 再分析資料得出，7 月26 日30 a 平均西太平洋副高西脊點位于114.21°E，而2018 年7 月26 日500 hPa 上西太平洋副熱帶高壓西伸到陜西中部，西脊點位于108°E 附近，較常年平均位置偏西6.2個經距。此次強風暴中59 個觀測站出現了＞7 級的短時大風，最大風力達到了10 級，雷達回波上不僅觀測到了明顯的陣風鋒，還出現了下擊暴流。這次漏報的原因主要是，500 hPa 天氣圖上陜西中南部幾乎受副高控制，處于高溫高濕環境下，其阻塞作用使得西側西風槽不能東移，有組織的風暴出現概率減小。ECWMF 數值模式預報26 日白天陜西中部和南部是區域性小到中雨過程，沒有預報對流性強降水。探空圖顯示，當日08：00（北京時，下同）西安站CIN為292.4 J·kg-1，且0～6 km 垂直風切變僅為8 m·s-1，綜合以上不利因素，當日并未預測會出現區域性的強風暴事件。因為從強對流潛勢的角度預報大風難度較大。因此本文利用常規氣象資料、西安L 波段風廓線雷達資料、多普勒天氣雷達資料和陜西加密自動站資料，對這次強對流天氣進行中尺度分析，雷暴大風主要與陣風鋒相伴，文章分3 個階段對陣風鋒進行分析，給出雷暴大風觀測特征結構，初步探索這類天氣的形成機制，以期提高對陣風鋒引發大風的預警能力。

1 局地強對流天氣實況

2018 年7 月26 日午后，陜西西安、咸陽、渭南、銅川自南向北出現了一次強雷雨大風天氣，此次過程主要以短時大風為主，伴有短時強降水。59 個觀測站出現了＞7 級的短時大風，最大風力達到10 級。去掉可疑的站點，共有2 個中尺度站出現了10 級大風。63 個觀測站出現20 mm 以上的降水，10 個觀測站出現40 mm 以上的短時強降水，最大雨強為61.7 mm，位于西安與渭南的交界處。

2 背景場分析

2.1 天氣尺度環境

7 月26 日08 時500 hPa 天氣圖上，副熱帶高壓西伸到陜西西界，陜西中南部受副高控制，這在陜西比較少見。一般而言，副高異常西伸，使得西側西風槽不能東移而影響陜西，且出現有組織風暴的概率較小。高空綜合分析圖（圖2a）中，700 hPa 上重慶—四川—陜西南部有西南氣流發展，且四川北部最大風速達12 m·s-1，陜南到關中有風速輻合，850 hPa 上四川與陜西交界處有東西向的橫切變，說明整層動力抬升條件較好。700、850 hPa 位于四川西南較強的暖濕氣流中，并且關中大部分地區850 與500 hPa 溫差超過25～27 ℃。700、850 hPa 顯著濕區位于關中南部到陜南，中層的干平流位于低層濕平流上部，形成有利的位勢不穩定層結。地面上，08：00 青海西北部有暖低壓，中心氣壓為997.5 hPa，暖低壓向河套地區移動，午后關中地區升溫明顯，地面氣溫為35 ℃以上，能量快速聚集，且關中地區風場輻合明顯。14：00 陜西大部分地方海平面氣壓下降4～5 hPa，河套地區形成氣壓梯度高值區，河套北部可達5 hPa/100 km，關中地區也達2.5 hPa/100 km以上（圖2b）。

2.2 環境要素分析

圖1 2018 年7 月26 日14：00—19：00 西安及周邊降水量（a，單位：mm）和極大風速（b，單位：m/s）

圖2 2018 年7 月26 日08：00 天氣分析綜合圖（a）、海平面氣壓（b）和西安站T-logP（c，d）

西安站08：00 探空圖上對流有效位能CAPE 為493.3 J·kg-1，自700～250 hPa 表現為狹長形狀。K 指數為37 ℃，Si 指數為-2 ℃，LI 指數為-0.8 ℃，各個不穩定指數都表征出較強的對流不穩定潛勢。CIN為292.4 J·kg-1。08：00 西安探空站的垂直風切變弱，0～6 km 在8 m/s，400～700 hPa 為一致的西南風，20：00，500 hPa 已經轉為北風。利用14：00 西安2 m的氣溫（37 ℃）與露點溫度（22 ℃）代替08：00 的相應數據（30 ℃與21 ℃），對探空圖進行訂正，其中對流有效位能達到了1 637 J·kg-1，這說明低層暖濕氣流的增溫增濕作用提高了對流潛在能量。綜合以上，低層高溫高濕，大氣層結極不穩定且垂直風切變弱的環境下，500 hPa 冷空氣也不明顯，增加了強風暴預報預警的難度。

3 陣風鋒演變特征

根據陣風鋒的發展趨勢，將陣風鋒風暴分為3 個階段進行分析，13：50 之前為形成發展階段，13：00—13：50 極大風速＜17 m·s-1，13：50—17：00 為陣風鋒強盛階段，14：00—17：00 極大風速基本＞17 m·s-1，17：00 之后為陣風鋒減弱階段，絕大多數極大風速＜17 m·s-1。需要指出的是在強盛階段前期，陣風鋒移動過程中并沒有遇到其他的對流單體，而在后期，陣風鋒與渭南的對流單體相遇，促使了主體風暴愈加強烈發展。利用雷達回波結合區域氣象站氣溫、相對濕度、本站氣壓、2 min 平均風向風速對陣風鋒過程進行綜合分析。

3.1 陣風鋒形成發展階段

從西安雷達13：39 組合反射率因子（圖3a）可以看到西安周邊低層潮濕大氣的雜波，強度為5～15 dBZ，說明地表大氣中具有較好的水汽條件。圖3b 是圖3a 中最強風暴的演變趨勢，圖3c 將13：00—13：50 的極大風速疊加13：50 仰角為0.5°反射率因子。西安雷達探測資料表明，12：00 在漢中東北部有對流回波生成并向北移動，13：04 進入西安西南部的戶縣至周至一帶，此后迅速發展，13：33 發展成了東西走向團狀回波，長度約為50 km，向北東北方向移動，逼近西安市區，強對流單體最大反射率因子（DBZM）為63 dBZ（圖3b），強中心高度為5.3 km，頂高為8.8 km，基于單體的液態含水量（C-VIL）為48 kg·m-2，在13：50 西安雷達0.5°仰角反射率因子上出現了陣風鋒，影響長安區南部。陣風鋒高度為2.0～2.2 km，13：35 草下小學極大風速為15.6 m·s-1。之后陣風鋒向北東北方向移動，所經之處風速迅速增大，13：50—14：01 陣風鋒移動的距離約17 km，由此判斷陣風鋒移速約50 km·h-1。主體風暴移進長安后發展迅速。12：21—13：50 最大反射率因子呈緩慢增加趨勢，從53 dBZ 緩慢增加到63 dBZ，單體頂高與強中心均呈現先降低再增高的趨勢，C-VIL 基本呈現上升趨勢。13：50 強單體前部與陣風鋒之間，2.1 km 高度上出現速度模糊（圖3d），退模糊后實際徑向速度≥23 m·s-1。14：01 達到最強，退模糊后實際徑向速度≥28 m·s-1，說明主體風暴右前側有強烈的下沉氣流，陣風鋒的風力驟增。區域氣象站資料顯示，從14：00 的溫度與相對濕度（圖6a）可看到，西安、渭南均為高溫與低相對濕度區，溫度為30～37 ℃，相對濕度為50%～60%，14：00 前后周至、戶縣附近出現較強地面輻散，西南風強盛，長安輻合明顯，地面自動站極大風速顯示，13：50 長安出現20.1 m·s-1的偏西風，陣風鋒開始發展。

3.2 陣風鋒強盛階段一

14：00—15：30，陣風鋒移動前方，沒有遇到其他的對流單體。從疊加了14：00—14：20 的極大風速與西安雷達14：13 的0.5°反射率因子顯示陣風鋒經過戶縣至長安一帶，出現了＞17.2 m·s-1的短時大風，14：03 長安站風速達20.1 m·s-1左右（圖4a），14：10西安高新一中風速為17.4 m·s-1，另外馬王14：00 風速為14.1 m·s-1，秦鎮14：05 風速為14.1 m·s-1、陜西賓館14：02 風速為14.4 m·s-1。14：13 的0.5°反射率因子（圖4a）顯示陣風鋒后的強風暴迅速發展，位于右側風暴群前方陣風鋒經過之處對應的地面風速遠遠大于左側風暴群前方的風速，分析其原因，14：13 風暴群右側下沉氣流對應的最大實際徑向速度約28 m·s-1，且速度模糊面積遠大于左側風暴群形成的速度模糊面積，強度也比左側大5 m·s-1左右。14：20—14：40 陣風鋒繼續向北移動，先后在咸陽湖、漢城湖、阿房宮、咸陽、草灘造成17.3、19.4、29、14.7、14.2 m·s-1的7～10 級大風（圖4c）。

圖3 2018 年7 月26 日13：39 西安雷達組合反射率因子（a，單位dBZ），最強風暴的演變趨勢（b），13：50 0.5°仰角反射率因子疊加13：00—13：50 極大風速（c，單位m·s-1）及13：50 0.5°仰角徑向速度（d，單位m·s-1）

14：40—15：32 大風速區位于陣風鋒的中部，且有多處斷裂（圖5a），但陣風鋒所經之處的風速并沒有減弱，這是因為風暴主體位于西安雷達站北部，雷達站與陣風鋒的窄帶回波之間為面積較大的強回波，陣風鋒回波信號由于強回波的阻擋而被衰減，平均徑向速度圖上，陣風鋒經過雷達站之后，窄帶回波與母體回波之間依然是大面積的速度模糊區（圖5b），退模糊后實際徑向速度約為27 m·s-1，表明出流的冷空氣依然很強，14：50 涇河站出現8 級大風，風速為18.1 m·s-1。15：04 高陵風速為17.2 m·s-1，另外中尺度站14：45 洪慶下魯峪村為17.3 m·s-1，蓮花寺15：11風速為17 m·s-1，羌白15：17 風速為17 m·s-1。結合區域氣象站資料，15：00 地面強輻合區位于西安、渭南、咸陽交界處（圖7a），15：04 低仰角反射率因子顯示，強輻合區與陣風鋒的窄帶回波對應。地面強輻散區位于西安、咸陽交界處，最大地面散度＞40×10-6s-1，對應14：58 西安雷達1.5°仰角反射率因子，發現強輻散區正好對應風暴主體的50 dBZ 以上強回波區域，圖6b、7a 可看到15：00 強輻合區的地面氣溫較14：00 下降約7～10 ℃，濕度增大約10%，15：00 之前自動站未觀測到降水，因此可以推斷強回波處有高速的雷暴冷濕出流，14：00—15：00 陣風鋒所經之處有4 個中尺度站達到了18 m·s-1以上的風速，綜合以上特征，表明本次過程出現了下擊暴流。

3.3 陣風鋒強盛階段二

15：30—17：00 陣風鋒與前方的對流單體逐漸合并，主體風暴加強發展。15：32 的0.5°仰角反射率因子圖上可以看到陣風鋒前方渭南市區北部有一較小的對流云團（圖5a），陣風鋒攜帶的冷出流強迫對流云團的暖濕空氣抬升，暖濕空氣沿著上升氣流輸送到風暴主體中去，使得風暴得到能量補充和發展。15：32—16：01 的反射率因子圖上得到了很好的印證，鋒前渭南、大荔、蒲城境內的多個對流單體隨著陣風鋒的接近迅速加強，且與陣風鋒后部的風暴主體逐漸合并，猛烈發展（圖5c）。與此同時，16：12 窄帶回波基本消失。雖然雷達圖上窄帶回波消散，但從疊加了逐10 min 極大風速圖上（圖5c）可知，15：47耀州風速為17.5 m·s-1，16：02 康橋風速為22.1 m·s-1，16：36 西固風速為20 m·s-1。16：00 的自動站資料表明，西安與渭南交界處依然存在較強的地面輻合線，濕度場上T-Td≤2 ℃，而渭南北部蒲城、澄城、大荔等地T-Td≥10 ℃，強濕度梯度和地面輻合的存在也說明實際陣風鋒依然存在，只是由于窄帶回波與降水回波嚴重混雜被淹沒，且超過涇河雷達站徑向范圍50 km，垂直高度能觀測到的最低高度＞2.2 km，隨著窄帶回波遠離雷達，雷達探測高度逐漸升高，最終也會導致無法識別近地面窄帶回波。結合區域氣象站分析，圖7b 中富平為強輻合區，西安東部為輻散區，結合地面測站氣壓，這里出現了中γ 尺度的弱雷暴高壓，與雷達圖上的強回波區域基本重合，圖6c中西安、渭南大面積溫度較15：00 下降7～10 ℃以上，濕度繼續增大為80 %～90 %，濕度大值區與溫度低值區基本重合，而強輻散區卻位于其北側（圖7b），這是由于15：00—16：00 西安北出現了25 mm 強降水，可以推斷雷暴的冷性出流東移經過重合區時帶來的下沉冷濕氣流與強降水及其蒸發等作用相結合，造成地表溫度下降較其他地方更加顯著。

3.4 陣風鋒減弱階段

圖4 2018 年7 月26 日14：13 的0.5°反射率因子疊加14：00—14：20 極大風速（a），14：13 的0.5°徑向速度（b），14：24 的0.5°反射率因子疊加14：20—14：40 極大風速（c）及14：24 的0.5°徑向速度（d）

圖5 2018 年7 月26 日15：32 0.5°反射率因子疊加14：40—15：30 極大風速（a），15：32 0.5°徑向速度（b），16：29 0.5°反射率因子疊加15：30—17：00 極大風速（c），16：29 0.5°徑向速度（d）

17：20—18：00 陣風鋒移動距離約30 km，移動速度約為45 km·h-1。西安雷達17：24 的0.5°仰角反射率因子疊加17：20—18：00 極大風速可知，陣風鋒前沿極大風速在17：20 之后均＜17.2 m·s-1，直到18：00 極大風速減弱到14 m·s-1左右，18：00 之后，陣風鋒消失在渭南北部。區域氣象站資料顯示，17：00地面強輻散區面積加大，強度繼續加強，其值達到了40×10-6·s-1以上，可以推斷陣風鋒后的主體風暴下沉氣流猛烈，但強輻合區面積較16：00 明顯減小，說明陣風鋒有減弱的趨勢，而在16：10 之后0.5°雷達反射率因子圖上已經看不到窄帶回波，這是由于窄帶回波與降水回波嚴重混雜被淹沒，另一方面強輻合區距離西安雷達中心80～90 km，隨著陣風鋒遠離雷達，雷達探測高度逐漸升高，最終也會導致無法探測近地面陣風鋒系統，說明在距離雷達較遠處，加密區域站可以幫助預報員繼續進行陣風鋒的監測。18：00 地面強輻散區減弱分裂成兩個，強輻合區幾乎消失，此次過程趨于結束，關中西部溫度也開始回升。

圖6 14：00（a）、15：00（b）、16：00（c）、17：00（d）地面氣溫（陰影，單位：℃）與相對濕度（等值線）

圖7 15：00（a）、16：00（b）、17：00（c）、18：00（d）地面散度（單位：10-6 s-1）與測站1 h 變壓（單位：hPa）

4 單站氣象要素分析

陣風鋒過境時常出現氣壓陡升、風速加大、風向突變、溫度驟降等現象。從不同測站觀測到的溫度、氣壓隨時間變化曲線來看，由于陣風鋒從南向北運動，長安站的溫度（圖8a）最早開始下降，下降幅度非常大，13：40 溫度為36.9 ℃，14：10 降為24.5 ℃，降溫幅度達0.41 ℃·min-1。涇河、涇陽、高陵站14：40、15：00、15：10 依次驟降，30 min 降溫幅度達10～12 ℃。陣風鋒系統經過測站時有高速下沉的冷氣流，各站氣壓都有顯著的升高（圖8b），60 min 內氣壓變化約3 hPa。根據前述雷達反射率因子產品可知，14：41 陣風鋒剛好經過西安雷達站上空。西安風廓線雷達（測站位于涇河）7 月26 日14：36 之前0～1 km 均為偏東風（圖6c），這與地面圖上，陜西位于低壓底部一致。隨著陣風鋒向東北移動經過西安雷達站，14：36 前后0～1 km 迅速轉變為偏西風或西南風，14：54—15：12 風速最大達18 m·s-1以上（圖8c），引起涇河自動站14：50 的18.1 m·s-1短時大風。14：36 陣風鋒經過西安風廓線雷達站上空只引起了0～1 km 以下的風向改變，從另一個角度說明了只有在距離天氣雷達較近的地方才能觀測到陣風鋒，在距離天氣雷達較遠時還需要借助地面加密站進行分析。

圖8 13：30—17：30 長安、涇河、涇陽、高陵氣象站溫度（a）、氣壓（b）時序變化和14：00—16：00 西安L 波段風廓線雷達風羽（c）

結合自動站極大風速與雷達分析來看，部分測站中的極大風速并不是出現在陣風鋒附近，而是出現在鋒后的冷氣團中，就是說雷暴主體中的下沉氣流仍可以形成更大的地面大風。以涇河為例進行分析，涇河（西安雷達所在地）在陣風鋒過后兩次出現8 級大風。14：50 風向為183°，風力為18.1 m·s-1，15：01 風向為211°，風力為15.9 m·s-1。從圖9c 雷達0.5°徑向速度得到，陣風鋒是14：41 經過西安雷達上空，14：47 陣風鋒離開雷達中心約8 km，同時也沒有風暴經過雷達中心，圖9a 看到14：50 的極大風速應該是強風暴F8 的下沉氣流所為，其演變趨勢（圖9b）顯示，單體F8 的液態含水量（C-VIL）從14：17 的32 kg·m-2經過兩個體掃躍升到49 kg·m-2，單體頂高為8.3 km，同時62 dBZ 的強中心高度達到8.3 km，14：41 C-VIL 降低到33 kg·m-2，回波頂降低到6.8 km，強中心由較高的高度8.3 km 迅速下降到1 km，質心高度也下降，說明較強的下擊暴流已經開始出現。14：56 涇陽站極大風速為18 m·s-1，風向159°。從圖9c 可以看到，陣風鋒正在經過雷達站上空，在雷達南側有50 km2的速度模糊區域，速度可達18 m·s-1以上，從過雷達站的速度剖面（圖9d）可以看到，沿強風暴前進方向，在強風暴前側的底部有東北向環境風，同時在風暴后側有傾斜下沉氣流存在，從風暴尾部自上而下直至風暴底部，依然可以看到速度模糊區域，從而在地面產生較強的下擊暴流。

5 預警討論

陜西關中地形特點是，東西向的盆地結構，北部為黃土高原，南部為秦巴山區，26 日11：00 在關中南緣寧陜縣山區開始有對流云團發展北移，回波開始高度約為7.3 km，隨后逐漸向上和向下發展，12：13 回波強度達到50 dBZ，高度下探至6.2 km，因冷空氣過山后居高臨下，有利于加強盆地層結的位勢不穩定。地面氣象站數據顯示12：00 西安地區有東西向的地面輻合線，關中盆地當時處于高溫高濕的環境，關中北部環境風均為東北風，根據對流云團向東北移動的特點，可以判斷有利于觸發強對流天氣。且11：00—12：00 回波經過的寧陜地區已經產生了雷陣雨，因此預報員可以提前1 h 發布雷陣雨和大風的臨近預警。13：44 西安雷達0.5°仰角開始出現窄帶回波，并且移動速度很快，這時可以考慮升級之前的大風預警級別。值得注意的是，15：32 之后，當雷達圖上的陣風鋒弱窄帶回波逐漸模糊時，不可放松警惕，需要借助中尺度加密觀測網，繼續進行嚴密監視。

圖9 2018 年7 月26 日14：47 西安雷達0.5°反射率因子（a，單位dBZ）、強風暴F8 演變趨勢（b）、14：41 西安雷達0.5°徑向速度（c，單位m·s-1）及圖9c 中沿AB 的剖面（d）

6 結論與討論

（1）這次伴隨陣風鋒的天氣過程中，西安站08：00 探空圖上700～250 hPa 表現為狹長形狀。K指數為37 ℃，Si 指數為-2 ℃，LI 指數為-0.8 ℃，各個不穩定指數都表征出較強的對流不穩定潛勢。副高異常偏西、低層高溫高濕，但500 hPa 冷平流較弱、垂直風切變弱，增加了強風暴預報預警的難度。

（2）結合雷達回波與地面加密站的風速，將風暴分為3 個階段進行分析，13：50 之前為形成發展階段，13：00—13：50 極大風速＜17 m·s-1；13：50—17：00為陣風鋒強盛階段，14：00—17：00 極大風速基本＞17 m·s-1，17：00 之后為陣風鋒減弱階段。發展過程中，陣風鋒與渭南的對流單體相遇，促使了主體風暴愈加強烈發展。

（3）利用地面加密站進行分析，發現地面散度可以很好地反映主體雷暴的下沉氣流到達地面的強輻散與窄帶回波區域的強輻合，輻合輻散區域的面積和強度與陣風鋒的強度變化對應。陣風鋒過境時出現了氣壓陡升、風速加大、風向突變、溫度驟降等現象。

（4）部分測站中的極大風速并不是出現在陣風鋒附近，而是出現在鋒后的冷氣團中。雷暴主體中的下沉氣流仍可以形成更大的地面大風，沿強風暴前進方向，在強風暴前側的底部有東北向環境風，同時在風暴后側有下降的入流存在，從風暴尾部自上而下直至到達風暴底部，從而在地面產生較強的下擊暴流。