王一達(dá)，景學(xué)義，王偉東

（哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱150000）

1 引言

陣風(fēng)鋒是雷暴的冷性下沉氣流到達(dá)地面往四周擴(kuò)展的水平氣流的前緣[1]。該冷性下沉氣流通常認(rèn)為是由于降水的拖曳以及中層干空氣的卷入導(dǎo)致雨滴的劇烈蒸發(fā)冷卻等綜合作用形成的。出流的冷空氣與其前部暖空氣的交界面即為陣風(fēng)鋒的鋒面[2]。由于陣風(fēng)鋒是雷暴外流強(qiáng)風(fēng)的前緣,它常帶來(lái)氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度等氣象要素的突變。其產(chǎn)生的低層風(fēng)切變和地面強(qiáng)風(fēng)也會(huì)直接引起飛機(jī)失事和人員傷亡[1]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對(duì)陣風(fēng)鋒進(jìn)行了大量研究。1986年，葛潤(rùn)生[3]利用雷達(dá)資料將陣風(fēng)鋒分為了兩類(lèi)，一類(lèi)呈運(yùn)動(dòng)狀態(tài),伴隨著風(fēng)暴迅速移動(dòng)；另一類(lèi)移動(dòng)非常緩慢,所伴隨的風(fēng)暴大部分已處于發(fā)展的后期,風(fēng)暴很快減弱、消散。同時(shí)認(rèn)為陣風(fēng)鋒鋒區(qū)的湍流對(duì)電磁波的散射是形成雷達(dá)回波的可能機(jī)制。劉勇等[1]分析了2004年7月陜西的兩次陣風(fēng)鋒過(guò)程，得出陣風(fēng)鋒的強(qiáng)度取決于雷暴強(qiáng)度，雷暴群產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒生命史更長(zhǎng)；陣風(fēng)鋒對(duì)近距離的單體雷暴有負(fù)反饋?zhàn)饔?多普勒雷達(dá)徑向速度場(chǎng)對(duì)陣風(fēng)鋒有較強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力。劉娟等[4]分析1994年5月阜陽(yáng)地區(qū)的一次雹暴系統(tǒng)及其陣風(fēng)鋒，得出陣風(fēng)鋒回波帶的出現(xiàn)對(duì)雹暴系統(tǒng)未來(lái)的移向有指示作用。夏文梅等[5]在分析陣風(fēng)鋒過(guò)程的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于多普勒雷達(dá)徑向速度場(chǎng)的陣風(fēng)鋒自動(dòng)識(shí)別算法。姚葉青等[6]發(fā)現(xiàn)了陣風(fēng)鋒與雷暴之間的距離在一定程度上可以預(yù)示雷暴未來(lái)強(qiáng)弱的變化。

2018年9月3日黑龍江南部的一次颮線過(guò)程中，哈爾濱地區(qū)的多普勒雷達(dá)在雷達(dá)站以西觀測(cè)到了完整的陣風(fēng)鋒天氣。本文利用雷達(dá)、自動(dòng)站和常規(guī)氣象資料，分析了陣風(fēng)鋒的生消史和天氣特征，希望對(duì)陣風(fēng)鋒天氣的預(yù)報(bào)和識(shí)別工作有所幫助。

2 天氣特征分析

2.1 天氣實(shí)況

2018年9月3日15-22時(shí)哈爾濱以西出現(xiàn)一條颮線自西向東發(fā)展，沿途帶來(lái)雷雨大風(fēng)天氣，在黑龍江南部大慶、哈爾濱、綏化地區(qū)有8個(gè)測(cè)站先后出現(xiàn)8級(jí)以上的瞬時(shí)大風(fēng)，其中呼蘭縣和蘭西縣交界處的榆林鎮(zhèn)區(qū)域站于18-19時(shí)觀測(cè)到23.8 m/s的極大風(fēng)速。同時(shí)15-21時(shí)有14個(gè)測(cè)站1 h降水量超過(guò)20mm，其中最大小時(shí)降水量為17-18時(shí)哈爾濱松北區(qū)對(duì)清鎮(zhèn)李家區(qū)域站41.3mm。

雷暴系統(tǒng)對(duì)近地面氣象要素影響很大，分析地面實(shí)況發(fā)現(xiàn)14時(shí)和17時(shí)在雷暴影響區(qū)域沒(méi)有明顯的變壓區(qū)域，20時(shí)可以在哈爾濱地區(qū)觀察到明顯的正變壓中心。分析圖1中哈爾濱單站氣象要素變化發(fā)現(xiàn)，瞬時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)3次明顯增大，在15時(shí)35-41分由3.9 m/s增至9.1 m/s后迅速下降，在16時(shí)06-30分由2.4 m/s增至最高6.7 m/s，在17時(shí)37-39分由2.3 m/s增至11.5 m/s；溫度、濕度則無(wú)明顯的突變，這可能和本地區(qū)更干冷的環(huán)境有關(guān)；氣壓在15時(shí)55分-16時(shí)45分由980.7 hPa增至980.1 hPa后緩慢下降，在17時(shí)26-45分由981.2 hPa增至982 hPa。參考藤田哲也經(jīng)典模式分析風(fēng)向變化，風(fēng)向先是南風(fēng)后三次由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)或東北風(fēng)，而經(jīng)典模式中陣風(fēng)鋒后也有南-西-東風(fēng)的轉(zhuǎn)變，所以可能有三個(gè)雷暴高壓先后從不同方向經(jīng)過(guò)哈爾濱站。

圖1 2018年9月3日15-21時(shí)哈爾濱國(guó)家基本站(a)瞬時(shí)風(fēng)速

2.2 環(huán)流條件分析

前期中高緯度高空為一槽一脊的形勢(shì)，東北地區(qū)受暖脊控制，冷空氣在貝加爾湖以西積累，在貝加爾湖有低槽活動(dòng)，南部的內(nèi)蒙古到四川地區(qū)也有低槽活動(dòng)。隨低壓系統(tǒng)引導(dǎo)下，冷空氣南下，槽脊系統(tǒng)整體東移；貝加爾湖的低槽加深并發(fā)展成氣旋向東南移動(dòng)，南北兩只槽合并為大槽，中高緯整體轉(zhuǎn)為兩槽兩脊形勢(shì)。哈爾濱市處于氣旋底前部的西南氣流控制之下，925 hPa有暖式切變線，同時(shí)槽前低空西南急流帶來(lái)的暖空氣與低渦系統(tǒng)帶來(lái)的冷空氣在黑龍江地區(qū)輻合，有利于鋒生和不穩(wěn)定能量的聚集。前期地面受鞍型場(chǎng)中高壓控制，隨著高空氣旋發(fā)展并向東南方向移動(dòng)，地面低壓氣旋也出現(xiàn)并向東移動(dòng)。哈爾濱處于低壓前部偏南氣流控制之下，地面有輻合線觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。

此次過(guò)程中哈爾濱所在區(qū)域內(nèi)，南北兩支槽東移合并為大槽，低空西南急流引導(dǎo)暖空氣北上，高空低渦帶來(lái)冷空氣的南下，冷暖空氣交匯使不穩(wěn)定能量積累，促進(jìn)鋒生。低空切變線和地面輻合線帶來(lái)低層輻合和槽前高空輻散共同提供了抬升觸發(fā)條件，產(chǎn)生了本次颮線和陣風(fēng)鋒天氣。

2.3 環(huán)境條件分析

2.3.1 水汽條件與條件性不穩(wěn)定分析

2018年9月3日08時(shí)，哈爾濱地區(qū)850 hPa和925 hPa相對(duì)濕度均大于80%，850 hPa比濕為9 g/kg，925 hPa比濕為11 g/kg，加上低空西南急流輸送水汽，有豐富的水汽和水汽供應(yīng)，為對(duì)流云形成提供了前提條件；700 hPa T-Td為10℃，500 hPa T-Td為40℃（圖2），500 hPa以上中高層水汽條件差。低層的水汽在上升后釋放的凝結(jié)潛熱可以增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定能量，促進(jìn)抬升運(yùn)動(dòng)；同時(shí)降水粒子的拖曳作用增強(qiáng)了下沉氣流。中高層干空氣侵入雷暴系統(tǒng)后，本身可以增強(qiáng)下沉氣流，而降水粒子經(jīng)過(guò)干空氣后強(qiáng)烈蒸發(fā)冷卻，也可以產(chǎn)生干冷的下沉氣流，利于陣風(fēng)鋒的產(chǎn)生。整體上如圖3，上干下濕的垂直環(huán)境增加了大氣的條件性不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)受到抬升觸發(fā)后，不穩(wěn)定能量更易釋放，有利于對(duì)流的爆發(fā)。

2.3.2 熱力條件與不穩(wěn)定能量

圖2 2018年9月3日(a)08時(shí)和(b)20時(shí)探空?qǐng)D

如圖3，08時(shí)哈爾濱以西850 hPa暖脊不斷東移，配合850 hPa和925 hPa的低空急流，低空處于增暖的狀態(tài)。同時(shí)受哈爾濱以西的低渦底部的中高空急流影響，北方干冷空氣持續(xù)進(jìn)入哈爾濱上空。其中哈爾濱上空T(850 hPa-500 hPa)為23℃，反映了大氣層結(jié)較不穩(wěn)定。08時(shí)哈爾濱地區(qū)CAPE值為1051.6 J/kg，考慮到輻射對(duì)下墊面的增溫作用，修正14時(shí)哈爾濱CAPE值為2747.3 J/kg，說(shuō)明午后的不穩(wěn)定能量非常強(qiáng)盛。大氣不穩(wěn)定能量越強(qiáng)，說(shuō)明其受到抬升觸發(fā)后可轉(zhuǎn)化為上升運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的潛在能量就越多，對(duì)流運(yùn)動(dòng)也就越強(qiáng)。

2.3.3 動(dòng)力條件

如圖3，哈爾濱地區(qū)位于高空槽前，高空的輻散氣流有利于對(duì)流云頂?shù)慕禍?，低層輻合增?qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，使對(duì)流云團(tuán)更強(qiáng)盛。700 hPa上哈爾濱西北部上空有一條風(fēng)速輻合線和一條干線，中層干線利于帶狀對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展。850 hPa上有一條風(fēng)速輻合線，925 hPa上哈爾濱位于急流出口區(qū)，低空急流出口左前方的輻合抬升可以觸發(fā)和增強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展，地面上哈爾濱位于冷鋒前部，同時(shí)地面上還有輻合線，這些抬升機(jī)制可以觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展。綜合來(lái)說(shuō)，黑龍江中部以南的區(qū)域存在最有利的抬升機(jī)制和多種觸發(fā)機(jī)制，利于對(duì)流發(fā)展。

圖3 2018年9月3日08時(shí)中尺度分析圖

2.3.4 垂直風(fēng)切變

如圖2，08時(shí)哈爾濱上空0-6km垂直風(fēng)切變達(dá)到11 m/s，0-3km垂直風(fēng)切變 達(dá)到14 m/s，0-1km垂直風(fēng)切變達(dá)到12 m/s，整體上達(dá)到了強(qiáng)垂直風(fēng)切變條件，可以使對(duì)流產(chǎn)生高度組織性，有利于本次颮線過(guò)程的出現(xiàn)。

2.3.5 急流條件分析

圖3中哈爾濱地區(qū)低層有西南急流輸送暖濕空氣，中高層有繞低渦底部的急流輸送干冷空氣。低空急流的左側(cè)是輻合區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)；高空急流的右側(cè)是輻散區(qū)，下沉氣流引導(dǎo)干冷空氣進(jìn)入雷暴系統(tǒng)。兩者結(jié)合可以增強(qiáng)雷暴垂直環(huán)流，同時(shí)加強(qiáng)上干冷下暖濕的大氣環(huán)境，進(jìn)而加強(qiáng)層結(jié)的不穩(wěn)定度。

3 雷達(dá)資料分析

3.1 颮線和陣風(fēng)鋒的生命史

3.1.1 颮線生命史

2018年9月3日下午，哈爾濱雷達(dá)上西面出現(xiàn)大量塊狀回波向東北移動(dòng)，并開(kāi)始聯(lián)結(jié)在一起，颮線開(kāi)始形成(圖略)。15時(shí)29分，颮線發(fā)展成熟，其主導(dǎo)回波帶(45 dBZ以上)長(zhǎng)度為250km，寬度超過(guò)20km，其南部較強(qiáng)而最強(qiáng)中心反射率因子強(qiáng)度達(dá)到63 dBZ。颮線回波整體以20km/h的速度向東北方向移動(dòng)。到16時(shí)03分蘭西區(qū)域的弓形回波前部陣風(fēng)鋒回波開(kāi)始形成，颮線北部的回波分裂減弱，南部的颮線和部分北部零散回波連接在一起，新的颮線開(kāi)始形成并發(fā)展。到16時(shí)42分，新的颮線發(fā)展成熟，長(zhǎng)度為200km，寬度超過(guò)25km，同時(shí)在呼蘭以西的位置觀測(cè)到完整的“窄帶回波”即陣風(fēng)鋒。到17時(shí)38分颮線北部再次分裂減弱，而原來(lái)的颮線南部區(qū)域仍有強(qiáng)對(duì)流單體不斷發(fā)展并向東北方向移動(dòng)，同時(shí)呼蘭縣出現(xiàn)了新的陣風(fēng)鋒回波；哈爾濱以南零散回波開(kāi)始聯(lián)結(jié)在一起，另一條颮線開(kāi)始發(fā)展。18時(shí)23分，南北兩支颮線開(kāi)始接觸，同時(shí)雷達(dá)站南北兩側(cè)的對(duì)流單體不斷分裂減弱。18時(shí)51分兩只颮線的前導(dǎo)對(duì)流線合二為一，后部的對(duì)流單體減弱匯入后部的尾隨層狀云區(qū)，新的颮線發(fā)展成熟，長(zhǎng)度為300km，寬度10km。20時(shí)33分，颮線向東北方向移動(dòng)并減弱，南部的對(duì)流單體消散，長(zhǎng)度縮減為150km。22時(shí)31分，颮線旋轉(zhuǎn)北上徹底減弱為層狀云回波。

3.1.2 陣風(fēng)鋒生命史

15時(shí)57分(圖略)蘭西區(qū)域的弓形回波前部逐漸出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)度只有10-15 dBZ的塊狀回波遠(yuǎn)離回波主體。到16時(shí)25分，在呼蘭以西的位置出現(xiàn)完整的“窄帶回波”即出流邊界，并且只出現(xiàn)在0.5°仰角上，可以推測(cè)其頂度在700-1500 m范圍內(nèi)。其距離主體回波15-20km，強(qiáng)度保持在0-15 dBZ，徑向速度為5-12 m/s且從后往前速度減小，風(fēng)速未達(dá)到下?lián)舯┝鞯臉?biāo)準(zhǔn)，前沿為速度梯度最大的區(qū)域，也是輻合區(qū)，移速25km/h。隨后出流邊界逐漸增長(zhǎng)，到16時(shí)48分出流邊界長(zhǎng)度達(dá)到最長(zhǎng)100km，其徑向速度為4-13 m/s。然后出流邊界的長(zhǎng)度縮小，寬度增大達(dá)到25km，強(qiáng)度減弱，變?yōu)檩椛^(qū)，與颮線主體的距離增大到15km，不再保持對(duì)稱(chēng)的弧形。到17時(shí)21分，與回波主體的距離增加為25km左右，強(qiáng)度也減弱為0-10 dBZ，同時(shí)其后面的颮線主體回波減弱分散，最后到18時(shí)12分 出流邊界徹底消散。

另一方面，在17時(shí)27分(圖略)哈爾濱市松北區(qū)有一條新的出流邊界開(kāi)始發(fā)展，在遠(yuǎn)離主體強(qiáng)對(duì)流回波的同時(shí)，長(zhǎng)度增大，強(qiáng)度增強(qiáng)，速度減小。到18時(shí)18分，隨著陣風(fēng)鋒距離雷達(dá)越來(lái)越近，已經(jīng)能在1.5°仰角上觀察到。其長(zhǎng)度50km，寬度5km，高度在1.5km以下，強(qiáng)度5-15 dBZ，徑向速度為0-13 m/s且從后往前速度減小，前沿有明顯的風(fēng)向輻合，移速40km/h。而南部第二條颮線前出現(xiàn)了第三條出流邊界并接近第二條。到18時(shí)46分，第二、三條出流邊界聯(lián)結(jié)在一起，長(zhǎng)度達(dá)到150km，強(qiáng)度達(dá)到15-25 dBZ。到19時(shí)08分，由于回波衰減，無(wú)法觀測(cè)到出流邊界。

綜合本次颮線過(guò)程和陣風(fēng)鋒的變化，陣風(fēng)鋒作為颮線前下沉氣流與環(huán)境暖空氣的輻合帶，強(qiáng)迫暖濕空氣抬升，對(duì)觸發(fā)環(huán)境中的不穩(wěn)定能量有所幫助，后續(xù)的新的對(duì)流單體往往在陣風(fēng)鋒經(jīng)過(guò)的區(qū)域繼續(xù)發(fā)展，部分有所增強(qiáng)；新生成的颮線也會(huì)帶來(lái)新的下沉干冷空氣，推動(dòng)之前的陣風(fēng)鋒繼續(xù)移動(dòng)，而一旦颮線單體減弱，其下沉氣流所形成的冷池也無(wú)法維持，其前沿的陣風(fēng)鋒也會(huì)逐漸減弱消散。

3.2 陣風(fēng)鋒和颮線結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 陣風(fēng)鋒的形成

分析三條陣風(fēng)鋒開(kāi)始形成前30 min的颮線主體回波垂直結(jié)構(gòu)（圖略）可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)對(duì)流單體的強(qiáng)中心發(fā)展上升到云頂后在15-20 min快速下落并接地，這表明強(qiáng)對(duì)流單體內(nèi)有強(qiáng)降水。陣風(fēng)鋒回波皆位于颮線主體弓狀回波前部，其主要特點(diǎn)是“后側(cè)入流缺口”、前沿高反射率因子梯度區(qū)和入流側(cè)弱回波區(qū)(WER)。除了強(qiáng)降水粒子本身的拖曳作用之外，后側(cè)入流急流攜帶高動(dòng)量的干冷空氣進(jìn)入，通過(guò)動(dòng)量傳遞和加強(qiáng)對(duì)降水的冷卻蒸發(fā)也可以增強(qiáng)下沉氣流。當(dāng)大量冷性下沉氣流到達(dá)地面時(shí)，會(huì)形成冷池并快速輻散出去，這些冷的地面出流遇到周?chē)h(huán)境中的暖空氣會(huì)強(qiáng)迫其抬升，通過(guò)抬升昆蟲(chóng)造成電磁波散射或陣風(fēng)鋒中的湍流運(yùn)動(dòng)對(duì)電磁波的散射等可能的原因[3]，產(chǎn)生能被雷達(dá)觀測(cè)到的陣風(fēng)鋒回波。

3.2.2 陣風(fēng)鋒的維持

分析陣風(fēng)鋒形成后的徑向速度場(chǎng)（圖略），在陣風(fēng)鋒回波弧線最外圍往往都是輻合的，這是陣風(fēng)鋒強(qiáng)迫抬升前方環(huán)境暖濕空氣導(dǎo)致的，其颮線主體在0.5°仰角都有速度模糊，風(fēng)速都在20 m/s以上，對(duì)應(yīng)下沉氣流帶來(lái)的大風(fēng)。第二條陣風(fēng)鋒的颮線后部有一些輻散區(qū)域，這對(duì)應(yīng)著颮中系統(tǒng)的尾流低壓。當(dāng)?shù)谝粭l陣風(fēng)鋒回波快要消散時(shí)，其回波反應(yīng)為輻散的狀態(tài)，這可能是因?yàn)殛囷L(fēng)鋒后方對(duì)流單體減弱而無(wú)法提供足夠強(qiáng)的下沉氣流來(lái)抬升環(huán)境暖空氣，陣風(fēng)鋒區(qū)域由之前的輻合抬升轉(zhuǎn)為單純由下沉氣流產(chǎn)生的輻散。

分析18時(shí)06分第二條陣風(fēng)鋒處一個(gè)發(fā)展成熟的颮線單體的速度和強(qiáng)度剖面圖（圖略），從1.5km到7km有一條從低到高從颮線前到后傾斜的輻合通道，因?yàn)轱R前被迫抬升的暖濕氣流入流攜帶著動(dòng)量和能量向上向北輸送，而中層后部的干冷空氣侵入進(jìn)來(lái)與上升氣流相遇產(chǎn)生輻合；同時(shí)，斜升氣流到達(dá)頂部的向四周輻散，斜升氣流通道后部的下沉氣流造成1.5-6km位于上升通道后方的輻散區(qū)域。在回波中觀察到這種徑向輻合帶，往往預(yù)示著具有良好組織性的發(fā)展更強(qiáng)盛、生命史更長(zhǎng)的對(duì)流系統(tǒng)。所以，結(jié)合本次陣風(fēng)鋒過(guò)程的發(fā)生條件，上干下濕的不穩(wěn)定環(huán)境，雷暴系統(tǒng)后部較強(qiáng)的環(huán)境中層干冷空氣入流有利于陣風(fēng)鋒的維持。

4 結(jié)論

根據(jù)上述分析得到以下結(jié)論：

（1）2018年9月3日的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程是一次范圍大、時(shí)間長(zhǎng)的典型颮線過(guò)程。高空低渦底部的中高空急流帶來(lái)了上層干冷環(huán)境和中層干冷空氣的侵入，低層西南急流提供了低層暖濕空氣，上干冷下暖濕的環(huán)境提供了不穩(wěn)定能量，配合中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變環(huán)境，中層干線、低空急流、地面輻合線提供了觸發(fā)條件，雷暴下沉氣流產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒提供了后續(xù)觸件，是這次雷雨大風(fēng)天氣出現(xiàn)的有利條件。

（2）本次陣風(fēng)鋒過(guò)境時(shí)主要帶來(lái)氣壓涌升、風(fēng)速急增、風(fēng)向突變，溫度和濕度變化不明顯，這可能與本地更干冷的氣候背景有關(guān)。

（3）本次陣風(fēng)鋒在雷達(dá)上表現(xiàn)為颮線弓狀回波前沿15-25km的弧狀“窄帶回波”，其高度一般在1.5km以下，強(qiáng)度在10-20 dBZ左右，速度0-13 m/s，最長(zhǎng)可達(dá)150km，寬度5-25km，生命史2-2.5 h。形成前可觀測(cè)到颮線強(qiáng)中心在20 min內(nèi)快速下降；成型后在陣風(fēng)鋒回波最前沿有輻合帶，在颮線單體中層有徑向輻合帶；上干下濕的環(huán)境和后部強(qiáng)中層干冷空氣入流有利于陣風(fēng)鋒的維持。

（4）陣風(fēng)鋒的維持需要對(duì)流單體有足夠強(qiáng)的下沉氣流，當(dāng)陣風(fēng)鋒減弱時(shí)其后部的對(duì)流單體也很有可能會(huì)減弱；當(dāng)颮線聯(lián)結(jié)時(shí)，其前沿的陣風(fēng)鋒也可以聯(lián)結(jié)在一起；陣風(fēng)鋒抬升環(huán)境暖空氣有利于颮線的移動(dòng)和維持，陣風(fēng)鋒一定程度上可以指示颮線的移動(dòng)和變化。