出流邊界對一次強對流天氣的影響分析

在適當?shù)沫h(huán)境條件下，強暴風雨過程中的冷空氣到達鄰近介質(zhì)外入，形成一個界面，稱為風角。陣風鋒不但具有陣性風大和低空風切變顯著的特點,還能觸發(fā)新對流單體的產(chǎn)生1農(nóng)業(yè)強對流造成大風2018年7月26日13:30(北京時,下同)前后秦嶺山區(qū)的對流云團下山過程中和西安南部分散的對流單體合并加強并向北發(fā)展,13:50對流風暴的冷出流在西安扈邑區(qū)、長安區(qū)南部形成陣風鋒,并向東北方向快速移動,經(jīng)過西安、咸陽東南部、渭南北部大部分地區(qū),強對流造成關(guān)中地區(qū)大范圍大風、短時強降水天氣,多處綠化樹木被大風刮斷、刮倒,多路段積水嚴重。14—16時關(guān)中地區(qū)產(chǎn)生19站次20mm/h以上的短時強降水,18站次8級以上大風天氣。西安三橋阿房宮站14:35出現(xiàn)極大風速29m/s,渭南華陰16時1h雨量達到47mm。由于雷達觀測限制,16:30左右陣風鋒的窄帶回波特征不再清晰,但是強對流天氣仍造成關(guān)中東北部地區(qū)17—18時出現(xiàn)8站短時強降水,5站8級以上大風天氣。2副熱帶天氣形勢分析26日08時500hPa高空圖(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。從該時刻中尺度天氣分析圖(圖1,見第8頁)可以看出,588dagpm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。700hPa副高外圍的偏南暖濕氣流直達陜北地區(qū),850hPa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動。陜西中南部700hPa、850hPa有濕舌自西南向東北伸展,關(guān)中南部地區(qū)地面露點大于22℃,低層濕度條件較好。關(guān)中東部、陜南東部3秦都與風鋒合作開發(fā)26日13:00前后秦嶺山區(qū)有對流云團發(fā)展,位于秦嶺北麓的鄠邑區(qū)南部、周至南部有分散的對流單體活動,13:33對流單體與下山的對流云團合并后迅速增強發(fā)展。13:50在0.5°仰角基本反射率因子圖上(圖略)多單體風暴呈塊狀位于鄠邑區(qū)、長安中南部,其前部激發(fā)出陣風鋒。陣風鋒的水平長度20km左右,垂直高度在1.5km以下,距離后部強回波約5km。組合反射率因子(圖2a)顯示,風暴發(fā)展旺盛,強回波中心超過65dBz,陣風鋒移動方向前方及左側(cè)觸發(fā)多個對流單體新生。對應速度圖上(圖略),陣風鋒位于風暴出流邊界風速梯度最大區(qū)域,大風核風速可以達到25m/s。新生的對流單體位于徑向風風向切變形成的零風速區(qū)。實況顯示,13:35鄠邑區(qū)草堂鎮(zhèn)草下小學出現(xiàn)15.6m/s的陣風,13:49鄠邑區(qū)秦鎮(zhèn)土地所院內(nèi)出現(xiàn)13.6m/s的陣風,結(jié)合雷達徑向風速及實況觀測,大風主要出現(xiàn)在陣風鋒后部強的反射率因子梯度區(qū),且強回波有所斷裂的部位。26日14:13(圖2b)新觸發(fā)的多個對流單體發(fā)展加強連成一片,冷出流激發(fā)出的陣風鋒緊挨強風暴,位于雁塔區(qū)西南部,形成陣風鋒的跳躍式發(fā)展。該時段實況顯示,13:52鄠邑區(qū)秦鎮(zhèn)土地所陣風18.8m/s,14:03長安站陣風20.1m/s,14:10西安高新一中陣風17.4m/s。陣風鋒快速移動,逐漸遠離風暴母體,14:30(圖略)位于西安、咸陽南部,距離后部強回波5km,其西北側(cè)有新單體觸發(fā)。自動站觀測資料顯示14:26漢城湖出現(xiàn)12.3m/s的偏南風,14:27大唐芙蓉園出現(xiàn)12m/s的偏北風,這兩個站點相距12km,海拔高度相當,14:30氣壓分別為956hPa、952hPa,結(jié)合周邊站點氣壓可以看出,下沉氣流形成的雷暴高壓位于兩個測站之間,冷出流造成兩站截然相反的風向。14:41(圖2c)陣風鋒西北部新觸發(fā)的對流單體和禮泉地區(qū)回波合并后迅速發(fā)展加強,風暴的下沉氣流補充了冷池強度,該地區(qū)的冷出流進一步加強,之前強度相對較弱的西段陣風鋒,強度顯著增強,并向北拱起,距離風暴母體10km左右。同時,合并后的強風暴在禮泉東部激發(fā)出一條準南北向的陣風鋒,兩條陣風鋒相交向東北方向移動,后部風暴的冷池過境給咸陽地區(qū)帶來大風天氣。自動站觀測顯示咸陽湖14:32陣風17.3m/s,秦都14:43陣風16.6m/s。14:41陣風鋒經(jīng)過雷達本站涇河站,此時該站并沒有出現(xiàn)較大的風速,14:40極大風速為8.8m/s,14:50陣風18.1m/s,15:01陣風15.9m/s,結(jié)合自動站風速觀測和雷達回波可以看出,大風出現(xiàn)在陣風鋒后部強的反射率因子梯度區(qū)。15:00之后回波強度維持穩(wěn)定(圖略),陣風鋒距離風暴母體15km以上,實況15:50之前風力相對較小,很少有超過17m/s的大風天氣。16:06(圖2d)陣風鋒位于銅川南部、富平北部,蒲城西部一線,其西北部有新觸發(fā)的對流發(fā)展加強,后部強回波中心位于富平,同時,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,造成渭北地區(qū)出現(xiàn)大風天氣,自動站觀測顯示白水西固鎮(zhèn)17:14陣風25.5m/s。由于渭北地區(qū)距離雷達中心較遠,0.5°仰角探測高度達1.2km,而陣風鋒的高度一般在1.5km以下4法外沿邊境地區(qū)降水特征陣風鋒的形成與冷池密切相關(guān)。從逐小時氣象要素演變可以看出,26日13時(圖3a)秦嶺北麓的長安、扈邑區(qū)南部出現(xiàn)5℃左右的負變溫,冷池前方存在偏南風和偏東風的輻合。14時(圖3b)隨著冷空氣堆積,負變溫區(qū)出現(xiàn)了正變壓,同時,冷池北上,前部的風場輻合位置北移,結(jié)合雷達回波演變,可以看出陣風鋒窄帶回波和風場輻合位置有很好的對應關(guān)系。15時(圖3c)冷池迅速北進至西安城區(qū),負變溫超過5℃的范圍可達5000km雷達中心涇河站10min的溫度、露點、氣壓及風的演變(圖4a)顯示,14:40—15:10降溫13.6℃,氣壓升高2.3hPa,風向順轉(zhuǎn)154°,其中14:40—14:45氣溫下降4.5℃,露點溫度下降4℃,氣壓上升1.1hPa,風向由東南風順轉(zhuǎn)為西南風,風速由2.8m/s增加到10.1m/s(圖略)。西安降水量最大的星火立交站14—15時5min間隔變溫及5min累計降水(圖4b)顯示,14:20左右陣風鋒過境,5min內(nèi)氣溫下降5℃,隨著氣溫下降,大氣接近飽和,同時風向轉(zhuǎn)變,輻合增強,降水產(chǎn)生并加強,兩者的演變趨勢表明先有冷池降溫、而后產(chǎn)生降水,并不是因為降水的發(fā)生使得氣溫下降。降溫幅度逐漸遞減,降水逐漸增強,陣風鋒過境帶來的冷池降溫及風向輻合是產(chǎn)生短時強降水的原因。從陣風鋒移動主軸方向上站點要素演變可以看出(圖略):14:00、14:20、14:45、15:10、15:40陣風鋒依次經(jīng)過了長安站、西安人大機關(guān)大院站、涇河站、高陵站、富平站,移速達到50km/h。陣風鋒過境后30min內(nèi),氣溫持續(xù)下降直至最低點;氣壓陡升之后持續(xù)緩慢上升直至最大值;風速維持較大;露點在下降后有小幅回升。5重要溝通發(fā)展機制的分析5.1風場初始擾動大氣中深厚濕對流的發(fā)生需要垂直層結(jié)不穩(wěn)定、水汽和抬升觸發(fā)三個基本條件。從26日08時中尺度分析可以看出,關(guān)中東部、陜南東部地區(qū)有利于強對流天氣發(fā)生的中尺度環(huán)境,利用地面觀測及再分析資料對26日14時雷暴生成前后基本要素進行進一步診斷分析。14時地面觀測顯示,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1700J/kg,K指數(shù)37.1℃,850hPa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110°E多要素剖面可以看出(圖5),低層東南風和高層東北風之間存在明顯的干濕對比,風垂直切變較08時增強,以35°N為中心中低層有弱的上升運動,表明存在初始擾動。圖6為26日14時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,有利于強迫暖空氣上升產(chǎn)生上升運動,高層有冷平流自北向南擴散,且冷平流中心逐漸下降有利于增強大氣垂直方向不穩(wěn)定度?？梢?高層東北路干冷空氣和低層東南風暖濕氣流的共同增強,使該地區(qū)冷暖空氣疊置,大氣不穩(wěn)定度增加,低層弱的上升運動形成初始擾動,當陣風鋒移入后極易觸發(fā)強對流天氣發(fā)生。由26日逐小時地面觀測資料可見(圖略),09時西安地區(qū)有弱輻合,11時西安地區(qū)風場存在氣旋式輻合,風場初始擾動有利于對流系統(tǒng)移入后增強發(fā)展。從雷達回波和自動站要素演變可以看出,最初在秦嶺山區(qū)活動的對流云團,下山過程中和秦嶺北麓多個局地對流單體合并加強形成有組織的多單體風暴,風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,進而形成陣風鋒,多單體風暴及陣風鋒隨著環(huán)境風向北推進的過程中,進入能量、不穩(wěn)定機制、初始擾動條件都較好的地區(qū),迅速觸發(fā)形成新的對流。5.2雷霆和暴力的發(fā)展和維護雷暴的發(fā)展和維持通常和雷暴與低層風切變的關(guān)系、雷暴與輻合線相遇、多個雷暴合并、雷暴與出流邊界的距離、低層輻合的強度等因素有關(guān)6陣風鋒觸發(fā)機制分析(1)本次強對流天氣過程中,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,500hPa淺槽侵入副高內(nèi)部,增強層結(jié)不穩(wěn)定,槽前上升運動有利于不穩(wěn)定能量釋放。(2)陣風鋒是本次強對流天氣的觸發(fā)機制。新的對流單體在陣風鋒前徑向風風向切變