湖北雷暴阵风锋特征及其对流触发作用分析_韦惠红.pdf

第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.41 No.1February，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology湖北雷暴阵风锋特征及其对流触发作用分析韦惠红1，2，吴翠红1，魏凡1，鲁易1，孔海妹1，赵欢1（1.武汉中心气象台，湖北 武汉 430074；2.暴雨监测预警湖北省重点实验室，湖北 武汉 430205）摘要：基于20162021年湖北多普勒雷达及加密自动气象站资料，对湖北雷暴阵风锋特征进行分析。结果表明：（1）湖北阵风锋主要出现在68月，占总数的96%，其中8月最多；一天中主要发生时段为15：0018：00（北京时，下同），峰值在17：00；大多数阵风锋持续时间为1.53.0 h；产生阵风锋的母雷暴中35%为多单体雷暴，40%为多单体雷暴群，25%为飑线。（2）阵风锋主要有5个生成区域，分别为省外、鄂东北、江汉平原、鄂西北的襄阳和鄂西南的宜昌，相同区域生成的阵风锋移动方向有较好的规律性。鄂东北生成的阵风锋最多，占总数的33%。（3）不是所有母雷暴及其阵风锋都能引发地面大风，69%的母雷暴和9%的阵风锋产生的地面极大风速大于等于17.0 ms-1。在多单体和多单体雷暴群中，母雷暴的回波强度越强，母雷暴及其阵风锋产生的地面大风概率越大，阵风锋产生的地面风速强度与其回波强度、空间尺度关系不大。（4）阵风锋有较强对流触发能力，91%的阵风锋在其后部、附近和前侧触发对流单体。母雷暴与其阵风锋反馈作用不同，对流触发与阵风锋的相对位置有差别，正反馈型大多在阵风锋后部触发对流，负反馈型在阵风锋后部、附近和前侧均可触发对流，29%的触发对流回波强度大于等于55 dBZ。35%的阵风锋与周边已有雷暴合并发展形成合并型阵风锋，此型在鄂东北发生次数最多。关键词：湖北；阵风锋；飑线；多单体；对流触发文章编号：1006-7639（2023）01-0073-09 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0073中图分类号：P446 文献标志码：A引 言近年来随着雷暴大风、短时强降水等强对流天气的频繁发生，对流天气的研究越来越得到重视（李丹等，2021；牛淑贞等，2021；司福意等，2018）。对流风暴中的冷性下沉气流到达低空，与低层暖湿空气交汇形成的边界就是阵风锋（张培昌等，2001；黄旋旋等，2008；张涛等，2013）。阵风锋作为边界层辐合线的一种，又称为雷暴的出流边界或外流边界，是最常见的对流触发系统之一（张一平等，2005；俞小鼎等，2012）。在雷达回波图上，阵风锋表现为强对流回波前方的窄带回波（李国翠等，2006）。阵风锋过境伴有气压升高、风速突增和温度陡降等现象，阵风锋及其母雷暴经常会产生地面大风，引发人员伤亡或者经济损失，因此阵风锋研究对防灾、减灾有重要意义。阵风锋过程经常伴有地面大风出现，特别当母雷暴为飑线或者强单体风暴时，不仅母雷暴可以产生地面大风，阵风锋也可以产生地面大风（王彦等，2006；刘峰等，2007；马中元等，2011；吴举秀等，2017）。阵风锋出现不仅对地面大风发生有预示作用，而且阵风锋作为边界层辐合线，在触发新生雷暴和加强已有雷暴方面有重要作用（Wilson and Schreiber，1986；Wilson and Mueller，1993）。通过雷达低仰角反射率产品，在一定距离内可以实时监测雷暴及其阵风锋发展、演变情况，可提前1 h左右发现触发新生对流的征兆，因此阵风锋对地面大风和新生对流发展有提前预警作用（唐明晖等，2011；郑佳锋等，2013）。阵风锋对雷暴不仅具有较强的韦惠红，吴翠红，魏 凡，等.湖北雷暴阵风锋特征及其对流触发作用分析 J.干旱气象，2023，41（1）：73-81，WEI Huihong，WU Cuihong，WEI Fan，et al.Analysis of thunderstorm gust front characteristics and its convection triggering effect in Hubei Province J.Journal of Arid Meteorology，2023，41（1）：73-81，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0073收稿日期：2022-02-14；改回日期：2022-06-27基金项目：湖北省气象局科技项目（2022Y02）资助作者简介：韦惠红(1978)，女，广西南宁人，高级工程师，主要从事天气预报预警服务和研究。E-mail：。通信作者：吴翠红(1969)，女，江苏兴化人，正高级工程师，主要从事中尺度分析和强对流预报研究。E-mail：wuch_whyeah。41 卷干旱气象抬升触发能力，而且阵风锋对母雷暴有反馈作用，当阵风锋与雷暴间的距离保持不变时，阵风锋对母雷暴有正反馈作用；当阵风锋远离雷暴时，雷暴将迅速减弱，阵风锋对母雷暴有负反馈作用（胡文东等，2015；刘勇等，2007）。近年来根据阵风锋与母体雷暴的距离及其与母雷暴的相互作用，对阵风锋的分类有诸多成果（葛润生，1986；席宝珠等，2015；陶岚等，2016），阵风锋的类型不同，对母体雷暴的反馈作用不同。湖北省地处长江中游，地形复杂，中小河流和湖泊众多，对流性天气频发。目前对于湖北的阵风锋相关研究很少，对其特点及影响认识不足，因此本文基于20162021年多普勒雷达资料和高时空分辨率的加密自动气象站资料，统计湖北阵风锋时空分布、阵风锋及其母雷暴的各项特征指标，并重点对阵风锋过程引发地面大风和对流触发情况进行分析，以期加深对此类强对流天气的认识，提高湖北对流性天气的预报和预警能力。1资料和方法采用 20162021 年湖北 6 个雷达站（十堰、襄阳、随州、宜昌、荆州、武汉站）多普勒雷达资料及湖北加密自动气象站逐小时气温及风速等资料，对雷达站点周围半径125 km范围内的雷暴阵风锋进行主观识别统计。参照席宝珠等（2015）的判别标准，本文阵风锋识别方法为：在低仰角（0.5o和1.5o）雷达回波图中，回波强度大于等于45 dBZ的雷暴前方或周边，若清晰观测到弧状或线状结构的窄带回波，其长度大于等于30 km且回波强度小于等于30 dBZ并维持5个体扫以上，该窄带回波随母雷暴一起移动或者在母雷暴周边呈弧形散开，并用低仰角雷达径向速度产品可确定窄带回波的移动特征，该窄带回波即为阵风锋。按照上述阵风锋识别标准，结合阵风锋经过自动气象站的风场及温度、气压、湿度信息，若一个雷暴日中存在多条阵风锋，但其母雷暴不同，则按多次阵风锋过程统计。另外，阵风锋统计过程中，只统计与雷暴相伴随的阵风锋，无明显雷暴产生的边界层辐合线不计入。文中附图涉及的湖北省行政边界基于国家地理信息公共服务平台网站下载的审图号为GS（2019）3266号的标准地图制作，底图无修改；另外文中所有时间均为北京时。2阵风锋及其母雷暴统计2.1阵风锋时间分布特征20162021 年湖北共出现 48 次阵风锋过程。阵风锋主要出现在59月，6、7、8月阵风锋呈逐月增加趋势，分别出现7、18、21次阵风锋过程，夏季阵风锋占比为 96%。从阵风锋过程次数的日变化分布 图1（a）看，午后到傍晚（15：0018：00）是阵风锋高发时段，70%的阵风锋出现在该时段，峰值出现在17：00；18：0019：00，阵风锋迅速减少；04：0012：00 没有监测到阵风锋。从阵风锋的持续时间图 1（b）来看，大多数阵风锋持续时间小于等于3.0 h（占比73），其中持续时间在2.53.0 h的阵风锋占比38，1.52.0 h的阵风锋占比25，阵风锋最长持续时间为5.5 h。2.2阵风锋空间分布和移向图 2 为 20162021 年湖北阵风锋生成区域和移动方向分布。从阵风锋生成位置来看，主要集中在5个地区，如图2虚线包围区（1、2、3、4、5区），1区图120162021年湖北阵风锋发生次数的日变化（a）及不同持续时间阵风锋发生次数（b）Fig.1Diurnal variation of gust front occurrence number(a)and occurrence number of gust front with different durations(b)in Hubei Province during 2016-202174第 1 期韦惠红等：湖北雷暴阵风锋特征及其对流触发作用分析阵风锋（黑色箭头，称为“省外阵风锋”）形成于河南与陕西、鄂西北交界附近，20162021年总共有5次阵风锋过程，阵风锋向东南和偏南方向移动，影响鄂西北和鄂东北地区；2区阵风锋在鄂西北的襄阳附近生成（紫色箭头，称为“襄阳阵风锋”），总共有4次阵风锋过程，阵风锋向西移动，主要影响鄂西北东部；3区阵风锋在鄂东北形成（棕色箭头，称为“鄂东北阵风锋”），共有16次阵风锋过程，大多数阵风锋生成于桐柏山与大别山交界附近，向西南和偏南方向移动，主要影响鄂东北、鄂东南及江汉平原的东部地区；4区阵风锋在江汉平原生成（红色箭头，称为“江汉平原阵风锋”），影响江汉平原和宜昌地区东部，共有15次阵风锋过程，其中14次阵风锋向西南或偏南方向移动，一次阵风锋向东方向移动，与其他阵风锋移动路径有较大区别；5区阵风锋在鄂西南的宜昌附近形成（蓝色箭头，称为“宜昌阵风锋”），共有6次阵风锋过程，均向偏东方向移动，影响宜昌地区东部和江汉平原。另外，在鄂西北东南部（黄色箭头）和鄂东南（黄色箭头）各有一次阵风锋过程，分别向东和向北移动，这2次阵风锋生成位置、移向与其他区域有较大差别，不归类在上述5个区域内。相同区域生成的阵风锋，移动方向有一定的规律。综上所述，阵风锋空间分布不均匀，在鄂东北生成的阵风锋最多，占阵风锋总数的33%，其次是江汉平原，占总数的31%，省外、襄阳、宜昌阵风锋分别占总数的10%、8%、13%。阵风锋生成和影响区域主要在湖北中东部平原地区，而西部山区受复杂下垫面影响，极少监测到阵风锋。从阵风锋移动方向来看，从北向南移动的阵风锋最多，其次是从西向东移动的阵风锋，从南向北移动的阵风锋较少。2.3母雷暴和阵风锋形态结构及移动特征对20162021年湖北阵风锋母雷暴的形态结构进行统计，可分为3种风暴：多单体雷暴、多单体雷暴群、飑线，其中35%为多单体雷暴，40%为多单体雷暴群，25%为飑线。母雷暴的最强回波均大于等于50 dBZ，其中52%的母雷暴最强回波大于等于55 dBZ，19%的母雷暴最强回波大于等于 60 dBZ。阵风锋的回波强度为1030 dBZ，大多数分布在1025 dBZ；阵风锋伸展高度为1.02.2 km 图3（a），其中伸展高度为1.31.6 km的阵风锋最多，伸展高度为1.61.9 km的阵风锋其次。进一步统计发现，阵风锋回波强度及伸展高度与母雷暴回波强度相关性不大。阵风锋空间尺度大多为50150 km 图3（b），其中空间尺度为50100 km 的阵风锋最多（占比48%），100150 km的阵风锋其次（占比31%）。空间尺度大于150 km的阵风锋占比为15%，其母雷暴36%为飑线，64%为多单体雷暴群。统计不同移动距离的阵风锋 图3（c），并根据移动距离和持续时间计算阵风锋的平均移动速度，发现 90%的阵风锋从生成到消亡的移动距离在150 km以内，其中移动距离为70100 km的阵风锋最多，移动距离大于200 km的阵风锋母雷暴均为飑线；大多数阵风锋平均移动速度在40 kmh-1以内，其中平均移动速度为3040 kmh-1的阵风锋最多图3（d），飑线型阵风锋平均移动速度均大于等于40 kmh-1，总体上比多单体型阵风锋平均移动速度更大。不同区域生成的阵风锋，母雷暴形态结构有较大区别，襄阳阵风锋母雷暴均为多单体雷暴或多单体雷暴群结构；宜昌阵风锋母雷暴均为飑线；省外阵风锋母雷暴中60%为飑线；江汉平原母雷暴大多是多单体雷暴或多单体雷暴群结构，只有一次为飑线；鄂东北阵风锋母雷暴中50%为多单体雷暴群结构，36%为多单