青浦雷达 8.1 0910z

海风锋,多为盛夏沿海地区的产物。烈日暴晒之下,陆地的增温快于海洋,形成热低气压;而海洋的温度增长缓慢,是相对较冷的地区,气压也比陆地更高。由是,在水平气压梯度力的驱使下,风便从瀚海吹向热土;湿冷空气突入干热气团的前线,便是海风锋。海陆的热力性质差异是华东沿海海风锋形成的常见原因之一。广义来说,海风与陆地风的任何辐合,都可以被称作海风锋,或者海陆辐合线。

海风锋是边界层辐合线的一种,在遇到合适的条件时,它能够在沿海地区触发对流单体,甚至能驱使激发的对流单体组织化,使其顺着锋面的方向移动。盛夏时节,对流有效位能往往可以达到3000J/kg甚至更高,但是由于地面干热、湿度较小,亦或近地面有一小逆温层、阻碍对流云团发展,故即使有很高的对流有效位能(CAPE),有很多时候都爆不了对流。而海风锋便能较好地解决上述这两个问题:首先,海风锋锋后是海洋性气团,湿度较大,随着海风锋的推进,其途径之地的低空往往由干区变成湿区,有利于对流云团的新生发展;其次,海风锋能够提供明显的上升运动,锋面附近的正涡度往往能上探到离地3~5km,最大垂直涡度可达80~100×10-5/s,有助于积云突破自由对流高度(LFC),利用到对流层中层充沛的CAPE,通过浮力做功获取能量。

下图展示了2007.6.15日本仙台机场附近海风锋,当时近岸有一个低压系统,其东北侧的东北风与陆面的北风形成海风锋/海陆辐合线。

2007.6.15 仙台机场附近 近地面气流形势

锋面东侧是T<294K的海洋湿冷气团,西侧是暖干的陆地气流。海风锋是一种非常浅薄的锋面,其厚度往往不会很大,本案例中海风锋差不多仅有300m厚;锋面也对应辐合线的位置,一般地面辐合线前10km、后20km均为抬升区,在该抬升区作用下易触发雷暴。

激光测风雷达RHI 以及计算机预报海风锋 可见锋面附近有强上升气流
从东西方向剖析海风锋 可见西进的海风集中在250m以下,风速约为4m/s;锋面附近抬升较强。SNR:信噪比,似乎越高置信度越大. KHB:锋后的K波

研究显示,海风锋锋面附近有着较为强烈的抬升(Richardson number<0.5概率较高,对应湍流强烈);需要注意的是这项研究RHI似乎仅扫了较低的层面,其他研究揭示,海风锋面附近的抬升区厚度实际上远不止600m。但是据我观察,华东沿海的海风锋对流似乎更倾向于爆在锋后,而不是抬升较为强烈的锋前或者锋面上,具体或许和城市下垫面以及局地小地形有一些关联。

Ri index与海风锋附近大气流场

海风锋对流也有一些特点:

[1]激发时间:午后~傍晚

盛夏时节,气温自日出以来不断攀升,在13~16时差不多达到一天中的顶峰,离海岸线越近,一般到达一天中最高温的时刻越早,以我所在的浙江省为例,宁波沿海一带盛夏时13-14点可能就到达一天中温度最高的时刻,再过一段时间往往有东风侵入,对应海风锋上岸、西进,高温消弭。此时,对流活动也开始初生;再经过1-2小时,若大气环境整体有利于对流(高CAPE,且不是太干),则初生对流往往发展成高大成熟的对流单体,或者组织化形成多单体雷暴等。在19时以后,由于太阳高度下降,陆地降温开始、与西进的海风锋后气团之间的温差与气压梯度缩小,海风锋西进往往停滞并走向消亡,锋面上方的正涡度区域也往往减弱,对流环境总体转差,已有的雷暴也将逐渐崩溃、消亡(也有例外)。

[2]移动速度往往比较缓慢,生命史可以较长

盛夏时节,长三角往往位于副高控制区甚至接近副高核心,中低空盛行较弱的下沉气流,1000hpa~300hpa缺乏明显的引导气流,所以激发的海风锋对流往往移速缓慢。有些对流单体(尤其是新生的)会一起随着海风锋缓缓西进,另一些则向高空微弱引导气流的下游移动,常见的方向一般为东北。此外,在海岸山地的环境中,海风锋对流单体时常原地卡滞,这可能是因为对流单体进入环山地形、难以移动,也可能是山地的山谷风环流和海风锋环流形成准静态平衡。海风锋移速较慢,所以与内陆热雷雨单体相比,其影响的地区往往会经历时间更长的强雷电、强降水,单小时雨量可达80mm甚至120mm以上,强降水若叠加城市下垫面或者山地,均可能导致一系列灾害。

[3]对流形式主要为单体雷暴、多单体雷暴

与江淮气旋暖区、冷锋锋区相比,海风锋对流环境急流弱、垂直风切变较小,故较少形成组织化的强飑线或者超级单体雷暴,也极少带来龙卷风;另外,由于中层缺乏干冷平流侵入,大气暖湿层相对深厚,缺乏下沉对流有效位能(DCAPE),故海风锋对流单体的雷暴冷池也相对偏弱,很少带来11级及以上的极端大风。盛夏时节湿球温度零度层(WBZ)也处于较高的位置,所以也较少制造大冰雹。但是,如果配合其他中大尺度天气系统,比如高空槽、飑线过境,海风锋可能会成为制造灾害性天气的推手。海风风向与飑线引导风向配合可以制造正涡度,因此海风锋与飑线的交锋或会导致小型涡旋的形成。这类小型涡旋可以是α尺度,但一般是中γ尺度,宽度仅为数公里,在两种风提供的涡度加持和其他环境形势的作用下,这类小涡旋可以爆发增强,导致更为猛烈的降水与大风,雷达上一般可见对流云团爆发性增强、回波质心猛烈发展及沉降,以及强阵风锋或下击暴流的出现,极端情况下,甚至可以产生龙卷。由于我国的海域在陆地的东侧和南侧,因此海风一般以东风或南风为主,配合较强的低空急流可以提供较大的风暴相对螺旋度(SRH),因此也可能助长沿海地区超级单体雷暴的发生。需要注意的是,海风锋受小地形影响很大,且风速往往不会太强,亦不会过于深入内陆,与槽前更大尺度的地面低压系统比,其提供的东南风分量微乎其微,且仅限沿海地区,因此个人认为海风锋在龙卷形势的分析中的重要性相对很小。

[4]视觉感受过瘾

盛夏时节,沿海地区每天都能受到海风影响,大气污染物和气溶胶较少;同时,副高控制区内大气整层湿度[尤其是低空湿度]与梅雨时节相比要小一些,湿空气带来的云雾对于视线的干扰也相对较小。蓝天白云是长三角夏季的常态。在高能见度的环境下,海风锋对流的云团结构可以一览无余,若对流抵近往往还能看到其诡谲的云底和舞动的雨幕,雨幕涌来时视觉压迫感极强。

PS:海风区气溶胶含量大于锋前,且以锋面附近为最多,因此锋过境后可能大气通透度会有所下降。

海风锋对流案例回顾和简要分析

2022.8.1 10~12z 上海西部海风锋

首先来看一下当天的探空,选取沿海的58362宝山站。这是一个炎热而普通的夏日,由于离日出仅过去2小时,58362放飞气球时(一般是2315z放气球)地面尚不至于太干。虽然SBCAPE看着有1600J/kg,但由于SBCAPE是基于地面T/Td的计算,并无法反映0~1km整层大气的状况——换句话说,近地面的快速加热营造了“虚假”的高CAPE。MLCAPE(mixed layer CAPE)就能较好地纠正这一点,我们可以看到MLCAPE才461J/kg,整层大气相对还算稳定。下图的各类层结应该也是基于混合层来计算,我们看到LCL750m,是一个相对较低的值。但是LFC高达2131m,不是非常有利于对流。

58362 2022.8.1 00z

海风一方面可以对近地面空气进行加湿(ps:被加湿层的厚度可能会比海风锋厚度更大,涉及到边界层混合),利于降低LFC,另一方面海风锋附近的抬升又能促使新生积云蓬勃发展,使其突破LFC以利用正浮力/CAPE做功,最终让积云演化成对流单体或进一步合并甚至组织化。12z探空(一般是1115z放气球,海风锋恰好在这一天的09~10z扫过上海市区)就对对流非常友好了:低空湿度得到了较好的改善,不至于很干;LFC降到了1154m,生长的积云非常容易就能突破;同时MLCAPE大且分布相对均匀,EL达到了15751m,且整层大气风切很小,可降水量达64mm左右,一切都在提示如果有良好的激发,雷暴,而且是拥有高强度降水的雷暴将会迅猛发展。细心的朋友会发现这一天海风的厚度其实挺大,连925hpa/749m处都有3.4m/s的东风。

58362 2022.8.1 12z

其余形势:这一天,上海也处于副热带高压5880线的边缘,且黄海有一热带低压活动,上海位于低压西南侧,850hpa以西北风为主;同时,浙江东北部一带850hpa有一些微弱东南风分量,由此在上海西部形成了一道弱的辐合线。700hpa浙江西部的西南风和江苏下来的西北风在上海西部碰撞,辐合更为明显;万事俱备,只差激发。(图略,可参考meteologix的ERA5再分析)

我们来从头到尾看一下这波海风锋过程。0925z,已经有一条明显的海风锋向西推进,大部分上海城区都处在锋后,对流条件较好。此时也有零散单体在锋后爆出,但是都较为短命。这是雷雨前的宁静,整个上海宛如一锅85℃的热水,锅底的大量气泡呼之欲出,因受热不均或局地扰动已经有一些小气泡带头冲锋。此时的上海气象迷或许还不知道,他们将迎接一次极为猛烈的短时强降水过程。

青浦雷达 22.8.1 0925z

时间过去一个小时,18:30。落日的余晖尚很亮眼,但是抬头一瞥,天空中多了很多东西——浓积云似乎无处不在。这锅85℃的开水已经升温到90℃,不少气泡已经离开锅底的束缚、冲出水面了。雷达上,星星点点的单体开始爆出,现在我们暂时还看不清楚它们的分布规律。强雷暴的序章开始。

青浦雷达 8.1 1030z

又过了15分钟,海风锋已经扫过青浦雷达站,并且趋于消亡。在锋后,越来越多的对流单体开始爆发。依稀可见它们似乎是沿着某一条线爆出。我猜测,这一条线正是中低空辐合线,即850hpa or 700hpa辐合线的位置。闪电照亮天空,黑漆漆的不是夜空,而是高大云团的云底。

青浦雷达 8.1 1046z

15分钟后,原本零散的单体大有连成一片/组织化的趋势,但是依然可以看见原本单体的雏形。仔细观察这些单体,你或许会发现这些单体排列的间距大体相等。这是一个非常有趣的现象,有研究认为,海风锋后有间隔大致相等的上升区及下沉区——这是大气的涟漪,开尔文·亥姆霍兹波(Kelvin-Helmholtz billows)的杰作;以上文的仙台机场海风锋为例,一个上升支或下沉支的宽度大概是500m。观看上海的对流单体,间距应该有2~3km。此时,单体沿线已经开始出现猛烈的降水,上海气象迷们也翘首以盼,观看这锅热水到底是沸腾还是FW。

青浦雷达 8.1 1102z

20时到了。这些对流单体不负众望,蓬勃发展成为高大成熟、组织化的对流系统。此刻,上海闵行气象台拉响了暴雨橙色预警:“受较强的降水云团影响,预计未来6小时内本区部分街镇(工业园区)累积降水量将达100毫米以上(1小时降雨量达80毫米以上)。”雷达图中的一星紫波,提示着这波对流的不平凡——在暖湿深厚、WBZ较高的情况下,这点紫波完全是由雨滴所组成(像素点849m above radar level),可见降水之强悍。在19-20时内,上海最大一小时雨强达84.4mm(华漕红卫),共有5站小时雨强超过50mm,可见降水之猛烈。

青浦雷达 8.1 1202z

40~50分钟后,回波到达了巅峰。一块庞大的红波占据了上海西部,下面是猛烈而持久的雷雨,这锅热水彻底沸腾了。闵行区的回波开始压向青浦区,青浦国家站豪雨倾泻,在20-21时降下52.7mm的雨水。雷暴的南边可以见到一条类似阵风锋的弧状回波带,不过速度图显示风力并不大,少了冰雹的助力,雷暴吹出的冷风一般不会非常强劲。华漕红卫站在20:00~20:45依然录得了51.5mm的强降水,105分钟雨量高达135.9mm;七宝站2h雨量也高达126mm。据上海气象迷的记录,1小时雨量最大出现在青浦盈浦街道106.5毫米(20:24~21:24)。本次过程,堪称上海年度强对流过程。

青浦雷达 8.1 1250z

之后,这团雷暴云团在青浦泄尽了所有的能量,两个小时的表演最终落幕。

青浦雷达 8.1 1318z
青浦雷达 8.1 1355z

回顾一下本次过程,当天傍晚上海的对流条件其实不错,海风锋解决了近地面抬升的问题,低空辐合线和充沛的CAPE解决了中低层动力的问题,充足的水汽为短时特大暴雨提供了保障,较弱的整层风力也确保雷暴在某地停留的时间够长。

对于上海这座城市来讲,海风锋是午后的常客,即使在副高压顶、最高气温达到40℃以上、令人窒息的2022夏天,也能在干热环境中创造奇迹,携来海上与天上的清凉,沁入上海市民的心脾。
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3岁的金抽抽
3岁的金抽抽
15 天 前

作者很好的解释了海风锋的成因及其特征。在晴空夏季的午后,海风锋往往是造成局地强对流天气的重要触发因子!一篇文献借助激光雷达表明:海风锋的锋面上存在开尔文-亥姆霍兹波,是目前气象学上非常前沿的研究成果。
海风锋触发对流是短临预报的难点,也是研究的难点。上海市夏季晴朗天气下,南北两支海风锋时常影响沿江沿海地区。上海市2022年8月1日的海风锋,不论是强度还是沿伸的高度,海风锋在西移过程中的最大高度达到了1695m,最大反射率因子达45.0dBz!远远超过一般海风锋的强度15-25dbz(顾问等,2017)。
8月1日晚,上海市遭受了强度极其少见的短时强降水过程。不论是触发还是发展传播过程都堪称精彩万分!

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