2026, Vol. 52 
2. 中国民用航空厦门空中交通管理站气象台，厦门 361100；
3. 中国民用航空华东地区空中交通管理局气象中心，上海 200335；
4. 宁波市气象局，宁波 315012；
5. 宁波市气象台院士工作站，宁波 315012
2. Meteorological Observatory of Xiamen Air Traffic Management Station of CAAC, Xiamen 361100;
3. Meteorological Department of East China Air Traffic Administration of CAAC, Shanghai 200335;
4. Ningbo Meteorological Bureau, Ningbo 315012;
5. Academician Workstation of Ningbo Meteorological Observatory, Ningbo 315012
雷暴通常伴随大风、冰雹和短时强降水等强对流天气，因此长期以来一直备受气象学者关注(Dickerson et al，1987；徐蓉等，2013；王婷婷等，2023)。雷暴的发展依赖于大气的动力、热力及水汽条件，常由近地面中尺度系统触发(Colby，1984；汪雅等，2013)。雷暴天气的形成与边界层辐合线密切相关(Wilson and Schreiber, 1986；Wilson and Megenhardt, 1997)，阵风锋、海风锋等边界层辐合系统对雷暴的影响逐渐成为研究热点(苏爱芳等，2022；孙永刚等，2025)。随着多普勒天气雷达的广泛布设，气象学者进一步开展了对阵风锋与海风锋系统结构(Banta et al，1993；许长义等，2022)及其回波带特征和形成机制的研究(刘娟等，1996；刘彬贤等，2015；万夫敬等，2021)。
地面加密自动气象观测站(简称自动站)资料凭借其高时空分辨率的特点，可在一定程度上弥补常规观测与雷达探测的不足。因此，为更清晰揭示中小尺度系统的演变机制，不少研究借助该类资料深入分析了阵风锋触发对流新生的环境场特征(何娜等，2023；蒋超等，2023)。然而，边界层辐合线空间尺度较小、持续时间短、形成高度较低，不仅为雷达探测与自动站分析带来挑战，也对其机理和结构研究造成困难。为此，许多学者采用高分辨率数值模式对阵风锋和海风锋系统开展模拟研究。Caniaux et al(1994)发现在引发阵风锋的快速移动飑线系统中，中层气压梯度及地面中高压的扩散对系统内部环流具有重要影响，并强调气压变化与对流系统中水平动量变化密切相关。Crook and Sun(2004)通过将双多普勒雷达、地面观测网、风廓线仪及10 min一次的分析资料同化至数值模式中，实现了对阵风锋结构的精细分析与预报。吴福浪等(2019)利用高分辨率中尺度模式，对杭州湾地区一次由海风锋触发的雷暴过程模拟发现，海风锋能显著增强局地比湿与涡度，为雷暴的发生与发展提供有利的水汽和动力条件。
虽然，目前国内外关于边界层辐合线触发雷暴的研究已取得较多进展，但国内相关工作多集中于渤海湾、长三角等区域，针对闽东南地区海陆风、阵风锋触发新生雷暴过程的分析仍相对较少。因此，本文综合利用各类观测和再分析数据，利用高分辨率中尺度模式WRF，对2023年8月16日发生在厦门地区的一次阵风锋与海风锋碰撞触发新生对流天气过程进行模拟与分析，重点研究边界层辐合线触发对流发生的环流背景、雷达回波演变特征及其物理机制，以期为厦门地区强对流天气的预报预警提供科学参考。
1 数据说明文中使用的数据有：常规探空数据，时间分辨率为12 h；福建省自动气象观测站的风场、温度、气压、降水等数据，时间分辨率为5 min；环流背景分析以及WRF模式初始条件和边界条件来自NCEP/FNL再分析数据，时间分辨率为6 h，空间分辨率为1°×1°；厦门S波段双偏振多普勒天气雷达基数据，约6 min扫描一次，距离分辨率为0.25 km，最大探测距离为460 km，最大不模糊速度为30.73 m·s-1。
2 天气概况2023年8月16日，福建省东南部地区自12:00(北京时，下同)开始先后经历了2次对流天气过程：第1次对流主要发生在14:00—17:00，由海风锋触发，累计降水量总体较小，以小到中雨为主(图略)。第2次对流主要发生在18:00—21:00，闽东南地区有99个站累计降水量在25~50 mm，23个站超过50 mm(图 1)，其中，共有79站次出现短时强降水(小时雨强≥20 mm·h-1)。受短时强降水影响，厦门机场航班受到显著影响。由于第2次对流过程具有触发系统尺度小、突发性强、短时降水量大、预报难度高等特点，下文将重点针对影响厦门地区的对流系统及其环境场进行详细分析。
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图 1 2023年8月16日18:00—21:00累计降水量分布 Fig. 1 Distribution of accumulated precipitation from 18:00 BT to 21:00 BT 16 August 2023 |
2023年8月16日08：00，闽东南地区位于200 hPa南亚高压脊线东侧，辐散条件较好(图略)。15日08：00至16日08：00，2307号台风“兰恩”环流并入北方冷槽，槽线南伸至福建中部沿海，主体位于海上，闽东南地区位于500 hPa副热带高压(以下简称副高)588 dagpm线边缘(图 2a)。400 hPa上我国东部沿海受明显冷槽控制，槽后西北气流较强，福建北部风场与等温线交角接近90°，冷平流显著输送(图 2a)；850 hPa上闽东南地区则为弱暖平流输送(图 2b)。850~400 hPa存在较为明显的温度差动平流，有利于加强大气不稳定层结，其中以400 hPa强冷平流的强迫作用为主导，与许爱华等(2014)提出的“高空冷平流强迫”型类似。
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图 2 2023年8月16日08：00(a)500 hPa位势高度(黑色等值线，单位：dagpm)、400 hPa风场(风羽)、温度(红色等值线，单位：℃)和相对湿度(填色)，(b)850 hPa位势高度(黑色等值线，单位：dagpm)、风场(风羽)、温度(红色等值线，单位：℃)和相对湿度(填色) 注：图a和b中棕色粗线分别为400 hPa槽线和14：00地面辐合线。 Fig. 2 (a) 500 hPa geopotential height (black contour, unit: dagpm), 400 hPa wind field (barb), temperature (red contour, unit: ℃) and relative humidity (colored), (b) 850 hPa geopotential height (black contour, unit: dagpm), wind field (barb), temperature (red contour, unit: ℃) and relative humidity (colored) at 08:00 BT 16 August 2023 |
进一步分析湿度场发现，闽东南地区高空相对湿度普遍低于60%(图 2a)，而850 hPa及以下则在80%以上(图 2b)，形成上干下湿的层结配置，亦有利于对流不稳定发展。16日14：00沿海地面存在弱辐合线(图 2b棕色粗线)，有利于抬升触发对流。
3.2 对流条件16日08：00厦门探空(图 3)显示，500 hPa以下温度露点差＜3℃，表明湿层较为深厚，400 hPa左右温度露点差较大，最大超过15℃，探空曲线呈现上干下湿的配置，有利于形成雷暴大风(樊李苗和俞小鼎，2013)或者冰雹天气，但是由于0℃、-20℃以及湿球0℃层高度(WBZ)均较高，不利于产生冰雹。400 hPa以上风随高度逆转，有冷平流，400 hPa以下风随高度顺转，有暖平流，这种明显的上冷下暖的高低空配置有利于热力强迫作用加强，使得大气层结变得不稳定，有利于强对流天气的发生和发展。
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图 3 2023年8月16日08：00厦门站T-lnp图 Fig. 3 T-lnp diagam of Xiamen Station at 08:00 BT 16 August 2023 |
通常用0~6 km高度的风矢量差表示深层垂直风切变。16日08：00，0~6 km深层垂直风切变为7.4 m·s-1，为弱环境风垂直切变(俞小鼎等，2007)，但是对流有效位能(CAPE)超过2500 J·kg-1，弱的0~6 km垂直风切变配合高CAPE值也有利于强对流维持和发展。同时，850 hPa和500 hPa的假相当位温差为正值，指示对流不稳定层结，K、SI、LI指数均指示了较好的热力对流条件，易触发新生对流。
4 雷达回波特征分析由于海陆温度差异，16日上午厦门沿海有海风锋不断向内陆推进，多普勒雷达0.5°仰角表现为一条弱窄带回波(强度在10~20 dBz)，稳定少动(图略)。17:26，由于第1次对流过程已趋于结束，风暴A不断减弱(图 4a)，其西南侧出现了冷池密度流，即阵风锋(图 4a红色虚线)，是由风暴A的冷性下沉气流在近地面低层向外扩展，与风暴运动前方的低层暖湿空气交汇而形成的。同时，海风锋稳定少动(图 4a黑色虚线)。17:36，风暴A强度继续减弱，阵风锋向西南方向移动并不断远离风暴A(图 4b)。17:53，阵风锋向西南方向移动，与海风锋东北段产生碰撞(图 4c)。18:09，在两条锋线碰撞区的东南侧激发出新的对流单体(图 4d黑色圆圈)，即对流初生(CI)，但强度和面积均较小。18:14，该对流单体强度迅速加强，超过55 dBz，面积也明显增大(图 4e)。18:36，对流单体面积进一步增大并且与其北侧风暴B合并为带状对流(图 4f)，后续在环境气流引导下，带状对流自东北向西南发展、移动，并在海风锋区域进一步加强，最大超过60 dBz。该带状对流给厦门同安区、集美区、海沧区带来较强短时强降水，影响范围内有11个站3 h累计降水量达25~50 mm，1个站超过50 mm。
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图 4 2023年8月16日厦门雷达0.5°仰角基本反射率因子 注：红色虚线表示阵风锋，黑色虚线表示海风锋，字母A和B表示风暴单体，黑色圆圈指示新生对流发展，下同。 Fig. 4 Basic reflectivity factor at 0.5° elevation of Xiamen Radar on 16 August 2023 |
数值模拟试验采用WRF模式V4.1版本，采用Lambert地图投影的三重双向嵌套网格d01、d02和d03(图 5)，网格分辨率分别为9、3、1 km，格点数分别为216×150、274×250、364×340，输出时间分别为60、60、10 min。d01和d02模拟时间为2023年8月15日20：00至17日02：00，采用Kessler暖雨方案；d03模拟时间为16日08：00至17日02：00，采用Thompson方案。积分步长均为120 s，垂直方向均取不等距的40个σ(无量纲垂直坐标)层，模式顶层气压为50 hPa。d01采用Kain-Fritsch积云对流方案，由于d02和d03分辨率低于5 km，故关闭积云对流方案(段海霞等，2013；闵锦忠等，2019)。三重网格均采用RRTM长波辐射方案及Dudhia短波辐射方案、Monin-Obukhov近地层方案、MYJ边界层方案和Noah陆面过程方案，地形数据选用MODIS_30s。初始场及d01侧边界条件由NCEP/FNL再分析资料提供，内层网格的侧边界条件由外层网格插值得到。下文主要对d03区域模拟结果进行分析。
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图 5 模拟试验的三重嵌套区域 注：圆圈由小到大分别表示厦门雷达50、100、150 km探测范围。 Fig. 5 Triple nested area of simulation experiment |
图 6为实况和模拟的厦门雷达0.5°仰角基本反射率因子对比。模拟的阵风锋与海风锋在17:30左右发生碰撞(图 6a1红色圆圈)，同时碰撞区域附近有CI发生，强度约在25~35 dBz。而实况则是在17:53左右发生碰撞(图 6b1红色圆圈)，但CI是在18:09，强度在30~35 dBz。即模拟的阵风锋与海风锋碰撞时间较实况偏晚，且位置偏西，相差约36 km，同时模拟的阵风锋与海风锋碰撞与CI同时发生，但实况则是先发生碰撞，后出现CI。
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图 6 2023年8月16日厦门雷达0.5°仰角基本反射率因子(a)模拟，(b)实况 注：图a中风矢为模拟的10 m风场。 Fig. 6 Basic reflectivity factor at 0.5° elevation of of Xiamen Radar on 16 August 2023(a) simulation, (b) observation |
在对流发展阶段，模拟的对流单体于18:20开始显著增强，回波强度增至45~50 dBz，范围略有扩大(图 6a2)；实况对流回波强度增强至50~55 dBz且范围略增大。19:00，模拟的对流单体进一步增强至55~60 dBz，同时其东北侧约5 km处又有新的对流单体发展；实况对流仍维持较强水平，并持续向东北侧扩展。无论是对流单体强度变化趋势还是多单体组织形式，模拟较实况的演变趋势一致，即对流在海风锋和阵风锋碰撞触发后并未快速消散，而是持续维持、增强并伴随新单体生成。
由于模拟的碰撞后CI位置与实况存在差距，导致1 h累计降水量分布也有所不同。18:00—19:00，模拟降水带位置与实况降水带相距约30 km，模拟的中心降水量(约49.1 mm)与实况(51.6 mm)接近(图 7a)。19:00—20:00，模拟的降水带位置和形态均与实况接近，但降水范围偏小，中心降水量(约45.6 mm)略偏小(图 7b)。
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图 7 2023年8月16日(a)18:00—19:00，(b)19:00—20:00累计降水量分布(a1，b1)实况，(a2，b2)模拟 注：椭圆指示降水中心。 Fig. 7 Distribution of accumulated precipitation from (a) 18:00 BT to 19:00 BT and (b) 19:00 BT to 20:00 BT 16 August 2023(a1, b1) observation, (a2, b2) simulation |
需要指出的是，CI具体位置及降水量级的偏差，恰恰反映了中小尺度对流系统的局地性、突发性和非线性特征。虽然模拟在对流触发的时刻和空间位置上与实况存在一定差异，但其能够较好地再现阵风锋与海风锋碰撞触发CI、CI原地增强以及多单体接力发展的关键特征，说明模拟结果在过程演变和机制识别上具有较高可信度。因此，后文将基于模拟资料开展物理量分析，进一步揭示阵风锋与海风锋碰撞触发强对流的动力、热力机制。
5.3 模拟的阵风锋水平和垂直结构 5.3.1 水平结构对流风暴产生的冷性下沉气流抵达近地面层向外扩散，与低层暖湿空气交汇形成中尺度边界，该边界即为阵风锋，阵风锋实际上是对流内部下沉冷空气和近风暴环境暖空气之间的分界线(许长义和王彦，2021)。图 8绘制了模拟的0.5°仰角基本反射率因子、10 m风场以及2 m温度分布。
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图 8 2023年8月16日模拟的0.5°仰角基本反射率因子(填色)、10 m风场(风矢)和2 m温度(红色等值线，单位：℃) 注：图c中黑色粗箭头指示CI。 Fig. 8 Simulated basic reflectivity factor (colored) at 0.5° elevation, 10 m wind field (vector), 2 m temperature (red contour, unit: ℃) on 16 August 2023 |
16:00(图 8a)，前期发展的对流单体逐渐减弱，下沉气流向西南方向扩展，与环境风在单体前侧约10 km位置形成风向辐合线，虽然WRF模式没有直接模拟出辐合线对应的弱窄带回波，但是辐合线前侧为暖区(34℃)，后侧为冷池(27℃)，密集的温度锋区基本呈西北—东南走向，冷池强度较大(约为0.35 ℃·km-1)，是对流内部下沉形成的阵风锋(图 8a红色虚线)，对应于实况17:26(图 4a红色虚线)雷达0.5°仰角观测到的阵风锋。17:00(图 8b)，模拟的对流单体进一步减弱，阵风锋向西南方向移动并不断远离单体，阵风锋前后温差超过5℃。同时阵风锋西南侧约15 km存在海风(东南风)与西南风之间的辐合线，即海风锋(图 8b黑色虚线)。17:30(图 8c)，阵风锋与海风锋发生碰撞，碰撞区域附近有CI发生，强度约25~35 dBz。同时在CI西北侧也有对流单体B发展，强度超过45 dBz。18:10(图 8d)，对流单体B和碰撞区域的对流不断加强并合并，强度为45~50 dBz；在两者合并时，由于下沉气流在低层产生的辐合作用，两个单体之间激发出云桥单体C(Simpson et al，1980；易笑园等，2012)，之后三者不断合并加强。18:50(图 8e)，合并后的对流单体发展至最强，最大反射率因子达到58 dBz。该强对流单体对应的冷性下沉气流在近地面辐散，并在单体西南侧及东北侧均形成辐合线(图 8e黑色虚线)。随后，该强对流单体逐渐减弱。19:20 (图 8f)，碰撞区域对流单体逐渐减弱，但是单体后侧东北方向有新单体发展，并继续影响厦门地区。20:30(图略)之后，整体回波东移入海减弱，对流过程趋于结束。
综上分析可知，尽管WRF模式未能直接模拟出阵风锋或海风锋对应的弱窄带状回波特征，但较好地再现了海风与环境风场相互作用所形成的海风锋辐合结构，以及雷暴单体减弱后其后侧冷出流与前侧环境暖空气之间形成的阵风锋水平结构。模拟结果进一步表明，阵风锋与海风锋的碰撞作用触发并促进了新生对流的发展与增强。
5.3.2 垂直结构图 9为沿图 10c黑线做模拟的基本反射率因子、风场、假相当位温(θse)等要素的垂直剖面。
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图 9 2023年8月16日模拟的雷达基本反射率因子(填色)、流场(流线)和θse(蓝色等值线，单位：K)垂直剖面 注：黑色阴影为地形高度，白色箭头指示θse上凸区域，黑色箭头指示辐合区。 Fig. 9 Vertical cross-section of simulated basic reflectivity factor (colored), flow field (streamline), θse (blue contour, unit: K) on 16 August 2023 |
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图 10 2023年8月16日模拟的(a，c)MCAPE(填色)、2 m比湿(绿色等值线，单位：g·kg-1)和10 m风场(风矢)，(b，d)沿图 10c黑线的比湿(填色)、涡度(红色等值线，单位：10-4 s-1)和LFC(黑色虚线，单位：km)的垂直剖面 注：方框表示阵风锋和海风锋碰撞区域，图b和d中黑色阴影代表地形。 Fig. 10 Simulated (a, c) MCAPE (colored), 2 m specific humidity (green contour, unit: g·kg-1) and 10 m wind field (vector), (b, d) vertical cross-section of specific humidity (colored), vorticity (red contour, unit: 10-4 s-1) and LFC (black dashed line, unit: km) along the black line in Fig. 10c on 16 August 2023 |
模拟的17:30，碰撞区域(24.54°N、117.82°E)附近，前侧低层为西南风，后侧为东北风，两支气流交汇造成辐合上升，形成阵风锋(图 9a红色虚线)。由上文分析可知，模拟的10 m风场(图 8c)显示有海风锋，但可能由于海风锋发展高度较低，因此模拟的垂直剖面上无法对其捕捉到。碰撞区域内θse上凸(图 9a白色箭头)，表明有上升运动且湿度大(朱乾根等，2007)，同时5 km高度以下θse随高度递减，大气为不稳定层结，在有利的水汽、不稳定层结以及阵风锋辐合抬升共同作用下，碰撞区域内开始触发新生对流。
实况的18:36(图略)，触发的对流单体发展至最强，强回波高度(>50 dBz)超过-20℃层，后续对流单体不断沿着海风锋方向移动，给厦门带来较大范围长时间的强降水天气。模拟的18:50，碰撞区域内θse向后侧东北方向倾斜上凸(图 9b白色箭头)，表明对流单体后侧有倾斜上升运动，同时地面至5 km高度大气维持不稳定层结状态，超过40 dBz的回波伸展至11 km以上，此时对流发展到最强(57 dBz)。由图 8e可知，模拟的地面对流单体西南和东北方向均出现了边界层辐合线，同时刻垂直剖面上对流单体右侧东北方向2.5~3.5 km高度存在风向切变，近地面至5 km高度涡度均超过20×10-4 s-1，表明对流单体右侧东北方向地面辐合线至浅层切变提供更为深厚的辐合上升条件；而对流单体左侧西南方向近地面至5 km高度涡度分布在零值附近(图略)，辐合抬升条件较差。在有利不稳定能量、水汽条件、地面辐合线至浅层切变的深厚辐合抬升共同作用下，后续东北方向有新对流单体发展并与其他单体合并加强，继续给厦门地区带来短时强降水天气。
综上分析可知，WRF模式能够较好再现阵风锋与海风锋碰撞触发新生对流的主要演变过程。在有利不稳定能量、水汽条件以及地面辐合线至浅层切变共同作用下，模拟结果显示碰撞后续阶段仍可维持对流再生和增强过程，进一步说明阵风锋与海风锋碰撞对强对流的触发与维持具有重要作用。
5.4 阵风锋与海风锋碰撞前后物理量变化图 10绘制了模拟的阵风锋与海风锋碰撞前与碰撞时的最大对流有效位能(MCAPE)、2 m比湿以及10 m风场分布。17:00(图 10a)，阵风锋与海风锋碰撞前，碰撞区域(图 10a黑色方框)内2 m比湿约为21.5 g·kg-1，MCAPE在2000~2750 J· kg-1。17:30(图 10c)，阵风锋与海风锋碰撞时，碰撞区域内2 m比湿增加了1.0 g·kg-1，MCAPE增加超过1000 J·kg-1。
进一步沿图 10c黑线绘制比湿、涡度以及自由对流高度(LFC)的垂直剖面(图 10b，10d)。由图可知，17:00，近地面至LFC高度(图 10b黑色虚线)比湿约在17.5~20.0 g·kg-1，表明对流发生前的水汽条件较为充沛；然而此时涡度值较小，基本分布于零线附近，表明动力抬升条件较弱。17:30(图 10d)，碰撞区域低层比湿增加至20 g· kg-1以上，涡度增强至25×10-4 s-1，辐合抬升明显加强，强辐合抬升作用将近地面湿空气抬升至LFC以上，此时模拟的近地面有新生对流触发(图 8c)。10 min后，强辐合抬升作用将比湿超过22.5 g·kg-1的水汽抬升至LFC以上(图略)，对流单体进一步发展加强。
综上分析可知，在阵风锋与海风锋发生碰撞前后，碰撞区域内不稳定能量、浅层比湿及涡度均出现明显增长；在不稳定能量、水汽条件与强辐合抬升机制的共同配合下，边界层内的暖湿不稳定空气被抬升至LFC以上，从而触发新生对流并促使其后继发展与加强，该结果与何娜等(2023)关于碰撞型阵风锋触发对流的环境场特征研究结论一致。
6 结论与讨论本文利用常规观测资料、地面自动气象站加密观测资料、NCEP/FNL再分析资料、多普勒雷达资料等，对2023年8月16日副高边缘、阵风锋和海风锋共同触发新生对流的影响过程进行分析，并借助高分辨率中尺度模式WRF进行数值模拟，得出的主要结论如下：
(1) 此次雷暴天气发生在副高边缘，高层辐散叠加低层辐合，在较为显著的高低空温度差动平流和上干下湿配置造成的不稳定大气层结下，对流由地面辐合线触发。实况雷达低层回波和自动站显示阵风锋西南侧有一条海风锋存在，在阵风锋向该海风锋靠近并碰撞过程中，两者之间的辐合区域触发对流。
(2) WRF模式较好地再现了海风与环境风场相互作用所形成的海风锋辐合结构，以及雷暴单体减弱后其后侧冷出流与前侧环境暖空气之间形成的阵风锋水平和垂直结构。
(3) 阵风锋与海风锋碰撞发生后，低层辐合和局地抬升显著增强，并在充足水汽和不稳定能量配合下触发对流发展。模式结果进一步表明，碰撞后续阶段仍可维持对流再生与组织化增强过程，对强降水的维持具有重要作用。
本文通过较为合理的一次模拟结果分析推断出中小尺度对流发生发展的过程以及CI发生机理。但是目前通过数值模式完全合理模拟出局地对流的发展过程还较为困难，后续应加强相关加密观测资料同化技术的应用，进一步深入分析中小尺度发生发展特征以及CI发生机理。
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