山東內(nèi)陸和半島雷暴大風(fēng)的環(huán)境物理量特征

楊曉霞，尤 莉，夏 凡，張 磊，宋佳嘉，李 恬，田雪珊，華雯麗

（1.山東省氣象臺(tái)，山東 濟(jì)南250031；2.內(nèi)蒙古氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051；3.山東省氣象科學(xué)研究所，山東濟(jì)南250031；4.濟(jì)南市氣象臺(tái)，山東 濟(jì)南250021；5.復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，上海200438）

山東省東臨黃海渤海、西接華北平原，中部為山區(qū)，山東半島突出到黃海渤海，春夏季強(qiáng)對(duì)流天氣較多，雷暴大風(fēng)是主要的災(zāi)害性天氣之一。統(tǒng)計(jì)表明[1]，山東的雷暴大風(fēng)遠(yuǎn)多于冰雹，且范圍大，造成的災(zāi)害嚴(yán)重。雷暴大風(fēng)的預(yù)報(bào)是目前預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的一大難題，也是天氣預(yù)報(bào)研究中的一大課題。觀測(cè)和研究結(jié)果表明[2]，雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生主要有三種機(jī)制，一是對(duì)流風(fēng)暴中的下沉氣流到達(dá)地面時(shí)產(chǎn)生輻散，直接造成地面大風(fēng)，在這種情況中，除了下沉氣流外，移動(dòng)雷暴的高空水平動(dòng)量下傳也是重要原因；二是對(duì)流風(fēng)暴中的下沉氣流到達(dá)地面時(shí)，由于蒸發(fā)冷卻形成冷空氣堆，向四面擴(kuò)散，冷堆與周圍暖濕氣流之間形成陣風(fēng)鋒，陣風(fēng)鋒的推進(jìn)和過(guò)境導(dǎo)致大風(fēng)；第三種是低空暖濕空氣入流，在快要進(jìn)入上升氣流區(qū)時(shí)受到上升氣流的抽吸作用而加速，導(dǎo)致地面大風(fēng)。雷暴大風(fēng)是在一定的環(huán)流背景下由中小尺度的對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生的，大氣層結(jié)不穩(wěn)定、抬升和風(fēng)垂直切變是產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的主要環(huán)境場(chǎng)因素。多年來(lái)，氣象專家學(xué)者研究了一些代表大氣溫濕和動(dòng)力特征的物理量參數(shù)[3-5]，對(duì)流有效位能、下沉對(duì)流有效位能、沙氏指數(shù)SI、上下層假相當(dāng)位溫差等，代表大氣溫濕和垂直穩(wěn)定度特征，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生有一定的預(yù)示性[6-22]，風(fēng)垂直切變對(duì)對(duì)流風(fēng)暴的組織起重要作用[2]，大風(fēng)指數(shù)對(duì)預(yù)報(bào)雷暴大風(fēng)有較好的指示性[14，23]。前期的研究成果為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供了參考，為配料法[24]和多指標(biāo)疊套法的潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供了支撐。雷暴大風(fēng)的局地性和季節(jié)性強(qiáng)，各地各季節(jié)的環(huán)境物理量都有較大差異。前期的研究都是建立在歷史個(gè)例的基礎(chǔ)上，由于歷史個(gè)例少，所得結(jié)論有一定的局限性和片面性。隨著近些年強(qiáng)對(duì)流天氣資料的積累，有必要對(duì)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的物理量進(jìn)行深入研究。本研究選取2009—2016 年4—9 月山東省205 次雷暴大風(fēng)個(gè)例，分為內(nèi)陸和半島地區(qū)，對(duì)12 個(gè)物理量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出月平均值和閾值占的比率，為雷暴大風(fēng)的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和格點(diǎn)化潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供客觀依據(jù)。

1 資料和方法

利用2009—2016 年4—9 月地面觀測(cè)站中有極大風(fēng)風(fēng)速記錄的觀測(cè)資料，以1 d 內(nèi)（20 時(shí)為日界）出現(xiàn)3 站及以上成片的、平均風(fēng)（10 min）≥6 級(jí)（10.8 m/s）或陣風(fēng)（瞬時(shí)風(fēng)）≥7 級(jí)（13.9 m/s）（至少有一站陣風(fēng)≥8 級(jí)（17.2 m/s））且伴有雷電作為一個(gè)雷暴大風(fēng)日；根據(jù)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)的區(qū)域，分為山東內(nèi)陸和半島地區(qū)（圖1）。

圖1 山東省區(qū)域劃分圖

利用產(chǎn)生雷暴大風(fēng)天氣前最近時(shí)次和雷暴大風(fēng)期間的探空站資料，選取距離雷暴大風(fēng)最近的探空站，借助于MICAPS 氣象資料顯示系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境物理量參數(shù)進(jìn)行普查和統(tǒng)計(jì)分析。如果在雷暴大風(fēng)前08 時(shí)的對(duì)流有效位能（CAPE）和下沉對(duì)流有效位能（DCAPE）為0 時(shí)，若對(duì)流產(chǎn)生在上午，應(yīng)用周邊探空站資料進(jìn)行插值訂正，若對(duì)流產(chǎn)生在下午，應(yīng)用14 時(shí)的地面資料進(jìn)行訂正，或應(yīng)用周邊探空站資料進(jìn)行插值訂正。在魯西北和魯中地區(qū)，選用濟(jì)南探空站資料，邢臺(tái)和青島探空站作為參考，魯南地區(qū)應(yīng)用徐州探空站，濟(jì)南、鄭州和青島探空站資料作為參考，半島地區(qū)應(yīng)用青島和榮成探空站資料，分別統(tǒng)計(jì)山東內(nèi)陸（魯西北、魯中和魯南）和半島地區(qū)各月產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的環(huán)境物理量參數(shù)的最大值、最小值、平均值和各閾值的比率。

2 雷暴大風(fēng)天氣的統(tǒng)計(jì)特征

在一次雷暴大風(fēng)同時(shí)影響山東內(nèi)陸和半島地區(qū)時(shí)，分內(nèi)陸和半島2 個(gè)區(qū)域統(tǒng)計(jì)。2009—2016 年4—9 月全省1 d 內(nèi)3 站及以上成片出現(xiàn)的雷暴大風(fēng)日共205 d，內(nèi)陸地區(qū)165 d，半島地區(qū)79 d。7 月雷暴大風(fēng)最多（圖2），全省年均8.6 d，內(nèi)陸地區(qū)年均6.8 d，半島地區(qū)年均4.3 d；6 月次之，全省年均5.0 d，內(nèi)陸地區(qū)年均4.1 d，半島地區(qū)年均1.5 d；9 月最少，全省年均1.1 d，半島與內(nèi)陸地區(qū)的年均次數(shù)相當(dāng)，年均0.6 d。

圖2 2009—2016 年4—9 月全省、內(nèi)陸和半島地區(qū)雷暴大風(fēng)的年均天數(shù)

3 產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的天氣系統(tǒng)特征

山東產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的天氣系統(tǒng)分為6 大類型：低槽型、冷渦型、橫槽型、西北氣流型、橫槽轉(zhuǎn)豎型、副高邊緣型[25]。把雷暴大風(fēng)的落區(qū)與影響系統(tǒng)的位置相對(duì)應(yīng)，又分為：槽前西南氣流型、槽后西北氣流型、橫槽轉(zhuǎn)豎型、副高邊緣型[14]。

對(duì)選出的205 次雷暴大風(fēng)天氣的天氣系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出，春季4—6 月產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的天氣系統(tǒng)主要為西風(fēng)槽、冷性低渦南部低槽和橫槽。在500 hPa槽后西北氣流影響下產(chǎn)生雷暴大風(fēng)天氣的比率為57.7%～77.8%；當(dāng)西風(fēng)槽較深或地面有氣旋生成且影響時(shí)，雷暴大風(fēng)產(chǎn)生在槽前深厚的西南氣流中，這種類型占16.7%～42.9%；受橫向暖式切變線影響產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的次數(shù)很少，占2.4%～5.6%。夏季7—8月雷暴大風(fēng)主要產(chǎn)生在槽前和西太平洋副熱帶高壓西部邊緣，槽前偏南氣流影響產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)最多，在7 月和8 月分別占40.0%和71.8%；副高邊緣偏南氣流影響產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)在7 月占26.7%，8 月占10.3%；槽后偏北氣流影響產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)在7 月占25.0%、8 月占12.8%；臺(tái)風(fēng)和弱高壓影響下出現(xiàn)很少，在10%以下。秋季9 月在槽前最多占50.0%，槽后或槽底占41.7%，副熱帶高壓邊緣占8.3%。

4 山東內(nèi)陸和半島地區(qū)各月產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的環(huán)境物理量參數(shù)特征

分析研究雷暴大風(fēng)前和雷暴大風(fēng)期間代表大氣垂直穩(wěn)定度、大氣能量、大氣溫濕和動(dòng)力綜合、大氣動(dòng)力特征的12 個(gè)物理量參數(shù)（表1），各參數(shù)的計(jì)算公式和物理意義見(jiàn)文獻(xiàn)[3—5]。

表1 12 個(gè)環(huán)境物理量名稱和代表符號(hào)

4.1 大氣垂直穩(wěn)定度參數(shù)特征

4.1.1 850 hPa 與500 hPa 溫差（T850-500）

850 hPa 與500 hPa 溫差反映兩層之間大氣的層結(jié)穩(wěn)定度狀況，溫差越大說(shuō)明大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。

T850-500在內(nèi)陸地區(qū)4—6 月較大，月平均27.7～28.3 ℃（圖3）；7—9 月較低，月平均24.7～25.5 ℃。主要原因是在春季4—6 月低層大氣受地面加熱氣溫升高，而中高層500 hPa 附近的大氣溫度還較低，因此T850-500較大；夏季500 hPa 附近的溫度也逐漸升高，與低層的溫差減小，再者由于近地面層溫度高，水面蒸發(fā)量大，低層大氣的濕度升高。因水汽的定容比熱大于干空氣的定容比熱，空氣水汽含量增大，同等加熱條件下，升溫減小，造成T850-500比春季低。

在雷暴大風(fēng)天氣的個(gè)例中，內(nèi)陸地區(qū)T850-500≥26.0 ℃在各月占的比率見(jiàn)圖3，春季4—6 月較高，5月最高（圖3），7—9 月明顯減少。T850-500≥30.0 ℃占的比率在4—6 月較高，4 月最高，7—9 月很小在10%以下。

山東半島地區(qū)4—9 月各月產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的T850-500月平均值的變化與內(nèi)陸地區(qū)類似，也是4—6月較大，7—9 月較小，各月平均值比內(nèi)陸略偏?。▓D3），4—8 月偏小不到1 ℃，9 月偏小2.2 ℃。

半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的T850-500≥26.0 ℃占的比率在4—6 月為50.0%～61.1%（圖3），各月比內(nèi)陸偏少10%左右；7 月比內(nèi)陸偏高2.5%；8—9 月比內(nèi)陸偏低。T850-500≥30.0 ℃占的比率在4—6 月為22.2%～44.4%（圖2），6 月比內(nèi)陸偏高；在7—9 月為0，也就是半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)時(shí)T850-500達(dá)不到30.0 ℃。T850-500比內(nèi)陸偏小的原因是半島地區(qū)低層濕度大，水汽的定容比熱大于干空氣的定容比熱，空氣水汽含量大，在同等加熱條件下，升溫幅度小。

4.1.2 700 hPa 和850 hPa 假相當(dāng)位溫差（θse700-850）

上下層的假相當(dāng)位溫（θse）差代表大氣層的對(duì)流性不穩(wěn)定，700 hPa 和850 hPa 假相當(dāng)位溫差（θse700-850）≤0 代表大氣對(duì)流性不穩(wěn)定或中性。θse700-850為0 是理論值，在實(shí)際情況中很少出現(xiàn)，而θse700-850在0~1 的情況較多，所以取θse700-850＜1.0 ℃，代表700 hPa 與850 hPa 之間大氣對(duì)流性不穩(wěn)定或中性。

統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的θse700-850（圖4a），在內(nèi)陸地區(qū)各月平均值都＜0 ℃，說(shuō)明大氣對(duì)流性不穩(wěn)定較強(qiáng)。在月平均值中，8 月負(fù)值最大，7 月次之，5—6 月負(fù)值較小，4 月接近于中性。

θse700-850＜1.0 ℃在各月雷暴大風(fēng)中占的比率見(jiàn)圖4b，4 月占的比率最小，5—9 月比率較高，在75%～100%（圖4b）。從圖4c 中可以看出，5—9 月θse700-850＜-1.0 ℃占的比率較高在71.4%～86.8%，對(duì)雷暴大風(fēng)有較好的指示性。7 月θse700-850在-10.0～-19.0 的比率最高，其他月在-1.1～-9.9 的比率最高（圖4c）。

半島地區(qū)θse700-850的月平均值在4 月＞0 ℃，在5—9 月＜0 ℃，在7—8 月的月平均負(fù)值較大（圖4a），各月平均的θse700-850絕對(duì)值都小于內(nèi)陸地區(qū)。

θse700-850＜1 的比率在4 月為66.6%，明顯高于內(nèi)陸（圖4b）；在5—6 月和9 月為55.6%～71.4%，比內(nèi)陸地區(qū)明顯偏?。?—8 月為83.3%～88.9%，與內(nèi)陸相當(dāng)。

圖4 4—9 月山東內(nèi)陸和半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的θse700-850 月平均（a）、θse700-850<1 ℃的比率（b）和θse700-850 各段閾值的比率（c）

θse700-850＜-1 的比率，4 月為66.6%；θse700-850在-1.1～-9.9 ℃最多，占55.6%；在6 月為57.1%，7—9 月θse700-850≤-1 ℃的比率為71.4%~88.9%，對(duì)雷暴大風(fēng)有較好的指示性。

4.1.3 沙氏指數(shù)（SI）和抬升指數(shù)（LI）

沙氏指數(shù)反映850 hPa 與500 hPa 之間的大氣層結(jié)穩(wěn)定度，抬升指數(shù)（LI）反應(yīng)的是近地面層與850 hPa 之間的大氣層結(jié)穩(wěn)定度。SI ≤0 和LI≤0 代表大氣層結(jié)中性和不穩(wěn)定，有利于對(duì)流產(chǎn)生。SI=0 和LI=0 是理論值，在實(shí)際情況中很少出現(xiàn)，所以取SI＜1 和LI＜1 代表大氣層結(jié)中性和不穩(wěn)定。

內(nèi)陸地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的SI 平均值在6—8 月較小，接近于0（圖5a）；在4—5 月和9 月較大為正值。最小值出現(xiàn)5 月，為-7.4 ℃，4 月和6—8 月最小值為-5.1～-5.9 ℃。從各月產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的SI＜1 占的百分比（圖5c）可見(jiàn)，8 月最高75.5%，其次是6 月67.7%。 SI≤-1 ℃的次數(shù)在8 月最多，占44.2%，其次是7 月，占34.0%。5—8 月內(nèi)陸地區(qū)雷暴大風(fēng)SI＜1的比率為51.0%～75.5%。

雷暴大風(fēng)期間內(nèi)陸地區(qū)LI 的平均值在6—8 月為-1.7～-2.3 ℃（圖5b），大氣層結(jié)不穩(wěn)定。LI 的最小值出現(xiàn)在7 月，最低-10.1 ℃，8 月為-8.8 ℃。5—9 月LI＜1 的比率在50.0%～83.9%，其中6—8 月為81.1%～83.9%（圖5c），7—8 月LI ≤-1 ℃占 的 比 率 在70.0%左右。

山東半島地區(qū)SI 的月平均值在7—8 月與內(nèi)陸相當(dāng)；在4—6 月和9 月明顯比內(nèi)陸地區(qū)偏高（圖5a）。7—8 月SI＜1 和≤-1 ℃的比率分別為45.8%～55.6%（圖5c）和22.2%～29.2% 。

山東半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的LI 的月平均值在7—8 月＜0（圖5b）。7—8 月LI＜1 ℃的比率為72.0%～88.9%（圖5c），其中LI≤-1 ℃的比率為45.8%～66.7%；9 月LI＜1 ℃和LI＜-1.0℃的比率分別為57.0%和28.6%；7—9 月LI＜1 ℃在半島地區(qū)雷暴大風(fēng)中占的比率為57.1%～88.9%，比內(nèi)陸地區(qū)偏高。

由此可見(jiàn)，夏季LI＜1 ℃產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的比率大于SI＜1 ℃產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的比率，說(shuō)明在雷暴大風(fēng)期間，850 hPa 以下低層大氣的層結(jié)不穩(wěn)定次數(shù)多于850～500 hPa 中低層大氣的層結(jié)不穩(wěn)定次數(shù)。主要原因是近地面層溫度越高、中高層溫度越低，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，越容易產(chǎn)生對(duì)流；中層的溫度越低，對(duì)流系統(tǒng)中的下沖氣流越強(qiáng)，越容易產(chǎn)生雷暴大風(fēng)。LI 比SI 更能代表低層大氣的層結(jié)不穩(wěn)定性。預(yù)報(bào)雷暴大風(fēng)時(shí)應(yīng)多注意分析低層大氣的不穩(wěn)定層結(jié)。

圖5 4—9 月山東內(nèi)陸和半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的各月的SI（a）和LI 最小值和平均值（b）及SI、LI＜1 ℃的比率（c）

4.2 代表大氣能量特征的物理量參數(shù)

4.2.1 對(duì)流有效位能（CAPE）和下沉對(duì)流有效位能（DCAPE）

大氣中的對(duì)流有效位能（CAPE）是大氣位能能夠轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的最大值，值越大越有利于產(chǎn)生對(duì)流。下沉對(duì)流有效位能（DCAPE）反映了大氣中的下沖能量，值越大下沖能量越大，造成的大風(fēng)越強(qiáng)。

山東內(nèi)陸地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的CAPE 在4—5月和9 月較?。ū?），月平均值在99.7～275.7 J/kg，最大值在993.7～1 261.2 J/kg，4 月最小。4—5 月和9 月CAPE≥200 J/kg 的比率較小，在39.1%以下。6 月CAPE 平均567.8 J/kg，最大為2 809.1 J/kg。在7—8 月CAPE 較高，月平均在1 121.1～1 510.7 J/kg，8 月最高，最大值可達(dá)4 373.8 J/kg。各月CAPE≥200、500 J/kg 和1000 J/kg 的比率見(jiàn)表2。春季和秋季CAPE 值較小的原因主要是低層大氣溫度低、水汽少，低層大氣中的不穩(wěn)定能量低。

表2 山東4—9 月產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的對(duì)流有效位能的月平均值和各閾值所占比率

山東內(nèi)陸地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的DCAPE 月平均值在5 月最高，4 月次之，8 月最?。ū?）。DCAPE≥200 J/kg 的比率在4—5 月在70%以上，6—7 月和9 月在40%～50%（表3），8 月最低。各月DCAPE≥500、1000 J/kg 的比率見(jiàn)表3，在4—5 月較高，其他月份較低。

山東半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)時(shí)對(duì)流有效位能比內(nèi)陸地區(qū)明顯偏低，在4—6 月產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的對(duì)流有效位能（CAPE）很小，4—9 月每月月平均都小于內(nèi)陸（表2）。5 月CAPE 升高，平均值210.7 J/kg，最大值447.4 J/kg。7—8 月的CAPE 月平均最高。CAPE≥200、500 J/kg 和1 000 J/kg 的比率見(jiàn)表2，在7—9 月CAPE≥200 J/kg 的比率大于60%，≥500 J/kg的比率大于40%。

表3 4—9 月山東內(nèi)陸和半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的下沉對(duì)流有效位能的月平均值和各閾值所占的比率

山東半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的下沉對(duì)流有效位能的月平均在6 月高于內(nèi)陸，7—8 月與內(nèi)陸相當(dāng)（表3），5—6 月 月 平 均 值 較 高，8—9 月 較 低。DCAPE≥200、500 J/kg 和1000 J/kg 的比率，都是在5—7 月較高。在9 月DCAPE≥200 J/kg 的比率最高。6—8 月DCAPE≥200、500 J/kg 的比率都高于內(nèi)陸。

山東內(nèi)陸和半島地區(qū)DCAPE 與CAPE 呈互補(bǔ)態(tài)勢(shì)，即在春季和秋季對(duì)流有效位能較低、下沉對(duì)流有效位能較高時(shí)也能產(chǎn)生雷暴大風(fēng)；在夏季對(duì)流有效位能較高、下沉對(duì)流有效位能較低，對(duì)流發(fā)展旺盛也有利于產(chǎn)生雷暴大風(fēng)。在春季下沉對(duì)流有效位能較高，大范圍的雷暴大風(fēng)較多，夏季位于副高邊緣，對(duì)流有效位能較高，下沉對(duì)流有效位能較低，產(chǎn)生對(duì)流時(shí)以對(duì)流性降水為主，雷暴大風(fēng)的范圍較小。

4.2.2 K 指數(shù)

K 指數(shù)的計(jì)算公式為：

式中第一項(xiàng)為850 hPa 與500 hPa 溫差，第二項(xiàng)為850 hPa 露點(diǎn)溫度，第三項(xiàng)為700 hPa 溫度與露點(diǎn)差。K 指數(shù)高代表低層大氣暖濕，有利于產(chǎn)生對(duì)流。

山東內(nèi)陸地區(qū)在4—8 月產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的K 指數(shù)的月平均值逐月升高（表4），8 月達(dá)到最高，9 月降低。4—5 月和9 月月平均值為15.7～19.6 ℃，6—7月月平均值為26.0～29.2 ℃，8 月月平均最高33.6 ℃。K 指數(shù)的最大值在4—5 月和9 月為35～36 ℃，6 月為41 ℃，7—8 月為45 ℃。

在春、秋季，850 hPa 與500 hPa 溫差較大，但是低層大氣濕度較小，也就是850 hPa 露點(diǎn)較小，700 hPa 溫度與露點(diǎn)差較大，后兩項(xiàng)對(duì)K 指數(shù)的貢獻(xiàn)小，導(dǎo)致K 指數(shù)的值偏小。7—8 月，山東位于副熱帶高壓邊緣，低層大氣暖濕，雖然850 hPa 與500 hPa 溫差較小，但是850 hPa 露點(diǎn)高，700 hPa 溫度與露點(diǎn)差小，使得K 指數(shù)明顯比春秋季偏高。

出現(xiàn)雷暴大風(fēng)時(shí)，K≥28、30 ℃的比率，在7—8月較大（表4），分別為66%～85%、60%～79%，K≥35 ℃的比率在50%左右；4—6 月和9 月較小，在50%以下。

表4 山東內(nèi)陸和半島在4—9 月產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的K 指數(shù)的最大值、平均值和各閾值占的比率 %

山東半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的K 指數(shù)的月平均值在4 月和7—8 月與內(nèi)陸基本相同（表4），5—6月小于內(nèi)陸，9 月大于內(nèi)陸。K 指數(shù)的最大值在4月，高于內(nèi)陸，5 月和8 月與內(nèi)陸基本相同，在6—7月和9 月小于內(nèi)陸。K≥28、≥30 ℃的比率在7—8月較高，為58.3%～88.9%，在4—6 月和9 月較低，為21.4%～33.3%（表4）。

4.3 代表大氣溫濕和動(dòng)力綜合的物理量參數(shù)特征

4.3.1 風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù)（SSI）和強(qiáng)天氣威脅指數(shù)（SWEAT）

風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù)（SSI）[4]既與大氣中的對(duì)流有效位能有關(guān)，又與中低層的風(fēng)垂直切變有關(guān)，綜合反映了大氣中的不穩(wěn)定能量和風(fēng)垂直切變特征。SSI 是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，值越大越有利于產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)暴。

強(qiáng)天氣威脅指數(shù)（SWEAT）[4]與850 hPa 的溫度、露點(diǎn)、風(fēng)向、風(fēng)速及500 hPa 的溫度、風(fēng)向、風(fēng)速有關(guān)，綜合反映了850 hPa 與500 hPa 之間的溫濕特征及風(fēng)垂直切變狀況。SWEAT 是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，值越大越有利于產(chǎn)生龍卷、強(qiáng)風(fēng)暴和強(qiáng)雷暴。

山東內(nèi)陸地區(qū)SSI 各月的平均值差別不大（圖5a），為235.5～258.5，8 月最高，4 月最小。SSI 的最大值在7—8 月較高，為333.3～337.3。 4—9 月SSI≥250 的比率在50%～72.2%（圖6a），4—5 月較高，在70%以上。

山東內(nèi)陸地區(qū)SWEAT 的平均值7—8 月較高為236.0～260.5（圖6b），5—6 月為194.7～204.6，4 月和9 月較低，為154.9～159.6。各月最小值在60 以下；最大值為307.3～447.7，極大值出現(xiàn)在6 月。SWEAT ≥150 的比率在6—8 月較高為75.8%～86.7%（圖6b）。

山東半島地區(qū)SSI 平均值在4 月和7—9 月較高為254.9～292.9（圖6a），5—6 月為204.6～210.6，4月和7—8 月比內(nèi)陸地區(qū)明顯偏高；最大值在7—8月為370.7～374.1，7—9 月的最大值明顯高于內(nèi)陸地區(qū)。各月SSI≥250.0 的比率，在4 月和7—8 月較高70.8%～100%（圖6a），4 月最高。

山東半島地區(qū)強(qiáng)天氣威脅指數(shù)（SWEAT）平均值在7—8 月較高，為272.5～285.2（圖6b），其他月為160.7～200.6。7—9 月比內(nèi)陸地區(qū)偏高。各月SWEAT≥150 的比率在7—9 較高為85.7%～100%（圖6b），8 月最高，7 月次之。4 月和7—9 月比內(nèi)陸地區(qū)偏高。

4.3.2 大風(fēng)指數(shù)（WI）

大風(fēng)指數(shù)（WI）[3-4，23]與融化層的高度、融化層以下的溫度直減率和水汽條件有關(guān)，反映環(huán)境大氣產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流時(shí)能造成雷暴大風(fēng)的強(qiáng)度。表達(dá)式和物理意義見(jiàn)文獻(xiàn)[3-4]。值越大越有利于產(chǎn)生強(qiáng)雷暴大風(fēng)。單位用海里/小時(shí)（knot），1 knot =1.853 km/h，近似于m/s 的2 倍，單位為m/s 時(shí)數(shù)值除以2。

山東內(nèi)陸地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的WI 的平均值在5—6 月較大為25.2～27.0 m/s，7—8 月較小，為21.3～22.7 m/s，4 月最小，為18.8 m/s（表5）。 4—9 月各月產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的WI≥17 m/s 的比率為60%～82.3%（表5），5—6 月較大，為80%以上。

表5 4—9 月山東內(nèi)陸和半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的大風(fēng)指數(shù)的最大值、月平均值和閾值的比率

半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的WI 的平均值在4—5月較大，為25.3～29.9（表5），6—9 月較小，為16.3～18.8 m/s，6 月最小。在4—5 月大于內(nèi)陸，6—8 月小于內(nèi)陸，9 月接近內(nèi)陸。產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的WI≥17 m/s占的比率在4—5 月為88.9%（表5），其他月為41.7%～64.3%，7 月最小。

在夏季，半島地區(qū)受海洋影響，近地面層大氣水汽含量大，一般在晴熱的天氣，下午吹海風(fēng)，最高溫度比內(nèi)陸明顯偏低，上下層大氣的溫差比內(nèi)陸地區(qū)低，大氣的層結(jié)不穩(wěn)定度比內(nèi)陸地區(qū)小，產(chǎn)生對(duì)流時(shí)，一是對(duì)流偏弱，二是對(duì)流系統(tǒng)中的下沖冷空氣弱，造成的雷暴大風(fēng)比內(nèi)陸地區(qū)的風(fēng)速小，所以大風(fēng)指數(shù)比內(nèi)陸地區(qū)小。

4.4 風(fēng)場(chǎng)特征

水平風(fēng)的分布和風(fēng)的垂直切變對(duì)強(qiáng)對(duì)流的產(chǎn)生和風(fēng)暴有組織地發(fā)展具有重要作用。對(duì)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前和強(qiáng)對(duì)流發(fā)展期間探空站上空500 hPa 和850 hPa 的風(fēng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的風(fēng)的垂直分布特征。

圖6 4—9 月雷暴大風(fēng)的SSI（a）和SWEAT（b）的月平均值和閾值的比率

山東內(nèi)陸地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的500 hPa 風(fēng)向在4 月、6 月和9 月以西到西北風(fēng)最多（圖7a），占61.3%～63.2%，在7—8 月偏南風(fēng)最多，占64.9%～66.0%。500 hPa 風(fēng)速≥12 m/s 的比率在4—5 月為84.8%～93.3%（圖7c）。

山東內(nèi)陸地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的850 hPa 風(fēng)向在6—8 月以西南風(fēng)最多占59.7%～67.9%（圖7b）。850 hPa 風(fēng)速達(dá)到急流強(qiáng)度（≥12 m/s）的比率在4—5 月占36.6%～40.0%（圖7c），其它月在25%以下。

山東半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的500 hPa 風(fēng)向在5—6 月西北風(fēng)較多，占50.0%～64.3%（圖7a），在4月和7—9 月偏南風(fēng)較多占55.6%～91.7%，7 月最多。500 hPa 風(fēng)速≥12 m/s 的比率在7 月為58.3%，其他月在85%以上，大于內(nèi)陸地區(qū)（圖7c）。

山東半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的850 hPa 風(fēng)向，在4—8 月以南到西南風(fēng)為主，占66.7%～88.9%（圖7b），多于內(nèi)陸。850 hPa 風(fēng)速≥12 m/s 的比率5 月和7 月分別為44.4%和50.0%，其他月在30%以下，5—7 月風(fēng)速大于內(nèi)陸（圖7c）。

5 結(jié)論

（1）產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的T850-500在4—6 月較高，7—9 月較低。θse700-850的月平均在5—9 月為負(fù)值，山東內(nèi)陸明顯低于半島。SI 和LI在內(nèi)陸6—8 月、半島7—8 月的月平均值較低，SI＜1 ℃，LI＜0 ℃。

圖7 4—9 月各月山東內(nèi)陸和半島地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的500 hPa風(fēng)向的比率（a），850 hPa西南風(fēng)在各月占的比率（b）和500、850 hPa風(fēng)速≥12 m/s 的比率（c）

（2）CAPE 在山東內(nèi)陸地區(qū)6—8 月、半島山東7—8 月較高，平均值在500 J/kg 以上。山東內(nèi)陸DCAPE 在4—5 月較高，平均值在640 J/kg 以上，山東半島在5—6 月較高，平均值在550 J/kg 以上。K指數(shù)在4—6 月和9 月較低，7—8 月較高。

（3）SSI≥250 的比率內(nèi)陸在4—5 月、半島在4月和7—8 月均為70%以上。強(qiáng)天氣威脅指數(shù)SWEAT≥150 的比率內(nèi)陸在6—8 月、半島在7—9月較大均為75%以上。WI 在內(nèi)陸5—8 月較高，半島4—5 月較高。內(nèi)陸5—6 月WI≥17 的比率為75%～81.8%，半島4—5 月為88.9%。

（4）山東內(nèi)陸4、6 月和9 月、半島5—6 月500 hPa西北風(fēng)占50.0%～64.3%，其他月份西南風(fēng)居多；內(nèi)陸4—5 月、半島4—6 月和8—9 月500 hPa 風(fēng)速≥12 m/s占的比率在84.0%以上。內(nèi)陸6—8 月、半島4—8 月850 hPa 以西南風(fēng)為主，風(fēng)速較小。

（5）山東半島三面環(huán)海，低層大氣的溫濕特征與山東內(nèi)陸地區(qū)有較大差異，低層大氣中的水汽含量高，溫度變化比內(nèi)陸慢，溫度的日較差比內(nèi)陸小，半島沿海與半島內(nèi)陸的溫差較大。在春季和夏初，由于大氣中的水汽含量高，比濕大，升溫緩慢，導(dǎo)致半島地區(qū)的低層大氣溫度明顯低于內(nèi)陸，造成大氣低層的溫濕能明顯比內(nèi)陸偏低，溫度隨高度的遞減率也明顯比內(nèi)陸低，因此大氣的垂直不穩(wěn)定度明顯低于內(nèi)陸。在盛夏，山東受副高控制，低層大氣水汽含量高，內(nèi)陸與半島地區(qū)的溫濕差異減小。初秋季節(jié)，副高南撤，冷空氣影響頻繁，內(nèi)陸地區(qū)降溫明顯，對(duì)流性天氣明顯減少。半島地區(qū)低層大氣降溫緩慢，溫度比內(nèi)陸偏高，大氣低層的溫濕能高，大氣低層溫度隨高度的直減率比內(nèi)陸大，大氣的垂直不穩(wěn)定度明顯高于內(nèi)陸，因此半島地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流和雷暴大風(fēng)天氣仍然較多。由于海面的粗糙度較低，近地面層的風(fēng)比內(nèi)陸大，風(fēng)垂直切變比內(nèi)陸小，因此與風(fēng)垂直切變有關(guān)的參數(shù)，與內(nèi)陸地區(qū)的差異較明顯。