山東省一次強(qiáng)致災(zāi)對流性天氣過程分析

于懷征，陸桂榮，王風(fēng)梅，吳立濱

(1.日照市氣象局，山東日照 276826；2.莒縣氣象局，山東莒縣 276500)

山東省地處中緯度華東沿海，境內(nèi)地形中間高、四周低，中部為凸起的山地，東部為起伏的丘陵，西南和西北部屬于平原地區(qū)，形成了以山地丘陵為主的地形地貌。山東省屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，春末夏初冷空氣多交匯于此。在特殊地形和冷暖空氣頻繁交匯的條件下極易產(chǎn)生局地強(qiáng)對流天氣，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。由于強(qiáng)對流天氣時(shí)空尺度小、局地性強(qiáng)，其預(yù)報(bào)難度非常大。近年來，隨著新一代多普勒雷達(dá)和區(qū)域自動(dòng)氣象站等新資料的分析應(yīng)用，人們對強(qiáng)對流天氣形成機(jī)理、維持機(jī)制、災(zāi)害落區(qū)等有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。為進(jìn)一步提高強(qiáng)對流天氣形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)和提升該類天氣的預(yù)報(bào)水平和能力，國內(nèi)外很多專家對強(qiáng)對流天氣進(jìn)行了大量的研究[1-4]。吳芳芳等[5]指出，冰雹的形成和增長與對流風(fēng)暴中存在中氣旋有很好的對應(yīng)關(guān)系。郭蘭[6]對三門峽一次冰雹天氣過程進(jìn)行分析，指出強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)是對流天氣發(fā)展和維持的重要原因。陳小婷等[7]認(rèn)為，低層強(qiáng)的西南氣流和暖平流有利于對流風(fēng)暴發(fā)生。張晶等[8]則認(rèn)為在高層干冷、低層暖濕的配置下，如果0 ℃和-20 ℃適當(dāng)，則有利于大冰雹的產(chǎn)生。鮑向東等[9]認(rèn)為冰雹發(fā)生在高空急流出口區(qū)左側(cè)。鄭旭程等[10]對冰雹發(fā)生的天氣環(huán)境條件和識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行了分析，認(rèn)為大的對流有效位能、低層逆溫層以及0 ℃和-20 ℃特征層的高度等與冰雹的產(chǎn)生、維持、發(fā)展關(guān)系較為密切。萬紅蓮等[11]分析了陜西省冰雹的時(shí)空分布特征，指出夏秋冰雹出現(xiàn)的現(xiàn)象最多，且山地和平原與山地的過渡地帶發(fā)生的冰雹次數(shù)明顯多于平原。萬占鑫[12]等指出，低空急流輸送的水汽在暴雨區(qū)輻合為暴雨的產(chǎn)生提供了水汽和不穩(wěn)定能量。覃靖等[13]、吳海英等[14]、黃俊杰等[15]、曲良璐[16]對致災(zāi)冰雹的超級單體進(jìn)行了分析，指出中尺度輻合線、地面干線將觸發(fā)對流，對流層中層侵入干冷空氣是冰雹產(chǎn)生、維持、發(fā)展的重要因素。劉慧敏等[17]指出，CAPE值越大，大氣越不穩(wěn)定。支樹林等[18]指出，形成地面降雹的有利環(huán)境條件與適宜的特征層(0 ℃、-20 ℃)高度和“喇叭口”的結(jié)構(gòu)配置密切相關(guān)。

2016年6月13—14日，山東省出現(xiàn)一次大范圍的強(qiáng)對流天氣，多地出現(xiàn)強(qiáng)降水并伴有冰雹，損失慘重。小麥、玉米等農(nóng)作物和蔬菜、水果等經(jīng)濟(jì)作物受到不同程度災(zāi)害，部分房屋倒塌，多地的塘壩、道路被沖毀，一些地區(qū)的供電線路受損。本文利用常規(guī)氣象觀測資料和區(qū)域自動(dòng)氣象站資料、新一代多普勒雷達(dá)產(chǎn)品資料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料對此次強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行分析，以期為山東省強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣實(shí)況及影響

受地面氣旋和高空冷渦共同影響，2016年6月13—14日，山東省12個(gè)地市出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，多地出現(xiàn)超過100 mm以上的大暴雨天氣，局地伴有9～10級的雷雨大風(fēng)和冰雹(圖1)。此次強(qiáng)對流天氣，全省平均降雨量41.2 mm。最大降雨量出現(xiàn)在泰安湖屯氣象觀測站，達(dá)167 mm，降水量超過100 mm的有平陰、鄆城、肥城3站，超過50 mm降水的縣(市、區(qū))則達(dá)到38個(gè)，最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到76.6 mm/h，出現(xiàn)在臨邑。菏澤、聊城、濟(jì)南、濰坊、濟(jì)寧等部分地區(qū)還出現(xiàn)冰雹，冰雹最大直徑達(dá)8 cm。強(qiáng)對流天氣造成全省330個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)受災(zāi),受災(zāi)人口達(dá)92.2萬人，死亡2人；作物受災(zāi)面積67 760 hm2，成災(zāi)面積30 590 hm2，絕收面積5 090 hm2；房屋受損1 743間，倒塌107間；山東省直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)11.17億元，其中僅農(nóng)業(yè)損失就高達(dá)9.17億元。

圖1 山東省過程降雨量(等值線，單位：mm)、1 h超過60 mm的站點(diǎn)(黑點(diǎn))、冰雹(三角)(a 2016-06-13T08—14T08；b 2016-06-14T08—15T08)

2 天氣形勢

6月13日08時(shí)，500 hPa圖上(圖2a)，在黑龍江省東北部有東北冷渦存在，自冷渦到山東省西北部有一西風(fēng)槽，山東處在西北氣流控制范圍內(nèi)。西北氣流攜帶冷空氣源源不斷向山東上空輸送，山東上空的溫度低于-10 ℃。同時(shí)，新疆到河套以北大風(fēng)速帶攜帶冷空氣沿西北方向入侵山東大部地區(qū)。

700 hPa(圖2b)與500 hPa形勢基本一致，山東中部有冷溫槽存在。新疆到河套以北地區(qū)出現(xiàn)了最大風(fēng)速帶，不斷向山東境內(nèi)輸送冷空氣。魯西北西部、魯中西部和魯南等地區(qū)位于東北冷渦底部的西北氣流控制下。

850 hPa(圖2c)上，河套附近有低渦存在，低渦到山東中部有一暖式切變，暖式切變南側(cè)的西南氣流源源不斷地向山東輸送暖濕空氣，使山東低層處于高溫和高濕狀態(tài)，為山東產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣提供不穩(wěn)定能量。14日08時(shí)，山東出現(xiàn)急流，溫度露點(diǎn)差逐漸減小到4 ℃以下。從溫度場來看(圖略)，山東受16 ℃暖脊控制，T850-500≥26 ℃,根據(jù)山東省統(tǒng)計(jì)指標(biāo)[19]，發(fā)生較強(qiáng)對流的可能性較大。

從高低空配置(圖2d)來看，山東處于200 hPa、500 hPa和850 hPa急流的交匯處，高低空急流耦合有利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展、加強(qiáng)。500 hPa溫度槽位于山東西部，山東省為冷平流區(qū)，對應(yīng)850 hPa山東地區(qū)為暖脊，形成了明顯的上冷下暖形勢。從濕度場來看，850 hPa山東為濕舌區(qū)，表明山東省低層濕度較好，為強(qiáng)降水產(chǎn)生提供了水汽條件。綜上所述，山東省低層高溫高濕，對應(yīng)高空為干冷空氣入侵，形成了上冷下暖的對流形勢，如下墊面受熱不均勻或者有地面系統(tǒng)觸發(fā)，極易產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣。

圖2 2016-06-13T08 500 hPa(a)、700 hPa(b)、850 hPa(c)的天氣形勢和高低空配置(d)

3 大氣穩(wěn)定性

大氣不穩(wěn)定性主要是通過分析探空資料來實(shí)現(xiàn)，大氣中風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化、干暖蓋指數(shù)(LS)、對流有效位能(CAPE)值、狀態(tài)曲線與層結(jié)曲線的分布、抬升指數(shù)(LI)、沙氏指數(shù)(SI)等對大氣的穩(wěn)定性具有非常重要的指示作用[20]。

本次強(qiáng)對流過程主要出現(xiàn)在魯中、魯西和魯南地區(qū)，因此選取能較好代表此區(qū)域的章丘站的探空資料進(jìn)行分析。13日08時(shí)章丘探空站資料(圖3a)顯示，近地面層有逆溫，形成干暖蓋。干暖蓋是局地暴雨、強(qiáng)風(fēng)暴等強(qiáng)天氣發(fā)生的一個(gè)重要特征。一般用干暖蓋指數(shù)LS來表征其強(qiáng)度，LS越小，逆溫層越強(qiáng)，越有利于積累不穩(wěn)定能量和水汽，此時(shí)濟(jì)南探空站的LS 為-32.2 ℃，對積累不穩(wěn)定能量較為有利。從未訂正的探空圖上還可以看出，CAPE值為112 J/kg，抬升指數(shù)(LI)為-2.1 ℃，沙氏指數(shù)(SI)為2.48 ℃，不利于對流的產(chǎn)生。但利用當(dāng)天章丘最高氣溫對08時(shí)的探空圖進(jìn)行訂正(圖3b)后發(fā)現(xiàn)，CAPE值明顯增大，達(dá)1 577.7 J/kg，表明午后出現(xiàn)雷暴的可能性非常大。從風(fēng)隨高度的分布來看，850 hPa東南風(fēng)，而700 hPa為西南風(fēng)，兩層之間風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表明850～700 hPa之間有暖平流。700 hPa高度以上，風(fēng)隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表明中高層有冷平流。中高層的冷平流和低層的暖平流形成了上冷下暖的形勢。通過分析層結(jié)曲線和露點(diǎn)曲線發(fā)現(xiàn)，兩條曲線在850 hPa以下較近，但是在850～700 hPa之間又分開，呈現(xiàn)出低層濕、中層干的配置。

國內(nèi)外很多專家指出，冰雹的融化層更接近于濕球溫度0 ℃層而不是干球溫度0 ℃層，且濕球溫度0 ℃層高度是影響冰雹尺寸的重要因素之一[21]。從23日08時(shí)濟(jì)南探空圖上看，-20 ℃層和干球溫度0 ℃層分別位于400 hPa和600 hPa附近，高度分別為7.18 km和3.96 km，而濕球溫度0 ℃高度為3 km左右，濕球溫度0 ℃高度對于6月中旬的山東是一個(gè)較低的融化層高度，特征層高度的分布非常有利于冰雹的發(fā)生。

圖3 2016-06-13T08章丘訂正前(a)和訂正后(b)的探空圖

4 水汽條件

強(qiáng)冰雹天氣對低層水汽條件要求不高，低層的水汽條件較充沛是比較適合冰雹的生長的。用NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料對濟(jì)南的水汽通量散度進(jìn)行分析。通過濟(jì)南站的水汽通量散度時(shí)空分布(圖4a)來看，13—14日，水汽輻合主要在850 hPa以下，說明此次降水的水汽來源主要來自大氣低層。從時(shí)間分布來看，水汽輻合主要出現(xiàn)在13日午后到14日上午，最強(qiáng)水汽輻合出現(xiàn)在14日02時(shí)的近地面層，達(dá)到-80×10-8g/(s·hPa·cm2)，14日14時(shí)以后，水汽輻合明顯減弱。

大氣可降水量是指空氣柱里含有水汽的總量全部凝結(jié)為雨、雪降落到地面所能形成的降水量。根據(jù)楊軍建等[22]分析，大氣可降水量與實(shí)際降水量具有很好的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)大氣中水汽含量達(dá)到一定的數(shù)值，明顯的水汽含量激增往往對應(yīng)強(qiáng)降水的產(chǎn)生。利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料對大氣可降水量分析(圖4b)發(fā)現(xiàn)，13日08時(shí)，濟(jì)南站大氣可降水量為37 mm，14時(shí)達(dá)到了40 mm，20時(shí)達(dá)到了42 mm，14日02時(shí)，達(dá)到最大的44 mm，表明13日08時(shí)至14日02時(shí)，大氣含水量達(dá)到較高的數(shù)值且呈明顯的增加趨勢，結(jié)合水汽通量散度時(shí)空分布，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在13日20時(shí)到14日02時(shí)，與實(shí)況極為吻合。

圖4 濟(jì)南站2016-06-13T08—14T20水汽通量散度時(shí)間剖面(a,單位為10-8 g/(s·hPa·cm2)和2016-06-13T08—15T08大氣可降水量時(shí)間變化曲線圖(b，單位為mm)

5 多普勒雷達(dá)產(chǎn)品

從濟(jì)南SA雷達(dá)1.5°仰角的基本反射率因子演變(圖5)來看，2016年6月13日13：52，雷達(dá)站西北側(cè)的平原、陵縣北部地區(qū)出現(xiàn)單體回波，最大回波強(qiáng)度超過65 dBz，回波頂高超過16 km，位于距離雷達(dá)70 km處，并出現(xiàn)三體散射特征，此時(shí)平原、陵縣出現(xiàn)強(qiáng)冰雹。強(qiáng)冰雹特征持續(xù)到14：15，之后回波向東南方向移動(dòng)，并迅速合并加強(qiáng)，造成了德州部分區(qū)縣出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，局部地區(qū)出現(xiàn)暴雨，其中臨邑站出現(xiàn)了76.6 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。16：18，濟(jì)南北部出現(xiàn)強(qiáng)回波，回波中心強(qiáng)度達(dá)到50～60 dBz，回波頂高為12 km，強(qiáng)回波高度約為6.2 km；從該時(shí)刻0.5°仰角徑向速度圖來看，該強(qiáng)回波在雷達(dá)偏北40 km處出現(xiàn)速度模糊，退模糊后，最大不模糊速度為-30.5 m/s，沒有出現(xiàn)明顯的徑向輻合。16：42，該強(qiáng)回波略有南移和發(fā)展，中心到達(dá)雷達(dá)站偏北25 km附近，范圍明顯擴(kuò)大，最大回波強(qiáng)度為67 dBz，回波頂高為12 km，最強(qiáng)回波強(qiáng)度為8 km；從該時(shí)刻0.5°仰角的徑向速度來看，強(qiáng)回波區(qū)域出現(xiàn)明顯的氣旋式輻合，雷達(dá)東北方向約50 km處出現(xiàn)速度模糊，最大不模糊速度為-30.5 m/s。此時(shí)濟(jì)南北部地區(qū)先后出現(xiàn)較大范圍的降雹，部分地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，冰雹覆蓋區(qū)域主要分布在濟(jì)南北部區(qū)縣，濟(jì)南主城區(qū)影響不大。同時(shí)，在雷達(dá)西南側(cè)的茌平縣東南出現(xiàn)一超級單體，并向東南方向移動(dòng)，此時(shí)超級單體出現(xiàn)弱的三體散射特征。16：59，雷達(dá)站北側(cè)的強(qiáng)回波繼續(xù)向東南方向移動(dòng)，范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，但是強(qiáng)度略有減弱，最大回波強(qiáng)度為60 dBz；從該時(shí)刻的0.5°仰角徑向速度圖來看，此強(qiáng)回波內(nèi)部出現(xiàn)明顯的氣旋式輻合和中層輻合區(qū)特征，位于雷達(dá)東偏北方向約50 km處出現(xiàn)速度模糊，退速度模糊后，最大徑向速度為30.5 m/s。同時(shí)雷達(dá)站西南側(cè)的超級單體移到齊河和東阿交界處，出現(xiàn)明顯的三體散射特征，最大回波強(qiáng)度達(dá)到61 dBz。沿圖中紅線對該超級單體進(jìn)行的剖面分析發(fā)現(xiàn)，最強(qiáng)回波約位于7.5 km，5 km高度上出現(xiàn)反射率因子梯度大值區(qū)，超級單體回波呈現(xiàn)出有界弱回波區(qū)、三體散射、旁瓣回波、回波懸垂等特征，此超級單體造成東阿和齊河交界的部分地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水和局地冰雹天氣。18：33(圖略)，位于雷達(dá)西南側(cè)的超級單體移到肥城，最大回波強(qiáng)度達(dá)到了63 dBz，有明顯的三體散射特征，之后與雷達(dá)西方的回波合并，東移南下造成了肥城、嘉祥、汶上等縣出現(xiàn)冰雹和強(qiáng)降水，其中肥城的冰雹直徑達(dá)到8 mm。23時(shí)，回波減弱且移出山東，山東強(qiáng)對流天氣結(jié)束。

圖5 2016-06-13濟(jì)南SA雷達(dá)1.5°仰角反射率因子和0.5°仰角徑向速度圖及16：59雷達(dá)西南側(cè)的超級單體核心反射率因子剖面圖

6 小結(jié)

(1)此次強(qiáng)對流天氣是在東北冷渦和地面氣旋共同作用下產(chǎn)生的。

(2)近地面層若有逆溫存在的情況下，08時(shí)探空圖計(jì)算出的對流有效位能CAPE應(yīng)訂正使用；濕球溫度0 ℃層和-20 ℃層高度有利于大冰雹出現(xiàn)。

(3)近地面層的逆溫、較大的對流有效位能和干暖蓋指數(shù)能較好地預(yù)示強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。

(4)大氣可降水量達(dá)到較高的數(shù)值且呈明顯增加的趨勢和較長時(shí)間明顯的低層水汽輻合，對強(qiáng)降水的產(chǎn)生具有很好的指示意義。

(5)較強(qiáng)的雷達(dá)回波、明顯的有界弱回波區(qū)、三體散射長釘、旁瓣回波、回波懸垂和反射率因子梯度大值區(qū)等雷達(dá)回波特征表明有大冰雹產(chǎn)生，強(qiáng)回波高度較高預(yù)示著對流天氣較強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)。