冷渦背景下山東省“5·17”極端強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)境條件分析*

侯淑梅 朱曉清 史 茜 唐巧玲 孟憲貴 劉 暢 高榮珍 刁秀廣

1 山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250031 2 山東省氣象臺(tái),濟(jì)南 250031 3 山東省氣象工程技術(shù)中心,濟(jì)南 250031 4 青島市氣象局,青島 266003

提 要：2020年5月17日,山東省出現(xiàn)大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣(簡(jiǎn)稱“5·17”強(qiáng)對(duì)流),冰雹范圍之廣為近10年之首。對(duì)流風(fēng)暴高度組織化,區(qū)域性的超級(jí)單體群以及一條長(zhǎng)度超過(guò)500 km的強(qiáng)颮線造成此次極端強(qiáng)對(duì)流天氣。利用ERA5再分析、加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站、多普勒天氣雷達(dá)等資料,剖析了此次極端強(qiáng)對(duì)流天氣的環(huán)境條件。結(jié)果表明:冷渦位于最有利于山東出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流的關(guān)鍵區(qū),大尺度天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫強(qiáng),對(duì)流層中層異常強(qiáng)的冷空氣南下影響前期異常增暖的山東地區(qū),造成“5·17”極端強(qiáng)對(duì)流。天氣系統(tǒng)的異常程度更能代表動(dòng)熱力強(qiáng)迫的強(qiáng)度,異常程度達(dá)到2σ以上有可能造成極端強(qiáng)對(duì)流天氣。當(dāng)冷渦南下過(guò)程中強(qiáng)度減弱,但異常程度增加時(shí),其東南象限仍能產(chǎn)生極端強(qiáng)對(duì)流天氣。強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變有利于對(duì)流風(fēng)暴組織化發(fā)展,颮線的長(zhǎng)軸走向與0～6 km垂直風(fēng)切變矢量方向相同,新單體發(fā)生、發(fā)展、合并的區(qū)域位于風(fēng)矢量差大值中心前沿。低層暖濕平流源源不斷地向山東輸送暖濕空氣,是CAPE重建的機(jī)制,是超級(jí)單體群和長(zhǎng)颮線得以長(zhǎng)時(shí)間維持的主要能量來(lái)源。

引 言

極端強(qiáng)對(duì)流天氣是指直徑5 cm或以上冰雹、32 m·s-1或以上對(duì)流性直線陣風(fēng)以及80 mm·h-1或180 mm·h-1以上短時(shí)強(qiáng)降水(俞小鼎等,2020)。冰雹成災(zāi)的程度與冰雹大小密切相關(guān),冰雹越大,成災(zāi)的可能性越大(許煥斌,2012)。通常將落到地面上直徑超過(guò)2 cm的冰雹稱為大冰雹或強(qiáng)冰雹(俞小鼎等,2020)。2021年7月9日濟(jì)南市章丘區(qū)發(fā)現(xiàn)直徑6.8 cm的大冰雹,該冰雹樣本有幸被保存下來(lái),供科學(xué)研究。近年來(lái),隨著加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站資料的廣泛應(yīng)用,極端雷暴大風(fēng)和極端短時(shí)強(qiáng)降水的紀(jì)錄不斷被刷新。2012年北京“7·21”大暴雨過(guò)程最大降水量達(dá)460.0 mm,最大小時(shí)降水量為100.3 mm(諶蕓等,2012)。2017年5月7日廣州出現(xiàn)小時(shí)降水量超過(guò)180 mm、3 h降水量超過(guò)330 mm的極端強(qiáng)降水事件(田付友等,2018)。2021年“7·20”鄭州特大暴雨過(guò)程,鄭州站日降水量達(dá)552.5 mm,最大小時(shí)降水量高達(dá)201.9 mm,皆打破建站以來(lái)歷史紀(jì)錄,造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失(史文茹等,2021;冉令坤等,2021;汪小康等,2022)。雷暴大風(fēng)亦是如此,2009年“6·3”致災(zāi)雷暴大風(fēng)過(guò)程觀測(cè)到30 m·s-1(11級(jí))的大風(fēng)(王秀明等,2012a)。2019年3月21日廣西省臨桂站監(jiān)測(cè)到60.3 m·s-1(17級(jí))的大風(fēng)(李彩玲等,2021;蔡康龍等,2021)。強(qiáng)對(duì)流天氣具有突發(fā)性、局地性、災(zāi)害性等特點(diǎn),預(yù)報(bào)難度大,而預(yù)報(bào)極端強(qiáng)對(duì)流更是難上加難。

山東省地處中緯度地區(qū),極端強(qiáng)對(duì)流事件時(shí)有發(fā)生。2016年6月13—14日,受東北冷渦影響,山東連續(xù)2天出現(xiàn)大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣,淄博、濰坊等地出現(xiàn)雞蛋大的冰雹,淄博龍泉站極大風(fēng)風(fēng)速為36.1 m·s-1(12級(jí))(朱義青等,2020;張琴等,2017;張婷婷等,2017)。2018年6月13日,同樣受東北冷渦影響,山東出現(xiàn)大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣,最大冰雹直徑為4 cm,青島奧帆基地的極大風(fēng)風(fēng)速高達(dá)39.1 m·s-1(13級(jí))(簡(jiǎn)稱“6·13”強(qiáng)對(duì)流)。2016年6月30日,在高空槽與副熱帶高壓相互作用的大環(huán)流背景條件下,山東多地出現(xiàn)冰雹及10級(jí)以上雷暴大風(fēng)(高曉梅等,2018),壽光極大風(fēng)風(fēng)速為33 m·s-1(12級(jí)),并出現(xiàn)直徑達(dá)4 cm的大冰雹(公衍鐸等,2019)(簡(jiǎn)稱“6·30”強(qiáng)對(duì)流)。

本文關(guān)注的強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生在2020年5月17日,受東北冷渦影響,山東出現(xiàn)一次大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣(簡(jiǎn)稱“5·17”強(qiáng)對(duì)流),冰雹范圍之廣、對(duì)流強(qiáng)度之強(qiáng)、產(chǎn)生災(zāi)害之重,為近年來(lái)之最。當(dāng)日天氣形勢(shì)與“6·13”強(qiáng)對(duì)流相似,但“5·17”強(qiáng)對(duì)流的冰雹范圍大于“6·13”。統(tǒng)計(jì)表明,同一冷渦背景下,華北地區(qū)的東北部易出現(xiàn)多單體風(fēng)暴引發(fā)的以短時(shí)強(qiáng)降水為主的強(qiáng)對(duì)流天氣,黃淮地區(qū)易出現(xiàn)颮線系統(tǒng)引發(fā)的短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹和雷暴大風(fēng)天氣(蔡雪薇等,2019),“5·17”和“6·13”強(qiáng)對(duì)流山東均出現(xiàn)了颮線引發(fā)的冰雹、雷暴大風(fēng)和局地短時(shí)強(qiáng)降水,與上述統(tǒng)計(jì)特征一致,均屬于盛杰等(2020)定義的極端雷暴大風(fēng)類線狀對(duì)流系統(tǒng)。從氣候特征的分布上,山東的強(qiáng)對(duì)流天氣是6月強(qiáng)度最強(qiáng)、次數(shù)最多、影響范圍最大(閻麗鳳和楊成芳,2014),前文提到的“6·13”與“6·30”強(qiáng)對(duì)流都發(fā)生在6月。那么,是什么原因?qū)е?月出現(xiàn)了如此強(qiáng)的對(duì)流?本文試圖從環(huán)境條件異常的角度,分析產(chǎn)生此次極端強(qiáng)對(duì)流的原因,加強(qiáng)對(duì)春季極端強(qiáng)對(duì)流形成機(jī)理的認(rèn)識(shí),提高對(duì)極端強(qiáng)對(duì)流的預(yù)報(bào)能力。

1 資料和方法

1.1 資 料

空間分辨率為0.25°×0.25°、時(shí)間分辨率為1 h的ERA5再分析資料(ECMWF第五代全球大氣再分析資料)。山東省加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站逐小時(shí)資料和多普勒天氣雷達(dá)拼圖產(chǎn)品。

1.2 方 法

1.2.1 氣候平均值

由于ERA5再分析資料只有氣象要素每年的月平均格點(diǎn)場(chǎng),因此利用式(1)計(jì)算了1981—2010年5月、6月氣象要素格點(diǎn)的30年氣候平均值。

(1)

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化距平

(2)

1.2.3 冷渦的強(qiáng)度和異常程度

挑選關(guān)注區(qū)域內(nèi)500 hPa位勢(shì)高度最低值作為冷渦中心位置及中心強(qiáng)度,以冷渦中心周圍10°×10°網(wǎng)格范圍作為冷渦區(qū)域,計(jì)算該區(qū)域內(nèi)所有格點(diǎn)位勢(shì)高度和標(biāo)準(zhǔn)化距平的平均值。分別用冷渦中心位勢(shì)高度最低值和冷渦區(qū)域內(nèi)所有格點(diǎn)位勢(shì)高度的平均值,分析冷渦強(qiáng)度的變化趨勢(shì),確定哪個(gè)量更能代表冷渦的強(qiáng)度。

位勢(shì)高度標(biāo)準(zhǔn)化距平負(fù)值的絕對(duì)值越大,說(shuō)明冷渦相對(duì)于氣候平均值異常偏強(qiáng)的程度越高。在冷渦區(qū)域內(nèi)挑選位勢(shì)高度標(biāo)準(zhǔn)化距平負(fù)值絕對(duì)值最大的格點(diǎn)值(簡(jiǎn)稱最大標(biāo)準(zhǔn)化距平),計(jì)算冷渦區(qū)域內(nèi)所有格點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化距平的平均值(簡(jiǎn)稱平均標(biāo)準(zhǔn)化距平)。分別利用最大標(biāo)準(zhǔn)化距平和平均標(biāo)準(zhǔn)化距平分析冷渦異常程度的變化趨勢(shì),確定哪個(gè)量更能代表冷渦相對(duì)于氣候平均值的異常程度。

與位勢(shì)高度相同,挑選冷渦中心附近500 hPa溫度的冷中心位置及溫度值,計(jì)算其周圍10°×10°網(wǎng)格范圍的溫度平均、標(biāo)準(zhǔn)化距平平均(簡(jiǎn)稱平均標(biāo)準(zhǔn)化距平),以及標(biāo)準(zhǔn)化距平負(fù)值絕對(duì)值最大格點(diǎn)值(簡(jiǎn)稱最大標(biāo)準(zhǔn)化距平)。用溫度冷中心值和區(qū)域平均值分析冷空氣強(qiáng)度的變化趨勢(shì),確定哪個(gè)量更能代表冷渦攜帶冷空氣的強(qiáng)度,用溫度的平均標(biāo)準(zhǔn)化距平和最大標(biāo)準(zhǔn)化距平分析冷空氣異常程度的變化趨勢(shì),確定哪個(gè)量更能代表冷渦攜帶冷空氣的異常程度。

2 極端強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)況

2.1 天氣實(shí)況

2020年5月17日下午到夜間,除了魯西南的部分地區(qū)外,山東出現(xiàn)大范圍的強(qiáng)對(duì)流天氣,魯南和半島的部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨(圖1a),最大累計(jì)降水量出現(xiàn)在乳山市育黎站(88.2 mm),最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在榮城市城西站(56.9 mm·h-1),上述2個(gè)站均隸屬于威海市。除魯西北的部分地區(qū)外,全省大部地區(qū)出現(xiàn)8級(jí)以上雷暴大風(fēng)(圖1b),最大風(fēng)速(36.6 m·s-1,12級(jí))于22:29 出現(xiàn)在日照市嵐山崗站,次大值34.6 m·s-1(12級(jí))于21:25出現(xiàn)在臨沂市臨沂站。全省共有5個(gè)測(cè)站出現(xiàn)12級(jí)雷暴大風(fēng),35個(gè)站出現(xiàn)10級(jí)以上雷暴大風(fēng)。全省16個(gè)地級(jí)市中有14個(gè)觀測(cè)到冰雹(圖1c),對(duì)比圖1a和1c可以發(fā)現(xiàn),幾乎有對(duì)流降水的地區(qū)均出現(xiàn)了冰雹,降雹范圍之廣非常罕見(jiàn)。青島市即墨區(qū)和城陽(yáng)區(qū)分別觀測(cè)到直徑達(dá)4.5 cm(圖1d)和4.0 cm的大冰雹,多地發(fā)現(xiàn)雞蛋大小的冰雹(圖1e)。本次過(guò)程達(dá)到極端強(qiáng)對(duì)流天氣標(biāo)準(zhǔn)(俞小鼎等,2020)。全省受災(zāi)人口為64.4萬(wàn)人,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)23.62億元,僅青島市的直接經(jīng)濟(jì)損失就超過(guò)11億元。

2.2 雷達(dá)回波

17日17時(shí)(圖略)在魯西北有一條東北—西南向的云帶,其中在德州境內(nèi)有分散的30～40 dBz的降水回波,將此云帶稱為回波帶A。之后回波帶A內(nèi)部及其前側(cè)(東南方向)不斷有新單體快速發(fā)展并東移,同時(shí)在山東中南部到魯東南一帶有分散的新單體發(fā)展,稱其為回波帶B。20時(shí)(圖2a),回波帶A的后部(西北側(cè))逐漸減弱,前部強(qiáng)度增強(qiáng),多個(gè)單體的最大反射率因子高達(dá)65 dBz?；夭◣主要位于青島、日照一帶,為多個(gè)超級(jí)單體組成的多單體風(fēng)暴。位于萊蕪、臨沂和濟(jì)寧交界處的多單體風(fēng)暴C為東北—西南方向并呈現(xiàn)后向傳播特征,中心最大強(qiáng)度為65 dBz。回波帶A向東移的同時(shí)向東南方向發(fā)展,其南界與回波帶B距離逐漸縮短。

21時(shí)(圖2b),風(fēng)暴C已發(fā)展為一條東北—西南向的颮線,其北界與回波帶A的前沿連接,其西南方向在魯西南到河南省境內(nèi)仍不斷有新單體發(fā)展,稱其為新單體D?；夭◣仍位于青島、日照一帶,部分單體之間發(fā)生合并,仍以強(qiáng)度高達(dá)60～65 dBz 的超級(jí)單體為主。回波帶A前沿單體較強(qiáng),后部減弱較快。三部分回波之間距離縮短,逐漸靠近。22時(shí)(圖2c)回波帶A的后部繼續(xù)減弱,其前沿的單體、回波帶B和風(fēng)暴C三部分已完全合并,形成一條長(zhǎng)度超過(guò)500 km的長(zhǎng)颮線。颮線內(nèi)仍然包含強(qiáng)度超過(guò)60 dBz的超級(jí)單體,颮線的尾部仍有新單體發(fā)展,稱其為新單體D。

圖1 2020年5月17日16時(shí)至18日08時(shí)山東省(a)累計(jì)降水量, (b)極大風(fēng)風(fēng)速,(c)冰雹落區(qū),和(d)青島市即墨區(qū)、(e)煙臺(tái)市萊陽(yáng)市大冰雹Fig.1 (a) Accumulated precipitation, (b) extreme wind speed, (c) hailstorm area, and (d, e) large hailstorm in (d) Jimo District, Qingdao and (e) Laiyang County, Yantai in Shandong Province from 16:00 BT 17 to 08:00 BT 18 May 2020

圖2 2020年5月17日(a)20時(shí),(b)21時(shí),(c)22時(shí)雷達(dá)組合反射率因子拼圖Fig.2 Radar reflectivity mosaic at (a) 20:00 BT, (b) 21:00 BT, (c) 22:00 BT 17 May 2020

由此可見(jiàn),多個(gè)內(nèi)嵌超級(jí)單體的多單體風(fēng)暴發(fā)展、合并、加強(qiáng),逐漸組織化為一條東北—西南向、長(zhǎng)度超過(guò)500 km的強(qiáng)颮線,造成山東省出現(xiàn)大范圍冰雹、雷暴大風(fēng)和局地短時(shí)強(qiáng)降水等極端強(qiáng)對(duì)流天氣。

3 環(huán)境條件

3.1 探空特征

從圖2可知,“5·17”強(qiáng)對(duì)流較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在山東的中東部地區(qū),因此采用青島站探空資料分析對(duì)流發(fā)生的環(huán)境條件。

由于青島站位于黃海之濱,白天受海風(fēng)影響氣溫較低,近地面有逆溫層。17日初始對(duì)流單體是在16時(shí)之后出現(xiàn)的,因此用濰坊16時(shí)氣溫26.3℃、露點(diǎn)溫度17.7℃訂正青島08時(shí)探空(圖3)。訂正后對(duì)流有效位能(CAPE)為1918 J·kg-1,對(duì)流抑制能量(CIN)為0 J·kg-1,露點(diǎn)溫度廓線呈現(xiàn)上干下濕的形態(tài),抬升凝結(jié)高度只有114.9 m,在適當(dāng)?shù)奶龡l件下非常有利于出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。0～6 km風(fēng)矢量差(表示0～6 km垂直風(fēng)切變)為25.3 m·s-1,0～3 km風(fēng)矢量差為16.6 m·s-1,達(dá)到強(qiáng)垂直風(fēng)切變標(biāo)準(zhǔn)(俞小鼎等,2020),有利于對(duì)流風(fēng)暴的組織化發(fā)展。0℃層高度為3.6 km,-20℃層高度為6.6 km,有利于出現(xiàn)冰雹。下沉對(duì)流有效位能(DCAPE)為963.3 J·kg-1,訂正后850 hPa以下溫度直減率接近干絕熱遞減率,有利于出現(xiàn)雷暴大風(fēng)。K指數(shù)為30.2℃,925 hPa和850 hPa比濕分別為19.5 g·kg-1、16.0 g·kg-1,水汽充沛,有利于出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖3 2020年5月17日08時(shí)青島站 訂正后T-lnp圖Fig.3 Revised T-lnp of Qingdao Station at 08:00 BT 17 May 2020

綜上所述,山東省境內(nèi)無(wú)論是水汽、大氣層結(jié),還是垂直風(fēng)切變、各特性層的高度等環(huán)境條件,不僅有利于當(dāng)天出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣,而且有利于對(duì)流風(fēng)暴的組織化發(fā)展,具備產(chǎn)生冰雹、雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水的潛勢(shì)。

3.2 天氣尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫強(qiáng)

5月能產(chǎn)生如此強(qiáng)的極端強(qiáng)對(duì)流事件,可能與天氣系統(tǒng)的動(dòng)力、熱力條件的異常有關(guān)。本節(jié)采用標(biāo)準(zhǔn)化距平來(lái)表示天氣系統(tǒng)相對(duì)于氣候平均值的異常程度,分析天氣尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫與極端強(qiáng)對(duì)流事件的關(guān)系。

3.2.1 高空冷渦異常

5月17日魯西北的初始對(duì)流單體于16時(shí)以后開(kāi)始,因此利用16時(shí)天氣形勢(shì)作為對(duì)流發(fā)生前的環(huán)境條件。從16時(shí)500 hPa高度場(chǎng)(圖4a)可以看出,中國(guó)大陸受西高東低的環(huán)流控制,東北冷渦中心位于內(nèi)蒙古東部,長(zhǎng)軸為東北—西南方向,冷渦后部有明顯橫槽。從新疆北部向東北方向伸到貝加爾湖東側(cè)的高壓脊有暖溫度脊配合(圖4b),且高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的異常程度分別為4倍(以下簡(jiǎn)稱4σ)、5倍標(biāo)準(zhǔn)差(5σ),說(shuō)明該暖高壓脊異常偏強(qiáng)。此種形勢(shì)是造成山東大范圍冰雹的500 hPa經(jīng)典環(huán)流配置(曹鋼鋒等,1988)。冷渦中心位勢(shì)高度為548 dagpm,西南部異常程度高達(dá)-11σ,該冷渦系統(tǒng)深厚,850 hPa 冷渦中心異常程度達(dá)-9σ(圖略)。一般情況下標(biāo)準(zhǔn)化距平絕對(duì)值達(dá)到2.5σ(張萍萍等,2018)或3σ(孫軍等,2012)即可視為異常。夏陽(yáng)等(2016)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差,選取絕對(duì)值大于1σ的年作為西南地區(qū)春季降水的典型異常年;而低層水汽輸送強(qiáng)度大,850 hPa水汽通量達(dá)到6σ造成了北京“7·21”特大暴雨(孫軍等,2012)。山東“5·17”強(qiáng)對(duì)流的冷渦中心標(biāo)準(zhǔn)化距平達(dá)到-11σ,異常程度非常罕見(jiàn)。冷渦中心與-24℃ 的冷中心相配合(圖4b),冷中心的異常程度高達(dá)-8σ,并且位勢(shì)高度最大標(biāo)準(zhǔn)化距平與溫度最大標(biāo)準(zhǔn)化距平的位置重合,均位于冷渦的西南方向。同時(shí),冷渦后部的西北風(fēng)風(fēng)速高達(dá)28～32 m·s-1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般中空急流的強(qiáng)度。在橫槽轉(zhuǎn)豎過(guò)程中,強(qiáng)勁的西北風(fēng)攜帶強(qiáng)冷空氣入侵山東,動(dòng)力、熱力強(qiáng)迫造成山東大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣。2020年6月25日冷渦后部西北氣流為20～24 m·s-1,弓形回波造成華北地區(qū)出現(xiàn)大范圍的雷暴大風(fēng),天津西青站最強(qiáng)陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)41.4 m·s-1(13級(jí))(許長(zhǎng)義等,2023),說(shuō)明對(duì)流層中層強(qiáng)盛的西北氣流在極端強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中的作用非常重要。

從冷渦中心位勢(shì)高度的時(shí)間變化(圖5a)可以發(fā)現(xiàn),冷渦中心位勢(shì)高度最低值(圖5a藍(lán)線,簡(jiǎn)稱中心值)與冷渦區(qū)域位勢(shì)高度平均值(圖5a黑線,簡(jiǎn)稱區(qū)域平均值)的變化趨勢(shì)相同,二者均能代表冷渦的強(qiáng)度。16日08時(shí)冷渦強(qiáng)度最強(qiáng),中心值為539.2 dagpm。隨著冷渦逐漸向東南方向移動(dòng),強(qiáng)度逐漸減弱,17日21時(shí)最弱,中心值為549.7 dagpm,之后逐漸加強(qiáng),18日05時(shí)達(dá)到最強(qiáng),中心值為546.3 dagpm。

圖5 2020年5月16日08時(shí)至18日07時(shí)(a)500 hPa冷渦, (b)冷渦附近冷中心強(qiáng)度及異常程度時(shí)序圖Fig.5 Time series of intensity and anomaly degree of (a) cold vortex at 500 hPa and (b) cold temperature center near the cold vortex from 08:00 BT 16 to 07:00 BT 18 May 2020

冷渦區(qū)域位勢(shì)高度最大標(biāo)準(zhǔn)化距平(圖5a紅線)與平均標(biāo)準(zhǔn)化距平(圖5a粉線)的變化趨勢(shì)相似,二者均能代表冷渦的異常程度。最大標(biāo)準(zhǔn)化距平從16日09時(shí)至17日11時(shí)處于增強(qiáng)趨勢(shì),17日11時(shí)達(dá)到最強(qiáng),最大標(biāo)準(zhǔn)化距平達(dá)到-11.09,11—16時(shí)略有下降,16時(shí)之后再次增強(qiáng),18日03時(shí)達(dá)到最強(qiáng),最大標(biāo)準(zhǔn)化距平高達(dá)-15.14。

從冷渦中心冷空氣強(qiáng)度的時(shí)間變化可見(jiàn),冷中心最低溫度(圖5b藍(lán)線,簡(jiǎn)稱冷中心值)與冷中心區(qū)域溫度平均值(圖5b黑線,簡(jiǎn)稱區(qū)域平均值)的變化趨勢(shì)相似,但冷中心值變化趨勢(shì)較為平緩,說(shuō)明冷中心強(qiáng)度變化較小,而冷中心區(qū)域因與暖空氣交綏,區(qū)域平均值上升幅度大于冷中心值,因此冷中心值更能代表冷空氣的強(qiáng)度。冷中心值從16日08時(shí)開(kāi)始逐漸下降,16日13時(shí)達(dá)到最強(qiáng),冷中心值為-28.04℃。之后略有上升,并在-27.0℃附近波動(dòng)。冷中心區(qū)域的最大標(biāo)準(zhǔn)化距平(圖5b紅線)和平均標(biāo)準(zhǔn)化距平(圖5b粉線)的變化趨勢(shì)相似,但與溫度相同,平均標(biāo)準(zhǔn)化距平的變化幅度大于最大標(biāo)準(zhǔn)化距平,故最大標(biāo)準(zhǔn)化距平更能代表冷空氣的異常程度。最大標(biāo)準(zhǔn)化距平從16日 08時(shí)開(kāi)始逐漸增大,16日20時(shí)為-8.36,達(dá)到第一個(gè)高峰。之后略有減弱,17日06時(shí)開(kāi)始再次增強(qiáng),16時(shí)為-9.37,達(dá)到第二個(gè)高峰。17時(shí)短暫下降,18時(shí)以后呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),18日05時(shí)達(dá)到-10.15,為本階段最強(qiáng)。

山東發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的時(shí)間為17日16時(shí)至18日03時(shí),對(duì)比冷渦的強(qiáng)度和異常程度的變化趨勢(shì)可見(jiàn),這段時(shí)間冷渦的強(qiáng)度呈現(xiàn)先減弱再增強(qiáng)的趨勢(shì),而冷渦的異常程度則處于一直增強(qiáng)的趨勢(shì)。對(duì)比同時(shí)段冷空氣的變化可知,冷中心強(qiáng)度變化較小,但隨著冷中心逐漸南移,冷空氣的異常程度呈現(xiàn)波動(dòng)增強(qiáng)的趨勢(shì)。尤其是山東發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的時(shí)間段,冷空氣的異常程度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。因?yàn)槔淇諝馐且苿?dòng)的,其中心位置逐漸向南移動(dòng),冷空氣的強(qiáng)度雖然出現(xiàn)減弱的趨勢(shì),但由于緯度逐漸降低,相同的冷空氣對(duì)于低緯度地區(qū)來(lái)說(shuō),其異常程度大于高緯地區(qū),冷空氣的異常程度仍然是增強(qiáng)的。17日冷渦的位置正好處于容易造成山東強(qiáng)對(duì)流的關(guān)鍵區(qū)(曹鋼鋒等,1988),其異常程度處于增強(qiáng)階段,因此造成了山東省大范圍的極端強(qiáng)對(duì)流天氣。

近10年來(lái),冰雹范圍和雷暴大風(fēng)的強(qiáng)度能與“5·17”強(qiáng)對(duì)流相當(dāng)?shù)氖恰?·13” 強(qiáng)對(duì)流。兩次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程有很多相似之處,均是東北冷渦背景下造成山東大范圍冰雹、12級(jí)雷暴大風(fēng)和局部暴雨的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程,二者的差異是出現(xiàn)的月份不同。因“6·13”強(qiáng)對(duì)流主要發(fā)生時(shí)段為13日下午到前半夜,青島、日照一帶出現(xiàn)局地暴雨,青島站17:08出現(xiàn)34.8 m·s-1(12級(jí))的雷暴大風(fēng)。因此利用13日12時(shí)天氣形勢(shì)作為“6·13”強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前的環(huán)境條件,與“5·17”強(qiáng)對(duì)流過(guò)程進(jìn)行對(duì)比。

12時(shí)500 hPa高度場(chǎng)(圖4c)可以看到冷渦中心位于京津冀一帶,冷渦中心位勢(shì)高度為564 dagpm,其西南側(cè)異常程度為-6σ,與其相伴的冷空氣異常程度為-5σ(圖4d)。冷渦中心位置比“5·17”強(qiáng)對(duì)流略偏南,后部有橫槽,西北風(fēng)最大風(fēng)速為20 m·s-1。冷渦后部暖高壓脊的長(zhǎng)軸為南北向,不同于“5·17”強(qiáng)對(duì)流(圖4a)暖脊的長(zhǎng)軸向東北方向伸展的趨勢(shì),脊的異常程度為4σ。與高壓脊相伴的暖溫度脊也是南北走向(圖4d),40°N以南的脊區(qū)內(nèi)正、負(fù)距平交錯(cuò),正距平區(qū)沒(méi)有向東北方向伸展。而“5·17”強(qiáng)對(duì)流由于暖高壓脊向東北伸展,東北冷渦的西部、北部、東部均被正距平區(qū)所包圍,冷渦被切斷為一團(tuán)孤立的冷氣團(tuán),有利于該氣團(tuán)長(zhǎng)時(shí)間維持。并且暖脊自南向北在20°～60°N均為正距平區(qū),說(shuō)明該暖脊異常程度大于“6·13”,且有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。事實(shí)上該冷渦造成山東5月16—18日連續(xù)三天出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。

綜上所述,“5·17”強(qiáng)對(duì)流過(guò)程,500 hPa冷渦后部暖高壓脊異常程度為4σ,并向東北方向伸展,形成阻塞形勢(shì)。冷渦中心高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的異常程度分別高達(dá)-11σ、-8σ,且二者最強(qiáng)處均位于冷渦西南側(cè)。冷渦后部西北風(fēng)速高達(dá)28～32 m·s-1,攜帶強(qiáng)冷空氣入侵山東?！?·13”強(qiáng)對(duì)流過(guò)程,雖然冷渦(-6σ)也異常偏強(qiáng),但異常程度弱于“5·17”強(qiáng)對(duì)流。兩次過(guò)程冷渦中心位勢(shì)高度相差16 dagpm,異常程度相差5σ,冷渦后部西北風(fēng)風(fēng)速相差8～12 m·s-1,冷中心最低氣溫異常程度相差3σ。通過(guò)二者的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),造成“5·17”強(qiáng)對(duì)流的冷渦異常程度為“6·13”強(qiáng)對(duì)流的1.5～2.0倍。

3.2.2 低層暖溫度脊異常

從圖6a可見(jiàn),2020年5月17日16時(shí)850 hPa暖溫度脊從河南省中部向東北方向伸到山東省中部,其18℃的頂端位于魯中地區(qū),異常程度高達(dá)6σ。冷渦后部冷空氣勢(shì)力較強(qiáng),京津一帶的冷溫度中心為8℃,異常程度為-6σ。冷暖中心之間的鋒區(qū)梯度在河北省中南部達(dá)到最大,為3.7 ℃·(100 km-1)。冷渦后部橫槽南下轉(zhuǎn)豎過(guò)程中,將冷渦西北象限強(qiáng)冷空氣帶到東南象限暖溫度脊異常區(qū),異常偏強(qiáng)的冷暖空氣在山東交綏,造成大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。

2018年6月13日12時(shí)850 hPa暖中心(24℃)位于山西省南部到河南省西部(圖6b),山東境內(nèi)暖溫度脊的異常程度為4σ,略弱于“5·17”強(qiáng)對(duì)流。冷渦后部的冷中心氣溫為10～12℃,位于河北省北部,異常程度高達(dá)-5σ,與“5·17”強(qiáng)對(duì)流相當(dāng)。冷暖中心之間的鋒區(qū)梯度在魯西北到河北省中南部達(dá)到最大,為3.0℃·(100 km)-1,比“5·17”強(qiáng)對(duì)流弱。

通過(guò)上述分析可知,“6·13”強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程850 hPa的暖溫度脊及冷渦后部的冷空氣異常程度分別為4σ和-5σ,“5·17”強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程分別為6σ和-6σ,略強(qiáng)于“6·13”強(qiáng)對(duì)流。

3.2.3 地面氣旋異常

2020年5月17日16時(shí)(圖7a),我國(guó)中東部地區(qū)受低壓帶控制,地面氣旋中心位于魯西南到河南省中北部一帶,中心最低氣壓(995.0 hPa)位于河南、河北交界處,中心最大異常程度高達(dá)-8σ。冷高壓位于蒙古國(guó)中部,中心最高氣壓為1015.0 hPa,最大異常程度為4σ。鋒區(qū)最大梯度為3.5 hPa·(100 km)-1,位于山西省境內(nèi)。從2 m氣溫的分布可見(jiàn)(圖7b),氣旋南側(cè)在河南省是一個(gè)36℃的高溫中心,其異常程度高達(dá)10σ。暖溫度脊從暖中心向北伸到河北省南部,正好與其北側(cè)冷高壓的前鋒相遇,在此處形成強(qiáng)度高達(dá)12.5℃·(100 km)-1的鋒區(qū)梯度。蒙古國(guó)中部冷高壓中心為8℃的低溫中心,中心最大異常程度為-6σ。

圖7 (a,b)2020年5月17日16時(shí),(c,d)2018年6月13日12時(shí)的 (a,c)海平面氣壓(等值線,單位: hPa)、標(biāo)準(zhǔn)化距平(填色)和10 m風(fēng)(風(fēng)羽), (b,d)2 m氣溫(等值線,單位:℃)、標(biāo)準(zhǔn)化距平(填色)和10 m風(fēng)(風(fēng)羽)Fig.7 (a, c) Sea-level pressure (isoline, unit: hPa) and (b, d) 2 m temperature (isoline, unit: ℃) respectively superimposed with standardized anomaly (colored) and 10 m wind (barb) at (a, b) 16:00 BT 17 May 2020 and (c, d) 12:00 BT 13 June 2018

2018年6月13日12時(shí)海平面氣壓場(chǎng)的分布(圖7c)與圖7a相似,我國(guó)中東部地區(qū)也受低壓帶控制,氣旋中心位于冀魯豫三省交界處,中心最低氣壓為997.5 hPa,最大異常程度為-6σ。蒙古國(guó)中部高壓中心氣壓為1005.0 hPa,最大異常程度為2σ。二者之間的鋒區(qū)也是位于山西到河北,但最大梯度只有1.7 hPa·(100 km)-1,強(qiáng)度明顯比“5·17”強(qiáng)對(duì)流弱。從2 m氣溫的分布可以看出(圖7d),34℃的高溫中心有兩個(gè),一個(gè)位于魯西南到河南省東北部,另一個(gè)則位于濰坊到青島西部,異常程度均高達(dá)11σ。冷溫度中心(16℃)位于河北省東北部,最大標(biāo)準(zhǔn)化距平位于河北省東部與天津交界處,為-4σ,鋒區(qū)最大梯度為8℃·(100 km)-1,比“5·17”強(qiáng)對(duì)流弱。

可見(jiàn),“5·17”強(qiáng)對(duì)流地面氣旋及鋒后冷高壓的異常程度均大于“6·13”強(qiáng)對(duì)流(高2σ),尤其是鋒區(qū)梯度是“6·13”強(qiáng)對(duì)流的2倍。2 m氣溫暖中心的強(qiáng)度“6·13”強(qiáng)對(duì)流略高于“5·17”強(qiáng)對(duì)流,但鋒后冷空氣,無(wú)論是范圍還是強(qiáng)度,均是“5·17”強(qiáng)對(duì)流更勝一籌。

綜上所述,造成山東大范圍極端強(qiáng)對(duì)流的天氣系統(tǒng),從高層、低層到地面,從動(dòng)力到熱力,均呈現(xiàn)出極端異常的特征?？傮w來(lái)說(shuō)(表1),造成“5·17”強(qiáng)對(duì)流的天氣系統(tǒng)異常程度為±4σ～±11σ,造成“6·13”強(qiáng)對(duì)流的天氣系統(tǒng)異常程度為±2σ～±11σ,說(shuō)明天氣系統(tǒng)異常偏強(qiáng)是造成山東大范圍極端強(qiáng)對(duì)流天氣的重要原因,異常程度達(dá)到2σ以上可能產(chǎn)生極端強(qiáng)對(duì)流天氣。相對(duì)而言,“5·17”強(qiáng)對(duì)流的天氣系統(tǒng)比“6·13”強(qiáng)對(duì)流更強(qiáng),可能在5月要造成極端強(qiáng)對(duì)流天氣需要的動(dòng)力和熱力條件比6月更高,這需要更多的案例進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 對(duì)流風(fēng)暴組織化發(fā)展的有利條件

3.3.1 垂直風(fēng)切變

產(chǎn)生對(duì)流天氣的三要素是一定的水汽、不穩(wěn)定的大氣層結(jié)和抬升觸發(fā)條件(朱乾根等,2007;俞小鼎等,2006)。大的CAPE和較大的垂直風(fēng)切變是產(chǎn)生大冰雹的有利條件,對(duì)流風(fēng)暴是否能發(fā)展成為組織化程度高的強(qiáng)風(fēng)暴(超級(jí)單體或颮線),與0～6 km 深層垂直風(fēng)切變密切相關(guān)(俞小鼎等,2006)。即使初始為弱垂直風(fēng)切變環(huán)境,颮線發(fā)展過(guò)程中與環(huán)境之間的正反饋?zhàn)饔靡矔?huì)導(dǎo)致垂直風(fēng)切變?cè)龃?雷蕾等,2021)。 本研究采用0～6 km風(fēng)矢量差(以下簡(jiǎn)稱風(fēng)矢量差)。18時(shí)(圖8a)對(duì)流剛剛開(kāi)始發(fā)生時(shí),山東全省的風(fēng)矢量差均大于20 m·s-1,達(dá)到強(qiáng)垂直風(fēng)切變等級(jí)。在魯西北回波帶A(圖2a)所在地區(qū),風(fēng)矢量差高達(dá)30～34 m·s-1,34 m·s-1的強(qiáng)切變區(qū)域呈準(zhǔn)東西向分布在魯中地區(qū)。隨著冷渦旋轉(zhuǎn)南壓,強(qiáng)垂直風(fēng)切變區(qū)域逐漸東移南壓并增強(qiáng)。20時(shí)(圖8b),風(fēng)矢量差大于34 m·s-1的強(qiáng)垂直風(fēng)切變區(qū)呈東北—西南向從萊州灣經(jīng)過(guò)魯中向西南伸到山東西部。對(duì)比圖2a 可以發(fā)現(xiàn),回波帶A的主體主要分布在風(fēng)矢量差34 m·s-1的帶狀區(qū)域及其前沿,其前側(cè)回波帶B主要分布在風(fēng)矢量差大值中心前沿26～30 m·s-1的區(qū)域內(nèi)。21時(shí)(圖8c)風(fēng)矢量差34 m·s-1以上的風(fēng)切變區(qū)域與圖8b相似,仍呈東北—西南向位于萊州灣到魯西南,但范圍有所增大,強(qiáng)度略有增強(qiáng)。對(duì)比圖2b可見(jiàn),回波帶A主體位于風(fēng)矢量差為34 m·s-1的區(qū)域,回波帶B、風(fēng)暴C和新單體D均位于風(fēng)矢量差大值中心前沿26～30 m·s-1的區(qū)域內(nèi),颮線的走向與風(fēng)切變的矢量方向相同。

由此可見(jiàn),在內(nèi)嵌超級(jí)單體的多單體風(fēng)暴逐漸組織化為颮線的過(guò)程中,回波帶主體主要位于0～6 km 風(fēng)矢量差高達(dá)34 m·s-1的大值中心附近,新單體發(fā)生、發(fā)展、合并的區(qū)域?yàn)轱L(fēng)矢量差大值中心前沿26～30 m·s-1的區(qū)域,初始回波帶與新生的單體合并,逐漸組織化為一條尺度大、強(qiáng)度強(qiáng)的颮線,颮線的走向與0～6 km垂直風(fēng)切變矢量方向相同。

表1 “5·17”與“6·13”強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)異常程度Table 1 The anomalies of weather systems during the 17 May 2020 and 13 June 2018 severe convections

圖8 2020年5月17日(a)18時(shí),(b)20時(shí),(c)21時(shí)0～6 km風(fēng)矢量差(填色和風(fēng)羽)Fig.8 The 0-6 km wind vector difference (colored and barb) at (a) 18:00 BT, (b) 20:00 BT, (c) 21:00 BT 17 May 2020

3.3.2 CAPE重建

從2.2節(jié)的分析可知,18時(shí)以后對(duì)流單體開(kāi)始在山東中東部到山東半島一帶發(fā)展,直到20時(shí)仍然處于發(fā)展旺盛階段(圖2a)。對(duì)流發(fā)展過(guò)程中,CAPE是被消耗掉的,那么是什么機(jī)制能讓強(qiáng)對(duì)流長(zhǎng)時(shí)間維持發(fā)展?

ERA5再分析資料提供逐小時(shí)最大CAPE,本節(jié)利用該資料分析CAPE的重建機(jī)制,用當(dāng)前時(shí)次與上一時(shí)次的CAPE差表示當(dāng)前時(shí)次CAPE的1 h變化量,以下簡(jiǎn)稱ΔCAPE。18時(shí)(圖9a)在魯中到半島地區(qū)ΔCAPE均為負(fù)值,并且分別在淄博到濰坊、青島到煙臺(tái)出現(xiàn)-500 J·kg-1的大值中心。但從19時(shí)(圖9b)ΔCAPE的分布發(fā)現(xiàn),18時(shí)的負(fù)值區(qū)域此時(shí)變?yōu)檎?且分別在泰安東部和青島南部出現(xiàn)大于500 J·kg-1的大值中心。說(shuō)明在此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中,CAPE在被消耗后,又重新建立,造成強(qiáng)對(duì)流長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)。那么,是什么機(jī)制導(dǎo)致魯中到半島一帶的CAPE重建?

CAPE是氣塊在給定的環(huán)境中絕熱上升時(shí)的正浮力所產(chǎn)生能量的垂直積分,在T-lnp圖上,CAPE正比于氣塊上升曲線與環(huán)境溫度曲線從自由對(duì)流高度至平衡高度所圍成區(qū)域的正面積(劉健文等,2011)。統(tǒng)計(jì)表明(王秀明等,2012b),抬升氣塊的溫度、露點(diǎn)溫度每升高1℃,CAPE值平均分別增加194 J·kg-1、459 J·kg-1。因此低層環(huán)境越暖濕,氣塊所具有的CAPE越大,分析CAPE重建機(jī)制要從低層溫度和濕度平流入手。從對(duì)流風(fēng)暴與天氣系統(tǒng)的配置關(guān)系可知(圖略),對(duì)流風(fēng)暴主要與 850 hPa 的天氣系統(tǒng)對(duì)應(yīng)較好。假相當(dāng)位溫θse是一個(gè)能綜合表達(dá)溫度與濕度的物理量,因此本節(jié)主要從850 hPa的假相當(dāng)位溫平流(以下簡(jiǎn)稱暖濕平流)來(lái)分析CAPE的重建機(jī)制。

注:紫色圓點(diǎn)為青島市即墨站。圖9 2020年5月17日(a,c)18時(shí),(b,d)19時(shí),(e,f)20時(shí)(a,b,e)ΔCAPE(填色和等值線,單位:J·kg-1), (f)CAPE(填色和等值線,單位:J·kg-1),(c,d)850 hPa假相當(dāng)位溫平流(填色)和水平風(fēng)(風(fēng)羽)Fig.9 (a, b, e) ΔCAPE (colored and isoline, unit: J·kg-1), (f) CAPE (colored and isoline, unit: J·kg-1), (c, d) pseudo-equivalent potential temperature advection (colored) and horizontal wind (barb) at 850 hPa at (a, c) 18:00 BT, (b, d) 19:00 BT, (e, f) 20:00 BT 17 May 2020

12時(shí)(圖略)山東境內(nèi)有兩個(gè)正暖濕平流區(qū),一個(gè)在淄博到濰坊西部,中心最大值為10×10-4K·s-1;另一個(gè)在魯南,中心最大值為14×10-4K·s-1。之后正暖濕平流區(qū)逐漸向北偏東方向移動(dòng),強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),范圍增大。18時(shí)(圖9c),山東省大部地區(qū)均處于正暖濕平流區(qū)控制,有三個(gè)大值中心:原位于淄博、濰坊一帶的正暖濕平流區(qū)移到濰坊北部,中心最大值為10×10-4K·s-1,原位于魯南的正暖濕平流區(qū)移到泰安、臨沂北部一帶,中心最大值為16×10-4K·s-1,在青島西南部沿海一帶形成一個(gè)新的正暖濕平流區(qū),中心最大值高達(dá)22×10-4K·s-1。對(duì)比圖9b和9c發(fā)現(xiàn),ΔCAPE的三個(gè)大值中心與正暖濕平流區(qū)的三個(gè)大值中心位置吻合,說(shuō)明低層暖濕平流對(duì)于CAPE的重建起到非常重要的作用。

19時(shí)(圖9d),青島西南部的正暖濕平流區(qū)移到青島東南部,中心強(qiáng)度雖略有減弱,但中心最大值仍然達(dá)到18×10-4K·s-1。另外兩處正暖濕平流區(qū)的中心位置變化不大,但中心強(qiáng)度均明顯減弱。因此20時(shí)(圖9e)青島東南部的ΔCAPE仍然為600 J·kg-1的增量,而在魯中和魯南地區(qū)ΔCAPE為負(fù)值。但從20時(shí)的CAPE分布可見(jiàn)(圖9f),魯中到魯南地區(qū)雖然ΔCAPE為負(fù)值,但仍具有100～1800 J·kg-1的不穩(wěn)定能量,能維持對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展。從魯東南到半島南部一帶的CAPE高達(dá)1000～1800 J·kg-1,與21—22時(shí)形成颮線的位置(圖2b,2c)吻合。

從青島市即墨站(觀測(cè)到4.5 cm大冰雹,圖1d)上空各層暖濕平流、CAPE、ΔCAPE的演變趨勢(shì)(圖10)可以發(fā)現(xiàn),CAPE在17日09—15時(shí)一直處于上升趨勢(shì),15時(shí)到達(dá)第一個(gè)高峰。此階段925 hPa暖濕平流維持在0 K·s-1附近波動(dòng),1000 hPa和850 hPa 的暖濕平流均呈上升趨勢(shì),但850 hPa上升幅度更大,說(shuō)明此階段CAPE增長(zhǎng)受到850 hPa以下暖濕平流的作用明顯,850 hPa起主要作用。15—18時(shí)CAPE呈下降趨勢(shì),18時(shí)達(dá)到第一個(gè)波谷。此階段850 hPa暖濕平流仍然呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但上升幅度減小,925 hPa和1000 hPa的暖濕平流均呈下降趨勢(shì),故此階段CAPE下降主要是由于低層暖濕平流減弱造成的,這可能與氣溫的日變化有關(guān)。18—21時(shí)CAPE再次快速上升,上升幅度很大,由18時(shí)的0 J·kg-1到21時(shí)升到最高峰1400 J·kg-1,即墨區(qū)的大冰雹主要出現(xiàn)在20時(shí)前后。此階段1000 hPa的暖濕平流在0 K·s-1附近波動(dòng),850 hPa 和925 hPa的暖濕平流呈明顯的上升趨勢(shì),說(shuō)明此階段CAPE的重建主要是850 hPa和925 hPa的暖濕平流增強(qiáng)造成的。隨著強(qiáng)對(duì)流的消耗,21時(shí)之后CAPE呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。21時(shí)之后雖然各層暖濕平流的強(qiáng)度逐漸減弱,但在18日01時(shí)之前各層的暖濕平流仍然是正值,說(shuō)明仍然有能量向即墨區(qū)輸送。該站上空雖然CAPE值在下降,但從ΔCAPE的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn),CAPE下降的幅度在減小,該站上空一直具有一定的CAPE,保證對(duì)流風(fēng)暴的維持。

可見(jiàn),低層暖濕平流源源不斷地向山東輸送暖濕空氣,是CAPE重建的重要機(jī)制。暖濕平流的輸送強(qiáng)度是波動(dòng)性的,整個(gè)過(guò)程中850 hPa一直源源不斷地有暖濕平流向山東輸送,對(duì)山東強(qiáng)對(duì)流區(qū)域的CAPE重建起主要作用。在對(duì)流發(fā)生前,1000 hPa的暖濕平流起到一定的正作用;在對(duì)流發(fā)生過(guò)程中,850 hPa和925 hPa的暖濕平流對(duì)CAPE的重建起主要作用。

圖10 2020年5月17日09時(shí)至18日06時(shí) 即墨站低層假相當(dāng)位溫(θse)平流、CAPE、 ΔCAPE時(shí)序圖Fig.10 Time series of low-level pseudo-equivalent potential temperature (θse) advection, CAPE and ΔCAPE at Jimo Station from 09:00 BT 17 to 06:00 BT 18 May 2020

4 結(jié)論與討論

2020年5月17日,500 hPa冷渦后部異常偏強(qiáng)的暖高壓脊向東北方向伸展形成阻塞形勢(shì),冷空氣在華北地區(qū)切斷,有利于冷渦在華北長(zhǎng)時(shí)間維持。冷渦中心位于最有利于山東出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流的關(guān)鍵區(qū),其西南象限異常偏強(qiáng)(圖11a)。渦后強(qiáng)盛的西北氣流,一方面攜帶強(qiáng)冷空氣南下疊加在低層異常偏強(qiáng)的暖濕空氣之上形成強(qiáng)烈不穩(wěn)定的大氣層結(jié);另一方面造成山東上空0～6 km風(fēng)矢量差超過(guò)34 m·s-1,有利于對(duì)流風(fēng)暴組織化發(fā)展。地面氣旋異常偏強(qiáng),山東中部的地面輻合線觸發(fā)產(chǎn)生新的對(duì)流單體。850 hPa以下暖濕平流源源不斷地向山東輸送暖濕空氣,導(dǎo)致山東對(duì)流區(qū)域CAPE被消耗后重新建立,一方面促使對(duì)流風(fēng)暴后向傳播尺度增大、生命史延長(zhǎng),另一方面在強(qiáng)垂直風(fēng)切變、水汽輸送等有利條件下組織化為一條長(zhǎng)度超過(guò)500 km的強(qiáng)颮線(圖11b)。

通過(guò)對(duì)比“5·17”和“6·13”兩次極端強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程,發(fā)現(xiàn)造成山東大范圍極端強(qiáng)對(duì)流的環(huán)境條件有以下幾個(gè)方面特點(diǎn):

(1)動(dòng)力、熱力強(qiáng)迫為極端強(qiáng)對(duì)流天氣提供了有利的環(huán)境條件。500 hPa冷渦及其上游高壓脊的異常程度分別高達(dá)-6σ以下和4σ以上,冷渦后部有橫槽。冷渦中心異常冷且位置有利于對(duì)流層中層異常強(qiáng)的冷空氣南下影響前期異常增暖的山東地區(qū),鋒區(qū)梯度大。地面受氣旋控制,輻合抬升觸發(fā)產(chǎn)生對(duì)流。

(2)冷渦的西南象限異常偏強(qiáng),極端強(qiáng)對(duì)流天氣位于東南象限。

(3)強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變有利于對(duì)流風(fēng)暴組織化發(fā)展,颮線的走向與0～6 km垂直風(fēng)切變矢量方向相同?；夭◣е黧w位于垂直風(fēng)切變大值中心附近,新單體發(fā)生、發(fā)展、合并的區(qū)域位于風(fēng)矢量差大值中心前沿26～30 m·s-1的區(qū)域。

(4)CAPE重建是導(dǎo)致極端強(qiáng)對(duì)流天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的重要因素。低層暖濕平流源源不斷地向山東輸送暖濕空氣,是CAPE重建的機(jī)制。850 hPa暖濕平流在CAPE重建過(guò)程中起最主要的作用,在對(duì)流發(fā)生前和發(fā)生過(guò)程中,1000 hPa和925 hPa的暖濕平流也起到一定的正作用。暖濕平流的輸送強(qiáng)度是波動(dòng)性的,但持續(xù)的輸送是保證山東強(qiáng)對(duì)流得以維持和發(fā)展的能量來(lái)源。

通過(guò)對(duì)造成山東“5·17”和“6·13”兩次極端強(qiáng)對(duì)流的天氣系統(tǒng)異常、垂直風(fēng)切變、不穩(wěn)定等環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)天氣系統(tǒng)的異常程度更能代表動(dòng)力和熱力強(qiáng)迫的強(qiáng)度。對(duì)于冷渦區(qū)域,位勢(shì)高度最低值與平均值均能代表冷渦的強(qiáng)度,最大標(biāo)準(zhǔn)化距平與平均標(biāo)準(zhǔn)化距平均能代表冷渦的異常程度。對(duì)于冷中心區(qū)域,溫度的最低值和最大標(biāo)準(zhǔn)化距平分別代表冷空氣的強(qiáng)度和異常程度,區(qū)域平均值和平均標(biāo)準(zhǔn)化距平的代表性較差。當(dāng)冷渦南下過(guò)程中強(qiáng)度減弱,但異常程度增加時(shí),仍能造成其東南象限產(chǎn)生極端強(qiáng)對(duì)流天氣。本文只有兩個(gè)個(gè)例的分析,表1所列出的天氣系統(tǒng)異常程度尚不能作為產(chǎn)生極端強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)指標(biāo),“5·17”強(qiáng)對(duì)流的天氣系統(tǒng)異常程度高于“6·13”強(qiáng)對(duì)流,也不能說(shuō)明5月產(chǎn)生極端強(qiáng)對(duì)流的天氣系統(tǒng)異常程度大于6月。后續(xù)將對(duì)更多的案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以期獲得能造成極端強(qiáng)對(duì)流的天氣系統(tǒng)異常程度的預(yù)報(bào)指標(biāo)。

圖11 山東“5·17”極端強(qiáng)對(duì)流天氣(a)概念模型圖和(b)局部模型圖(圖a中虛線區(qū)域)Fig.11 (a) Conceptual model of “5·17” extremely severe convective weather in Shandong Province, (b) local area model (dashed line area inFig.11a)

致謝：感謝中央氣象臺(tái)牛若蕓和周寧芳兩位首席及山東省人民政府人工影響天氣辦公室王俊正研級(jí)高工的指導(dǎo)和幫助!感謝天津市氣象臺(tái)尉英華首席提供的大冰雹照片!