山東省一次強致災對流性天氣過程分析

于懷征，陸桂榮，王風梅，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，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生局地強對流天氣，造成較大經濟損失。由于強對流天氣時空尺度小、局地性強，其預報難度非常大。近年來，隨著新一代多普勒雷達和區域自動氣象站等新資料的分析應用，人們對強對流天氣形成機理、維持機制、災害落區等有了進一步的認識。為進一步提高強對流天氣形成機理的認識和提升該類天氣的預報水平和能力，國內外很多專家對強對流天氣進行了大量的研究[1-4]。吳芳芳等[5]指出，冰雹的形成和增長與對流風暴中存在中氣旋有很好的對應關系。郭蘭[6]對三門峽一次冰雹天氣過程進行分析，指出強的不穩定層結是對流天氣發展和維持的重要原因。陳小婷等[7]認為，低層強的西南氣流和暖平流有利于對流風暴發生。張晶等[8]則認為在高層干冷、低層暖濕的配置下，如果0 ℃和-20 ℃適當，則有利于大冰雹的產生。鮑向東等[9]認為冰雹發生在高空急流出口區左側。鄭旭程等[10]對冰雹發生的天氣環境條件和識別指標進行了分析，認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生、維持、發展關系較為密切。萬紅蓮等[11]分析了陜西省冰雹的時空分布特征，指出夏秋冰雹出現的現象最多，且山地和平原與山地的過渡地帶發生的冰雹次數明顯多于平原。萬占鑫[12]等指出，低空急流輸送的水汽在暴雨區輻合為暴雨的產生提供了水汽和不穩定能量。覃靖等[13]、吳海英等[14]、黃俊杰等[15]、曲良璐[16]對致災冰雹的超級單體進行了分析，指出中尺度輻合線、地面干線將觸發對流，對流層中層侵入干冷空氣是冰雹產生、維持、發展的重要因素。劉慧敏等[17]指出，CAPE值越大，大氣越不穩定。支樹林等[18]指出，形成地面降雹的有利環境條件與適宜的特征層(0 ℃、-20 ℃)高度和“喇叭口”的結構配置密切相關。

2016年6月13—14日，山東省出現一次大范圍的強對流天氣，多地出現強降水并伴有冰雹，損失慘重。小麥、玉米等農作物和蔬菜、水果等經濟作物受到不同程度災害，部分房屋倒塌，多地的塘壩、道路被沖毀，一些地區的供電線路受損。本文利用常規氣象觀測資料和區域自動氣象站資料、新一代多普勒雷達產品資料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料對此次強對流天氣過程進行分析，以期為山東省強對流天氣預報積累經驗。

1 天氣實況及影響

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個地市出現強對流天氣，多地出現超過100 mm以上的大暴雨天氣，局地伴有9～10級的雷雨大風和冰雹(圖1)。此次強對流天氣，全省平均降雨量41.2 mm。最大降雨量出現在泰安湖屯氣象觀測站，達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)則達到38個，最大小時雨強達到76.6 mm/h，出現在臨邑。菏澤、聊城、濟南、濰坊、濟寧等部分地區還出現冰雹，冰雹最大直徑達8 cm。強對流天氣造成全省330個鄉鎮(街道)受災,受災人口達92.2萬人，死亡2人；作物受災面積67 760 hm2，成災面積30 590 hm2，絕收面積5 090 hm2；房屋受損1 743間，倒塌107間；山東省直接經濟損失高達11.17億元，其中僅農業損失就高達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(黑點)、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，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槽，山東處在西北氣流控制范圍內。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，新疆到河套以北大風速帶攜帶冷空氣沿西北方向入侵山東大部地區。

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出現了最大風速帶，不斷向山東境內輸送冷空氣。魯西北西部、魯中西部和魯南等地區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，為山東產生強對流天氣提供不穩定能量。14日08時，山東出現急流，溫度露點差逐漸減小到4 ℃以下。從溫度場來看(圖略)，山東受16 ℃暖脊控制，T850-500≥26 ℃,根據山東省統計指標[19]，發生較強對流的可能性較大。

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動發展、加強。500 hPa溫度槽位于山東西部，山東省為冷平流區，對應850 hPa山東地區為暖脊，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，表明山東省低層濕度較好，為強降水產生提供了水汽條件。綜上所述，山東省低層高溫高濕，對應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觸發，極易產生強對流天氣。

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 大氣穩定性

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

本次強對流過程主要出現在魯中、魯西和魯南地區，因此選取能較好代表此區域的章丘站的探空資料進行分析。13日08時章丘探空站資料(圖3a)顯示，近地面層有逆溫，形成干暖蓋。干暖蓋是局地暴雨、強風暴等強天氣發生的一個重要特征。一般用干暖蓋指數LS來表征其強度，LS越小，逆溫層越強，越有利于積累不穩定能量和水汽，此時濟南探空站的LS 為-32.2 ℃，對積累不穩定能量較為有利。從未訂正的探空圖上還可以看出，CAPE值為112 J/kg，抬升指數(LI)為-2.1 ℃，沙氏指數(SI)為2.48 ℃，不利于對流的產生。但利用當天章丘最高氣溫對08時的探空圖進行訂正(圖3b)后發現，CAPE值明顯增大，達1 577.7 J/kg，表明午后出現雷暴的可能性非常大。從風隨高度的分布來看，850 hPa東南風，而700 hPa為西南風，兩層之間風向隨高度順時針旋轉，表明850～700 hPa之間有暖平流。700 hPa高度以上，風隨高度逆時針旋轉，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。通過分析層結曲線和露點曲線發現，兩條曲線在850 hPa以下較近，但是在850～700 hPa之間又分開，呈現出低層濕、中層干的配置。

國內外很多專家指出，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時濟南探空圖上看，-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°再分析資料對濟南的水汽通量散度進行分析。通過濟南站的水汽通量散度時空分布(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。從時間分布來看，水汽輻合主要出現在13日午后到14日上午，最強水汽輻合出現在14日02時的近地面層，達到-80×10-8g/(s·hPa·cm2)，14日14時以后，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為雨、雪降落到地面所能形成的降水量。根據楊軍建等[22]分析，大氣可降水量與實際降水量具有很好的對應關系，當大氣中水汽含量達到一定的數值，明顯的水汽含量激增往往對應強降水的產生。利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料對大氣可降水量分析(圖4b)發現，13日08時，濟南站大氣可降水量為37 mm，14時達到了40 mm，20時達到了42 mm，14日02時，達到最大的44 mm，表明13日08時至14日02時，大氣含水量達到較高的數值且呈明顯的增加趨勢，結合水汽通量散度時空分布，強降水主要出現在13日20時到14日02時，與實況極為吻合。

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

5 多普勒雷達產品

從濟南SA雷達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，雷達站西北側的平原、陵縣北部地區出現單體回波，最大回波強度超過65 dBz，回波頂高超過16 km，位于距離雷達70 km處，并出現三體散射特征，此時平原、陵縣出現強冰雹。強冰雹特征持續到14：15，之后回波向東南方向移動，并迅速合并加強，造成了德州部分區縣出現短時強降水，局部地區出現暴雨，其中臨邑站出現了76.6 mm/h的短時強降水。16：18，濟南北部出現強回波，回波中心強度達到50～60 dBz，回波頂高為12 km，強回波高度約為6.2 km；從該時刻0.5°仰角徑向速度圖來看，該強回波在雷達偏北40 km處出現速度模糊，退模糊后，最大不模糊速度為-30.5 m/s，沒有出現明顯的徑向輻合。16：42，該強回波略有南移和發展，中心到達雷達站偏北25 km附近，范圍明顯擴大，最大回波強度為67 dBz，回波頂高為12 km，最強回波強度為8 km；從該時刻0.5°仰角的徑向速度來看，強回波區域出現明顯的氣旋式輻合，雷達東北方向約50 km處出現速度模糊，最大不模糊速度為-30.5 m/s。此時濟南北部地區先后出現較大范圍的降雹，部分地區出現短時強降水，冰雹覆蓋區域主要分布在濟南北部區縣，濟南主城區影響不大。同時，在雷達西南側的茌平縣東南出現一超級單體，并向東南方向移動，此時超級單體出現弱的三體散射特征。16：59，雷達站北側的強回波繼續向東南方向移動，范圍進一步擴大，但是強度略有減弱，最大回波強度為60 dBz；從該時刻的0.5°仰角徑向速度圖來看，此強回波內部出現明顯的氣旋式輻合和中層輻合區特征，位于雷達東偏北方向約50 km處出現速度模糊，退速度模糊后，最大徑向速度為30.5 m/s。同時雷達站西南側的超級單體移到齊河和東阿交界處，出現明顯的三體散射特征，最大回波強度達到61 dBz。沿圖中紅線對該超級單體進行的剖面分析發現，最強回波約位于7.5 km，5 km高度上出現反射率因子梯度大值區，超級單體回波呈現出有界弱回波區、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出現短時強降水和局地冰雹天氣。18：33(圖略)，位于雷達西南側的超級單體移到肥城，最大回波強度達到了63 dBz，有明顯的三體散射特征，之后與雷達西方的回波合并，東移南下造成了肥城、嘉祥、汶上等縣出現冰雹和強降水，其中肥城的冰雹直徑達到8 mm。23時，回波減弱且移出山東，山東強對流天氣結束。

圖5 2016-06-13濟南SA雷達1.5°仰角反射率因子和0.5°仰角徑向速度圖及16：59雷達西南側的超級單體核心反射率因子剖面圖

6 小結

(1)此次強對流天氣是在東北冷渦和地面氣旋共同作用下產生的。

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

(3)近地面層的逆溫、較大的對流有效位能和干暖蓋指數能較好地預示強對流天氣的發生。

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

(5)較強的雷達回波、明顯的有界弱回波區、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等雷達回波特征表明有大冰雹產生，強回波高度較高預示著對流天氣較強，上升運動較強。