張琴，孟偉，朱敏，張秀青，劉巖，韓國(guó)泳

(淄博市氣象局，山東 淄博 255300)

2016年6月13—14日山東強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的中尺度特征及成因分析

張琴，孟偉，朱敏，張秀青，劉巖，韓國(guó)泳

(淄博市氣象局，山東 淄博 255300)

利用NCEP再分析資料、常規(guī)觀測(cè)資料、區(qū)域氣象觀測(cè)站資料和多普勒天氣雷達(dá)資料等，對(duì)2016年6月13—14日山東強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的中尺度特征、觸發(fā)條件及雷達(dá)回波等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，冷渦前部高空槽和地面氣旋造成13日強(qiáng)對(duì)流天氣，高空冷渦和地面氣旋造成14日強(qiáng)對(duì)流天氣。高空干冷、低層暖濕氣流有利于大氣對(duì)流不穩(wěn)定度加大。13日對(duì)流系統(tǒng)由2個(gè)獨(dú)立的MαCS組成，14日則是由MβCS演變而成的MαCS系統(tǒng)。輻合線和干線是強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)條件，兩者重合處能誘發(fā)對(duì)流單體強(qiáng)烈發(fā)展。移動(dòng)路徑右偏中層引導(dǎo)風(fēng)向、高空西北風(fēng)的切入和地形因素是導(dǎo)致強(qiáng)降雹超級(jí)單體發(fā)展及持續(xù)存在的原因。6 h前的400～1 200 J·kg-1對(duì)流有效位能區(qū)域與降水落區(qū)對(duì)應(yīng)較好。兩日強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的水汽均以西南向輸入、南北向輻合為主；14日過(guò)程中渤海灣的水汽輸送也很重要。高層更寬闊的MPV異常及顯著下傳、高低層正負(fù)位渦差的增大會(huì)造成更強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)和對(duì)流不穩(wěn)定。

強(qiáng)對(duì)流天氣； 中尺度分析； 超級(jí)單體

引言

在有利的大尺度環(huán)流背景條件下，中小尺度天氣系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生[1]。強(qiáng)對(duì)流常伴有雷暴、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、強(qiáng)風(fēng)(龍卷風(fēng))等災(zāi)害性天氣。由于其突發(fā)性和局地性強(qiáng)，預(yù)報(bào)難度較大。多年以來(lái)，專家和學(xué)者對(duì)各類強(qiáng)對(duì)流天氣做了較為深入的分析研究，揭示了很多強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的規(guī)律和成因。郁珍艷等[2]對(duì)華北冷渦背景下4種強(qiáng)天氣的時(shí)空特征分布、對(duì)流強(qiáng)度特征等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算了強(qiáng)天氣的對(duì)流參數(shù)。吳慶梅等[3]在分析北京一次對(duì)流暴雨過(guò)程時(shí)，指出自高緯向低緯傳播的高位渦帶配合干區(qū)與水汽圖像暗區(qū)，即干侵入明顯時(shí)，對(duì)流天氣發(fā)生。許新田等[4]對(duì)比了陜西兩次強(qiáng)對(duì)流冰雹天氣過(guò)程時(shí)，指出強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)和一定的外部抬升力條件是產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣的共同物理特征，對(duì)流層低層的逆溫層更有利于深厚對(duì)流活動(dòng)的產(chǎn)生。吳國(guó)雄等[5]證明絕熱無(wú)摩擦的飽和濕空氣具有濕位渦守恒的特性，并在此基礎(chǔ)上提出傾斜渦度發(fā)展理論，指出在濕位渦守恒的制約下，由于濕等熵面的傾斜，大氣水平風(fēng)垂直切變的增加或水平濕斜壓的增加引起垂直渦度的增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致暴雨的發(fā)生。王立榮等[6]統(tǒng)計(jì)分析了對(duì)流參數(shù)的氣候特征，對(duì)預(yù)報(bào)有指示作用。濕位渦不僅表征了大氣動(dòng)力、熱力屬性，而且還考慮了水汽的作用，濕位渦與對(duì)稱不穩(wěn)定有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，濕位渦的分析能更全面有效地描述對(duì)流的發(fā)生發(fā)展。

2016年6月13日下午至14日夜間，山東出現(xiàn)兩天強(qiáng)對(duì)流天氣，部分地區(qū)出現(xiàn)冰雹、大風(fēng)天氣，這次強(qiáng)對(duì)流天氣分布范圍廣，強(qiáng)度大，影響區(qū)域達(dá)30多個(gè)縣(市區(qū))。本文利用天氣學(xué)診斷分析方法、雷達(dá)探測(cè)資料分析，對(duì)兩天強(qiáng)雷雨天氣的特征和形成原因進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和探討，以期進(jìn)一步加深對(duì)山東地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣認(rèn)識(shí)，為提升此類天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力提供參考。

1 天氣實(shí)況

圖1a為13日08:00—14日11:00降水量和強(qiáng)對(duì)流天氣分布。降水落區(qū)主要分布在山東西南部，主要降水帶有3條，呈西北—東南向。第一條降水帶位于魯西北，降水中心位于陵縣與臨邑附近。第二條降水帶從魯中西部到魯東南，即魯中山區(qū)西南部，最大降水量出現(xiàn)在肥城、曲阜一帶。第三條降水帶位于魯西南，鄆城是強(qiáng)降水中心。大于60 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)有5個(gè)，主要分布在前兩條降水帶中，分別為陵縣、臨邑、汶上、東平、苑莊。其中，臨邑最大，為76.6 mm/h。降雹站點(diǎn)有4個(gè)，分別為陵縣、肥城、汶上、嘉祥。其中，肥城冰雹直徑為8 mm。

圖1b為14日11:00—15日08:00降水量和強(qiáng)天氣分布。降水量主要分布在魯中北部地區(qū)，一個(gè)中心位于淄川、博山附近，一個(gè)中心位于安丘附近。超過(guò)60 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)有3個(gè)，分別為金冢子、百尺河和大萊村。冰雹站點(diǎn)有4個(gè)，為肥城、章丘、淄川、莒縣，其中章丘冰雹直徑達(dá)20 mm。

總體來(lái)說(shuō)，兩日強(qiáng)對(duì)流過(guò)程均出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴、冰雹天氣，給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重?fù)p失。不同的是，13日過(guò)程以短時(shí)強(qiáng)降水為主，冰雹直徑較?。?4日過(guò)程以冰雹為主，降水量弱于13日。從位置上看，除德州附近站點(diǎn)，短時(shí)強(qiáng)降水與冰雹站點(diǎn)均出現(xiàn)在魯中山區(qū)周圍，說(shuō)明兩次強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生，可能與地形有著密切聯(lián)系。

圖1 山東降水量(等值線；單位:mm)、冰雹(紅三角)、短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)(大于60 mm/h；黑圓點(diǎn))和地形(填色；單位:m)分布(a.6月13日08:00—14日11:00，b.6月14日11:00—15日08:00)Fig.1 Distributions of precipitation(contours;units:mm),hail(red triangles),stations of short-time heavy precipitation(larger than 60 mm/h;black dots) and terrain(shaded areas;units:m) in Shandong from 08:00 BST 13 to 11:00 BST 14(a) and from 11:00 BST 14 to 08:00 BST 15(b) June 2016

2 強(qiáng)對(duì)流天氣影響系統(tǒng)

6月13日14:00(圖2a)，500 hPa中高緯度環(huán)流形勢(shì)為兩槽一脊型，經(jīng)向型明顯。西伯利亞西部被一強(qiáng)大的阻塞高壓控制，蒙古中部有一高空冷渦，山東位于冷渦底部的西北氣流中，地面氣旋前部的西南氣流控制之下，高層干冷空氣疊加在低層暖濕空氣上, 導(dǎo)致不穩(wěn)定層結(jié)出現(xiàn)。14日02:00，200 hPa高空?qǐng)D(圖2b)上，高空急流位于33°N，山東位于急流左前方，地轉(zhuǎn)偏差的存在使得山東西北部開(kāi)始出現(xiàn)輻散與上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)地面出現(xiàn)降水最強(qiáng)時(shí)段。6月14日20:00(圖2c)，冷渦移至華北上空，中心位于河北北部，山東位于冷渦東南側(cè)的西南氣流中。地面氣旋位于山東西部，山東在對(duì)流層低層處于氣旋前部西南氣流中，暖濕空氣不斷向山東輸送，山東上空出現(xiàn)不穩(wěn)定層結(jié)，積累不穩(wěn)定能量。同時(shí)，200 hPa高空?qǐng)D(圖2d)顯示，14:00—20:00強(qiáng)烈的高空急流逐漸建立。急流軸位于35°N附近，中心值大于80 m/s，山東位于急流軸出口區(qū)左側(cè)，強(qiáng)烈的地轉(zhuǎn)偏差使山東上空輻散效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。低層700 hPa出現(xiàn)低空急流，山東位于急流前部，輻合增強(qiáng)。高低空急流耦合作用使山東地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，為強(qiáng)對(duì)流天氣提供了有利條件，促進(jìn)風(fēng)暴系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和組織。

從上面的分析可見(jiàn)，13日500 hPa影響系統(tǒng)為冷渦前部下滑冷槽，14日則為華北冷渦，但強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)均受到地面氣旋引導(dǎo)下的西南氣流的影響。200 hPa上，均發(fā)生在高空急流輻散區(qū)，13日高空急流導(dǎo)致的輻散更強(qiáng)，14日存在高低空急流的耦合作用。

圖2 2016年6月13—14日500 hPa高度場(chǎng)(實(shí)線；單位：gpm)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)(填色為相對(duì)濕度；單位：%)(a,c)和200 hPa全風(fēng)速場(chǎng)(實(shí)線；單位：m/s)、散度場(chǎng)(填色為散度；單位：10-6 s-1)、700 hPa風(fēng)場(chǎng)(b，d)(a.13日14:00，b.14日02:00，c.14日20:00，d.14日20:00)Fig.2 Geopotential height fields(solid lines;units:gpm) at 500 hPa,wind fields at 850 hPa,relative humidity fields(shaded areas;units:%)(a,c),and full wind speed fields(solid lines;units:m/s) at 200 hPa,divergence fields(shaded areas;units:10-6 s-1) at 200 hPa and wind fields(b,d) at 700 hPa at 14:00 BST 13(a),02:00 BST 14(b) and 20:00 BST 14(c,d) June 2016

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)

3.1 TBB資料分析

由2016年6月13—14日FY-2E氣象衛(wèi)星TBB圖(圖3)可以看到，6月13日14:00，魯西北地區(qū)出現(xiàn)一個(gè)TBB≤-52 ℃的β-中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MβCS)，系統(tǒng)逐步向東移動(dòng)并迅速發(fā)展。17:00，該系統(tǒng)移至山東中西部，并發(fā)展為α-中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MαCS)，TBB≤-32 ℃的面積接近于4×104km2(4個(gè)1°×1°網(wǎng)格點(diǎn))。魯西北TBB等值線十分密集，導(dǎo)致德州21個(gè)站出現(xiàn)大于20 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水。同時(shí)，該系統(tǒng)西部更大尺度的MαCS也不斷東移。14日02:00，西部的MαCS移到山東上空，TBB≤-32 ℃的面積接近于1×105km2(10個(gè)1°×1°網(wǎng)格點(diǎn))，冷云中心TBB≤-65 ℃，云頂已穿過(guò)對(duì)流層頂，對(duì)流發(fā)展十分旺盛，對(duì)應(yīng)71 站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，6站小時(shí)降水量達(dá)到25 mm以上。04:00以后，冷云蓋慢慢分散，對(duì)流云體變?nèi)酰瑥?qiáng)對(duì)流天氣也相應(yīng)減弱。14日17:00，魯西北對(duì)流云團(tuán)迅速發(fā)展成為MαCS，面積為6×104km2。18:00，魯西北的西部出現(xiàn)TBB≤ -65 ℃的深對(duì)流中心，面積小于13日夜間。20:00—23:00，云團(tuán)逐漸向東南方向移動(dòng)，對(duì)應(yīng)降水最強(qiáng)時(shí)段，大于20 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)大于50個(gè)。15日00:00，云團(tuán)東移入海，強(qiáng)對(duì)流天氣結(jié)束。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程均是由MαCS造成的，13日強(qiáng)對(duì)流是由2個(gè)獨(dú)立的MαCS組成，影響時(shí)間達(dá)十幾個(gè)小時(shí)；14日強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的MαCS系統(tǒng)生命史為5 h，是由MβCS發(fā)展演變而成。

2.3.3 回收率 選取3個(gè)不同的心肌組織樣品溶液進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品各取1/2的量，盡可能均等的分為2份，其中1份加入定量的混合對(duì)照品樣品，另外1份加入同體積的空白溶液1，兩份樣品按相同的方法處理、同時(shí)分析，計(jì)算加標(biāo)回收率。

圖3 2016年6月13日14:00—14日23:00的TBB分布(a.13日14:00，b.13日17:00，c.13日20:00，d.13日23:00，e.14日02:00，f.14日05:00，g.14日08:00，h.14日11:00，i.14日14:00，j.14日17:00，k.14日20:00，l.14日23:00)Fig.3 TBB distributions from 14:00 BST 13 to 23:00 BST 14 June 2016(a.14:00 BST 13,b.17:00 BST 13,c.20:00 BST 13,d.23:00 BST 13,e.02:00 BST 14,f.05:00 BST 14,g.08:00 BST 14,h.11:00 BST 14,i.14:00 BST 14,j.17:00 BST 14,k.20:00 BST 14,l.23:00 BST 14)

3.2 雷達(dá)回波特征及演變

由濟(jì)南SA雷達(dá)2016年6月13—14日組合反射率的演變(圖4)可見(jiàn)，2016年6月13日14:03(圖4a)在雷達(dá)站西北側(cè)的寧津、樂(lè)陵附近出現(xiàn)多單體風(fēng)暴。15:47對(duì)流單體A反射率因子超過(guò)65 dBz，回波頂高12 km，低層存在弱中氣旋，說(shuō)明上升氣流旺盛。單體A為強(qiáng)單體風(fēng)暴，陵縣降雹，短時(shí)強(qiáng)降水達(dá)67.5 mm/h。16:00左右(圖4b)，單體A減弱后，與其西側(cè)的單體合并，面積變大。進(jìn)入臨邑后，帶來(lái)臨邑站76.6 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。單體A與西南方向新生成的對(duì)流單體一起排列成東北—西南走向的斷續(xù)型對(duì)流帶，成為由多個(gè)對(duì)流單體組成的尺度在100 km左右的中尺度對(duì)流系統(tǒng)——颮線。其中，對(duì)流單體A經(jīng)過(guò)濟(jì)南時(shí)再次加強(qiáng)，給濟(jì)南帶來(lái)了大范圍降水。

13日17:00，雷達(dá)站西北方向有新生單體迅速發(fā)展。17：58(圖4c)，與其東側(cè)回波相遇合并成人字形回波。19:02(圖4e)，隨著雷達(dá)站西南方向單體逐漸消散，人字形回波發(fā)展為弓形的颮線系統(tǒng)。從低層19：02的1.5°徑向速度圖(圖略)來(lái)看，颮線前側(cè)存在整齊的徑向輻合。18:33位于颮線西側(cè)的對(duì)流單體B(圖4d箭頭)回波強(qiáng)度達(dá)到65 dBz以上，回波頂高達(dá)19 km，造成了肥城的冰雹大風(fēng)天氣，冰雹直徑達(dá)8 mm。19:02對(duì)流單體C(圖4e箭頭)發(fā)展到最強(qiáng)階段(大于65 dBz)，回波頂高13 km，有回波懸垂結(jié)構(gòu)，但中心水平范圍大于單體B、強(qiáng)度和高度明顯低于單體B，給汶上帶來(lái)72.8 mm/h強(qiáng)降水、2 mm冰雹。22:02(圖4i)，山東以西有多單體風(fēng)暴生成。23:01(圖4j)，隨著颮線逐漸移出山東，兩片回波匯合，山東西部出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣。14日03:01(圖4l)后，回波逐漸移出，山東降水結(jié)束。

圖4 6月13日14:03—14日03:01濟(jì)南SA雷達(dá)組合反射率因子CR(單位:dBz;a.13日14:03，b.13日16:02，c.13日17:58，d.13日18:33，e.13日19:02，f.13日20:00，g.13日20:58，h.13日21:30，i.13日22:02，j.13日23:01，k.14日00:58，l.14日03:01)Fig.4 Combined radar reflectivity factor(units:dBz) of SA radar at Jinan station from 14:03 BST 13 to 03:01 BST 14 June(a.14:03 BST 13,b.16:02 BST 13,c.17:58 BST 13,d.18:33 BST 13,e.19:02 BST 13,f.20:00 BST 13,g.20:58 BST 13,h.21:30 BST 13,i.22:02 BST 13,j.23:01 BST 13,k.00:58 BST 14,l.03:01 BST 14)

圖5 2016年6月14日16:02—18:57濟(jì)南SA雷達(dá)站0.5°仰角雷達(dá)反射率因子(單位：dBz；a.16:02，b.17:01，c.17:59，d.18:57)Fig.5 Radar reflectivity factor(units:dBz) of SA radar at 0.5° elevation at Jinan station from 16:02 BST to 18:57 BST 14 June 2016(a.16:02 BST,b.17:01 BST,c.17:59 BST,d.18:57 BST)

2016年6月14日15:00左右濟(jì)南雷達(dá)站東北側(cè)的臨邑、商河附近新生單體迅速發(fā)展。16:00左右，發(fā)展成尺度為50 km左右的中尺度對(duì)流系統(tǒng)。16:02(圖5a)后，單體分裂，南部單體D(圖5箭頭)向東略偏北移動(dòng)，北側(cè)單體E向東北方向移動(dòng)。16:31—17:07單體D頂高達(dá)14 km，回波強(qiáng)度大于65 dBz、有高懸垂質(zhì)心、長(zhǎng)達(dá)40 km的三體散射(TBSS)，中等強(qiáng)度中氣旋，為典型的超級(jí)單體特征。所經(jīng)地區(qū)，章丘出現(xiàn)強(qiáng)降水和直徑為20 mm的冰雹，淄博市有7個(gè)站超過(guò)30 mm/h的降水，淄川出現(xiàn)了直徑為7 mm的冰雹。而北側(cè)單體E逐漸減弱，為普通降水單體。隨著超級(jí)單體D向東移動(dòng)，TBSS消失，證明單體內(nèi)大粒子減少，給臨朐造成50 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。19:30后，單體D消失，山東中西部地區(qū)受大片降水回波控制，回波相對(duì)零散，20:00回波成團(tuán)狀，21:30消失，山東降水結(jié)束。

3.3 強(qiáng)對(duì)流天氣觸發(fā)機(jī)制

在對(duì)流不穩(wěn)定、充足水汽、垂直風(fēng)切變存在的情況下，需要一定的抬升條件才能觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生，通常由中尺度系統(tǒng)提供，如鋒面、干線、對(duì)流風(fēng)暴的外流邊界(陣風(fēng)鋒)和重力波等[1,7-10]。

圖6為地面自動(dòng)站流場(chǎng)和露點(diǎn)溫度分布。13日14:00魯西北德州出現(xiàn)短的輻合線和干線，為雷暴初生提供抬升條件，衛(wèi)星云圖上對(duì)流云團(tuán)迅速發(fā)展，雷達(dá)圖上對(duì)流單體生消旺盛。其中，陵縣附近的對(duì)流單體A沿著干線移動(dòng)，于14:33增強(qiáng)到65 dBz以上，發(fā)展為超級(jí)單體，造成陵縣的冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水。17:00魯西北的輻合線向東南移動(dòng)，其南側(cè)也出現(xiàn)一條顯著的輻合線，新生對(duì)流單體沿南部輻合線呈線狀排列，與北部單體A共同構(gòu)成MαCS，造成地面上魯西北和魯西南大范圍降水。14:00—20:00，魯西南穩(wěn)定維持一條干線，當(dāng)輻合線與其交匯時(shí)，引起對(duì)流單體的強(qiáng)烈發(fā)展。對(duì)應(yīng)雷達(dá)圖上顯示，17:00—19:00魯中西部先后有兩個(gè)對(duì)流單體發(fā)展到65 dBz以上，其中包含單體B。在20:00以后地面輻合線移動(dòng)到魯南地區(qū)，單體在西北風(fēng)的作用下整齊排列，形成颮線。輻合線最西端與干線重合處輻合發(fā)展，強(qiáng)烈的上升氣流促使對(duì)流單體增強(qiáng)為雹暴單體C，汶上出現(xiàn)冰雹天氣。

圖6 13日14:00—20:00地面自動(dòng)站露點(diǎn)溫度(a，b；單位：℃)和流場(chǎng)(c，d，e)Fig.6 Dew point temperature fields(a,b;units:℃) and flow fields(c,d,e) of ground automatic weather stations from 14:00 BST to 20:00 BST 13 June

14日16:00濟(jì)南附近出現(xiàn)短的輻合線和干線(圖略)，為中尺度系統(tǒng)提供了抬升條件。14日16:00—20:00(圖7a)，魯中北部穩(wěn)定維持一條干線，呈東西向，3 h僅移動(dòng)了1個(gè)緯距。16:00—17:00(圖7b)，地面輻合線穩(wěn)定在章丘北部，為章丘北部單體的發(fā)展提供了條件。章丘附近單體C沿著干線向東移動(dòng)，發(fā)展為超級(jí)單體風(fēng)暴，出現(xiàn)20 mm大冰雹。

圖7 14日17:00地面自動(dòng)站露點(diǎn)溫度(a；單位：℃)和流場(chǎng)(b)Fig.7 Dew point temperature field(a;units:℃) and flow field(b) of ground automatic weather stations at 17:00 BST 14 June

可見(jiàn)，13日過(guò)程中，輻合線與干線是強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)條件，對(duì)流單體沿著輻合線排列。在輻合線與干線重合處，對(duì)流單體強(qiáng)烈發(fā)展。因此，在強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)中，應(yīng)著重關(guān)注輻合線與干線的配合。14日過(guò)程中，干線是觸發(fā)強(qiáng)雹暴單體D發(fā)生發(fā)展的條件之一。

3.4 風(fēng)切變、路徑及地形對(duì)單體D發(fā)展的影響

研究表明，風(fēng)暴單體越強(qiáng)，右偏高空風(fēng)越多，風(fēng)暴單體通過(guò)右移，使環(huán)境風(fēng)垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的水平渦度在沿著低層入流方向的水平渦度分量增大，并隨著低層入流轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙龤饬鬟^(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睖u度，使主上升氣流的旋轉(zhuǎn)得到加強(qiáng)維持[11]。圖8a是致災(zāi)單體D與北部單體E的路徑圖。15:04—16:15，濟(jì)南雷達(dá)風(fēng)廓線圖顯示整層為西南風(fēng)(210°)，單體D、E初生階段均向東移動(dòng)，右偏中層引導(dǎo)風(fēng)30°，兩單體發(fā)展迅速。16:15兩單體分別偏離中層引導(dǎo)風(fēng)風(fēng)向(210°)的右側(cè)(247°)和左側(cè)(195°)移動(dòng)，單體D繼續(xù)加強(qiáng)，單體E開(kāi)始減弱。濟(jì)南雷達(dá)VWP圖(圖8b)顯示，16:31開(kāi)始，從高層8.5 km有強(qiáng)西北風(fēng)出現(xiàn)，配合低層西南風(fēng)，造成風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)。根據(jù)Klemp模式研究[12]，當(dāng)風(fēng)切變矢量隨高度順時(shí)針變化時(shí)，動(dòng)力作用誘發(fā)的非靜力平衡垂直氣壓梯度力能使得由分裂產(chǎn)生的唯一主上升氣流右側(cè)的上升氣流得以加強(qiáng)。單體D的強(qiáng)度變化也與此理論相符。高空強(qiáng)西北風(fēng)持續(xù)到17:30，共維持了1 h，其出現(xiàn)時(shí)間段對(duì)應(yīng)著單體D的最強(qiáng)時(shí)段。一方面，西北風(fēng)的出現(xiàn)有利于單體D上升氣流的加強(qiáng)；另一方面，高空西北風(fēng)向低層下傳有利于垂直風(fēng)切變的加強(qiáng)，為單體D的發(fā)展提供了有利條件。另外，單體D進(jìn)入章丘和淄川時(shí)，均沿兩山之間的谷地移動(dòng)，這種地形對(duì)于單體D的發(fā)生發(fā)展起到了抬升和維持作用，同時(shí)也對(duì)單體的移動(dòng)起了導(dǎo)向作用[13]?？梢?jiàn)，超級(jí)單體D的發(fā)展與移動(dòng)路徑、高空西北風(fēng)的出現(xiàn)和有利的地形均有關(guān)。因此，在預(yù)報(bào)對(duì)流單體的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)要綜合考慮各個(gè)因素的配合。

圖8 對(duì)流單體D、E的路徑(a)和6月14日16:38—17：36雷達(dá)VWP(b；橢圓區(qū)為西北風(fēng)區(qū))Fig.8 Routes of convective cells D and E(a), and the radar VWP from 16:38 BST to 17:36 BST 14 June 2016(b; The ellipse area is the northwest wind region)

4 強(qiáng)對(duì)流天氣診斷分析

圖9 6月13日14:00—14日20:00的6 h累積降水量(填色；單位：mm)、CAPE(黑實(shí)線；單位：J·kg-1)、850 hPa相對(duì)濕度(紅虛線)分布(a.13日14:00，b.13 日20:00，c.14日02:00，d.14日08 :00，e.14日14:00，f.14日20:00)Fig.9 Distributions of 6 h accumulated precipitation(shaded areas;units:mm),CAPE(black solid lines;units:J·kg-1), and 850 hPa relative humidity(red dashed lines) at 14:00 BST 13(a),20:00 BST 13(b),02:00 BST 14(c),08:00 BST 14(d),14:00 BST 14(e) and 20:00 BST 14(f) June

4.1 對(duì)流不穩(wěn)定能量與降水落區(qū)

對(duì)流有效位能CAPE和6 h降水量的疊加圖(圖9)顯示。13日14:00(圖略)，CAPE從魯西南向東擴(kuò)展，高能區(qū)擴(kuò)大到山東大部分地區(qū)。20:00等值線開(kāi)始西撤，降水落區(qū)主要位于魯西北，最強(qiáng)為德州市，對(duì)應(yīng)14:00，CAPE為400～1 200 J·kg-1區(qū)域，同時(shí)，從700 hPa相對(duì)濕度來(lái)看，降水區(qū)域?qū)?yīng)濕舌。14日02:00(圖9c)，CAPE高能區(qū)西撤，降水落區(qū)為整個(gè)山東西南部地區(qū)，對(duì)照13日20:00的CAPE分布，基本位于400～1 200 J·kg-1區(qū)域，850 hPa顯示為高濕度區(qū)。隨著第一次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程結(jié)束，14日08:00，CAPE高能區(qū)擴(kuò)大至山東大部，中心為2 000 J·kg-1。14:00高能區(qū)向西南擴(kuò)展，山東中部對(duì)應(yīng)400～1 200 J·kg-1區(qū)域，與20:00降水落區(qū)相吻合。從相對(duì)濕度來(lái)看，20:00山東中部對(duì)應(yīng)濕舌?？梢?jiàn)，兩次過(guò)程降水落區(qū)與6 h前的CAPE場(chǎng)400～1 200 J·kg-1的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，與700 hPa相對(duì)濕度大于70%位置對(duì)應(yīng)關(guān)系較好?？紤]其疊加區(qū)，可對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣起到一定的預(yù)示作用，但由于過(guò)程降水與動(dòng)力、熱力等條件均有密切關(guān)系，對(duì)流有效位能只能作為強(qiáng)對(duì)流天氣的基本影響因子來(lái)參考。

圖10 6月14日02:00(a)、14:00(b)從地面積分到700 hPa的水汽通量(單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；矩形為山東地區(qū))Fig.10 Vertically integrated water vapor flux from ground to 700 hPa at 02:00 BST(a) and 14:00 BST(b) 14 June 2016(units:g·cm-1·hPa-1·s-1;Rectangle denotes Shandong region)

4.2 水汽來(lái)源及收支分析

本研究對(duì)水汽通量從地面到700 hPa進(jìn)行積分(圖10)，從13日08:00開(kāi)始，山東、河南東部、安徽西部水汽通量開(kāi)始增大。14:00—20:00水汽由西南方向輸入，山東水汽通量增大至200 g·cm-1·hPa-1·s-1，對(duì)應(yīng)山東西部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。山東中部水汽通量值較小，對(duì)應(yīng)肥城、汶上、嘉祥等強(qiáng)降雹區(qū)域。14日02:00，水汽通量大值區(qū)分別位于西部和東部并不斷東移。14 日14:00隨著冷渦的東移至山東附近，冷渦外圍伴隨著水汽通量大值區(qū),水汽通過(guò)西側(cè)和南側(cè)流入山東。20:00山東中西部地區(qū)有一水汽通量大值中心，為聊城、濟(jì)南的短時(shí)強(qiáng)降水提供水汽，降雹則發(fā)生在山東中部水汽通量很低的濟(jì)南淄博等地?？梢?jiàn)，過(guò)程中低層水汽來(lái)源主要為魯西南，降雹發(fā)生在水汽通量偏低的區(qū)域。

為了分析水汽收支在兩次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中的變化，計(jì)算了山東4個(gè)邊界(圖10中的矩形框)整層水汽收支(圖11)。結(jié)果表明，兩次過(guò)程中，南邊界水汽輸入量最大，且與西邊界一直為輸入，變化趨勢(shì)也趨于同步。14日02:00以前，水汽輸入主要以南邊界和西邊界為主，南邊界輸入量大于北邊界輸出量，為水汽輻合。02:00后，南邊界水汽輸送減少，降水逐漸減弱。14:00南邊界與西邊界輸送量增大至極值。20:00南邊界與西邊界輸入量減少，北邊界由輸出開(kāi)始轉(zhuǎn)為輸入，說(shuō)明渤海灣的水汽開(kāi)始向省內(nèi)輸送。15日02:00南、北、西邊界輸入量為10 g·cm-1·hPa-1·s-1以下，降水結(jié)束?？傊瑑纱翁鞖膺^(guò)程水汽均以西南向輸入、南北向輻合為主。不同的是，14日過(guò)程中渤海灣的水汽輸送也很重要。

圖11 6月13—15日東(黑)、西(藍(lán))、南(紅)、北(綠)邊界水汽收支隨時(shí)間的變化(單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)Fig.11 Variation of water vapor budget with time at east(black),west(blue),south(red),north(green) boundaries from 13 to 15 June(units: g·cm-1·hPa-1·s-1)

4.3 濕位渦診斷分析

濕位渦MPV是一個(gè)綜合反映大氣動(dòng)力、熱力和水汽性質(zhì)的物理量。它不僅表征了大氣動(dòng)力、熱力屬性，而且考慮了水汽的作用，它的分布能很好地表征大氣對(duì)流穩(wěn)定性和斜壓穩(wěn)定性[5,7]。降水系統(tǒng)中濕位渦的變化受到熱力強(qiáng)迫和降水質(zhì)量強(qiáng)迫的雙重影響，二者共同作用造成濕位渦的異常[14]。濕位渦的大小主要由正壓項(xiàng)決定。正值大值區(qū)一般與冷空氣有關(guān)，負(fù)值或小的正值代表大氣的對(duì)流不穩(wěn)定，一般與不穩(wěn)定的暖濕空氣有關(guān)[15]。

13日08:00(圖12)，34°N附近山東上空出現(xiàn)舌狀MPV高值異常并配合相對(duì)濕度小于40%的干區(qū)，2 PVU等值線位于300 hPa附近。山東低層800 hPa附近出現(xiàn)MPV負(fù)值區(qū)，對(duì)流不穩(wěn)定開(kāi)始出現(xiàn)。14:00高層MPV異常區(qū)下傳，2 PVU等值線下傳至300 hPa以下，干區(qū)從對(duì)流層中層向北侵入到山東上空。同時(shí)，MPV零線抬升至550 hPa，山東南部低層出現(xiàn)中心為-0.4 PVU的負(fù)值中心，說(shuō)明暖濕空氣流入。高層干冷、低層暖濕的空氣使整層大氣積累了強(qiáng)烈的不穩(wěn)定能量。20:00 MPV高值異常區(qū)顯著收窄，山東上空小于60%的干區(qū)侵入到700 hPa，北部450 hPa出現(xiàn)正值中心，低層負(fù)異常中心增大至-0.8 PVU，且覆蓋整個(gè)山東，上下層正負(fù)濕位渦之差的增大使對(duì)流不穩(wěn)定增強(qiáng)。14日02:00，MPV高值異常顯著減弱，2 PVU收縮到250 hPa左右，干區(qū)范圍縮小，山東上空沒(méi)有明顯的干空氣，且低層MPV負(fù)異常減弱。圖中顯示山東對(duì)應(yīng)大范圍的整層上升運(yùn)動(dòng)與充沛的水汽，可能主要是通過(guò)高空兩支急流的疊加區(qū)形成強(qiáng)烈的抽吸作用而觸發(fā)加強(qiáng)的抬升運(yùn)動(dòng)。

圖12 位溫(黑色虛線；單位：K)、相對(duì)濕度(填色；單位：%)、垂直風(fēng)速(單位：Pa·s-1)、濕位渦(紅實(shí)線；單位：PVU)沿118°E的垂直剖面(a.13日08:00 BST，b.13日14:00 BST，c.13日20:00 BST，d.14日02:00 BST，e.14日08:00 BST，f.14日14:00 BST，g.14日20:00 BST，h.15日02:00 BST)Fig.12 Vertical profiles of potential temperature(black dashed lines;units:K),relative humidity(shaded areas;units:%),vertical wind speed(units:Pa·s-1),and moist potential vorticity(red solid lines;units:PVU) along 118°E(a.08:00 BST 13,b.14:00 BST 13,c.20:00 BST 13,d.02:00 BST 14,e.08:00 BST 14,f.14:00 BST 14,g.20:00 BST 14,h.02:00 BST 15)

14日08:00，32°N與39°N高空分別對(duì)應(yīng)舌狀MPV高值異常，其低層配合兩塊干區(qū)，山東位于兩干區(qū)中間的比濕大值區(qū)，低層存在負(fù)MPV異常。14:00高層兩MPV高值異常區(qū)合并堆積，形成寬闊的MPV高值異常區(qū)，整個(gè)異常區(qū)跨度達(dá)10個(gè)緯度以上，同時(shí)，2 PVU下傳到370 hPa。兩干區(qū)合并后導(dǎo)致山東上空600 hPa以上均對(duì)應(yīng)小于40%的干區(qū)。山東南側(cè)暖濕空氣沿位溫等值線抬升，低層MPV零線抬高，同時(shí)濕度增大，高低層不穩(wěn)定再次增強(qiáng)。20:00的MPV異常區(qū)開(kāi)始收窄，干區(qū)范圍擴(kuò)大，負(fù)MPV異常區(qū)增強(qiáng)并穩(wěn)定維持，上下層正負(fù)位渦之差達(dá)到最大，明顯強(qiáng)于13日。同時(shí)，根據(jù)位渦理論，正位渦異常區(qū)下傳會(huì)造成等熵面距離拉大，使低層靜力穩(wěn)定度減少，氣旋性渦度增大，有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。圖12e、f可見(jiàn)，08:00—14:00山東及以北地區(qū)400 hPa等熵面距離的增大最明顯。14:00后山東逐漸出現(xiàn)整層上升運(yùn)動(dòng)，從而觸發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。15日02:00，MPV收窄成條狀，干區(qū)減小，山東低層負(fù)異常減弱，大氣趨于穩(wěn)定，過(guò)程結(jié)束。

可見(jiàn)，過(guò)程發(fā)生時(shí)，高層局地的高值MPV異?？梢灾甘靖邔痈衫淇諝獾那秩?，同時(shí)也有利于強(qiáng)天氣區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)。低層負(fù)MPV異常的出現(xiàn)使上下層位渦差增大，促進(jìn)對(duì)流不穩(wěn)定的發(fā)生。14日對(duì)流發(fā)生前山東地區(qū)更寬闊的MPV異常與顯著下傳、對(duì)流發(fā)生時(shí)低層更強(qiáng)的負(fù)位渦異常造成其對(duì)流不穩(wěn)定強(qiáng)于13日。另外，等熵面距離的增大，造成更強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，使強(qiáng)天氣更劇烈。

5 結(jié)論

本文對(duì)發(fā)生在山東地區(qū)的大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣的環(huán)境場(chǎng)、動(dòng)力熱力特征、雷達(dá)回波特征及觸發(fā)機(jī)制等進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1)冷渦前部高空槽與地面氣旋造成13日強(qiáng)天氣，高空冷渦和地面氣旋造成14日強(qiáng)天氣。強(qiáng)天氣發(fā)生時(shí)山東均位于高空急流出口區(qū)左側(cè)的輻散區(qū)，14日出現(xiàn)高低空急流耦合。

2)造成13日強(qiáng)天氣過(guò)程的中尺度系統(tǒng)為由2個(gè)MαCS合并而成的MαCS系統(tǒng)，出現(xiàn)明顯的颮線。14日則是由MβCS演變而成的MαCS系統(tǒng)。

3)造成強(qiáng)天氣的4個(gè)單體中，2個(gè)為超級(jí)單體，其中，14日的超級(jí)單體D為強(qiáng)降雹單體。地面自動(dòng)站顯示，輻合線和干線觸發(fā)13日過(guò)程，兩者重合處，誘發(fā)單體強(qiáng)烈發(fā)展；干線是超級(jí)單體D的一個(gè)抬升條件。另外，移動(dòng)路徑、高空西北風(fēng)的出現(xiàn)和地形因素也是導(dǎo)致單體D成為強(qiáng)降雹單體持續(xù)發(fā)展的原因。

4)診斷分析表明，兩次過(guò)程6 h前對(duì)流有效位能400～1 200 J·kg-1區(qū)域與降水落區(qū)對(duì)應(yīng)較好，疊加700 hPa相對(duì)濕度大于70%的區(qū)域，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生起到一定的預(yù)示作用。過(guò)程中水汽主要來(lái)自魯西南，降雹區(qū)位于水汽通量偏低的區(qū)域。兩次過(guò)程水汽均以西南向輸入、南北向輻合為主。不同的是，14日過(guò)程中渤海灣的水汽輸送也很重要。14日對(duì)流發(fā)生前高層更寬闊的MPV異常與顯著下傳、過(guò)程發(fā)生時(shí)高低層正負(fù)位渦差的顯著加大，造成更強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定。

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CharacteristicsandcauseanalysisofthestrongconvectionweatherprocessesinShandongduring13-14June2016

ZHANG Qin, MENG Wei, ZHU Min, ZHANG Xiuqing, LIU Yan, HAN Guoyong

(ZiboMeteorologicalBureauofShandongProvince,Zibo255300,China)

The mesoscale features, triggering conditions and radar echoes of strong convective weather processes occurred in Shandong from 13 to 14 June 2016 are analyzed by using the NCEP reanalysis data, conventional observation data, regional automatic station data and Doppler weather radar data. Results show that the upper trough in front of cold vortex and ground cyclones cause the convective weather on 13 June. The upper cold vortex and ground cyclones lead to the convective weather on 14 June. High-level dry cold air and low-level warm air flow are conducive to the increase of convection instability. The convection system(MαCS) is composed of two MαCSs on 13 June and the convection system(MαCS) is evolved from MβCS on 14 June. The convergence line and dry line are the trigger conditions of strong convective weathers, and the strong development of convective cells can be induced where they overlap. The right deflection of high-level wind moving path, the invasion in of upper northwest wind and the topographic factor are the reason of the development and persistent existence of supercell thunderstorms. The precipitation area has a good corresponding to the area with CAPE(convective available potential energy) of 400-1 200 J·kg-1before 6 h. The water vapor is dominated by the southwest input and the north-south convergence during the strong convective weather processes on 13 and 14 June. Besides, the moisture transport from Bohai Bay is also important for the weather process on 14 June. The wider MPV anomaly at the upper level and its significant downward transmission, and the increase of positive and negative vorticity difference at high and low levels can cause stronger ascending motion and convective instability.

strong convective weather; mesoscale analysis; super cell

張琴,孟偉,朱敏,等.2016年6月13—14日山東強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的中尺度特征及成因分析[J].海洋氣象學(xué)報(bào),2017,37(4):101-112.

Zhang Qin,Meng Wei,Zhu Min,et al.Characteristics and cause analysis of the strong convection weather processes in Shandong during 13-14 June 2016[J].Journal of Marine Meteorology,2017,37(4):101-112.

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.012.(in Chinese)

P458

A

2096-3599(2017)04-0101-12

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.012

2017-03-13；

2017-08-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41475041)；中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)課題(2014LASW-A03)；山東省氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(SDYBY2015-9)

張琴(1983—)，女，碩士，工程師，主要從事強(qiáng)對(duì)流天氣研究，403680112@qq.com。