“4·29”山東近海10級以上雷暴大風的成因分析*

侯淑梅 李昱薇 張 鵬 朱曉清 高榮珍 張永婧 梅嬋娟 石 磊 朱義青

1 山東省氣象防災減災重點實驗室，濟南 250031 2 山東省氣象臺，濟南 250031 3 山東省聊城市氣象局，聊城 252000 4 山東省青島市氣象局，青島 266003 5 山東省濟南市氣象局，濟南 250102 6 山東省威海市氣象局，威海 264200 7 山東省煙臺市氣象局，煙臺 264001 8 山東省臨沂市氣象局，臨沂 276004

提 要：2021年4月29日山東近海出現(xiàn)10～13級雷暴大風，造成一艘漁船翻扣。基于多普勒天氣雷達、地面加密自動氣象觀測站、ERA5再分析及常規(guī)觀測資料，分析了此次雷暴大風的成因，結(jié)果表明：東北冷渦后部強盛的西北氣流攜帶干冷空氣疊加在低層暖溫度脊之上，強烈的位勢不穩(wěn)定層結(jié)和垂直風切變?yōu)楫斕飚a(chǎn)生強對流天氣提供了有利的環(huán)境條件。高空強勁的西北氣流，一方面導致陣風鋒移動速度快，另一方面高空動量下傳，增大了下沉氣流的角動量。陣風鋒移動速度快、持續(xù)時間長，是造成所經(jīng)之地產(chǎn)生10級以上雷暴大風的直接原因。對流層中低層大氣干燥，高層水凝物下落過程中蒸發(fā)降溫，在近地面形成厚度高達120 hPa的冷池。小尺度冷池造成的加壓與大尺度氣旋后部增壓疊加，與氣旋的減壓區(qū)形成變壓風。冷池與日照暖溫度脊之間產(chǎn)生的密度流與變壓風疊加，造成地面大風強度增強。冷池小高壓入海后氣壓梯度方向轉(zhuǎn)變造成風向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，增加了漁船翻扣的風險。日照上空的蒸發(fā)作用、鋒區(qū)梯度、密度流強度、多尺度天氣系統(tǒng)的疊加效應均比青島強，導致處于青島雷暴邊緣的日照市出現(xiàn)10級以上雷暴大風的強度和范圍均比受青島雷暴主體影響的青島市大。

引 言

雷暴大風是指對流風暴中下沉氣流達到地面時產(chǎn)生輻散，造成的地面大風(俞小鼎等，2006)。雷暴大風主要是由對流風暴的強下沉氣流造成，有時還包括冷池密度流、高空水平動量下傳和上升氣流的抽吸作用(王秀明等，2013)。全國范圍內(nèi)按照平均每萬平方千米發(fā)生次數(shù)排序，華北和華東地區(qū)發(fā)生強雷暴大風(25 m·s-1以上)的次數(shù)最多(費海燕等，2016)。引發(fā)雷暴大風的對流系統(tǒng)的組織類型主要有颮線、弓形回波和超級單體(楊新林等，2017)。北京和天津地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風的雷達回波中帶狀回波的占比最高(楊璐等，2018；王亞男等，2020)。有組織的颮線產(chǎn)生強雷暴大風的案例較多，中等到強垂直風切變環(huán)境條件下，大范圍的雷暴大風大多由沿颮線的弓形回波造成(Johns and Doswell Ⅲ，1992)。如2009年6月3日受颮線影響，晉陜西南部、冀豫交界處出現(xiàn)了大范圍的雷暴大風，25 m·s-1以上大風造成河南商丘及其東部下游地區(qū)25人死亡(孫虎林等，2011；王秀明等，2012;2013)。2018年3月4—5日颮線在江西境內(nèi)造成嚴重的大風災害，20個縣(市)陣風達10級以上，覆蓋范圍為1959年江西有完整氣象記錄以來第一位(盛杰等，2019)。2016年6月30日受一條長壽命颮線的影響，山東出現(xiàn)大范圍的雷暴大風，國家氣象觀測站有21個站次出現(xiàn)10級以上雷暴大風，最大風為33.2 m·s-1(12級)出現(xiàn)在廣饒縣大碼頭站(萬夫敬等，2021)。發(fā)展為弓形回波的颮線造成雷暴大風的案例更是屢見不鮮(程月星等，2018；康嵐等，2018；公衍鐸等，2019)。除了颮線，超級單體也是造成極端雷暴大風的重要形式，龍卷經(jīng)常發(fā)生在超級單體風暴中。2016年6月23日14—15時江蘇阜寧縣發(fā)生了歷史罕見的EF4級龍卷極端天氣(張小玲等，2016；鄭永光等，2016)，造成99人死亡，846人受傷，分析表明此次龍卷災害主要由超級單體龍卷造成(楊波等，2019)。2015年6月1日湖北監(jiān)利“東方之星”沉船事故主要也是由超級單體觸發(fā)的下?lián)舯┝髟斐傻?楊波等，2019)。2019年3月21日，颮線內(nèi)強單體發(fā)展成為超級單體，造成廣西林桂站出現(xiàn)60.3 m·s-1(17級)的極端雷暴大風，打破了廣西風速的歷史紀錄，直接經(jīng)濟損失達26萬元(王艷蘭等，2021)。除此之外，多單體風暴、脈沖風暴和孤立的一般單體也能產(chǎn)生雷暴大風。2017年7月9日受多單體風暴影響，河北保定21個站出現(xiàn)10級以上大風，順平的高于鋪極大風速高達43.1 m·s-1(14級)，多站突破歷史極值，損失嚴重(馬鴻青等，2019)。2018年9月8日脈沖風暴在山東威海文登機場附近造成一次濕微下?lián)舯┝鳎牡菛|部20 km范圍內(nèi)地面風場呈現(xiàn)明顯輻散狀特征，出現(xiàn)風向突變、風速躍升等現(xiàn)象(梅嬋娟等，2020)。2018年7月26日一次脈沖風暴造成寧波的強對流天氣，最大風力達到10級，短時強降水、低能見度和雷暴大風等因素造成寧波機場多架航班延誤和返航備降(吳福浪等，2021)。以上這些雷暴大風無不給當?shù)卦斐蓢乐氐慕?jīng)濟損失或人員傷亡，但對于雷暴大風發(fā)生的時間、強度、影響區(qū)域等精細的預報預警仍是預報業(yè)務面臨的巨大挑戰(zhàn)。

近幾年，山東省極端雷暴大風事件層出不窮。2016年6月13—14日，受華北冷渦影響，山東省連續(xù)兩天出現(xiàn)強對流天氣(張琴等，2018；高曉梅等，2018)，造成全省大范圍出現(xiàn)8～10級雷暴大風，汶上出現(xiàn)33.9 m·s-1(12級)雷暴大風(朱義青和高安春，2021)。無獨有偶，2018年6月13日，同樣受華北冷渦影響，山東省再次出現(xiàn)大范圍強對流天氣，青島奧帆基地出現(xiàn)39.1 m·s-1(13級)雷暴大風。極端雷暴大風不僅造成嚴重的經(jīng)濟損失，還可能造成人員傷亡。2017年8月6日受颮線影響，山東東部地區(qū)出現(xiàn)了一次罕見的12～13級雷暴大風事件，全省共有99個站出現(xiàn)8～9級大風，16個站出現(xiàn)10～11級大風，2個站達到12級或以上，濰坊南孫站極大風速高達37 m·s-1(13級)，受災人口為15.8萬人，直接經(jīng)濟損失達2.4億元(萬夫敬等，2018)。

2021年4月29日下午，山東省出現(xiàn)一次強對流天氣，對流區(qū)域出現(xiàn)8級以上雷暴大風，在日照、青島及其沿海一帶出現(xiàn)10～13級雷暴大風(圖1)，以下稱為“4·29”山東近海10級以上雷暴大風。王福俠等(2016)對河北省雷暴大風的雷達回波特征統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，雷暴大風的反射率因子一般都在50 dBz以上，當雷達回波強度超過50 dBz 時，與雷暴大風的隸屬度超過90%(周康輝等，2017)。造成“4·29”山東近海10級以上雷暴大風的雷暴主體位于青島境內(nèi)，稱其為青島雷暴。日照處于青島雷暴的邊緣，雷暴范圍小、強度弱，最大反射率因子為45 dBz，但大風的范圍和強度均比青島大。對于強雷暴(超級單體或颮線)產(chǎn)生的雷暴大風，盡管大風的強度、范圍預報可能與實況有偏差，但通過對雷達回波的監(jiān)測，能夠發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生雷暴大風的一些先兆信號，預報員對于強雷暴產(chǎn)生的雷暴大風具有一定的預報預警能力；但對于弱雷暴，由于出現(xiàn)次數(shù)少，對其認識不足，預報能力有限。本文試圖分析日照及其沿海弱雷暴背景下10級以上雷暴大風產(chǎn)生的原因，提高對弱雷暴背景下雷暴大風形成機理的認識，增強預報員對該類雷暴大風的預報能力。

1 資 料

研究中所用資料包括：高空、地面等常規(guī)觀測資料，山東省加密自動氣象觀測站逐小時資料，江蘇省連云港站、山東省青島站多普勒雷達產(chǎn)品；華東區(qū)域多普勒雷達組合反射率因子拼圖。其中，連云港多普勒雷達產(chǎn)品由江蘇省氣象臺提供，其他資料由山東省氣象臺提供?？臻g分辨率為0.25°×0.25°、時間分辨率為1 h的ECMWF第五代全球大氣再分析資料(以下簡稱為ERA5再分析資料)。

2 天氣實況

2021年4月29日14—17時(北京時，下同)，在魯西北、魯中、魯東南和山東半島南部地區(qū)出現(xiàn)8級以上大風(圖1a)，其中日照、青島一帶出現(xiàn)10級、局地11～12級雷暴大風(圖1b)。當日15:30左右，魯嵐?jié)O船“71001”在日照石臼港區(qū)以東42海里處翻扣(圖1c～1e中紫色圓點為漁船翻扣位置)，4人遇險，其中1人獲救、3人失聯(lián)。

從逐小時雷暴大風的演變可見(圖1c～1e)，10級以上雷暴大風15—17時逐漸從日照北部向東南推進到日照沿海及其海域。日照境內(nèi)的雷暴大風主要出現(xiàn)在15時前后，最大風速為33.7 m·s-1(12級)于14:55出現(xiàn)在五蓮縣的叩官站，五蓮縣在前后10 min之內(nèi)有4個站風速超過30 m·s-1。在日照沿海的東港馬陵水庫、日照帆船基地、山海天魯南森林公園、日照港站的極大風分別為28.1 m·s-1(10級)、28.0 m·s-1(10級)、27.5 m·s-1(10級)和26.9 m·s-1(10級)，出現(xiàn)時間為15:04—15:17。董加口浮標站(位于日照港東偏北海域34 km 左右)15:30監(jiān)測到37.3 m·s-1(13級)的極大風速，大公島(位于青島海域)15:07監(jiān)測到32.4 m·s-1(11級)的極大風速。根據(jù)日照內(nèi)陸到沿海極大風向東南方向的推進速度，漁船翻扣時正好遇到較強的雷暴大風。

圖1 2021年4月29日14—17時(a)極大風(紅色數(shù)字為8級以上，單位：m·s-1)、(b)10級以上極大風(單位：m·s-1)，(c)15時、(d)16時、(e)17時1 h 10級以上極大風(風羽)

從圖2a可見，14:00—17:00全省大部分站累計降水量不足10 mm，日照境內(nèi)降水量小于2 mm。從雷達組合反射率因子動態(tài)可見，14:48(圖2b)青島雷暴的主體位于青島境內(nèi)，日照的中北部處于青島雷暴的邊緣，回波強度為30～40 dBz。日照西部與臨沂交界處有對流單體A生成，回波強度為30～40 dBz。15:12(圖2c)，青島雷暴東南移，前沿已入海，日照的東北部處于青島雷暴的邊緣，回波強度為30～40 dBz。單體A減弱到30 dBz，在單體A南側(cè)新生一單體B向偏東方向移動。15:30(圖2d)青島雷暴已移出日照入海，日照海域回波強度仍為30～40 dBz，單體B到達海陸邊界，強度為30～40 dBz。15:42(圖2e)，青島雷暴位于日照海域部分強度略有增強，強度為40～50 dBz；單體B入海后強度也略有增強，最強反射率因子增強到45 dBz，30 dBz的回波范圍有所增大。從單體B的入海位置看，與發(fā)生翻船事件的地點接近。

圖2 2021年4月29日(a)14—17時山東省累計降水量，(b)14:48，(c)15:12，(d)15:30，(e)15:42雷達組合反射率因子拼圖

從日照陸地和沿海的雷達回波演變可見，日照處于青島雷暴的邊緣，強度為50 dBz以下。除此之外還有一些單體發(fā)展，但強度也在50 dBz以下。二者入海后雖然強度略有增強，但最大強度也只有40～50 dBz。那么，造成翻船事件的10～13級雷暴大風是如何產(chǎn)生的？弱雷暴背景下產(chǎn)生10級以上強雷暴大風的原因是什么？日照處于青島雷暴的邊緣，為什么日照出現(xiàn)10級以上雷暴大風范圍最大、強度最強？下文將針對以上問題進行分析。

3 10級以上雷暴大風的成因

3.1 有利的環(huán)境條件

4月29日08時500 hPa東北冷渦中心位于內(nèi)蒙古東北部，有-32℃的冷中心與之配合(圖3a)。冷渦南側(cè)高空槽的南段移速比北段快，北段槽位于內(nèi)蒙古東部到河北省北部，南段槽位于遼寧東部到黃海南部。冷渦后部從蒙古、內(nèi)蒙古中部一直延伸到山東、江蘇一帶形成大于28 m·s-1的西北風中空急流，最大風速高達42 m·s-1，攜帶干冷空氣入侵山東、江蘇一帶。850 hPa冷渦中心與500 hPa位置相同，冷渦南側(cè)高空槽從內(nèi)蒙古東部經(jīng)山東省西部伸到河南省東部(圖3b)。溫度槽落后于高度槽，槽后冷平流明顯，槽前暖溫度脊從河南省東部經(jīng)山東省西部向東北伸向遼寧省西部。高空干冷的西北氣流正好在魯中地區(qū)疊加在暖溫度脊上，位勢不穩(wěn)定層結(jié)增強，為強對流天氣創(chuàng)造了有利的環(huán)境條件。

圖3 2021年4月29日08時(a)500 hPa,(b)850 hPa高空圖

從青島站29日08時探空可見(圖4a)，0～6 km、0～3 km風矢量差分別高達30.4 m·s-1、20.2 m·s-1，850 hPa與500 hPa溫差高達 36.1℃。用青島14時氣溫17.0℃、露點溫度10.1℃ 訂正當日08時探空(圖4a)，發(fā)現(xiàn)對流有效位能(CAPE)高達1126.8 J·kg-1，對流抑制能量(CIN)為0 J·kg-1，非常有利于當天出現(xiàn)強對流天氣。用日照14時氣溫23.7℃、露點7.8℃訂正當日08時青島探空(圖4b)，發(fā)現(xiàn)CAPE高達1947.0 J·kg-1，比用青島站資料訂正后的CAPE大。對比圖4a 和4b還可以發(fā)現(xiàn)用日照實況訂正后的CAPE比青島的CAPE形態(tài)上更“胖”，即更有利于出現(xiàn)風雹類強對流天氣。從露點的廓線還可以發(fā)現(xiàn)，550 hPa 以上為濕層，940～550 hPa較干，濕度廓線既不是上干下濕的濕下?lián)舯┝餍螒B(tài)，也不是下喇叭口的干下?lián)舯┝餍螒B(tài)，且下沉對流有效位能(DCAPE)只有20.5 J·kg-1，并不是產(chǎn)生雷暴大風的典型特征。但從溫度廓線的分布可見，14時氣溫上升后，日照上空已經(jīng)完全消除了近地面的逆溫層，CIN為0 J·kg-1，800 hPa以下溫度直減率接近干絕熱遞減率，有利于產(chǎn)生雷暴大風。

圖4 2021年4月29日分別用(a)青島和(b)日照14時氣溫、露點訂正青島08時T-lnp圖

綜上所述，事故發(fā)生當天，環(huán)境條件是有利于強對流天氣發(fā)生的，溫度的垂直分布特征是有利于出現(xiàn)雷暴大風，但濕度的垂直分布并不是典型雷暴大風的形態(tài)。那么10級以上的雷暴大風是如何產(chǎn)生的？

3.2 陣風鋒

12:20初始對流單體在山東省淄博市的淄川、博山一帶被觸發(fā)，單體生成后快速向東南方向移動并發(fā)展，范圍擴大，統(tǒng)稱其為青島雷暴。青島雷暴在向東南方向快速移動的同時，其南側(cè)萊蕪和前側(cè)濰坊境內(nèi)均有新單體生成并快速發(fā)展。14:21在濰坊到青島一帶青島雷暴逐漸與周邊單體合并加強，并繼續(xù)向東南方向移動，仍稱其為青島雷暴。此時強回波中心位于青島境內(nèi)，其西南部位于日照市西北部的五蓮、莒縣境內(nèi)。此時青島雷暴呈現(xiàn)出后向傳播的特征，其西南方向，在臨沂境內(nèi)開始有新單體生成(圖略)。

14:56青島雷暴的西南側(cè)開始出現(xiàn)陣風鋒(圖5a)，由于此時陣風鋒距離雷達較遠，距地高度為1.8 km，因此雷達反射率因子較弱，范圍較小。陣風鋒隨著青島雷暴快速向東南方向移動，距地高度逐漸降低，其形態(tài)特征逐漸明顯(圖5b)，15:19陣風鋒入海(圖5c)。15:30陣風鋒位于日照港東南方向22 km左右，形態(tài)為非常完整的弧狀窄帶回波(圖5d)。此后陣風鋒繼續(xù)向東南方向移動，其形態(tài)特征更加顯著，其寬度也較初始階段時顯著增加(圖5e，5f)。該陣風鋒移動速度較快，利用PUP測距功能估測其移動速度為76 km·h-1(21 m·s-1)。俞小鼎等(2020)指出，移動速度大于15 m·s-1的陣風鋒容易造成雷暴大風。本例中的陣風鋒移動速度遠遠大于15 m·s-1，產(chǎn)生了10～13級雷暴大風。事實上，陣風鋒持續(xù)時間很長，16時以后，雖然連云港雷達上看不到陣風鋒了，但從青島雷達上，仍然可以清晰地看到陣風鋒(圖5g～5i)，該陣風鋒一直持續(xù)到16：32，之后可能由于距離雷達較遠，觀測不到了。

圖5 2021年4月29日(a～f)連云港雷達,(g～i)青島雷達0.5°仰角反射率因子陣風鋒演變

綜上所述，事故當天，雖然日照只處于青島雷暴的邊緣，強度中等，但其產(chǎn)生了明顯的陣風鋒，陣風鋒持續(xù)時間長達90 min以上，并且雷暴和陣風鋒的移動速度很快，達到76 km·h-1(21 m·s-1)，造成所經(jīng)之地產(chǎn)生10～13級雷暴大風。那么，中等強度的對流風暴如何能產(chǎn)生強度強且持續(xù)時間如此之長的陣風鋒？

3.3 密度流

從14時地面2 m氣溫(圖6a)的分布可見，受日變化影響，山東境內(nèi)有兩個溫度脊，一個在濰坊北部，另一個在魯東南的臨沂、日照一帶，二者之間在濰坊中部到青島西部為對流降水造成的中心氣溫為18℃的冷池。冷池中心與魯東南24℃暖區(qū)之間形成溫度鋒區(qū)。同時次1 h變溫(圖6d)可見，對流區(qū)域1 h負變溫中心高達-3.6℃，而魯東南一帶1 h正變溫中心最大值為1.7℃?？梢?，受日變化影響，在近地面氣溫處于上升的時間，冷池中心氣溫不但沒有上升，反而1 h氣溫下降3.6℃，造成冷池與魯東南暖脊(冷池的下游方向)之間空氣密度差異顯著增大，產(chǎn)生較大的密度流。

圖6 2021年4月29日(a,d)14時，(b,e)15時，(c,f)16時(a～c)地面2 m氣溫和(d～f)1 h變溫(單位：℃)

15時，冷池中心向東南方向移到濰坊東南部到日照、青島一帶，中心最低氣溫只有14℃(圖6b)，1 h 負變溫中心諸城站高達-7.7℃(圖6e)。在日變化為正變溫的時刻，出現(xiàn)這么大的負變溫，導致冷池與其下游之間密度差快速增大，密度流強度增大。

16時，冷池中心從青島入海(圖6c)，但從1 h變溫可見，負變溫中心移至黃島和日照，黃島站1 h變溫為-7.1℃，而上一時次負變溫中心諸城站本時次為正變溫2℃。由此說明15—16時劇烈的負變溫完全是由小尺度對流產(chǎn)生的冷池造成的，冷池所到之處劇烈降溫，離開之處氣溫上升。

由此可見，在濰坊境內(nèi)對流形成的地面冷池與日照暖溫度脊之間形成強烈的溫度梯度，產(chǎn)生較大的密度流，進而造成地面出現(xiàn)10～13級雷暴大風。由于初始對流形成的冷池在濰坊的中部，冷池在向南移動的過程中覆蓋日照市全境，卻只影響青島市的南部沿海地區(qū)。其次，青島受海洋影響較大，其沿海地區(qū)日最高氣溫明顯低于日照，故青島境內(nèi)的鋒區(qū)梯度比日照弱。因此青島市10級以上雷暴大風的強度比日照弱，范圍比日照小。

那么，如此之強的密度流是如何產(chǎn)生的？

3.4 蒸發(fā)降溫

從前面的分析可知，諸城站2 m氣溫的降溫幅度最大，1 h降溫高達7.7℃。從該站的時間-高度剖面(圖7a)可見，08—12時該站上空975～850 hPa為位勢不穩(wěn)定層結(jié)，且低層的假相當位溫θse隨時間逐漸增大，說明低層大氣的能量在逐漸增大。但低層相對濕度較小，飽合層位于550～350 hPa。該站上空從11時開始有上升運動(圖7b)，之后上升運動逐漸增強，直到14時，上升運動達到最強，最大上升速度為-2.5×10-2hPa·s-1；并且該站上空的水汽條件在本時次700 hPa有一個飽合層，而該層正好是θse暖脊的頂端(圖7a)。從雷達回波可見，上游雷達回波剛好此刻移至該站上空，導致該站15時、16時先后出現(xiàn)0.2 mm、0.4 mm降水。

從上述分析發(fā)現(xiàn)，14時之前盡管諸城站上空有垂直上升運動和不穩(wěn)定層結(jié)，但由于水汽不飽合，故無法產(chǎn)生降水，直到上游降水回波移至本站上空時，才產(chǎn)生了弱降水。諸城出現(xiàn)降水的14—16時(圖7a黑框區(qū))，900 hPa(圖7a中黑色直線)以下相對濕度小于60%。從該站相對濕度的時間演變可見，在降水未發(fā)生時刻08—11時，900～700 hPa相對濕度低于30%，12時以后相對濕度逐漸增大，2 h以后開始出現(xiàn)降水。這說明900～700 hPa大氣本身非常干燥，本地濕度增大一方面由于天氣尺度上升運動造成的，另一方向是外地降水回波移入造成的。研究表明，水凝物重力向下的拖曳作用在下沉氣流的啟動中起了重要作用，但在隨后的演化中，降水蒸發(fā)對下沉氣流的加速作用遠大于凝結(jié)物拖曳的加速作用(俞小鼎等，2020)。當700 hPa以上產(chǎn)生的降水粒子在下降過程中，受到干燥的環(huán)境大氣影響，不斷蒸發(fā)，在增加了700 hPa以下環(huán)境大氣相對濕度的同時，也使環(huán)境空氣的氣溫急劇下降，形成與周邊環(huán)境大氣溫差較大的冷池。從諸城站氣溫的垂直分布(圖7b)可見，13時880 hPa(圖7b中黑色直線)以下氣溫開始下降，15時達到最低，冷池厚度為120 hPa，持續(xù)時間為2 h。一般情況下天氣尺度系統(tǒng)造成的降溫持續(xù)時間更長，2 h的時間尺度應該是小尺度天氣系統(tǒng)造成的降溫。但冷池的垂直厚度高達120 hPa(超過1 km)，足以說明冷池的強度較強。因此，由于對流層中低層大氣干燥，高空水凝物降落過程中蒸發(fā)冷卻，在近地面層形成一個水平尺度為100 km、垂直尺度為1 km的冷池。強烈的冷池從空中重直向下直沖地面，一方面產(chǎn)生很大的下落加速度造成下?lián)舯┝?，另一方面在近地面產(chǎn)生強大的密度流。

圖7 2021年4月29日08—20時諸城站及氣象要素的(a)假相當位溫(紫色實線，單位：K)，(b)氣溫(紅色實線，單位：℃)時間-高度剖面

從日照到青島(圖8a中棕色線)做15時垂直剖面圖(圖8b)，青島市上空300 hPa以下相對濕度大于70%，其中750～350 hPa大于90%，并且950～550 hPa為輻合，550 hPa以上為輻散，形成低層輻合高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)，有利于青島雷暴的發(fā)展(圖8a)。而日照市低層輻合較弱，整個對流層相對濕度小于70%，并且整層為西北風，不利于雷暴發(fā)展，故當?shù)乩妆┹^弱(圖8a)。但是，由于日照上空整個對流層均較干，降水粒子在下落過程中的蒸發(fā)作用大于青島，增大了日照市冷池的強度。

圖8 2021年4月29日15時(a)組合反射率因子及(b)沿日照和青島的剖面

3.5 多尺度系統(tǒng)疊加

對比圖1a和圖2可知，對流風暴主要位于濰坊、青島和日照一帶，對流風暴產(chǎn)生了7～12級雷暴大風，但在非對流區(qū)仍有6～9級大風。那么，什么原因造成了非對流區(qū)的大風？對流區(qū)與非對流區(qū)的大風有何關系？

3.5.1 氣旋的演變趨勢

由于海上沒有地面觀測資料，故氣旋分析主要根據(jù)ERA5逐小時再分析資料。29日08時(圖略)從內(nèi)蒙古東部經(jīng)河北省東北部、天津到河北省南部為一條東北—西南向的低壓帶，低壓帶內(nèi)分別在內(nèi)蒙古、天津和河北省南部各有一個閉合低中心。河北省南部的閉合低中心與本次大風有直接關系，故稱其為氣旋中心。氣旋中心隨時間逐漸向東南方向移動(圖9a)，14時氣旋中心入海。之后氣旋逐漸向偏東方向移動。氣旋后部從河北省到山東省中西部地區(qū)為強大的冷高壓。對比圖1a和圖9a可知，非對流區(qū)域的大風是氣旋及其后部的冷高壓造成的系統(tǒng)性大風。

從氣旋中心氣壓隨時間演變可知(圖9b)，其中心氣壓從08時開始隨時間逐漸降低，其中12—13時1 h氣壓下降幅度最大，1 h變壓高達-1.4 hPa。之后中心氣壓繼續(xù)下降，15時中心氣壓達到最低997.4 hPa，之后氣壓逐漸上升。山東省14時3 h變壓的氣候值為-2.0～-1.0 hPa(肖安和許愛華，2018)，故1 h變壓的氣候平均值為-0.7～-0.3 hPa。對比之下可知，“4·29”氣旋在入海過程中 1 h 變壓是氣候平均值的2.0～4.7倍，增強速度非?？?。可見氣旋在入海過程中強度持續(xù)增強，入海后在14—15時強度達到最強，氣旋后部在非對流區(qū)和對流區(qū)均產(chǎn)生了大風。

圖9 2021年4月29日(a)14時海平面氣壓(圓點:08—20時逐小時氣旋中心位置，紅色圓點:14時氣旋中心位置),(b)08—20時氣旋中心氣壓演變

3.5.2 冷池小高壓與大尺度氣旋的疊加效應

29日上午，山東省內(nèi)陸地區(qū)氣溫逐漸上升，13時形成了由魯西南菏澤向東北方向伸展到濰坊的暖溫度脊(圖10a)，暖脊的頂端在濰坊南部為地面氣旋中心。河北境內(nèi)為冷高壓中心。對流單體出現(xiàn)在地面輻合線后部北風區(qū)、暖脊頂端偏冷區(qū)一側(cè)、氣壓梯度較大區(qū)域偏低壓一側(cè)。

14時(圖10b)，隨著雷暴的發(fā)展，在濰坊市安丘形成一個18℃冷中心。此時魯東南從臨沂到日照一帶由于日變化正處于氣溫上升期，因此在安丘與諸城之間(兩站間距為52 km)出現(xiàn)5℃的溫度梯度，形成9.6℃·100 km-1的溫度鋒區(qū)，造成兩站之間氣壓梯度增大。同時可以發(fā)現(xiàn)，此時的地面氣旋中心移至濰坊、青島和日照交界處，氣旋中心正好位于諸城附近。對比圖10a和10b可見，來自河北的冷高壓自西北向東南直沖日照而來。因此天氣尺度高低壓之間的氣壓梯度大值區(qū)以及小尺度的冷池小高壓與環(huán)境氣溫之間形成的鋒區(qū)正好疊加在一起，造成冷池前沿氣壓梯度快速增大。從1 h變壓(圖11a)可見此時在濰坊西部到淄博南部為1.5 hPa 的正變壓中心，而黃島(位于青島西南部沿海，緊臨日照東北部沿海)為-1 hPa的負變壓中心，形成由正變壓中心指向負變壓中心的變壓風(西北風)。

圖10 2021年4月29日(a)13時，(b)14時，(c)15時，(d)16時地面2 m氣溫(紅色細實線，單位：℃)、海平面氣壓(黑色粗實線，單位：hPa)、10 m風(風羽)和組合反射率因子(填色)

15時(圖10c)，地面冷池向東南方向移動，范圍擴大，16℃的閉合冷中心東西橫跨近100 km。冷池中心14.3℃位于高密，該站1 h降溫幅度高達-5.3℃，其西南側(cè)的諸城站1 h降溫幅度高達-7.7℃。與冷池中心相配合形成了一個中心為1002.3 hPa的小高壓。此時入海氣旋的中心位于青島市的黃島，中心氣壓為996 hPa，與冷池小高壓中心五蓮之間的氣壓梯度高達8.4 hPa·100 km-1。從圖10c 還可以看到，大尺度的冷高壓中心位于河北與山東交界處，高壓中心為1003 hPa。對照圖10a～10b可見，大尺度高壓前沿1001 hPa等值線的移動速度小于100 km·h-1。大尺度天氣系統(tǒng)造成的1 h 變壓小于1 hPa(圖11b)，而冷池小高壓造成正變壓中心位于濰坊南部到日照東北部，日照市的五蓮站1 h變壓高達3.9 hPa，遠遠大于大尺度天氣系統(tǒng)的變壓幅度。同時由于受氣旋影響，黃島站1 h變壓為-1.8 hPa，兩站之間的變壓梯度高達7.6 hPa·100 km-1，形成強烈的變壓風。此時氣旋中心已入海，但由于海上沒有測站，無法知道氣旋中心準確的氣壓值，實際的變壓梯度可能大于7.6 hPa·100 km-1。2018年3月3日受颮線影響，浙江、安徽和江西出現(xiàn)大范圍雷暴大風，最大風63.9 m·s-1(17級)出現(xiàn)在江西鄱陽湖珠湖聯(lián)圩，地面最強1 h 變溫高達-15～-10℃，形成最強超過5 hPa的1 h正變壓(沈杭鋒等，2019)?！?·29”強對流的尺度和強度均小于該過程，但1 h變溫和變壓分別高達-7.7℃、-3.9 hPa，加之下游氣旋產(chǎn)生的負變壓，造成強烈的變壓梯度?？梢?，對流產(chǎn)生的冷池小高壓與大尺度氣旋之間的氣壓梯度劇烈增大，形成強烈的自西北指向東南的密度流，增強了雷暴大風的強度，造成在日照及其沿海一帶出現(xiàn)10～13級雷暴大風。

圖11 2021年4月29日(a)14時，(b)15時海平面氣壓1 h變壓

由于青島南部沿海處于氣旋東北象限，仍處于減壓階段，而日照處于氣旋后部的西北象限，大尺度的增壓與小尺度的冷池小高壓增壓在日照境內(nèi)疊加，造成日照境內(nèi)的密度流大于青島。

16時(圖10d)，冷池小高壓入海，原入海氣旋被小高壓沖擊斷裂為兩部分，一部分位于日照沿海(仍稱其為入海氣旋)，與入海小高壓之間形成強氣壓梯度。黃島與日照之間溫度梯度為5.0℃·100 km-1。此時氣壓梯度的方向由原來在陸地上的西北—東南向轉(zhuǎn)為東北—西南向，意味著密度流的方向?qū)l(fā)生改變。也就是說，隨著小高壓由陸地進入海洋，風的方向?qū)⒅饾u由西北風轉(zhuǎn)為偏北或東北風。而此時位于近海的漁船如果正好處于大風的轉(zhuǎn)向階段，漁船的不穩(wěn)定性增大，大大增大了漁船翻扣的可能性。

綜上所述，氣旋入海過程中強度逐漸增強，進入日照海域時強度達到最強。由于對流產(chǎn)生的地面冷池造成氣溫劇烈下降，在地面形成冷池小高壓，冷池小高壓剛好處于大尺度氣旋后部的日照境內(nèi)。一方面氣旋在入海過程中強度增強，氣壓快速下降，另一方面冷池造成氣壓劇烈上升，故小尺度冷池高壓與大尺度氣旋造成的減壓剛好無縫銜接，造成二者之間的氣壓梯度迅速增大，產(chǎn)生強烈的密度流。由于氣旋本體能產(chǎn)生6～9級大風，再疊加上冷池密度流，造成日照境內(nèi)及沿海產(chǎn)生10～13級雷暴大風。另外，冷池小高壓入海后氣壓梯度方向轉(zhuǎn)變造成風向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，增加了漁船翻扣的風險。青島發(fā)生對流時正處于氣旋的減壓階段，故青島市的密度流比日照弱。

3.6 高空動量下傳

對流風暴后部的中層入流加強下沉氣流，是形成地面大風的重要原因(梁建宇和孫建華，2012)。對流系統(tǒng)內(nèi)的下沉氣流可以將水平動量從高層帶到低層，在近地面產(chǎn)生較強的輻散氣流(張琳娜等，2018；張哲等，2018)。從圖3a可見08時500 hPa冷渦后部強盛的西北氣流從50°N以北地區(qū)一直向南直沖到長江下游以北地區(qū)，最大風速軸中心風速高達42 m·s-1，且最大風速軸直接向著山東中部移動。在這種強盛西北氣流引導下，青島雷暴及其南側(cè)陣風鋒的移動速度較快，移速高達76 km·h-1(21 m·s-1)，導致地面產(chǎn)生強度較大的大風。對流層西北風風速較大，下沉氣流中的降水粒子隨著雷暴一起移動，同時還拖曳著一些帶著同樣動量的周邊環(huán)境的空氣，下落到地面時會將西北風的動量帶到地面附近，增大下沉氣流的強度。當水平速度的分量存在?u/?z>0，且垂直速度ω>0，即產(chǎn)生動量下傳(朱男男和劉彬賢，2015)。利用ERA5再分析資料計算?u/?p<0與ω>0的疊加區(qū)域即為動量下傳區(qū)。本次過程中日照境內(nèi)最大風出現(xiàn)在叩官站，沿叩官站做時間-高度剖面圖(圖12a)發(fā)現(xiàn)，13—17時，該站上空300 hPa以下?u/?p均為負值，因此動量下傳主要取決于下沉運動。14時，該站上空為氣旋造成的上升運動區(qū)，但在近地面已開始出現(xiàn)弱的下沉運動。15時，該站上空下沉運動增強，800 hPa以下以及450～300 hPa均處于下沉運動控制，800～450 hPa雖然為上升運動，但上升運動強度明顯減弱。因此，從15:00開始該站上空上升與下沉運動并存，下沉運動逐漸增強，上升運動逐漸減弱，說明動量下傳開始起作用。15:00以后下沉運動強度增強，16:00達到最強，且下沉運動擴展到整個對流層，最大下沉運動中心(0.9 Pa·s-1)位于800 hPa，與-7.5×10-4m·s-1·hPa-1的?u/?p大值中心重合，說明此時動量下傳強度達到最強。從雷暴大風出現(xiàn)的時間分析，叩官站最大風速(33.7 m·s-1)出現(xiàn)時間為14:55，次大風速(24.3 m·s-1)出現(xiàn)時間為15:05。16:00動量下傳作用最強時，叩官站的風力已明顯減弱，那么動量下傳對叩官大風起到作用了嗎？沿著叩官站做15：00緯向剖面圖可見(圖12b)，雖然此刻該站上空下沉運動較弱，但其上游(西側(cè))下沉運動貫穿整個對流層，并且除了600～500 hPa較薄的一層外，整個對流層均處于?u/?p<0的狀態(tài)。與?u/?p<0的大值中心相對應的也是下沉運動的大值中心，最大下沉速度0.9～1.2 Pa·s-1與-12×10-4～-6×10-4m·s-1·hPa-1的?u/?p大值中心在800～700 hPa重合，說明此處動量下傳作用最強。大于0.6 Pa·s-1的下沉運動區(qū)隨著高度下降自西向東傾斜，說明粒子從高空下落過程中，會隨著西風自西向東移動，從而將高空動量向其下游地區(qū)的近地面?zhèn)鬟f，實現(xiàn)高空動量下傳。高空動量到達近地面后，又隨著冷池密度流繼續(xù)向下游地區(qū)推進，造成叩官站12級雷暴大風。因此，動量下傳在此次日照及其沿海10級以上雷暴大風過程中起到一定的促進作用。

圖12 2021年4月29日(a)叩官站13—17時的時間-高度剖面，(b)15時沿叩官站緯向剖面

4 結(jié) 論

通過對“4·29”山東近海10級以上雷暴大風的分析發(fā)現(xiàn)，快速移動的陣風鋒、強烈的密度流、蒸發(fā)降溫、多尺度天氣系統(tǒng)疊加、高空動量下傳等多種因素共同導致了此次10～13級雷暴大風事件。

東北冷渦后部強盛的西北氣流攜帶干冷空氣疊加在低層暖溫度脊之上，強烈的位勢不穩(wěn)定層結(jié)和垂直風切變等條件有利于山東省產(chǎn)生強對流天氣。陣風鋒持續(xù)時間超過90 min，移動速度為76 km·h-1(21 m·s-1)，造成所經(jīng)之地產(chǎn)生10～13級雷暴大風。

對流層中低層大氣干燥，高層水凝物下落過程中蒸發(fā)降溫，增大了環(huán)境空氣溫度直減率，一方面增大了粒子下落加速度，形成下?lián)舯┝鳎硪环矫娴孛胬涑亟禍貏×?，冷池厚度高達120 hPa，與魯東南環(huán)境大氣暖溫度脊之間產(chǎn)生強的密度流，增大了雷暴大風的強度。另外，在高空強勁的西北風引導氣流作用下，一方面青島雷暴和陣風鋒平流速度較快，另一方面高空動量下傳，增大了下沉氣流的角動量。

氣旋入海過程中強度增強，小尺度冷池造成的加壓與大尺度氣旋造成的減壓無縫銜接，二者之間的氣壓梯度增大，形成自西北指向東南的變壓風，與密度流疊加，造成地面大風強度增強。冷池小高壓入海后氣壓梯度方向轉(zhuǎn)變造成風向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，增加了漁船翻扣的風險。

本例中造成山東近海10級以上雷暴大風的青島雷暴主體位于青島境內(nèi)，雷暴主體在青島境內(nèi)和近海產(chǎn)生了8～11級雷暴大風，而處于風暴邊緣的日照及其近海卻出現(xiàn)了8～13級雷暴大風，且日照市10級以上雷暴大風的站數(shù)遠遠多于青島市。首先，在濰坊境內(nèi)形成的小尺度冷池向南移動過程中，覆蓋日照全境而只影響到青島的南部沿海地區(qū)。其次，青島受海洋影響大，沿海地區(qū)日最高氣溫遠遠低于日照，冷池與日照境內(nèi)的暖溫度脊之間的溫度梯度遠遠大于青島。第三，日照上空空氣干燥，蒸發(fā)作用導致的冷卻程度大于青島，導致日照境內(nèi)的冷池強度大于青島。第四，日照境內(nèi)小尺度的冷池加壓與大尺度氣旋后部的增壓疊加，與氣旋的減壓區(qū)形成強烈的變壓風。而青島發(fā)生對流時受氣旋影響處于減壓階段，故鋒區(qū)梯度和密度流強度均比日照弱。以上四種因素綜合作用，導致青島的雷暴大風范圍比日照小，強度比日照弱。在日常業(yè)務中，預報員主要的關注對象是對流風暴所經(jīng)地區(qū)，對于雷暴邊緣或弱雷暴影響區(qū)域，容易漏報或預報量級偏小。通過本例的分析發(fā)現(xiàn)，雷暴邊緣地區(qū)產(chǎn)生的大風強度大于雷暴主體區(qū)域，多尺度系統(tǒng)疊加和蒸發(fā)等起到重要作用。因此，加強對此類案例的分析總結(jié)，能加強預報員對于此類雷暴大風的認識，提高雷暴大風的預報能力。