張琴，孟偉，朱敏，張秀青，劉巖，韓國泳

(淄博市氣象局，山東 淄博 255300)

2016年6月13—14日山東強對流天氣過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)觀測資料、區(qū)域氣象觀測站資料和多普勒天氣雷達資料等，對2016年6月13—14日山東強對流天氣過程的中尺度特征、觸發(fā)條件及雷達回波等進行了分析。結(jié)果表明，冷渦前部高空槽和地面氣旋造成13日強對流天氣，高空冷渦和地面氣旋造成14日強對流天氣。高空干冷、低層暖濕氣流有利于大氣對流不穩(wěn)定度加大。13日對流系統(tǒng)由2個獨立的MαCS組成，14日則是由MβCS演變而成的MαCS系統(tǒng)。輻合線和干線是強對流天氣的觸發(fā)條件，兩者重合處能誘發(fā)對流單體強烈發(fā)展。移動路徑右偏中層引導風向、高空西北風的切入和地形因素是導致強降雹超級單體發(fā)展及持續(xù)存在的原因。6 h前的400～1 200 J·kg-1對流有效位能區(qū)域與降水落區(qū)對應較好。兩日強對流天氣過程的水汽均以西南向輸入、南北向輻合為主；14日過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、高低層正負位渦差的增大會造成更強的上升運動和對流不穩(wěn)定。

強對流天氣； 中尺度分析； 超級單體

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)強烈發(fā)展會導致強對流天氣的發(fā)生[1]。強對流常伴有雷暴、短時強降水、冰雹、強風(龍卷風)等災害性天氣。由于其突發(fā)性和局地性強，預報難度較大。多年以來，專家和學者對各類強對流天氣做了較為深入的分析研究，揭示了很多強對流天氣發(fā)生發(fā)展的規(guī)律和成因。郁珍艷等[2]對華北冷渦背景下4種強天氣的時空特征分布、對流強度特征等進行了統(tǒng)計，并計算了強天氣的對流參數(shù)。吳慶梅等[3]在分析北京一次對流暴雨過程時，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，對流天氣發(fā)生。許新田等[4]對比了陜西兩次強對流冰雹天氣過程時，指出強的不穩(wěn)定層結(jié)和一定的外部抬升力條件是產(chǎn)生強對流天氣的共同物理特征，對流層低層的逆溫層更有利于深厚對流活動的產(chǎn)生。吳國雄等[5]證明絕熱無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，從而導致暴雨的發(fā)生。王立榮等[6]統(tǒng)計分析了對流參數(shù)的氣候特征，對預報有指示作用。濕位渦不僅表征了大氣動力、熱力屬性，而且還考慮了水汽的作用，濕位渦與對稱不穩(wěn)定有很好的對應關(guān)系，濕位渦的分析能更全面有效地描述對流的發(fā)生發(fā)展。

2016年6月13日下午至14日夜間，山東出現(xiàn)兩天強對流天氣，部分地區(qū)出現(xiàn)冰雹、大風天氣，這次強對流天氣分布范圍廣，強度大，影響區(qū)域達30多個縣(市區(qū))。本文利用天氣學診斷分析方法、雷達探測資料分析，對兩天強雷雨天氣的特征和形成原因進行了較為詳細的分析和探討，以期進一步加深對山東地區(qū)強對流天氣認識，為提升此類天氣的預報預警能力提供參考。

1 天氣實況

圖1a為13日08:00—14日11:00降水量和強對流天氣分布。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，鄆城是強降水中心。大于60 mm/h的短時強降水站點有5個，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。降雹站點有4個，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降水量和強天氣分布。降水量主要分布在魯中北部地區(qū)，一個中心位于淄川、博山附近，一個中心位于安丘附近。超過60 mm/h的短時強降水站點有3個，分別為金冢子、百尺河和大萊村。冰雹站點有4個，為肥城、章丘、淄川、莒縣，其中章丘冰雹直徑達20 mm。

總體來說，兩日強對流過程均出現(xiàn)了短時強降水、雷暴、冰雹天氣，給當?shù)卦斐蓢乐負p失。不同的是，13日過程以短時強降水為主，冰雹直徑較?。?4日過程以冰雹為主，降水量弱于13日。從位置上看，除德州附近站點，短時強降水與冰雹站點均出現(xiàn)在魯中山區(qū)周圍，說明兩次強對流的發(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)、短時強降水站點(大于60 mm/h；黑圓點)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 強對流天氣影響系統(tǒng)

6月13日14:00(圖2a)，500 hPa中高緯度環(huán)流形勢為兩槽一脊型，經(jīng)向型明顯。西伯利亞西部被一強大的阻塞高壓控制，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, 導致不穩(wěn)定層結(jié)出現(xiàn)。14日02:00，200 hPa高空圖(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始出現(xiàn)輻散與上升運動，對應地面出現(xiàn)降水最強時段。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，200 hPa高空圖(圖2d)顯示，14:00—20:00強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)，強烈的地轉(zhuǎn)偏差使山東上空輻散效應逐漸增強。低層700 hPa出現(xiàn)低空急流，山東位于急流前部，輻合增強。高低空急流耦合作用使山東地區(qū)上升運動增強，為強對流天氣提供了有利條件，促進風暴系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和組織。

從上面的分析可見，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，但強對流發(fā)生時均受到地面氣旋引導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日高空急流導致的輻散更強，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(實線；單位：gpm)、850 hPa風場、相對濕度場(填色為相對濕度；單位：%)(a,c)和200 hPa全風速場(實線；單位：m/s)、散度場(填色為散度；單位：10-6 s-1)、700 hPa風場(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TBB≤-52 ℃的β-中尺度對流系統(tǒng)(MβCS)，系統(tǒng)逐步向東移動并迅速發(fā)展。17:00，該系統(tǒng)移至山東中西部，并發(fā)展為α-中尺度對流系統(tǒng)(MαCS)，TBB≤-32 ℃的面積接近于4×104km2(4個1°×1°網(wǎng)格點)。魯西北TBB等值線十分密集，導致德州21個站出現(xiàn)大于20 mm/h短時強降水。同時，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1°×1°網(wǎng)格點)，冷云中心TBB≤-65 ℃，云頂已穿過對流層頂，對流發(fā)展十分旺盛，對應71 站出現(xiàn)短時強降水，6站小時降水量達到25 mm以上。04:00以后，冷云蓋慢慢分散，對流云體變?nèi)?，強對流天氣也相應減弱。14日17:00，魯西北對流云團迅速發(fā)展成為MαCS，面積為6×104km2。18:00，魯西北的西部出現(xiàn)TBB≤ -65 ℃的深對流中心，面積小于13日夜間。20:00—23:00，云團逐漸向東南方向移動，對應降水最強時段，大于20 mm/h短時強降水站數(shù)大于50個。15日00:00，云團東移入海，強對流天氣結(jié)束。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，強對流天氣過程均是由MαCS造成的，13日強對流是由2個獨立的MαCS組成，影響時間達十幾個小時；14日強對流過程的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個不同的心肌組織樣品溶液進行測定，每個樣品各取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、同時分析，計算加標回收率。

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 雷達回波特征及演變

由濟南SA雷達2016年6月13—14日組合反射率的演變(圖4)可見，2016年6月13日14:03(圖4a)在雷達站西北側(cè)的寧津、樂陵附近出現(xiàn)多單體風暴。15:47對流單體A反射率因子超過65 dBz，回波頂高12 km，低層存在弱中氣旋，說明上升氣流旺盛。單體A為強單體風暴，陵縣降雹，短時強降水達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。進入臨邑后，帶來臨邑站76.6 mm/h的短時強降水。單體A與西南方向新生成的對流單體一起排列成東北—西南走向的斷續(xù)型對流帶，成為由多個對流單體組成的尺度在100 km左右的中尺度對流系統(tǒng)——颮線。其中，對流單體A經(jīng)過濟南時再次加強，給濟南帶來了大范圍降水。

13日17:00，雷達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)的對流單體B(圖4d箭頭)回波強度達到65 dBz以上，回波頂高達19 km，造成了肥城的冰雹大風天氣，冰雹直徑達8 mm。19:02對流單體C(圖4e箭頭)發(fā)展到最強階段(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、強度和高度明顯低于單體B，給汶上帶來72.8 mm/h強降水、2 mm冰雹。22:02(圖4i)，山東以西有多單體風暴生成。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濟南SA雷達組合反射率因子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濟南SA雷達站0.5°仰角雷達反射率因子(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左右濟南雷達站東北側(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，北側(cè)單體E向東北方向移動。16:31—17:07單體D頂高達14 km，回波強度大于65 dBz、有高懸垂質(zhì)心、長達40 km的三體散射(TBSS)，中等強度中氣旋，為典型的超級單體特征。所經(jīng)地區(qū)，章丘出現(xiàn)強降水和直徑為20 mm的冰雹，淄博市有7個站超過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。隨著超級單體D向東移動，TBSS消失，證明單體內(nèi)大粒子減少，給臨朐造成50 mm/h的短時強降水。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，回波相對零散，20:00回波成團狀，21:30消失，山東降水結(jié)束。

3.3 強對流天氣觸發(fā)機制

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

圖6為地面自動站流場和露點溫度分布。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)星云圖上對流云團迅速發(fā)展，雷達圖上對流單體生消旺盛。其中，陵縣附近的對流單體A沿著干線移動，于14:33增強到65 dBz以上，發(fā)展為超級單體，造成陵縣的冰雹和短時強降水。17:00魯西北的輻合線向東南移動，其南側(cè)也出現(xiàn)一條顯著的輻合線，新生對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，當輻合線與其交匯時，引起對流單體的強烈發(fā)展。對應雷達圖上顯示，17:00—19:00魯中西部先后有兩個對流單體發(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到魯南地區(qū)，單體在西北風的作用下整齊排列，形成颮線。輻合線最西端與干線重合處輻合發(fā)展，強烈的上升氣流促使對流單體增強為雹暴單體C，汶上出現(xiàn)冰雹天氣。

圖6 13日14:00—20:00地面自動站露點溫度(a，b；單位：℃)和流場(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僅移動了1個緯距。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，發(fā)展為超級單體風暴，出現(xiàn)20 mm大冰雹。

圖7 14日17:00地面自動站露點溫度(a；單位：℃)和流場(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，13日過程中，輻合線與干線是強對流天氣的觸發(fā)條件，對流單體沿著輻合線排列。在輻合線與干線重合處，對流單體強烈發(fā)展。因此，在強對流天氣的預報中，應著重關(guān)注輻合線與干線的配合。14日過程中，干線是觸發(fā)強雹暴單體D發(fā)生發(fā)展的條件之一。

3.4 風切變、路徑及地形對單體D發(fā)展的影響

研究表明，風暴單體越強，右偏高空風越多，風暴單體通過右移，使環(huán)境風垂直風切變產(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^程中轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睖u度，使主上升氣流的旋轉(zhuǎn)得到加強維持[11]。圖8a是致災單體D與北部單體E的路徑圖。15:04—16:15，濟南雷達風廓線圖顯示整層為西南風(210°)，單體D、E初生階段均向東移動，右偏中層引導風30°，兩單體發(fā)展迅速。16:15兩單體分別偏離中層引導風風向(210°)的右側(cè)(247°)和左側(cè)(195°)移動，單體D繼續(xù)加強，單體E開始減弱。濟南雷達VWP圖(圖8b)顯示，16:31開始，從高層8.5 km有強西北風出現(xiàn)，配合低層西南風，造成風向隨高度順轉(zhuǎn)。根據(jù)Klemp模式研究[12]，當風切變矢量隨高度順時針變化時，動力作用誘發(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。單體D的強度變化也與此理論相符。高空強西北風持續(xù)到17:30，共維持了1 h，其出現(xiàn)時間段對應著單體D的最強時段。一方面，西北風的出現(xiàn)有利于單體D上升氣流的加強；另一方面，高空西北風向低層下傳有利于垂直風切變的加強，為單體D的發(fā)展提供了有利條件。另外，單體D進入章丘和淄川時，均沿兩山之間的谷地移動，這種地形對于單體D的發(fā)生發(fā)展起到了抬升和維持作用，同時也對單體的移動起了導向作用[13]?？梢?，超級單體D的發(fā)展與移動路徑、高空西北風的出現(xiàn)和有利的地形均有關(guān)。因此，在預報對流單體的發(fā)展趨勢時要綜合考慮各個因素的配合。

圖8 對流單體D、E的路徑(a)和6月14日16:38—17：36雷達VWP(b；橢圓區(qū)為西北風區(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 強對流天氣診斷分析

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(黑實線；單位：J·kg-1)、850 hPa相對濕度(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 對流不穩(wěn)定能量與降水落區(qū)

對流有效位能CAPE和6 h降水量的疊加圖(圖9)顯示。13日14:00(圖略)，CAPE從魯西南向東擴展，高能區(qū)擴大到山東大部分地區(qū)。20:00等值線開始西撤，降水落區(qū)主要位于魯西北，最強為德州市，對應14:00，CAPE為400～1 200 J·kg-1區(qū)域，同時，從700 hPa相對濕度來看，降水區(qū)域?qū)獫裆唷?4日02:00(圖9c)，CAPE高能區(qū)西撤，降水落區(qū)為整個山東西南部地區(qū)，對照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)。隨著第一次強對流過程結(jié)束，14日08:00，CAPE高能區(qū)擴大至山東大部，中心為2 000 J·kg-1。14:00高能區(qū)向西南擴展，山東中部對應400～1 200 J·kg-1區(qū)域，與20:00降水落區(qū)相吻合。從相對濕度來看，20:00山東中部對應濕舌?？梢?，兩次過程降水落區(qū)與6 h前的CAPE場400～1 200 J·kg-1的位置對應關(guān)系較好，與700 hPa相對濕度大于70%位置對應關(guān)系較好?？紤]其疊加區(qū)，可對強對流天氣起到一定的預示作用，但由于過程降水與動力、熱力等條件均有密切關(guān)系，對流有效位能只能作為強對流天氣的基本影響因子來參考。

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 水汽來源及收支分析

本研究對水汽通量從地面到700 hPa進行積分(圖10)，從13日08:00開始，山東、河南東部、安徽西部水汽通量開始增大。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，對應山東西部出現(xiàn)短時強降水。山東中部水汽通量值較小，對應肥城、汶上、嘉祥等強降雹區(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、濟南的短時強降水提供水汽，降雹則發(fā)生在山東中部水汽通量很低的濟南淄博等地?？梢姡^程中低層水汽來源主要為魯西南，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對流天氣過程中的變化，計算了山東4個邊界(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，北邊界由輸出開始轉(zhuǎn)為輸入，說明渤海灣的水汽開始向省內(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^程水汽均以西南向輸入、南北向輻合為主。不同的是，14日過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)、南(紅)、北(綠)邊界水汽收支隨時間的變化(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是一個綜合反映大氣動力、熱力和水汽性質(zhì)的物理量。它不僅表征了大氣動力、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迫和降水質(zhì)量強迫的雙重影響，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決定。正值大值區(qū)一般與冷空氣有關(guān)，負值或小的正值代表大氣的對流不穩(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負值區(qū)，對流不穩(wěn)定開始出現(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)從對流層中層向北侵入到山東上空。同時，MPV零線抬升至550 hPa，山東南部低層出現(xiàn)中心為-0.4 PVU的負值中心，說明暖濕空氣流入。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，低層負異常中心增大至-0.8 PVU，且覆蓋整個山東，上下層正負濕位渦之差的增大使對流不穩(wěn)定增強。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，山東上空沒有明顯的干空氣，且低層MPV負異常減弱。圖中顯示山東對應大范圍的整層上升運動與充沛的水汽，可能主要是通過高空兩支急流的疊加區(qū)形成強烈的抽吸作用而觸發(fā)加強的抬升運動。

圖12 位溫(黑色虛線；單位：K)、相對濕度(填色；單位：%)、垂直風速(單位：Pa·s-1)、濕位渦(紅實線；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高空分別對應舌狀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)，整個異常區(qū)跨度達10個緯度以上，同時，2 PVU下傳到370 hPa。兩干區(qū)合并后導致山東上空600 hPa以上均對應小于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，同時濕度增大，高低層不穩(wěn)定再次增強。20:00的MPV異常區(qū)開始收窄，干區(qū)范圍擴大，負MPV異常區(qū)增強并穩(wěn)定維持，上下層正負位渦之差達到最大，明顯強于13日。同時，根據(jù)位渦理論，正位渦異常區(qū)下傳會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，有利于上升運動的發(fā)展。圖12e、f可見，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)整層上升運動，從而觸發(fā)短時強降水的發(fā)生。15日02:00，MPV收窄成條狀，干區(qū)減小，山東低層負異常減弱，大氣趨于穩(wěn)定，過程結(jié)束。

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

5 結(jié)論

本文對發(fā)生在山東地區(qū)的大范圍強對流天氣的環(huán)境場、動力熱力特征、雷達回波特征及觸發(fā)機制等進行了分析，得到以下結(jié)論：

1)冷渦前部高空槽與地面氣旋造成13日強天氣，高空冷渦和地面氣旋造成14日強天氣。強天氣發(fā)生時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日強天氣過程的中尺度系統(tǒng)為由2個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)造成強天氣的4個單體中，2個為超級單體，其中，14日的超級單體D為強降雹單體。地面自動站顯示，輻合線和干線觸發(fā)13日過程，兩者重合處，誘發(fā)單體強烈發(fā)展；干線是超級單體D的一個抬升條件。另外，移動路徑、高空西北風的出現(xiàn)和地形因素也是導致單體D成為強降雹單體持續(xù)發(fā)展的原因。

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

[1] 陶詩言.中國之暴雨[M].北京:科學出版社,1980:1-7.

[2] 郁珍艷,何立富,范廣洲,等.華北冷渦背景下強對流天氣的基本特征分析[J].熱帶氣象學報,2011,27(1):89-94.

[3] 吳慶梅,張勝軍,劉卓,等.北京一次對流暴雨過程的干冷空氣活動及作用[J].高原氣象,2015,34(6):1690-1698.doi:10.7522/j.issn,1000-0534.2014.00081.

[4] 許新田,王楠,劉瑞芳,等.2006年陜西兩次強對流冰雹天氣過程的對比分析[J].高原氣象,2010,29(2):447-460.

[5] 吳國雄,蔡雅萍,唐曉菁.濕位渦和傾斜渦度發(fā)展[J].氣象學報,1995,53(4):378-405.

[6] 王立榮,王麗榮,匡順四,等.對流參數(shù)氣候特征在短期預報中的應用[J].氣象與環(huán)境學報,2008,24(5):38-41.

[7] 夏冠聰,壽紹文.一次梅雨鋒暴雨的數(shù)值模擬及位渦診斷[J].南京氣象學院學報,2007,30(4):538-545.

[8] 丁一匯.高等天氣學[M].北京:氣象出版社,2005:315-326,410-411.

[9] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學原理與方法[M].4版.北京:氣象出版社,2000:48-50,449-453.

[10] 劉兵,戴澤君,胡振菊,等.張家界多個個例降雹過程對比分析[J].氣象,2009,35(7):29-30.

[11] 陳秋萍,陳其川,馮晉勤,等.“2012.4.11”兩個強降雹超級單體特征分析[J].氣象,2015,41(1):25-33.

[12] Klemp J B.Dynamics of tornadic thunderstorms[J].Ann Rev Fluid Mech,1987,19:369-402.

[13] 張婷婷,王培濤,王鳳嬌.一次長壽命超級單體風暴雷達回波特征分析[J].海洋氣象學報,2017,37(1):98-103.

[14] 高守亭,雷霆,周玉淑,等.強暴雨系統(tǒng)中濕位渦異常的診斷分析[J].應用氣象學報,2002,13(6):662-670.

[15] 井喜,高青云,楊靜,等.兩個不同降水量級的MCC對比分析[J].高原氣象,2011,30(2):328-337.

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日山東強對流天氣過程的中尺度特征及成因分析[J].海洋氣象學報,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

國家自然科學基金項目(41475041)；中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室重點課題(2014LASW-A03)；山東省氣象局預報員專項(SDYBY2015-9)

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