陳華凱，呂偉綺，王逸鵬

(山東省德州市氣象局，山東 德州 253078)

0 引言

雷暴是山東主要的災(zāi)害性天氣之一，秋季是一年之中雷暴日數(shù)較少的季節(jié)。進(jìn)入秋季后，受到大陸冷高壓影響，大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，暖濕氣流減弱，對流天氣明顯減少。有時(shí)秋季溫度偏高，暖濕空氣較為強(qiáng)盛，當(dāng)有強(qiáng)冷空氣東移南下，低層暖濕空氣就會(huì)被迫抬升，形成對流不穩(wěn)定，就會(huì)產(chǎn)生雷暴天氣[1-5]。隨著全球氣候變暖，極端天氣頻發(fā)，雷暴終日有延后的趨勢，秋季雷暴發(fā)生率更是有所增長。針對雷暴天氣，許多學(xué)者做過很多有意義的研究[6-14]。山東的雷暴天氣主要集中在5—8月，秋季的區(qū)域性強(qiáng)雷暴天氣較為罕見，容易被忽視，更易給人民生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響，因此加強(qiáng)山東秋季雷暴的成因分析研究十分必要。本文利用ERA5逐小時(shí)再分析資料、常規(guī)觀測資料、FY-2G衛(wèi)星資料、閃電定位資料及雷達(dá)資料對此次山東強(qiáng)雷暴過程進(jìn)行診斷分析，以期積累此類天氣的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣背景分析

2019年11月2日20時(shí)—3日06時(shí)山東出現(xiàn)了強(qiáng)雷暴天氣，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水，此次強(qiáng)雷暴過程打破了山東魯西北地區(qū)雷暴終日記錄，是一次罕見的秋季強(qiáng)對流天氣。11月2日08時(shí)500 hPa高空圖上寬廣深厚的高空槽從河套伸至華北，山東位于槽前西南氣流中，高原東部有南支槽活動(dòng)。高空槽后的西北氣流引導(dǎo)中高層干冷空氣從內(nèi)蒙古南下到華北地區(qū)，700 hPa和850 hPa上山西到河北中部均存在輻合切變線，850 hPa黃淮到華北南部有大于等于6 ℃的暖區(qū)，魯西南到魯西北有大于等于8 ℃的暖脊。低層受小尺度暖空氣團(tuán)和日變化影響，午后熱力條件有所加強(qiáng)，出現(xiàn)相對暖而干的狀態(tài)，加強(qiáng)了不穩(wěn)定能量的累積。20時(shí)500 hPa高空槽東移與北上的南支槽合并加強(qiáng)發(fā)展，700 hPa(圖1a)山東西部有明顯冷切，850 hPa(圖1b)有低渦切變線。隨著槽后冷空氣補(bǔ)充南下，提供動(dòng)力抬升條件，同時(shí)又加強(qiáng)了不穩(wěn)定層結(jié)發(fā)展，魯西北地區(qū)從20時(shí)開始出現(xiàn)雷暴天氣。由于缺少低空急流水汽輸送，導(dǎo)致對流區(qū)域內(nèi)整層濕度相對較低，不利于強(qiáng)雷暴天氣的長時(shí)間維持，到3日00時(shí)強(qiáng)雷暴天氣結(jié)束，3日08時(shí)系統(tǒng)基本已移出山東，降水過程結(jié)束。

圖1 2019年11月2日20時(shí)500 hPa高度場和700 hPa風(fēng)場(a)、850 hPa的風(fēng)場和溫度場(b)

2日08時(shí)地面圖上(圖略)，內(nèi)蒙古、東北和華北被冷性高壓控制，鋒面位于內(nèi)蒙和河北交界處，鋒區(qū)呈緯向分布，高壓前部東北氣流強(qiáng)盛，山東位于高壓前部，14—20時(shí)地面倒槽發(fā)展北伸，山東處于地面倒槽頂部，暖濕空氣被迫抬升，出現(xiàn)輻合上升運(yùn)動(dòng)，促使不穩(wěn)定能量得以釋放，導(dǎo)致強(qiáng)雷暴天氣發(fā)生。

2 物理量場分析

2.1 熱力條件

2.1.1 不穩(wěn)定層結(jié) 850 hPa和500 hPa溫差是秋季強(qiáng)雷暴發(fā)生的一個(gè)重要條件，溫差值越大，強(qiáng)對流越容易發(fā)生。11月2日20時(shí)，500 hPa與850 hPa的溫度場在山東地區(qū)狀態(tài)分布剛好相反，500 hPa冷槽對應(yīng)著850 hPa暖脊。高空槽后有-20 ℃冷中心相配合。同時(shí)850 hPa上有8 ℃暖中心在魯中到魯西北一帶，高低層溫差大于等于26 ℃(圖2a)。中高層空氣干冷，低層暖濕，形成層結(jié)不穩(wěn)定，有利于強(qiáng)雷暴天氣的發(fā)生發(fā)展。2日21時(shí)高空槽逐漸東移，850 hPa和500 hPa溫差仍然較大(圖2b)，不穩(wěn)定層結(jié)仍然穩(wěn)定維持，與山東出現(xiàn)大范圍強(qiáng)雷暴天氣的時(shí)空范圍基本一致。

圖2 2019年11月2日20時(shí)(a)、21時(shí)(b)850 hPa和500 hPa溫差及850 hPa風(fēng)場分布圖

2.1.2 假相當(dāng)位溫 θse是氣壓、溫度和濕度的函數(shù)，反應(yīng)了大氣的溫濕特征，其高能舌位置與強(qiáng)對流天氣密切相關(guān)。從假相當(dāng)位溫850 hPa水平分布來看(圖3a)，11月2日20時(shí)魯西南地區(qū)存在一個(gè)西南至東北向的θse高能舌并逐漸增強(qiáng)向北伸，在低空偏南氣流的作用下，不穩(wěn)定能量持續(xù)向魯西北輸送，魯西北處于θse大值區(qū)，θse值為305～310 K，山東夏季強(qiáng)雷暴發(fā)生時(shí)θse值一般為320～330 K[15],θse大值區(qū)較夏季強(qiáng)雷暴值偏小，3日00時(shí)(圖3b)高能舌逐漸減弱，魯西北地區(qū)強(qiáng)雷暴天氣也基本結(jié)束。θse水平分布中高能舌的位置跟強(qiáng)雷暴發(fā)生的區(qū)域?qū)?yīng)較好。

圖3 2019年11月2日20時(shí)(a)和3日00時(shí)(b)850 hPa假相當(dāng)位溫水平分布圖(單位：K)

2.2 動(dòng)力條件

上升運(yùn)動(dòng)是形成強(qiáng)雷暴天氣的主要因子。從2日20時(shí)700 hPa的垂直速度圖(圖4a)上可以看出山東北部地區(qū)有一個(gè)-1 Pa·s-1垂直速度大值區(qū)，850 hPa(圖4b)有一個(gè)-0.8 Pa·s-1垂直速度大值區(qū)，可見對流層輻合上升運(yùn)動(dòng)明顯，這一地區(qū)正是位于魯西北地區(qū)。2日22時(shí)700 hPa和850 hPa(圖略)垂直速度大值區(qū)依次增大至-1.4 Pa·s-1，上升運(yùn)動(dòng)得到進(jìn)一步加強(qiáng)，與山東出現(xiàn)強(qiáng)雷暴天氣的落區(qū)基本一致。山東夏季強(qiáng)雷暴發(fā)生時(shí)垂直速度值一般在-1.5～-2.5 Pa·s-1[15]，可以看出秋季強(qiáng)雷暴垂直速度值較夏季偏大，上升運(yùn)動(dòng)較夏季偏小。

圖4 2019年11月2日20時(shí)700 hPa(a)和850 hPa(b)垂直速度水平分布圖(單位：Pa·s-1)

2.3 探空要素分析

分析11月2日08時(shí)和20時(shí)章丘探空站要素值(圖略)可以看出08時(shí)對流有效位能(CAPE)值較小，接近于0。但20時(shí)增大到161 J·kg-1，增大趨勢明顯，說明白天由于太陽輻射加熱作用使得熱力不穩(wěn)定度增大，上升氣流強(qiáng)度增強(qiáng)明顯，有利于雷暴天氣的生成和發(fā)展。說明CAPE值的大值區(qū)或顯著增大區(qū)對強(qiáng)雷暴天氣有較好的指示作用[16]。2日抬升凝結(jié)高度(LCL)較低，08時(shí)和20時(shí)分別為864 hPa和865 hPa，說明需要的外力抬升作用較小，有利于雷暴天氣的發(fā)生。

3 衛(wèi)星云圖分析

晴天積雨云系表示大氣層級的狀況，一天內(nèi)它出現(xiàn)的時(shí)間越早，積云云團(tuán)越大，說明大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，越有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生[17]。亮溫云圖能較好地展現(xiàn)雷暴云團(tuán)的發(fā)展演變[18-19]。11月2日20時(shí)在魯西北地區(qū)上空有雷暴云團(tuán)發(fā)展，到22時(shí)雷暴云團(tuán)加強(qiáng)發(fā)展并由西南向偏東北方向移動(dòng)，低層入流區(qū)一直是發(fā)展的。從云圖可看出(圖5a、5b)，20時(shí)魯西北地區(qū)都處于TBB≤-22 ℃冷云區(qū)中，-30 ℃的冷中心位于魯西北東南部，22時(shí)是雷暴云團(tuán)發(fā)展最強(qiáng)盛的時(shí)候，TBB值為-32 ℃的冷云蓋范圍達(dá)到最大，中心主要位于德州到濱州一帶。此時(shí)雷暴云團(tuán)東南部等溫線比較密集，位于冷云蓋前方的溫度梯度較大，雷暴活動(dòng)較為劇烈。3日00時(shí)-30 ℃的TBB大值中心移出魯西北地區(qū)，強(qiáng)度也隨之減弱。山東夏季強(qiáng)雷暴發(fā)生時(shí)TBB值一般在-40～-60 ℃[20],因此可看出秋季強(qiáng)雷暴發(fā)生所需的TBB值較夏季偏高，對流云團(tuán)高度偏低。魯西北地區(qū)雷暴起止時(shí)間為2日20時(shí)—3日00時(shí)，說明雷暴發(fā)生在對流云團(tuán)發(fā)展最旺盛的時(shí)刻，強(qiáng)雷暴主要發(fā)生在雷暴云團(tuán)前方TBB梯度最大區(qū)域內(nèi)，隨著冷云蓋的移出，本次過程結(jié)束。

圖5 2019年11月2日20時(shí)(a)和22時(shí)(b)衛(wèi)星云圖TBB(單位：℃)和地閃的疊加分布(“+”為正地閃，“-”為負(fù)地閃)

4 雷達(dá)產(chǎn)品分析

4.1 反射率因子

濟(jì)南多普勒雷達(dá)顯示(圖略)，11月2日20時(shí)04分在河北衡水和山東德州、聊城交界處附近一小片線狀對流回波生成，并不斷發(fā)展向東南方向移動(dòng)。20時(shí)59分該回波移到濱州、德州、聊城一帶，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)范圍不斷增大，以上地區(qū)先后出現(xiàn)強(qiáng)雷暴天氣，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水?；夭ㄖ行姆瓷渎蔬_(dá)到45 dBz以上并穩(wěn)定維持，強(qiáng)回波繼續(xù)向東南方向移動(dòng)，一直維持到3日00時(shí)左右，此后強(qiáng)回波中心減弱為35 dBz，雷暴天氣結(jié)束，但強(qiáng)降水仍然持續(xù)，這與實(shí)況出現(xiàn)的強(qiáng)雷暴落區(qū)一致。

4.2 風(fēng)廓線

雷達(dá)風(fēng)廓線(VWP)產(chǎn)品顯示，11月2日20—22時(shí)(圖6a、6b)，850 hPa以下為東風(fēng)—東南風(fēng)，850～700 hPa為西南風(fēng)，500 hPa以上為偏西風(fēng)，風(fēng)向隨高度呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。850 hPa風(fēng)速約為6 m/s，500 hPa為14m/s，850～500 hPa垂直風(fēng)切變達(dá)8 m/s。1.5～5 km存在非常強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，有利于增強(qiáng)動(dòng)力抬升機(jī)制，對秋季雷暴預(yù)報(bào)有很好的指示作用。

圖6 2019年11月2日20時(shí)59分(a)、21時(shí)54分(b)風(fēng)廓線(VWP)產(chǎn)品

5 結(jié)論

①此次強(qiáng)雷暴過程是高空槽東移，中高層干冷空氣入侵和地面輻合線抬升觸發(fā)低層不穩(wěn)定能量釋放造成的，這種上干下濕的大氣層結(jié)特征，有利于強(qiáng)雷暴發(fā)生發(fā)展。

②850 hPa和500 hPa溫差是秋季強(qiáng)雷暴生成的一個(gè)重要條件，溫差值越大，強(qiáng)對流越容易發(fā)生，此次過程T850-T500≥26 ℃，有利于強(qiáng)雷暴天氣產(chǎn)生和發(fā)展。

③θse水平分布中高能舌的位置跟強(qiáng)雷暴發(fā)生的區(qū)域?qū)?yīng)較好。探空資料分析表明CAPE值的大值區(qū)或顯著增大區(qū)對強(qiáng)雷暴天氣有較好的相關(guān)性。

④秋季強(qiáng)對流發(fā)生時(shí)對流云團(tuán)高度較夏季偏低，云頂亮溫較夏季偏高。山東夏季強(qiáng)雷暴發(fā)生時(shí)TBB一般在-40～-60 ℃，此次雷暴過程發(fā)生時(shí)云頂溫度TBB在-22～-32 ℃，強(qiáng)雷暴主要位于冷云蓋前方TBB梯度大值區(qū)域內(nèi)。

⑤雷達(dá)回波中心反射率因子在45 dBz以上，1.5～5 km存在非常強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，對秋季雷暴預(yù)報(bào)有很好的指示作用。

⑥本文僅對山東一次秋季強(qiáng)雷暴天氣成因進(jìn)行診斷分析并得到一些初步結(jié)論，但是結(jié)論的普遍性仍需要更多的個(gè)例來進(jìn)一步證實(shí)。