山东一次秋季罕见强雷暴成因分析

2021-07-19陈华凯吕伟绮王逸鹏

中低纬山地气象 2021年3期

陈华凯，吕伟绮，王逸鹏

(山东省德州市气象局，山东德州 253078)

0 引言

雷暴是山东主要的灾害性天气之一，秋季是一年之中雷暴日数较少的季节。进入秋季后，受到大陆冷高压影响，大气层结较为稳定，暖湿气流减弱，对流天气明显减少。有时秋季温度偏高，暖湿空气较为强盛，当有强冷空气东移南下，低层暖湿空气就会被迫抬升，形成对流不稳定，就会产生雷暴天气[1-5]。随着全球气候变暖，极端天气频发，雷暴终日有延后的趋势，秋季雷暴发生率更是有所增长。针对雷暴天气，许多学者做过很多有意义的研究[6-14]。山东的雷暴天气主要集中在5—8月，秋季的区域性强雷暴天气较为罕见，容易被忽视，更易给人民生产生活带来严重影响，因此加强山东秋季雷暴的成因分析研究十分必要。本文利用ERA5逐小时再分析资料、常规观测资料、FY-2G卫星资料、闪电定位资料及雷达资料对此次山东强雷暴过程进行诊断分析，以期积累此类天气的预报经验。

1 天气背景分析

2019年11月2日20时—3日06时山东出现了强雷暴天气，并伴有短时强降水，此次强雷暴过程打破了山东鲁西北地区雷暴终日记录，是一次罕见的秋季强对流天气。11月2日08时500 hPa高空图上宽广深厚的高空槽从河套伸至华北，山东位于槽前西南气流中，高原东部有南支槽活动。高空槽后的西北气流引导中高层干冷空气从内蒙古南下到华北地区，700 hPa和850 hPa上山西到河北中部均存在辐合切变线，850 hPa黄淮到华北南部有大于等于6 ℃的暖区，鲁西南到鲁西北有大于等于8 ℃的暖脊。低层受小尺度暖空气团和日变化影响，午后热力条件有所加强，出现相对暖而干的状态，加强了不稳定能量的累积。20时500 hPa高空槽东移与北上的南支槽合并加强发展，700 hPa(图1a)山东西部有明显冷切，850 hPa(图1b)有低涡切变线。随着槽后冷空气补充南下，提供动力抬升条件，同时又加强了不稳定层结发展，鲁西北地区从20时开始出现雷暴天气。由于缺少低空急流水汽输送，导致对流区域内整层湿度相对较低，不利于强雷暴天气的长时间维持，到3日00时强雷暴天气结束，3日08时系统基本已移出山东，降水过程结束。

图1 2019年11月2日20时500 hPa高度场和700 hPa风场(a)、850 hPa的风场和温度场(b)

2日08时地面图上(图略)，内蒙古、东北和华北被冷性高压控制，锋面位于内蒙和河北交界处，锋区呈纬向分布，高压前部东北气流强盛，山东位于高压前部，14—20时地面倒槽发展北伸，山东处于地面倒槽顶部，暖湿空气被迫抬升，出现辐合上升运动，促使不稳定能量得以释放，导致强雷暴天气发生。

2 物理量场分析

2.1 热力条件

2.1.1 不稳定层结 850 hPa和500 hPa温差是秋季强雷暴发生的一个重要条件，温差值越大，强对流越容易发生。11月2日20时，500 hPa与850 hPa的温度场在山东地区状态分布刚好相反，500 hPa冷槽对应着850 hPa暖脊。高空槽后有-20 ℃冷中心相配合。同时850 hPa上有8 ℃暖中心在鲁中到鲁西北一带，高低层温差大于等于26 ℃(图2a)。中高层空气干冷，低层暖湿，形成层结不稳定，有利于强雷暴天气的发生发展。2日21时高空槽逐渐东移，850 hPa和500 hPa温差仍然较大(图2b)，不稳定层结仍然稳定维持，与山东出现大范围强雷暴天气的时空范围基本一致。

图2 2019年11月2日20时(a)、21时(b)850 hPa和500 hPa温差及850 hPa风场分布图

2.1.2 假相当位温 θse是气压、温度和湿度的函数，反应了大气的温湿特征，其高能舌位置与强对流天气密切相关。从假相当位温850 hPa水平分布来看(图3a)，11月2日20时鲁西南地区存在一个西南至东北向的θse高能舌并逐渐增强向北伸，在低空偏南气流的作用下，不稳定能量持续向鲁西北输送，鲁西北处于θse大值区，θse值为305～310 K，山东夏季强雷暴发生时θse值一般为320～330 K[15],θse大值区较夏季强雷暴值偏小，3日00时(图3b)高能舌逐渐减弱，鲁西北地区强雷暴天气也基本结束。θse水平分布中高能舌的位置跟强雷暴发生的区域对应较好。

图3 2019年11月2日20时(a)和3日00时(b)850 hPa假相当位温水平分布图(单位：K)

2.2 动力条件

上升运动是形成强雷暴天气的主要因子。从2日20时700 hPa的垂直速度图(图4a)上可以看出山东北部地区有一个-1 Pa·s-1垂直速度大值区，850 hPa(图4b)有一个-0.8 Pa·s-1垂直速度大值区，可见对流层辐合上升运动明显，这一地区正是位于鲁西北地区。2日22时700 hPa和850 hPa(图略)垂直速度大值区依次增大至-1.4 Pa·s-1，上升运动得到进一步加强，与山东出现强雷暴天气的落区基本一致。山东夏季强雷暴发生时垂直速度值一般在-1.5～-2.5 Pa·s-1[15]，可以看出秋季强雷暴垂直速度值较夏季偏大，上升运动较夏季偏小。

图4 2019年11月2日20时700 hPa(a)和850 hPa(b)垂直速度水平分布图(单位：Pa·s-1)

2.3 探空要素分析

分析11月2日08时和20时章丘探空站要素值(图略)可以看出08时对流有效位能(CAPE)值较小，接近于0。但20时增大到161 J·kg-1，增大趋势明显，说明白天由于太阳辐射加热作用使得热力不稳定度增大，上升气流强度增强明显，有利于雷暴天气的生成和发展。说明CAPE值的大值区或显著增大区对强雷暴天气有较好的指示作用[16]。2日抬升凝结高度(LCL)较低，08时和20时分别为864 hPa和865 hPa，说明需要的外力抬升作用较小，有利于雷暴天气的发生。

3 卫星云图分析

晴天积雨云系表示大气层级的状况，一天内它出现的时间越早，积云云团越大，说明大气层结越不稳定，越有利于强对流天气的发生[17]。亮温云图能较好地展现雷暴云团的发展演变[18-19]。11月2日20时在鲁西北地区上空有雷暴云团发展，到22时雷暴云团加强发展并由西南向偏东北方向移动，低层入流区一直是发展的。从云图可看出(图5a、5b)，20时鲁西北地区都处于TBB≤-22 ℃冷云区中，-30 ℃的冷中心位于鲁西北东南部，22时是雷暴云团发展最强盛的时候，TBB值为-32 ℃的冷云盖范围达到最大，中心主要位于德州到滨州一带。此时雷暴云团东南部等温线比较密集，位于冷云盖前方的温度梯度较大，雷暴活动较为剧烈。3日00时-30 ℃的TBB大值中心移出鲁西北地区，强度也随之减弱。山东夏季强雷暴发生时TBB值一般在-40～-60 ℃[20],因此可看出秋季强雷暴发生所需的TBB值较夏季偏高，对流云团高度偏低。鲁西北地区雷暴起止时间为2日20时—3日00时，说明雷暴发生在对流云团发展最旺盛的时刻，强雷暴主要发生在雷暴云团前方TBB梯度最大区域内，随着冷云盖的移出，本次过程结束。

图5 2019年11月2日20时(a)和22时(b)卫星云图TBB(单位：℃)和地闪的叠加分布(“+”为正地闪，“-”为负地闪)

4 雷达产品分析

4.1 反射率因子

济南多普勒雷达显示(图略)，11月2日20时04分在河北衡水和山东德州、聊城交界处附近一小片线状对流回波生成，并不断发展向东南方向移动。20时59分该回波移到滨州、德州、聊城一带，强度逐渐加强范围不断增大，以上地区先后出现强雷暴天气，并伴有短时强降水。回波中心反射率达到45 dBz以上并稳定维持，强回波继续向东南方向移动，一直维持到3日00时左右，此后强回波中心减弱为35 dBz，雷暴天气结束，但强降水仍然持续，这与实况出现的强雷暴落区一致。

4.2 风廓线

雷达风廓线(VWP)产品显示，11月2日20—22时(图6a、6b)，850 hPa以下为东风—东南风，850～700 hPa为西南风，500 hPa以上为偏西风，风向随高度呈顺时针旋转。850 hPa风速约为6 m/s，500 hPa为14m/s，850～500 hPa垂直风切变达8 m/s。1.5～5 km存在非常强的垂直风切变，有利于增强动力抬升机制，对秋季雷暴预报有很好的指示作用。