2018 年6 月山東省中東部一次大范圍強冰雹天氣分析

王世杰，馬 林，王思揚

濰坊市氣象局，山東濰坊 261011

2018年6月12日凌晨—13日夜間，受東北冷渦影響，濰坊市出現大范圍強對流天氣，有8個縣（市、區）出現了冰雹，冰雹最大直徑4 cm，出現在寒亭區，伴有8～10級的雷雨大風，瞬時極大風速為26.8 m/s，出現在青州譚坊站。本次過程給當地的農業生產造成了巨大損失，據統計災情直接經濟損失達到中型氣象災害標準。利用濰坊多普勒天氣雷達，結合常規高空、地面氣象觀測資料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料，對此次冰雹過程的大尺度環流背景、環境參數特征、中小尺度天氣特征、強冰雹的風暴結構特征及抬升觸發機制等方面進行分析，以期進一步加深對濰坊地區強冰雹天氣的認識，為提升冰雹天氣的預報預警能力提供參考。

1 環流形勢和環境特征

1.1 環流形勢

2018年6月13日早晨，有一橫槽位于河北中部附近，整個山東省處于500 hPa橫槽前的西北偏西風里。850 hPa有一低渦位于河北北部，山東省中西部處于低渦東南側的西南風中，風速達12 m/s，形成低空急流，將水汽向山東北部輸送。850 hPa溫度場有一暖中心位于魯南一帶，存在明顯的暖平流，850 hPa和500 hPa溫度差達到33 ℃，低空急流和暖平流向北輸送水汽和能量，產生層結不穩定。850 hPa在魯中北部至渤海上有東西向切變線，有利于產生上升運動，為強對流提供動力抬升條件。山東處于低壓中心前部，在魯西北至魯中北部一帶有南北風輻合線，為強對流天氣提供了抬升觸發條件[1-2]。

隨著橫槽轉豎，引導冷空氣東移南下進入山東中部地區，6月13日午后，500 hPa出現閉合環流，逐漸生成高空冷渦，850 hPa低渦隨之東移南壓，低渦中心移至山東西北地區，西北和中部地區受低渦東側的暖式切變線影響，同時處于西南低空急流左前方，強烈的暖濕氣流向山東中部地區輸送，建立了低層暖濕、高層干冷的層結結構[3]。

地面填圖（圖略）顯示山東中部地區存在明顯的冷鋒，隨著地面鋒面輻合線自魯西北向魯中推進。強對流天氣主要發生在冷鋒后，冷鋒東移南壓觸發了一系列的對流天氣。6月13日白天，山東省始終處于200 hPa，急流出口區左側產生偏差風輻散，同時低層850 hPa存在低渦，高低空耦合使上升運動加強，山東中部地區持續產生強對流天氣[4-5]。

1.2 探空分析

由濟南探空站可知，近地面至600 hPa附近有明顯的風向，隨高度的增加順時針旋轉，存在暖平流。850 hPa有西南低空急流，高層有明顯冷平流，整層相對濕度較小，對流層高層至500 hPa附近有相對更干的干空氣卷入，溫濕層結曲線形成向上開口的形狀，呈明顯的下濕上干層結配置，有利于不穩定層結的建立[6]。

對濰坊寒亭站14:00地面溫度和露點進行了修正，從各個對流參數來看，CAPE：1 285.4 J/kg，DCAPE：904 J/kg，K指數：34 ℃，SI指數：-6.08 ℃，LI指數：-3.82 ℃，0～6 km風切變:12.3 m/s，0 ℃高度：4 118 m，融化層高度：3 360 m，-20 ℃層高度：6 741.5 m，T850～500：33 ℃，Δθse850-500：23.9 ℃。

濟南站T-lnP圖（圖略）顯示，不穩定強熱力、較強的對流有效位能和較強的垂直風切變為午后強對流的發生提供了熱力和動力不穩定條件。整層相對濕度較小和中高層干冷空氣卷入對出現冰雹是較為有利的條件，上述各個對流參數均達到或超過高曉梅等[7]總結的濰坊地區強對流環境參量閾值，且0 ℃高度、融化層高度和-20 ℃層高度對出現大冰雹非常有利。在滿足雷暴發生的3要素情況下，垂直風切變對對流風暴組織和特征的影響最大，是強對流天氣預報的重要參數。本次過程0～6 km風切變達12.3 m/s，較為接近本地閾值（16 m/s），預示著可能出現具有高度組織化的對流風暴，產生較為劇烈的災害性天氣[8]。

1.3 熱動力和水汽條件

濰坊地區的CAPE始終維持在1 000 J/kg以上，對大冰雹的出現非常有利。從地面到600 hPa附近，假相當位溫θse隨高度減小，說明存在條件不穩定，而且在850 hPa附近存在θse密集帶，熱力不穩定表現非常明顯。從Δθse850-500來看，早晨到午后數值均＞0，層結不穩定，為強對流發生提供了充足的熱力不穩定條件。

6月13日14:00，濰坊上空700 hPa以下存在輻合，700 hPa以上有強輻散，在近地層到500 hPa附近有強上升運動，最大達-1.2 Pa/s。濰坊壽光到寒亭北部有強的下沉運動，這與午后發生的強降雹密切相關，拖曳作用產生了強烈的下沉氣流。濰坊南部有強上升運動，由于處于西南暖濕氣流中，產生了熱力和動力不穩定，為濰坊南部地區后續強對流發展提供了動力抬升條件。

6月13日14:00，濰坊大氣可降水量（PWV）為30～35 mm，接近6月的氣候指標（31.2 mm）。850 hPa的比濕在增長到8 g/kg以上，寒亭北部到昌邑附近達10 g/kg以上，比濕大值區為濰坊北部強對流發生和向前傳播提供了有利的水汽條件，與雷達觀測到的濰坊西部回波在500 hPa偏西風引導氣流下向東傳播過程中加強的結果一致。

2 多普勒雷達演變特征分析

2.1 強對流風暴結構及雷達演變特征

6月13日13:00，雷達探測到濰坊北部有強回波東移南壓，寒亭區北部有塊狀混合型降水回波逐漸加強，形成強度超過60 dBZ的風暴單體，反射率因子最大超過了65 dBZ。該單體自寒亭區北部逐漸東移進入昌邑市。濰坊西北部上游地區和安丘附近也有對流單體生成，東移過程中強度逐漸增強，回波最大強度為55 dBZ左右。

由圖1可知，風暴單體D7在2.4°以上仰角可以看出明顯鉤狀回波特征和前側“V”形入流缺口，通過抬高仰角存在回波懸垂特征，并且在反射率因子剖面上也表現出高懸的強回波及回波穹窿，最大反射率因子強度在68 dBZ，＞50 dBZ的回波向上擴展到-20 ℃層高度（6 741.5m）以上。冰雹指數產品在D7附近有實心大三角，提示出現大冰雹的概率非常高，中氣旋產品在前側“V”形入流缺口處，提示存在中氣旋，該時次的雷達特征預示著將出現大冰雹。14:12，風暴單體D7在低仰角上有明顯存在明顯的中氣旋，持續2個體掃以上，通過計算中氣旋旋轉速度為24 m/s，在距離雷達約75 km處，判定該中氣旋為強中氣旋。風暴單體D7的中氣旋持續了3個體掃以上，初步判定出現冰雹等強對流的概率較高。

圖1 2018年6月13日14:06反射率因子圖（0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°和6.0°）

0 ℃層以上，1.5～2.0 km是冰雹增長的關鍵區域，因此0 ℃層以上的持續中氣旋旋轉更有利于冰雹的產生。在此次過程中，D7中氣旋最大旋轉高度超過0 ℃層（4 118 m），并有上升趨勢，轉動速度也有所增強。9.9°仰角上可以看到，D7附近有明顯的徑向速度輻散，徑向速度剖面可以看到D7在地面至4.5 km之間存在徑向速度輻合，7 km以上則有徑向速度輻散，說明存在強的風暴頂輻散，是強冰雹產生的輔助指標。受超級單體D7影響，濰坊寒亭北部在14:00前后出現冰雹，冰雹最大直徑為4 cm左右，D7于14:12進入昌邑，最大反射率因子強度始終維持在65 dBZ以上，昌邑本站從14:39～14:55觀測到冰雹，冰雹直徑1 cm。

2.2 風暴單體特征和VIL演變特征

基于超級單體風暴D7的垂直積分液態水含量（VIL）在降雹發生前由18 kg/m2躍增到52 kg/m2。研究表明，超級單體特征研究發現VIL和冰雹尺度存在正相關[9]。相關研究表明，降雹風暴在成熟階段有明顯的VIL躍增現象，通常在16～20 kg/m2較為有利[10]。

由圖2可知，本次降雹風暴有明顯的VIL躍增，且躍增值達到34 kg/m2左右，VIL最大值可以達到68 kg/m2。D7進入昌邑境內后，14:41—14:53的風暴趨勢信息顯示，最大反射率因子高度（DBZM HT）從6.3 km下降到4.5 km，VIL值從44 kg/m2躍增到51 kg/m2，單體頂高（TOP）從9.6 km上升至12 km，最大反射率因子始終維持在69 dBZ以上，說明對流發展到了最旺盛階段，昌邑降雹就出現在該時間段。

圖2 D7的VIL（kg/m2）與VIL密度（g/m3）隨時間變化圖

VIL密度為冰雹風暴VIL與頂高之比，研究表明，90%冰雹風暴的VIL密度≥3.5 g/m3，如果VIL密度超過4 g/m3，則風暴幾乎肯定會產生大冰雹[11]。超級單體在昌邑降雹期間，VIL密度始終在3.5 g/m3以上，最大達5.5 g/m3。

3 結論

（1）高空冷渦、850 hPa切變線和急流、200 hPa急流出口區左側和地面冷鋒為超級單體產生的環流背景，對流層中層冷渦有利于干冷空氣進入、暖濕氣流輻合抬升，加強大氣層結不穩定，產生的降雹范圍廣、強度大。

（2）對流層低層的暖平流和中高層的冷平流，為強對流的發生提供了熱力不穩定。各個對流參數CAPE、DCAPE、K指 數、SI指 數、LI指 數、0-6 km風切變、T850-500、Δθse850-500，以及0 ℃、-20 ℃高度和融化層高度均超過濰坊地區閾值或接近閾值，是出現大范圍強冰雹的有利指標。

（3）地面露點20～21 ℃、大氣可降水量30 mm以上和850 hPa比濕8 g/kg以上，符合濰坊本地強對流發生閾值，為此次強降雹的發生和維持提供了合適的水汽條件。

（4）寒亭和昌邑的超級單體風暴較為典型，具有鉤狀回波、回波懸垂、“V”形入流缺口等特征。＞50 dBZ的回波擴展到-20 ℃層高度以上，中氣旋最大旋轉高度超過0 ℃層。強的垂直風切變導致中氣旋轉動速度和發展的厚度增加，最大反射率維持在60 dBZ以上，風暴頂高維持在9 km以上。垂直積分液態水含量的躍增和最大反射率因子高度下降與降雹相對應。

（5）VIL密度值是判定出現大冰雹的有利指標，本次降雹過程VIL密度＞3.5 g/m3，對冰雹業務預報有指示作用。