2020年5月山東強對流天氣特點及成因

侯淑梅，唐巧玲，史茜，王俊，高帆

摘 要：2020年5月山東共出現(xiàn)13次強對流天氣過程，其中8次出現(xiàn)冰雹，共15市（93.8%）81站（65.9%）出現(xiàn)降雹，最大降雹次數(shù)4站次。10次出現(xiàn)10級以上雷暴大風，5次出現(xiàn)短時強降水，強對流次數(shù)之多、范圍之廣、強度之大、災害之重為近10年少見。其中，“5·17”強對流天氣過程最為劇烈，其冰雹范圍之廣非常罕見，最大冰雹直徑4.5 cm，最大風速36.6 m·s-1（12級），最大雨強56.9 mm·h-1。利用歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大氣再分析數(shù)據(jù)集（ECMWF Reanalysis v5，ERA5）和加密自動氣象觀測站、多普勒天氣雷達、閃電定位等資料，對2020年5月山東強對流天氣特點及強對流多發(fā)的原因進行分析，并以“5·17”強對流天氣過程為例，對雷達回波特征和風暴內(nèi)的垂直運動進行剖析。結果表明：（1）副熱帶高壓強度偏強，一方面有利于其外圍的西南暖濕氣流到達山東，另一方面阻擋西風帶系統(tǒng)，導致前傾槽強度偏強，長時間維持在山東上空；500 hPa異常偏強的暖高壓脊前西北氣流攜帶的冷空氣疊加在850 hPa偏強的暖溫度脊上空，造成山東上空長時間為位勢不穩(wěn)定大氣層結。（2）在上述有利的天氣背景下，山東上空水汽充沛，對流有效位能偏大，冀魯豫3省交界處氣旋式輻合偏強，魯中地區(qū)穩(wěn)定存在一條輻合線，容易觸發(fā)產(chǎn)生強對流天氣，造成山東5月強對流天氣頻發(fā)。（3）對流風暴高度組織化，區(qū)域性的超級單體群以及一條長度超過500 km的強颮線是造成“5·17”強對流的直接原因，對流風暴內(nèi)部的上升速度高達28 m·s-1。

關鍵詞：強對流；環(huán)流異常；距平；組織化

中圖分類號：P458.2? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：2096-3599（2023）04-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.04.006

Characteristics and causes of Shandong severe convective weather in May 2020

HOU Shumei 1，2， TANG Qiaoling3， SHI Qian2， WANG Jun4， GAO Fan5

（1. Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong， Jinan 250031， China; 2. Shandong Meteorological Observatory， Jinan 250031， China; 3. Shandong Meteorological Engineering Technology Center， Jinan 250031， China; 4. Shandong Weather Modification Office， Jinan 250031， China; 5. Jinan Meteorological Bureau， Jinan 250102， China）

Abstract： There are 13 severe convective weather in Shandong in May 2020， including 8 hail processes occurring at 81 stations （65.9%） in 15 cities （93.8%） in total， with a maximum hail number of 4 times. There are 10 thunderstorm gales above Beaufort scale 10 and 5 short-time heavy precipitation. The frequency， coverage， intensity， and severity of disasters have been rare over the last decade. The “5·17” convective weather process is the most intense， and its wide range of hail is very rare. The largest hail diameter is 4.5 cm， the maximum wind speed is 36.6 m·s-1 （Beaufort scale 12）， and the maximum rainfall intensity is 56.9 mm·h-1. Based on ECMWF （European Centre for Medium-Range Weather Forecasts） Reanalysis v5 （ERA5） and data of intensive automatic meteorological observation stations， Doppler weather radar， and lightning location， the characteristics of severe convective weather in Shandong in May 2020 and the causes of frequent occurrence are analyzed. Taking the “5·17” severe convective weather process as an example， the characteristics of radar echoes and the vertical motion in the storm are analyzed. The results are shown below. （1） The stronger subtropical high not only favors the southwest warm moist airflow reaching Shandong， but also obstructs the westerly system， resulting in the forward trough getting intensified and maintaining over Shandong for a long time. The cold air carried by the northwest airflow in front of the 500-hPa enormously stronger warm ridge is superimposed over the 850-hPa unusually stronger warm temperature ridge， leading to an unstable atmospheric stratification over Shandong continuously. （2） Under the above favorable weather background， the water vapor over Shandong is abundant， CAPE （convective available potential energy） is larger， the cyclonic convergence is strong at the junction of Hebei， Shandong， and Henan provinces， and there is a stable convergence line in the middle region of Shandong， which is easy to trigger severe convective weather， resulting in frequent severe convective weather in Shandong in May. （3） The highly organized convective storm， regional supercell groups， and a strong squall line with its length more than 500 km are the direct causes of “5·17” strong convection. The ascending velocity inside the storm reaches up to 28 m·s-1.

Keywords： severe convection; circulation anomaly; anomaly; organized

引言

春季（3—5月），大陸增溫較快，近地面大氣熱力條件逐漸轉(zhuǎn)好，當有北方冷空氣入侵時，容易造成不穩(wěn)定的大氣層結而產(chǎn)生對流天氣。由于南方地區(qū)增溫早于北方，因此春季強對流天氣主要出現(xiàn)在我國的南方地區(qū)。在華南、江南等地3月就會出現(xiàn)區(qū)域性強對流天氣，并且華南等地的雷暴大風天氣一般集中于春季[1]。我國春季高架雷暴主要分布地為江南和華南地區(qū)，高發(fā)區(qū)在江西北部附近[2]。正因為南方地區(qū)的春季強對流天氣過程多，因此對于春季強對流的研究也主要集中在南方，并取得不少對預報業(yè)務有指導價值的科研成果[3-7]。早在20世紀80年代，季致建[8]利用長城0520CH微機計算當天46個高空站的幾十種物理量場，據(jù)此預報華東地區(qū)午后強對流天氣，可以說是我國強對流客觀預報比較早的典范。李英等[9]應用帶通濾波方法分析了發(fā)生在滇南的兩次春季強對流天氣過程，發(fā)現(xiàn)在冰雹大風發(fā)生前，昆明靜止鋒附近低層有中尺度的擾動波列通過。風切變矢量隨高度的變化決定了左移和右移風暴的發(fā)展趨勢，風切變矢量隨高度逆時針變化，使風暴分裂后左移風暴得以發(fā)展成超級單體，風切變矢量隨高度順時針變化，有利于超級單體向承載層平均風的右側(cè)運動[10]。

山東地處中緯度地區(qū)，每年5、6月是山東強對流天氣多發(fā)季節(jié)，尤其是6月麥收季節(jié)，受冷渦或高空槽影響，強對流天氣頻發(fā)，造成較大災害。比如2016年6月13—14日，受華北冷渦影響，造成山東連續(xù)2 d出現(xiàn)大范圍強對流天氣，淄博、濰坊等地出現(xiàn)雞蛋大的冰雹，淄博龍泉站極大風速高達36.1 m·s-1（12級）[11-13]。無獨有偶，2018年6月13日，受華北冷渦影響，山東再次出現(xiàn)大范圍強對流天氣，最大冰雹直徑為4 cm，青島奧帆基地的極大風速高達39.1 m·s-1（13級）。2016年6月30日，在高空槽與副熱帶高壓相互作用的大環(huán)流背景條件下，山東出現(xiàn)大范圍強對流天氣，多地出現(xiàn)冰雹及10級以上雷暴大風[14]。這些大范圍的經(jīng)典強對流天氣均發(fā)生在6月。雖然山東在春季（3—5月）也能出現(xiàn)強對流天氣，例如2006年4月28日受颮線的影響，局部地區(qū)出現(xiàn)了28 m·s-1（10級）的雷暴大風和冰雹[15]，2020年4月16日受冷渦影響魯西北出現(xiàn)區(qū)域性冰雹和7～8級雷暴大風。但是春季強對流天氣，無論是對流的強度，還是影響范圍，均不及6月出現(xiàn)的幾個經(jīng)典個例。事實上，由氣候特征的分布來說，山東的強對流天氣是6月強度最強、次數(shù)最多、影響范圍最大[16]。

2020年5月，山東出現(xiàn)強對流天氣次數(shù)之多、范圍之廣、強度之大、災害之重，均為近10年少見。共出現(xiàn)13次強對流天氣，有8次出現(xiàn)冰雹，其中5月16—18日受華北冷渦影響連續(xù)3 d出現(xiàn)強對流天氣，尤其以5月17日冰雹范圍最廣、對流強度最強、產(chǎn)生災害最重，其冰雹范圍大于前面提到的2018年6月13日強對流。2020年5月，全省累計受災人口87.8萬人，農(nóng)作物受災面積10.0萬hm2，其中成災面積5.3萬hm2，直接經(jīng)濟損失高達37.3億元。最嚴重的“5·17”強對流天氣過程全省受災人口64.4萬人，直接經(jīng)濟損失23.62億元，僅青島的直接經(jīng)濟損失就超過11億元。

從氣候特征上，5月出現(xiàn)這么多次強對流是比較罕見的，通過對這種異常天氣現(xiàn)象的復盤，分析其產(chǎn)生的原因，知道發(fā)生了什么，為什么發(fā)生，才能逐步提高該類天氣的預報能力。本文通過分析2020年5月的大氣環(huán)流背景條件找出產(chǎn)生如此之多強對流天氣的原因，并以5月17日強對流（簡稱“5·17”強對流）為例說明強度大的特點和原因。通過分析，加強了對這種異常天氣特點和形成機理的認識，為日后預報強對流天氣提供依據(jù)，提高對春季強對流天氣的預報能力。

1 資料和方法

1.1 資料

（1）歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大氣再分析數(shù)據(jù)集（ECMWF Reanalysis v5，ERA5；https：//cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/home），空間分辨率為0.25°×0.25°、時間分辨率為1 h。

（2）山東1 611個加密自動氣象觀測站逐小時極大風和降水量資料。

（3）山東閃電定位資料，空間分辨率為0.1°×0.1°。

（4）濰坊、青島多普勒天氣雷達數(shù)據(jù)，山東及周邊地區(qū)多普勒天氣雷達拼圖產(chǎn)品。

（5）以山東123個國家級氣象觀測站（以下簡稱“觀測站”）所在行政區(qū)（以下簡稱“縣（市、區(qū)）”）為單位，同一次天氣過程中，觀測站或縣（市、區(qū)）內(nèi)出現(xiàn)冰雹，則記錄該站出現(xiàn)1站次冰雹。轄區(qū)內(nèi)冰雹實況使用山東省歷史災情普查數(shù)據(jù)庫和各地上報的冰雹信息。

1.2 方法

1.2.1 距平

利用ERA5再分析資料計算了2020年5月500 hPa和850 hPa的高度、氣溫、經(jīng)向風、850 hPa與500 hPa溫度差以及地面2 m氣溫、海平面氣壓等要素的距平場。

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中，x，代表某要素的距平，x為該要素2020年5月的月平均值，為該要素1981—2010年30 a中5月氣候平均值。

1.2.2 雙多普勒雷達風場反演

利用濰坊和青島2部多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)進行雙雷達風場反演，分析“5·17”強對流超級單體內(nèi)部的垂直運動。濰坊和青島雷達相距139 km，有效反演區(qū)域定義為2部雷達探測的徑向速度夾角在45°～135°所圍的范圍，反演區(qū)域如圖1所示的區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ。采用直接合成法對雙雷達數(shù)據(jù)進行風場反演[17-18]。該方法反演的風場結構多次用于分析對流風暴的內(nèi)部結構，風向誤差小于10°，風速誤差小于單雷達反演風場[19]。

1.2.3 強對流天氣過程

根據(jù)以下標準選取強對流天氣過程：1站（含，下同）以上任何尺寸冰雹、5站以上7級以上雷暴大風并且至少有1站達到8級以上（過程中伴有閃電）、5站以上雨強超過20 mm·h-1，只要出現(xiàn)上述3種天氣之一即判定為強對流。天氣過程的起止時間根據(jù)雷達回波、降水量或雷暴大風的起止時間而定。

2? 2020年5月山東強對流天氣特點

2.1 強對流天氣過程

根據(jù)1.2.3節(jié)的標準2020年5月一共出現(xiàn)13次強對流天氣過程（表1），呈現(xiàn)次數(shù)多、范圍廣、強度大的特點。按照20時—次日20時作為1日，強對流日數(shù)（17 d）占全月總?cè)諗?shù)（31 d）的54.8%。13次強對流過程中，有8次出現(xiàn)冰雹，13次出現(xiàn)8級以上雷暴大風，5次出現(xiàn)短時強降水。“5·17”強對流發(fā)生時間為17日下午到夜間，強對流過程范圍最廣、強度最大、災害最重。

2.2強對流天氣特點

2.2.1 冰雹

山東冰雹主要出現(xiàn)在4—7月，占年平均冰雹日數(shù)的71.3%，其中6月最多，年平均4.9 d，5月次之，年平均3.4 d[16]。2020年5月冰雹日數(shù)為8 d，不僅超過5月氣候平均值，而且已超過氣候平均最多的6月。除了3日（2站）和29日（1站）為局地性降雹外（少于3站），其他6次均為區(qū)域性降雹（大于等于3站）。由降雹空間分布（圖2a）可見，除菏澤外，全省共有15市（占全省16個地級市的93.8%）81站（占全省123個國家級氣象觀測站所在縣（市、區(qū)）的65.9%）出現(xiàn)降雹，降雹3次以上的地區(qū)主要出現(xiàn)在東營、濟南、淄博、濰坊、青島、煙臺、威海和臨沂，其中次數(shù)最多的為4站次，出現(xiàn)在濟南萊蕪、濰坊市區(qū)和濰坊諸城。降雹范圍最廣的為“5·17”強對流，全省有14市58站（占5月降雹站數(shù)的71.6%）觀測到冰雹，幾乎有對流降水的地區(qū)均出現(xiàn)了降雹，降雹范圍之廣非常罕見（圖2a），并且當日青島市即墨區(qū)和城陽區(qū)分別觀測到直徑4.5 cm和4.0 cm的冰雹，冰雹直徑之大在5月比較少見。

2.2.2 雷暴大風

山東雷暴大風（平均風力≥6級或陣風風力≥8級，同時伴有雷暴的短時大風）主要集中在5—8月，其中最多的為7月，5月雷暴大風的月平均日數(shù)為5.5 d，排名第4[16]。2020年5月一共出現(xiàn)13次雷暴大風天氣過程，遠遠超過氣候平均值。

由2020年5月極大風的分布（圖2b）可見，山東各市均出現(xiàn)8級以上大風，755站出現(xiàn)8級以上大風，101站出現(xiàn)10級以上大風，6站出現(xiàn)12級以上大風。13次強對流天氣過程中，有10次出現(xiàn)10級以上雷暴大風，最大風速36.6 m·s-1（12級）出現(xiàn)在“5·17”強對流過程中。由各級雷暴大風的年平均日數(shù)（表2）可見，10級以上雷暴大風主要分布在6月和7月，5月雷暴大風以8～9級為主。近10年加密自動氣象觀測站資料顯示，雷暴大風達到12級的天氣過程主要出現(xiàn)在6月，如引言中提到的幾次強對流過程。可見，2020年5月無論是雷暴大風出現(xiàn)的次數(shù)，還是強度，均為近10年中 5月少見，其強度和范圍甚至達到或超過近10年中6月的經(jīng)典強對流天氣過程。

2.2.3 短時強降水

山東短時強降水一般出現(xiàn)在5—9月，1 h雨量R≥50 mm的短時強降水主要出現(xiàn)在6—8月[16]。2020年5月，山東1 h最大降水量超過20 mm的區(qū)域主要分布在山東東南部和半島地區(qū)（圖2c）。13次強對流過程中有5次出現(xiàn)短時強降水，最大小時降雨量56.9 mm出現(xiàn)在17日榮城城西站。氣候統(tǒng)計[16]表明，榮城1 h雨量R≥50 mm的年平均次數(shù)不到1次，2020年5月17日出現(xiàn)小時雨量超過50 mm的短時強降水，在5月是非常罕見的。小時降雨量排在第2位的49.9 mm，出現(xiàn)在8日濟寧微山的趙廟站。此次天氣過程受氣旋影響，全省出現(xiàn)區(qū)域性短時強降水。

2.2.4 閃電

2020年5月，山東正、負閃電合計12 137次，其中正閃3 578次，負閃8 559次，正閃占29.48%，閃電平均強度為36.65 kA。除山東西南部外，全省大部地區(qū)均有閃電活動（圖2d），最大閃電次數(shù)為117次，出現(xiàn)在山東半島東部的威海。最大閃電強度出現(xiàn)在16日06：38：46（35.72?N，115.52?E），位于菏澤鄄城舊城鎮(zhèn)，電流強度高達435 kA。

綜上所述，2020年5月山東一共出現(xiàn)13次強對流天氣過程，次數(shù)之多、范圍之廣、強度之大、災害之重，為近10年少見。8次降雹過程中，共15市（93.8%）81站（65.9%）出現(xiàn)冰雹，最大降雹次數(shù)為4站次，最大冰雹直徑為4.5 cm。13次強對流天氣均出現(xiàn)8級以上雷暴大風，雷暴大風范圍影響全省，其中10級以上雷暴大風出現(xiàn)10次，最大風速為36.6 m·s-1（12級）。5次出現(xiàn)短時強降水，最大雨強為56.9 mm·h-1。13次中以“5·17”強對流最強，冰雹范圍波及全省14個地市，范圍之廣非常罕見。

3? 2020年5月強對流天氣多發(fā)的成因

異常的降水往往同異常的大氣環(huán)流及天氣系統(tǒng)相聯(lián)系，我國西南地區(qū)春季降水異常的形成與對流層中低層副熱帶地區(qū)強烈的異常氣旋式環(huán)流波列有關[20]。副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）較常年明顯偏強，位置較常年同期異常偏北，有利于低緯度地區(qū)熱帶低值系統(tǒng)為鄭州“7·20”極端強降水提供源源不斷的水汽[21]。山東一個月內(nèi)產(chǎn)生13次強對流天氣，并且強對流天氣的范圍廣、強度大，可能也與大氣環(huán)流的異常有關。本節(jié)重點從高低空大氣環(huán)流及氣象要素的月平均場與距平場分析2020年5月山東強對流多發(fā)的原因。

3.1 高空天氣系統(tǒng)異常

3.1.1? 500 hPa

2020年5月，500 hPa平均高度場（圖3a）東亞地區(qū)上空為“一槽一脊”型，東北—華北地區(qū)為弱高空槽，華北地區(qū)為-1 dagpm的負距平中心，山東處于高空槽底部，山東北部為負距平。巴爾喀什湖以北地區(qū)為高壓脊，高壓脊的頂部為14～16 dagpm的正距平中心。該高壓脊的強度異常偏強，導致脊前西北氣流攜帶較強冷空氣侵入到位于高空槽底部的山東。由月平均溫度分布（圖3b）可以看出，華北—山東為溫度槽，華北—我國中西部地區(qū)均為-1 ℃的負距平，說明5月華北地區(qū)冷空氣偏強。同時，副高強度偏強，其控制區(qū)為2～4 dagpm的正距平中心（圖3a），導致副高外圍的西南暖濕氣流可以到達地處中緯度的山東。另外還可以發(fā)現(xiàn)，朝鮮半島以南地區(qū)無論是高度場還是溫度場均為正距平，說明該地暖脊強度偏強阻礙華北低槽的東移，導致高空槽長時間駐留在華北—山東一帶，造成山東多發(fā)對流性天氣。

3.1.2? 850 hPa

850 hPa月平均高度場（圖3c）與500 hPa相似，東亞地區(qū)上空同樣為“一槽一脊”型，巴爾喀什湖以北地區(qū)高壓脊的頂部為6～7 dagpm的正距平中心。東北—華北地區(qū)為高空槽區(qū)，槽區(qū)負距平的范圍和強度均大于500 hPa，山東半島為-2～-1 dagpm的負距平中心。山東受850 hPa高空槽前西南氣流、500 hPa高空槽后的西北氣流控制，為前傾槽結構。850 hPa月平均溫度場（圖3d），東亞大陸大部地區(qū)的氣溫為正距平，河南—山東南部為2～3 ℃的正距平，巴爾喀什湖以北地區(qū)暖脊的正距平高達7～8 ℃。結合圖3b可知，巴爾喀什湖以北的暖高壓脊強度異常偏強，系統(tǒng)深厚，導致脊前西北氣流不斷引導冷空氣入侵華北到山東地區(qū)。

由850 hPa月平均經(jīng)向風分布（圖3e）可以看出，零速度線正好穿過山東中部，說明山東正處冷暖空氣的交綏區(qū)。而且零速度線以北的北風區(qū)為負距平，進一步說明槽后北風強度偏強，引導冷空氣入侵到山東。對比分析圖3c、d和圖3a、b可知，東亞大槽的強度較常年略偏強，華北到山東地區(qū)850 hPa溫度為正距平，850 hPa高空槽對應850 hPa的暖溫度脊、500 hPa的冷溫度槽區(qū)，500 hPa槽后的西北氣流不斷攜帶冷空氣入侵到850 hPa暖溫度脊上空，造成該區(qū)域形成位勢不穩(wěn)定的大氣層結。由圖3f可知，河北、河南、山東一帶850 hPa與500 hPa月平均溫度差為26～30 ℃，距平為1～2 ℃，說明該區(qū)域為位勢不穩(wěn)定區(qū)域，并且不穩(wěn)定程度超過氣候平均值1～2 ℃。500 hPa槽后冷空氣入侵山東時，疊加在低層暖空氣之上，不穩(wěn)定度加強，容易產(chǎn)生強對流天氣。

由此可見，山東上空高空槽強度偏強，系統(tǒng)深厚，并且為前傾槽，受東部偏強副高的阻擋，長時間維持在山東。500 hPa巴爾喀什湖以北暖高壓脊強度異常偏強，脊前西北氣流不斷攜帶冷空氣入侵山東，疊加在850 hPa偏強的暖溫度脊上空，造成山東長期處于位勢不穩(wěn)定大氣層結中，易產(chǎn)生強對流天氣。

3.2 地面天氣系統(tǒng)異常

海平面氣壓月平均場（圖4a）中，東北氣旋中心位于內(nèi)蒙古東北部到黑龍江北部地區(qū)，氣旋中心西南部為高達-2.0 hPa的負距平中心，貝加爾湖西側(cè)高壓中心的距平高達2.5 hPa，說明二者之間的鋒區(qū)強度是異常偏強的。山東處于東北氣旋南部東高西低的南風氣流中，河北、河南到山東西部一帶有一低壓中心，-1.8 hPa的負距平中心位于河南東部到山東西南部，說明在3省交界處受到一個異常偏強的低壓控制，氣旋式輻合較強。

2 m氣溫的分布（圖4b）與850 hPa的溫度場類似，河北、河南到山東西部一帶為暖溫度脊，3～4 ℃的正距平中心位于河南中部，該中心與海平面氣壓的負距平中心重合，河北中東部到天津一帶為-1 ℃的負距平。由圖4b和圖3b、d可知，冷暖空氣在河北南部到山東西部一帶交綏，交綏區(qū)正好位于地面22 ℃暖溫度脊的頂端。該暖溫度脊氣溫偏高，氣旋式輻合明顯偏強，在不穩(wěn)定大氣層結條件下，容易觸發(fā)強對流天氣。

3.3 有利于產(chǎn)生對流的環(huán)境條件

產(chǎn)生對流天氣需要一定的水汽、不穩(wěn)定的大氣層結和抬升觸發(fā)條件（3要素）[22]。3.1節(jié)和3.2節(jié)的分析表明天氣尺度系統(tǒng)異常，高低空系統(tǒng)的配置無論是動力條件還是熱力條件均有利于山東產(chǎn)生對流天氣。本節(jié)重點分析2020年5月山東3要素的分布特征。

由2020年5月大氣可降水量月平均和距平分布（圖4c）可見，山東境內(nèi)大氣可降水量為22～26 kg·m-2，自北向南逐漸增加，東南部到半島南部一帶為24 kg·m-2。距平分布自西向東逐漸增大，除了西南部為負距平外，其他地區(qū)均為正距平，中東部地區(qū)的距平為2～3 kg·m-2。結合圖3e的分析，除本地的水汽外，源源不斷的水汽輸送也是5月山東發(fā)生強對流天氣的重要水汽來源。

由2020年5月對流有效位能（convective available potential energy，CAPE）的月平均和距平分布（圖4d）可見，山東境內(nèi)CAPE為50～250 J·kg-1，自北向南逐漸增加，東南部為200～250 J·kg-1。距平分布也是自北向南逐漸增大，除北部和西南部的部分地區(qū)為負距平外，其他地區(qū)均為正距平，東南部地區(qū)的距平為50～100 J·kg-1，說明山東境內(nèi)大部地區(qū)的不穩(wěn)定性高于氣候平均值，尤其是東南地區(qū)不穩(wěn)定程度最高，在合適的抬升觸發(fā)條件下有利于產(chǎn)生對流。由10 m風場分布（圖4c、d）可知，在魯中地區(qū)淄博到濰坊一帶穩(wěn)定存在一條西南風與東南風的輻合線，輻合線南側(cè)，既是水汽充沛地區(qū)（圖4c），也是CAPE的高值區(qū)（圖4d），在輻合線的觸發(fā)下容易產(chǎn)生對流天氣。

4? “5·17”強對流天氣特點

4.1 強對流天氣概況

2020年5月17日下午至夜間，除山東西南部的部分地區(qū)外，全省出現(xiàn)大范圍的強對流天氣，魯南和半島的部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨（圖5a），過程最大降水量88.2 mm出現(xiàn)在乳山的育黎站，最大小時雨量56.9 mm出現(xiàn)在榮城的城西站，上述2個站均隸屬于威海市轄區(qū)。除魯西北的部分地區(qū)外，全省大部地區(qū)出現(xiàn)8級以上雷暴大風（圖5b），最大風速36.6 m·s-1（12級）于22：29出現(xiàn)在日照的嵐山港站，次大值34.6 m·s-1（12級）于21：25出現(xiàn)在臨沂觀測站。山東一共有5個測站出現(xiàn)12級雷暴大風，35站出現(xiàn)10級以上雷暴大風。對比圖2a和圖5a可以發(fā)現(xiàn)，基本上有降水的地區(qū)均出現(xiàn)了冰雹。當日青島的即墨和城陽分別觀測到直徑4.5 cm和4.0 cm的大冰雹。

2020年5月17日16時—18日05時，山東正、負閃電合計3 638次，其中正閃1 019次，負閃2 619次，正閃占28.01%，閃電平均強度為30.87 kA。閃電活動主要發(fā)生在棗莊、臨沂、日照和山東半島（圖略），最大閃電次數(shù)為73次，出現(xiàn)在臨沂。最大閃電強度出現(xiàn)在22：02：15（36.92?N，118.74?E），電流強度達到266.98 kA，位于濰坊壽光。

4.2 雷達回波特征

17日17：00在魯西北有一條東北—西南向的云帶，德州境內(nèi)分散有30～40 dBZ的降水回波，將此云帶稱為回波帶A。之后回波帶A內(nèi)的單體快速發(fā)展，18：00（圖6a）已發(fā)展成一條東北—西南向的積層混合降水回波，夾雜著個別強度較強的單體，最大反射率因子為55 dBZ。回波帶A的范圍略有擴大，除魯西北地區(qū)外，魯中的北部也開始出現(xiàn)30 dBZ的降水回波，稱其為回波帶B。18：00以后，在回波帶A的前側(cè)（東南方向）不斷有新單體快速發(fā)展，同時在回波帶A的前沿也有一些單體快速發(fā)展。19：00（圖6b），回波帶A已發(fā)展成一條帶狀的多單體風暴，夾雜著多個超級單體，最強單體強度高達65 dBZ，位置比18：00略偏東，位于濰坊—濟南—德州一線。魯中的南部到魯東南一帶有一些分散的新單體發(fā)展，中心強度在55～60 dBZ之間。之后回波繼續(xù)快速發(fā)展并東移，20：00（圖6c），回波帶A的后部（西北側(cè)）逐漸減弱，其前部強度增強，多個單體的中心最大反射率因子高達65 dBZ。同時，在日照、青島一帶的單體和萊蕪、臨沂、濟寧交界處的單體分別發(fā)展成為近乎東北—西南向的多單體C和多單體D，其中多單體D中心最大回波強度為65 dBZ，呈現(xiàn)后向傳播的特征，在其西南方向有一小塊中心強度60 dBZ的單體。回波帶A向東移的同時，向東南方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢為前側(cè)發(fā)展，后側(cè)減弱，前部多為中心強度達60 dBZ的較強單體，其南界與多單體C距離縮短，二者將有合并的趨勢。

21：00（圖6d），多單體D已發(fā)展為一條東北—西南向的颮線，其北界與回波帶A的前沿連接，其西南向在魯西南到河南境內(nèi)仍不斷有新單體發(fā)展，稱其為多單體E。多單體C仍位于青島、日照一帶，部分單體之間發(fā)生合并，以強度高達60～65 dBZ的超級單體為主。回波帶A前沿單體較強，其后部減弱較快。3部分回波之間距離縮短，逐漸接近。22：00（圖6e），回波帶A的后部繼續(xù)減弱，其前沿的單體、多單體C和多單體D已完全合并，形成一條長度超過500 km的長颮線。颮線內(nèi)包含著強度超過60 dBZ的超級單體，颮線的尾部仍有一些新單體發(fā)展，稱其為多單體F。23：00（圖6f），颮線東段入海，青島以北強度減弱，青島以南強度依然較強，日照海域颮線強度達65 dBZ。颮線南段繼續(xù)控制魯南—蘇北一帶，強中心雷達反射率因子達60 dBZ，颮線尾部仍有多單體G發(fā)展。之后颮線繼續(xù)東移，強度逐漸減弱。

由上述分析可見，分散的對流單體快速發(fā)展過程中發(fā)生了多次合并，單體在合并過程中強度增強，最終形成超級單體和颮線。比如，18：54，在青島膠州西側(cè)新生兩小塊對流單體，分別稱其為單體A、單體B，兩單體最大反射率因子為30 dBZ。19：00，單體A、B之間又新生單體C，且單體A、B快速發(fā)展，范圍擴大。19：11，3個單體合并，稱其為單體D，最大反射率因子高達55 dBZ，且其周邊繼續(xù)有新單體生成并與其合并。19：34（圖6g），單體D與其南部的新生的單體E合并，但兩單體仍具有獨立的強回波中心。由單體D的剖面圖可見，最大反射率因子65 dBZ具有明顯的回波懸垂特征，說明該單體內(nèi)有強烈的上升運動，且近地面有一小塊60 dBZ以上回波，說明冰雹落到較低高度。20：02（圖6h），單體E逐漸減弱，單體D繼續(xù)發(fā)展，65 dBZ回波范圍擴大，強回波中心更加緊密，具有鉤狀回波特征。由其垂直剖面圖可見，65 dBZ回波垂直方向從地面向上一直擴展到9 km以上（-20 ℃層高度為6.6 km），面積增大，仍具有回波懸垂特征，可見風暴內(nèi)部垂直上升運動非常強，導致青島的城陽、即墨一帶出現(xiàn)直徑4.0 cm以上的大冰雹。

由此可見，山東境內(nèi)新生的對流風暴發(fā)展迅速，形成超級單體群。超級單體發(fā)展旺盛，風暴內(nèi)部上升運動非常強烈，65 dBZ強回波頂高達9 km，具有鉤狀回波、回波懸垂等大冰雹云的顯著特征。魯東南一帶對流風暴呈后向傳播特征，逐漸組織化為一條東北—西南向的颮線。颮線逐漸與其西南側(cè)新生單體、北側(cè)回波帶A、東北側(cè)多單體C合并，逐漸演變?yōu)橐粭l長度超過500 km、內(nèi)含多個超級單體的強颮線，造成山東出現(xiàn)大范圍冰雹、雷暴大風和局地短時強降水等極端強對流天氣。

4.3 垂直運動特征

雙多普勒雷達風場反演技術已較多用于分析對流風暴內(nèi)部的流場結構[17-19]。選用濰坊和青島多普勒天氣雷達的基數(shù)據(jù)計算對流風暴內(nèi)的垂直速度。由圖7a可見，20：33，青島平度境內(nèi)的超級單體最大反射率因子為65 dBZ，風暴呈現(xiàn)向東側(cè)（右側(cè)）的傾斜結構，這種傾斜的、中高層懸垂的垂直結構有利于風暴的持續(xù)發(fā)展[23]。風暴主體內(nèi)偏東側(cè)為斜上升運動，最大上升速度28 m·s-1位于10 km高度以上，說明該超級單體東側(cè)仍呈發(fā)展趨勢。兩個體掃之后，20：45（圖7b）該超級單體依舊呈傾斜結構，風暴主體偏東側(cè)仍然為上升運動，最大上升運動中心28 m·s-1還是位于10 km以上。當日的-20 ℃層高度為6.5 km，-30 ℃層高度位于7.7 km處。該超級單體內(nèi)的最大上升運動中心遠遠高于-30 ℃層高度，有利于大冰雹的形成。由圖7b可見，超級單體后側(cè)的下沉運動也較強，最大下沉速度同樣達到28 m·s-1。風暴后側(cè)強的下沉氣流到達地面后產(chǎn)生強輻散，一方面在近地面產(chǎn)生強的雷暴大風，另一方面，地面出流與環(huán)境風之間產(chǎn)生輻合，有利于觸發(fā)產(chǎn)生新的雷暴，促使雷暴不斷傳播，生命史延長。事實上，該超級單體于19：11在濰坊的壽光形成，之后向東移動，最大反射率因子持續(xù)達65 dBZ，直到21：00移出青島的平度后強度逐漸減弱，造成所經(jīng)之地出現(xiàn)冰雹和雷暴大風。

可見，超級單體內(nèi)垂直上升速度和下沉速度均高達28 m·s-1，上升運動劇烈，維持時間長，導致超級單體生命史延長，造成所經(jīng)之地出現(xiàn)大冰雹和雷暴大風。

5? 結論與討論

2020年5月山東強對流次數(shù)之多、范圍之廣、強度之大、災害之重為近10年來少見，本文分析了2020年5月山東強對流和“5·17”強對流的天氣特點，并從大尺度天氣系統(tǒng)和氣象要素異常的角度分析了此月山東強對流天氣多發(fā)的原因。主要結論如下：

（1）副高強度偏強，有利于其外圍的西南暖濕氣流到達地處中緯度地區(qū)的山東；受海上較強高壓脊阻擋，強度偏強的前傾槽長時間維持在山東上空；500 hPa巴爾喀什湖以北暖高壓脊強度異常偏強，脊前西北氣流不斷攜帶冷空氣入侵山東，疊加在850 hPa偏強的暖溫度脊上空，造成山東長時間處于位勢不穩(wěn)定大氣層結，為強對流天氣提供了有利的環(huán)境條件。

（2）山東上空水汽充沛，CAPE偏大，850 hPa山東處于冷暖空氣的交綏區(qū)，在不穩(wěn)定大氣層結條件下，冀魯豫3省交界處氣旋式輻合明顯偏強，魯中地區(qū)穩(wěn)定存在一條輻合線，容易觸發(fā)產(chǎn)生強對流天氣，造成山東5月強對流天氣頻發(fā)。

（3）“5·17” 強對流冰雹范圍之廣非常罕見，全省14市（87.5%）58站（47.2%）出現(xiàn)冰雹，占5月降雹站數(shù)的71.6%。超級單體群和一條長度超過500 km的颮線是造成“5·17”強對流的直接原因，超級單體內(nèi)部垂直上升速度和下沉速度均高達28 m·s-1，上升運動劇烈，維持時間長，導致超級單體生命史延長，造成所經(jīng)之地出現(xiàn)大冰雹和雷暴大風。

造成強對流天氣除需要有利的大尺度環(huán)境條件，還需要中小尺度天氣系統(tǒng)的配合，比如陣風鋒、海風鋒、云街等中小尺度天氣系統(tǒng)的觸發(fā)作用[24-25]，回波合并導致雷暴增強[19，26]等等。由上述的分析可見，造成“5·17”強對流的是超級單體群和颮線，超級單體出現(xiàn)多次合并，生命史長。后續(xù)將針對此次強對流天氣過程，分析產(chǎn)生強度如此之強、范圍如此之廣的天氣成因，進一步提高對極端強對流天氣形成機理的認識。

致謝：感謝中央氣象臺牛若蕓和周寧芳兩位首席預報員給予的指導和幫助。

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