2018, Vol. 38
2. 青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东 青岛 266003;
3. 中国海洋大学物理海洋实验室，山东省高校海洋－大气相互作用与气候重点实验室，山东 青岛 266100
2. Qingdao Engineering Technology Research Center for Meteorological Disaster Prevention, Qingdao 266003, China;
3. Physical Oceanography Laboratory and Key Laboratory of Ocean-Atmospheric Interaction and Climate in Universities of Shandong, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
在对流风暴产生的灾害性天气现象中，雷暴大风因发生频率高、致灾性强且预报预警难度大等特征，其产生的环境条件、触发机制和临近预警一直是强对流灾害性天气研究中的重要内容之一[1]。1978年Fujita[2]提出了弓状回波的概念模型，指出在发展成熟的弓状回波向前突出的顶部，对应灾害性大风区。其后Smull and Houze[3-4]根据观测事实和数值模拟指出，飑线系统中存在3支主要气流：主上升气流、飑前低层流向后部的斜升气流和飑后中低层流向前部的下沉入流，后部下沉气流到达地面而产生的直线风造成弓状回波顶部的灾害性大风。
灾害性地面大风产生的原因很多，如弓状回波中的γ中尺度涡旋会造成局地强风，灾害性大风由后侧入流急流与中涡旋的线性叠加造成[5-9]；强单体风暴产生的下击暴流也会导致地面大风的产生[10-11]；冰雹重力拖曳和融化过程对强风暴下击暴流的产生具有重要作用[12]；飑线发生时也常伴随着破坏性很强的龙卷风或下击暴流，其后部的入流和地面高低压间的气压梯度力可能是造成飑线大风的原因[13]。国内多普勒天气雷达投入业务应用以来，对多个飑线个例研究表明，飑线回波具有线状分布，移动速度快，有时伴有中气旋等特点，雷暴大风与弓状回波相联系[14-15]。姚叶青等[16]分析认为，弓形回波中层有明显的辐合特征，表明下沉气流很强，很快会出现地面大风，中气旋的出现有利于干冷空气夹卷入雷暴，增加了地面大风出现的可能性。
2017年8月6日下午到夜间发生在山东东部地区的一次强雷暴大风过程，造成了严重的风灾，该次强对流过程被列为山东2017年十大天气气候事件之一。本文利用潍坊和青岛CINRAD/SA雷达资料结合常规资料对这次灾害性大风过程的天气背景及风暴演变特征等进行了详细分析，以期积累此类天气的预报经验。
1 天气实况与背景此次强雷暴大风过程持续时间较长，影响范围广，强度大，半岛地区多年未见。潍坊、青岛、烟台、威海的部分县(市)先后遭受风雹袭击(表 1)，共有99站出现8~9级大风，16站出现10~11级大风，2站达到12级或以上大风。其中，潍坊南孙极大风速达37 m·s-1(13级)，青岛夏格庄为35.5 m·s-1(12级)，此外，潍坊地区出现了冰雹。本次过程受灾人口15.8万人，农作物受灾面积1.74万hm2，倒塌房屋281间，直接经济损失2.4亿元，其中农业损失2.1亿元。
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表 1 2017年8月6日10级以上大风实况 Table 1 Actual situation of the wind stronger than force 10 gale on 6 August 2017 |
8月6日08时500 hPa形势场(图 1a)，东北冷涡比较活跃，中心温度＜-10 ℃，冷涡西南侧高空槽后西北风风速约16 m·s-1，半岛南部地区达到20 m·s-1。强西北气流引导中层干冷空气从中高纬度南下到黄淮地区。700 hPa(图 1b)半岛南部地区西北风速12 m·s-1以上。850 hPa(图 1c)，我国西北至黄淮一带为≥22 ℃的暖区，河南至鲁中北部存在温度≥24 ℃的暖脊。8月6日08—17时，地面处于热低压中，山东大部分地区最高气温达35 ℃以上，部分超过37 ℃。中层入侵的干冷空气叠加在低层暖空气上，使得我国西北至黄淮一带850 hPa与500 hPa的温度差≥30 ℃。山东大范围地区内大气上冷下暖的结构非常明显，利于出现层结不稳定。济南500~850 hPa的温度露点差达到20 ℃以上，说明该区域中层较干。青岛站08时探空分析(图 1d)显示，CAPE值大于2 500 J ·kg-1，对流温度34.4 ℃，20时CAPE值增大至3 700 J ·kg-1，850~975 hPa温度直减率达到8.8 ℃·km-1，接近干绝热递减率，0~6 km垂直风切变为20 m·s-1，0~3 km垂直风切变为12 m·s-1。以往研究表明，中层强垂直风切变利于组织性强的风暴如飑线、超级单体等形成，低层强垂直风切变利于地面大风的产生[17-19]。
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图 1 8月6日08时天气图(a. 500 hPa，b. 700 hPa，c. 850 hPa)和青岛探空图(d) Fig.1 Synoptic chart at 500 hPa (a), 700 hPa (b), and 850 hPa (c) & t-lnp diagram in Qingdao (d) at 08:00 BST on 6 August 2017 |
分析潍坊雷达反射率产品可知，孤立对流风暴东移、演变过程中与海风锋触发的雷暴相作用形成飑线。6日15:50前后，有孤立对流风暴形成于章丘东南部与博山交界处(图 2a)，之后向东偏北方向移动，移动过程中不断加强演变成强风暴(图 2b、c，单体D0)。强风暴影响青州和寿光一带时，雷达9.9°仰角反射率因子产品上出现明显三体散射(TBSS)现象(图 2i、j)。16:43雷达0.5°仰角反射率因子产品从寿光到昌邑一线可以识别出近似东西向的窄带回波(图 2g)，径向速度上有辐合线相对应(图 2h)。窄带回波是海风锋产生的中尺度边界辐合线，逐渐向内陆推进，推进过程中强度逐渐加强，17:48前后窄带回波东段触发对流单体2(图 2b)。对流单体2迅速发展，同时在其前侧又有对流单体3生成发展(图 2c)，从而形成不太连续的近东西向对流回波带。对流单体2、3与影响青州和寿光的风暴D0相互作用，19:34前后形成飑线的主体回波(图 2d，红色圆圈区域)。主体回波移动速度明显加快，东移过程中发展成长度约200 km的飑线系统，局部形成了弓形结构(图 2e、f)，相继在昌邑、莱州、平度、即墨等地产生10级或以上大风天气。6日21:50前后飑线南段进入青岛南部海区，7日00:30前后减弱消失，北段在6日22:40前后进入烟台东部海区，中段在7日00:20前后影响威海东部海区，01:30前后减弱消散。此次飑线从形成(6日19:00前后)至消亡(7日01:30前后)历时约6 h 30 min，在威海至青岛以南海区影响时间大概2 h 40 min，在烟台至威海以北海区影响时间大概2 h 50 min，由于无法获得海上大风实况，无法详细分析飑线强度及其影响程度。
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图 2 2017年8月6日潍坊雷达15:50、17:48、18:41、19:34、20:39、21:43组合反射率因子(a-f)、0.5°仰角16:43基本反射率因子(g)、平均径向速度(h)和9.9°仰角18:00、18:35基本反射率因子(i、j) Fig.2 Combination reflectivity factors at 15:50 (a), 17:48 (b), 18:41 (c), 19:34 (d), 20:39 (e), and 21:43 (f) & base reflectivity factor (g) and average radial velocities (h) at 0.5° elevation angle at 16:43 & base reflectivity factors at 9.9°elevation angle at 18:00 (i) and 18:35 (j) from Weifang Doppler weather radar on 6 August 2017 |
昌邑周围10级或以上大风出现时间是在19:05—20:03之间。19:04，4.3°仰角径向速度场显示，潍坊南孙附近约3.1 km高度出现显著的径向辐合特征，离开雷达的最大径向速度为12.5 m·s-1，朝向雷达的最小径向速度为－17.5 m·s-1(图略)。同时，3.4°、6.0°和9.9°仰角也出现辐合特征，辐合区垂直范围从2.6 km到6.6 km。0.5°仰角，潍坊南孙附近约0.7 km高度出现显著径向辐散特征(图 3a)，离开雷达的最大径向速度为25.5 m·s-1，朝向雷达的最小径向速度为－12.5 m·s-1，两者相差38 m·s-1，1 min后南孙区域站出现37 m·s-1的极大风速。19:22，0.5°仰角(图 3b)昌邑附近约0.9 km高度出现速度模糊现象，径向速度最小值为－25 m·s-1，退模糊后实际径向速度为29 m·s-1，19:27昌邑站出现25.0 m·s-1的极大风速。同时，4.3°仰角，昌邑附近约4 km高度出现显著径向辐合特征，离开和朝向雷达的最大径向速度均为23.5 m·s-1，辐合区垂直范围从2.7 km到5.8 km。19:34，0.5°仰角(图 3c)卜庄附近约1.1 km高度存在速度模糊现象，径向速度最小值为－20 m·s-1，退模糊后实际径向速度为34 m·s-1，19:44卜庄区域站出现25.3 m·s-1的极大风速，中层也存在明显的径向辐合，辐合区垂直范围从3.2 km到7.0 km。19:46，0.5°仰角(图 3d)径向速度产品显示速度模糊范围进一步增大，1.3 km高度速度模糊最小值为－16 m·s-1，退模糊后实际径向速度为38 m·s-1，19:50、20:03分别在土山和防潮坝区域站出现29.0 m·s-1和27.9 m·s-1的极大风速。
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图 3 2017年8月6日潍坊雷达0.5°仰角平均径向速度图(图中标注速度为退模糊后的速度；a.19:04，b.19:22，c.19:34，d.19:46) Fig.3 Average radial velocities at 0.5° elevation angle from Weifang Doppler weather radar on 6 August 2017 (velocities in Fig. 3 are after dealiasing; a. 19:04, b. 19:22, c. 19:34, d. 19:46) |
由此可见，中层存在明显的径向辐合，近地层有显著的径向辐散(速度差≥35 m·s-1)或者大的径向速度(速度绝对值≥29 m·s-1)是产生昌邑周围10级或以上强雷暴大风的典型特征。
3.2 青岛10级或以上大风青岛10级或以上大风出现时间是在20:17—21:35之间，但青岛雷达0.5°仰角径向速度产品都没有大的径向速度或强辐散特征(图略)。除莱西北墅站外，其他几个站都是由同一单体导致(图 4a)，同时20:50起连续7个体扫出现中气旋，属于镶嵌在线性回波带里面的超级单体。此阶段飑线表现为典型的中层径向辐合(MARC)特征，但影响崔召和北墅时特征不显著(径向速度差＜25 m·s-1)，影响店埠至金口一带时MARC特征显著。20:39，约4.9 km高度上(图 4b)，离开雷达的最大径向速度为24.5 m·s-1，朝向雷达的最小径向速度为－5.5 m·s-1，两者相差30 m·s-1，20:43店埠区域站出现30.5 m·s-1的极大风速。21:08时次约5.9 km高度上(图 4c)，离开雷达的径向速度出现模糊，去模糊后最大径向速度为31 m·s-1，朝向雷达的最小径向速度为－13.5 m·s-1，两者相差44.5 m·s-1，21:19金口区域站出现32.2 m·s-1的极大风速。由青岛雷达回波图可以看出，影响崔召区域时风暴中层为强中反气旋结构(图 4d-f)，持续时间6个体扫，19:52崔召附近最大出流为10 m·s-1，最大入流为－29 m·s-1，两者相差39 m·s-1，相距5.1 km(图 4d)，其余体扫时段内，最大入流和最大出流速度相差均超过31 m·s-1。这种中反气旋结构可能预示着强的下沉气流。
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图 4 2017年8月6日青岛雷达21:01组合反射率因子(a)、潍坊雷达20:39(b)、21:08(c) 1.5°仰角平均径向速度和青岛雷达19:52(d)、19:58(e)、20:04(f) 2.4°仰角平均径向速度图(图中标注速度为退模糊后的速度) Fig.4 Combination reflectivity factors at 21:01 (a) from Qingdao weather radar, average radial velocities at 1.5°elevation angle at 20:39 (b) and 21:08 (c) from Weifang weather radar, and average radial velocities at 2.4°elevation angle at 19:52 (d), 19:58 (e) and 20: 04 (f) from Qingdao weather radar (velocities in Fig. 4 are after dealiasing) |
由此可见，较显著的中层径向辐合(MARC)特征(速度差≥30 m·s-1)或者中层强中反气旋结构(速度差超过31 m·s-1)也是产生10级或以上强雷暴大风的典型特征。
青岛雷达监测发现，20:50起连续7个体扫出现中气旋。中气旋是WSR-88D雷达的一种速度导出产品，它表示了对流风暴中与强烈上升气流相联系的小尺度涡旋，是表征是否为超级单体风暴的最重要的因子。由中气旋参数图(图 5)可以看出，对预报强风最具重要提示作用的是底部高度较低，基本处于2 km以下。分析发现雷暴大风发生前2~3个体扫，中气旋底高都是在不断下降的，中气旋底高显著下降，很可能大多数的雷暴大风与中气旋的降低密切相关。该次过程中气旋底部处于较低高度，利于诱发地面大风天气，中气旋底部高度在2 km以下可作为地面大风的临近预警指标之一。
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图 5 中气旋参数演变(黑色竖直线代表中气旋的厚度，即底部与顶部的连线) Fig.5 Temporal evolution of mesocyclones (the black vertical line: the depth of cyclone, i. e. connection between the bottom and the top) |
1) 此次飑线过程持续时间较长，影响范围广，强度大，产生了严重的风灾。本次过程发生在高空西北气流影响下，中低层强垂直风切变和较大的温度直减率为雷暴大风的出现提供了有利环境条件。
2) 中尺度边界辐合线造成的窄带回波，向内陆推进过程中触发对流单体，并与东移雷暴相互作用，形成飑线前期主体，东移过程中发展成长度为200 km左右的飑线系统，局部出现弓形回波。飑线从形成(6日19:00前后)至消亡(7日01:30前后)历时约6 h 30 min。
3) 10级以上雷暴大风在雷达径向速度特征上表现为多样性。主要有近地层显著的径向辐散(速度差≥35 m·s-1)或者大的径向速度(速度绝对值≥29 m·s-1)；较为显著的中层径向辐合(MARC)特征(速度差≥30 m·s-1)或者强中反气旋结构(速度差≥31 m·s-1)。产生10级或以上大风的强风暴中气旋具有较低的底部高度，基本处在2 km以下。
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