引言

山东省地处黄河下游地区，春夏季节因冷暖空气交汇强风暴频发，其伴随的雷暴大风、短时强降水和局地冰雹每年都会给当地人民生命财产造成不同程度的损失。强对流天气持续时间短、尺度小、局地性强，如何判断强对流天气的触发、演变、维持及分析灾害的种类和落区等，仍是当前天气预报中面临的一大难题。对此国内外很多专家进行了专项研究，潘留杰等(2013)指出地面辐合线是对流风暴的触发机制之一；陈淑琴等(2019)指出，低层逆温层是华东地区对流天气的重要特征之一；盛杰等(2019)认为低层高温高湿、中层干冷、高空大的温度垂直递减率是极端对流天气发生的有利条件；梁建宇和孙建华(2012)模拟了商丘一次风暴的大风生成机制和结构特征，认为线性风暴的中层入流加强了对流区的下沉气流，是形成极端大风的重要成因之一；程月星等(2016)发现，在上游雷暴的冷池出流作用下，地面辐合抬升最强处将触发出新生单体并迅速发展；吴海英等(2017)认为雷暴大风与对流层中层冷空气侵入、风暴内部的旋转强度和旋转持续时间密切相关；支树林等(2015)、张弛等(2019)从天气学角度入手，总结出地面降雹和雷雨大风发生的有利环境条件是适宜的0 ℃层和-20 ℃层高度和“上干下湿”的结构配置；廖移山等(2010)指出，中尺度气旋是中尺度云团的组织者，中尺度云团的发展往往伴随着中尺度气旋的新生发展；Moller等(1994)指出，当地面有雷暴大风和冰雹天气时，超级单体低层反射率因子往往具有明显的钩状回波和入流缺口；覃靖等(2017)认为超级单体最大反射率因子达到60 dBz，且50 dBz以上强回波区伸展到-30 ℃层高度以上时可能会出现大冰雹；雷蕾等(2019)和刁秀广等(2008)指出，雷达回波中存在低层弱回波区、回波悬垂、三体散射、旁瓣回波、强中气旋等特征将表明有大冰雹存在。

2019年8月16日，山东省出现了一次罕见的强对流天气，造成山东省多人伤亡和重大经济损失。本文利用潍坊、临沂、连云港多部多普勒雷达资料，并结合常规气象观测资料、区域自动气象站观测资料对此次灾害性天气过程进行分析，揭示此次灾害性天气过程影响系统的背景特征及中尺度对流系统的触发机制和强风暴的结构特征。

1 强对流天气实况及灾情

2019年8月16日14:00—19:00（北京时，下同），鲁西北到鲁东南先后出现了一次罕见的致灾性强对流天气。图 1为2019年8月16日15—20时山东省天气实况图，可以看到，此次强对流造成了山东省30个站次的短时强降水、11个站次的10级以上偏北大风和局部强冰雹等灾害性天气，其中潍坊市出现了特大冰雹、日照市出现了极端大风，给当地造成了重大损失。14:10—16:50，潍坊市的临朐县、诸城市、安丘县和日照市的五莲县等地先后出现局地冰雹，受灾最为严重的诸城市贾悦镇出现了持续了35 min(15:10—15:45)的冰雹，其中强冰雹持续时间超过6 min，最大冰雹直径约50 mm，监测到的极大风速为30.6 m·s^-1。17: 00—18:10，日照市区自西北到东南先后出现8级以上偏北大风，其中，日照港区域自动气象站18:00监测到34.6 m·s^-1 (12级)的西北风，附近商船报告日照近海海面最大风速为50 m·s^-1 (15级), 出现在17:55(商船数据来源于日照市海上搜救中心)。

本次强对流天气过程受灾人口4.36万人，日照港附近的极端大风造成天津航道局在日照港石臼港区南作业区的一艘河北籍船舶倾覆，船上9人有7人遇难，2人失联。农作物受灾面积15 000 hm²，成灾面积13 000 hm²，绝收面积10 000 hm²；倒塌房屋19间，严重损坏房屋128间，一般损坏房屋777间，直接经济损失3.45亿元。

2 大气环流背景

此次强对流过程发生在东北冷涡背景下。图 2为16日08时高空形势图，从图 2a可以看出，500 hPa东北地区有冷涡存在，高空槽呈南北向自冷涡伸向山东中部到江苏西部，山东位于冷涡的东南部，冷涡后部分裂南下的西北气流源源不断地引导冷空气扩散南下进入山东上空，山东省中高层呈现干冷特征。从图 2b可以看出，700 hPa高空冷涡与500 hPa高空冷涡位置基本一致，自冷涡到山西省中部有一东西向的冷式切变线，切变线北侧的西北气流风速较大，并与等温线夹角接近垂直，冷平流较强。图 2c显示，850 hPa在河北、河南、山东交界处有一中尺度低涡，分裂南下的偏北气流与西南暖湿气流在交汇于35°N附近，形成一条自低涡伸向河套南部的近乎东西向的切变线，切变线南侧的西到西南暖湿气流源源不断地向山东输送不稳定能量和水汽，该层山东大部分地区的比湿超过8 g·kg^-1上，其中鲁南地区更是达到13 g·kg^-1以上，同时有≥22 ℃的暖脊伸向鲁南地区，该层呈现明显的高温高湿特性。山东省850 hPa与500 hPa的温度差(T₈₅₀-T₅₀₀)超过26 ℃，青岛探空站的(T₈₅₀-T₅₀₀)更是达到29 ℃，温度垂直递减率较大，山东省上空呈现明显的上冷下暖形势，层结极不稳定，根据山东省统计指标(曹钢锋等，1988)，该温度场配置下，山东发生较强对流的可能性较大，且鲁中东部到鲁东南的对流强于其它地区。925 hPa (图 2d)切变线与850 hPa切变线位置略偏东，切变线南侧为西到西南气流，湿舌自河南伸向鲁中地区，并有暖脊自南向北伸向山东，山东近地面层也呈现出高温高湿的特征。从整层大气来看，山东省高空形成中高层干冷、低层暖湿的配置，极易产生对流天气。

3 地面中尺度系统发生发展过程

本文利用区域站5 min观测资料分析此次强对流天气过程中地面β中尺度辐合线的发展演变过程，尤其是地面中尺度涡旋的发生、发展、演变过程。分析过程中，由于鲁中个别地区受山区影响，区域站布局相对稀疏，从而造成个别时次的中尺度涡旋在风场上表现的并不是特别完整。图 3为地面系统演变，从图中可以看出，潍坊南部到日照东北部的冰雹天气和日照的极端大风天气分别由β中尺度辐合线上的两个不同的γ中尺度涡旋造成。14:00，β中尺度辐合线位于青州—莱芜一线，辐合线中段的沂源、博山、临朐、青州交界处产生一γ中尺度涡旋C1。14:10，该涡旋随着辐合线移到临朐南部，风向风速辐合进一步加强。15:15，涡旋C1移到诸城贾悦镇附近，强度达到最强，对流发展最为旺盛，贾悦镇出现大冰雹和短时强降水天气。之后涡旋C1在东南移动的过程中辐合逐渐减弱。16时许，减弱的涡旋C1开始影响五莲县东北部地区，造成了五莲县东北部地区的冰雹和短时大风天气。16:55，辐合线北段和涡旋C1东移入海，南段到达鲁东南地区，此时日照西北部出现γ中尺度涡旋C2，涡旋C2在向东南方向移动的过程中环流逐渐完整。17:45，涡旋C2到达日照东南部，风向、风速辐合达到最强，在此涡旋的触发下，鲁东南地区不稳定能量迅速释放，产生强烈的上升运动，形成日照超级单体风暴，强风暴后部产生下击暴流。18时左右，涡旋C2东移入海，涡旋后部的下击暴流造成日照港出现极端大风。20时，随着辐合线东移入海，山东强对流天气结束。

4 大气环境物理量特征

对流发展的强弱与大气条件不稳定有关。这里主要通过分析对流有效位能(CAPE)值、下沉对流有效位能(DCAPE)值、风随高度的变化、状态曲线与层结曲线的分布特征等(张小雯等，2018；寿绍文等，1993；黄俊杰等，2018)来分析大气条件不稳定。

因潍坊和日照没有探空站，本文采用离潍坊和日照较近的青岛探空站资料来预估强对流天气发生地区的大气层结状况。图 3为16日08时未订正和订正后的青岛探空图，从图 3a看出，08时青岛近地面层有逆温，形成干暖盖。研究表明，干暖盖是局地暴雨、强风暴等强天气发生的一个重要特征，一般用干暖盖指数Ls来表征其强度大小，干暖盖指数是逆温层顶处的最大饱和湿球位温与地面至500 hPa气层中的湿球位温的平均值之差，反应了低层大气稳定结构对于对流抑制的强度，其公式为：$Ls = {\left({\theta _w^*} \right)_{\max }} - {\bar \theta _w}$其中θ_w^*表示逆温层顶处的最大饱和湿球位温，θ_w表示靠近地面500 hPa气层中的湿球位温的平均值，干暖盖越强，越有利于不稳定能量的积累和水汽的积聚(方桃妮等，2019)。08时青岛探空站的Ls为-38.4 ℃，有利于不稳定能量的积累。下沉对流有效位能DCAPE是反映下沉气流的热力不稳定参数，其表达式为: $DCAPE = \int_{{p_i}}^{{p_n}} {\left({{T_{\rho a}} - {T_{\rho p}}} \right){\rm{d}}\ln p} $。根据廖晓农等(2009)的研究，当DCAPE大于600 J·kg^-1时，地面极有可能出现雷暴大风。16日08时，青岛的DCAPE值为1 075.3 J·kg^-1，远远大分布来看，地面到850 hPa之间风向随高度顺时针旋转，850 hPa到500 hPa风向随高度逆时针旋转，500 hPa以上风向随高度又转为顺时针旋转，说明低层有暖平于600 J·kg^-1，地面出现雷暴大风的可能性极大。从未订正的探空图上还可以看出，CAPE值为636.5 J·kg^-1，抬升指数(LI)为-3.4℃，不利于对流的发生；但分析订正(用青岛当天的最高气温进行订正)后的08时探空图(图 3b)发现，CAPE值明显增大，达到1 769.4 J·kg^-1，表明午后出现雷暴可能性明显增大。从风随高度的而中层有冷空气侵入，在对流层中低层形成了上冷下暖的形势。层结曲线和露点曲线在低层较接近，但是在中层则互相分开，呈现上干下湿的“喇叭状”。在这种上干冷、下暖湿的配置下，极易产生雷雨大风、短时强降水等强对流天气。

国内外很多专家指出，冰雹的融化层更接近于湿球温度0 ℃层，特别是中层有干冷空气时，蒸发导致的降温会使冰雹融化层的高度明显降低，从而使冰雹的融化层高度低于干球温度0 ℃层高度，接近于湿球温度0 ℃层高度，因此湿球温度0 ℃层高度是影响冰雹尺寸的重要因素之一(俞小鼎，2014)。从16日08时青岛探空图上看，干球温度0 ℃层和-20 ℃层的分别位于600 hPa和400 hPa附近，高度分别为4.5 km和7.6 km，而湿球温度0 ℃层的高度为3.6 km，这个高度对于8月中旬的山东是一个较低的融化层高度，特征层高度的分布非常有利于大冰雹的发生(朱乾根等，2007；俞小鼎，2006)。

5 强风暴演变特征

本次强对流天气造成的冰雹和极端大风是由两个不同的超级单体风暴产生，分别是诸城产生特大冰雹并造成严重雹灾的超级单体强风暴(简称诸城强风暴)和日照产生极端性大风并造成多人伤亡的超级单体强风暴(简称日照强风暴)，这两个超级单体风暴在不同的γ中尺度涡旋触发下产生的，下文结合γ中尺度涡旋的发生发展分别对这两个强风暴单体的演变特征进行分析。

5.1 诸城强风暴演变特征

从潍坊雷达反射率产品看出，13时开始，位于鲁中到鲁西南一线的地面β中尺度辐合线附近不断触发对流单体，并逐渐连成一小片强回波，在风暴承载层平均风(西到西北风)的引导下逐渐向东略偏南方向移动，同时对流单体强度逐渐加强，且逐渐有组织的排列成线状(图略)。14:00，随着地面γ中尺度涡旋C1开始形成和发展，其触发的对流单体迅速发展(图略)。14:10，对流单体到达临朐中南部，并发展成超级单体(下称诸城强风暴)，最大反射率达63 dBz(图略)。随着地面γ中尺度涡旋C1的进一步发展，诸城强风暴在向东南方向移动的过程中不断加强。14:48，逐步加强的强风暴移到安丘西南部，最大反射率达68 dBz(图 5a)。15:10左右，强风暴进入诸城西部地区，最大反射率增大到69 dBz，65 dBz以上的强反射率面积在35 km2左右。15:15，地面γ中尺度涡旋C1达到最强，与其对应的诸城强风暴前沿开始影响重灾区贾悦镇，风暴最大反射率增大到71 dBz，65 dBz以上的强反射率面积在80 km2左右。15:35，强风暴达到最强，最大反射率达73 dBz，65 dBz以上的强反射率面积达87 km² (图 5b)，并呈现出有界弱回波区(BWER)和三体散射(TBSS)特征(图 5c)。对沿图 5b红线所做的反射率因子垂直剖面(图 5d)分析发现，诸城强风暴具有深厚的有界弱回波区(BWER)、明显的旁瓣回波、回波悬垂和三体散射(TBSS)特征，65 dBz强回波从地面伸展到10 km左右，表明该强风暴存在大冰雹并且已经降落到地面。据报道，此时贾悦镇出现特大冰雹，冰雹的最大直径超过50 mm。之后，强风暴开始逐渐减弱，强反射率面积慢慢减小。16:09，减弱的诸城强风暴开始影响五莲县东北部，许孟镇、户部乡的部分地区先后出现20 mm左右的大冰雹及30.6 m·s^-1、21.3 m·s^-1的大风。16:55，强风暴东移入海。此超长生命期的强风暴从形成(13时左右)至消亡(17时左右)历时约4 h，给山东省多地带来冰雹天气，影响最大的是诸城。

图 6为诸城强风暴参数演变图，从图上可以看出，14:03—16:33 (旺盛阶段)，强风暴最大反射率因子(DBZM)、风暴顶(TOP)、强中心高度(HT)、基于单体的累积液态水含量(C-VIL)的平均值分别为66.2 dBz、10.65 km、5.14 km、55.56 kg·m^-2。15:10—15:45诸城出现特大冰雹天气，该时段强风暴参数DBZM、TOP、HT、C-VIL平均值分别71.6 dBz、11.91 km、4.71 km、62.85 kg·m^-2，其中DBZM、TOP、C-VIL的平均值明显高于旺盛阶段的平均值，而TOP平均值低于旺盛阶段的TOP平均值，15:29，TOP值更是低至1.7 km，表明该时刻大冰雹已经降落到较低的位置。

5.2 日照强风暴演变特征

日照强风暴形成于16:30前后，在承载风的引导下，迅速往东偏南方向移动，在移动过程中与周围的对流单体合并。16:55，随着地面γ中尺度涡旋C2的形成，其触发的日照强风暴发展成超级单体风暴(图 7a)。地面γ中尺度涡旋C2在向东南方向移动的过程中环流逐步完整、加强，涡旋东侧逐步加大的东南风源源不断的将海上暖湿空气输送到涡旋区，日照强风暴进一步发展。17:44，日照强风暴达到最强(图 7b)，最大反射率因子为67 dBz，位于日照港西北部10 km左右，17:56，随着地面γ中尺度涡旋C2的减弱，日照强风暴随之开始减弱并影响日照南部近海海域，此时回波最大反射率因子为61.5 dBz，结合图 7c和图 7d可以看出，强风暴低层右前侧存在明显的入流缺口，表明风暴右前侧存在强烈的上升气流，对应着风暴低层左后方的强反射率因子区为强下沉气流区。17:50、17:53、18:00、18:01，日照港区域自动站观测到的风速的风速分别为12.4、23.5、34.6、26.4 m·s^-1。在日照强风暴发生、发展、移动过程中，反射率因子并没有出现明显的三体散射、旁瓣回波、有界弱回波区等特征，故没有大冰雹产生。

图 8为日照强风暴参数演变图，从图中看出，风暴历时约2小时11分钟。16:57，风暴开始迅速加强，DBZM、TOP、C-VIL分别为61 dBZ、7.3 km、51 kg·m^-2，之后一直维持较高的数值。17:38风暴达到最强，DBZM、TOP、C-VIL分别为67 dBZ、6.9 km、69 kg·m^-2。17:50之后风暴开始快速减弱，DBZM由17:50的66 dBZ减弱到18:08的55 dBz，HT由17:56的3.0 km迅速下降到18:02的1.6 km，强中心的快速下降表明有强烈的下沉气流，日照港极端大风出现在风暴快速减弱阶段。

诸城强风暴和日照强风暴的生命史明显不同，诸城强风暴寿命明显长于日照强风暴。地面触发系统也不同，前者的地面触发系统是γ中尺度涡旋C1，后者为γ中尺度涡旋C2。诸城强风暴具有深厚的有界弱回波区(BWER)、明显的旁瓣回波、回波悬垂和三体散射(TBSS)等大冰雹产生的特征；而日照强风暴在雷达图上出现入流缺口，并没有出现大冰雹特征。风暴旺盛阶段，诸城强风暴的各参数明显大于日照强风暴。诸城强风暴的HT多数时间在0 ℃层以上，多个时次在-20 ℃层高度以上，有利于冰雹的产生、增长和出现较长时间的大冰雹，而日照强风暴在旺盛阶段，HT高度基本0 ℃层和-10 ℃之间。综上所述，诸城强风暴产生的冰雹要强于日照强风暴。

6 强风暴低层气流结构

近距离、低仰角的新一代多普勒天气雷达径向速度产品能较好的体现强风暴的低层气流结构特征，但因雷达径向和风向往往不一致，导致用一部雷达探测到的径向速度来分析强风暴的气流结构特征会有一定的误差。为了更准确的分析强风暴出现大风时的低层气流结构特征，本文分别用与诸城距离相当且最近的青岛雷达和潍坊雷达、与日照距离相当且最近的临沂雷达和连云港雷达的径向速度产品来对比分析诸城强风暴和日照强风暴产生大风前后的低层气流结构特征。

6.1 诸城强风暴低层气流结构

诸城强风暴前期主要是产生冰雹天气，实况没有监测到8级以上大风天气，监测到9级以上大风主要出现在强风暴开始减弱时段，分别为15:59出现在许孟镇30.6 m·s^-1的大风和16:14出现在户部乡21.3 m·s^-1的大风。对比分析15:59与16:16潍坊雷达0.5°仰角的径向速度产品(图 9a，b)可知，16:00最大入流速度达到-8.0 m·s^-1，最大出流速度为23 m·s^-1，转动速度达到15.5 m·s^-1；16:16，最大入流速度为-9.0 m·s^-1，最大出流速度为20.5 m·s^-1，旋转速度为14.75 m·s^-1，风暴低层(高度约1.77 km)气旋性旋转强度减弱。

15:58与16:15青岛雷达0.5°仰角的径向速度(图 9c，d)对比可知，15:58最大入流速度出现速度模糊，退模糊速度后达到-29.5 m·s^-1，最大出流速度为7 m·s^-1，转动速度达到18.25 m·s^-1，并出现中气旋特征；16:15最大入流速度为-27 m·s^-1，最大出流速度为7.5 m·s^-1，旋转速度为17.25 m·s^-1，风暴低层(高度约1.2 km)气旋性旋转强度减弱。

潍坊雷达与青岛雷达距离诸城风暴产生大风的地点基本相当，但同时次青岛雷达探测到的径向速度区的绝对值大于潍坊雷达，旋转强度也强，主要是因为青岛雷达位于大风发生地偏东方且环境风为西北风所致(风向和雷达径向夹角较小)，偏北风叠加到青岛雷达探测到的径向速度上，负速度绝对值明显偏大。图 10为潍坊雷达探测到的诸城强风暴的中气旋参数演变图，从图中看出，整个过程中，中气旋底部基本在2~4 km之间，高度在7 km左右。在五莲县东北部大风发生期间，中气旋底部下降到1.5 km左右，顶部仍然维持较高的高度，中气旋较为深厚，同时风的最大垂直切变(上下层大气风速差，下同)在30 m·s^-1左右，表明大风发生期间，风的最大垂直切变较强、中气旋较为深厚且底部较低。

6.2 日照强风暴低层气流结构

日照强风暴主要出现大风天气，大风天气出现在17:50—18:00之间，因此本文仅对此时段的径向速度产品进行对比分析。对比分析17:50与17:56临沂雷达0.5°仰角的径向速度产品(图 11a，b)可知，17:50最大入流速度达到-17.5 m·s^-1，最大出流速度为20.5 m·s^-1，转动速度达到19 m·s^-1；17:56，最大出流速度为25 m·s^-1，最大入流速度为-19.5 m·s^-1，旋转速度达到22 m·s^-1，达到中气旋标准，风暴低层(1.8 km高度)气旋性旋转较强。

由17:52与17:58连云港雷达0.5°仰角的径向速度(图 11c，d)的对比可知，17:52最大入流速度出现速度模糊，退模糊速度后达到-31.5 m·s^-1，最大出流速度为12.5 m·s^-1，转动速度达到22 m·s^-1；17:58最大入流速度出现速度模糊，退模糊速度后为-36.5 m·s^-1，最大出流速度为12.5 m·s^-1，旋转速度达到24.5 m·s^-1，达到中气旋标准，较临沂雷达探测到的中气旋略强。

连云港雷达与临沂雷达距离日照基本相当，但同时次连云港雷达探测到的负径向速度区的绝对值明显大于临沂雷达，且中气旋的强度更强，主要是因为连云港雷达位于日照南侧且环境风为西北风所致(风向和雷达径向夹角较小)，偏北的环境风叠加到连云港雷达探测到的径向速度上，负速度绝对值明显偏大，而正速度值偏小。

图 12为临沂雷达探测到的日照强风暴的中气(17:50—18:14)中气旋底部较低，大约在2 km以下，旋参数演变图，从图上可以看出，极端大风出现前后顶部较高，大约在7 km左右，中气旋较为深厚，同时风的垂直切变较强，基本在30 m·s^-1左右。极端大风出现前后虽然风暴强度处于减弱阶段，但中气旋仍然较为深厚且底部较低，旋转强度较强，同时风的最大垂直切变较强。

从以上分析可知，无论连云港雷达还是临沂雷达，日照强风暴超级单体均存在中气旋和较大的风的垂直切变，强的上升气流位于强风暴的左前侧，后侧对应下沉气流。由于雷达距离极端大风出现区域较远，雷达在该处探测的最低高度较高(1.5—1.8 km)，因而无法探测到风暴底层的强下沉气流区，故无法全面反映出极端大风区域的真实信息。

综上所述，因环境风的风向、目标物的移动方向以及雷达与目标物的相对位置不同，不同雷达探测到的径向速度、中气旋特征也有所不同。两个强风暴单体均存在中气旋和较大的风的垂直切变，但是最大不模糊速度、风的垂直切变、中气旋的强度和厚度等特征，日照强风暴强于诸城强风暴，且日照强风暴的中气旋底部高度较诸城强风暴要低，因此日照强风暴产生的大风要强于诸城强风暴。

7 结论

本文利用多普勒天气雷达资料和常规观测资料以及区域自动站气象资料，分析了2019年8月16日山东省特大冰雹和雷雨大风强对流天气过程，得出如下结论：

(1) 本次强对流天气过程是在东北冷涡和地面β中尺度辐合线共同作用下产生的，中低层较大的温度垂直递减率和地面γ中尺度涡旋为强对流天气的出现提供了有利的环境条件和触发条件。近地面层的逆温层有利于不稳定能量的积累，为强对流发生积累能量。

(2) 近地面层若有逆温存在的情况下，在没有14时加密探空图的情况下，08时探空图计算出的对流有效位能需订正使用；适宜的湿球0 ℃层高度和-20 ℃层高度是大冰雹出现的典型环境；上干冷、下暖湿的“喇叭状”探空特征利于雷暴大风的发生。

(3) 造成诸城强冰雹的超级单体风暴在多普勒天气雷达上具有有界弱回波区、三体散射、旁瓣回波、中气旋等特征，强中心高度等参数明显高于日照强风暴。

(4) 日照地面极端大风出现前，日照强风暴低层气风暴维持深厚的中气旋，顶部维持在7 km左右高度，风的垂直切变较强，基本在30 m·s^-1左右。