2018 年6 月山东省中东部一次大范围强冰雹天气分析

王世杰，马 林，王思扬

潍坊市气象局，山东潍坊 261011

2018年6月12日凌晨—13日夜间，受东北冷涡影响，潍坊市出现大范围强对流天气，有8个县（市、区）出现了冰雹，冰雹最大直径4 cm，出现在寒亭区，伴有8～10级的雷雨大风，瞬时极大风速为26.8 m/s，出现在青州谭坊站。本次过程给当地的农业生产造成了巨大损失，据统计灾情直接经济损失达到中型气象灾害标准。利用潍坊多普勒天气雷达，结合常规高空、地面气象观测资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料，对此次冰雹过程的大尺度环流背景、环境参数特征、中小尺度天气特征、强冰雹的风暴结构特征及抬升触发机制等方面进行分析，以期进一步加深对潍坊地区强冰雹天气的认识，为提升冰雹天气的预报预警能力提供参考。

1 环流形势和环境特征

1.1 环流形势

2018年6月13日早晨，有一横槽位于河北中部附近，整个山东省处于500 hPa横槽前的西北偏西风里。850 hPa有一低涡位于河北北部，山东省中西部处于低涡东南侧的西南风中，风速达12 m/s，形成低空急流，将水汽向山东北部输送。850 hPa温度场有一暖中心位于鲁南一带，存在明显的暖平流，850 hPa和500 hPa温度差达到33 ℃，低空急流和暖平流向北输送水汽和能量，产生层结不稳定。850 hPa在鲁中北部至渤海上有东西向切变线，有利于产生上升运动，为强对流提供动力抬升条件。山东处于低压中心前部，在鲁西北至鲁中北部一带有南北风辐合线，为强对流天气提供了抬升触发条件[1-2]。

随着横槽转竖，引导冷空气东移南下进入山东中部地区，6月13日午后，500 hPa出现闭合环流，逐渐生成高空冷涡，850 hPa低涡随之东移南压，低涡中心移至山东西北地区，西北和中部地区受低涡东侧的暖式切变线影响，同时处于西南低空急流左前方，强烈的暖湿气流向山东中部地区输送，建立了低层暖湿、高层干冷的层结结构[3]。

地面填图（图略）显示山东中部地区存在明显的冷锋，随着地面锋面辐合线自鲁西北向鲁中推进。强对流天气主要发生在冷锋后，冷锋东移南压触发了一系列的对流天气。6月13日白天，山东省始终处于200 hPa，急流出口区左侧产生偏差风辐散，同时低层850 hPa存在低涡，高低空耦合使上升运动加强，山东中部地区持续产生强对流天气[4-5]。

1.2 探空分析

由济南探空站可知，近地面至600 hPa附近有明显的风向，随高度的增加顺时针旋转，存在暖平流。850 hPa有西南低空急流，高层有明显冷平流，整层相对湿度较小，对流层高层至500 hPa附近有相对更干的干空气卷入，温湿层结曲线形成向上开口的形状，呈明显的下湿上干层结配置，有利于不稳定层结的建立[6]。

对潍坊寒亭站14:00地面温度和露点进行了修正，从各个对流参数来看，CAPE：1 285.4 J/kg，DCAPE：904 J/kg，K指数：34 ℃，SI指数：-6.08 ℃，LI指数：-3.82 ℃，0～6 km风切变:12.3 m/s，0 ℃高度：4 118 m，融化层高度：3 360 m，-20 ℃层高度：6 741.5 m，T850～500：33 ℃，Δθse850-500：23.9 ℃。

济南站T-lnP图（图略）显示，不稳定强热力、较强的对流有效位能和较强的垂直风切变为午后强对流的发生提供了热力和动力不稳定条件。整层相对湿度较小和中高层干冷空气卷入对出现冰雹是较为有利的条件，上述各个对流参数均达到或超过高晓梅等[7]总结的潍坊地区强对流环境参量阈值，且0 ℃高度、融化层高度和-20 ℃层高度对出现大冰雹非常有利。在满足雷暴发生的3要素情况下，垂直风切变对对流风暴组织和特征的影响最大，是强对流天气预报的重要参数。本次过程0～6 km风切变达12.3 m/s，较为接近本地阈值（16 m/s），预示着可能出现具有高度组织化的对流风暴，产生较为剧烈的灾害性天气[8]。

1.3 热动力和水汽条件

潍坊地区的CAPE始终维持在1 000 J/kg以上，对大冰雹的出现非常有利。从地面到600 hPa附近，假相当位温θse随高度减小，说明存在条件不稳定，而且在850 hPa附近存在θse密集带，热力不稳定表现非常明显。从Δθse850-500来看，早晨到午后数值均＞0，层结不稳定，为强对流发生提供了充足的热力不稳定条件。

6月13日14:00，潍坊上空700 hPa以下存在辐合，700 hPa以上有强辐散，在近地层到500 hPa附近有强上升运动，最大达-1.2 Pa/s。潍坊寿光到寒亭北部有强的下沉运动，这与午后发生的强降雹密切相关，拖曳作用产生了强烈的下沉气流。潍坊南部有强上升运动，由于处于西南暖湿气流中，产生了热力和动力不稳定，为潍坊南部地区后续强对流发展提供了动力抬升条件。

6月13日14:00，潍坊大气可降水量（PWV）为30～35 mm，接近6月的气候指标（31.2 mm）。850 hPa的比湿在增长到8 g/kg以上，寒亭北部到昌邑附近达10 g/kg以上，比湿大值区为潍坊北部强对流发生和向前传播提供了有利的水汽条件，与雷达观测到的潍坊西部回波在500 hPa偏西风引导气流下向东传播过程中加强的结果一致。

2 多普勒雷达演变特征分析

2.1 强对流风暴结构及雷达演变特征

6月13日13:00，雷达探测到潍坊北部有强回波东移南压，寒亭区北部有块状混合型降水回波逐渐加强，形成强度超过60 dBZ的风暴单体，反射率因子最大超过了65 dBZ。该单体自寒亭区北部逐渐东移进入昌邑市。潍坊西北部上游地区和安丘附近也有对流单体生成，东移过程中强度逐渐增强，回波最大强度为55 dBZ左右。

由图1可知，风暴单体D7在2.4°以上仰角可以看出明显钩状回波特征和前侧“V”形入流缺口，通过抬高仰角存在回波悬垂特征，并且在反射率因子剖面上也表现出高悬的强回波及回波穹窿，最大反射率因子强度在68 dBZ，＞50 dBZ的回波向上扩展到-20 ℃层高度（6 741.5m）以上。冰雹指数产品在D7附近有实心大三角，提示出现大冰雹的概率非常高，中气旋产品在前侧“V”形入流缺口处，提示存在中气旋，该时次的雷达特征预示着将出现大冰雹。14:12，风暴单体D7在低仰角上有明显存在明显的中气旋，持续2个体扫以上，通过计算中气旋旋转速度为24 m/s，在距离雷达约75 km处，判定该中气旋为强中气旋。风暴单体D7的中气旋持续了3个体扫以上，初步判定出现冰雹等强对流的概率较高。

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

0 ℃层以上，1.5～2.0 km是冰雹增长的关键区域，因此0 ℃层以上的持续中气旋旋转更有利于冰雹的产生。在此次过程中，D7中气旋最大旋转高度超过0 ℃层（4 118 m），并有上升趋势，转动速度也有所增强。9.9°仰角上可以看到，D7附近有明显的径向速度辐散，径向速度剖面可以看到D7在地面至4.5 km之间存在径向速度辐合，7 km以上则有径向速度辐散，说明存在强的风暴顶辐散，是强冰雹产生的辅助指标。受超级单体D7影响，潍坊寒亭北部在14:00前后出现冰雹，冰雹最大直径为4 cm左右，D7于14:12进入昌邑，最大反射率因子强度始终维持在65 dBZ以上，昌邑本站从14:39～14:55观测到冰雹，冰雹直径1 cm。

2.2 风暴单体特征和VIL演变特征

基于超级单体风暴D7的垂直积分液态水含量（VIL）在降雹发生前由18 kg/m2跃增到52 kg/m2。研究表明，超级单体特征研究发现VIL和冰雹尺度存在正相关[9]。相关研究表明，降雹风暴在成熟阶段有明显的VIL跃增现象，通常在16～20 kg/m2较为有利[10]。

由图2可知，本次降雹风暴有明显的VIL跃增，且跃增值达到34 kg/m2左右，VIL最大值可以达到68 kg/m2。D7进入昌邑境内后，14:41—14:53的风暴趋势信息显示，最大反射率因子高度（DBZM HT）从6.3 km下降到4.5 km，VIL值从44 kg/m2跃增到51 kg/m2，单体顶高（TOP）从9.6 km上升至12 km，最大反射率因子始终维持在69 dBZ以上，说明对流发展到了最旺盛阶段，昌邑降雹就出现在该时间段。

图2 D7的VIL（kg/m2）与VIL密度（g/m3）随时间变化图

VIL密度为冰雹风暴VIL与顶高之比，研究表明，90%冰雹风暴的VIL密度≥3.5 g/m3，如果VIL密度超过4 g/m3，则风暴几乎肯定会产生大冰雹[11]。超级单体在昌邑降雹期间，VIL密度始终在3.5 g/m3以上，最大达5.5 g/m3。

3 结论

（1）高空冷涡、850 hPa切变线和急流、200 hPa急流出口区左侧和地面冷锋为超级单体产生的环流背景，对流层中层冷涡有利于干冷空气进入、暖湿气流辐合抬升，加强大气层结不稳定，产生的降雹范围广、强度大。

（2）对流层低层的暖平流和中高层的冷平流，为强对流的发生提供了热力不稳定。各个对流参数CAPE、DCAPE、K指 数、SI指 数、LI指 数、0-6 km风切变、T850-500、Δθse850-500，以及0 ℃、-20 ℃高度和融化层高度均超过潍坊地区阈值或接近阈值，是出现大范围强冰雹的有利指标。

（3）地面露点20～21 ℃、大气可降水量30 mm以上和850 hPa比湿8 g/kg以上，符合潍坊本地强对流发生阈值，为此次强降雹的发生和维持提供了合适的水汽条件。

（4）寒亭和昌邑的超级单体风暴较为典型，具有钩状回波、回波悬垂、“V”形入流缺口等特征。＞50 dBZ的回波扩展到-20 ℃层高度以上，中气旋最大旋转高度超过0 ℃层。强的垂直风切变导致中气旋转动速度和发展的厚度增加，最大反射率维持在60 dBZ以上，风暴顶高维持在9 km以上。垂直积分液态水含量的跃增和最大反射率因子高度下降与降雹相对应。

（5）VIL密度值是判定出现大冰雹的有利指标，本次降雹过程VIL密度＞3.5 g/m3，对冰雹业务预报有指示作用。