2022, Vol. 48 
2. 山东省气象台, 济南 250031；
3. 山东省聊城市气象局, 聊城 252000；
4. 山东省青岛市气象局, 青岛 266003；
5. 山东省济南市气象局, 济南 250102；
6. 山东省威海市气象局, 威海 264200；
7. 山东省烟台市气象局, 烟台 264001；
8. 山东省临沂市气象局, 临沂 276004
2. Shandong Meteorological Observatory, Jinan 250031;
3. Liaocheng Meteorological Office of Shandong Province, Liaocheng 252000;
4. Qingdao Meteorological Office of Shandong Province, Qingdao 266003;
5. Jinan Meteorological Office of Shandong Province, Jinan 250102;
6. Weihai Meteorological Office of Shandong Province, Weihai 264200;
7. Yantai Meteorological Office of Shandong Province, Yantai 264001;
8. Linyi Meteorological Office of Shandong Province, Linyi 276004
雷暴大风是指对流风暴中下沉气流达到地面时产生辐散，造成的地面大风(俞小鼎等，2006)。雷暴大风主要是由对流风暴的强下沉气流造成，有时还包括冷池密度流、高空水平动量下传和上升气流的抽吸作用(王秀明等，2013)。全国范围内按照平均每万平方千米发生次数排序，华北和华东地区发生强雷暴大风(25 m·s-1以上)的次数最多(费海燕等，2016)。引发雷暴大风的对流系统的组织类型主要有飑线、弓形回波和超级单体(杨新林等，2017)。北京和天津地区产生雷暴大风的雷达回波中带状回波的占比最高(杨璐等，2018；王亚男等，2020)。有组织的飑线产生强雷暴大风的案例较多，中等到强垂直风切变环境条件下，大范围的雷暴大风大多由沿飑线的弓形回波造成(Johns and Doswell Ⅲ，1992)。如2009年6月3日受飑线影响，晋陕西南部、冀豫交界处出现了大范围的雷暴大风，25 m·s-1以上大风造成河南商丘及其东部下游地区25人死亡(孙虎林等，2011；王秀明等，2012; 2013)。2018年3月4—5日飑线在江西境内造成严重的大风灾害，20个县(市)阵风达10级以上，覆盖范围为1959年江西有完整气象记录以来第一位(盛杰等，2019)。2016年6月30日受一条长寿命飑线的影响，山东出现大范围的雷暴大风，国家气象观测站有21个站次出现10级以上雷暴大风，最大风为33.2 m·s-1(12级)出现在广饶县大码头站(万夫敬等，2021)。发展为弓形回波的飑线造成雷暴大风的案例更是屡见不鲜(程月星等，2018；康岚等，2018；公衍铎等，2019)。除了飑线，超级单体也是造成极端雷暴大风的重要形式，龙卷经常发生在超级单体风暴中。2016年6月23日14—15时江苏阜宁县发生了历史罕见的EF4级龙卷极端天气(张小玲等，2016；郑永光等，2016)，造成99人死亡，846人受伤，分析表明此次龙卷灾害主要由超级单体龙卷造成(杨波等，2019)。2015年6月1日湖北监利“东方之星”沉船事故主要也是由超级单体触发的下击暴流造成的(杨波等，2019)。2019年3月21日，飑线内强单体发展成为超级单体，造成广西林桂站出现60.3 m·s-1(17级)的极端雷暴大风，打破了广西风速的历史纪录，直接经济损失达26万元(王艳兰等，2021)。除此之外，多单体风暴、脉冲风暴和孤立的一般单体也能产生雷暴大风。2017年7月9日受多单体风暴影响，河北保定21个站出现10级以上大风，顺平的高于铺极大风速高达43.1 m·s-1(14级)，多站突破历史极值，损失严重(马鸿青等，2019)。2018年9月8日脉冲风暴在山东威海文登机场附近造成一次湿微下击暴流，文登东部20 km范围内地面风场呈现明显辐散状特征，出现风向突变、风速跃升等现象(梅婵娟等，2020)。2018年7月26日一次脉冲风暴造成宁波的强对流天气，最大风力达到10级，短时强降水、低能见度和雷暴大风等因素造成宁波机场多架航班延误和返航备降(吴福浪等，2021)。以上这些雷暴大风无不给当地造成严重的经济损失或人员伤亡，但对于雷暴大风发生的时间、强度、影响区域等精细的预报预警仍是预报业务面临的巨大挑战。
近几年，山东省极端雷暴大风事件层出不穷。2016年6月13—14日，受华北冷涡影响，山东省连续两天出现强对流天气(张琴等，2018；高晓梅等，2018)，造成全省大范围出现8~10级雷暴大风，汶上出现33.9 m·s-1(12级)雷暴大风(朱义青和高安春，2021)。无独有偶，2018年6月13日，同样受华北冷涡影响，山东省再次出现大范围强对流天气，青岛奥帆基地出现39.1 m·s-1(13级)雷暴大风。极端雷暴大风不仅造成严重的经济损失，还可能造成人员伤亡。2017年8月6日受飑线影响，山东东部地区出现了一次罕见的12~13级雷暴大风事件，全省共有99个站出现8~9级大风，16个站出现10~11级大风，2个站达到12级或以上，潍坊南孙站极大风速高达37 m·s-1(13级)，受灾人口为15.8万人，直接经济损失达2.4亿元(万夫敬等，2018)。
2021年4月29日下午，山东省出现一次强对流天气，对流区域出现8级以上雷暴大风，在日照、青岛及其沿海一带出现10~13级雷暴大风(图 1)，以下称为“4·29”山东近海10级以上雷暴大风。王福侠等(2016)对河北省雷暴大风的雷达回波特征统计发现，雷暴大风的反射率因子一般都在50 dBz以上，当雷达回波强度超过50 dBz时，与雷暴大风的隶属度超过90%(周康辉等，2017)。造成“4·29”山东近海10级以上雷暴大风的雷暴主体位于青岛境内，称其为青岛雷暴。日照处于青岛雷暴的边缘，雷暴范围小、强度弱，最大反射率因子为45 dBz，但大风的范围和强度均比青岛大。对于强雷暴(超级单体或飑线)产生的雷暴大风，尽管大风的强度、范围预报可能与实况有偏差，但通过对雷达回波的监测，能够发现可能产生雷暴大风的一些先兆信号，预报员对于强雷暴产生的雷暴大风具有一定的预报预警能力；但对于弱雷暴，由于出现次数少，对其认识不足，预报能力有限。本文试图分析日照及其沿海弱雷暴背景下10级以上雷暴大风产生的原因，提高对弱雷暴背景下雷暴大风形成机理的认识，增强预报员对该类雷暴大风的预报能力。
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图 1 2021年4月29日14—17时(a)极大风(红色数字为8级以上，单位：m·s-1)、(b)10级以上极大风(单位：m·s-1)，(c)15时、(d)16时、(e)17时1 h 10级以上极大风(风羽) (紫色圆点: 事故发生地, 下同) Fig. 1 (a) Extreme wind from 14:00 BT to 17:00 BT (red number: wind over grade 8), (b) extreme wind over grade 10 (unit: m·s-1), hourly extreme wind over grade 10 (barb) at (c) 15:00 BT, (d) 16:00 BT, (e) 17:00 BT 29 April 2021 (purple dot: place of accident, the same below) |
研究中所用资料包括：高空、地面等常规观测资料，山东省加密自动气象观测站逐小时资料，江苏省连云港站、山东省青岛站多普勒雷达产品；华东区域多普勒雷达组合反射率因子拼图。其中，连云港多普勒雷达产品由江苏省气象台提供，其他资料由山东省气象台提供。空间分辨率为0.25°×0.25°、时间分辨率为1 h的ECMWF第五代全球大气再分析资料(以下简称为ERA5再分析资料)。
2 天气实况2021年4月29日14—17时(北京时，下同)，在鲁西北、鲁中、鲁东南和山东半岛南部地区出现8级以上大风(图 1a)，其中日照、青岛一带出现10级、局地11~12级雷暴大风(图 1b)。当日15:30左右，鲁岚渔船“71001”在日照石臼港区以东42海里处翻扣(图 1c~1e中紫色圆点为渔船翻扣位置)，4人遇险，其中1人获救、3人失联。
从逐小时雷暴大风的演变可见(图 1c~1e)，10级以上雷暴大风15—17时逐渐从日照北部向东南推进到日照沿海及其海域。日照境内的雷暴大风主要出现在15时前后，最大风速为33.7 m·s-1(12级)于14:55出现在五莲县的叩官站，五莲县在前后10 min之内有4个站风速超过30 m·s-1。在日照沿海的东港马陵水库、日照帆船基地、山海天鲁南森林公园、日照港站的极大风分别为28.1 m·s-1(10级)、28.0 m·s-1(10级)、27.5 m·s-1(10级)和26.9 m·s-1(10级)，出现时间为15:04—15:17。董加口浮标站(位于日照港东偏北海域34 km左右)15:30监测到37.3 m·s-1(13级)的极大风速，大公岛(位于青岛海域)15:07监测到32.4 m·s-1(11级)的极大风速。根据日照内陆到沿海极大风向东南方向的推进速度，渔船翻扣时正好遇到较强的雷暴大风。
从图 2a可见，14:00—17:00全省大部分站累计降水量不足10 mm，日照境内降水量小于2 mm。从雷达组合反射率因子动态可见，14:48(图 2b)青岛雷暴的主体位于青岛境内，日照的中北部处于青岛雷暴的边缘，回波强度为30~40 dBz。日照西部与临沂交界处有对流单体A生成，回波强度为30~40 dBz。15:12(图 2c)，青岛雷暴东南移，前沿已入海，日照的东北部处于青岛雷暴的边缘，回波强度为30~40 dBz。单体A减弱到30 dBz，在单体A南侧新生一单体B向偏东方向移动。15:30(图 2d)青岛雷暴已移出日照入海，日照海域回波强度仍为30~40 dBz，单体B到达海陆边界，强度为30~40 dBz。15:42(图 2e)，青岛雷暴位于日照海域部分强度略有增强，强度为40~50 dBz；单体B入海后强度也略有增强，最强反射率因子增强到45 dBz，30 dBz的回波范围有所增大。从单体B的入海位置看，与发生翻船事件的地点接近。
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图 2 2021年4月29日(a)14—17时山东省累计降水量，(b)14:48，(c)15:12，(d)15:30，(e)15:42雷达组合反射率因子拼图 Fig. 2 (a) Accumulated precipitation from 14:00 BT to 17:00 BT, (b-e) radar reflectivity mosaic at (b) 14:48 BT, (c) 15:12 BT, (d) 15:30 BT, (e) 15:42 BT 29 April 2021 |
从日照陆地和沿海的雷达回波演变可见，日照处于青岛雷暴的边缘，强度为50 dBz以下。除此之外还有一些单体发展，但强度也在50 dBz以下。二者入海后虽然强度略有增强，但最大强度也只有40~50 dBz。那么，造成翻船事件的10~13级雷暴大风是如何产生的？弱雷暴背景下产生10级以上强雷暴大风的原因是什么？日照处于青岛雷暴的边缘，为什么日照出现10级以上雷暴大风范围最大、强度最强？下文将针对以上问题进行分析。
3 10级以上雷暴大风的成因 3.1 有利的环境条件4月29日08时500 hPa东北冷涡中心位于内蒙古东北部，有-32℃的冷中心与之配合(图 3a)。冷涡南侧高空槽的南段移速比北段快，北段槽位于内蒙古东部到河北省北部，南段槽位于辽宁东部到黄海南部。冷涡后部从蒙古、内蒙古中部一直延伸到山东、江苏一带形成大于28 m·s-1的西北风中空急流，最大风速高达42 m·s-1，携带干冷空气入侵山东、江苏一带。850 hPa冷涡中心与500 hPa位置相同，冷涡南侧高空槽从内蒙古东部经山东省西部伸到河南省东部(图 3b)。温度槽落后于高度槽，槽后冷平流明显，槽前暖温度脊从河南省东部经山东省西部向东北伸向辽宁省西部。高空干冷的西北气流正好在鲁中地区叠加在暖温度脊上，位势不稳定层结增强，为强对流天气创造了有利的环境条件。
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图 3 2021年4月29日08时(a)500 hPa, (b)850 hPa高空图 (蓝色实线: 等高线，单位：dagpm；红色虚线: 等温线，单位：℃；填色: 500 hPa风速≥28 m·s-1区域；红色圆点点线：850 hPa暖脊；黄色虚线：850 hPa与500 hPa温差>28℃区域；D：低压中心, G：高压中心, N：暖中心, 下同) Fig. 3 Synotic chart at (a) 500 hPa and (b) 850 hPa at 08:00 BT 29 April 2021 (blue solid line: contour, unit: dagpm; red dotted line: isotherm, unit: ℃, colored: wind speed ≥28 m·s-1 at 500 hPa, red dotted line: warm ridge at 850 hPa, orange dashed line: region of temperature difference >28℃ between 850 hPa and 500 hPa; D: low-pressure center, G: high-pressure center, N: warm center, the same below) |
从青岛站29日08时探空可见(图 4a)，0~6 km、0~3 km风矢量差分别高达30.4 m·s-1、20.2 m·s-1，850 hPa与500 hPa温差高达36.1℃。用青岛14时气温17.0℃、露点温度10.1℃订正当日08时探空(图 4a)，发现对流有效位能(CAPE)高达1126.8 J·kg-1，对流抑制能量(CIN)为0 J·kg-1，非常有利于当天出现强对流天气。用日照14时气温23.7℃、露点7.8℃订正当日08时青岛探空(图 4b)，发现CAPE高达1947.0 J·kg-1，比用青岛站资料订正后的CAPE大。对比图 4a和4b还可以发现用日照实况订正后的CAPE比青岛的CAPE形态上更“胖”，即更有利于出现风雹类强对流天气。从露点的廓线还可以发现，550 hPa以上为湿层，940~550 hPa较干，湿度廓线既不是上干下湿的湿下击暴流形态，也不是下喇叭口的干下击暴流形态，且下沉对流有效位能(DCAPE)只有20.5 J·kg-1，并不是产生雷暴大风的典型特征。但从温度廓线的分布可见，14时气温上升后，日照上空已经完全消除了近地面的逆温层，CIN为0 J·kg-1，800 hPa以下温度直减率接近干绝热递减率，有利于产生雷暴大风。
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图 4 2021年4月29日分别用(a)青岛和(b)日照14时气温、露点订正青岛08时T-lnp图 Fig. 4 Revised T-lnp of Qingdao at 08:00 BT corrected by (a) Qingdao and (b) Rizhao temperature and dew-point temperature respectively at 14:00 BT 29 April 2021 |
综上所述，事故发生当天，环境条件是有利于强对流天气发生的，温度的垂直分布特征是有利于出现雷暴大风，但湿度的垂直分布并不是典型雷暴大风的形态。那么10级以上的雷暴大风是如何产生的？
3.2 阵风锋12:20初始对流单体在山东省淄博市的淄川、博山一带被触发，单体生成后快速向东南方向移动并发展，范围扩大，统称其为青岛雷暴。青岛雷暴在向东南方向快速移动的同时，其南侧莱芜和前侧潍坊境内均有新单体生成并快速发展。14:21在潍坊到青岛一带青岛雷暴逐渐与周边单体合并加强，并继续向东南方向移动，仍称其为青岛雷暴。此时强回波中心位于青岛境内，其西南部位于日照市西北部的五莲、莒县境内。此时青岛雷暴呈现出后向传播的特征，其西南方向，在临沂境内开始有新单体生成(图略)。
14:56青岛雷暴的西南侧开始出现阵风锋(图 5a)，由于此时阵风锋距离雷达较远，距地高度为1.8 km，因此雷达反射率因子较弱，范围较小。阵风锋随着青岛雷暴快速向东南方向移动，距地高度逐渐降低，其形态特征逐渐明显(图 5b)，15:19阵风锋入海(图 5c)。15:30阵风锋位于日照港东南方向22 km左右，形态为非常完整的弧状窄带回波(图 5d)。此后阵风锋继续向东南方向移动，其形态特征更加显著，其宽度也较初始阶段时显著增加(图 5e，5f)。该阵风锋移动速度较快，利用PUP测距功能估测其移动速度为76 km·h-1(21 m·s-1)。俞小鼎等(2020)指出，移动速度大于15 m·s-1的阵风锋容易造成雷暴大风。本例中的阵风锋移动速度远远大于15 m·s-1，产生了10~13级雷暴大风。事实上，阵风锋持续时间很长，16时以后，虽然连云港雷达上看不到阵风锋了，但从青岛雷达上，仍然可以清晰地看到阵风锋(图 5g~5i)，该阵风锋一直持续到16：32，之后可能由于距离雷达较远，观测不到了。
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图 5 2021年4月29日(a~f)连云港雷达, (g~i)青岛雷达0.5°仰角反射率因子阵风锋演变
(蓝色圆圈：青岛雷暴) (a)14:56，(b)15:07，(c)15:19，(d)15:30，(e)15:41，(f)15:52，(g)16:03，(h)16:15，(i)16:26 Fig. 5 Evolutions of gust front by radar reflectivity factor at 0.5° elevation of (a-f) Lianyungang Radar and (g-i) Qingdao Radar at (a) 14:56 BT, (b) 15:07 BT, (c) 15:19 BT, (d) 15:30 BT, (e) 15:41 BT, (f) 15:52 BT, (g) 16:03 BT, (h) 16:15 BT, (i) 16:26 BT 29 April 2021 (blue circle: Qingdao thunderstorm) |
综上所述，事故当天，虽然日照只处于青岛雷暴的边缘，强度中等，但其产生了明显的阵风锋，阵风锋持续时间长达90 min以上，并且雷暴和阵风锋的移动速度很快，达到76 km·h-1(21 m·s-1)，造成所经之地产生10~13级雷暴大风。那么，中等强度的对流风暴如何能产生强度强且持续时间如此之长的阵风锋？
3.3 密度流从14时地面2 m气温(图 6a)的分布可见，受日变化影响，山东境内有两个温度脊，一个在潍坊北部，另一个在鲁东南的临沂、日照一带，二者之间在潍坊中部到青岛西部为对流降水造成的中心气温为18℃的冷池。冷池中心与鲁东南24℃暖区之间形成温度锋区。同时次1 h变温(图 6d)可见，对流区域1 h负变温中心高达-3.6℃，而鲁东南一带1 h正变温中心最大值为1.7℃。可见，受日变化影响，在近地面气温处于上升的时间，冷池中心气温不但没有上升，反而1 h气温下降3.6℃，造成冷池与鲁东南暖脊(冷池的下游方向)之间空气密度差异显著增大，产生较大的密度流。
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图 6 2021年4月29日(a, d)14时，(b, e)15时，(c, f)16时(a~c)地面2 m气温和(d~f)1 h变温(单位：℃) (蓝色粗实线: 冷锋; 红色粗实线: 暖锋; 红色细实线: 等温线; 黑色等值线: 1 h变温, 实线为正变温，虚线为负变温) Fig. 6 (a-c) 2 m height temperature and (d-f) 1 h variable of temperature (unit: ℃) at (a, d) 14:00 BT, (b, e) 15:00 BT, (c, f) 16:00 BT 29 April 2021 (blue thick solid line: the cold front; red thick solid line: warm front; red thin solid line: isotherm; black contour: 1 h variable of temperature, solid line: positive, dashed line: negative) |
15时，冷池中心向东南方向移到潍坊东南部到日照、青岛一带，中心最低气温只有14℃(图 6b)，1 h负变温中心诸城站高达-7.7℃(图 6e)。在日变化为正变温的时刻，出现这么大的负变温，导致冷池与其下游之间密度差快速增大，密度流强度增大。
16时，冷池中心从青岛入海(图 6c)，但从1 h变温可见，负变温中心移至黄岛和日照，黄岛站1 h变温为-7.1℃，而上一时次负变温中心诸城站本时次为正变温2℃。由此说明15—16时剧烈的负变温完全是由小尺度对流产生的冷池造成的，冷池所到之处剧烈降温，离开之处气温上升。
由此可见，在潍坊境内对流形成的地面冷池与日照暖温度脊之间形成强烈的温度梯度，产生较大的密度流，进而造成地面出现10~13级雷暴大风。由于初始对流形成的冷池在潍坊的中部，冷池在向南移动的过程中覆盖日照市全境，却只影响青岛市的南部沿海地区。其次，青岛受海洋影响较大，其沿海地区日最高气温明显低于日照，故青岛境内的锋区梯度比日照弱。因此青岛市10级以上雷暴大风的强度比日照弱，范围比日照小。
那么，如此之强的密度流是如何产生的？
3.4 蒸发降温从前面的分析可知，诸城站2 m气温的降温幅度最大，1 h降温高达7.7℃。从该站的时间-高度剖面(图 7a)可见，08—12时该站上空975~850 hPa为位势不稳定层结，且低层的假相当位温θse随时间逐渐增大，说明低层大气的能量在逐渐增大。但低层相对湿度较小，饱合层位于550~350 hPa。该站上空从11时开始有上升运动(图 7b)，之后上升运动逐渐增强，直到14时，上升运动达到最强，最大上升速度为-2.5×10-2 hPa·s-1；并且该站上空的水汽条件在本时次700 hPa有一个饱合层，而该层正好是θse暖脊的顶端(图 7a)。从雷达回波可见，上游雷达回波刚好此刻移至该站上空，导致该站15时、16时先后出现0.2 mm、0.4 mm降水。
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图 7 2021年4月29日08—20时诸城站及气象要素的(a)假相当位温(紫色实线，单位：K)，(b)气温(红色实线，单位：℃)时间-高度剖面 (黑色虚线：垂直速度，单位：10-3 hPa·s-1；填色：相对湿度) Fig. 7 Time-height cross-section of (a) pseudo-equivalent potential temperature (purple solid line, unit: K), (b) air temperature (red solid line, unit: ℃) and meteorological elements in Zhucheng Station from 08:00 BT to 20:00 BT 29 April 2021 (black dotted line: vertical velocity, unit: 10-3 hPa·s-1; colored: relative humidity) |
从上述分析发现，14时之前尽管诸城站上空有垂直上升运动和不稳定层结，但由于水汽不饱合，故无法产生降水，直到上游降水回波移至本站上空时，才产生了弱降水。诸城出现降水的14—16时(图 7a黑框区)，900 hPa(图 7a中黑色直线)以下相对湿度小于60%。从该站相对湿度的时间演变可见，在降水未发生时刻08—11时，900~700 hPa相对湿度低于30%，12时以后相对湿度逐渐增大，2 h以后开始出现降水。这说明900~700 hPa大气本身非常干燥，本地湿度增大一方面由于天气尺度上升运动造成的，另一方向是外地降水回波移入造成的。研究表明，水凝物重力向下的拖曳作用在下沉气流的启动中起了重要作用，但在随后的演化中，降水蒸发对下沉气流的加速作用远大于凝结物拖曳的加速作用(俞小鼎等，2020)。当700 hPa以上产生的降水粒子在下降过程中，受到干燥的环境大气影响，不断蒸发，在增加了700 hPa以下环境大气相对湿度的同时，也使环境空气的气温急剧下降，形成与周边环境大气温差较大的冷池。从诸城站气温的垂直分布(图 7b)可见，13时880 hPa(图 7b中黑色直线)以下气温开始下降，15时达到最低，冷池厚度为120 hPa，持续时间为2 h。一般情况下天气尺度系统造成的降温持续时间更长，2 h的时间尺度应该是小尺度天气系统造成的降温。但冷池的垂直厚度高达120 hPa(超过1 km)，足以说明冷池的强度较强。因此，由于对流层中低层大气干燥，高空水凝物降落过程中蒸发冷却，在近地面层形成一个水平尺度为100 km、垂直尺度为1 km的冷池。强烈的冷池从空中重直向下直冲地面，一方面产生很大的下落加速度造成下击暴流，另一方面在近地面产生强大的密度流。
从日照到青岛(图 8a中棕色线)做15时垂直剖面图(图 8b)，青岛市上空300 hPa以下相对湿度大于70%，其中750~350 hPa大于90%，并且950~550 hPa为辐合，550 hPa以上为辐散，形成低层辐合高层辐散的垂直结构，有利于青岛雷暴的发展(图 8a)。而日照市低层辐合较弱，整个对流层相对湿度小于70%，并且整层为西北风，不利于雷暴发展，故当地雷暴较弱(图 8a)。但是，由于日照上空整个对流层均较干，降水粒子在下落过程中的蒸发作用大于青岛，增大了日照市冷池的强度。
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图 8 2021年4月29日15时(a)组合反射率因子及(b)沿日照和青岛的剖面 (图 8a中填色：组合反射率因子，棕色实线：图 8b剖面位置。图 8b中填色：相对湿度；等值线：散度，单位：10-5 s-1，粉色等值线：辐合，蓝色等值线：辐散；风羽: 水平风；紫色长方形：日照市，黑色长方形：青岛市) Fig. 8 (a) Radar reflectivity and (b) vertical cross-section along Rizhao and Qingdao at 15:00 BT 29 April 2021 (in Fig. 8a, colored: reflectivity, brown line: the section position in Fig. 8b. in Fig. 8b, colored: relative humidity; contour: divergence, unit: 10-5 s-1, pink: convergence, blue: divergence; barb: horizontal wind; purple rectangle: Rizhao City, black rectangle: Qingdao City) |
对比图 1a和图 2可知，对流风暴主要位于潍坊、青岛和日照一带，对流风暴产生了7~12级雷暴大风，但在非对流区仍有6~9级大风。那么，什么原因造成了非对流区的大风？对流区与非对流区的大风有何关系？
3.5.1 气旋的演变趋势由于海上没有地面观测资料，故气旋分析主要根据ERA5逐小时再分析资料。29日08时(图略)从内蒙古东部经河北省东北部、天津到河北省南部为一条东北—西南向的低压带，低压带内分别在内蒙古、天津和河北省南部各有一个闭合低中心。河北省南部的闭合低中心与本次大风有直接关系，故称其为气旋中心。气旋中心随时间逐渐向东南方向移动(图 9a)，14时气旋中心入海。之后气旋逐渐向偏东方向移动。气旋后部从河北省到山东省中西部地区为强大的冷高压。对比图 1a和图 9a可知，非对流区域的大风是气旋及其后部的冷高压造成的系统性大风。
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图 9 2021年4月29日(a)14时海平面气压(圆点: 08—20时逐小时气旋中心位置，红色圆点: 14时气旋中心位置), (b)08—20时气旋中心气压演变 Fig. 9 (a) Sea level pressure at 14:00 BT (dot: position of cyclone center from 08:00 BT to 20:00 BT, red dot: the first position after entering sea at 14:00 BT), (b) evolving tendency of cyclone central pressure from 08:00 BT to 20:00 BT 29 April 2021 |
从气旋中心气压随时间演变可知(图 9b)，其中心气压从08时开始随时间逐渐降低，其中12—13时1 h气压下降幅度最大，1 h变压高达-1.4 hPa。之后中心气压继续下降，15时中心气压达到最低997.4 hPa，之后气压逐渐上升。山东省14时3 h变压的气候值为-2.0~-1.0 hPa(肖安和许爱华，2018)，故1 h变压的气候平均值为-0.7~-0.3 hPa。对比之下可知，“4·29”气旋在入海过程中1 h变压是气候平均值的2.0~4.7倍，增强速度非常快。可见气旋在入海过程中强度持续增强，入海后在14—15时强度达到最强，气旋后部在非对流区和对流区均产生了大风。
3.5.2 冷池小高压与大尺度气旋的叠加效应29日上午，山东省内陆地区气温逐渐上升，13时形成了由鲁西南菏泽向东北方向伸展到潍坊的暖温度脊(图 10a)，暖脊的顶端在潍坊南部为地面气旋中心。河北境内为冷高压中心。对流单体出现在地面辐合线后部北风区、暖脊顶端偏冷区一侧、气压梯度较大区域偏低压一侧。
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图 10 2021年4月29日(a)13时，(b)14时，(c)15时，(d)16时地面2 m气温(红色细实线，单位：℃)、海平面气压(黑色粗实线，单位：hPa)、10 m风(风羽)和组合反射率因子(填色) (L：冷中心，N：暖中心) Fig. 10 The 2 m height temperature (red thin line, unit: ℃), sea level pressure (black thick line, unit: hPa), 10 m height wind (barb) and radar reflectivity factor (colored) at (a) 13:00 BT, (b) 14:00 BT, (c) 15:00 BT, (d) 16:00 BT 29 April 2021 (L: cold center, N: warm center) |
14时(图 10b)，随着雷暴的发展，在潍坊市安丘形成一个18℃冷中心。此时鲁东南从临沂到日照一带由于日变化正处于气温上升期，因此在安丘与诸城之间(两站间距为52 km)出现5℃的温度梯度，形成9.6℃·100 km-1的温度锋区，造成两站之间气压梯度增大。同时可以发现，此时的地面气旋中心移至潍坊、青岛和日照交界处，气旋中心正好位于诸城附近。对比图 10a和10b可见，来自河北的冷高压自西北向东南直冲日照而来。因此天气尺度高低压之间的气压梯度大值区以及小尺度的冷池小高压与环境气温之间形成的锋区正好叠加在一起，造成冷池前沿气压梯度快速增大。从1 h变压(图 11a)可见此时在潍坊西部到淄博南部为1.5 hPa的正变压中心，而黄岛(位于青岛西南部沿海，紧临日照东北部沿海)为-1 hPa的负变压中心，形成由正变压中心指向负变压中心的变压风(西北风)。
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图 11 021年4月29日(a)14时，(b)15时海平面气压1 h变压 (箭头：变压风方向) Fig. 11 The 1 h variable of sea level pressure at (a) 14:00 BT and (b) 15:00 BT 29 April 2021 (arrow: direction of allobaric wind) |
15时(图 10c)，地面冷池向东南方向移动，范围扩大，16℃的闭合冷中心东西横跨近100 km。冷池中心14.3℃位于高密，该站1 h降温幅度高达-5.3℃，其西南侧的诸城站1 h降温幅度高达-7.7℃。与冷池中心相配合形成了一个中心为1002.3 hPa的小高压。此时入海气旋的中心位于青岛市的黄岛，中心气压为996 hPa，与冷池小高压中心五莲之间的气压梯度高达8.4 hPa·100 km-1。从图 10c还可以看到，大尺度的冷高压中心位于河北与山东交界处，高压中心为1003 hPa。对照图 10a~10b可见，大尺度高压前沿1001 hPa等值线的移动速度小于100 km·h-1。大尺度天气系统造成的1 h变压小于1 hPa(图 11b)，而冷池小高压造成正变压中心位于潍坊南部到日照东北部，日照市的五莲站1 h变压高达3.9 hPa，远远大于大尺度天气系统的变压幅度。同时由于受气旋影响，黄岛站1 h变压为-1.8 hPa，两站之间的变压梯度高达7.6 hPa·100 km-1，形成强烈的变压风。此时气旋中心已入海，但由于海上没有测站，无法知道气旋中心准确的气压值，实际的变压梯度可能大于7.6 hPa·100 km-1。2018年3月3日受飑线影响，浙江、安徽和江西出现大范围雷暴大风，最大风63.9 m·s-1(17级)出现在江西鄱阳湖珠湖联圩，地面最强1 h变温高达-15~-10℃，形成最强超过5 hPa的1 h正变压(沈杭锋等，2019)。“4·29”强对流的尺度和强度均小于该过程，但1 h变温和变压分别高达-7.7℃、-3.9 hPa，加之下游气旋产生的负变压，造成强烈的变压梯度。可见，对流产生的冷池小高压与大尺度气旋之间的气压梯度剧烈增大，形成强烈的自西北指向东南的密度流，增强了雷暴大风的强度，造成在日照及其沿海一带出现10~13级雷暴大风。
由于青岛南部沿海处于气旋东北象限，仍处于减压阶段，而日照处于气旋后部的西北象限，大尺度的增压与小尺度的冷池小高压增压在日照境内叠加，造成日照境内的密度流大于青岛。
16时(图 10d)，冷池小高压入海，原入海气旋被小高压冲击断裂为两部分，一部分位于日照沿海(仍称其为入海气旋)，与入海小高压之间形成强气压梯度。黄岛与日照之间温度梯度为5.0℃·100 km-1。此时气压梯度的方向由原来在陆地上的西北—东南向转为东北—西南向，意味着密度流的方向将发生改变。也就是说，随着小高压由陆地进入海洋，风的方向将逐渐由西北风转为偏北或东北风。而此时位于近海的渔船如果正好处于大风的转向阶段，渔船的不稳定性增大，大大增大了渔船翻扣的可能性。
综上所述，气旋入海过程中强度逐渐增强，进入日照海域时强度达到最强。由于对流产生的地面冷池造成气温剧烈下降，在地面形成冷池小高压，冷池小高压刚好处于大尺度气旋后部的日照境内。一方面气旋在入海过程中强度增强，气压快速下降，另一方面冷池造成气压剧烈上升，故小尺度冷池高压与大尺度气旋造成的减压刚好无缝衔接，造成二者之间的气压梯度迅速增大，产生强烈的密度流。由于气旋本体能产生6~9级大风，再叠加上冷池密度流，造成日照境内及沿海产生10~13级雷暴大风。另外，冷池小高压入海后气压梯度方向转变造成风向发生旋转，增加了渔船翻扣的风险。青岛发生对流时正处于气旋的减压阶段，故青岛市的密度流比日照弱。
3.6 高空动量下传对流风暴后部的中层入流加强下沉气流，是形成地面大风的重要原因(梁建宇和孙建华，2012)。对流系统内的下沉气流可以将水平动量从高层带到低层，在近地面产生较强的辐散气流(张琳娜等，2018；张哲等，2018)。从图 3a可见08时500 hPa冷涡后部强盛的西北气流从50°N以北地区一直向南直冲到长江下游以北地区，最大风速轴中心风速高达42 m·s-1，且最大风速轴直接向着山东中部移动。在这种强盛西北气流引导下，青岛雷暴及其南侧阵风锋的移动速度较快，移速高达76 km·h-1(21 m·s-1)，导致地面产生强度较大的大风。对流层西北风风速较大，下沉气流中的降水粒子随着雷暴一起移动，同时还拖曳着一些带着同样动量的周边环境的空气，下落到地面时会将西北风的动量带到地面附近，增大下沉气流的强度。当水平速度的分量存在∂u/∂z>0，且垂直速度ω>0，即产生动量下传(朱男男和刘彬贤，2015)。利用ERA5再分析资料计算∂u/∂p < 0与ω>0的叠加区域即为动量下传区。本次过程中日照境内最大风出现在叩官站，沿叩官站做时间-高度剖面图(图 12a)发现，13—17时，该站上空300 hPa以下∂u/∂p均为负值，因此动量下传主要取决于下沉运动。14时，该站上空为气旋造成的上升运动区，但在近地面已开始出现弱的下沉运动。15时，该站上空下沉运动增强，800 hPa以下以及450~300 hPa均处于下沉运动控制，800~450 hPa虽然为上升运动，但上升运动强度明显减弱。因此，从15:00开始该站上空上升与下沉运动并存，下沉运动逐渐增强，上升运动逐渐减弱，说明动量下传开始起作用。15:00以后下沉运动强度增强，16:00达到最强，且下沉运动扩展到整个对流层，最大下沉运动中心(0.9 Pa·s-1)位于800 hPa，与-7.5×10-4 m·s-1·hPa-1的∂u/∂p大值中心重合，说明此时动量下传强度达到最强。从雷暴大风出现的时间分析，叩官站最大风速(33.7 m·s-1)出现时间为14:55，次大风速(24.3 m·s-1)出现时间为15:05。16:00动量下传作用最强时，叩官站的风力已明显减弱，那么动量下传对叩官大风起到作用了吗？沿着叩官站做15：00纬向剖面图可见(图 12b)，虽然此刻该站上空下沉运动较弱，但其上游(西侧)下沉运动贯穿整个对流层，并且除了600~500 hPa较薄的一层外，整个对流层均处于∂u/∂p < 0的状态。与∂u/∂p < 0的大值中心相对应的也是下沉运动的大值中心，最大下沉速度0.9~1.2 Pa·s-1与-12×10-4~-6×10-4 m·s-1·hPa-1的∂u/∂p大值中心在800~700 hPa重合，说明此处动量下传作用最强。大于0.6 Pa·s-1的下沉运动区随着高度下降自西向东倾斜，说明粒子从高空下落过程中，会随着西风自西向东移动，从而将高空动量向其下游地区的近地面传递，实现高空动量下传。高空动量到达近地面后，又随着冷池密度流继续向下游地区推进，造成叩官站12级雷暴大风。因此，动量下传在此次日照及其沿海10级以上雷暴大风过程中起到一定的促进作用。
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图 12 2021年4月29日(a)叩官站13—17时的时间-高度剖面，(b)15时沿叩官站纬向剖面 (填色：垂直速度，正值：下沉运动，负值：上升运动；等值线：∂u/∂p，单位：10-4 m·s-1·hPa-1；图 12b中，黑色圆点：叩官站) Fig. 12 (a) Time-altitude cross-section from 13:00 to 17:00 BT at Kouguan Station and (b) zonal cross-section along Kouguan Station at 15:00 BT 29 April 2021 (colored: vertical velocity, positive value: descending motion, negative value: ascending motion; contour: ∂u/∂p, unit: 10-4 m·s-1·hPa-1; in Fig. 12b, black dot: Kouguan Station) |
通过对“4·29”山东近海10级以上雷暴大风的分析发现，快速移动的阵风锋、强烈的密度流、蒸发降温、多尺度天气系统叠加、高空动量下传等多种因素共同导致了此次10~13级雷暴大风事件。
东北冷涡后部强盛的西北气流携带干冷空气叠加在低层暖温度脊之上，强烈的位势不稳定层结和垂直风切变等条件有利于山东省产生强对流天气。阵风锋持续时间超过90 min，移动速度为76 km·h-1(21 m·s-1)，造成所经之地产生10~13级雷暴大风。
对流层中低层大气干燥，高层水凝物下落过程中蒸发降温，增大了环境空气温度直减率，一方面增大了粒子下落加速度，形成下击暴流，另一方面地面冷池降温剧烈，冷池厚度高达120 hPa，与鲁东南环境大气暖温度脊之间产生强的密度流，增大了雷暴大风的强度。另外，在高空强劲的西北风引导气流作用下，一方面青岛雷暴和阵风锋平流速度较快，另一方面高空动量下传，增大了下沉气流的角动量。
气旋入海过程中强度增强，小尺度冷池造成的加压与大尺度气旋造成的减压无缝衔接，二者之间的气压梯度增大，形成自西北指向东南的变压风，与密度流叠加，造成地面大风强度增强。冷池小高压入海后气压梯度方向转变造成风向发生旋转，增加了渔船翻扣的风险。
本例中造成山东近海10级以上雷暴大风的青岛雷暴主体位于青岛境内，雷暴主体在青岛境内和近海产生了8~11级雷暴大风，而处于风暴边缘的日照及其近海却出现了8~13级雷暴大风，且日照市10级以上雷暴大风的站数远远多于青岛市。首先，在潍坊境内形成的小尺度冷池向南移动过程中，覆盖日照全境而只影响到青岛的南部沿海地区。其次，青岛受海洋影响大，沿海地区日最高气温远远低于日照，冷池与日照境内的暖温度脊之间的温度梯度远远大于青岛。第三，日照上空空气干燥，蒸发作用导致的冷却程度大于青岛，导致日照境内的冷池强度大于青岛。第四，日照境内小尺度的冷池加压与大尺度气旋后部的增压叠加，与气旋的减压区形成强烈的变压风。而青岛发生对流时受气旋影响处于减压阶段，故锋区梯度和密度流强度均比日照弱。以上四种因素综合作用，导致青岛的雷暴大风范围比日照小，强度比日照弱。在日常业务中，预报员主要的关注对象是对流风暴所经地区，对于雷暴边缘或弱雷暴影响区域，容易漏报或预报量级偏小。通过本例的分析发现，雷暴边缘地区产生的大风强度大于雷暴主体区域，多尺度系统叠加和蒸发等起到重要作用。因此，加强对此类案例的分析总结，能加强预报员对于此类雷暴大风的认识，提高雷暴大风的预报能力。
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