蘇北一次強降水超級單體風暴過程的診斷分析

閔錦忠 賈瑞怡 王晨玨

摘要利用常規(guī)觀測資料、NCEP再分析資料、FY2C衛(wèi)星和多普勒雷達資料，對2008年7月22日發(fā)生在蘇北的一次強降水超級單體風暴過程進行診斷分析。天氣分析顯示，風暴發(fā)生于高濕、較低的抬升凝結高度、強對流不穩(wěn)定（3 445 J/kg）和中到強的垂直風切變（0～6 km，18 m/s）環(huán)境，這種大氣環(huán)境非常有利于強降水超級單體風暴的發(fā)生發(fā)展。雷達回波分析揭示，該超級單體的演化可歸結為“孤立單體—經典強降水超級單體—減弱東移”三個階段，持續(xù)時間超過2 h。強降水超級單體風暴成熟期，呈現出典型的倒“V”型缺口、中低層有界弱回波區(qū)和反射率因子大值區(qū)由低層向高層往低層入流一側傾斜的特征，相應的雷達徑向速度場顯示在倒“V”型缺口附近的強降水區(qū)中存在一個成熟的中氣旋。濕位渦的診斷結果表明：高層干冷空氣侵入觸發(fā)潛在對流不穩(wěn)定能量釋放，有利于對流運動的發(fā)展；中低層大氣對流不穩(wěn)定與條件對稱不穩(wěn)定共存，既有垂直對流，又有傾斜對流發(fā)生，同時邊界層的偏東風入流向暴雨區(qū)提供充沛的水汽，對暴雨的發(fā)生發(fā)展起增幅作用。

關鍵詞強降水超級單體；中氣旋；中尺度對流系統(tǒng)；暴雨；濕位渦

超級單體風暴能引發(fā)極端強對流災害性天氣，因此它一直是國內外氣象工作者重點關注的對象。Browning and Ludlam（1962）首次提出“超級單體”的概念，隨后Browning and Donaldson（1963）、Browning（1964）利用天氣雷達對超級單體風暴的結構進行了一系列研究，指出作為一個強烈發(fā)展的對流單體，超級單體風暴的一個重要雷達回波特征是存在一個弱回波區(qū)或有界弱回波區(qū)，另一個雷達回波特征是低層存在鉤狀回波。隨著20世紀70年代多普勒天氣雷達的應用，超級單體內的旋轉特性被揭示出來。Fujita（1963）首次提出中氣旋的概念，隨后一系列多普勒雷達觀測（Burgess et al.，1977）和數值模擬（Rotunno and Klemp，1982）研究證實，超級單體總是與中氣旋相伴。此后，雷達氣象學界定義超級單體風暴為具有深厚持久中氣旋的對流風暴（Moller et al.，1990，1994）。Doswell and Burgess（1993）依據降水結構的特征，將超級單體風暴劃分為弱降水超級單體、經典超級單體和強降水超級單體風暴。強降水超級單體的回波結構最為復雜，其最重要的特征是中氣旋包裹在強降水區(qū)中，且在風暴前常存在倒“V”型缺口與中氣旋相伴（Moller et al.，1994），它不像經典超級單體那樣會產生強龍卷，但經常會導致暴洪、冰雹等災害性天氣發(fā)生（吳芳芳等，2010），因而受到國內外學者廣泛關注。

隨著新一代多普勒天氣雷達的應用，國外許多研究利用多普勒雷達資料揭示了超級單體風暴的環(huán)流特征和結構特征（French and Parker，2012；吳翠紅等，2012；慕建利等，2014），我國對超級單體風暴的研究也逐漸增多。楊成芳和朱君鑒（2008）利用多普勒雷達資料分析了一次弓狀回波和超級單體過程。鄭媛媛等（2004）研究了一次導致強龍卷的典型超級單體風暴的多普勒雷達回波特征。上述研究工作多涉及經典超級單體風暴，而有關強降水超級單體風暴的研究甚少。吳芳芳等（2010）分析了一次強降水超級單體的多普勒天氣雷達特征。俞小鼎等（2008）分析了發(fā)生在安徽的一次伴有龍卷的強降水超級單體風暴的演變特征并探討了中氣旋產生的可能機制。王嘯華等（2012）對一次秋季強降水超級單體風暴過程進行分析并指出，中尺度地面輻合線的移動和增強在這次超級單體風暴過程中起到了觸發(fā)、維持和加強作用。潘玉潔等（2008）利用建陽多普勒雷達資料分析了颮線內強降水超級單體風暴。

蘇北地區(qū)特有的地理環(huán)境和氣候特征導致氣象災害頻繁，尤其在鹽城附近強對流天氣多發(fā)（丁一匯，2008）。近年對蘇北地區(qū)的強降水研究較少，對引發(fā)強降水的超級單體風暴的結構特征、演變特征也不是很清楚，因此有必要深入研究蘇北強降水超級單體風暴的結構和演變特征。本文以2008年7月22日發(fā)生在蘇北地區(qū)的一次強降水超級單體風暴過程為例，利用常規(guī)觀測資料、NCEP再分析資料、FY2C衛(wèi)星和多普勒雷達資料，對該強降水超級單體風暴的發(fā)生環(huán)境、結構特征、演變特征以及此次強降水過程中中尺度對流系統(tǒng)的演變進行細致研究，并探討水汽輸送、冷干侵入在此次強降水過程中的作用。

1天氣實況

2008年7月22日16：00（北京時間，下同）鹽城CINRAD/SA雷達探測到淮安、鹽城附近有3個對流性回波生成并緩慢向東北方向移動，17：15這3個對流性回波發(fā)展旺盛，特別是鹽城雷達西南方向37 km處有中氣旋產生，此處的對流回波（即圖1b中三角形所標注的風暴1）發(fā)展為強降水超級單體風暴，19：17以后東移入海，天氣過程結束。受其影響，淮安、鹽城兩地出現短時強降水過程，2008年7月22日17：00—20：00有3個強降水中心，3 h累積降水量約為200 mm（圖1a）。

2天氣背景

造成強對流天氣的中尺度系統(tǒng)與大尺度系統(tǒng)有密切關系。圖2為利用NCEP資料分析得到的2008年7月22日08：00此次強對流天氣過程的高低空系統(tǒng)配置情況。200 hPa上，東北地區(qū)有一深厚的冷渦，暴雨形成于高空槽前，槽前盛行西北氣流，有弱冷平流；500 hPa上，重慶一帶有一低槽，槽前盛行西南氣流，有暖平流；700 hPa（圖略）和850 hPa上，四川地區(qū)有一深厚的低渦，東西向的暖切變線穩(wěn)定維持在河南中部及江蘇北部；與地面低壓倒槽共同作用，200 hPa上的弱冷空氣侵入地面倒槽觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，低空急流為暴雨區(qū)輸送暖濕空氣，暴雨區(qū)落在低空急流的前方、高空急流的右后側，這種高低空急流的耦合形勢有利于低層輻合、高層輻散，促使上升運動強烈發(fā)展，從而有利于對流系統(tǒng)的發(fā)展。

Moller et al.（1990）總結的中緯度地區(qū)強降水超級單體的發(fā)生環(huán)境一般為：中到強的熱力不穩(wěn)定、中到強的垂直風切變、高濕和較低的抬升凝結高度等。由圖3可見，14：00在風暴發(fā)展區(qū)，0～3 km的垂直風切變大小約為9 m/s，0～6 km的垂直風切變大小約為18 m/s，屬于中到強的切變，0～3 km和0～6 km的垂直風切變矢量均為西南—東北向，與風暴1的移動方向一致，這些都有利于強降水超級單體風暴的發(fā)生發(fā)展。南京站14：00的探空要素顯示，對流有效位能為3 445 J/kg，抬升凝結高度為973 m，可降水量為616 cm，K指數為39。結合探空要素和垂直風切變來看，此次風暴發(fā)生于高濕、較低的抬升凝結高度、強的對流不穩(wěn)定和中到強的垂直風切變環(huán)境，這種大氣環(huán)境非常有利于強降水超級單體風暴的發(fā)生發(fā)展。

3中尺度對流系統(tǒng)

FY2C紅外衛(wèi)星云圖演變（圖4）顯示，此次暴雨過程主要有2個中尺度對流系統(tǒng)（MCS1和MCS2）影響蘇北地區(qū)。本文采用逐時TBB資料來分析這2個MCS的演變情況以及它們與降水的關系。22日14：00前后在安徽北部生成TBB小于-72 ℃的MCS1，在盱眙附近生成TBB小于-62 ℃的MCS2，此時盱眙一帶1 h降水量達15 mm，由此拉開了蘇北強降水過程的序幕。22日17：00 2個MCS在盱眙一帶合并加強，對應的1 h降水量達20 mm；隨后MCS1和MCS2繼續(xù)發(fā)展，降水強度也隨之增大，1 h降水量達30 mm。22日20：00之前，由于850 hPa低渦切變線穩(wěn)定維持在安徽北部、蘇北一帶，2個MCS基本停滯在原地發(fā)展，東移緩慢，強度少變。22日14：00—20：00，MCS2經歷了從生成、發(fā)展、成熟到消亡的完整階段，它是造成蘇北強降水的主要中尺度系統(tǒng)。22日20：00以后，MCS2向東北方向移出蘇北，此時影響蘇北地區(qū)降水的主要是MCS1，直至23日03：00減弱移出，并逐漸消亡。

綜上可知，這次暴雨過程主要有兩個中尺度對流系統(tǒng)先后影響蘇北地區(qū)，其中第二個中尺度對流系統(tǒng)（MCS2）的演變與強降水超級單體風暴的發(fā)生發(fā)展以及強降水落區(qū)有著密切的聯系，強降水落區(qū)主要落在TBB大值區(qū)附近，TBB大值中心與強降水中心基本一致。

4多普勒雷達特征

41風暴的整體演變特征

圖5為鹽城多普勒雷達觀測到的組合反射率因子。它反映了這次強降水超級單體風暴的整體演變過程。這是一次由孤立單體逐漸加強為強降水超級單體而后又減弱東移的風暴過程。16：44前后，興化附近有一塊孤立的對流回波生成，該回波單體不斷加強，至17：15它發(fā)展成為一個典型的強降水超級單體風暴（中心強度達45 dBz），并在興化地區(qū)產生強降水（1 h降水量達37 mm）。隨后該強降水超級單體風暴進一步發(fā)展和加強，期間強降水超級單體風暴移動緩慢，導致該地區(qū)降水量很大，直至19：17減弱東移，與MCS2的演變（圖4）一致，其西北方的新生單體又加強為很強的超級單體，在20：12也發(fā)展為強降水超級單體。Moller et al.（1994）指出，中氣旋是判斷風暴是否為超級單體的重要特征之一。從鹽城多普勒雷達的徑向速度圖（圖6）可見：17：15—18：16，直徑為4 km、旋轉速度為16 m/s的弱中氣旋持續(xù)了1 h，20：12新生的超級單體風暴也具有中氣旋特征。

42強降水超級單體風暴空間結構

風暴單體1于17：15發(fā)展成為典型的強降水超級單體風暴，17：15—17：45強度最強。下面分析該強降水超級單體風暴在成熟期的結構特征。圖6是17：15的16°、25°、35°、44°、61°、99°仰角的基本反射率因子和徑向速度?？梢姡?6°的反射率因子圖上，風暴東側出現典型的倒“V”型結構，倒“V”型區(qū)域內存在弱回波區(qū)（<10 dBz）及反射率因子高梯度區(qū)。在25°的反射率因子圖上，較大的倒“V”型入流缺口仍存在，且觀測到有界弱回波區(qū)。此倒“V”型結構特征直到61°仰角上仍清晰可見。44°、61°仰角上的45～50 dBz的強回波中心位于低層有界弱回波區(qū)上，同時中高層的回波相對于16°仰角的回波位置向東北方向（低層入流方向）擴展，表現出反射率因子大值區(qū)由低層向高層往低層入流一側傾斜的特征。

在16°仰角的徑向速度圖上，有一個直徑約為4 km、旋轉速度約為15 m/s的中氣旋，其位置與弱回波區(qū)的位置非常一致，同時此中氣旋包裹在強降水回波中。這與Doswell and Burgess（1993）和Moller et al.（1994）研究指出的強降水超級單體具有在風暴前常存在倒“V”型缺口與中氣旋相伴、且中氣旋包裹在一個強降水區(qū)中的重要特征相同。此中氣旋特征直到61°仰角上仍清晰可見，其中35°仰角的中氣旋強度約為17 m/s，比高層、低層的強度都稍強，可見最強旋轉出現在中層。這與Lemon and Doswell（1979）提出的超級單體風暴中氣旋發(fā)展的概念模型類似，并與其給出的成熟中氣旋結構一致，即：16°仰角以下為輻合式氣旋性旋轉，25°～61°仰角為純粹氣旋式旋轉，在99°仰角為純粹輻散。

綜上可知，這是一次由孤立單體逐漸加強為強降水超級單體而后又減弱東移的風暴過程。強降水超級單體風暴在成熟期，呈現出中氣旋與倒“V”型缺口相伴、中氣旋包裹在一個強降水區(qū)中、中低層的有界弱回波區(qū)和反射率因子大值區(qū)由低層向高層往低層入流一側傾斜的特征。

5暴雨過程的環(huán)境場結構特征

51熱動力場結構特征

圖7給出了22日20時過暴雨中心的各物理量的垂直剖面。從經向風和緯向風的垂直剖面可以清楚地了解強降水超級單體發(fā)生發(fā)展過程中周圍大氣的風場垂直結構。在對流發(fā)展過程中，對流層中高層偏西風的加強與低層偏東風的發(fā)展相伴，西風大值帶位于200 hPa附近的高空急流帶上，隨著西風風速中心逐漸向低層伸展，800 hPa以下的東風風速逐漸增強，風速等值線越來越密集，導致超級單體附近的低層環(huán)境風場的垂直梯度增大，垂直風切變增強（圖7a）。對流發(fā)展區(qū)域34～36°N在850 hPa以下存在一零值帶，其北側是從對流層高層向下伸展而至的北風，其南側受偏南風控制，南北風相遇導致超級單體附近低層環(huán)境風場表現為南北風的輻合帶（圖7b）。經向風和緯向風的垂直結構均有利于上升運動的發(fā)展。

暴雨區(qū)垂直方向上高空輻散疊加于低空輻合之上，輻合中心位于850 hPa附近，且高層輻散強于低層輻合，有利于高層的抽吸，從而有利于上升運動的發(fā)展（圖7c）。輻合區(qū)與正渦度區(qū)相伴，400 hPa以下表現為深厚的正渦度區(qū)，正渦度中心與輻合中心相一致，位于850 hPa附近，與較強的風切變相對應（圖7a），高空被負渦度區(qū)所阻斷，與輻散區(qū)相對應（圖7d）。暴雨區(qū)有較深厚的上升運動發(fā)展，出現兩個上升運動中心，與輻散區(qū)、正渦度區(qū)相伴（圖7e）。顯然，這種高低空系統(tǒng)配置非常有利于超級單體的發(fā)展。

不穩(wěn)定層結是強對流發(fā)展的基本條件之一，但是一般對流要發(fā)展成穩(wěn)定的強對流系統(tǒng)僅有低層濕熱不穩(wěn)定是不夠的，還需有深厚的濕中性層結（王秀明等，2009）。35～36°N的θse等值線密集，為主鋒區(qū)，鋒前850 hPa以下為濕不穩(wěn)定層結，中層是較深厚的濕中性層結，高層是濕穩(wěn)定層結，348 K等θse線上下貫通，冷空氣侵入暴雨區(qū)，且鋒前有較強的上升運動和相對濕度大于90%的深厚濕舌，850 hPa以下存在明顯的切變，這些都有利于不穩(wěn)定層結的形成（圖7e、f）。

52水汽輸送特征

由圖8a、b可見此次暴雨過程中水汽的水平輸送和垂直輸送特征。850 hPa上22日08時—23日08時平均的水汽通量分布表明，來自孟加拉灣的西南暖濕氣流為暴雨區(qū)提供了充沛的水汽（圖8a）。

水汽通量大值區(qū)主要集中在800 hPa以下，邊界層的偏東風入流將暖濕水汽源源不斷向暴雨區(qū)輸送并聚集，從而形成水汽通量大值區(qū)，又通過垂直環(huán)流的上升支將水汽輸送到中高層，這是暴雨發(fā)生發(fā)展的重要條件（圖8b）。22日14時（圖8c），蘇北地區(qū)925 hPa上的水汽通量達到20 g·hPa-1·cm-1·s-1，對應明顯的水汽通量輻合區(qū)，輻合中心達-8×10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1，此時蘇北的降水增幅明顯，水汽通量輻合區(qū)不斷向東北方向發(fā)展。至22日20時（圖8d），水汽通量輻合中心增強為-10×10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1，對應的水汽通量增大為22 g·hPa-1·cm-1·s-1，此時正是蘇北降水最強的時刻。上述分析表明水汽通量輻合的增強與水汽通量的增強、降水的增強緊密聯系。

53冷干侵入特征

濕位渦（MPV）分為濕正壓項（MPV1）和濕斜壓項（MPV2）（壽紹文等，2012）。MPV主要由MPV1組成，當大氣是對流不穩(wěn)定時，MPV1小于0；反之，則MPV1大于0。圖9a是MPV1沿120°E的垂直剖面。可見，對流層低層MPV1小于0，即對流層低層是濕不穩(wěn)定的，等值線密集，積累著大量的對流不穩(wěn)定能量，對流層中高層MPV1大于0，MPV1的正值區(qū)代表著高層的干冷空氣，對流層高層37°N以北有相對濕度低于50%的干冷空氣向近地面層傾斜南伸（圖7f），在850 hPa附近形成冷暖空氣對峙的形勢。此次過程有明顯的冷干侵入，這股嵌入近地面層暖濕空氣中的冷空氣，一方面強迫部分暖濕空氣抬升到中低層，使中低層的對流不穩(wěn)定得以維持，另一方面觸發(fā)近地面層潛在的對流不穩(wěn)定能量釋放，有利于對流運動的發(fā)展，繼而引起降水增幅。

圖9b是區(qū)域平均（118～120°E，33～35°N）的MPV、MPV1、MPV2隨高度的變化，可見，在暴雨最強的時刻，850 hPa以下是對流不穩(wěn)定（MPV1小于0），850～750 hPa是條件對稱不穩(wěn)定（MPV小于0，MPV1大于0，MPV2小于0，且|MPV1|小于|MPV2|），條件對稱不穩(wěn)定常作為一種大氣中特定的不穩(wěn)定能量，當大氣含有充足的水汽并配合有低層切變輻合、高空急流等抬升強迫機制時，條件對稱不穩(wěn)定能量將釋放，從而產生傾斜對流，750～650 hPa為對流不穩(wěn)定，其上為對流穩(wěn)定。在此次過程中，中低層大氣對流不穩(wěn)定與條件對稱不穩(wěn)定共存，既有垂直對流，又有傾斜對流發(fā)生?？傊@種分布有利于對流系統(tǒng)發(fā)展并促進暴雨增幅。

6結論與討論

利用雷達、探空、FY2C衛(wèi)星資料以及NCEP再分析資料，對2008年7月22日發(fā)生在蘇北的一次強降水超級單體風暴過程進行診斷分析，得到以下主要結論：

1）當日南京站14：00的探空要素和垂直風切變表明，此次風暴發(fā)生于高濕、較低的抬升凝結高度（973 m）、強的對流不穩(wěn)定（3 445 J/kg）和中到強的垂直風切變（0～6 km，18 m/s）環(huán)境，這種大氣環(huán)境非常有利于強降水超級單體風暴的發(fā)生發(fā)展。

2）雷達回波觀測分析表明，這是一次由孤立單體逐漸加強為強降水超級單體而后又減弱東移的風暴過程。強降水超級單體風暴成熟期，呈現出典型的倒“V”型缺口、中低層的有界弱回波區(qū)和反射率因子大值區(qū)由低層向高層往低層入流一側傾斜的特征。雷達徑向速度觀測分析揭示出了成熟中氣旋的結構特征，其位置與倒“V”型缺口非常一致，且強降水區(qū)包裹在其中。

3）FY2C紅外衛(wèi)星云圖演變顯示，這次暴雨過程主要有2個中尺度對流系統(tǒng)（MCS1和MCS2）先后影響蘇北地區(qū)，其中22日14時—20時MCS2經歷了從生成、發(fā)展、成熟到消亡的完整階段，它是造成蘇北強降水的主要中尺度系統(tǒng)。由逐時次的TBB與降水對比分析可見，對流單體的發(fā)展、演變與降水有著密切聯系，強降水落區(qū)主要位于TBB大值區(qū)附近，TBB大值中心與強降水中心基本一致。

4）全面系統(tǒng)地分析此次強降水過程可以得到如圖10所示的物理概念模型。簡述如下：700～850 hPa上有深厚的低渦切變線穩(wěn)定維持，雨區(qū)處于500 hPa上西風槽前西南氣流的控制之下，高空弱冷空

氣侵入地面倒槽觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放；高空輻散與低空輻合相耦合，有利于高層的抽吸，促使上升運動發(fā)展；邊界層的偏東風入流將暖濕水汽源源不斷向暴雨區(qū)輸送并聚集，又通過垂直環(huán)流的上升支將水汽輸送到中高層，為暴雨區(qū)提供了充沛的水汽；嵌入近地面層暖濕空氣的高層干冷空氣，一方面強迫部分暖濕空氣抬升到中低層，使中低層的對流不穩(wěn)定得以維持，另一方面觸發(fā)近地面層潛在的對流不穩(wěn)定能量釋放，有利于對流運動的發(fā)展；中低層大氣對流不穩(wěn)定與對稱不穩(wěn)定共存，既有垂直對流，又有傾斜對流發(fā)生，對暴雨的發(fā)生發(fā)展起增幅作用。在邊界層偏東風入流和高層干冷空氣的主導支配作用下，此次強降水過程的發(fā)展得到加強和維持。

本文雖然揭示了此次強降水超級單體風暴的發(fā)生環(huán)境、演變特征和結構特征，并通過分析熱動力場結構、水汽輸送和冷干侵入三方面的特征，給出了此次強降水過程的物理概念模型，但是有關此次強降水超級單體風暴的精細三維結構及其發(fā)生發(fā)展機制尚需深入了解，借助中尺度數值模式進行模擬，對提高超級單體風暴的預報將具有重要意義。

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