吉林省一次典型右移超級單體風(fēng)暴特征分析

張 同 隋 妍 王婷婷 畢瀟瀟

（1.吉林省氣象臺，吉林長春 130062；2.延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133001）

1 引言

雷電、雷暴大風(fēng)、短時強降水、冰雹是我國夏季常見的對流性天氣， 上述天氣多為對流風(fēng)暴造成。超級單體是一種組織結(jié)構(gòu)完整、持續(xù)時間長的對流單體，多伴隨強烈的災(zāi)害性天氣，為眾多氣象學(xué)者所關(guān)注。 超級單體的概念是Browning[1]于1962 年最早提出， 并指出超級單體具有鉤狀回波、 中空弱回波或有界弱回波區(qū)特征。 在此基礎(chǔ)上，Lemon 和Doswell[2]提出了修正的超級單體概念模型，并延用至今。 Moller 等[3]根據(jù)對流降水強度和空間分布特征對超級單體風(fēng)暴進(jìn)行了分類。某些超級單體幾乎沒有產(chǎn)生降水， 但有顯著的旋轉(zhuǎn)特征，稱為弱降水超級單體風(fēng)暴；另外一種能夠在中氣旋環(huán)流中產(chǎn)生相當(dāng)大的降水， 稱為強降水超級單體風(fēng)暴； 介于上述兩者之間稱為經(jīng)典超級單體。

近年來，中國學(xué)者對超級單體研究較多。鄭媛媛等[4]詳細(xì)分析了2002 年皖北地區(qū)經(jīng)典超級單體雷達(dá)特征。 廖玉芳等[5]對湖南省22 次超級單體進(jìn)行詳細(xì)分析， 初步得到湖南省超級單體雷達(dá)回波特征。潘玉潔等[6]、吳芳芳等[7]分析了強降水超級單體雷達(dá)特征。 江玉華等[8]從超級單體環(huán)境條件出發(fā)， 嘗試運用位渦理論解釋了產(chǎn)生超級單體的環(huán)境條件。 戴建華等[9]分析一次颮前超級單體過程，并運用風(fēng)廓線儀等新型資料進(jìn)行了分析。

2 天氣實況及環(huán)流背景

2020 年6 月3 日午后到夜間，吉林省延邊地區(qū)出現(xiàn)分布不均的降水天氣， 同時延邊州8 個縣（市）均出現(xiàn)了不同程度的冰雹。 受風(fēng)雹影響最為嚴(yán)重的汪清縣，共有3 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)12 個村受災(zāi)，其中天橋嶺鎮(zhèn)鹿圈子村、 大興溝鎮(zhèn)紅日村等地出現(xiàn)了直徑50mm 左右的冰雹， 最厚處冰雹堆積超過10cm。 據(jù)統(tǒng)計，此次災(zāi)害造成汪清縣大豆、玉米等糧食作物， 木耳等經(jīng)濟作物受災(zāi)， 受災(zāi)人口500人， 受災(zāi)總面積527.75hm2， 直接經(jīng)濟損失299.4萬元。

此次對流過程發(fā)生在東北冷渦背景下， 冷渦中心位于內(nèi)蒙古東四蒙附近， 吉林大部位于冷渦第三象限。 從3 日08 時實況中尺度分析可知：500hPa 中空急流較強， 并且在延邊地區(qū)附近有弱分流區(qū)，有一定輻散作用；700hPa 吉林中部及延邊地區(qū)T-Td＞12℃，中層較干；低層850hPa 比濕延吉本站值為4g/kg；925hPa 比濕為6g/kg。雖然850hPa比濕較低，但925hPa 比濕值略大于多年延吉本站6 月上旬比濕均值， 局地水汽條件較好。 同時850hPa 西南急流有利于上游水汽輸送。 中低層溫差為27℃，熱力條件較好，同時延邊地區(qū)850hPa存在溫度脊。 綜上分析，吉林省中部及延邊地區(qū)當(dāng)日對流潛勢較好，有發(fā)生強對流天氣的可能性。

T-lnP 圖能夠反映探空站及其附近上空氣象要素的垂直分布， 分析單站探空資料能夠比較有效地判斷發(fā)生對流的條件和類型。 分析對比6 月3 日08 時和20 時延吉站的探空要素值可知，08時CAPE 值為0J/kg， 如果用早上08 時探空狀況判斷下午和傍晚的對流潛勢往往誤判的可能性很大，經(jīng)過午后溫度、露點溫度訂正以后（圖1a），CAPE 值增加到1 030J/kg， 午后由于太陽輻射加熱作用使大氣不穩(wěn)定度明顯增大。

有研究表明[10]，垂直風(fēng)切變對對流性風(fēng)暴組織和特征的影響最大， 是強對流天氣預(yù)報的重要參數(shù)。 分析延吉站探空要素可知，從低層到高層風(fēng)速不 斷 增 大，850hPa 風(fēng) 速 僅 為7m/s，500hPa 增 至16m/s，200hPa 已達(dá)30m/s。 近地面層風(fēng)向為東南風(fēng)，850hPa 為西南風(fēng)，700hPa 為偏西風(fēng)， 即低層風(fēng)向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)， 低層有暖平流特征。 700—500hPa 高層風(fēng)向隨高度逆時針旋轉(zhuǎn)， 說明高層有冷平流。3 日08 時0—6km 垂直風(fēng)切變?yōu)?6.29m/s（中等強度垂直風(fēng)切變）， 到20 時增大到26.9m/s（強垂直風(fēng)切變）。 較強垂直風(fēng)切變一方面使低層暖濕空氣的不穩(wěn)定能量釋放， 另一方面有利于產(chǎn)生組織結(jié)構(gòu)較好的對流系統(tǒng)。

另外，6 月3 日抬升凝結(jié)高度（LCL）較低，08時和20 時分別為852hPa 和963hPa。 說明此次天氣所需的外力抬升作用較小，容易形成對流泡。08時0℃層高度為3.3 km，-20℃層高度為6.3 km，是適宜冰雹生長的高度。

3 對流觸發(fā)機制

從超級單體風(fēng)暴移動路徑可知， 超級單體在敦化市初生發(fā)展， 到13:10 左右敦化地區(qū)由于分散對流回波產(chǎn)生降水，地面溫度降低到16℃左右，地面冷池逐漸形成， 在敦化與安圖交界處溫度梯度較大，兩側(cè)溫度差可達(dá)8℃左右；地面風(fēng)場由之前的偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)， 且在溫度梯度最大處出現(xiàn)西北風(fēng)與東南風(fēng)切變， 溫度梯度和地面輻合線的存在有利于對流風(fēng)暴的維持和發(fā)展； 隨后30min，地面冷池的強度維持，溫度梯度區(qū)域和地面輻合線逐漸向東向南擴展， 與超級單體風(fēng)暴移動方向吻合；到13:50 左右（圖1b），地面出現(xiàn)8～10m/s 左右的瞬時風(fēng)， 說明地面已經(jīng)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)，相應(yīng)的地面輻合線強度也隨之增加，且西北風(fēng)從延邊西部逐漸擴展到延邊的中部地區(qū)， 輻合線的長度增加； 隨之在14:00 后上述地區(qū)也觸發(fā)出更多新生分散對流系統(tǒng)； 安圖北部地面也出現(xiàn)較強地面冷池，而溫度梯度減小，在14:20 后由于大范圍對流系統(tǒng)產(chǎn)生的分散降水使延邊地區(qū)整體溫度下降，實時溫度已經(jīng)下降到24℃以下，小于當(dāng)日延吉站對流溫度， 進(jìn)而包括超級單體風(fēng)暴在內(nèi)的對流系統(tǒng)在熱力、 水汽條件變差環(huán)境下逐漸減弱消亡。

圖1 2020 年6 月3 日14 時（a）延吉站訂正探空曲線、13:50（b）地面自動站風(fēng)場和地面溫度疊加（風(fēng)場：風(fēng)向桿，m/s；溫度：陰影部分，℃）

4 多普勒雷達(dá)回波特征

4.1 風(fēng)暴發(fā)展過程

2020 年6 月3 日12:45 左右， 在延吉雷達(dá)西北部，距雷達(dá)100～125km 處新生分散對流回波，反射率值最大為48.2dBz 左右， 速度圖以西南風(fēng)為主，而不斷有新生對流向東南方向傳播，因此整體回波帶向東北偏東移動， 符合右移風(fēng)暴特征。 到13:15 左右回波強度迅速增加達(dá)到60dBz， 組織結(jié)構(gòu)也漸完整。 低層1.5°仰角（圖2a）上回波形態(tài)呈“S”形，同時刻速度圖上回波移動方向右后側(cè)反射率梯度最大處低層速度輻合， 且速度圖有明顯的正負(fù)速度對， 有氣旋性旋轉(zhuǎn)特征， 核區(qū)直徑約10km 左右。1.5°仰角（圖2b）旋轉(zhuǎn)速度約11.25m/s；0.5 °仰角旋轉(zhuǎn)速度為13.5m/s。 0.5°仰角的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到中等強度中氣旋標(biāo)準(zhǔn)， 而到2.4°仰角的速度特征不明顯， 說明該時刻中氣旋的高度相對較低，高度在3.4km 以下。

13:51 左右，回波體積增大，強度增強，反射率最大值達(dá)61dBz，出現(xiàn)在0.5°仰角上，說明強中心迅速下降接近1.5km 左右，地面可能已出現(xiàn)降雹。1.5°仰角回波呈勾狀，低層入流缺口位于回波移動方向的右后側(cè)， 符合超級單體雷達(dá)回波特征概念模型。速度圖分析可知，在回波強度梯度較大處仍存在速度輻合，低層入流速度最大達(dá)17m/s，而在1.5°仰角鉤狀回波強反射率值附近低層速度輻散。同時多個高度層出現(xiàn)速度模糊，1.5°仰角模糊后速度值最大為27m/s 左右，高度約3km 左右；而0.5°仰角徑向速度雖未出現(xiàn)速度模糊， 但最大速度達(dá)到20m/s， 預(yù)示地面出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的可能性較高。中氣旋位于BWER 附近及上方， 從0.5°一直伸展到4.3°（6.3km），旋轉(zhuǎn)速度約19m/s（中等強度），典型的鉤狀回波特征的持續(xù)時間約3 個體掃（18min），正好對應(yīng)當(dāng)日汪清冰雹最強時段。 隨后回波組織結(jié)構(gòu)變差，并快速向東北偏東方向移動。從回波生命期演變來看，回波初生后迅速增強，在成熟期維持時間約11 個體掃（66min 左右），隨后減弱消亡。

圖2 2020 年6 月3 日13:15 延吉雷達(dá)1.5°仰角基本反射率（a，單位：dBz）及徑向速度（b，單位：m/s）

4.2 超級單體風(fēng)暴成熟結(jié)構(gòu)特征

由前文分析可知， 超級單體在13:51 后強度達(dá)到最大，并維持約11 個體掃。 這里以13:57 為例詳細(xì)分析超級單體成熟期特征。0.5°反射率因子圖可見典型的鉤狀回波特征，高度在1.5km 左右，強回波位于鉤狀回波的北側(cè)（61.5dBz）；速度圖上出現(xiàn)速度模糊，氣旋式旋轉(zhuǎn)速度在20m/s 左右，并且在回波附近低層存在弱的陣風(fēng)鋒， 低層入流氣流向弱回波區(qū)運動而進(jìn)入超級單體內(nèi)部。 在1.5°仰角（圖3a， 高度2.7km 左右） 鉤狀回波特征比0.5°更明顯， 強回波反射率值位于鉤狀回波的北側(cè)，最大反射率值為62dBz，反射率因子輪廓向低層入流方向擴展；速度圖（圖3b）上速度模糊比0.5°仰角更明顯，且中氣旋的特征更明顯，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到23m/s，已經(jīng)達(dá)到強中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。 3.4°仰角反射率因子鉤狀特征已經(jīng)消失， 呈現(xiàn)腎狀結(jié)構(gòu)特征，強回波位于回波的右側(cè)，回波輪廓更偏向低層入流方向，低層弱回波上空反射率值增加，但值仍略小于周圍反射率值；速度圖上仍存在中氣旋，旋轉(zhuǎn)速度為26m/s（強中氣旋）。 6.0°仰角回波形態(tài)呈反“C”字結(jié)構(gòu)，強回波位于低層弱回波上方，達(dá)到58dBz；速度圖上對應(yīng)輻散特征。 從成熟時期的回波特征分析，該單體屬于經(jīng)典超級單體。

圖4 給出了13:57 超級單體反射率和速度垂直剖面圖。 剖面主要沿著低層入流方向向反射率大值處剖面， 具體剖面路徑為圖3a 線段AB 所示。 反射率剖面（圖4a）可見典型的有界弱回波區(qū)及弱回波區(qū)右側(cè)的回波墻結(jié)構(gòu)， 弱回波區(qū)水平尺度在3～4km，高度伸展在4km 左右，強回波位于弱回波區(qū)右側(cè)， 強度在61dBz 左右， 伸展高度在3km 以下，強回波高度較低，說明已經(jīng)出現(xiàn)降雹過程。超級單體伸展高度較高，高度達(dá)到10km，證明回波發(fā)展旺盛。 徑向速度圖剖面（圖4b）上暖色調(diào)表示離開雷達(dá)，冷色調(diào)表示朝向雷達(dá)，雷達(dá)位于剖面橫軸的右側(cè)， 中層徑向輻合從底層一直持續(xù)到5km 左右，5km 以上為高層徑向輻散。

4.3 超級單體風(fēng)暴特性

圖5a 為超級單體風(fēng)暴D0 間隔6min 風(fēng)暴參數(shù)時序圖（最大反射率因子—MAX REF、單體垂直累計液態(tài)水含量—C-VIL、 最大反射率因子所在高度—HET、單體高度—ET）。 超級單體持續(xù)時間較長，從12:17 到15:07，生命周期長達(dá)170min。最大反射率因子值在成熟期后基本維持在60dBz以上，其回波頂高大于6km。最大反射率因子的高度在13:16—14:03 也在0℃層高度之上，滿足產(chǎn)生冰雹的條件。從預(yù)報經(jīng)驗來看，單體垂直累計液態(tài)水含量快速增加預(yù)示著即將產(chǎn)生大冰雹， 且CVIL 值越大， 對應(yīng)產(chǎn)生冰雹的直徑越大。 從圖5a可知，12:46—13:16 C-VIL 值從15kg/m2增加到40kg/m2；13:33—13:45 C-VIL 值從30kg/m2增加到45kg/m2；13:51—14:09 C-VIL 從35kg/m2增 加 到55kg/m2。 這3 次C-VIL 值迅速躍增過程，對應(yīng)著地面降雹的主要時段。并且有研究表明，C-VIL 迅速下降和HET 升高預(yù)示著冰雹下落過程，從本次過程也可以得到相似的結(jié)論。

圖5b 為超級單體風(fēng)暴D0 中尺度氣旋高度相關(guān)參數(shù)隨時間的變化趨勢（強反射率因子值所在高度—HET、 單體回波頂高—ET、 中氣旋頂高—TOP、中氣旋底高—BASE）。 可見在13:33—14:14識別出中氣旋，底高及頂高初始時刻高度較低，隨后升高，伸展高度在13:45 達(dá)到最大，隨后幾個時刻高度降低。14:20 后由于單體的組織結(jié)構(gòu)及強度減弱中氣旋特征隨后消失。

圖4 2020 年6 月3 日13:57 沿風(fēng)暴入流方向反射率剖面（a：反射率，dBz；b：速度，m/s）

5 結(jié)語

（1）此次過程發(fā)生在東北冷渦東移的背景下，低層較暖濕且熱力條件較好為超級單體風(fēng)暴提供了有利的環(huán)境條件， 地面冷池觸發(fā)的地面輻合線及較高的溫度梯度有利于超級單體風(fēng)暴長時間維持。

（2）此次超級單體生命期較長，持續(xù)170min。符合經(jīng)典超級單體雷達(dá)特征：鉤狀回波；有界弱回波特征；速度圖上存在持久深厚中氣旋。移動路徑顯示為典型的右移超級單體風(fēng)暴。

（3）單體具有如下風(fēng)暴特征：回波發(fā)展高度較高；強反射率因子值持續(xù)在60dBz 以上；成熟期強核高度高于當(dāng)日0℃層高度；C-VIL 迅速下降和HET 升高特征明顯；中氣旋初生高度較低，隨后高度升高；中氣旋伸展高度較高；生命期內(nèi)無中氣旋高度明顯下降特征， 因此只產(chǎn)生以冰雹為主的強天氣。