春季一次超級(jí)單體過程的成因分析

廖小華 楊琴 馬月 鄭熊蓮 況孟奇

（1 重慶市云陽縣氣象局，云陽 404500；2 重慶市氣候中心，重慶 401147）

0 引言

由于鄂西北地區(qū)特定的地理環(huán)境和特殊的地形地貌，形成了鄂西北地區(qū)復(fù)雜多變的氣候，氣象災(zāi)害種類繁多，出現(xiàn)頻率高。超級(jí)單體風(fēng)暴是發(fā)展最為旺盛的對(duì)流風(fēng)暴系統(tǒng)，也是產(chǎn)生強(qiáng)降水、冰雹、龍卷和短時(shí)大風(fēng)等災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣最為主要的風(fēng)暴系統(tǒng)之一。廖玉芳等研究指出熱力不穩(wěn)定趨勢和較大的垂直風(fēng)切變條件非常有利于超級(jí)單體的產(chǎn)生。黃榮等對(duì)地形強(qiáng)迫作用影響分析指出，上游的強(qiáng)雷暴產(chǎn)生的冷池出流被抬高，冷空氣疊加在地面γ中尺度熱輻合中心之上，使山前局地大氣層結(jié)更不穩(wěn)定；另一方面，強(qiáng)冷池出流產(chǎn)生的邊界層高層偏北風(fēng)與近地面弱的偏南風(fēng)構(gòu)成有利于對(duì)流新生的垂直風(fēng)切變，地面熱輻合中心、邊界層熱力和動(dòng)力不穩(wěn)定的增強(qiáng)共同作用是局地雷暴新生的主要機(jī)制。張萍萍等對(duì)鄂北地面中尺度分析表明中尺度輻合線為冰雹天氣發(fā)生提供了抬升條件，促進(jìn)強(qiáng)對(duì)流天氣爆發(fā)，垂直水汽分布上，中低層干蓋的形成有效地抑制了邊界層對(duì)流的發(fā)展，為不穩(wěn)定能量的積聚創(chuàng)造了有利條件。

2016年4月27日下午到傍晚，丹江口、老河口、谷城出現(xiàn)了大風(fēng)、冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，導(dǎo)致農(nóng)作物大面積受災(zāi)。丹江口市石鼓鎮(zhèn)的最大冰雹直徑達(dá)4 cm；丹江口市城區(qū)出現(xiàn)了直徑1.5 cm的冰雹，22 m/s的大風(fēng)，狂風(fēng)刮倒不少樹木；谷城出現(xiàn)了風(fēng)速為32 m/s的大風(fēng)天氣，同時(shí)伴隨著冰雹和雷雨天氣。

本文使用常規(guī)觀測資料、衛(wèi)星IR1圖像資料以及多普勒雷達(dá)資料，從環(huán)流背景、水汽條件、不穩(wěn)定能量、抬升條件等方面綜合分析, 對(duì)該次發(fā)生在鄂西北境內(nèi)的超級(jí)單體過程，從天氣尺度、中尺度并結(jié)合雷達(dá)資料進(jìn)行多尺度分析，揭示此次過程發(fā)生發(fā)展的機(jī)制。

1 環(huán)流背景分析

2016年4月27日08時(shí)天氣圖上，500 hPa亞洲中高緯呈兩槽一脊形式，鄂西北位于高空槽后西北氣流中，槽后有強(qiáng)的冷平流；700 hPa切變線主要位于長江中下游沿江一帶，鄂西北為一致的偏北氣流控制；925 hPa在鄂西北有輻合線存在，有干冷空氣和暖濕空氣的匯合。形勢配置為高空冷平流強(qiáng)迫類，高空西北氣流造成強(qiáng)風(fēng)速垂直切變，高空干冷平流使得0 ℃和-20 ℃層較低；中高層強(qiáng)干冷平流，產(chǎn)生強(qiáng)位勢不穩(wěn)定層結(jié)。

27日14時(shí)海平面氣壓場可以看出，在河南東南部有一高壓中心，河北一帶也為高壓區(qū)，河南西部和鄂西北地區(qū)處于低壓區(qū)，白天以多云為主，午后地面氣溫快速上升，鄂西北14時(shí)最高溫度已經(jīng)達(dá)到29 ℃。當(dāng)高空有干冷空氣侵入時(shí)，容易形成上冷下暖的對(duì)流不穩(wěn)定形勢，隨著高空冷槽東移進(jìn)入湖北省，觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放，形成強(qiáng)對(duì)流天氣。

2 大氣溫濕狀況及不穩(wěn)定性分析

4月27日08時(shí)安康站探空?qǐng)D可以看出（圖1），低層850 hPa的溫度露點(diǎn)差小于2℃，空氣濕度較大，700 hPa以上溫度露點(diǎn)差開始變大，其濕層淺薄，低層暖濕，而中層干冷。此時(shí)，

T

-

T

=24 ℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定進(jìn)一步發(fā)展，CAPE指數(shù)08時(shí)較小，用14時(shí)地面溫度訂正，達(dá)1692.3 J/kg，不穩(wěn)定能量不斷累積，為強(qiáng)雹暴的發(fā)生提供了有利條件。0 ℃和-20 ℃層分別為3410 m和6481.5 m，高度略偏低。但由于是在春季，且位于鄂西北山區(qū)，季節(jié)和山區(qū)地形有利于強(qiáng)對(duì)流性風(fēng)暴的發(fā)生、發(fā)展。

圖1 2016年4月27日08時(shí)訂正前（a）和訂正后（b）的安康探空曲線Fig. 1 Pre-revision (a) and post-revision (b) T-lnp at Ankang at 08:00 BT on 27 April 2016

分析安康探空資料，發(fā)現(xiàn)低層為暖平流，而中高層（700～400 hPa）為干冷平流，有利于對(duì)流不穩(wěn)定發(fā)展。而高低層風(fēng)向、風(fēng)速都有較大的變化，中高層有強(qiáng)的偏北氣流，使得干冷空氣隨北風(fēng)侵入。0～500 hPa速度差達(dá)16 m/s以上，存在強(qiáng)的風(fēng)速垂直切變。可見，十堰地區(qū)周邊維持上冷下暖不穩(wěn)定層結(jié)，高低空之間有明顯的垂直風(fēng)切變，有利于增加低空的水汽，同時(shí)有利于啟動(dòng)抬升機(jī)制使得對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)域能量得以釋放，促使強(qiáng)對(duì)流天氣爆發(fā)。

安康站的

T

-ln

p

圖所反映的強(qiáng)熱力不穩(wěn)定、較強(qiáng)對(duì)流有效位能和較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變?yōu)槲绾髲?qiáng)對(duì)流發(fā)生提供了熱力和動(dòng)力不穩(wěn)定條件。低層一定濕度以及中高層干冷空氣的卷入，0 ℃層和-20℃層高度都較低，有利于產(chǎn)生大冰雹。

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的特征分析

3.1 衛(wèi)星云圖

從FY2可見光連續(xù)衛(wèi)星云圖可以看出，27日14時(shí)30分，河南西部和十堰交界處有一帶狀云系發(fā)展，其主體云系向東南方向移速較快，尾部云系由于山脈的阻擋作用，移速較慢。14時(shí)30分至17時(shí)00分，中尺度對(duì)流云系快速發(fā)展，尾部云系逐漸發(fā)展到鄂西北地區(qū)。

3.2 雷達(dá)回波特征

從十堰雷達(dá)回波的連續(xù)演變可以發(fā)現(xiàn)，此次強(qiáng)冰雹天氣過程雷達(dá)回波呈現(xiàn)出典型的 “鉤狀”“弱回波區(qū)”“回波懸垂”“旁瓣假回波”“三體散射長釘”等特征，回波強(qiáng)度強(qiáng)及移動(dòng)速度快等特征。同時(shí)，此次強(qiáng)對(duì)流過程回波垂直發(fā)展高度高也預(yù)示著強(qiáng)降雹的發(fā)生。在強(qiáng)回波階段，強(qiáng)度大于50 dBz的強(qiáng)回波頂高超過7 km，強(qiáng)回波核心對(duì)應(yīng)高度在5～6 km以上。

3.2.1 弱回波區(qū)和有界弱回波區(qū)

2016年4月27日下午發(fā)生在鄂西北強(qiáng)烈雹暴雷達(dá)回波的四分屏顯示，分別是15時(shí)58分0.5°、1.5°、2.4°、4.3°仰角的反射率因子圖。0.5°（圖2a）和4.3°（圖2d）仰角的反射率因子圖上的雙箭頭指示同樣的地理位置，在0.5°仰角上，雙箭頭指向風(fēng)暴的低層入流缺口，箭頭前方是構(gòu)成入流缺口的一部分低層弱回波區(qū)，而在4.3°仰角（圖2d），箭頭前側(cè)是超過60 dBz的強(qiáng)回波中心，即在低層與入流缺口對(duì)應(yīng)的弱回波區(qū)之上有一個(gè)強(qiáng)回波懸垂結(jié)構(gòu)，為前傾結(jié)構(gòu)，這是強(qiáng)烈風(fēng)暴的特征之一。

圖2 2016年4月27日15：58十堰雷達(dá)0.5°（a）、1.5°（b）、2.4（c）°和4.3°（d）基本反射率Fig. 2 The basic reflectivity of Shiyan Radar at 0.5° (a), 1.5° (b), 2.4° (c), 4.3° (d) at 15: 58 BT on on 27 April 2016

該強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)中心達(dá)到了65 dBz，并向東南方向繼續(xù)移動(dòng)，尺度繼續(xù)擴(kuò)大，并沿著偏東入流方向有倒“V”形缺口。在相應(yīng)徑向速度圖上出現(xiàn)明顯的中氣旋特征，沿著入流方向穿過最強(qiáng)回波位置的反射率因子剖面圖可以看到開始出現(xiàn)反射率因子自低往高向低層入流一側(cè)傾斜的特征，呈現(xiàn)出明顯的弱回波區(qū)、回波懸垂、回波墻等特征。超級(jí)單體強(qiáng)度達(dá)到頂峰，風(fēng)暴前側(cè)的典型“V”形缺口的反射率因子很強(qiáng)，在1.5°、2.4°、3.4°仰角強(qiáng)回波的右側(cè)均出現(xiàn)了與強(qiáng)回波同步移動(dòng)的旁瓣回波，旁瓣回波強(qiáng)度在5～10 dBz。

通過最強(qiáng)反射率因子核心作垂直剖面顯示，位于回波懸垂上的50 dBz以上的強(qiáng)回波核心位置高度超過6.5 km，在-20 ℃層等溫線高度以上，剖面左側(cè)的強(qiáng)回波區(qū)域?qū)?yīng)大冰雹的下降通道，回波強(qiáng)度也超過60 dBz，其右邊是弱回波區(qū)和位于弱回波區(qū)上面的回波懸垂，水平尺度超過10 km。

3.2.2 大風(fēng)特征

從此次強(qiáng)冰雹天氣過程十堰雷達(dá)徑向速度圖的連續(xù)演變可知，在各個(gè)主要降雹時(shí)段，相對(duì)應(yīng)的不同仰角雷達(dá)徑向速度圖上分別呈現(xiàn)出典型的“大風(fēng)區(qū)”“中氣旋”“入流缺口”等中小尺度天氣特征。對(duì)照鄂西北此次降雹出現(xiàn)的時(shí)間，降雹區(qū)、強(qiáng)回波區(qū)與速度圖上典型中小尺度天氣系統(tǒng)出現(xiàn)的區(qū)域相符合。中層徑向輻合，有明顯的中氣旋，雷暴移動(dòng)快。中氣旋持續(xù)時(shí)間較長，至少持續(xù)了4個(gè)體掃。

3.2.3 垂直積分液態(tài)含水量VIL

從垂直積分液態(tài)含水量產(chǎn)品中可以看出（圖略）， 回波位于丹江口市境內(nèi)時(shí)VIL值先增大后減小再增大的過程，最大達(dá)到40 kg/m。當(dāng)回波移入老河口后，重新發(fā)展加強(qiáng)，VIL值也是先增大后減小再增大的過程。當(dāng)VIL值增加到很大，爾后開始減小時(shí)，表明即將降雹，而突然減小的VIL值預(yù)示著地面大風(fēng)的開始，結(jié)合實(shí)況發(fā)現(xiàn)，丹江口、谷城、老河口地面降雹和大風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間都存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2.4 大冰雹識(shí)別標(biāo)志—旁瓣假回波和三體散射

通過對(duì)主要降雹時(shí)段雷達(dá)回波強(qiáng)度特征分析發(fā)現(xiàn)，在27日15時(shí)58分十堰雷達(dá)3.4°仰角和16時(shí)53分襄陽雷達(dá)2.4°仰角上，強(qiáng)降雹的主要時(shí)段于較高仰角同時(shí)出現(xiàn)了旁瓣假回波和三體散射長釘（TBSS）現(xiàn)象。

4 中尺度系統(tǒng)在超級(jí)單體風(fēng)暴演變中的作用

4.1 地形對(duì)超級(jí)單體的作用

鄂西北地區(qū)北部為秦嶺山脈，西南部為大巴山山脈，兩者在鄂西北漢江河谷地區(qū)形成了一個(gè)明顯的喇叭口地形，而十堰市鄖陽區(qū)則與南陽市淅川縣交界處為西北—東南走向的山谷。

從十堰雷達(dá)監(jiān)測的回波演變特征可以看出，12時(shí)20分在鄂、陜、豫交界偏北處，形成了由普通單體構(gòu)成的多單體風(fēng)暴，并向ESE移動(dòng)。13時(shí)42分多單體風(fēng)暴后側(cè)A單體（圖3）向南移入鄖陽與淅川交界山谷的北部，并迅速發(fā)展，A單體得以加強(qiáng)的原因可能是氣流越過山脊進(jìn)入山谷后，地形強(qiáng)迫產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，白天山坡升溫快，山谷升溫慢，形成山谷風(fēng)效應(yīng)，共同作用使得A單體從山區(qū)進(jìn)入山谷后增強(qiáng)，14時(shí)12分發(fā)展為普通單體風(fēng)暴，最強(qiáng)回波超過了65 dBz，而前側(cè)東部多單體則向ESE移動(dòng)并逐漸減弱消失。

圖3 強(qiáng)雷暴單體移動(dòng)路徑（黃色圓點(diǎn)為單體A，橙色圓點(diǎn)為單體B，黃色三角形為丹江口檀山站，藍(lán)色風(fēng)矢為27日16時(shí)地面風(fēng)，藍(lán)色箭頭為冷性東北風(fēng)顯著氣流，紅色箭頭線為暖性偏南風(fēng)顯著氣流，黑色斷線為地面輻合線）Fig. 3 Movement path of severe thunderstorm cells(The yellow dot is monomer A, the orange dot is monomerB, the yellow triangle is Danjiangkou Tanshan Station,the blue wind is ground wind at 16:00, the blue arrow isthe significant northeast wind airflow, the red arrow is thewarm southerly significant airflow, the black broken line isthe surface convergence line.)

單體A沿山谷向SSE移動(dòng)，14時(shí)55分由山谷進(jìn)入鄖陽區(qū)東部低山地區(qū)，受地形產(chǎn)生的抬升作用，回波快速發(fā)展，并于15時(shí)03分達(dá)到最強(qiáng)，但由于此處山地坡度較小，單體A并未發(fā)展成超級(jí)單體。15時(shí)24分單體A進(jìn)入丹江口市與淅川縣交界處的秦嶺東段余脈，并向南傳播生成單體B，單體A原地減弱消失，而單體B則向南移動(dòng)，與呈東西走向山脈相交，由于丹江口北部山脈坡度大，地形產(chǎn)生的強(qiáng)迫抬升作用強(qiáng)。15時(shí)47分移動(dòng)至丹江口石鼓鎮(zhèn)一帶并發(fā)展為強(qiáng)風(fēng)暴單體。16時(shí)地面加密場上湖北丹江口北邊等溫線為22 ℃，南邊等溫線為24 ℃，有2 ℃的溫差，此時(shí)東北干冷氣流與偏南暖濕氣流在漢江河谷地區(qū)形成熱力環(huán)流，形成當(dāng)日最強(qiáng)的地面輻合線，地形抬升和中尺度地面輻合線共同作用使得B單體在河谷地區(qū)明顯增強(qiáng)，此時(shí)對(duì)流風(fēng)暴達(dá)到了最強(qiáng)，并有明顯的超級(jí)單體特征。

4.2 中尺度地面輻合線的作用

通過分析地面加密觀測資料，12時(shí)在鄂、陜、豫交界偏北處建立了東北—西南向中尺度地面輻合線，對(duì)應(yīng)有回波發(fā)展，此后地面輻合線沿山谷東移南壓，對(duì)流風(fēng)暴也隨之移動(dòng)。

15時(shí)03分在河南淅川西部與十堰鄖陽交界處，單體A發(fā)展為強(qiáng)對(duì)流回波單體（圖4），該單體有明顯前傾結(jié)構(gòu)，處于成熟階段。之后該單體迅速減弱，15時(shí)地面加密場上北邊等溫線為20 ℃，南邊等溫線為22 ℃，有2 ℃的溫差，加上北部有對(duì)流單體影響，有降水發(fā)生，偏北干冷氣流與東南暖濕氣流形成熱力環(huán)流，形成了中尺度地面輻合線，為雷暴的傳播和加強(qiáng)創(chuàng)造了有利條件，15時(shí)24分在A單體前側(cè)形成單體B（圖3），由此可見中尺度地面輻合線對(duì)于對(duì)流單體的傳播起到了關(guān)鍵作用。

圖4 2016年4月27日15：00地面加密場（a）與15：03組合反射率（b）（紅虛線為等溫線，單位℃；藍(lán)色箭頭示意暖濕氣流；黑色箭頭示意干冷氣流；黑色斷線為地面輻合線）Fig. 3 The ground encryption field (a) at 15:00 BT and the combined reflectance (b) at 15:03 BT on 27 April 2016(The red dotted line is the isotherm, unit: ℃; the blue arrow indicates warm and humid airflow; the black arrow indicatesdry and cold airflow; the black broken line is the surface convergence line)

15時(shí)58分，地面加密資料顯示淅川南部冷池的強(qiáng)度較明顯增加，強(qiáng)的冷池出流使東北風(fēng)達(dá)到8 m/s，此時(shí)丹江口檀山站南風(fēng)也達(dá)到了當(dāng)天最強(qiáng)，達(dá)6 m/s，在十堰丹江口中部產(chǎn)生了強(qiáng)的水平風(fēng)切變。此時(shí)對(duì)流風(fēng)暴達(dá)到了最強(qiáng)，并有明顯的超級(jí)單體特征。

結(jié)合地面中尺度輻合線和雷達(dá)回波的演變特征，可以看出地面中尺度輻合線對(duì)對(duì)流風(fēng)暴的產(chǎn)生、發(fā)展、傳播發(fā)揮了重要作用，當(dāng)中尺度地面輻合線達(dá)到最強(qiáng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的對(duì)流風(fēng)暴也發(fā)展至最強(qiáng)。

4.3 湖陸風(fēng)環(huán)流

此次過程主要受高空冷槽影響，500～925 hPa鄂西北地區(qū)以東北風(fēng)或東風(fēng)為主，南風(fēng)范圍小，強(qiáng)度弱。丹江口檀山站位于鄂西北喇叭口東側(cè)，受地形影響該站08—11時(shí)以東風(fēng)為主，12時(shí)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)并逐漸增大，16時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，最大風(fēng)速為6.6 m/s。在十堰雷達(dá)風(fēng)廓線也可以看出，從14時(shí)24分至16時(shí)06分在1.5 km以下的低層為南風(fēng)，風(fēng)速在4～8 m/s。由于陸地溫度存在很強(qiáng)的日變化，而漢江河水表溫度變化慢，中午開始，陸地和漢江河水形成溫度梯度，致使檀山站附近形成了由漢江河吹向陸地的偏南風(fēng)，隨著氣溫的升高，湖風(fēng)也隨之達(dá)到最強(qiáng)。

5 小結(jié)

通過對(duì)2016年4月27日鄂西北的超級(jí)單體風(fēng)暴從多尺度天氣環(huán)境、地形條件及風(fēng)暴演變過程進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

1）導(dǎo)致此次超級(jí)單體發(fā)生的天氣系統(tǒng)是高空冷槽后部偏北氣流和低層切變線，超級(jí)單體發(fā)生前十堰地區(qū)有高的對(duì)流有效位能、上干下濕層結(jié)構(gòu)、強(qiáng)的垂直環(huán)境風(fēng)切變，低層有暖平流，高層有冷平流，構(gòu)成了強(qiáng)的上冷下暖的垂直結(jié)構(gòu)，造成上下強(qiáng)烈的擾動(dòng)，提供了中尺度抬升機(jī)制，促進(jìn)強(qiáng)對(duì)流天氣爆發(fā)。

2）鄂西北特殊的山區(qū)地形、地面中尺度輻合線、湖陸風(fēng)等中尺度系統(tǒng)，以及雷暴本身的冷池出流和雷暴出流與低層暖濕氣流產(chǎn)生的擾動(dòng)是超級(jí)單體爆發(fā)性增強(qiáng)的關(guān)鍵原因。

3）這次超級(jí)單體過程中超級(jí)單體最大反射率因子達(dá)到65 dBz以上，相應(yīng)的反射率因子垂直剖面呈現(xiàn)出典型的有界弱回波區(qū)、回波懸垂和有界弱回波區(qū)左側(cè)的強(qiáng)大回波墻，最大回波強(qiáng)度出現(xiàn)在沿回波墻狹長區(qū)域的下部。

4）超級(jí)單體回波的相應(yīng)徑向速度圖上出現(xiàn)中氣旋，在近地層中氣旋的徑向速度特征為輻合式氣旋性旋轉(zhuǎn)，中層為氣旋性旋轉(zhuǎn)，高層為輻散。