廣東兩次超級單體導(dǎo)致不同類型強(qiáng)風(fēng)天氣對比分析*

植江玲 黃先香，2 顧伯輝 蔡康龍 李彩玲 張晶晶 李兆明

1 廣東省佛山市氣象局/佛山市龍卷風(fēng)研究中心，佛山 528315 2 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 3 廣東省佛山市三水區(qū)氣象局，佛山 528100

提 要：2019年4月11日珠江三角洲、4月13日湛江徐聞分別發(fā)生了由超級單體引起的強(qiáng)雷暴大風(fēng)、強(qiáng)龍卷災(zāi)害天氣過程。利用多源觀測資料對比分析兩次過程的天氣形勢、環(huán)境條件、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、對流觸發(fā)以及強(qiáng)風(fēng)的形成機(jī)制，結(jié)果表明：強(qiáng)雷暴大風(fēng)發(fā)生在低空切變線和地面冷鋒南壓的斜壓鋒生類天氣形勢下，而強(qiáng)龍卷發(fā)生在偏南暖濕氣流強(qiáng)迫天氣背景下。兩者均發(fā)生在高能、強(qiáng)0～6 km深層垂直風(fēng)切變、低抬升凝結(jié)高度及上干下濕的大氣環(huán)境中，但11日0～1 km低空垂直風(fēng)切變較小，中層干層更為顯著(700～400 hPa平均溫度露點(diǎn)差為29.2℃)，更有利于產(chǎn)生強(qiáng)下沉氣流從而導(dǎo)致強(qiáng)雷暴大風(fēng)，而13日強(qiáng)的0～1 km低層垂直風(fēng)切變，有利于強(qiáng)龍卷發(fā)生。11日強(qiáng)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)在超級單體強(qiáng)回波核心，低層中氣旋強(qiáng)度較弱且水平尺度較大(6～7 km)，中氣旋較淺薄(伸展≤2 km)，而13日強(qiáng)龍卷出現(xiàn)在鉤狀回波頂端，低層中氣旋強(qiáng)度更強(qiáng)且尺度小(約2 km)，中氣旋更深厚(伸展至6 km)，并伴有龍卷渦旋特征；11日強(qiáng)雷暴大風(fēng)發(fā)生期間，中氣旋垂直渦度維持在10-2 s-1量級，而13日強(qiáng)龍卷觸地前后，低層中氣旋垂直渦度突增至10-1 s-1量級，比強(qiáng)雷暴大風(fēng)大一個(gè)量級；11日風(fēng)暴內(nèi)強(qiáng)下沉氣流在地面形成大面積強(qiáng)冷池，是強(qiáng)雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的重要原因，而13日地面幾乎飽和的大氣濕度及不太強(qiáng)的下沉氣流，有利于強(qiáng)龍卷的發(fā)生。

引 言

超級單體作為對流風(fēng)暴類型中猛烈發(fā)展的一種類型，通常產(chǎn)生在強(qiáng)的垂直風(fēng)切變和一定大小的對流有效位能條件下，可以導(dǎo)致冰雹、大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水或龍卷等強(qiáng)對流天氣(Smith et al,2001;俞小鼎等,2006;2012)。根據(jù)Doswell Ⅲ(2001)的統(tǒng)計(jì)，美國90%以上的超級單體風(fēng)暴會導(dǎo)致強(qiáng)冰雹、龍卷和雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。在國內(nèi)，Yu et al(2012)對兩百多個(gè)超級單體事件統(tǒng)計(jì)表明，80%以上的超級單體伴隨有強(qiáng)冰雹、龍卷或雷暴大風(fēng)。不少專家學(xué)者分別對產(chǎn)生龍卷或雷暴大風(fēng)等不同類型超級單體的環(huán)境條件和形成機(jī)制進(jìn)行了研究。在龍卷方面，俞小鼎等(2008)、鄭媛媛等(2015)、王秀明等(2015)、黃先香等(2019a;2019b;2019c)和鄭永光等(2020)先后對安徽、江蘇、東北和珠江三角洲地區(qū)龍卷個(gè)例的環(huán)境條件和雷達(dá)回波特征進(jìn)行了研究，指出龍卷多由超級單體產(chǎn)生，一般發(fā)生在強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變、低抬升凝結(jié)高度和風(fēng)暴相對螺旋度大值區(qū)等環(huán)境中。雷暴大風(fēng)是超級單體產(chǎn)生的災(zāi)害性大風(fēng)的另一種主要類型，鄭媛媛等(2004)、王秀明等(2013)、費(fèi)海燕等(2016)、鄭永光等(2016；2018)、周后福等(2020)從個(gè)例以及氣候統(tǒng)計(jì)等多方面對產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的環(huán)境特征和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致分析，指出絕大多數(shù)雷暴大風(fēng)由強(qiáng)下沉氣流導(dǎo)致，而有利于強(qiáng)下沉氣流的環(huán)境條件包括對流層中層或以上有明顯的干層以及對流層中下層大氣環(huán)境溫度直減率較大。上述研究主要針對產(chǎn)生單一類型強(qiáng)對流天氣，但一次強(qiáng)對流天氣過程可以出現(xiàn)一種或多種強(qiáng)對流天氣，其發(fā)生的環(huán)境條件和物理量閾值都不盡相同。在不同的水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)、垂直風(fēng)切變和抬升觸發(fā)機(jī)制等因素的共同影響下超級單體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)致的強(qiáng)對流類型卻存在較大的差異(鄭媛媛等,2009;俞小鼎等,2012;符式紅等,2018;楊波等,2019)。對于孤立的雷暴系統(tǒng)，尤其是具有明顯中氣旋特征的超級單體風(fēng)暴造成的局地強(qiáng)風(fēng)，往往很難在業(yè)務(wù)上利用有限的觀測資料對其進(jìn)行判別和預(yù)警(龍卷還是雷暴大風(fēng))，因此分類強(qiáng)對流預(yù)報(bào)目前還是難點(diǎn)，特別是對重大強(qiáng)對流天氣事件的預(yù)報(bào)預(yù)警難度更大。

前汛期是廣東強(qiáng)對流天氣多發(fā)的季節(jié)，雷暴大風(fēng)發(fā)生頻率較高，但是10級以上的強(qiáng)雷暴大風(fēng)和直徑≥20 mm的大冰雹出現(xiàn)概率較低；與雷暴大風(fēng)相比，龍卷特別是強(qiáng)龍卷發(fā)生的概率更低。2019年4月11日，廣東珠江三角洲東南部至汕尾一帶出現(xiàn)大范圍10級、局地12級的強(qiáng)雷暴大風(fēng)，局地出現(xiàn)直徑約20 mm的大冰雹(簡稱“4·11”過程)；2019年4月13日，湛江徐聞局地出現(xiàn)強(qiáng)龍卷(簡稱“4·13”過程)。按照我國重大強(qiáng)對流天氣的定義：小時(shí)雨量≥50 mm的短時(shí)強(qiáng)降水、或者直徑≥20 mm的冰雹、或者≥25 m·s-1(或10級)的雷暴大風(fēng)、或者EF2級(陣風(fēng)可達(dá)50 m·s-1以上)及以上級別龍卷天氣(鄭永光等, 2017)，“4·11”過程和“4·13”過程均屬于重大強(qiáng)對流天氣。兩次過程在時(shí)間上僅隔2 d，都發(fā)生在華南地區(qū)前汛期，雷達(dá)上都探測到具有明顯中氣旋的超級單體，但卻產(chǎn)生了不同類型的強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害?；诓煌愋蛷?qiáng)對流天氣發(fā)生條件(鄭永光等,2015;2017;俞小鼎等,2012)和“配料法”(俞小鼎,2011)的分析思路，采用常規(guī)高空觀測、廣東省加密地面自動(dòng)氣象站觀測、廣州和湛江S波段多普勒天氣雷達(dá)觀測資料等，對比分析“4·11”過程和“4·13”過程的環(huán)境條件和對流風(fēng)暴的中尺度特征，比較兩者異同，并討論這些差異對風(fēng)暴結(jié)構(gòu)演變進(jìn)而觸發(fā)不同天氣現(xiàn)象的影響，以期進(jìn)一步加深對該類強(qiáng)天氣的認(rèn)識、為今后提升該類事件的預(yù)報(bào)預(yù)警能力提供參考。

1 天氣過程實(shí)況

2019年4月11日和13日廣東均出現(xiàn)超級單體天氣過程?！?·11”過程，超級單體于11日15:00 前后(北京時(shí)，下同)在廣州北部形成后向東南方向移動(dòng)，20:00前后由汕尾移入海面，強(qiáng)度減弱并消失。受其影響，廣州、惠州至汕尾一帶出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水和大范圍雷暴大風(fēng)，有8個(gè)自動(dòng)氣象站點(diǎn)出現(xiàn)10～11級大風(fēng)，增城國家基準(zhǔn)氣候站和惠陽觀測站2個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)12級以上大風(fēng)，最大風(fēng)速出現(xiàn)在惠陽，錄得34.4 m·s-1(12級)陣風(fēng)(圖1a)，造成惠州部分地方大樹折斷、房屋門窗損毀。另外，廣州和惠州局地出現(xiàn)直徑約20 mm的大冰雹。該超級單體從新生到減弱消失超過5 h，自西北向東南移動(dòng)約400 km，最強(qiáng)反射率因子超過70 dBz，具有生命史長、雷暴大風(fēng)強(qiáng)度大和影響范圍廣的特點(diǎn)。“4·13”過程，超級單體于13日13:42前后在湛江雷州東南部至徐聞北部一帶形成，受其影響，14:00—14:36湛江市徐聞縣和安鎮(zhèn)出現(xiàn)了EF3級強(qiáng)龍卷，造成1人死亡，5人受傷，龍卷路徑長約16 km(黃先香等,2021;蔡康龍等,2021)。其中錄得10級以上大風(fēng)的站點(diǎn)有2個(gè)站點(diǎn)：14:11和安鎮(zhèn)政府自動(dòng)氣象站錄得50.7 m·s-1(15級)的極端大風(fēng)，14:36錦和鎮(zhèn)文化站錄得32.9 m·s-1(12級)的大風(fēng)(圖1b)。

圖1 2019年4月(a)11日15:00—19:00和(b)13日13:00—15:00超級單體導(dǎo)致的8級以上極大風(fēng)分布(藍(lán)色龍卷符號：龍卷發(fā)生地)

2 天氣形勢和大氣環(huán)境條件對比

2.1 天氣形勢對比

4月11日珠江三角洲和13日雷州半島均位于500 hPa副熱帶高壓北緣(圖2)，高原上都有西風(fēng)槽下滑東移至位于廣西中西部，上空都處于溫度露點(diǎn)差>20℃的干區(qū)。但11日低槽更為顯著，廣東處于槽前強(qiáng)盛西南氣流中，風(fēng)速超過25 m·s-1，而13日500 hPa等位勢高度線較為平直，主要受偏西氣流影響，風(fēng)速在15 m·s-1左右。兩日都處在850 hPa 低空急流右側(cè)和溫度脊北側(cè)以及溫度露點(diǎn)差<3℃的顯著濕區(qū)。但“4·11”過程850 hPa和925 hPa有切變線南壓至粵北，地面有冷鋒南下，屬于斜壓鋒生類天氣形勢(許愛華等,2014)。而“4·13”過程無冷空氣南壓，850 hPa和925 hPa西南風(fēng)低空急流和偏南風(fēng)超低空急流在雷州半島匯合并伴有風(fēng)速輻合，地面上雷州半島到海南一帶存在東北—西南向的風(fēng)向風(fēng)速輻合線，此次龍卷天氣發(fā)生在偏南風(fēng)急流暖濕強(qiáng)迫的天氣背景下(許愛華等,2014)。

圖2 2019年4月(a)11日08:00和(b)13日08:00綜合分析圖

2.2 大氣環(huán)境條件對比

探空站觀測通常能代表站點(diǎn)附近100～200 km以內(nèi)的大氣狀態(tài)，針對“4·11”“4·13”過程，分別選取清遠(yuǎn)站(距離強(qiáng)風(fēng)發(fā)生地上游約80 km)、?？谡?距離龍卷發(fā)生地約73 km)探空進(jìn)行分析(圖3，表1)。兩次強(qiáng)風(fēng)過程發(fā)生前，對流有效位能(CAPE)分別為2 293 J·kg-1和1 944 J·kg-1，屬于中等程度，分別用11日降水發(fā)生前11:00的清遠(yuǎn)和13日14:00和安鎮(zhèn)地面自動(dòng)站的溫度和露點(diǎn)溫度對探空進(jìn)行訂正，相應(yīng)的CAPE分別為3 168 J·kg-1、2 669 J·kg-1，均呈現(xiàn)出強(qiáng)的條件不穩(wěn)定。兩次過程對應(yīng)的溫濕探空曲線形態(tài)也很相似，均呈“上干下濕的喇叭形”形態(tài)(圖3)，低層(900 hPa以下)都很濕，基本接近飽和狀態(tài)，600 hPa以上均為明顯的干層，但“4·11”過程，干層的面積和強(qiáng)度明顯更大更強(qiáng)，700～400 hPa的溫度露點(diǎn)差均值為29.2℃，單層最大溫度露點(diǎn)差達(dá)43℃，925～700 hPa溫度垂直遞減率為5.9 ℃·km-1；而“4·13”過程，700～400 hPa的溫度露點(diǎn)差均值僅為15.7℃，單層最大溫度露點(diǎn)差僅為28℃，925～700 hPa溫度垂直遞減率為5.0 ℃·km-1，較11日(0.9 ℃·km-1)小。“4·11”過程更干的中層干層以及更大的中低層溫度直減率是產(chǎn)生強(qiáng)下沉氣流的有利環(huán)境條件，環(huán)境干空氣夾卷進(jìn)入由降水啟動(dòng)的下沉氣流，使雨滴蒸發(fā)冷卻，在負(fù)浮力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的下沉氣流；而“4·13”過程中層干層強(qiáng)度相對較弱，配合近地層水汽含量高的飽和大氣，使得下沉氣流不會太強(qiáng)(楊波等,2019;鄭永光等,2020;周后福等,2020)。兩次過程對應(yīng)的對流抑制能量(CIN)都很小(在20 J·kg-1以下)，抬升凝結(jié)高度(LCL)都很低(在200 m以下)，極易觸發(fā)深厚濕對流。兩次過程均發(fā)生在強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變環(huán)境下，0～6 km 風(fēng)矢量差分別為24.6 m·s-1和18.0 m·s-1，但“4·11”過程0～6 km垂直風(fēng)切變更強(qiáng)，這可能與清遠(yuǎn)站位于地面冷鋒和低層切變線附近(約150 km)有關(guān)，這也是“4·11”超級單體能長時(shí)間維持高度組織化的重要原因。而要產(chǎn)生超級單體龍卷，不僅需要有利于超級單體形成的環(huán)境條件，還需要較強(qiáng)的0～1 km低層垂直風(fēng)切變，強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變是造成龍卷的主要?jiǎng)恿?，可以將低層斜壓水平渦度傾斜扭轉(zhuǎn)形成垂直渦度，美國F2/EF2級以上龍卷0～1 km垂直風(fēng)矢量差統(tǒng)計(jì)平均值為9.5 m·s-1(Thompson et al,2003)；而低的抬升凝結(jié)高度則有利于渦旋觸地形成龍卷(Weisman and Klemp,1982;McCaul,1991)。兩次過程的0～1 km垂直風(fēng)矢量差分別為5.7 m·s-1和8.1 m·s-1，“4·13”過程更強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變，有利于強(qiáng)龍卷的發(fā)生。另外，分析兩次過程的0℃層和-20℃ 層高度發(fā)現(xiàn)，“4·11”過程的0℃層和-20℃層高度分別為4 192 m和7 751 m，均位于廣東歷史冰雹事件統(tǒng)計(jì)值區(qū)間內(nèi)(李懷宇等,2015)，而“4·13”過程的0℃層和-20℃層高度分別為5 113 m和8 355 m，高于歷史統(tǒng)計(jì)值，這也是前者伴有大冰雹、后者沒有冰雹天氣的重要原因。

圖3 2019年4月(a)11日08:00清遠(yuǎn)站和(b)13日08:00?？谡咎娇請D

表1 2019年4月11日08:00清遠(yuǎn)站和13日08:00海口站環(huán)境參數(shù)

綜上可見，兩次過程都具備較大CAPE、較強(qiáng)0～6 km垂直風(fēng)切變和低的LCL等有利于超級單體發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件，但環(huán)境中高層的干層強(qiáng)度、0～1 km垂直風(fēng)切變、0℃層和-20℃層高度差異等是兩次超級單體造成不同類型強(qiáng)對流天氣的重要環(huán)境因素。

3 地面單站氣象要素分析

為了解兩次強(qiáng)風(fēng)過程影響前后的地面溫、壓、風(fēng)等氣象要素的變化，下面分別選取距離強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害最近的惠州博羅站(距離強(qiáng)雷暴大風(fēng)災(zāi)害約600 m)和徐聞和安鎮(zhèn)站(距離龍卷中心路徑僅約42 m)進(jìn)行分析。

“4·11”過程，其單站氣象要素變化(圖4a)顯示，16:50前后，氣壓先涌升[1.8 hPa·(10 min)-1]、后陡降[0.9 hPa·(10 min)-1]；風(fēng)向突變、風(fēng)速突增，由弱偏東風(fēng)(2 m·s-1)轉(zhuǎn)為強(qiáng)偏北風(fēng)(10.7 m·s-1)，并錄得32.2 m·s-1(11級，16:54)的3 s瞬時(shí)極大偏北風(fēng)，17:05恢復(fù)弱偏東風(fēng)，17:15后轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，表明冷鋒已經(jīng)過境；雨量突增，16:50出現(xiàn)雨量峰值，雨強(qiáng)達(dá)15.9 mm·(5 min)-1，遠(yuǎn)超強(qiáng)雷暴大風(fēng)發(fā)生征兆的4 mm·(6 min)-1雨強(qiáng)閾值(周后福等，2017)，強(qiáng)降水的拖曳作用有利于下沉氣流快速下沖，降雨峰值提前于強(qiáng)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)；同時(shí)，氣溫驟降，5 min內(nèi)驟降5.6℃，表明地面冷池很強(qiáng)。

“4·13”過程，其單站氣象要素變化(圖4b)顯示，14:05前后，氣壓出現(xiàn)兩次明顯降/升過程，13:45—13:50突降0.5 hPa、14:00—14:05陡升1.1 hPa、14:10再突降0.5 hPa、14:20再陡升1.1 hPa；風(fēng)向出現(xiàn)兩次突變，14:00—14:05由南風(fēng)順轉(zhuǎn)為西北風(fēng)、14:05—14:10逆轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)、14:10—14:15再順轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，表明該站受到龍卷渦旋不同部位的影響(黃先香等,2021)，同時(shí)風(fēng)速突增，該站于14:11錄得50.7 m·s-1(15級)的3 s瞬時(shí)極大偏北風(fēng)；降雨峰值出現(xiàn)在14:20前后，滯后于強(qiáng)龍卷大風(fēng)，表明龍卷位于母體超級單體風(fēng)暴前側(cè)，與“4·11”過程的先產(chǎn)生強(qiáng)降雨、后發(fā)生強(qiáng)風(fēng)不同；氣溫明顯下降，但降溫幅度較小，5 min氣溫最大降幅為1.7℃，冷池效應(yīng)明顯弱于“4·11”過程。

圖4 2019年4月(a)11日16:00—17:40博羅站和(b)13日13:30—15:10和安鎮(zhèn)政府自動(dòng)氣象站2 m溫度(紅色實(shí)線)、氣壓(黑色實(shí)線)、2 min平均水平風(fēng)(風(fēng)羽)和5 min累計(jì)降水量(柱狀)隨時(shí)間演變

4 超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)對比分析

4.1 超級單體風(fēng)暴演變的雷達(dá)回波分析

“4·11”過程，廣州雷達(dá)0.5°仰角反射率因子產(chǎn)品顯示，15:36，對流風(fēng)暴向東偏南方向移動(dòng)至廣州北部并加強(qiáng)成為超級單體，低層開始出現(xiàn)鉤狀回波和入流缺口特征，最強(qiáng)反射率因子超過65 dBz；對應(yīng)速度圖上開始探測到中氣旋，旋轉(zhuǎn)速度為約21 m·s-1，接近強(qiáng)中氣旋，中氣旋直徑約7 km，底高約0.8 km，距離雷達(dá)約47 km(圖略)。15:42—15:54(圖5a，5b)，超級單體迅速增強(qiáng)，反射率因子增大至70 dBz以上，鉤狀回波和入流缺口更明顯；對應(yīng)速度圖上有中等到強(qiáng)的中氣旋(圖5d，5e)，旋轉(zhuǎn)速度為15～22 m·s-1，直徑約為6 km，底高為0.8～0.9 km，中氣旋中心位置位于入流缺口靠近強(qiáng)回波中心一側(cè)，正速度中心出現(xiàn)大片模糊區(qū)，為西南偏西風(fēng)，最大徑向風(fēng)速達(dá)39 m·s-1。16:00前后，超級單體風(fēng)暴影響增城區(qū)，增城國家觀測站正好處于超級單體風(fēng)暴強(qiáng)回波中心(圖5c)和中氣旋北側(cè)(圖5f)，此時(shí)觀測站錄得34.0 m·s-1(12級)的偏西大風(fēng)、大冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水，雨強(qiáng)達(dá)到15.6 mm·(5 min)-1，強(qiáng)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)在雨強(qiáng)大值區(qū)，這與雷暴大風(fēng)的形成機(jī)制跟降水粒子的拖曳作用和強(qiáng)烈的蒸發(fā)冷卻作用是相關(guān)的。

圖5 2019年4月11日(a,d)15:42，(b,e)15:54,(c,f)16:00廣州雷達(dá)0.5°仰角(a，b，c)雷達(dá)反射率因子和(d，e，f)平均徑向速度(黑圓圈：中氣旋，白實(shí)線：圖7中垂直剖面所在位置，三角型為雷暴大風(fēng)位置)

“4·13”過程，湛江雷達(dá)0.5°仰角反射率因子產(chǎn)品顯示，13:42，位于湛江雷達(dá)西南方向約40 km處的雷州市東部一孤立的對流單體加強(qiáng)發(fā)展成超級單體，開始出現(xiàn)明顯的鉤狀回波和入流缺口特征，最強(qiáng)反射率因子為52 dBz；對應(yīng)徑向速度圖上首次探測到中氣旋，旋轉(zhuǎn)速度為15.0 m·s-1，底高為0.5 km，直徑約為5.3 km(圖略)。14:00(圖6a，6d)，超級單體東南方向移動(dòng)進(jìn)入徐聞縣冬松島，中氣旋進(jìn)一步加強(qiáng)，出流速度出現(xiàn)模糊，旋轉(zhuǎn)速度增至22 m·s-1，達(dá)強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，直徑縮小至2.8 km，中氣旋中心探測到像素的強(qiáng)切變(類龍卷渦旋特征)，其切變值為42 m·s-1，尺度約為1.4 km，對應(yīng)冬松島龍卷觸地位置。14:06，超級單體移入海面，鉤狀回波和入流缺口特征更為明顯(圖6b)，中氣旋直徑繼續(xù)收縮至2 km(圖6e)，最大旋轉(zhuǎn)速度為25 m·s-1，在中氣旋中心探測到龍卷渦旋特征(TVS)，切變值為50 m·s-1。14:12超級單體風(fēng)暴影響和安鎮(zhèn)(圖6c)，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度略有減弱至17.5 m·s-1(圖6f)，仍達(dá)到中等強(qiáng)度中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，底高降至0.4 km，此時(shí)龍卷持續(xù)，龍卷出現(xiàn)在鉤狀回波頂端和中氣旋中心附近，與15級大風(fēng)位置、拍攝到的龍卷視頻位置對應(yīng)(黃先香等，2021；蔡康龍等，2021)。

4.2 風(fēng)暴結(jié)構(gòu)及中氣旋垂直渦度演變對比分析

為進(jìn)一步揭示風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，分別沿著兩個(gè)超級單體低層入流方向(圖5b和圖6b中白色線段所示)做反射率因子垂直剖面、沿著中氣旋中心并與雷達(dá)徑向相垂直的直線(圖5e和圖6e中白色線段所示)做徑向速度垂直剖面。反射率因子剖面圖上，“4·11”過程，15:54超級單體結(jié)構(gòu)隨高度向前傾斜，出現(xiàn)中高層回波懸垂和低層有界弱回波區(qū)，表明存在強(qiáng)傾斜上升氣流(圖7a)，強(qiáng)回波中心在65 dBz以上，最大反射因子高度和風(fēng)暴質(zhì)心高度達(dá)5 km，50 dBz以上的強(qiáng)回波從近地面延伸到8 km附近，本次過程探空顯示0℃層和-20℃層高度分別為4.2 km和7.8 km，50 dBz以上的強(qiáng)回波高度超過的-20℃層高度，表現(xiàn)為高質(zhì)心的雹暴結(jié)構(gòu)，實(shí)況有觀測到直徑為2 cm的大冰雹；“4·13”過程，14:06也存在中高層回波懸垂和低層弱回波區(qū)(圖7b)，強(qiáng)回波中心約為60 dBz，但50 dBz以上的強(qiáng)回波僅延伸至6 km左右，最大反射因子高度和風(fēng)暴質(zhì)心高度也較低(3 km)。徑向速度剖面圖上，“4·11”過程(圖7c)，中氣旋垂直伸展厚度較淺，從低層向上僅伸展至2 km 附近，低層中氣旋正負(fù)速度中心相距較遠(yuǎn)，達(dá)6～7 km；而“4·13”過程(圖7d)，中氣旋從近地層一直擴(kuò)展到6 km，且越往低層中氣旋結(jié)構(gòu)越緊湊、渦旋強(qiáng)度越強(qiáng)，并伴有TVS。

圖6 2019年4月13日(a,d)14:00,(b,e)14:06,(c,f)14:12湛江雷達(dá)0.5°仰角(a，b，c)雷達(dá)反射率因子和(d，e，f)平均徑向速度(大黑圈：中氣旋，小藍(lán)圈：TVS或類TVS，白實(shí)線：圖7中垂直剖面所在位置，三角型：龍卷發(fā)生地)

圖7 2019年4月(a，c)11日15:54沿圖5和(b，d)13日14:06沿圖6白色實(shí)線的(a，b)反射率因子和(c，d)徑向速度垂直剖面

低層中氣旋形成后，要形成龍卷，還需要后側(cè)陣風(fēng)鋒附近的低層強(qiáng)輻合區(qū)位于適當(dāng)位置以及中層強(qiáng)上升氣流的向上垂直拉伸配合，使得近地層中氣旋的垂直渦度在短時(shí)間內(nèi)迅速加強(qiáng)(俞小鼎等,2020)。兩次過程雷達(dá)都探測到低層中等強(qiáng)度以上中氣旋，底高都在1 km以下，但是低層中氣旋的直徑相差較大，因此計(jì)算了雷達(dá)0.5°仰角上兩次超級單體中氣旋的垂直渦度隨時(shí)間變化(圖8)。T為雷暴大風(fēng)或龍卷首先出現(xiàn)的體掃時(shí)間，雷暴大風(fēng)或龍卷產(chǎn)生前1個(gè)雷達(dá)體掃時(shí)間為T-1，產(chǎn)生后1個(gè)體掃時(shí)間為T+1，以此類推。“4·11”過程，強(qiáng)雷暴大風(fēng)產(chǎn)生前4個(gè)體掃，中氣旋垂直渦度在9.5×10-3～13.6×10-3s-1，強(qiáng)雷暴大風(fēng)發(fā)生及發(fā)生后2個(gè)體掃，中氣旋垂直渦度從9.3×10-3s-1減小至6.6×10-3s-1，整個(gè)過程中氣旋垂直渦度維持在10-2s-1量級。而“4.13”過程，龍卷觸地前2～4個(gè)體掃期間，中氣旋垂直渦度與強(qiáng)雷暴大風(fēng)發(fā)生前中氣旋的垂直渦度相差不大，但龍卷觸地前2個(gè)體掃，中氣旋垂直渦度出現(xiàn)“爆發(fā)式”增長，從19.0×10-3s-1突增至124×10-3s-1，增長至原來的6倍多，龍卷持續(xù)期間，中氣旋垂直渦度強(qiáng)度維持在10-1s-1量級，比“4·11”過程大一個(gè)量級。以上表明，低層中氣旋垂直渦度在短時(shí)間內(nèi)的“爆發(fā)式”增長對龍卷發(fā)生有較好指示性。

圖8 2019年4月11日廣州雷達(dá)和13日湛江雷達(dá)0.5°仰角識別的中氣旋垂直渦度演變

5 觸發(fā)和形成機(jī)制

5.1 抬升觸發(fā)系統(tǒng)

“4·11”過程，13:00冷空氣前鋒到達(dá)粵北(圖9a)，偏北風(fēng)速增大至2～4 m·s-1，與粵北南部的東南風(fēng)形成“人字形”的地面輻合線，懷集與德慶交界處出現(xiàn)一個(gè)散度為30×10-5s-1的輻合中心(A)，雷暴在輻合線上生成并快速發(fā)展；13:30雷暴單體發(fā)展至6 km高度且強(qiáng)度超過60 dBz；14:00(圖9b)，輻合線南壓，德慶附近的輻合中心(B)增強(qiáng)至40×10-5s-1，同時(shí)四會附近(C)也出現(xiàn)一個(gè)散度大于40×10-5s-1的輻合中心。由于珠江三角洲北部山地的阻擋，冷空氣沿著北江河谷南下后在山前堆積，在四會附近形成了溫度和露點(diǎn)溫度梯度大值區(qū)，當(dāng)風(fēng)暴移至輻合中心C附近時(shí)，與溫度和露點(diǎn)溫度梯度高值區(qū)疊加，暖空氣一側(cè)出現(xiàn)上升、冷空氣一側(cè)出現(xiàn)下沉，形成閉合環(huán)流，從而加強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)(Trapp,2013;徐珺等,2018)，對流迅速發(fā)展形成一孤立強(qiáng)雷暴單體，回波強(qiáng)度超過65 dBz且發(fā)展高度達(dá)到7 km，回波垂直剖面圖(圖略)上出現(xiàn)弱回波區(qū)，可見風(fēng)暴內(nèi)上升氣流不斷加強(qiáng)。

“4·13”過程，12:00雷州半島南部地面氣溫攀升至30～32℃，熱力條件較好，雷州西北部存在一條偏北風(fēng)與地面東南風(fēng)形成地面輻合線和散度為20×10-5s-1的輻合中心(D)，從北部灣海面上岸的雷暴單體東移至輻合線附近時(shí)在原雷暴南側(cè)觸發(fā)了新雷暴并強(qiáng)烈發(fā)展，同時(shí)雷州東南沿海附近存在另一條東北風(fēng)與東南風(fēng)的地面輻合線和散度為40×10-5s-1的輻合中心(E)(圖9c)。13:00當(dāng)雷暴單體東南移至雷州東南部的輻合線附近時(shí)，風(fēng)暴出流邊界與地面輻合線相遇加強(qiáng)了抬升作用，輻合線北側(cè)的偏北風(fēng)加大至6 m·s-1，輻合中心(F)增強(qiáng)，散度增大至50×10-5s-1(圖9d)，強(qiáng)輻合使得雷暴單體強(qiáng)烈發(fā)展，最終發(fā)展為龍卷母體超級單體風(fēng)暴；13:30反射率因子核強(qiáng)度超過55 dBz同時(shí)高度達(dá)6 km，風(fēng)暴出現(xiàn)了深厚的弱回波區(qū)(圖略)。

圖9 2019年4月11日(a)13:00，(b)14:00和13日(c)12:00，(d)13:00地面自動(dòng)氣象站分析(填色為2 m溫度；紅色實(shí)線為露點(diǎn)溫度，單位:℃；風(fēng)羽為2 min平均風(fēng)；細(xì)黑色虛線為散度，單位:10-5 s-1；粗黑色虛線為地面輻合線；A～F：輻合中心)

5.2 冷池強(qiáng)度

以往研究表明，下沉氣流對雷暴大風(fēng)的形成至關(guān)重要，風(fēng)暴內(nèi)強(qiáng)下沉氣流到達(dá)地面形成強(qiáng)冷池是造成致災(zāi)大風(fēng)的重要原因(Johns and Doswell Ⅲ,1992;俞小鼎等,2012;周后福等,2020)。“4·11”過程，16:00超級單體在增城附近產(chǎn)生了水平尺度近50 km的冷池(圖10a)，1 h降溫中心達(dá)到8℃以上，出現(xiàn)12級大風(fēng)的增城觀測站恰好處在負(fù)變溫中心東側(cè)；鉤狀回波附近氣溫降至21～23℃，其南側(cè)外圍環(huán)境溫度為28～30℃，兩者溫差達(dá)5～9℃，表明強(qiáng)的下沉氣流到達(dá)地面后造成空氣劇烈降溫形成非常強(qiáng)的冷池，是地面氣溫陡降和氣壓陡升(圖4a)的重要原因。對于超級單體龍卷，龍卷的產(chǎn)生是以低層中氣旋的形成為前提條件的，而低層中氣旋的生成與后側(cè)下沉氣流的作用有關(guān)，有利于龍卷生成的下沉氣流不能太強(qiáng)，下沉氣流到達(dá)地面后的冷出流與環(huán)境之間的溫差要適宜，通常小于4℃(俞小鼎等,2020;Schenkman et al,2014;鄭永光等,2020)?！?·13”過程(圖10b)，14:00冷池中心氣溫為23℃左右，1 h中心降溫約5℃，鉤狀回波位置距離冷池中心南側(cè)約20 km，其附近氣溫為27～29℃，周圍環(huán)境溫度約為28～32℃，兩者溫差為2～5℃，冷池強(qiáng)度明顯比“4·11”過程弱。

圖10 2019年4月(a，c)11日16:00和(b，d)13日14:00(a，b)2 m溫度(數(shù)字，單位:℃)、1 h變溫(填色)和(c，d)露點(diǎn)溫度(等值線，單位:℃)、相對濕度(填色)分布(紅色圓圈:鉤狀回波位置)

另外，研究表明，近地層較高的相對濕度使得風(fēng)暴下沉氣流到達(dá)地面的冷出流與環(huán)境暖濕氣流之間的溫差不會太大(鄭永光等,2020)。由“4·11”過程的地面自動(dòng)站相對濕度和露點(diǎn)溫度分布可見(圖10c)，16:00超級單體的鉤狀回波附近相對濕度約為75%～80%，露點(diǎn)溫度約為23℃，而“4·13”過程(圖10d)，14:00龍卷移動(dòng)路徑剛好處于雷州半島的相對濕度和露點(diǎn)溫度大值帶，相對濕度高達(dá)90%～95%，露點(diǎn)溫度大于27℃，地面幾乎飽和的大氣環(huán)境使得風(fēng)暴后側(cè)下沉氣流形成的冷池強(qiáng)度較為適宜，配合風(fēng)暴前部的暖濕上升氣流，使得近地面的水平順流渦度傾斜和拉伸形成垂直渦度，有利于龍卷的發(fā)生。

6 結(jié) 論

2019年4月11日和13日廣東分別發(fā)生了超級單體導(dǎo)致的強(qiáng)雷暴大風(fēng)和強(qiáng)龍卷天氣過程。通過對比分析兩次過程的環(huán)流背景、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、對流觸發(fā)和大風(fēng)形成機(jī)制等，主要結(jié)論如下：

(1)“4·11”過程發(fā)生在低空切變線和地面冷鋒過境的冷暖平流交匯導(dǎo)致斜壓鋒生的天氣形勢下，“4.13”過程無冷空氣影響，發(fā)生在偏南急流暖濕強(qiáng)迫類強(qiáng)對流天氣背景下。

(2)兩次過程都具備高能(CAPE>1 900 J·kg-1)、強(qiáng)0～6 km垂直風(fēng)切變等有利于超級單體發(fā)生的環(huán)境條件。但“4·11”過程更強(qiáng)的中層干層(700～400 hPa平均溫度露點(diǎn)差為29.2℃)、更大的環(huán)境低層溫度直減率和適宜的0℃層、-20℃層高度，利于產(chǎn)生強(qiáng)下沉氣流和地面強(qiáng)冷池，導(dǎo)致珠江三角洲大范圍強(qiáng)雷暴大風(fēng)和局地強(qiáng)冰雹；而“4·13”過程更強(qiáng)的0～1 km垂直風(fēng)切變條件有利于龍卷的發(fā)生。

(3)地面觀測表明，兩次強(qiáng)風(fēng)發(fā)生前后，都呈現(xiàn)出風(fēng)向突變、風(fēng)速突增和氣溫陡降的特征，但“4·11”過程，氣壓出現(xiàn)先躍升后驟降的“高壓鼻”特征，降水峰值比極大風(fēng)提前4 min出現(xiàn)；而“4·13”過程，龍卷過境前后氣壓出現(xiàn)先陡降后陡升的“漏斗”特征，風(fēng)向出現(xiàn)氣旋性轉(zhuǎn)變，降水峰值比極大風(fēng)滯后9 min出現(xiàn)。

(4)兩次超級單體都具有明顯的低層鉤狀回波特征和中氣旋。但“4·11”過程強(qiáng)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)在超級單體風(fēng)暴核心位置，中氣旋垂直伸展較為淺薄(2 km 以下)，低層中氣旋較弱且尺度較大(直徑為6～7 km)，中氣旋垂直渦度較弱，整個(gè)過程中氣旋垂直渦度維持在10-2s-1量級；而“4·13”過程龍卷發(fā)生在鉤狀回波頂端，中氣旋更深厚、旋轉(zhuǎn)深度高達(dá)6 km，低層中氣旋更強(qiáng)且尺度更小(直徑最小僅為2 km)、并伴有TVS，中氣旋垂直渦度更強(qiáng)，龍卷觸地前后，中氣旋垂直渦度出現(xiàn)“爆發(fā)式”增長，從10-2s-1量級突增至10-1s-1量級，比“4·11”過程大一個(gè)量級。

(5)對流系統(tǒng)的地面觸發(fā)機(jī)制和大風(fēng)的形成機(jī)制不同。“4·11”過程，由加大的冷空氣北風(fēng)與環(huán)境偏南風(fēng)形成地面輻合線觸發(fā)雷暴、并與溫度露點(diǎn)鋒相遇加強(qiáng)輻合抬升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致雷暴加強(qiáng)形成超級單體風(fēng)暴；強(qiáng)下沉氣流和強(qiáng)冷池(冷池與環(huán)境大氣溫差5～9℃)導(dǎo)致強(qiáng)雷暴大風(fēng)的發(fā)生。而“4·13”過程，地面熱力條件較好，地面風(fēng)場輻合抬升即可觸發(fā)雷暴，風(fēng)暴出流邊界與地面輻合線相遇加強(qiáng)了輻合抬升，雷暴強(qiáng)烈發(fā)展形成龍卷母體風(fēng)暴；地面暖濕的飽和大氣和適宜的弱冷池(冷池與環(huán)境大氣溫差2～5℃)環(huán)境有利于龍卷的發(fā)生。