“2022-3-16”一次超級單體冰雹回波特征分析

劉懿樞，馬中元，余劍浩，彭 莎，桂園園，張 萍

(1.江西省氣象科學研究所，南昌 330046；2.鷹潭市氣象局，鷹潭 335001)

0 引言

超級單體風暴(The super cellstorm)的特征是可以相對比較穩(wěn)定地維持幾小時以上，經(jīng)常在春季和夏季出現(xiàn)；超級單體回波經(jīng)常伴隨冰雹、雷暴大風、短時強降水、強雷電等強天氣，常造成不同程度的災害。

很多學者對冰雹、雷暴大風、下?lián)舯┝鞯忍鞖猬F(xiàn)象進行了大量研究和分析，得到研究成果。例如：1963年，Browning[1，2]等首先提出了超級單體雷達回波結構，超級單體風暴分為3類，即經(jīng)典超級單體風暴、強降水超級單體和弱降水超級單體[3-5]。超級單體回波是產(chǎn)生冰雹的主要回波類型；雷暴大風的主要雷達回波特征有弓形回波、陣風鋒和徑向速度大值區(qū)，出現(xiàn)其中1個或多個特征均可發(fā)布雷暴大風預警；在中低層相對干的環(huán)境下多個對流單體的冷下沉形成冷池，強風由對流單體下沉輻散氣流疊加在冷池密度流上造成；反射率因子核心的逐漸降低并伴隨云底以上的速度輻合的多普勒雷達回波特征，可以用來提前數(shù)分鐘預警下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生[6-8]。江西省有很多從事冰雹、雷暴大風天氣研究的氣象專家，提出江西8種強對流天氣形勢與云型特征，江西3類致災大風天氣活動特征，在颮線前暖區(qū)中產(chǎn)生冰雹的對流風暴回波特征主要是超級單體[9-11]等。尤其是在江西副熱帶高壓邊緣的天氣形勢背景下，江西省易發(fā)生強天氣[12-16]。這些研究成果為文章研究提供了參考依據(jù)。

文章使用MICAPS常規(guī)天氣圖、地面自動氣象站數(shù)據(jù)、FY4A云圖、雷電數(shù)據(jù)、雷達回波數(shù)據(jù)等資料，對2022-03-16的1次超級單體風暴特征進行分析，以期為超級單體回波類型產(chǎn)生強天氣的預報預警提供分析依據(jù)。

1 資料來源和天氣實況

1.1 資料來源

常規(guī)天氣圖資料來源于MICAPS平臺、地面自動氣象站數(shù)據(jù)來源于江西省自動氣象站數(shù)據(jù)檢索平臺、FY4A云圖來源于MICAPS平臺、雷電數(shù)據(jù)來源于CIMISS數(shù)據(jù)庫、雷達回波數(shù)據(jù)來源于江西雷達拼圖和武漢SA雷達PUP產(chǎn)品反演數(shù)據(jù)。文中涉及的地圖邊界均是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2017)3320號的標準地圖制作。全文使用北京時間。

1.2 天氣實況

2022-03-16T16:00 FY4A衛(wèi)星云圖(圖1a)，存在A，B，C 3個中尺度對流復合體MCC云系，其中B云系南側與C云系北邊界上，出現(xiàn)尺度較小且較強的云系，云頂亮溫達到-70 ℃左右。這個尺度較小的云系，在雷達拼圖上對應著超級單體風暴回波。相比B云系中其他地方，超級單體風暴云系所產(chǎn)生的雷電以正閃居多(圖1b)，這可能是超級單體發(fā)展初期云頂高度偏低的緣故。17:00—18:00，超級單體風暴迅速發(fā)展壯大，地面出現(xiàn) ≥30 mm/h 強降水和≥17 m/s 雷暴大風天氣(圖1c，圖1d)，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)村伴有冰雹天氣。

2 天氣形勢

2022-03-16T08:00，200 hPa天氣圖上，南昌上空偏西風達到68 m/s，存在明顯分流區(qū)(圖2a)；500 hPa天氣圖上，從陜北南部至云南西南部存在1個徑向大槽，江西北部至安徽地區(qū)處槽前偏西氣流不穩(wěn)定區(qū)(圖2b)；850 hPa天氣圖上，四川中部有低渦，安徽至江西北部一帶受低渦切變線影響，同時，低渦南部伴隨≥12 m/s西南急流，為此次過程提供了良好的動力抬升和水汽條件(圖2c)；地面圖上，江西北部處地面低壓倒槽中，風速較弱，風向較亂。

由此可知，在高空強分流輻散抽吸作用下，配合中低層的輻合抬升運動，導致動力不穩(wěn)定，且各層影響系統(tǒng)均在江西北部至安徽中部一帶，鋒面坡度陡直，上升運動進一步加強，有利于超級單體風暴的發(fā)生發(fā)展。

圖1 2022-03-16天氣實況圖

圖2 2022-03-16T08:00天氣形勢圖

3 雷達回波特征

3.1 雷達拼圖產(chǎn)品

2022-03-16T16:30，雷達拼圖組合反射率CR(圖3a)，江西北部中尺度對流回波系統(tǒng)以35 km/h沿500～700 hPa風向，向東北方向移動，其云砧形成的“前伸”回波沿高空100～200 hPa西風，向偏東方向移動。中尺度對流回波系統(tǒng)南端，發(fā)展成1條強回波短帶，超級單體出現(xiàn)在短帶的最南端，回波強度達65～70 dBZ，同時刻1.5°仰角上，回波強度偏弱，<60 dBZ左右，表明超級單體強回波主要集中在R1.5上層。在江西中部崇仁附近，也有較強對流回波出現(xiàn)，回波強度可達60 dBZ，但與黃石超級單體相比，其回波強度、回波面積都較小，沒有強天氣出現(xiàn)。

從強對流天氣發(fā)展高度來看，黃石冰雹強對流回波系統(tǒng)的南部強回波中心頂高ET在13～14 km，其北部回波頂高ET在14～15 km(圖3b)，都超過-20 ℃溫度層的高度，具備產(chǎn)生冰雹的條件，但回波頂高和強回波位置有所傾斜和偏差。

圖3 2022-03-16T16:30 雷達拼圖產(chǎn)品回波特征圖

垂直積分液態(tài)水含量VIL(圖3c)，中尺度對流回波VIL≤12 kg/m2，其超級單體風暴VIL≥40 kg/m2(這個值有所偏差，同時武漢雷達觀測到VIL≥60 kg/m2)，VIL≥40 kg/m2是出現(xiàn)冰雹天氣的顯著特征值[17]。江西崇仁附近的強單體回波VIL≤25 kg/m2，雖然回波強度達到60 dBZ，但強回波面積和VIL偏小，因此沒有發(fā)生強天氣。

在強回波識別顯示圖中，自動識別出超級單體風暴60 dBZ強回波面積 ≥100 km2，強回波中心最大強度達70 dBZ。而崇仁附近對流單體60 dBZ強回波面積較小，沒有識別出強天氣(圖3d)。

綜上可知，超級單體風暴具有65～70 dBZ強中心、60 dBZ強回波面積≥100 km2、VIL≥40 kg/m2、回波頂高 ET達13～14 km等特征。這些特征達到強天氣發(fā)生的標準，是出現(xiàn)冰雹、雷暴大風、短時強降水和強雷電等天氣的典型特征。

3.2 雷達PUP產(chǎn)品

2022-03-16T16:30武漢雷達PUP產(chǎn)品，超級單體風暴位于雷達東側70 km處，強回波中心CR達65～70 dBZ，且出現(xiàn)70 dBZ強回波核(圖4a)；60 dBZ強回波面積≥100 km2；超級單體北側回波稍弱(60～65 dBZ)，兩回波組成西北—東南走向的回波短帶。

沿短帶回波走向作反射率因子垂直剖面RCS(圖4d)，回波頂具有明顯的傾斜結構，65 dBZ強回波出現(xiàn)在 4～7 km高度，懸垂特征顯著。高懸強回波底下出現(xiàn)弱回波區(qū)，符合超級單體風暴結構特征。

徑向速度R1.5圖上(圖4b)，超級單體所對應的地方出現(xiàn)了輻合型正負速度對，具有明顯的中氣旋結構，其旋轉速度在14.5 m/s；強回波短帶60 dBZ區(qū)域被 ≥27 m/s的正速度覆蓋。在徑向速度垂直剖面VCS圖上，存在明顯的中氣旋結構(圖4e)。

超級單體風暴垂直積分液態(tài)水含量VIL在50～60 kg/m2，達到江西冰雹天氣VIL閾值，雷達PUP產(chǎn)品上VIL要比雷達拼圖上VIL更強更明顯(圖4c)。

由此可見，超級單體風暴中心強度達到65～70 dBZ，60 dBZ強回波面積≥100 km2，回波頂高 13～14 km，具有懸掛、穹窿、中氣旋等超級單體回波特征。

圖4 2022-03-16T16:30 武漢SA雷達PUP產(chǎn)品回波特征圖(a)組合反射率CR；(b)徑向速度R1.5；(c)垂直積分液態(tài)水含量VIL；(d)反射率因子垂直剖面RVS；(e)徑向速度垂直剖面VCS

4 結束語

文章使用MICAPS常規(guī)天氣圖、地面自動氣象站數(shù)據(jù)、FY4A云圖、雷電數(shù)據(jù)、雷達回波數(shù)據(jù)等資料，對2022-03-16的1次超級單體風暴的特征進行分析，得到結論：超級單體回波的類型包括經(jīng)典超級單體風暴、強降水超級單體、弱降水超級單體，對應著江西3種回波類型：超級單體、弱超級單體和強單體回波；就回波系統(tǒng)中徑向速度而言，超級單體中氣旋結構明顯，弱超級單體有時不明顯，強單體回波基本不具備中氣旋結構。