兩個超級單體導(dǎo)致的冀豫交界區(qū)極端下?lián)舯┝黝A(yù)警分析

王一童，王秀明，俞小鼎

(1.中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081)

引言

雷暴大風(fēng)是由對流導(dǎo)致的直線型大風(fēng)，常會造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。雷暴大風(fēng)可粗略地分為下?lián)舯┝髦苯訉?dǎo)致的大風(fēng)或由下沉氣流冷池前沿陣風(fēng)鋒導(dǎo)致的大風(fēng)，有時兩者也未必能完全區(qū)分。下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)是其中的一種，定義為雷暴內(nèi)強烈下沉氣流導(dǎo)致的輻散大風(fēng)(Fujita,1981)。由于受環(huán)境和風(fēng)暴移動的影響，下?lián)舯┝魍欠菍ΨQ的，在實況和雷達回波上并不一定能觀測到對稱的輻散速度對，參考Smith等(2004)的界定，下?lián)舯┝鳛槔妆﹥?nèi)強烈下沉氣流導(dǎo)致的水平輻散尺度在10 km以下的小范圍雷暴大風(fēng)，當?shù)孛嫠矔r風(fēng)速超過25 m·s-1時，才界定為致災(zāi)下?lián)舯┝鳌Ｏ聯(lián)舯┝鞯陌l(fā)生具有局地性和瞬時性(Sriv?astava,1987)，其不僅監(jiān)測難度大，且預(yù)警也面臨極大挑戰(zhàn)。在產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的風(fēng)暴類型中，超級單體相比其他類型的風(fēng)暴更易產(chǎn)生具有極端性的雷暴大風(fēng)(Moller et al.,1994)，尤其是強降水超級單體，甚至可產(chǎn)生風(fēng)速超過50 m·s-1的雷暴大風(fēng)(Fujita,1981；Brooks and Doswell，1993)。對于此類強對流天氣，當前應(yīng)用多普勒天氣雷達對其開展臨近預(yù)報仍是一種主要手段。隨著我國多普勒天氣雷達業(yè)務(wù)布網(wǎng)日趨完善，強對流天氣臨近預(yù)報水平有了顯著改善(俞小鼎等，2012)。前人大量研究揭示了預(yù)警雷暴大風(fēng)的重要雷達回波特征。Roberts和Wilson(1989)對弱垂直風(fēng)切變下產(chǎn)生微下?lián)舯┝鲉误w的雷達回波特征的研究表明，反射率因子核下降、云底以上中層徑向輻合(Mid Alti?tude Radial Convergence，MARC)增強、中氣旋以及回波缺口是微下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)的重要先兆特征。國家氣象中心2012年修訂的《中尺度天氣分析業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)范》中提出，超過45 dBz的反射率因子核、強反射率因子核下降、垂直累積液態(tài)水含量(Vertically Integrated Liq?uid Water content,VIL)減小、低層輻散和中層徑向輻合特征均可作為預(yù)警中尺度對流系統(tǒng)(Mesoscale Convec?tive System,MCS)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的參考(藍渝等，2013)。另外，風(fēng)暴的快速移動也與雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生有關(guān)。楊璐等(2018)指出，風(fēng)暴移速達到13 m·s-1以上時出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的概率更大；鄭永光等(2018)認為，若風(fēng)暴移速超過19 m·s-1，產(chǎn)生10級地面大風(fēng)的概率較大。

國內(nèi)外也有學(xué)者從雷達回波特征的角度對產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的超級單體進行了分析(Nielsen-Gammon and Read,1995；Schmid et al.,1997；Lemon，1998；Kli?mowski et al.,2003；葉成志等，2013；鄭艷等，2017；楊曉亮等，2020)。其主要包括:大風(fēng)出現(xiàn)前，中氣旋變得深厚并向下擴展，中層徑向輻合深厚，強上升氣流和下沉氣流分離(Lemon,1998)。大風(fēng)臨近時，風(fēng)暴VIL達到峰值(Doswell，1994)；中氣旋強度、中氣旋底高以及反射率因子核出現(xiàn)下降(Wolfson et al.，1994；李夢婕，2013；程月星等，2018)。超級單體強雷暴大風(fēng)往往產(chǎn)生于風(fēng)暴坍塌消散階段(Doswell,1994)，此階段上升氣流變?nèi)?，回波懸垂下降，弱回波區(qū)(Weak Echo Re?gion，WER)或有界弱回波區(qū)(Bounded Weak Echo Re?gion，BWER)被填塞，即該區(qū)域中反射率因子增大。王秀明等(2012)利用雷達和地面觀測資料了分析河南一次與超級單體風(fēng)暴相關(guān)的雷暴大風(fēng)事件，指出當超級單體的下沉出流合并時，地面大風(fēng)強度會顯著增強。翟麗萍等(2019)分析廣西臨桂一次超級單體極端雷暴大風(fēng)事件(瞬時風(fēng)速達60.3 m·s-1)指出，大風(fēng)出現(xiàn)前中層徑向輻合高度表現(xiàn)為逐漸降低趨勢。王一童等(2022)統(tǒng)計了中國產(chǎn)生25 m·s-1以上致災(zāi)下?lián)舯┝鞯某墕误w的雷達回波特征，得到了此類超級單體的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征和與大風(fēng)相關(guān)的回波特征的量化分布。上述研究和總結(jié)為雷達產(chǎn)品在雷暴大風(fēng)監(jiān)測預(yù)警服務(wù)中的應(yīng)用提供了重要參考。

2021年7月31日16—22時(北京時，下同)，河北南部到河南北部(以下簡稱冀豫交界區(qū))出現(xiàn)強對流天氣過程，其17 m·s-1以上大風(fēng)記錄范圍的最大直徑不超過150 km，大風(fēng)影響范圍不大，風(fēng)速極值點分散，下?lián)舯┝魈卣髅黠@，多數(shù)站點出現(xiàn)風(fēng)速不低于30 m·s-1的下?lián)舯┝?。參考馬淑萍等(2019)的極端雷暴大風(fēng)定義，本文將瞬時風(fēng)速不低于30 m·s-1的下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)界定為極端下?lián)舯┝?。為探討雷達回波特征對超級單體下?lián)舯┝黝A(yù)警的可用性與時效性，基于王一童等(2022)得到的56次超級單體致災(zāi)下?lián)舯┝骼走_回波特征統(tǒng)計結(jié)果，以及本文對其進一步統(tǒng)計得到的超級單體產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞯念A(yù)警指標，利用常規(guī)探測資料、自動站觀測資料以及距離上述下?lián)舯┝靼l(fā)生地最近的邯鄲SA型和濮陽SB型多普勒天氣雷達資料，對冀豫交界區(qū)兩個超級單體產(chǎn)生的極端下?lián)舯┝鬟M行了分析，期望加深對此類強天氣的認識，并提升其預(yù)警能力。

1 大風(fēng)實況及其環(huán)境條件分析

1.1 風(fēng)暴演變與雷暴大風(fēng)實況

2021年7月31日16—22時冀豫交界區(qū)強對流天氣過程中，共有100個氣象觀測站記錄到了風(fēng)速不低于25 m·s-1的地面大風(fēng)，風(fēng)速不低于30 m·s-1的測站有36個，其中30站次由冀豫交界區(qū)的超級單體產(chǎn)生，表現(xiàn)為極端下?lián)舯┝?。除大風(fēng)記錄外，河北境內(nèi)有3站記錄到冰雹，最強記錄出現(xiàn)在磁縣，冰雹直徑1 cm，但根據(jù)雷達圖上反映出的超過65 dBz的反射率因子、典型的BWER以及超過90 m·s-1風(fēng)暴頂輻散的結(jié)構(gòu)判斷，不排除出現(xiàn)更大直徑冰雹的可能。7月31日當天，河北東南部到山東北部還出現(xiàn)了由尺度較大的弓形回波造成的大范圍雷暴大風(fēng)，32個測站記錄到不低于25 m·s-1的地面大風(fēng)，不低于30 m·s-1的大風(fēng)只出現(xiàn)4站次。本文僅討論冀豫交界區(qū)超級單體產(chǎn)生的極端下?lián)舯┝鳌?/p>

31日下午至夜間，冀豫交界區(qū)有多個單體生成，14—22時共識別出5個超級單體，其中分別影響河北南部(以下簡稱邯鄲超級單體)和河南北部(以下簡稱濮陽超級單體)的兩個超級單體生命史更長。圖1a為上述兩超級單體的移動路徑和地面25 m·s-1以上致災(zāi)下?lián)舯┝饔涗洠梢娤聯(lián)舯┝魈貏e是極端下?lián)舯┝骷邪l(fā)生在這兩個超級單體附近。因此，本文主要圍繞上述兩個超級單體展開。由于極端下?lián)舯┝鞯闹聻?zāi)性強、預(yù)警難度大，本文重點針對上述兩個超級單體生命史期間挑選出來的5次極端下?lián)舯┝魇录归_分析，其選擇標準是每一階段實況首次記錄到30 m·s-1或40 m·s-1以上極端下?lián)舯┝饕约帮L(fēng)暴強盛時的最強下?lián)舯┝?，其實況信息見圖1b。

圖1 2021年7月31日16—22時冀豫交界區(qū)25 m·s-1以上雷暴大風(fēng)實況和風(fēng)暴路徑(a)及5次極端下?lián)舯┝鲗崨r(b)圖a中，藍色和紅色折線分別代表邯鄲超級單體和濮陽超級單體移動路徑；不同彩色圓點分別代表16—22時逐小時地面極大風(fēng)記錄；紅色實心三角標注邯鄲和濮陽雷達位置；左右黃色弧線區(qū)分別為邯鄲、濮陽兩部雷達150 km探測范圍Fig.1(a)Thunderstorm gale above 25 m·s-1and storm track and(b)the five extreme downbursts observed in the border area between Hebei and HenanProvinces from16 BT to 22 BT 31 July 2021.In(a),blue and red broken lines mark moving tracks of the two supercell storms in Handan and Puyang,respectively;different colored dots denote the hourly maximum wind records from16 BT to 22 BT,respectively;red triangles mark the positions of Handan and Puyang radars,and left and right yellow arc areas are the 150 km detection range of the two radars,respectively.

表1 2021年7月31日冀豫交界區(qū)兩個超級單體產(chǎn)生的5次極端下?lián)舯┝鞯膶崨rTable 1 Observation of five extreme downburst events induced by two supercell storms in the border area between Hebei and Henan on 31 July 2021.

邯鄲超級單體階段主要影響邯鄲地區(qū)，影響時段為7月31日16—18時，先后帶來3次極端下?lián)舯┝?。?月31日15—19時不同時刻邯鄲雷達1.5°仰角反射率因子圖上可見(圖2)，14時24分邢臺西北側(cè)有一孤立單體A新生并向東南方向移動發(fā)展(圖2a)，15時36分單體A移動方向的右后方有一單體(B)新生(圖2b)，兩單體于15時54分在邢臺附近演變?yōu)閮蓚€超級單體(圖2c)，即邯鄲超級單體的前身。隨后超級單體B逐漸發(fā)展加強，16時19分在沙河西北部首次記錄到30 m·s-1以上極端下?lián)舯┝?以下簡稱沙河極端下?lián)舯┝?。16時36分超級單體A減弱后并入B，形成邯鄲超級單體(即超級單體C)，超級單體A與B的合并使得風(fēng)暴達到最強盛階段(圖2d)。合并后的風(fēng)暴C繼續(xù)向東南方向移動，對應(yīng)16時52分武安東北部再次出現(xiàn)瞬時風(fēng)速為33.2 m·s-1的極端下?lián)舯┝?以下簡稱武安極端下?lián)舯┝?。17時36分，回波強度明顯減弱(圖2e)，17時38分河北峰峰站記錄到由該超級單體產(chǎn)生的37.4 m·s-1極端下?lián)舯┝?以下簡稱峰峰極端下?lián)舯┝?，為邯鄲超級單體階段的最強風(fēng)。18時12分，55 dBz以上回波近乎消失(圖2f)，隨后風(fēng)暴消亡，邯鄲超級單體大風(fēng)階段結(jié)束。

圖2 2021年7月31日14時24分(a)、15時36分(b)、15時54分(c)、16時36分(d)、17時36分(e)和18時12分(f)邯鄲雷達1.5°仰角反射率因子(A、B、C代表不同的風(fēng)暴，其中C為邯鄲超級單體；白色圓圈表示中氣旋，下同)Fig.2 Basic reflectivity factor(unit:dBz)at 1.5°elevation angle from Handan radar at(a)14:24 BT,(b)15:36 BT,(c)15:54 BT,(d)16:36 BT,(e)17:36 BT and(f)18:12 BT on 31 July 2021.Symbols A,B and C denote different storms in which C is Handan supercell storm.White circles denote mesocyclones,the same hereafter.

濮陽超級單體階段主要影響河南濮陽地區(qū)，影響時段為7月31日19—22時，先后帶來2次瞬時風(fēng)速在40 m·s-1以上的極端下?lián)舯┝?。?月31日19—22時不同時刻邯鄲雷達1.5°仰角反射率因子圖上看到(圖3)，19時36分磁縣附近有多個單體發(fā)展合并形成中尺度對流系統(tǒng)(圖3a中風(fēng)暴D)，并向南推進。20時06分多單體南側(cè)湯陰附近出現(xiàn)一鑲嵌在中尺度對流系統(tǒng)中的超級單體(圖3b中風(fēng)暴E)，即濮陽超級單體。20時36分左右該超級單體風(fēng)暴發(fā)展到最強盛階段，位于中尺度對流系統(tǒng)回波最強處，在超級單體影響下中尺度對流系統(tǒng)最強部分反射率因子呈“S”型(圖3c)，1 min后在鶴壁市姬屯站記錄到風(fēng)速達43.6 m·s-1的極端下?lián)舯┝?以下簡稱姬屯極端下?lián)舯┝?。20時48分后，中尺度對流系統(tǒng)內(nèi)有其他強單體在濮陽超級單體西側(cè)發(fā)展，濮陽超級單體風(fēng)暴強度呈減弱趨勢，但21時04分滑縣站西部記錄到了46.7 m·s-1當日最極端下?lián)舯┝?以下簡稱滑縣極端下?lián)舯┝?，隨后強回波面積減小(圖3d)，風(fēng)暴逐漸消亡。由于河南北部多個單體風(fēng)暴產(chǎn)生了較強的雷暴高壓，風(fēng)速在25 m·s-1以上的雷暴大風(fēng)持續(xù)到22時，甚至影響到了河南封丘以南地區(qū)。

圖3 2021年7月31日19時36分(a)、20時06分(b)、20時36分(c)、21時06分(d)邯鄲雷達1.5°仰角反射率因子(D表示中尺度對流系統(tǒng)，E表示濮陽超級單體；黑色和藍色五角星分別表示姬屯極端下?lián)舯┝骱突h極端下?lián)舯┝鞯奈恢?Fig.3 Basic reflectivity factor(unit:dBz)at 1.5°elevation angle from Handan radar at(a)19∶36 BT,(b)20∶06 BT,(c)20∶36 BT and(d)21∶06 BT on 31 July 2021.Symbols D denote mesoscale convection systems,and E denote Puyang supercell storms.Black and blue pentagrams mark downbursts at Jitun and Huaxian,respectively.

1.2 環(huán)境條件分析

2021年7月31日08時華北地區(qū)處于高空槽后西北氣流中，08—20時有冷空氣補充南下，20時河北西部、山西東北部出現(xiàn)明顯的12 h變高，負變高區(qū)伸展至河北西南部(圖4中淺藍色陰影)，該區(qū)域500 hPa為冷槽區(qū)，同時500 hPa西北氣流有所增強，其中河北南部至河南北部最顯著(圖4中藍色粗箭頭)，使得邢臺0—6 km風(fēng)垂直切變顯著增大，由9 m·s-1增至21 m·s-1。低層山西、河北受暖低壓影響，暖脊從山西—河北南部伸至河北東北部。在上述上冷下暖環(huán)境下，河北中南部出現(xiàn)異常大的環(huán)境溫度垂直遞減率，850—500 hPa溫差在34℃以上(圖4中橘色陰影)，最大達38℃。實際上，當日08時河北邢臺站850—550 hPa間近乎為干絕熱遞減率，20時中層補充冷空氣和低層增暖使得大氣不穩(wěn)定進一步加劇。河北低層水汽含量充沛，08—20時925 hPa濕舌顯著北伸且露點溫度增幅較大，在4℃左右，17時河北中南部地面露點溫度普遍在28℃以上，個別站點甚至記錄到了31℃的罕見高露點溫度。大的環(huán)境溫度垂直遞減率疊加在低層暖濕舌上，使得大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，08時邢臺站對流有效位 能(Convective Available Potential Energy，CAPE)為1 146 J·kg-1，20時鄭州站CAPE達4 708 J·kg-1(圖5)。20時，不穩(wěn)定大氣層結(jié)和強的深層風(fēng)垂直切變的存在有利于超級單體的產(chǎn)生。由此時鄭州探空圖(圖5b)看到，溫濕廓線上干層顯著，700—400 hPa平均溫度露點差為19℃，中層最大溫度露點差為41℃，濕層相對淺薄，925 hPa以上溫度露點差均在10℃以上，整層偏干，加之異常大的環(huán)境溫度垂直遞減率，這樣的環(huán)境條件非常有利于產(chǎn)生強下沉氣流和雷暴高壓，因此發(fā)生下?lián)舯┝鞯母怕蕵O高。

圖4 2021年7月31日20時天氣系統(tǒng)綜合配置圖Fig.4 Comprehensive analysis diagram of synoptic systems at 20∶00 BT on 31 July 2021.

圖5 2021年7月31日08時邢臺(a)與20時鄭州(b)探空站T-logp圖Fig.5 T-logp chart at(a)Xingtai sounding station at 08∶00 BT and(b)Zhengzhou sounding station at 20∶00 BT on 31 July 2021.

2 雷達回波特征識別與預(yù)警指標

2.1 回波特征識別

以上分析表明，環(huán)境條件有利于此次超級單體和下?lián)舯┝鞯漠a(chǎn)生。較精確的下?lián)舯┝髋R近預(yù)警需要依靠從多普勒天氣雷達產(chǎn)品中判識出大風(fēng)的先兆信號，因此下文將對上述兩個階段超級單體雷達回波特征識別情況進行分析。

(1)邯鄲超級單體影響階段。此階段記錄的地面大風(fēng)為偏北風(fēng)和東北風(fēng)，但大風(fēng)發(fā)生地分別位于邯鄲雷達的西北和西南側(cè)，使得實測風(fēng)與雷達徑向交角不大(圖1)，直到17時，僅通過邯鄲雷達回波特征就可清晰地識別出超級單體。17時后，邯鄲超級單體風(fēng)暴與邯鄲雷達的距離不足50 km，無法探測到風(fēng)暴中高層特征，因此17時后選擇濮陽雷達進行回波特征識別。邯鄲超級單體為孤立的超級單體，7月31日16時06分，距離沙河極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)還有13 min，結(jié)合圖6a、c可判識出BWER，3.3°—9.9°仰角圖上均可判識出中氣旋(圖6b、d)。16時36分，距離武安極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)還有16 min，除強反射率因子和中氣旋外，低層可看到明顯的鉤狀回波(圖2d)，由于BWER的存在，反射率因子出現(xiàn)了典型的“空洞”(圖6g中藍色圓圈)。MARC和后側(cè)入流急流(Rear Inflow Jet,RIJ)在超級單體中雖然范圍偏小，但該風(fēng)暴移動方向與雷達徑向近乎一致，使得這些特征能夠清晰辨認。由于MARC和中氣旋并存且強度顯著，圖6f中清晰地呈現(xiàn)出兩者相結(jié)合的輻合式氣旋形態(tài)。隨后，邯鄲超級單體中上升氣流略有減弱，BWER的“空洞”逐漸填塞，中氣旋、MARC和WER特征在強度上也隨之減弱且在邯鄲雷達圖上不再典型，峰峰極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)在這一階段。但17時后濮陽雷達產(chǎn)品呈現(xiàn)的上述徑向速度特征相對邯鄲雷達產(chǎn)品更易于判識且持續(xù)存在(圖7，此時距離峰峰極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)還有26 min)，上述特征直到峰峰極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)后仍可清晰從圖中判識(圖略)。

圖6 2021年7月31日16時06分邯鄲雷達3.3°(a,b)、9.9°(c,d)仰角反射率因子(a,c)和徑向速度圖(b,d)，以及16時36分該雷達4.3°(e,f)、9.9°(g,h)仰角反射率因子(e,g)和徑向速度圖(f,h)藍色圓圈表示BWER，下同；黑色五角星代表武安極端下?lián)舯┝魑恢?，黑色圓圈表示輻合式氣旋，下同；黑色箭頭表示風(fēng)暴移動方向，下同F(xiàn)ig.6(a,c)Basic reflectivity factor(unit:dBz)and(b,d)radial velocities(unit:m·s-1)at(a,b)3.3°and(c,d)9.9°elevation angles at 16:06 BT,and(e,g)basic reflectivity factor(unit:dBz)and(f,h)radial velocities(unit:m·s-1)at(e,f)4.3°and(g,h)9.9°elevation angles at 16:06 BTon 31 July 2021 from Handan radar.Blue circles denote BWER,black pentagram marks Wu'an extreme downbust,black circle denotes converging cyclone,and black arrow denotes the direction of storm movement.The same hereafter.

圖7 2021年7月31日17時12分濮陽雷達1.5°(a,b)、3.3°(c,d)仰角反射率因子(a,c)和徑向速度圖(b,d)Fig.7(a,c)Basic reflectivity factor(unit:dBz)and(b,d)radial velocities(unit:m·s-1)at(a,b)1.5°and(c,d)3.3°elevation angles from Puyang radar at 17∶12 BT on 31 July 2021.

(2)濮陽超級單體影響階段。濮陽超級單體鑲嵌在中尺度對流系統(tǒng)中，此階段記錄的地面大風(fēng)均為偏北風(fēng)，中層環(huán)境風(fēng)也為偏北風(fēng)，風(fēng)暴位于濮陽雷達正西方(圖1)，雷達徑向與實測風(fēng)垂直，難以探測到低仰角偏北大風(fēng)區(qū)，但可探測到對流層中層風(fēng)暴內(nèi)的中氣旋，因此通過濮陽雷達主要是識別中氣旋；邯鄲雷達位于大風(fēng)發(fā)生地北側(cè)(圖1)，雷達徑向與地面風(fēng)向交角小(圖8)，通過該雷達主要是識別MARC、低仰角徑向速度大值區(qū)等特征，因此這一階段大風(fēng)特征需要結(jié)合邯鄲和濮陽兩部雷達綜合判識。20時12分，距離姬屯極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)還有25 min，雷達回波形態(tài)并不典型，反射率因子圖上回波結(jié)構(gòu)松散(圖8左列)，邯鄲和濮陽兩部雷達均能識別出中氣旋，但正負速度對中心不明顯。相比于濮陽雷達，低仰角徑向速度大值區(qū)在邯鄲雷達圖上范圍更大，也更易于判識(圖8b、d)，MARC在邯鄲雷達回波圖上都清晰可見(圖8f)。20時36分，距離姬屯極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)還有1 min，邯鄲雷達圖上MARC特征仍存在，但速度大值中心的距離增大(圖9b)，低層有顯著的低仰角徑向速度大值區(qū)，從濮陽雷達圖上能識別出中氣旋清晰且深厚，并有WER與之對應(yīng)，低仰角圖上還伴有輻合式氣旋(圖9c、d)。由于風(fēng)暴入流位置與和風(fēng)暴移動方向交角較大，對“風(fēng)暴后側(cè)”方位的判識較為困難，RIJ特征在兩部雷達圖上都不易識別。需要指出的是，圖9中給出的有關(guān)雷達回波顯著特征幾乎與姬屯極端下?lián)舯┝魍瑫r出現(xiàn)，據(jù)此提前判識此次極端下?lián)舯┝麟y度較大。20時54分，距離滑縣極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)還有10 min，中氣旋特征減弱而變得不再典型，但與下?lián)舯┝飨嚓P(guān)性較高的MARC和低仰角徑向速度大值區(qū)始終能清晰判識(圖略)。

圖8 2021年7月31日20時12分邯鄲(a,b,e,f)、濮陽(c,d,g,h)雷達0.5°(a—d)和6.0°(e—h)仰角反射率因子(a,c,e,g)和徑向速度(b,d,f,h)Fig.8(a,c,e,g)Basic reflectivity factor(unit:dBz)and(b,d,f,h)radial velocities(unit:m·s-1)at(a-d)0.5°and(e-h)6.0°elevation angles from(a,b,e,f)Handan and(c,d,g,h)Puyang radars at 20:12 BT on 31 July 2021.

圖9 2021年7月31日20時36分邯鄲(a,b)、濮陽(c,d)雷達2.4°仰角反射率因子(a,c)和徑向速度(b,d)產(chǎn)品(黑色五角星代表姬屯極端下?lián)舯┝魑恢?Fig.9(a,c)Basic reflectivity factor(unit:dBz)and(b,d)radial velocities(unit:m·s-1)at 2.4°elevation angle from(a,b)Handan and(c,d)Puyang radars at 20:36 BT on 31 July 2021.Black pentagram marks the extreme downburst at Jitun.

以上分析表明，對鑲嵌在中尺度對流系統(tǒng)中的濮陽超級單體風(fēng)暴的回波結(jié)構(gòu)特征的判識，遠比對孤立的經(jīng)典超級單體即邯鄲超級單體的判識要復(fù)雜。

2.2 超級單體致災(zāi)下?lián)舯┝鞯睦走_回波預(yù)警指標

基于中國東部平原地區(qū)31部S波段多普勒天氣雷達數(shù)據(jù)和實況記錄篩選出的2002—2020年56次由超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生的25 m·s-1以上致災(zāi)下?lián)舯┝魇录?王一童等，2022)，統(tǒng)計了19個與大風(fēng)相關(guān)的回波特征占比，結(jié)合王一童等(2022)得到的特征量化情況給出有利于產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞯某墕误w回波特征預(yù)警指標。結(jié)果表明，平均每次下?lián)舯┝靼l(fā)生前可識別出9個與大風(fēng)相關(guān)的雷達回波特征。圖10給出2002—2020年中國東部平原地區(qū)56次致災(zāi)下?lián)舯┝魇录信c大風(fēng)相關(guān)的19個雷達回波特征出現(xiàn)次數(shù)占比，從中看到，中層徑向輻合、反射率因子核下降以及反射率因子核增強3個特征出現(xiàn)次數(shù)占比最高，分別達到84%、77%和77%。其他大風(fēng)相關(guān)特征，如后側(cè)入流急流、低仰角徑向速度大值區(qū)等，在超級單體下?lián)舯┝魇录谐霈F(xiàn)次數(shù)占比均在50%以上，也能為下?lián)舯┝黝A(yù)警提供有價值的參考。

圖10 2002—2020年中國東部平原地區(qū)56次超級單體風(fēng)暴前各大風(fēng)預(yù)警雷達回波特征出現(xiàn)次數(shù)占比Fig.10 Percentage of the different radar echo characteristics associated with high wind in the different supercell storms before the 56 disastrous downbursts in the eastern plains of China from 2002 to 2020.

表2給出產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞯某墕误w回波特征預(yù)警指標，包括預(yù)警因子、對應(yīng)閾值及與下?lián)舯┝骰虻孛娲箫L(fēng)直接相關(guān)特征的提前量，其余特征如反射率因子核、中氣旋、VIL等是預(yù)警下?lián)舯┝鞯拈g接因子，因此暫未給出對應(yīng)預(yù)警提前量的統(tǒng)計。各因子預(yù)警閾值的設(shè)定綜合考慮了其特征的物理意義、占比以及數(shù)據(jù)分布。一般取雷達特征量化值的第25百分位值作為閾值，當樣本在第50百分位處數(shù)據(jù)密集時選取該百分位值作為閾值。提前量為滿足指標的特征提前于下?lián)舯┝饔涗洺霈F(xiàn)的時間。下文結(jié)合表2對2021年7月31日冀豫交界區(qū)出現(xiàn)的5次極端下?lián)舯┝魇录M行預(yù)警效果分析。

3 極端下?lián)舯┝魇录睦走_預(yù)警效果分析

根據(jù)圖10給出的19個與大風(fēng)相關(guān)的特征，進一步量化超級單體雷達回波特征。表3給出產(chǎn)生2021年7月31日冀豫交界區(qū)5次極端下?lián)舯┝鞯某墕误w風(fēng)暴的雷達回波特征及其提前量，從中看到，對5次下?lián)舯┝魇录膳凶R出的與大風(fēng)相關(guān)的雷達回波特征分別為8、15、12、12、12個，這與第2.2節(jié)中得到平均特征個數(shù)(9個)相當。下文以表2中歸納的預(yù)警指標以及王一童等(2022)統(tǒng)計得到的產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞯某墕误w回波特征平均值為參考，分析雷達回波特征對7月31日邯鄲超級單體和濮陽超級單體風(fēng)暴導(dǎo)致的極端下?lián)舯┝鞯念A(yù)警效果。

表2 產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞯某墕误w雷達預(yù)警因子及其閾值和提前量Table 2 Radar early warning factors and their thresholds and lead times of supercell storms trigging disastrous downbursts.

表3 產(chǎn)生2021年7月31日冀豫交界區(qū)5次極端下?lián)舯┝鞯某墕误w風(fēng)暴的雷達回波特征及其提前量Table 3 Radar echo characteristics and their lead times of supercell storms trigging 5 extreme downbursts in the border area between Hebei and Henan on 31 July 2021.

3.1 邯鄲超級單體極端下?lián)舯┝?/h3>

邯鄲超級單體屬于典型的高質(zhì)心孤立超級單體，表現(xiàn)為回波強且深厚，反射率因子核平均值為64 dBz，核心平均高度為2.8 km，60 dBz以上強回波平均底高1.4 km，平均頂高8.3 km，下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)前反射率因子核高度最大可達8.2 km，高于其對致災(zāi)下?lián)舯┝黝A(yù)警閾值(7 km)，且強回波底相對較低，因此可從單體類型上預(yù)警下?lián)舯┝鞯漠a(chǎn)生。

邯鄲超級單體中氣旋旋轉(zhuǎn)速度在3次極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)前均達到峰值(圖11a)，平均而言，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度為21 m·s-1。3次極端下?lián)舯┝靼l(fā)生前均出現(xiàn)了中氣旋核下降，平均下降高度為3.0 km，平均預(yù)警提前量為12 min。沙河(首次30 m·s-1極端下?lián)舯┝?和武安極端下?lián)舯┝鬟^程發(fā)生前，出現(xiàn)了反射率因子核下降和中氣旋底下降特征，具體而言，反射率因子核心高度平均每個體掃下降2.0 km，該特征的平均提前量為30 min；中氣旋底平均下降高度為2.8 km，高于產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞯某墕误w2.0 km的平均下降高度，該特征的平均提前量為18 min。武安極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)前，風(fēng)暴發(fā)展到最強盛階段，風(fēng)暴的MARC平均厚度為4.2 km，最大徑向速度差可達45 m·s-1(圖11a)，相比產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞯某墕误wMARC平均厚度(2.6 km)和最大徑向速度差(35 m·s-1)，該風(fēng)暴的MARC更加深厚和顯著，對極端下?lián)舯┝鞯念A(yù)警提前量為28 min；RIJ平均強度為30 m·s-1，大于25 m·s-1的RIJ預(yù)警閾值，對極端下?lián)舯┝鞯念A(yù)警提前量為16 min，結(jié)合探空圖所反映的環(huán)境條件，大氣中層干空氣將會被夾卷進入風(fēng)暴，有利于下沉氣流的啟動和增強；低仰角徑向速度大值區(qū)平均強度為21.6 m·s-1，低于其24 m·s-1的預(yù)警閾值，其原因是實況記錄為偏北風(fēng)，下?lián)舯┝靼l(fā)生在邯鄲雷達站西北偏西位置(圖1)，與雷達徑向存在一定交角，實際風(fēng)速投影至徑向上使得反映到徑向速度圖上的值偏低；VIL平均值為75 kg·m-2，一個體掃內(nèi)減小10 kg·m-2，滿足預(yù)警指標以及刁秀廣等(2009)給出的相關(guān)標準，對極端下?lián)舯┝鞯念A(yù)警提前量為16 min。峰峰極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)在風(fēng)暴特征并不典型的階段，但其出現(xiàn)前MARC特征仍可識別，有32 min的預(yù)警提前量，RIJ核心高度出現(xiàn)3.1 km的下降，對峰峰下?lián)舯┝鞯念A(yù)警提前量為20 min。

沙河和武安極端下?lián)舯┝魇录芯殡S有陣風(fēng)鋒，其平均移速為40.6 km·h-1，低于產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞒墕误w陣風(fēng)鋒移速57 km·h-1的平均值(王一童等，2022)；而其風(fēng)暴移速為42.2 km·h-1，低于Yu等(2012)給出的中國超級單體風(fēng)暴移速47.5 km·h-1的平均值。因此，利用移速類特征預(yù)警邯鄲超級單體極端下?lián)舯┝鞯男Ч酢?/p>

3.2 濮陽超級單體極端下?lián)舯┝?/h3>

濮陽超級單體質(zhì)心偏弱偏低，風(fēng)暴反射率因子核平均值為57 dBz，核心平均高度為3.4 km。下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)前反射率因子核高度最大值為4.9 km，顯著低于其對致災(zāi)下?lián)舯┝黝A(yù)警閾值(7 km)，因此由反射率因子幾乎不能提前預(yù)警該超級單體產(chǎn)生的極端下?lián)舯┝鳌?/p>

7月31日20時18—24分濮陽超級單體伴隨的中氣旋底高下降至1 km附近，由于底高低的中氣旋更容易產(chǎn)生雷暴大風(fēng)(Klemp and Rotunno，1983；Doswell，2007)，因此該特征對預(yù)警姬屯極端下?lián)舯┝骶哂幸欢ǖ膮⒖純r值。隨后，濮陽雷達徑向速度類特征量化值持續(xù)增強，逐漸滿足其對致災(zāi)下?lián)舯┝鞯念A(yù)警閾值，在姬屯極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)前，徑向速度特征增強至峰值，具體而言，中氣旋強且深厚，其旋轉(zhuǎn)速度持續(xù)上升至28 m·s-1，平均厚度為4.6 km；RIJ和MARC比極端下?lián)舯┝魈崆?5 min左右出現(xiàn)，其強度分別上升至31.5 m·s-1和55 m·s-1(圖11b)；24 m·s-1以上低仰角徑向速度大值區(qū)出現(xiàn)提前下?lián)舯┝?9 min，距地高度低于1 km，在極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)前達到46 m·s-1的峰值(圖11c)。該超級單體的移速為61.4 km·h-1，其大于產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞒墕误w55.6 km·h-1的平均移速，對極端下?lián)舯┝黝A(yù)警有一定的指示作用。

圖11 2021年7月31日15:30—18:00邯鄲超級單體中氣旋和MARC特征(a)以及20:06—21:18濮陽超級單體中氣旋和MARC特征(b)與低仰角徑向速度(RV)大值區(qū)高度與強度特征(c)的時間演變(垂直虛線為極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)時間)Fig.11 Temporal variation of(a)mesocyclone and MARC characteristics of Handan supercell storm from 15∶30 BT to 18∶00 BT,and(b)mesocyclone and MARC characteristics and(c)the height and intensity of large value area of radial velocity(RV)at low elevation for Puyang supercell storm from 20∶06 BT to 21∶18 BT on 31 July 2021.Vertical dotted lines correspond to the occurrence times of extreme downbursts.

滑縣極端下?lián)舯┝靼l(fā)生在濮陽超級單體風(fēng)暴強度趨于減弱階段，距離此次下?lián)舯┝靼l(fā)生時間最近的體掃(21時06分)，中氣旋特征雖存在但不清晰，而反射率因子核達到61 dBz極大值，低仰角徑向速度大值區(qū)和MARC特征始終滿足其預(yù)警閾值，大風(fēng)出現(xiàn)前中氣旋發(fā)展高度較低，其核心高度平均為3.2 km，低于產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞒墕误w中氣旋核心高度4.9 km的平均值，有利于下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生。此次下?lián)舯┝鬟€伴有陣風(fēng)鋒，其移速為74.6 km·h-1，大于俞小鼎等(2020)給出的預(yù)警雷暴大風(fēng)的54 km·h-1陣風(fēng)鋒移速參考值。上述雷達回波特征對此次極端下?lián)舯┝黝A(yù)警具有一定的指示意義。

以上分析結(jié)果表明，平均而言，大風(fēng)相關(guān)雷達回波特征對邯鄲超級單體和濮陽超級單體影響冀豫交界區(qū)兩個階段首次30 m·s-1和40 m·s-1極端下?lián)舯┝?即沙河和姬屯極端下?lián)舯┝?分別有19 min和22 min的預(yù)警提前量，兩個階段伴隨的與大風(fēng)相關(guān)的回波特征均較多，但由于邯鄲超級單體為典型的高質(zhì)心孤立風(fēng)暴，其大風(fēng)相關(guān)特征相比濮陽超級單體更清晰且易判識，從這一角度看其更有利于下?lián)舯┝鞯念A(yù)警。超級單體在其生命期可產(chǎn)生多次極端下?lián)舯┝?，如何判斷已產(chǎn)生極端下?lián)舯┝鞯某墕误w有無繼續(xù)產(chǎn)生極端下?lián)舯┝鞯目赡苄砸彩谴舜芜^程中需要關(guān)注的問題。經(jīng)分析也發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴在產(chǎn)生極端下?lián)舯┝骱?，與大風(fēng)相關(guān)的特征，如MARC、RIJ、中氣旋、風(fēng)暴頂輻散等，其強度并未出現(xiàn)明顯減弱，特征強度即便在劇減后又能增強至滿足致災(zāi)下?lián)舯┝黝A(yù)警閾值，只要環(huán)境條件有利，風(fēng)暴仍有產(chǎn)生極端下?lián)舯┝鞯目赡?。另外，此次冀豫交界區(qū)超級單體導(dǎo)致的階段最極端下?lián)舯┝骶霈F(xiàn)在風(fēng)暴的減弱階段，因此預(yù)警極端下?lián)舯┝鲿r，不可忽視風(fēng)暴減弱階段仍有出現(xiàn)極端大風(fēng)的可能性。

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)王一童等(2022)基于56次超級單體致災(zāi)下?lián)舯┝魇录睦走_回波特征統(tǒng)計，進一步分析得到產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞒墕误w雷達回波預(yù)警指標，選取2021年7月31日冀豫交界區(qū)兩個超級單體產(chǎn)生的5次極端下?lián)舯┝鬟M行預(yù)警效果分析，主要得到如下幾點結(jié)論：

(1)此次超級單體下?lián)舯┝魇窃诘湫偷沫h(huán)流形勢和有利的環(huán)境條件下產(chǎn)生的，高空冷空氣補充南下與低層暖低壓和濕舌的配合使得大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，加之0—6 km深層風(fēng)垂直切變強，有利于超級單體風(fēng)暴形成發(fā)展，中層顯著干層和中低層近乎干絕熱遞減率的熱力環(huán)境為極端下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生提供了有利條件。

(2)邯鄲超級單體為典型的孤立超級單體，其回波結(jié)構(gòu)清晰、易于判識；濮陽超級單體鑲嵌在多單體中，其特征識別有一定難度。兩個超級單體均具有產(chǎn)生極端下?lián)舯┝鞯某墕误w回波結(jié)構(gòu)特征，平均每次極端下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)12個與大風(fēng)相關(guān)的特征，與下沉氣流和地面大風(fēng)直接相關(guān)的特征預(yù)警提前量為10～37 min。邯鄲超級單體導(dǎo)致的首次30 m·s-1以上極端下?lián)舯┝髑?，出現(xiàn)了滿足預(yù)警閾值的反射率因子核下降、中氣旋核下降以及超過產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞒墕误w平均特征值的中氣旋底高下降特征，平均預(yù)警提前量為19 min。濮陽超級單體導(dǎo)致的首次40 m·s-1以上極端下?lián)舯┝髑?，出現(xiàn)了滿足預(yù)警閾值的低仰角徑向速度大值區(qū)、中層徑向輻合、后側(cè)入流急流以及達到超級單體致災(zāi)下?lián)舯┝髌骄降闹袣庑赘呦陆堤卣?，其平均預(yù)警提前量為22 min。

(3)5次下?lián)舯┝鬟_到最強前，超級單體的中層徑向輻合、中氣旋和低仰角徑向速度大值區(qū)強度均達到各階段最大值，說明雷達回波特征量化值增強對極端下?lián)舯┝黝A(yù)警具有一定的指示作用。超級單體維持期間可導(dǎo)致多次極端下?lián)舯┝?，在超級單體風(fēng)暴導(dǎo)致極端下?lián)舯┝骱笕砸掷m(xù)關(guān)注與大風(fēng)預(yù)警相關(guān)的雷達回波特征的變化，尤其是在風(fēng)暴減弱衰亡階段，其導(dǎo)致的地面大風(fēng)可能更強。

本文主要從雷達回波預(yù)警角度分析了2021年7月31日冀豫交界區(qū)超級單體導(dǎo)致的下?lián)舯┝鞯目深A(yù)警性，得到上述幾點對超級單體產(chǎn)生的極端下?lián)舯┝黝A(yù)警有指示意義的結(jié)論，有望為超級單體下?lián)舯┝鞅O(jiān)測預(yù)警提供參考。由于王一童等(2022)篩選出的56次致災(zāi)下?lián)舯┝魇录蠖嘤上鄬铝⒌某墕误w產(chǎn)生，因而所得預(yù)警指標更適用于孤立超級單體產(chǎn)生的下?lián)舯┝?，對鑲嵌在中尺度對流系統(tǒng)中的超級單體產(chǎn)生的下?lián)舯┝黝A(yù)警的適用性尚未可知，中國此類下?lián)舯┝饕噍^多。此外，濮陽超級單體鑲嵌在中尺度對流系統(tǒng)中，對于類似的鑲嵌型超級單體，其形成機制復(fù)雜，與下?lián)舯┝飨嚓P(guān)的雷達回波特征判識難度大，未來還需要更深入地分析這類鑲嵌型下?lián)舯┝餍纬傻奈锢磉^程，進一步探討預(yù)警指標在非孤立的產(chǎn)生致災(zāi)下?lián)舯┝鞯某墕误w中的適用性，從而明顯提升對超級單體下?lián)舯┝鞯谋O(jiān)測預(yù)警能力。