吉林省一次典型右移超级单体风暴特征分析

2021-05-14王婷婷毕潇潇

气象灾害防御 2021年1期

张同隋妍王婷婷毕潇潇

（1.吉林省气象台，吉林长春 130062；2.延边朝鲜族自治州气象局，吉林延吉 133001）

1 引言

雷电、雷暴大风、短时强降水、冰雹是我国夏季常见的对流性天气，上述天气多为对流风暴造成。超级单体是一种组织结构完整、持续时间长的对流单体，多伴随强烈的灾害性天气，为众多气象学者所关注。超级单体的概念是Browning[1]于1962 年最早提出，并指出超级单体具有钩状回波、中空弱回波或有界弱回波区特征。在此基础上，Lemon 和Doswell[2]提出了修正的超级单体概念模型，并延用至今。 Moller 等[3]根据对流降水强度和空间分布特征对超级单体风暴进行了分类。某些超级单体几乎没有产生降水，但有显著的旋转特征，称为弱降水超级单体风暴；另外一种能够在中气旋环流中产生相当大的降水，称为强降水超级单体风暴；介于上述两者之间称为经典超级单体。

近年来，中国学者对超级单体研究较多。郑媛媛等[4]详细分析了2002 年皖北地区经典超级单体雷达特征。廖玉芳等[5]对湖南省22 次超级单体进行详细分析，初步得到湖南省超级单体雷达回波特征。潘玉洁等[6]、吴芳芳等[7]分析了强降水超级单体雷达特征。江玉华等[8]从超级单体环境条件出发，尝试运用位涡理论解释了产生超级单体的环境条件。戴建华等[9]分析一次飑前超级单体过程，并运用风廓线仪等新型资料进行了分析。

2 天气实况及环流背景

2020 年6 月3 日午后到夜间，吉林省延边地区出现分布不均的降水天气，同时延边州8 个县（市）均出现了不同程度的冰雹。受风雹影响最为严重的汪清县，共有3 个乡镇12 个村受灾，其中天桥岭镇鹿圈子村、大兴沟镇红日村等地出现了直径50mm 左右的冰雹，最厚处冰雹堆积超过10cm。据统计，此次灾害造成汪清县大豆、玉米等粮食作物，木耳等经济作物受灾，受灾人口500人，受灾总面积527.75hm2，直接经济损失299.4万元。

此次对流过程发生在东北冷涡背景下，冷涡中心位于内蒙古东四蒙附近，吉林大部位于冷涡第三象限。从3 日08 时实况中尺度分析可知：500hPa 中空急流较强，并且在延边地区附近有弱分流区，有一定辐散作用；700hPa 吉林中部及延边地区T-Td＞12℃，中层较干；低层850hPa 比湿延吉本站值为4g/kg；925hPa 比湿为6g/kg。虽然850hPa比湿较低，但925hPa 比湿值略大于多年延吉本站6 月上旬比湿均值，局地水汽条件较好。同时850hPa 西南急流有利于上游水汽输送。中低层温差为27℃，热力条件较好，同时延边地区850hPa存在温度脊。综上分析，吉林省中部及延边地区当日对流潜势较好，有发生强对流天气的可能性。

T-lnP 图能够反映探空站及其附近上空气象要素的垂直分布，分析单站探空资料能够比较有效地判断发生对流的条件和类型。分析对比6 月3 日08 时和20 时延吉站的探空要素值可知，08时CAPE 值为0J/kg，如果用早上08 时探空状况判断下午和傍晚的对流潜势往往误判的可能性很大，经过午后温度、露点温度订正以后（图1a），CAPE 值增加到1 030J/kg，午后由于太阳辐射加热作用使大气不稳定度明显增大。

有研究表明[10]，垂直风切变对对流性风暴组织和特征的影响最大，是强对流天气预报的重要参数。分析延吉站探空要素可知，从低层到高层风速不断增大，850hPa 风速仅为7m/s，500hPa 增至16m/s，200hPa 已达30m/s。近地面层风向为东南风，850hPa 为西南风，700hPa 为偏西风，即低层风向随高度顺时针旋转，低层有暖平流特征。 700—500hPa 高层风向随高度逆时针旋转，说明高层有冷平流。3 日08 时0—6km 垂直风切变为16.29m/s（中等强度垂直风切变），到20 时增大到26.9m/s（强垂直风切变）。较强垂直风切变一方面使低层暖湿空气的不稳定能量释放，另一方面有利于产生组织结构较好的对流系统。

另外，6 月3 日抬升凝结高度（LCL）较低，08时和20 时分别为852hPa 和963hPa。说明此次天气所需的外力抬升作用较小，容易形成对流泡。08时0℃层高度为3.3 km，-20℃层高度为6.3 km，是适宜冰雹生长的高度。

3 对流触发机制

从超级单体风暴移动路径可知，超级单体在敦化市初生发展，到13:10 左右敦化地区由于分散对流回波产生降水，地面温度降低到16℃左右，地面冷池逐渐形成，在敦化与安图交界处温度梯度较大，两侧温度差可达8℃左右；地面风场由之前的偏南风转为西北风，且在温度梯度最大处出现西北风与东南风切变，温度梯度和地面辐合线的存在有利于对流风暴的维持和发展；随后30min，地面冷池的强度维持，温度梯度区域和地面辐合线逐渐向东向南扩展，与超级单体风暴移动方向吻合；到13:50 左右（图1b），地面出现8～10m/s 左右的瞬时风，说明地面已经出现雷暴大风，相应的地面辐合线强度也随之增加，且西北风从延边西部逐渐扩展到延边的中部地区，辐合线的长度增加；随之在14:00 后上述地区也触发出更多新生分散对流系统；安图北部地面也出现较强地面冷池，而温度梯度减小，在14:20 后由于大范围对流系统产生的分散降水使延边地区整体温度下降，实时温度已经下降到24℃以下，小于当日延吉站对流温度，进而包括超级单体风暴在内的对流系统在热力、水汽条件变差环境下逐渐减弱消亡。

图1 2020 年6 月3 日14 时（a）延吉站订正探空曲线、13:50（b）地面自动站风场和地面温度叠加（风场：风向杆，m/s；温度：阴影部分，℃）

4 多普勒雷达回波特征

4.1 风暴发展过程

2020 年6 月3 日12:45 左右，在延吉雷达西北部，距雷达100～125km 处新生分散对流回波，反射率值最大为48.2dBz 左右，速度图以西南风为主，而不断有新生对流向东南方向传播，因此整体回波带向东北偏东移动，符合右移风暴特征。到13:15 左右回波强度迅速增加达到60dBz，组织结构也渐完整。低层1.5°仰角（图2a）上回波形态呈“S”形，同时刻速度图上回波移动方向右后侧反射率梯度最大处低层速度辐合，且速度图有明显的正负速度对，有气旋性旋转特征，核区直径约10km 左右。1.5°仰角（图2b）旋转速度约11.25m/s；0.5 °仰角旋转速度为13.5m/s。 0.5°仰角的旋转速度达到中等强度中气旋标准，而到2.4°仰角的速度特征不明显，说明该时刻中气旋的高度相对较低，高度在3.4km 以下。

13:51 左右，回波体积增大，强度增强，反射率最大值达61dBz，出现在0.5°仰角上，说明强中心迅速下降接近1.5km 左右，地面可能已出现降雹。1.5°仰角回波呈勾状，低层入流缺口位于回波移动方向的右后侧，符合超级单体雷达回波特征概念模型。速度图分析可知，在回波强度梯度较大处仍存在速度辐合，低层入流速度最大达17m/s，而在1.5°仰角钩状回波强反射率值附近低层速度辐散。同时多个高度层出现速度模糊，1.5°仰角模糊后速度值最大为27m/s 左右，高度约3km 左右；而0.5°仰角径向速度虽未出现速度模糊，但最大速度达到20m/s，预示地面出现雷暴大风的可能性较高。中气旋位于BWER 附近及上方，从0.5°一直伸展到4.3°（6.3km），旋转速度约19m/s（中等强度），典型的钩状回波特征的持续时间约3 个体扫（18min），正好对应当日汪清冰雹最强时段。随后回波组织结构变差，并快速向东北偏东方向移动。从回波生命期演变来看，回波初生后迅速增强，在成熟期维持时间约11 个体扫（66min 左右），随后减弱消亡。

图2 2020 年6 月3 日13:15 延吉雷达1.5°仰角基本反射率（a，单位：dBz）及径向速度（b，单位：m/s）

4.2 超级单体风暴成熟结构特征

由前文分析可知，超级单体在13:51 后强度达到最大，并维持约11 个体扫。这里以13:57 为例详细分析超级单体成熟期特征。0.5°反射率因子图可见典型的钩状回波特征，高度在1.5km 左右，强回波位于钩状回波的北侧（61.5dBz）；速度图上出现速度模糊，气旋式旋转速度在20m/s 左右，并且在回波附近低层存在弱的阵风锋，低层入流气流向弱回波区运动而进入超级单体内部。在1.5°仰角（图3a，高度2.7km 左右）钩状回波特征比0.5°更明显，强回波反射率值位于钩状回波的北侧，最大反射率值为62dBz，反射率因子轮廓向低层入流方向扩展；速度图（图3b）上速度模糊比0.5°仰角更明显，且中气旋的特征更明显，旋转速度达到23m/s，已经达到强中气旋标准。 3.4°仰角反射率因子钩状特征已经消失，呈现肾状结构特征，强回波位于回波的右侧，回波轮廓更偏向低层入流方向，低层弱回波上空反射率值增加，但值仍略小于周围反射率值；速度图上仍存在中气旋，旋转速度为26m/s（强中气旋）。 6.0°仰角回波形态呈反“C”字结构，强回波位于低层弱回波上方，达到58dBz；速度图上对应辐散特征。从成熟时期的回波特征分析，该单体属于经典超级单体。

图4 给出了13:57 超级单体反射率和速度垂直剖面图。剖面主要沿着低层入流方向向反射率大值处剖面，具体剖面路径为图3a 线段AB 所示。反射率剖面（图4a）可见典型的有界弱回波区及弱回波区右侧的回波墙结构，弱回波区水平尺度在3～4km，高度伸展在4km 左右，强回波位于弱回波区右侧，强度在61dBz 左右，伸展高度在3km 以下，强回波高度较低，说明已经出现降雹过程。超级单体伸展高度较高，高度达到10km，证明回波发展旺盛。径向速度图剖面（图4b）上暖色调表示离开雷达，冷色调表示朝向雷达，雷达位于剖面横轴的右侧，中层径向辐合从底层一直持续到5km 左右，5km 以上为高层径向辐散。

4.3 超级单体风暴特性

图5a 为超级单体风暴D0 间隔6min 风暴参数时序图（最大反射率因子—MAX REF、单体垂直累计液态水含量—C-VIL、最大反射率因子所在高度—HET、单体高度—ET）。超级单体持续时间较长，从12:17 到15:07，生命周期长达170min。最大反射率因子值在成熟期后基本维持在60dBz以上，其回波顶高大于6km。最大反射率因子的高度在13:16—14:03 也在0℃层高度之上，满足产生冰雹的条件。从预报经验来看，单体垂直累计液态水含量快速增加预示着即将产生大冰雹，且CVIL 值越大，对应产生冰雹的直径越大。从图5a可知，12:46—13:16 C-VIL 值从15kg/m2增加到40kg/m2；13:33—13:45 C-VIL 值从30kg/m2增加到45kg/m2；13:51—14:09 C-VIL 从35kg/m2增加到55kg/m2。这3 次C-VIL 值迅速跃增过程，对应着地面降雹的主要时段。并且有研究表明，C-VIL 迅速下降和HET 升高预示着冰雹下落过程，从本次过程也可以得到相似的结论。

图5b 为超级单体风暴D0 中尺度气旋高度相关参数随时间的变化趋势（强反射率因子值所在高度—HET、单体回波顶高—ET、中气旋顶高—TOP、中气旋底高—BASE）。可见在13:33—14:14识别出中气旋，底高及顶高初始时刻高度较低，随后升高，伸展高度在13:45 达到最大，随后几个时刻高度降低。14:20 后由于单体的组织结构及强度减弱中气旋特征随后消失。