“2022-3-16”一次超级单体冰雹回波特征分析

刘懿枢，马中元，余剑浩，彭 莎，桂园园，张 萍

(1.江西省气象科学研究所，南昌 330046；2.鹰潭市气象局，鹰潭 335001)

0 引言

超级单体风暴(The super cellstorm)的特征是可以相对比较稳定地维持几小时以上，经常在春季和夏季出现；超级单体回波经常伴随冰雹、雷暴大风、短时强降水、强雷电等强天气，常造成不同程度的灾害。

很多学者对冰雹、雷暴大风、下击暴流等天气现象进行了大量研究和分析，得到研究成果。例如：1963年，Browning[1，2]等首先提出了超级单体雷达回波结构，超级单体风暴分为3类，即经典超级单体风暴、强降水超级单体和弱降水超级单体[3-5]。超级单体回波是产生冰雹的主要回波类型；雷暴大风的主要雷达回波特征有弓形回波、阵风锋和径向速度大值区，出现其中1个或多个特征均可发布雷暴大风预警；在中低层相对干的环境下多个对流单体的冷下沉形成冷池，强风由对流单体下沉辐散气流叠加在冷池密度流上造成；反射率因子核心的逐渐降低并伴随云底以上的速度辐合的多普勒雷达回波特征，可以用来提前数分钟预警下击暴流的发生[6-8]。江西省有很多从事冰雹、雷暴大风天气研究的气象专家，提出江西8种强对流天气形势与云型特征，江西3类致灾大风天气活动特征，在飑线前暖区中产生冰雹的对流风暴回波特征主要是超级单体[9-11]等。尤其是在江西副热带高压边缘的天气形势背景下，江西省易发生强天气[12-16]。这些研究成果为文章研究提供了参考依据。

文章使用MICAPS常规天气图、地面自动气象站数据、FY4A云图、雷电数据、雷达回波数据等资料，对2022-03-16的1次超级单体风暴特征进行分析，以期为超级单体回波类型产生强天气的预报预警提供分析依据。

1 资料来源和天气实况

1.1 资料来源

常规天气图资料来源于MICAPS平台、地面自动气象站数据来源于江西省自动气象站数据检索平台、FY4A云图来源于MICAPS平台、雷电数据来源于CIMISS数据库、雷达回波数据来源于江西雷达拼图和武汉SA雷达PUP产品反演数据。文中涉及的地图边界均是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)3320号的标准地图制作。全文使用北京时间。

1.2 天气实况

2022-03-16T16:00 FY4A卫星云图(图1a)，存在A，B，C 3个中尺度对流复合体MCC云系，其中B云系南侧与C云系北边界上，出现尺度较小且较强的云系，云顶亮温达到-70 ℃左右。这个尺度较小的云系，在雷达拼图上对应着超级单体风暴回波。相比B云系中其他地方，超级单体风暴云系所产生的雷电以正闪居多(图1b)，这可能是超级单体发展初期云顶高度偏低的缘故。17:00—18:00，超级单体风暴迅速发展壮大，地面出现 ≥30 mm/h 强降水和≥17 m/s 雷暴大风天气(图1c，图1d)，部分乡镇村伴有冰雹天气。

2 天气形势

2022-03-16T08:00，200 hPa天气图上，南昌上空偏西风达到68 m/s，存在明显分流区(图2a)；500 hPa天气图上，从陕北南部至云南西南部存在1个径向大槽，江西北部至安徽地区处槽前偏西气流不稳定区(图2b)；850 hPa天气图上，四川中部有低涡，安徽至江西北部一带受低涡切变线影响，同时，低涡南部伴随≥12 m/s西南急流，为此次过程提供了良好的动力抬升和水汽条件(图2c)；地面图上，江西北部处地面低压倒槽中，风速较弱，风向较乱。

由此可知，在高空强分流辐散抽吸作用下，配合中低层的辐合抬升运动，导致动力不稳定，且各层影响系统均在江西北部至安徽中部一带，锋面坡度陡直，上升运动进一步加强，有利于超级单体风暴的发生发展。

图1 2022-03-16天气实况图

图2 2022-03-16T08:00天气形势图

3 雷达回波特征

3.1 雷达拼图产品

2022-03-16T16:30，雷达拼图组合反射率CR(图3a)，江西北部中尺度对流回波系统以35 km/h沿500～700 hPa风向，向东北方向移动，其云砧形成的“前伸”回波沿高空100～200 hPa西风，向偏东方向移动。中尺度对流回波系统南端，发展成1条强回波短带，超级单体出现在短带的最南端，回波强度达65～70 dBZ，同时刻1.5°仰角上，回波强度偏弱，<60 dBZ左右，表明超级单体强回波主要集中在R1.5上层。在江西中部崇仁附近，也有较强对流回波出现，回波强度可达60 dBZ，但与黄石超级单体相比，其回波强度、回波面积都较小，没有强天气出现。

从强对流天气发展高度来看，黄石冰雹强对流回波系统的南部强回波中心顶高ET在13～14 km，其北部回波顶高ET在14～15 km(图3b)，都超过-20 ℃温度层的高度，具备产生冰雹的条件，但回波顶高和强回波位置有所倾斜和偏差。

图3 2022-03-16T16:30 雷达拼图产品回波特征图

垂直积分液态水含量VIL(图3c)，中尺度对流回波VIL≤12 kg/m2，其超级单体风暴VIL≥40 kg/m2(这个值有所偏差，同时武汉雷达观测到VIL≥60 kg/m2)，VIL≥40 kg/m2是出现冰雹天气的显著特征值[17]。江西崇仁附近的强单体回波VIL≤25 kg/m2，虽然回波强度达到60 dBZ，但强回波面积和VIL偏小，因此没有发生强天气。

在强回波识别显示图中，自动识别出超级单体风暴60 dBZ强回波面积 ≥100 km2，强回波中心最大强度达70 dBZ。而崇仁附近对流单体60 dBZ强回波面积较小，没有识别出强天气(图3d)。

综上可知，超级单体风暴具有65～70 dBZ强中心、60 dBZ强回波面积≥100 km2、VIL≥40 kg/m2、回波顶高 ET达13～14 km等特征。这些特征达到强天气发生的标准，是出现冰雹、雷暴大风、短时强降水和强雷电等天气的典型特征。

3.2 雷达PUP产品

2022-03-16T16:30武汉雷达PUP产品，超级单体风暴位于雷达东侧70 km处，强回波中心CR达65～70 dBZ，且出现70 dBZ强回波核(图4a)；60 dBZ强回波面积≥100 km2；超级单体北侧回波稍弱(60～65 dBZ)，两回波组成西北—东南走向的回波短带。

沿短带回波走向作反射率因子垂直剖面RCS(图4d)，回波顶具有明显的倾斜结构，65 dBZ强回波出现在 4～7 km高度，悬垂特征显著。高悬强回波底下出现弱回波区，符合超级单体风暴结构特征。

径向速度R1.5图上(图4b)，超级单体所对应的地方出现了辐合型正负速度对，具有明显的中气旋结构，其旋转速度在14.5 m/s；强回波短带60 dBZ区域被 ≥27 m/s的正速度覆盖。在径向速度垂直剖面VCS图上，存在明显的中气旋结构(图4e)。

超级单体风暴垂直积分液态水含量VIL在50～60 kg/m2，达到江西冰雹天气VIL阈值，雷达PUP产品上VIL要比雷达拼图上VIL更强更明显(图4c)。

由此可见，超级单体风暴中心强度达到65～70 dBZ，60 dBZ强回波面积≥100 km2，回波顶高 13～14 km，具有悬挂、穹窿、中气旋等超级单体回波特征。

图4 2022-03-16T16:30 武汉SA雷达PUP产品回波特征图(a)组合反射率CR；(b)径向速度R1.5；(c)垂直积分液态水含量VIL；(d)反射率因子垂直剖面RVS；(e)径向速度垂直剖面VCS

4 结束语

文章使用MICAPS常规天气图、地面自动气象站数据、FY4A云图、雷电数据、雷达回波数据等资料，对2022-03-16的1次超级单体风暴的特征进行分析，得到结论：超级单体回波的类型包括经典超级单体风暴、强降水超级单体、弱降水超级单体，对应着江西3种回波类型：超级单体、弱超级单体和强单体回波；就回波系统中径向速度而言，超级单体中气旋结构明显，弱超级单体有时不明显，强单体回波基本不具备中气旋结构。