李 曦

(四川省廣安市氣象局，四川 廣安 638500)

0 引言

對(duì)流風(fēng)暴通常是由一個(gè)或多個(gè)對(duì)流單體組成的強(qiáng)烈發(fā)展的積雨云系，一般可分為普通單體風(fēng)暴、多單體風(fēng)暴、颮線、超級(jí)單體風(fēng)暴，其中超級(jí)單體風(fēng)暴是所有對(duì)流風(fēng)暴中組織化程度最高、發(fā)展最為強(qiáng)烈、生命史最長的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴，常能引發(fā)龍卷、冰雹、下?lián)舯┝?、暴洪等?zāi)害性天氣。與普通單體風(fēng)暴相比，超級(jí)單體風(fēng)暴最顯著的特征是有一個(gè)持久深厚的中氣旋。

Browning[1]指出超級(jí)單體風(fēng)暴一般具有鉤狀回波、弱回波區(qū)、有界弱回波區(qū)等雷達(dá)回波特征；Moller等[2]將超級(jí)單體風(fēng)暴分為經(jīng)典超級(jí)單體風(fēng)暴、弱降水超級(jí)單體風(fēng)暴、強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴，并指出可采用0～3 km的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度來研判中氣旋；Weisman等[3]指出了垂直風(fēng)切變對(duì)風(fēng)暴的加強(qiáng)作用并可延長風(fēng)暴的生命史；俞小鼎等[4]分析發(fā)現(xiàn)垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的水平渦管進(jìn)入風(fēng)暴后傾斜、轉(zhuǎn)豎為垂直渦管，加強(qiáng)了垂直渦度，最終導(dǎo)致了風(fēng)暴中氣旋的形成。戴建華等[5]對(duì)上海地區(qū)的強(qiáng)降雹超級(jí)單體進(jìn)行了研究，指出在超級(jí)單體中，中尺度對(duì)流系統(tǒng)與環(huán)境場(chǎng)的相互作用形成了利于風(fēng)暴發(fā)展、維持的正反饋機(jī)制。吳芳芳等[6]分析了強(qiáng)降水超級(jí)單體的演變形態(tài)，并討論了強(qiáng)降水超級(jí)單體具有的共同特征；馮晉勤等[7]通過對(duì)大量個(gè)例的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，大部分超級(jí)單體都伴隨有冰雹、雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣；王嘯華等[8]分析了江蘇地區(qū)的強(qiáng)降水超級(jí)單體的環(huán)境條件和觸發(fā)機(jī)制；黃艷等[9]分析了新疆地區(qū)超級(jí)單體發(fā)生的共同環(huán)境場(chǎng)特征；王楠等[10]分析了黃土高原的超級(jí)單體風(fēng)暴，指出了超級(jí)單體中強(qiáng)降水的形成原因；閔錦忠等[11]利用濕位渦分析了蘇北地區(qū)的超級(jí)單體風(fēng)暴，指出垂直對(duì)流與傾斜對(duì)流共同作用對(duì)強(qiáng)降水非常有利；張桂蓮等[12]利NCEP資料分析了內(nèi)蒙古地區(qū)超級(jí)單體風(fēng)暴的環(huán)境場(chǎng)特征和雷達(dá)回波形態(tài)，指出了中尺度輻合線和露點(diǎn)鋒系統(tǒng)耦合加強(qiáng)是對(duì)流風(fēng)暴的重要觸發(fā)機(jī)制。藍(lán)俊倩等[13]發(fā)現(xiàn)在地面輻合區(qū)附近有利于形成列車效應(yīng)而產(chǎn)生強(qiáng)烈降水；秦瑞等[14]、吳哲紅等[15]分別對(duì)昭通地區(qū)和貴州中西部的冰雹類強(qiáng)天氣的物理量特征進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，總結(jié)了發(fā)生冰雹類強(qiáng)對(duì)流天氣的物理量特征。

本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、多普勒雷達(dá)資料、NCEP 0.25°×0.25°再分析資料對(duì)2018年9月19日發(fā)生在川東北地區(qū)的強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴進(jìn)行了分析研究，詳細(xì)討論了強(qiáng)降水超級(jí)單體發(fā)生的環(huán)境條件，分析了超級(jí)單體風(fēng)暴的雷達(dá)回波特征及中氣旋演變過程，并通過大氣垂直渦度方程，詳細(xì)研究了超級(jí)單體風(fēng)暴的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)特征。通過以上分析，揭示了本次強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)生、演變的環(huán)境條件和動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)特征，為超級(jí)單體風(fēng)暴的形成機(jī)制提供了解釋，對(duì)提高超級(jí)單體預(yù)報(bào)預(yù)警具有一定的參考價(jià)值。

1 資料與方法

2018年9月19日20時(shí)—20日08時(shí)，四川盆地東北部的廣安、達(dá)州等地發(fā)生了一次強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴過程。過程以強(qiáng)降水為主，同時(shí)伴有明顯的雷電、陣性大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，累積雨量超過50 mm的有190站，超過100 mm的站點(diǎn)共有30站，最大過程雨量出現(xiàn)在鄰水縣觀音橋，達(dá)到215.9 mm。強(qiáng)降水時(shí)段較集中，主要發(fā)生在20日00—06時(shí)，同時(shí)降水強(qiáng)度很大，最大小時(shí)雨強(qiáng)發(fā)生在鄰水縣觀音橋，達(dá)到91.9 mm。本文主要利用同時(shí)段Micaps常規(guī)天氣觀測(cè)資料，多普勒天氣雷達(dá)資料、NCEP 0.25°×0.25°再分析資料對(duì)本次過程進(jìn)行分析。

2 天氣背景及雷達(dá)特征分析

在2018年9月19日08時(shí)500 hPa高空天氣圖上(圖1a)，西太平洋副高異常強(qiáng)大，副高中心位于我國東南福建、浙江一帶，副高592線已延伸至長江中下游地區(qū)，華南大部省份均在副高588線的控制下，而位于副高西北部邊緣的四川盆地東北部也處于副高強(qiáng)大的西南氣流的控制下。在副高邊緣強(qiáng)大下沉氣流的影響下，19日白天四川盆地出現(xiàn)晴熱高溫天氣，盆地東北部最高溫普遍超過30 ℃，這為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生儲(chǔ)藏了大量不穩(wěn)定能量。到19日20時(shí)(圖1b)，副高略有東退，500 hPa上有一淺薄的低槽從青藏高原沿副高邊緣東移至盆地東北部，700 hPa槽線位置比500 hPa槽線位置更加偏西，形成了典型的前傾槽結(jié)構(gòu)，500 hPa槽后還具有明顯的冷平流，導(dǎo)致大氣不穩(wěn)定度進(jìn)一步加強(qiáng)。700 hPa 低層西南急流開始形成，急流頭位于盆地東北部地區(qū)；850 hPa低渦也開始形成(圖1c)，低渦中心位于重慶南部與貴州交界附近。在20時(shí)地面圖上(圖1d)，四川盆地東北部為一低壓控制，在四川北部的陜西地區(qū)有明顯高壓控制，在氣壓梯度力作用下，有弱冷空氣不斷侵入川東北地區(qū)，最終導(dǎo)致了本次強(qiáng)對(duì)流天氣過程。

圖1 (a)19日08時(shí)500 hPa高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)；(b)19日20時(shí)500 hPa高度場(chǎng)和700 hPa風(fēng)場(chǎng)，左邊實(shí)線為700 hPa槽線，右邊實(shí)線為500 hPa槽線，箭頭為西南急流，藍(lán)點(diǎn)為強(qiáng)降水中心；(c)19日20時(shí)850 hPa高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)；(d)19日23時(shí)地面天氣圖，藍(lán)點(diǎn)為強(qiáng)降水中心Fig.1 (a)Geopotential height and wind at 500 hPa at 08∶00 on September 19;(b) geopotential height at 500 hPa and wind at 700 hPa at 20∶00 on September 19,the solid line on the left is the slot line at 700 hPa, the solid line on the right is the slot line at 500 hPa,the arrow is the southwest flow,the blue dot for strong rainfall center；(c) geopotential height and wind at 850 hPa at 20∶00 on September 19；(d)the surface chart at 23∶00 on September 19, the blue dot for strong rainfall center

2.1 雷達(dá)回波演變特征分析

超級(jí)單體風(fēng)暴可分為經(jīng)典超級(jí)單體風(fēng)暴、弱降水超級(jí)單體風(fēng)暴、強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴3類，它們的共同特征是擁有一個(gè)持久且深厚的中氣旋。強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴與其它兩類超級(jí)單體風(fēng)暴主要區(qū)別在于：強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴的中氣旋常常包裹在強(qiáng)降水區(qū)中[16]。在本次個(gè)例中，可通過雷達(dá)基本反射率和徑向速度圖判斷本次強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴屬于強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴。如圖2所示：在20日00時(shí)38分南充站的多普勒雷達(dá)徑向速度圖上(圖2a)，可識(shí)別出一明顯中氣旋(圖2a黃色箭頭處)，這表明該降水回波屬于超級(jí)單體風(fēng)暴回波；而在同時(shí)刻的雷達(dá)基本反射率圖上(圖2b)，中氣旋所對(duì)應(yīng)的位置為強(qiáng)度接近50 dBz的強(qiáng)降水回波(圖2b黃色箭頭處)，即中氣旋包裹于強(qiáng)降水區(qū)中，這表明該超級(jí)單體屬于強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴。

圖2 9月20日南充雷達(dá)站在00時(shí)38分，仰角為1.5°的徑向速度圖(a)和基本反射率(b)；黃色箭頭指向中氣旋Fig.2 The radial velocity(a) and reflectivitieson(b) on 1.5° degree elevation angle at 00∶38 on September 20 detected by Doppler radar sited in NanChong； the yellow arrow marks mesocyclone

下面通過南充雷達(dá)站不同時(shí)刻的基本反射率和徑向速度來分析超級(jí)單體風(fēng)暴形態(tài)、中氣旋的演變特征。

本次強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴自西南向東北方向移動(dòng)，在過程開始時(shí)的00時(shí)08分，在1.5°、2.4°仰角基本反射率圖上(圖3a1、3b1)，雷達(dá)回波圖上出現(xiàn)了多個(gè)分散的對(duì)流體，主要降水系統(tǒng)的對(duì)流云回波呈東北—西南向分布的帶狀回波，回波帶上存在多個(gè)對(duì)流單體，其最大回波強(qiáng)度超過50 dBz，在回波帶的后部還存在一更長的東北—西南向回波帶，其回波強(qiáng)度在30～40 dBz，以穩(wěn)定性降水為主。而此時(shí)在雷達(dá)速度圖上并沒有觀測(cè)到中氣旋，這可能是由于中氣旋的旋轉(zhuǎn)速度較小以及雷達(dá)觀測(cè)仰角小等原因造成的。

00時(shí)33分，此時(shí)帶狀回波已逐步向東北方向移動(dòng)(圖3a2、3b2)，帶狀回波也逐步演變成典型強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴回波。在1.5°仰角基本反射率圖上，回波強(qiáng)度超過50 dBz，可明顯觀測(cè)到對(duì)流風(fēng)暴前側(cè)存在一個(gè)V型缺口區(qū)，這表明有強(qiáng)的入流進(jìn)入上升氣流，前側(cè)V型缺口的存在表明強(qiáng)降水區(qū)包含著中氣旋(圖4b1)。

01時(shí)40分，強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴繼續(xù)向東北方向移動(dòng)，強(qiáng)回波中心的形狀已演變?yōu)轭愃朴诠位夭?圖3a3、3b3)。此時(shí)回波兩端強(qiáng)回波超過50 dBz，為強(qiáng)降水中心，結(jié)合速度圖可觀測(cè)到中氣旋位于強(qiáng)回波中心附近。而在2.4°仰角上強(qiáng)回波中心區(qū)明顯比1.5°仰角強(qiáng)回波中心距雷達(dá)中心更遠(yuǎn)，這表明該處低層存在弱回波區(qū)，其上為懸垂回波。

02時(shí)46分，超級(jí)單體風(fēng)暴的回波強(qiáng)度已逐步減弱(圖3a4、3b4)，形狀變得不規(guī)則，速度圖上中氣旋也明顯進(jìn)入減弱階段(圖4c3)。強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴趨于結(jié)束，而位于風(fēng)暴南側(cè)的對(duì)流單體也逐漸加強(qiáng)并向北移動(dòng)至四川盆地東北部。

圖3 9月20日南充站多普勒雷達(dá)在時(shí)間為00時(shí)08分,00時(shí)33分,01時(shí)40分,02時(shí)46分,仰角為1.5°的基本反射率因子(a1、a2、a3、a4)；仰角為2.4°的基本反射率因子(b1、b2、b3、b4)。圖中黃色圓圈為V型缺口，黃色箭頭指向?yàn)楣位夭‵ig.3 The reflectivitieson on 1.5° degree elevation angle(a1、a2、a3、a4)and 2.4° degree elevation angle(b1、b2、b3、b4)at 00∶08,00∶33,01∶40,02∶46 on September 20 detected by Doppler radar sited in NanChong；the yellow circle marks the hook echo,the yellow arrow marks bow echo

在多普勒雷達(dá)速度圖上，20日00時(shí)38分可觀察到中氣旋(圖4a1、4b1、4c1)，在1.5°、2.4°仰角均可觀測(cè)到一正負(fù)速度對(duì)。在1.5°仰角速度圖上，中氣旋高度達(dá)到2.3 km，正速度中心值為10 m/s，負(fù)速度中心為-19 m/s，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為14.5 m/s；而在2.4°仰角速度圖上，中氣旋高度達(dá)到3.5 km，正速度中心值為53 m/s，負(fù)速度中心-19 m/s，轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到36 m/s，此時(shí)中氣旋距離雷達(dá)中心距離為75 km左右；在0.5°仰角速度圖上，無明顯的正負(fù)速度中心對(duì)，但在中氣旋下方有明顯的氣流輻合。這表明該中氣旋正處于生成階段，其底部伴有氣流的輻合，而位于中層的中氣旋開始向上、向下增長。

到01時(shí)50分，中氣旋開始發(fā)展到成熟階段(圖4a2、4b2、4c2)。在0.5°、1.5°、2.4°仰角上，中氣旋高度分別為1.1 km、2.6 km、3.9 km。3層的正速度中心值為53 m/s，負(fù)速度中心為-19 m/s，轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到36 m/s，此時(shí)中氣旋距離雷達(dá)85 km附近，中氣旋屬于中等強(qiáng)度中氣旋。在0.5°仰角上，正速度中心相比負(fù)速度中心距離雷達(dá)中心更近，表明低層中氣旋產(chǎn)生了輻合旋轉(zhuǎn)；在1.5°仰角，正、負(fù)速度中心距離雷達(dá)基本一致，表明中下層中氣旋為純粹的旋轉(zhuǎn)；而在2.4°仰角上，負(fù)速度中心更接近雷達(dá)，表明在中高層，中氣旋輻散與旋轉(zhuǎn)開始相結(jié)合，產(chǎn)生輻散旋轉(zhuǎn)氣流。同時(shí)不同仰角的中氣旋距離雷達(dá)中心也不一致，表明上升氣流有一定的傾斜。

02時(shí)46分，中、高層中氣旋旋轉(zhuǎn)速度開始減小(圖4a3、4b3、4c3)。此時(shí)中氣旋距離雷達(dá)約110 km，在0.5°、1.5°仰角上，中氣旋正速度中心值為53 m/s，負(fù)速度中心為-10 m/s，正負(fù)中心距雷達(dá)中心距離基本一致，中氣旋為純粹旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度減小為31.5 m/s，而2.4°仰角已無法觀測(cè)到完整的正負(fù)速度對(duì)，這表明隨著中高層旋轉(zhuǎn)速度的減小，中氣旋已進(jìn)入減弱、消亡階段(圖4c3)。

從整個(gè)中氣旋發(fā)展、演變過程來看，中氣旋向東北方向移動(dòng)且維持時(shí)間較長。中氣旋經(jīng)歷了生成階段、成熟階段、消散階段3個(gè)演變過程，在生成階段，中氣旋在低層表現(xiàn)為氣流的輻合而沒有形成明顯的正負(fù)速度對(duì)，這表明該中氣旋起源于中層，并不斷向上、向下發(fā)展；在成熟階段，可通過正負(fù)速度對(duì)相對(duì)雷達(dá)中心的距離判斷在低層存在輻合旋轉(zhuǎn)、中層存在純粹旋轉(zhuǎn)、中上層為輻散旋轉(zhuǎn)。而通過轉(zhuǎn)動(dòng)速度的減小、正負(fù)速度中心的消散，可判斷中氣旋減弱并進(jìn)入消亡階段。

2.2 強(qiáng)對(duì)流條件分析

由于風(fēng)暴的強(qiáng)度主要取決于環(huán)境的熱力不穩(wěn)定、風(fēng)的垂直切變和水汽的垂直分布等3個(gè)因子，其中熱力不穩(wěn)定決定了上升氣流的強(qiáng)弱程度，與風(fēng)暴強(qiáng)度直接相關(guān)；環(huán)境垂直風(fēng)切變對(duì)對(duì)流風(fēng)暴組織和特征的影響最大，強(qiáng)風(fēng)暴也要求比普通風(fēng)暴有更大的低層水汽含量。超級(jí)單體風(fēng)暴作為最典型的強(qiáng)風(fēng)暴，有利于其產(chǎn)生的環(huán)境條件包括：低層豐富的水汽供應(yīng)、大的垂直不穩(wěn)定度、強(qiáng)的對(duì)流前逆溫頂蓋，而強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴則在低層豐富的水汽、較低的自由對(duì)流高度、弱的對(duì)流前逆溫層頂蓋的環(huán)境條件中發(fā)展和維持[13]。下面將分析強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴形成和發(fā)展的環(huán)境條件。

2.2.1 不穩(wěn)定層結(jié)條件分析 圖5是19日20時(shí)

達(dá)州(57328)、重慶(57516)兩站的T-lnp圖，從圖上看：過程開始前，大氣層結(jié)不穩(wěn)定特征非常明顯，層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線之間的紅色面積很大，對(duì)流有效位能很強(qiáng)，達(dá)州站、重慶站的CAPE值(對(duì)流有效位能)分別達(dá)到了1 883.3 J/kg、1 735.7 J/kg。CAPE值越大，能量釋放后的上升氣流也越強(qiáng)，更容易發(fā)展成強(qiáng)風(fēng)暴。在圖5中還可以看到：中低層風(fēng)速隨高度增加，風(fēng)向隨高度有明顯的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這表明中低層大氣有一定的垂直風(fēng)切變。結(jié)合NCEP再分析資料(圖6)，發(fā)現(xiàn)：在19日20時(shí)，0～3 km垂直風(fēng)切變?cè)?2～15 m/s之間，屬于中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變，這也有利于強(qiáng)風(fēng)暴的組織和維持。

綜上，大的垂直不穩(wěn)定度、較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴的形成非常有利。

2.2.2 水汽條件分析 圖5中達(dá)州、重慶兩站的T-lnp圖上還顯示：大氣濕層非常深厚，從地面到500 hPa以上都是水汽接近飽和的大氣狀態(tài)。整層大氣相對(duì)濕度維持高值區(qū)，而低層還有暖濕氣流供應(yīng)水汽，表明整層大氣水汽條件非常充沛；圖5上還可以看到兩站的自由對(duì)流高度(LFC)很低：達(dá)州站LFC為859.3 m，沙坪壩站LFC為778.1 m，很低的自由對(duì)流高度表明氣塊在較弱外力的擾動(dòng)下很容易被抬升到該高度，形成強(qiáng)對(duì)流天氣。低層豐富的水汽、很低的自由對(duì)流高度均有利于形成強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴。

2.2.3 對(duì)流抑制能量 弱的對(duì)流前逆溫層頂蓋是形成強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴的另一有利條件，它的作用是存儲(chǔ)不穩(wěn)定能量，當(dāng)逆溫層頂蓋被破壞，可以釋放大量不穩(wěn)定能量，形成強(qiáng)對(duì)流。在達(dá)州、重慶兩站的T-lnp圖中，逆溫層頂蓋并不明顯或不顯著，但卻存在較弱的對(duì)流抑制能量，其中達(dá)州站的對(duì)流抑制能量為27.3 J/kg,重慶站為79.3 J/kg。由于對(duì)流抑制能量反映了低層大氣穩(wěn)定結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)流活動(dòng)的抑制強(qiáng)度，它可以使不穩(wěn)定能量在低層聚集，一旦對(duì)流抑制能量被突破，將使得對(duì)流活動(dòng)迅速、充分發(fā)展，最終發(fā)展成強(qiáng)對(duì)流天氣。因此，較弱的對(duì)流抑制能量也是形成超級(jí)單體風(fēng)暴的一個(gè)有利條件。

2.3 超級(jí)單體風(fēng)暴動(dòng)力特征分析

由于常規(guī)觀測(cè)資料間隔時(shí)間為12 h，觀測(cè)時(shí)間密度較小且空間分布率較低，無法對(duì)短時(shí)、局地性的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行觀測(cè)，而NCEP再分析資料具有較高的空間和時(shí)間分辨率，可用于分析短時(shí)、局地的天氣過程。所以下面我們將采用NCEP 0.25°×0.25°逐6 h再分析資料對(duì)本次強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)及動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，并利用大氣垂直渦度方程揭示超級(jí)單體風(fēng)暴中氣旋產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

垂直風(fēng)切變是指水平風(fēng)(大小和方向)隨高度的變化。在對(duì)流風(fēng)暴演變過程中，垂直風(fēng)切變的加強(qiáng)通常能導(dǎo)致對(duì)流更強(qiáng)和生命史更長風(fēng)暴的產(chǎn)生和發(fā)展，有利于組織完善的多單體風(fēng)暴、颮線和超級(jí)單體風(fēng)暴的發(fā)展。在實(shí)際分析中，一般使用0～3 km的垂直風(fēng)切變。

圖6是0～3 km垂直風(fēng)切變的分布和演變圖。從圖上看：從風(fēng)暴開始前的19日14時(shí)到風(fēng)暴臨近的20時(shí)，0～3 km垂直風(fēng)切變都有一個(gè)明顯的增大過程。19日14時(shí)，0～3 km垂直風(fēng)切變維持在10～12 m/s，屬于中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變(圖6a)。到20時(shí)，垂直風(fēng)切變?cè)龃螅页霈F(xiàn)一個(gè)垂直風(fēng)切變中心，中心強(qiáng)度>15 m/s，位于29.4°～30.2°N之間(圖6b)。到02時(shí)，垂直風(fēng)切變中心區(qū)消失，垂直風(fēng)切變迅速減小到5.5～10 m/s(圖6c)。

圖6 19日14時(shí)(a)、19日20時(shí)(b)、20日02時(shí)(c)的0～3 km垂直風(fēng)切變(單位：m/s)Fig.6 The vertical speed shear of 0～3 km(a、b、c) at 14∶00,20∶00 on September 19,at 02∶00 on September 20(unit:m/s)

而從圖7的垂直渦度的演變圖上發(fā)現(xiàn)：14時(shí)，以106°E為剖面的緯度—高度垂直剖面圖上，低層的垂直渦度為正渦度，值在9×10-5～3×10-5之間，主要分布在1 000～600 hPa；高層主要為負(fù)渦度，值為-9×10-5～-6×10-5，分布600 hPa以上(圖7a)。到20時(shí)低層的垂直渦度迅速增大至1.2×10-4～2.1×10-4，垂直方向上也擴(kuò)充到500 hPa(圖7b)。這表明隨著環(huán)境風(fēng)的垂直切變的顯著加大，在低空形成了較強(qiáng)的水平渦管，水平渦管進(jìn)入遇到了風(fēng)暴中的強(qiáng)大上升氣流后，被抬起、傾斜、轉(zhuǎn)豎，水平渦管被抬升為垂直渦管，最終導(dǎo)致垂直渦度的顯著增加。

但是，必須注意的是：從19日20日—20日02時(shí)，0～3 km垂直風(fēng)切變明顯減小(減小至5.5～10 m/s)而垂直渦度卻沒有減小，其范圍反而擴(kuò)大了(圖7c)，同時(shí)中氣旋也發(fā)展到成熟階段，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到最大。這表明在本次個(gè)例中，僅僅依靠水平渦管傾斜形成垂直渦管,產(chǎn)生的垂直渦度并不能完全解釋中氣旋的產(chǎn)生，中氣旋的形成必然有其它機(jī)制的參與。

通過大氣垂直渦度方程[17]可知，影響垂直渦度變化的散度項(xiàng)也可看成是垂直速度在垂直方向上隨高度變化的加速項(xiàng)。

如圖7所示：在過程開始前的14時(shí)及臨近的20時(shí)，對(duì)流中心區(qū)的垂直速度從地面到500 hPa，均為上升速度區(qū)，大小為-0.1～-0.3 pa/s，上升速度較小(圖7d、7e)；而到了20日02時(shí)，上升速度隨高度明顯增大，在500～600 hPa附近形成了一個(gè)上升速度中心區(qū)，其范圍在-0.8～-1 pa/s，而且上升速度的延伸范圍更加廣大，擴(kuò)大到400 hPa以上(圖7f)。19日20時(shí)—20日02時(shí)，從地面到500 hPa附近，垂直速度隨高度明顯增大，這表明垂直速度隨高度增加導(dǎo)致了垂直渦度的增大。圖7也表明到20日02時(shí)，垂直渦度的大小及范圍均有增加(圖7c)。因此，我們可以得出：當(dāng)水平渦管在上升氣流的作用下扭曲、傾斜形成垂直渦管，導(dǎo)致了垂直渦度的產(chǎn)生。而垂直渦管在上升氣流的進(jìn)一步拉伸作用下繼續(xù)加強(qiáng)，最后形成了中氣旋，導(dǎo)致了超級(jí)單體風(fēng)暴的產(chǎn)生。

圖7 19日14時(shí)(a)、19日20時(shí)(b)、20日02時(shí)(c)垂直渦度沿106°E垂直剖面圖(單位：10-5s-1)；19日14時(shí)(d)、19日20時(shí)(e)、20日02時(shí)(f)垂直速度沿106°E垂直剖面圖(單位：pa·s-1)Fig.7 The vertical profile analysis along 106°E of vertical vorticity(a,b,c) at 14∶00,20∶00 on September 19,at 02∶00 on September 20(unit: 10-5s-1)；The vertical profile analysis along 106°E of vertical velocity(d,e,f) at 14∶00,20∶00 on September 19,at 02∶00 on September 20(unit: pa·s-1)

綜上可以看到：從19日14—20時(shí)，環(huán)境垂直風(fēng)切變、垂直渦度都顯著增加到最大，表明在對(duì)流風(fēng)暴的右側(cè)有明顯的水平渦管形成，當(dāng)水平渦管加強(qiáng)并進(jìn)入對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)部時(shí)，將遇到對(duì)流風(fēng)暴中的強(qiáng)勁上升氣流，在上升氣流的作用下，水平渦管將被抬起、傾斜，并逐漸轉(zhuǎn)豎，水平渦管轉(zhuǎn)成垂直渦管，導(dǎo)致了垂直渦度的顯著增加，這也使上升氣流產(chǎn)生了明顯的旋轉(zhuǎn)。但是在本次過程中，水平渦管傾斜轉(zhuǎn)換成垂直渦管的作用僅限于在初始上升氣流中產(chǎn)生垂直渦度，并沒有最終加強(qiáng)為中氣旋。分析表明，垂直渦管在上升氣流的拉伸作用導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)是形成中氣旋的重要機(jī)制。水平渦管轉(zhuǎn)豎形成的垂直渦管導(dǎo)致垂直渦度的增大而使上升氣流開始旋轉(zhuǎn)，水平旋轉(zhuǎn)又產(chǎn)生有利于氣塊上升的垂直氣壓梯度進(jìn)而加強(qiáng)了對(duì)流風(fēng)暴中的上升氣流。在上升氣流的拉伸下，垂直渦管進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)致使上升氣流更強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)。這種水平渦旋與上升氣流之間持續(xù)不斷的正反饋機(jī)制使得兩者不斷發(fā)展、加強(qiáng)，導(dǎo)致了對(duì)流風(fēng)暴的中尺度氣旋的形成，對(duì)流風(fēng)暴也最終加強(qiáng)為超級(jí)單體風(fēng)暴。

3 結(jié)論

本文對(duì)2018年9月19—20日發(fā)生在四川盆地東北部的強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴進(jìn)行了環(huán)境條件、雷達(dá)回波、動(dòng)力結(jié)構(gòu)分析，得到了以下結(jié)論：

①在本次過程前期，受太平洋副高控制，四川盆地東北部出現(xiàn)晴熱高溫天氣，有利于不穩(wěn)定能量的聚集，到19日20時(shí)，達(dá)州站、重慶站的對(duì)流有效位能分別達(dá)到了1 883.3 J/kg、1 735.7 J/kg，不穩(wěn)定能量較高且近地面有較弱的對(duì)流抑制能量；中低層濕層深厚，地面到500 hPa大氣相對(duì)濕度接近飽和；自由對(duì)流高度在800 m附近；0～3 km垂直風(fēng)切變?cè)?5 m/s左右，屬于中等到強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。上述較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量、較低的自由對(duì)流高度、低層深厚濕層、較弱的對(duì)流抑制能量并配合有中等到強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，形成了有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水超級(jí)單體的環(huán)境條件，當(dāng)對(duì)流抑制能量被突破，最終爆發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣，形成了強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴。

②在中氣旋的發(fā)展演變過程中，中低層的垂直風(fēng)切變作用是產(chǎn)生水平渦管，并在上升氣流作用下傾斜、抬升變成垂直渦管，產(chǎn)生垂直渦度。垂直渦管在隨高度增加的上升氣流的拉伸作用下，不斷加強(qiáng)，致使上升氣流更強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，水平旋轉(zhuǎn)又反過來加強(qiáng)了上升氣流。上升氣流與水平渦旋持續(xù)不斷的正反饋機(jī)制是形成中氣旋的重要原因。