陳瑞敏，趙孝偉，于海磊，王叢梅

(1.河北省衡水市氣象局，衡水053000；2.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，石家莊050021；3.河北省邢臺市氣象局，邢臺054000)

引 言

超級單體的概念是由Browning(1962)在20世紀60年代首次提出，他認為超級單體是發(fā)展最為強烈的一種對流風(fēng)暴，常伴隨雷暴大風(fēng)、冰雹等強對流天氣。超級單體風(fēng)暴與其他強風(fēng)暴的本質(zhì)區(qū)別在于它含有一個深厚持久的中氣旋。Bunkers等(2006)對超級單體生命史的研究表明，孤立的超級單體不易與其他對流系統(tǒng)合并，因而其生命史較長。近年來，國內(nèi)氣象工作者從單體結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生機制、環(huán)境條件等方面對一些典型或非典型超級單體開展了深入研究。鄭媛媛等(2004)分析了安徽一次產(chǎn)生11級雷暴大風(fēng)并伴隨冰雹的超級單體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和演變特征，并指出該超級單體具有強烈超級單體風(fēng)暴的典型特征，其移動方向位于盛行風(fēng)向右側(cè)約30°，屬右移風(fēng)暴。王福俠等(2014)分析一次超級單體分裂過程與環(huán)境條件指出，其分裂后沿地面高濕區(qū)內(nèi)熱力邊界偏暖一側(cè)移動的氣旋性風(fēng)暴未受到明顯抑制，有利的地面環(huán)境條件抵消了氣旋性風(fēng)暴受抑制的程度，使氣旋性風(fēng)暴能夠持續(xù)更長時間。俞小鼎等(2008)、朱江山等(2015)的研究認為，超級單體的形成、發(fā)展與傳播方式雖有不同，但風(fēng)暴內(nèi)出現(xiàn)的中氣旋是其最突出的共同特征。馮晉勤等(2010)對32次超級單體的統(tǒng)計分析表明，90%以上的超級單體與冰雹、雷雨大風(fēng)、短時強降水等強對流天氣相聯(lián)系。牛奔等(2016)分析鄂西北一次超級單體風(fēng)暴過程指出，該超級單體具有典型鉤狀回波、低層有界弱回波區(qū)和“穹隆”、中氣旋、回波墻等特征。廖玉芳等(2007)研究指出，在產(chǎn)生三體散射的23個強雹暴中有一半以上是超級單體和準超級單體風(fēng)暴，超級單體雹暴中的中氣旋有利于大冰雹形成。陳秋萍等(2015)分析了福建兩個強降雹超級單體的演變與結(jié)構(gòu)特征，認為中氣旋維持時間的差異與垂直風(fēng)切變強弱、垂直渦度大小有關(guān)。高帆等(2018)對一次長生命史超級單體風(fēng)暴的雷達觀測特征和維持機制進行了分析。黃俊杰和茍阿寧(2018)研究指出，寬大有界弱回波區(qū)以及位于其上的強懸垂回波、弱回波區(qū)前側(cè)強入流與中層徑向輻合(MARC)的存在均表明超級單體具有降雹潛勢。王青霞等(2020)指出，持續(xù)多個體掃的中氣旋是2008年湖南首場風(fēng)雹過程最關(guān)鍵的預(yù)報著眼點。上述研究無疑有助于提高對超級單體結(jié)構(gòu)及成因的認識，但由于這種對流尺度的風(fēng)暴生消發(fā)展迅速，其形成演變過程中的細節(jié)特征仍有待揭示。

2018年6月13日下午一個生命史長達138 min的超級單體風(fēng)暴自北向南影響河北中南部的保定、衡水，沿途產(chǎn)生了冰雹和雷暴大風(fēng)。這次超級單體風(fēng)暴發(fā)生在太行山東麓平原區(qū)，生命史之長、風(fēng)雹強度之大、路徑自北向南且范圍之廣實屬罕見。因此，本文利用地面觀測資料、探空資料以及石家莊多普勒天氣雷達和饒陽雙偏振雷達資料等，對該超級單體風(fēng)暴的天氣背景、雷達觀測特征等進行了分析，以期提高對超級單體及其強對流天氣的認識，為今后做好強對流短臨預(yù)報和開展人工影響天氣服務(wù)提供參考。

1 風(fēng)暴路徑與災(zāi)情

2018年6月13日下午位于太行山東麓的河北省中南部出現(xiàn)強對流天氣(圖1)，這次強風(fēng)暴歷時204 min，自北向南途經(jīng)保定中南部和衡水西部多縣市，有多個氣象站先后觀測到冰雹，其中保定站當日14:59(北京時，下同)觀測到冰雹(直徑9 mm)，16:08安平站觀測到冰雹(直徑14 mm)，16:30深州站觀測到冰雹(直徑6.0 mm)，17:01衡水城區(qū)站觀測到冰雹(直徑8.0 mm)，17:24冀州站觀測到冰雹(直徑22.0 mm)。此外，災(zāi)情調(diào)查顯示，保定的清苑、淶水、博野、蠡縣也出現(xiàn)冰雹，其中，博野降雹時間持續(xù)20 min，冰雹直徑最大達7.0 cm，衡水多地出現(xiàn)雞蛋大小的冰雹，冰雹最大直徑達4.0 cm。保定、石家莊、衡水的7個縣(市、區(qū))國家站出現(xiàn)8級以上大風(fēng)，其中保定市15:00風(fēng)速最大為22.4 m·s-1(9級)，衡水市有12個區(qū)域站出現(xiàn)8級以上大風(fēng)，安平馬店站最大達30.5 m·s-1(11級)。這次風(fēng)暴影響范圍大、移速快，保定、衡水風(fēng)雹災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失共18億多元。

圖1 2018年6月13日河北省中南部災(zāi)害性天氣實況(數(shù)字為災(zāi)害性天氣發(fā)生時刻)Fig.1 Observations of disastrous weather in the central and southern Hebei Provinceon 13 June2018.Numbers in dicate the occurrence time of the different disastrous weather.

2 大尺度天氣背景

2.1 環(huán)流形勢

2018年6月13日08時500 hPa圖上(圖2)，蒙古到河西走廊為較強的高壓脊，脊前有一低渦位于河北北部—東北地區(qū)南部，低渦中心與冷中心基本重合，低渦后部到河套地區(qū)有準東西向橫槽和冷槽，河北中南部處于橫槽前的西北氣流中，冷空氣沿強西北氣流向南輸送。700 hPa低渦低槽與500 hPa渦槽系統(tǒng)基本重合，850 hPa與925 hPa低渦中心及切變線位置偏南，在河北南部存在暖中心，北部有明顯冷平流，40°N附近存在東西向鋒區(qū)，從高空到低層形成上冷下暖的層結(jié)結(jié)構(gòu)。地面河北中南部處于倒槽頂部，保定到衡水北部和衡水南部分別有偏北風(fēng)與偏東風(fēng)的輻合線。

圖2 2018年6月13日08時天氣系統(tǒng)綜合配置圖Fig.2 Superposition of themajor weather influencingsystems at 08∶00 BT 13 June2018.

2.2 探空資料分析

13日08時，與河北中南部鄰近的北京與邢臺站探空曲線(圖3)顯示，探空曲線均呈上干下濕喇叭口結(jié)構(gòu)。北京500 hPa以下風(fēng)向順時針旋轉(zhuǎn)，為暖平流，500—250 hPa逆時針旋轉(zhuǎn)，有弱冷平流，900 hPa附近風(fēng)向切變明顯(圖3c)，大氣為上干冷、下暖濕層結(jié)，K指數(shù)達40℃，對流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)為875 J·kg-1。邢臺風(fēng)向順時針旋轉(zhuǎn)，900 hPa附近也有風(fēng)向切變，500 hPa以上存在西北風(fēng)急流，850 hPa以下有等溫層或弱逆溫層，表現(xiàn)為層結(jié)穩(wěn)定的暖蓋，故對流抑制能量(CIN，673 J·kg-1)大于CAPE(560 J·kg-1)。兩站0—6 km垂直風(fēng)切變達21～23 m·s-1，較強的垂直風(fēng)切變有利于強對流發(fā)生發(fā)展。利用衡水當日13:00的氣溫和露點溫度分別對北京、邢臺的探空參數(shù)進行訂正后顯示(圖3a、b)，正午前后CAPE均超過2 500 J·kg-1，且北京探空08時CIN(164 J·kg-1)已全部消失，邢臺CIN明顯減小。本次過程橫槽南壓過程中伴隨冷平流，所以對流發(fā)生時實際的CAPE比其訂正值還要大。同時在-20℃層以上CAPE占整層大氣的比重超過1/2，表明有大量的潛在不穩(wěn)定能量存在于-20℃層以上。

圖3 2018年6月13日08時訂正后的北京(a)、邢臺(b)站探空曲線(斜線陰影區(qū)域為對流有效位能)以及北京站風(fēng)矢端圖(c;藍色數(shù)字表示氣壓，單位：hPa;黑色數(shù)字表示風(fēng)速，單位：m·s-1)Fig.3 Soundingcurves(shaded areas with obliquelinesmark Convective Available Potential Energy)at(a)Beijingand(b)Xingtaistationsafter correction and(c)thewind vector end chart at Beijingstation at 08∶00 BT 13 June2018.In(c),bluenumbers denoteair pressure(unit:hPa)，and black numbersdenotewind speed(unit:m·s-1)

有關(guān)研究表明(樊李苗和俞小鼎，2013；俞小鼎，2014；曹艷察等，2018)，不太高的融化層高度和較大的氣溫垂直遞減率是有利于產(chǎn)生冰雹重要的環(huán)境條件。根據(jù)6月13日08時探空資料的計算結(jié)果可知，北京的0℃層高度約為3.4 km，邢臺0℃層高度為4.1 km左右，由于北京和邢臺對流層中層均存在明顯干層，因此兩站濕球溫度0℃層高度更低至2 km和3 km，融化層高度較低；-20℃層高度分別為6.3 km和6.6 km，0℃和-20℃層高度差均小于3 km，有利于大冰雹形成；850 hPa與500 hPa溫差，北京為30℃，邢臺達34℃，換算成氣溫垂直遞減率則其均大于7℃·km-l。環(huán)境大氣因有較大的氣溫垂直遞減率(達到7℃·km-l及以上)，從而具有較大的CAPE和下沉對流有效位能(DCAPE)，這既有利于強上升運動，也有利于強下沉運動，因而較大的氣溫垂直遞減率有利于產(chǎn)生冰雹和雷暴大風(fēng)天氣(鄭永光等，2017)。

綜上所述，高空強盛偏北風(fēng)急流促使渦后橫槽轉(zhuǎn)豎，槽后冷空氣沿偏北氣流南下并在低空低渦附近及地面輻合線上發(fā)展造成了這次風(fēng)雹天氣，而上干冷、下暖濕層結(jié)，較強的垂直風(fēng)切變，高K指數(shù)和CAPE，較大的氣溫垂直遞減率，適宜的0℃層和-20℃層高度，-20℃層以上較大的潛在不穩(wěn)定能量，為此次長生命史超級單體風(fēng)暴提供了有利的環(huán)境條件，使得雹云能夠旺盛發(fā)展。

3 風(fēng)暴雷達觀測特征分析

3.1 雷達回波演變特征

利用石家莊新樂SA多普勒天氣雷達站(114°42′43″E，38°21′07″N，128.3 m)產(chǎn)品資料，對上述風(fēng)暴的回波演變特征分析如下。圖4給出2018年6月13日14∶00—18∶00間隔30 min的風(fēng)暴移動路徑與相應(yīng)時刻強天氣位置示意圖。從中可見，自13日13∶30開始，保定、衡水等地有對流生成，配合自東北至西南方向的冷平流和溫度槽區(qū)，保定東北部形成東北風(fēng)與偏東風(fēng)的不連續(xù)線。此不連續(xù)線上有多單體帶狀回波產(chǎn)生，此后對流系統(tǒng)在其西南方向新生、傳播、發(fā)展，并配合速度場上帶狀回波的西部輻合、東部輻散，致使帶狀回波的東部減弱、西部加強。14:18，保定北部形成2個強單體，3～6 km高度偏南單體呈氣旋性旋轉(zhuǎn)，偏北單體呈反氣旋旋轉(zhuǎn)，氣旋性旋轉(zhuǎn)單體快速加強，反氣旋旋轉(zhuǎn)單體快速減弱；14:30，偏南單體強度達60 dBz以上，自北向南移動，偏北單體強度在40 dBz以下，在其自西北向東南方向移動過程中迅速減弱。14∶36，對流風(fēng)暴在對流層中低層生成并南移，強度迅速加強。14∶48，對流風(fēng)暴到達保定，反射率因子最大達63 dBz，其垂直伸展高度達8 km，徑向速度圖上風(fēng)暴移向右前方出現(xiàn)正負速度對，距離雷達站83 km，正負速度對中心相距5.2 km，轉(zhuǎn)動速度達25 m·s-1，達到弱中氣旋標準，進而發(fā)展成超級單體風(fēng)暴，此后該孤立超級單體自北向南移動，先后經(jīng)過保定中南部和衡水西部縣市，使其沿途5個氣象站和多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站觀測到冰雹，20個國家站和區(qū)域站出現(xiàn)8級以上大風(fēng)，17:12該超級單體風(fēng)暴減弱為普通對流風(fēng)暴，并于18:00在衡水南部消失。

圖4 2018年6月13日14∶00—18∶00每間隔30 min的風(fēng)暴移動路徑(黑色虛線所示)與強天氣位置示意圖(填色區(qū)為≥30 dBz組合反射率因子)Fig.4 Stormmovingpath(shown by black dashed line)and severeweather location in every 30 minutesfrom14∶00 BTto18∶00 BT 13 June2018.Color-filled areasshow wherecombined reflectivity factor isgreater than or equal to30 dBz.

按照對流回波類型，上述風(fēng)暴的生命史共包括3個階段:(1)發(fā)展階段(6月13日14∶36—14∶42)，即自風(fēng)暴開始編號到成為超級單體。此階段，由普通對流風(fēng)暴僅2個體掃就迅速發(fā)展為超級單體風(fēng)暴，垂直積分液態(tài)水含量(VIL)和最大反射率因子高度(Zmax)均有一次躍增，但Zmax變化不大(圖5)，50 dBz強回波核心高度由7 km躍升到9 km，達到-30℃層高度以上。(2)維持階段(13日14∶48—17∶06)，即超級單體存續(xù)期間。此階段超級單體維持時間長達138 min，路徑長達近120 km，強回波質(zhì)心高度一般維持在4～5 km，風(fēng)暴底高基本上在0.9～2 km之間，風(fēng)暴頂高多在8～11 km，VIL基本上維持在55 kg·m-2以上，最大達74 kg·m-2，50 dBz強回波核心高度一直維持在9 km左右，且其16∶30—16∶54連續(xù)5個體掃均達10 km以上，維持在-30℃層高度以上。(3)消亡階段(13日17∶12—18∶00)，即超級單體減弱成普通風(fēng)暴直至消失。隨著風(fēng)暴底高迅速升高、頂高迅速下降和VIL快速下降，17∶12超級單體減弱為普通對流風(fēng)暴，但超級單體消失后仍有3個體掃50 dBz回波高度達到9 km以上，17∶30后50 dBz回波高度迅速下降，17∶48降至0℃層高度以下，18時對流風(fēng)暴在衡水南部消失。由此可知，上述整個風(fēng)暴生命史長達204 min，移行180 km左右，平均移速約14 m·s-1，該風(fēng)暴前期自北向南移，移速較慢，后期轉(zhuǎn)為向南略偏東方向移動，移速加快，到達衡水南部后又轉(zhuǎn)向南移動直至消失(圖4)。

圖5 2018年6月13日14:36—18:00石家莊雷達探測的風(fēng)暴底高(菱形)、頂高(黑色圓點)與質(zhì)心高度(折線)變化(a)，以及垂直積分液態(tài)水含量(VIL)、最大反射率因子與最大反射率因子高度(b)變化(向上箭頭表示降雹時刻，向下箭頭表示質(zhì)心下降)Fig.5 Variations of(a)bottomheight(rhombus),top height(black dots)and centroid height(broken lines),and(b)vertically integrated liquid water content(VIL),maximumreflectivity factor and itsheight of stormfrom Shijiazhuangweather radar from14∶36 BTto18∶00 BT 13 June2018.Up-pointingarrowsindicatehail time,and down-pointingarrowsindicate the fall of centroid.

3.2 風(fēng)暴參數(shù)演變

分析上述風(fēng)暴生命史過程中風(fēng)暴底高、頂高、質(zhì)心高度，垂直積分液態(tài)水含量(VIL)，最大反射率因子(Zmax)及其高度等參數(shù)的時間演變可知(圖5)，其整個生命史過程對流發(fā)展都非常旺盛，風(fēng)暴單體Zmax基本上維持在65 dBz以上，其中15∶06—16∶30連續(xù)15個體掃Zmax達70 dBz以上。風(fēng)暴最強盛時，回波強度達77 dBz，回波頂高超過11 km。其間，風(fēng)暴質(zhì)心高度波動明顯，在14∶52、15∶18、16∶36、17∶00、17∶24先后5次出現(xiàn)下降，其中16∶36下降最明顯，Zmax高度在相應(yīng)時段也有不同程度的下降。結(jié)合天氣實況可知，上述各質(zhì)心高度波動時段正好對應(yīng)對流風(fēng)暴產(chǎn)生冰雹的前后。由此推斷，質(zhì)心高度下降前后都可能與降雹時間對應(yīng)。與風(fēng)暴頂高相比，其質(zhì)心高度下降趨勢更明顯，即風(fēng)暴在從醞釀到降雹過程對流發(fā)展強盛，醞釀期云體厚度變化不大，降雹期云體厚度減弱趨勢小于由于云中大粒子迅速下降而造成的質(zhì)心下降(吳海英等，2017)。在風(fēng)暴VIL的時間變化中只有衡水站出現(xiàn)冰雹時(17∶01)可清晰地捕捉到其迅速下降的征兆，而其它幾次降雹時的VIL下降均不明顯，一直維持較高值，這可能與降雹時伴有降水有關(guān)。

4 超級單體的雷達觀測特征

4.1 中氣旋的演變特征

超級單體風(fēng)暴最主要的特征是具有深厚持久的中氣旋。上述風(fēng)暴6月13日14∶48就識別出了中氣旋，預(yù)示超級單體形成。中氣旋形成前后2個體掃風(fēng)暴強中心高度從3.9 km上升到4.9 km，VIL提前一個體掃從50 kg·m-2躍增到68 kg·m-2。在其維持階段，VIL均在54 kg·m-2以上，最大達74 kg·m-2(圖5b)。從6月13日14∶48—17∶06中氣旋底高(M-BASE，HM-B)、頂高(M-TOP，HM-T)、最強切變強度(M-SHEAR，IM-S)與最強切變高度(HGT，HM-S)的時間變化圖上看到(圖6)，HM-T變化幅度較小，基本維持在5.8～7.9 km；HM-B最低達風(fēng)暴底部，最高達5.5 km；中氣旋直徑最大為8.8 km、最小為2.5 km(圖略)；中氣旋厚度基本維持在2 km以上，最大厚度為6.8 km(圖略)；IM-S極大值為40×10-3s-1，這說明風(fēng)暴內(nèi)旋轉(zhuǎn)上升氣流較為強烈，有利于對流風(fēng)暴的維持和加強；HM-S最高為7.9 km，最低0.9 km，差別較大，其中經(jīng)歷了7次驟升驟降過程。這表明中氣旋發(fā)展維持過程中變化較大，即在此超級單體演變過程中，即使強冰雹降落、對流能量快速釋放，超級單體內(nèi)部的環(huán)流并未被破壞，只是暫時減弱，且此后再度發(fā)展并維持的時間相當長，并在其移動過程接連產(chǎn)生了冰雹、雷暴大風(fēng)；降雹期間對應(yīng)超級單體風(fēng)暴減弱。

圖6 2018年6月13日14∶48—17∶06中氣旋底高(H M-B,單位:km)、頂高(H M-T,單位:km)、最強切變強度(I M-S,單位:10-3 s-1)與最強切變高度(H M-S,單位:km)的時間變化(箭頭表示降雹時刻)Fig.6 Temporal variation of bottomheight(H M-B,unit:km),top height(H M-T,unit:km),maximumshear intensity(I M-S,unit:10-3 s-1)and theheight(H M-S,unit:km)of maximumshear for mesocyclonesfrom14∶48 BTto 17∶06 BT 13 June2018.Arrowsindicatehail time.

結(jié)合地面天氣實況，進一步分析圖6可知，HM-S在15∶00出現(xiàn)一次突降，對應(yīng)保定出現(xiàn)冰雹，這與方翀和鄭媛媛(2007)、馮晉勤等(2010)研究得到的冰雹出現(xiàn)時中氣旋最強切變中心突降的結(jié)論一致。安平站觀測到冰雹前后(16∶06—16∶12)HM-S變化不大，深州站16∶30和衡水站17∶00出現(xiàn)冰雹時，HM-S均突然升高，與前2次表現(xiàn)不一致。HM-B在1.0～5.5 km之間變化，15∶48、16∶30和17∶00出現(xiàn)3次顯著抬升，分別抬升了2 km、3 km和2 km，HM-S逼近HM-B或HM-T，此后安平、深州和桃城區(qū)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)自北向南均出現(xiàn)降雹。當HM-B突然升高與HM-S逼近底高或頂高時，表明中氣旋明顯加強。15∶18—15∶42出現(xiàn)連續(xù)“高頂?shù)偷住敝袣庑Y(jié)構(gòu)，HM-S大多位于中氣旋中上部，中氣旋厚度很大，平均5.9 km左右，最大厚度為6.8 km，遠超出朱君鑒等(2005)指出的山東產(chǎn)生冰雹的中氣旋厚度指標(2.5 km)；15∶48—17∶06，HM-B迅速抬升后，呈現(xiàn)“高頂高底”，表明風(fēng)暴發(fā)展劇烈。HM-S可用來反映風(fēng)暴內(nèi)部螺旋擾動狀況，其中15∶18的IM-S突增到40×10-3s-1，此時保定清苑部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，此后15∶30、15∶54和16∶18的IM-S又經(jīng)歷3次躍增，分別對應(yīng)博野、安平、深州部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)大冰雹。此次超級單體伴有的中氣旋存在時間長達23個體掃，深厚強上升運動及其較長時間的維持是大冰雹產(chǎn)生的充分條件。此中氣旋初生時，其厚度較大，直徑不斷增大，前10個體掃的中氣旋厚度除1個體掃外均在3.9 km以上，15∶30厚度最大達6.8 km，但此時其直徑驟減，IM-S最大達35×10-3·s-1，Zmax為75 dBz，與此時博野產(chǎn)生的大冰雹對應(yīng)較好。下一體掃IM-S迅速減小，中氣旋直徑增大，HM-S也迅速抬高，超級單體隨之減弱。

方翀和鄭媛媛(2007)研究發(fā)現(xiàn)，當中氣旋最強切變值達到15×10-3s-1以上就極有可能出現(xiàn)超過25 m·s-1以上的強風(fēng)或龍卷。而河北這次超級單體風(fēng)暴的最強切變值最高達40×10-3s-l，尤其16∶18后9個體掃均達到了24×10-3s-l以上，其中連續(xù)5個體掃在30×10-3s-l以上，對應(yīng)保定、衡水共25個自動站最大風(fēng)力達8級以上，其中1站達11級。中氣旋維持期間觀測站先后4次記錄到降雹，前2次出現(xiàn)在保定、安平，降雹時最強切變高度均在中氣旋底部；后2次出現(xiàn)在深州和衡水，降雹時最強切變高度均達到中氣旋頂部。

4.2 氣旋與反氣旋渦旋對特征

雷達相對風(fēng)暴平均徑向速度(SRM)產(chǎn)品可用來探測被風(fēng)暴運動掩蓋掉的切變區(qū)域(如中氣旋、輻散及龍卷渦旋特征)，對快速移動的風(fēng)暴最為有效(俞小鼎等，2006)。刁秀廣等(2009)在分析了3次風(fēng)暴成熟階段中層反射率因子和平均徑向速度后指出，強對流風(fēng)暴中層水平氣流表現(xiàn)為不同的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，既存在單一氣旋式旋轉(zhuǎn)，又存在氣旋與反氣旋并存的結(jié)構(gòu)。下文用SRM產(chǎn)品分析此次強對流過程中超級單體的氣旋、反氣旋渦旋對特征。在強風(fēng)切變環(huán)境中旺盛發(fā)展的風(fēng)暴14∶42(2.4°仰角，4.7 km，圖略)就形成了氣旋、反氣旋渦旋對結(jié)構(gòu)，即風(fēng)暴前側(cè)為氣旋性旋轉(zhuǎn)，正負徑向速度差約25 m·s-1，后側(cè)為反氣旋性旋轉(zhuǎn)；14∶48超級單體形成時風(fēng)暴中層(2.4°仰角，4.6 km，圖7a)氣旋式與反氣旋式旋轉(zhuǎn)并存，氣旋式渦旋較強，正負徑向速度差約30 m·s-1，位于雹暴移動前方，反氣旋式渦旋較弱，位于雹暴移動后方；15∶30風(fēng)暴中層(2.4°，4.0 km，圖7b)的前側(cè)同樣有氣旋式旋轉(zhuǎn)，正負徑向速度差約35 m·s-1，后側(cè)同時存在弱反氣旋式旋轉(zhuǎn)；15∶48(圖8)風(fēng)暴中層的3.4°和4.3°仰角圖上也有明顯的氣旋、反氣旋渦旋對特征；16:06風(fēng)暴中層(2.4°，4.2 km，圖略)的前側(cè)仍為氣旋式旋轉(zhuǎn)，后側(cè)同時存在弱反氣旋式旋轉(zhuǎn)。這種內(nèi)部環(huán)流結(jié)構(gòu)不易受環(huán)境風(fēng)影響，雹暴得以長時間維持(許煥斌，2012)。到17∶00中氣旋趨于消失時，氣旋、反氣旋渦旋對特征仍然維持但有所減弱，風(fēng)暴中層(2.4°，4.0 km，圖略)前側(cè)氣旋正負徑向速度差減小到25 m·s-1；17∶18中氣旋已消失2個體掃，氣旋、反氣旋渦旋對特征仍然存在(圖7c)。這種深厚的內(nèi)部環(huán)流結(jié)構(gòu)不易被環(huán)境風(fēng)影響，環(huán)境風(fēng)繞風(fēng)暴而過，不會對風(fēng)暴造成破壞。由于氣旋式渦旋強，雹暴偏向環(huán)境西北風(fēng)右移較多。17∶18后氣旋、反氣旋渦旋對結(jié)構(gòu)消失，速度場上為大面積正速度區(qū)，輻散明顯，雹暴快速減弱消失。此超級單體維持期間一直伴有氣旋、反氣旋渦旋對結(jié)構(gòu)，且氣旋式渦旋一直強于反氣旋式渦旋，使超級單體具有較長的生命史。

圖7 2018年6月13日14∶48(a)、15∶30(b)、17∶18(c)石家莊雷達2.4°仰角相對風(fēng)暴平均徑向速度圖(黃色圓圈表示中氣旋，藍色箭頭線表示氣旋、反氣旋渦旋對)Fig.7 Storm Relative Velocity Maps (SRM) at 2.4° elevation angle from Shijiazhuang radar at (a) 14∶48 BT, (b) 15∶30 BT and (c) 17∶18 BT 13 June 2018. Yellow circles denote mesocyclones, and blue lines with arrows denote the votex pairs of cyclone and anticyclone.

在此次強對流過程的超級單體維持階段，15:48中氣旋各仰角的SRM上(圖8)，低層0.5°仰角(1.6 km)為純輻合，1.5°仰角(2.8 km)為氣旋性輻合旋轉(zhuǎn)，3.4°仰角(5.0 km)和4.3°仰角(6.2 km)雖然有氣旋、反氣旋渦旋對結(jié)構(gòu)，但氣旋性渦旋強于反氣旋，6°仰角(8.4 km)為氣旋性輻散旋轉(zhuǎn)，9.9°仰角(12.6 km)為純輻散，超級單體在垂直氣流結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為低層氣旋性輻合、中層氣旋性旋轉(zhuǎn)、高層輻散，這種結(jié)構(gòu)反映了超級單體內(nèi)部強烈的旋轉(zhuǎn)上升運動，中層氣旋性旋轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)?yīng)風(fēng)暴內(nèi)部上升氣流區(qū)，中低層深厚的輻合和氣旋式旋轉(zhuǎn)、高層輻散形成的抽吸作用產(chǎn)生了強動力抬升，使單體強回波發(fā)展到-20℃層以上，有利于雹胚持續(xù)增長，進而產(chǎn)生冰雹和地面大風(fēng)。

圖8 2018年6月13日15:48石家莊新樂雷達0.5°(a)、1.5°(b)、3.4°(c)、4.3°(d)、6.0°(e)、9.9°(f)仰角相對風(fēng)暴平均徑向速度圖(黃色圓圈表示中氣旋)Fig.8 Storm Relative Velocity Maps (SRM) at (a) 0.5°, (b) 1.5°, (c) 3.4°, (d) 4.3°, (e) 6.0°, and (f) 9.9°elevation angles from Xinle radar in Shijiazhuang at 15∶18 BT on 13 June 2018. Yellow circles denote mesocyclones.

4.3 鉤狀回波與弱回波區(qū)特征

6月13日14∶48超級單體形成后向偏南方向移動，15∶54強回波位于安平北部，并出現(xiàn)鉤狀回波特征(圖9a)。從沿雷達徑向過鉤狀回波所作的反射率因子垂直剖面圖上(圖9b)，可見回波墻-弱回波區(qū)-懸掛回波的典型結(jié)構(gòu)，其中4—8 km高度處強度最大。相應(yīng)的徑向速度垂直剖面上(圖9c)則可見低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)，且高空輻散強度大于低層輻合強度，這種抽吸作用有利于強對流發(fā)展加強。16∶06回波移到安平(圖9d)，沿雷達徑向過鉤狀回波的強度剖面圖上也可看到明顯回波墻-弱回波區(qū)-懸掛回波結(jié)構(gòu)(圖9e)，相應(yīng)的徑向速度垂直剖面圖上(圖9f)顯示，風(fēng)暴內(nèi)部中低層(2—6 km)為較深厚的輻合區(qū)，從徑向流入與流出氣流的垂直分布看，輻合中心位于3—4 km附近，此高度上緊鄰的徑向流入/流出速度分別為±15m·s-1，3 km以下低層風(fēng)場以徑向流入氣流為主。從氣流分布與風(fēng)暴相對位置看，風(fēng)暴低層伴有一支較強暖濕入流，2 km左右徑向風(fēng)速達19 m·s-1，對應(yīng)明顯的輻合區(qū)。風(fēng)暴高層至頂部(8 km以上)為流出氣流，風(fēng)場輻散特征非常明顯，風(fēng)暴頂強烈的抽吸作用增強了風(fēng)暴底層的入流氣流，對應(yīng)此時安平附近出現(xiàn)的大風(fēng)。

圖9 2018年6月13日15:54石家莊雷達1.5°仰角基本反射率因子圖(a)與沿圖a中粗紫線所作的反射率因子(b)和基本速度(c)剖面圖，以及16:06的2.4°仰角基本反射率因子圖(d)與沿圖d中粗紫線所作的反射率因子(e)和基本速度(f)剖面圖Fig.9(a)Basic reflectivity factor(unit:dBz)at 1.5°elevation anglefrom Shijiazhuangradar and thevertical crosssectionsof(b)reflectivity factor and(c)radial velocity(unit:m·s-1)alongthethick purplelinein(a)at 15∶54 BT,and(d)basic reflectivity factor(unit:dBz)at 2.4°elevation angleand thevertical crosssectionsof(b)reflectivity factor and(c)radial velocity alongthethick purplelinein(d)at 16∶06 BTon 13 June2018.

4.4 旁瓣回波和三體散射

冰雹云強度越大，高反射率因子區(qū)域越大，反射率因子核心強度越大，三體散射(TBSS)長度就越長(廖玉芳等，2007；李浚河等，2016)。河北此次強對流天氣過程超級單體風(fēng)暴形成12 min后2.4°和3.3°仰角反射率因子圖上就觀測到了TBSS雛形，旁瓣回波出現(xiàn)略晚2個體掃，此后向上向下高、底層均可見旁瓣回波和三體散射，且隨后越來越明顯，旁瓣回波持續(xù)時間比三體散射短，大約維持1 h，TBSS最長超過60 km(圖10)，說明冰雹云發(fā)展非常強烈。保定出現(xiàn)冰雹時三體散射還不明顯，15∶30(圖10a)，博野出現(xiàn)大冰雹時，三體散射和旁瓣回波均較強，其中三體散射長度達60 km以上，安平出現(xiàn)冰雹前后(16∶06—16∶12，圖10b)和深州16∶30(圖10c)出現(xiàn)冰雹時三體散射長度也在60 km以上，隨著冰雹云減弱，高反射率因子區(qū)域越來越小，17∶00衡水出現(xiàn)冰雹時三體散射長度降至50 km以下，17∶24冀州出現(xiàn)冰雹時三體散射長度降至10 km左右，且后2站出現(xiàn)冰雹時旁瓣回波也明顯減弱。

圖10 2018年6月13日石家莊雷達15時30分3.3°仰角(a)、16時06分2.4°仰角(b)、16時30分3.3°仰角(c)基本反射率因子圖Fig.10 Basic reflectivity factor(unit:dBz)at(a)1.5°elevation angleat 15∶30 BT,(b)2.4°elevation angleat 16∶06 BT and(c)3.3°elevation angleat 16:30 BTon 13 June2018 from Shijiazhuangradar.

TBSS持續(xù)時間也是強冰雹預(yù)警的關(guān)鍵因素之一。廖玉芳等(2007)統(tǒng)計分析20個TBSS個例表明，只有20%的TBSS持續(xù)時間超過90 min。而河北此次強風(fēng)雹過程中，TBSS初始出現(xiàn)時間是6月13日15∶06，結(jié)束時間是17∶36，持續(xù)時間長達23個體掃(150 min)，超級單體減弱消失后還維持了5個體掃，這在以往的觀測中較為罕見。其中1.5°到3.3°仰角回波圖上TBSS存在時間超過20個體掃，而4.3°仰角圖上TBSS持續(xù)18個體掃；6.0°仰角圖上TBSS持續(xù)12個體掃；0.5°仰角回波圖由于地物遮擋或高度太低只觀測到TBSS持續(xù)17個體掃。旁瓣回波和三體散射均是產(chǎn)生大冰雹的典型觀測特征，TBSS持續(xù)時間相對較長可對強冰雹預(yù)警起到關(guān)鍵作用。TBSS出現(xiàn)頻次與風(fēng)暴相對于雷達的方位關(guān)系很大。當風(fēng)暴位于雷達的東北、東和東南方向時，TBSS被觀測到的頻率很低(廖玉芳等，2007)。但此次強風(fēng)雹過程的風(fēng)暴自北向南依次處于雷達的東北、東及東南方向，仍觀測到了TBSS較長時間持續(xù)，且TBSS長度也較長，充分說明此次冰雹云反射率因子核心強度和高反射率因子區(qū)域均較大。

4.5 雙偏振雷達特征

利用饒陽X波段雙偏振雷達站(115°44′35″E，38°13′23″N，32.9 m，位于圖4中深州東北方)產(chǎn)品，對6月13日引起深州降雹的超級單體風(fēng)暴作進一步分析。圖11給出6月13日16:30饒陽雙偏振雷達探測的2.5 km高度水平通道反射率(Zh)及其剖面、差分反射率(Zdr)剖面、以及水平通道和垂直通道互相關(guān)系數(shù)(Rohv)剖面圖。從中看到，雖然因為電磁波衰減致使強回波主體在低仰角雷達圖上顯示異常，但降雹時刻單體回波位置仍能正常顯示(圖11a中黑框所示)，相應(yīng)沿雷達徑向的Zh剖面圖上(圖11b)可見Zh在2.5 km高度附近存在極大值(≥55 dBz)，對應(yīng)位置的Zdr為-0.5～0.5 dB(圖11c)，說明此處有個頭較大或數(shù)量較多的球形粒子存在。而該位置對應(yīng)的Kdp僅1.5～2.0°/km(圖略)，同時Rohv在0.75～0.92之間(圖11d)，噪聲較大，說明該處粒子之間的相態(tài)不完全一致。綜上分析可知，雷達圖上黑色矩形框內(nèi)的最強回波處，在2.5 km高度附近同時存在液滴和較大冰雹，與地面“雨加雹”的降水實況吻合。

圖11 2018年6月13日16:30饒陽雙偏振雷達2.5 km高度水平通道反射率Z h(a)及其沿雷達徑向(圖a中粗黑線)剖面圖(b)、差分反射率(Z dr)剖面圖(c)以及水平通道和垂直通道協(xié)相關(guān)系數(shù)(ρhv)剖面圖(d)(矩形黑框位置表示反射率因子最強處)Fig.11(a)Reflectivity factor(Z h,unit:dBz)at horizontal polarization at 2.5 kmheight and(b)itscrosssection alongthethick black linein(a),as well as the crosssections of(c)differential reflectivity(Z dr)and(d)correlation coefficient(ρhv)between horizontal and vertical polarization from Raoyang dual-polarimetric radar at 16∶30 BTon 13 June2018.Black rectangular boxes mark the place where there flectivity factor is strongest.

5 結(jié)論及討論

本文利用常規(guī)觀測資料、地面自動站資料以及石家莊多普勒天氣雷達和饒陽雙偏振雷達資料等，分析了2018年6月13日影響河北中南地區(qū)的一個長生命史超級單體風(fēng)暴的雷達觀測特征，主要得到以下幾點結(jié)論:

(1)此次超級單體發(fā)生在渦后橫槽轉(zhuǎn)豎的環(huán)流背景下，槽后冷空氣沿偏北風(fēng)急流南下，上干冷、下暖濕的層結(jié)，強垂直風(fēng)切變，高的K指數(shù)和對流有效位能，較大的氣溫垂直遞減率，適宜的0℃和-20℃層高度，以及-20℃層以上大量的潛在不穩(wěn)定能量，為雹云生成和發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件。

(2)此次風(fēng)暴過程的生命史長204 min，其最大反射率因子基本上維持在65 dBz以上，超級單體維持時間長達138 min。風(fēng)暴發(fā)展階段的垂直積分液態(tài)水含量和最大反射率因子高度均有一個躍增過程。中氣旋底高最低可達風(fēng)暴底部，HM-T變化幅度較小，低質(zhì)心中氣旋和高質(zhì)心中氣旋都可降雹，HM-S躍增和突降期均可降雹，降雹期間對應(yīng)超級單體暫時減弱。中氣旋厚度最大為6.8 km，最強切變最高達40×10-3s-l，反映了中氣旋發(fā)展強盛且深厚，是超級單體發(fā)展和維持的重要動力機制。

(3)超級單體形成1 h后其鉤狀回波特征明顯，表現(xiàn)為回波墻-弱回波區(qū)-懸掛回波的典型垂直結(jié)構(gòu)，4—8 km高度處回波強度最大。速度剖面呈現(xiàn)低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)，且高空輻散大于低層輻合；旁瓣回波維持約1 h，TBSS最長尺度超過60 km，持續(xù)時間長達150 min。

(4)低空輻合、中空旋轉(zhuǎn)、高空輻散的流場結(jié)構(gòu)有利于超級單體內(nèi)部強烈的旋轉(zhuǎn)上升運動；超級單體維持期間一直伴有氣旋、反氣旋渦旋對。

(5)雙偏振雷達探測的超級單體反射率因子≥55 dBz，對應(yīng)位置的差分反射率為-0.5～0.5 dB，差分傳播相移率僅為1.5～2.0°/km，同時相關(guān)系數(shù)在0.75～0.92之間，表明超級單體內(nèi)同時存在液滴和較大冰雹。

此次過程超級單體維持期間，50 dBz回波高度一直維持在9-10 km，達到-30℃層以上，降雹結(jié)束后其高度迅速下降至9 km以下；基于單體的VIL在中氣旋形成前一個體掃出現(xiàn)躍增，降雹期間維持在54 kg·m-2以上，降雹后則迅速降至50 kg·m-2以下；最強切變平均21×10-3s-l，最強切變高度在中氣旋底部或頂部時均與地面降雹時間吻合?？梢姡?0 dBz的高度和基于單體的VIL值對降雹有一定的指示作用，中氣旋切變強度與冰雹的形成有關(guān)，最強切變的高度與冰雹關(guān)系不大。由于受探測資料的限制以及風(fēng)暴形成和消亡階段變化過快，文中的分析尚不能揭示各項雷達探測指標與冰雹的關(guān)系，這也是下一步需要深入研究的內(nèi)容。