王玨，肖艷姣，冷亮，付志康，管振宇

(1.中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205；2.武漢中心氣象臺(tái)，武漢 430074)

引 言

龍卷風(fēng)和雷暴大風(fēng)是兩類產(chǎn)生巨大災(zāi)害的中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣。龍卷風(fēng)是從對(duì)流云中伸展到地面的劇烈旋轉(zhuǎn)的漏斗狀云柱，是破壞力極大的小尺度(幾十米到幾百米)災(zāi)害天氣。而雷暴大風(fēng)是強(qiáng)風(fēng)暴或與颮線、強(qiáng)鋒面有關(guān)的帶狀對(duì)流中處于成熟階段的單體中的下沉氣流(在地面產(chǎn)生≥18 m·s-1輻散性大風(fēng)的強(qiáng)下沉氣流稱為下?lián)舯┝?在近地面處向水平方向擴(kuò)散形成的輻散性的陣風(fēng)(>17.2 m·s-1)，偶爾雷暴大風(fēng)也會(huì)由很強(qiáng)的低層入流產(chǎn)生。

研究龍卷風(fēng)和雷暴大風(fēng)發(fā)生的環(huán)境和多普勒雷達(dá)特征有助于提前預(yù)警這兩類災(zāi)害天氣(俞小鼎等，2020；鄭永光，2020)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者通過(guò)分析龍卷個(gè)例的環(huán)境背景場(chǎng)和雷達(dá)資料發(fā)現(xiàn)，龍卷過(guò)程多發(fā)生在較大的對(duì)流有效位能、較強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變和低的抬升凝結(jié)高度的環(huán)境條件下，且龍卷發(fā)生地附近都有低層邊界(冷鋒或雷暴外流邊界等)(Brooks et al，2003；Craven and Brooks，2004；姚葉青等，2007；王秀明等，2015)。龍卷超級(jí)單體風(fēng)暴在雷達(dá)上能監(jiān)測(cè)到較為明顯的鉤狀回波、回波懸垂和低層中等強(qiáng)度以上的中氣旋甚至尺度更小的龍卷渦旋特征(Tornado Vortex Signature,TVS)(Desrochers et al.，1992;Burgess et al.，1993；李婉儀等，2020)，而非龍卷超級(jí)單體的回波形態(tài)和強(qiáng)度不盡相同，但是能觀測(cè)到風(fēng)暴頂?shù)募ぴ龊偷蛯訌较蛩俣壬系男〕叨葴u旋(刁秀廣等，2014；朱義青等，2020)。在雷暴大風(fēng)的發(fā)生環(huán)境和特征方面，廖曉農(nóng)等(2009)發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)絕大多數(shù)雷暴大風(fēng)的環(huán)境背景都具有對(duì)流層中層存在明顯干層的特征，方翀等(2017)發(fā)現(xiàn)華北平原的雷暴大風(fēng)多發(fā)生在有較大的垂直風(fēng)切變環(huán)境中，劉希文等(2018)和李彩玲等(2021)通過(guò)分析其他地區(qū)的雷暴大風(fēng)個(gè)例也發(fā)現(xiàn)了相似的環(huán)境特征。由成熟雷暴中的強(qiáng)下沉氣流產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)在低仰角徑向速度場(chǎng)上表現(xiàn)為小尺度徑向輻散特征(雷達(dá)徑向上的正負(fù)速度對(duì))或大風(fēng)核區(qū)(因外部環(huán)境因子影響和離散的小尺度下沉氣流疊加引起的非對(duì)稱性出流)(Fujita，1979；Wilson and Schreiber，1986；Botts，1989)。弓狀回波也是一種在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)下?lián)舯┝鞯幕夭ㄐ螒B(tài)(Fujita，1979；崔講學(xué)等，2007；吳翠紅等，2012)。Roberts和Wilson(1989)使用單個(gè)和多個(gè)多普勒天氣雷達(dá)研究了一些云內(nèi)下?lián)舯┝靼l(fā)生的先兆，他們確定了在下?lián)舯┝?初始地面出流)發(fā)生前2~6 min普遍出現(xiàn)的4個(gè)主要特征：1)下降的反射率因子核；2)云底附近或之上高度增加的徑向輻合；3)沿風(fēng)暴邊緣腐蝕的反射率因子(反射率因子槽口)；4)繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者通過(guò)下?lián)舯┝鱾€(gè)例分析也證實(shí)了這些先兆特征的存在(王玨等，2009；劉希文等，2018；張弛等，2019；李彩玲等，2021)。

這些研究表明產(chǎn)生龍卷和雷暴大風(fēng)的對(duì)流系統(tǒng)在大氣環(huán)境背景和雷達(dá)回波上有一些相似的特征，而龍卷天氣的發(fā)生概率比雷暴大風(fēng)天氣要小得多，在不常發(fā)生龍卷的地區(qū)難以快速確定可能發(fā)生哪種災(zāi)害性天氣，因此對(duì)這兩種天氣的環(huán)境背景和雷達(dá)特征進(jìn)行對(duì)比分析，有助于快速識(shí)別這兩種天氣。2021年5月10日和14日，湖北武漢先后發(fā)生了雷暴大風(fēng)和龍卷天氣過(guò)程。本文利用常規(guī)探空和武漢多普勒天氣雷達(dá)資料，對(duì)這2次過(guò)程的環(huán)境條件、多普勒雷達(dá)回波特征和雷達(dá)衍生參量進(jìn)行了對(duì)比分析，為預(yù)報(bào)預(yù)警這兩類大風(fēng)天氣提供參考。

1 天氣實(shí)況及資料

2021年5月10日下午，湖北省東部地區(qū)發(fā)生了大范圍雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水天氣，11—18時(shí)(北京時(shí)，下同)累計(jì)降水≥50 mm的區(qū)域站有114個(gè)，其中最大小時(shí)降水99.6 mm(城市學(xué)院站，14—15時(shí))，≥100 mm的區(qū)域站有3個(gè)，最大累計(jì)降水為121.1mm(城市學(xué)院站)，小時(shí)極大風(fēng)風(fēng)速≥17.2 m?s-1的有236站次，最大值為44.9 m?s-1(二七長(zhǎng)江大橋站，14:40)，黃石、鄂州等地還出現(xiàn)了冰雹(圖1 a)。5月14日晚，湖北省東部地區(qū)再次發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，其中武漢市蔡甸區(qū)奓山街出現(xiàn)了EF3級(jí)龍卷風(fēng)，根據(jù)災(zāi)情調(diào)查分析，龍卷風(fēng)出現(xiàn)時(shí)段為20:33—20:54(圖1中所示)，伴有雞蛋大的冰雹，距離龍卷風(fēng)路徑最近的奓山觀測(cè)站極大風(fēng)速23.9 m·s-1(距離龍卷位置3.68 km，20∶39)，20—21時(shí)降水28.2 mm(圖1b)，兩次天氣過(guò)程均造成了人員傷亡和大量財(cái)產(chǎn)損失。從圖1中可以看出，兩次過(guò)程災(zāi)害最強(qiáng)的地點(diǎn)均在武漢，都產(chǎn)生了強(qiáng)烈的大風(fēng)，但是伴隨的其它天氣又顯著不同，本文利用武漢常規(guī)探空、逐小時(shí)區(qū)域站和武漢雷達(dá)資料(包括基數(shù)據(jù)和BUB產(chǎn)品)對(duì)這兩次對(duì)流性大風(fēng)過(guò)程的環(huán)境背景和多普勒雷達(dá)特征進(jìn)行分析。BUB中的基本徑向速度、中氣旋和TVS產(chǎn)品都基于未退模糊的速度數(shù)據(jù)生成。

圖1 2021年5月10日(a)和5月14日(b)災(zāi)害性天氣分布實(shí)況(圖1a和圖1b中的色斑圖分別為10日11—18時(shí)、14日16—22時(shí)的累計(jì)降水)Fig.1 Maps of disaster distribution on(a)May 10 and(b)May 14,2021.The color spot diagrams in Figs.1a and 1b are the cumulative precipitation at 11∶00—18∶00 BT on 10 and 16∶00—22∶00 BT on 14 May 2021,respectively.

2 天氣背景

圖2為兩次過(guò)程天氣背景分析、探空和強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前地面要素分析圖，圖中可以看出5月10日08時(shí)湖北主要受川東低槽和中低層低渦東部暖切變的影響，湖北位于暖切變頂部的偏南氣流中；700 hBa冷切變位于河南，850 hBa冷平流由河南進(jìn)入湖北(圖2a)。5月14日20時(shí)，湖北主要受高空槽和中低層西南暖濕氣流影響，500 hBa淺槽位于四川盆地，湖北受850 hBa低渦東部西南氣流控制，湖北中東部位于風(fēng)速輻合區(qū)(圖2b)。

從逐小時(shí)地面觀測(cè)來(lái)看，5月10日下午在湖北東部有3支主要的氣流：①?gòu)纳綎|經(jīng)河南沿漢江河谷而下的較冷偏北氣流(圖2e中綠色箭頭)；②由雷暴產(chǎn)生的，自湖南北部吹向江漢平原的冷性西南氣流(圖2e中藍(lán)色箭頭)；③江西北部沿長(zhǎng)江向西的暖性偏東氣流(圖2e中紫色箭頭)。3支氣流在江漢平原北部交匯形成輻合區(qū)。14時(shí)湖南北部的雷暴冷出流向北推進(jìn)，在湖北中東部形成兩條輻合線，一條位于荊門(mén)北部，一條位于咸寧北部-武漢西部(圖2e綠色雙實(shí)線)。15時(shí)湖北中東部基本上為雷暴高壓控制，輻合線北推到湖北東部邊界處(圖略)。5月14日晚上湖北位于地面暖低壓倒槽頂部，湖北東部同樣有3支氣流：①?gòu)南尻?yáng)吹向江漢平原的較冷西北氣流(圖2f中綠色箭頭)；②從湖南北部吹向江漢平原的暖性東南氣流(圖2f中紫色箭頭)；③由雷暴產(chǎn)生的，從黃岡吹向江漢平原的較冷東北氣流(圖2f中藍(lán)色箭頭)。3支氣流在武漢西南部形成輻合區(qū)，輻合區(qū)一直維持到21時(shí)。從5月14日21∶00—21∶30逐5分鐘的地面風(fēng)觀測(cè)來(lái)看，蔡甸區(qū)一直有小尺度氣旋性輻合存在，而且在21:25風(fēng)速增大到6 m·s-1(圖略)。

探空?qǐng)D上兩次過(guò)程發(fā)生前的濕度和垂直風(fēng)廓線差異明顯。5月10日武漢上空925—500 hBa有明顯的干層存在，而14日則整層濕度均較大；10日的水平風(fēng)垂直切變顯著小于14日的，特別是在1.5 km高度以下，14日的風(fēng)向隨高度劇烈順轉(zhuǎn)約150°，風(fēng)速激增6 m·s-1(圖2c，d)。

圖2 兩次過(guò)程天氣背景及環(huán)境條件分析Fig.2 Analysis of weather background and environmental conditions of two events.

表1給出了使用常規(guī)探空數(shù)據(jù)計(jì)算的一些常用強(qiáng)對(duì)流物理量，包括對(duì)流有效位能(Convective Available Botential Energy,CAPE)、下沉對(duì)流有效位能(Downdraft Convective Available Botential Energyy,DCAPE)、大風(fēng)指數(shù)(Wind Indexy,WI)、抬升凝結(jié)高度(Lifting Condensa?tion Levely,LCL)、垂直風(fēng)切變(DV)、850 hBa和500 hBa的假相當(dāng)位溫差(△θse850-500)、能量螺旋度(Energy Helici?ty Indexy,EHI)、強(qiáng)天氣威脅指數(shù)(SWEAT)等。其中EHI是由CAPE和風(fēng)暴相對(duì)螺旋度(Storm Relative Helicityy,SRH)組成的無(wú)量綱數(shù)，反映CAPE和SRH之間的相互平衡特征，其數(shù)值越大，表示發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣的潛在可能性越大。SWEAT是美國(guó)應(yīng)用于龍卷和強(qiáng)雷暴天氣預(yù)報(bào)的一個(gè)無(wú)量綱物理量，研究表明，其值大于400時(shí)可能發(fā)生龍卷(劉健文等，2005)。從表1中可以看到兩次過(guò)程的WI和LCL差異不大；10日的DCAPE值顯著大于14日的，除此之外，DV、CAPE、△θse850-500、SWEAT和EHI都明顯比14日的小，特別是SWEAT和EHI。

表1 兩次過(guò)程重要觀測(cè)時(shí)段常用強(qiáng)對(duì)流物理量Table 1 Common physical parameters of severe convective at observing session of two events.

3 多普勒雷達(dá)特征

武漢S波段多普勒天氣雷達(dá)能夠提供反射率(R)、徑向速度(V)、垂直累計(jì)液態(tài)含水量(Vertically Integrat?ed Liquid water,VIL)、垂直風(fēng)廓線(Vertical Wind Brofile,VWB)、中氣旋(Mesocyclone,M)、龍卷渦旋特征(Tornado Vortex Signature,TVS)等基本和衍生產(chǎn)品，用于強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)和識(shí)別(俞小鼎等，2006)。因?yàn)槲錆h雷達(dá)0.5°仰角受雷達(dá)站附近建筑影響，在其南部區(qū)域有多方位遮擋，這兩次天氣過(guò)程的對(duì)流系統(tǒng)主要發(fā)生在雷達(dá)站西南，故本文選取1.5°仰角的基本產(chǎn)品進(jìn)行分析。

3.1 反射率因子演變

從反射率因子的演變來(lái)看，從5月10日上午開(kāi)始，湖南北部有混合性降水回波向湖北境內(nèi)移動(dòng)，11時(shí)，降水回波主體進(jìn)入江漢平原，對(duì)流性降水回波在回波帶前部，后側(cè)是大范圍層狀云降水。12時(shí)，該回波帶繼續(xù)向北偏東方向移動(dòng)，咸寧西南有新生對(duì)流向東北方向移動(dòng)。13時(shí)，該對(duì)流帶后部的層狀云與主體位于天門(mén)等地的對(duì)流帶層狀云部分相連接成為一條較長(zhǎng)的回波帶，其前部和武漢東南有多個(gè)對(duì)流新生，受南風(fēng)氣流影響，對(duì)流單體多以北偏東方向移動(dòng)(圖3b箭頭所示)。14時(shí)，武漢西南部形成一條西北-東南向的對(duì)流回波帶，回波帶上不同回波團(tuán)的移動(dòng)方向略有差別(圖3c箭頭所示)，回波帶則向東北方向移動(dòng)，鄂州等地則是有多個(gè)對(duì)流單體發(fā)展，移動(dòng)過(guò)程中與周圍新生單體合并，形成較大回波團(tuán)。到14∶30，雷達(dá)站西南方向的回波帶向東北方向移動(dòng)過(guò)程中與帶前新生對(duì)流合并，地面降水加強(qiáng)，低層反射率因子上看不到出流邊界(圖3d)。45 dBz回波高度達(dá)到7 km，沒(méi)有明顯傾斜，由于災(zāi)害發(fā)生時(shí)回波經(jīng)過(guò)雷達(dá)站，故沒(méi)有觀測(cè)到降回波質(zhì)心突降的現(xiàn)象?；夭◣Ю^續(xù)向東北方向移動(dòng)，其東南端不斷有新生對(duì)流并入，使得對(duì)流帶呈弓狀(圖3e，f)。

圖3 兩次過(guò)程武漢雷達(dá)1.5°仰角基本反射率圖Fig.3 Reflectivity of Wuhan radar at 1.5°elevation in two events

5月14日下午，湖北東南部有大量對(duì)流單體發(fā)展，向東北方向移動(dòng)。18時(shí)在潛江、天門(mén)一帶有多個(gè)對(duì)流發(fā)展，向東北方向移動(dòng)(圖3g)。移動(dòng)過(guò)程中南部單體加強(qiáng)，北部的單體略有減弱，兩者逐漸合并，20時(shí)左右發(fā)展成為較大的單體(圖3i)，20∶18單體東南出現(xiàn)回波缺口和窄帶回波，到20∶24低層反射率因子呈現(xiàn)明顯的鉤狀，鉤狀頭部可以看到清楚的向外延伸的窄帶回波(圖3j)。超級(jí)單體向東偏北方向移動(dòng)，21時(shí)低層反射率圖上鉤狀結(jié)構(gòu)不明顯(圖3k)，22時(shí)直至移到黃岡境內(nèi)減弱消散。

3.2 徑向速度特征

圖4給出了兩次過(guò)程武漢雷達(dá)1.5°仰角徑向速度圖的演變。由圖可見(jiàn)，5月10日13時(shí)左右，咸寧附近的對(duì)流回波內(nèi)為朝向雷達(dá)的速度大值區(qū)并且出現(xiàn)了速度模糊(圖略)，與中低層的西南急流對(duì)應(yīng)。14時(shí)回波連成帶狀后，其后側(cè)呈現(xiàn)大范圍的朝向雷達(dá)的速度，也出現(xiàn)了速度模糊(圖4a)。14∶30，回波經(jīng)過(guò)雷達(dá)站，大風(fēng)核位于雷達(dá)站(圖4b)。當(dāng)回波帶離開(kāi)雷達(dá)站后，徑向速度場(chǎng)表現(xiàn)為遠(yuǎn)離雷達(dá)的大值區(qū)(圖4c)。結(jié)合地面大風(fēng)的逐時(shí)分布來(lái)看，武漢地區(qū)的大范圍大風(fēng)與低層大風(fēng)核的移動(dòng)路徑一致(圖略)。

圖4 兩次過(guò)程不同時(shí)段武漢雷達(dá)1.5°仰角徑向速度圖Fig.4 Doppler velocity diagram of Wuhan radar at 1.5°elevation at different periods of two events.

5月14日19時(shí)(圖略)仙桃附近回波的徑向速度場(chǎng)受距離折疊(紫色區(qū)域)影響，只能看到朝向雷達(dá)的速度，20時(shí)單體回波內(nèi)能清楚地看到氣旋式輻合(圖4d)，20∶06雷達(dá)系統(tǒng)識(shí)別到TVS。20∶30能看到明顯的中氣旋，雷達(dá)系統(tǒng)識(shí)別到TVS(圖4e)。單體內(nèi)氣旋式輻合一直維持，有時(shí)能識(shí)別到TVS，21時(shí)后速度場(chǎng)上氣旋式輻合特征逐漸減弱，此時(shí)仍識(shí)別到TVS，之后再未識(shí)別到中氣旋和TVS。表2給出雷達(dá)系統(tǒng)在單體中識(shí)別到中氣旋和TVS的時(shí)段和相關(guān)參量，其中，M、3DC和UNC分別表示中氣旋、三維相關(guān)切變和非相關(guān)切變。中氣旋和TVS產(chǎn)品的參量值變化很大，尤其是頂高、切變和最強(qiáng)切變高度等，部分時(shí)次切變值很小，高度較高，結(jié)合識(shí)別產(chǎn)品的位置和徑向速度發(fā)現(xiàn)，使用未經(jīng)退模糊的速度數(shù)據(jù)和雷達(dá)站附近波束阻擋形成的奇異值均會(huì)導(dǎo)致速度差計(jì)算失誤，從而影響到切變以及高度的計(jì)算，所以盡管系統(tǒng)多次識(shí)別到中氣旋和TVS，但其準(zhǔn)確性需要進(jìn)行修正。

表2 超級(jí)單體中氣旋和TVS參量Table 2 Mesocyclone and TVS parameters of supercell.

3.3 下?lián)舯┝骱蚑VS

3.3.1 低層大風(fēng)核和輻散

3.2 節(jié)分析了5月10日影響武漢的對(duì)流系統(tǒng)由西南側(cè)的湖南向北推進(jìn)的對(duì)流帶和東部本地新生對(duì)流合并形成，由于多個(gè)對(duì)流單體的強(qiáng)下沉氣流出流疊加和西南急流的共同影響，在徑向速度場(chǎng)上表現(xiàn)為低層大風(fēng)核。但是，在對(duì)流帶前側(cè)也有一些相對(duì)孤立的對(duì)流單體產(chǎn)生了強(qiáng)下沉氣流，表現(xiàn)為低層的小尺度徑向輻散特征。圖5給出了5月10日14∶12武漢雷達(dá)1.5°仰角的基本反射率、徑向速度和單體剖面圖。本節(jié)以后使用的徑向速度資料均經(jīng)過(guò)退模糊處理(肖艷姣等，2012)。

圖5 2021年5月10日14∶12武漢雷達(dá)1.5°仰角反射率因子、徑向速度和單體垂直剖面圖(a.反射率因子，b.徑向速度，a1、b1:虛線段A、B的反射率因子剖面，a2、b2:虛線段A、B的徑向速度剖面,矩形1-6分別指對(duì)流單體1-6)Fig.5 Reflectivity,radial velocity at 1.5°tilt and cross section of cell from Wuhan radar at 14∶12 BT on May 10,2021(a:reflectivity,b:radial velocity,a1,b1:Reflectivity cross section along imaginary line A,B,and a2,b2:Radial velocity cross section along imaginary line A,B,Rectangles 1-6 represent convective cells 1-6).

從圖5a可以看到14:12武漢西南側(cè)有大片對(duì)流回波，在其前側(cè)、武漢東南部和雷達(dá)站有大量對(duì)流單體，與之對(duì)應(yīng)的徑向速度場(chǎng)分別表現(xiàn)為大范圍大風(fēng)核區(qū)(圖5b紅色橢圓內(nèi))和分散性的輻散區(qū)域(圖5b黃色橢圓內(nèi))。徑向速度疊加14∶12—14∶18區(qū)域站17 m·s-1以上的極大風(fēng)(圖5b黃色風(fēng)桿)可以看到雷達(dá)50 km范圍內(nèi)，地面大風(fēng)分布在兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是雷達(dá)站西南側(cè)的大風(fēng)核區(qū)，一個(gè)是在雷達(dá)站附近。雷達(dá)站附近的單體的徑向速度場(chǎng)呈明顯輻散特征，對(duì)應(yīng)地面產(chǎn)生下?lián)舯┝?14∶14，蔡甸，20.1 m·s-1)，而雷達(dá)站東南側(cè)的輻散區(qū)在該時(shí)段未觀測(cè)到地面大風(fēng)。分別沿虛線A、B做垂直剖面(圖5a1、a2、b1、b2)，分析該處單體結(jié)構(gòu)特征。從圖5a1可以看到徑向上有排列著4個(gè)對(duì)流單體(由于回波相互連接，以45 dBz反射率作為核心區(qū)分，圖5a1矩形所示)。單體1發(fā)展較強(qiáng)，但是受雷達(dá)探測(cè)影響無(wú)法觀測(cè)到風(fēng)暴頂，50 dBz以上回波伸展到5—6 km高度，在單體低層有明顯的輻合(圖5a2矩形1)。單體2中心強(qiáng)度較單體1略弱，50 dBz回波發(fā)展高度基本上在0℃層高度以下，單體底部為大風(fēng)核區(qū)形成的速度輻合，高層有輻散(圖5a2矩形2)。單體3的徑向速度上表現(xiàn)為低層是大風(fēng)核區(qū)后部的速度輻散區(qū)，中層有輻合，高層為輻散(圖5a2矩形3)，由于低層已經(jīng)出現(xiàn)輻散，上升運(yùn)動(dòng)減弱，回波強(qiáng)度較弱，發(fā)展高度不高(圖5a1矩形3)。單體4內(nèi)中低層均為朝向雷達(dá)的速度，無(wú)明顯輻合、輻散，高層表現(xiàn)為輻散(圖5a2矩形4)，沒(méi)有輻合上升，單體將減弱。

沿線段B的垂直剖面可以看到兩個(gè)相對(duì)孤立的單體，與線段A上的單體相比，強(qiáng)度較強(qiáng)，回波發(fā)展高度較高，其中單體5的50 dBz以上回波發(fā)展到將近-20°層高度，最大反射率因子達(dá)到60 dBz(圖5b1矩形5)，徑向速度圖上單體低層靠近雷達(dá)一側(cè)表現(xiàn)為入流，遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)表現(xiàn)為出流，中高層是輻合，風(fēng)暴頂為輻散(圖5b2矩形5)，說(shuō)明單體處于發(fā)展旺盛階段，單體低層的輻散氣流正產(chǎn)生下?lián)舯┝?。單體6內(nèi)反射率因子核位于中低層(圖5b1矩形6)，對(duì)應(yīng)位置徑向速度上表現(xiàn)為強(qiáng)輻合(圖5b2矩形6)。

5月10日多個(gè)對(duì)流單體的剖面顯示，對(duì)流發(fā)展較高，強(qiáng)回波中心主要在0℃層高度以下，回波體沒(méi)有明顯的傾斜，單體中層有徑向輻合，高層輻散，這些與產(chǎn)生強(qiáng)降水的單體特征一致，有部分對(duì)流單體低層有明顯的徑向速度輻散，這與下?lián)舯┝鞯漠a(chǎn)生密切相關(guān)。

3.3.2 超級(jí)單體龍卷渦旋特征

5月14日的龍卷天氣由超級(jí)單體產(chǎn)生，圖6給出了14日20∶06—21∶00單體反射率和徑向速度圖(速度圖顯示反射率圖中橙色矩形內(nèi)放大部分)。20∶06—20∶18單體的中部逐漸向內(nèi)凹，速度圖上受距離折疊影響只能觀察到單體東北側(cè)有強(qiáng)輻合，20∶24起反射率圖上能觀測(cè)到鉤狀回波，鉤狀回波的后部和前側(cè)分別為下沉氣流區(qū)和上升氣流區(qū)。速度圖上對(duì)應(yīng)鉤狀回波處有正負(fù)速度對(duì)形成的中氣旋，放大該處徑向速度圖能看到相鄰方位的很大風(fēng)切變(圖6b5箭頭所示)，直到21∶00單體鉤狀結(jié)構(gòu)消失，回波強(qiáng)度減弱，但速度場(chǎng)上的氣旋式輻合仍然存在。沿圖6a5虛線段C做剖面得到圖6c1，c2，可以看到鉤狀回波壁處回波最強(qiáng)，65 dBz回波高度發(fā)展到-20℃層高度以上，同時(shí)回波梯度也大，鉤狀回波上部是強(qiáng)回波懸垂(圖6c1)。在其回波壁對(duì)應(yīng)是伸展到12 km以上的強(qiáng)輻合區(qū)，在輻合區(qū)的底部有小的正速度(遠(yuǎn)離雷達(dá)，向外)區(qū)伸入負(fù)速度(朝向雷達(dá)，向里)區(qū)，像素之間很大的風(fēng)切變(圖6c2箭頭所示)，說(shuō)明低層有強(qiáng)烈輻合，最大相鄰速度切變達(dá)到712.9×10-4s-1。龍卷風(fēng)的生成與超級(jí)單體鉤狀后部的下沉氣流密切相關(guān)，因?yàn)樵谠撓鲁翚饬髦車鷷?huì)形成水平渦環(huán)，隨著前側(cè)局部強(qiáng)上升氣流斜升形成一對(duì)垂直渦偶，在強(qiáng)輻合拉伸作用下，形成龍卷風(fēng)。

圖6 2021年5月14日20∶06—21∶00時(shí)武漢雷達(dá)1.5°仰角反射率因子、徑向速度和20∶30超級(jí)單體垂直剖面圖(a1-10:反射率因子，b1-10:a中橙色矩形內(nèi)的徑向速度，c1:虛線段C的反射率剖面，c2:虛線段C的徑向速度剖面)Fig.6 Reflectivity,radial velocity at 1.5°tilt of Wuhan radar from 20∶06—21∶00 BT on May 14 and cross section of cell from Wuhan radar at 20∶30 BT on May 14，2021.(a1-a10:Reflectivity,b1-b10:Radial velocity in orange rectangle,c1:Reflectivity cross section along imaginary line C,and c2:Radial velocity cross section along imaginary line C)

本文選取超級(jí)單體相對(duì)成熟的時(shí)段，在單體識(shí)別的基礎(chǔ)上計(jì)算了超級(jí)單體內(nèi)的徑向速度切變(肖艷姣，2018；肖艷姣等，2021)，由于14日龍卷過(guò)程伴隨有大冰雹，同時(shí)計(jì)算了VIL和強(qiáng)冰雹指數(shù)(Strong Hail Index：SHI)(肖艷姣等，2021)隨時(shí)間的變化，圖7給出這些參量隨時(shí)間的變化。從圖中可以看到14日19:42以后VIL和SHI都是先增加后減小的趨勢(shì)，出現(xiàn)峰值的時(shí)間基本一致，略早于龍卷發(fā)生時(shí)間(圖7a)，由于沒(méi)有降雹的具體時(shí)間，故無(wú)法確定達(dá)到峰值的時(shí)間與降雹之間的關(guān)系。中氣旋旋轉(zhuǎn)速度也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，但是峰值時(shí)間略晚于龍卷發(fā)生時(shí)間(圖7b深藍(lán)色線)，中氣旋頂高波動(dòng)較大，但是底高在20∶12時(shí)降到1 km左右，20∶30降到1km以下，與龍卷發(fā)生時(shí)間基本一致，結(jié)合旋轉(zhuǎn)速度的變化，表明該中氣旋轉(zhuǎn)速增大的同時(shí)向下伸展，可能有龍卷發(fā)生。最大相鄰速度切變?cè)邶埦戆l(fā)生之前呈緩慢上升趨勢(shì)(圖7c深藍(lán)色線)，20∶36達(dá)到峰值后開(kāi)始下降，最大切變所在高度波動(dòng)很大，但在20∶30時(shí)降到1 km以下，然后維持在1 km左右波動(dòng)，大的切變維持在較低的高度也意味著可能有龍卷發(fā)生。

圖7 2021年5月14日19∶42-21∶06超級(jí)單體的部分特征參量Fig.7 Some characteristic parameters of supercell from 19∶42 to 21∶06 BT on 14 May 2021.

4 徑向速度衍生產(chǎn)品

研究表明環(huán)境垂直風(fēng)切變對(duì)風(fēng)暴的形成、組織結(jié)構(gòu)有重要的影響，從第2節(jié)的探空分析中可以看到，這兩次過(guò)程都發(fā)生在垂直風(fēng)切變較大的環(huán)境中，14日龍卷過(guò)程的垂直風(fēng)切變要遠(yuǎn)大于10日的過(guò)程，但是10日的環(huán)境探空是08時(shí)的，過(guò)程發(fā)生在午后，代表性較差?；谫|(zhì)控后的武漢雷達(dá)徑向速度數(shù)據(jù)，采用分層VVB(Volume Velocity Brocessing)方法反演了垂直風(fēng)廓線(肖艷姣等，2016)(圖8)。分層VVB方法在雷達(dá)周圍降水回波分布不均勻的情況下也能提供有效的垂直風(fēng)廓線，而業(yè)務(wù)雷達(dá)系統(tǒng)中采用的VAD方法卻會(huì)因通不過(guò)對(duì)稱性檢查而給出“ND”標(biāo)識(shí)。從圖8a中可以看到5月10日13—14時(shí)，武漢附近中低層以偏南風(fēng)為主，風(fēng)速不大，14時(shí)后低層開(kāi)始逐漸轉(zhuǎn)西南風(fēng)，15時(shí)回波經(jīng)過(guò)武漢后，中高層是西南急流，低層從西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西北風(fēng)。從圖8b可看出5月14日19—22時(shí)武漢附近低層為偏東南風(fēng)，中高層為西南風(fēng)，低層的風(fēng)向隨高度明顯順轉(zhuǎn)，風(fēng)速隨高度顯著增加，這樣的環(huán)境風(fēng)更有利于超級(jí)單體的產(chǎn)生。

圖8 兩次過(guò)程武漢雷達(dá)VWP產(chǎn)品Fig.8 Wuhan radar VWP products of two events.

利用上述反演產(chǎn)品計(jì)算了這兩次對(duì)流大風(fēng)過(guò)程的0—1 km、0—6 km高度的垂直風(fēng)切變DV(單位:m·s-1)和0—1 km、0—3 km高度的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度SRH(單位:m2·s-2)(劉健文等，2005；王麗榮等，2006)。

5月10日SRH均隨時(shí)間由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，反映了隨著回波帶向雷達(dá)站推進(jìn)，暖平流逐漸減弱轉(zhuǎn)變成冷平流的過(guò)程。0—1 km DV在強(qiáng)回波帶經(jīng)過(guò)雷達(dá)站前略有減小，0—6 km DV則出現(xiàn)大幅減小(圖9a)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)殡S著雷暴高壓向雷達(dá)站靠近，其外緣的出流導(dǎo)致雷達(dá)站附近低層的南風(fēng)增大。

與10日相比，14日的0—1 km、0—3 km的SRH和DV均要大得多，龍卷過(guò)程發(fā)生前，SRH和DV都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)(圖9b)，這說(shuō)明環(huán)境中氣流的伸展和旋轉(zhuǎn)程度在加強(qiáng)，有利于龍卷的形成。

圖9 兩次過(guò)程SRH和DV隨時(shí)間變化圖(a.5月10日13:00—16:00 SRH和DV隨時(shí)間演變，紅線表示回波帶經(jīng)過(guò)雷達(dá)的時(shí)間；b.5月14日19∶00—22∶00 SRH和DV隨時(shí)間演變，紅線表示龍卷發(fā)生時(shí)間)Fig.9 Variation of SRH and DV over time in two events(a:Variation of SRH and DV from 13∶00 to 16∶00 BT on May 10，in which the red line indicates the time when the echo band passes through the radar,b:Variation of SRH and DV from 19∶00 to 22∶00 BT on May 14，in which the red line indicates when the tornado occurred).

5 結(jié)論

(1)2021年5月兩次在武漢區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈對(duì)流性大風(fēng)的過(guò)程均是發(fā)生在具有高不穩(wěn)定能量、低抬升凝結(jié)高度和強(qiáng)垂直風(fēng)切變的環(huán)境里，地面均有多支中尺度氣流形成輻合。10日中層的干冷空氣和降水粒子的融化和蒸發(fā)等相變是強(qiáng)下沉氣流發(fā)動(dòng)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的主要原因，并在低層形成冷性雷暴高壓。14日的水平風(fēng)垂直切變明顯大于10日的，特別是在低層，風(fēng)向隨高度劇烈順轉(zhuǎn)，風(fēng)速隨高度顯著增加，有利于超級(jí)單體的發(fā)生；在龍卷發(fā)生前半小時(shí)蔡甸區(qū)一直存在小尺度氣旋性輻合且有增強(qiáng)的趨勢(shì)，這增加了低層渦旋向上拉伸的潛力，有利于龍卷風(fēng)的發(fā)生。

(2)兩次過(guò)程發(fā)生前的對(duì)流物理量值都比較大，但有些量的差異顯著，預(yù)示著不同類型的強(qiáng)對(duì)流天氣。10日的DCAPE顯著高于14日的，有利于雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生；14日的EHI和中低層的DV等物理量顯著高于10日的，有利于超級(jí)單體龍卷的發(fā)生。分析基于徑向速度基數(shù)據(jù)反演的VWB計(jì)算得到的DV和SRH，發(fā)現(xiàn)在10日回波帶經(jīng)過(guò)雷達(dá)站前受雷暴出流影響出現(xiàn)DV減小、SRH由正變負(fù)的現(xiàn)象，而14日龍卷發(fā)生前二者都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

(3)在雷達(dá)觀測(cè)上，10日是由多單體合并形成強(qiáng)回波帶，由于多個(gè)單體的出流疊加和西南急流的共同影響，徑向速度上表現(xiàn)為低層大風(fēng)核；而在對(duì)流帶前側(cè)也有一些相對(duì)孤立的對(duì)流單體產(chǎn)生了下?lián)舯┝鳎憩F(xiàn)為低層小尺度徑向輻散特征。14日的龍卷超級(jí)單體具有典型的鉤狀回波、有界弱回波區(qū)、強(qiáng)中氣旋和TVS等特征。

(4)雷達(dá)系統(tǒng)提供的中氣旋和TVS產(chǎn)品對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣有指示作用，但是需要根據(jù)參量信息和徑向速度具體分析，以免造成誤判，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行速度退模糊處理后的自動(dòng)識(shí)別可以一定程度上減小這樣的誤差。

(5)這兩次過(guò)程的對(duì)流參量、SRH和DV的變化趨勢(shì)以及雷達(dá)特征差異明顯，可以應(yīng)用于對(duì)流性大風(fēng)和龍卷風(fēng)天氣的識(shí)別和預(yù)警，但是仍需要通過(guò)大量個(gè)例綜合分析提煉出具體預(yù)警指標(biāo)。