研究｜超级单体风暴——多普勒天气雷达观测分析

研究背景

作为局地对流风暴发展的一种最猛烈的形式，超级单体一直吸引着众多气象学家的注意。20世纪60和70年代，Browning及其合作者利用天气雷达资料对超级单体风暴的结构进行了一系列开创性的研究。正式提出将超级单体作为局地对流风暴的一种类型。超级单体作为一个强烈发展的对流单体的特征除了其准稳定状态外，一个重要的特征是雷达回波存在一个弱回波区WER(Weak Echo Region)或有界弱回波区(Bounded Weak Echo Region，BWER)。超级单体的另一个雷达回波特征是低层的钩状回波。第一个钩状回波是由Stout和Huff于1953年观测到的。并非所有的超级单体都呈现出典型的钩状回波，大多数情况下都是由风暴主体向着低层人流方向伸出的一个突出物，给出常见的超级单体钩状回波的5个变种。随着20世纪70年代多普勒天气雷达在研究中的使用，超级单体的旋转特性被充分揭示。1970年首次利用多普勒天气雷达观测到了超级单体中的“龙卷气旋”，也就是广泛使用的所谓“中气旋”(mesocyclone)。接下来的一系列多普勒雷达观测和数值模拟进一步证明超级单体总是与中气旋相伴随。暗示超级单体可重新定义为具有中气旋的对流单体，中气旋形成阶段的位置与有界弱回波区的位置大致相同。在根据多普勒天气雷达观测和对Browning于1964年提出的超级单体风暴概念模型进行适当修改的基础上，于1979年提出了一个新的超级单体概念模型，仍被应用。

中国对于局地强对流包括超级单体风暴也进行了一些研究。对1964年发生在北京地区的几次降雹过程的雷达回波进行了分析，其中的一个雹暴的结构与超级单体类似。研究若干中国的超级单体个例。利用中国气象科学研究院的多普勒天气雷达研究了一次雹暴的反射率因子和流场结构。中国新一代雷达的高灵敏度和测速功能为局地强风暴的研究提供了良好的条件。不少站点已观测到一些超级单体和相应的中气旋的例子。

2002年5月27日下午，在安徽北部出现了一系列的强对流风暴，其中有1个超级单体造成严重的灾害，该风暴历经约2.5h，自西北向东南方向移动了约90km，风暴路径(包括风暴的起始阶段)如图1所示。安徽省北部大片地区出现大风、冰雹和强降水天气。其中受灾最严重的蚌埠市5月27日16时58分出现31m/s的狂风，同时伴随着冰雹和大雨。农作物大面积受灾，倒塌房屋1374间，2人死亡，53人受伤，蚌埠市直接经济损失1.92亿元，这次灾害总的经济损失约4.54亿元。此次超级单体很典型，研究将应用合肥多普勒雷达的资料对该超级单体的结构及其演变过程进行仔细的分析。

超级单体结构分析

如上所述，此次超级单体风暴在5月27日16时55分达到最强。分析一下此时超级单体的结构。图2给出了0.5°，1.5°，3.°和4.3°仰角的反射率因子和径向速度。0.5°仰角的反射率因子图上显示了带有典型钩状回波的超级单体(相应的高度在此距离处约为2km)，最大反射率因子位于钩状回波上(西部)，超过70dBz。钩状回波的西南方沿西南一东北走向有一条50余公里长出流边界，从速度图上看出它离开超级单体向雷达方向移动，它相对于与超级单体后侧下沉气流相对应的出流边界，也就是阵风锋。低层人流似乎是沿着这条西南一东北走向的阵风锋的前沿向超级单体钩状回波缺口附近运动，接近钩状回波缺口时由东南方向进入超级单体有界弱回波区成为上升气流。钩状回波的东南有一条长达100多公里的边界层辐合线，呈西北一东南走向。似乎是与超级单体前侧下沉气流相联系的另一段出流边界(阵风锋)，但其靠近超级单体的部分可能由于距离雷达远的缘故没有显现出来。低层反射率因子图上(0.5°)超级单体移动方向的左前侧呈现出倒“v”型缺口，这也是超级单体常见的特征之一。与钩状回波的缺口区相对应，0.5°仰角的径向速度图上是一个很强的气旋式切变速度对，即中气旋。该中气旋的旋转速度为22m/s，按照美国国家强风暴实验室规定的中气旋判据属于强中气旋。在1.5°仰角(在超级单体距离处高度约4km)，反射率因子图上仍显现出钩状回波特征，但不如0.5°仰角明显，最强回波位于钩状回波北部，超过70dBz。反射率因子轮廓线相对0.5°仰角向南(低层人流方向)扩展。相应的速度图上，中气旋特征仍很显著，旋转速度约为19m/s，比0.5°仰角稍弱。2.4°仰角(高度约为6km)的中气旋特征依然清晰，旋转速度为16m/s。在3.4°仰角(在超级单体距离处的高度约为8km)，反射率因子的轮廓进一步向南扩展，展现出超级单体反射率因子自低往高向低层人流一侧倾斜的特征，呈现出明显的回波悬垂(echo overhang)。与低层钩状回波的人流缺口相对应的闭合的有界弱回波区清晰可见，位置相对偏南，也就是说有界弱回波区也是自低往高向低层人流一侧倾斜的。相应的速度图上呈现出气旋式辐散的结构。在4.3°仰角，反射率因子回波成羽毛状，强回波中心位于西侧，位于中低层有界弱回波区之上。相应径向速度图呈现以反射率因子强度核心为中心的强烈辐散，正负速度差值达63m/s。根据成熟中气旋的概念模型，在靠近地面附近的大气边界层内，中气旋的径向速度特征为辐合式气旋性旋转，再上面一些是纯粹的气旋性旋转，在中上层为气旋式旋转辐散，上层为纯粹辐散。上述超级单体在0.5°和1.5°仰角(高度分别为2和4km)的径向速度特征基本为纯粹的气旋性旋转(彩图2)，3.4°仰角(高度约8km)为气旋性辐散，4.3°仰角(约10km高)以强烈辐散为主，同时带有旋转特征，基本符合成熟中气旋的概念模型。接近地面的边界层内的速度特征由于离雷达较远而无法观测到。另外需要指出的是，此次超级单体不是孤立的，在其西部和北部还有其他对流单体存在，共同构成一个中尺度对流系统。就超级单体本身的水平尺度而言，可以近似看成一个椭圆形，其超过30dBz阈值的长短轴的长度分别为30和60km，若阈值为20dBz，则其长短轴分别为40和150km。

图3(彩图)给出了16时55分超级单体的反射率因子和径向速度垂直剖面。图3c为沿低层人流方向通过有界弱回波区中心的反射率因子垂直剖面。可以看到典型的有界弱回波区(穹隆)和其上的强大回波悬垂、以及有界弱回波区左侧回波墙。有界弱回波区的水平尺度约为8～9km。强的反射率因子区(大于65dBz)为沿着BWER左侧的一个竖直的狭长区域，从10km左右高度一直扩展到低层，其中下部代表冰雹下降的区域。最强的区域位于回波墙上部，其值超过70dBz。超级单体的回波顶接近15km，沿剖面方向的水平尺度约40km。图3a和b为沿着与通过中气旋中心的与雷达径向垂直的直线的反射率因子和径向速度的垂直剖面。反射率因子垂直剖面的结构与Fleming超级单体的结构类似，如典型的有界弱回波区(穹隆)和其上的强大回波悬垂、以及有界弱回波区左侧回波墙和狭长的反射率因子高值区。此方向BWER的水平尺度略小，约7km。接下来分析相应的径向速度的垂直剖面(图3b)：暖色代表离开雷达向着画面的速度，冷色代表离开画面向着雷达的速度。径向速度剖面中最显著一个特征是从底部(2km)一直向上扩展到12km左右的中气旋。由于距离较远(距雷达约120km)，最低仰角(0.5°)到了超级单体距离处已经接近2km高。从图3中判断，中气旋还应向下延伸直到边界层内。

研究结论

利用位于安徽合肥的S波段多普勒天气雷达资料对2002年5月27日14～20时发生在皖北地区的一次典型的超级单体过程进行了详细的分析。此次超级单体的天气背景的主要特征是：槽线位置从低往高向前倾斜，700hPa小槽在对流风暴发生期间移过皖北地区，下午14时的地面图上显示一个尺度约为150km的闭合气旋式环流。风向从低到高顺时针方向旋转。

上述风暴于27日13点20分左右起源于皖北的西北部亳州和涡阳之间的一个孤立的多单体风暴，此后雷达回波不断发展加强并向东偏南方向移动。16时左右，风暴发展为超级单体并保持超级单体特征达1h之久。整个对流层的平均风向为西风略偏北，而超级单体的移动方向在盛行风向的右侧约30°，是典型的右移超级单体。之后，其超级单体特征迅速消失，先是演变为多单体，然后变成一条飑线，于21时左右进入苏北。

16时55分，上述超级单体强度达到顶峰。0.5°仰角的反射率因子图的右后侧呈现出典型的钩状回波特征，左前方呈现明显的倒“V”字型结构，最大反射率因子超过70dBz。相应反射率因子垂直剖面图上呈现出宽大的有界弱回波区(穹隆)，高大强盛的回波悬垂和与竖直的高反射率因子(65dBz以上)狭长区域相邻的回波墙，最大的回波强度在回波墙上部，超过70dBz。径向速度图上出现成熟中气旋的典型特征，中低层为纯粹的气旋式旋转，中高层为辐散式气旋旋转，高层为强烈辐散。超级单参考文献体南边出现两条明显的出流边界，一条位于钩状回波的西南，一条位于钩状回波的东南。另外，相应的垂直累积液态水含量和密度分别超过70kg/m2和5g/m3。此时的超级单体呈现出典型的强烈雹暴特征，尽管气象站观测到的最大冰雹直径只有11mm，但上述所有特征都表明该超级单体的实际最大降雹尺寸要远远超过这一数值。

在预报发生强对流风暴潜势时，人们往往使用T—lnP图进行热力不稳定分析。此次超级单体风暴发生当日早上08时相邻探空站的T—lnP图上并没有显示出很强的对流不稳定。主要原因是探空的时空分辨率太低。由于大气水汽分布的高时空变率，大气对流稳定度的时空变率很大，因此利用早上08时探空曲线的T～lnP图的热力稳定度分析来预报午后发生对流风暴的潜势的有效性是十分有限的。可以利用地基GPS测量的水汽总量、自动地面站数据和高分辨率数值天气预报数据构造高时空分辨率的大气垂直温湿廓线，从而增加强对流潜势预报的准确性，这是一个需要进一步研究的问题。

此次超级单体风暴的最强盛阶段出现了强中气旋，按照美国天气局的业务规范(中国还没有这方面的业务规范)，应发布龙卷警报。而事实上并没有观测到龙卷。观测表明，龙卷超级单体和非龙卷超级单体的钩状回波几乎没有任何区别，而龙卷和非龙卷超级单体在径向速度特征方面的差别即使有，也是很细微的。这给超级单体龙卷的预警带来的很大的挑战。在这方面进行更多的个例研究是很必要的。