东北冷涡背景下超级单体风暴环境条件与雷达回波特征

利用常规观测、地面加密自动站、多普勒天气雷达观测资料以及NECP(1°×1°)逐6 h再分析资料对2016年8月16日内蒙古东南部地区由于超级单体风暴诱发的强冰雹、雷暴大风等强对流天气进行了分析。结果表明:这次超级单体风暴发生在高空东北冷涡和低层暖式切变线形成的强不稳定层结背景下,低层丰富的水汽、中等强度对流有效位能和大的深层垂直风切变,为强对流天气的发生提供了非常有利的环境条件;地面中尺度辐合线和露点锋两种对流系统耦合并加强是对流风暴的触发机制;雷达回波有钩状回波、弱回波区WER (Weak Echo Region)、回波悬垂、回波墙、中气旋等超级单体风暴特征,其中弱回波区,回波悬垂由反射率因子从低到高向低层入流一侧倾斜且回波强度梯度大;风暴内中层维持较深厚的气旋性辐合,风暴顶则表现出明显的气旋性辐散特征,标志大冰雹的三体散射长钉TBSS(Three-Body Scatter Spike)特征回波,50 dBZ以上的反射率因子核心的高度伸展到-20℃以上,为典型的产生冰雹的回波结构;垂直液态水含量VIL(Vertical Integrated Liquid Water Content)与风暴顶高之比即VIL密度达到5 g·m~(-3),这也是大冰雹的预报指标。     

文山州两次强冰雹天气的环流背景和雷达产品对比分析

该文通过对2012年8月5日和2012年8月12日2次强冰雹天气的天气背景及多普勒雷达回波强度、径向速度、垂直液态水含量、冰雹指数等雷达产品的对比分析,总结出在大范围水汽条件不是很有利的环流背景下,文山州8月冰雹天气在多普勒雷达产品上的表现特征和一些定量指标:回波强度≥55 dBz、≥50dBz的强回波垂直伸展高度≥6 km,垂直液态水含量VIL≥25 kg/m2时,容易产生冰雹天气,注意发布强对流天气预警;强对流降雹天气与逆风区和风的辐合有关,超级单体所在区域均对应着逆风区或是辐合线;冰雹指数产品对冰雹预报有很好的指示作用,降雹概率和强降雹概率达到100%时发布冰雹预警,但是冰雹最大直径与实况偏大,只能作为参考。     

一次超级单体雹暴的中尺度对流特征和形成条件分析

北京2014年7月16日一次超级单体风暴造成了罕见大冰雹、短时大风和局地暴雨等强天气。利用雷达、自动站、探空、基于雷达观测的四维变分同化系统(VDRAS)等资料针对中尺度对流特征和形成条件进行了分析。结果表明:1)这次超级单体风暴有穹窿回波和悬垂、中气旋、三体散射等典型大冰雹雹暴云特征。2)降雹属于西北气流型,雹区出现在低层切变线和地面辐合区(辐合线)附近,低层很好的水汽条件是这种类型下降雹的必要条件。此外,1500 J/kg以上的高CAPE以及上干下湿的不稳定层结、850 hPaθse 360 K的高能舌中心均有利于强对流的发生;"喇叭口"型探空、适宜的0℃层和-20℃层高度以及这两个特性层之间厚度变小是大冰雹出现的典型环境。3)有利的地形、雷暴下山冷池增强导致前侧辐合增强是超级单体发展并向南移动的有利条件。     

湖北宜昌超级单体风暴发生的环境条件分析

利用Micaps高空、地面实况资料以及雷达基数据产品资料,分析2004—2009年湖北宜昌境内出现的10例强对流天气过程中的超级单体风暴生成的环境条件和回波结构。结果表明:产生冰雹的湿层相对浅薄,产生强降水的湿层较深厚。使用雷暴发生前地面温度和露点进行订正后的CAPE值可判断午后是否有冰雹发生:若订正后CAPE值有较大幅度增长,其值超过1000J.kg-1以上,则出现冰雹的可能性较大;反之则小。0—6km中等到强的垂直风切变有利超级单体风暴生成和发展,垂直风切变越大,越有利出现极端大风。若超级单体风暴高度的特征值和特征底有迅速下降迹象,则未来0.5h内很可能出现8级以上大风。超级单体风暴中正负速度对的切变值越大,风力越大,风灾越明显。超级单体风暴反射率因子的低层或表现为钩状、或向着入流方向突起、或密实块状等回波特征,中高层有强度达55dBz的强回波。超级单体风暴中,中气旋大多从逆风区或切变区中发展而来,且其在垂直气流结构上表现为低层气旋式辐合,中层辐合逐渐增强,为气旋式旋转,有时出现气旋式旋转与反气旋式旋转共存的双涡结构,至高层,则转为反气旋,表现为辐散。VIL密度(DVIL)对大冰雹有一定的指示意义,当DVIL≥3.5g.m-3时,出现直径超过2cm的大冰雹的可能性非常大。     

山东两次强对流天气雷达特征及环境场对比

利用常规地面和高空观测资料、加密自动站资料和多普勒雷达资料,对2016年6月山东两次强对流天气的雷达特征、环境条件等进行了对比分析,结果表明:6月14日强对流天气主要是横槽转竖引导冷空气南下引起,6月30日强对流天气发生在高空槽前、山东高低层受一致西南气流影响的环流形势下,地面辐合线是两次过程的触发机制。6月14日垂直风切变和风暴承载层平均风均比30日大很多,致使14日的超级单体风暴持续时间更长、强度更强。风暴相对螺旋度的大小对强对流天气强弱程度有指示意义。两次过程都在地面辐合线附近生成,都具有中气旋、高悬的强回波、有界弱回波区、回波悬垂、风暴顶辐散等雷达特征,不同的是14日具有倒V形缺口、中层径向辐合、冰雹散射和钩状回波等特征,30日具有窄带回波、径向速度大值区等特征。两次过程都出现了弱旋转对应地面都带来小冰雹天气,这在预报业务中值得注意。两次降雹与风暴单体高度及强度、垂直累积液态水含量及密度、中气旋厚度、最大切变和持续时间密切相关。     

鄂西南冬末一次罕见的强冰雹过程分析

利用常规观测资料、多普勒天气雷达和风廓线雷达资料,对一次罕见的鄂西南冬季强冰雹（直径1～3 cm）天气过程进行了分析,结果表明:强冰雹产生在上干冷、下暖湿,低空辐合、高空辐散的环流背景下,地面中尺度辐合和“喇叭口”的有利地形,给冷锋前暖区对流性天气提供了触发机制;地面冷锋南下伴随的垂直风切变增强有利于已经生成的对流风暴的维持和加强。强冰雹分别由孤立的超级单体和超级单体复合体（多单体结构中含有占支配地位的超级单体）产生。比较而言,孤立的超级单体发展更为高大,持续时间更长。风暴具有中气旋、高悬的强回波、低层入流、弱回波区与回波悬垂、中层径向辐合、风暴顶强辐散等超级单体风暴的典型特征;垂直累积液态含水量及其密度分别较长时间维持在35 kg·m^-2和4 g·m^-3以上的冬季高值;新一代天气雷达冰雹探测算法输出的冰雹指数产品预测到高概率的强冰雹。此次过程出现在冬末,虽然对流出现之后呈现出典型的风暴结构,可以提前10～30 min做出强冰雹的临近预警,但对于对流出现之前的提前数小时的强冰雹短时潜势预报而言,常用做判断强降雹潜势的探空特征（包括对流有效位能...     

2010年福建一次早春强降雹超级单体风暴对比分析

利用探空、地面资料以及建阳、龙岩、长乐三部新一代天气雷达资料,对2010年3月5日福建中北部地区5cm强降雹的两个超级单体风暴进行了对比分析。结果表明,干暖盖、强垂直风切变、中高层正涡度区及地面中尺度低压为超级单体的形成提供了良好的环境场。两个超级单体都是由多单体合并后发展起来的,在成熟阶段以右移为主,属长寿命右移风暴:第一个超级单体在发展过程中由于地形作用和新单体的并入经历了3次加强过程,低层出现明显的钩状回波、中高层三体散射特征;第二个超级单体经历了多单体风暴—超级单体风暴—多单体风暴3个阶段,成熟阶段低层呈现出明显的倒"V"形回波特征,中高层有明显向右伸展的云帖。两个超级单体风暴的中气旋都是由中层发展起来,随着中气旋强度不断加强和厚度加大,最强切变中心突降时出现冰雹、大风强对流天气。通过对第一个超级单体中气旋流场分析,发现风暴前、后侧的下沉气流与低层入流形成了明显的辐合旋转作用,下沉的干冷气流进一步推动低层的暖湿入流,形成强烈的上升气流,并在风暴顶形成强辐散,使得风暴长时间维持。第二个超级单体在风暴减弱阶段,风暴右侧出现中气旋分裂,之后减弱、消失。产生强对流天气时,中高层维持高反射率因子,出现三体散射现象、风暴顶强烈辐散以及较大的VIL密度等特征。     

鄂西山区一次早春局地强冰雹过程分析

利用常规的地面、高空形势图以及雷达观测资料,对2017年4月15日发生在湖北恩施山区的一次局地性强冰雹天气过程的成因进行了分析。结果表明:锋前地面暖低压的热效应,加强了地面辐合和不稳定能量的积聚,使上干冷下暖湿的不稳定层结更加明显,地面辐合线和中低层切变辐合区的存在,为风暴单体形成提供了良好的环境条件;在中尺度辐合线动力抬升作用下,低层辐合上升触发了对流不稳定能量的释放,加上山区"喇叭口"有利地形的抬升作用,更激发了强对流天气的发展;此次强对流天气过程中,表现出了多单体风暴此消彼长的特征,在有利的大气环境条件和地形条件下,多单体风暴的发展加强,强风暴较长时间维持,是此次局地出现强冰雹的重要原因。雹暴单体的垂直结构反映出了低层入流、弱回波区、高强回波悬垂等典型特征,中层径向辐合和风暴顶辐散共同作用,有利于风暴单体得以维持和发展,也是造成局地冰雹天气的重要原因。单体风暴反射率因子较长时间维持在60dBz以上,并对应较大的VIL值出现;此次强冰雹天气,局地性强,影响范围小,其主要原因是0～6km垂直风切变不大,同时,中低层湿层浅薄,地面湿区明显偏南,仅在冰雹落区附近出现一个小范围的近饱和湿区,不利于风暴天气有组织的大范围发展。     

“2012.4.11”两个强降雹超级单体特征分析

利用常规气象资料、自动站资料、新一代天气雷达和风廓线雷达等资料,对一次强对流天气过程中两个强风暴单体的形势背景、强对流发生条件、强风暴单体演变及结构特征、风暴异同点进行了详细分析。结果表明：（1）本次强对流过程是发生在强的垂直风切变条件下;高层冷平流降温减湿、低层暖平流增温增湿的对流不稳定层结,高CAPE值为强对流发生发展提供了必要的能量条件;上干下湿的水汽分布有利于冰雹、雷暴大风的产生;适宜的0℃、－20℃层高度使此次过程地面以降雹为主;地面倒槽低压、辐合线及低层锋区的南压是这次强对流天气的触发因子。（2）两个强降雹单体雷达回波共同特征是降大雹前均出现了三体散射长钉回波,弱回波区,回波强度强,VIL密度均大于4 kg·m－3,成熟阶段均右偏高空风约30°。（3）长生命史超级单体风暴Ⅱ的中气旋维持2个多小时,它保证了一支强上升气流支撑空中大冰雹的增长,维持了雷暴的持续发展,使其生命史长达近6 h,同时也存在前侧、后侧入流缺口,反映了上升气流与下沉气流共存的风暴动力特征,其高层辐散更强,移动路径东略偏南且移向稳定,平均右偏高空风约28°,移速均匀为14 m·s－1;超级单体风暴Ⅰ的中气旋维持时间仅十几分钟,且处于弱中气旋的下限,其高层辐散和上升气流更弱,风暴生命史更短,移动路径东略偏北,除成熟阶段外右偏高空风10°～20°。这些差异与产生风暴的环境条件如垂直风切变、垂直涡度等存在差异有密切关系。     

遵义市冰雹天气过程雷达回波特征分析

利用遵义新一代多普勒天气雷达资料,对2008—2016年6次天气过程的8个降雹风暴进行分析。结果表明:普通单体风暴持续时间短,强回波反射率因子高度高,径向速度图上有大量逆风区存在;超级单体持续时间长,具有明显的三体散射特征、弱回波区和强回波悬垂,径向速度图上有中气旋存在;多单体风暴中风暴的合并增强是降雹的主要原因,对多个联系紧密的风暴应予以重点关注,径向速度图上存在低层辐合、高层辐散配置;线风暴组织性强,在南部和中部易发展、增强产生降雹,强风暴回波柱向移动方向倾斜,具有明显的弱回波区和回波悬垂,径向速度图上回波后侧有大片的大风区,在风暴处形成强辐合区,对风暴的持续发展非常关键。     

山东一次强对流天气的环境条件和对流风暴特征

利用常规观测资料、地面加密自动站资料、多普勒天气雷达资料以及NCEP/NCAR再分析资料,对2016年6月14日山东一次强对流天气的环境条件、风暴特征进行了分析。结果表明:(1)6月14日强对流天气主要发生在横槽转竖引导冷空气南下和低层暖湿气流交汇的环流形势下,地面辐合线是抬升机制。上干下湿的不稳定层结、低层水汽充沛及湿层厚是出现短时强降水的重要原因。假相当位温差(△θse)和风暴相对螺旋度(SRH)对强对流天气有较好的指示意义;(2)较低的融化层高度、适宜的0℃层和-20℃层高度是大冰雹的发生指标。抬升凝结高度低、P_(WV)较大等对短时强降水具有指示作用;(3)垂直风切变较大,风暴承载层平均风远大于风暴移动速度,致使超级单体持续时间长,并具有高悬强回波、有界弱回波区、回波悬垂、风暴顶辐散、倒"V"型缺口、中层径向辐合、中气旋、"钩"状回波和三体散射等回波特征;(4)降雹发生在Z_(max)大值期、VIL和DVIL最大时段、HGT增高期。中气旋厚度、最大切变和持续时间与天气的强烈程度密切相关。     

一次冰雹天气多普勒雷达回波特征分析

利用常规气象资料和多普勒天气雷达资料,对2007年7月28日发生在新疆伊犁地区一次系统降水过后的强对流风暴过程进行分析。结果发现,此次对流风暴并无有利的大尺度系统配合,有发生突然、维持时间短、强度大的特点。利于出现局地对流风暴的主要因素为地表附近高温、高湿,空气中能量释放不完全等。本次降雹过程存在对流风暴,成熟时回波强度大于50dBz,相对应的速度图上有逆风区、辐合气旋式速度对以及下层辐合、上层辐散等特征。研究还发现,强回波区扩展到-20℃等温线以上,风暴顶辐散正负速度差较大,VIL持续大于50kg·m^-2,以及VIL突增等都是冰雹强度预报简单有效的参量。     

一次长生命史超级单体风暴的雷达观测特征

利用地面观测资料、探空资料以及石家庄多普勒天气雷达和饶阳双偏振雷达资料等,对2018年6月13日影响河北中南地区的一个长生命史超级单体风暴的环流背景、雷达观测特征等进行了分析。结果表明:(1)此超级单体发生在涡后横槽转竖的环流背景下。(2)风暴生命史长204 min,其中超级单体维持时间长达138 min,其间雷达最大反射率因子基本上维持在65 dBz以上。(3)中气旋深厚并强烈发展是超级单体发展和维持的重要动力机制。中气旋底高最低可达风暴底部,顶高变化幅度较小,低质心中气旋和高质心中气旋的形成和发展都可能引起地面降雹,降雹期间对应超级单体短暂减弱。(4)超级单体维持期间一直伴有气旋、反气旋涡旋对特征。超级单体的钩状回波特征明显,表现为典型的回波墙-弱回波区-悬挂回波的垂直结构;低层辐合、高层辐散,高空辐散大于低层辐合,有利于超级单体内部强烈的旋转上升运动;有明显的三体散射和旁瓣回波,三体散射最长超过60 km,持续时间长达150 min。(5)双偏振雷达探测的超级单体反射率因子≥55 dBz,对应位置差分反射率-0.5~0.5 dB,差分传播相移率仅1.5~2.0°/km,相关系数在0.75~0.92之间,表明超级单体内同时存在液滴和较大冰雹。     

一次局地性强冰雹天气的环境背景及雷达产品特征分析

利用常规气象观测资料、多普勒雷达资料和FNL再分析资料等,对2020年4月17日发生在贵州省安顺市的一次局地性冰雹天气过程进行分析。结果表明:高原短波槽、中低层切变线、低空急流和地面辐合线是导致此次局地性强冰雹天气的主要影响系统,冰雹出现在850 hPa湿舌的顶端和地面高温中心附近;C波段雷达的反射率因子图上TBSS和前侧入流缺口共同出现,表征了大冰雹的产生,风暴单体具有明显的强回波悬垂和低层弱回波区,且大于50 dBz的强回波伸展高度明显超过-20℃层高度,表明了风暴在垂直方向强烈发展;VIL值在降雹前后有明显的变化,降雹前1～2个体扫VIL有跃增现象,降雹期间VIL≥30 kg·m~(-2),且在出现大冰雹时VIL≥50 kg·m~(-2),而在降雹结束后,VIL值迅速减小。     

江苏沿江地区一次强冰雹天气的中尺度特征分析

利用常规气象资料、卫星、多普勒天气雷达、风廓线雷达等资料,对发生在江苏沿江地区一次强冰雹天气形势背景、环境热动力条件、强冰雹发生前地区环境场变化、超级单体雷达回波中尺度特征等进行了详细分析。结果表明:(1)在东北冷涡槽后干冷气流影响下,中高层干冷、低层暖湿的不稳定层结,高低空急流以及地面辐合系统的配置为此次强对流天气的产生提供了有利热动力条件;高CAPE值、逆温层、低层适当水汽条件及较强的深层垂直风切变有利于强冰雹天气的发生。(2)利用多普勒天气雷达、风廓线仪数据反演垂直分布的物理量场(平均散度、平均垂直速度、相对风暴螺旋度、垂直风切变)能够反映本站上空环境场的快速变化情况:强对流系统移入本站前雷达站上空逐渐调整为低层辐合、中高层辐散的风场配置结构,螺旋度和垂直风切变数值逐渐增加,表明环境场有利于强对流系统的维持发展。(3)强降雹超级单体除具有三体散射现象、入流缺口等雷达回波中尺度特征外,持久深厚的中气旋存在造成了显著的有界弱回波区和高悬垂强回波区。应用双多普勒雷达风场反演技术揭示了超级单体内部环流结构:低层气旋性旋转,中层旋转加强,高层风场辐散。超级单体内部涡旋特征的出现和维持有利于支撑空中大冰雹的增长。     

一次长生命史超级单体降雹天气诊断分析

利用常规气象观测数据、ERA5 0.25°×0.25°逐小时再分析资料、怀化站SA波段多普勒雷达资料对2021年3月30日怀化市一次长生命史超级单体降雹天气过程进行分析。结果表明：(1)强对流在贵州东北部地面辐合线附近触发,低层维持良好的水汽输送,强垂直风切变使风暴高度组织化,也是超级单体进入怀化市后仍能维持高强度降雹原因之一;(2)雷达产品表现为回波中心强度强,有钩状回波、三体散射和旁瓣回波特征,具有悬垂结构,有中等强度的中气旋特征,VIL值在55 kg/m²以上并且VIL密度连续4小时维持在4.66～7.7 g/m³之间,有利于大冰雹的产生;(3)中层湿度、DCAPE值预报偏大是造成此次预报出现偏差且雷暴大风空报的重要原因。     

山东半岛两次海风锋引起的强对流天气对比

利用常规地面和高空观测资料、烟台和青岛多普勒天气雷达资料、加密自动气象站等资料分析2014年7月14日(“7·14”)和2009年6月29日(“6·29”)山东半岛两次海风锋引起的强对流天气。结果表明:“7·14”强对流天气发生于冷涡后部前倾槽的环流形势下, 明显的静力不稳定层结、中等大小的对流有效位能及垂直风切变相对偏弱, 是此次对流风暴持续时间短且降雹范围较小的原因; “6·29”过程是东北冷涡影响下的强对流天气。海风锋、阵风锋、地面辐合线是两次过程的触发机制, 两次过程都出现了高悬的强回波、弱回波区、回波悬垂、钩状回波、中气旋等超级单体回波特征; 大冰雹形成期表现为中气旋垂直伸展较大和旋转较强, 两次过程的超级单体风暴均由海风锋触发的靠近山脉的风暴发展加强而成, 即地形与海风锋结合导致的更强抬升在加强对流风暴并演化为超级单体风暴中起了关键作用。但“6·29”强对流天气过程出现了强中气旋, “7·14”强对流天气过程出现了弱中气旋, 因此, 前者对流范围更大、强度更强。     

柳州“4·09”致灾冰雹的超级单体风暴过程分析

利用柳州和桂林天气雷达(SB)资料和相关实况资料,对2016年4月9日夜间柳州一次强雹暴天气的环境条件和雷达回波结构演变特征进行了详细分析。结果表明:(1)雹暴发生在低层热低压发展,中层有冷温槽发展东移,高层有急流的背景下。地面干线和中尺度辐合线触发的对流云团在不稳定层结和较强的深层垂直风切变作用下发展为超级单体。(2)超级单体的低层反射率因子呈现出明显的钩状回波或倒"V"型人流缺口。反射率因子垂直剖面呈现出典型的有界弱回波区、回波悬垂和回波墙。最大的回波强度出现在沿着回波墙的一个竖直的狭长区域,其值达到65 dBz。相应的中低层径向速度图呈现出一个强中气旋,旋转速度达到24 m·s。该中气旋的发展和维持使得超级单体风暴发展并维持。(3)得出大冰雹临近预警的雷达参数量化指标:最大反射率因子达到60 dBz,中等强度以上中气旋,VIL值和VIL密度分别达到60 kg·m~(-2)和5.0 g·m~(-3),50 dBz以上强回波区伸展到-30℃层高度以上。     

“2011.7.14”沈阳短时强降水多普勒雷达回波特征

为了更好的预报、预警超级风暴单体引起的短时强降水,利用沈阳棋盘山多普勒雷达、营口多普勒雷达和自动站及地面、高空等气象资料,对2011年7月14日沈阳强降水超级单体风暴进行分析。结果表明：地面辐合线和切变线提前于降水2 h产生,而且地面辐合线和切变线的位置与风暴的生成位置重合。强对流风暴具有超级单体风暴特征,风暴出现弓形回波;速度图上存在“v”型入流缺口,相应速度场上出现中气旋,营口雷达基本反射率最大值达到61 dBz,反射率因子垂直剖面出现弱回波区和回波悬垂。当雷达回波发现中气旋,并预计此中气旋能维持1 h左右或者雷达回波发现弓形回波,沈阳棋盘山雷达基本反射率强度超过45 dBz时,可发布短时暴雨或雷雨大风等强对流气象灾害预警。     

甘南地区一次强对流天气的多普勒雷达特征分析

针对甘南地区2006年7月12日出现的冰雹天气过程,利用兰州CINRAD/CC多普勒雷达回波资料以及MICAPS资料对此次强对流天气过程进行了初步的分析,分析了冰雹天气过程中雷达回波的形态特征、结构和动态特征,发现在此次强对流天气是雷达回波具有明显的超级单体风暴特征,且呈现出三体散射、有界弱回波、钩状回波等特征;雷达回波强度值55dB;回波顶16km;径向速度图上出现较强的气旋性辐合,在中高层辐合中还存在着中尺度气旋;此外,降雹过程前后垂直液态水含量(VIL)变化较大。