一次超级单体风暴雷达产品特征及气流环境结构分析

2011年5月1日黔西南部分地区遭受了不同程度的灾害性天气,通过兴义多普勒天气雷达观测表明是超级单体风暴所致。利用兴义多普勒天气雷达探测资料及自动站观测资料对这次典型超级单体的基本产品及导出产品进行了分析。结果表明:风暴表现为单体自身发展型,基本属于右移风暴,风暴从发展到消亡的各个阶段其强度、最大强中心高度、垂直累积液态水含量、顶高、中气旋等产品均有不同的演变特征,风暴成熟阶段表现为典型的超级单体特征,有界弱回波区(BW-ER)及弱回波区(WER)明显,回波强中心高度及顶高上升明显,垂直流场表现为低层气旋性辐合,高层气流辐散。     

“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。     

一次飑线过程多普勒雷达资料分析

利用济南CINRAD/SA多普勒雷达产品,针对2006年7月5日飑线天气过程,分析回波发展演变、流场结构,讨论外流边界、强下沉气流与大风的关系,分析组合反射率因子、垂直液态含水量、中气旋产品特征.结果发现,飑线过境时风速出现两个极大值,一个出现在外流边界影响时段,另一个发生在强回波下沉气流影响时段;在横槽南下过程中,飑线后部强入流不断补充,前侧暖湿气流沿着后部入流爬升,不断产生新的单体,使得风暴得以维持发展;在垂直流场结构上表现为前侧暖湿气流倾斜上升,然后主体部分向后倾斜,后部有冷空气注入,形成下沉气流,下沉气流在地面附近辐散,与前侧入流形成低层阵风锋,是造成地面破坏性大风的主要因素.在水平流场结构上表现为低层存在气流辐合上升运动,中层有气旋性旋转气流,风暴高层为辐散气流.飑线消散阶段后期中层出现MARC,带来大风天气,而同时伴有冰雹天气的风灾产生在飑线达到最强至开始减弱的时段.当回波强度≥50dBz,且垂直液态含水量≥35kg·m-2,当有中气旋时,有利于产生冰雹和大风天气;外流边界的出现,反映了强对流回波后部下沉气流较强,是灾害性大风的前兆.     

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。     

一次超级单体分裂过程的雷达回波特征分析

2007年7月9日16—20时（北京时）在河北南部非常罕见地观测到了多个超级单体风暴在相近地点连续生成及分裂的过程。利用石家庄新乐SA型多普勒天气雷达资料、地面自动站及常规天气资料,对超级单体分裂过程及环境条件做了分析。表明这次的多个超级单体风暴是在强的对流有效位能和垂直风切变的环境条件下发生的。由于垂直风切变矢量方向随高度逆时针旋转,因此,分裂后左移的反气旋风暴得到加强,发展成为具有深厚中反气旋的左移超级单体风暴,而右移的气旋性风暴受到抑制,与理论研究结果一致。但也有不同之处,沿着地面高湿区内热力边界偏暖一侧移动的气旋性风暴没有受到明显抑制,有利的地面环境条件抵消了气旋性风暴受抑制的程度,使气旋性风暴能够持续更长的时间。该强烈发展的带有明显中反气旋的超级单体风暴具有低层钩状回波和入流缺口、中高层有界弱回波区及位于有界弱回波区之上的高层具有反射率因子核心和强烈风暴顶辐散,与经典的气旋式右移超级单体风暴的回波特征非常类似,除了是反气旋涡旋外,其回波特征与气旋式超级单体近似成镜像。风暴分裂是在单体形成不久的发展初期开始的。分裂先从中高层开始,然后迅速向下延伸。分裂后相对于0—6 km风切变矢量,左侧的单体为反气旋左移风暴,右侧的为气旋性右移风暴。     

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。     

山东中西部一次超级单体分裂过程的雷达回波结构和环境条件分析

利用常规观测资料、济南多普勒雷达资料、FY-2G资料和加密自动站等资料分析了2016年6月14日一次在华北冷涡背景下发生的超级单体风暴生成及分裂过程,对超级单体分裂过程的雷达回波特征和环境条件进行了详细的分析。结果表明,超级单体风暴发生在地面中尺度辐合线附近,中层短波槽前,高空有中空急流的环境下,触发的对流云团向偏东方向移动中,在不稳定层结和较强的垂直风切变作用下,对流风暴发生分裂且右移性对流风暴发展加强。风暴分裂后环境风左侧的风暴单体并没有受到明显抑制,中尺度辐合线附近的露点锋生抵消了反气旋性风暴的受抑制程度,使反气旋性风暴能有所加强并持续更长的时间。环境风右侧的风暴单体发展加强,且持续时间长达2 h。风暴分裂是在单体发展的初期开始,分裂先从中高层开始,然后向下延伸,分裂后相对于环境风方向,左侧单体为反气旋性左移风暴,右侧为气旋性右移风暴。气旋性右移风暴强烈发展为具有低层的入流缺口、中高层的弱回波区及风暴顶的强辐散,与经典超级单体风暴回波特征类似。分裂后右移风暴伴有深厚持久的中气旋,其起源于中层4～5 km,然后向上和向下发展,最强旋转出现在高层,旋转速度达29 m/s,这与典型超级单体内中气旋都是中层旋转最强有所不同。     

滇东北一次飑线过程的中尺度结构特征

利用常规观测资料、卫星云图和多普勒天气雷达资料,综合分析了2007年6月14日发生在滇东北的一次飑线过程。结果表明:飑线发生在700 hPa切变线前和冷锋前暖区中,位于高层冷舌和低层暖舌相叠置的地区,高层冷空气侵入和地面中尺度切变线的触发作用是飑线形成和发展的主要动力过程。飑线前沿形成含有5个强单体的带状强回波,成熟阶段的强单体出现了弓形回波特征。飑线前沿出现低层辐合、中层径向辐合和高层辐散的特征,低层β中尺度辐合线随高度增加向飑线后部倾斜。飑线前沿存在前侧低层入流、中高层出流急流以及后侧低层入流急流。飑线上存在深厚的上升气流,两侧为下沉气流,且前方的下沉气流比后方强。低层强垂直风切变有利于飑线的产生和发展。     

一次飑前降雹超级单体分裂过程的雷达回波及流场特征分析

2019年4月23日浙江南部发生一次明显的超级单体分裂过程,为研究超级单体风暴分裂特征,利用多部雷达构成的双雷达三维风场反演组网技术,结合雷达基本产品、风廓线雷达及探空资料对此次分裂过程做了分析。该超级单体风暴在较强的风垂直切变环境下（地面—500 hPa大于15 m/s）发生,形成于飑线主体弓形回波前端,具有明显的三体散射特征且持续时间较长。分裂从初始风暴的北侧中层开始,然后迅速向上、下伸展,左移超级单体具有明显的中反气旋涡旋结构,呈现由悬垂、强回波柱、强上升气流配合构成的典型超级单体结构,与右移超级单体无论在形态或是流场结构上都形成近似镜像对称的特征。在两者即将分离时,两风暴均发生了降雹,对应强下沉气流。在新风暴分裂形成的发展阶段其垂直廓线中最大垂直速度和最大负散度均在增大,而对应时段原风暴这两个物理量数值减小;整个分裂过程两个风暴正、负涡度数值均一同逐渐增大,气旋—反气旋涡旋的旋转程度变大趋势一致。低层风垂直切变矢量随高度上升逆时针旋转,分裂的左移反气旋超级单体加强发展,右移的气旋式超级单体受到一定抑制,与理论研究结论一致。该个例雷达反演的风场特征与径向速度分布吻合,反演风场基本...     

2016年山东一次阵风锋触发的强对流天气分析

利用常规观测、区域自动气象站、NCEP/NCAR再分析和雷达回波资料,对2016年6月30日山东一次阵风锋触发的强对流天气进行了分析。结果表明,此次强对流主要发生在高空槽与副热带高压相互作用、山东高低层受一致西南气流影响的环流形势下,阵风锋、地面辐合线和负变压中心所产生的抬升作用及近地面层冷空气的侵入使气温骤降是触发对流的关键因素。低层水汽充沛、湿层厚,属于上干下湿的不稳定层结。强对流发生区域处在假相当位温差（Δθse）和风暴相对螺旋度（storm relative helicity,SRH）的大值中心及其右侧位置。对流有效位能（convective available potential energy,CAPE）、850 hPa与500 hPa之间温差、大风指数、强天气威胁指数等都对此次强对流有较好的指示作用。0 ℃层高度和融化层高度较高是此次过程未出现大冰雹的原因。较强的0～3 km垂直风切变在强对流预报业务中需要注意。此次强对流过程是线状回波带前侧风暴内出现了阵风锋,阵风锋又不断触发雷暴使个别强单体风暴发展加强成为超级单体风暴,具有持续时间较短的中气旋、高悬的强回波、有界弱回波区、风暴顶辐散、窄带回波、径向速度大值区等回波特征。风暴移动速度比风暴承载层平均风速大,缩短了超级单体存在时间。此外,风暴参数与天气的强烈程度密切相关。     

Analysis of Three Supercell Storms with Doppler Weather Radar Data

Three supercell storms on 24 June 2004 (0624), 28 June 2003 (0628), and 27 September 2002 (0927) induced different damages in Shandong Province. Storm 0927 was inferior in size and intensity to storms 0628 and 0624. The structure and evolvement of the three storms were analyzed in detail based on the WSR-98D radar data in combination with weather charts. The results show that mesoscale surface convergence triggered release of instable energy, which resulted in severe convection. During the development stage, storms 0927, 0628, and 0624 displayed multi-cell propagation, single-cell evolution, and multi-cell mergence, respectively. The storm tracks were similar: they were all right-moving supercell storms, i.e., moving at an angle of 30°–70° to the right of the mean wind and at a speed of about 45%-70% of the mean wind speed. In the mature stage, the maximum reflectivity appeared at the low level in storm 0927, mid level in storm 0628, and mid-upper level in storm 0624. These storms possessed almost all typical features of supercell storms: weak echo region (WER), bounded weak echo region (BWER), and mesocyclone. An organized mesocyclone formed at the middle height of an updraft, deepened gradually downward and upward, and became a typical mid-level mesocyclone with strong updrafts. The vertical structures of airflows in the three storms were similar, i.e., significant convergence at low level, nearly pure rotation at mid level, and divergent rotation at upper level. However, signatures of mid-level horizontal airflows in the three storms were different: at mid level, there was a single vortex in storm 0628, but a double-vortex flow pattern was seen in storms 0927 and 0624. The horizontal structure of the double-vortex flow was hard to be blown away by the environmental airflow, and thus the storms could persist for a longer period of time than the single vortex storm.     

超级单体风暴中大冰雹增长机制的模拟研究

为调查超级单体中大冰雹的运行增长机制,使用三维冰雹分档对流云模式结合三维粒子运行增长模式,对一例超级单体风暴进行了数值模拟.实测风暴的结构如中气旋、弱回波区、前悬回波等被很好地模拟再现,显示了模式对超级单体具有良好的模拟能力.雹胚在风暴发展阶段由过冷雨滴冻结产生,主要分布在主上升气流区上部,在主上升气流区西北侧中高层也有相当数量的雹胚粒子,冰雹主要分布在主上升气流区东侧.风暴发展阶段产生的雹胚有7％～8％增长到1 cm以上,1％左右增长到2 cm以上,这些大冰雹绝大多数起源于主上升气流区北侧的高层云区,气旋性进入主上升气流区按照简单的上—下形式增长,少数大冰雹起源于主上升气流区西北侧风暴后部中高层,气旋性地沿着主上升气流区的边缘按照下—上—下形式运动增长,表明了超级单体中大冰雹存在两条增长路径.     

2020 年 6 月 1 日山东强雹暴过程双偏振雷达观测分析

利用济南S波段双偏振多普勒雷达探测数据,结合探空、地面气象站观测和实地冰雹调查资料,对2020年6月1日影响山东中西部的一次强雹暴过程进行分析。结果表明：1）此次雹暴过程受高空槽影响,于当日中午在河北邢台市初生,移入山东境内后持续降雹近5 h,其中17:00后雹暴明显加强,冰雹灾害严重。2）典型降雹时次具有明显的三体散射特征;1.5～5.5 km高度冰雹区对应的反射率因子（ZH）均大于65 dBZ,差分反射率因子（ZDR）介于-2.6～1.5 dB,相关系数介于0.80～0.96;大冰雹多集中在低层前侧入流的左侧和前侧。3）多个单体于17:00前后演变成超级单体风暴,具有明显的有界弱回波区和中气旋结构,ZDR柱可指示雹暴主上升气流区的位置。4）水凝物相态分类产品给出的冰雹分布反映了空中冰雹的分布和演变,可从冰雹色标面积大小、连续性程度预估冰雹强弱,根据低仰角的冰雹色标预判冰雹落区。     

桂林市2019年“3.21”极端大风与“4.24”致灾冰雹过程特征对比分析

利用常规、非常规观测及NCEP再分析资料,对比分析广西壮族自治区桂林市中γ系统造成的极端大风和中β 系统造成的致灾冰雹过程。(1)高低空急流耦合为强对流天气提供有利背景条件,锋面及辐合线为触发系统。大风过程锋面、冰雹过程高空槽动力作用更强。(2) 均具有强的上干冷下暖湿不稳定层结、强下沉动能、CAPE及中低层垂直风切变,大风过程中层干层更显著,冰雹过程CAPE更大。(3) 冷池出流与环境风垂直切变维持平衡使上升速度区呈垂直状态,利于飑线发展。变压风与冷池共同影响使风暴发展并向变压低中心移动,大风过程冷池前沿与变压低中心在广西临桂迭加,表明强风暴造成的下击暴流与低层中气旋迭加导致极端大风。(4) 大风、冰雹均由镶嵌在飑线系统中的超级单体风暴造成,超级单体强回波中心达65 dBZ,具有弱回波区、三体散射。大风过程强风暴借助冷锋热力边界的斜压性形成低层中气旋,低层钩状回波更明显,并有明显的MARC及强回波核心下降特征;冰雹过程强回波质心高,VIL达55~65 kg/m2,并有跃升现象。(5) 均有中等强度中气旋。大风过程中气旋比冰雹过程低,半径明显减小。大风过程中气旋与龙卷涡旋特征同时出现,对极端大风有预警作用。      

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。     

一次强冰雹超级单体风暴双偏振参量特征分析

利用济南S波段双偏振多普勒天气雷达资料、章丘探空和地面常规气象观测资料及灾情调查,对2021年7月9日发生在济南章丘的一次特大冰雹超级单体风暴双偏振和微物理结构特征进行了分析。结果表明:冷涡天气背景下,强的垂直风切变和强的对流有效位能,利于超级单体的形成与维持。阵风锋是风暴触发机制,也是风暴长时间维持机制。初始风暴由阵风锋触发,经过合并发展产生超级单体。成熟阶段,风暴西侧与阵风锋交汇区域不断激发新生单体,并与主体合并,风暴长时间维持。风暴顶强辐散是中气旋长时间维持和风暴顶高度较高的关键因子之一。特大冰雹阶段风暴底层右后有明显的入流缺口,其前侧有差分反射率(Z_DR)弧,表现为少量大的液态粒子或小的湿冰粒子,入流缺口左侧强反射率因子区对应小的Z_DR和小的相关系数,为冰雹降落区。垂直结构上,强上升气流区一侧存在深厚的有界弱回波区,0℃层高度之下分布有Z_DR环,有界弱回波区内及上方存在Z_DR柱,且高度较高,含有少许偏大的液态或融化的小的冰相粒子。较高的Z_DR柱表明风暴内上升气流强盛且高...     

新一代天气雷达超级单体风暴中气旋特征分析

超级单体风暴常伴随着冰雹、雷雨大风等强对流天气,最本质的特征是有一持久深厚的几千米尺度的涡旋——中气旋。利用2003--2009年福建龙岩新一代天气雷达观测到的32次超级单体风暴,分析了超级单体风暴中气旋的时空分布、结构特征以及旋转速度大小、中气旋顶和底的高度、伸长厚度以及切变值等特征量。结果表明：90％以上的超级单体中尺度气旋是与冰雹、雷雨大风、短时强降水等强对流天气相联系的。统计8次有详细灾情的雷雨大风或冰雹天气过程发现,中气旋强度不断加强,中气旋厚度加大,最强切变中心突降时将产生大风或冰雹等强对流天气。     

产生致灾大风的超级单体回波特征

基于中国东部平原地区31部S波段多普勒天气雷达数据和实况记录,筛选出2002-2020年56次由超级单体风暴导致的25m·s-1以上的直线型大风事件,分析超级单体风暴多普勒天气雷达回波特征与其导致的直线型大风间关系,获得产生直线型致灾大风的超级单体的量化结构特征,为超级单体产生的大风的主客观监测预警提供参考.统计结果表...