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。     

一次超级单体的多普勒雷达特征分析

运用长沙多普勒天气雷达的基本反射率因子(R)、径向速度(V)、垂直积分液态含水量(VIL)、垂直剖面等产品,分析了2008年4月8日发生在湘东地区的一次超级单体强对流天气过程。分析表明:这次过程是一次典型的超级单体过程,在反射率因子上出现了钩状回波、三体散射回波、弱回波、高悬垂回波,相应的径向速度图上出现了持久的中气旋,风暴顶表现为强烈的辐散,降雹前相应的液态垂直累积含水量有一个跃增,这些多普勒雷达特征均为超级单体风暴预警提供了有利的临近预报因子。     

一次致灾冰雹的超级单体风暴雷达回波特征分析

利用石河子C波段多普勒天气雷达资料,对2010年6月28日下午发生在准噶尔盆地南缘石河子垦区北部沙漠边缘地带的强冰雹超级单体风暴的雷达回波演变特征进行了详细分析。结果表明,该超级单体风暴前进方向的右侧出现了弓形回波,左前侧和右后侧分别出现了＂V＂字型缺口;沿入流方向穿过最强回波位置的反射率因子垂直剖面呈现出典型的有界弱回波区、回波悬垂和有界弱回波区左侧的强大回波墙,最大回波强度出现在沿回波墙狭长区域的下部,其值达到70dBz;相应的径向速度上出现了中气旋,该中气旋的发展和维持使得超级单体弓形回波发展并维持;强冰雹发生在有界弱回波区、垂直累积液态水含量大值区和中气旋重合的区域内;可用中气旋提前30min预警短时冰雹,其反射率因子垂直剖面上的宽大有界弱回波及其回波悬垂和回波墙下部的强回波中心强度（70dBz）可作为预警大冰雹的预警指标。     

苏北地区超级单体风暴环境条件与雷达回波特征

利用江苏3个探空站、5部CINRAD/SA型多普勒天气雷达、地面常规与加密自动站等观测资料,分析2005—2009年苏北地区72个超级单体风暴发生的环境条件和多普勒天气雷达回波特征。探空和地面资料分析表明,苏北地区超级单体风暴可以产生在差别相当大的环境条件下:强降水超级单体通常产生在对流有效位能较高和垂直风切变中等的环境下,经典超级单体更多地产生在对流有效位能较高和垂直风切变较强环境下;产生大冰雹和(或)雷暴大风的超级单体,无论是经典还是强降水型超级单体,其环境特征均为0℃层、-20℃等温线高度较低,850—500 hPa温差较大,低层露点不高;产生龙卷特别是F2级以上强龙卷超级单体环境特征常常表现为低层(0—1 km)垂直风切变大、850—500 hPa温差相对较小、抬升凝结高度低、低层露点高,这类超级单体在产生龙卷的同时也常常伴有短时强降水甚至极端短时强降水。多普勒天气雷达资料分析表明,苏北地区超级单体具有持久的中气旋、回波墙和有界弱回波区或弱回波区结构,可以产生大冰雹、龙卷、短时强降水和下击暴流等强对流天气;超级单体的类型主要有经典超级单体、强降水超级单体以及强降水超级单体组成的复合风暴。经典超级单体一般为孤立风暴,中气旋多数情况下位于其右后侧(相对于风暴移动方向),低层有明显的钩状回波和入流缺口,入流缺口之上存在宽大的有界弱回波区,其上有强反射率因子组成的风暴核,最强的反射率因子可达75 dBz;强降水超级单体前侧有入流缺口和旁边粗胖的凸起部分与中气旋相伴,与经典超级单体的钩状回波在形态上区别明显,同样存在有界弱回波区或弱回波区,中气旋环流中有明显的降水回波;强降水超级单体组成的复合风暴内中气旋一般位于其前侧,主要结构与强降水超级单体相似,生命史较长。超级单体结构属性分析表明,绝大多数情况下,苏北地区超级单体风暴的最大反射率因子为55—76 dBz,基于单体的垂直累积液态水含量(VIL)为35—90 kg/m~2,垂直累积液态水含量超过60 kg/m~2时风暴有可能产生大冰雹,特别是在4—6月,冰雹直径随着垂直累积液态水含量的增大而增大,因此,垂直累积液态水含量季节性高值可以用来辨别产生大冰雹的超级单体;绝大多数情况下,中气旋旋转速度大于15 m/s,直径在3—10 km,持续时间超过40 min;中气旋的底越低,直径越小,产生龙卷的可能性越大。     

鄂西北一次超级单体风暴的多普勒天气雷达观测分析

利用十堰多普勒天气雷达资料和高空地面观测资料对2013年5月23日凌晨发生在十堰地区的强超级单体风暴过程进行了详细的分析。干暖盖、强垂直风切变、高空辐散、低空辐合特征为超级单体的形成提供了良好的环境场;喇叭口地形、地形抬高冷池出流和雷暴出流与低层暖湿气流产生的扰动是超级单体爆发性增强的关键原因;多普勒天气雷达观测表现为典型钩状回波、低层有界弱回波区和"穹隆"、中气旋、回波墙等超级单体特征;4D-VAR风场反演结果表明超级单体内,上升气流从前端低层进入,然后倾斜上升,至高层后随高空风向外流出,下沉气流从云后中低层流出,这是成熟的超级单体所具有的典型流场结构;中层干冷气流夹卷使得雷暴群整体更有组织性并具有更长的生命史,有利于强灾害性天气的产生。     

“20090719”致灾冰雹的多普勒雷达回波特征分析

利用石河子c波段多普勒天气雷达资料,结合常规观测资料对2009年7月19日傍晚发生在准噶尔盆地南缘沙漠边缘下野地地区的冰雹等强对流风暴的多普勒雷达回波演变特征进行了详细分析。结果表明:该强对流风暴具有超级单体风暴的典型特征,强风暴前进方向的右侧出现钩状回波,西北侧呈现出倒V字型缺口;沿入流方向穿过最强回波位置的反射率因子垂直剖面呈现出有界弱回波区、回波悬垂和有界弱回波区左侧的回波墙,最大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65dBz,垂直累积液态水含量达到65kg/m2。相应的径向速度图上出现中气旋,中气旋所对应的钩状回波反射率因子从低层往高层明显向低层入流一侧倾斜。回波顶高和垂直累积液态水含量的明显跃增及弱回波区和有界弱回波区的形成,为预测冰雹出现的时间和落区提供了一定的参考依据。弱回波区的出现超前冰雹发生近40分钟,对冰雹的预警、人工影响天气消雹具有较强的指示意义。     

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。     

天山北坡一次致灾冰雹的多普勒雷达回波特征分析

利用石河子c波段多普勒天气雷达资料,对2007年7月3日下午发生在石河子垦区南部山脉与平原交界区151团的冰雹等强对流风暴的多普勒雷达回波演变特征进行详细分析。结果表明：该强对流风暴具有超级单体风暴的典型特征,强风暴前进方向的右侧出现钩状回波,西北侧呈现出“V”字型缺口;反射率因子垂直剖面呈现出弱回波区、回波悬垂和弱回波区左侧的回波墙,最大回波强度超过65 dBz,垂直累积液态水含量超过70 kg/m²;相应的径向速度图上出现中气旋。该超级单体的移动方向在盛行风向的右侧约30°,属于右移风暴。     

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。     

2004年4月29日常德超级单体研究

利用常德和长沙多普勒天气雷达资料和常规资料,对2004年4月29日发生在湖南安乡且产生了10 cm直径降雹和广泛8级大风的超级单体风暴进行了详细分析.该超级单体风暴发生在西南高空急流和西南南低空急流的交汇区域,加强的热力不稳定趋势和较大的垂直风切变条件非常有利于超级单体的产生.超级单体风暴呈现出典型的钩状回波,钩状回波位于该超级单体风暴移动方向的右后侧,从低层一直扩展到将近6 km高度;同时出现了指示存在大冰雹的三体散射回波.此次超级单体风暴成熟阶段中气旋的最大旋转速度为24 m·s-1,属于强中气旋,相应的垂直涡度为1.6×10-2 s-1.反射率因子的垂直剖面显示该超级单体风暴具有一个宽大的有界弱回波区(穹窿),其水平尺度超过10 km,垂直扩展超过4 km.在有界弱回波区之上,是一个强度超过70 dBZ的反射率因子核区,其中心高度为9 km,展现出典型的强烈超级单体雹暴结构.超级单体风暴在演变过程中经历了3次分裂过程.     

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。     

三次超级单体风暴雷达产品特征及气流结构差异性分析

2002年9月27日、2003年6月28日和2004年6月24日山东部分地区遭受了不同程度的灾害性天气,雷达观测分析表明是3次超级单体风暴所致,0927风暴尺度和天气现象次于0628和0624风暴.利用济南多普勒雷达探测资料,结合天气形势,对这3次典型超级单体强度结构、流场结构及其演变过程进行了仔细的分析,结果表明:地面中尺度辐合触发了不稳定能量的释放,引发了强对流天气发生;风暴形成阶段表现为不同的演变特征,0927风暴表现为多单体传播型,0628风暴表现为单体自身发展型,0624风暴表现为群发单体合并型;移动路径相似,都属于右移风暴,偏离风暴承载层平均风右侧30°-70°,移动速度约为风暴承载层平均风速的45%-70%;发展成熟阶段最大强中心高度表现不同,0927风暴位于单体底部,0628风暴位于单体中下层,0624风暴位于单体中层以上,最大反射率因子和垂直积分液态含水量(VIL)表现也有差别,0624风暴最强,0628风暴次之,0927风暴相对较弱.风暴旺盛成熟阶段表现为典型的超级单体特征,有界弱回波区(BWER)和中气旋;风暴旺盛成熟阶段风暴垂直流场结构有相似性,低层气旋性辐合,中层近似于气旋性旋转上升,高层气流辐散;中层水平流场结构存在较大差异,0927和0624.风暴为双涡管式旋转结构,0628风暴为单涡式的气旋旋转结构.     

山东中西部一次长生命史超级单体雷达回波特征和触发机制分析

利用常规观测资料、多普勒雷达产品、NCEP/NCAR再分析资料和加密自动站等资料分析了2016年6月14日山东中西部地区一次长生命史超级单体的环境条件和雷达回波结构演变。结果表明,强对流发生在华北冷涡天气背景下,中层有中空急流配合的冷槽叠加在低层低空急流配合的暖脊上,中低层之间水汽和热量的平流差异不断增大。地面露点锋生和中尺度辐合线触发的对流云团在深厚的垂直风切变和强的垂直不稳定层结作用下逐渐发展成超级单体风暴。超级单体低层反射率因子呈现明显"V"型缺口,反射率因子垂直剖面呈现典型的有界弱回波区,回波悬垂和回波墙,相应的中高层径向速度呈现出一个强中气旋,旋转速度达29 m/s,中气旋的发展和维持使得超级单体发展和维持。6月,当最大反射率因子值达到60 dBZ,出现中等强度以上中气旋且VIL值和VIL密度分别达59 kg/m2和4.7 g/m3以上时,在强对流预报业务中需要注意大冰雹的出现。冰雹发生在风暴单体强中心所在高度和回波顶高下降期间。     

淮安一次强风雹天气超级单体风暴观测分析北大核心

利用常规观测资料、ERA5再分析资料、多普勒天气雷达和双线偏振雷达以及自动站分钟级数据,通过诊断分析和风场反演,对2021年4月30日17—19时淮安地区发生的极端风雹天气的两个超级单体结构特征、维持机制和极端大风进行原因分析。结果表明:在500~700 hPa偏北急流背景下,地面强辐合中心和辐合区促使对流单体增强为超级单体风暴。淮安基准站的极端大风由超级单体A产生的下击暴流事件引发,表现为明显的风暴质心高度、最强回波高度和中气旋底高的下降,近地面层辐散风场等特征。产生强降雹的超级单体B最大反射率因子高度、风暴质心高度以及中气旋最强切变高度均达到湿球温度-20℃层高度以上。极端大风产生的原因包括强冰雹和大降水粒子下落过程中的重力拖曳和融化蒸发冷却,以及负浮力和低层强中气旋产生的垂直扰动气压梯度力。     

一次强对流风暴的新一代天气雷达特征分析

利用兰州皋兰山的CINRAD/CC多普勒天气雷达资料,对2005年5月30日15～19时发生在甘肃中部地区的一次强对流风暴进行了分析。引起此次强对流风暴的中尺度天气系统是飑线,飑线尾部位于甘肃中部的强雷暴区在15时生成,沿东南方向移动,在16时15分至17时03分多单体风暴加强合并为超级单体风暴,并呈现出人字型回波、带状回波特征。此次超级单体南边出现2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。超级单体左前方的低层反射率因子呈现明显的倒“V”字型结构,最大的回波强度出现在有界弱回波区之上,其值>70 dBZ,相应径向速度图呈现出成熟的中气旋特征,期间垂直液态水含量持续偏高,最大垂直累积液态水含量>70 kg/m2,回波顶高达17～18 km,该风暴具有强烈超级单体风暴的典型特征。     

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。     

鄂西北一次超级单体风暴过程的观测分析

2016年6月7日下午鄂西发生一次伴有超级单体的强对流过程。利用常规地面和高空观测资料以及区域自动站、多普勒天气雷达等资料,对该过程超级单体形成的环境条件及雷达回波特征进行了详细分析。结果表明:(1)上干下湿不稳定层结、较高的对流有效位能与强烈的低空垂直风切变是有利于超级单体产生的环境条件,地面辐合线和鄂西北山区地形对超级单体的触发和增强起到关键作用;(2)宽大有界弱回波区以及位于其上的强悬垂回波,弱回波区前侧强入流与中层径向辐合(MARC)的存在,都表明超级单体具有降雹潜势;(3)大风核(27 m·s-1)持续时间超过2 h、中气旋深厚持久、阵风锋、高空强冷平流下传以及风暴内部下沉气流的共同作用,导致了地面大风;(4)前侧入流槽口斜升气流强而持久且风暴顶辐散长时间维持,造成强降水。     

4.28临沂强对流灾害性大风多普勒天气雷达产品分析

分析了2006年4月28日发生在临沂的罕见灾害性大风的多普勒天气雷达产品.分析发现,雷达回波具有典型的弓状回波特征,在弓状回波前沿,对流单体强烈发展,出现有界弱回波区,低层入流缺口等超级单体的典型特征,风暴中出现中气旋,强降水之后风暴回波顶高、风暴质心高度、风暴的最大反射率因子高度迅速下降,灾害性大风出现在这个时段.实地考察表明,灾害性大风的路径与中气旋最大风速圈南缘移过的路径一致.分析认为,弓状回波后部存在较强后部下沉入流,由于强降水的拖曳作用,将中层中气旋的水平动量带到地面,中气旋右侧动量的方向与弓状回波后部的强下沉入流方向一致,两者叠加,使地面风速加大,造成灾害性大风.     

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...     

“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。