低层暖平流强迫下两次大冰雹超级单体风暴结构特征分析

2020年3月21日和5月4日在低层暖平流强迫背景下湖南怀化出现两次罕见的6 cm大冰雹。基于常规气象资料和多普勒天气雷达资料,对这两次大冰雹过程的超级单体风暴的强度结构、动力场结构进行分析。结果表明：(1)两次过程均发生在低层暖平流强迫背景下,中等强度对流有效位能、大的深层垂直风切变和高的能量螺旋度,有利于风暴组织性发展与维持,地面辐合线是主要触发因子。(2) 6 cm冰雹均发生在超级单体风暴强烈发展初期,由无中气旋特征的“类超级单体”造成,出现钩状回波、旁瓣回波以及三体散射和回波悬垂等特征。(3)风暴强烈发展阶段垂直动力场均表现出低层辐合、中层气旋性旋转和反气旋旋转并存的双涡管式旋转、高层辐散特征。(4)大冰雹降落前风暴最大反射率因子和单体垂直累积液态水含量均达到67 dBz和69 kg·m^-2。强中心高度和最强切变高度的下降均反映出冰雹的降落。     

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。      

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。     

“4·11”海南致灾雷暴大风环境场与多普勒雷达回波特征分析

利用海口多普勒雷达、海南省区域加密自动站和常规资料对2016年4月11日凌晨发生在海南岛北部近海和陆地的大范围雷暴大风过程进行天气学分析。结果表明:（1）这次雷暴大风过程发生在500 hPa槽前、低空急流左前侧、低层切变线南侧、高空急流分流区下方和地面静止锋南侧的有利于对流发展的较大范围上升气流区域内;（2）对流风暴移动路径上的大气环境具有中等程度的条件不稳定、对流有效位能CAPE以及上干冷下暖湿的温-湿廓线垂直结构、强的深层垂直风切变,对流风暴形成后最终组织发展产生雷暴大风、大冰雹和短时强降水的多单体带状回波和弓形回波;（3）在多单体带状回波中镶嵌的风暴A和B各自发展成为具有中层径向辐合特征的超级单体,风暴B和C合并形成弓形回波,其中风暴C的中气旋加强成为弓形回波北部的气旋式中尺度涡旋;（4）阵风锋对对流风暴的正反馈作用、对流风暴前侧强劲的暖湿入流与风暴后侧径向风速相当的冷池出流,长时间倾斜依存的自组织结构及其与强的低层环境风垂直切变的相互作用,是多单体风暴和弓形回波长时间维持和加强的主要原因;（5）地面原来存在的β中尺度辐合切变线,对流风暴主体回波沿着海南岛北部近海东移等因素,有利于多单体带状回波和弓形回波的长时间维持。      

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。     

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。     

海南一次超级单体引发的强烈龙卷过程观测分析

利用常规高空地面观测、海南省区域加密自动站、海口多普勒雷达、海口风廓线雷达以及风云2G高分辨可见光云图资料对2016年6月5日海南省文昌市一次EF2级龙卷过程进行分析。结果表明:(1)这次龙卷过程发生在副热带高压边缘、500 hPa槽前、850 hPa切变线和地面热低压的南侧,是由超级单体引发的;由于海陆风效应而显著增大的0~2 km垂直风切变,较低的抬升凝结高度,随着白天地面太阳辐射加热迅速增大的CAPE值为超级单体风暴的生成提供了有利的环境条件。(2)超级单体是在东移飑线的东侧,由β中尺度海风锋辐合线和雷暴外流边界触发并加强的,沿着海风锋辐合切变线自东向西传播,与风暴承载层平均风向相反,即后向传播;超级单体具有勾状回波、中高层回波悬垂、中气旋和类似龙卷式涡旋特征(TVS)的小尺度强切变等特征,中层中气旋向低层延伸加强期间龙卷漏斗云生成、触地,小尺度强切变自中层同时向上、向下发展时龙卷达到最强;龙卷发生在勾状回波低层反射率因子最大梯度区域靠近弱回波区域一侧,也是小尺度强切变(类TVS)所在位置;(3)海风锋辐合线与超级单体的下沉气流外流边界合并,形成位于超级单体南侧的阵风锋,从而形成由东指向西的水平涡管,该水平涡管在钩状回波旁的弱回波区被上升气流扭曲拉伸,形成低层中气旋,超级单体南侧的阵风锋与东移的飑线阵风锋相遇而加强的地面辐合,有助于低层中气旋获得拉伸旋转加速而形成龙卷。     

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。     

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。     

桂西北一次超级单体风暴过程的分析

本文利用常规观测资料和多普勒天气雷达资料,对2009年4月12日发生在广西西北部的大范围冰雹天气进行分析,得出以下结论：（1）导致冰雹发生的天气系统是高空低涡和低层切变线,冰雹发生前上午百色探空站有中等对流有效位能、上干下湿层结结构、强的深层垂直环境风切变,速度矢图上低层强的顺时针旋转曲率,已经具备强对流潜势发生条件。（2）超级单体右前方的低层反射率因子呈现明显的钩状回波,是超级单体风暴的典型特征之一。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,其值超过65 dBz。相应的中低层径向速度图呈现一个中等强度的中气旋,旋转速度达到22 m·s-;垂直累积液态水含量和密度分别超过70kg·m~（-2）和5 g·m~（-3）。（3）高空低涡正涡度区、高CAPE值、地面辐合线在右江河谷滞留以及特殊地形作用,是多个对流单体沿相似路径移动的主要原因。     

2013年3月20日广东东莞罕见龙卷冰雹特征及成因分析

利用常规观测、NCEP/NCAR再分析、多普勒天气雷达及自动气象站资料等,对2013年3月20日发生在东莞的一次罕见龙卷、冰雹等致灾性强对流天气过程进行分析。结果表明：1）龙卷过境时的单站气压、温度、风向风速与雷雨大风过境时明显不同,前者具有较典型的龙卷特征。2）华南地区高低空强的风随高度增大的垂直变化、上干下湿的位势不稳定层结以及低层高湿、增温为对流天气发展提供了有利的环境条件,冷空气南压和近地面边界层中小尺度辐合系统为其提供了触发机制。3）中等强度的对流有效位能（CAPE）、强的0-6 km深层垂直风切变以及较强的0-1 km低层垂直风切变为龙卷产生提供了可能性。4）龙卷、冰雹强对流风暴的发展加强与近地面边界层中小尺度辐合系统加强有密切关系。5）同时出现冰雹、大风、龙卷时,最强回波为72 dBz;龙卷出现在超级单体的钩状回波附近,更靠近后侧V形缺口;多时次观测到三体散射（TBSS）回波,与降雹对应;反射率垂直剖面图上可见明显的低层弱回波区、中高层回波悬垂,有界弱回波区（BWER）先于龙卷20多分钟出现。径向速度图上,龙卷出现时超级单体风暴同时具有龙卷涡旋特征（TVS）和中气旋特征。     

海南一次罕见强冰雹过程环境条件与超级单体演变特征分析

应用常规资料、海南省乡镇自动站资料和海口多普勒雷达资料,对2013年3月20日海南岛罕见大范围强冰雹过程进行综合分析。结果表明:中层干冷气流叠加在低层暖湿气流上形成对流不稳定层结以及低层逆温为不稳定能量积聚提供了有利条件;中等到强的垂直风切变有利于强对流有组织发展和维持;海陆风辐合和地形抬升是海南低槽类冰雹发生的主要触发机制。该过程先后有4个超级单体产生,其中两个单体由一母体回波分裂后持续发展成为左移超级单体和右移超级单体,左移超级单体出现中反气旋,低层弱回波区位于其移动方向左后侧,右移超级单体出现中气旋,低层弱回波区位于其移动方向右后侧;在适宜的0℃层和-20℃层高度下,发现三体散射或中(反)气旋时立即发布冰雹警报,预报时效最长可提前20~30 min;冰雹发生前55 dBz回波顶在-20℃层高度之上,同时垂直积分液态水含量(VIL)均有跃增过程且其普遍达65kg·m-2时,地面开始测得冰雹,当VIL跃增到60kg·m-2时发布冰雹警报,预报时效最长则可提前1~3个体扫时间(约5~15min),当VIL降至40kg·m-2以下时冰雹过程结束。     

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。     

一次伴随冰雹的超级单体风暴特征

利用中国气象监测网实测资料、重庆西部多普勒天气雷达资料及NCEP/NCAR 6 h间隔1°×1°再分析资料,对2008年6月5日发生在重庆市中部的大风冰雹天气过程进行了天气背景、物理量、雷达回波和云图特征分析.研究表明:大气中显著的水平风切变和垂直风切变及晴空太阳辐射对地面的不均匀加热都有利于诱生涡度;从北部高层向南侵...     

NCEP再分析资料在强对流环境分析中的应用

为考察NCEP再分析资料在我国强对流天气产生环境分析中的适用性,选取2002—2009年多普勒天气雷达识别的60例超级单体风暴个例,对比分析常规探空资料和NCEP再分析资料提取的温、湿、风垂直廓线,结果表明:NCEP再分析资料计算的对流有效位能因对抬升气团湿度敏感而与观测间差异较大,宜用K指数、温度直减率分析大气层结稳定度;因对流层中高层风与探空差异不大,其中500~700 hPa的风与探空近乎一致,因此NCEP再分析资料计算的深层、中层风垂直切变参量可靠性较高;NCEP再分析资料水汽参数与探空资料差异大,特别是在大气边界层,需用观测资料订正;边界层物理量,特别是风向与探空差异显著,因此不宜用NCEP再分析资料讨论雷暴触发问题;平均而言,NCEP再分析资料湿度廓线低层偏干而中层偏湿,925 hPa以上风速偏小,降低了强对流发生概率。