强龙卷超级单体风暴特征分析与预警研究

利用多普勒雷达资料,对发生在安徽的3次强烈龙卷过程进行了分析.重点研究了导致F2～F3级强龙卷的3次超级单体风暴多普勒雷达回波特征及其与强冰雹超级单体风暴的差异.另外,利用安徽省、市、县气象报表、历年气候评价灾情资料(部分来自民政部门的灾情报告),对1960年至今的龙卷天气的时空分布及变化趋势、产生龙卷的环流形势特征进行了分析,结果表明:(1)龙卷主要出现在淮北东部和江淮之间东部地势平坦地区,7月份出现龙卷的概率最高.(2)超级单体龙卷产生在中等大小的对流有效位能和强垂直风切变条件下,同时抬升凝结高度较低.(3)3次F2～F3级龙卷在发生前、发生时在多普勒雷达上都探测到强中气旋和龙卷涡旋特征TVS.与非龙卷超级单体风暴相比,导致强龙卷的中气旋底高明显偏低,基本在1 km以下.同时风暴结构也有所不同,造成龙卷天气的超级单体风暴最大反射率因子与风暴质心高度接近,基本在3 km左右,反射率因子在50～60 dBz.造成强冰雹的超级单体风暴在冰雹产生前,风暴最大反射率因子高于风暴质心的高度;当风暴开始降雹时,最大反射率因子高度开始降低,而风暴质心的高度变化不大,高于最大反射率因子高度,基本保持在5km左右,反射率因子在60～70 dBz.     

日照一次EF2级龙卷的环境场及雷达特征

利用常规观测资料、区域自动气象观测站加密观测资料、多普勒雷达资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2019年8月16日发生在日照一次龙卷天气过程的天气形势、环境物理量和涡旋特征进行了分析。结果表明:地面β中尺度辐合线和高空冷涡是此次龙卷发生的主要影响系统,较湿的近地面层、较低的抬升凝结高度为龙卷的发生提供了有利的环境条件。地面辐合线上的γ中尺度涡旋在显著深厚湿对流潜势下触发了对流,较大的对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)和较强的0~3 km垂直风切变有利于初生对流的发展、合并,形成超级单体风暴。龙卷发生时,超级单体风暴低层右前侧出现钩状回波、入流缺口。较强的风暴单体、深厚持久的中气旋、中气旋强中心和底部迅速下降并重合、气旋性涡旋加强、最大风切变跃增、多个时次体扫出现龙卷涡旋特征(tornadic vortex signature,TVS)是地面龙卷发生的主要特征。对龙卷风暴单体移动起主导作用的因子在不同时段有所不同,前期主要受平流的影响;风暴单体合并的过程中,风暴移动受传播和平流的共同影响;风暴单体完全合并后,引导气流对风暴的移动又起主要作用。     

一次龙卷生成中风暴单体合并和涡旋特征的雷达观测研究

本文利用阜阳市多普勒天气雷达CINRAD/SA资料,分析了2008年7月23日发生在安徽省颍上县的龙卷天气过程。结果表明：本次过程中,风暴单体的连续合并对风暴单体迅速增强为超级单体风暴有重要作用。风暴单体的合并和邻近风暴单体之间的相互作用与龙卷的发生在时间和位置上有较明显的相关,说明风暴单体间的合并和相互作用可能对龙卷存在激发作用,这对龙卷预警具有一定的参考价值。在缺省适配参数条件下,雷达系统CINRAD/SA的中气旋(M)产品和龙卷涡旋特征(TVS)产品对龙卷预警有较好的指示作用。如果风暴被同时识别出M和TVS产品,并观测到风暴单体中存在有界弱回波区,则出现龙卷的几率更高。     

海南屯昌儋州台风雨带龙卷双偏振雷达探测分析

分析了2019年8月29日发生在海南省屯昌县和儋州市龙卷过程的海口双偏振多普勒雷达探测资料.龙卷发生在台风杨柳右前方大约370 km处的台风雨带中的对流风暴单体中,两次龙卷发生都与风暴合并有关联,一次发生在风暴单体合并前12 min,一次发生在风暴单体合并后5 min.单体合并导致风暴反射率因子增强,风暴高度增高,风暴...     

安徽一次强烈龙卷的多普勒天气雷达分析

利用多普勒天气雷达资料,对2003年7月8日夜间发生在安徽无为县的强烈龙卷过程进行了详细的分析。该龙卷发生前的主要天气背景是江淮梅雨期暴雨的天气形势:一个东移的高空槽、强烈的对流不稳定和低空的西南风急流。低层垂直风切变很大并且抬升凝结高度较低,有利于强龙卷的产生。产生该强龙卷的对流系统最初是一条位于大片层状云降水区中的长对流雨带。在随后的演变中,对流雨带的南段逐渐消散,北段逐渐变宽,最终成为一个团状的对流系统,而龙卷产生自该系统南端的一个超级单体。最初的中层中气旋形成于7月8日22:49(北京时,下同),相应对流单体的反射率因子尚没有呈现出超级单体的特征。随后中气旋迅速加强,在22:55,反射率因子形态呈现出经典超级单体的特征:明显的低层入流缺口和其左侧的阵风锋,入流缺口位于超级单体移动方向(东北方向)的右后侧,低层的弱回波区和中高层的回波悬垂结构,最大反射率因子超过55 dBz。在龙卷产生前8min,即23:12中气旋达到强中气旋标准,相应的垂直涡度值达到2.3×10-2/s。在龙卷产生前几分钟和龙卷进行过程中,中气旋保持很强,但相应的反射率因子强度减弱,低层入流缺口渐渐消失。在龙卷进行过程中的23:29,雷达速度图像呈现出一个强烈中气旋包裹着一个更小尺度的龙卷式涡旋特征TVS,与TVS对应的垂直涡度值达5.0×10-2/s。上述导致龙卷的中层中气旋局限于4 km以下的低层大气,前后共持续了1 h 49 min,相应超级单体的高反射率因子区局限在6 km以下,属于低质心的对流系统,产生的天气是强烈龙卷,伴随有暴雨,但没有冰雹。文中还对此次龙卷的生成机制进行了探讨。     

超级单体引发的龙卷天气过程分析

利用营口市多普勒天气雷达资料,对2005年8月10日16时10-20分左右营口市东南部六个乡出现的龙卷天气过程进行了简要分析,该龙卷发生前的主要天气形势是:一个东移的东北低涡引导高空槽,沿高空等高线冷干气流与低空的暖湿气流产生对流不稳定层结,超低空南支急流与低空西南风急流以及高空西北风产生的较大垂直风切变,有利于龙卷天气的产生.产生该龙卷的对流系统是由渤海湾生成的片状层状云和积状云混合降水回波.自东向偏北方向移动,15:50以后低层反射率因子的强降水回波移入大连北部与营口南部临近区域,在层状云降水中含有一些零散的和有组织的对流降水回波,主体为一个近似团状的对流系统,而龙卷产生自该系统南端的一个超级单体.最初的中气旋形成于8月10日15:56,相应对流单体的反射率因子还没有呈现出超级单体的特征,随后中气旋迅速发展加强,在16:02-16:08反射率因子形态呈现出经典超级单体的特征:明显的低层入流缺口,入流缺口位于超级单体移动方向(偏东南方向)的右侧,低层的弱回波区和中高层的回波悬垂结构,最大反射率因子超过56 dRz.在龙卷产生前几分钟和龙卷进行过程中,中气旋保持较强,而后迅速减弱,低层入流缺口渐渐消失.在龙卷进行过程中,相应45 dBz超级单体的反射率因子区局限在6 km以下,此系统为低质心的对流系统,产生的天气是龙卷,伴随有大风短时强降水,与冰雹的高质心对流系统有明显区别.同时也初步探讨了引发此次龙卷的生成机制.     

江淮地区龙卷超级单体风暴及其环境参数分析

利用多普勒雷达探测资料和NCEP再分析资料,对2003—2010年发生在江淮地区的6个龙卷超级单体风暴及其环境参数进行了分析。研究表明：（1）龙卷超级单体风暴H_BASE平均为1.7 km,H_TOP平均为9.1 km;H多在风暴的下部,近于下部的1/4处。H_BASE平均值比江淮地区各种超级单体的平均值低得多,H_TOP则略低。（2）龙卷超级单体I_VIL平均为25.6 kg/m²,Z_MX平均为54.8 dBz。和江淮地区超级单体相比,龙卷I_VIL要小得多,而龙卷Z_MX略低。（3）龙卷超级单体的中气旋M_BASE、M_TOP和M_SHR平均值分别为1.2 km、3.9 km和14.4×10^-3s^-1,和江淮地区超级单体相比,龙卷M_BASE、M_TOP明显低,而M_SHR略高。（4）TVS参数最强时的V_AD在12—45 m/s,V_LLD多大于30 m/s,V_MXD多超过30 m/s,V_MXD的高度不低于0.8 km,T_DPT在2.4—6.4 km,T_BASE在0.7—1.5 km,T_TOP在2.3—6.4 km,T_MXSHR超过22×10^-3s^-1。TVS参数最强时间与龙卷实际时间基本吻合,平均相差4.2 min;平均而言,TVS出现后6 min有龙卷发生。（5）雷达推算的龙卷超级单体的0—6 km风垂直切变比江淮地区超级单体的风垂直切变平均值高15.2%;龙卷发生前I_CAPE平均为1752 J/kg,I_K为38℃,850 hPa到地面风切变平均超过12 m/s,850—500 hPa温差平均为23.7℃。龙卷发生前能量处在中等到强的状态,大气不稳定性较强,风垂直切变大。     

一次强降水超级单体风暴多普勒天气雷达特征

利用盐城多普勒天气雷达和地面自动站等资料,对2006年8月6日下午发生在江苏盐城中北部地区的一次由强降水（high precipitation,HP）超级单体产生的大暴雨和龙卷过程进行详细分析。风暴回波演变的形态可分为＂条状—肾形—弓状＂3个阶段：在条状回波阶段,产生龙卷伴随强降水,中气旋在变粗的中段前侧生成,其内有一个垂直涡度约为8×10^-2s^-1的龙卷式涡旋特征（tor-nadic vortex signature,TVS）,高层悬挂回波下有低小的有界弱回波区（bounded weak echo region,BWER）,位于BWER之上高层17 km风暴顶为强烈辐散,辐散值约为1.2×10^-2s^-1;在肾状回波阶段,产生短时大暴雨,低层前侧有包含一个中气旋V字型入流缺口,其后是粗胖的高反射率因子钩状回波区,速度图上中气旋位于中尺度辐合线之中;在弓状回波阶段,产生短时暴雨,风暴减弱后与另外回波合并前侧又有中气旋生成,其后低层右后侧为较大的高反射率因子回波区。在上述3个阶段,该风暴具有HP超级单体风暴共同特征：中气旋、阵风锋位于前侧,强降水包裹着中气旋,沿着预先存在的东南风速辐合线移动。HP超级单体产生的主要天气背景是副热带高压边缘形势,一个东移的高空槽、强烈的热力不稳定和较大的垂直风切变。盐城中北部地区午后地面风场上形成的,与东南海风有关的一条南北向湿热边界层辐合线,对HP超级单体沿着此辐合线发展并维持长生命史有重要作用。     

海南一次微型超级单体引发的EF1级龙卷天气过程分析

利用常规高空地面资料、海南省区域加密观测资料、NCEP再分析资料、海口多普勒雷达、风云2G高分辨可见光云图和欧洲中心预报场等资料,对2019年2月18日发生在海口三江镇的一次EF1级龙卷天气进行分析,并对欧洲中心18日08时预报场进行检验.结果表明:1)副热带高压较弱、500 hPa槽前、低层切变线南侧、高低空辐合辐散为此次龙卷的发生提供有利的天气背景;良好的不稳定条件、较强的低层垂直风切变与较低的抬升凝结高度为龙卷的发生提供较高的环境条件;2)对流带发展前期呈辐合速度带,东移加强中变粗变短,逐渐发展为气旋式旋转的辐合速度对,最后发展为微型超级单体,强盛高度仅3 km,回波顶高5 km;风廓线产品在近地面风速增强、风向转向,0—1 km垂直风切变加大,对龙卷的预警有一定作用;3)南支槽前西风汇入海风,与近地面背景风相对,补充加强边界层切变线上的次级环流,伴随增强的边界层垂直风切变造成水平涡度管对垂直涡度的正输送,直至在海南岛北部形成具有若干中β尺度涡旋的边界层切变线,是龙卷的主要发展机制;4)欧洲中心(ECMWF)较准确把握了此次过程的环流形势与发展时间,但预报的对流强势区域偏移对能否预判此次龙卷的作用很小.     

海门一次F1级龙卷的多普勒天气雷达特征分析

用多普勒天气雷达、常规观测和地面加密观测资料对2011年7月13日发生在江苏南通海门市树勋镇的龙卷风过程进行了详细分析。得出:较长时间的不稳定层结的存在,较低的抬升凝结高度,较强的水平和垂直风切变以及地面干线的存在为龙卷风的发生发展提供很好的动力条件;底层冷空气的切入,较强的风切变易使单体发展更加旺盛。强回波中心高度和垂直积分液态含水量的下降,径向速度风场中气旋性涡旋的迅速发展是对龙卷风提前警戒的很好指标。龙卷风进行过程中,此系统为低位质心的对流系统,产生的天气是龙卷,伴随大风,与冰雹的高位质心对流系统有明显的区别。中气旋高度,最大切变高度的骤降,中气旋尺度的急剧收缩预示着龙卷的发生,为我们今后的龙卷风预警提供有利的参考。     

基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析

利用广州S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达资料,对2022年3月26日一次降雹超级单体风暴成熟阶段的雷达观测特征开展分析,结果表明:超级单体呈现出钩状回波、回波悬垂、中气旋、三体散射等经典结构特征。径向速度上观测到中低层辐合、高层辐散以及中气旋和反气旋共存的双涡旋结构,有助于超级单体的维持发展。偏振特征分析发现,超级单体低层出现了反射率因子(ZDR)弧,低层强回波区对应偏小的差分反射率(ZDR)、低的相关系数(CC)和大的差分相移率(KDP),符合融化的冰雹特征。中层观测到ZDR环、CC环和三体散射(TBSS)的偏振特征。高层强回波区对应低的ZDR、较高的CC和低的KDP,对应空中干的大冰雹。垂直方向上观测到ZDR柱和KDP柱,ZDR柱最大发展高度达到8 km。X波段相控阵雷达更快的扫描速度还精细监测到超级单体钩状回波和中气旋的形成演变过程,低层也观测到与S波段双偏振雷达类似的ZDR弧特征和融化中的冰雹特征,但是使用中要留意衰减造成的影响。     

肇庆市一次超级单体的多普勒雷达资料分析

利用广州S波段多普勒雷达资料,对2004年7月1日夜间发生在广东省肇庆市的一次强对流天气过程进行分析,发现引起这次强对流的风暴具有超级单体风暴的特征。这个超级单体南边出现两条明显的出流边界,分别位于钩状回波的西南和东南。相应的中低层径向速度图呈现一个弱中尺度气旋,旋转速度达12m·s-1。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。     

070703天长超级单体龙卷的多普勒雷达典型特征

主要使用南京多普勒天气雷达资料,分析了2007年7月3日发生在安徽天长和江苏高邮的龙卷风天气,着重分析了中气旋和龙卷涡旋特征(TVS)等产品的典型特征.龙卷发生在飑线回波带的北端强烈发展的超级风暴单体中,回波带前沿存在强烈的水平风切变,使得回波带上不断有中气旋生成.对产生龙卷的超级风暴单体,龙卷发生30min前,雷达给出了中气旋(M)产品,该中气旋持续了7个体扫的时间(42min),在中气旋出现后第5个体扫,雷达给出龙卷涡旋特征(TVS)产品,龙卷涡旋特征持续了3个体扫,综合切变产品也给出了显著的提醒.实地调查结果,龙卷风和第2个TVS同时发生,龙卷风位置与TVS位置对应,但位于TVS的南侧,位于中气旋最大风速圈的南缘.虽然CINRAD/SA雷达的TVS产品有虚警的情况,但结合反射率因子、平均径向速度、中气旋、综合切变等产品的分析,对于龙卷监测和预警会很有帮助的.     

四川一次超级单体风暴的多普勒雷达观测分析

利用常规天气资料和多普勒天气雷达等资料对2015年7月27日发生在四川资阳的一次伴随冰雹大风的超级单体进行综合分析。结果表明:(1)该超级单体具有较大的CAPE值,适宜的0℃层和-20℃层高度,有利于雹粒的增长,为大暴雨和冰雹提供了不稳定能量。(2)此次风暴具有超级单体风暴的典型特征,在雷达反射率因子上,中低层有“钩状回波”、弱回波区、三体散射长钉,中高层有回波悬垂现象,速度图上是气旋式流场,后发展为中气旋,中气旋首先出现在中低层,随后向上向下发展。(3)垂直累计液态水含量(VIL)在发生冰雹前会有一个跃增变化,在30分钟内从5kg/m2跃增到75kg/m2,VIL跃增变化提前冰雹发生,对冰雹具有警示作用。(4)三体散射长钉是预示冰雹的一个重要特征,此次风暴的三体散射出现在高度5~10km,只在2个体扫时间内出现过。      

江西一次超级单体风暴的多普勒天气雷达产品分析

利用多普勒天气雷达资料和探空资料,对2006年4月11日发生在江西省中部的一次严重的冰雹、大风、暴雨强对流天气过程进行了分析。结果表明,这次强对流天气过程是在有利的天气背景下,由一系列的强风暴引发的。这些强风暴具有典型超级单体特征：三体散射回波、钩状回波或指状回波、弱回波区、有界弱回波区、回波墙和悬垂回波及明显的出流边界。这些特征均出现在强对流发生前20-60min。最大的回波强度出现在平行于回波墙的一个狭长区域,其值超过70dBz。降雹前,45—55dBz强回波的反射率因子高度大于-25℃等温线高度。当三体散射回波由高层逐渐下降到低层时,地面出现大冰雹,而钩状回波则由低空向中空伸展。相应的径向速度图呈现一个持久深厚的中气旋,风暴顶为强烈辐散,正负值速度差达66m／s,3km以下有强下沉辐散气流,相应的垂直累积液态水含量为80kg／m^2.     

河北张家口一次超级单体龙卷雷达回波特征分析

利用ERA5 再分析资料、雷达资料以及北京VDRAS资料,对2021年7月1日发生在张家口的一次与超级单体伴随的龙卷天气特征进行分析。结果表明：①此次龙卷天气发生在高空冷涡的东南象限、低空切变线前侧暖区及地面辐合线附近。②雷达资料分析显示在超级单体的南侧产生了此次龙卷,龙卷过程中超过50 dBz的高度在6 km以下,强核中心在3 km以下,为低质心的对流系统,反演的风场上在低层1 km高度存在闭合的气旋性环流。③北京VDRAS资料分析表明低层强辐合与高层强辐散配置、中低层强的正风暴相对螺旋度为龙卷发生提供了有利的环境条件;垂直速度分布显示龙卷生成地存在强上升运动,其两侧均存在下沉运动;扰动温度的垂直分布表明4 km以下存在负中心,4 km以上存在正中心。     

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.     

一次超级单体引发的秋季特大冰雹和龙卷雷达探测分析

利用烟台S波段双偏振多普勒雷达和荣成CINRAD/SA新一代天气雷达探测数据,结合探空、地面气象观测、ERA5再分析和冰雹、龙卷实地调查等资料,对2021年10月1日在山东半岛东部烟台、威海发生的特大冰雹和龙卷风暴的天气形势、环境参量和雷达探测特征进行分析。主要结果为：与气候平均场相比,造成本次强对流过程的500hPa东北冷涡异常强盛,850hPa自华南到东北地区西部有持续偏南水汽输送;在此异常环流背景下,山东半岛东部具有上干冷下暖湿、强的0～6km垂直风切变和对流有效位能等有利于强冰雹、龙卷发生的环境条件;近地面的风暴前低压、雷暴高压和冷池特征明显。降雹时的风暴呈现典型超级单体特征,低层具有明显的钩状回波和倒“V”字型前侧入流缺口,垂直剖面显示出明显的有界弱回波区、差分反射率柱（ZDR柱）特征;根据大冰雹落点和降雹开始时间等信息,统计对应雹云的反射率因子、ZDR、相关系数（CC）的中位数分别为48.7dBz、0.89dB和0.90;地面出现龙卷和大冰雹时,风暴顶辐散强度最大达到71.5m·s-1。后侧阵风锋对应的出流边界北端的偏北气流与风暴前侧的偏南气流形成强涡旋上升运动,导致EF1级龙卷产生;龙卷发生在钩状回波的顶端,大冰雹多出现在入流缺口的北侧。地面发现龙卷发生前约5min,雷达探测到龙卷碎片特征,ZDR和CC分别最低至-0.1dB和0.81;龙卷发生前约11min,探测到风暴低层的ZDR弧和风暴右后侧的下沉反射率因子核特征;荣成、烟台雷达分别提前22min、5min识别出中气旋和龙卷涡旋,可为龙卷预警提供重要参考。基于观测分析,给出了本次超级单体风暴的低层流场及龙卷、大冰雹落区的示意图。     

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。