一次罕见飑前强降雹超级单体风暴特征分析

2009年6月5日,受一个飑线前超级单体雷暴的影响,上海部分地区出现了直径25—30mm的冰雹,随后,飑线尾随该超级单体扫过上海,造成大风、雷电和强降水天气。基于常规天气观测、多普勒天气雷达、风廓线仪和自动气象站等资料分析发现,该超级单体发生在东北冷涡西南侧的高空强冷平流与低空暖平流形成的强不稳定层结背景下,超级单体风暴发生、发展在飑线前的暖区中,经过由"热岛效应"和海陆风锋共同形成的低空辐合线时明显加强发展;该风暴呈现出"指"状、"楔"状、弱回波区(WER)等超级单体雷达反射率特征,"指"状回波处出现了中气旋的径向速度特征,具有标志大冰雹的三体散射长钉(TBSS)特征回波,通过三体散射长钉多普勒速度发现了大冰雹的下降区和增长区。分析还表明:东北冷涡西南侧横槽南摆导致中空降温,0℃层和-20℃层高度明显下降,为冰雹的空中增长提供较好的温度环境条件,较低的0℃层也保证冰雹在空中下落中融化较少。双风廓线仪对比观测表明,超级单体发展的低空风场环境中具有较大的垂直风切变和风暴相对螺旋度,中尺度对流系统与环境场的相互作用形成了有利于风暴发展和维持的正反馈机制。飑线前超级单体雷暴与飑线主体关系密切,起到类似"箭"与"弓"的引导作用,飑线主体的一部分进入超级单体所遗留下的"冷"区后明显减弱,东侧入海后也逐渐减弱,其余部分仍在发展加强;最终,强风暴逐渐减弱,超级单体特征也开始消失,飑线与之合并形成新的"人"字型中尺度对流系统,新的"弓"形回波带与原回波带相比移动方向发生右偏,因此,飑前超级单体在飑线主体移动和演变的临近预报中有重要指示意义。     

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。     

两次长寿命孤立超级单体风暴结构差异性分析

利用山东济南和河北石家庄的多普勒天气雷达资料,并结合天气实况和探空观测资料,对2013年9月15日和2018年5月12日分别发生在鲁中山区南部及河北邢台地区的两次严重致灾超级单体风暴(分别简称0915风暴和0512风暴)演变特征、环境参数及气流结构进行了分析。结果表明:0915和0512风暴均产生于较强西北气流环境背景下,具有强的不稳定和中等强度以上垂直风切变。旺盛阶段风暴参数存在明显差异,0915风暴的风暴参数基于单体的垂直累积液态水含量(Cells-Vertical Integrated Liquid,C-VIL)、最大反射率因子(M aximum Reflectivity,用DBZM表示)和强中心高度(Height Top,HT)平均值明显大于0512风暴。旺盛阶段0915风暴中气旋旋转强度明显大于0512风暴。对流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE)和垂直风切变的差异性是导致风暴参数和气流旋转强度差异性的关键因素,0915风暴过程CAPE大于0512风暴,决定了其风暴内部最大上升气流速度大于0512风暴,0915风暴过程具有的更强的垂直风切变,使其上升气流旋转强度明显大于0512风暴,强的旋转上升气流利于风暴核的悬垂与维持,从而产生较强的冰雹天气。     

强降雹超级单体风暴湍流结构的双偏振回波特征分析

对流风暴通过湍流实现动量的传输,因此深入认识强对流风暴湍流结构的回波特征具有重要意义。本文关注5 m·s^-1以上的速度谱宽,对比分析了两次具有不同中气旋强度的强降雹超级单体风暴的湍流强度,揭示了气流结构和湍流增强的关系。结果表明：(1)强降雹超级单体在强上升气流区可存在中等或以上强度的湍流,阵风锋触发的超级单体在入流路径上也出现中等强度的谱宽,指示了较强湍流存在的可能。(2)超级单体内部湍流较强的地方在速度大切变区,通常速度切变强度较大的区域具有较强湍流,具有中等强度中气旋的超级单体最大谱宽约10 m·s^-1,差分反射率因子Z_DR在1 dB之内,回波强度超过35 dBZ,差分相移率K_DP较大;具有强中气旋的超级单体强湍流区主要位于Z_DR柱上部正负速度交会处,在中气旋附近谱宽高达16.5 m·s^-1,靠近强回波核心一侧含有较多过冷水,相关系数(Correla‐tion Coefficient,CC)在0.96左右,K_DP较大,另一侧回波...     

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.     

吉林省一次典型右移超级单体风暴特征分析

利用延吉多普勒雷达和高低空实况资料,对2020年6月3日午后发生在延边朝鲜族自治州北部一次经典超级单体风暴产生的天气背景、风暴结构、演变特征及伴随天气特点进行了详细分析.结论表明:此次过程发生在东北冷涡东移的背景下,低层较暖湿且热力条件较好为超级单体风暴提供了有利的环境条件;本次超级单体生命周期持续170 min,符合经典超级单体雷达特征,从移动路径来看属于典型的右移超级单体风暴;回波伸展高度较高,成熟期强核高度在当日0℃层高度之上,具有C-VIL迅速下降和HET升高特征,中气旋伸展高度较高,生命期无中气旋高度明显下降特征.     

一次强烈雹暴的多普勒天气雷达资料分析

利用石家庄多普勒天气雷达资料和常规探测资料,对2008年5月17日发生在河北南部的强烈雹暴的生成环境和动力机制以及发展演变特征进行了分析。内蒙古东部冷涡后部的冷空气和低层暖湿气流在河北中南部交汇,导致这个地区上空的层结不稳定,低层的暖切变和地面的东风辐合线为触发系统。高低空急流、不稳定层结、强垂直风切变为强烈雹暴的发生提供了有利的环境条件。强烈雹暴的多普勒天气雷达观测特征表现为一个次超级单体的发展移动过程,呈现回波悬垂和弱回波区特征,强回波核区反射率因子达到73 dBz,三体散射现象明显,对应径向速度图表现为弱中气旋,旋转速度为15 m/s。次超级单体右移特征明显,沿承载层平均风方向偏右侧移动。风暴相对螺旋度(Srh)大值与强雹暴的产生密切相关,0.3～2.1 km的Srh正值出现以及2.1～6.1 km的Srh减小随后迅速增加对冰雹的预报有很好的指示意义。     

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。     

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。     

一次罕见飑前强降雹超级单体风暴特征分析

为研究降雹超级单体风暴的三维结构特征,利用厦门、龙岩、梅州3部新一代天气雷达（CINRAD/SA）基数据,采用基于动态地球坐标系的双雷达和三雷达三维风场反演技术,分析了2016年4月8日傍晚福建省南部漳州地区出现的一次冰雹过程的回波强度、三维风场及相关物理量分布变化。主要结果为：（1）冰雹云初生、发展阶段,低层水平流场出现气旋性辐合,云体内部形成较强的上升运动。（2）冰雹云强盛阶段,回波顶高度达16 km,其中大于60 dBz的回波高度由5.3 km发展至9 km,最强回波达74.5 dBz,伴随出现最长达25 km的三体散射长钉回波和32.7 km的旁瓣回波。低层水平维持气旋性流场的同时,高层出现反气旋性流场。4-8 km高度内,大于20 m/s的强上升气流持续近37 min。最大垂直速度达51.06 m/s,出现在超级单体悬垂部（约7.5 km高度处）。（3）降雹时段,出现明显的下沉气流。降雹超级单体的三维流场结构表现为：风暴移向前沿低层气旋性气流进入风暴后逐渐倾斜上升,到达风暴顶形成反气旋性气流,并逐渐向下形成下沉气流。（4）系统减弱阶段,出现系统性下沉气流,强回波底及地。双雷达和三雷达能较好地反演降雹超级单体的三维风场精细结构,有助于加深对冰雹云结构的认识进而提高冰雹预报能力。     

一次左移反气旋超级单体的观测分析

2006年8月10日在甘肃河西走廊山丹县境内发生了一次左移（反气旋）超级单体灾害性天气,在其2 h生命史期间,山丹县境内降了最大直径2 cm的冰雹。从其发生、发展的天气尺度环境条件、多普勒天气雷达反射率因子、径向速度以及风矢端图、相对风暴螺旋度等角度,揭示了左移超级单体的特征,并利用ID方法对这次左移超级单体的移动路径进行了预报。结果表明：风矢端图上,在1.2~4.5 km高度层,左移超级单体的垂直风切变矢量呈反时针旋转;左移超级单体在发展阶段,0~3 km内相对风暴螺旋度为负值;通过比较,ID方法预报的超级单体位置比现行PUP产品中的SCIT算法绝对误差要小。     

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25 m·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。统计结果表明:产生致灾大风的超级单体60 dBZ以上强回波深厚, 平均厚度为5.5 km, 中层径向辐合特征显著, 最大中层径向辐合超过29 m·s-1;中气旋强度中等, 平均旋转速度为18.4 m·s-1, 可向上伸展至对流层中上层(7 km高度);超级单体反射率因子核下降、中气旋核下降、29 m·s-1以上中层径向辐合以及垂直积分液态水含量减小是预警直线型大风的重要指标;下击暴流导致的明显且对称的低仰角辐散速度对仅在4次事件中出现, 超级单体风暴由于其移动性, 不易出现对称的下击暴流。     

Analysis of two severe hail supercell storms on 11 April 2012

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。

     

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.     

“12.7.21”西南涡极端强降雨的成因分析

利用常规观测资料、ECMWF分析场、区域自动站、多普勒雷达及SWAN系统产品等资料对2012年7月21日西南涡暴雨过程及盘龙极端强降雨进行分析。分析发现：此次过程是“北槽南涡”形势下,地面冷空气触发西南涡其东侧辐合上升运动强烈发展,高层强辐散,因而产生了对流性暴雨天气过程;冷空气从西侧侵入西南涡是925 hPa “S”形冷锋形成的直接原因,也是地面辐合线形成的重要因素;极端短时强降雨就发生在西南涡东侧中尺度雨带的中部偏北区域,有地面辐合线相配合,降雨最强时MCC冷云中心TBB达最低值。雷达回波表明：西南涡两侧冷暖空气的交绥促进了β中尺度气旋式环流的形成;偏南风低空急流为强降雨提供了充足的水汽,增强了中低层的垂直风切变,有利于强降水超级单体风暴的发展和维持;盘龙的极端短时强降雨是β中尺度气旋式环流中,伴随有深厚中气旋的强降水超级单体风暴在环流中心附近持续发展的结果。     

2012年4月广东左移和飑线内超级单体的环境条件和结构对比分析

2012年4月开汛后广东省接连出现强对流天气,尤其是冰雹日数更是超过历史同期平均。本文利用常规天气观测资料和雷达、自动站等非常规资料对广东首次观测到的风暴分裂中左移超级单体风暴和飑线内超级单体风暴引发的两次强对流天气过程进行了对比分析。结果表明:"4·10"冰雹和雷雨大风天气是由局地强烈加热产生的"热雷暴"发展成超级单体风暴造成的;"4·12"冰雹、雷雨大风和短时强降水天气由飑线及飑线内超级单体风暴造成的,其产生于切变线、较强冷空气南下过程中的低层暖平流和中层冷槽共同作用的环境条件下,较强的平流过程使垂直风切变明显增大;两次过程中0℃层高度都低于4月当地0℃层高度平均值。风切变矢量随高度的变化决定了左移和右移风暴的发展趋势,"4.10"风切变矢量随高度逆时针变化,使风暴分裂后左移风暴得以发展成超级单体;"4·12"风切变矢量随高度顺时针变化,有利于有组织风暴即飑线和飑线内超级单体的形成和发展,超级单体向承载层平均风的右侧运动。左移超级单体回波具有中反气旋、弱回波区和旁瓣回波及强回波中心位于其移动方向左侧等特点;飑线内超级单体的中气旋、弱回波区和强回波中心位于回波移动方向右侧,三体散射长钉长度和中层辐合厚度都很大,后侧下击暴流产生了31.1 m·s~(-1)地面强风。     

华北地区一次长生命史超级单体雹暴特征观测

对2020 年6 月25 日河北南部从保定涞源到沧州东光的超级单体雹暴环境条件、雷达观测及风场反演特征进行了分析。结果表明：①本次超级单体雹暴是在水平对流卷上触发起来并经过不断加强形成的。②超级单体雹暴长时间处于中等到强的基本顺时针旋转环境风的垂直风切变环境中、中气旋维持时间超过3 h以及较强冷池作用,是本次超级单体雹暴维持长生命史的可能原因。③对流单体VIL持续7 h基本维持在55～80 kg·m-2区间,与单体移动路径上降雹时段一致,超过4 h持续出现三体散射长钉或旁瓣回波特征,与本次过程中灾情调查和气象站观测到的大冰雹时间段基本一致,对大冰雹有较好指示意义。④超级单体雹暴出现钩状回波（低层）、回波悬垂“穹隆”结构、风暴顶辐散、ZDR柱和KDP柱等特征。“穹隆”顶部为65 dBz以上反射率因子,该处风场以垂直上升为主,水平风分量较弱,呈现出“穴道〖CD*2〗零域”结构,利于大冰雹增长。超级单体垂直速度随高度增大,利于中气旋形成和维持。     

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。