一次强降水超级单体风暴多普勒天气雷达特征

吴芳芳,俞小鼎,王慧,周小刚,韦莹莹

(1.盐城市气象局,江苏盐城224005;2.中国气象局培训中心,北京100081; 3.上海中心气象台,上海200030)

一次强降水超级单体风暴多普勒天气雷达特征

吴芳芳1,俞小鼎2,王慧3,周小刚2,韦莹莹1

(1.盐城市气象局,江苏盐城224005;2.中国气象局培训中心,北京100081; 3.上海中心气象台,上海200030)

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(tornadic 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。

HP超级单体;中气旋;龙卷;大暴雨;阵风锋;辐合线

Abstract:Based on the data from Dopplerweather radar and automatic weather stations,a supercell case causing tornado and rainstor m,which hit the central and northern area of Yancheng,Jiangsu Province on the afternoon of 6 August 2006,is studied.The results show that this supercell is featured as a typical HP(high precipitation):the gust front,V-notch,the large hook echo and the front mesocyclone.The evolution of this HP supercell can be divided into two phases:the independent developing phase and the complex phase.In the first phase,the cell generated tornado(accompanied by heavy rain)and storm rainfall.When tornado appeared,the main echo formed a long curve bandwith a small and lower BWER(bounded weak echo region)under the overhang and a strong divergence was probed at 17 km height at top of the mesocyclone.A TVS appeared in the front part of the mesocyclone with a vertical vorticity of 8 ×10-2s-1at 1.4 km height over the surface.When the stor m rainfall occurred,the main echo's shape became a“kidney”and an inflow V-notch was near themesocyclonewhichwaswrapped in a convergent area.In the second phase,the weakened bow echo strengthened again by combiningwith an echo band from southern area of Yancheng,which produced another heavy rain.The HP supercell had a low centre of mass throughout the whole process and the top of the mesocycloneswas under 0℃which was at about 5 km height in most of the ti me.The analysis depicts that a south-north-extending convergent line of surface wind and the moisture brought by sea breeze exert significant effects on the development of the HP supercell.

Key words:HP supercell;mesocyclone;tornado;high precipitation;gust front;convergent line

0 引言

超级单体是一种具有特殊结构的强风暴,是局地对流系统发展最强烈的形式,能产生严重的灾害性天气,气象学家对超级单体风暴的研究从20世纪50年代开始一直持续至今。随着20世纪70年代多普勒天气雷达在研究中的使用,超级单体的旋转特性被充分揭示,1978年Browning[1]指出,超级单体可重新定义为具有中气旋的对流单体(中气旋在径向速度上呈现为一沿方位角方向相隔不远的正负速度对,其尺度通常小于10 km),中气旋的位置与有界弱回波区的位置大致相同。在根据多普勒天气雷达观测和对1964年Browning[2]提出的超级单体风暴概念模型进行适当修改的基础上,1979年Lemon和Dos well[3]提出了一个修正的超级单体概念模型:明确了前侧和后侧下沉气流及其相应的阵风锋、风暴入流区和上升气流区、中气旋相对于低层高反射率因子区的位置,并指出中气旋在初生阶段是一个旋转的上升气流,成熟阶段的中气旋是由旋转的上升气流与下沉气流共同构成的。此超级单体概念模型至今仍被广泛应用。其后,在观测的基础上将超级单体风暴划分为弱降水(low precipitation,LP)超级单体、经典(classic,CL)超级单体(classic supercell,CS)和强降水(high precipitation,HP)超级单体风暴[4]。LP超级单体[4-5]几乎不产生降水,反射率因子通常较低,产生在干线附近,主要灾害是大冰雹,具有尺度小、发生频率低特点;CL超级单体[4]特征是中气旋位于风暴右后侧(相对于风暴移动方向),低层具有明显的钩状回波、弱回波区、有界弱回波区,主要灾害是强冰雹、龙卷和地面大风,偶尔产生暴洪[4]。HP超级单体[4,6]主要特点:回波形态有很多种,其中“肾形”较多,通常比CL超级单体更大,中气旋位于风暴前侧,有一个粗胖的钩,经常沿着一条预先存在的热力边界发展和移动,主要灾害有龙卷、冰雹、地面大风和暴洪。对于超级单体风暴中国也进行了一些研究[7-8],目前由于新一代天气雷达高灵敏度和测速功能为局地强风暴的研究提供了良好的条件,对于中国超级单体风暴研究逐渐增多,郑媛媛等[9]、廖玉芳等[10]分析了经典超级单体,俞小鼎等[11-12]研究了龙卷和强降水超级单体风暴的特征。HP超级单体风暴有其特殊性,强降水包裹着中气旋,并能以各种各样的方式演变,其中包括发展成弓形回波[3,6,13-14],因此,辨别HP超级单体风暴对预报员提高灾害性天气预警能力有重要意义。

2006年8月6日下午,江苏淮北地区、江南分别出现了一系列强对流风暴,其中盐城响水北部的一个多单体风暴在东移南下过程中不断发展加强,14时53分(北京时,下同)形成超级单体。该风暴向南缓慢移动,在它3个多小时的生命史中,产生一个龙卷、大暴雨和7～8级雷雨大风。龙卷风刮倒房屋34间, 1人被砸受重伤,损坏民房390余间,七套粮库房顶瓦片被刮飞,550 t粮食被雨淋渍。龙卷风折断树木2.2万株,刮倒7根10kV高压线,导致断电,响水县经济损失2 000万元。盐城中北部地区产生大暴雨,导致苏北灌溉总渠水位快速上涨,滨海水位上升1.2 m。爆发性洪水造成的经济损失十分严重。

此次强风暴具有强降水(HP)超级单体风暴特征,形态多变,本文应用盐城多普勒天气雷达和自动站资料对该风暴结构特征及其演变进行详细的分析。

1 灾害性天气强度与分布

2006年8月6日下午的强风暴造成的灾害性天气主要是强降水和龙卷,发生在盐城中北部的滨海、通榆、阜宁和建湖等地(图1d)。从自动站要素分析,15—19时,滨海、通榆、阜宁降水量在129.0～231.8 mm之间,通榆最大。在这4 h中有两个强降水时段:一是15时10分到17时30分,滨海、通榆、阜宁降水量达86.8～145.8 mm,通榆最大。最强降雨出现在16时30分到17时30分,阜宁气象站观测到117.2 mm·h-1的降水,其中16时50分到17时00分出现29 mm·(10 min)-1的降水,并伴随18.5 m·s-1的极大风(表1)。二是17时30分到18时30分,建湖气象站观测到57.2mm·h-1的降水。

响水县七套等乡镇(图1d中白色圆圈处)15时30分产生了F1[15]以上的龙卷风,并伴有强降水。

表1 2006年8月6日16时20分至17时30分滨海、通榆、阜宁自动气象站的要素变化Table1 The autom atic observation data at stations in B inhai,Tongyu and Funing from16:20to17:30BST6A ugust2006

2 天气背景与地面中尺度系统

2.1 天气背景

2006年8月6日08时500hPa上(图略),西太平洋副热带高压呈块状,中心位于日本岛,588dagpm线位于长江口到盐城东部黄海一带,华东中部沿海为副热带高压西侧的偏南气流,同时有一西风带上低槽位于太行山到秦岭东侧,此后携带弱冷空气东移南下,副热带高压缓慢东退,冷暖空气交错于苏北沿淮一带,但中低层没有明显的低空急流和气旋性低值系统发展。从08时射阳站(位于未来风暴中心东部大约40km)探空资料分析,抬升凝结高度约为0.3km,0℃层高度在5km附近,-20℃层高度在8km附近,地面东南风4m·s-1,850hPa南风1m·s-1,500hPa南南西风9m·s-1,地面到500hPa风矢量差值为9m·s-1,对应的垂直风切变值为1.5×10-3s-1,对流有效位能CA PE为3 076 J·kg-1,盐城地区大气层结强烈对流不稳定[16]但深层(0～6km)垂直风切变不大。从盐城多普勒天气雷达15时29分VAD(velocity azim uth display)风廓线产品显示(此时距离风暴中心90km,不能完全代表风暴地点天气条件,但有较大的参考价值), 0.6km东南风增大到10m·s-1,风向随高度顺转, 4.0km偏西风10m·s-1,对应的垂直风切变值为5.3×10-3s-1,盐城地区出现较大的深层垂直风切变,有利于超级单体风暴生成[4,13]。

2.2 地面中尺度系统——辐合线和阵风锋

2006年8月6日从上午到午后强风暴产生前,盐城中北部地区海平面气压分布保持均匀,但风力有较明显的变化。08时,江苏加密自动站10m in一次的地面风场中(2m in平均风,下同),盐城地区都处于平均风力小于4m·s-1的弱风区中;14时10分(图1a),盐城中北部地区海平面气压为1 006.0～1 006.8 hPa,近于均匀气压场,但东部沿海的射阳、盐城等站东南风增强到8m·s-1,而西部阜宁、滨海、响水东南风仍小于4m·s-1。盐城沿海地区这种午后东南风加大现象与海陆风的存在有关。

这样,在14时10分地面自动站上,阜宁、滨海等站东侧可以分析出一条南北向、与海岸线近平行的东南风风速辐合线,辐合线附近温度31～33℃,露点温度25℃左右,为暖湿的边界层辐合线(图1a中红线)。从灾害性天气分布(图1d)分析,未来龙卷风和大暴雨落区位于东南风辐合线附近及西侧。

图1 盐城市2006年8月6日14:10(a)、15:50(b)、16:30(c)地面自动站海平面气压(hPa;蓝字)、气温(℃;黑字)和2m in平均风场(红线为风速辐合线,蓝线为阵风锋),以及15—19时降水分布(d;mm;黄圈为最大降水地点,白圈为龙卷风发生地点)Fig.1 The autom atic observationdataof pressure(hPa;blue)at M SL,temperature(℃;black),the tw o m in average w indfield(red)at(a)14:10,(b)15:50,(c)16:30BST6A ugust2006;(d)the rainfall(mm)from15:00to 19:00BST in Yancheng,Jiangsu Province(The solidred and blue lines indicate the position of convergence line and the gust front on the surfacerespectively.The yellow and w hite circles locate the place of m axim um rainfall and tornado,respectively)

15时50分,滨海测站在强降水区的前部,风向转为北北西,风力为6.6m·s-1,温度下降到25.2℃,气压升为1 007.9hPa,沿滨海测站可以分析出一条东西走向雷暴出流边界——阵风锋[17](图1b中蓝线)。这条阵风锋与南北走向的辐合线相交,其前部(移动方向)阜宁站气压为1 005.3hPa,温度为31.3℃。16时30分,强降水已经南移,阜宁测站在强降水区前沿,风向转为北北西,风力为7.9 m·s-1,温度下降到25.5℃,气压为1 005.8hPa,表明阵风锋已南移到阜宁站一线(图1c中蓝线)。从自动站要素变化分析,这天下午该阵风锋有自北向南移动的过程。雷暴跟随阵风锋、沿地面南北向的辐合线,经过滨海、阜宁,有组织地自北向南移动。

从天气背景分析,6日盐城地区大气层结强烈对流不稳定,但中低层没有明显的气旋性低值系统发展,午后由于沿海地面东南风的增强,形成风速辐合线,在没有大尺度天气强迫的情况下,气团内边界层辐合线是触发对流的重要机制[18-19],因此地面东南风速辐合线触发对流风暴的产生,风暴的下沉气流出流形成阵风锋,阵风锋激发新的单体并入风暴,阵风锋与风暴之间形成的正反馈机制对风暴的发展和阵风锋维持有重要的作用[20]。

3 多普勒雷达回波特征分析

3.1 HP超级单体风暴特征

超级单体家族中,HP超级单体最主要特征:中气旋全部或大部分为降水所包裹,一个前侧V字型槽口(FFN)和中气旋[13-14],一个粗胖的高反射率因子钩状回波区,阵风锋位于前侧。从多普勒天气雷达回波的连续变化中可以发现(图2),风暴南移,中气旋位于风暴前侧(相对于风暴移动方向),中气旋后侧低层有较大的高反射率因子回波区,出现右前侧阵风锋(图2a2、a4、a5湖蓝箭头所指),有前侧入流FFN形成的V字型缺口(图2双箭头指向),有后侧入流RFN缺口(图2白箭头指向),用中气旋符号(黄圆圈)和双箭头作参考(同一时次为同一地点),风暴显示出中层悬垂回波(图2第2～7行),比较图2a、b、c,与低层入流缺口对应的主要入流区(暖色)构成中气旋正速度极值区部分为降水所覆盖,而负速度极值区(冷色)几乎全部为降水所覆盖,中气旋被降水所包裹,该风暴为HP超级单体[13]。

3.2 HP超级单体风暴的演变

该风暴自北向南移动,演变包含3阶段:“条状—肾形—弓状”,在条状回波阶段,产生龙卷伴随强降水;在肾状回波阶段,产生短时大暴雨伴随7～8级雷雨大风;在弓状回波阶段,产生短时暴雨。

3.2.1 条状阶段

2006年8月6日午后,与东南风辐合线对应(图1a中红线),有一条由孤立的多个对流单体泡连成一线的南北向单体串(图2a1、b1、c1红色箭头所指),由北向南从连云港东南角,经过响水七套、滨海、通榆、阜宁东部以及建湖东部,其中通榆自动雨量站测量到其中一个小单体产生的1.6mm降水。串上小单体沿南北向辐合线发展,同时北方有回波南下,两者在连云港与盐城交界处合并,14时10分(图2a1、b1、c1),在苏北灌南和响水之间,单体串北端的一个多单体风暴开始发展。

14时53分,在风暴南侧(前侧)出现第一个中气旋(图2a2、c2、b2黄圆圈处),底高3.5km、顶为7 km,为中层中气旋,最大转动速度(正负速度对绝对值的平均)为13m·s-1,出现在7km高度3.4°仰角,假定中气旋结构为轴对称,估计最大垂直涡度值为1.3×10-2s-1,中层中气旋的形成与较大的深层垂直风切变有关[12]。盐城多普勒天气雷达15时29分VAD风廓线产品显示有较大的垂直风切变,由0.6km东南风10m·s-1转为4.0km偏西风10 m·s-1,相应产生大致从南指向北的水平涡度,低层东南风形成的风暴入流,将水平涡度在入流方向的分量带进风暴进入上升气流,扭曲为垂直涡度在上升气流的进一步拉伸作用下旋转加快形成中层中气旋,风暴开始形成一个超级单体。图2a2黄箭头所指是南北向对流单体串出流汇集产生的一条阵风锋窄带回波,此后该窄带回波东侧和风暴右前侧阵风锋上有单体生成并入风暴右侧,风暴中段继续发展并维持两个体扫的三维相关切变。

15时17分,风暴右侧西伸明显,中段向南发展变粗,形成HP超级单体并完成第一次变形:回波呈弯曲长条状,南部前侧凸部低层产生了FFN缺口(图2a3双箭头所指),中气旋位于缺口内,同时有TVS生成,TVS是比中气旋尺度更小的多普勒雷达速度场龙卷式涡旋特征(tornadic vortex signature,简称TVS),尺度通常在2km以下,龙卷风与TVS密切相连[21]。与此类似的是,2003年7月8日安徽无为强烈龙卷[11]、2005年7月30日安徽灵壁强烈龙卷[12]也是先形成一条狭长的对流回波带,回波带收缩增宽,然后在增宽的回波带南端有中气旋发展,最终导致龙卷。从下午盐城加密自动站分析,东部沿海东南风最大达到12m·s-1,本例HP超级单体南部低层是带有西北分量的下沉气流,因此低层垂直风切变较大。有研究表明,有利于F2级以上强龙卷生成的两个有利条件分别是低的抬升凝结高度和较大的低层(0～1km)垂直风切变[22-23],因此,风暴前侧(南部)环境条件有利于龙卷的产生和发展。15时17—35分,中气旋和TVS缓慢南移,对应的天气实况是响水七套附近一个龙卷点地并伴随强降水(图1d)。

3.2.2 肾形回波阶段

15时53分,HP超级单体风暴右部面积迅速扩大,并在其右前侧出现阵风锋窄带回波,位置与图1b中地面阵风锋基本一致。这时HP超级单体风暴完成第二次变形:回波类似肾状,尺度较大,左前侧出现大的“V”字缺口,并有直径为10km的中气旋(图2a4),具有HP超级单体风暴所有特征,覆盖在响水中南部和滨海北部,中气旋在滨海站以东一带活动并维持到16时05分。

16时36分,风暴右前侧阵风锋位置与图1c中地面阵风锋基本一致。风暴回波尺度更大,形态与HP超级单体较多的肾形最为相似[4],中气旋出现在前侧入流槽口内(图2第5行),此后前侧中气旋和入流槽口左移,槽口逐渐填塞,出现后侧入流缺口,具有HP超级单体成熟阶段的典型特征并维持到17时01分[14],覆盖滨海中西部和阜宁大部分地区。

17时07分,前侧入流缺口FFN填塞,后侧入流槽口RFN扩大(图2a6、b6白箭头所指),回波的前沿由于受到大量降水拖曳,产生强烈出流向外凸出,风暴前侧虽有中气旋,但被包裹在高反射率因子回波区中(图2a6、b6),17时13分中气旋消散,风暴开始减弱。

图2 2006年8月6日盐城多普勒天气雷达在时间为14:10(a1/b1/c1)、14:53(a2/b2/c2)、15:17(a3/b3/c3)、15:53(a4/ b4/c4)、16:36(a5/b5/c5)、17:07(a6/b6/c6)、17:25(a7/b7/c7),以及仰角为0.5°(a1/a2/a4/a5/a6/a7)、1.5°(a3)、2.4°(b1/b3/b6)、3.4°(b4/b5)、4.3°(b2/b7)上的反射率因子和仰角为0.5°(c4/c5/c6)、1.5°(c3)、2.4°(c1/c2)、4.3°(c7)上的径向速度(径向分辨率1km;黄圈为中气旋处;红倒三角为TVS处;图中红箭头所指为辐合线上新生单体串;蓝箭头所指为阵风锋位置;双箭头指向FFN位置;白箭头所指为RFN位置)Fig.2 The reflectivities on(a1/a2/a4/a5/a6/a7)0.5°,(a3)1.5°,(b1/b3/b6)2.4°,(b4/b5)3.4°,(b2/b7)4.3°and radial velocity on(c4/c5/c6)0.5°,(c3)1.5°,(c1/c2)2.4°,(c7)4.3°at(a1/b1/c1)14:10,(a2/b2/c2)14:53,(a3/b3/c3) 15:17,(a4/b4/c4)15:53,(a5/b5/c5)16:36,(a6/b6/c6)17:07,(a7/b7/c7)17:25BST6A ugust2006detected by D oppler w eather radar sited in Yancheng(The radial resolution is1km;yellow circle m arks the location of m esocyclone; red arrow m arks the echo bunch;blue arrow m arks the gust front;double arrow m arks FFN;white arrow m arks RFN)

16时36分到17时07分,本例HP超级单体风暴的演变与D osw ell[14]总结的HP超级单体模型结构主要特征类似,如FFN、右前侧阵风锋左移,中气旋从前侧移到左前侧,风暴形态从肾形逐渐向弓形回波演变,出现RFN,不同的是雷达没有探测到左前侧阵风锋,可能是由于左前侧下沉气流出流不够强而没有形成左前侧阵风锋。对照实况,本例中气旋16时36分位于阜宁站东南(图2a5),17时07分左移到阜宁站东北(图2a6),中气旋低层后右侧是粗胖的大于50dB Z的钩状回波区,阜宁站一直位于其中,实况16时30分到17时30分观测到117.2 mm·h-1的降水,16时50分到17时00分观测到29mm·(10m in)-1的降水伴随18.5m·s-1的极大风。

3.2.3 弓形回波阶段

6日13时许,江苏常州一带生成一系列强风暴,此后发展壮大跨过长江并向北移动,17时19分与减弱后的HP超级单体风暴在盐城建湖、阜宁之间相接,形态类似于长弓,向偏东方向缓慢移动。17时25分,在弓形回波顶部前侧又有中气旋生成,HP超级单体风暴完成第三次变形:回波类似弓形,尺度更大(图2a7),中气旋位于前侧,低层较大的大于50 dB Z高反射率因子区仍位于中气旋后侧和右侧,具有HP超级单体主要特征。17时25—55分,中气旋在建湖中北部地区盘旋,此后消失,维持了3h的HP超级单体风暴生命史结束。在17时30分到18时30分时段内,建湖气象站观测到57.2mm·h-1的暴雨。

从以上分析得知,在HP超级单体条状发展阶段,初期风暴发生于辐合线单体串上北端单体和北方南移单体的合并,发展了的风暴在右前侧产生阵风锋,风暴在南移中与右前侧阵风锋加上辐合线上产生的单体并入,右段西伸明显,中段发展增粗,产生龙卷伴随强降水;肾状回波发展阶段,由于存在右前侧阵风锋,风暴右部发展迅速,面积增大,在中气旋后部低层形成粗胖的钩,产生短时大暴雨;弓状回波阶段,在中气旋右后部是较大的高反射率因子区,产生短时暴雨。中气旋的活动路径与东南风辐合线(图1a中红虚线)和南移右前侧阵风锋有关,风暴沿东南风辐合线自北向南缓慢南移。

3.3 HP超级单体龙卷分析

3.3.1 中气旋的演变

15时17—35分,HP超级单体持续产生中气旋并伴有TVS(图3黄圈和红倒三角),15时17分(图3第1行),中气旋距离雷达约为94km,底高3.0 km、顶为4.7km,最大转动速度在3km高度1.5°仰角上,为13m·s-1,最大垂直涡度约为1.5× 10-2s-1,高度由14时53分的7km下降到3km,中心出现TVS。与此相似的是,2005年7月30日安徽灵壁伴随强烈龙卷的强降水超级单体的中气旋也是首先在7km高度上出现最大垂直涡度,此后下降到3km附近出现TVS[12]。15时23—35分(图3第2～4行),中气旋旋转速度为15～18m·s-1,位置最低、转动最快出现在15时29分,为18m·s-1,达到强中气旋标准,高度下降到0.5°仰角1.5km高度上,TVS位置最低、转动最快也在15时29分。图3第5行是0.5°仰角“相对风暴速度区”产品,图中白箭头所指为中气旋环流中有一个紧挨着像素之间的更小尺度的气旋式涡旋,向着雷达速度为20 m·s-1,离开雷达速度为20m·s-1,高度约为1.4 km,对应的垂直涡度约为8×10-2s-1,由于地球曲率的存在,1.4km高度下雷达无法探测到,最大垂直涡度还应向下扩展。15时30分,响水七套一个龙卷点地,中气旋转动最快位置最低与龙卷点地时间对应。在观测到中气旋的基础上探测到TVS,则发生龙卷的概率提高到50%以上[24]。国内多普勒雷达探测到的2003年7月8日安徽无为强烈龙卷[11]、2005年7月30日安徽灵壁强烈龙卷[12]、2005年8月30日江苏建湖龙卷和2007年7月3日安徽天长和江苏高邮龙卷[25]也是100km内中气旋伴有TVS,因此,探测到中气旋伴随TVS,能够对龙卷警报的发布提供重要的信息。

3.3.2 垂直结构

15时23分风暴高达17km,分析此时垂直结构,在0.5°仰角反射率因子图上,1.5km高度出现前侧缺口(图4a1红三角处),相应的速度图上是一个辐合中气旋(图4b1黄圆圈处),旋转速度为13 m·s-1。在2.4°仰角反射率因子图上缺口特征消失,回波最大达65dBZ(图4a2红三角后),速度图上是一个气旋式速度对(图4b2黄圆圈处),高度约4.5km,旋转速度为10m·s-1。在6.0°仰角,以图4中红圈、双箭头作参考(同一地点),展现出超级单体反射率因子自低往高向低层入流一侧倾斜最显著的特征,相应的速度图上呈现出辐散式中气旋结构,高度为10.5km,旋转速度为10m·s-1(图4a3、b3)。在9.9°仰角上,出现近圆形上冲风暴顶(图4a4、b4),直径约为11km,高度为17km,中心位于低层有界弱回波区之上,径向速度图上,出现强烈辐散,正负速度差达到66m·s-1,其散度值大约为1.2×10-2s-1,中气旋由低到高从辐合式气旋转变成辐散式气旋,最后风暴顶强烈辐散,表明上升气流强烈[13]。

图3 第1行为2006年8月6日15:17盐城雷达0.5°仰角反射率因子图(a)和0.5°(b)、1.5°(c)仰角径向速度图(黄圈为中气旋;红倒三角为TVS处;双箭头指向TVS),第2、3、4行与第1行类似,只是时间分别为15:23、15:29、15:35(径向分辨率1km),第5行为0.5°相对风暴速度区(径向分辨率0.5km)Fig.3 The first line are(a)reflectivity on0.5°and radial velocities on(b)0.5°and(c)1.5°at15:17BST6 August2006.The yellow circle is the m esocyclone.The red inverted triangle indicates TVS.The double arrow points to the tornado.The second,third and fourth lines are corresponding data at15:23,15:29and 15:35BST,respectively.The fifth line is relative velocity on0.5°.The radial resolution is0.5km.

图4 第1行为2006年8月6日15:23盐城雷达0.5°仰角反射率因子图(a1)和径向速度图(b1)(径向分辨率1km;黄圈中红倒三角为TVS处),第2、3、4行与第1行类似,只是分别对应2.4°、6.0°、9.9°,第5行为15:17(c)和15:23(d)反射率因子垂直剖面图(横坐标和纵坐标的单位为km)Fig.4 The first line are(a1)reflectivity and(b1)radial velocity on0.5°at15:23BST6August2006.The red inverted triangle in the yellow circle indicates TVS.The second,third and fourth lines are corresponding data on2.4°,6.0°and9.9°,respectively.The fifth line is vertical cross section at(c) 15:17and(d)15:23BST.The coordinate unit is km.

图4c为15时17分沿图2a3黄细线所作的反射率因子垂直剖面图,低层出现有界弱回波区BWER(黄箭头所指)、回波悬垂和左侧的回波墙。最大回波出现在回波墙和BW ER上部,超过60dB Z,大部分位于8km的-20℃等温线高度之下。BW ER较小,水平尺度约为4～5km,高度在4km以下,图4d为15时23分在沿图4a1中黄细线所作的反射率因子垂直剖面图,从图中分析,风暴顶接近18km,低层有很小的BW ER(黄箭头所指),几乎难以分辨,与此类似,2005年7月30日安徽灵壁强烈龙卷没有观测到有界弱回波区[12],2003年7月8日安徽无为强烈龙卷[11]只有不很明显的弱回波区W ER。

3.4 HP超级单体特点

3.4.1 风暴结构

图5 第1行为2006年8月6日16时36分盐城雷达0.5°(a)和1.5°仰角(b)反射率因子图,第2行为4.3°仰角反射率因子(c)和1.5°仰角径向速度图(d)(图中径向分辨率1km,黄圈为中气旋处),第3行为沿图5a中黄细线所作的反射率因子垂直剖面图(e;横坐标和纵坐标的单位为km;黑圈为阜宁县气象站所在地)Fig.5 The reflectivity on(a)0.5°,(b)1.5°,(c)4.3°,and(d)radial velocity on1.5°;(e)vertical section along the fine yellow line in(5a)at16:36BST6August2006.The yellow circle indicates the mesocyclone;the dark circle indicates the location of Funing station.The radial resolution is1km.The coordinate unit is km.

16时36分,风暴形态与HP超级单体较多的肾形形态最为相似,对此时的风暴结构进行详细的分析。由图5可见,与经典超级单体相比[9-10],不同的是HP超级单体回波面积比较大,速度图上中气旋位于中尺度辐合线之中(图5d黄圆圈);在0.5°仰角反射率因子图上,风暴前侧出现“V”型入流缺口(图5a),其内伸出阵风锋位于风暴右前部(图5a中蓝箭头所指),没有探测到左前侧阵风锋,对比2004年4月29日常德超级单体[10],也没有探测到前侧阵风锋,探测到的后侧阵风锋与本例右前侧阵风锋位置明显不同;在1.5°仰角反射率因子图上,中气旋位于前侧缺口内(图5b),与2002年5月27日皖北地区的一次典型超级单体风暴[9]和2004年4月29日常德超级单体风暴[10]的右后侧中气旋明显不同,与2005年7月30日安徽灵壁伴随强烈龙卷强降水超级单体风暴的前侧中气旋类似[12];对比图5a、b、c和d双箭头所指,中气旋出流极值区(绿色,图5d黄圆圈后)全部被降水包围,入流极值区(红色)大部分被降水包围,与2005年7月30日安徽灵壁强降水超级单体风暴中气旋被降水包裹相似[12]。经典超级单体低层的钩较小[9-10],与本例粗胖的钩(大于50dBZ)(图5a、b入流缺口、黄圆圈后)形成鲜明的对照。本例HP超级单体与其他超级单体最明显的不同之处就是低层的钩面积更大,中气旋右后侧反射率因子更高,主要原因由于存在右前侧阵风锋,激发的单体并入风暴右部导致发展更加旺盛。从图5a、b可以看出,低层2km以下50～60dB Z的钩宽大约6km,长约25km,55dBZ的区域位于钩的右侧。钩大加之风暴移动较慢、维持时间长,导致产生区域性大暴雨。

图5e是沿图5a中黄细线所作反射率因子垂直剖面图,从中可以看出,风暴顶高只有13km,低层弱回波区W ER低小,高度在3km以下(图5e黄箭头所指),与2002年5月27日皖北地区的一次典型的超级单体风暴[9]和2004年4月29日常德超级单体风暴[10]的高悬强回波、宽大的BW ER有界弱回波区明显不同,与2003年7月8日安徽无为强烈龙卷[11]类似。本例中气旋右侧的回波墙尺度很大,大于50dBZ的回波水平尺度约为12km,垂直高度7 km,位于8km的-20℃等温线高度以下,根据文献[26],如果50dBZ以上的强反射率因子扩展到-20℃等温线高度之上,有利于大冰雹的产生,而本例HP超级单体大于50dBZ的回波全部在-20℃等温线高度之下,大于55dBZ的回波大部分位于5km的0℃层高度以下,不具有产生强冰雹的潜势,因此产生短时大暴雨。

3.4.2 风暴特性

图6是风暴6m in最大反射率因子和V IL时间序列,以及风暴顶高度、最大反射率因子值高度、中气旋底及顶高度和0℃层高度的时间序列。

在HP超级单体风暴生命期(3h2m in)内,最大反射率因子基本维持在60dB Z左右,高度大部分时间都位于0℃层以下,为低质心风暴。这种低质心对流系统往往伴随强降水而没有冰雹[11]。15时17分,风暴3～5km高度生成中气旋并伴有TVS, 15时23—29分中气旋底迅速下降到2km以下,15时30分,一个龙卷点地,15时35分中气旋底升高后,TVS消失。15时41分—16时05分以及16时36分—17时01分,中气旋底在2km以下,此阶段雨势猛,气象站观测到29mm·(10m in)-1的降水并伴随18.5m·s-1的极大风;17时25分—17时55分,中气旋底升高,雨势有所减弱,低中气旋底易产生龙卷和大暴雨。

TVS产生前,风暴顶高度为11～12km,15时17—35分TVS持续时段,风暴顶猛升到17km并一直维持,V IL值先增后减,先升至71kg·m-2,15时23分跃增到81kg·m-2,后减至67kg·m-2和64kg·m-2,龙卷点地后,15时47分V IL值减少到22～25kg·m-2,风暴顶下降到4.1km,HP超级单体风暴顶崩塌。此后风暴顶回升到10～14km,HP超级单体演化为低顶风暴。在后期弓形回波阶段,风暴顶持续下降,17时55分下降到6km,此后中气旋消失,HP超级单体生命史结束。

从HP超级单体演变看,龙卷产生时风暴顶高达17～18km;强降水产生时,风暴顶相对较低;龙卷产生时V IL值特高,出现81kg·m-2,强降水产生时,V IL值相对较低。

4 小结

利用盐城多普勒天气雷达和自动站等资料对2006年8月6日下午发生在江苏盐城中北部地区的一次HP超级单体风暴产生的天气背景、风暴结构特征和演变以及相伴随天气特点进行了详细分析,主要结果有以下几点:

(1)该HP超级单体风暴产生在副热带高压边缘,有一个东移的高空槽。08时大气层结强烈对流不稳定,根据下午盐城多普勒天气雷达VAD风廓线产品显示,0.6km到4.0km之间垂直风切变值为5.3×10-3s-1,较大垂直风切变和强烈对流不稳定有利于超级单体风暴生成。

(2)盐城午后由于沿海地面东南风速的增强,加大了低层垂直风切变,加之抬升凝结高度低,有利于龙卷生成,同时来自东海的东南风为风暴提供持续的低层暖湿入流,有利于暴雨的形成,因此增强的东南风是HP超级单体风暴产生大暴雨和龙卷风的重要条件。

图6 风暴中6m in最大反射率因子(红线)和V IL值(蓝线)(a),以及6m in风暴顶高度(蓝线)和最大反射率因子值高度(紫线)、6m in中气旋顶高度(绿线)、底高度(红线)、0℃层高度(浅蓝线)(b)的时间序列(横坐标是时间,M、T分别表示中气旋、龙卷出现的时刻)Fig.6 (a)The m axim um reflectivity(red line),V IL(blue line);(b)the height of storm top(blue)and the height of reflectivity m axim um(purple),the top(green)and bottom(red)of the m esocyclone,and the height of0℃(navy blue)in every6m in(M and T indicate the occurrence ti m e of m esocyclone and tornado,respectively)

(3)在中低层没有明显的气旋性低值系统发展时,对流风暴发生的预报主要依靠识别边界层辐合线,因此识别东南风风速辐合线,对预报本例HP超级单体风暴的产生有重要作用。本例HP超级单体风暴产生于地面东南风辐合线上、雷达探测到对流单体串北端单体与北方南移回波之间的合并,在风暴继续发展和维持时期,该串上单体、还有由风暴右前侧阵风锋激发的单体与风暴合并都有助于风暴的发展和阵风锋维持。

(4)本例风暴具有HP超级单体主要特征:中气旋位于前侧,有粗胖的钩,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。演变包含3阶段:“条状—肾形—弓状”,在条状回波阶段,中气旋在变粗的中段前侧生成并伴有TVS,产生龙卷伴随强降水;在肾状回波阶段,中气旋后低层形成粗胖的钩,产生短时大暴雨;在弓状回波阶段,中气旋后低层右后侧为较大的高反射率因子回波区,产生短时暴雨。本例HP超级单体肾状阶段与D osw ell[14]总结的HP超级单体演变模型主要特征类似,不同的是左前侧阵风锋没有探测到,只出现右前侧阵风锋,相应激发的新生单体并入风暴右侧,导致风暴右部发展旺盛,粗胖的钩右侧面积更大,反射率因子更高。

(5)本例HP超级单体风暴主要特性有:生命史长,持续了3h2m in;最大反射率因子较高,大部分时间维持60dB Z左右,高度低于5km0℃层高度,属于低质心对流风暴,产生了龙卷和大暴雨。

(6)在100km内观测到中气旋的基础上再探测到TVS,能够对龙卷警报的发布提供重要的信息,龙卷风触地产生在中气旋降低、转动最快后;低底的中气旋(在2km以下)有利于大暴雨的产生。

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(责任编辑:倪东鸿)

A HP Supercell Case Study with the Data of Doppler Weather Radar Detection

WU Fang-fang1,YU Xiao-ding2,WANG Hui3,ZHOU Xiao-gang2,Wei Ying-ying1
(1.YanchengWeatherOffice,Yancheng 224001,China;2.CMA Training Center,Beijing 100081,China; 3.ShanghaiWeather Forecast Center,Shanghai 200030,China)

P445

A

1674-7097(2010)03-0285-14

吴芳芳,俞小鼎,王慧,等.一次强降水超级单体风暴多普勒天气雷达特征[J].大气科学学报,2010,33(3):285-298.

Wu Fang-fang,Yu Xiao-ding,Wang Hui,et al.A HP supercell case studywith the data ofDopplerweather radar detection[J].TransAtmos Sci,2010,33 (3):285-298.

2009-04-18;改回日期:2009-10-20

国家自然科学基金资助项目(40575014;40875029)

吴芳芳(1964—),女,江苏盐城人,高级工程师,研究方向为短期和临近天气预报,wuff102@163.com.