一次强降水超级单体风暴的动力特征分析

李 曦

(四川省广安市气象局，四川 广安 638500)

0 引言

对流风暴通常是由一个或多个对流单体组成的强烈发展的积雨云系，一般可分为普通单体风暴、多单体风暴、飑线、超级单体风暴，其中超级单体风暴是所有对流风暴中组织化程度最高、发展最为强烈、生命史最长的强对流风暴，常能引发龙卷、冰雹、下击暴流、暴洪等灾害性天气。与普通单体风暴相比，超级单体风暴最显著的特征是有一个持久深厚的中气旋。

Browning[1]指出超级单体风暴一般具有钩状回波、弱回波区、有界弱回波区等雷达回波特征；Moller等[2]将超级单体风暴分为经典超级单体风暴、弱降水超级单体风暴、强降水超级单体风暴，并指出可采用0～3 km的风暴相对螺旋度来研判中气旋；Weisman等[3]指出了垂直风切变对风暴的加强作用并可延长风暴的生命史；俞小鼎等[4]分析发现垂直风切变产生的水平涡管进入风暴后倾斜、转竖为垂直涡管，加强了垂直涡度，最终导致了风暴中气旋的形成。戴建华等[5]对上海地区的强降雹超级单体进行了研究，指出在超级单体中，中尺度对流系统与环境场的相互作用形成了利于风暴发展、维持的正反馈机制。吴芳芳等[6]分析了强降水超级单体的演变形态，并讨论了强降水超级单体具有的共同特征；冯晋勤等[7]通过对大量个例的统计分析发现，大部分超级单体都伴随有冰雹、雷雨大风、短时强降水等强对流天气；王啸华等[8]分析了江苏地区的强降水超级单体的环境条件和触发机制；黄艳等[9]分析了新疆地区超级单体发生的共同环境场特征；王楠等[10]分析了黄土高原的超级单体风暴，指出了超级单体中强降水的形成原因；闵锦忠等[11]利用湿位涡分析了苏北地区的超级单体风暴，指出垂直对流与倾斜对流共同作用对强降水非常有利；张桂莲等[12]利NCEP资料分析了内蒙古地区超级单体风暴的环境场特征和雷达回波形态，指出了中尺度辐合线和露点锋系统耦合加强是对流风暴的重要触发机制。蓝俊倩等[13]发现在地面辐合区附近有利于形成列车效应而产生强烈降水；秦瑞等[14]、吴哲红等[15]分别对昭通地区和贵州中西部的冰雹类强天气的物理量特征进行了分析统计，总结了发生冰雹类强对流天气的物理量特征。

本文利用常规观测资料、多普勒雷达资料、NCEP 0.25°×0.25°再分析资料对2018年9月19日发生在川东北地区的强降水超级单体风暴进行了分析研究，详细讨论了强降水超级单体发生的环境条件，分析了超级单体风暴的雷达回波特征及中气旋演变过程，并通过大气垂直涡度方程，详细研究了超级单体风暴的动力学结构特征。通过以上分析，揭示了本次强降水超级单体风暴发生、演变的环境条件和动力学结构特征，为超级单体风暴的形成机制提供了解释，对提高超级单体预报预警具有一定的参考价值。

1 资料与方法

2018年9月19日20时—20日08时，四川盆地东北部的广安、达州等地发生了一次强降水超级单体风暴过程。过程以强降水为主，同时伴有明显的雷电、阵性大风等强对流天气，累积雨量超过50 mm的有190站，超过100 mm的站点共有30站，最大过程雨量出现在邻水县观音桥，达到215.9 mm。强降水时段较集中，主要发生在20日00—06时，同时降水强度很大，最大小时雨强发生在邻水县观音桥，达到91.9 mm。本文主要利用同时段Micaps常规天气观测资料，多普勒天气雷达资料、NCEP 0.25°×0.25°再分析资料对本次过程进行分析。

2 天气背景及雷达特征分析

在2018年9月19日08时500 hPa高空天气图上(图1a)，西太平洋副高异常强大，副高中心位于我国东南福建、浙江一带，副高592线已延伸至长江中下游地区，华南大部省份均在副高588线的控制下，而位于副高西北部边缘的四川盆地东北部也处于副高强大的西南气流的控制下。在副高边缘强大下沉气流的影响下，19日白天四川盆地出现晴热高温天气，盆地东北部最高温普遍超过30 ℃，这为强对流天气的发生储藏了大量不稳定能量。到19日20时(图1b)，副高略有东退，500 hPa上有一浅薄的低槽从青藏高原沿副高边缘东移至盆地东北部，700 hPa槽线位置比500 hPa槽线位置更加偏西，形成了典型的前倾槽结构，500 hPa槽后还具有明显的冷平流，导致大气不稳定度进一步加强。700 hPa 低层西南急流开始形成，急流头位于盆地东北部地区；850 hPa低涡也开始形成(图1c)，低涡中心位于重庆南部与贵州交界附近。在20时地面图上(图1d)，四川盆地东北部为一低压控制，在四川北部的陕西地区有明显高压控制，在气压梯度力作用下，有弱冷空气不断侵入川东北地区，最终导致了本次强对流天气过程。

图1 (a)19日08时500 hPa高度场和风场；(b)19日20时500 hPa高度场和700 hPa风场，左边实线为700 hPa槽线，右边实线为500 hPa槽线，箭头为西南急流，蓝点为强降水中心；(c)19日20时850 hPa高度场和风场；(d)19日23时地面天气图，蓝点为强降水中心Fig.1 (a)Geopotential height and wind at 500 hPa at 08∶00 on September 19;(b) geopotential height at 500 hPa and wind at 700 hPa at 20∶00 on September 19,the solid line on the left is the slot line at 700 hPa, the solid line on the right is the slot line at 500 hPa,the arrow is the southwest flow,the blue dot for strong rainfall center；(c) geopotential height and wind at 850 hPa at 20∶00 on September 19；(d)the surface chart at 23∶00 on September 19, the blue dot for strong rainfall center

2.1 雷达回波演变特征分析

超级单体风暴可分为经典超级单体风暴、弱降水超级单体风暴、强降水超级单体风暴3类，它们的共同特征是拥有一个持久且深厚的中气旋。强降水超级单体风暴与其它两类超级单体风暴主要区别在于：强降水超级单体风暴的中气旋常常包裹在强降水区中[16]。在本次个例中，可通过雷达基本反射率和径向速度图判断本次强对流风暴属于强降水超级单体风暴。如图2所示：在20日00时38分南充站的多普勒雷达径向速度图上(图2a)，可识别出一明显中气旋(图2a黄色箭头处)，这表明该降水回波属于超级单体风暴回波；而在同时刻的雷达基本反射率图上(图2b)，中气旋所对应的位置为强度接近50 dBz的强降水回波(图2b黄色箭头处)，即中气旋包裹于强降水区中，这表明该超级单体属于强降水超级单体风暴。

图2 9月20日南充雷达站在00时38分，仰角为1.5°的径向速度图(a)和基本反射率(b)；黄色箭头指向中气旋Fig.2 The radial velocity(a) and reflectivitieson(b) on 1.5° degree elevation angle at 00∶38 on September 20 detected by Doppler radar sited in NanChong； the yellow arrow marks mesocyclone

下面通过南充雷达站不同时刻的基本反射率和径向速度来分析超级单体风暴形态、中气旋的演变特征。

本次强降水超级单体风暴自西南向东北方向移动，在过程开始时的00时08分，在1.5°、2.4°仰角基本反射率图上(图3a1、3b1)，雷达回波图上出现了多个分散的对流体，主要降水系统的对流云回波呈东北—西南向分布的带状回波，回波带上存在多个对流单体，其最大回波强度超过50 dBz，在回波带的后部还存在一更长的东北—西南向回波带，其回波强度在30～40 dBz，以稳定性降水为主。而此时在雷达速度图上并没有观测到中气旋，这可能是由于中气旋的旋转速度较小以及雷达观测仰角小等原因造成的。

00时33分，此时带状回波已逐步向东北方向移动(图3a2、3b2)，带状回波也逐步演变成典型强降水超级单体风暴回波。在1.5°仰角基本反射率图上，回波强度超过50 dBz，可明显观测到对流风暴前侧存在一个V型缺口区，这表明有强的入流进入上升气流，前侧V型缺口的存在表明强降水区包含着中气旋(图4b1)。

01时40分，强降水超级单体风暴继续向东北方向移动，强回波中心的形状已演变为类似于弓形回波(图3a3、3b3)。此时回波两端强回波超过50 dBz，为强降水中心，结合速度图可观测到中气旋位于强回波中心附近。而在2.4°仰角上强回波中心区明显比1.5°仰角强回波中心距雷达中心更远，这表明该处低层存在弱回波区，其上为悬垂回波。

02时46分，超级单体风暴的回波强度已逐步减弱(图3a4、3b4)，形状变得不规则，速度图上中气旋也明显进入减弱阶段(图4c3)。强降水超级单体风暴趋于结束，而位于风暴南侧的对流单体也逐渐加强并向北移动至四川盆地东北部。

图3 9月20日南充站多普勒雷达在时间为00时08分,00时33分,01时40分,02时46分,仰角为1.5°的基本反射率因子(a1、a2、a3、a4)；仰角为2.4°的基本反射率因子(b1、b2、b3、b4)。图中黄色圆圈为V型缺口，黄色箭头指向为弓形回波Fig.3 The reflectivitieson on 1.5° degree elevation angle(a1、a2、a3、a4)and 2.4° degree elevation angle(b1、b2、b3、b4)at 00∶08,00∶33,01∶40,02∶46 on September 20 detected by Doppler radar sited in NanChong；the yellow circle marks the hook echo,the yellow arrow marks bow echo

在多普勒雷达速度图上，20日00时38分可观察到中气旋(图4a1、4b1、4c1)，在1.5°、2.4°仰角均可观测到一正负速度对。在1.5°仰角速度图上，中气旋高度达到2.3 km，正速度中心值为10 m/s，负速度中心为-19 m/s，转动速度为14.5 m/s；而在2.4°仰角速度图上，中气旋高度达到3.5 km，正速度中心值为53 m/s，负速度中心-19 m/s，转动速度达到36 m/s，此时中气旋距离雷达中心距离为75 km左右；在0.5°仰角速度图上，无明显的正负速度中心对，但在中气旋下方有明显的气流辐合。这表明该中气旋正处于生成阶段，其底部伴有气流的辐合，而位于中层的中气旋开始向上、向下增长。

到01时50分，中气旋开始发展到成熟阶段(图4a2、4b2、4c2)。在0.5°、1.5°、2.4°仰角上，中气旋高度分别为1.1 km、2.6 km、3.9 km。3层的正速度中心值为53 m/s，负速度中心为-19 m/s，转动速度达到36 m/s，此时中气旋距离雷达85 km附近，中气旋属于中等强度中气旋。在0.5°仰角上，正速度中心相比负速度中心距离雷达中心更近，表明低层中气旋产生了辐合旋转；在1.5°仰角，正、负速度中心距离雷达基本一致，表明中下层中气旋为纯粹的旋转；而在2.4°仰角上，负速度中心更接近雷达，表明在中高层，中气旋辐散与旋转开始相结合，产生辐散旋转气流。同时不同仰角的中气旋距离雷达中心也不一致，表明上升气流有一定的倾斜。

02时46分，中、高层中气旋旋转速度开始减小(图4a3、4b3、4c3)。此时中气旋距离雷达约110 km，在0.5°、1.5°仰角上，中气旋正速度中心值为53 m/s，负速度中心为-10 m/s，正负中心距雷达中心距离基本一致，中气旋为纯粹旋转，旋转速度减小为31.5 m/s，而2.4°仰角已无法观测到完整的正负速度对，这表明随着中高层旋转速度的减小，中气旋已进入减弱、消亡阶段(图4c3)。

从整个中气旋发展、演变过程来看，中气旋向东北方向移动且维持时间较长。中气旋经历了生成阶段、成熟阶段、消散阶段3个演变过程，在生成阶段，中气旋在低层表现为气流的辐合而没有形成明显的正负速度对，这表明该中气旋起源于中层，并不断向上、向下发展；在成熟阶段，可通过正负速度对相对雷达中心的距离判断在低层存在辐合旋转、中层存在纯粹旋转、中上层为辐散旋转。而通过转动速度的减小、正负速度中心的消散，可判断中气旋减弱并进入消亡阶段。

2.2 强对流条件分析

由于风暴的强度主要取决于环境的热力不稳定、风的垂直切变和水汽的垂直分布等3个因子，其中热力不稳定决定了上升气流的强弱程度，与风暴强度直接相关；环境垂直风切变对对流风暴组织和特征的影响最大，强风暴也要求比普通风暴有更大的低层水汽含量。超级单体风暴作为最典型的强风暴，有利于其产生的环境条件包括：低层丰富的水汽供应、大的垂直不稳定度、强的对流前逆温顶盖，而强降水超级单体风暴则在低层丰富的水汽、较低的自由对流高度、弱的对流前逆温层顶盖的环境条件中发展和维持[13]。下面将分析强降水超级单体风暴形成和发展的环境条件。

2.2.1 不稳定层结条件分析 图5是19日20时

达州(57328)、重庆(57516)两站的T-lnp图，从图上看：过程开始前，大气层结不稳定特征非常明显，层结曲线与状态曲线之间的红色面积很大，对流有效位能很强，达州站、重庆站的CAPE值(对流有效位能)分别达到了1 883.3 J/kg、1 735.7 J/kg。CAPE值越大，能量释放后的上升气流也越强，更容易发展成强风暴。在图5中还可以看到：中低层风速随高度增加，风向随高度有明显的顺时针旋转，这表明中低层大气有一定的垂直风切变。结合NCEP再分析资料(图6)，发现：在19日20时，0～3 km垂直风切变在12～15 m/s之间，属于中等强度的垂直风切变，这也有利于强风暴的组织和维持。

综上，大的垂直不稳定度、较强的垂直风切变对超级单体风暴的形成非常有利。

2.2.2 水汽条件分析 图5中达州、重庆两站的T-lnp图上还显示：大气湿层非常深厚，从地面到500 hPa以上都是水汽接近饱和的大气状态。整层大气相对湿度维持高值区，而低层还有暖湿气流供应水汽，表明整层大气水汽条件非常充沛；图5上还可以看到两站的自由对流高度(LFC)很低：达州站LFC为859.3 m，沙坪坝站LFC为778.1 m，很低的自由对流高度表明气块在较弱外力的扰动下很容易被抬升到该高度，形成强对流天气。低层丰富的水汽、很低的自由对流高度均有利于形成强降水超级单体风暴。

2.2.3 对流抑制能量 弱的对流前逆温层顶盖是形成强降水超级单体风暴的另一有利条件，它的作用是存储不稳定能量，当逆温层顶盖被破坏，可以释放大量不稳定能量，形成强对流。在达州、重庆两站的T-lnp图中，逆温层顶盖并不明显或不显著，但却存在较弱的对流抑制能量，其中达州站的对流抑制能量为27.3 J/kg,重庆站为79.3 J/kg。由于对流抑制能量反映了低层大气稳定结构对对流活动的抑制强度，它可以使不稳定能量在低层聚集，一旦对流抑制能量被突破，将使得对流活动迅速、充分发展，最终发展成强对流天气。因此，较弱的对流抑制能量也是形成超级单体风暴的一个有利条件。

2.3 超级单体风暴动力特征分析

由于常规观测资料间隔时间为12 h，观测时间密度较小且空间分布率较低，无法对短时、局地性的强对流天气进行观测，而NCEP再分析资料具有较高的空间和时间分辨率，可用于分析短时、局地的天气过程。所以下面我们将采用NCEP 0.25°×0.25°逐6 h再分析资料对本次强降水超级单体风暴的环境风场及动力结构特征进行分析，并利用大气垂直涡度方程揭示超级单体风暴中气旋产生的动力学机制。

垂直风切变是指水平风(大小和方向)随高度的变化。在对流风暴演变过程中，垂直风切变的加强通常能导致对流更强和生命史更长风暴的产生和发展，有利于组织完善的多单体风暴、飑线和超级单体风暴的发展。在实际分析中，一般使用0～3 km的垂直风切变。

图6是0～3 km垂直风切变的分布和演变图。从图上看：从风暴开始前的19日14时到风暴临近的20时，0～3 km垂直风切变都有一个明显的增大过程。19日14时，0～3 km垂直风切变维持在10～12 m/s，属于中等强度的垂直风切变(图6a)。到20时，垂直风切变增大，且出现一个垂直风切变中心，中心强度>15 m/s，位于29.4°～30.2°N之间(图6b)。到02时，垂直风切变中心区消失，垂直风切变迅速减小到5.5～10 m/s(图6c)。

图6 19日14时(a)、19日20时(b)、20日02时(c)的0～3 km垂直风切变(单位：m/s)Fig.6 The vertical speed shear of 0～3 km(a、b、c) at 14∶00,20∶00 on September 19,at 02∶00 on September 20(unit:m/s)

而从图7的垂直涡度的演变图上发现：14时，以106°E为剖面的纬度—高度垂直剖面图上，低层的垂直涡度为正涡度，值在9×10-5～3×10-5之间，主要分布在1 000～600 hPa；高层主要为负涡度，值为-9×10-5～-6×10-5，分布600 hPa以上(图7a)。到20时低层的垂直涡度迅速增大至1.2×10-4～2.1×10-4，垂直方向上也扩充到500 hPa(图7b)。这表明随着环境风的垂直切变的显著加大，在低空形成了较强的水平涡管，水平涡管进入遇到了风暴中的强大上升气流后，被抬起、倾斜、转竖，水平涡管被抬升为垂直涡管，最终导致垂直涡度的显著增加。

但是，必须注意的是：从19日20日—20日02时，0～3 km垂直风切变明显减小(减小至5.5～10 m/s)而垂直涡度却没有减小，其范围反而扩大了(图7c)，同时中气旋也发展到成熟阶段，其转动速度达到最大。这表明在本次个例中，仅仅依靠水平涡管倾斜形成垂直涡管,产生的垂直涡度并不能完全解释中气旋的产生，中气旋的形成必然有其它机制的参与。

通过大气垂直涡度方程[17]可知，影响垂直涡度变化的散度项也可看成是垂直速度在垂直方向上随高度变化的加速项。

如图7所示：在过程开始前的14时及临近的20时，对流中心区的垂直速度从地面到500 hPa，均为上升速度区，大小为-0.1～-0.3 pa/s，上升速度较小(图7d、7e)；而到了20日02时，上升速度随高度明显增大，在500～600 hPa附近形成了一个上升速度中心区，其范围在-0.8～-1 pa/s，而且上升速度的延伸范围更加广大，扩大到400 hPa以上(图7f)。19日20时—20日02时，从地面到500 hPa附近，垂直速度随高度明显增大，这表明垂直速度随高度增加导致了垂直涡度的增大。图7也表明到20日02时，垂直涡度的大小及范围均有增加(图7c)。因此，我们可以得出：当水平涡管在上升气流的作用下扭曲、倾斜形成垂直涡管，导致了垂直涡度的产生。而垂直涡管在上升气流的进一步拉伸作用下继续加强，最后形成了中气旋，导致了超级单体风暴的产生。

图7 19日14时(a)、19日20时(b)、20日02时(c)垂直涡度沿106°E垂直剖面图(单位：10-5s-1)；19日14时(d)、19日20时(e)、20日02时(f)垂直速度沿106°E垂直剖面图(单位：pa·s-1)Fig.7 The vertical profile analysis along 106°E of vertical vorticity(a,b,c) at 14∶00,20∶00 on September 19,at 02∶00 on September 20(unit: 10-5s-1)；The vertical profile analysis along 106°E of vertical velocity(d,e,f) at 14∶00,20∶00 on September 19,at 02∶00 on September 20(unit: pa·s-1)

综上可以看到：从19日14—20时，环境垂直风切变、垂直涡度都显著增加到最大，表明在对流风暴的右侧有明显的水平涡管形成，当水平涡管加强并进入对流风暴内部时，将遇到对流风暴中的强劲上升气流，在上升气流的作用下，水平涡管将被抬起、倾斜，并逐渐转竖，水平涡管转成垂直涡管，导致了垂直涡度的显著增加，这也使上升气流产生了明显的旋转。但是在本次过程中，水平涡管倾斜转换成垂直涡管的作用仅限于在初始上升气流中产生垂直涡度，并没有最终加强为中气旋。分析表明，垂直涡管在上升气流的拉伸作用导致的旋转加强是形成中气旋的重要机制。水平涡管转竖形成的垂直涡管导致垂直涡度的增大而使上升气流开始旋转，水平旋转又产生有利于气块上升的垂直气压梯度进而加强了对流风暴中的上升气流。在上升气流的拉伸下，垂直涡管进一步旋转加强致使上升气流更强烈旋转。这种水平涡旋与上升气流之间持续不断的正反馈机制使得两者不断发展、加强，导致了对流风暴的中尺度气旋的形成，对流风暴也最终加强为超级单体风暴。

3 结论

本文对2018年9月19—20日发生在四川盆地东北部的强降水超级单体风暴进行了环境条件、雷达回波、动力结构分析，得到了以下结论：

①在本次过程前期，受太平洋副高控制，四川盆地东北部出现晴热高温天气，有利于不稳定能量的聚集，到19日20时，达州站、重庆站的对流有效位能分别达到了1 883.3 J/kg、1 735.7 J/kg，不稳定能量较高且近地面有较弱的对流抑制能量；中低层湿层深厚，地面到500 hPa大气相对湿度接近饱和；自由对流高度在800 m附近；0～3 km垂直风切变在15 m/s左右，属于中等到强的垂直风切变。上述较强的不稳定能量、较低的自由对流高度、低层深厚湿层、较弱的对流抑制能量并配合有中等到强的垂直风切变，形成了有利于产生强降水超级单体的环境条件，当对流抑制能量被突破，最终爆发强对流天气，形成了强降水超级单体风暴。

②在中气旋的发展演变过程中，中低层的垂直风切变作用是产生水平涡管，并在上升气流作用下倾斜、抬升变成垂直涡管，产生垂直涡度。垂直涡管在随高度增加的上升气流的拉伸作用下，不断加强，致使上升气流更强烈旋转，水平旋转又反过来加强了上升气流。上升气流与水平涡旋持续不断的正反馈机制是形成中气旋的重要原因。