朱府鸿,李文平,郑 皎
(1.石屏县气象局,云南 石屏 662200;2.红河州气象局,云南 蒙自 661100)
超级单体风暴是对流风暴中组织程度最高,生命期最长,具有单一特大垂直环流的巨大强风暴云。它具有一个近于稳态的、有高度组织的内部环流并与环境风的垂直切变有密切关系[1]。其水平尺度一般在几十公里,是β-中尺度对流系统,生命期为几十分钟到几小时。超级单体风暴常产生雷电、短时强降水、冰雹、大风等剧烈强对流天气,所经过的地区,易造成严重风雹灾害。
近些年,随着探测设备的更新和探测技术的发展,明显提高了对冰雹大风等局地强对流天气过程的监测和预报水平,促进了对冰雹大风天气的短临预警研究。周楠[2]等利用多普勒天气雷达资料分析了重庆地区一次超级单体风暴;郑媛媛[3]等利用雷达资料分析了不同地区典型超级单体风暴发生发展演变过程及其显著结构特征;陈晓燕[4]等对黔西南州一次分裂型超级单体风暴环境条件和回波结构分析;廖晓农[5]等对北京盛夏一次罕见的大雹事件分析;朱君鉴[6]等利用雷达资料分析了冰雹风暴中的流场结构和大冰雹生成区,发现超级单体最大反射率因子维持在60~70 dBz,从回波低层出现强反射率因子梯度,以及弱回波区和有界弱回波,前后入流缺口,勾状回波、强中反气旋和弱中气旋等特征,在径向速度图上,有正负速度对,有一个持久深厚的中气旋存在。刘黎平等[7]用C波段双线偏振雷达研究冰雹云,发现反射率因子和降雹强度不是一一对应关系;龚佃利[8]等利用双偏振多普勒天气雷达探测资料对山东诸城的一次罕见强雹暴过程的天气背景、风雹灾害、雷达回波演变、雹云结构及大冰雹形成机制进行分析;王洪等利用S波段偏振雷达对华南超级单体风暴进行偏振特征分析,表明大雹粒子的翻滚使冰雹区具有水平反射率因子高、差分反射率低,雨和冰晶粒子的混合导致了相关系数的下降,差分相位常数KDP观测对冰雹不敏感[9-11]。
以往红河州地区受制于无多普勒天气雷达观测,尚未开展对超级单体风暴的研究。超级单体的演变规律尚不清楚。文中利用红河州新一代双偏振CINRAD/CC多普勒雷达观测资料及其产品,对2020年4月22日夜间发生在红河州东南部的中小尺度冰雹天气过程进行雷达回波特征分析,分析回波变化特征,为今后滇南地区开展因超级单体风暴引发的灾害性天气提供预报预警参考。
2020年4月22日凌晨04∶29(北京时,下同)起,滇南地区(红河州)出现了一次极端强对流天气过程,给个旧市、蒙自市、屏边县等多地造成不同程度的风雹灾害,其中灾害以屏边县玉屏、屏边城区、阿季伍、卡口、补嘎等地最重,最大冰雹直径达60 mm,并伴有8级短时大风,是红河州有记录以来罕见的一次强对流天气过程。此次强对流天气,在6小时内(22日02∶00~08∶00),造成屏边县白河站降大暴雨(60.1 mm);前进、零开,河口斑鸠河、蒙自老寨等4站降暴雨;其它有10个站降大雨、34个站降中雨。据州应急局统计核实,全州有12个乡镇发生雹灾,共造成直接经济损失19 158.42万元,房屋损坏15 964间,受灾总人数146 702人。图1给出了造成上述风雹灾害的风暴移动路径、暴雨、冰雹分布,降雹区与红河州雷达1.5°仰角强回波区(反射率因子>60 dBz)范围基本一致。
图1 2020年4月22日,超级单体风暴移动路径、降水量(单位:mm,间隔5)、冰雹落区(黑三角左侧数字为最大冰雹直径,单位:mm)
强对流发生的前期,由于受偏西干暖气流的影响,红河州出现晴热高温天气,最高气温维持在25~30℃;从2020年4月21日20∶00,200 hPa高度场上存在明显高空急流,风速达52(m·s-1),超级单体风暴发生在高空急流入口区右侧。500 hPa高度场上看(图2a),南支槽位于90°E附近,红河州位于南支槽前和东亚大槽后的脊线附近,584 dagpm线位于红河州北部,588 dagpm线位于越南北部22°N附近;在700 hPa环流场上西藏东部100°E处有已闭合低压存在,105°E附近有小槽向西南发展,昭通市至大理州西北部存在风场辐合切变,昭通市北部至宣威市附近有一冷平流南下,等温线较密集,温度槽落后气压槽,说明700 hpa浅槽在加深发展,冷空气有所加强,红河州位于暖舌区,石屏至白色一线有一支低空急流存在,风向为西北风、风速为16(m·s-1),超级单体风暴发生地(屏边县)在低空急流入口区左侧(图略);地面静止锋位于鲁甸县—宣威市—广南县—富宁县一线,红河州处于锋前暖区(图略)。在500 hPa脊前西北气流带来干冷空气,700 hPa存在辐合切变和暖舌,叠加在850 hPa锋面和高低空垂直风切变触发了此次强对流天气,并形成超级单体风暴。
冰雹等强对流天气产生于较强的对流风暴中,它取决于环境的热力不稳定,环境垂直风切变和水汽的垂直分布等因子[1,12]。衡量热力不稳定大小的最佳参量是对流有效位能Cape[12]。从T-logp图上看(图2b),强对流天气发生前12小时内,21日20∶00蒙自站CAPE为833.4(J·kg-1),“喇叭口”结构明显;K指数为34.8℃;SI指数为-1.9 ℃,存在着明显的热力不稳定结构;21日08∶00,ΔT850-500为28.3℃,ΔT700-500为16℃;到21日20∶00ΔT850-500增大到35℃,ΔT700-500增大到19.7℃,表明从低层到高层垂直温度递减率大,上冷下暖的结构增大了层结的不稳定性。21日20∶00,700 hPa~600 hPa,蒙自站中层为西北气流,有利于冷空气南下,600 hPa风速17.2(m·s-1)、700 hPa风速13(m·s-1)风速随高度增加明显,风向顺转,显示有暖平流;500 hPa上为西风,风速20(m·s-1),200 hPa上为西南风,风速40(m·s-1)、由此可见,中高层存在风向和较强的风速切变;从水汽的垂直分布来看,200 hPa相对湿度为27%,500 hPa相对湿度为23%,606~586 hPa层相对湿度为69%,850 hPa相对湿度为32%,高层和低层相对湿度偏小,606~586 hPa层水汽条件相对较好。上述分析表明,大气层结条件十分有利于超级单体风暴的发展及大冰雹、雷暴大风的产生。
图2 2020年4月21日20时(a)500 hPa环流形势分析(蓝色实线为等高线,间隔4 dagpm;红色虚线为等温线,间隔4℃);(b)蒙自站4月21 日20时探空(温度对数压力图)Fig.2 500 hPa geopotential height(blue solid line,interval:4 dagpm)and temperature(Red doted line,interval:4℃)(a)and Sounding skew(T-logp)at Mengzi (b) at 20∶00 on April 21,2020
对流云在04∶29~05∶04发展过程中,“弓形”回波带(封二图版Ⅰ图3a)位于北端的对流云回波在东移过程中明显强于南端的对流云,但随着时间的演变,对流云逐渐减弱,同时位于南端(元阳县东南部)的对流云在向东移过程中迅速发展增强,05∶04最大强度达69 dBZ,60 dBZ高度为6.6 km,此期间风暴平均移速为67(km·h-1)。
05∶10单体风暴向东移动到蒙自市水田乡西南,60 dBZ回波顶高10.4 km、宽度3.7 km、面积14 km2,首次呈现“三体散射长钉(TBSS)”和“逗点”状回波结构特征(封二图版Ⅰ图3b),“逗点”状尾巴位于西北部。有研究表明,“逗点”状回波的存在说明中气旋已经形成[12],证明单体风暴已发展成超级单体;05∶15雷达在0.5°~2.4°仰角上探测到单体风暴东北侧有“V”形槽口回波结构(封二图版Ⅰ图3c),表明低层有强的下沉气流;05∶22受脊前西北气流引导,单体风暴移动方向由自西向东转为西北—东南走向,单体风暴移动至蒙自和屏边二县(市)交界处,气流由低海拔的红河谷向山峰爬升,受到地形抬升,回波整体得到增强,反射率因子最大强度达67 dBZ,60 dBZ顶高、回波宽度、回波面积增强分别为12.6 km、7.5 km、66 km2,对应地面出现降雹,冰雹直径10 mm;05∶28单体风暴主体移入屏边县西北部的新现乡,雷达在6.0°仰角上,探测到钩状回波结构特征(封二图版Ⅰ图3d)。有研究表明[1],钩状回波是强的上升气流中带强烈旋转运动的结果,是龙卷最容易出现的位置,当有钩状回波出现时,往往会造成雷雨、大风、冰雹和强降雨天气;05∶34单体风暴移动到屏边县新现镇底咪村,60 dBZ顶高9.3 km、60 dBZ回波宽度14 km、60 dBZ回波面积增大至97 km2,据调查底咪村委会等地区,05∶32开始降冰雹,降雹持续时间10 min左右,直径约40 mm;05∶46单体风暴经过2个体扫,移动至屏边县滴水层乡,从PPI4.3°仰角上清晰看到“逗点”回波再次出现,逗点尾巴回波转为东北方向(封二图版Ⅰ图3e),表明强对流云系存在着旋转,同时,东北侧“V”形槽口回波结构保持到此刻;05∶52~06∶08,数据缺测,超级单体所经过之地,地面出现直径60 mm的大冰雹;06∶20单体风暴移动至屏边县与马关县交界处,VIL值达67.9(kg·m-2)、大于60(kg·m-2)的VIL面积达24 km2、60 dBZ回波顶高13.5 km、60 dBZ回波面积达131 km2,均达到本次强降雹过程的最大值,表明超级单体此刻发展到鼎盛时期,对应地面出现直径40 mm的冰雹;06∶32单体主体移动至文山州马关县蔑厂乡,红河州屏边县大风冰雹天气结束。05∶10~06∶32超级单体风暴平均移速约57(km·h-1)。
有研究证明[12]出现三体散射是大冰雹存在的充分条件,但不是必要条件。三体散射现象对冰雹的预报具有大约40 min提前量,且“雹钉”长度越长,降大冰雹概率越大,是大冰雹预警的一个重要指标[1,12]。
由表1可知,05∶10雷达首次探测到三体散射现象,三体散射长钉(TBSS)在6.0°仰角上,长钉最长(17.3 km),长钉结构明显;05∶22单体风暴移动过程中,在地形抬升作用下,强度得到迅速增强,三体散射长钉(TBSS)回波为36.4 km,增长19.1 km;05∶34单体风暴移动到屏边县新现镇波咪村附近,三体散射长钉(TBSS)在6.0°仰角上,回波长度达到51 km,达到本次过程最长,结构特征最清晰;研究得出本次个例从雷达探测到三体散射长钉(TBSS)至地面降大冰雹(05∶58)和出现大风(06∶00),时间提前约50 min左右,比其他学者研究的时间略长10 min左右。由此可见,三体散射长钉(TBSS)对大冰雹和大风的预报预警时间提前量在40~50 min,TBSS用于发布冰雹和大风预警有较好的指示作用。
表1 2020年4月22日,超级单体风暴TBSS出现时间、仰角和长度关系Tab.1 Relationship between occurrence time,elevation and length of super monomer storm TBSS on April 22,2020
本次过程从05∶10~06∶32期间,三体散射现象维持了82 min,超级单体风暴所经之处,地面出现了历史罕见的大冰雹,屏边县多个乡镇发生了严重风雹灾害。统计本次过程发现,超级单体15个体扫出现三体散射现象(TBSS)其最大反射率因子强度均大于65 dBZ,与Lemon的研究结果基本相同[13]。
有研究指出,回波强度最大值及所在高度,有界弱回波区(BWER)区域大小或弱回波区(WER)区域大小,垂直累计液态水含量(VIL)的大值区等都是判断强降雹潜势的指标[10]。
对单体风暴雷达回波作垂直剖面(RHI)分析,可得出不同反射率因子强回波核的顶高、底高、宽度和强度等的结构分布特征,有助于提高对冰雹云回波的识别能力。对04∶29~06∶38雷达观测数据作RHI产品分析,总结出风暴发展时期:45 dBZ回波顶高在6.7~11.5 km,平均值8.9 km;60 dBZ回波顶高在3.5~6.6 km,平均值5.5 km。风暴成熟时期:45 dBZ回波顶高在12.9~15.7 km,平均值14.0 km;60 dBZ回波顶高在8.5~13.5 km,平均值10.9 km。对比可知,在超级单体风暴发展初期和成熟阶段45 dBZ、60 dBZ平均顶高相差分别为:5.1 km、5.4 km,相差约1倍的高度。
21日20∶00蒙自探空资料显示0℃层高度为4.6 km 、-20℃层高度为8 km,根据雷达软件分析,单体风暴成熟阶段60 dBZ回波顶高在8.5~13.5 km,可见,60 dBZ强回波核顶高已高于-20℃层约0.5~5.5 km,由此可知,此次超级单体风暴引发地面出现大冰雹的必要条件是60 dBZ强回波核伸展高度达到或超越-20℃层高度。另外,风暴发展阶段60 dBZ回波宽度约1~3.2 km,风暴成熟阶段60 dBZ回波宽度约6.3~16.2 km,可见,风暴发展阶段与成熟阶段60 dBZ回波宽度相差在5~6倍左右,本次降大冰雹60 dBZ回波宽度下限在6 km左右。
分析单体风暴所有回波剖面发现,风暴成熟阶段强回波核伸展高度较高,回波朝运动方向出现倾斜,连续15个体扫均有明显的三体散射长钉(TBSS)(封二图版Ⅰ图4b)、有回波墙(封二图版Ⅰ图4a)、低层有宽阔的弱回波区(WER)(封二图版Ⅰ图4a)、有界弱回波区(BWER)(封二图版Ⅰ图4b)和回波悬垂(封二图版Ⅰ图4c)存在,RHI上具有超级单体风暴的典型特征。
逆风区是中尺度辐合、辐散,以及中气旋的共轭系统在径向速度场上的表现形式[1,12]。对成熟阶段超级单体作剖面分析(沿封三图版Ⅱ图5黑色虚线处剖面)可见,05∶10在径向速度场上(6°仰角)有“逆风区”存在(封三图版Ⅱ图5a椭圆区),从对应的剖面图(封三图版Ⅱ图5d)上可见,13~18 km高度上存在径向大风区,高层气流辐散特征明显;05∶34在径向速度场上(1.5°仰角),风场呈现“S”形辐合(封三图版Ⅱ图5b),表明风场存在西北风和东南风的辐合;对应的剖面图上,在4~17 km高度存在中层径向辐合及高层辐散现象(封三图版Ⅱ图5d),高层的抽吸作用有利于上升运动的产生与增强;05∶46在径向速度图上(1.5°仰角),探测到有中气旋存在(封三图版Ⅱ图5c椭圆区),其最大转动速度达14(m·s-1),风向存在辐合切变,表明此刻超级单体风暴发展到鼎盛时期,2个体扫后,即06∶00屏边站出现18.1(m·s-1)的瞬时西北大风。
05∶15~06∶20,在超级单体100~500 m高度为偏南气流,风速从9(m·s-1)增大到24(m·s-1),1 200 m之上为西北气流,风速大于28(m·s-1),这种风向风速切变,低层偏南气流与携带干冷空气的西北气流风场辐合,有利于对流加强及单体风暴维持,利于大冰雹的形成(数据从垂直风廓线(VWP)产品分析得到)。06∶48在径向速度图上,红河州内逆风区、中尺度辐合、中气旋等结构特征均已消失。
垂直液态含水量产品是判断强降水、强对流天气造成的暴雨、冰雹等灾害性天气的有效工具之一。垂直积分液态含水量对冰雹特别敏感,是判断冰雹云的重要指标之一,它往往在降雹前跃增,可作为临近预报的一个依据[1,11,12-14]。由图6可看出超级单体的VIL值随时间演变情况,04∶23~04∶41,VIL值完成了第一次跃增,最大值达24.9(kg·m-2),对应地面出现降雹,降雹后VIL值回落到17.5(kg·m-2);04∶58~05∶10VIL值再次跃增,到05 ∶10VIL值达54.8(kg·m-2),跃增36.2(kg·m-2),05∶10~06∶32,VIL值保持在42~67.9(kg·m-2),06∶20风暴的VIL值达到此次过程的最大值(67.9 kg·m-2),06∶32后VIL值出现断崖式下落,至06∶44VIL值回落到3.8(kg·m-2),红河州强对流天气过程结束,地面转为小雨天气。
图6 4月22日超级单体风暴垂直液态水含量(VIL)随时间变化Fig.6 Variation of vertical liquid water content(VIL)with time in supercell storm on April 22,2020
本次强对流天气过程,降雹前VIL值有2次跃增,第一次跃增到31(kg·m-2),随后地面降2~5 mm的冰雹,第二次VIL值增至54.8(kg·m-2),跃增36.2(kg·m-2),10 min后地面出现持续性大冰雹(冰雹直径40~60 mm),由此得出,VIL值跃增36(kg·m-2),以上,需要警惕降大冰雹,大幅度跃增至地面降大冰雹,时间提前量约是20 min。
段鹤[15]等统计分析滇南(西双版纳、普洱地区)冰雹云成熟阶段的垂直液态水含量(VIL)特征发现,冰雹成熟阶段的VIL值为30~60(kg·m-2),平均45(kg·m-2)。冰雹发生前所有冰雹回波在一个体扫时间内均出现5(kg·m-2)以上的跃增。此次红河州因超级单体引发的冰雹过程VIL值变化特征与文献[11]中研究结果基本一致。
差分反射率因子ZDR是水平极化雷达反射率因子ZH与垂直极化雷达反射率因子ZV之比的对数,反映粒子的形状、空间取向及相态信息。对于冰雹而言,其尺寸较大,形状不规则,在下落过程中会出现上下翻滚,ZDR趋于甚至 小于0,负ZDR是冰雹区的特征,同时ZH一般很大[7,8,16]。ZDR=ZH-ZV(单位:dB),正负表明是圆还是扁,大小表示它有多扁。
单体风暴发展初生阶段(04∶58),雷达反射率因子≤55 dBz,从低层到高层逐一分析,发现0.5~1.5°仰角,反射率因子40~55 dBz与ZDR值(0.8~4.0 dB)对应较好,其它仰角,ZDR值分布不规则,且小于0 dB的占比较多,无明显特征;ZDR>0 dB,表明单体内以扁平的水滴为主,水滴直径在1.35~3.68 mm,对ZDR做垂直剖面(封三图版Ⅱ图7a椭圆处),发现单体反射率因子强中心区域(图略),发展高度为5.2~6.5 km,对应ZDR值在-1~3.0 dB(封三图版Ⅱ图7b黑色椭圆处),上部负值区为小雨滴、下部正直区为大而扁平的雨滴。对单体风暴成熟阶段(05∶46),从PPI 2.4°上看(封三图版Ⅱ图7d),单体已经出现V型槽口和三体散射特征,反射率因子最大强中心值65 dBZ,55 dBZ伸展高度已大于-20℃层,单体中、低层已有冰雹和大雨滴的存在,对应的ZDR值在-3~3.5 dB,在6.0°仰角上(距雷达站61~75 km),对应三体散射和旁瓣回波的区域(封三图版Ⅱ图7e矩形框内),ZDR呈现密集的大值区,由此可见,大冰雹和雨粒子的ZDR值比反射率因子相对降雹位置更靠移动方向的外侧。风暴消亡阶段,由于云体移出红河新一代天气雷达探测范围,无法获得观测资料。
差分传播相移KDP是指水平极化脉冲与垂直极化脉冲传播常数差,表征不同偏振的传播路径上,因传播系数不同引起的相位变化[9,11-16]。在初生阶段(04∶58),在0.5~1.5°仰角上,PPI反射率因子强度(35~55 dBZ)区域与KDP值(0.5~7.0°/km)的区域较吻合(封三图版Ⅱ图7g和h),此时刻地面已出现强降水,表明KDP产品(0.5°~1.5°)用以分析地面短时强降水效果较好,高于1.5°仰角之上,KDP大值区与回波强中心对应较差。成熟阶段(05∶46),在0.5°仰角上,PPI反射率因子(40~60 dBZ)与KDP(0.2~1.7°/km)区域对应较好,表明低层0.5°有大雨滴的存在;大于1.5°仰角之上,KDP值、反射率因子和雨滴3者则无明显对应特征,出现KDP“空洞”;分析表明,单体风暴初生阶段KDP在0.5°~1.5°仰角上用于分析短时强降水有参考价值,成熟阶段,KDP在0.5°低仰角用于分析短时强降水效果较好,KDP各仰角用于分析冰雹,结构特征均并不明显。
在单体风暴发展阶段(04∶58),在0.5°~1.5°仰角分析,反射率因子的强回波区(40~55 dBZ)对应CC值为0.95~0.99(封三图版Ⅱ图7c),此时期,风暴内以降水粒子和上升气流为主,地面实况为强降雨天气,表明低仰角CC值对降水粒子的相关性较好,CC值≥0.95,高于1.5°仰角后,CC值逐渐增大到0.99,但结构特征不明显;单体风暴成熟阶段(05∶46),在0.5仰角上,PPI反射率因子(35~45 dBZ)对应CC值0.95~0.98的区域,该区域地面降中雨,表明CC大值区与强降水相关性较好,从图7I(封三图版Ⅱ)可知,0.5°仰角,PPI反射率因子强回波区域(50~66 dBZ)对应的CC值 在0.73~0.92,呈现出明显的“过渡带”结构特征,该区域为大冰雹和冰水混合区,对应地面出现大冰雹,证明了大冰雹会使CC值降低到0.92以下;≥2.4°仰角以上的高度层未见明显的CC环结构。分析得出,大部分气象回波CC值高于0.95,小冰雹CC值在0.9~0.95,大冰雹和冰水混合区CC值低于0.92。
对2020年4月22日夜间,发生在滇南(红河州)的大冰雹强对流天气过程的分析,得到如下结论:
(1)此次超级单体风暴是在南支槽东移、高低空冷暖平流、高低空急流和850 hPa锋面共同配合下触发的强对流天气过程。
(2)本次超级单体风暴在PPI产品上“钩状回波”“V型槽口”和“三体散射”“逗点”状回波等特征明显;在RHI产品上,45 dBZ~60 dBZ回波伸展高度均超越-20℃层,有三体散射长钉、回波墙、弱回波区、有界弱回波区(穹窿)和回波悬垂体等结构特征;利用径向速度图可以看到“逆风区”“中尺度辐合”“中气旋”;利用垂直累积液态水含量(VIL)产品发现,降大冰雹前VIL值出现2次跃增,跃增>36.2(kg·m-2)后,地面降大冰雹,超级单体成熟阶段VIL值维持在42~67.9(kg·m-2)波动,降雹后VIL值有所回落。这些为准确预报强对流天气提供了可靠的依据。
(3)偏振观测表明,单体风暴发展阶段,0.5~1.5°仰角,反射率因子40~55 dBz与ZDR值(0.8~4.0 dB)对应较好,其它仰角ZDR值分布不规则且小于0 dB的占比较多,无明显结构特征;PPI产品(2.4°)上,单体中低层冰雹和大雨滴区,对应的ZDR值在-3~3.5 dB;PPI产品(6.0°)上,三体散射和旁瓣回波区域,对应ZDR为密集的大值区,大冰雹和雨粒子的ZDR值比反射率因子更靠向降雹位置的外侧。KDP产品可用作分析云体上升气流和强降水,有一定参考价值,用于分析冰雹则特征不明显。PPI产品(0.5°)反射率因子强回波区域(50~66 dBZ)对应的CC值在0.73~0.92,呈现出明显的“过渡带”结构特征,大冰雹和冰水混合区CC值低于0.92。
(4)三体散射长钉(TBSS),在本次大冰雹过程的预报时间提前量在40~50 min左右;VIL值≥50(kg·m-2),跃增≥36(kg·m-2),预示着地面将降大冰雹,TBSS和VIL产品用于发布冰雹和大风预警及指导人工防雹有较好的指示作用。
需要指出的是,文中仅是一次受南支槽东移和低层切变线南压影响的春季冰雹强对流的个例分析。红河部分地区受制于无多普勒天气雷达观测资料,大冰雹个例资料较少,研究双偏振雷达回波特征仍需更多的冰雹个例。