两个超级单体导致的冀豫交界区极端下击暴流预警分析

王一童，王秀明，俞小鼎

(1.中国气象科学研究院，北京 100081；2.中国气象局气象干部培训学院，北京 100081)

引言

雷暴大风是由对流导致的直线型大风，常会造成重大人员伤亡和财产损失。雷暴大风可粗略地分为下击暴流直接导致的大风或由下沉气流冷池前沿阵风锋导致的大风，有时两者也未必能完全区分。下击暴流大风是其中的一种，定义为雷暴内强烈下沉气流导致的辐散大风(Fujita,1981)。由于受环境和风暴移动的影响，下击暴流往往是非对称的，在实况和雷达回波上并不一定能观测到对称的辐散速度对，参考Smith等(2004)的界定，下击暴流为雷暴内强烈下沉气流导致的水平辐散尺度在10 km以下的小范围雷暴大风，当地面瞬时风速超过25 m·s-1时，才界定为致灾下击暴流。下击暴流的发生具有局地性和瞬时性(Sriv⁃astava,1987)，其不仅监测难度大，且预警也面临极大挑战。在产生雷暴大风的风暴类型中，超级单体相比其他类型的风暴更易产生具有极端性的雷暴大风(Moller et al.,1994)，尤其是强降水超级单体，甚至可产生风速超过50 m·s-1的雷暴大风(Fujita,1981；Brooks and Doswell，1993)。对于此类强对流天气，当前应用多普勒天气雷达对其开展临近预报仍是一种主要手段。随着我国多普勒天气雷达业务布网日趋完善，强对流天气临近预报水平有了显著改善(俞小鼎等，2012)。前人大量研究揭示了预警雷暴大风的重要雷达回波特征。Roberts和Wilson(1989)对弱垂直风切变下产生微下击暴流单体的雷达回波特征的研究表明，反射率因子核下降、云底以上中层径向辐合(Mid Alti⁃tude Radial Convergence，MARC)增强、中气旋以及回波缺口是微下击暴流出现的重要先兆特征。国家气象中心2012年修订的《中尺度天气分析业务技术规范》中提出，超过45 dBz的反射率因子核、强反射率因子核下降、垂直累积液态水含量(Vertically Integrated Liq⁃uid Water content,VIL)减小、低层辐散和中层径向辐合特征均可作为预警中尺度对流系统(Mesoscale Convec⁃tive System,MCS)产生雷暴大风的参考(蓝渝等，2013)。另外，风暴的快速移动也与雷暴大风的产生有关。杨璐等(2018)指出，风暴移速达到13 m·s-1以上时出现雷暴大风的概率更大；郑永光等(2018)认为，若风暴移速超过19 m·s-1，产生10级地面大风的概率较大。

国内外也有学者从雷达回波特征的角度对产生雷暴大风的超级单体进行了分析(Nielsen-Gammon and Read,1995；Schmid et al.,1997；Lemon，1998；Kli⁃mowski et al.,2003；叶成志等，2013；郑艳等，2017；杨晓亮等，2020)。其主要包括:大风出现前，中气旋变得深厚并向下扩展，中层径向辐合深厚，强上升气流和下沉气流分离(Lemon,1998)。大风临近时，风暴VIL达到峰值(Doswell，1994)；中气旋强度、中气旋底高以及反射率因子核出现下降(Wolfson et al.，1994；李梦婕，2013；程月星等，2018)。超级单体强雷暴大风往往产生于风暴坍塌消散阶段(Doswell,1994)，此阶段上升气流变弱，回波悬垂下降，弱回波区(Weak Echo Re⁃gion，WER)或有界弱回波区(Bounded Weak Echo Re⁃gion，BWER)被填塞，即该区域中反射率因子增大。王秀明等(2012)利用雷达和地面观测资料了分析河南一次与超级单体风暴相关的雷暴大风事件，指出当超级单体的下沉出流合并时，地面大风强度会显著增强。翟丽萍等(2019)分析广西临桂一次超级单体极端雷暴大风事件(瞬时风速达60.3 m·s-1)指出，大风出现前中层径向辐合高度表现为逐渐降低趋势。王一童等(2022)统计了中国产生25 m·s-1以上致灾下击暴流的超级单体的雷达回波特征，得到了此类超级单体的风暴结构特征和与大风相关的回波特征的量化分布。上述研究和总结为雷达产品在雷暴大风监测预警服务中的应用提供了重要参考。

2021年7月31日16—22时(北京时，下同)，河北南部到河南北部(以下简称冀豫交界区)出现强对流天气过程，其17 m·s-1以上大风记录范围的最大直径不超过150 km，大风影响范围不大，风速极值点分散，下击暴流特征明显，多数站点出现风速不低于30 m·s-1的下击暴流。参考马淑萍等(2019)的极端雷暴大风定义，本文将瞬时风速不低于30 m·s-1的下击暴流大风界定为极端下击暴流。为探讨雷达回波特征对超级单体下击暴流预警的可用性与时效性，基于王一童等(2022)得到的56次超级单体致灾下击暴流雷达回波特征统计结果，以及本文对其进一步统计得到的超级单体产生致灾下击暴流的预警指标，利用常规探测资料、自动站观测资料以及距离上述下击暴流发生地最近的邯郸SA型和濮阳SB型多普勒天气雷达资料，对冀豫交界区两个超级单体产生的极端下击暴流进行了分析，期望加深对此类强天气的认识，并提升其预警能力。

1 大风实况及其环境条件分析

1.1 风暴演变与雷暴大风实况

2021年7月31日16—22时冀豫交界区强对流天气过程中，共有100个气象观测站记录到了风速不低于25 m·s-1的地面大风，风速不低于30 m·s-1的测站有36个，其中30站次由冀豫交界区的超级单体产生，表现为极端下击暴流。除大风记录外，河北境内有3站记录到冰雹，最强记录出现在磁县，冰雹直径1 cm，但根据雷达图上反映出的超过65 dBz的反射率因子、典型的BWER以及超过90 m·s-1风暴顶辐散的结构判断，不排除出现更大直径冰雹的可能。7月31日当天，河北东南部到山东北部还出现了由尺度较大的弓形回波造成的大范围雷暴大风，32个测站记录到不低于25 m·s-1的地面大风，不低于30 m·s-1的大风只出现4站次。本文仅讨论冀豫交界区超级单体产生的极端下击暴流。

31日下午至夜间，冀豫交界区有多个单体生成，14—22时共识别出5个超级单体，其中分别影响河北南部(以下简称邯郸超级单体)和河南北部(以下简称濮阳超级单体)的两个超级单体生命史更长。图1a为上述两超级单体的移动路径和地面25 m·s-1以上致灾下击暴流记录，可见下击暴流特别是极端下击暴流集中发生在这两个超级单体附近。因此，本文主要围绕上述两个超级单体展开。由于极端下击暴流的致灾性强、预警难度大，本文重点针对上述两个超级单体生命史期间挑选出来的5次极端下击暴流事件展开分析，其选择标准是每一阶段实况首次记录到30 m·s-1或40 m·s-1以上极端下击暴流以及风暴强盛时的最强下击暴流，其实况信息见图1b。

图1 2021年7月31日16—22时冀豫交界区25 m·s-1以上雷暴大风实况和风暴路径(a)及5次极端下击暴流实况(b)图a中，蓝色和红色折线分别代表邯郸超级单体和濮阳超级单体移动路径；不同彩色圆点分别代表16—22时逐小时地面极大风记录；红色实心三角标注邯郸和濮阳雷达位置；左右黄色弧线区分别为邯郸、濮阳两部雷达150 km探测范围Fig.1(a)Thunderstorm gale above 25 m·s-1and storm track and(b)the five extreme downbursts observed in the border area between Hebei and HenanProvinces from16 BT to 22 BT 31 July 2021.In(a),blue and red broken lines mark moving tracks of the two supercell storms in Handan and Puyang,respectively;different colored dots denote the hourly maximum wind records from16 BT to 22 BT,respectively;red triangles mark the positions of Handan and Puyang radars,and left and right yellow arc areas are the 150 km detection range of the two radars,respectively.

表1 2021年7月31日冀豫交界区两个超级单体产生的5次极端下击暴流的实况Table 1 Observation of five extreme downburst events induced by two supercell storms in the border area between Hebei and Henan on 31 July 2021.

邯郸超级单体阶段主要影响邯郸地区，影响时段为7月31日16—18时，先后带来3次极端下击暴流。从7月31日15—19时不同时刻邯郸雷达1.5°仰角反射率因子图上可见(图2)，14时24分邢台西北侧有一孤立单体A新生并向东南方向移动发展(图2a)，15时36分单体A移动方向的右后方有一单体(B)新生(图2b)，两单体于15时54分在邢台附近演变为两个超级单体(图2c)，即邯郸超级单体的前身。随后超级单体B逐渐发展加强，16时19分在沙河西北部首次记录到30 m·s-1以上极端下击暴流(以下简称沙河极端下击暴流)。16时36分超级单体A减弱后并入B，形成邯郸超级单体(即超级单体C)，超级单体A与B的合并使得风暴达到最强盛阶段(图2d)。合并后的风暴C继续向东南方向移动，对应16时52分武安东北部再次出现瞬时风速为33.2 m·s-1的极端下击暴流(以下简称武安极端下击暴流)。17时36分，回波强度明显减弱(图2e)，17时38分河北峰峰站记录到由该超级单体产生的37.4 m·s-1极端下击暴流(以下简称峰峰极端下击暴流)，为邯郸超级单体阶段的最强风。18时12分，55 dBz以上回波近乎消失(图2f)，随后风暴消亡，邯郸超级单体大风阶段结束。

图2 2021年7月31日14时24分(a)、15时36分(b)、15时54分(c)、16时36分(d)、17时36分(e)和18时12分(f)邯郸雷达1.5°仰角反射率因子(A、B、C代表不同的风暴，其中C为邯郸超级单体；白色圆圈表示中气旋，下同)Fig.2 Basic reflectivity factor(unit:dBz)at 1.5°elevation angle from Handan radar at(a)14:24 BT,(b)15:36 BT,(c)15:54 BT,(d)16:36 BT,(e)17:36 BT and(f)18:12 BT on 31 July 2021.Symbols A,B and C denote different storms in which C is Handan supercell storm.White circles denote mesocyclones,the same hereafter.

濮阳超级单体阶段主要影响河南濮阳地区，影响时段为7月31日19—22时，先后带来2次瞬时风速在40 m·s-1以上的极端下击暴流。从7月31日19—22时不同时刻邯郸雷达1.5°仰角反射率因子图上看到(图3)，19时36分磁县附近有多个单体发展合并形成中尺度对流系统(图3a中风暴D)，并向南推进。20时06分多单体南侧汤阴附近出现一镶嵌在中尺度对流系统中的超级单体(图3b中风暴E)，即濮阳超级单体。20时36分左右该超级单体风暴发展到最强盛阶段，位于中尺度对流系统回波最强处，在超级单体影响下中尺度对流系统最强部分反射率因子呈“S”型(图3c)，1 min后在鹤壁市姬屯站记录到风速达43.6 m·s-1的极端下击暴流(以下简称姬屯极端下击暴流)。20时48分后，中尺度对流系统内有其他强单体在濮阳超级单体西侧发展，濮阳超级单体风暴强度呈减弱趋势，但21时04分滑县站西部记录到了46.7 m·s-1当日最极端下击暴流(以下简称滑县极端下击暴流)，随后强回波面积减小(图3d)，风暴逐渐消亡。由于河南北部多个单体风暴产生了较强的雷暴高压，风速在25 m·s-1以上的雷暴大风持续到22时，甚至影响到了河南封丘以南地区。

图3 2021年7月31日19时36分(a)、20时06分(b)、20时36分(c)、21时06分(d)邯郸雷达1.5°仰角反射率因子(D表示中尺度对流系统，E表示濮阳超级单体；黑色和蓝色五角星分别表示姬屯极端下击暴流和滑县极端下击暴流的位置)Fig.3 Basic reflectivity factor(unit:dBz)at 1.5°elevation angle from Handan radar at(a)19∶36 BT,(b)20∶06 BT,(c)20∶36 BT and(d)21∶06 BT on 31 July 2021.Symbols D denote mesoscale convection systems,and E denote Puyang supercell storms.Black and blue pentagrams mark downbursts at Jitun and Huaxian,respectively.

1.2 环境条件分析

2021年7月31日08时华北地区处于高空槽后西北气流中，08—20时有冷空气补充南下，20时河北西部、山西东北部出现明显的12 h变高，负变高区伸展至河北西南部(图4中浅蓝色阴影)，该区域500 hPa为冷槽区，同时500 hPa西北气流有所增强，其中河北南部至河南北部最显著(图4中蓝色粗箭头)，使得邢台0—6 km风垂直切变显著增大，由9 m·s-1增至21 m·s-1。低层山西、河北受暖低压影响，暖脊从山西—河北南部伸至河北东北部。在上述上冷下暖环境下，河北中南部出现异常大的环境温度垂直递减率，850—500 hPa温差在34℃以上(图4中橘色阴影)，最大达38℃。实际上，当日08时河北邢台站850—550 hPa间近乎为干绝热递减率，20时中层补充冷空气和低层增暖使得大气不稳定进一步加剧。河北低层水汽含量充沛，08—20时925 hPa湿舌显著北伸且露点温度增幅较大，在4℃左右，17时河北中南部地面露点温度普遍在28℃以上，个别站点甚至记录到了31℃的罕见高露点温度。大的环境温度垂直递减率叠加在低层暖湿舌上，使得大气层结极不稳定，08时邢台站对流有效位 能(Convective Available Potential Energy，CAPE)为1 146 J·kg-1，20时郑州站CAPE达4 708 J·kg-1(图5)。20时，不稳定大气层结和强的深层风垂直切变的存在有利于超级单体的产生。由此时郑州探空图(图5b)看到，温湿廓线上干层显著，700—400 hPa平均温度露点差为19℃，中层最大温度露点差为41℃，湿层相对浅薄，925 hPa以上温度露点差均在10℃以上，整层偏干，加之异常大的环境温度垂直递减率，这样的环境条件非常有利于产生强下沉气流和雷暴高压，因此发生下击暴流的概率极高。

图4 2021年7月31日20时天气系统综合配置图Fig.4 Comprehensive analysis diagram of synoptic systems at 20∶00 BT on 31 July 2021.

图5 2021年7月31日08时邢台(a)与20时郑州(b)探空站T-logp图Fig.5 T-logp chart at(a)Xingtai sounding station at 08∶00 BT and(b)Zhengzhou sounding station at 20∶00 BT on 31 July 2021.

2 雷达回波特征识别与预警指标

2.1 回波特征识别

以上分析表明，环境条件有利于此次超级单体和下击暴流的产生。较精确的下击暴流临近预警需要依靠从多普勒天气雷达产品中判识出大风的先兆信号，因此下文将对上述两个阶段超级单体雷达回波特征识别情况进行分析。

(1)邯郸超级单体影响阶段。此阶段记录的地面大风为偏北风和东北风，但大风发生地分别位于邯郸雷达的西北和西南侧，使得实测风与雷达径向交角不大(图1)，直到17时，仅通过邯郸雷达回波特征就可清晰地识别出超级单体。17时后，邯郸超级单体风暴与邯郸雷达的距离不足50 km，无法探测到风暴中高层特征，因此17时后选择濮阳雷达进行回波特征识别。邯郸超级单体为孤立的超级单体，7月31日16时06分，距离沙河极端下击暴流出现还有13 min，结合图6a、c可判识出BWER，3.3°—9.9°仰角图上均可判识出中气旋(图6b、d)。16时36分，距离武安极端下击暴流出现还有16 min，除强反射率因子和中气旋外，低层可看到明显的钩状回波(图2d)，由于BWER的存在，反射率因子出现了典型的“空洞”(图6g中蓝色圆圈)。MARC和后侧入流急流(Rear Inflow Jet,RIJ)在超级单体中虽然范围偏小，但该风暴移动方向与雷达径向近乎一致，使得这些特征能够清晰辨认。由于MARC和中气旋并存且强度显著，图6f中清晰地呈现出两者相结合的辐合式气旋形态。随后，邯郸超级单体中上升气流略有减弱，BWER的“空洞”逐渐填塞，中气旋、MARC和WER特征在强度上也随之减弱且在邯郸雷达图上不再典型，峰峰极端下击暴流出现在这一阶段。但17时后濮阳雷达产品呈现的上述径向速度特征相对邯郸雷达产品更易于判识且持续存在(图7，此时距离峰峰极端下击暴流出现还有26 min)，上述特征直到峰峰极端下击暴流出现后仍可清晰从图中判识(图略)。

图6 2021年7月31日16时06分邯郸雷达3.3°(a,b)、9.9°(c,d)仰角反射率因子(a,c)和径向速度图(b,d)，以及16时36分该雷达4.3°(e,f)、9.9°(g,h)仰角反射率因子(e,g)和径向速度图(f,h)蓝色圆圈表示BWER，下同；黑色五角星代表武安极端下击暴流位置，黑色圆圈表示辐合式气旋，下同；黑色箭头表示风暴移动方向，下同Fig.6(a,c)Basic reflectivity factor(unit:dBz)and(b,d)radial velocities(unit:m·s-1)at(a,b)3.3°and(c,d)9.9°elevation angles at 16:06 BT,and(e,g)basic reflectivity factor(unit:dBz)and(f,h)radial velocities(unit:m·s-1)at(e,f)4.3°and(g,h)9.9°elevation angles at 16:06 BTon 31 July 2021 from Handan radar.Blue circles denote BWER,black pentagram marks Wu'an extreme downbust,black circle denotes converging cyclone,and black arrow denotes the direction of storm movement.The same hereafter.

图7 2021年7月31日17时12分濮阳雷达1.5°(a,b)、3.3°(c,d)仰角反射率因子(a,c)和径向速度图(b,d)Fig.7(a,c)Basic reflectivity factor(unit:dBz)and(b,d)radial velocities(unit:m·s-1)at(a,b)1.5°and(c,d)3.3°elevation angles from Puyang radar at 17∶12 BT on 31 July 2021.

(2)濮阳超级单体影响阶段。濮阳超级单体镶嵌在中尺度对流系统中，此阶段记录的地面大风均为偏北风，中层环境风也为偏北风，风暴位于濮阳雷达正西方(图1)，雷达径向与实测风垂直，难以探测到低仰角偏北大风区，但可探测到对流层中层风暴内的中气旋，因此通过濮阳雷达主要是识别中气旋；邯郸雷达位于大风发生地北侧(图1)，雷达径向与地面风向交角小(图8)，通过该雷达主要是识别MARC、低仰角径向速度大值区等特征，因此这一阶段大风特征需要结合邯郸和濮阳两部雷达综合判识。20时12分，距离姬屯极端下击暴流出现还有25 min，雷达回波形态并不典型，反射率因子图上回波结构松散(图8左列)，邯郸和濮阳两部雷达均能识别出中气旋，但正负速度对中心不明显。相比于濮阳雷达，低仰角径向速度大值区在邯郸雷达图上范围更大，也更易于判识(图8b、d)，MARC在邯郸雷达回波图上都清晰可见(图8f)。20时36分，距离姬屯极端下击暴流出现还有1 min，邯郸雷达图上MARC特征仍存在，但速度大值中心的距离增大(图9b)，低层有显著的低仰角径向速度大值区，从濮阳雷达图上能识别出中气旋清晰且深厚，并有WER与之对应，低仰角图上还伴有辐合式气旋(图9c、d)。由于风暴入流位置与和风暴移动方向交角较大，对“风暴后侧”方位的判识较为困难，RIJ特征在两部雷达图上都不易识别。需要指出的是，图9中给出的有关雷达回波显著特征几乎与姬屯极端下击暴流同时出现，据此提前判识此次极端下击暴流难度较大。20时54分，距离滑县极端下击暴流出现还有10 min，中气旋特征减弱而变得不再典型，但与下击暴流相关性较高的MARC和低仰角径向速度大值区始终能清晰判识(图略)。

图8 2021年7月31日20时12分邯郸(a,b,e,f)、濮阳(c,d,g,h)雷达0.5°(a—d)和6.0°(e—h)仰角反射率因子(a,c,e,g)和径向速度(b,d,f,h)Fig.8(a,c,e,g)Basic reflectivity factor(unit:dBz)and(b,d,f,h)radial velocities(unit:m·s-1)at(a-d)0.5°and(e-h)6.0°elevation angles from(a,b,e,f)Handan and(c,d,g,h)Puyang radars at 20:12 BT on 31 July 2021.

图9 2021年7月31日20时36分邯郸(a,b)、濮阳(c,d)雷达2.4°仰角反射率因子(a,c)和径向速度(b,d)产品(黑色五角星代表姬屯极端下击暴流位置)Fig.9(a,c)Basic reflectivity factor(unit:dBz)and(b,d)radial velocities(unit:m·s-1)at 2.4°elevation angle from(a,b)Handan and(c,d)Puyang radars at 20:36 BT on 31 July 2021.Black pentagram marks the extreme downburst at Jitun.

以上分析表明，对镶嵌在中尺度对流系统中的濮阳超级单体风暴的回波结构特征的判识，远比对孤立的经典超级单体即邯郸超级单体的判识要复杂。

2.2 超级单体致灾下击暴流的雷达回波预警指标

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的2002—2020年56次由超级单体风暴产生的25 m·s-1以上致灾下击暴流事件(王一童等，2022)，统计了19个与大风相关的回波特征占比，结合王一童等(2022)得到的特征量化情况给出有利于产生致灾下击暴流的超级单体回波特征预警指标。结果表明，平均每次下击暴流发生前可识别出9个与大风相关的雷达回波特征。图10给出2002—2020年中国东部平原地区56次致灾下击暴流事件中与大风相关的19个雷达回波特征出现次数占比，从中看到，中层径向辐合、反射率因子核下降以及反射率因子核增强3个特征出现次数占比最高，分别达到84%、77%和77%。其他大风相关特征，如后侧入流急流、低仰角径向速度大值区等，在超级单体下击暴流事件中出现次数占比均在50%以上，也能为下击暴流预警提供有价值的参考。

图10 2002—2020年中国东部平原地区56次超级单体风暴前各大风预警雷达回波特征出现次数占比Fig.10 Percentage of the different radar echo characteristics associated with high wind in the different supercell storms before the 56 disastrous downbursts in the eastern plains of China from 2002 to 2020.

表2给出产生致灾下击暴流的超级单体回波特征预警指标，包括预警因子、对应阈值及与下击暴流或地面大风直接相关特征的提前量，其余特征如反射率因子核、中气旋、VIL等是预警下击暴流的间接因子，因此暂未给出对应预警提前量的统计。各因子预警阈值的设定综合考虑了其特征的物理意义、占比以及数据分布。一般取雷达特征量化值的第25百分位值作为阈值，当样本在第50百分位处数据密集时选取该百分位值作为阈值。提前量为满足指标的特征提前于下击暴流记录出现的时间。下文结合表2对2021年7月31日冀豫交界区出现的5次极端下击暴流事件进行预警效果分析。

3 极端下击暴流事件的雷达预警效果分析

根据图10给出的19个与大风相关的特征，进一步量化超级单体雷达回波特征。表3给出产生2021年7月31日冀豫交界区5次极端下击暴流的超级单体风暴的雷达回波特征及其提前量，从中看到，对5次下击暴流事件可判识出的与大风相关的雷达回波特征分别为8、15、12、12、12个，这与第2.2节中得到平均特征个数(9个)相当。下文以表2中归纳的预警指标以及王一童等(2022)统计得到的产生致灾下击暴流的超级单体回波特征平均值为参考，分析雷达回波特征对7月31日邯郸超级单体和濮阳超级单体风暴导致的极端下击暴流的预警效果。

表2 产生致灾下击暴流的超级单体雷达预警因子及其阈值和提前量Table 2 Radar early warning factors and their thresholds and lead times of supercell storms trigging disastrous downbursts.

表3 产生2021年7月31日冀豫交界区5次极端下击暴流的超级单体风暴的雷达回波特征及其提前量Table 3 Radar echo characteristics and their lead times of supercell storms trigging 5 extreme downbursts in the border area between Hebei and Henan on 31 July 2021.

3.1 邯郸超级单体极端下击暴流

邯郸超级单体属于典型的高质心孤立超级单体，表现为回波强且深厚，反射率因子核平均值为64 dBz，核心平均高度为2.8 km，60 dBz以上强回波平均底高1.4 km，平均顶高8.3 km，下击暴流出现前反射率因子核高度最大可达8.2 km，高于其对致灾下击暴流预警阈值(7 km)，且强回波底相对较低，因此可从单体类型上预警下击暴流的产生。

邯郸超级单体中气旋旋转速度在3次极端下击暴流出现前均达到峰值(图11a)，平均而言，中气旋旋转速度为21 m·s-1。3次极端下击暴流发生前均出现了中气旋核下降，平均下降高度为3.0 km，平均预警提前量为12 min。沙河(首次30 m·s-1极端下击暴流)和武安极端下击暴流过程发生前，出现了反射率因子核下降和中气旋底下降特征，具体而言，反射率因子核心高度平均每个体扫下降2.0 km，该特征的平均提前量为30 min；中气旋底平均下降高度为2.8 km，高于产生致灾下击暴流的超级单体2.0 km的平均下降高度，该特征的平均提前量为18 min。武安极端下击暴流出现前，风暴发展到最强盛阶段，风暴的MARC平均厚度为4.2 km，最大径向速度差可达45 m·s-1(图11a)，相比产生致灾下击暴流的超级单体MARC平均厚度(2.6 km)和最大径向速度差(35 m·s-1)，该风暴的MARC更加深厚和显著，对极端下击暴流的预警提前量为28 min；RIJ平均强度为30 m·s-1，大于25 m·s-1的RIJ预警阈值，对极端下击暴流的预警提前量为16 min，结合探空图所反映的环境条件，大气中层干空气将会被夹卷进入风暴，有利于下沉气流的启动和增强；低仰角径向速度大值区平均强度为21.6 m·s-1，低于其24 m·s-1的预警阈值，其原因是实况记录为偏北风，下击暴流发生在邯郸雷达站西北偏西位置(图1)，与雷达径向存在一定交角，实际风速投影至径向上使得反映到径向速度图上的值偏低；VIL平均值为75 kg·m-2，一个体扫内减小10 kg·m-2，满足预警指标以及刁秀广等(2009)给出的相关标准，对极端下击暴流的预警提前量为16 min。峰峰极端下击暴流出现在风暴特征并不典型的阶段，但其出现前MARC特征仍可识别，有32 min的预警提前量，RIJ核心高度出现3.1 km的下降，对峰峰下击暴流的预警提前量为20 min。

沙河和武安极端下击暴流事件中均伴随有阵风锋，其平均移速为40.6 km·h-1，低于产生致灾下击暴流超级单体阵风锋移速57 km·h-1的平均值(王一童等，2022)；而其风暴移速为42.2 km·h-1，低于Yu等(2012)给出的中国超级单体风暴移速47.5 km·h-1的平均值。因此，利用移速类特征预警邯郸超级单体极端下击暴流的效果偏弱。

3.2 濮阳超级单体极端下击暴流

濮阳超级单体质心偏弱偏低，风暴反射率因子核平均值为57 dBz，核心平均高度为3.4 km。下击暴流出现前反射率因子核高度最大值为4.9 km，显著低于其对致灾下击暴流预警阈值(7 km)，因此由反射率因子几乎不能提前预警该超级单体产生的极端下击暴流。

7月31日20时18—24分濮阳超级单体伴随的中气旋底高下降至1 km附近，由于底高低的中气旋更容易产生雷暴大风(Klemp and Rotunno，1983；Doswell，2007)，因此该特征对预警姬屯极端下击暴流具有一定的参考价值。随后，濮阳雷达径向速度类特征量化值持续增强，逐渐满足其对致灾下击暴流的预警阈值，在姬屯极端下击暴流出现前，径向速度特征增强至峰值，具体而言，中气旋强且深厚，其旋转速度持续上升至28 m·s-1，平均厚度为4.6 km；RIJ和MARC比极端下击暴流提前25 min左右出现，其强度分别上升至31.5 m·s-1和55 m·s-1(图11b)；24 m·s-1以上低仰角径向速度大值区出现提前下击暴流19 min，距地高度低于1 km，在极端下击暴流出现前达到46 m·s-1的峰值(图11c)。该超级单体的移速为61.4 km·h-1，其大于产生致灾下击暴流超级单体55.6 km·h-1的平均移速，对极端下击暴流预警有一定的指示作用。

图11 2021年7月31日15:30—18:00邯郸超级单体中气旋和MARC特征(a)以及20:06—21:18濮阳超级单体中气旋和MARC特征(b)与低仰角径向速度(RV)大值区高度与强度特征(c)的时间演变(垂直虚线为极端下击暴流出现时间)Fig.11 Temporal variation of(a)mesocyclone and MARC characteristics of Handan supercell storm from 15∶30 BT to 18∶00 BT,and(b)mesocyclone and MARC characteristics and(c)the height and intensity of large value area of radial velocity(RV)at low elevation for Puyang supercell storm from 20∶06 BT to 21∶18 BT on 31 July 2021.Vertical dotted lines correspond to the occurrence times of extreme downbursts.

滑县极端下击暴流发生在濮阳超级单体风暴强度趋于减弱阶段，距离此次下击暴流发生时间最近的体扫(21时06分)，中气旋特征虽存在但不清晰，而反射率因子核达到61 dBz极大值，低仰角径向速度大值区和MARC特征始终满足其预警阈值，大风出现前中气旋发展高度较低，其核心高度平均为3.2 km，低于产生致灾下击暴流超级单体中气旋核心高度4.9 km的平均值，有利于下击暴流产生。此次下击暴流还伴有阵风锋，其移速为74.6 km·h-1，大于俞小鼎等(2020)给出的预警雷暴大风的54 km·h-1阵风锋移速参考值。上述雷达回波特征对此次极端下击暴流预警具有一定的指示意义。

以上分析结果表明，平均而言，大风相关雷达回波特征对邯郸超级单体和濮阳超级单体影响冀豫交界区两个阶段首次30 m·s-1和40 m·s-1极端下击暴流(即沙河和姬屯极端下击暴流)分别有19 min和22 min的预警提前量，两个阶段伴随的与大风相关的回波特征均较多，但由于邯郸超级单体为典型的高质心孤立风暴，其大风相关特征相比濮阳超级单体更清晰且易判识，从这一角度看其更有利于下击暴流的预警。超级单体在其生命期可产生多次极端下击暴流，如何判断已产生极端下击暴流的超级单体有无继续产生极端下击暴流的可能性也是此次过程中需要关注的问题。经分析也发现，风暴在产生极端下击暴流后，与大风相关的特征，如MARC、RIJ、中气旋、风暴顶辐散等，其强度并未出现明显减弱，特征强度即便在剧减后又能增强至满足致灾下击暴流预警阈值，只要环境条件有利，风暴仍有产生极端下击暴流的可能。另外，此次冀豫交界区超级单体导致的阶段最极端下击暴流均出现在风暴的减弱阶段，因此预警极端下击暴流时，不可忽视风暴减弱阶段仍有出现极端大风的可能性。

4 结论与讨论

本文根据王一童等(2022)基于56次超级单体致灾下击暴流事件的雷达回波特征统计，进一步分析得到产生致灾下击暴流超级单体雷达回波预警指标，选取2021年7月31日冀豫交界区两个超级单体产生的5次极端下击暴流进行预警效果分析，主要得到如下几点结论：

(1)此次超级单体下击暴流是在典型的环流形势和有利的环境条件下产生的，高空冷空气补充南下与低层暖低压和湿舌的配合使得大气层结极不稳定，加之0—6 km深层风垂直切变强，有利于超级单体风暴形成发展，中层显著干层和中低层近乎干绝热递减率的热力环境为极端下击暴流的发生提供了有利条件。

(2)邯郸超级单体为典型的孤立超级单体，其回波结构清晰、易于判识；濮阳超级单体镶嵌在多单体中，其特征识别有一定难度。两个超级单体均具有产生极端下击暴流的超级单体回波结构特征，平均每次极端下击暴流出现12个与大风相关的特征，与下沉气流和地面大风直接相关的特征预警提前量为10～37 min。邯郸超级单体导致的首次30 m·s-1以上极端下击暴流前，出现了满足预警阈值的反射率因子核下降、中气旋核下降以及超过产生致灾下击暴流超级单体平均特征值的中气旋底高下降特征，平均预警提前量为19 min。濮阳超级单体导致的首次40 m·s-1以上极端下击暴流前，出现了满足预警阈值的低仰角径向速度大值区、中层径向辐合、后侧入流急流以及达到超级单体致灾下击暴流平均水平的中气旋底高下降特征，其平均预警提前量为22 min。

(3)5次下击暴流达到最强前，超级单体的中层径向辐合、中气旋和低仰角径向速度大值区强度均达到各阶段最大值，说明雷达回波特征量化值增强对极端下击暴流预警具有一定的指示作用。超级单体维持期间可导致多次极端下击暴流，在超级单体风暴导致极端下击暴流后仍要持续关注与大风预警相关的雷达回波特征的变化，尤其是在风暴减弱衰亡阶段，其导致的地面大风可能更强。

本文主要从雷达回波预警角度分析了2021年7月31日冀豫交界区超级单体导致的下击暴流的可预警性，得到上述几点对超级单体产生的极端下击暴流预警有指示意义的结论，有望为超级单体下击暴流监测预警提供参考。由于王一童等(2022)筛选出的56次致灾下击暴流事件大多由相对孤立的超级单体产生，因而所得预警指标更适用于孤立超级单体产生的下击暴流，对镶嵌在中尺度对流系统中的超级单体产生的下击暴流预警的适用性尚未可知，中国此类下击暴流亦较多。此外，濮阳超级单体镶嵌在中尺度对流系统中，对于类似的镶嵌型超级单体，其形成机制复杂，与下击暴流相关的雷达回波特征判识难度大，未来还需要更深入地分析这类镶嵌型下击暴流形成的物理过程，进一步探讨预警指标在非孤立的产生致灾下击暴流的超级单体中的适用性，从而明显提升对超级单体下击暴流的监测预警能力。