王清川，劉艷杰，周 濤，東高紅，黃浩杰，李 娜

（1.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 石家莊 050021；2.廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；3.天津市氣象臺，天津 300074）

超級單體風暴作為發(fā)展最為旺盛的對流風暴系統(tǒng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織化程度非常高，通常會引發(fā)一種或多種災(zāi)害性天氣，造成巨大的經(jīng)濟損失甚至是人員傷亡，所以一直是災(zāi)害性天氣領(lǐng)域的重要研究對象。隨著多普勒天氣雷達技術(shù)的發(fā)展，對超級單體風暴的研究不斷深入，認識也不斷加深。20 世紀60—70年代，Browning 等[1-2]做了開創(chuàng)性的研究，根據(jù)天氣雷達的反射率因子特征定義了超級單體的概念，并指出超級單體在反射率因子上具有弱回波區(qū)或有界弱回波區(qū)。Donaldson[3]首次利用多普勒天氣雷達觀測到超級單體的中氣旋結(jié)構(gòu)。而國內(nèi)新一代天氣雷達網(wǎng)的建成，為超級單體風暴形態(tài)特征的研究提供了有利支撐。基于典型個例，氣象工作者發(fā)現(xiàn)超級單體風暴存在鉤狀回波、有界弱回波區(qū)、回波墻、懸垂回波、中氣旋、后側(cè)入流缺口等特征[4-8]。鄭媛媛等[9]進一步發(fā)現(xiàn)超級單體左前方的低層反射率因子常呈現(xiàn)明顯的倒“V”字型結(jié)構(gòu)。王爽等[10]發(fā)現(xiàn)強降水超級單體中存在著中到強的垂直風切變利于其發(fā)展。俞小鼎等[11]研究認為龍卷出現(xiàn)在“S”形回波階段。陳秋萍等[12]發(fā)現(xiàn)長生命史超級單體風暴中氣旋的維持保證了一支強上升氣流支撐空中大冰雹的增長，維持了風暴的持續(xù)發(fā)展。還有研究指出超級單體風暴造成的雷暴大風過程中雷達回波常顯示出中低層的徑向速度輻合和地面大風核[13-14]。河北省也是強對流天氣多發(fā)區(qū)，由超級單體風暴引發(fā)的冰雹、災(zāi)害性大風等強天氣常常造成嚴重的財產(chǎn)損失，甚至是人員傷亡[15-17]。裴宇杰等[15]研究發(fā)現(xiàn)超級單體的VIL高值維持時間越長、冰雹直徑越大，降雹范圍越大。王福俠等[16-19]研究發(fā)現(xiàn)強降水超級單體風暴演變可以歸結(jié)為普通單體、強降水超級單體及弓形回波3 個階段，屬于典型的右移風暴。

上述研究對提高超級單體風暴的認識，提升雷達在災(zāi)害性天氣短臨監(jiān)測、預(yù)警業(yè)務(wù)中的應(yīng)用能力起了積極作用。但是，由于超級單體多普勒雷達回波特征結(jié)構(gòu)復(fù)雜，仍然需要氣象工作者從不同角度對更多的典型個例開展研究。2020 年6 月25 日夜間超級單體風暴橫掃北京東南部、廊坊中部及天津西南部地區(qū)，各地先后出現(xiàn)冰雹、雷暴大風、短時強降水等強對流天氣，造成嚴重經(jīng)濟、財產(chǎn)損失。本文主要利用北京和天津多普勒天氣雷達探測資料等對災(zāi)害性天氣過程中超級單體風暴的雷達回波演變等特征進行分析，以期提高分災(zāi)種、落區(qū)、強度等精細化預(yù)警能力。

1 資料來源

本文使用2020 年6 月25 日08 時—26 日08時（北京時、未特別說明下同）常規(guī)觀測、北京和天津多普勒天氣雷達探測等資料，所用分析數(shù)據(jù)均經(jīng)過質(zhì)量控制。兩部雷達所處位置見圖1a。

2 天氣概況和環(huán)流形勢

2.1 天氣實況

2020 年6 月25 日夜間，北京東南部至廊坊中部到天津西南部地區(qū)先后出現(xiàn)冰雹、雷暴大風和短時強降水等強對流天氣，在廊坊轄區(qū)內(nèi)冰雹和雷暴大風等災(zāi)害性天氣主要出現(xiàn)在21：30—22：30，自動站監(jiān)測到的最大風速為28.5 m/s（11 級）、最大小時雨強為50.4 mm/h（圖1a），廊坊市廣陽區(qū)西部、安次區(qū)南部、永清縣東部和霸州市東部等多地出現(xiàn)冰雹，最大直徑＞2 cm。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅在廊坊地區(qū)造成的直接經(jīng)濟損失達48 945.6 萬元。

2.2 環(huán)流背景

6 月25 日08 時，500 hPa 冷渦位于內(nèi)蒙古中部與蒙古國交界處，高空槽分為南北兩段，北段南伸至內(nèi)蒙古和山西交界處，南段由京津地區(qū)向南伸到山東至江西西南，廊坊處于南段槽區(qū)里。700 hPa 北段槽線和500 hPa 槽線位置重合；南段高空槽已經(jīng)移到東部海上，廊坊處于南段槽后，由西北氣流控制。850 hPa 北段槽線位于內(nèi)蒙古中部—山西西北部—陜西北部一帶，南段槽也已移到東部海上，此時廊坊位于北段槽前，為西南氣流控制。從槽區(qū)位置高低空配置看，700 hPa 槽落后于850 hPa 槽，中低層表現(xiàn)為略后傾形勢。地面圖上冷鋒位于內(nèi)蒙古中部至陜西北部。20 時（圖1b），500 hPa 冷渦東移南壓至內(nèi)蒙古東部，北段高空槽略東移、南段高空槽已移至東部海上，廊坊處于南段槽后西北氣流里，存在有明顯的冷平流；700 hPa 北段槽東移至內(nèi)蒙古東部到河北西部一帶，而850 hPa 北段槽位置穩(wěn)定少動，對比08 時500 和850 hPa 高低兩層的北段槽基本少動，而700 hPa 槽卻快速東移，由相對于850 hPa 槽位置略后傾演變?yōu)榍皟A的不穩(wěn)定形勢。從850 hPa 濕度和溫度的分布可知廊坊正好處于暖濕區(qū)內(nèi)。地面圖上冷鋒隨時間東移，20 時已移到廊坊西側(cè)，廊坊處于冷鋒前。通過上述分析可知，20 時廊坊正好處于高空槽前，且表現(xiàn)為700 hPa 槽前傾和上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，同時配合地面冷鋒的存在，才導(dǎo)致此次強對流天氣的發(fā)生。

圖1 2020 年6 月25 日20：00—26 日00：00 最大小時雨強分布與災(zāi)害性天氣極大值出現(xiàn)時間（a）和25 日20：00 中尺度特征分析（b）

2.3 不穩(wěn)定條件

由北京站探空資料（圖2）可知，CAPE值由25日08 時的826 J/kg 增大到14 時的1 528 J/kg（圖2a），K指數(shù)由30 ℃增大到33 ℃；20 時之前北京地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)強對流天氣，在不穩(wěn)定能量得以釋放的前提下，CAPE值達1 073 J/kg，K指數(shù)增大到36 ℃，這說明本地存在很強的不穩(wěn)定層結(jié)。14 和20 時整體呈上干下濕的喇叭口結(jié)構(gòu)，700 hPa 以上為西北氣流、以下為西南氣流，且850 hPa 及以下比濕＞10 g/kg、T850-500達到28 ℃左右，大氣層結(jié)表現(xiàn)為上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)；同時垂直風切變隨時間不斷增大，0～6 km 垂直風切變由08 和14 時的11.0 m/s 增大到20 時的25.6 m/s；另外14 和20 時的抬升凝結(jié)高度均較低、分別為836.7、886.4 m，0 ℃層和-20 ℃層高度也較低，分別為3.8、6.7 km，兩層高度差＜3 km。這些物理量參數(shù)特征表明，廊坊地區(qū)大氣的垂直條件存在著強不穩(wěn)定，非常有利于冰雹、雷暴大風等強對流天氣發(fā)生發(fā)展；同時CAPE＞1 500 J/kg 和強垂直風切變（0～6 km 為25.6 m/s）、上干冷下暖濕的層結(jié)和較低的抬升凝結(jié)高度等都滿足Moller 等[20]研究給出的超級單體發(fā)生環(huán)境的主要條件，說明該地發(fā)生發(fā)展成超級單體風暴的概率很大。

圖2 2020 年6 月25 日14 時（a）和20 時（b）北京站探空曲線

3 超級單體多普勒雷達回波特征

3.1 雷達回波演變特征

利用北京多普勒天氣雷達資料分析此次超級單體風暴的回波演變特征可知，6 月25 日下午不斷有回波單體東移發(fā)展影響北京地區(qū)，20 時合并加強的回波在雷達西北側(cè)50 km 附近發(fā)展為一個弓形狀回波帶。隨時間演變回波帶中間逐漸減弱、而兩端回波單體迅速發(fā)展加強。20：24 兩端回波的中心強度均達到60 dBZ，2 個體掃后，20：36 弓形狀回波帶兩端形成2 個強回波單體，北端強回波單體東移減弱消散，南部強回波單體在向東南移動過程中發(fā)展加強。21 時，強回波單體移至北京大興中北部，中心強度達到65 dBZ 以上，且從低層到高層不同仰角強回波中心位置向下風方傾斜，低層仰角入流區(qū)出現(xiàn)弱回波區(qū)、高層仰角出現(xiàn)強回波懸垂，同時在6.0°仰角出現(xiàn)弱三體散射現(xiàn)象。下一體掃0.5°仰角回波單體中心強度達60 dBZ，距地面高度僅有1.2 km，且強回波中心位置隨高度向下風方傾斜更加明顯，在6.0°仰角回波中心強度達到65 dBZ 以上，同時3.4～6.0°仰角均出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象，6.0°仰角最為明顯（圖3a）。21：18（圖3a），該超級單體繼續(xù)發(fā)展加強，65 dBZ 以上強回波中心貫穿各層仰角且范圍不斷增大，三體散射、旁瓣回波、有界弱回波區(qū)等超級單體雷達特征更加明顯，并一直持續(xù)到21：30 之后（圖3c），持續(xù)時間長達半個小時。隨后超級單體繼續(xù)東移，強度略有減弱，三體散射和旁瓣回波現(xiàn)象也略有減弱，回波中心區(qū)后側(cè)開始出現(xiàn)V 型缺口，回波外觀形態(tài)發(fā)生變化。21：48 超級單體回波發(fā)展演變?yōu)橐还位夭ǎ▓D3d），回波中心強度達65 dBZ 以上，三體散射現(xiàn)象再次明顯且在弓形回波外側(cè)出現(xiàn)2～3個三體散射現(xiàn)象，說明弓形回波上至少有2～3 個強回波中心。之后的近50 min 里弓形回波保持60～65 dBZ 強度向東南方向移動，南段強回波中心范圍較大，對應(yīng)速度圖上有中氣旋（圖3e）。22：36（圖3f），弓形回波北段回波略有減弱，南段回波中心強度一直維持在65 dBZ 以上，23：06 南段回波發(fā)展演變?yōu)橐怀叨容^小的弓形回波、中心最大強度仍然維持在65 dBZ 以上，這期間速度圖上強回波中心位置一直有中氣旋，說明弓形回波帶上不斷有超級單體生成，20 min 后弓形回波帶減弱為普通回波并于1 h 后減弱消失。

圖3 2020 年6 月25 日北京雷達2.4°仰角基本反射率因子（a 為21：06，b 為21：18，c 為21：36，d 為21：48，e 為22：12，f 為22：36）

此次超級單體風暴的發(fā)展演變特征為先由弓形狀回波斷裂南段發(fā)展為超級單體隨后又演變?yōu)楣位夭?，且弓形回波南段仍鑲嵌有較小尺度超級單體。影響廊坊前后的時間（21：00—22：30）正是成熟超級單體維持并向弓形回波演變階段。

3.2 超級單體回波特征

由于超級單體進入廊坊市后距離北京雷達站僅30 km 左右，用北京雷達無法完整觀測到超級單體回波的高層垂直結(jié)構(gòu)和中氣旋結(jié)構(gòu)特征，所以改用北京下游的天津雷達做進一步分析。

由天津雷達觀測分析可知，單體回波發(fā)展非常迅速，21：06 回波中心強度達65 dBZ，從0.5°仰角到2.4°仰角出現(xiàn)明顯三體散射和旁瓣回波特征，此時雷達已經(jīng)自動識別出中氣旋（圖4a）。由圖4b 可知，1.5°～2.4°仰角中氣旋特征明顯，而0.5°仰角為純輻合、正負速度差值為15 m/s；3.4°仰角以上呈強烈輻散，對比看到高層輻散明顯大于低層輻合，非常有利于超級單體內(nèi)部的上升運動。下一體掃（圖4c～4f）單體中心65 dBZ 強回波范圍明顯加大、三體散射和旁瓣回波特征更加明顯，此時雷達自動識別出大、小鑲嵌的2 個中氣旋，同時低層和高層仰角的輻合和輻散更強，說明此時超級單體還在繼續(xù)加強發(fā)展中。由過強回波中心沿雷達徑向方向、垂直徑向方向分別做反射率因子（圖4g）及徑向速度垂直剖面（圖4h）可知，單體回波存在典型的有界弱回波區(qū)BWER（穹隆）和強大的回波懸垂結(jié)構(gòu)，有界弱回波區(qū)的水平尺度約5～7 km，強回波（60～65 dBZ）沿著BWER 左側(cè)向下延伸形成一個向下風方傾斜的強大回波墻，從9 km 高度向下一直延伸到近地層，其中下部代表冰雹下降區(qū)域，超級單體回波頂高接近14 km。

由圖5 可知，小的中氣旋正負速度對中心距離僅有2～4 km，正負最大速度值分別為1、-15 m/s，大的中氣旋正負速度對中心距離僅有15～18 km，正負最大速度值分別為1、-37 m/s（負速度出現(xiàn)速度模糊，利用去速度模糊公式[21]計算得到最大負速度值）。之后超級單體回波強度一直維持在0～65 dBZ，中氣旋特征也一直存在。21：24 單體中心最大回波強度仍然維持在65 dBZ，三體散射和旁瓣回波特征仍非常明顯（圖5a）。從過強回波中心沿雷達徑向方向作反射率因子的剖面圖上看到，在4、8 km 左右的不同高度上出現(xiàn)雙三體散射現(xiàn)象（圖5b），這說明超級單體內(nèi)上升氣流異常強盛，不但4 km 高度有大粒子冰雹，較大粒子冰雹還被輸送到8 km 高度以上，而30～40 km 長的三體散射長釘尾也反映了雹云強度非常大，而且從圖4g 和圖5b 上都可以明顯的看到，超級單體強回波隨高度向下風方（右前側(cè)）傾斜，這與王福俠等[22]總結(jié)出的右移超級單體風暴類型相符。從對應(yīng)徑向速度圖可知，1.5°～3.4°仰角（圖5c 為1.5°仰角）上，正負速度對的最大正速度為5 m/s、最大負速度均出現(xiàn)速度模糊，速度退模糊后最大負速度分別達到-24、-37 和-42 m/s，從旋轉(zhuǎn)速度和距離看，達到強中氣旋級別。

圖4 2020 年6 月25 日21：06 和21：12 天津多普勒雷達反射率因子和徑向速度（a、b 分別為21：06 1.5°仰角反射率因子和徑向速度，c 為21：12 1.5°仰角反射率因子，d、f 為21：12 1.5°和2.4°徑向速度，g、h 分別為21：12 過中氣旋中心沿雷達徑向和垂直雷達徑向方向的反射率因子和徑向速度垂直剖面，h 中圓圈為嵌套的兩個正負速度對；黃色圓圈為雷達自動識別中氣旋）

圖5 2020 年6 月25 日21：24 和23：18 天津多普勒雷達反射率因子和徑向速度（a、b 分別為21：24 1.5°仰角反射率因子和徑向速度，c、d 分別為21：24 過強回波中心沿雷達徑向和垂直雷達徑向方向的反射率因子和徑向速度垂直剖面，d 中圓圈為嵌套的兩個正負速度對，e、f 分別為23：18 1.5°仰角反射率因子和徑向速度；黃色圓圈為雷達自動識別中氣旋）

從過強回波中心沿垂直雷達徑向方向做徑向速度垂直剖面（圖5d）可以看到中氣旋的正負速度對。之后超級單體回波中心強度一直維持在60～65 dBZ，三體散射和旁瓣回波及中氣旋特征也一直存在。3 個體掃后到21：42，單體中心最大回波強度仍為60 dBZ，但范圍明顯減小，同時三體散射和旁瓣回波特征有所減弱，對應(yīng)回波形態(tài)演變和上面分析可知，此時正好對應(yīng)超級單體向弓形回波演變過程。下一體掃三體散射和旁瓣回波特征再度明顯，隨后21：48—22：06、22：12—22：30，又兩次出現(xiàn)三體散射和旁瓣回波特征增強后迅速減弱的現(xiàn)象。對應(yīng)實況，這與地面災(zāi)害性大風和冰雹的出現(xiàn)時間有很好的對應(yīng)關(guān)系。而雷達自動識別出中氣旋的特征一直持續(xù)到23：18（圖5e、5f），這說明后面雖然超級單體演變?yōu)楣位夭?，但弓形回波帶上仍鑲嵌有尺度略小的超級單體，而徑向速度圖上中氣旋的反復(fù)出現(xiàn)也說明雷暴內(nèi)始終有一支強盛的上升氣流支撐使得超級單體風暴不斷發(fā)展和維持。

3.3 垂直積分液態(tài)水含量（VIL）

垂直積分液態(tài)水含量（VIL）的增大和減小雖然不是超級單體風暴的雷達回波特征，但其值大小和隨時間的變化可很好地預(yù)示冰雹及地面災(zāi)害性大風的發(fā)生。6 月25 日21：12 之前，隨著強回波發(fā)展東移，垂直積分液態(tài)水含量（VIL）最大值和范圍起伏波動，21：18 最大值達42.5 kg/m2（圖6），隨后2 個體掃，40 kg/m2以上范圍增大。21：36VIL中心最大值達到階段最大后迅速下降到階段最低值，隨后VIL中心最大值又迅速增大，21：54 55 kg/m2以上范圍也達到階段最大。22：00—22：30，VIL最大值再次出現(xiàn)驟升到階段最大（22：12 最大為70 kg/m2）后又迅速下降到階段最低點（22：24 降到52.5 kg/m2），2 個體掃最大值降幅達17.5 kg/m2，之后又出現(xiàn)迅速增大的波動變化特征。對應(yīng)實況，21：30—22：30，廊坊轄區(qū)內(nèi)多個自動站出現(xiàn)災(zāi)害性大風，最大陣風達28.5 m/s（11 級）。如果采用VIL值達到40 kg/m2作為大風的一個預(yù)警指標[21]，本次過程發(fā)布雷暴大風預(yù)警的提前量為24 min，以VIL值達到55 kg/m2作為冰雹預(yù)警指標，發(fā)布冰雹預(yù)警時間可以提前12 min。

圖6 2020 年6 月25 日21：00—22：30 北京多普勒雷達垂直積分液態(tài)水含量（VIL）

通過上述分析可以得到，VIL值驟升到階段最大值后出現(xiàn)驟降，可以作為預(yù)測地面災(zāi)害性大風即將發(fā)生的標志，而VIL最大值達到55 kg/m2可以作為本地發(fā)布冰雹預(yù)警的指標。

4 超級單體三維圖像特征

選取造成廊坊雷暴大風、冰雹等強對流天氣時的超級單體作為研究對象，對涵蓋整個超級單體的北京多普勒雷達數(shù)據(jù)進行處理，得到該超級單體三維立體空間結(jié)構(gòu)。圖7a 為21：54 雷達回波45 dBZ以上的三維立體圖像，從其左前側(cè)可以觀測到，45 dBZ 強回波墻伸展到12 km 左右，回波墻呈現(xiàn)明顯前傾，有顯著懸垂回波，回波懸垂下方存在凹坑，是弱回波區(qū)。25 dBZ 以上三維立體圖像（圖7b）的底部較中層窄而長，可以很清楚的顯示出主體后側(cè)的入流缺口，主體回波中間粗大上部略小，正前方有凹陷和懸垂凸起，凹陷區(qū)即為弱回波區(qū)，與懸垂部分一起形成有界弱回波穹窿結(jié)構(gòu)，前突懸垂部分一直延伸到中上部，也就是雹云回波的懸垂部分。通過三維空間圖像直觀地展現(xiàn)出了超級單體的空間結(jié)構(gòu)特征，有助于預(yù)報員更清楚地認識超級單體風暴。

圖7 2020 年6 月25 日21：54 北京多普勒雷達三維圖像（a 為45 dBZ 以上回波，b 為25 dBZ 以上回波）

5 結(jié)論

利用常規(guī)觀測資料、北京和天津多普勒雷達探測資料等，對2020 年6 月25 日夜間發(fā)生在河北省廊坊市一次強對流天氣過程進行了分析，得出如下結(jié)論：

（1）此次強對流天氣是高空冷渦配合高空槽和地面冷鋒共同影響造成的，天氣發(fā)生前廊坊處于高空槽前且為中層700 hPa 槽明顯前傾的不穩(wěn)定配置結(jié)構(gòu)；高CAPE值、強垂直風切變、上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)和適當?shù)? ℃層和-20 ℃層高度等為超級單體風暴的發(fā)展維持提供了有利的環(huán)境條件。

（2）此次超級單體屬于右移風暴，中氣旋特征持續(xù)存在，并在超級單體成熟階段達到強中氣旋強度；回波垂直結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出回波墻—回波懸垂和有界弱回波區(qū)—三體散射和旁瓣回波等典型超級單體雷達回波特征。后期超級單體演變?yōu)楣位夭?，其上鑲嵌有尺度略小的超級單體。

（3）VIL最大值達到55 kg/m2可以作為本地發(fā)布冰雹預(yù)警的指標，發(fā)布冰雹預(yù)警時間可以提前12 min；將VIL值升到40 kg/m2作為地面災(zāi)害大風預(yù)警指標，本次過程發(fā)布雷暴大風預(yù)警的提前量為24 min。三維空間圖像可以直觀地展現(xiàn)出超級單體的空間結(jié)構(gòu)特征，有助于更清楚地認識超級單體風暴。

上述結(jié)論僅來自于一次超級單體過程的綜合分析，未來還需要通過更多類似個例開展研究，對結(jié)論及指標加以檢驗，以獲得更有預(yù)報預(yù)警意義的指標。