黃中根， 馬中元， 諶 蕓， 陳鮑發(fā)， 黃龍飛

(1.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046； 2.九江市氣象局，江西 九江 332000；3.國(guó)家氣象中心，北京 100081； 4.景德鎮(zhèn)市氣象局，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

引 言

每年3-5月，江西強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁出現(xiàn)，冰雹天氣是其中之一。在江西冰雹個(gè)例中，孤立的超級(jí)單體風(fēng)暴排名第一，其次是回波帶上的超級(jí)單體或強(qiáng)單體回波。早春2月，一些45～50 dBZ的強(qiáng)回波也會(huì)產(chǎn)生小冰雹。單部雷達(dá)很難看清颮線回波系統(tǒng)的全貌，江西雷達(dá)拼圖能夠彌補(bǔ)單部雷達(dá)探測(cè)范圍不足、雷達(dá)盲區(qū)擋角、距離衰減、地球曲率等因素造成的缺陷。同時(shí)，雷達(dá)拼圖(網(wǎng)絡(luò)版)還彌補(bǔ)了雷達(dá)PUP終端數(shù)量少、基層臺(tái)站無(wú)法看到雷達(dá)產(chǎn)品的不足。在強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)中，使用雷達(dá)拼圖已成為基層臺(tái)站的首選。

國(guó)外專家學(xué)者對(duì)超級(jí)單體風(fēng)景、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了大量研究與分析，取得了豐碩研究成果。1963-1964年，Browning等[1-2]首先提出了超級(jí)單體雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)。1970年，Donaldson[3]對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)作出一些補(bǔ)充和完善。1978年，Browning[4]重新定義超級(jí)單體具有深厚持久的中氣旋結(jié)構(gòu)。這種超級(jí)單體被認(rèn)為是經(jīng)典超級(jí)單體(Classic Supercell)，以產(chǎn)生冰雹、龍卷、雷暴大風(fēng)等劇烈天氣為主。超級(jí)單體還有弱超級(jí)單體，主要產(chǎn)生強(qiáng)降水和小冰雹等天氣。1979年，Lemon等[5]提出超級(jí)單體概念模型。1981年，F(xiàn)ujita[6]給出伴有龍卷渦旋狀回波的實(shí)例。1987年，Klemp[7]利用數(shù)值模式解釋超級(jí)單體的動(dòng)力機(jī)制。1994年，Moller等[8]描述的超級(jí)單體風(fēng)暴特征應(yīng)用至今。

國(guó)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析[9-12]。當(dāng)超級(jí)單體風(fēng)暴CR強(qiáng)度超過(guò)60 dBZ，具有中等強(qiáng)度以上中氣旋，垂直累積液態(tài)含水量(VIL)和VILD密度分別達(dá)59 kg·m-2和4.7 g·m-3以上時(shí)；超級(jí)單體風(fēng)暴出現(xiàn)中氣旋、有界弱回波區(qū)及回波懸垂等典型特征；VIL在降雹前出現(xiàn)了躍增等回波特征，需要注意大冰雹的出現(xiàn)[13-15]。超級(jí)單體在發(fā)展成熟階段呈現(xiàn)出回波懸垂、低層入流缺口、中氣旋，以及三體散射等經(jīng)典特征，回波伸展高度越高、低層入流越顯著、垂直風(fēng)切變?cè)綇?qiáng)的對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生的天氣越激烈，易產(chǎn)生大冰雹[16-18]。中尺度地面輻合線的移動(dòng)和增強(qiáng)在這次超級(jí)單體風(fēng)暴過(guò)程中起到了觸發(fā)和維持、加強(qiáng)的作用，絕大部分具有中氣旋的超級(jí)單體都產(chǎn)生冰雹和大風(fēng)等災(zāi)害性天氣[19-21]。超級(jí)單體強(qiáng)風(fēng)暴分裂成“左移”風(fēng)暴和“右移”風(fēng)暴，“左移”超級(jí)單體風(fēng)暴，具有中反氣旋、弱回波區(qū)和旁瓣回波及強(qiáng)回波中心位于其移動(dòng)方向左側(cè)等特點(diǎn)[22-25]。超級(jí)單體右前方的低層反射率因子呈現(xiàn)明顯的鉤狀回波，垂直剖面呈現(xiàn)出典型的有界弱回波區(qū)、回波懸垂和回波墻，最大回波強(qiáng)度超過(guò)65 dBZ，中低層徑向速度圖呈現(xiàn)中等強(qiáng)度中氣旋，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到22 m·s-1。降雹回波共同特征是出現(xiàn)三體散射長(zhǎng)釘回波，成熟階段均偏向右側(cè)高空風(fēng)約30°。冰雹出現(xiàn)前后，對(duì)流風(fēng)暴頂高及質(zhì)心高度迅速下降顯著。超級(jí)單體最大反射率因子達(dá)到60 dBZ以上，垂直累積液態(tài)水含量VIL值和VILD密度分別達(dá)到60 kg·m-2和5.0 g·m-3，50 dBZ以上強(qiáng)回波區(qū)伸展到-30 ℃層高度以上。冰雹直徑為15～20 mm的超級(jí)單體反射率因子質(zhì)心點(diǎn)較高，回波核前傾，具有回波懸垂、弱回波區(qū)、回波墻和三體散射特征[26-41]。有些專家還針對(duì)冰雹日數(shù)時(shí)空分布特征，以及對(duì)冰雹發(fā)生規(guī)律及預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了分析和研究[42-45]。上述研究成果從超級(jí)單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、單部雷達(dá)回波產(chǎn)品特征等方面進(jìn)行論述，為本文研究提供了理論依據(jù)。但較少查閱到使用雷達(dá)拼圖產(chǎn)品來(lái)描述超級(jí)單體風(fēng)暴特征的參考文獻(xiàn)，高分辨率雷達(dá)拼圖的應(yīng)用還不普及，本文在雷達(dá)拼圖產(chǎn)品應(yīng)用上做一些嘗試。

本文使用江西雷達(dá)拼圖資料，結(jié)合單部雷達(dá)PUP產(chǎn)品等資料，對(duì)2021年3月30-31日江西罕見大冰雹天氣過(guò)程中兩次超級(jí)單體風(fēng)暴回波特征進(jìn)行分析，為江西冰雹天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警和預(yù)報(bào)服務(wù)提供分析依據(jù)。

1 資料來(lái)源

天氣分析資料、探空數(shù)據(jù)和衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)來(lái)源于MICAPS平臺(tái)，雨量資料來(lái)源于江西省自動(dòng)氣象站要素顯示平臺(tái)，雷達(dá)拼圖資料來(lái)源于江西WebGIS雷達(dá)拼圖平臺(tái)，單部雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)源于宜春SA天氣雷達(dá)PUP產(chǎn)品反演，雷電數(shù)據(jù)來(lái)源于江西省氣象局ADTD二維閃電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)，冰雹資料來(lái)源于國(guó)家站記錄、微信群視頻和圖片、鄉(xiāng)鎮(zhèn)村信息員災(zāi)情調(diào)查資料。文中涉及的地圖邊界均是基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2017)3320號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。本文統(tǒng)一使用北京時(shí)。

2 天氣實(shí)況與特點(diǎn)

冰雹實(shí)況。2021年3月30-31日，江西出現(xiàn)罕見的大冰雹天氣。冰雹自西向東橫掃江西，銅鼓、宜豐、上高、高安、奉新、新建、南昌市、南昌、進(jìn)賢、余干、樂(lè)平、景德鎮(zhèn)、婺源等地受到影響，其中銅鼓、南昌市等地還出現(xiàn)罕見大冰雹，最大雹徑超過(guò) 10 cm，呈放射狀，普通雹徑也在 20～50 mm(圖略)。

30-31日江西大冰雹過(guò)程主要影響贛北和贛中北部，共出現(xiàn)6次超級(jí)單體風(fēng)暴。30日出現(xiàn)一次超級(jí)單體風(fēng)暴，31日分別出現(xiàn)5次強(qiáng)度不等的超級(jí)單體風(fēng)暴。30-31日6次超級(jí)單體風(fēng)暴中，有兩次大冰雹超級(jí)單體風(fēng)暴是從湖南境內(nèi)產(chǎn)生，經(jīng)歷初生、發(fā)展、合并、分裂等過(guò)程，形成“右移”超級(jí)單體風(fēng)暴，江西北部和中部受到冰雹災(zāi)害影響。

強(qiáng)雷電分布。2021年3月30日00時(shí)-4月1日23時(shí)，江西雷電次數(shù)頻繁，兩天分別出現(xiàn)6個(gè)峰值，有兩個(gè)最高峰：一是30日第3高峰(由1、2、3、4峰組成)，二是31日第6高峰(由5、6峰組成)。兩次“右移”超級(jí)單體風(fēng)暴分別發(fā)生在第3高峰和第6高峰之前(圖略)。這兩天冰雹天氣過(guò)程江西還出現(xiàn)兩起雷擊事件：一是30日16:40余干縣玉亭鎮(zhèn)百湖村雷擊事件，二是31日14:40南昌縣塘南鎮(zhèn)西聯(lián)村雷擊事件。

雷暴大風(fēng)。2021年3月30-31日，江西出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的站數(shù)并不多，且風(fēng)速較小(圖略)。大冰雹所經(jīng)之地，國(guó)家站記錄極大風(fēng)速≥17.2 m·s-1的站點(diǎn)有7個(gè)，最大風(fēng)速為23.3 m·s-1(南昌市)；區(qū)域站記錄極大風(fēng)速≥17.2 m·s-1的站點(diǎn)有33個(gè)，最大風(fēng)速23.3 m·s-1(南昌市)。

短時(shí)強(qiáng)降水。2021年3月30-31日，江西出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)也較少，雨量不大(圖略)。大冰雹所經(jīng)之地，國(guó)家站記錄雨量≥30.0 mm/24h的站點(diǎn)有9個(gè)，最大雨量為91.1 mm/24h(景德鎮(zhèn))；區(qū)域站記錄雨量≥30.0 mm/24h的站點(diǎn)有183個(gè)，最大雨量103.0 mm/24h(景德鎮(zhèn)市官莊村)。

由此可見，2021年3月30-31日大冰雹天氣過(guò)程，主要災(zāi)害是冰雹和雷擊事件，雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水不是很嚴(yán)重，但冰雹站數(shù)、影響范圍、維持時(shí)間、冰雹直徑和超級(jí)單體風(fēng)暴的回波強(qiáng)度都是罕見的。

3 環(huán)境條件分析

3.1 天氣影響系統(tǒng)

2021年3月30日20時(shí)，高空低槽位于重慶至貴州西部，槽前有明顯的西南急流，500 hPa長(zhǎng)沙西南風(fēng)達(dá)26 m·s-1，南昌為30 m·s-1；700 hPa長(zhǎng)沙西南風(fēng)達(dá)23 m·s-1，南昌為20 m·s-1；850 hPa長(zhǎng)沙西南風(fēng)達(dá)14 m·s-1(圖略)。三層急流在江西西北部匯合，南昌位于匯合區(qū)附近。匯合區(qū)上空贛北200 hPa有分流區(qū)。低層850 hPa在江西中北部及其以東地區(qū)有明顯偏東南氣流，925 hPa南昌東南風(fēng)為12 m·s-1，即伴有超低空急流。低層的明顯偏東氣流與急流一方面把東海上空水汽輸送至對(duì)流區(qū)上空，另一方面與西部的西南急流、北部偏東急流產(chǎn)生劇烈輻合，同時(shí)在垂直方向上隨高度增加?xùn)|南風(fēng)轉(zhuǎn)西南風(fēng)形成明顯的暖平流，為上升運(yùn)動(dòng)提供了支撐。850 hPa切變線位于湖南中部至贛北，切變線上有西南風(fēng)與東南風(fēng)的劇烈輻合，是對(duì)流觸發(fā)的重要天氣系統(tǒng)，切變線以南在700 hPa有一急流軸從湖南南部伸向贛西北。低層暖濕，850 hPa以下為飽和區(qū)，700 hPa開始變干，500 hPa湖南中部有明顯干區(qū)，長(zhǎng)沙t-td=38 ℃，隨著槽前西南急流東移，干區(qū)移至贛北、贛中上空，“上干下濕”結(jié)構(gòu)為冰雹等強(qiáng)對(duì)流發(fā)生提供了有利條件。低層(850-925 hPa)有暖脊發(fā)展，暖脊從廣西經(jīng)湖南南部伸向贛北、贛中，南昌上空t850-500=28 ℃，低層溫度偏高，且高低空溫差大，為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了重要熱力條件與觸發(fā)機(jī)制。此時(shí)，850 hPa南昌的td=16 ℃，比濕為14 g/kg，表明水汽條件充沛。

由此可見，2021年3月30-31日大冰雹天氣過(guò)程，天氣系統(tǒng)配置有西南急流、地面倒槽、低層切變線、低層暖脊等天氣系統(tǒng)，“上干下濕”的大氣層結(jié)有利于冰雹天氣的發(fā)生。

3.2 探空分析與環(huán)境條件的異同

從探空?qǐng)D上看到(圖略)，此次大冰雹過(guò)程，在500 hPa有明顯干層侵入或發(fā)展，受長(zhǎng)沙等地干區(qū)東移影響，南昌t-td從30日20時(shí)的8 ℃增至31日08時(shí)的22 ℃。中層急流非常強(qiáng)盛，30日20時(shí)600 hPa西南急流強(qiáng)度達(dá)28 m·s-1，500 hPa的達(dá)30 m·s-1，與底層偏東風(fēng)構(gòu)成了強(qiáng)風(fēng)垂直切變，0-5 km的風(fēng)垂直切變超過(guò)30 m·s-1。同時(shí)，SI指數(shù)異常偏小，30日20時(shí)為 -5.94 ℃、31日08時(shí)為-4.74 ℃，達(dá)到或超過(guò)冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)≤-3.0 ℃的閾值標(biāo)準(zhǔn)。K指數(shù)從30日20時(shí)的35 ℃增至31日08時(shí)的39.1 ℃，表明不穩(wěn)定能量等條件也異常偏強(qiáng)。對(duì)流有效位能(CAPE)中等，31日08時(shí)經(jīng)過(guò)訂正，南昌CAPE值為848.5 J/kg。

由此可見，本輪強(qiáng)對(duì)流天氣的重要天氣系統(tǒng)有中低層多層西南急流、地面倒槽、低層切變線，同時(shí)伴有低層暖脊、“上干下濕”等有利于強(qiáng)天氣發(fā)生的溫、濕條件。水汽條件充沛，層結(jié)條件極不穩(wěn)定，且伴有較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量。但與3-4月典型強(qiáng)對(duì)流天氣不同的是沒有明顯冷空氣入侵背景，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)高空低槽也沒有明顯東移，強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展與中低層切變線附近輻合、低層暖脊發(fā)展、西南急流脈動(dòng)有關(guān)，是較為少見的暖區(qū)強(qiáng)對(duì)流型結(jié)構(gòu)。可見，只要滿足水汽、不穩(wěn)定、抬升三大基本條件，在強(qiáng)的層結(jié)不穩(wěn)定、強(qiáng)不穩(wěn)定能量、強(qiáng)輻合觸發(fā)等作用下，冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣就能發(fā)生、發(fā)展。

4 超級(jí)單體風(fēng)暴演變與特征

超級(jí)單體風(fēng)暴移動(dòng)路徑最顯著的一個(gè)特征就是回波系統(tǒng)出現(xiàn)“右移”和“左移”現(xiàn)象?！坝乙啤焙汀白笠啤笔侵赋?jí)單體沿高空風(fēng)(一般500 hPa或500-700 hPa平均風(fēng))方向移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)路徑出現(xiàn)偏差，朝高空風(fēng)右側(cè)移動(dòng)稱為“右移”，左側(cè)移動(dòng)稱為“左移”。

4.1 超級(jí)單體風(fēng)暴回波廓線演變

將多張雷達(dá)拼圖的回波廓線描繪在一張圖上，能夠清楚地看出回波系統(tǒng)的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度。回波廓線圖是在江西WebGIS雷達(dá)拼圖上，通過(guò)使用Photoshop軟件繪制的。

2021年3月30日20:00-31日01:00，超級(jí)單體風(fēng)暴是在湖南境內(nèi)發(fā)展起來(lái)的對(duì)流回波，通過(guò)單體合并，不斷發(fā)展加強(qiáng)為60 dBZ的強(qiáng)單體回波。南昌探空風(fēng)場(chǎng)顯示，30日20時(shí)南昌500 hPa為30 m·s-1西南偏西風(fēng)，湖南境內(nèi)產(chǎn)生的對(duì)流單體回波沿500 hPa高空風(fēng)移動(dòng)(圖1a)。21:00，強(qiáng)單體回波出現(xiàn)分裂，形成A回波和A1回波。A1回波在后續(xù)發(fā)展中偏離高空風(fēng)方向左側(cè)，發(fā)展成為“左移”強(qiáng)單體回波；A1回波在“左移”過(guò)程中，擦著修水邊緣東北移，并逐漸消亡，沒有進(jìn)入江西境內(nèi)?！坝乙啤背?jí)單體風(fēng)暴系統(tǒng)的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度，回波系統(tǒng)與氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、高空風(fēng)之間的關(guān)系見圖1(c)。21:40，A回波發(fā)展成為超級(jí)單體風(fēng)暴，強(qiáng)中心達(dá)到65 dBZ，60 dBZ強(qiáng)回波面積(粉色)較大，屬于“右移”超級(jí)單體風(fēng)暴。22:00，A超級(jí)單體風(fēng)暴進(jìn)一步發(fā)展壯大，接近江西銅鼓邊界。22:20，A超級(jí)單體風(fēng)暴移入江西銅鼓境內(nèi)，首先在銅鼓出現(xiàn)大冰雹。22:40，A超級(jí)單體移入宜豐北部，造成部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹。22:20-23:20這段時(shí)間，A超級(jí)單體風(fēng)暴從中心強(qiáng)度70 dBZ下降至65 dBZ，回波強(qiáng)度有所降低，但60 dBZ回波面積不斷增大，伴有≥20 mm,≤50 mm 的冰雹。23:40，A超級(jí)單體重新發(fā)展起來(lái)，中心強(qiáng)度回到70 dBZ，并且60 dBZ(小冰雹)和65 dBZ(中冰雹)回波面積超大，一直到31日01:00，A超級(jí)單體風(fēng)暴路徑經(jīng)高安、新建、南昌、進(jìn)賢等地，沿途不斷出現(xiàn)大冰雹，其中南昌大冰雹比較罕見。超級(jí)單體風(fēng)暴維持時(shí)間(指65 dBZ強(qiáng)回波維持時(shí)間，下同)3～4 h。

圖1 2021年3月30日和31日兩次超級(jí)單體風(fēng)暴45 dBZ回波廓線圖(a)30日超級(jí)單體風(fēng)暴廓線，(b)31日超級(jí)單體風(fēng)暴廓線，(c)30日超級(jí)單體移動(dòng)方向與高空風(fēng)，(d)31日超級(jí)單體移動(dòng)方向與高空風(fēng)

2021年3月31日17:00-4月1日00:00,江西經(jīng)歷5次由超級(jí)單體風(fēng)暴造成的冰雹襲擊。超級(jí)單體風(fēng)暴系統(tǒng)有強(qiáng)有弱，A超級(jí)單體風(fēng)暴比較強(qiáng)，造成的冰雹較大較強(qiáng)；其他超級(jí)單體風(fēng)暴較弱，造成的雹較小較弱，其中圖1(b)是“右移”超級(jí)單體風(fēng)暴系統(tǒng)。2021年3月31日17:00-21:00(圖1b)，超級(jí)單體風(fēng)暴系統(tǒng)非常類似3月30日超級(jí)單體風(fēng)暴系統(tǒng)：①都是在湖南境內(nèi)產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)單體合并發(fā)展后分裂為A、A1兩個(gè)回波系統(tǒng)，A“右移”向東移動(dòng)，A1“左移”強(qiáng)單體回波移入修水，未造成冰雹災(zāi)害。②A“右移”超級(jí)單體風(fēng)暴強(qiáng)度達(dá)到70 dBZ，經(jīng)過(guò)銅鼓、宜豐，有一個(gè)短暫的減弱，后又一次發(fā)展起來(lái)，與3月30日超級(jí)單體風(fēng)暴系統(tǒng)相似。③超級(jí)單體風(fēng)暴降雹后期都具有南北向“盾狀”回波特征。④超級(jí)單體風(fēng)暴維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3 h(18-21時(shí))。“右移”超級(jí)單體風(fēng)暴系統(tǒng)的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度，回波系統(tǒng)與氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、高空風(fēng)之間的關(guān)系見圖1(d)。

由此可見，3月30日和3月31日兩次“右移”超級(jí)單體風(fēng)暴系統(tǒng)是在湖南境內(nèi)產(chǎn)生，經(jīng)歷單體回波合并發(fā)展，回波分裂為A“右移”超級(jí)單體和A1“左移”超級(jí)單體過(guò)程，分裂后的A、A1回波的移動(dòng)方向都偏離500 hPa高空風(fēng)向?！白笠啤憋L(fēng)暴對(duì)江西影響不大；“右移”超級(jí)單體是江西大冰雹的主要回波系統(tǒng)，回波強(qiáng)度65～70 dBZ?！坝乙啤背?jí)單體風(fēng)暴經(jīng)歷：初始單體→發(fā)展加強(qiáng)→強(qiáng)大旺盛→稍有減弱→重新強(qiáng)盛等發(fā)展階段，銅鼓、宜豐、南昌等地受到影響，超級(jí)單體風(fēng)暴維持時(shí)間3～4 h?！坝乙啤背?jí)單體風(fēng)暴系統(tǒng)的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度，與氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力和高空風(fēng)之間的關(guān)系密切。

4.2 超級(jí)單體風(fēng)暴PUP產(chǎn)品特征

3月30日22:08,組合反射率CR(圖2a)，超級(jí)單體風(fēng)暴強(qiáng)度65 dBZ(粉紅色)，≥60 dBZ(白色)的回波面積≥300 km2，垂直累積液態(tài)水含量VIL≥60 kg/m2(圖2b)，0.5°仰角徑向速度V0.5°具有明顯的速度對(duì)(圖2c)，是典型的超級(jí)單體冰雹回波結(jié)構(gòu)。

反射率因子垂直剖面RCS(Reflectivity Cross Section)呈現(xiàn)為大面積的強(qiáng)回波，60 dBZ回波頂在11.0 km，65 dBZ回波頂在8.0 km，強(qiáng)回波伸展高度高，水平尺度較寬，對(duì)冰雹云的生長(zhǎng)十分有利(圖2d)。沿徑向回波垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)到懸掛、穹窿和回波墻等特殊特征(圖2e)。徑向速度垂直剖面VCS(Velocity Cross Section)主要特點(diǎn)是超級(jí)單體具有明顯的中氣旋結(jié)構(gòu)(圖2f、g)。

圖2 2021年3月30日22:08 宜春SA雷達(dá)(9795)回波產(chǎn)品特征(a)組合反射率CR,(b)垂直累積液態(tài)水含量VIL,(c)0.5°仰角徑向速度V0.5°,(d)切向反射率因子垂直剖面RCS,(e)徑向反射率因子垂直剖面RCS,(f)切向速度垂直剖面VCS,(g)徑向速度垂直剖面VCS

3月31日18:58，組合反射率CR(圖3a)，超級(jí)單體風(fēng)暴強(qiáng)度65 dBZ(粉色)，≥60 dBZ(白色)回波面積較大，垂直累積液態(tài)水含量VIL≥60 kg/m2(圖3b)，0.5°仰角徑向速度V0.5°具有明顯的速度對(duì)(圖3c)，是典型的超級(jí)單體冰雹回波結(jié)構(gòu)。

反射率因子垂直剖面RCS呈現(xiàn)為大面積的強(qiáng)回波，60 dBZ回波頂在10.0 km，65 dBZ回波頂在8.0 km，強(qiáng)回波伸展高度高，水平尺度較寬(圖3d)。沿徑向回波垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)到懸掛、穹窿和回波墻等特殊特征(圖3e)。徑向速度垂直剖面VCS沿切向具有明顯的中氣旋結(jié)構(gòu)(圖3f)，沿徑向卻是上正下負(fù)速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)(圖3g)。

由此可見，A超級(jí)單體回波強(qiáng)度65 dBZ，≥60 dBZ回波面積較大，垂直累積液態(tài)水含量VIL≥60 kg/m2，徑向速度V0.5°具有明顯的速度對(duì)，屬于典型的超級(jí)單體冰雹回波結(jié)構(gòu)。反射率因子垂直剖面RCS具有懸掛、回波墻等結(jié)構(gòu)回波特征，徑向速度垂直剖面VCS沿切向具有明顯的中氣旋結(jié)構(gòu)，沿徑向卻是上正下負(fù)速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖3 2021年3月31日18:58 宜春SA雷達(dá)(9795)回波產(chǎn)品特征(a)組合反射率CR，(b)垂直累積液態(tài)水含量VIL，(c)0.5°仰角徑向速度V0.5°，(d)切向反射率因子垂直剖面RCS，(e)徑向反射率因子垂直剖面RCS，(f)切向速度垂直剖面VCS，(g)徑向速度垂直剖面VCS

4.3 超級(jí)單體風(fēng)暴的演變

超級(jí)單體風(fēng)暴的發(fā)展加強(qiáng)，往往是前方不斷有小塊對(duì)流單體回波的合并造成的。單體回波的合并，使超級(jí)單體回波進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)(圖4a、d)。超級(jí)單體猛烈發(fā)展中，緊貼超級(jí)單體北側(cè)有新生回波發(fā)展，強(qiáng)度明顯弱于超級(jí)單體(圖4b、e)，隨后超級(jí)單體北側(cè)發(fā)展起來(lái)的強(qiáng)單體朝東北方向移動(dòng)，回波強(qiáng)度有所發(fā)展；而超級(jí)單體本身朝東方向移動(dòng)。當(dāng)超級(jí)單體風(fēng)暴北側(cè)的強(qiáng)單體回波移動(dòng)方向與超級(jí)單體不一致時(shí)，表面上看就像超級(jí)單體回波出現(xiàn)“分裂”現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)是超級(jí)單體北側(cè)新生強(qiáng)單體回波的移動(dòng)方向不同所致(圖4c、f)。

圖4 2021年3月30日和31日兩次超級(jí)單體回波分裂特征圖(a)30日20:40，(b)30日21:00，(c)30日21:20，(d)31日17:20，(e)31日17:40，(f)31日18:00

5 環(huán)境條件對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴的影響

5.1 山地抬升和湖南輻合線的影響

2021年3月30日和31日，江西兩次“右移”超級(jí)單體風(fēng)暴系統(tǒng)的初生回波，都發(fā)生在湖南境內(nèi)，由湖南境內(nèi)不同下墊面產(chǎn)生的回波系統(tǒng)。

3月30日19:40(圖5a)，在湖南長(zhǎng)沙的西北和西南象限，地面中尺度輻合線形成對(duì)流回波帶，其中A回波CR強(qiáng)度達(dá)到45～50 dBZ。20:10(圖5b)，A回波移入長(zhǎng)沙市，受到午后地表受熱增溫和城市熱島效應(yīng)影響，A回波猛烈發(fā)展，中心CR強(qiáng)度達(dá)到60 dBZ，55 dBZ回波面積迅速增大，輻合線上回波單體在朝東北方向移動(dòng)過(guò)程中，合并進(jìn)入A回波之中，使A回波快速發(fā)展，輻合線回波帶西段快速減弱。20:30(圖5c)，A回波逐漸向東北方向移動(dòng)，回波CR強(qiáng)度基本保持在55～60 dBZ，與輻合線相配合的回波帶進(jìn)一步減弱消散。21:00(圖5d)，A回波繼續(xù)在東移中發(fā)展壯大成為超級(jí)單體風(fēng)暴，中心CR強(qiáng)度達(dá)到65 dBZ，60 dBZ強(qiáng)回波面積迅速擴(kuò)大，發(fā)展成為強(qiáng)單體回波；另一個(gè)特點(diǎn)是A回波南部較強(qiáng)，北部較弱，出現(xiàn)“南強(qiáng)北弱”回波分裂的跡象。21:30(圖5e)，A回波受到山地影響，迅速發(fā)展成為超級(jí)單體風(fēng)暴，60 dBZ強(qiáng)回波面積增大，中心CR回波強(qiáng)度達(dá)到65 dBZ；與此同時(shí)，A回波分裂出A1回波，CR強(qiáng)度達(dá)到60 dBZ；A回波受到山地抬升作用，發(fā)展十分旺盛。22:00(圖5f)，A超級(jí)單體繼續(xù)發(fā)展壯大，中心CR強(qiáng)度達(dá)到70 dBZ且強(qiáng)回波面積大，銅鼓等地出現(xiàn)大冰雹，A1強(qiáng)單體回波對(duì)江西影響不大。

圖5 2021年3月30日和3月31日兩次超級(jí)單體風(fēng)暴初生期雷達(dá)拼圖回波演變(a)30日19:40，(b)20:10，(c)20:30，(d)21:00，(e)21:30，(f)22:00，(g)31日19:50，(h)17:10，(i)17:30，(j)17:50，(k)18:10，(l)18:30

3月31日19:50(圖5g)，受到山地抬升作用影響，在山地產(chǎn)生2小塊對(duì)流單體回波。山坡度和水平風(fēng)速愈大，風(fēng)向與山脈走向垂直時(shí)，山地造成的垂直運(yùn)動(dòng)愈強(qiáng)。17:10-17:30(圖5h、i)，2小塊對(duì)流單體回波發(fā)展壯大，2小塊對(duì)流單體回波相隔較近，回波單體自身發(fā)展擴(kuò)大了回波范圍，使2小塊回波發(fā)生了合并現(xiàn)象。17:50(圖5j)，B回波出現(xiàn)北側(cè)回波B1較弱，南側(cè)回波B較強(qiáng)的現(xiàn)象，B回波開始分裂。18:10(圖5k)，南面B回波發(fā)展成為超級(jí)單體，60 dBZ強(qiáng)回波面積較大，中心CR強(qiáng)度達(dá)到65 dBZ，地面開始出現(xiàn)冰雹；北面B1回波則為強(qiáng)單體回波。18:30(圖5l)，B超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)展旺盛，中心CR強(qiáng)度達(dá)到70 dBZ，銅鼓等地出現(xiàn)大冰雹，B1強(qiáng)單體朝東北方向移動(dòng)，對(duì)江西影響較小。

由此可見，兩次超級(jí)單體風(fēng)暴的發(fā)源地都是在湖南境內(nèi)，地面輻合線、城市熱島效應(yīng)、山地抬升作用等下墊面因素對(duì)強(qiáng)對(duì)流回波的形成起到觸發(fā)機(jī)制的作用?；夭▎误w的合并促使回波快速發(fā)展，形成南側(cè)回波強(qiáng)、北側(cè)回波弱的現(xiàn)象。當(dāng)南側(cè)回波與北側(cè)回波移動(dòng)方向不一致時(shí)，超級(jí)單體回波出現(xiàn)“分裂”。南側(cè)回波受地形等環(huán)境條件影響，發(fā)展成為更強(qiáng)超級(jí)單體并造成多地大冰雹；北側(cè)回波較弱，對(duì)江西影響較小。

5.2 地面輻合線和△P3的影響

大氣在地表運(yùn)動(dòng)受到下墊面不平、熱力不均勻、山地抬升和地表摩擦等因素影響，當(dāng)風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)匯集時(shí)，就會(huì)形成地面輻合線，而輻合線是產(chǎn)生對(duì)流風(fēng)暴的一種主要機(jī)制。對(duì)流風(fēng)暴一旦產(chǎn)生，周邊的3 h變壓(△P3)隨之改變，從而產(chǎn)生氣壓梯度力而改變對(duì)流風(fēng)暴的移動(dòng)方向。

2021年3月30日21時(shí)，湖南與江西存在兩條輻合線：一是橫跨湖南和江西的A輻合線，二是湖南與江西交界的B輻合線。30日超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)生在B輻合線和3 h正變壓高值區(qū)前沿(圖6a)。30日22時(shí)，A輻合線少動(dòng)，B輻合線東移，后部出現(xiàn)較大范圍的3 h正變壓高值區(qū)(圖6b)。21-22時(shí)，受到輻合線和3 h正變壓影響，超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)展形成。

圖6 2021年3月30日和3月31日3 h變壓與地面輻合線分布圖(a)30日21時(shí),(b)30日22時(shí),(c)31日18時(shí),(d)31日19時(shí)

2021年3月31日18時(shí)，湖南與江西存在兩條輻合線A和B，其位置及形態(tài)都與30日的輻合線A和B相同，超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)生在B輻合線和3 h正變壓高值區(qū)前沿(圖6c)。31日19時(shí)，A輻合線少動(dòng)，B輻合線東移，后部出現(xiàn)更大范圍的3 h正變壓高值區(qū)(圖6d)。超級(jí)單體風(fēng)暴在18-19時(shí)發(fā)展形成。

由此可見，超級(jí)單體風(fēng)暴的移動(dòng)與500 hPa和700 hPa平均風(fēng)場(chǎng)相關(guān)，移動(dòng)方向偏離高空風(fēng)5°左右，移動(dòng)速度是高空風(fēng)速的80%～90%。在個(gè)例中，超級(jí)單體風(fēng)暴移動(dòng)除了與高空風(fēng)相關(guān)外，還與地面環(huán)境條件即地面輻合線和3 h變壓場(chǎng)配置相關(guān)。兩次超級(jí)單體風(fēng)暴都產(chǎn)生“分裂”現(xiàn)象，南側(cè)的強(qiáng)回波沿著A輻合線和負(fù)變壓區(qū)向東方向移動(dòng)，北側(cè)弱回波沿著北部B輻合線向偏北方向移動(dòng)?；夭ㄒ苿?dòng)方向的不一致，造成回波的“分裂”。由于A輻合線和3 h負(fù)變壓重疊，超級(jí)單體在向東移動(dòng)中不斷發(fā)展加強(qiáng)，沿途不斷產(chǎn)生冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)天氣。B輻合線比較弱，北側(cè)弱回波在移動(dòng)過(guò)程中逐漸減弱。

6 結(jié)論與討論

本文使用雷達(dá)拼圖資料，結(jié)合單部雷達(dá)PUP產(chǎn)品等資料，對(duì)2021年3月30-31日江西罕見大冰雹天氣過(guò)程中的兩次超級(jí)單體風(fēng)暴進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

(1)2021年3月30-31日大冰雹天氣過(guò)程，天氣系統(tǒng)配置有西南急流、地面倒槽、低層切變線、低層暖脊等天氣系統(tǒng)，“上干下濕”的大氣層結(jié)有利于強(qiáng)天氣的發(fā)生。

(2)兩次超級(jí)單體風(fēng)暴的發(fā)源地都是在湖南境內(nèi)，地面輻合線、城市熱島效應(yīng)、山地抬升作用等下墊面因素對(duì)強(qiáng)對(duì)流回波的形成起到觸發(fā)作用?；夭▎误w的合并促使回波快速發(fā)展,形成超級(jí)單體風(fēng)暴。

(3)兩次超級(jí)單體風(fēng)暴都因移動(dòng)方向不同而出現(xiàn)“右移”和“左移”現(xiàn)象，南側(cè)回波強(qiáng)，進(jìn)入江西后超級(jí)單體猛烈發(fā)展加強(qiáng)，并造成多地大冰雹；北側(cè)回波弱，則為普通強(qiáng)單體回波，對(duì)江西影響較小。

(4)超級(jí)單體風(fēng)暴回波強(qiáng)度65～70 dBZ，≥60 dBZ強(qiáng)回波面積較大，垂直累積液態(tài)水含量VIL≥60 kg/m2，徑向速度V0.5°具有明顯的速度對(duì)，屬于典型的超級(jí)單體回波結(jié)構(gòu)。反射率因子垂直剖面RCS觀測(cè)到懸垂、穹窿和回波墻等特征，徑向速度垂直剖面VCS具有明顯的中氣旋結(jié)構(gòu)。

(5)兩次超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展都分布在輻合線和3 h變壓高值區(qū)前沿。超級(jí)單體風(fēng)暴“右移”特征與自身發(fā)展程度、高空風(fēng)、氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力等因素相關(guān)。

超級(jí)單體風(fēng)暴的“右移”特性形成原因十分復(fù)雜，受到觀測(cè)數(shù)據(jù)精度影響，無(wú)法定量分析，只能定性描述事實(shí)。目前個(gè)例表明“右移”風(fēng)暴的動(dòng)力除與超級(jí)單體自身發(fā)展程度有關(guān)外，還與環(huán)境風(fēng)場(chǎng)、地轉(zhuǎn)偏向力、氣壓梯度力、地面摩擦力和3 h變壓等因素有關(guān)。觀測(cè)結(jié)果表明：超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)展愈旺盛劇烈，出現(xiàn)“右移”偏差的程度愈明顯。因此，出現(xiàn)“右移”特征的超級(jí)單體風(fēng)暴，要十分警惕不同程度的冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和強(qiáng)雷電等自然災(zāi)害。