吳芳芳,俞小鼎,王慧,周小剛,韋瑩瑩

(1.鹽城市氣象局,江蘇鹽城224005;2.中國氣象局培訓(xùn)中心,北京100081; 3.上海中心氣象臺,上海200030)

一次強降水超級單體風(fēng)暴多普勒天氣雷達特征

吳芳芳1,俞小鼎2,王慧3,周小剛2,韋瑩瑩1

(1.鹽城市氣象局,江蘇鹽城224005;2.中國氣象局培訓(xùn)中心,北京100081; 3.上海中心氣象臺,上海200030)

利用鹽城多普勒天氣雷達和地面自動站等資料,對2006年8月6日下午發(fā)生在江蘇鹽城中北部地區(qū)的一次由強降水(high precipitation,HP)超級單體產(chǎn)生的大暴雨和龍卷過程進行詳細(xì)分析。風(fēng)暴回波演變的形態(tài)可分為“條狀—腎形—弓狀”3個階段:在條狀回波階段,產(chǎn)生龍卷伴隨強降水,中氣旋在變粗的中段前側(cè)生成,其內(nèi)有一個垂直渦度約為8×10-2s-1的龍卷式渦旋特征(tornadic vortex signature,TVS),高層懸掛回波下有低小的有界弱回波區(qū)(bounded weak echo region, BWER),位于BWER之上高層17 km風(fēng)暴頂為強烈輻散,輻散值約為1.2×10-2s-1;在腎狀回波階段,產(chǎn)生短時大暴雨,低層前側(cè)有包含一個中氣旋V字型入流缺口,其后是粗胖的高反射率因子鉤狀回波區(qū),速度圖上中氣旋位于中尺度輻合線之中;在弓狀回波階段,產(chǎn)生短時暴雨,風(fēng)暴減弱后與另外回波合并前側(cè)又有中氣旋生成,其后低層右后側(cè)為較大的高反射率因子回波區(qū)。在上述3個階段,該風(fēng)暴具有HP超級單體風(fēng)暴共同特征:中氣旋、陣風(fēng)鋒位于前側(cè),強降水包裹著中氣旋,沿著預(yù)先存在的東南風(fēng)速輻合線移動。HP超級單體產(chǎn)生的主要天氣背景是副熱帶高壓邊緣形勢,一個東移的高空槽、強烈的熱力不穩(wěn)定和較大的垂直風(fēng)切變。鹽城中北部地區(qū)午后地面風(fēng)場上形成的,與東南海風(fēng)有關(guān)的一條南北向濕熱邊界層輻合線,對HP超級單體沿著此輻合線發(fā)展并維持長生命史有重要作用。

HP超級單體;中氣旋;龍卷;大暴雨;陣風(fēng)鋒;輻合線

Abstract:Based on the data from Dopplerweather radar and automatic weather stations,a supercell case causing tornado and rainstor m,which hit the central and northern area of Yancheng,Jiangsu Province on the afternoon of 6 August 2006,is studied.The results show that this supercell is featured as a typical HP(high precipitation):the gust front,V-notch,the large hook echo and the front mesocyclone.The evolution of this HP supercell can be divided into two phases:the independent developing phase and the complex phase.In the first phase,the cell generated tornado(accompanied by heavy rain)and storm rainfall.When tornado appeared,the main echo formed a long curve bandwith a small and lower BWER(bounded weak echo region)under the overhang and a strong divergence was probed at 17 km height at top of the mesocyclone.A TVS appeared in the front part of the mesocyclone with a vertical vorticity of 8 ×10-2s-1at 1.4 km height over the surface.When the stor m rainfall occurred,the main echo's shape became a“kidney”and an inflow V-notch was near themesocyclonewhichwaswrapped in a convergent area.In the second phase,the weakened bow echo strengthened again by combiningwith an echo band from southern area of Yancheng,which produced another heavy rain.The HP supercell had a low centre of mass throughout the whole process and the top of the mesocycloneswas under 0℃which was at about 5 km height in most of the ti me.The analysis depicts that a south-north-extending convergent line of surface wind and the moisture brought by sea breeze exert significant effects on the development of the HP supercell.

Key words:HP supercell;mesocyclone;tornado;high precipitation;gust front;convergent line

0 引言

超級單體是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的強風(fēng)暴,是局地對流系統(tǒng)發(fā)展最強烈的形式,能產(chǎn)生嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣,氣象學(xué)家對超級單體風(fēng)暴的研究從20世紀(jì)50年代開始一直持續(xù)至今。隨著20世紀(jì)70年代多普勒天氣雷達在研究中的使用,超級單體的旋轉(zhuǎn)特性被充分揭示,1978年Browning[1]指出,超級單體可重新定義為具有中氣旋的對流單體(中氣旋在徑向速度上呈現(xiàn)為一沿方位角方向相隔不遠(yuǎn)的正負(fù)速度對,其尺度通常小于10 km),中氣旋的位置與有界弱回波區(qū)的位置大致相同。在根據(jù)多普勒天氣雷達觀測和對1964年Browning[2]提出的超級單體風(fēng)暴概念模型進行適當(dāng)修改的基礎(chǔ)上,1979年Lemon和Dos well[3]提出了一個修正的超級單體概念模型:明確了前側(cè)和后側(cè)下沉氣流及其相應(yīng)的陣風(fēng)鋒、風(fēng)暴入流區(qū)和上升氣流區(qū)、中氣旋相對于低層高反射率因子區(qū)的位置,并指出中氣旋在初生階段是一個旋轉(zhuǎn)的上升氣流,成熟階段的中氣旋是由旋轉(zhuǎn)的上升氣流與下沉氣流共同構(gòu)成的。此超級單體概念模型至今仍被廣泛應(yīng)用。其后,在觀測的基礎(chǔ)上將超級單體風(fēng)暴劃分為弱降水(low precipitation,LP)超級單體、經(jīng)典(classic,CL)超級單體(classic supercell,CS)和強降水(high precipitation,HP)超級單體風(fēng)暴[4]。LP超級單體[4-5]幾乎不產(chǎn)生降水,反射率因子通常較低,產(chǎn)生在干線附近,主要災(zāi)害是大冰雹,具有尺度小、發(fā)生頻率低特點;CL超級單體[4]特征是中氣旋位于風(fēng)暴右后側(cè)(相對于風(fēng)暴移動方向),低層具有明顯的鉤狀回波、弱回波區(qū)、有界弱回波區(qū),主要災(zāi)害是強冰雹、龍卷和地面大風(fēng),偶爾產(chǎn)生暴洪[4]。HP超級單體[4,6]主要特點:回波形態(tài)有很多種,其中“腎形”較多,通常比CL超級單體更大,中氣旋位于風(fēng)暴前側(cè),有一個粗胖的鉤,經(jīng)常沿著一條預(yù)先存在的熱力邊界發(fā)展和移動,主要災(zāi)害有龍卷、冰雹、地面大風(fēng)和暴洪。對于超級單體風(fēng)暴中國也進行了一些研究[7-8],目前由于新一代天氣雷達高靈敏度和測速功能為局地強風(fēng)暴的研究提供了良好的條件,對于中國超級單體風(fēng)暴研究逐漸增多,鄭媛媛等[9]、廖玉芳等[10]分析了經(jīng)典超級單體,俞小鼎等[11-12]研究了龍卷和強降水超級單體風(fēng)暴的特征。HP超級單體風(fēng)暴有其特殊性,強降水包裹著中氣旋,并能以各種各樣的方式演變,其中包括發(fā)展成弓形回波[3,6,13-14],因此,辨別HP超級單體風(fēng)暴對預(yù)報員提高災(zāi)害性天氣預(yù)警能力有重要意義。

2006年8月6日下午,江蘇淮北地區(qū)、江南分別出現(xiàn)了一系列強對流風(fēng)暴,其中鹽城響水北部的一個多單體風(fēng)暴在東移南下過程中不斷發(fā)展加強,14時53分(北京時,下同)形成超級單體。該風(fēng)暴向南緩慢移動,在它3個多小時的生命史中,產(chǎn)生一個龍卷、大暴雨和7～8級雷雨大風(fēng)。龍卷風(fēng)刮倒房屋34間, 1人被砸受重傷,損壞民房390余間,七套糧庫房頂瓦片被刮飛,550 t糧食被雨淋漬。龍卷風(fēng)折斷樹木2.2萬株,刮倒7根10kV高壓線,導(dǎo)致斷電,響水縣經(jīng)濟損失2 000萬元。鹽城中北部地區(qū)產(chǎn)生大暴雨,導(dǎo)致蘇北灌溉總渠水位快速上漲,濱海水位上升1.2 m。爆發(fā)性洪水造成的經(jīng)濟損失十分嚴(yán)重。

此次強風(fēng)暴具有強降水(HP)超級單體風(fēng)暴特征,形態(tài)多變,本文應(yīng)用鹽城多普勒天氣雷達和自動站資料對該風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征及其演變進行詳細(xì)的分析。

1 災(zāi)害性天氣強度與分布

2006年8月6日下午的強風(fēng)暴造成的災(zāi)害性天氣主要是強降水和龍卷,發(fā)生在鹽城中北部的濱海、通榆、阜寧和建湖等地(圖1d)。從自動站要素分析,15—19時,濱海、通榆、阜寧降水量在129.0～231.8 mm之間,通榆最大。在這4 h中有兩個強降水時段:一是15時10分到17時30分,濱海、通榆、阜寧降水量達86.8～145.8 mm,通榆最大。最強降雨出現(xiàn)在16時30分到17時30分,阜寧氣象站觀測到117.2 mm·h-1的降水,其中16時50分到17時00分出現(xiàn)29 mm·(10 min)-1的降水,并伴隨18.5 m·s-1的極大風(fēng)(表1)。二是17時30分到18時30分,建湖氣象站觀測到57.2mm·h-1的降水。

響水縣七套等鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1d中白色圓圈處)15時30分產(chǎn)生了F1[15]以上的龍卷風(fēng),并伴有強降水。

表1 2006年8月6日16時20分至17時30分濱海、通榆、阜寧自動氣象站的要素變化Table1 The autom atic observation data at stations in B inhai,Tongyu and Funing from16:20to17:30BST6A ugust2006

2 天氣背景與地面中尺度系統(tǒng)

2.1 天氣背景

2006年8月6日08時500hPa上(圖略),西太平洋副熱帶高壓呈塊狀,中心位于日本島,588dagpm線位于長江口到鹽城東部黃海一帶,華東中部沿海為副熱帶高壓西側(cè)的偏南氣流,同時有一西風(fēng)帶上低槽位于太行山到秦嶺東側(cè),此后攜帶弱冷空氣東移南下,副熱帶高壓緩慢東退,冷暖空氣交錯于蘇北沿淮一帶,但中低層沒有明顯的低空急流和氣旋性低值系統(tǒng)發(fā)展。從08時射陽站(位于未來風(fēng)暴中心東部大約40km)探空資料分析,抬升凝結(jié)高度約為0.3km,0℃層高度在5km附近,-20℃層高度在8km附近,地面東南風(fēng)4m·s-1,850hPa南風(fēng)1m·s-1,500hPa南南西風(fēng)9m·s-1,地面到500hPa風(fēng)矢量差值為9m·s-1,對應(yīng)的垂直風(fēng)切變值為1.5×10-3s-1,對流有效位能CA PE為3 076 J·kg-1,鹽城地區(qū)大氣層結(jié)強烈對流不穩(wěn)定[16]但深層(0～6km)垂直風(fēng)切變不大。從鹽城多普勒天氣雷達15時29分VAD(velocity azim uth display)風(fēng)廓線產(chǎn)品顯示(此時距離風(fēng)暴中心90km,不能完全代表風(fēng)暴地點天氣條件,但有較大的參考價值), 0.6km東南風(fēng)增大到10m·s-1,風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn), 4.0km偏西風(fēng)10m·s-1,對應(yīng)的垂直風(fēng)切變值為5.3×10-3s-1,鹽城地區(qū)出現(xiàn)較大的深層垂直風(fēng)切變,有利于超級單體風(fēng)暴生成[4,13]。

2.2 地面中尺度系統(tǒng)——輻合線和陣風(fēng)鋒

2006年8月6日從上午到午后強風(fēng)暴產(chǎn)生前,鹽城中北部地區(qū)海平面氣壓分布保持均勻,但風(fēng)力有較明顯的變化。08時,江蘇加密自動站10m in一次的地面風(fēng)場中(2m in平均風(fēng),下同),鹽城地區(qū)都處于平均風(fēng)力小于4m·s-1的弱風(fēng)區(qū)中;14時10分(圖1a),鹽城中北部地區(qū)海平面氣壓為1 006.0～1 006.8 hPa,近于均勻氣壓場,但東部沿海的射陽、鹽城等站東南風(fēng)增強到8m·s-1,而西部阜寧、濱海、響水東南風(fēng)仍小于4m·s-1。鹽城沿海地區(qū)這種午后東南風(fēng)加大現(xiàn)象與海陸風(fēng)的存在有關(guān)。

這樣,在14時10分地面自動站上,阜寧、濱海等站東側(cè)可以分析出一條南北向、與海岸線近平行的東南風(fēng)風(fēng)速輻合線,輻合線附近溫度31～33℃,露點溫度25℃左右,為暖濕的邊界層輻合線(圖1a中紅線)。從災(zāi)害性天氣分布(圖1d)分析,未來龍卷風(fēng)和大暴雨落區(qū)位于東南風(fēng)輻合線附近及西側(cè)。

圖1 鹽城市2006年8月6日14:10(a)、15:50(b)、16:30(c)地面自動站海平面氣壓(hPa;藍字)、氣溫(℃;黑字)和2m in平均風(fēng)場(紅線為風(fēng)速輻合線,藍線為陣風(fēng)鋒),以及15—19時降水分布(d;mm;黃圈為最大降水地點,白圈為龍卷風(fēng)發(fā)生地點)Fig.1 The autom atic observationdataof pressure(hPa;blue)at M SL,temperature(℃;black),the tw o m in average w indfield(red)at(a)14:10,(b)15:50,(c)16:30BST6A ugust2006;(d)the rainfall(mm)from15:00to 19:00BST in Yancheng,Jiangsu Province(The solidred and blue lines indicate the position of convergence line and the gust front on the surfacerespectively.The yellow and w hite circles locate the place of m axim um rainfall and tornado,respectively)

15時50分,濱海測站在強降水區(qū)的前部,風(fēng)向轉(zhuǎn)為北北西,風(fēng)力為6.6m·s-1,溫度下降到25.2℃,氣壓升為1 007.9hPa,沿濱海測站可以分析出一條東西走向雷暴出流邊界——陣風(fēng)鋒[17](圖1b中藍線)。這條陣風(fēng)鋒與南北走向的輻合線相交,其前部(移動方向)阜寧站氣壓為1 005.3hPa,溫度為31.3℃。16時30分,強降水已經(jīng)南移,阜寧測站在強降水區(qū)前沿,風(fēng)向轉(zhuǎn)為北北西,風(fēng)力為7.9 m·s-1,溫度下降到25.5℃,氣壓為1 005.8hPa,表明陣風(fēng)鋒已南移到阜寧站一線(圖1c中藍線)。從自動站要素變化分析,這天下午該陣風(fēng)鋒有自北向南移動的過程。雷暴跟隨陣風(fēng)鋒、沿地面南北向的輻合線,經(jīng)過濱海、阜寧,有組織地自北向南移動。

從天氣背景分析,6日鹽城地區(qū)大氣層結(jié)強烈對流不穩(wěn)定,但中低層沒有明顯的氣旋性低值系統(tǒng)發(fā)展,午后由于沿海地面東南風(fēng)的增強,形成風(fēng)速輻合線,在沒有大尺度天氣強迫的情況下,氣團內(nèi)邊界層輻合線是觸發(fā)對流的重要機制[18-19],因此地面東南風(fēng)速輻合線觸發(fā)對流風(fēng)暴的產(chǎn)生,風(fēng)暴的下沉氣流出流形成陣風(fēng)鋒,陣風(fēng)鋒激發(fā)新的單體并入風(fēng)暴,陣風(fēng)鋒與風(fēng)暴之間形成的正反饋機制對風(fēng)暴的發(fā)展和陣風(fēng)鋒維持有重要的作用[20]。

3 多普勒雷達回波特征分析

3.1 HP超級單體風(fēng)暴特征

超級單體家族中,HP超級單體最主要特征:中氣旋全部或大部分為降水所包裹,一個前側(cè)V字型槽口(FFN)和中氣旋[13-14],一個粗胖的高反射率因子鉤狀回波區(qū),陣風(fēng)鋒位于前側(cè)。從多普勒天氣雷達回波的連續(xù)變化中可以發(fā)現(xiàn)(圖2),風(fēng)暴南移,中氣旋位于風(fēng)暴前側(cè)(相對于風(fēng)暴移動方向),中氣旋后側(cè)低層有較大的高反射率因子回波區(qū),出現(xiàn)右前側(cè)陣風(fēng)鋒(圖2a2、a4、a5湖藍箭頭所指),有前側(cè)入流FFN形成的V字型缺口(圖2雙箭頭指向),有后側(cè)入流RFN缺口(圖2白箭頭指向),用中氣旋符號(黃圓圈)和雙箭頭作參考(同一時次為同一地點),風(fēng)暴顯示出中層懸垂回波(圖2第2～7行),比較圖2a、b、c,與低層入流缺口對應(yīng)的主要入流區(qū)(暖色)構(gòu)成中氣旋正速度極值區(qū)部分為降水所覆蓋,而負(fù)速度極值區(qū)(冷色)幾乎全部為降水所覆蓋,中氣旋被降水所包裹,該風(fēng)暴為HP超級單體[13]。

3.2 HP超級單體風(fēng)暴的演變

該風(fēng)暴自北向南移動,演變包含3階段:“條狀—腎形—弓狀”,在條狀回波階段,產(chǎn)生龍卷伴隨強降水;在腎狀回波階段,產(chǎn)生短時大暴雨伴隨7～8級雷雨大風(fēng);在弓狀回波階段,產(chǎn)生短時暴雨。

3.2.1 條狀階段

2006年8月6日午后,與東南風(fēng)輻合線對應(yīng)(圖1a中紅線),有一條由孤立的多個對流單體泡連成一線的南北向單體串(圖2a1、b1、c1紅色箭頭所指),由北向南從連云港東南角,經(jīng)過響水七套、濱海、通榆、阜寧東部以及建湖東部,其中通榆自動雨量站測量到其中一個小單體產(chǎn)生的1.6mm降水。串上小單體沿南北向輻合線發(fā)展,同時北方有回波南下,兩者在連云港與鹽城交界處合并,14時10分(圖2a1、b1、c1),在蘇北灌南和響水之間,單體串北端的一個多單體風(fēng)暴開始發(fā)展。

14時53分,在風(fēng)暴南側(cè)(前側(cè))出現(xiàn)第一個中氣旋(圖2a2、c2、b2黃圓圈處),底高3.5km、頂為7 km,為中層中氣旋,最大轉(zhuǎn)動速度(正負(fù)速度對絕對值的平均)為13m·s-1,出現(xiàn)在7km高度3.4°仰角,假定中氣旋結(jié)構(gòu)為軸對稱,估計最大垂直渦度值為1.3×10-2s-1,中層中氣旋的形成與較大的深層垂直風(fēng)切變有關(guān)[12]。鹽城多普勒天氣雷達15時29分VAD風(fēng)廓線產(chǎn)品顯示有較大的垂直風(fēng)切變,由0.6km東南風(fēng)10m·s-1轉(zhuǎn)為4.0km偏西風(fēng)10 m·s-1,相應(yīng)產(chǎn)生大致從南指向北的水平渦度,低層?xùn)|南風(fēng)形成的風(fēng)暴入流,將水平渦度在入流方向的分量帶進風(fēng)暴進入上升氣流,扭曲為垂直渦度在上升氣流的進一步拉伸作用下旋轉(zhuǎn)加快形成中層中氣旋,風(fēng)暴開始形成一個超級單體。圖2a2黃箭頭所指是南北向?qū)α鲉误w串出流匯集產(chǎn)生的一條陣風(fēng)鋒窄帶回波,此后該窄帶回波東側(cè)和風(fēng)暴右前側(cè)陣風(fēng)鋒上有單體生成并入風(fēng)暴右側(cè),風(fēng)暴中段繼續(xù)發(fā)展并維持兩個體掃的三維相關(guān)切變。

15時17分,風(fēng)暴右側(cè)西伸明顯,中段向南發(fā)展變粗,形成HP超級單體并完成第一次變形:回波呈彎曲長條狀,南部前側(cè)凸部低層產(chǎn)生了FFN缺口(圖2a3雙箭頭所指),中氣旋位于缺口內(nèi),同時有TVS生成,TVS是比中氣旋尺度更小的多普勒雷達速度場龍卷式渦旋特征(tornadic vortex signature,簡稱TVS),尺度通常在2km以下,龍卷風(fēng)與TVS密切相連[21]。與此類似的是,2003年7月8日安徽無為強烈龍卷[11]、2005年7月30日安徽靈壁強烈龍卷[12]也是先形成一條狹長的對流回波帶,回波帶收縮增寬,然后在增寬的回波帶南端有中氣旋發(fā)展,最終導(dǎo)致龍卷。從下午鹽城加密自動站分析,東部沿海東南風(fēng)最大達到12m·s-1,本例HP超級單體南部低層是帶有西北分量的下沉氣流,因此低層垂直風(fēng)切變較大。有研究表明,有利于F2級以上強龍卷生成的兩個有利條件分別是低的抬升凝結(jié)高度和較大的低層(0～1km)垂直風(fēng)切變[22-23],因此,風(fēng)暴前側(cè)(南部)環(huán)境條件有利于龍卷的產(chǎn)生和發(fā)展。15時17—35分,中氣旋和TVS緩慢南移,對應(yīng)的天氣實況是響水七套附近一個龍卷點地并伴隨強降水(圖1d)。

3.2.2 腎形回波階段

15時53分,HP超級單體風(fēng)暴右部面積迅速擴大,并在其右前側(cè)出現(xiàn)陣風(fēng)鋒窄帶回波,位置與圖1b中地面陣風(fēng)鋒基本一致。這時HP超級單體風(fēng)暴完成第二次變形:回波類似腎狀,尺度較大,左前側(cè)出現(xiàn)大的“V”字缺口,并有直徑為10km的中氣旋(圖2a4),具有HP超級單體風(fēng)暴所有特征,覆蓋在響水中南部和濱海北部,中氣旋在濱海站以東一帶活動并維持到16時05分。

16時36分,風(fēng)暴右前側(cè)陣風(fēng)鋒位置與圖1c中地面陣風(fēng)鋒基本一致。風(fēng)暴回波尺度更大,形態(tài)與HP超級單體較多的腎形最為相似[4],中氣旋出現(xiàn)在前側(cè)入流槽口內(nèi)(圖2第5行),此后前側(cè)中氣旋和入流槽口左移,槽口逐漸填塞,出現(xiàn)后側(cè)入流缺口,具有HP超級單體成熟階段的典型特征并維持到17時01分[14],覆蓋濱海中西部和阜寧大部分地區(qū)。

17時07分,前側(cè)入流缺口FFN填塞,后側(cè)入流槽口RFN擴大(圖2a6、b6白箭頭所指),回波的前沿由于受到大量降水拖曳,產(chǎn)生強烈出流向外凸出,風(fēng)暴前側(cè)雖有中氣旋,但被包裹在高反射率因子回波區(qū)中(圖2a6、b6),17時13分中氣旋消散,風(fēng)暴開始減弱。

圖2 2006年8月6日鹽城多普勒天氣雷達在時間為14:10(a1/b1/c1)、14:53(a2/b2/c2)、15:17(a3/b3/c3)、15:53(a4/ b4/c4)、16:36(a5/b5/c5)、17:07(a6/b6/c6)、17:25(a7/b7/c7),以及仰角為0.5°(a1/a2/a4/a5/a6/a7)、1.5°(a3)、2.4°(b1/b3/b6)、3.4°(b4/b5)、4.3°(b2/b7)上的反射率因子和仰角為0.5°(c4/c5/c6)、1.5°(c3)、2.4°(c1/c2)、4.3°(c7)上的徑向速度(徑向分辨率1km;黃圈為中氣旋處;紅倒三角為TVS處;圖中紅箭頭所指為輻合線上新生單體串;藍箭頭所指為陣風(fēng)鋒位置;雙箭頭指向FFN位置;白箭頭所指為RFN位置)Fig.2 The reflectivities on(a1/a2/a4/a5/a6/a7)0.5°,(a3)1.5°,(b1/b3/b6)2.4°,(b4/b5)3.4°,(b2/b7)4.3°and radial velocity on(c4/c5/c6)0.5°,(c3)1.5°,(c1/c2)2.4°,(c7)4.3°at(a1/b1/c1)14:10,(a2/b2/c2)14:53,(a3/b3/c3) 15:17,(a4/b4/c4)15:53,(a5/b5/c5)16:36,(a6/b6/c6)17:07,(a7/b7/c7)17:25BST6A ugust2006detected by D oppler w eather radar sited in Yancheng(The radial resolution is1km;yellow circle m arks the location of m esocyclone; red arrow m arks the echo bunch;blue arrow m arks the gust front;double arrow m arks FFN;white arrow m arks RFN)

16時36分到17時07分,本例HP超級單體風(fēng)暴的演變與D osw ell[14]總結(jié)的HP超級單體模型結(jié)構(gòu)主要特征類似,如FFN、右前側(cè)陣風(fēng)鋒左移,中氣旋從前側(cè)移到左前側(cè),風(fēng)暴形態(tài)從腎形逐漸向弓形回波演變,出現(xiàn)RFN,不同的是雷達沒有探測到左前側(cè)陣風(fēng)鋒,可能是由于左前側(cè)下沉氣流出流不夠強而沒有形成左前側(cè)陣風(fēng)鋒。對照實況,本例中氣旋16時36分位于阜寧站東南(圖2a5),17時07分左移到阜寧站東北(圖2a6),中氣旋低層后右側(cè)是粗胖的大于50dB Z的鉤狀回波區(qū),阜寧站一直位于其中,實況16時30分到17時30分觀測到117.2 mm·h-1的降水,16時50分到17時00分觀測到29mm·(10m in)-1的降水伴隨18.5m·s-1的極大風(fēng)。

3.2.3 弓形回波階段

6日13時許,江蘇常州一帶生成一系列強風(fēng)暴,此后發(fā)展壯大跨過長江并向北移動,17時19分與減弱后的HP超級單體風(fēng)暴在鹽城建湖、阜寧之間相接,形態(tài)類似于長弓,向偏東方向緩慢移動。17時25分,在弓形回波頂部前側(cè)又有中氣旋生成,HP超級單體風(fēng)暴完成第三次變形:回波類似弓形,尺度更大(圖2a7),中氣旋位于前側(cè),低層較大的大于50 dB Z高反射率因子區(qū)仍位于中氣旋后側(cè)和右側(cè),具有HP超級單體主要特征。17時25—55分,中氣旋在建湖中北部地區(qū)盤旋,此后消失,維持了3h的HP超級單體風(fēng)暴生命史結(jié)束。在17時30分到18時30分時段內(nèi),建湖氣象站觀測到57.2mm·h-1的暴雨。

從以上分析得知,在HP超級單體條狀發(fā)展階段,初期風(fēng)暴發(fā)生于輻合線單體串上北端單體和北方南移單體的合并,發(fā)展了的風(fēng)暴在右前側(cè)產(chǎn)生陣風(fēng)鋒,風(fēng)暴在南移中與右前側(cè)陣風(fēng)鋒加上輻合線上產(chǎn)生的單體并入,右段西伸明顯,中段發(fā)展增粗,產(chǎn)生龍卷伴隨強降水;腎狀回波發(fā)展階段,由于存在右前側(cè)陣風(fēng)鋒,風(fēng)暴右部發(fā)展迅速,面積增大,在中氣旋后部低層形成粗胖的鉤,產(chǎn)生短時大暴雨;弓狀回波階段,在中氣旋右后部是較大的高反射率因子區(qū),產(chǎn)生短時暴雨。中氣旋的活動路徑與東南風(fēng)輻合線(圖1a中紅虛線)和南移右前側(cè)陣風(fēng)鋒有關(guān),風(fēng)暴沿東南風(fēng)輻合線自北向南緩慢南移。

3.3 HP超級單體龍卷分析

3.3.1 中氣旋的演變

15時17—35分,HP超級單體持續(xù)產(chǎn)生中氣旋并伴有TVS(圖3黃圈和紅倒三角),15時17分(圖3第1行),中氣旋距離雷達約為94km,底高3.0 km、頂為4.7km,最大轉(zhuǎn)動速度在3km高度1.5°仰角上,為13m·s-1,最大垂直渦度約為1.5× 10-2s-1,高度由14時53分的7km下降到3km,中心出現(xiàn)TVS。與此相似的是,2005年7月30日安徽靈壁伴隨強烈龍卷的強降水超級單體的中氣旋也是首先在7km高度上出現(xiàn)最大垂直渦度,此后下降到3km附近出現(xiàn)TVS[12]。15時23—35分(圖3第2～4行),中氣旋旋轉(zhuǎn)速度為15～18m·s-1,位置最低、轉(zhuǎn)動最快出現(xiàn)在15時29分,為18m·s-1,達到強中氣旋標(biāo)準(zhǔn),高度下降到0.5°仰角1.5km高度上,TVS位置最低、轉(zhuǎn)動最快也在15時29分。圖3第5行是0.5°仰角“相對風(fēng)暴速度區(qū)”產(chǎn)品,圖中白箭頭所指為中氣旋環(huán)流中有一個緊挨著像素之間的更小尺度的氣旋式渦旋,向著雷達速度為20 m·s-1,離開雷達速度為20m·s-1,高度約為1.4 km,對應(yīng)的垂直渦度約為8×10-2s-1,由于地球曲率的存在,1.4km高度下雷達無法探測到,最大垂直渦度還應(yīng)向下擴展。15時30分,響水七套一個龍卷點地,中氣旋轉(zhuǎn)動最快位置最低與龍卷點地時間對應(yīng)。在觀測到中氣旋的基礎(chǔ)上探測到TVS,則發(fā)生龍卷的概率提高到50%以上[24]。國內(nèi)多普勒雷達探測到的2003年7月8日安徽無為強烈龍卷[11]、2005年7月30日安徽靈壁強烈龍卷[12]、2005年8月30日江蘇建湖龍卷和2007年7月3日安徽天長和江蘇高郵龍卷[25]也是100km內(nèi)中氣旋伴有TVS,因此,探測到中氣旋伴隨TVS,能夠?qū)埦砭瘓蟮陌l(fā)布提供重要的信息。

3.3.2 垂直結(jié)構(gòu)

15時23分風(fēng)暴高達17km,分析此時垂直結(jié)構(gòu),在0.5°仰角反射率因子圖上,1.5km高度出現(xiàn)前側(cè)缺口(圖4a1紅三角處),相應(yīng)的速度圖上是一個輻合中氣旋(圖4b1黃圓圈處),旋轉(zhuǎn)速度為13 m·s-1。在2.4°仰角反射率因子圖上缺口特征消失,回波最大達65dBZ(圖4a2紅三角后),速度圖上是一個氣旋式速度對(圖4b2黃圓圈處),高度約4.5km,旋轉(zhuǎn)速度為10m·s-1。在6.0°仰角,以圖4中紅圈、雙箭頭作參考(同一地點),展現(xiàn)出超級單體反射率因子自低往高向低層入流一側(cè)傾斜最顯著的特征,相應(yīng)的速度圖上呈現(xiàn)出輻散式中氣旋結(jié)構(gòu),高度為10.5km,旋轉(zhuǎn)速度為10m·s-1(圖4a3、b3)。在9.9°仰角上,出現(xiàn)近圓形上沖風(fēng)暴頂(圖4a4、b4),直徑約為11km,高度為17km,中心位于低層有界弱回波區(qū)之上,徑向速度圖上,出現(xiàn)強烈輻散,正負(fù)速度差達到66m·s-1,其散度值大約為1.2×10-2s-1,中氣旋由低到高從輻合式氣旋轉(zhuǎn)變成輻散式氣旋,最后風(fēng)暴頂強烈輻散,表明上升氣流強烈[13]。

圖3 第1行為2006年8月6日15:17鹽城雷達0.5°仰角反射率因子圖(a)和0.5°(b)、1.5°(c)仰角徑向速度圖(黃圈為中氣旋;紅倒三角為TVS處;雙箭頭指向TVS),第2、3、4行與第1行類似,只是時間分別為15:23、15:29、15:35(徑向分辨率1km),第5行為0.5°相對風(fēng)暴速度區(qū)(徑向分辨率0.5km)Fig.3 The first line are(a)reflectivity on0.5°and radial velocities on(b)0.5°and(c)1.5°at15:17BST6 August2006.The yellow circle is the m esocyclone.The red inverted triangle indicates TVS.The double arrow points to the tornado.The second,third and fourth lines are corresponding data at15:23,15:29and 15:35BST,respectively.The fifth line is relative velocity on0.5°.The radial resolution is0.5km.

圖4 第1行為2006年8月6日15:23鹽城雷達0.5°仰角反射率因子圖(a1)和徑向速度圖(b1)(徑向分辨率1km;黃圈中紅倒三角為TVS處),第2、3、4行與第1行類似,只是分別對應(yīng)2.4°、6.0°、9.9°,第5行為15:17(c)和15:23(d)反射率因子垂直剖面圖(橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的單位為km)Fig.4 The first line are(a1)reflectivity and(b1)radial velocity on0.5°at15:23BST6August2006.The red inverted triangle in the yellow circle indicates TVS.The second,third and fourth lines are corresponding data on2.4°,6.0°and9.9°,respectively.The fifth line is vertical cross section at(c) 15:17and(d)15:23BST.The coordinate unit is km.

圖4c為15時17分沿圖2a3黃細(xì)線所作的反射率因子垂直剖面圖,低層出現(xiàn)有界弱回波區(qū)BWER(黃箭頭所指)、回波懸垂和左側(cè)的回波墻。最大回波出現(xiàn)在回波墻和BW ER上部,超過60dB Z,大部分位于8km的-20℃等溫線高度之下。BW ER較小,水平尺度約為4～5km,高度在4km以下,圖4d為15時23分在沿圖4a1中黃細(xì)線所作的反射率因子垂直剖面圖,從圖中分析,風(fēng)暴頂接近18km,低層有很小的BW ER(黃箭頭所指),幾乎難以分辨,與此類似,2005年7月30日安徽靈壁強烈龍卷沒有觀測到有界弱回波區(qū)[12],2003年7月8日安徽無為強烈龍卷[11]只有不很明顯的弱回波區(qū)W ER。

3.4 HP超級單體特點

3.4.1 風(fēng)暴結(jié)構(gòu)

圖5 第1行為2006年8月6日16時36分鹽城雷達0.5°(a)和1.5°仰角(b)反射率因子圖,第2行為4.3°仰角反射率因子(c)和1.5°仰角徑向速度圖(d)(圖中徑向分辨率1km,黃圈為中氣旋處),第3行為沿圖5a中黃細(xì)線所作的反射率因子垂直剖面圖(e;橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的單位為km;黑圈為阜寧縣氣象站所在地)Fig.5 The reflectivity on(a)0.5°,(b)1.5°,(c)4.3°,and(d)radial velocity on1.5°;(e)vertical section along the fine yellow line in(5a)at16:36BST6August2006.The yellow circle indicates the mesocyclone;the dark circle indicates the location of Funing station.The radial resolution is1km.The coordinate unit is km.

16時36分,風(fēng)暴形態(tài)與HP超級單體較多的腎形形態(tài)最為相似,對此時的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)的分析。由圖5可見,與經(jīng)典超級單體相比[9-10],不同的是HP超級單體回波面積比較大,速度圖上中氣旋位于中尺度輻合線之中(圖5d黃圓圈);在0.5°仰角反射率因子圖上,風(fēng)暴前側(cè)出現(xiàn)“V”型入流缺口(圖5a),其內(nèi)伸出陣風(fēng)鋒位于風(fēng)暴右前部(圖5a中藍箭頭所指),沒有探測到左前側(cè)陣風(fēng)鋒,對比2004年4月29日常德超級單體[10],也沒有探測到前側(cè)陣風(fēng)鋒,探測到的后側(cè)陣風(fēng)鋒與本例右前側(cè)陣風(fēng)鋒位置明顯不同;在1.5°仰角反射率因子圖上,中氣旋位于前側(cè)缺口內(nèi)(圖5b),與2002年5月27日皖北地區(qū)的一次典型超級單體風(fēng)暴[9]和2004年4月29日常德超級單體風(fēng)暴[10]的右后側(cè)中氣旋明顯不同,與2005年7月30日安徽靈壁伴隨強烈龍卷強降水超級單體風(fēng)暴的前側(cè)中氣旋類似[12];對比圖5a、b、c和d雙箭頭所指,中氣旋出流極值區(qū)(綠色,圖5d黃圓圈后)全部被降水包圍,入流極值區(qū)(紅色)大部分被降水包圍,與2005年7月30日安徽靈壁強降水超級單體風(fēng)暴中氣旋被降水包裹相似[12]。經(jīng)典超級單體低層的鉤較小[9-10],與本例粗胖的鉤(大于50dBZ)(圖5a、b入流缺口、黃圓圈后)形成鮮明的對照。本例HP超級單體與其他超級單體最明顯的不同之處就是低層的鉤面積更大,中氣旋右后側(cè)反射率因子更高,主要原因由于存在右前側(cè)陣風(fēng)鋒,激發(fā)的單體并入風(fēng)暴右部導(dǎo)致發(fā)展更加旺盛。從圖5a、b可以看出,低層2km以下50～60dB Z的鉤寬大約6km,長約25km,55dBZ的區(qū)域位于鉤的右側(cè)。鉤大加之風(fēng)暴移動較慢、維持時間長,導(dǎo)致產(chǎn)生區(qū)域性大暴雨。

圖5e是沿圖5a中黃細(xì)線所作反射率因子垂直剖面圖,從中可以看出,風(fēng)暴頂高只有13km,低層弱回波區(qū)W ER低小,高度在3km以下(圖5e黃箭頭所指),與2002年5月27日皖北地區(qū)的一次典型的超級單體風(fēng)暴[9]和2004年4月29日常德超級單體風(fēng)暴[10]的高懸強回波、寬大的BW ER有界弱回波區(qū)明顯不同,與2003年7月8日安徽無為強烈龍卷[11]類似。本例中氣旋右側(cè)的回波墻尺度很大,大于50dBZ的回波水平尺度約為12km,垂直高度7 km,位于8km的-20℃等溫線高度以下,根據(jù)文獻[26],如果50dBZ以上的強反射率因子擴展到-20℃等溫線高度之上,有利于大冰雹的產(chǎn)生,而本例HP超級單體大于50dBZ的回波全部在-20℃等溫線高度之下,大于55dBZ的回波大部分位于5km的0℃層高度以下,不具有產(chǎn)生強冰雹的潛勢,因此產(chǎn)生短時大暴雨。

3.4.2 風(fēng)暴特性

圖6是風(fēng)暴6m in最大反射率因子和V IL時間序列,以及風(fēng)暴頂高度、最大反射率因子值高度、中氣旋底及頂高度和0℃層高度的時間序列。

在HP超級單體風(fēng)暴生命期(3h2m in)內(nèi),最大反射率因子基本維持在60dB Z左右,高度大部分時間都位于0℃層以下,為低質(zhì)心風(fēng)暴。這種低質(zhì)心對流系統(tǒng)往往伴隨強降水而沒有冰雹[11]。15時17分,風(fēng)暴3～5km高度生成中氣旋并伴有TVS, 15時23—29分中氣旋底迅速下降到2km以下,15時30分,一個龍卷點地,15時35分中氣旋底升高后,TVS消失。15時41分—16時05分以及16時36分—17時01分,中氣旋底在2km以下,此階段雨勢猛,氣象站觀測到29mm·(10m in)-1的降水并伴隨18.5m·s-1的極大風(fēng);17時25分—17時55分,中氣旋底升高,雨勢有所減弱,低中氣旋底易產(chǎn)生龍卷和大暴雨。

TVS產(chǎn)生前,風(fēng)暴頂高度為11～12km,15時17—35分TVS持續(xù)時段,風(fēng)暴頂猛升到17km并一直維持,V IL值先增后減,先升至71kg·m-2,15時23分躍增到81kg·m-2,后減至67kg·m-2和64kg·m-2,龍卷點地后,15時47分V IL值減少到22～25kg·m-2,風(fēng)暴頂下降到4.1km,HP超級單體風(fēng)暴頂崩塌。此后風(fēng)暴頂回升到10～14km,HP超級單體演化為低頂風(fēng)暴。在后期弓形回波階段,風(fēng)暴頂持續(xù)下降,17時55分下降到6km,此后中氣旋消失,HP超級單體生命史結(jié)束。

從HP超級單體演變看,龍卷產(chǎn)生時風(fēng)暴頂高達17～18km;強降水產(chǎn)生時,風(fēng)暴頂相對較低;龍卷產(chǎn)生時V IL值特高,出現(xiàn)81kg·m-2,強降水產(chǎn)生時,V IL值相對較低。

4 小結(jié)

利用鹽城多普勒天氣雷達和自動站等資料對2006年8月6日下午發(fā)生在江蘇鹽城中北部地區(qū)的一次HP超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生的天氣背景、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征和演變以及相伴隨天氣特點進行了詳細(xì)分析,主要結(jié)果有以下幾點:

(1)該HP超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生在副熱帶高壓邊緣,有一個東移的高空槽。08時大氣層結(jié)強烈對流不穩(wěn)定,根據(jù)下午鹽城多普勒天氣雷達VAD風(fēng)廓線產(chǎn)品顯示,0.6km到4.0km之間垂直風(fēng)切變值為5.3×10-3s-1,較大垂直風(fēng)切變和強烈對流不穩(wěn)定有利于超級單體風(fēng)暴生成。

(2)鹽城午后由于沿海地面東南風(fēng)速的增強,加大了低層垂直風(fēng)切變,加之抬升凝結(jié)高度低,有利于龍卷生成,同時來自東海的東南風(fēng)為風(fēng)暴提供持續(xù)的低層暖濕入流,有利于暴雨的形成,因此增強的東南風(fēng)是HP超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生大暴雨和龍卷風(fēng)的重要條件。

圖6 風(fēng)暴中6m in最大反射率因子(紅線)和V IL值(藍線)(a),以及6m in風(fēng)暴頂高度(藍線)和最大反射率因子值高度(紫線)、6m in中氣旋頂高度(綠線)、底高度(紅線)、0℃層高度(淺藍線)(b)的時間序列(橫坐標(biāo)是時間,M、T分別表示中氣旋、龍卷出現(xiàn)的時刻)Fig.6 (a)The m axim um reflectivity(red line),V IL(blue line);(b)the height of storm top(blue)and the height of reflectivity m axim um(purple),the top(green)and bottom(red)of the m esocyclone,and the height of0℃(navy blue)in every6m in(M and T indicate the occurrence ti m e of m esocyclone and tornado,respectively)

(3)在中低層沒有明顯的氣旋性低值系統(tǒng)發(fā)展時,對流風(fēng)暴發(fā)生的預(yù)報主要依靠識別邊界層輻合線,因此識別東南風(fēng)風(fēng)速輻合線,對預(yù)報本例HP超級單體風(fēng)暴的產(chǎn)生有重要作用。本例HP超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生于地面東南風(fēng)輻合線上、雷達探測到對流單體串北端單體與北方南移回波之間的合并,在風(fēng)暴繼續(xù)發(fā)展和維持時期,該串上單體、還有由風(fēng)暴右前側(cè)陣風(fēng)鋒激發(fā)的單體與風(fēng)暴合并都有助于風(fēng)暴的發(fā)展和陣風(fēng)鋒維持。

(4)本例風(fēng)暴具有HP超級單體主要特征:中氣旋位于前側(cè),有粗胖的鉤,強降水包裹著中氣旋,沿著預(yù)先存在的東南風(fēng)速輻合線移動。演變包含3階段:“條狀—腎形—弓狀”,在條狀回波階段,中氣旋在變粗的中段前側(cè)生成并伴有TVS,產(chǎn)生龍卷伴隨強降水;在腎狀回波階段,中氣旋后低層形成粗胖的鉤,產(chǎn)生短時大暴雨;在弓狀回波階段,中氣旋后低層右后側(cè)為較大的高反射率因子回波區(qū),產(chǎn)生短時暴雨。本例HP超級單體腎狀階段與D osw ell[14]總結(jié)的HP超級單體演變模型主要特征類似,不同的是左前側(cè)陣風(fēng)鋒沒有探測到,只出現(xiàn)右前側(cè)陣風(fēng)鋒,相應(yīng)激發(fā)的新生單體并入風(fēng)暴右側(cè),導(dǎo)致風(fēng)暴右部發(fā)展旺盛,粗胖的鉤右側(cè)面積更大,反射率因子更高。

(5)本例HP超級單體風(fēng)暴主要特性有:生命史長,持續(xù)了3h2m in;最大反射率因子較高,大部分時間維持60dB Z左右,高度低于5km0℃層高度,屬于低質(zhì)心對流風(fēng)暴,產(chǎn)生了龍卷和大暴雨。

(6)在100km內(nèi)觀測到中氣旋的基礎(chǔ)上再探測到TVS,能夠?qū)埦砭瘓蟮陌l(fā)布提供重要的信息,龍卷風(fēng)觸地產(chǎn)生在中氣旋降低、轉(zhuǎn)動最快后;低底的中氣旋(在2km以下)有利于大暴雨的產(chǎn)生。

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(責(zé)任編輯:倪東鴻)

A HP Supercell Case Study with the Data of Doppler Weather Radar Detection

WU Fang-fang1,YU Xiao-ding2,WANG Hui3,ZHOU Xiao-gang2,Wei Ying-ying1
(1.YanchengWeatherOffice,Yancheng 224001,China;2.CMA Training Center,Beijing 100081,China; 3.ShanghaiWeather Forecast Center,Shanghai 200030,China)

P445

A

1674-7097(2010)03-0285-14

吳芳芳,俞小鼎,王慧,等.一次強降水超級單體風(fēng)暴多普勒天氣雷達特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報,2010,33(3):285-298.

Wu Fang-fang,Yu Xiao-ding,Wang Hui,et al.A HP supercell case studywith the data ofDopplerweather radar detection[J].TransAtmos Sci,2010,33 (3):285-298.

2009-04-18;改回日期:2009-10-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(40575014;40875029)

吳芳芳(1964—),女,江蘇鹽城人,高級工程師,研究方向為短期和臨近天氣預(yù)報,wuff102@163.com.