陳瑞敏，趙孝偉，于海磊，王叢梅

(1.河北省衡水市氣象局，衡水053000；2.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050021；3.河北省邢臺(tái)市氣象局，邢臺(tái)054000)

引 言

超級(jí)單體的概念是由Browning(1962)在20世紀(jì)60年代首次提出，他認(rèn)為超級(jí)單體是發(fā)展最為強(qiáng)烈的一種對(duì)流風(fēng)暴，常伴隨雷暴大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。超級(jí)單體風(fēng)暴與其他強(qiáng)風(fēng)暴的本質(zhì)區(qū)別在于它含有一個(gè)深厚持久的中氣旋。Bunkers等(2006)對(duì)超級(jí)單體生命史的研究表明，孤立的超級(jí)單體不易與其他對(duì)流系統(tǒng)合并，因而其生命史較長(zhǎng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)氣象工作者從單體結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生機(jī)制、環(huán)境條件等方面對(duì)一些典型或非典型超級(jí)單體開(kāi)展了深入研究。鄭媛媛等(2004)分析了安徽一次產(chǎn)生11級(jí)雷暴大風(fēng)并伴隨冰雹的超級(jí)單體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和演變特征，并指出該超級(jí)單體具有強(qiáng)烈超級(jí)單體風(fēng)暴的典型特征，其移動(dòng)方向位于盛行風(fēng)向右側(cè)約30°，屬右移風(fēng)暴。王福俠等(2014)分析一次超級(jí)單體分裂過(guò)程與環(huán)境條件指出，其分裂后沿地面高濕區(qū)內(nèi)熱力邊界偏暖一側(cè)移動(dòng)的氣旋性風(fēng)暴未受到明顯抑制，有利的地面環(huán)境條件抵消了氣旋性風(fēng)暴受抑制的程度，使氣旋性風(fēng)暴能夠持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。俞小鼎等(2008)、朱江山等(2015)的研究認(rèn)為，超級(jí)單體的形成、發(fā)展與傳播方式雖有不同，但風(fēng)暴內(nèi)出現(xiàn)的中氣旋是其最突出的共同特征。馮晉勤等(2010)對(duì)32次超級(jí)單體的統(tǒng)計(jì)分析表明，90%以上的超級(jí)單體與冰雹、雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣相聯(lián)系。牛奔等(2016)分析鄂西北一次超級(jí)單體風(fēng)暴過(guò)程指出，該超級(jí)單體具有典型鉤狀回波、低層有界弱回波區(qū)和“穹隆”、中氣旋、回波墻等特征。廖玉芳等(2007)研究指出，在產(chǎn)生三體散射的23個(gè)強(qiáng)雹暴中有一半以上是超級(jí)單體和準(zhǔn)超級(jí)單體風(fēng)暴，超級(jí)單體雹暴中的中氣旋有利于大冰雹形成。陳秋萍等(2015)分析了福建兩個(gè)強(qiáng)降雹超級(jí)單體的演變與結(jié)構(gòu)特征，認(rèn)為中氣旋維持時(shí)間的差異與垂直風(fēng)切變強(qiáng)弱、垂直渦度大小有關(guān)。高帆等(2018)對(duì)一次長(zhǎng)生命史超級(jí)單體風(fēng)暴的雷達(dá)觀測(cè)特征和維持機(jī)制進(jìn)行了分析。黃俊杰和茍阿寧(2018)研究指出，寬大有界弱回波區(qū)以及位于其上的強(qiáng)懸垂回波、弱回波區(qū)前側(cè)強(qiáng)入流與中層徑向輻合(MARC)的存在均表明超級(jí)單體具有降雹潛勢(shì)。王青霞等(2020)指出，持續(xù)多個(gè)體掃的中氣旋是2008年湖南首場(chǎng)風(fēng)雹過(guò)程最關(guān)鍵的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。上述研究無(wú)疑有助于提高對(duì)超級(jí)單體結(jié)構(gòu)及成因的認(rèn)識(shí)，但由于這種對(duì)流尺度的風(fēng)暴生消發(fā)展迅速，其形成演變過(guò)程中的細(xì)節(jié)特征仍有待揭示。

2018年6月13日下午一個(gè)生命史長(zhǎng)達(dá)138 min的超級(jí)單體風(fēng)暴自北向南影響河北中南部的保定、衡水，沿途產(chǎn)生了冰雹和雷暴大風(fēng)。這次超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)生在太行山東麓平原區(qū)，生命史之長(zhǎng)、風(fēng)雹強(qiáng)度之大、路徑自北向南且范圍之廣實(shí)屬罕見(jiàn)。因此，本文利用地面觀測(cè)資料、探空資料以及石家莊多普勒天氣雷達(dá)和饒陽(yáng)雙偏振雷達(dá)資料等，對(duì)該超級(jí)單體風(fēng)暴的天氣背景、雷達(dá)觀測(cè)特征等進(jìn)行了分析，以期提高對(duì)超級(jí)單體及其強(qiáng)對(duì)流天氣的認(rèn)識(shí)，為今后做好強(qiáng)對(duì)流短臨預(yù)報(bào)和開(kāi)展人工影響天氣服務(wù)提供參考。

1 風(fēng)暴路徑與災(zāi)情

2018年6月13日下午位于太行山東麓的河北省中南部出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣(圖1)，這次強(qiáng)風(fēng)暴歷時(shí)204 min，自北向南途經(jīng)保定中南部和衡水西部多縣市，有多個(gè)氣象站先后觀測(cè)到冰雹，其中保定站當(dāng)日14:59(北京時(shí)，下同)觀測(cè)到冰雹(直徑9 mm)，16:08安平站觀測(cè)到冰雹(直徑14 mm)，16:30深州站觀測(cè)到冰雹(直徑6.0 mm)，17:01衡水城區(qū)站觀測(cè)到冰雹(直徑8.0 mm)，17:24冀州站觀測(cè)到冰雹(直徑22.0 mm)。此外，災(zāi)情調(diào)查顯示，保定的清苑、淶水、博野、蠡縣也出現(xiàn)冰雹，其中，博野降雹時(shí)間持續(xù)20 min，冰雹直徑最大達(dá)7.0 cm，衡水多地出現(xiàn)雞蛋大小的冰雹，冰雹最大直徑達(dá)4.0 cm。保定、石家莊、衡水的7個(gè)縣(市、區(qū))國(guó)家站出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng)，其中保定市15:00風(fēng)速最大為22.4 m·s-1(9級(jí))，衡水市有12個(gè)區(qū)域站出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng)，安平馬店站最大達(dá)30.5 m·s-1(11級(jí))。這次風(fēng)暴影響范圍大、移速快，保定、衡水風(fēng)雹災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失共18億多元。

圖1 2018年6月13日河北省中南部災(zāi)害性天氣實(shí)況(數(shù)字為災(zāi)害性天氣發(fā)生時(shí)刻)Fig.1 Observations of disastrous weather in the central and southern Hebei Provinceon 13 June2018.Numbers in dicate the occurrence time of the different disastrous weather.

2 大尺度天氣背景

2.1 環(huán)流形勢(shì)

2018年6月13日08時(shí)500 hPa圖上(圖2)，蒙古到河西走廊為較強(qiáng)的高壓脊，脊前有一低渦位于河北北部—東北地區(qū)南部，低渦中心與冷中心基本重合，低渦后部到河套地區(qū)有準(zhǔn)東西向橫槽和冷槽，河北中南部處于橫槽前的西北氣流中，冷空氣沿強(qiáng)西北氣流向南輸送。700 hPa低渦低槽與500 hPa渦槽系統(tǒng)基本重合，850 hPa與925 hPa低渦中心及切變線(xiàn)位置偏南，在河北南部存在暖中心，北部有明顯冷平流，40°N附近存在東西向鋒區(qū)，從高空到低層形成上冷下暖的層結(jié)結(jié)構(gòu)。地面河北中南部處于倒槽頂部，保定到衡水北部和衡水南部分別有偏北風(fēng)與偏東風(fēng)的輻合線(xiàn)。

圖2 2018年6月13日08時(shí)天氣系統(tǒng)綜合配置圖Fig.2 Superposition of themajor weather influencingsystems at 08∶00 BT 13 June2018.

2.2 探空資料分析

13日08時(shí)，與河北中南部鄰近的北京與邢臺(tái)站探空曲線(xiàn)(圖3)顯示，探空曲線(xiàn)均呈上干下濕喇叭口結(jié)構(gòu)。北京500 hPa以下風(fēng)向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為暖平流，500—250 hPa逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有弱冷平流，900 hPa附近風(fēng)向切變明顯(圖3c)，大氣為上干冷、下暖濕層結(jié)，K指數(shù)達(dá)40℃，對(duì)流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)為875 J·kg-1。邢臺(tái)風(fēng)向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，900 hPa附近也有風(fēng)向切變，500 hPa以上存在西北風(fēng)急流，850 hPa以下有等溫層或弱逆溫層，表現(xiàn)為層結(jié)穩(wěn)定的暖蓋，故對(duì)流抑制能量(CIN，673 J·kg-1)大于CAPE(560 J·kg-1)。兩站0—6 km垂直風(fēng)切變達(dá)21～23 m·s-1，較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展。利用衡水當(dāng)日13:00的氣溫和露點(diǎn)溫度分別對(duì)北京、邢臺(tái)的探空參數(shù)進(jìn)行訂正后顯示(圖3a、b)，正午前后CAPE均超過(guò)2 500 J·kg-1，且北京探空08時(shí)CIN(164 J·kg-1)已全部消失，邢臺(tái)CIN明顯減小。本次過(guò)程橫槽南壓過(guò)程中伴隨冷平流，所以對(duì)流發(fā)生時(shí)實(shí)際的CAPE比其訂正值還要大。同時(shí)在-20℃層以上CAPE占整層大氣的比重超過(guò)1/2，表明有大量的潛在不穩(wěn)定能量存在于-20℃層以上。

圖3 2018年6月13日08時(shí)訂正后的北京(a)、邢臺(tái)(b)站探空曲線(xiàn)(斜線(xiàn)陰影區(qū)域?yàn)閷?duì)流有效位能)以及北京站風(fēng)矢端圖(c;藍(lán)色數(shù)字表示氣壓，單位：hPa;黑色數(shù)字表示風(fēng)速，單位：m·s-1)Fig.3 Soundingcurves(shaded areas with obliquelinesmark Convective Available Potential Energy)at(a)Beijingand(b)Xingtaistationsafter correction and(c)thewind vector end chart at Beijingstation at 08∶00 BT 13 June2018.In(c),bluenumbers denoteair pressure(unit:hPa)，and black numbersdenotewind speed(unit:m·s-1)

有關(guān)研究表明(樊李苗和俞小鼎，2013；俞小鼎，2014；曹艷察等，2018)，不太高的融化層高度和較大的氣溫垂直遞減率是有利于產(chǎn)生冰雹重要的環(huán)境條件。根據(jù)6月13日08時(shí)探空資料的計(jì)算結(jié)果可知，北京的0℃層高度約為3.4 km，邢臺(tái)0℃層高度為4.1 km左右，由于北京和邢臺(tái)對(duì)流層中層均存在明顯干層，因此兩站濕球溫度0℃層高度更低至2 km和3 km，融化層高度較低；-20℃層高度分別為6.3 km和6.6 km，0℃和-20℃層高度差均小于3 km，有利于大冰雹形成；850 hPa與500 hPa溫差，北京為30℃，邢臺(tái)達(dá)34℃，換算成氣溫垂直遞減率則其均大于7℃·km-l。環(huán)境大氣因有較大的氣溫垂直遞減率(達(dá)到7℃·km-l及以上)，從而具有較大的CAPE和下沉對(duì)流有效位能(DCAPE)，這既有利于強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，也有利于強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)，因而較大的氣溫垂直遞減率有利于產(chǎn)生冰雹和雷暴大風(fēng)天氣(鄭永光等，2017)。

綜上所述，高空強(qiáng)盛偏北風(fēng)急流促使渦后橫槽轉(zhuǎn)豎，槽后冷空氣沿偏北氣流南下并在低空低渦附近及地面輻合線(xiàn)上發(fā)展造成了這次風(fēng)雹天氣，而上干冷、下暖濕層結(jié)，較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，高K指數(shù)和CAPE，較大的氣溫垂直遞減率，適宜的0℃層和-20℃層高度，-20℃層以上較大的潛在不穩(wěn)定能量，為此次長(zhǎng)生命史超級(jí)單體風(fēng)暴提供了有利的環(huán)境條件，使得雹云能夠旺盛發(fā)展。

3 風(fēng)暴雷達(dá)觀測(cè)特征分析

3.1 雷達(dá)回波演變特征

利用石家莊新樂(lè)SA多普勒天氣雷達(dá)站(114°42′43″E，38°21′07″N，128.3 m)產(chǎn)品資料，對(duì)上述風(fēng)暴的回波演變特征分析如下。圖4給出2018年6月13日14∶00—18∶00間隔30 min的風(fēng)暴移動(dòng)路徑與相應(yīng)時(shí)刻強(qiáng)天氣位置示意圖。從中可見(jiàn)，自13日13∶30開(kāi)始，保定、衡水等地有對(duì)流生成，配合自東北至西南方向的冷平流和溫度槽區(qū)，保定東北部形成東北風(fēng)與偏東風(fēng)的不連續(xù)線(xiàn)。此不連續(xù)線(xiàn)上有多單體帶狀回波產(chǎn)生，此后對(duì)流系統(tǒng)在其西南方向新生、傳播、發(fā)展，并配合速度場(chǎng)上帶狀回波的西部輻合、東部輻散，致使帶狀回波的東部減弱、西部加強(qiáng)。14:18，保定北部形成2個(gè)強(qiáng)單體，3～6 km高度偏南單體呈氣旋性旋轉(zhuǎn)，偏北單體呈反氣旋旋轉(zhuǎn)，氣旋性旋轉(zhuǎn)單體快速加強(qiáng)，反氣旋旋轉(zhuǎn)單體快速減弱；14:30，偏南單體強(qiáng)度達(dá)60 dBz以上，自北向南移動(dòng)，偏北單體強(qiáng)度在40 dBz以下，在其自西北向東南方向移動(dòng)過(guò)程中迅速減弱。14∶36，對(duì)流風(fēng)暴在對(duì)流層中低層生成并南移，強(qiáng)度迅速加強(qiáng)。14∶48，對(duì)流風(fēng)暴到達(dá)保定，反射率因子最大達(dá)63 dBz，其垂直伸展高度達(dá)8 km，徑向速度圖上風(fēng)暴移向右前方出現(xiàn)正負(fù)速度對(duì)，距離雷達(dá)站83 km，正負(fù)速度對(duì)中心相距5.2 km，轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)25 m·s-1，達(dá)到弱中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而發(fā)展成超級(jí)單體風(fēng)暴，此后該孤立超級(jí)單體自北向南移動(dòng)，先后經(jīng)過(guò)保定中南部和衡水西部縣市，使其沿途5個(gè)氣象站和多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站觀測(cè)到冰雹，20個(gè)國(guó)家站和區(qū)域站出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng)，17:12該超級(jí)單體風(fēng)暴減弱為普通對(duì)流風(fēng)暴，并于18:00在衡水南部消失。

圖4 2018年6月13日14∶00—18∶00每間隔30 min的風(fēng)暴移動(dòng)路徑(黑色虛線(xiàn)所示)與強(qiáng)天氣位置示意圖(填色區(qū)為≥30 dBz組合反射率因子)Fig.4 Stormmovingpath(shown by black dashed line)and severeweather location in every 30 minutesfrom14∶00 BTto18∶00 BT 13 June2018.Color-filled areasshow wherecombined reflectivity factor isgreater than or equal to30 dBz.

按照對(duì)流回波類(lèi)型，上述風(fēng)暴的生命史共包括3個(gè)階段:(1)發(fā)展階段(6月13日14∶36—14∶42)，即自風(fēng)暴開(kāi)始編號(hào)到成為超級(jí)單體。此階段，由普通對(duì)流風(fēng)暴僅2個(gè)體掃就迅速發(fā)展為超級(jí)單體風(fēng)暴，垂直積分液態(tài)水含量(VIL)和最大反射率因子高度(Zmax)均有一次躍增，但Zmax變化不大(圖5)，50 dBz強(qiáng)回波核心高度由7 km躍升到9 km，達(dá)到-30℃層高度以上。(2)維持階段(13日14∶48—17∶06)，即超級(jí)單體存續(xù)期間。此階段超級(jí)單體維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)138 min，路徑長(zhǎng)達(dá)近120 km，強(qiáng)回波質(zhì)心高度一般維持在4～5 km，風(fēng)暴底高基本上在0.9～2 km之間，風(fēng)暴頂高多在8～11 km，VIL基本上維持在55 kg·m-2以上，最大達(dá)74 kg·m-2，50 dBz強(qiáng)回波核心高度一直維持在9 km左右，且其16∶30—16∶54連續(xù)5個(gè)體掃均達(dá)10 km以上，維持在-30℃層高度以上。(3)消亡階段(13日17∶12—18∶00)，即超級(jí)單體減弱成普通風(fēng)暴直至消失。隨著風(fēng)暴底高迅速升高、頂高迅速下降和VIL快速下降，17∶12超級(jí)單體減弱為普通對(duì)流風(fēng)暴，但超級(jí)單體消失后仍有3個(gè)體掃50 dBz回波高度達(dá)到9 km以上，17∶30后50 dBz回波高度迅速下降，17∶48降至0℃層高度以下，18時(shí)對(duì)流風(fēng)暴在衡水南部消失。由此可知，上述整個(gè)風(fēng)暴生命史長(zhǎng)達(dá)204 min，移行180 km左右，平均移速約14 m·s-1，該風(fēng)暴前期自北向南移，移速較慢，后期轉(zhuǎn)為向南略偏東方向移動(dòng)，移速加快，到達(dá)衡水南部后又轉(zhuǎn)向南移動(dòng)直至消失(圖4)。

圖5 2018年6月13日14:36—18:00石家莊雷達(dá)探測(cè)的風(fēng)暴底高(菱形)、頂高(黑色圓點(diǎn))與質(zhì)心高度(折線(xiàn))變化(a)，以及垂直積分液態(tài)水含量(VIL)、最大反射率因子與最大反射率因子高度(b)變化(向上箭頭表示降雹時(shí)刻，向下箭頭表示質(zhì)心下降)Fig.5 Variations of(a)bottomheight(rhombus),top height(black dots)and centroid height(broken lines),and(b)vertically integrated liquid water content(VIL),maximumreflectivity factor and itsheight of stormfrom Shijiazhuangweather radar from14∶36 BTto18∶00 BT 13 June2018.Up-pointingarrowsindicatehail time,and down-pointingarrowsindicate the fall of centroid.

3.2 風(fēng)暴參數(shù)演變

分析上述風(fēng)暴生命史過(guò)程中風(fēng)暴底高、頂高、質(zhì)心高度，垂直積分液態(tài)水含量(VIL)，最大反射率因子(Zmax)及其高度等參數(shù)的時(shí)間演變可知(圖5)，其整個(gè)生命史過(guò)程對(duì)流發(fā)展都非常旺盛，風(fēng)暴單體Zmax基本上維持在65 dBz以上，其中15∶06—16∶30連續(xù)15個(gè)體掃Zmax達(dá)70 dBz以上。風(fēng)暴最強(qiáng)盛時(shí)，回波強(qiáng)度達(dá)77 dBz，回波頂高超過(guò)11 km。其間，風(fēng)暴質(zhì)心高度波動(dòng)明顯，在14∶52、15∶18、16∶36、17∶00、17∶24先后5次出現(xiàn)下降，其中16∶36下降最明顯，Zmax高度在相應(yīng)時(shí)段也有不同程度的下降。結(jié)合天氣實(shí)況可知，上述各質(zhì)心高度波動(dòng)時(shí)段正好對(duì)應(yīng)對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生冰雹的前后。由此推斷，質(zhì)心高度下降前后都可能與降雹時(shí)間對(duì)應(yīng)。與風(fēng)暴頂高相比，其質(zhì)心高度下降趨勢(shì)更明顯，即風(fēng)暴在從醞釀到降雹過(guò)程對(duì)流發(fā)展強(qiáng)盛，醞釀期云體厚度變化不大，降雹期云體厚度減弱趨勢(shì)小于由于云中大粒子迅速下降而造成的質(zhì)心下降(吳海英等，2017)。在風(fēng)暴VIL的時(shí)間變化中只有衡水站出現(xiàn)冰雹時(shí)(17∶01)可清晰地捕捉到其迅速下降的征兆，而其它幾次降雹時(shí)的VIL下降均不明顯，一直維持較高值，這可能與降雹時(shí)伴有降水有關(guān)。

4 超級(jí)單體的雷達(dá)觀測(cè)特征

4.1 中氣旋的演變特征

超級(jí)單體風(fēng)暴最主要的特征是具有深厚持久的中氣旋。上述風(fēng)暴6月13日14∶48就識(shí)別出了中氣旋，預(yù)示超級(jí)單體形成。中氣旋形成前后2個(gè)體掃風(fēng)暴強(qiáng)中心高度從3.9 km上升到4.9 km，VIL提前一個(gè)體掃從50 kg·m-2躍增到68 kg·m-2。在其維持階段，VIL均在54 kg·m-2以上，最大達(dá)74 kg·m-2(圖5b)。從6月13日14∶48—17∶06中氣旋底高(M-BASE，HM-B)、頂高(M-TOP，HM-T)、最強(qiáng)切變強(qiáng)度(M-SHEAR，IM-S)與最強(qiáng)切變高度(HGT，HM-S)的時(shí)間變化圖上看到(圖6)，HM-T變化幅度較小，基本維持在5.8～7.9 km；HM-B最低達(dá)風(fēng)暴底部，最高達(dá)5.5 km；中氣旋直徑最大為8.8 km、最小為2.5 km(圖略)；中氣旋厚度基本維持在2 km以上，最大厚度為6.8 km(圖略)；IM-S極大值為40×10-3s-1，這說(shuō)明風(fēng)暴內(nèi)旋轉(zhuǎn)上升氣流較為強(qiáng)烈，有利于對(duì)流風(fēng)暴的維持和加強(qiáng)；HM-S最高為7.9 km，最低0.9 km，差別較大，其中經(jīng)歷了7次驟升驟降過(guò)程。這表明中氣旋發(fā)展維持過(guò)程中變化較大，即在此超級(jí)單體演變過(guò)程中，即使強(qiáng)冰雹降落、對(duì)流能量快速釋放，超級(jí)單體內(nèi)部的環(huán)流并未被破壞，只是暫時(shí)減弱，且此后再度發(fā)展并維持的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，并在其移動(dòng)過(guò)程接連產(chǎn)生了冰雹、雷暴大風(fēng)；降雹期間對(duì)應(yīng)超級(jí)單體風(fēng)暴減弱。

圖6 2018年6月13日14∶48—17∶06中氣旋底高(H M-B,單位:km)、頂高(H M-T,單位:km)、最強(qiáng)切變強(qiáng)度(I M-S,單位:10-3 s-1)與最強(qiáng)切變高度(H M-S,單位:km)的時(shí)間變化(箭頭表示降雹時(shí)刻)Fig.6 Temporal variation of bottomheight(H M-B,unit:km),top height(H M-T,unit:km),maximumshear intensity(I M-S,unit:10-3 s-1)and theheight(H M-S,unit:km)of maximumshear for mesocyclonesfrom14∶48 BTto 17∶06 BT 13 June2018.Arrowsindicatehail time.

結(jié)合地面天氣實(shí)況，進(jìn)一步分析圖6可知，HM-S在15∶00出現(xiàn)一次突降，對(duì)應(yīng)保定出現(xiàn)冰雹，這與方翀和鄭媛媛(2007)、馮晉勤等(2010)研究得到的冰雹出現(xiàn)時(shí)中氣旋最強(qiáng)切變中心突降的結(jié)論一致。安平站觀測(cè)到冰雹前后(16∶06—16∶12)HM-S變化不大，深州站16∶30和衡水站17∶00出現(xiàn)冰雹時(shí)，HM-S均突然升高，與前2次表現(xiàn)不一致。HM-B在1.0～5.5 km之間變化，15∶48、16∶30和17∶00出現(xiàn)3次顯著抬升，分別抬升了2 km、3 km和2 km，HM-S逼近HM-B或HM-T，此后安平、深州和桃城區(qū)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)自北向南均出現(xiàn)降雹。當(dāng)HM-B突然升高與HM-S逼近底高或頂高時(shí)，表明中氣旋明顯加強(qiáng)。15∶18—15∶42出現(xiàn)連續(xù)“高頂?shù)偷住敝袣庑Y(jié)構(gòu)，HM-S大多位于中氣旋中上部，中氣旋厚度很大，平均5.9 km左右，最大厚度為6.8 km，遠(yuǎn)超出朱君鑒等(2005)指出的山東產(chǎn)生冰雹的中氣旋厚度指標(biāo)(2.5 km)；15∶48—17∶06，HM-B迅速抬升后，呈現(xiàn)“高頂高底”，表明風(fēng)暴發(fā)展劇烈。HM-S可用來(lái)反映風(fēng)暴內(nèi)部螺旋擾動(dòng)狀況，其中15∶18的IM-S突增到40×10-3s-1，此時(shí)保定清苑部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，此后15∶30、15∶54和16∶18的IM-S又經(jīng)歷3次躍增，分別對(duì)應(yīng)博野、安平、深州部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)大冰雹。此次超級(jí)單體伴有的中氣旋存在時(shí)間長(zhǎng)達(dá)23個(gè)體掃，深厚強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)及其較長(zhǎng)時(shí)間的維持是大冰雹產(chǎn)生的充分條件。此中氣旋初生時(shí)，其厚度較大，直徑不斷增大，前10個(gè)體掃的中氣旋厚度除1個(gè)體掃外均在3.9 km以上，15∶30厚度最大達(dá)6.8 km，但此時(shí)其直徑驟減，IM-S最大達(dá)35×10-3·s-1，Zmax為75 dBz，與此時(shí)博野產(chǎn)生的大冰雹對(duì)應(yīng)較好。下一體掃IM-S迅速減小，中氣旋直徑增大，HM-S也迅速抬高，超級(jí)單體隨之減弱。

方翀和鄭媛媛(2007)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中氣旋最強(qiáng)切變值達(dá)到15×10-3s-1以上就極有可能出現(xiàn)超過(guò)25 m·s-1以上的強(qiáng)風(fēng)或龍卷。而河北這次超級(jí)單體風(fēng)暴的最強(qiáng)切變值最高達(dá)40×10-3s-l，尤其16∶18后9個(gè)體掃均達(dá)到了24×10-3s-l以上，其中連續(xù)5個(gè)體掃在30×10-3s-l以上，對(duì)應(yīng)保定、衡水共25個(gè)自動(dòng)站最大風(fēng)力達(dá)8級(jí)以上，其中1站達(dá)11級(jí)。中氣旋維持期間觀測(cè)站先后4次記錄到降雹，前2次出現(xiàn)在保定、安平，降雹時(shí)最強(qiáng)切變高度均在中氣旋底部；后2次出現(xiàn)在深州和衡水，降雹時(shí)最強(qiáng)切變高度均達(dá)到中氣旋頂部。

4.2 氣旋與反氣旋渦旋對(duì)特征

雷達(dá)相對(duì)風(fēng)暴平均徑向速度(SRM)產(chǎn)品可用來(lái)探測(cè)被風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)掩蓋掉的切變區(qū)域(如中氣旋、輻散及龍卷渦旋特征)，對(duì)快速移動(dòng)的風(fēng)暴最為有效(俞小鼎等，2006)。刁秀廣等(2009)在分析了3次風(fēng)暴成熟階段中層反射率因子和平均徑向速度后指出，強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴中層水平氣流表現(xiàn)為不同的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，既存在單一氣旋式旋轉(zhuǎn)，又存在氣旋與反氣旋并存的結(jié)構(gòu)。下文用SRM產(chǎn)品分析此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中超級(jí)單體的氣旋、反氣旋渦旋對(duì)特征。在強(qiáng)風(fēng)切變環(huán)境中旺盛發(fā)展的風(fēng)暴14∶42(2.4°仰角，4.7 km，圖略)就形成了氣旋、反氣旋渦旋對(duì)結(jié)構(gòu)，即風(fēng)暴前側(cè)為氣旋性旋轉(zhuǎn)，正負(fù)徑向速度差約25 m·s-1，后側(cè)為反氣旋性旋轉(zhuǎn)；14∶48超級(jí)單體形成時(shí)風(fēng)暴中層(2.4°仰角，4.6 km，圖7a)氣旋式與反氣旋式旋轉(zhuǎn)并存，氣旋式渦旋較強(qiáng)，正負(fù)徑向速度差約30 m·s-1，位于雹暴移動(dòng)前方，反氣旋式渦旋較弱，位于雹暴移動(dòng)后方；15∶30風(fēng)暴中層(2.4°，4.0 km，圖7b)的前側(cè)同樣有氣旋式旋轉(zhuǎn)，正負(fù)徑向速度差約35 m·s-1，后側(cè)同時(shí)存在弱反氣旋式旋轉(zhuǎn)；15∶48(圖8)風(fēng)暴中層的3.4°和4.3°仰角圖上也有明顯的氣旋、反氣旋渦旋對(duì)特征；16:06風(fēng)暴中層(2.4°，4.2 km，圖略)的前側(cè)仍為氣旋式旋轉(zhuǎn)，后側(cè)同時(shí)存在弱反氣旋式旋轉(zhuǎn)。這種內(nèi)部環(huán)流結(jié)構(gòu)不易受環(huán)境風(fēng)影響，雹暴得以長(zhǎng)時(shí)間維持(許煥斌，2012)。到17∶00中氣旋趨于消失時(shí)，氣旋、反氣旋渦旋對(duì)特征仍然維持但有所減弱，風(fēng)暴中層(2.4°，4.0 km，圖略)前側(cè)氣旋正負(fù)徑向速度差減小到25 m·s-1；17∶18中氣旋已消失2個(gè)體掃，氣旋、反氣旋渦旋對(duì)特征仍然存在(圖7c)。這種深厚的內(nèi)部環(huán)流結(jié)構(gòu)不易被環(huán)境風(fēng)影響，環(huán)境風(fēng)繞風(fēng)暴而過(guò)，不會(huì)對(duì)風(fēng)暴造成破壞。由于氣旋式渦旋強(qiáng)，雹暴偏向環(huán)境西北風(fēng)右移較多。17∶18后氣旋、反氣旋渦旋對(duì)結(jié)構(gòu)消失，速度場(chǎng)上為大面積正速度區(qū)，輻散明顯，雹暴快速減弱消失。此超級(jí)單體維持期間一直伴有氣旋、反氣旋渦旋對(duì)結(jié)構(gòu)，且氣旋式渦旋一直強(qiáng)于反氣旋式渦旋，使超級(jí)單體具有較長(zhǎng)的生命史。

圖7 2018年6月13日14∶48(a)、15∶30(b)、17∶18(c)石家莊雷達(dá)2.4°仰角相對(duì)風(fēng)暴平均徑向速度圖(黃色圓圈表示中氣旋，藍(lán)色箭頭線(xiàn)表示氣旋、反氣旋渦旋對(duì))Fig.7 Storm Relative Velocity Maps (SRM) at 2.4° elevation angle from Shijiazhuang radar at (a) 14∶48 BT, (b) 15∶30 BT and (c) 17∶18 BT 13 June 2018. Yellow circles denote mesocyclones, and blue lines with arrows denote the votex pairs of cyclone and anticyclone.

在此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的超級(jí)單體維持階段，15:48中氣旋各仰角的SRM上(圖8)，低層0.5°仰角(1.6 km)為純輻合，1.5°仰角(2.8 km)為氣旋性輻合旋轉(zhuǎn)，3.4°仰角(5.0 km)和4.3°仰角(6.2 km)雖然有氣旋、反氣旋渦旋對(duì)結(jié)構(gòu)，但氣旋性渦旋強(qiáng)于反氣旋，6°仰角(8.4 km)為氣旋性輻散旋轉(zhuǎn)，9.9°仰角(12.6 km)為純輻散，超級(jí)單體在垂直氣流結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為低層氣旋性輻合、中層氣旋性旋轉(zhuǎn)、高層輻散，這種結(jié)構(gòu)反映了超級(jí)單體內(nèi)部強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)，中層氣旋性旋轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)?yīng)風(fēng)暴內(nèi)部上升氣流區(qū)，中低層深厚的輻合和氣旋式旋轉(zhuǎn)、高層輻散形成的抽吸作用產(chǎn)生了強(qiáng)動(dòng)力抬升，使單體強(qiáng)回波發(fā)展到-20℃層以上，有利于雹胚持續(xù)增長(zhǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生冰雹和地面大風(fēng)。

圖8 2018年6月13日15:48石家莊新樂(lè)雷達(dá)0.5°(a)、1.5°(b)、3.4°(c)、4.3°(d)、6.0°(e)、9.9°(f)仰角相對(duì)風(fēng)暴平均徑向速度圖(黃色圓圈表示中氣旋)Fig.8 Storm Relative Velocity Maps (SRM) at (a) 0.5°, (b) 1.5°, (c) 3.4°, (d) 4.3°, (e) 6.0°, and (f) 9.9°elevation angles from Xinle radar in Shijiazhuang at 15∶18 BT on 13 June 2018. Yellow circles denote mesocyclones.

4.3 鉤狀回波與弱回波區(qū)特征

6月13日14∶48超級(jí)單體形成后向偏南方向移動(dòng)，15∶54強(qiáng)回波位于安平北部，并出現(xiàn)鉤狀回波特征(圖9a)。從沿雷達(dá)徑向過(guò)鉤狀回波所作的反射率因子垂直剖面圖上(圖9b)，可見(jiàn)回波墻-弱回波區(qū)-懸掛回波的典型結(jié)構(gòu)，其中4—8 km高度處強(qiáng)度最大。相應(yīng)的徑向速度垂直剖面上(圖9c)則可見(jiàn)低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)，且高空輻散強(qiáng)度大于低層輻合強(qiáng)度，這種抽吸作用有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)展加強(qiáng)。16∶06回波移到安平(圖9d)，沿雷達(dá)徑向過(guò)鉤狀回波的強(qiáng)度剖面圖上也可看到明顯回波墻-弱回波區(qū)-懸掛回波結(jié)構(gòu)(圖9e)，相應(yīng)的徑向速度垂直剖面圖上(圖9f)顯示，風(fēng)暴內(nèi)部中低層(2—6 km)為較深厚的輻合區(qū)，從徑向流入與流出氣流的垂直分布看，輻合中心位于3—4 km附近，此高度上緊鄰的徑向流入/流出速度分別為±15m·s-1，3 km以下低層風(fēng)場(chǎng)以徑向流入氣流為主。從氣流分布與風(fēng)暴相對(duì)位置看，風(fēng)暴低層伴有一支較強(qiáng)暖濕入流，2 km左右徑向風(fēng)速達(dá)19 m·s-1，對(duì)應(yīng)明顯的輻合區(qū)。風(fēng)暴高層至頂部(8 km以上)為流出氣流，風(fēng)場(chǎng)輻散特征非常明顯，風(fēng)暴頂強(qiáng)烈的抽吸作用增強(qiáng)了風(fēng)暴底層的入流氣流，對(duì)應(yīng)此時(shí)安平附近出現(xiàn)的大風(fēng)。

圖9 2018年6月13日15:54石家莊雷達(dá)1.5°仰角基本反射率因子圖(a)與沿圖a中粗紫線(xiàn)所作的反射率因子(b)和基本速度(c)剖面圖，以及16:06的2.4°仰角基本反射率因子圖(d)與沿圖d中粗紫線(xiàn)所作的反射率因子(e)和基本速度(f)剖面圖Fig.9(a)Basic reflectivity factor(unit:dBz)at 1.5°elevation anglefrom Shijiazhuangradar and thevertical crosssectionsof(b)reflectivity factor and(c)radial velocity(unit:m·s-1)alongthethick purplelinein(a)at 15∶54 BT,and(d)basic reflectivity factor(unit:dBz)at 2.4°elevation angleand thevertical crosssectionsof(b)reflectivity factor and(c)radial velocity alongthethick purplelinein(d)at 16∶06 BTon 13 June2018.

4.4 旁瓣回波和三體散射

冰雹云強(qiáng)度越大，高反射率因子區(qū)域越大，反射率因子核心強(qiáng)度越大，三體散射(TBSS)長(zhǎng)度就越長(zhǎng)(廖玉芳等，2007；李浚河等，2016)。河北此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程超級(jí)單體風(fēng)暴形成12 min后2.4°和3.3°仰角反射率因子圖上就觀測(cè)到了TBSS雛形，旁瓣回波出現(xiàn)略晚2個(gè)體掃，此后向上向下高、底層均可見(jiàn)旁瓣回波和三體散射，且隨后越來(lái)越明顯，旁瓣回波持續(xù)時(shí)間比三體散射短，大約維持1 h，TBSS最長(zhǎng)超過(guò)60 km(圖10)，說(shuō)明冰雹云發(fā)展非常強(qiáng)烈。保定出現(xiàn)冰雹時(shí)三體散射還不明顯，15∶30(圖10a)，博野出現(xiàn)大冰雹時(shí)，三體散射和旁瓣回波均較強(qiáng)，其中三體散射長(zhǎng)度達(dá)60 km以上，安平出現(xiàn)冰雹前后(16∶06—16∶12，圖10b)和深州16∶30(圖10c)出現(xiàn)冰雹時(shí)三體散射長(zhǎng)度也在60 km以上，隨著冰雹云減弱，高反射率因子區(qū)域越來(lái)越小，17∶00衡水出現(xiàn)冰雹時(shí)三體散射長(zhǎng)度降至50 km以下，17∶24冀州出現(xiàn)冰雹時(shí)三體散射長(zhǎng)度降至10 km左右，且后2站出現(xiàn)冰雹時(shí)旁瓣回波也明顯減弱。

圖10 2018年6月13日石家莊雷達(dá)15時(shí)30分3.3°仰角(a)、16時(shí)06分2.4°仰角(b)、16時(shí)30分3.3°仰角(c)基本反射率因子圖Fig.10 Basic reflectivity factor(unit:dBz)at(a)1.5°elevation angleat 15∶30 BT,(b)2.4°elevation angleat 16∶06 BT and(c)3.3°elevation angleat 16:30 BTon 13 June2018 from Shijiazhuangradar.

TBSS持續(xù)時(shí)間也是強(qiáng)冰雹預(yù)警的關(guān)鍵因素之一。廖玉芳等(2007)統(tǒng)計(jì)分析20個(gè)TBSS個(gè)例表明，只有20%的TBSS持續(xù)時(shí)間超過(guò)90 min。而河北此次強(qiáng)風(fēng)雹過(guò)程中，TBSS初始出現(xiàn)時(shí)間是6月13日15∶06，結(jié)束時(shí)間是17∶36，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)23個(gè)體掃(150 min)，超級(jí)單體減弱消失后還維持了5個(gè)體掃，這在以往的觀測(cè)中較為罕見(jiàn)。其中1.5°到3.3°仰角回波圖上TBSS存在時(shí)間超過(guò)20個(gè)體掃，而4.3°仰角圖上TBSS持續(xù)18個(gè)體掃；6.0°仰角圖上TBSS持續(xù)12個(gè)體掃；0.5°仰角回波圖由于地物遮擋或高度太低只觀測(cè)到TBSS持續(xù)17個(gè)體掃。旁瓣回波和三體散射均是產(chǎn)生大冰雹的典型觀測(cè)特征，TBSS持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)可對(duì)強(qiáng)冰雹預(yù)警起到關(guān)鍵作用。TBSS出現(xiàn)頻次與風(fēng)暴相對(duì)于雷達(dá)的方位關(guān)系很大。當(dāng)風(fēng)暴位于雷達(dá)的東北、東和東南方向時(shí)，TBSS被觀測(cè)到的頻率很低(廖玉芳等，2007)。但此次強(qiáng)風(fēng)雹過(guò)程的風(fēng)暴自北向南依次處于雷達(dá)的東北、東及東南方向，仍觀測(cè)到了TBSS較長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，且TBSS長(zhǎng)度也較長(zhǎng)，充分說(shuō)明此次冰雹云反射率因子核心強(qiáng)度和高反射率因子區(qū)域均較大。

4.5 雙偏振雷達(dá)特征

利用饒陽(yáng)X波段雙偏振雷達(dá)站(115°44′35″E，38°13′23″N，32.9 m，位于圖4中深州東北方)產(chǎn)品，對(duì)6月13日引起深州降雹的超級(jí)單體風(fēng)暴作進(jìn)一步分析。圖11給出6月13日16:30饒陽(yáng)雙偏振雷達(dá)探測(cè)的2.5 km高度水平通道反射率(Zh)及其剖面、差分反射率(Zdr)剖面、以及水平通道和垂直通道互相關(guān)系數(shù)(Rohv)剖面圖。從中看到，雖然因?yàn)殡姶挪ㄋp致使強(qiáng)回波主體在低仰角雷達(dá)圖上顯示異常，但降雹時(shí)刻單體回波位置仍能正常顯示(圖11a中黑框所示)，相應(yīng)沿雷達(dá)徑向的Zh剖面圖上(圖11b)可見(jiàn)Zh在2.5 km高度附近存在極大值(≥55 dBz)，對(duì)應(yīng)位置的Zdr為-0.5～0.5 dB(圖11c)，說(shuō)明此處有個(gè)頭較大或數(shù)量較多的球形粒子存在。而該位置對(duì)應(yīng)的Kdp僅1.5～2.0°/km(圖略)，同時(shí)Rohv在0.75～0.92之間(圖11d)，噪聲較大，說(shuō)明該處粒子之間的相態(tài)不完全一致。綜上分析可知，雷達(dá)圖上黑色矩形框內(nèi)的最強(qiáng)回波處，在2.5 km高度附近同時(shí)存在液滴和較大冰雹，與地面“雨加雹”的降水實(shí)況吻合。

圖11 2018年6月13日16:30饒陽(yáng)雙偏振雷達(dá)2.5 km高度水平通道反射率Z h(a)及其沿雷達(dá)徑向(圖a中粗黑線(xiàn))剖面圖(b)、差分反射率(Z dr)剖面圖(c)以及水平通道和垂直通道協(xié)相關(guān)系數(shù)(ρhv)剖面圖(d)(矩形黑框位置表示反射率因子最強(qiáng)處)Fig.11(a)Reflectivity factor(Z h,unit:dBz)at horizontal polarization at 2.5 kmheight and(b)itscrosssection alongthethick black linein(a),as well as the crosssections of(c)differential reflectivity(Z dr)and(d)correlation coefficient(ρhv)between horizontal and vertical polarization from Raoyang dual-polarimetric radar at 16∶30 BTon 13 June2018.Black rectangular boxes mark the place where there flectivity factor is strongest.

5 結(jié)論及討論

本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、地面自動(dòng)站資料以及石家莊多普勒天氣雷達(dá)和饒陽(yáng)雙偏振雷達(dá)資料等，分析了2018年6月13日影響河北中南地區(qū)的一個(gè)長(zhǎng)生命史超級(jí)單體風(fēng)暴的雷達(dá)觀測(cè)特征，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)此次超級(jí)單體發(fā)生在渦后橫槽轉(zhuǎn)豎的環(huán)流背景下，槽后冷空氣沿偏北風(fēng)急流南下，上干冷、下暖濕的層結(jié)，強(qiáng)垂直風(fēng)切變，高的K指數(shù)和對(duì)流有效位能，較大的氣溫垂直遞減率，適宜的0℃和-20℃層高度，以及-20℃層以上大量的潛在不穩(wěn)定能量，為雹云生成和發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件。

(2)此次風(fēng)暴過(guò)程的生命史長(zhǎng)204 min，其最大反射率因子基本上維持在65 dBz以上，超級(jí)單體維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)138 min。風(fēng)暴發(fā)展階段的垂直積分液態(tài)水含量和最大反射率因子高度均有一個(gè)躍增過(guò)程。中氣旋底高最低可達(dá)風(fēng)暴底部，HM-T變化幅度較小，低質(zhì)心中氣旋和高質(zhì)心中氣旋都可降雹，HM-S躍增和突降期均可降雹，降雹期間對(duì)應(yīng)超級(jí)單體暫時(shí)減弱。中氣旋厚度最大為6.8 km，最強(qiáng)切變最高達(dá)40×10-3s-l，反映了中氣旋發(fā)展強(qiáng)盛且深厚，是超級(jí)單體發(fā)展和維持的重要?jiǎng)恿C(jī)制。

(3)超級(jí)單體形成1 h后其鉤狀回波特征明顯，表現(xiàn)為回波墻-弱回波區(qū)-懸掛回波的典型垂直結(jié)構(gòu)，4—8 km高度處回波強(qiáng)度最大。速度剖面呈現(xiàn)低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)，且高空輻散大于低層輻合；旁瓣回波維持約1 h，TBSS最長(zhǎng)尺度超過(guò)60 km，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)150 min。

(4)低空輻合、中空旋轉(zhuǎn)、高空輻散的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有利于超級(jí)單體內(nèi)部強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)；超級(jí)單體維持期間一直伴有氣旋、反氣旋渦旋對(duì)。

(5)雙偏振雷達(dá)探測(cè)的超級(jí)單體反射率因子≥55 dBz，對(duì)應(yīng)位置的差分反射率為-0.5～0.5 dB，差分傳播相移率僅為1.5～2.0°/km，同時(shí)相關(guān)系數(shù)在0.75～0.92之間，表明超級(jí)單體內(nèi)同時(shí)存在液滴和較大冰雹。

此次過(guò)程超級(jí)單體維持期間，50 dBz回波高度一直維持在9-10 km，達(dá)到-30℃層以上，降雹結(jié)束后其高度迅速下降至9 km以下；基于單體的VIL在中氣旋形成前一個(gè)體掃出現(xiàn)躍增，降雹期間維持在54 kg·m-2以上，降雹后則迅速降至50 kg·m-2以下；最強(qiáng)切變平均21×10-3s-l，最強(qiáng)切變高度在中氣旋底部或頂部時(shí)均與地面降雹時(shí)間吻合?？梢?jiàn)，50 dBz的高度和基于單體的VIL值對(duì)降雹有一定的指示作用，中氣旋切變強(qiáng)度與冰雹的形成有關(guān)，最強(qiáng)切變的高度與冰雹關(guān)系不大。由于受探測(cè)資料的限制以及風(fēng)暴形成和消亡階段變化過(guò)快，文中的分析尚不能揭示各項(xiàng)雷達(dá)探測(cè)指標(biāo)與冰雹的關(guān)系，這也是下一步需要深入研究的內(nèi)容。