2019, Vol. 39
2. 青岛市气象局，山东 青岛 266003
2. Qingdao Meteorological Bureau, Qingdao 266003, China
随着天气雷达探测技术的发展及广泛应用，气象学者对对流风暴进行了大量研究工作。考虑到研究和业务上的方便, 雷达气象学界将对流风暴划分为普通单体风暴、多单体风暴、超级单体风暴和线风暴(飑线)。超级单体风暴是所有对流风暴中最猛烈的一种，既可以呈孤立状态，也可镶嵌在线风暴之中，往往产生极端性对流天气。诸多观测事实及相关研究[1-5]表明，深厚持久的中气旋是超级单体风暴的重要标志性特征。LEMON[6]对WSR-88D天气雷达三体散射(TBSS)的研究认为：TBSS是探测大冰雹的充分条件，三体散射特征的出现预示着直径D≥2.5 cm的冰雹将在10~30 min降到地面，同时地面还会出现破坏性大风天气。
国内气象学者在强对流风暴特别是超级单体的成因、强度结构、流场结构和临近预警方面也作了大量研究工作[7-15]，-20 ℃层以上存在强的反射率因子、TBSS等特征往往预示着大冰雹的形成，反射率因子核的快速下降、强的中层径向辐合(MARC)等特征预示着下击暴流的出现。吴海英等[16]分析认为，2015年4月28日冷涡背景下长生命史超级单体风暴形成维持机制与对流层中层持续南下的冷平流、强垂直风切变的维持及风暴内旋转特征持续有关。张琴等[17]对2016年6月13—14日山东强对流天气过程的分析表明，高空干冷、低层暖湿气流有利于大气对流不稳定度加大，风暴移动路径右偏中层引导风向，高空西北风的切入和地形因素是导致强降雹超级单体发展及持续存在的原因。张婷婷等[18]对2016年6月14日发生在山东中部地区一次超级单体风暴雷达观测进行了分析，超长的三体散射(TBSS)、深厚而持久的中气旋、高悬的强反射率中心、有界弱回波区以及风暴顶强烈辐散都是大冰雹发生的显著特征。万夫敬等[19]对2017年8月6日山东东部地区一次罕见雷暴大风分析表明，10级以上雷暴大风在雷达平均径向速度产品上的主要特征包括强的中层径向辐合或者近地层径向辐散、大的径向速度绝对值等特征。
对于呈孤立状态的生命史超过4 h的长寿命非超级单体强风暴，虽然出现的概率较低，但往往会产生严重破坏性天气，目前对该类强风暴强度结构和气流结构差异性的分析与研究并不多见。文章利用济南多普勒天气雷达资料、探空资料和天气实况资料等，对发生在山东境内的2次持续时间超过4 h的长寿命非超级单体孤立强风暴的强度结构和流场结构特征及其产生机制进行了分析，对比了环境因子的异同性和风暴结构的差异性，以期对今后类似情况下的强对流短时临近预警业务有一定的指示意义。
1 天气实况与环境参数 1.1 天气实况2013年9月15日上午，泰安市岱岳区、肥城市和宁阳县先后遭受大风、冰雹袭击(简称“0915过程”)，最大瞬时风力9级(21.6 m·s-1)，11:29(北京时，下同)出现在宁阳县蒋集区域站。15日12:00—13:00之间，济宁市泗水县突遭风雹袭击，冰雹最大直径50 mm(特大冰雹)，大风导致17间房屋倒塌，造成1人死亡，18人受伤(山东省民政厅新灾快讯第4期)。
2014年6月11日凌晨，聊城市临清、茌平、东阿、东昌府等县市区出现冰雹、雷暴大风等强对流天气(简称“0611过程”)，最大冰雹直径10 mm左右，13个观测站出现8级或以上大风天气，茌平县的贾寨站、洪官屯站、韩集站及东昌府区东昌学院站和东阿县气象站先后出现10级大风(极大风在25.9~26.2 m·s-1之间，对应时间在03:58—04:39之间)，造成大范围小麦倒伏，许多蔬菜大棚倒塌或损坏，一些大树拦腰折断。河北清河县在02:40—03:00之间出现冰雹和大风天气。
由天气实况看，两次强风暴都形成冰雹和破坏性大风天气，造成严重经济损失。追踪济南雷达观测信息，2次灾害性天气都是由孤立长寿命非超级单体风暴所致，其移动路径见图 1a。
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图 1 风暴路径(a)与天气形势(b. 2013年9月15日08:00，c. 2014年6月10日20:00；红色实线为850 hPa等温线，间隔4 ℃；绿色实线为850 hPa等比湿线，单位：8 g·kg-1；风矢为850 hPa风场；黑色粗断线为地面辐合线；红色粗实线为850 hPa、700 hPa和500 hPa槽线) Fig.1 Storm track (a) and synoptic chart (b. 08:00 BST on 15 September 2013, c. 20:00 BST on 10 June 2014; red solid line for isotherm contour at 850 hPa, spaced 4 ℃; green solid line for specific humidity contour at 850 hPa, units: 8 g·kg-1; wind barb for wind field at 850 hPa; black thick dashed line for surface convergence line; red thick solid line for trough line of 850 hPa, 700 hPa, and 500 hPa) |
2013年9月15日08时500 hPa和700 hPa上山东处于冷涡底部的西北气流区，冷涡中心位于125.4°E，52.5°N附近，850 hPa纬向切变线位于鲁中南部一带，风暴影响区域在16~18 ℃等温线控制之下，地面上齐河至菏泽北部一带有中尺度辐合线，雷暴触发位于辐合线北端，即齐河至长清一带(图 1b)。2014年6月10日20时500 hPa和700 hPa上山东处于冷涡后部的西北气流区，冷涡中心位于122.1°E，41.9°N附近，850 hPa纬向切变线位于邢台与太原之间，风暴影响区域在17~19 ℃等温线控制之下，地面上山西盂县至河南汝阳一带有中尺度辐合线，辐合线东移过程中其北端在河北省新河县一带触发雷暴(图 1c)。2次过程都是冷涡底部西北气流影响，中空冷空气明显，低层存在切变线同时较为暖湿，上冷下暖，利于对流。
章丘与邢台探空资料计算出的环境参数见表 1，2013年9月15日对流有效位能(CAPE)用08时章丘探空数据订正到11时泗水站(气温和露点温度分别是28 ℃和21 ℃)。两次强对流天气具有强的不稳定结构，低层暖湿、中层干冷，具有强的垂直风切变，利于产生组织性强的对流风暴。600 hPa起点的下沉对流有效位能(DCAPE)具有较大值，对两次强风暴产生强下击暴流具有较好的指示意义。差别较大的物理量有2个，即CAPE和低层湿度，0915风暴过程具有较大的CAPE值和较大的低层湿度。
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表 1 环境参数 Table 1 Environmental parameters |
济南CINRAD/SA雷达观测表明，0915风暴生成于15日08:50，齐河县西南部区域，之后快速发展，15:52减弱，13:04消散于邹城市东南部。风暴历时4 h 15 min，移动距离约150 km，移动路径见图 1a，风暴参数演变见图 2a，09:14—12:52期间最大反射率因子(DBZM)大于60 dBZ，最强达到73 dBZ。10:20—12:40期间出现8级(或以上)雷暴大风或冰雹天气(旺盛阶段)，该阶段风暴参数最大反射率因子(DBZM)、基于单体的垂直累积液态含水量(C-VIL)、风暴顶(TOP)和强中心高度(HT)平均值分别为67.2 dBZ、59.3 kg·m-2、10.5 km和6.1 km。影响泗水的时间是11:51—12:46，期间出现直径50 mm的特大冰雹和破坏性大风天气，该阶段风暴参数DBZM、C-VIL、TOP和HT平均值分别为68.9 dBZ、64.6 kg·m-2、11.6 km和6.9 km。10:57—11:09连续3个体扫出现三体散射(TBSS)现象(图 3a)，期间在泰安市岱岳区夏张镇出现大冰雹，11:45—12:22连续7个体扫出现TBSS(图 3b)，期间在泗水县西北部的柘沟镇、杨柳镇和中册镇出现大冰雹和特大冰雹，TBSS是大冰雹的典型特征之一。风暴成熟阶段基本150°方向移动(图 3a)，移动速度约10 m·s-1。
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图 2 风暴参数演变(a. 0915风暴，b. 0611风暴) Fig.2 Evolution of storm parameters for Storm 0915 (a) and Storm 0611 (b) |
0611风暴于2014年6月11日凌晨01:24左右生成于河北新河县境内，05:15减弱，05:39消散于山东肥城市境内，历时4 h 15 min，移动距离约200 km，移动路径见图 1a，风暴参数演变见图 2b。旺盛阶段(02:00—05:02)风暴参数DBZM、C-VIL、TOP和HT的平均值分别为60.5 dBZ、48.3 kg·m-2、9.4 km和3.7 km, 影响河北南宫和清河县(02:00—03:13)时平均值分别为63.0 dBZ、56.4 kg·m-2、10.9 km和3.7 km，DBZM、C-VIL和TOP明显大于成熟阶段平均值，同时1.5°仰角反射率因子产品有6个体扫出现TBSS现象(图 4a)，影响河北清河阶段有冰雹灾害出现。10级大风阶段(03:58—04:39)风暴参数DBZM、C-VIL、TOP和HT的平均值分别为59.3 dBZ、40.0 kg·m-2、7.4 km和3.6 km，小于成熟阶段的平均值，明显小于影响南宫和清河阶段的平均值。风暴成熟阶段基本140°方向移动(图 4a)，移动速度约13 m·s-1。
0611和0915风暴持续时间4 h 15 min左右，都是长寿命非超级单体强风暴，移动方向基本一致，同时都产生冰雹和破坏性大风天气。旺盛阶段，0915风暴的各参数平均值明显大于0611风暴，0915风暴的HT多数时间位于0 ℃层高度之上，后期影响泗水期间有多个时次在-20 ℃层高度之上，利于冰雹粒子的产生、增长并出现较长期间的大冰雹天气，而0611风暴中后期的HT基本位于0 ℃高度之下，只出现短时间的中小冰雹并没有产生大的灾害，主要是破坏性大风灾害。
3 风暴气流结构分析 3.1 0915风暴图 3是0915风暴济南雷达平均径向速度和反射率产品。0915风暴中层气流结构在其演变过程中表现出不同的特征，09:20—10:50之间主要表现为中层径向辐合(MARC)特征，如图 3c所示，风暴前侧为倾斜上升气流，后侧为下沉气流，上升气流和下沉气流过渡区形成MARC；中层径向辐合强度逐渐增大，09:20最大径向速度差的绝对值在15 m·s-1左右，10:27增大到20 m·s-1以上，10:27最大径向速度值在15~19 m·s-1之间，最小径向速度值在-9~-5 m·s-1之间，两者差值位于20~28 m·s-1之间；低层辐散强度也逐渐增大，10:09最低仰角最大径向速度差的绝对值为11 m·s-1左右，至10:39增大到25 m·s-1以上，如图 3d所示，最大径向速度值为15~19 m·s-1，最小径向速度值为-14~-10 m·s-1，两者差值在25~34 m·s-1之间，该风暴在泰安市岱岳区与肥城市交界处区域产生冰雹和破坏性雷暴大风天气。10:50之后，风暴中层表现为气旋性旋转气流结构，10:57时约5 km高度气旋性旋转最大出流径向速度值为10~14 m·s-1，入流径向速度值为-9~-5 m·s-1(图 3e)，旋转速度在7.5~11.5 m·s-1之间，距离约2.6 km，切变量在5.8×10-3~8.8×10-3 s-1之间，11:39(图 3f)和11:51(图 3g)2个时次的旋转速度分别在10.0~14.0 m·s-1和15.0~20.0 m·s-1之间，对应高度分别是5.3 km和4.0 km，切变量分别在6.3×10-3~8.8×10-3 s-1和13.6×10-3~18.2×10-3 s-1之间；10:50—11:51气旋性旋转强度逐渐加强，但旋转厚度达不到中气旋标准，中气旋产品上没有识别出中气旋，该阶段在泰安市岱岳区夏张、大汶口镇及宁阳的华丰、东庄镇产生大冰雹和破坏性大风天气。12:03之后风暴中层又演变为MARC特征，12:09、12:16和12:22(图 3h、i、j)3个时次最大径向速度差的绝对值分别在30~40 m·s-1、35~45 m·s-1和30~38 m·s-1之间，对应高度分别是2.3 km、2.5 km和2.7 km，中低层径向辐合现象更加显著，在泗水县金庄、杨柳、柘沟、圣水峪等镇出现大冰雹和导致人员伤亡、房屋倒塌的破坏性大风天气。
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图 3 2013年9月15日济南雷达基本反射率与平均径向速度(a.10:57，6.0°仰角，R19；b.12:09，2.4°仰角，R19；c.10:27，VCS；d.10:39，0.5°仰角，V26；e.10:57，3.4°仰角，V26；f.11:39，2.4°仰角，V27；g.11:51，1.5°仰角，V27；h、i、j.12:09、12:16、12:22，0.5°仰角，V27) Fig.3 Base reflectivity and mean radial velocity (a. 10:57 BST at 6.0° elevation, R19; b. 12:09 BST at 2.4° elevation, R19; c. 10:27 BST, VCS; d. 10:39 BST at 0.5° elevation, V26; e. 10:57 BST at 3.4° elevation, V26; f. 11:39 BST at 2.4° elevation, V27; g. 11:51 BST at 1.5° elevation, V27; h/i/j. 12:09/12:16/12:22 BST at 0.5° elevation, V27) from Jinan radar on 15 September 2013 |
图 4是2014年6月11日济南雷达反射率因子和平均径向速度产品。02:13，1.5°仰角径向速度上风暴中层(约4.5 km高度)出现明显气旋性旋转气流结构，同时也出现反气旋性气流结构，气旋性旋转强度明显强于反气旋性旋转强度(图 4b)，气旋性旋转的最大径向速度值为1~4 m·s-1，最小径向速度值为-34~-28 m·s-1，两者差值为29~38 m·s-1，旋转速度在14.5~19 m·s-1之间，距离约6.4 km，切变量在4.5×10-3~5.9×10-3 s-1之间，而反气旋性旋转的切变量在2.4×10-3~4.0×10-3 s-1之间。至03:19，大约1 h时间，一直维持这种气旋性旋转强于反气旋性旋转的双涡结构(图 4c、d，对应高度分别是5.5 km和5.1 km)，02:49和03:01气旋性旋转的旋转速度分别在12.5~17.5 m·s-1和16.5~21.5 m·s-1之间，切变量分别在2.7×10-3~ 3.8×10-3 s-1和4.3×10-3~5.6×10-3 s-1之间，虽然存在较强的气旋性旋转，但达不到中气旋标准，没有识别出中气旋。03:25之后，风暴中层仍维持双涡结构，但反气旋性旋转强度明显强于气旋性旋转强度。03:25时4.4 km高度上，反气旋性旋转的最大径向速度值为5~9 m·s-1，最小径向速度值为-19~-15 m·s-1，两者差值为20~28 m·s-1，距离约3.3 km，切变量在6.1×10-3~8.5×10-3 s-1之间，而气旋性旋转速度差与反气旋大致相当，但中心距离较远，切变量在2.6×10-3~3.7×10-3 s-1之间(图 4e)。03:56—04:38期间，基本一直维持强的反气旋性旋转结构，入流和出流中心径向速度差在25 m·s-1以上，最强时在35~45 m·s-1之间(图 4f、g、h、i，对应高度分别是3.8 km、3.7 km、3.3 km和3.2 km)。03:58，茌平贾寨乡区域站首先监测到极大风速26.2 m·s-1的10级大风天气，最后一个监测到10级大风(极大风速25.9 m·s-1)天气的是东阿县国家级气象观测站，时间是04:39，10级大风出现时间段与风暴中层强反气旋性旋转阶段相对应，中层强反气旋性旋转可能产生强的下沉气流，在地面出现10级或以上强雷暴大风天气。0.5°径向速度上并没有出现强辐散或大的径向速度(图 4j)，即低层径向速度上无法判别地面大风，主要原因是距离较远无法探测到近地面实际情况，再者是风向与雷达径向存在较大夹角，无法反映出真实的风场。
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图 4 2014年6月11日济南雷达反射率与平均径向速度(a.02:55，1.5°仰角R19；b.02:13，1.5°仰角V27；c. 02:49，2.4°仰角V27；d、e、f、g、h、i.03:01、03:25、03:56、04:02、04:32、04:38，2.4°仰角V26；j.04:20，0.5°仰角V27) Fig.4 Base reflectivity and mean radial velocity (a. 02:55 BST at 1.5°elevation, R19; b. 02:13 BST at 1.5°elevation, V27; c. 02:49 BST at 2.4°elevation, V27; d/e/f/g/h/i. 03:01/03:25/03:56/04:02/04:32/04:38 BST at 2.4°elevation, V26; j. 04:20 BST at 0.5°elevation, V27) from Jinan radar on 11 June 2014 |
0915和0611风暴参数存在明显差异。0915风暴DBZM值VDBZM≥60 dBZ持续时间达3 h 38 min(09:14—12:52)，19个体扫VDBZM≥65 dBZ，旺盛阶段DBZM、C-VIL、TOP和HT平均值分别是67.2 dBZ、59.3 kg·m-2、10.5 km和6.1 km。0611风暴VDBZM≥60 dBZ持续时间达2 h 20 min(02:00—04:20)，仅有2个体扫VDBZM为65 dBZ，旺盛阶段DBZM、C-VIL、TOP和HT平均值分别是60.5 dBZ、48.3 kg·m-2、9.4 km和3.7 km。平均而言，0915风暴强中心高度明显高于0 ℃层(4.0 km)高度，基本在-10 ℃层(5.7 km)高度以上，而且最大反射率因子较大，导致较长时间大冰雹天气。
0915和0611风暴气流结构存在不同演变特征。0915风暴在09:20—10:50之间主要表现为中层径向辐合(MARC)特征，即风暴前侧为倾斜上升气流，后侧为下沉气流，上升气流和下沉气流过渡区在中层形成显著MARC，该阶段对应冰雹和破坏性雷暴大风天气。10:50—12:03，中层表现为强的气旋性旋转气流结构，但旋转厚度达不到中气旋标准，该阶段对应大冰雹和破坏性雷暴大风天气。12:03之后中层又演变为MARC特征，12:09—12:22低层2.3~2.5 km高度中层辐合现象更加显著，此阶段产生直径50 mm特大冰雹和墙倒屋塌的破坏性大风天气。0611风暴旺盛阶段，风暴中层具有双涡结构，前期(02:13—03:25)气旋性旋转强度明显大于反气旋性旋转强度，此阶段主要在河北清河县产生冰雹和雷暴大风等强对流天气。后期(03:25—04:38)情况相反，反气旋性旋转强度明显大于气旋性旋转强度，此阶段对应中小冰雹和10级雷暴大风天气。
5 结论1) 0611和0915风暴持续时间都在4 h以上，都产生冰雹和破坏性大风天气，0915风暴出现大冰雹的持续时间长于0611风暴。2个风暴均没有出现中气旋，属于长寿命孤立非超级单体强风暴。2次强风暴产生于冷涡底部西北气流和低层切变线环境形势下，上干冷下暖湿，利于对流的产生。0~6 km具有强垂直风切变，利于组织性强的风暴产生。中层干冷，同时600 hPa为起点的下沉对流有效位能具有较大值，利于强下击暴流出现。
2) 2次强风暴旺盛阶段具有大的反射率因子和VIL值，DBZM平均值超过60 dBZ，C-VIL平均值超过48 kg·m-2，风暴顶TOP平均值在9 km之上，同时都出现明显三体散射现象，具有典型大冰雹特征。
3) 风暴强度结构存在明显差异性。旺盛阶段，0915风暴的DBZM、C-VIL、HT和TOP参数平均值明显大于0611风暴，差值分别是6.7 dBZ、11 kg·m-2、2.4 km和1.1 km。
4) 风暴气流结构存在明显差异性。0915风暴成熟阶段的前期表现为明显中层径向辐合特征，中期风暴中层表现为气旋性旋转气流结构(达不到中气旋的标准)，后期又演变为MARC特征，同时辐合强度更加显著。0611风暴旺盛阶段，风暴中层具有双涡结构，但前期气旋性旋转强度明显大于反气旋性旋转强度，后期情况相反，反气旋性旋转强度明显大于气旋性旋转强度。
5) 两次过程中环境物理量差别明显的是CAPE和低层湿度，0915风暴CAPE和低层比湿明显大于0611风暴过程。在相似的形势背景下，CAPE具有较大值，风暴内部上升气流的最大上升速度较大，利于强反射率核的悬垂和维持，利于长时间产生冰雹天气，是0915风暴参数值明显大于0611风暴参数的主要环境因素之一。
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