浙江省春季两次超级单体致过程对比分析.pdf

期第45卷第象江2024年3 月浙浙江省春季两次超级单体致过程对比分析陶俞锋！朱宪春？吴福浪肖王星？（1.中国民用航空宁波空中交通管理站，浙江宁波315154；2.宁波市气象局，浙江宁波3150 12）摘要：利用NCEP再分析资料、浙江省自动站数据及宁波市多普勒雷达监测产品，对2 0 19 年3月2 1日和2020年3月2 1日发生在浙江省境内的2 次超级单体风暴的环境条件、雷达特征进行了对比分析。结果表明：2 0 19 风暴产生于高空急流轴右侧和低层切变线相重叠的区域，为“上干下湿”的层结配置；2 0 2 0 风暴发生在高空急流右侧和低空急流左前侧相重叠的区域，表现为“干一湿一干”的配置。两次风暴0 6 km的强垂直风切变有利于强对流维持和发展，同时适宜的0 和2 0 层高度有利于降電。2 0 19 和2 0 2 0 风暴持续时间均超过3.5h，产生了冰電和破坏性大风，雷达图上均呈现出钩状回波、中气旋、“V”形缺口和三体散射现象；距离高度显示器（RHI)图像上表现出典型的高悬强回波、回波悬垂和有界弱回波区。垂直累积液态水含量（VIL）值1 2 个体扫后出现快速增大、然后减小的现象可以作为冰電预警的指标之一。关键词：超级单体；冰；雷达特征；VIL值0引言强对流天气严重影响飞机飞行安全，在航空气象服务中，强对流天气预报预警服务至关重要。冰電是强对流天气引发的一种严重的气象灾害，浙江地区冰電主要发生在3一4月。虽然它出现的时间短，范围小，但具有很强的破坏力，给当地农作物、交通及人民生命财产带来巨大安全隐患。近年来，随着新一代气象雷达的广泛布点及投入使用，各地气象学者对超级单体致进行了研究，取得了不少成果1-5。陈秋萍等6 对比分析了福建两次强降超级单体的特征，发现中气旋强度、维持时间等差异与产生风暴的环境条件有密切关系；吴海英等7 研究发现，冷涡背景下超级单体风暴较长时间维持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。吴福浪等8 对2 0 19 年3月2 1日浙江省一次强電暴天气的环境条件和雷达回波结构演变特征进行分析指出，垂直累积液态水含量（VIL)值明显跃增的现象可提前6 min预警冰，并且VIL值和冰電直径大小成正比。高晓梅等9 通过对比分析山东省两次强对流天气的雷达特征及环境场，发现两次降与风暴单体高度及强度、垂直累积液态水含量及密度、中气旋厚度、最大切变和持续时间密切相关。以上研究表明，多普勒天气雷达是监测和预警冰電灾害性天气的主要工具。不少气象学者对浙江地区冰電个例的研究工作基本上只涉及单个个例分析，针对浙江省发生的两次超级单体電暴过程的环流形势、层结条件、抬升机制、雷达回波特征对比分析研究较少。本文利用美国国家环境预报中心（NCEP）再分析资料、浙江省自动站数据及宁波市多普勒雷达监测产品，对2 0 19 年3月2 1日和2020年3月2 1日发生在浙江境内的2 次持续时间超过3.5h长寿命超级单体风暴的演变、环境参数及风暴的结构特征进行了分析，对比了环境因子的异同性和风暴结构的差异性，以期为浙江地区今后类似情况下强对流天气的监测、预警和防灾减灾提供参考依据，为航空气象保障服务提供借鉴1天天气实况与灾情2019年3月2 1日0 6 时左右（北京时，下同），对流回波进人浙江省衢州市，0 8 时之后对收稿日期：2 0 2 2-12-0 1作者简介：陶俞锋，男，19 8 5年生，硕士，工程师，从事航空气象临近预报工作，E-mail：t a o 19 8 5y f 12 6.c o m期第陶俞锋季两次超级单体致过程对比分析43流系统逐步发展成为强对流单体和超级单体形态，自西向东移动，12 时之后超级单体移出浙江省进人东海洋面，强度明显减弱，整个超级单体过程影响时间约4h。受其影响，浙江省中部地区出现了大范围的雷暴大风、局地强降水和强冰電等对流天气（简称2 0 19 风暴）。0 8 一14时浙江省共有4个站点累计雨量超过50 mm，达到暴雨级别，其中单站小时降水量最大为丽水市莲都区高溪水库41.0 mm。9 5个站点出现8 级以上（风速17.2 ms-）雷暴大风,最大风速出现在丽水市松阳牛角圩村站点，达到10 级。开化、义乌、东阳、磐安、新昌、天台、宁海和象山等地先后出现冰，最大直径超过2 cm，达到大冰電尺度。该次電灾造成浙江省多地受灾，多个农业大棚设施、民房屋顶等受损，其中开化县芹阳办事处汶山村口一长廊倒塌，造成1人死亡，4人受伤。2020年3月2 1日下午开始，对流回波在进人浙江省杭州市发展加强，此后沿着高空引导气流自西向东移动，16 时30 分之后逐渐演变成为一前一后两个超级单体（简称2 0 2 0 风暴），2 0时之后第二个超级单体东移人海，两个超级单体電暴对浙北地区持续影响时间约3.5h。14一2 0 时浙江省共有6 个站点累计雨量超过50mm，其中杭州市余杭区双联村单站小时降水量达47.0 mm。全省2 15个站点出现8 级以上的雷暴大风，最大风速出现在嵊州市董坞岗村站点，风力达到13级（39.9 ms=）。由气象信息员上报的信息可知，杭州富阳、绍兴上虞和柯桥以及宁波余姚、慈溪、北仑等地先后出现了密集冰電，冰直径为1 4cm，多地气象部门发布冰電橙色预警。此次强冰雷天气致灾十分严重，给浙江省的农业、电力设施、通信、市政、建筑、交通及旅游等带来了严重影响。两次强风暴都发生于春季3月份，形成了冰電和破坏性大风，造成了严重的经济损失。2019风暴发生在浙中地区，2 0 2 0 风暴发生在浙北地区，两次灾害性天气均是由孤立长寿命超级单体风暴所致。2天气形势与环境参数2019年3月2 1日0 8 时2 0 0 hPa上高空急流轴穿过湖南、安徽，浙江省降電区位于西南急流右侧，具备有利于强对流发生发展的高空辐散条件10 。50 0 hPa重庆至贵州地区有一个冷槽，江南地区受槽前西南气流控制。8 50hPa上中南半岛至江西存在一条16 18 ms-1的西南急流带，浙江省处在急流带出口风速辐合区内。50 0 hPa槽前的西南急流与低层850hPa的弱风区几乎重叠，表明浙江中部地区存在深厚的垂直风切变，有利于对流的维持和增强。同时8 50 hPa切变线和地面冷锋在浙江省中部，表明该地区低层存在水平辐合，在不稳定层结和水汽具备的条件下有利于触发对流系统。2020年3月2 1日0 8 时强对流发生前，2 0 0hPa上云贵地区一苏皖地区存在一支风速在7 0ms以上的高空急流轴8 50 hPa切变线位于山东一河南一带，整个浙江处于西南暖湿气流中，气温一路走高，杭州、绍兴、宁波等地气温已超30，堪比夏天。同时7 0 0 hPa和8 50 hPa两广地区至江西存在一条16 2 0 ms1的西南急流带，浙江北部地区处在低空急流轴的左前端风速辐合区内，辐合区与2 0 0 hPa的辐散区正好重叠，这种高低空急流耦合作用加强了大气的抽吸作用，从而加剧垂直上升运动，有利于强对流的发生发展。环境物理量参数能够反映大气的对流不稳定性、水汽、能量和垂直风切变等信息，物理量的大小决定了对流发展的程度。2 0 19 风暴3月21日0 8 时洪家站探空图上（图1a），8 0 0 h Pa 以下温度露点差很小，空气接近饱和，湿度层厚度约为2 km，8 0 0 h Pa 以上温度露点差逐渐变大，500hPa以上温度露点差增大至15 30，说明对流层中上层有干冷空气的人侵，“上干下湿”的层结配置有利于气层不稳定度增大。由于上游洪家站对流的发展，消耗了一定的有效位能，因此有效位能（CAPE）值不高，但下沉对流有效位能（DCAPE）值达到8 40 Jkg-1，有利于雷暴大风和冰的发生发展1。2 0 2 0 风暴3月2 1日0 8 时杭州站在8 50 50 0 hPa呈现出“X”形探空曲线（图1b），“干一湿一干”的配置使得大气层结不稳定度增大。对流有效位能在0 8 时为0，由于白天大气热力、湿度条件等发生变化，象江第45卷浙44CAPE值14时上升到430 Jkg-1，使大气积聚了一定的能量。抬升指数(LI)是表征条件性稳定度的指数，此时探空显示杭州站LI为-2，表明大气层结处于不稳定状态。垂直风切变对于强对流天气的发生起着至关重要的作用，Waldvogel12和Witt等13 指出，深层垂直风切变超过2 0 2 5ms将有可能发展成为相对稳定且具有较长生命史的超级单体，2 0 19 风暴洪家站和2 0 2 0 风暴杭州站0 6 km深层垂直风切变均超过30 ms-1,为强垂直风切变,非常有利于超级单体電暴的发展。强冰的产生还需要有合适的0 层和-2 0 层高度，0 层在35km，-2 0 层在5 9 kml14。2 0 19 风暴0和-2 0 层距离地面高度分别为4km和7km,2020风暴是4km和7 km，是有利于降的高度。20050200a47b5225041250-46300300-389km369km30C33-394002340024edud2021-20C5006km5006km12-10C1600600W827007003km3kmCClW&Z102kmCCL8502km85012149251km9251km1618tct100010001916-80-70-60-50-40-30-20-10010203040-80-70-60-50-40-30-20-10010203040温度/温度/图12019年3月2 1日0 8 时洪家站（a）和2 0 2 0 年3月2 1日0 8 时杭州站（b）探空图3多普勒雷达特征对比分析3.1风暴演变过程3.1.12019风暴2019年3月2 1日0 8 时强对流单体进入金华市，多普勒雷达回波最大反射率因子为6 0dBZ。0 8 时42 分对流单体加强为超级单体，最大反射率因子达到6 2 dBZ，位于宁波雷达站西南方向约18 0 km处（图2 a），相对应的径向速度图上,开始出现中气旋，旋转速度约为16 ms，根据美国俄克拉荷马州所统计的中气旋判据可知，其属于中等强度气旋。0 9 时10 分实况超级单体东移至东阳，最大反射率因子达6 7dBZ，其后侧出现弱回波通道（图2 b），表明超级单体后侧存在强的下沉人流急流，实况地面出现破坏性大风。10 时12 分超级单体进一步发展加强，位于新昌东南约2 0 km处，最大反射率因子达6 9 dBZ，0.5仰角6 0 dBZ以上强回波区出现了明显的钩状回波（图2 c），钩状回波是超级单体在雷达图上常见的特征之一。超级单体前进方向左前侧出现“V”形缺口，表明有较强的暖湿气流进人上升气流区，有利于超级单体的维持和发展。10 时12 分径向速度图上，与超级单体相对应的位置存在尺度约2 0 km的中气旋，旋转速度约为16 ms-l，距离宁波雷达站90km。10 时57 分超级单体移动至宁海和象山之间，位于宁波雷达站南偏东7 0 km处（图2 d），钩状回波和“V”形缺口清晰可见，最大反射率因子出现在钩状回波北侧，达到7 4dBZ。沿6 0dBZ强回波区径向上出现5 10 dBZ的异常回波，即三体散射回波（TBSS），长度约为15km，实况在宁海、象山等地出现了直径为8 2 0 mm的冰電。3.1.22020风暴2020年3月2 1日16 时30 分对流云团从杭州临安横穿城区至萧山附近，最大反射率因子期陶俞锋，省春季两次超级单体致过程对比分析第45增强到6 5dBZ,并出现旁瓣回波（图3a）。17 时06分宁波站雷达回波图上显示（图3b），实况对流单体位于绍兴越城区内，已加强成为超级单体A，最大反射率因子达7 2 dBZ，并呈现出钩状回波结构，在其后侧有明显的弱回波通道，表明超级单体后侧存在强的下沉人流急流，在强回波核心区6 0 dBZ沿径向的延长线上出现由地面散射造成的TBSS,Lemon15指出在观测到三体散射后10 30 min地面可能出现大于2 5mm的降電，实况在柯桥、上虞、余姚等地出现了最大a弱回波通道客安永康仙店d万KZ9P钩状回波TBSS临海图22019年3月2 1日实况0.5仰角基本反射率因子图（a.08时42 分、b.09时10 分、c.10时12 分、d.10时57 分）aD弱回波通道钩状回波诸登dZ9P8948888TBSS弓状回波图32020年3月2 1日实况0.5仰角基本反射率因子图(a.16:30、b.17:0 6,c.18:12、d.19:0 6)象江第45卷浙46直径为40 mm的大冰。同时在超级单体A西南侧6 0 km处有一新的对流单体发展，中心强度为6 0 dBZ,组织结构比较松散，在速度图上没出现中气旋，未达到超级单体级别。18 时12 分超级单体A移动至宁波达蓬山附近，回波结构趋于松散，已减弱为对流单体（图3c）；而原先位于杭州东的对流单体移到绍兴嵊州，发展成为超级单体B，最大反射率因子达7 0 dBZ，0.5仰角强回波区出现了明显的钩状回波，超级单体前进方向左前侧出现“V”形缺口，沿6 0dBZ强回波区径向上出现了长度约为10 km的TBSS,同时在径向速度图上（图略），出现了气旋式辐合并伴有中等强度的中气旋，旋转速度达15ms-1。19 时0 6 分超级单体B在东移过程中减弱，形成狭长的弓状回波，在宁海、象山等地实况出现超8 级的瞬时大风。3.2风暴垂直结构为了更清楚地显示超级单体暴的垂直结构，分别沿着低层暖湿人流穿过最强反射率因子核心作垂直剖面。由2 0 19 风暴10 时57 分沿图2 d线段AB作的垂直剖面图（图4a）可知，超级单体電暴中50 dBZ以上的强回波伸展至9km以上，远在-2 0 层等温线高度以上，呈现出典型的高悬强回波特征。剖面左侧的强回波区域对应大冰電的下降通道，回波强度超过6 5dBZ,最大回波强度达7 4dBZ,其右侧是弱回波区和位于弱回波区上面的回波悬垂以及凹进回波悬垂的有界弱回波区（BWER），水平尺度均超过2 0 km。2 0 2 0 风暴超级单体A和超级单体B的垂直剖面如图4b、图4c所示，50 dBZ以上的强回波一直向上伸展至8 km，比2 0 19 风暴较弱，但高度仍超过杭州探空站-2 0 层的高度，剖面中倾斜的强回波区域对应大冰電的下降通道，回波强度超过6 5dBZ，从6 km左右高度一直下垂到近地层，最大回波强度达7 2 dBZ，其右边同样是中低层宽广的弱回波区和位于上面的回波悬垂，它们共同构成了電云前部的斜升气流。ab12121010828.4029.40N29.40N29.40N29.40N29.40N3.0030.00N30.00N30.00N30.00N30.00N121.20E121.36E121.52E121.68E121.84E122.00E120.40E120.64E120.88E121.12E121.36E121.60EC121028.71N29.71N29.71N29.71N29.71N29.71N120.20E120.38E120.56E120.74E120.92E121.10E图42019年3月2 1日10 时57 分沿图2 d线段AB的实况基本反射率垂直剖面（a）；2 0 2 0 年3月2 1日17 时0 6 分沿图3b线段CD（b）和18 时12 分沿图3c线段EF（c）的实况基本反射率垂直剖面3.3垂直累积液态水含量VIL演变特征从图5a可知，2 0 19 风暴超级单体VIL值经历了3次突然跃增过程。从0 8 时36 分开始，VIL值逐渐增大，第一次跃增出现在0 8 时53分一0 9 时0 4分，两个体扫VIL值增加12 kgm，最大值出现在0 9 时0 4分为49 kgm。O期第陶俞锋季两次超级单体致電过程对比分析47实况为0 8 时53分一0 9 时10 分在义乌、东阳等市先后出现了冰電，冰電降落后VIL值下降明显。第二次跃增出现在10 时0 6 分一10 时17分,VIL值由31kgm-2增大至47 kgm-,两个体扫增加了16 kgm-，此时在新昌、天台出现了5 10 mm的冰電，10 时17 分之后VIL值快速下降。第三次跃增最为明显，出现在10 时57分一11时0 2 分，一个体扫VIL值增加了2 0kgm-,超级单体在雷达径向上出现了TBSS，10时50 分一11时0 8 分宁海、象山等地实况出现了8 2 0 mm的冰雷。2020风暴超级单体A在15时54分一16时12 分VIL值逐渐增大（图5b），最大值出现在16 时12 分为41kgm-，实况为在杭州富阳地区出现了5 10 mm的冰電。17 时一17 时12分VIL值出现了跃增，从32 kgm-升到42kgm,两个体扫增加了10 kgm-,此时对应的雷达图上出现了钩状回波、“V”形等特征。5545ab5040(zu.8)/IA(2-u.3y)/TIA453540303530252520L：890:0167:010t:01IS:0100:9190:9121:9181:91906:9196:91tS:9181:L1888时刻时刻45C40(z_u.8X)/TI353025208t:91tS:9100:Z06:8196:8188t:817888时刻图52019年3月2 1日（a）和2 0 2 0 年3月2 1日（b.超级单体A、c.超级单体B）垂直累积液态水含量VIL的演变图(单位：kg m-)超级单体B从16 时42 分开始（图5c），云中垂直液态水含量逐渐累积，到17 时0 6 分达最大为41kgm-。实况为17 时0 6 分17 时18分在桐庐、诸暨先后出现了冰，冰電降落后VIL值下降显著。18 时12 分之后超级单体B径向出现TBSS,18时18 分一18 时42 分VIL值再次逐渐上升，到18 时42 分达最大为42kg m2O4结语本文利用NCEP再分析资料、浙江省自动站数据以及多普勒雷达监测产品，对2 0 19 年3月2 1日和2 0 2 0 年3月2 1日两次长寿命超级单体风暴的演变、环境参数及风暴的结构特征进行了对比分析，主要结论如下。(1)2019风暴产生于高空急流轴右侧和低层切变线相重叠的区域，2 0 2 0 风暴发生在高空急流右侧和低空急流左前侧相重叠的区域，两者均为高空辐散和低空辐合的流场配置加强了大气抽吸作用，为强对流提供了有利的动力抬升条件。(2)2019风暴浙中南沿海地区为上干下湿”的层结配置，2 0 2 0 风暴浙北地区上空为“干一湿一干”的配置，都有利于大气层结不稳第45卷象江浙48定性增大。两次风暴0 6 km强垂直风切变有利于强对流维持和发展，同时适宜的0 和-20层高度有利于降電。两次过程相比而言，2 0 2 0 风暴具有较大的CAPE和LI值。（3）2 0 19 和2 0 2 0 风暴共同特征是强度强，历时长，致灾重，成熟阶段具有超级单体风暴特征。历时都超过3.5h，都产生了强冰和破坏性大风天气。结合多普勒雷达监测产品，回波上均呈现出钩状回波、持久深厚的中气旋、“V”形缺口和三体散射现象。（4）两次过程有50 dBZ的强回波发展加强并维持,2 0 19 风暴强回波伸展高度高于2 0 2 0风暴1km，但均超过-2 0 层高度。垂直剖面上两次风暴都表现出典型的高悬强回波、回波悬垂和有界弱回波区。（5）垂直累积液态水含量VIL值1 2 个体扫后出现快速增大、然后突然减小的现象，可以作为冰電预警的指标之一，同时冰指数也可作为冰雷预警的一个重要参考。参考文献：1黄艳，裴江文，胡素琴，等.新疆喀什两次超级单体致风暴特征对比分析J.气象科学，2 0 13,33（6）：6 9 3-7 0 0.2张玉洁，苑文华，张武.两次长寿命孤立超级单体风暴结构差异性分析J.高原气象，2 0 19,38（5）：10 58-10 6 83刘云，郭飞燕.两次长寿命非超级单体孤立强风暴多普勒天气雷达观测对比分析J.海洋气象学报，2 0 19，39(4):124-132.4吴福浪，杨丽敏，蒋迪，等.一次致灾超级单体暴过程数值模拟和发展机制分析J.气象科技，2 0 2 1，49（1）：86-94.5杨波，孙继松，刘鑫华.两类不同风灾个例超级单体特征对比分析J.气象学报，2 0 19,7 7（3）：42 7 441.6陈秋萍，陈齐川，冯晋勤，等.“2 0 12.4.11”两个强降霍超级单体特征分析J.气象，2 0 15,41（1）：2 5-33.7吴海英，陈海山，刘梅，等.长生命史超级单体结构特征与形成维持机制J.气象,2 0 17,43（2）：141-150.8吴福浪，董群，白松竹，等.浙江“0 3.2 1”致灾强冰霍的超级单体风暴过程分析J.浙江气象，2 0 2 0，41（4）：38 439高晓梅，马守强，王世杰，等.山东两次强对流天气雷达特征及环境场对比J.气象科技，2 0 18,46（6：118 8-12 0 0.10程鹏，陶健红，张新荣，等.高空西风急流对祁连山区降水的影响J.气象科技，2 0 0 7,35（4）：48 9 49 4.11雷蕾，孙继松，魏东.利用探空资料判别北京地区夏季强对流的天气类别J.气象,2 0 11,37（2）：136-141.12Waldvogel A,Federer B,Grimm P.Criteria for the detec-tionof hail cellsJ.JApplMeteor.,1979,18(12):1521-1525.13Witt A,Eilts M D,Stumpf G J,et al.An enhanced haildetection algorithm for the WSR-88DJ.Wea.Forecas-ting,1998,13(2):286-303.14农孟松，祁丽燕，黄海洪，等桂西北一次超级单体风暴过程的分析J.气象,2 0 11,37（12）：1519-152 5.15 Lemon L R.New severe thunderstorm radar identificationtechniques and warning criteria:A preliminary report R.NOAATech.Memo.NWS-NSSFC1,1977:1-60.