引言

超级单体作为局地对流风暴发展的一种最猛烈的形式, 一直是众多气象学家研究的热门对象。Marwitz^[1]以及Chisholm^[2]正式提出将超级单体作为局地对流风暴的一种类型。Browning^[3]将超级单体定义为具有中气旋的对流单体。

中国对超级单体风暴进行了一些研究。刘洪恩^[4]在1976 —1984年间利用711雷达的观测结果, 对北京地区的超级单体、类超级单体等进行了研究。王昂生和徐乃璋^[5]研究了若干个超级单体个例。目前中国多普勒雷达的高灵敏度和测速功能为局地强风暴的研究提供了良好的条件。不少站点已经观测到一些超级单体和相应的中尺度气旋的例子^[6-8]。郑媛媛等^[9]对2002年5月发生在皖北地区的一次典型的超级单体风暴过程进行了分析。葛润生等^[10]研究了一次雹暴的反射率因子和流场结构。本文利用广州S波段多普勒雷达资料对影响粤西地区的一次强对流天气进行分析。

1 天气实况

2004年7月1日夜间, 粤西地区出现了一次强对流天气过程。其中, 有一个超级单体对肇庆市部分地区造成严重影响。该风暴历时约2h, 自东北向西南移动了约100km, 风暴路径如图 1所示。肇庆市东南部测站和部分自动站普遍出现大风、强雷雨。四会站20：38出现27.9m·s^-1大风, 20：30 —21：20降雨量达42.7mm; 与肇庆市城区一河之隔的高要站21：42出现38.1m·s^-1的瞬间极大风速, 打破34 m·s^-1的历史极值, 21：24 —21：45持续出现8级以上大风, 造成较大损失。天气实况见表 1。

2 天气背景

2004年7月1日20时, 台风蒲公英中心位于23.3° N、121.7 ° E, 即台湾省花莲南方约385km的洋面上。1日20时500hPa图上, 西北太平洋副热带高压受台风影响断裂成两环, 分别位于东海和贵州、湖南, 广东受台风外围东北下沉气流控制, 风速达12 ~ 16m·s^-1; 850hPa图上, 广东为6m·s^-1的偏北气流; 地面图上, 华南地区位于四川高压和台风低压之间, 粤东是偏北气流, 粤西是偏南气流, 风速为2 ~ 4 m·s^-1, ΔP₃均为负值; 肇庆市附近出现一个尺度约150km的气旋式涡旋, 为局地强对流的发生提供了很好的中尺度环流背景。

由500hPa、850hPa和地面图可见:1日20时粤西地区地面为西南风, 850hPa为偏北风, 500hPa为东北风, 风速随高度增加, 风向顺转, 特别是地面到850hPa之间风向顺转幅度最大图2, 见彩页), 利于右移超级单体风暴的产生^[3]。

对流风暴经过的肇庆市区域处于广西梧州和广东清远两市之间。图 3给出了1日20时梧州和清远的探空曲线和自地面绝热上升的气块状态曲线。梧州和清远代表对流有效位能数值的黑色区域比当日08时明显增大。两地Ek值分别增加了5成和2倍。清远Si指数由-3.2骤降到-8.7。从6月28日开始, 肇庆市各地持续出现35 ℃以上高温, 最高气温逐日攀升。7月1日, 高要站出现入夏以来的最高气温38.3 ℃, 四会站达37.8 ℃。以上表明在强对流天气发生前, 大气积累了相当的不稳定能量。

3 多普勒雷达资料分析

7月1日19时, 在清远和广西贺州境内各有一块约40km的孤立回波(图4a, 见彩页)不断加强并向偏南移动, 进入肇庆市北部。20时左右连成长约100km、宽40km的带状中尺度对流系统。

20：02 (图4b, 见彩页), 对流系统中有2个发展比较强盛的对流单体, 右边一个在肇庆市的广宁县与清远市交界处, 左边一个在怀集县境内。右边的对流单体最强, 3.4°仰角的最大反射率因子达55dBz。在右边单体南边约50km处另有一小孤立对流单体。

20：33 (图4c, 见彩页), 右边单体移至四会, 变得更强盛, 其前进的右后侧出现突出物, 开始呈现钩状回波特征。三个对流单体已经逐渐连成一片。相应径向速度图(图5a, 见彩页)上出现一个旋转速度约为12m·s^-1的弱中气旋^[11], 按刘洪恩的分类^[12]可以看作为一个类超级单体。超级单体南边出现两条明显的出流边界, 分别位于钩状回波的西南和东南。据此判断风暴在20：30左右发展成超级单体。此时, 四会测站出现大风和强雷雨。

风暴继续向西南移动, 21：30移至肇庆城区和高要测站附近, 强度达到顶峰(图4d, 见彩页), 高要测站出现12级以上大风和强雷雨。21：34, 0.5°仰角反射率因子图(图6a1, 见彩页)上, 钩状回波并不很明显; 速度图(图6a2, 见彩页)表现为弱切变。1.5°仰角反射率因子图(图6b1, 见彩页)上, 强回波区西部强度比0.5°仰角大; 速度图(图6b2, 见彩页)呈现出弱中气旋, 旋转速度约为12m·s^-1, 该强度一直持续至21：46左右。在3.4°仰角反射率因子图(图6c1, 见彩页)上, 钩状回波结构最为明显, 最强回波区(大于55dBz)在钩状回波上, 正好位于肇庆城区和高要测站附近; 速度图(图6c2)表现为辐散区。在6. 0°仰角反射率因子回波(图6d1)成羽毛状, 强回波(50dBz)中心位于东侧。沿平行入流方向并通过反射率因子核心区的反射率因子垂直剖面图图2)上, 回波顶高约16km, 出现水平尺度约4 ~ 5km的有界弱回波区BW ER和其左侧的回波墙, 反射率因子核心区(大于45dBz)位于BW ER左侧, 从9km左右高度一直扩展到低层, 最强区域(55 dBz)在回波墙下部(3km以下)。

至22：04, 钩状回波和中尺度气旋特征持续了约1.5h后, 减弱消失(图4e和图5c)。期间对流层的大致风向为东北偏北, 风暴的移动方向在盛行风向的右侧30°左右, 是右移超级单体风暴。

22：23以后风暴迅速减弱, 这次强对流天气过程结束。

4 高要测站在超级单体过境前后各气象要素变化

超级单体过境时, 会引起当地气压涌升、气温骤降、相对湿度陡升、风向突变、风速猛增等气象要素的强烈变化, 出现强风、强雷雨等天气现象。表 2和图 7所示, 这个风暴也具有以上特征。21：00—22：00, 高要测站1h内, 海平面气压上升了2.5hPa, 气温急降了6.8 ℃, 相对湿度增大16 %, 风向风速发生了突变。

5 关于没有出现冰雹问题的讨论

超级单体常会造成冰雹、龙卷、大风和暴洪。据高要、四会站记录, 这次过程只出现大风和强雷雨, 测站和附近自动站并没有冰雹出现, 可能原因是:由1日20时梧州、清远站探空资料可见, 环境大气0 ℃层高度约在5.5km, -20 ℃层约在8.8km。在垂直剖面图图2)上, 风暴反射率因子核心区(大于45dBz)在8.8km以下, 而且最强区域(55dBz)集中在3km以下。胡明宝等^[13]指出:影响冰雹生长的重要因子是适宜的0 ℃和-20 ℃层高度。0 ℃层高度在4km (600hPa)上下, -20 ℃层高度在7. 5km (400hPa)附近或以下。这次强对流天气过程中, 0 ℃和-20 ℃层大致高度均高于适宜冰雹生长的高度, 不利冰雹产生。

Johns与Doswell^[14]指出, 降雹与深对流有关。在对流层下部有足够的潮湿层是达到深对流的必备条件。从当日高空观测资料来看, 对流层各层的温度露点差均在3.0 ℃以上, 对流层下部没有足够的潮湿层, 不利冰雹生成。强上升运动是冰雹发生发展的必要条件。当时从地面至500hPa层, 风垂直切变为3.3 ×10^-3 s^-1, 数值不大, 不利冰雹产生。

6 结束语

(1) 这是一次受台风外围影响, 由超级单体风暴引起的局地强对流天气过程。地面图上尺度约150km的气旋式涡旋为局地强对流的发生提供了很好的中尺度环流背景。在大气低层, 风向随高度顺转, 风速增大, 特别是在地面到850hPa之间风向顺转幅度最大, 利于右移超级单体风暴的产生。

(2) 这个超级单体具有钩状回波特征, 并在单体南边出现两条明显的出流边界, 相应径向速度图上伴有弱中气旋。超级单体结构特征包括钩状回波和中尺度气旋总共持续约1.5h。期间对流层的大致风向为东北偏北, 风暴的移动方向在盛行风向的右侧30°左右, 是右移超级单体风暴。

(3) 这个超级单体过境时, 测站气压涌升、气温骤降、相对湿度陡升、风向突变、风速猛增, 并出现强风、强雷雨。

(4) 这次过程只出现大风和强雷雨, 并没有冰雹, 可能原因是:当时0 ℃和-20 ℃层大致高度均高于适宜冰雹生长的高度; 对流层下部没有足够的潮湿层; 从地面至500hPa层, 风垂直切变不强。