2021, Vol. 47 
2. 云南省曲靖市气象局，曲靖 655000
2. Qujing Meteorological Office of Yunnan Province, Qujing 655000
超级单体风暴是所有对流风暴中组织化程度最高、发展最强烈、生命史最长的孤立深对流风暴，Browning(1962)首先提出超级单体的雷达反射率因子特征如钩状回波、中空弱回波区、有界弱回波区等。Donaldson(1970)提出了超级单体“龙卷气旋”的旋转性特征，俞小鼎等(2006)研究指出，风暴中上升运动与环境风垂直切变的相互作用可以产生稳定旋转, 加强风暴中的垂直涡度, 导致风暴中形成深厚的中尺度气旋。在用雷达探测出现大冰雹的超级单体时, Wilson and Reum(1988)、Zrnic′(1987)等研究发现大冰雹粒子对雷达波束的非瑞利散射会造成虚假回波，Lemon(1998)将此现象定义为“三体散射长钉”(TBSS)，并通过对一系列大冰雹过程TBSS的研究，认为TBSS是探测大冰雹的充分但非必要条件。对不同地区超级单体风暴过程的物理量特征进行研究发现，水汽条件、不稳定条件、垂直风切变和中尺度抬升机制等关键因素的变化是超级单体强对流天气发生发展的重要条件(Weisman and Rotunno, 2000；张桂莲等，2018；朱江山等，2015；曾明剑等，2016)。俞小鼎等(2008)、郑媛媛等(2009)、胡胜等(2006)、潘玉洁等(2008)、刁秀广等(2008)、张一平等(2012)、戴建华等(2012)、周后福等(2014)、王易等(2019)、杨波等(2019)、张玉洁等(2019)在多普勒雷达回波上针对超级单体的旋转特征、雷达反射率特征等开展了深入研究。强对流天气预报业务中常把雷达回波上出现TBSS、垂直积分液态水含量(VIL)跃增、中气旋、垂直剖面的有界弱回波区、悬垂回波、回波墙作为大冰雹的预警指标(朱敏华等，2006；廖玉芳等，2007；赵俊荣等，2011；冯晋勤等，2012；郑艳等，2014；陈秋萍等，2015)。超级单体的中气旋一般表现为气旋式辐合，但不同移动路径的超级单体风暴中气旋出现的位置和特征有显著差异，左移超级单体风暴的中气旋呈反气旋式辐合特征，弱回波区和旁瓣回波及强回波中心位于移动方向左侧(伍志方等，2014；付双喜等，2014)。不同地区超级单体风暴的移动路径、演变、中气旋、TBSS特征及强对流天气也有显著差异(汪应琼等，2013；牛奔等，2016；赵桂香等，2017；翟丽萍等，2018；赵庆云等，2017)，如何炳伟等(2018)对常德强雹暴三体散射统计分析发现，反射率因子强度越强，越易产生TBSS，风暴相对雷达位置和移动方向影响TBSS。
云南地形复杂，强对流天气较多(尹丽云等，2010；2012；张腾飞等，2006；2013)，夏季台风低压减弱西行为云南出现超级单体强对流天气形势之一(张杰和张腾飞，2019)，云南超级单体雷达回波特征的已有研究中多为回波强度、回波高度的演变分析，对多次降雹的超级单体风暴长时间维持中气旋、TBSS特征的研究相对较少。本文结合物理量场和多普勒天气雷达资料，对2017年8月23日发生在滇中地区的一次台风低压西行出现多个超级单体的强对流风暴多普勒雷达回波演变特征进行深入分析，探讨云南超级单体风暴的TBSS、雷达回波垂直结构等特征，为冰雹强对流的预警预报提供科学依据。
1 资料及数据雷达资料取自昆明雷达站的CINRAD/CC多普勒雷达，雷达波长为5 cm，天线海拔高度为2 515 m，扫描半径为150 km，资料为连续VPPI观测，数据平均间隔时间为6 min，每个VPPI资料共14层；冰雹资料取自云南省气象灾情直报系统、天气形势场资料来自MICAPS客观分析场资料、FNL 1°×1°全球再分析资料来自美国国家环境预报中心(NECP)/美国国家大气研究中心(NCAR)，地形数据来自于SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)航天飞机雷达地形测图任务得到的数字地形高程模型(DEM)的SRTM3数据，其空间分辨率为3 s, 高程基准为EGM96的大地水准面，平面基准为WGS84，标称绝对高程精度为±16 m，绝对平面精度为±20 m。
2 天气实况、环流形势和物理量特征 2.1 天气实况2017年8月23日11—16时(北京时，下同)，受第13号台风天鸽减弱西行影响，云南中部多个中尺度对流系统(MCS)自东向西移动过程中，玉溪市的红塔区、峨山、通海、新平、元江和红河石屏县的部分乡镇先后遭受雷电、暴雨、大风和冰雹灾害袭击(图 1，表 1)，从区域自动站资料显示，12:50—15:45共有13个测站监测到6级以上大风，峨山自动站于13:42出现21.1 m·s-1的9级大风，通海自动站于14:12出现20.3 m·s-1的8级大风。短时强降水主要出现在12—16时，玉溪自动站13—14时的小时雨量为32 mm，通海高大站14—15时的小时雨量为38.5 mm，石屏县牛街站15—16时小时雨量为47.1 mm。4个站点监测到直径8 mm以上的冰雹, 红塔区小石桥乡、峨山双江街道、通海县高大乡、石屏牛街镇分别在13:00—13:12、13:44—14:15、14:31—14:37和15:01—15:17出现直径为5~20 mm冰雹。此次强对流过程共导致7个县、区农作物受灾面积为42.19 km2，其中烤烟受灾面积为25.64 km2，直接经济损失为1.2亿元。
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图 1 2017年8月23日11—16时云南中部强对流风暴移动路径和强对流天气实况 (阴影为降水，三角为中气旋，圆点为>17.2 m·s-1大风) Fig. 1 Moving path of severe convective storm and distribution of severe convective weather in central Yunnan in 11:00-16:00 BT 16 August 2017 (shaded: precipitation, triangle: mesocyclone, dot: wind speed >17.2 m·s-1) |
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表 1 2017年8月23日强对流风暴过境出现降水、大风、冰雹站点及时间 Table 1 Stations and time chart of precipitation, strong wind, hail during the severe convective storm on 23 August 2017 |
导致此次超级单体发生的大尺度环流形势为“天鸽”减弱为热带低压，沿副热带高压(以下简称副高)南侧西行，沿地形爬升形成强烈不稳定层结，高层弱冷空气渗透，中低层低压北侧偏东气流向云南输送高温高湿能量所致。利用NECP(1°×1°)逐6 h再分析资料对此次强对流过程分析可见，2017年8月23日08时(图 2a)500 hPa“天鸽”减弱为热带低压，沿25°N副高脊线(588 dagpm)南侧向西移动，台风低压倒槽明显，贵州—云南东部存在东风急流，急流出口区位于广西、贵州西部和云南东部地区，40°N以北中高纬横槽缓慢东移，槽后冷空气南下不明显，700 hPa上云南大部地区为副高脊线(588 dagpm)控制，以偏东风为主，850和500 hPa温度差(T850-500)小于26℃，中低层环境温度垂直递减率小，条件静力不稳定度小，不利于强对流天气的发生(吴芳芳等，2013)。23日14时(图 2b)热低压中心西移至24°N、112°E，倒槽向广西西南部—云南中部西伸明显，东风急流加强，急流出口区位于云南中南部地区，在云南玉溪、昆明形成明显风速辐合，700 hPa上滇中地区相对湿度由08时的70%增加至90%(图略)，表明随着热带低压不断西行，偏东气流输送的水汽不断向云南中部汇聚。同时副高减弱东退，横槽在逐渐东移过程中转竖，槽后偏北气流携带了部分弱冷空气南下，从14时的T850-500变化可以明显看到，T850-500≥28℃的范围呈舌状向南延伸至台风低压前侧，T850-500大值中心与急流出口区基本重合，温度垂直递减率加大。许爱华等(2014)研究指出，上干冷、下暖湿的不稳定层结导致低层气层增温增湿明显，与上层的温、湿度差越来越大，大气温、湿度垂直递减率增加，低层空气负浮力增强，容易出现冰雹、大风等强对流天气。14时高层南下的弱冷空气和中低层台风低压前侧偏东急流带来的暖湿气流刚好形成上干冷、下暖湿的结构配置，有利于不稳定层结和对流天气的发生发展。
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图 2 2017年8月23日08时(a)、14时(b)环流形势综合配置 (粗黑实线为低压倒槽线；黑色实线为500 hPa高度场，单位：dagpm；箭头为700 hPa风场，单位：m·s-1；阴影为T850-500，单位：℃) Fig. 2 Comprehensive configurations of weather circulation situation at 08:00 BT (a) and 14:00 BT (b) 23 August 2017 (Black thick solid line is the trough of typhoon depression; black solid line is the height field at 500 hPa, unit: dagpm; vector is the wind field at 700 hPa, unit: m·s-1; the shaded is T850-500, unit: ℃) |
可见减弱的热带低压在沿副高南侧西行中，低压前侧东北急流与不断南下的中高纬槽后冷空气形成强烈不稳定，激发的强对流沿副高588 dagpm脊线向西南方向移动，受地形影响强对流单体生消频繁，出现多次冰雹强对流过程。
2.3 物理量特征强对流过程中的水汽和凝结核要形成大冰雹粒子，必须具备以下三个环境条件：较强的不稳定层结、中低层一定的水汽条件和强烈的抬升动力条件(俞小鼎等，2006)。在抬升运动和不稳定层结条件下，水汽和凝结核在过冷水层循环增长，霰粒子通过碰并、凇附作用增长为大冰雹粒子，同时水平风垂直切变有利于抬升低空水平涡度、加强螺旋度和辐合强度，从而加强超级单体中的垂直涡旋，水平风场垂直切变的大小决定了强对流的组织程度和生命史(Goodman et al, 1988)。
图 3为沿24.36°N、102.6°E(强冰雹出现区域)的物理量特征场时间-高度剖面图，2017年8月22日14时，由于中高纬横槽在东移过程中逐渐转竖，引导槽后干冷空气南下，θse冷舌稳定维持在200~600 hPa中高层并不断向南向低层渗透，形成相对湿度 < 60%的深厚干冷层，8月23日08时冷空气势力达到最强，340 K冷中心向低层延伸至700 hPa附近，同时热带低压不断西行向云南中部推进，前侧偏东急流带来的暖湿空气势力逐渐加强，23日08时，102.6°E以东为深厚偏东气流控制，冷、暖两股气流开始在24.36°N、102.6°E附近区域交汇，23日14时，干冷空气和暖湿空气势力相当，从叠加的风场看(图 3a)，深厚的暖湿空气在西推过程中不断迫使干冷空气爬升，形成上干冷(低能低湿)下暖湿(高能高湿)的不稳定层结特征，假相当位温垂直递减率明显加大，有利于冰雹、大风和雷暴等强对流天气的发生。垂直风场上(图 3b)，从8月23日02时开始，24.36°N、102.6°E上空中层由于干冷空气入侵，500~300 hPa形成明显的下沉运动，下沉速度最大值达4.3 m·s-1。23日08时偏东急流逐渐西推至102.6°E附近，冷暖气流开始交汇形成抬升运动，700~400 hPa开始转为上升运动，14时抬升运动明显加剧，上升速度最大值达4 m·s-1。8月23日08时(图 4a)云南大部地区K指数 < 36℃，中部及以北地区0~6 km垂直风切变为24 m·s-1，达到强垂直风切变标准。农孟松等(2011)研究指出强垂直风切变有利于对流风暴的维持、加强并影响其移动路径。地面10 m风场上，风速4 m·s-1的偏东气流影响云南中部地区，表明暖湿气流开始从低层向西推进，700 hPa上水汽在云南中部及以东地区形成明显辐合，此时水汽、层结不稳定和垂直风切变中心值不吻合，强对流还没开始发展。14时(图 4b)24.36°N、102.6°E附近地面10 m偏东气流明显加强，风速加大到10 m·s-1，地面中尺度辐合线位于偏东气流出口区，与3.8×10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽通量辐合区对应，44~48℃的K指数大值中心区对应0~6 km大于16 m·s-1的垂直风切变中心区。可见2017年8月23日14时在24.36°N、102.6°E附近上空冷暖气团的交汇使得水汽条件、能量条件和抬升动力条件均有利于强对流天气的发生，垂直风切变大值区、层结不稳定高值区和水汽通量辐合区在云南中部24.36°N、102.6°E区域几乎完全重合，对应着超级单体强对流风暴的发生区域。
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图 3 2017年8月22日14时至25日02时沿24.36°N、102.6°E的(a)θse(实线，单位：K)、相对湿度(阴影)和风场(箭头，单位：m·s-1)，(b)垂直速度(单位：m·s-1)时间-高度演变 Fig. 3 Time-height evolution diagram of along 24.36°N, 102.6°E (a) θse (solid line, unit: K), relative humidity (shaded) and wind field (arrow, unit: m·s-1), (b) vertical velocity of wind (unit: m·s-1) from 14:00 BT 22 to 02:00 BT 25 August 2017 |
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图 4 2017年8月23日08时(a)和14时(b)K指数(黑色实线，单位：℃)、0~6 km垂直风切变(红色虚线，单位: m·s-1)、700 hPa水汽通量散度场(填色，单位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)、地面10 m风场(风羽，单位：m·s-1) Fig. 4 Distribution of K index (black solid line, unit: ℃), 0-6 km vertical wind shear (red dashed line, unit: m·s-1), water vapor flux divergence at 700 hPa (colored, unit: 10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1), 10 m wind (barb, unit: m·s-1) at 08:00 BT (a) and 14:00 BT (b) 23 August 2017 |
从多普勒雷达回波图(图 5)上可看出，这是一次由多个强对流单体跳跃式发展并形成超级单体的过程，为清楚反映出强对流单体的发展演变特征，按超级单体出现时间顺序对6个超级单体进行编号。11:17单单体对流回波开始在东风急流出口区前侧、海拔为1 930 m的丘陵地带发展，沿东北风急流向西南方向移动(图略)，受海拔高度不断抬升影响，对流单体回波迅速发展。11:41单体分裂为两块回波并以层云相连，南侧1号对流单体12:04(图 5a，图 6a)移至昆明雷达站东南方50 km左右并发展成熟，回波顶高为8.5 km，强回波强度为56 dBz，径向速度图上6.5 km以下出现明显辐合，2.4°~3.4°(5.8~6.4 km)仰角出现明显正负速度最大中心，核区直径为8 km，转动速度为8 m·s-1，达到弱切变标准(俞小鼎等，2006)，雷达PPI上有明显弱回波区、“V”型缺口等超级单体回波特征，反射率因子核心径向方向出现TBSS，强度场上TBSS长度为8 km，径向速度场上TBSS长度为10 km，垂直剖面上可见假尖顶回波、悬垂回波区(>55 dBz)和穹隆(图略)。当天08时昆明站探空资料显示，0℃层高度为5.5 km，-10℃层高度为7.3 km，可见此时强对流内虽有大粒子，但粒子增长区位于液态水区，强对流内粒子以液态为主，地面实况对应出现9 mm降水。出现短时强降水后对流单体向西南方向移动过程中迅速减弱消散。在其西北侧2号对流单体迅速发展，受近地面辐合线影响，加上地形抬作用，12:28该对流单体逐渐发展成熟(图 5b，图 6b)，回波顶高为12.5 km，强回波强度为59 dBz，高度为6.7 km，径向速度图上呈反气旋式辐合，最强辐合区位于6~9 km高度，上下层辐合区位置略向西北方向倾斜，表明上升气流在上升过程中倾斜，径向速度最大中心出现在4.3°(7.2 km)仰角，核区直径为6 km，转动速度为9 m·s-1，仍为弱切变特征。对流单体前侧存在弱回波区、“V”型缺口等超级单体回波特征，4.3°仰角上反射率因子核心径向方向的TBSS最长，径向速度场上其长度达到13.5 km，多普勒雷达探测粒子时，雷达电磁波在空中大粒子与地面之间会出现多次散射并返回雷达天线接收机，散射导致路径延长，长钉长度远远长于估计距离，说明在该处粒子开始融化，散射或反射能力极强，旁瓣回波位于8.6 km也证实了这一结论(俞小鼎等，2006)，垂直剖面上强回波核(>55 dBz)呈直立状特征，不利于中尺度涡旋长时间维持。12:34强对流单体在强降水后迅速减弱，并与后部多个单体合并为一个块状多单体回波，块状回波东南侧的3号对流单体迅速发展，12:57，3号对流单体移动到距离雷达站80 km左右的红塔区小石桥镇附近并逐渐发展成熟，13:03达到成熟阶段(图 5c，图 6c)，回波顶高为16.5 km，可见标准超级单体的“V”型缺口、TBSS、旁瓣回波等特征，最大反射率强度为60 dBz，高度为7.4 km，强回波核位于过冷水区。与12:28相比，该时次1.5°~6.0°(5.2~10.9 km)仰角上均可见清晰TBSS特征，旁瓣回波最大径向速度为-22.3 m·s-1，3.4°仰角上反射率因子的TBSS长度明显加大，径向速度的TBSS长度明显增加，但宽度维持不变，0.5°~6.0°仰角上强回波核的垂直分布呈前倾结构特征，正负速度最大中心出现在3.4°仰角，核区直径为7 km，转动速度为18 m·s-1，达到弱中气旋标准，可见气流呈涡旋状倾斜上升，有利于强对流单体的持续发展，4.3°仰角上中气旋的正速度值明显小于2.4°仰角上的正速度值，此时冰雹区开始下降，13:03玉溪红塔区小石桥镇出现冰雹，冰雹直径为15 mm，持续时间为12 min，13:21对流单体持续降雹，西南移动并减弱。块状多单体则在移动过程中持续受小丘陵地形的抬升作用影响，东南侧和西北侧又有对流单体生成并快速发展。13:44东南侧的4号对流单体发展成熟(图 5d，图 6d)，单体的强回波直立状特征明显，最强为59 dBz，高度为6.6 km，回波顶高为13.3 km，径向速度图上6 km以下出现反气旋式辐合，1.5°~2.4°仰角出现明显正负速度最大中心，核区直径为8.6 km，转动速度为15 m·s-1，PPI上反射率因子核心等距离圈上出现旁瓣回波、径向方向出现TBSS特征，辐合高度偏低，不利于粒子循环增长，垂直剖面上假尖顶回波和旁瓣回波明显，但无明显穹隆，峨山小街镇地面实况出现5 mm冰雹和短时强降水。13:50强对流单体开始减弱消散，块状回波西北侧的5号对流单体快速发展成熟，14:02距离雷达站100 km左右，5号对流单体发展为典型超级单体回波(图 5e，图 6e)，强回波强度为60 dBz，回波顶高为15.1 km，旁瓣回波强度达25 dBz，径向速度场上7 km以下出现明显辐合，7 km以上出现明显辐散，1.5°~4.3°仰角出现明显正负速度最大中心，核区直径为8.5 km，转动速度为18.5 m·s-1，达到中气旋标准，强对流回波前侧有明显弱回波区、“V”型缺口，反射率因子核心的径向方向出现TBSS，2.4°~3.4°仰角TBSS长度为10.3 km，垂直剖面上旁瓣回波特征比假尖顶回波特征显著，零速度线由低层向高层后倾，底层入流倾斜上升，有利于强对流超级单体长时间维持，造成峨山塔甸镇出现持续时间为15 min、直径为20 mm的降雹。14:20超级单体开始减弱消散，块状回波在西南移动过程中逐渐与两侧的块状回波合并，形成一条“弓”状飑线回波带，飑线南段对流单体发展旺盛。14:31距离雷达站南侧120 km、位于通海县高大乡飑线南侧的6号强对流单体发展为具有超级单体特征的强对流回波(图 5f，图 6f)，回波强度为57 dBz，回波顶高为15.3 km，1.5°仰角出现气旋式辐合，正负速度最大中心核区直径为9 km，转动速度为11 m·s-1，表明低层存在弱辐合切变，反射率因子核径向方向的TBSS延伸至3.4°仰角高度，2.4°仰角TBSS的径向速度长度最长(10 km)，3.4°仰角TBSS长度明显减小，该高度层开始转为辐散。垂直剖面上同样出现旁瓣回波、假尖顶回波、穹隆等典型超级单体特征，径向速度垂直剖面上零速度线较为平直，低层辐合倾斜特征不明显，不利于大冰雹粒子的生长，14:31—14:37通海县高大乡出现持续5 min、直径为8 mm冰雹和大风、短时强降水。降雹后飑线南段单体回波生消频繁，15:01在石屏县3个乡镇出现持续10 min、直径为6 mm的降雹，随后以大风和短时强降水为主，该时刻回波移出雷达探测范围，不做详细讨论。
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图 5 2017年8月23日昆明多普勒雷达2.4°仰角基本反射率因子和叠加的地闪分布 (a)12:04，(b)12:28，(c)13:03，(d)13:44，(e)14:02，(f)14:31 (“+”“－”分别表示相应回波前6 min正、负地闪，雷达探测范围为150 km) Fig. 5 Distribution of Kunming Doppler radar base reflectivity factor at elevation 2.4° with superposed CG flashes on 23 August 2017 (a) 12:04 BT, (b) 12:28 BT, (c) 13:03 BT, (d) 13:44 BT, (e) 14:02 BT, (f) 14:31 BT ('+' and '-' represent negative and positive CG flashes of corresponding radar echoes in first 6 min of scan time, respectively; scan radius is 150 km) |
从上述分析可见，受减弱台风低压前侧东北急流和弱冷空气辐合影响，强对流单体开始在玉溪市西北侧生成，向西南方向移动过程中，单单体回波逐渐演变为块状多单体和“弓”状飑线，其中的6个强对流单体发展为超级单体。6个超级单体沿最大反射率核心径向方向均出现TBSS特征，但仅有3次出现冰雹，与俞小鼎等(2006)的TBSS特征只作为超级单体出现冰雹的必要性条件而不是充要条件的说法一致。强度场上TBSS特征与径向速度场上TBSS相比偏弱，何炳伟等(2018)研究指出，反射率因子上TBSS具有明显方位分布特征，当风暴单体移动方向在雷达径向投影分量存在与雷达径向外侧方向相同的分量时，风暴下风方存在覆盖TBSS特征的真实回波，导致强度场上TBSS特征偏弱，此次强对流过程的移动方向为自东北向西南，风暴单体移动方向在雷达径向投影的分量与雷达径向外侧方向相同，造成强度场上TBSS特征偏弱；另一个原因可能与TBSS的回波强度一般≤20 dBz，同时反射率仅显示5 dBz及以上回波强度有关。出现超级单体特征的强对流回波涡旋特征明显，13:03和14:02超级单体内最大速度对的转动值达到中气旋标准，其余时次均为弱切变特征，超级单体内最大速度对的转动值超过10 m·s-1时次均出现不同程度冰雹。
3.2 超级单体垂直结构特征分析此次强对流过程分别在12:03、12:28、13:03、13:44、14:02、14:31出现超级单体特征(12:03、12:28的1号、2号超级单体未降雹、13:44、14:31的4号、6号超级单体出现小冰雹、13:03、14:02的3号、5号超级单体出现大冰雹)，选取12:28、13:03、14:02、14:31四个时次的2、3、5、6号超级单体，沿图 5红线做剖面，四个时次反射率因子剖面上，最大强度均超过58 dBz，回波核明显，均出现明显假尖顶回波、TBSS，回波顶高超过12.5 km，径向速度剖面上，均表现出低层辐合、高层辐散特征(图 7)。12:28的2号超级单体强回波区(>50 dBz)呈直立状特征，59 dBz反射率因子核心高度为6.7 km，低于-10℃层高度，质心高度偏低，强回波未出现悬垂回波特征，TBSS特征偏弱，旁瓣电磁波对粒子的探测功率偏低，反映了强对流单体内粒子偏小，径向速度剖面上，从底部3 km向上延伸到8 km有径向速度辐合区，8~11 km为高层径向速度强辐散区，辐合辐散区宽度较窄，零速度线呈直立状特征，表明此时强对流单体低层入流的旋转上升特征不明显，不利于超级单体的长时间维持发展，12:34超级单体特征迅速消失，地面实况以强降水为主表明超级单体典型特征的出现并不是出现冰雹过程的充分必要条件。13:03的3号、14:02的5号超级单体的垂直剖面特征也基本相似，悬垂回波、弱回波区、回波墙特征明显，强回波区自低层到高层向低层入流一侧略有前倾，回波悬垂，>55 dBz强反射率核区位于回波悬垂上方-10℃层区域，50 dBz强回波高度达10 km，高于-20℃层高度(9.1 km)，呈现出高质心的雹暴结构，径向速度剖面上，10 km左右三体散射特征显著，从底部至8~10 km出现明显径向速度辐合区，零速度线向后倾斜，表明低层入流的旋转辐合上升特征明显，高层10~14 km为高层径向速度强辐散区，中低层倾斜上升辐合高层辐散的强烈抽吸作用有利于上升运动的发展和长期维持，其中14:02径向速度剖面上可见超级单体后侧近地面有下沉气流，强烈的辐散风出流迫使后侧暖湿气流强迫抬升，增强了上升气流和水汽输送。两个时次超级单体高质心、较高回波顶，加上典型超级单体的旁瓣回波、假尖顶回波、悬垂回波特征满足了产生大冰雹的条件，倾斜结构的气流配置、中层以下深厚的辐合区，高层强辐散区、倾斜上升的冷空气入流和后侧东风急流的水汽补充，导致了超级单体上升、下沉气流对的长时间维持和大冰雹粒子的循环增长(张桂莲等，2018)。14:31出现直径小于10 mm冰雹的6号超级单体反射率因子垂直剖面上，58 dBz反射率因子核心高度为8.1 km，表现为高质心结构，强回波核未出现悬垂回波特征，TBSS特征偏弱，径向速度剖面上，从底部3 km向上延伸到6.5 km高度有径向速度辐合区，零速度线自低层向高层向后倾斜，表明入流的旋转上升特征明显，7 km以上为高层径向速度强辐散区，高层辐散强度明显大于低层辐合强度，高层强烈的抽吸作用使得粒子快速脱离主上升气流区，被带至高层辐散区并下沉，不利于粒子在循环区增长。
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图 7 2017年8月23日2、3、5、6号超级单体的多普勒雷达反射率因子(a, c, e, g)和径向速度场(b, d, f, h)剖面 (a, b)2号12:28，(c, d)3号13:03，(e, f)5号14:02，(g, h)6号14:31 Fig. 7 Cross-sections of radar reflectivity (a, c, e, g) and radial velocity (b, d, f, h) for the 2nd, 3rd, 5th and 6th supercells on 23 August 2017 (a, b) the 2nd supercell at 12:28 BT, (c, d) the 3rd supercell at 13:03 BT, (e, f) the 5th supercell at 14:02 BT, (g, h) the 6th supercell at 14:31 BT |
从4个超级单体反射率因子和径向速度剖面分析可见，出现大冰雹粒子的3号、5号超级单体回波具有TBSS、旁瓣回波，反射率因子高质心、强回波区倾斜等特征，径向速度剖面上零速度线倾斜特征、-20℃层及以下对应较深厚的辐合区，风暴顶则表现为强辐散特征，这在一定程度上促进了超级单体内上升运动和风暴低层暖湿入流的强度，有利于低层丰富的水汽向单体内输送并导致单体内的垂直增长和强烈发展(吴海英等，2017)。2号、6号非降雹(小雹)超级单体同样具有TBSS、旁瓣回波特征，但强回波区和零速度线呈直立状、辐合区高度低于-10℃过冷水区高度，顶部为强辐散区，辐合区厚度小于辐散区，不利于单体内粒子的垂直增长。
3.3 冰雹与回波强度、VIL特征强回波强度、回波高度已被广泛应用在冰雹强对流预警预报中(张培昌等，2001)。VIL密度定义为垂直累积液态水含量(VIL)与强对流风暴顶高度(ET)之比(Amburn and Wolf, 1997)，研究表明，VIL密度越大，强对流风暴产生冰雹的概率越大，不同地区出现大冰雹时的VIL密度有较大差异，内蒙古赤峰产生2 cm大冰雹时VIL密度超过5 g·m-3(张桂莲等，2018)。结合强对流风暴发展整个阶段不同温度层最大回波强度、50 dBz回波厚度(H50 dBz)的演变(图 8)可以看到，dBzmax(最大回波强度)与dBz0℃(0℃层回波最大强度)、dBz-10℃(-10℃层回波最大强度)在强对流风暴演变过程中在50 dBz附近呈波动变化，相关系数为0.86。除第一个中气旋时刻外，其余中气旋时刻三个温度层回波最大强度特征值≥56 dBz。dBz-20℃(-20℃层回波最大强度)在第二个中气旋及降雹时刻跃增至54 dBz以上。H50 dBz在6个中气旋时刻均出现跃增，降雹时刻H50 dBz>7 km，其余时刻H50 dBz≤6 km。VIL密度与H50 dBz的变化基本一致，两者相关系数为0.65，其中降雹时刻VIL密度均超过2.2 g·m-3。
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图 8 2017年8月23日超级单体演变过程中VIL密度、H50 dBz、不同等温层回波强度时间序列 (绿色柱状为降雹时刻，蓝线为VIL密度2.2 g·m-3) Fig. 8 The time series of VIL density, the echo thickness of 50 dBz and the maximum echo intensity in different isothermal layers during the evolution of supercell on 23 August 2017 (Green bar is hail time, blue line is the VIL: density threshold of 2.2 g·m-3) |
此次强对流风暴从玉溪东部发展并向西南方向移动，进入红河西北部减弱消散。强对流过程激发出6个具有中气旋特征的超级单体，其中2个未降雹，2个出现了5~8 m的小冰雹，2个出现了15~20 mm的大冰雹。从强对流风暴移动路径对应的地形变化看(图 9)，移动路径的海拔呈波动下降特征。1号对流单体在海拔2 018 m的玉溪东部生成，沿海拔爬升并不断发展成熟，11:41升至2 350 m，单体回波处于发展阶段，随后海拔下降，12:04单体发展为超级单体，强中心对应的海拔降至最低(1 995 m)，单体减弱阶段沿地形爬升，但海拔变化幅度较小，12:22在海拔1 994 m处消散。12:10，2号单体在1号单体西侧10 km、海拔2 106 m处生成并沿海拔爬升，12:28出现超级单体特征，12:34海拔升至2 205 m后地形开始下降，单体减弱消散。3号单体在2号单体东南侧20 km，海拔1 935 m处生成，向南移动过程中强中心对应海拔高度缓慢下降，12:57强中心对应海拔开始上升，13:03单体出现中气旋和降雹，同时强中心对应海拔增加到1 816 m，降雹后地形下降，单体在海拔1 640 m处减弱消散。3号超级单体发展成熟阶段，4号单体回波在其南侧海拔1 669 m处生成并发展，强回波中心海拔呈先增加后下降再抬升变化，但海拔变化幅度较小，降雹前最高海拔为1 740 m，出现中气旋和降雹时强中心对应的海拔最低为1 601 m。13:44，5号单体回波发展初期强中心对应海拔为1 864 m，随后单体回波强中心对应海拔不断增加，回波也发展迅速，13:56海拔升至1 966 m时单体回波发展成熟，14:02出现超级单体特征和20 mm降雹，此时海拔略有下降但幅度较小，降雹过程中海拔升至最大高度(1 973 m)，14:20降雹结束时对流单体沿下降至1 648 m海拔处。6号对流单体生成初期强中心位于海拔1 987 m处，随后对流单体沿地形不断下降过程中发展，14:26单体发展成熟时强中心海拔降至1 568 m，减弱消散阶段强中心对应海拔继续下降。
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图 9 2017年8月23日6个超级单体强中心移动路径对应的海拔高度变化 Fig. 9 Elevation changes corresponding to the moving paths of echo center for six supercells on 23 August 2017 |
可见此次强对流风暴过程受地形影响较为明显，整体上强对流风暴强中心移动路径的海拔高度呈下降特征，13:03—14:02出现降雹的3个强单体在发展及成熟前约10 min强中心均沿地形爬升，有利于上升气流的加强和过冷水区冰雹粒子的增长，未降雹和小雹的强对流单体在发展及成熟阶段强中心沿地形下降，削弱了云内上升气流的持续发展。2号强对流单体回波虽然在出现中气旋前沿地形爬升，但海拔变化小，-10℃、-20℃层回波强度、VIL密度偏小，造成超级单体在成熟阶段未能继续发展，随后沿地形下降减弱消散。
4 结论与讨论 4.1 结论利用常规观测、地面加密自动站、多普勒天气雷达、NCEP(1°×1°)逐6 h再分析资料对2017年8月23日云南中部地区强对流风暴的多次超级单体和降雹过程进行了分析，得到以下主要结论：
(1) 此次强对流风暴发生在台风低压前侧和中高纬冷槽后部的强不稳定层结背景下，南下弱冷空气和中低层台风低压前侧偏东急流带来的暖湿气流形成上干冷、下暖湿的不稳定层结，低层气层增温增湿明显，与上层的温、湿度差不断增大，大气温、湿度垂直递减率增加，为强对流天气的发生提供了较为有利的环境条件，激发的强对流沿副高588 dagpm脊线向西南方向移动，受地形影响强对流单体生消频繁，出现多次冰雹强对流过程。
(2) 近地面辐合线和强垂直风切变有利于对流风暴的加强，强对流风暴发展过程中出现6个具有中气旋特征的超级单体和类超级单体，超级单体涡旋特征明显，雷达回波上均出现TBSS、中气旋特征，TBSS长度差别显著，出现15 mm以上降雹超级单体回波在2.4°~3.4°仰角上径向速度达到中气旋标准，其余时刻为弱切变特征，超级单体内最大速度对的转动值超过10 m·s-1时出现不同程度冰雹。
(3) 垂直剖面上出现15~20 mm大冰雹的超级单体反射率因子质心点较高，回波核前倾，具有悬垂回波、弱回波区、回波墙、TBSS和假尖顶回波特征，零速度线后倾，辐合区高度超过-10℃层过冷水区，中低层为深厚的强辐合区、高层为强辐散区，有利于上升运动的加强，强风暴不断维持发展，低层水汽随强上升运动向过冷水区输送，冰雹粒子能够快速增长，未降雹和5~8 mm小雹的超级单体回波核呈直立特征，悬垂回波特征不显著，辐合区高度偏低，辐散区厚度大于辐合区厚度。
(4) dBz-20℃、H50dBz和VIL密度在出现中气旋特征前跃增明显，尤其以降雹前后的跃增变化最为显著，12:28中气旋时刻dBz-20℃跃增至54 dBz，但H50dBz仅为5.4 km，VIL密度为2.15 g·m-3，与4个出现冰雹时刻的特征值相比偏小明显。此次强对流风暴过程受地形影响较为明显出现，降雹的3个强单体在发展及成熟前约10 min强中心均沿地形爬升，未降雹和小雹强对流单体在发展及成熟阶段强中心沿地形下降。2号强对流单体虽然在12:28出现中气旋前沿地形爬升，dBz-20℃也有较大跃增，但海拔变化小，VIL密度、H50dBz偏小，加上回波的直立状特征，造成超级单体在成熟阶段上升气流持续时间短，不利于霰粒子循环增长。
可见在云南复杂的地形地貌下，利用多普勒回波的超级单体特征对降雹进行预警时，除考虑不同等温层回波强度、回波垂直剖面上强度场和径向速度场的中气旋特征时，还需要同时把强回波厚度、VIL密度、回波强中心移动路径上海拔的变化作为冰雹预警的业务指标，才能有效提高冰雹预警的空报率。
4.2 讨论本文分析所用雷达资料来自CINRAD/CC波段5 cm的多普勒天气雷达，从分析结果可见，6个超级单体出现TBSS时刻的反射率因子强度均在58~60 dBz，未出现>60 dBz的强回波，同时作者对2013—2019年云南600个多冰雹强对流过程降雹时的最大回波强度统计分析发现，云南较少出现回波强度>60 dBz的强雹暴，这与廖玉芳等(2007)利用S波段多普勒天气雷达对雹暴的三体散射统计结果略有差异，该统计结果显示，S波段雷达三体散射的最小反射率因子为60 dBz, 86%三体散射长钉(TBSS)出现时反射率因子强度≥63 dBz。史锐等(2004)、刘雨佳等(2014)等通过对山东、安徽S波段与C波段天气雷达回波强度进行对比分析发现，S波段和C波段雷达对回波强度的探测存在整体性的差异, C波段雷达在大范围的降雨中有衰减问题，对于较强回波(＞30 dBz)，S波段与C波段天气雷达测量相同区域回波强度存在较大差异，S波段雷达探测的平均强度会随着强度增大而增大，C波段雷达则在远离雷达一侧出现明显衰减，因此在使用C波段雷达过程中，需要进行回波衰减订正。结合不同波段回波强度对比分析和S波段超级单体回波强度分析结果，初步认为云南CINRAD/CC多普勒雷达对强回波的探测存在一定的衰减，超级单体在出现TBSS和降雹时刻真实回波强度应存在衰减。但由于目前云南没有不同波段雷达对同一块强对流回波的对比探测，加上云南特殊的地形地貌，仅仅根据长江中下游和平原地区不同波段雷达回波对比误差值来确定衰减系数，缺乏数据支持，在本文的个例研究中难以确定出问题所在, 这需要用大量的基数据进行数值对比分析或其他方法来分析。
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