引言

超级单体风暴是发展最为旺盛的对流风暴系统，也是产生强降水、冰雹、龙卷和短时大风等灾害性强对流天气最为主要的风暴系统之一。Browning et al^[1-2]首先提出了超级单体的动力和雷达回波结构，随后Donaldson^[3]作了补充和完善。1978年Browning^[4]建议重新定义超级单体为具有中气旋的对流单体。此后雷达气象学界一直以具有深厚持久的中气旋作为超级单体风暴的最本质特征。超级单体形态多变，美国科学家根据对流性降水强度和空间分布特征将超级单体分为经典超级单体、强降水超级单体和弱降水超级单体。Moller etal^[5]所描述的经典超级单体与Browning et al^[1-2]描述的超级单体反射率因子特征是一致的，即底层具有明显的钩状回波，低层入流位于超级单体移动方向的右后侧，主要的灾害性天气是强冰雹、龙卷和地面大风，偶尔也会发生暴洪。

近年来，国内的广大气象工作者对一些超级单体风暴的结构及流场特征进行了分析^[5-9]。俞小鼎等^[10]对一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴进行了研究；郑媛媛等^[11]对安徽一次典型超级单体风暴结构和演变进行了仔细分析；刁秀广等^[12]对山东一次长寿命风暴的回波及中气旋产品特征与流场结构进行了分析；王俊等^[13]利用双多普勒雷达研究了强飑线过程的三维风场结构；郑艳^[14]等对海南一次罕见强冰雹过程环境条件与超级单体演变进行了综合分析；汪应琼^[15]等分析湖北宜昌地区10次超级单体风暴发生的环境条件。这些研究结果都对冰雹、大风等灾害性天气监测和预警发挥了重要的作用。

2013年5月23日凌晨，在湖北西北部出现了一系列的强对流风暴，其中有1个超级单体造成严重的灾害，鄂西北大部地区出现大风、冰雹和强降水天气，最大冰雹直径达3 cm。其中受灾最严重的郧县市5月23日04时出现23 m·s^-1的大风，同时伴随着冰雹和雷雨天气，导致农作物大面积受灾。此次超级单体很典型，本文将应用十堰多普勒天气雷达和地面加密站资料对该超级单体的结构及其演变过程进行分析。

1 风暴路径及天气系统分析

23日凌晨的强风暴历时约3 h，自西北向东南方向移动了约100 km，风暴路径(包括风暴的起始阶段)、地形及冰雹落区如图 1所示。

从高空形势场可见，22日08时我国中高纬呈两槽两脊型，低涡位于鄂霍次克海，自宁夏南部到四川东北部有低槽发展东移，槽后有强冷平流。鄂西北位于槽前弱脊控制，低层低值系统较弱。20时，高空槽东移进入湖北省，导致对流不稳定能量释放，触发了这次强对流天气。本次过程的前期，鄂西北地区受暖脊的控制，当高空冷空气突然入侵时，容易形成上冷下暖的对流不稳定形势。5月23日02时散度场(图 2)上有明显的高空辐散、低空辐合的配置；垂直速度场和θ_se垂直分布(图 3a)表明，鄂西北地区900—300 hPa有强烈的上升运动，且中层干冷空气叠加于低层暖湿空气上方，促成了对流不稳定的建立；从垂直风场剖面(图 3b)来看，十堰地区900 hPa以下存在明显的偏东风气流，850—300 hPa则由西南气流转为东南风，且风速明显增加，两者构成显著的风向和风速切变，为雷暴的增强、维持和发展提供了有力的动力不稳定条件。风向在低层随高度有明显顺时针旋转，中高层风向随高度有明显逆时针旋转，表明低层有暖平流，高层有冷平流，上下层温度平流差异，构成了强的上冷下暖垂直结构，非常有利于对流不稳定系统的发展。

2013年5月22日08时安康站探空资料显示，对流层低层950 hPa出现了逆温层，有利于深对流的发展。此时对流有效位能为130 J/kg，但随着午后气温上升和高空槽区靠近，用地面14时温度、露点订正(图 4a)后的对流有效位能达到2 992 J/kg，说明午后鄂西北地区已经出现较高的对流不稳定条件。强天气发生前鄂西北地区是晴空少云天气，地面增温明显，不稳定能量积聚充分，为强对流天气的产生提供了非常有利的动力条件和能量条件。到了当天晚上20时(图 4b)，对流不稳定进一步加大，从图中可以看到K指数从11 ℃增加到31 ℃，SI指数从1.3 ℃减小到-3.3 ℃，θ_se500-θ_se850从-10.53 ℃减小到-20.35 ℃，850 hPa与500 hPa温差高达33 ℃，0—6 km垂直风切变也显著加强。同时0 ℃层在4.4 km左右，-20 ℃高度在7.2 km左右，大气层结极不稳定；低层风随高度顺转，低层有暖平流，有利于不稳定度的增加；配合高层风随高度逆转，并且风速较大，说明有比较强的冷平流输送。这种“上层干冷、下层暖湿”的高低空配置在低层辐合、高层冷平流的触动机制下引发了此次强对流天气过程。

2 雷暴触发机制及增强机制分析 2.1 地形特征分析

从图 1风暴移动路径分析可知，该风暴在陕南地区生成后向东南方向移动，在02时位于陕南和鄂西北交界的秦岭山区，随后沿秦岭山脉背风坡继续南压，并在十堰地区爆发性发展成为超级单体风暴。十堰地区北部为秦岭山脉，南部为巴山山脉，两者汇合于其西北部，形成一个明显的喇叭口地形。多普勒天气雷达风廓线资料显示十堰地区在低层均为一致的偏东气流，水平风向与喇叭口开口方向一致，且风速较大。当气流进入喇叭口地形后，由于山脉阻挡，使两侧气流向中间辐合产生上升气流，有利于强对流的发生和发展。

2.2 地形抬高冷池出流触发强雷暴分析

此次过程主要由地形抬高冷池出流从而触发雷暴新生，下面将复杂地形和下垫面环境下雷暴触发的物理机制做简单分析。5月22日白天由于辐射增温，14时陕南和鄂西北地区大部地区气温超过32 ℃，部分地区气温超过34 ℃。17时陕南部分地区产生了由局地热流域引发的零散雷暴，雷暴主要位于地面干线北侧，20时以后雷暴区迅速南压并向东南方向发展。23时地面辐合线南移与干线接近重合，在陕南到河南中南部出现了大片雷暴区，呈东西向，雷暴区正变压明显(图 5a)。当上游雷暴在山区产生降水并形成强冷池之后，由于山体强迫作用抬高了冷池出流的高度，造成低层冷空气先于阵风锋到达地面热辐合区上空，从而增大了局地热力不稳定度；同时冷池出流造成山前热辐合区上空低层偏北风增大，增强了低层垂直风切变，进而增大局地动力不稳定度。在地面局地热辐合中心增强、动力不稳定度增强以及地面阵风锋辐合抬升三者共同作用下，触发了此次强对流天气。

2.3 雷暴增强机制分析

雷暴进入十堰地区前期，由地面加密站资料可知，十堰地区为大范围的偏东风所控制，并在此后相当长的一段时间内稳定维持。稳定的偏东暖湿气流，一方面向西推进，沿东北-西南走向的山脉产生辐合抬升，使得山前的上升运动有所增强，另一方面进入十堰地区喇叭口地形区并产生辐合。在产生动力辐合抬升的同时，稳定的偏东风还将丹江口地区充足的水汽向西输送，维持了雷暴增强的水汽来源。02:20十堰北部方向与河南交界处，出现了一块强对流回波单体，伴随着降水的发生有一冷池形成(图 6a)，冷池内部密度较大的强冷空气出流，朝对流单体移动前方推进，冷池前沿存在的偏北风与周围环境偏东气流形成了强的辐合区，为雷暴单体有组织性发展创造了极为充分的条件。02:20—03:40 (图 6b)，雷暴单体在下山过程中，由于地形背风坡对冷池出流的加速作用，使得雷暴移动前方偏北风速加大，加上偏东暖湿气流的稳定维持的配合，二者共同作用，进一步加大了辐合区的范围和强度，促使雷暴单体爆发性加强。事实上，除了存在上述这种强的动力辐合外，冷池内部的干冷空气还与其前方的暖湿气流构成了强的干湿、冷暖对比，也在一定程度上有利于雷暴的增强。到了04: 00(图 6c)时，当雷暴单体进入河谷地区时再一次发展增强，并具有明显的超级单体风雹特征。此时地面加密资料显示冷池的强度较以前有了明显的增加，强的冷池出流与势力相当的偏东暖湿气流，在十堰偏北地区产生了强的水平风切变，并形成了南北侧冷暖空气对峙的辐合区。当局地强的下沉冷空气侵入时，暖空气通过热力强迫作用被抬升，热力不稳定增加，有利于组织完好的对流雷暴发展

3 多普勒天气雷达资料分析 3.1 演变过程分析

2013年5月23日00时左右在湖北十堰西北部地区开始有孤立的多单体生成，此后雷达回波不断发展加强并向东南方向移动。02:34在十堰的北部有两个发展较为强盛的单体趋于合并，到了03:04两个单体合并为一个西南-东北向、尺度约为30 km的强对流风暴，该强对流风暴强中心达到了65 dBz，并向东南方向继续发展移动。03:28强对流风暴移动到十堰雷达东北方向约30 km处，强中心维持在65 dBz以上，尺度继续扩大，并沿着偏东入流方向有倒“V”形缺口，开始出现超级单体低层回波特征。03:47在相应径向速度图上出现明显的中气旋特征，沿着入流方向穿过最强回波位置的反射率因子剖面图可以看到开始出现反射率因子自低往高向低层入流一侧倾斜的特征，呈现出明显的弱回波区、回波悬垂、回波墙等特征，据此判断该强对流风暴在03:40左右发展成超级单体。04:17超级单体强度达到顶峰，风暴前侧的典型“V”形缺口的反射率因子变得更强，0.5°仰角的最大反射率因子超过70 dBz，在2.4°仰角强回波的右侧出现了与强回波同步移动的旁瓣回波，旁瓣回波强度在5~10 dBz。此时郧县出现9级大风和直径3 cm的冰雹。平行于入流方向穿过最强回波位置的反射率因子垂直剖面(图略)呈现出典型的弱回波区(穹隆)、强大的回波悬垂和弱回波区左侧的回波墙。最大的回波强度出现在回波墙上部，超过70 dBz。04:54“V”形缺口和中气旋特征消失(图略)。超级单体结构特征包括钩状回波、有界弱回波区(穹隆)和中气旋总共持续了约1.5 h。05时后该强对流风暴继续向东南方向移动并减弱消失。

3.2 超级单体结构分析

此次超级单体风暴在23日04:05达到成熟，图 8给出了0.5°、1.5°、2.5°、3.5°、4.5°以及6.0°仰角的反射率因子和径向速度图。可以看到0.5°仰角的反射率因子图上显示了带有后侧“V”型缺口特征的超级单体(相应的高度在此距离处约为1.5 km)，最大反射率因子位于钩状回波上，超过70 dBz。在1.5°仰角(在超级单体距离处高度约2 km)，反射率因子图上仍显现出钩状回波特征，但不如0.5°仰角明显，最强回波位于钩状回波南部，超过70 dBz。反射率因子轮廓线相对0.5°仰角向东南方向(低层入流方向)扩展。在超级单体移动方向的左前侧呈现出由低层偏东风气流引起的倒“V”型缺口，对应强的上升气流，这也是超级单体常见的特征之一。与倒“V”型缺口区相对应，1.5°仰角的径向速度图上是一个很强的气旋式切变速度对，即中气旋，该中气旋的旋转速度为18 m·s^-1。2.4°仰角(高度3 km左右)中气旋进一步加强，旋转速度约为20 m·s^-1，属于强中气旋，反射率因子图上呈现出明显旁瓣回波特征。在3.4°和4.3°仰角反射率因子的轮廓进一步向南扩展，展现出超级单体反射率因子自低往高向低层入流一侧倾斜的特征，呈现出明显的回波悬垂特征，同时在径向速度上中气旋特征依旧非常清楚。在6.0°仰角强回波中心位于中低层有界弱回波区之上，相应径向速度图呈现以弱回波区为中心的辐散特征。

图 9a为沿低层入流方向通过有界弱回波区中心的反射率因子垂直剖面。可以看到超级单体反射率因子自低向高向底层入流一侧倾斜的特征，呈现出明显的有界弱回波区、回波悬垂、回波墙、与倒“V”型入流缺口强的反射率因子相对应的闭合有界弱回波区清晰可见，位置相对偏南，也就是说有界弱回波区也是自低向高向底层入流一侧倾斜的。有界弱回波区的水平尺度约为10 km。强的反射率因子区(大于65 dBz)为沿着BWER左侧的一个竖直的狭长区域，从10 km左右高度一直扩展到低层。最强的区域位于回波墙上部，其值超过70 dBz。超级单体的回波顶接近12 km，沿剖面方向的水平尺度约40 km。图 8(b)为相应的径向速度的垂直剖面，暖色代表离开雷达向着画面的速度，冷色代表离开画面向着雷达的速度。图中最显著一个特征是从底部(2 km)一直向上扩展到5 km左右的径向速度辐合，这是由风暴前向后的强上升气流和后侧入流急流之间的过渡区。而在风暴低层可以看到风暴内下沉气流降到地面附近产生的强烈辐散风出流，在风雹移动的前侧暖湿气流在出流风的强迫抬升作用下更强烈地上升，从而加强对流发展。在5 km以上则为辐散区。图 9c给出了Fleming^[17]超级单体雹暴沿着低层入流方向通过有界弱回波区中心的垂直剖面，可以看到其结构与此次超级单体结构非常相似。二者均具有宽大的有界弱回波区、位于其上的强大的悬垂回波以及弱回波区前侧强的入流，这表明该风暴也同时具有降雹的趋势。

3.3 多普勒天气雷达4D-VAR同化技术风场反演结果分析

Sun等建立的多普勒雷达资料4D-VAR同化技术已成为国际上资料同化的主流技术，国内外的研究都表明了多普勒雷达资料的4D-VAR同化技术具有较好的反演效果^[18]。本文利用该技术对此次超级单体过程进行低层水平风场反演。

配合风场反演结果和反射率因子图(图 10)可以看到，在低层0.5 km和1 km高度上，超级单体强反射率因子中心处发展旺盛，回波已经及地并形成降水，降水粒子的拖曳作用使得低层出现了明显的下沉气流，下沉气流到达地面后向四周扩散流出，该气流与西南气流形成的辐合触发了新单体生成；2 km高度上强回波区域的右下侧存在一个明显的气旋性辐合区，弱回波区正好处在风场的辐合区，同时对应相应高度的径向速度图上该区域有明显的中气旋特征，强回波区则有明显的气流辐合；3 km高度上中气旋特征依旧比较清楚，特别注意的是在强回波区域的西侧和北侧有很强的西北风入流急流，干冷气流的夹卷使得雷暴周边相对干且具有高角动量的空气夹卷进入雷暴区，并通过垂直动量交换和增加的雨水蒸发增加下沉气流和雷暴外流边界(阵风锋)强度。干冷气流夹卷一方面容易引起灾害性大风，另一方面增强的雷暴外流边界更容易在其前沿不断触发新雷暴单体，新的雷暴成长后取代衰弱的旧雷暴，再次产生强外流边界而进一步触发新的雷暴，使得雷暴群整体更有组织性并具有更长的生命史，有利于强灾害性天气的产生；4 km高度上中气旋变得不那么清楚，但是强回波区后部依然有明显的入流辐合特征，到了5 km高度速度风场开始呈辐散分布特征。风场反演结果表明在超级单体内，上升气流从前端低层进入，然后倾斜上升至高层后随高空风向外流出，下沉气流从云后中低层流出，这是成熟的超级单体所具有的典型流场结构。

4 结论

通过对2013年5月23日鄂西北的超级单体风暴从多尺度天气环境、地形条件及风暴演变过程进行分析，得到以下主要结论：

(1) 导致此次超级单体发生的天气系统是高空低槽和低层切变线，超级单体发生前十堰地区有高的对流有效位能、上干下湿层结结构、强的垂直环境风切变，低层有暖平流，高层有冷平流，构成了强的上冷下暖垂直结构，已经具备强对流潜势发生条件。

(2) 喇叭口地形、地形抬高冷池出流和雷暴出流与低层暖湿气流产生的扰动是超级单体爆发性增强的关键原因。

(3) 这次超级单体过程中中气旋和弱回波区结构特征保持了约1.5h，超级单体强度在04:05达到最强。超级单体低层左前方和右后侧出现了倒V字型结构，最大反射率因子达到70 dBz，相应的反射率因子垂直剖面呈现出典型的有界弱回波区、回波悬垂和有界弱回波区左侧的强大回波墙，最大回波强度出现在沿回波墙狭长区域的下部。

(4) 超级单体回波的相应径向速度图上出现中气旋，在近地层中气旋的径向速度特征为辐合式气旋性旋转，中层为气旋性旋转，高层为辐散。中气旋所对应的回波反射率因子结构在垂直方向上，反射率因子从低层往高层向低层入流一侧倾斜，呈现出明显的回波悬垂，并出现与低层弓形回波入流缺口相对应的有界弱回波区。

(5) 多普勒雷达资料4D-VAR风场反演结果表明在超级单体内，上升气流从前端低层进入，然后倾斜上升至高层后随高空风向外流出，下沉气流从云后中低层流出，这是成熟的超级单体所具有的典型流场结构。