2021, Vol. 40 
2. 河北省气象与生态环境重点实验室, 石家庄 050021;
3. 河北省邢台市气象局, 邢台 054000
2. Hebei Key Laboratory of Meteorology and Ecological Environment, Shijiazhuang 050021;
3. Xingtai Meteorological Office of Hebei Province, Xingtai 054000
超级单体的概念是由Browning (1962)在20世纪60年代首次提出，他认为超级单体是发展最为强烈的一种对流风暴，常伴随雷暴大风、冰雹等强对流天气。超级单体风暴与其他强风暴的本质区别在于它含有一个深厚持久的中气旋。Bunkers等(2006)对超级单体生命史的研究表明，孤立的超级单体不易与其他对流系统合并，因而其生命史较长。近年来，国内气象工作者从单体结构及其产生机制、环境条件等方面对一些典型或非典型超级单体开展了深入研究。郑媛媛等(2004)分析了安徽一次产生11级雷暴大风并伴随冰雹的超级单体风暴的结构和演变特征，并指出该超级单体具有强烈超级单体风暴的典型特征，其移动方向位于盛行风向右侧约30°，属右移风暴。王福侠等(2014)分析一次超级单体分裂过程与环境条件指出，其分裂后沿地面高湿区内热力边界偏暖一侧移动的气旋性风暴未受到明显抑制，有利的地面环境条件抵消了气旋性风暴受抑制的程度，使气旋性风暴能够持续更长时间。俞小鼎等(2008)、朱江山等(2015)的研究认为，超级单体的形成、发展与传播方式虽有不同，但风暴内出现的中气旋是其最突出的共同特征。冯晋勤等(2010)对32次超级单体的统计分析表明，90%以上的超级单体与冰雹、雷雨大风、短时强降水等强对流天气相联系。牛奔等(2016)分析鄂西北一次超级单体风暴过程指出，该超级单体具有典型钩状回波、低层有界弱回波区和“穹隆”、中气旋、回波墙等特征。廖玉芳等(2007)研究指出，在产生三体散射的23个强雹暴中有一半以上是超级单体和准超级单体风暴，超级单体雹暴中的中气旋有利于大冰雹形成。陈秋萍等(2015)分析了福建两个强降雹超级单体的演变与结构特征，认为中气旋维持时间的差异与垂直风切变强弱、垂直涡度大小有关。高帆等(2018)对一次长生命史超级单体风暴的雷达观测特征和维持机制进行了分析。黄俊杰和苟阿宁(2018)研究指出，宽大有界弱回波区以及位于其上的强悬垂回波、弱回波区前侧强入流与中层径向辐合(MARC)的存在均表明超级单体具有降雹潜势。王青霞等(2020)指出，持续多个体扫的中气旋是2008年湖南首场风雹过程最关键的预报着眼点。上述研究无疑有助于提高对超级单体结构及成因的认识，但由于这种对流尺度的风暴生消发展迅速，其形成演变过程中的细节特征仍有待揭示。
2018年6月13日下午一个生命史长达138 min的超级单体风暴自北向南影响河北中南部的保定、衡水，沿途产生了冰雹和雷暴大风。这次超级单体风暴发生在太行山东麓平原区，生命史之长、风雹强度之大、路径自北向南且范围之广实属罕见。因此，本文利用地面观测资料、探空资料以及石家庄多普勒天气雷达和饶阳双偏振雷达资料等，对该超级单体风暴的天气背景、雷达观测特征等进行了分析，以期提高对超级单体及其强对流天气的认识，为今后做好强对流短临预报和开展人工影响天气服务提供参考。
1 风暴路径与灾情2018年6月13日下午位于太行山东麓的河北省中南部出现强对流天气(图 1)，这次强风暴历时204 min，自北向南途经保定中南部和衡水西部多县市，有多个气象站先后观测到冰雹，其中保定站当日14:59 (北京时，下同) 观测到冰雹(直径9 mm)，16:08安平站观测到冰雹(直径14 mm)，16:30深州站观测到冰雹(直径6.0 mm)，17:01衡水城区站观测到冰雹(直径8.0 mm)，17:24冀州站观测到冰雹(直径22.0 mm)。此外，灾情调查显示，保定的清苑、涞水、博野、蠡县也出现冰雹，其中，博野降雹时间持续20 min，冰雹直径最大达7.0 cm，衡水多地出现鸡蛋大小的冰雹，冰雹最大直径达4.0 cm。保定、石家庄、衡水的7个县(市、区)国家站出现8级以上大风，其中保定市15:00风速最大为22.4 m·s-1 (9级)，衡水市有12个区域站出现8级以上大风，安平马店站最大达30.5 m·s-1 (11级)。这次风暴影响范围大、移速快，保定、衡水风雹灾害造成的直接经济损失共18亿多元。
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图 1 2018年6月13日河北省中南部灾害性天气实况(数字为灾害性天气发生时刻) Fig. 1 Observations of disastrous weather in the central and southern Hebei Province on 13 June 2018. Numbers indicate the occurrence time of the different disastrous weather. |
2018年6月13日08时500 hPa图上(图 2)，蒙古到河西走廊为较强的高压脊，脊前有一低涡位于河北北部-东北地区南部，低涡中心与冷中心基本重合，低涡后部到河套地区有准东西向横槽和冷槽，河北中南部处于横槽前的西北气流中，冷空气沿强西北气流向南输送。700 hPa低涡低槽与500 hPa涡槽系统基本重合，850 hPa与925 hPa低涡中心及切变线位置偏南，在河北南部存在暖中心，北部有明显冷平流，40°N附近存在东西向锋区，从高空到低层形成上冷下暖的层结结构。地面河北中南部处于倒槽顶部，保定到衡水北部和衡水南部分别有偏北风与偏东风的辐合线。
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图 2 2018年6月13日08时天气系统综合配置图 Fig. 2 Superposition of the major weather influencing systems at 08∶00 BT 13 June 2018. |
13日08时，与河北中南部邻近的北京与邢台站探空曲线(图 3)显示，探空曲线均呈上干下湿喇叭口结构。北京500 hPa以下风向顺时针旋转，为暖平流，500-250 hPa逆时针旋转，有弱冷平流，900 hPa附近风向切变明显(图 3c)，大气为上干冷、下暖湿层结，K指数达40 ℃，对流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)为875 J·kg-1。邢台风向顺时针旋转，900 hPa附近也有风向切变，500 hPa以上存在西北风急流，850 hPa以下有等温层或弱逆温层，表现为层结稳定的暖盖，故对流抑制能量(CIN，673 J·kg-1)大于CAPE (560 J·kg-1)。两站0-6 km垂直风切变达21~ 23 m·s-1，较强的垂直风切变有利于强对流发生发展。利用衡水当日13:00的气温和露点温度分别对北京、邢台的探空参数进行订正后显示(图 3a、b)，正午前后CAPE均超过2 500 J·kg-1，且北京探空08时CIN (164 J·kg-1)已全部消失，邢台CIN明显减小。本次过程横槽南压过程中伴随冷平流，所以对流发生时实际的CAPE比其订正值还要大。同时在-20 ℃层以上CAPE占整层大气的比重超过1/2，表明有大量的潜在不稳定能量存在于-20 ℃层以上。
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图 3 2018年6月13日08时订正后的北京(a)、邢台(b)站探空曲线(斜线阴影区域为对流有效位能)以及北京站风矢端图(c; 蓝色数字表示气压，单位：hPa; 黑色数字表示风速，单位：m·s-1) Fig. 3 Sounding curves (shaded areas with oblique lines mark Convective Available Potential Energy) at (a) Beijing and (b) Xingtai stations after correction and (c) the wind vector end chart at Beijing station at 08∶00 BT 13 June 2018. In (c), blue numbers denote air pressure (unit: hPa), and black numbers denote wind speed (unit: m·s-1) |
有关研究表明(樊李苗和俞小鼎，2013；俞小鼎，2014；曹艳察等，2018)，不太高的融化层高度和较大的气温垂直递减率是有利于产生冰雹重要的环境条件。根据6月13日08时探空资料的计算结果可知，北京的0 ℃层高度约为3.4 km，邢台0 ℃层高度为4.1 km左右，由于北京和邢台对流层中层均存在明显干层，因此两站湿球温度0 ℃层高度更低至2 km和3 km，融化层高度较低；-20 ℃层高度分别为6.3 km和6.6 km，0 ℃和-20 ℃层高度差均小于3 km，有利于大冰雹形成；850 hPa与500 hPa温差，北京为30 ℃，邢台达34 ℃，换算成气温垂直递减率则其均大于7 ℃·km-l。环境大气因有较大的气温垂直递减率(达到7 ℃·km-l及以上)，从而具有较大的CAPE和下沉对流有效位能(DCAPE)，这既有利于强上升运动，也有利于强下沉运动，因而较大的气温垂直递减率有利于产生冰雹和雷暴大风天气(郑永光等，2017)。
综上所述，高空强盛偏北风急流促使涡后横槽转竖，槽后冷空气沿偏北气流南下并在低空低涡附近及地面辐合线上发展造成了这次风雹天气，而上干冷、下暖湿层结，较强的垂直风切变，高K指数和CAPE，较大的气温垂直递减率，适宜的0 ℃层和-20 ℃层高度，-20 ℃层以上较大的潜在不稳定能量，为此次长生命史超级单体风暴提供了有利的环境条件，使得雹云能够旺盛发展。
3 风暴雷达观测特征分析 3.1 雷达回波演变特征利用石家庄新乐SA多普勒天气雷达站(114°42′43″E，38°21′07″N，128.3 m)产品资料，对上述风暴的回波演变特征分析如下。图 4给出2018年6月13日14∶00- 18∶00间隔30 min的风暴移动路径与相应时刻强天气位置示意图。从中可见，自13日13∶30开始，保定、衡水等地有对流生成，配合自东北至西南方向的冷平流和温度槽区，保定东北部形成东北风与偏东风的不连续线。此不连续线上有多单体带状回波产生，此后对流系统在其西南方向新生、传播、发展，并配合速度场上带状回波的西部辐合、东部辐散，致使带状回波的东部减弱、西部加强。14:18，保定北部形成2个强单体，3~6 km高度偏南单体呈气旋性旋转，偏北单体呈反气旋旋转，气旋性旋转单体快速加强，反气旋旋转单体快速减弱；14:30，偏南单体强度达60 dBz以上，自北向南移动，偏北单体强度在40 dBz以下，在其自西北向东南方向移动过程中迅速减弱。14∶36，对流风暴在对流层中低层生成并南移，强度迅速加强。14∶48，对流风暴到达保定，反射率因子最大达63 dBz，其垂直伸展高度达8 km，径向速度图上风暴移向右前方出现正负速度对，距离雷达站83 km，正负速度对中心相距5.2 km，转动速度达25 m·s-1，达到弱中气旋标准，进而发展成超级单体风暴，此后该孤立超级单体自北向南移动，先后经过保定中南部和衡水西部县市，使其沿途5个气象站和多个乡镇区域站观测到冰雹，20个国家站和区域站出现8级以上大风，17:12该超级单体风暴减弱为普通对流风暴，并于18:00在衡水南部消失。
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图 4 2018年6月13日14∶00—18∶00每间隔30 min的风暴移动路径(黑色虚线所示)与强天气位置示意图(填色区为≥30 dBz组合反射率因子) Fig. 4 Storm moving path (shown by black dashed line) and severe weather location in every 30 minutes from14∶00 BT to 18∶00 BT 13 June 2018. Color-filled areas show where combined reflectivity factor is greater than or equal to 30 dBz. |
按照对流回波类型，上述风暴的生命史共包括3个阶段: (1) 发展阶段(6月13日14∶36-14∶42)，即自风暴开始编号到成为超级单体。此阶段，由普通对流风暴仅2个体扫就迅速发展为超级单体风暴，垂直积分液态水含量(VIL)和最大反射率因子高度(Zmax)均有一次跃增，但Zmax变化不大(图 5)，50 dBz强回波核心高度由7 km跃升到9 km，达到-30 ℃层高度以上。(2) 维持阶段(13日14∶ 48-17∶06)，即超级单体存续期间。此阶段超级单体维持时间长达138 min，路径长达近120 km，强回波质心高度一般维持在4~5 km，风暴底高基本上在0.9~2 km之间，风暴顶高多在8~11 km，VIL基本上维持在55 kg·m-2以上，最大达74 kg·m-2，50 dBz强回波核心高度一直维持在9 km左右，且其16∶30-16∶54连续5个体扫均达10 km以上，维持在-30 ℃层高度以上。(3) 消亡阶段(13日17∶12-18∶00)，即超级单体减弱成普通风暴直至消失。随着风暴底高迅速升高、顶高迅速下降和VIL快速下降，17∶12超级单体减弱为普通对流风暴，但超级单体消失后仍有3个体扫50 dBz回波高度达到9 km以上，17∶30后50 dBz回波高度迅速下降，17∶48降至0 ℃层高度以下，18时对流风暴在衡水南部消失。由此可知，上述整个风暴生命史长达204 min，移行180 km左右，平均移速约14 m·s-1，该风暴前期自北向南移，移速较慢，后期转为向南略偏东方向移动，移速加快，到达衡水南部后又转向南移动直至消失(图 4)。
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图 5 2018年6月13日14:36—18:00石家庄雷达探测的风暴底高(菱形)、顶高(黑色圆点)与质心高度(折线)变化(a)，以及垂直积分液态水含量(VIL)、最大反射率因子与最大反射率因子高度(b)变化(向上箭头表示降雹时刻，向下箭头表示质心下降) Fig. 5 Variations of (a) bottom height (rhombus), top height (black dots) and centroid height (broken lines), and (b) vertically integrated liquid water content (VIL), maximum reflectivity factor and its height of storm from Shijiazhuang weather radar from14∶36 BT to 18∶00 BT 13 June 2018. Up-pointing arrows indicate hail time, and down-pointing arrows indicate the fall of centroid. |
分析上述风暴生命史过程中风暴底高、顶高、质心高度，垂直积分液态水含量(VIL)，最大反射率因子(Zmax)及其高度等参数的时间演变可知(图 5)，其整个生命史过程对流发展都非常旺盛，风暴单体Zmax基本上维持在65 dBz以上，其中15∶06-16∶30连续15个体扫Zmax达70 dBz以上。风暴最强盛时，回波强度达77 dBz，回波顶高超过11 km。其间，风暴质心高度波动明显，在14∶52、15∶18、16∶36、17∶00、17∶24先后5次出现下降，其中16∶36下降最明显，Zmax高度在相应时段也有不同程度的下降。结合天气实况可知，上述各质心高度波动时段正好对应对流风暴产生冰雹的前后。由此推断，质心高度下降前后都可能与降雹时间对应。与风暴顶高相比，其质心高度下降趋势更明显，即风暴在从酝酿到降雹过程对流发展强盛，酝酿期云体厚度变化不大，降雹期云体厚度减弱趋势小于由于云中大粒子迅速下降而造成的质心下降(吴海英等，2017)。在风暴VIL的时间变化中只有衡水站出现冰雹时(17∶01)可清晰地捕捉到其迅速下降的征兆，而其它几次降雹时的VIL下降均不明显，一直维持较高值，这可能与降雹时伴有降水有关。
4 超级单体的雷达观测特征 4.1 中气旋的演变特征超级单体风暴最主要的特征是具有深厚持久的中气旋。上述风暴6月13日14∶48就识别出了中气旋，预示超级单体形成。中气旋形成前后2个体扫风暴强中心高度从3.9 km上升到4.9 km，VIL提前一个体扫从50 kg·m-2跃增到68 kg·m-2。在其维持阶段，VIL均在54 kg·m-2以上，最大达74 kg·m-2 (图 5b)。从6月13日14∶48-17∶06中气旋底高(M-BASE，HM-B)、顶高(M-TOP，HM-T)、最强切变强度(M-SHEAR，IM-S)与最强切变高度(HGT，HM-S)的时间变化图上看到(图 6)，HM-T变化幅度较小，基本维持在5.8~7.9 km；HM-B最低达风暴底部，最高达5.5 km；中气旋直径最大为8.8 km、最小为2.5 km (图略)；中气旋厚度基本维持在2 km以上，最大厚度为6.8 km (图略)；IM-S极大值为40×10-3 s-1，这说明风暴内旋转上升气流较为强烈，有利于对流风暴的维持和加强；HM-S最高为7.9 km，最低0.9 km，差别较大，其中经历了7次骤升骤降过程。这表明中气旋发展维持过程中变化较大，即在此超级单体演变过程中，即使强冰雹降落、对流能量快速释放，超级单体内部的环流并未被破坏，只是暂时减弱，且此后再度发展并维持的时间相当长，并在其移动过程接连产生了冰雹、雷暴大风；降雹期间对应超级单体风暴减弱。
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图 6 2018年6月13日14∶48—17∶06中气旋底高(HM-B, 单位: km)、顶高(HM-T, 单位: km)、最强切变强度(IM-S, 单位: 10-3 s-1)与最强切变高度(HM-S, 单位: km)的时间变化(箭头表示降雹时刻) Fig. 6 Temporal variation of bottom height (HM-B, unit: km), top height (HM-T, unit: km), maximum shear intensity (IM-S, unit: 10-3 s-1) and the height (HM-S, unit: km) of maximum shear for mesocyclones from 14∶48 BT to 17∶06 BT 13 June 2018. Arrows indicate hail time. |
结合地面天气实况，进一步分析图 6可知，HM-S在15∶00出现一次突降，对应保定出现冰雹，这与方翀和郑媛媛(2007)、冯晋勤等(2010)研究得到的冰雹出现时中气旋最强切变中心突降的结论一致。安平站观测到冰雹前后(16∶06-16∶12) HM-S变化不大，深州站16∶30和衡水站17∶00出现冰雹时，HM-S均突然升高，与前2次表现不一致。HM-B在1.0~5.5 km之间变化，15∶48、16∶30和17∶00出现3次显著抬升，分别抬升了2 km、3 km和2 km，HM-S逼近HM-B或HM-T，此后安平、深州和桃城区部分乡镇自北向南均出现降雹。当HM-B突然升高与HM-S逼近底高或顶高时，表明中气旋明显加强。15∶18-15∶42出现连续“高顶低底”中气旋结构，HM-S大多位于中气旋中上部，中气旋厚度很大，平均5.9 km左右，最大厚度为6.8 km，远超出朱君鉴等(2005) 指出的山东产生冰雹的中气旋厚度指标(2.5 km)；15∶48-17∶06，HM-B迅速抬升后，呈现“高顶高底”，表明风暴发展剧烈。HM-S可用来反映风暴内部螺旋扰动状况，其中15∶18的IM-S突增到40×10-3 s-1，此时保定清苑部分乡镇出现冰雹，此后15∶30、15∶54和16∶18的IM-S又经历3次跃增，分别对应博野、安平、深州部分乡镇出现大冰雹。此次超级单体伴有的中气旋存在时间长达23个体扫，深厚强上升运动及其较长时间的维持是大冰雹产生的充分条件。此中气旋初生时，其厚度较大，直径不断增大，前10个体扫的中气旋厚度除1个体扫外均在3.9 km以上，15∶30厚度最大达6.8 km，但此时其直径骤减，IM-S最大达35×10-3· s-1，Zmax为75 dBz，与此时博野产生的大冰雹对应较好。下一体扫IM-S迅速减小，中气旋直径增大，HM-S也迅速抬高，超级单体随之减弱。
方翀和郑媛媛(2007)研究发现，当中气旋最强切变值达到15×10-3 s-1以上就极有可能出现超过25 m·s-1以上的强风或龙卷。而河北这次超级单体风暴的最强切变值最高达40×10-3 s-l，尤其16∶18后9个体扫均达到了24×10-3 s-l以上，其中连续5个体扫在30×10-3 s-l以上，对应保定、衡水共25个自动站最大风力达8级以上，其中1站达11级。中气旋维持期间观测站先后4次记录到降雹，前2次出现在保定、安平，降雹时最强切变高度均在中气旋底部；后2次出现在深州和衡水，降雹时最强切变高度均达到中气旋顶部。
4.2 气旋与反气旋涡旋对特征雷达相对风暴平均径向速度(SRM)产品可用来探测被风暴运动掩盖掉的切变区域(如中气旋、辐散及龙卷涡旋特征)，对快速移动的风暴最为有效(俞小鼎等，2006)。刁秀广等(2009)在分析了3次风暴成熟阶段中层反射率因子和平均径向速度后指出，强对流风暴中层水平气流表现为不同的旋转结构，既存在单一气旋式旋转，又存在气旋与反气旋并存的结构。下文用SRM产品分析此次强对流过程中超级单体的气旋、反气旋涡旋对特征。在强风切变环境中旺盛发展的风暴14∶42 (2.4°仰角，4.7 km，图略)就形成了气旋、反气旋涡旋对结构，即风暴前侧为气旋性旋转，正负径向速度差约25 m·s-1，后侧为反气旋性旋转；14∶48超级单体形成时风暴中层(2.4°仰角，4.6 km，图 7a)气旋式与反气旋式旋转并存，气旋式涡旋较强，正负径向速度差约30 m·s-1，位于雹暴移动前方，反气旋式涡旋较弱，位于雹暴移动后方；15∶30风暴中层(2.4°，4.0 km，图 7b)的前侧同样有气旋式旋转，正负径向速度差约35 m·s-1，后侧同时存在弱反气旋式旋转；15∶48 (图 8) 风暴中层的3.4°和4.3°仰角图上也有明显的气旋、反气旋涡旋对特征；16:06风暴中层(2.4°，4.2 km，图略)的前侧仍为气旋式旋转，后侧同时存在弱反气旋式旋转。这种内部环流结构不易受环境风影响，雹暴得以长时间维持(许焕斌，2012)。到17∶00中气旋趋于消失时，气旋、反气旋涡旋对特征仍然维持但有所减弱，风暴中层(2.4°，4.0 km，图略)前侧气旋正负径向速度差减小到25 m·s-1；17∶18中气旋已消失2个体扫，气旋、反气旋涡旋对特征仍然存在(图 7c)。这种深厚的内部环流结构不易被环境风影响，环境风绕风暴而过，不会对风暴造成破坏。由于气旋式涡旋强，雹暴偏向环境西北风右移较多。17∶18后气旋、反气旋涡旋对结构消失，速度场上为大面积正速度区，辐散明显，雹暴快速减弱消失。此超级单体维持期间一直伴有气旋、反气旋涡旋对结构，且气旋式涡旋一直强于反气旋式涡旋，使超级单体具有较长的生命史。
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图 7 2018年6月13日14∶48(a)、15∶30 (b)、17∶18 (c)石家庄雷达2.4°仰角相对风暴平均径向速度图(黄色圆圈表示中气旋，蓝色箭头线表示气旋、反气旋涡旋对) Fig. 7 Storm Relative Velocity Maps (SRM) at 2.4° elevation angle from Shijiazhuang radar at (a) 14∶48 BT, (b) 15∶30 BT and (c) 17∶18 BT 13 June 2018. Yellow circles denote mesocyclones, and blue lines with arrows denote the votex pairs of cyclone and anticyclone. |
在此次强对流过程的超级单体维持阶段，15:48中气旋各仰角的SRM上(图 8)，低层0.5°仰角(1.6 km)为纯辐合，1.5°仰角(2.8 km)为气旋性辐合旋转，3.4°仰角(5.0 km)和4.3°仰角(6.2 km)虽然有气旋、反气旋涡旋对结构，但气旋性涡旋强于反气旋，6°仰角(8.4 km)为气旋性辐散旋转，9.9°仰角(12.6 km)为纯辐散，超级单体在垂直气流结构上表现为低层气旋性辐合、中层气旋性旋转、高层辐散，这种结构反映了超级单体内部强烈的旋转上升运动，中层气旋性旋转区域对应风暴内部上升气流区，中低层深厚的辐合和气旋式旋转、高层辐散形成的抽吸作用产生了强动力抬升，使单体强回波发展到-20 ℃层以上，有利于雹胚持续增长，进而产生冰雹和地面大风。
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图 8 2018年6月13日15:48石家庄新乐雷达0.5° (a)、1.5°(b)、3.4°(c)、4.3°(d)、6.0°(e)、9.9°(f) 仰角相对风暴平均径向速度图(黄色圆圈表示中气旋) Fig. 8 Storm Relative Velocity Maps (SRM) at (a) 0.5°, (b) 1.5°, (c) 3.4°, (d) 4.3°, (e) 6.0°, and (f) 9.9°elevation angles from Xinle radar in Shijiazhuang at 15∶18 BT on 13 June 2018. Yellow circles denote mesocyclones. |
6月13日14∶48超级单体形成后向偏南方向移动，15∶54强回波位于安平北部，并出现钩状回波特征(图 9a)。从沿雷达径向过钩状回波所作的反射率因子垂直剖面图上(图 9b)，可见回波墙-弱回波区-悬挂回波的典型结构，其中4-8 km高度处强度最大。相应的径向速度垂直剖面上(图 9c)则可见低层辐合、高层辐散的垂直结构，且高空辐散强度大于低层辐合强度，这种抽吸作用有利于强对流发展加强。16∶06回波移到安平(图 9d)，沿雷达径向过钩状回波的强度剖面图上也可看到明显回波墙-弱回波区-悬挂回波结构(图 9e)，相应的径向速度垂直剖面图上(图 9f)显示，风暴内部中低层(2-6 km)为较深厚的辐合区，从径向流入与流出气流的垂直分布看，辐合中心位于3-4 km附近，此高度上紧邻的径向流入/流出速度分别为±15m·s-1，3 km以下低层风场以径向流入气流为主。从气流分布与风暴相对位置看，风暴低层伴有一支较强暖湿入流，2 km左右径向风速达19 m·s-1，对应明显的辐合区。风暴高层至顶部(8 km以上)为流出气流，风场辐散特征非常明显，风暴顶强烈的抽吸作用增强了风暴底层的入流气流，对应此时安平附近出现的大风。
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图 9 2018年6月13日15:54石家庄雷达1.5°仰角基本反射率因子图(a)与沿图a中粗紫线所作的反射率因子(b)和基本速度(c)剖面图，以及16:06的2.4°仰角基本反射率因子图(d)与沿图d中粗紫线所作的反射率因子(e)和基本速度(f)剖面图 Fig. 9 (a) Basic reflectivity factor (unit: dBz) at 1.5° elevation angle from Shijiazhuang radar and the vertical cross sections of (b) reflectivity factor and (c) radial velocity (unit: m·s-1) along the thick purple line in (a) at 15∶54 BT, and (d) basic reflectivity factor (unit: dBz) at 2.4° elevation angle and the vertical cross sections of (b) reflectivity factor and (c) radial velocity along the thick purple line in (d) at 16∶06 BT on 13 June 2018. |
冰雹云强度越大，高反射率因子区域越大，反射率因子核心强度越大，三体散射(TBSS)长度就越长(廖玉芳等，2007；李浚河等，2016)。河北此次强对流天气过程超级单体风暴形成12 min后2.4°和3.3°仰角反射率因子图上就观测到了TBSS雏形，旁瓣回波出现略晚2个体扫，此后向上向下高、底层均可见旁瓣回波和三体散射，且随后越来越明显，旁瓣回波持续时间比三体散射短，大约维持1 h，TBSS最长超过60 km(图 10)，说明冰雹云发展非常强烈。保定出现冰雹时三体散射还不明显，15∶30 (图 10a)，博野出现大冰雹时，三体散射和旁瓣回波均较强，其中三体散射长度达60 km以上，安平出现冰雹前后(16∶06-16∶12，图 10b)和深州16∶30 (图 10c)出现冰雹时三体散射长度也在60 km以上，随着冰雹云减弱，高反射率因子区域越来越小，17∶00衡水出现冰雹时三体散射长度降至50 km以下，17∶24冀州出现冰雹时三体散射长度降至10 km左右，且后2站出现冰雹时旁瓣回波也明显减弱。
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图 10 2018年6月13日石家庄雷达15时30分3.3°仰角(a)、16时06分2.4°仰角(b)、16时30分3.3°仰角(c)基本反射率因子图 Fig. 10 Basic reflectivity factor (unit: dBz) at (a) 1.5°elevation angle at 15∶30 BT, (b) 2.4°elevation angle at 16∶06 BT and (c) 3.3°elevation angle at 16:30 BT on 13 June 2018 from Shijiazhuang radar. |
TBSS持续时间也是强冰雹预警的关键因素之一。廖玉芳等(2007)统计分析20个TBSS个例表明，只有20%的TBSS持续时间超过90 min。而河北此次强风雹过程中，TBSS初始出现时间是6月13日15∶06，结束时间是17∶36，持续时间长达23个体扫(150 min)，超级单体减弱消失后还维持了5个体扫，这在以往的观测中较为罕见。其中1.5°到3.3°仰角回波图上TBSS存在时间超过20个体扫，而4.3°仰角图上TBSS持续18个体扫；6.0°仰角图上TBSS持续12个体扫；0.5°仰角回波图由于地物遮挡或高度太低只观测到TBSS持续17个体扫。旁瓣回波和三体散射均是产生大冰雹的典型观测特征，TBSS持续时间相对较长可对强冰雹预警起到关键作用。TBSS出现频次与风暴相对于雷达的方位关系很大。当风暴位于雷达的东北、东和东南方向时，TBSS被观测到的频率很低(廖玉芳等，2007)。但此次强风雹过程的风暴自北向南依次处于雷达的东北、东及东南方向，仍观测到了TBSS较长时间持续，且TBSS长度也较长，充分说明此次冰雹云反射率因子核心强度和高反射率因子区域均较大。
4.5 双偏振雷达特征利用饶阳X波段双偏振雷达站(115°44′35″ E，38°13′23″N，32.9 m，位于图 4中深州东北方)产品，对6月13日引起深州降雹的超级单体风暴作进一步分析。图 11给出6月13日16:30饶阳双偏振雷达探测的2.5 km高度水平通道反射率(Zh)及其剖面、差分反射率(Zdr)剖面、以及水平通道和垂直通道互相关系数(Rohv)剖面图。从中看到，虽然因为电磁波衰减致使强回波主体在低仰角雷达图上显示异常，但降雹时刻单体回波位置仍能正常显示(图 11a中黑框所示)，相应沿雷达径向的Zh剖面图上(图 11b)可见Zh在2.5 km高度附近存在极大值(≥55 dBz)，对应位置的Zdr为-0.5~0.5 dB (图 11c)，说明此处有个头较大或数量较多的球形粒子存在。而该位置对应的Kdp仅1.5~2.0 °/km (图略)，同时Rohv在0.75~0.92之间(图 11d)，噪声较大，说明该处粒子之间的相态不完全一致。综上分析可知，雷达图上黑色矩形框内的最强回波处，在2.5 km高度附近同时存在液滴和较大冰雹，与地面“雨加雹”的降水实况吻合。
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图 11 2018年6月13日16:30饶阳双偏振雷达2.5 km高度水平通道反射率Zh (a)及其沿雷达径向(图a中粗黑线)剖面图(b)、差分反射率(Zdr) 剖面图(c)以及水平通道和垂直通道协相关系数(ρhv)剖面图(d) (矩形黑框位置表示反射率因子最强处) Fig. 11 (a) Reflectivity factor (Zh, unit: dBz) at horizontal polarization at 2.5 km height and (b) its cross section along the thick black line in (a), as well as the cross sections of (c) differential reflectivity (Zdr) and (d) correlation coefficient (ρhv) between horizontal and vertical polarization from Raoyang dual-polarimetric radar at 16∶30 BT on 13 June 2018. Black rectangular boxes mark the place where the reflectivity factor is strongest. |
本文利用常规观测资料、地面自动站资料以及石家庄多普勒天气雷达和饶阳双偏振雷达资料等，分析了2018年6月13日影响河北中南地区的一个长生命史超级单体风暴的雷达观测特征，主要得到以下几点结论:
(1) 此次超级单体发生在涡后横槽转竖的环流背景下，槽后冷空气沿偏北风急流南下，上干冷、下暖湿的层结，强垂直风切变，高的K指数和对流有效位能，较大的气温垂直递减率，适宜的0 ℃和-20 ℃层高度，以及-20 ℃层以上大量的潜在不稳定能量，为雹云生成和发展提供了有利的环境条件。
(2) 此次风暴过程的生命史长204 min，其最大反射率因子基本上维持在65 dBz以上，超级单体维持时间长达138 min。风暴发展阶段的垂直积分液态水含量和最大反射率因子高度均有一个跃增过程。中气旋底高最低可达风暴底部，HM-T变化幅度较小，低质心中气旋和高质心中气旋都可降雹，HM-S跃增和突降期均可降雹，降雹期间对应超级单体暂时减弱。中气旋厚度最大为6.8 km，最强切变最高达40×10-3 s-l，反映了中气旋发展强盛且深厚，是超级单体发展和维持的重要动力机制。
(3) 超级单体形成1 h后其钩状回波特征明显，表现为回波墙-弱回波区-悬挂回波的典型垂直结构，4-8 km高度处回波强度最大。速度剖面呈现低层辐合、高层辐散的垂直结构，且高空辐散大于低层辐合；旁瓣回波维持约1 h，TBSS最长尺度超过60 km，持续时间长达150 min。
(4) 低空辐合、中空旋转、高空辐散的流场结构有利于超级单体内部强烈的旋转上升运动；超级单体维持期间一直伴有气旋、反气旋涡旋对。
(5) 双偏振雷达探测的超级单体反射率因子≥55 dBz，对应位置的差分反射率为-0.5~0.5 dB，差分传播相移率仅为1.5~2.0°/km，同时相关系数在0.75~0.92之间，表明超级单体内同时存在液滴和较大冰雹。
此次过程超级单体维持期间，50 dBz回波高度一直维持在9-10 km，达到-30 ℃层以上，降雹结束后其高度迅速下降至9 km以下；基于单体的VIL在中气旋形成前一个体扫出现跃增，降雹期间维持在54 kg·m-2以上，降雹后则迅速降至50 kg·m-2以下；最强切变平均21×10-3 s-l，最强切变高度在中气旋底部或顶部时均与地面降雹时间吻合。可见，50 dBz的高度和基于单体的VIL值对降雹有一定的指示作用，中气旋切变强度与冰雹的形成有关，最强切变的高度与冰雹关系不大。由于受探测资料的限制以及风暴形成和消亡阶段变化过快，文中的分析尚不能揭示各项雷达探测指标与冰雹的关系，这也是下一步需要深入研究的内容。
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