引言

造成强对流天气的对流系统中，超级单体是典型的组织性强、危害性大、生命期长的对流系统之一，它往往同时伴随冰雹、雷暴大风和短时强降水等多种灾害性天气^[1-3]。超级单体形态多变，根据对流性降水强度和空间分布特征，超级单体可分为经典超级单体、强降水超级单体和弱降水超级单体^[4]，超级单体被定义为具有中气旋的对流单体而沿用至今。Moller等^[5]详细描述了超级单体的反射率因子特征，并指出超级单体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。陈秋萍等^[6]分析两个强降雹超级单体特征发现，中气旋维持时间的长短与垂直风切变、垂直涡度存在差异有关。覃靖等^[7]分析柳州一次致灾冰雹的超级单体指出，地面干线和中尺度辐合线触发的对流云团在不稳定层结和较深的深层垂直风切变作用下发展为超级单体。吴海英等^[2]利用地面加密自动站及多普勒天气雷达观测资料分析了一次冷涡背景下苏皖地区长生命史超级单体风雹，结果表明，地面中尺度低压及与之相伴随的辐合线是对流风暴的触发机制之一，超级单体风暴较长时间维持与对流层中层冷平流持续南下、强垂直风切变维持及风暴内旋转特征持续有关。以上研究从不同方面加强了人们对超级单体触发与维持机制的认识。然而，地处长江中下游的湖北省，水汽充沛，夏季热带海洋气团和极地冷性气团频繁交汇于此，强对流成为湖北主要的灾害性天气之一，且通常伴有冰雹、短时强降水、雷暴大风和强雷电等，每年都会不同程度地给当地人民生命财产造成损失。研究发现^[8]，近地面系统是强对流触发、发展和加强的重要影响系统。目前，湖北地区已有8部多普勒天气雷达投入业务应用，这些雷达虽能覆盖湖北全省，但鄂西山地对雷达近地面气象要素的探测遮挡较为严重。近年来，随着大量地面探测资料被用来分析地面中小尺度系统演变，以及湖北陆续建成2 638个区域自动气象站，使得预报员能较好地捕捉到强对流发生时地面气象要素的变化，这在一定程度上弥补了雷达探测资料的缺陷。但如何判断强对流天气的触发、发展与加强趋势及其维持机制、灾种和落区等，仍是当前短临天气预报中面临的一大难题。

湖北地区夏季因超级单体影响而多次产生致灾性强对流天气^[9-11]。2016年6月7日下午鄂西北又出现一次强对流天气过程(以下简称“6.7”鄂西北强对流过程)，造成鄂西北10站17.2 m·s^-1(8级)以上大风，并伴有局地30 mm·h^-1以上短时强降水(图 1)，皆因一超级单体所致。该超级单体持续3 h左右，受其影响最重的十堰市16—17时(北京时，下同)有7站最大风速超过20 m·s^-1，极值达24 m·s^-1。为揭示该超级单体风暴的触发机制和结构特征，本文利用常规观测资料以及湖北省逐时区域自动站、十堰S波段多普勒天气雷达等资料，对该超级单体风暴演变进行了观测分析。

1 环境条件

2016年6月7日08时(图 2)，西太平洋副热带高压(以下简称副高)主体位于海上，位置偏南，高纬地区东北冷涡缓慢东移，低涡低槽后部冷平流较强。500 hPa中纬度地区以纬向环流为主，同时500 hPa风场一西风带低槽东移至鄂西北，鄂西北和陕西南部交界处逐渐转为由偏西(北)气流控制，槽后冷平流明显，有利于不稳定能量聚集。700 hPa湖北除鄂西南外，全省为一致的西北气流控制，上干冷结构特征显著，此时850 hPa华北地区有一小高压存在，高压底部偏东气流沿安徽北部至河南南部一线向西汇入，与陕西北部的偏北气流和甘肃一带的偏西气流在陕西南部、河南南部和鄂西北三省交界处形成气流辐合区，为鄂西北对流发展提供了很好的动力抬升机制。08时地面图上，暖倒槽发展旺盛，鄂西北处在该暖倒槽西段顶部，弱冷空气侵入暖倒槽不断激发对流发展。

上述分析表明，“6.7”鄂西北强对流天气过程是典型的在西北气流控制下由850 hPa气流辐合区动力抬升和地形结合触发形成的强对流，虽然7日08时有西风低槽东移至鄂西北，但低槽移速较快，08时后鄂西北迅速转为西北气流控制，地面为暖低压倒槽，午后热力作用加强，激发了对流发展。

因鄂西北没有探空站，采用距离鄂西北最近的两个探空站(陕西南部南康站和河南南部南阳站)实测资料来预估鄂西北大气层结状况。从图 3a中看到，7日08时安康站上空低层到高层为几乎一致的偏西(北)气流，K指数为32 ℃，对流有效位能(CAPE)为614 J·kg^-1，下沉对流有效位能(DCAPE)为488 J·kg^-1，0—6 km垂直风切变为14 m·s^-1，850 hPa与500 hPa之间的温差(T_850-500)约为26.5 ℃，高空冷平流较强；南阳站(图 3b)上空也是一致的偏西(北)气流，K指数为35℃，CAPE值为304 J·kg^-1，DCAPE值为448 J·kg^-1，0—6 km垂直风切变为12 m·s^-1，T_850-500约为26 ℃，不同的是南阳站整层湿度较大，两站的0 ℃层高度约为4 km左右。到14时，安康站(图 3c)上空仍为一致的西北气流，K指数为30 ℃，CAPE值增加到773 J·kg^-1，0—6 km垂直风切变为14 m·s^-1。其结果详见表 1。

从上述两站T－logp图中状态曲线和层结曲线分布看，无论是08时还是14时，CAPE值都介于300~ 800 J·kg^-1之间，属于较弱强度，而CAPE的形态呈瘦长型，属于典型的区域强降水类型，南阳站08时整层高湿，湿层深厚，预示着强降水发生；而探空曲线的另一形态特征是安康站上干下湿的“喇叭口”结构比较清楚，且850 hPa以上转为西北或偏西气流，中高层冷平流显著，近地面则为西南风，T_850-500达到26 ℃以上，DCAPE值大于等于400 J·kg^-1，南阳站700 hPa以下温度露点差(T－T_d)很小，尤其是850 hPa几乎小于1 ℃，表明气块接近饱和，中等强度的CAPE配合0—6 km强垂直风切变，预示着出现高度组织化的深厚湿对流的概率很高。此外，500 hPa以上明显的干层存在有利于雷暴大风产生，而强冰雹的产生还需要有合适的0 ℃层和-20 ℃层高度^[12-14]。根据观测和分析，最利于降雹的0 ℃层和-20 ℃层高度分别为3.0~4.5 km和5.0~ 9.0 km，安康、南阳站的0 ℃层和-20 ℃层高度分别在3.0~4.5 km和7.2~7.7 km之间，有利于产生降雹。另外，垂直风切变虽为中等大小，仍会导致一定的水平涡度，诱发超级单体发展^[15]。

2 雷暴触发与增强机制分析

已有研究^[10]表明，鄂西北特殊的喇叭口地形和下垫面环境是雷暴触发加强的重要物理机制。图 4展示了复杂地形作用下地面加密自动站风场和气温要素演变。受暖低压倒槽和午后气温回升影响，6月7日13:00 (图 4a)，鄂豫陕三省交界处地面温度超过30 ℃，郧西和郧县北部靠近秦岭山脉地面为偏南风，与山脉走向近乎垂直，形成一个同山脉走向一致的辐合线，促使垂直上升运动加强、上层辐散、对流不稳定增强，对应雷达回波图上有对流单体生成。14:00 (图 4b)，环境场南风加强，鄂西北地面风场与山脉走向形成的郧西-郧县-丹江口一线的辐合线愈发清楚，郧西-郧县-丹江口北部多个单体发展旺盛，同时在河南南部西峡-淅川一线有东南气流沿着西北—东南向山脉形成的地形辐合，东南风沿着喇叭口地形灌进时，由于地形收缩，辐合上升运动加强，河南南部对流逐渐发展加强。15:00 (图 4c)，对流单体主要集中在郧西-郧县-丹江口以北至河南南部一带，上述地区由于雷暴产生降水，凝结潜热释放，地面温度下降到30 ℃以下，郧县出现雷暴冷出流，转为偏北风，并与环境风形成中尺度辐合线，郧西-郧县-丹江口南部仍为30 ℃以上的不稳定能量区。16:00 (图 4d)，郧西-郧县雷暴冷出流加强，出现一致的偏北气流，与环境风形成的辐合线加强，对流回波逐渐合并加强为超级单体，地面加密站风场显示郧西-郧县一带15:00—16:00出现大范围7级以上大风。17:00 (图 4e)，鄂西北单体合并为一椭圆形超级单体，沿着河谷移至十堰东南侧，郧西-郧县-十堰北部雷暴移经之地温度下降到20 ℃左右，形成一温度为18 ℃左右的冷池，气温下降明显，与雷暴移动路径前侧的27~29 ℃的高温区形成一温度锋区，雷暴沿着河谷移动，在冷出流偏北气流和环境场偏南气流形成的地面辐合区附近继续加强。18:00 (图 4f)，超级单体减弱为东北—西南向带状回波，沿着河谷移至丹江口-老河口-谷城一线，地面有温度锋区对应，环境场东南气流清楚，地面辐合线在雷暴移动路径附近。18:00之后，超级单体减弱为一带状中尺度对流系统(对此本文不作讨论)。

需要强调的是，鄂西北特殊地形为对流的触发起到至关重要的作用，偏东和偏北三支气流在三省交界的河谷地带形成辐合区(图 5)，之后在高空西北引导气流下沿河谷向东南方向移动。从图 5中看到，十堰地区北部为秦岭东部余脉，南部为巴山山脉，两者在鄂西北汇合，形成一明显的西北—东南向喇叭口地形，湖北省逐时地面加密风场显示地面为一致的东南气流，水平风向与喇叭口开口方向一致，当东南气流进入喇叭口地形后，由于受山脉阻挡，使两侧气流向中间辐合上升，十分有利于对流发展^[10]。而河南北部有两支东路和东北路冷空气沿河谷地带不断侵入鄂西北，三支气流在鄂西北不断交汇，形成一稳定少动的辐合区，这也是鄂西北不断有对流发展的重要原因之一。

3 多普勒天气雷达资料分析

“6.7”鄂西北强对流过程持续时间约6 h，十堰多普勒天气雷达完整地记录了这次过程的回波演变及超级单体结构特征。

3.1 雷达回波演变过程

2016年6月7日12:30左右在湖北西北部、河南西南部和陕西南部交界处开始有多个孤立对流云团生成，此后回波不断发展加强，中心强度迅速增至55 dBz；14:30 (图 6a)，陕西南部对流系统(A)和鄂西北对流系统(B)逐渐合并，之后向东南方向移动，辐合线附近不断有对流单体生成，合并后的对流云团55 dBz的强回波比例扩大，回波形态逐渐变为结构密实的中尺度对流系统(MCS)，形态为短带状；15:22 (图 6b)，1.5°仰角反射率因子图上，从带状回波后部可看到入流槽口，表明中低层有较强西北气流进入MCS，前部呈圆弧形，回波前侧新生的对流单体不断并入带状回波中。

15:42 (图 6c)，MCS演变为弓状，郧西和郧县境内地面加密站局部出现地面大风，3.4°仰角径向速度图上(图 7a)，3.4 km高度出现中层径向辐合(MARC)，3.4—5.1 km高度上有一个-20 m·s^-1的大风核正逐步逼近雷达站，而在0.5°仰角风暴相对平均径向速度图上(图 7g)，去掉被掩盖的风暴速度区后，MARC显现更清楚，此刻上升气流非常旺盛；15:58 (图 6d)，弓状中端尺度变宽并加强为典型的伴有多种强对流天气的超级单体，雷达站正北方向40 km处出现中气旋(图 7b)，其旋转速度约25 m·s^-1，超级单体移动方向前侧20 km处有一条东西向阵风锋，大风核到达十堰雷达站西北侧25 km附近，大风核中-20 m·s^-1的大风面积剧增，风暴相对平均径向速度图(图 7h)上MARC表现更清楚，其高度约1.0 km；16:24 (图 6e、7c)，大风核到达雷达测站附近，0.5°仰角风暴相对平均径向速度图(图 7i)上大风核中心最大风速增强到-20 m·s^-1，高空动量下传显著；16:42 (图 6f)，超级单体前部和后侧入流槽后清楚，前部入流槽口表明低层有较强上升气流，而后侧的入流槽后则表明有较强的下沉气流和干冷平流汇入MCS，大风核最大风速为27 m·s^-1 (图 7d)，图 7j中大风核最大风速剧增到27 m·s^-1，最大正负速度对的“牛眼”结构呈气旋性弯曲，辐合上升运动剧烈，大风核经过十堰雷达站后，向丹江口移动；16:54 (图 6g)，超级单体中出现60 dBz以上强回波，前侧和后侧入流槽槽口依旧清晰，图 7e中气旋的旋转速度在35 m·s^-1左右，大风核最大风速为20 m·s^-1，正负速度对仍保持气旋性旋转状态，图 7k中大风核最大风速剧增到27 m·s^-1；17:06 (图 6h、7f)，大风核、中气旋和60 dBz强回波依旧发展强盛，但强回波高度下降到4 km以下，从图 7l中可见1.1 km高度开始出现风场辐散特征，下沉气流加强，上述特征一致持续到17:30；17:36 (图 6i)，60 dBz回波强度减弱为55 dBz，后侧入流槽口呈“V”型，前侧入流槽口消失，表明前侧东南气流减弱，MCS内部被强盛下沉气流占据。

3.2 超级单体的垂直结构

图 8给出6月7日16:54十堰雷达0.5°、1.5°和2.4°仰角的反射率因子和风暴相对平均径向速度图。此时超级单体正好位于十堰和丹江口的交界处。从中看到，0.5°仰角反射率因子图上(图 8a)距离十堰雷达10~30 km处90°方位角上，显示出带有前侧和后侧的入流槽口的超级单体，相应高度约1.1 km，最大反射率因子靠近前侧入流槽口，最大强度超过60 dBz，0.5°仰角速度图(图 8d)表现为一股强劲的西北气流，其中距离雷达站30 km处大风核的最大风速高达20 m·s^-1。1.5°仰角反射率因子图上(图 8b)，60 dBz以上强回波仍存在，表明上升气流发展旺盛，反射率因子廓线向东南扩展，超级单体60 dBz以上强回波向低层入流槽口一侧倾斜，速度图上(图 8e)，中气旋高度为1.6 km，入流速度依然为15 m·s^-1，正负速度对“牛眼”呈气旋性辐合。2.4°仰角反射率因子图上(图 8c)，60 dBz回波范围扩大，并出现65 dBz强回波，55 dBz以上强回波向移动方向(东南方向)一侧略倾斜，速度图上(图 8f)中气旋特征显著，沿着雷达径向表现为气旋式旋转辐合，入流槽口处中气旋高度2.1 km，中气旋发展深厚，旋转速度维持在30 m·s^-1，按照美国国家强风暴实验室规定的中气旋判据^[2]，该中气旋属于强中气旋，紧挨着中气旋入流槽口处的入流速度达到15 m·s^-1，大风核的最大风速为27 m·s^-1，正负速度对“牛眼”结构特征清楚。

图 8g为16:54超级单体成熟阶段沿其移动方向(即东南方向)所作的反射率因子剖面图(RCS)，图 8h为同时刻沿着雷达径向朝着雷达站方向所作的径向速度垂直剖面图(VCS)。RCS显示超级单体具有明显的右倾特征，即从低层到高层向入流一侧倾斜，60 dBz以上强回波伸展到7 km左右，远超过探空中0 ℃层高度(3.0~4.5 km)和-20 ℃层高度(7.2~7.7 km)，≥50 dBz的强回波则伸展到10 km左右，超过-30 ℃层高度(8.7~9.0 km)，而-10~-30 ℃层存在丰富的过冷水滴，有利于大冰雹形成。超级单体中的有界弱回波区BWER(图 8g红色箭头所示)、回波悬垂和右倾特征清晰，VCS底层是环境风和风暴内部下沉气流形成的辐散，且距离雷达站30 km处大风核已经及地，中层存在径向辐合(MARC)，风暴顶辐散，整个超级单体呈现出底层辐散、中层辐合、高层辐散的三维风场结构特征，风暴入流一侧很强的斜生气流将为风暴提供足够的水汽和上升作用，有足够的持续时间使小冰粒发展成大冰雹，后侧有一支干冷下沉气流从风暴底部流出，由相应的探空资料可知(图 3)，此次过程700—300 hPa的风向变化不大，有利于风暴内部的上升和下沉气流变成有组织的两股对峙的倾斜上升气流和下沉气流，形成持久的组织化强风暴；另外，宽大有界弱回波区、位于其上的强大的悬垂回波以及弱回波区前侧强的入流和MARC，都表明该超级单体也同时具有降雹潜势。

4 结论与讨论

本文利用常规地面和高空观测资料以及区域自动站、多普勒天气雷达等资料，分析了“6.7”鄂西北强对流过程中超级单体风暴的环境条件、触发机制及其结构演变特征，主要得到如下结论：

(1) 此次过程主要发生在前期地面暖倒槽控制的有利天气背景下，高原低槽槽后西北气流和南支槽前暖湿气流在鄂西北交汇、700 hPa以上强冷平流配合低层暖湿气流发展、上干下湿不稳定层结的建立、850 hPa鄂西北三支显著气流辐合区和地面中尺度辐合线是有利于雷暴触发加强的主要中小尺度系统。

(2) 由探空图上鄂西北一致的西北气流，冷平流强盛，“上干下湿”层结，27 m·s^-1的大风核持续超过3 h，环境风高空动量下传至地面，中气旋旋转速度达30 m·s^-1、垂直伸展高度达2.5 km以上，中气旋深厚且长时间维持，VCS上低层辐散、中层径向辐合及高层风雹顶辐散的三维结构，超级单体中强烈的下沉气流和地面暖湿气流形成多个体扫的阵风锋等特征可知，地面大风是在强的环境气流和风暴内强烈的下沉气流的共同作用下发生的。

(3) 宽大有界弱回波区、位于其上的强大的悬垂回波以及弱回波区前侧强入流和MARC表明超级单体具有降雹潜势；前侧入流槽口强烈持久的斜升气流、风暴顶辐散以及持续时间长是强降水产生的重要原因。