引言

研究表明超级单体的形成演变方式、雷达回波形态等是多种多样的，有些单体是经典超级单体，有些是由多单体风暴演变而来，有些超级单体生命史长，有些生命史短。但超级单体风暴与其他强风暴的本质区别在于超级单体风暴含有强烈旋转的中气旋(俞小鼎等，2006a；2006b)。在超级单体三维模式中，上升气流从右前方进入风暴，到了高层气旋式旋转进入云砧区，下沉气流在对流层中层从风暴右侧进入，从左后方低层离开。

近年来，国内的广大气象工作者对一些超级单体结构及其产生环境条件进行了分析研究(刁秀广等，2014；伍志方等，2014)。俞小鼎等(2008)对一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴进行了分析；郑媛媛等(2004)对安徽一次典型超级单体风暴结构和演变进行了分析；农孟松等(2011)对桂西北一次超级单体风暴过程进行了分析；陈晓燕等(2011)对黔西南州一次分裂型超级单体环境条件和回波结构进行了分析；雷蕾等(2011)分析表明0℃、-20℃层高度、垂直风切变能区分冰雹和暴雨天气；刁秀广等(2009)对边界层辐合线在局地强风暴临近预警中的应用进行了分析。

2012年4月11日午后至12日凌晨，福建省中北部出现较大范围冰雹、雷暴大风强对流天气。其中三明市的尤溪县11日14：08出现直径3 cm冰雹；12日01：30左右安溪县北部乡镇出现鸡蛋大小的冰雹，最大达10 cm。雷达观测表明这两个最严重灾害是由两个超级单体强风暴引起。本文利用福建省建阳、龙岩、长乐3部新一代天气雷达和加密天气观测资料，对天气环境背景、强对流发生条件、强风暴单体演变及结构特征、两个强风暴单体异同点进行了详细分析，提出对不同强风暴短时临近预报的思路。

1 天气形势背景

此次强对流过程乌拉尔山附近的高压脊稳定，其东侧有小短波槽东移，引导冷空气南下，槽后有冷平流；副热带高压西北侧的西南暖湿气流活跃，冷暖空气交汇于福建中北部上空。11日08:00福建省低层有暖脊发展，暖平流增温增湿明显，中层冷平流降温，大气不稳定度加大；低层福建中部有切变线(图 1a)，200 hPa高空急流轴线穿过闽西北，这种高低空配置为强对流的产生提供了有利的动力抬升条件。

20时850 hPa福建省中部形成暖式切变，中层中北部3~6℃降温，低层中南部升温，低层锋区南压，925 hPa在龙岩北部一低涡发展形成，夜里强对流区也随切变南压，在925 hPa切变附近的暖区里触发产生强风暴单体并沿切变线东略南移。

2 强对流发生发展条件分析 2.1 不稳定条件

11日08时福建北部负变温，并向南推进，700 hPa以下低层增温达2~6℃，850与500 hPa的温差大于25℃，午后地面增温增湿显著，夜里低层升温区位于中南部，中北部为降温区，不稳定区南移到福建中南部(图 1b)，850与500 hPa的温差增大为26℃，北部不稳定度则减小。

11日08时福建中北部CAPE值较小，14时中部CAPE值迅速增大，08时龙岩站的探空计算，对流有效位能仅217 J·kg^-1，对流抑制能量为147 J·kg^-1，且自由对流高度较高，约640 hPa(图 2a)。重新构建龙岩站14时T-lnp图，CAPE增大为1880 J·kg^-1，表明午后趋于更加不稳定。20时龙岩对流有效位能仍超过1100 J·kg^-1(探空数据仅到400 hPa高度层，以上数据缺失，估算大于此值)，且自由对流高度降低为810 hPa(图 2b)。这些均表明午后到夜里强对流天气发生前，福建中北部环境场已具有很强的热力不稳定条件。

2.2 水汽条件

11日08时比湿场上福建中南部近地层很湿，925 hPa有一湿舌从广东至福建中南部为12~13 g·kg^-1的高湿区，850 hPa比湿q＞11 g·kg^-1；20时12~13 g·kg^-1的湿层达850 hPa，中层有明显干区发展。龙岩单站探空显示夜里500~400 hPa中层有明显干侵入，450 hPa中层温度露点差达35℃(图 2)，上干下湿的对流不稳定层结非常明显，这种大气水汽垂直分布非常有利冰雹、雷暴大风产生。

2.3 垂直风切变

垂直风切变大小极大地影响对流风暴的组织和演变，本次过程有强的中层环境风垂直切变。11日08:00高空急流轴位于福建中北部上空，850 hPa风速为8 m·s^-1，地面至中层的垂直风切变较10日明显增大；20时西南部垂直风切变更大。图 2中08时龙岩站探空资料显示500 hPa高空风20 m·s^-1，垂直风切变增大为3.6×10^-3 s^-1。20时500 hPa风速增大到28 m·s^-1，使垂直风切变增大为4.7×10^-3 s^-1，达到强切变条件，有利于孤立的超级单体风暴的发展维持。

3 地面中尺度分析

受午后日射加热和西南暖平流减压影响，11日午后在福建中南部气压明显下降，广东至福建中南部是大片-4~-3 hPa的3 h变压区，14时出现低压倒槽区，倒槽内有一偏北风与偏南风辐合线随弱锋面南压(图 3a)，午后的强对流发生在辐合线两侧。20时(图 3b)在龙岩及泉州北部发展形成1007 hPa尺度约180 km×100 km的中低压，925 hPa相应位置上有一低涡发展(图 1b)。夜里对流单体正是在此辐合线上中低压西北侧发展加强形成超级单体风暴并沿辐合线东移。可见地面低压倒槽、辐合线及锋面南压所形成的强烈辐合、抬升是强风暴发生的动力触发机制。

4 雷达回波分析 4.1 强风暴单体演变及结构特征

11日午后至12日凌晨中北部的强天气均是由一些块状强风暴单体产生，过程中出现了2个超级单体(下称超级单体Ⅰ、Ⅱ)，它们在生命史中均产生了大冰雹、雷暴大风。雷达系统SCIT算法识别的2个强风暴活动路径如图 4，图中单体Ⅰ从11日11:38—14:53持续时间为3小时15分钟，单体Ⅱ从11日22：05至12日03：45持续时间为5小时40分钟，两个单体平均移速相差不大，约为50 km·h^-1左右。根据收集的实况，单体Ⅰ所经之处的明溪、尤溪两个县(市)有3个乡镇在12:09—12:15及14:02—14:15期间出现冰雹，其中在14:08尤溪县西城镇30 mm的冰雹；单体Ⅱ所经之处的漳平、安溪、南安三个县(市)北部共有8个乡镇在0:33—02:25期间出现冰雹，01:30左右安溪县北部感德镇、剑斗镇降下鸡蛋大小的冰雹，大的达10 cm。两个风暴的演变及结构、强度、速度场、地面天气等特征有异、同之处，本文对此进行详细分析。

(1) 超级单体Ⅰ演变及结构特征

11日12时左右建阳雷达探测到在西南部对流单体发展，13:27进入沙县南部大洛镇时强度为67 dBz，垂直累积液态水(VIL)由10分钟前的34 kg·m^-2跃增到54 kg·m^-2，表明强回波区高度增厚、增高，VIL密度约4.5 kg·m^-3，此时开始出现三体散射长钉回波，长度仅6 km。14:04在仰角0.5°~2.4°约2.5~7.2 km高度上(0℃、-20℃层高度为4.1 km、7.3 km)均出现三体散射长钉回波，1.5°约4.9 km高度上，三体散射长钉回波长度最长、宽度最宽，达20 km(图 5)，各个层次产生三体散射长钉回波的强核心强度都超过65 dBz，最大达74 dBz，3.4°约9 km高度上已无三体散射长钉回波且最强回波强度降为50 dBz以下。从图 5b可看到13:58即大雹降落前10分钟雷暴发展旺盛，60 dBz以上强区发展到8.5 km高度，弱回波区上方存在明显的悬垂强回波区，该强回波区处于4~8 km高度，即0~-20℃温度层，最强回波处于6~7 km，表明该层为大冰雹增长区。降雹前悬垂强回波不断降低，最强回波降低到4 km，表明上升气流开始减弱，大冰雹区下降。此现象从建阳雷达风暴追踪信息产品的强风暴单体降雹前后雷达参数变化信息上可以反映出来，由表 1中可见在降雹前13:58风暴顶高TOP为10.8 km，最强回波高度HT为6.6 km，一个体扫后最强回波高度下降为4.4 km，但此时风暴顶高未降低，所以垂直累积液态水VIL反而稍有增大，至14:10风暴顶坍塌高度降低为8.8 km，VIL陡降为40 kg·m^-2，此间最强回波强度dBzm无变化。该单体于14:02时在尤溪西侧的管前镇降下小冰雹，14:08在尤溪西城镇降下直径3 cm大冰雹并伴8级大风。

建阳雷达与尤溪距离125 km，在降雹期间3个体扫探测到中气旋。13:52即降雹前17分钟从相对径向速度图看最大转动速度在0.5°~1.5°仰角约2.5~4.8 km高度，转动速度15 m·s^-1，2.4°仰角7 km高度转动速度减小为11 m·s^-1，此后2个体扫2.5~4.8 km高度转动速度减小为13 m·s^-1，在高层4.3°约11 km为辐散，正负速度差值24 m·s^-1，根据中气旋识别标准，属于弱中气旋等级靠近下限。

(2) 超级单体Ⅱ演变及结构特征

11日22:17龙岩西北部的长汀对流单体发展东移，吸收合并了其北部单体，合并后强度迅速加强，12日00:10后增强到70 dBz以上，强中心高度上升，VIL也由33 kg·m^-2跃增到58 kg·m^-2，VIL密度达4.3 kg·m^-3，风暴前侧低层有弱回波区，弱回波区上方存在70 dBz以上的悬垂强回波区。00:16后风暴单体进入漳平境内后，超级单体旋转特征出现，00:28风暴单体产生波动，东北段向后凹进，西南段向前突出，中气旋位于东北端入流缺口的“钩”状回波处。00:40该特征非常明显，几乎呈斜S型(图 6)，反映出前侧暖湿入流气流、后侧干冷下沉气流的发展加强，但前侧缺口比后侧缺口明显，表明前侧入流气流强于后侧入流气流，这有利于风暴上升运动的加强维持。在0.5°仰角(约2 km)图上，超级单体东北段入流缺口处气旋性旋转的转动速度约13 m·s^-1；仰角1.5°~6°(约2.8~6 km)气旋性旋转的转动速度约15 m·s^-1(图 5)；至14.6° (约13 km)已转为辐散流场，正负径向速度差值达39 m·s^-1(图 6椭圆内)，相应地面上漳平一些乡镇出现直径1 cm以下冰雹及强降水，但此时未见2 cm以上大冰雹，表明此时冰雹在强上升气流支撑下处于继续增长阶段。与风暴单体Ⅰ一样也观测到降雹前特别是降大雹前风暴顶高和最强回波高度明显下降，垂直积分液态含水量VIL减小的现象(表 1)，从12日01:33前后的0.5°、1.5°基本反射率图上三体散射回波的长短、宽度的变化也可判断强核的下降。

龙岩雷达监测该超级单体在00:22—02:39均有中气旋报警，但整个生命史中未探测到大雹的三体散射长钉回波特征。而长乐雷达在00:51风暴进入其探测范围不久即安溪境内时，就已探测到大冰雹的三体散射长钉回波特征，持续到01:57离开安溪县(图 7)，该超级单体在三体散射长钉回波特征出现后约半小时即01:30左右在安溪北部感德镇、剑斗镇降下鸡蛋大小的冰雹，大的达10 cm，此时长钉回波长度20 km。雹云离开安溪县后，虽然三体散射长钉回波特征消失，但65~70 dBz的回波强度还维持了半小时，而龙岩雷达也继续检测到中气旋特征半小时才消失，其移入南安县西北部仍产生小冰雹、强降水。由于风暴距离长乐雷达较远，所以在整个风暴过程中长乐雷达未探测到中气旋及低层的钩状等特征，而龙岩雷达与该风暴距离近，检测到中气旋，但未探测到三体散射长钉回波特征，由此更加表明了三体散射长钉回波特征是大雹的充分而非必要条件以及雷达探测识别中气旋受距离因素影响。

4.2 强暴雹单体的异同点

11日午后尤溪与12日凌晨安溪强降雹单体共同点是降大雹前均出现了三体散射长钉回波，弱回波区，回波强度强，VIL密度均大于4 kg·m^-3，降雹前风暴顶高和最强回波高度明显下降及VIL减小，地面以降雹为主并伴雷暴大风等特征；不同点主要表现在下面几个方面，造成差异的原因在第五节讨论。

(1) 中气旋

龙岩雷达在12日00:22—02:39均检测到超级单体Ⅱ有中气旋，该风暴当时距雷达约50 km左右，中低层旋转速度达到13~15 m·s^-1，符合弱中气旋的强度标准，它保证了一支强盛的上升气流支撑空中大冰雹的增长，对维持雷暴的发展起了重要作用，其入流区位于风暴的右前侧；超级单体Ⅰ的中气旋仅维持3个体扫，且处于弱中气旋的下限，其上升气流相对弱，地面降雹点少、降雹持续时间短。

(2) 风暴顶辐散

大冰雹的形成，必须有强的上升气流，上升气流越强，冰雹在上升气流中增长的时间就越长。风暴顶辐散是与风暴中强上升气流密切相关的小尺度特征，它可作为判断大冰雹的另一个指标，辐散越强，对应地面冰雹越大。本例超级单体Ⅰ在11 km高度正负径向速度差值为24 m·s^-1。超级单体Ⅱ在13 km高度正负径向速度差值达39 m·s^-1，显然超级单体Ⅱ高层辐散强于风暴单体Ⅰ，表明前者上升气流比后者强，相应地面出现冰雹尺寸也更大。

(3) 移动路径

统计表明风暴单体越强右偏高空风越多，风暴单体通过右移，使环境垂直风切变产生的水平涡度在沿着低层入流方向的水平涡度分量增大，并随着低层入流转变为上升气流过程中转变为垂直涡度, 使主上升气流的旋转得到加强维持。由图 4可见超级单体Ⅰ初生阶段，移向东北方向(250°)，基本与500 hPa风向一致, 发展阶段移动路径右偏中层风20°，此间移速仅中层风一半，在强降雹前后(13:52—14:22) 移向为280°, 右偏中层风30°，强降雹后即减弱阶段移向东北方向，仅右偏高空风约15°，成熟至减弱其移速加快到中层风的75%(约15 m·s^-1)；超级单体Ⅱ移动路径稳定的东略偏南，平均右偏高空风约28°，发展成熟阶段右偏约30°，移速平均为14 m·s^-1。本例两个超级单体的右偏高空风状况体现了风暴单体强度不同或处于不同发展阶段与高空引导风偏离程度不同的特点，这也可以为强风暴临近预报预警提供思路。

(4) 生命史

11日午后尤溪强降雹单体(超级单体风暴Ⅰ)起源于三明西部，其生命史约3.5 h，横跨150 km；11日夜里至12日凌晨安溪强降雹单体Ⅱ起源于龙岩西北部长汀，该单体横跨280 km，生命史将近6 h，达到超级单体标准时间长达2个多小时，是一个长生命史的稳定的超级单体。

5 风暴环境条件差异 5.1 垂直风切变

对于超级单体风暴中中气旋的产生, 目前比较一致的观点是:环境垂直风切变产生水平涡度, 沿着对流单体低层入流方向的水平涡度分量在随着低层入流转变为上升气流过程中被逐步扭曲为垂直涡度, 随后垂直涡度在上升运动的垂直拉伸下进一步加强为中气旋。

11日20时龙岩500 hPa西南风增大，由08时的20 m·s^-1增大为28 m·s^-1。中层垂直风切变对风暴发展维持有重要的作用，强大的中层风使风暴移速很快，进而加大低层入流，使风暴增强暖湿气流输送，且使相对风暴气流与下沉气流产生的外流保持平衡，不致阻断入流气流，从而有利风暴单体维持，超级单体风暴Ⅱ正是在此风垂直切变增强区也即水平涡度增强区得到发展加强并长时间维持，其生命史比超级单体Ⅰ长、中气旋及三体散射长钉回波维持时间更长且稳定、冰雹尺寸也更大。

5.2 相对风暴螺旋度

相对风暴螺旋度定义为：

$ {\mathit{H}_{\mathit{SR}}} = {\smallint _\mathit{z}}\left({\mathit{V} - \mathit{C}} \right) \cdot {\mathit{\Omega }_{\mathit{xy}}}{\rm{d}}\mathit{z} $

(1)

式中，(V-C)是相对于风暴的速度, Ω_xy是环境水平涡度。相对风暴螺旋度不仅表征了环境场的旋转程度, 而且还表示输入到对流系统中的环境涡度的多少。在具有旋转性的大气里, 对流系统相对速度(V-C)把环境水平涡度输送到对流系统中, 上升气流又将进入对流系统的水平涡度变为垂直涡度, 而垂直涡度对于对流系统的产生具有至关重要的作用。Lilly(1986a;1986b)研究指出, 强对流风暴具有高螺旋度特征, 它的螺旋度从环境场中获得并在浮力效应下增强, 同时, 高螺旋度阻碍了扰动能量耗散, 对超级单体风暴的维持有重要作用, 稳定的强对流风暴常发生在螺旋度值大的地方。

用NCEP分析场资料计算0~3 km相对风暴螺旋度H_SR(图 8)，由分布图可以看出14时风暴单体Ⅰ处于80 m²·s^-2左右的低值区，20时风暴单体Ⅱ处于200 m²·s^-2以上的高值区(12日02时缺NCEP资料)，该值已超过国外研究得出的产生龙卷的临界值150 m²·s^-2。同时根据式(1) 利用与尤溪、安溪降大雹点分别相距约60 km、50 km的永安风廓线雷达测得的高时空精度的风场数据分别计算11日14时、12日01时的相对风暴螺旋度(刘健文等，2005)，风暴移动方向和速度根据雷达观测该风暴单体获得，由此得出11日14时0~3 km高度层H_SR为138 m²·s^-2，12日01时为261 m²·s^-2，可见夜里风暴单体Ⅱ所处环境的相对风暴螺旋度几乎是风暴单体Ⅰ的两倍，这种大的H_SR使风暴单体Ⅱ能从环境气流中获取更多能量，并有利于它长时间维持，形成有利超级单体风暴产生的环境。

5.3 垂直涡度

Kung等(1975)研究了次天气尺度风暴区的动能收支，结果表明次天气尺度风暴区消耗的动能大部分是本区产生的，并且发现在有锋面并对流活跃的个例中，在900 hPa以下的近地层中有大量的能量通过风穿过等高线流向低值区，产生涡动动能。而它们的发展在摩擦作用下会形成强辐合，这种低层强辐合对风暴的发生、发展和维持都是很有利的。11日08时925 hPa福建中部为一西北风与西南风切变，14时在尤溪附近涡度仅0.5 ×10^-5 s^-1左右。20时在龙岩北部的切变线上中尺度低压发展，从20时地面中分析图上(图 2)也可看到在龙岩北部东北部有低涡辐合，在龙岩东北部的漳平附近涡度3.0×10^-5 s^-1左右(图略)，因此，夜里该地区近地层涡旋辐合条件更好，是垂直涡度增强区，超级单体风暴Ⅱ正是进入此有利对流产生的环境正涡度区域得到发展加强并长时间维持。

6 结论

(1) 本次强对流过程是发生在高层冷平流降温、低层暖平流增温的强的温度垂直梯度下，高CAPE值为强对流发生发展提供了必要的能量条件；上干下湿的水汽垂直分布，具备强的对流不稳定层结，有利于冰雹、雷暴大风的产生；适宜的0℃、-20℃层高度使此次过程地面以降雹为主；地面中尺度低压、辐合线及低层锋区的南压是这次强对流天气的触发因子。

(2) 高空、中空急流的配置形成了强的中层垂直风切变和深层垂直风切变，特别是夜里中空急流的增强使得风暴单体Ⅱ移速很快，对加大相对风暴入流和相对风暴螺旋度等有重要作用，有利孤立的超级单体风暴的发生、发展和维持。

(3) 两个强降雹单体雷达回波共同特征是降大雹前均出现了三体散射长钉回波，弱回波区WER，回波强度强，VIL密度均大于4 kg·m^-3。单体成熟阶段均右偏高空风30°。

(4) 两个强风暴虽然都是超级单体，但中气旋强度及维持时间、风暴生命史，上升气流强度、风暴移动路径、出现灾害严重程度均有明显差异。风暴单体Ⅱ的中气旋处于弱中气旋的上限，中气旋维持时间长达2小时17分钟，使风暴得到稳定、持续的发展，风暴生命史长达近6 h，并始终维持孤立状态，同时也存在前侧、后侧入流缺口，反映了上升气流与下沉气流共存的风暴动力特征，其高层辐散更强，移动路径东略偏南且移向稳定，平均右偏高空风约28°；超级单体风暴Ⅰ的中气旋仅维持3个体扫，且处于弱中气旋等级的下限，风暴生命史3个多小时，除发展阶段与其他单体合并外基本维持孤立状态，其高层辐散更弱，上升气流相对弱，生命史相对短，移动路径东略偏北，成熟阶段右偏高空风30°，发展及减弱阶段右偏高空风10°~20°。这些差异与产生风暴的环境条件如垂直风切变、垂直涡度等存在差异有密切关系。

(5) 另外，超级单体风暴常常是强对流过程中重大灾害的主要制造者，短时临近预报业务上应加强对不稳定条件、垂直风切变、地面中尺度环境的分析，注意诊断其中是否存在有利于超级单体出现的环境条件，然后基于多普勒雷达回波资料进行判别和外推，可以有效提高对该类强风暴的临近预报预警成功率。