一次超级单体引发的秋季特大冰雹和龙卷雷达探测分析

利用烟台S波段双偏振多普勒雷达和荣成CINRAD/SA新一代天气雷达探测数据,结合探空、地面气象观测、ERA5再分析和冰雹、龙卷实地调查等资料,对2021年10月1日在山东半岛东部烟台、威海发生的特大冰雹和龙卷风暴的天气形势、环境参量和雷达探测特征进行分析。主要结果为:与气候平均场相比,造成本次强对流过程的500 hPa东北冷涡异常强盛,850 hPa自华南到东北地区西部有持续偏南水汽输送;在此异常环流背景下,山东半岛东部具有上干冷下暖湿、强的0~6 km垂直风切变和对流有效位能等有利于强冰雹、龙卷发生的环境条件;近地面的风暴前低压、雷暴高压和冷池特征明显。降雹时的风暴呈现典型超级单体特征,低层具有明显的钩状回波和倒“V”字型前侧入流缺口,垂直剖面显示出明显的有界弱回波区、差分反射率柱(Z DR柱)特征;根据大冰雹落点和降雹开始时间等信息,统计对应雹云的反射率因子、Z DR、相关系数(CC)的中位数分别为48.7 dBz、0.89 dB和0.90;地面出现龙卷和大冰雹时,风暴顶辐散强度最大达到71.5 m·s^(-1)。后侧阵风锋对应的出流边界北端的偏北气流与风暴前侧的偏南气流形成强涡旋上升运动,导致EF1级龙卷产生;龙卷发生在钩状回波的顶端,大冰雹多出现在入流缺口的北侧。地面发现龙卷发生前约5 min,雷达探测到龙卷碎片特征,Z DR和CC分别最低至-0.1 dB和0.81;龙卷发生前约11 min,探测到风暴低层的Z DR弧和风暴右后侧的下沉反射率因子核特征;荣成、烟台雷达分别提前22 min、5 min识别出中气旋和龙卷涡旋,可为龙卷预警提供重要参考。基于观测分析,给出了本次超级单体风暴的低层流场及龙卷、大冰雹落区的示意图。

山东高唐EF3级龙卷S波段双偏振雷达探测特征

利用济南CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的探测数据,结合龙卷实地调查资料,对2021年7月11日发生在山东聊城高唐的一次EF3级龙卷风暴的雷达回波演变过程、龙卷风暴单体的结构及龙卷风暴的中气旋(M)、龙卷涡旋特征(TVS)和龙卷碎片特征(TDS)进行分析。结果表明:(1)龙卷发生在高空冷涡及地面气旋共同作用天气形势下,龙卷位于地面气旋中心东偏北方向约200 km处;螺旋状对流云带中2个较强对流单体合并发展,演变成超级单体风暴,其后部下沉气流较强,与强的入流共同作用,诱发了强龙卷。(2)风暴中中气旋的顶高大多在5~7 km之间;龙卷发生前中气旋最大切变平均值为19×10^(-3)s^(-1),龙卷维持期间,中气旋最大切变平均值达到51×10^(-3)s^(-1)。(3)高唐龙卷涡旋底层双偏振参量主要特征是大的水平极化反射率因子,小的甚至负的差分反射率ZDR,小的相关系数CC;TDS时间及空间特征是,底层CC都小于0.7,CC低值区的面积在龙卷生成后随时间明显增大,CC值底层最小,随高度逐渐增大;CC低值区的面积低层和顶层较大,中间层较小;龙卷生成后TDS最大高度随时间逐渐增高,龙卷最强时TDS最高达到4.8 km,之后逐渐降低;龙卷消散后,1.5°以上TDS的特征很快消失,0.5°仰角TDS特征继续维持了大约11 min。

2020年7月22日安徽梅雨期龙卷的双偏振雷达观测分析

通过对2020年7月22日安徽省宿州市龙卷的现场灾情调查,并利用地面区域自动气象站、探空资料、欧洲中心再分析资料、蚌埠和阜阳站S波段双偏振雷达资料,分析此次超级单体龙卷风暴的天气背景条件,并探讨龙卷发生时双偏振雷达观测特征。(1)此次龙卷自西向东移动,路径长约60km,持续时间约1小时,强度为EF2级。(2)龙卷发生于梅雨期,在地面锋面和高空急流围成的区域内,位于超低空急流和高空急流交界的西北象限。探空显示,除了具有2243J/kg的对流有效位能(CAPE),底层丰富水汽之外,环境风速强并且垂直风切变异常偏大是此次过程大气环流背景场中最明显的特征。(3)雷达探测到超级单体钩状回波,中心反射率因子超过55dBZ,但强反射率因子伸展高度偏低,45dBZ伸展高度约7km;35m/s的TVS位于中气旋内部西侧。当龙卷发生于钩状回波的头部时,中气旋和TVS突然增强,直径缩小,底高降低;随后TVS向中气旋中心靠近,即钩状回波头部反射率因子梯度大值区。(4)龙卷发生时双偏振雷达观测到TVS附近Z_(DR)偏低,维持于0dB附近;CC异常偏低,仅有0.7,TDS特征明显,其伸展高度超过2km。钩状回波前侧有超过2dB的Z_(DR)高值弧,其强度和范围逐渐缩小。因此,综合使用双偏振雷达的反射率因子、径向速度、Z_(DR)和CC产品是对龙卷进行观测识别的有效途径之一。此次过程中,Z_(DR)和K_(DP)产品的高值区分别位于钩状回波前部和后部,表明钩状回波内部水凝物粒子大小、形状、数量分布较为复杂,其中K_(DP)对于强降水有较好的指示作用,对龙卷的指示意义较弱。

1814号台风“摩羯”引发鲁北平原一次罕见龙卷特征

利用常规观测、探空、区域气象观测站、ERA5、多普勒雷达等资料对2018年8月14日台风“摩羯”在鲁北平原引发的1个EF2级龙卷的环境背景和雷达回波进行分析。结果表明:(1)龙卷发生时台风“摩羯”已减弱为温带气旋并停止编号。(2)低层辐合、高层辐散,上下重叠度较好的急流轴,低空强的垂直风切变和风暴相对螺旋度等,构成龙卷风暴发生的有利环境条件。(3)龙卷母风暴属于小型超级单体风暴,低层反射率因子具有钩状回波形态;在速度剖面上具有龙卷涡旋轴线和小尺度风场辐合特征,对应谱宽剖面上有谱宽大值区。(4)降低雷达系统中气旋探测算法和龙卷涡旋探测算法部分适配参数阈值后,系统提前60 min给出中气旋特征,提前7 min给出龙卷涡旋特征(tornado vortex signature,TVS);中气旋顶高、最大切变高度快速上升和下降的过程对应小尺度涡旋的增强和触地,最大切变值骤降对应龙卷快速释放能量。

1522号台风“彩虹”外围佛山强龙卷特征分析

2015年10月4日15：28-16：03（北京时间，下同），强龙卷自东南向西北方向影响了佛山市顺德、禅城和南海区的十多个村居，造成严重灾害。利用常规观测资料、自动气象站资料、广州多普勒雷达资料、风廓线资料等，对这次强龙卷过程进行分析。（1）强龙卷发生在1522号台风“彩虹”外围螺旋云带中，龙卷发生地位于台风中心的45°方向约340～360km处。（2）大尺度环境场利于龙卷的发生。低空急流、低空强的垂直风切变和低的抬升凝结高度均利于龙卷的发生，高层辐散、低层辐合，上干下湿的不稳定层结，弱冷空气的低层入侵等提供了很好的动力条件。（3）地面中尺度辐合线是强龙卷发生的抬升机制之一，珠l一角喇叭口地形以及佛山东南低、西北高的地形有利于低层辐合的加强。（4）在螺旋雨带中发展加强的超级单体风暴发展至强盛阶段，雷达上探测到典型的钩状回波、人流缺口等特征；中气旋由弱中气旋加强到强中气旋，由中层向低层发展且切变不断增强时，龙卷触地或继续加强。（5）此次强龙卷是发生在中气旋和TVS底高顶高下降，切变急剧增强期间，龙卷发生时强中气旋底高距离地面小于1km，TVS底高低于500m，龙卷发生前16rain出现弱中气旋，龙卷发生前4min出现强中气旋并伴有TVS特征；TVS的底高、顶高明显下降，最强切变剧增是龙卷迅速增强的指标。

台风“摩羯”螺旋雨带中衍生龙卷的非超级单体特征

2018年8月14日受台风"摩羯"外围螺旋雨带影响,山东遭受7个龙卷风,其中影响惠民县姜楼镇的非超级单体龙卷达F2级致灾标准。利用常规观测资料、卫星云图、探空资料及多普勒雷达资料等,对此次强龙卷过程单体特征进行诊断分析。结果表明:龙卷发生在台风"摩羯"外围螺旋雨带中,其发生地位于台风中心35°方向约160 km处,为湿度梯度大值和TBB梯度大值相重合区域内。大尺度环流背景和低空急流、较低的抬升凝结高度及较大的低层风垂直切变均利于龙卷的发生。初始阶段小尺度涡旋先在近地面层出现,随后向上发展加强,并自高层减弱消失,且最大反射率因子强中心高度的快速下降和跃升过程对应地面龙卷的出现和消失;龙卷发生前7 min在0.5°仰角径向速度上出现小尺度涡旋,表明龙卷接地或即将发生,小尺度涡旋顶高明显上升可作为龙卷迅速增强的指标。

2010年3月5日闽北经典超级单体风暴天气过程分析

2010年3月5日16:20(北京时,下同)-19:50发生在闽北的强对流天气主要由中尺度对流回波群中的3个局地强风暴引起的,其中最强的单体是一典型的经典超级单体风暴,它在沿途220km产生了强降雹。本文利用建阳多普勒天气雷达(CINRAD/SA)资料和常规高空地面观测资料,分析了该单体的演变特征和环境条件。结果表明:(1)经典超级单体出现在具有地形锢囚特征的地面中低压内,该低压则处于高空槽前、西南中空急流下方、850hPa锋区切变南侧以及低空急流前方;该单体在地面中低压西部冷锋上生成后沿着地面辐合线移动并穿过低压中心,到达低压东部的静止锋冷区后减弱,生命史为4h52min,并始终维持相对的孤立状态,平均移速为75km.h-1,属于高质心对流系统。(2)成熟阶段(15:57-18:47),该单体维持中等强度以上的中气旋及相关的有界弱回波区(BWER)、低层钩状回波等经典超级单体特征,并出现了3次高峰,相应的中气旋在高峰期均有增强并向地面伸展。其中,在第二次高峰期出现了垂悬回波下降和钩状回波更新以及BWER消失现象,这一期间出现的龙卷涡旋特征进一步表明产生龙卷的可能性很大;在第三次高峰期也出现了类似演变特征,但更为典型的是中气旋最终发生了锢囚,形成长达30min的涡旋状回波。此外,在第一和第二次高峰期风暴左前方多次出现了阵风锋回波,而右后侧却未出现此现象,这也是一种有利于风暴维持的特征。(3)主要的风暴尺度环境特征是中等大小的对流有效位能、大的深层垂直风切变(0～6km风切变是39m.s-1)、强的相对风暴入流(17m.s-1,0～2km)和高的相对风暴螺旋度(418m2.s-2,0～2km);与典型的经典超级单体风暴环境不同的是:风随高度顺转(90°,300hPa以下)不仅表现在低层还表现在中上层(25°,500～300hPa)。最后对风暴成熟阶段的3次高峰机理进行了讨论。