1 引言

冰雹灾害是由强对流天气引起的一种致灾严重的气象灾害, 虽然它出现的范围小, 时间短, 但由于其来势猛, 强度大, 并常伴有雷雨大风, 短时强降雨等特点, 因此会给农业、建筑、交通及人民生命财产带来巨大损失, 而超级单体风暴作为对流风暴中最为猛烈的一种, 其带来的灾害更为严重。Browning(1962a)首先提出了超级单体风暴的概念, 之后Donaldson(1970)进行了补充完善, Doswell et al(1993)重新定义了具有深厚持久中气旋的对流风暴才是超级单体风暴。近年来, 随着我国新一代天气雷达网的不断建设与完善, 雷达产品在气象业务中得到了广泛的应用, 利用新一代雷达产品对强对流天气(冰雹、大风、龙卷等)的监测和预警也取得了不少的研究成果。陈秋萍等(2015)对两个强降雹超级单体的特征进行了分析, 发现中气旋的强度、维持时间、致灾强度等差异与产生风暴的环境条件有密切的关系; 郑媛媛等(2004a, 2004b)利用多普勒天气雷达资料对超级单体风暴的特征进行了分析, 总结了其典型特征; 闵晶晶等(2011)对天津“6·25”大冰雹的发展演变、结构特征及形成原因进行了分析; 俞小鼎等(2005, 2006a)利用多普勒天气雷达分析了安徽一次强龙卷及强对流天气预警; 冯建民等(2001)对宁夏川区强对流天气雷达判别及预报指标检验进行了分析, 找到了一些直观、简便、可行的预报指标; 众多的气象工作者(朱平等, 2019;张桂莲等, 2018;刁秀广等, 2008, 2009;廖向华等, 2010;赵俊荣等, 2011;王福侠等, 2011;冯晋勤等, 2012)也对不同地域的超级单体多普勒雷达特征进行过研究分析。

美国气象学者将超级单体风暴分为经典超级单体风暴、强降水(High Precipitation, HP)超级单体风暴和弱降水(Low Precipitation, LP)超级单体风暴三种类型。强降水超级单体风暴的主要特征是其中气旋部分地或全部为降水所包裹。经典超级单体风暴具有相对固定的形态, 而强降水超级单体风暴的形态多变。弱降水超级单体比较罕见, 只偶尔发生在干线附近(俞小鼎等, 2006b)。超级单体风暴在所有对流风暴中最为猛烈, 既可以呈孤立状态, 也可镶嵌在带状回波或弓形回波主体内。其中, 孤立类超级单体风暴指孤立单体自身发展, 或多单体回波通过合并或传播方式逐渐发展起来, 相比于镶嵌类超级单体, 孤立类超级单体的寿命较长, 往往会造成极端破坏性天气(刁秀广等, 2011)。本文利用常规及探空观测资料、济南和石家庄的多普勒天气雷达资料, 对2013年9月15日和2018年5月12日分别发生在鲁中山区南部和河北邢台地区的两次历时超过2.5 h的孤立长寿命超级单体风暴的演变、环境参数及风暴流场结构特征进行了分析, 对比了环境因子的异同性和风暴结构的差异性, 并利用基本径向速度(Velocity, V)和相对风暴平均径向速度(Storm Relative Mean Velocity, SRM)的对比来进一步验证强对流, 以对风暴的结构、气旋的性质做出更加符合实际情况的判断, 并且本研究分析结果以期为今后类似情况下的强对流短时临近预警业务提供借鉴与参考。

2 实况与环境参数 2.1 实况与灾情

2013年9月15日12:00(北京时, 下同)前后, 狂风夹裹着冰雹、大雨先后突袭了泰安市岱岳区、宁阳县和泗水县城西部(简称0915风暴), 最大瞬时风力达到10级, 大如鸡蛋的冰雹遍地都是, 直径如板栗大小的冰雹铺天盖地。灾后实际观察到的冰雹最大直径约6 cm, 冰雹堆积厚度最高达30 cm, 路边树木连根拔起, 多条供电线路受损严重, 野外人员多数受伤。据民政部门灾情统计, 本次雹灾泰安市共有受灾人口17.08万人, 农作物受灾面积18084.3 hm², 损坏房屋733间, 灾害造成直接经济损失约7784.50万元; 泗水县受灾人口7.38万人, 其中因灾死亡1人, 受伤41人, 倒塌房屋10间, 直接经济损失1.5亿元。2018年5月12日17:00左右河北省邢台市发生了冰雹、大风灾害性天气(简称0512风暴), 雷雨裹挟着冰雹前后持续近20 min, 邢台市区及内丘等地出现冰雹, 最大直径达3.5 cm, 邢台皇寺出现11级瞬时大风, 冰雹大小与鹌鹑蛋相近, 树木出现倒伏。据邢台市民政部门灾情统计, 受灾人口8.69万人, 农作物受灾面积7600 hm², 造成经济损失9800万元。

2.2 天气形势与环境参数

2013年9月15日08:00降雹区处于500 hPa东北冷涡底部槽后西北气流控制下[图 1(a)][图 1是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号GS(2016)1552号的标准地图制作, 底图无修改], 冷涡中心位于125°E, 52°N附近, 槽后西北风风速为19 m·s^-1(章丘站), 850 hPa和925 hPa都存在纬向切变线位于降雹区西侧附近, 700~500 hPa为温度场冷槽区, 温度槽落后高度槽, 850 hPa章丘探空站以南为16 ℃等温线控制, 低层1000~925 hPa为明显暖脊控制, 925 hPa章丘站温度达21 ℃。2018年5月12日08:00 500 hPa中纬度高空槽呈阶梯状[图 1(b)], 自西北向东南分两段, 分别位于河套西侧、山西东部―陕西南部。其中河套西侧低槽后有很强的西北气流达中空急流的强度, 并配合有干区及冷槽, 河套西北部有-22 ℃冷中心, 低层1000~925 hPa为暖脊控制, 925 hPa河北邢台为18 ℃暖中心。随着系统东移, 2018年5月12日20:00河套西侧的低槽经河北到达山东境内[图 1(c)], 槽后中空急流轴穿过河北南部, 干冷空气影响河北, 河北、山西及山东西北部为冷槽区。另外20:00 850 hPa形成一切变线位于河北南部-陕西一带雹区西侧, 雹区上游有暖平流, 低层1000~925 hPa仍为暖脊控制。

环境物理量参数能够反映大气的对流不稳定性、水汽、能量和垂直风切变等信息, 物理量的大小决定了对流发展的程度。根据章丘和邢台探空资料计算的环境参数见表 1, 包括K指数, 850 hPa与500 hPa温差(ΔT), 沙氏指数(SI)和抬升指数(LI), 风暴相对螺旋度(SRH), 对流有效位能(CAPE)和对流抑制能量(CIN), 0~6 km垂直风切变(W_SR0~6), 925, 850和500 hPa比湿(q), 0 ℃和-20 ℃层高度, 强天气威胁指数SWEAT(简称SWEAT)。表中CAPE*为订正数据, 冰雹等强对流天气一般具有明显的日变化特征, 多出现在午后, 而08:00探空资料数据计算的CAPE不能很好的反演强对流天气发生时的真实状况, 需要对CAPE进行订正, 其订正算法就是只改变气块从地面抬升的温度和露点温度。2013年9月15日CAPE用08:00章丘探空数据订正到11:00泗水站(气温和露点分别是28 ℃和21 ℃), 2018年5月12日CAPE用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)再分析资料计算邢台14:00的环境参数, 以获取0512风暴过程发生前的环境状态。由表 1可见, 0915强风暴发生时的环境参数具有强的不稳定, 低层暖湿、中层干冷的配置, 利于对流天气的发生。0512风暴过程08:00环境参数代表性较差, 与14:00 NCEP相比可以看出, 上午至夜间是向着利于对流的形势转变, ΔT、W_SR0~6和CAPE明显增大, SI和LI明显减小, 在系统演变过程中具备了强对流天气发生的条件。0512与0915风暴风暴相比0915过程的K指数达35 ℃, SI指数达-3.7 ℃, 不稳定条件和不稳定能量明显强于0512过程; SWEAT反映了不稳定能量、风速垂直切变及风向垂直切变对风暴强度的综合作用, SWEAT值越大发生强雷暴的可能性越大。0915风暴的SWEAT值明显大于0512风暴的值, 且0915风暴过程降雹前两日地面强烈回暖, 日最高气温达30 ℃, 使0915风暴过程具有较大的对流有效位能。

对比分析发现, 这2次冰雹过程都是较强西北气流携带干冷空气触发的强对流, 中层500 hPa较强的西北气流, 说明风暴中层后部具有较大入流, 干冷空气的侵入, 利于下击暴流的出现; 中空冷空气明显, 低层有暖脊或暖平流, 都存在低层切变较为暖湿, 形成上干冷下暖湿的不稳定层结。不同之处是0915风暴是高空冷涡底部配合西北气流型, 0512风暴为高空冷槽东移型, 且0915风暴低层东南风与东北风之间的切变比0512风暴偏南风与西北风之间的切变更为暖湿。差别较大的物理量有4个, 即: SRH、零度层高度、湿层厚度和低层湿度, 0512风暴形成前SRH为负值, 而0915风暴SRH为正值, 0915风暴过程具有较大的W_SR0~6、湿层厚且比湿大, 零度层高度也更适合形成大冰雹。

3 风暴演变

新一代多普勒天气雷达具有丰富的产品, 其中的风暴结构产品可以读取风暴参数值。风暴参数包括风暴最大反射率因子(DBZM)及其强中心高度(HT)、基于单体的垂直累积液态水含量(C-VIL)和风暴顶高(TOP)。

3.1 0915风暴

2013年9月15日09:14, 在鲁中山区西部丘陵地带开始有局地性热雷暴天气发生, 至10:21, 0915风暴A0(A0表示0915风暴过程中导致鲁中山区南部严重灾情的超级单体风暴)开始生成, 10:57形成了以孤立风暴A0起支配作用的强风暴, 并向东南方向移动, 移动速度约30 km·h^-1。之后发展迅速, 11:51—12:46其影响泗水时发展尤为强盛, 并于12:09发展为超级单体风暴, 12:40风暴A0开始分裂, VIL快速下降, 13:04进入消亡阶段。风暴历时2.72 h, 移动距离约150 km。

从风暴A0从10:21开始生成到13:04消亡的全过程(图 2)可见, 10:39—11:15, VIL持续增加, 11:09风暴A0的垂直累积液态水含量、最大反射率因子、强中心高度、风暴顶高分别为65 kg·m^-2、68 dBZ、6.9 km和9.5 km, 强中心高度较高, 说明风暴内的上升气流非常旺盛, 68 dBZ的风暴强中心位于-20 ℃高度附近, 具有产生大冰雹的潜势(李晔等, 2008;许东蓓等, 2018)。11:21和11:51, 强中心高度出现突降, 是开始降雹的时间, 11:57后VIL又进一步增强, 12:03风暴A0的最大反射率因子达到了73 dBZ, 强中心高度也跃升到8.6 km, 一般来讲, 云内上升气流越强, 对流发展越旺盛, 其回波顶高越高, VIL值越大。表明风暴的发展势头更凶猛, 强中心高度又重新扩展到了-20 ℃温度线附近, 预示着下一次强降雹的潜势大大增加。12:09风暴A0的垂直累积液态水含量、强中心高度、最大反射率因子、风暴顶高分别为70 kg·m^-2、6.7 km、73 dBZ和11.2 km, 风暴强度达到顶峰, 而此时, 强中心高度也在-20 ℃温度线附近高度持续了4个体扫的时间, 12:28再次出现降雹和短时强降水。相关研究也表明(Waldvogel et al, 1979; Witt et al, 1998), 强中心高度、高的VIL常与地面降雹事件相关联。经灾后调查显示, 12:00左右宁阳县东部的东庄镇、华丰镇、磁窑镇依次遭遇了冰雹大风灾害性天气的袭击, 12:20—12:40这个时段, 济宁泗水城区西北部区域站D9047(拓沟镇)的实测记录显示, 该处瞬时风速达到11级。剧烈的狂风暴雨夹裹着冰雹突袭了城区西部, 并持续了近30 min, 给当地造成了特大自然灾害。

三体散射现象是由于大冰雹对S波段雷达电磁波的非瑞利散射所引起的, 其特征表现为从最大反射率核沿雷达径向延伸的长钉状突出物, 是一种虚假的回波现象。三体散射长钉(TBSS)在业务上常被用作大冰雹预警的一个重要判据指标(郭艳, 2010)。从图 3中可以看出, 风暴A0在11:51—12:22的6个体扫(其中11:57和12:06图略)中连续出现“三体散射”, TBSS现象非常的明显、经典, 最大反射率因子都近70 dBZ, 最大值为73 dBZ, 其中, 12:22的VIL值高达74 kg·m^-2[图 3(d)], 说明此时风暴强度已发展到顶峰阶段。

3.2 0512风暴

2018年5月12日15:12石家庄雷达观测到在山西昔阳与河北赞皇、临城交界处有对流触发, 东移发展。至16:00形成长约65 km的南北向回波带, 之后北端迅速减弱消散, 而南端持续发展, 演变形成风暴W4起支配作用的比较独立的对流风暴。

0512风暴过程的风暴W4(W4表示0512风暴过程导致河北邢台严重灾情的超级单体风暴)从15:30生成至18:00消亡, 历时2.5 h, 风暴寿命较长。图 4给出了风暴W4 15:48—17:30的发展演变过程。风暴W4在该时段内虽有降雹, 但其VIL值并无明显的下降, 而是维持在55 kg·m^-2左右的数值上约1.5 h, 并且风暴以15 km·h^-1的速度向东南移动。16:18该风暴已发展为强风暴, 从后文图 6中也可判断出明显的中气旋, 并且在之后的数个体扫中都显示风暴W4中有中气旋存在, 风暴属性数据也连续提示风暴W4有出现龙卷涡旋特征(TVS)的可能性。河北省邢台市民政局发布的灾情报告显示, 16:00出现降雹, 此期间, 风暴的VIL一直维持在60 kg·m^-2以上, 表明风暴内上升气流的强度继续维持着较强的状态。在16:18的0.5°仰角反射率因子产品图上可以看到明显的前侧入流缺口[图 6(a)], 且风暴内具有深厚持久的中气旋(见下文的0512风暴流场分析), 风暴W4已发展为超级单体风暴。实际的灾情是邢台多地出现了汤圆般的冰雹, 狂风裹挟暴雨持续了约20 min, 其中临城冰雹地面直径达3 cm, 城区部分路段出现严重积水, 17:19邢台黄寺气象站瞬时最大风速为24 m·s^-1。

4 风暴流场结构分析 4.1 0915风暴流场结构分析

径向速度分布图是判断强对流天气的一种有效工具, 在识别风灾时特别有效。从径向速度分布图中可以看出风暴体中的辐合、辐散和旋转等特征, 并可给出定性和半定量的估算。相对风暴平均径向速度(SRM)与基本径向速度(V)产品类似, 只不过减去了由风暴跟踪信息(STI)识别的所有风暴的平均运动速度, 或减去了由操作员选定的风暴运动速度。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。

从11:51济南雷达0.5°、1.5°、2.4°和4.3°仰角的相对风暴平均径向速度和基本径向速度(图 5)可以看出, 0.5°、1.5°和2.4°仰角(对应高度分别是2.0 km、4.2 km和6.0 km)基本表现为气旋性旋转, 4.3°仰角(对应高度10.3 km)为强辐散。对应的气流结构是风暴中层具有气旋性旋转, 风暴顶强烈辐散。距离问题, 探测不到2 km以下高度气流结构。

0.5°仰角相对风暴平均径向速度图[图 5(a)]中, 最大正径向速度为17 m·s^-1(径向速度值采用数据级的中间值, 下同), 最小负径向速度为-12 m·s^-1, 两者差值为29 m·s^-1, 旋转速度和切变量分别为14.5 m·s^-1和4.1×10^-3 s^-1。对应的平均径向速度显示[图 5(e)], 最大正径向速度为22 m·s^-1, 最小负径向速度为-3 m·s^-1, 两者差值为25 m·s^-1, 旋转速度和切变量分别为12.5 m·s^-1和4.4×10^-3 s^-1。

1.5°仰角相对风暴平均径向速度图[图 5(b)]中, 可清晰看到气旋的正负速度中心在雷达径向上相邻, 中心值的绝对值明显增大, 最大正径向速度为17 m·s^-1, 最小负径向速度为-17 m·s^-1, 两者差值为34 m·s^-1, 核区直径约2 km, 旋转速度和切变量分别为17 m·s^-1和17×10^-3 s^-1。对应的基本径向速度[图 5(f)]显示, 最大正径向速度为22 m·s^-1, 最小负径向速度为-12 m·s^-1, 两者差值为34 m·s^-1, 旋转速度和切变量分别为17 m·s^-1和17×10^-3 s^-1。

2.4°仰角相对风暴平均径向速度图[图 5(c)]中, 最大正径向速度为12 m·s^-1, 最小负径向速度为-17 m·s^-1, 两者差值为29 m·s^-1, 旋转速度和切变量分别为14.5 m·s^-1和5.1×10^-3 s^-1。对应的基本径向速度[图 5(g)]显示, 最大正径向速度为12 m·s^-1, 最小负径向速度为-7 m·s^-1, 差值为19 m·s^-1, 旋转速度和切变量分别为9.5 m·s^-1和3.3×10^-3 s^-1。

4.3°仰角相对风暴平均径向速度图[图 5(d)]中, 风暴高度约10.3 km处为纯辐散型气旋, 正径向速度区出现模糊, 最大正径向速度为37 m·s^-1, 最小负径向速度-7 m·s^-1, 二者差值为44 m·s^-1, 切变量为4.1×10^-3 s^-1。对应的基本径向速度[图 5(h)]显示, 最大正径向速度为42 m·s^-1, 最小负径向速度为-3 m·s^-1, 差值为45 m·s^-1。

比较而言, 0.5°和1.5°仰角2个高度上用风暴相对径向速度和基本速度值计算出的旋转强度和切变量差别不大, 2.4°仰角计算出的旋转强度和切变量差别明显, 4.3°仰角计算出的速度差非常接近, 也就是说, 风暴约6 km高度上风暴相对径向速度表现的气旋旋转性更加明显。在1.5°仰角约4.2 km高度上旋转速度和切变量最大, 上升气流旋转性最强的区域在高度4.2 km左右。

同样, 分别计算了基于SRM和V产品的11:39—12:03连续5个体扫最大旋转速度及切变量值及对应的高度(表 2)。从表 2可以看出, 风暴中层, 基于SRM产品计算的气旋性旋转强度和切变量总体上大于V产品计算的量值, SRM产品所反映的气旋性涡旋更加清晰, SRM产品能更好地反映出风暴内部的气流旋转情况。

诸多的研究表明(Browning, 1962b; Fujita, 1963; Moller et al, 1994; Doswell, 2001), 深厚持久的中气旋是超级单体风暴的本质特征。在风暴A0成熟期的12:09(图略), 风暴整体回波形状呈现非经典的钩状回波特征, 风暴内的中气旋已持续了4个体扫, 气旋强度也达到强中气旋等级, 其垂直延伸尺度大于8 km, 风暴已具备了深厚持久的中气旋特征, 风暴A0已发展为超级单体风暴。

4.2 0512风暴流场结构分析

从16:18石家庄雷达0.5°基本反射率、组合反射率及0.5°, 2.4°和4.3°仰角的相对风暴平均径向速度和基本径向速度图[图 6(a)~(h)]可以看出, 在低层0.5°仰角的基本反射率产品[图 6(a)]中, 风暴W4中气旋覆盖区域出现前侧入流缺口, 对应0.5°仰角(对应高度为2.9 km)平均径向速度上表现为气旋性辐合流场结构特征。2.4°仰角(对应高度为7.4 km)为气旋性旋转与反气旋性旋转共存的结构, 4.3°仰角(对应高度11.5 km)为强辐散。对应的气流结构是低层为气旋性辐合流场结构, 风暴中层具有气旋性旋转和反气旋性旋转结构, 风暴顶为强烈辐散。

0.5°仰角相对风暴平均径向速度[图 6(b)]中, 最大正径向速度为17 m·s^-1, 最小负径向速度为-12 m·s^-1, 两者差值为29 m·s^-1, 旋转速度和切变量分别为14.5 m·s^-1和4.2×10^-3 s^-1。对应的平均径向速度图[图 6(f)]上, 最大正径向速度为12 m·s^-1, 最小负径向速度为-12 m·s^-1, 两者差值为24 m·s^-1, 旋转速度和切变量分别为12.0 m·s^-1和3.4×10^-3 s^-1。

2.4°仰角相对风暴平均径向速度[图 6(c)]显示, 风暴中层出现明显气旋性旋转与反气旋性旋转共存的气流结构, 气旋性旋转强度明显强于反气旋性旋转强度, 气旋性旋转的最大正径向速度为12 m·s^-1, 最小负径向速度为-17 m·s^-1, 两者差值为29 m·s^-1, 旋转速度和切变量分别为14.5 m·s^-1和6.4×10^-3 s^-1; 而反气旋性旋转的旋转速度和切变量分别为12 m·s^-1和5.3×10^-3 s^-1。对应的平均径向速度[图 6(g)]上, 也是气旋性旋转强度强于反气旋性旋转强度, 气旋性旋转的最大正径向速度为7 m·s^-1, 最小负径向速度为-22 m·s^-1, 两者差值为29 m·s^-1, 旋转速度和切变量分别为14.5 m·s^-1和6.0×10^-3 s^-1, 而反气旋性旋转的旋转速度和切变量分别为9.5 m·s^-1和4.2×10^-3 s^-1。

4.3°仰角相对风暴平均径向速度[图 6(d)]中, 风暴高度约11.5 km处为辐散型气旋, 最大正径向速度为22 m·s^-1, 最小负径向速度-12 m·s^-1, 二者差值为34 m·s^-1。对应的基本径向速度[图 6(h)]中, 最大正径向速度为17 m·s^-1, 最小负径向速度为-17 m·s^-1, 二者差值为34 m·s^-1。此时, 风暴内的中气旋的垂直厚度已大于8.6 km, 呈现出深厚的中气旋特征。

比较而言, 0.5°仰角上风暴相对径向速度和基本径向速度值计算出的旋转强度和切变量略有差别, 2.9 km高度上风暴相对径向速度表现的气旋旋转性较明显, 2.4°仰角计算出的速度差非常接近, 在4.3°仰角风暴顶部最大速度差相同, 风暴顶呈现强辐散流场结构。

同样, 分别计算了基于SRM和V产品的16:06—16:30连续5个体扫最大旋转速度及切变量值及对应的高度(表 3)。从表 3可以看出, 风暴中层, 基于SRM产品计算的气旋性旋转强度和切变量总体上大于V产品计算的量值, SRM产品所反映的气旋性涡旋更加清晰, 能更好地反映出风暴内部的气流旋转情况。

5 0915和0512风暴异同性分析

这两次过程历时都超过2.5 h, 历时都超过2.5 h, 属于长寿命超级单体风暴。都具有强的反射率因子, 旺盛阶段最大反射率因子都接近或超过60 dBZ。当风暴发展到成熟阶段时, 风暴体内都伴随着很强的气流旋转和气流上升现象, 风暴的旋转特性在径向速度产品中被充分展现, 低层为气旋性辐合, 中层基本为纯气旋性旋转, 高层为强辐散, 中气旋的垂直延伸厚度都超过3 km, 其内部结构基本符合成熟中气旋的概念模型, 且持续时间都大于2个体扫, 都具备了超级单体风暴的标志性特征。2个风暴过程中的SRM与V产品比较, 风暴中层, 基于SRM产品计算的气旋性旋转强度和切变量总体上大于V产品计算的量值, SRM产品所反映的气旋性涡旋更加清晰, 能更好地反映出风暴内部的气流旋转情况。两个风暴的差异性主要表现在:

(1) 风暴参数差别明显。从旺盛阶段, 风暴A0与W4的风暴参数平均值对比(表 4)可以看出, DBZM、C-VIL、HT和TOP差值分别是4.2 dBZ、5.7 kg·m^-2、1.6 km和0.1 km, 0915风暴的DBZM和HT明显大于0512风暴。0512风暴DBZM≥65 dBZ有7个体扫, 最大值是69 dBZ, 而0915风暴DBZM≥65 dBZ有18个体扫, 最大值是73 dBZ。0512风暴旺盛阶段风暴强中心高度仅有3个体扫出现在-20 ℃层高度以上, 而0915风暴旺盛阶段HT有7个体扫出现在-20 ℃层高度以上, 风暴强中心高度在-20 ℃温度线附近高度持续的时间越长, 产生大冰雹或特大的潜势越大(王秀明等, 2012)。

(2) 气流结构的差异性。0915风暴, 基于SRM和V产品数据计算出的中气旋旋转速度和切变量平均值分别是16.5 m·s^-1、15.3×10^-3 s^-1和13.5 m·s^-1、11.1×10^-3 s^-1。0512风暴, 基于SRM和V产品数据计算出的中气旋旋转速度和切变量平均值分别是16.1 m·s^-1、7.1×10^-3 s^-1和13.8 m·s^-1和6.0×10^-3 s^-1。2次风暴的旋转速度差别不明显, 差别明显的是切变量。0915风暴气旋性旋转的切变量明显大于0512风暴, 说明0915风暴旋转半径明显小于0512风暴, 也就是说0915风暴中气旋具有更大的垂直涡度, 其强度明显强于0512风暴中气旋强度。0512风暴出现中气旋的同时也相伴出现中尺度反气旋流场结构, 与0915风暴有明显差异。

0915风暴强盛阶段气旋性旋转强度明显强于0512风暴, 最大反射率因子及持续时间也明显大于0512风暴, 对流有效位能和垂直风切变的差异性是关键因素之一。0915风暴过程对流有效位能明显大于0512风暴过程, 决定了0915风暴内部最大上升气流速度大于0512风暴, 0915风暴过程具有更大的垂直风切变, 决定了其上升气流旋转强度大于0512风暴。

6 结论与讨论

利用常规及探空观测资料、济南和石家庄的多普勒天气雷达资料, 对2013年9月15日和2018年5月12日分别发生在鲁中山区南部和河北邢台地区的两次超级单体风暴进行了分析, 研究了风暴的演变、环境参数及风暴流场结构, 得到如下结论:

(1) 0915和0512风暴都产生于较强西北气流和低层切变环境背景下, 低层暖湿、中层干冷, 具有强的不稳定, 利于对流的产生。中层具有较强的干冷空气, 利于风暴中层后部干冷空气夹卷作用, 使得风暴具备大的CAPE值, 大大增强了强下击暴流出现的潜势。两次过程相比, 0915过程具有较大的低层湿度、CAPE和垂直风切变。

(2) 0915和0512风暴共同特征是强度强, 历时长, 致灾重, 成熟阶段具有超级单体风暴特征。历时都超过2.5 h, 都产生了强冰雹和破坏性大风天气。同时, 风暴强度结构存在明显差异, 旺盛阶段, 0915风暴的垂直累积液态水含量、最大反射率因子、风暴强中心高度参数平均值明显大于0512风暴, 差值分别是5.70 kg·m^-2、4.2 dBZ和1.60 km, 0915风暴产生的最大冰雹直径也明显大于0512风暴。

(3) 风暴气旋性旋转强度存在差异。0915风暴, 基于SRM和V产品数据计算出的中气旋切变量平均值分别是15.3×10^-3 s^-1和11.1×10^-3 s^-1。0512风暴, 基于SRM和V产品数据计算出的中气旋切变量平均值分别是7.1×10^-3 s^-1和6.0×10^-3 s^-1。0915风暴气旋性旋转强度明显大于0512风暴。

(4) 三体散射现象是大冰雹存在的充分非必要条件, 0915风暴连续8个体扫出现三体散射回波现象, 说明风暴内形成大的冰雹粒子, 对大冰雹预警具有指示意义。

(5) 对流有效位能和垂直风切变的差异性是决定风暴参数差异性的关键因子。0915风暴强盛阶段气旋性旋转强度明显强于0512风暴, 利于强回波的悬垂与维持, 最大反射率因子也明显大于0512风暴, 导致最大冰雹直径明显大于0512风暴。0915风暴过程的对流有效位能大于0512过程, 决定了0915风暴内部最大上升气流速度大于0512风暴, 0915过程具有更大的垂直风切变, 利于其风暴内部上升气流旋转强度大于0512风暴。

(6) 对2个风暴过程的SRM与V产品比较, 风暴中层, 基于SRM产品计算的气旋性旋转强度和切变量总体上大于V产品计算的量值, SRM产品所反映的气旋性涡旋更加清晰。

0512风暴出现气旋性旋转的同时伴有反气旋性旋转, 而0915风暴则没有这种现象, 是否与相对风暴螺旋度的差异性有关, 有待今后继续深入分析与研究。