淮安一次强风雹天气超级单体风暴观测分析_夏网萍.pdf

第 42 卷第 6 期气象科学Vol 42，No62022 年 12 月Journal of the Meteorological SciencesDec，2022夏网萍，汤洁，庄潇然，等淮安一次强风雹天气超级单体风暴观测分析气象科学，2022，42(6):835-843XIA Wangping，TANG Jie，ZHUANG Xiaorang，et alObservation analysis on a supercell storm causing extreme gale and hail inHuaian on April 30，2021Journal of the Meteorological Sciences，2022，42(6):835-843淮安一次强风雹天气超级单体风暴观测分析夏网萍1汤洁1庄潇然2，3慕瑞琪2，3安礼政1(1 淮安市气象局，江苏 淮安 223000;2 江苏省气象台，南京 210041;3 中国气象局 交通气象重点开放实验室，南京 210041)摘要利用常规观测资料、EA5 再分析资料、多普勒天气雷达和双线偏振雷达以及自动站分钟级数据，通过诊断分析和风场反演，对 2021 年 4 月 30 日 1719 时淮安地区发生的极端风雹天气的两个超级单体结构特征、维持机制和极端大风进行原因分析。结果表明:在 500700 hPa 偏北急流背景下，地面强辐合中心和辐合区促使对流单体增强为超级单体风暴。淮安基准站的极端大风由超级单体 A 产生的下击暴流事件引发，表现为明显的风暴质心高度、最强回波高度和中气旋底高的下降，近地面层辐散风场等特征。产生强降雹的超级单体 B 最大反射率因子高度、风暴质心高度以及中气旋最强切变高度均达到湿球温度20 层高度以上。极端大风产生的原因包括强冰雹和大降水粒子下落过程中的重力拖曳和融化蒸发冷却，以及负浮力和低层强中气旋产生的垂直扰动气压梯度力。关键词极端大风;强冰雹;超级单体;下击暴流;中气旋分类号:P445doi:1012306/2022jms0053文献标识码:A收稿日期(eceived):2022-02-23;修改稿日期(evised):2022-06-07基金项目:南京气象科技创新研究院北极阁开放研究基金(BJG202103;BJG202208);江苏省气象局青年基金资助项目(QK202014)通信作者(Corresponding author):汤洁(TANG Jie)tangjie0605 139comObservation analysis on a supercell storm causing extreme galeand hail in Huaian on April 30，2021XIA Wangping1TANG Jie1ZHUANG Xiaorang2，3MU uiqi2，3AN Lizheng1(1 Huaian Meteorological Bureau，Jiangsu Huaian 223000，China;2 Jiangsu Meteorological Observatory，Nanjing 210041，China;3 Key Laboratory of Transportation Meteorology，China Meteoroloical Administation，Nanjing 210041，China)AbstractIn view of the extreme wind and hail weather in Huaian area from 17 00 BST to 19 00BST on April 30，2021，by using conventional observation data，EA5 reanalysis data，Doppler weatherradar，dual polarization radar and automatic station minute data，through diagnosis analysis and windfield inversion，the structural characteristics，maintenance mechanism of two supercells and the causes ofextreme gales caused by strong convective weather were analyzed esults show that in the context of the500-700 hPa northerly jet，the strong convergence center and convergence area on the ground promote theconvective cell to become a supercell storm The extreme gale at Huaian reference station is caused by thedownburst event generated by supercell A，which is characterized by the obvious decline of storm centroidheight，strongest echo height and mesocyclone bottom height，and the divergent wind field near thesurface layer The maximum reflectivity factor height，storm centroid height and the strongest shear heightof mesocyclone of supercell B producing strong hail all reach above the height of wet bulb temperature20 The causes of extreme gales include gravity drag and melting evaporative cooling in the fallingprocess of heavy hail and heavy precipitation particles，negative buoyancy and vertical disturbancepressure gradient force generated by low-level strong mesocyclonesKey wordsextreme gale;strong hail;supercell;downburst;mesocyclone引言强对流天气是中国主要的灾害性天气，包括短时强降水、雷暴大风、冰雹、龙卷等。多普勒天气雷达观测资料表明，龙卷、雷暴大风、冰雹、短时强降水等强对流天气现象很多与超级单体风暴有关。超级单体的概念是由 Browning1 在 1960s 首次提出，他认为超级单体风暴是风暴成熟时的准稳定状态，是发展最为强烈的对流风暴，常伴随雷暴大风、冰雹等强对流天气。Moller，et al2 提出了经典超级单体风暴，其特征是低层入流位于风暴移动方向的右后侧，具有明显的钩状回波，主要灾害是强冰雹、龙卷和地面大风，降水不显著。郑媛媛等3 和俞小鼎等4 研究了中国经典超级单体风暴和强降水超级单体风暴的雷达回波结构演变、降水分布特征及环境背景条件等，为识别不同类型超级单体对流风暴奠定了基础。冯晋勤等5 统计分析了产生不同强对流天气的超级单体中气旋特征。吴芳芳等6 针对江苏北部地区超级单体风暴统计发现能产生各种极端灾害性天气，其中冰雹观测最大直径超过 5 cm，下击暴流最大瞬时风速 38.5 m s1。国内众多学者也针对超级单体风暴产生的下击暴流和强冰雹事件开展研究。吴海英等7-8 分析得出成熟阶段的超级单体风暴具有高度组织化、显著旋转以及风暴顶辐散等特征。翟丽萍等9-11 研究表明造成下击暴流的超级单体风暴具有明显的钩状回波、中层径向辐合、近地面强辐散等雷达回波特征。2021 年 4 月 30 日 17 0019 00(北京时，下同)淮安地区先后出现强风雹天气，其中 17 40 淮安国家基准气候站(以下简称淮安基准站)出现36.2 m s1(12 级)瞬时极大风速，打破该站有气象记录以来极大风速历史纪录。18 0019 00 淮安市区、淮阴区、淮安区、涟水等地出现冰雹，最大冰雹直径 5 cm。据市应急减灾局核定，4 月 30 日突发强对流天气造成直接经济损失 545 万元。本文利用常规观测资料、EA5 再分析资料、多普勒天气雷达和双线偏振雷达数据以及自动站分钟级数据，对此次淮安地区极端强对流天气的触发、维持机制进行分析，总结产生极端大风的原因，以期深入认识相关灾害性天气的机理，进一步提升预警能力。1天气过程及气象要素分析11强对流过程2021 年 4 月 30 日 200 hPa 江苏中西部地区处在56 冷区中，淮安地区上空 500700 hPa 处在东北冷涡后部偏北急流引导下，850 hPa 为西南风急流，925 hPa 切变位于沿淮一带(图 1)。在这种高层偏北急流控制，上冷下暖的不稳定层结状态下，午后的地面辐合线触发了强风雹天气。从整个过程的雷达回波演变来看，14 00 在鲁南地区有线状对流初生并向东南方向移动，15 30在线状对流前部徐州和宿迁交界有弱回波生成，回波在向东南移动过程中迅速增强。16 17 强回波反射率因子达到 60 dBZ，同时此强回波移动方向后侧又有新回波生成，到 16 46 前侧强回波发展成为超级单体(图 2a)，下文简称超级单体 A。17 21 后侧强回波发展形成超级单体，下文简称超级单体 B，两个超级单体前后相距 10 km 左右(图 2b)。17 40左右超级单体 A 经过淮安基准站(图 2c)，造成36.2 m s1极端大风，经分析研究，这是一次由下击暴流造成的地面强风。18 0018 30 超级单体 B过境淮安地区(图 2d)，造成淮安中北部强冰雹天气，冰雹直径最大达 5 cm，1900 超级单体减弱移出淮安市。12极端大风产生的观测站气象要素特征Fujita，et al12 把在地面附近形成17.9 m s1(8级)以上的向外爆发出流的强下沉气流称为下击暴流。它是一股很强的从风暴云下方向下冲出，到近地面附近呈直线向下辐散的气流。从淮安基准站 17 3018 00 逐分钟气象要素图来看(图 3)，17 3017 35 为西南风，最大瞬时风速在 16 ms1以下。17 3517 36 风向由西南风转为西北风。17 3717 42 最大瞬时风速在17.9 ms1以上，达到下击暴流风速标准，持续 5min，风向一直为西北风，极端最大风速达 36.2m s1，出现在 17 40;期间气温、露点温度显著降低，相对湿度增大;气压先降后升，最大风速出现时间气压降至最低。638气象科学42 卷图 12021 年 4 月 30 日 1400 500 hPa(a)、700 hPa(b)、925 hPa(c)位势高度场和海平面气压场(d)(其中阴影为水平风速，单位:m s1;ac 等值线为位势高度，单位:10 gpm;d 等值线为海平面气压，单位:hPa)Fig1The composite of geopotential height field(contours，unit:10 gpm)for(a)500 hPa，(b)700 hPa，(c)925 hPa，while mean sealevel pressure field(d，contours，unit:hPa)with wind speed field(shaded areas，unit:m s1)at 1400 BST on April 30，20