高等天气学系列专题讲座对流和降水天气系统第十二讲雷暴和强风暴模式与中尺度对流系统

超级单体
在六十年代初已经提出了强风暴的一般模式。可以看到它们 的一个共同特点是有一支倾斜的上升气流，后来进一步提出 了三维模式。这种风暴也叫超级单体，它在结构和特征上与 一般雷暴有明显的差别。超级单体的尺度可以达到20～40km， 表现为单一的强大的环流系统。风暴常具有不对称的外形和 天气分布。在云体内有一支由低空倾斜上升的上升气流，这 支气流是扭转的，它在风暴前进方向的右前方流入，在高空 按反时针方向旋转270o后流向前方，成为云砧，最后消失在 环境气流的强风中。这支气流可以上升到平流层附近。另有 一支气流在中层从雷暴后方进入云内，从左后低层离开风暴。 这支气流非常干冷，当它进入云体后，云内液态水便在其中 蒸发，造成明显迅速的冷却效应，这使空气强烈的下沉，其 下沉速度与冷却空气和周围未冷却空气间的温差成正比。空 气下降越快，从风暴低层流出的气流越强。在其前方所造成 的强迫抬升也越强，对风暴的维持也越有利，因而强风暴是 在十分干的对流层大气中发展起来的，并且中层环境空气的 水汽含量常常是决定风暴强度的一个因子。
图12.1是一个强烈的超级单体雷暴的结构图，这个雷暴生命 史达8小时，沿途200km产生了强烈的冰雹，与一般超级单 体不同的是，其伸向前方的悬垂回波已经下垂围成一半圆形 的弱回波区，这种被前垂回波包围的弱回波区称为有界弱回 波区，这是特别强烈的风暴的一种特征。一般情况下，风暴 出现无界回波区，即前方未被悬垂体所包围，因而四周无回 波存在，只有在弱回波区上有回波。在这种下悬的悬垂体中 有大量供冰雹增长的胚胎，所以又称冰雹幡。风暴结构的第 二个明显的特征是弱回波后部的回波墙不是垂直的，而是倾 斜的，这是上升气流强烈所致。在图中由于资料关系没有给 出下沉气流，但降雨降雹的事实表明，在强回波区应有下沉 气流存在。第三个特点是云顶表现为庞大而平滑的圆顶状， 高达15.5km。这是活跃的准稳态风暴的特征，说明其中上升 气流不随时间或近乎不随时间变化。另外，在风暴主体的前 方还存在一些低层云或碎层云，进入风暴上升气流最强部位 的空气即通过这种云的下方流入的。再向前，上升气流是在 陆架云下方流过，这种云是一大片有松散云底的浅层云。
图12.1 超级单体的结构模式。细箭头：一个雹块的轨迹
在雷达观测上强风暴有许多明显的特征。在风暴的后方有钩 状回波，其前部有回波墙，回波墙之前为无回波窟窿或弱回 波区。在最前面是向前伸展的悬垂体（云砧），其中最主要 的特征是钩状回波和无回波窟窿。图12.2a是强风暴雷达回 波三层平面分布示意图。钩状回波中有强的上升气流，这是 龙卷常常形成的地区。目前主要就是根据强风暴中这种钩状 回波的特征来确定龙卷发生的位置和时间。钩状回波区的下 方常常是一个中尺度低压区，它有强的辐合。根据雷达观测， 这种钩状回波有一个发展过程：开始时作为一个悬垂物出现 于风暴后方，以后不断增长，相对于风暴呈气旋式旋转，最 后形成一钩状回波，整个过程约30分钟。图12.2b是产生龙 卷的强雷暴近地面气流分布图。可以看到在这种超级单体中 下沉流出是很重要的。前侧的下沉气流（FFD）由向下游的 平流与凝结物蒸发造成，它作为一种强低层旋转从动力上使 局地气压降低，吸引上方的空气下降，并产生风暴尺度的锋 面。这种锋面在中气旋中心处相交。龙卷一般产生在后侧下 沉气流（RFD）前方的上升气流中。随着RFD向前推进，冷 空气注入“锋面”锢囚点的上升气流中，以此使气旋减弱。
12.1 雷暴和强风暴结构模式
在强垂直风切变环境中发展起来的强风暴或强雷暴模式与一 般雷暴模式有明显不同，其主要特点是：（1）有一支倾斜 的上升气流，倾斜方向或沿盛行风方向，或逆盛行风方向， 使降水质点主要在上升气流的外面下降，而不致因降水拖带 作用使上升气流减弱。上升气流可以达到很强的强度（20～ 30ms-1）；（2）这种风暴能自己组织起来，使上升气流和 下沉气流长时期共存，而不像一般雷暴那样互相干扰。从而 可维持稳态结构，生命期达几小时，比一般雷暴生命史长得 多；（3）风暴得移动方向与平均风有明显得差异或偏离， 一般移向平均风的右侧。所以这种风暴也叫右移风暴。但是 也有一些是向左移动的。移动的速度一般比较缓慢；（4） 可以造成很激烈的天气，如冰雹、暴雨、大风、龙卷等。
在低层进入风暴的上升气流主要在弱回波区或无回波区中上 升，这是强风暴最值得注意的特征之一，一般弱回波区与风 暴最强的上升气流位置一致，至少在风暴的早期或成熟阶段 是如此。在雷达回波上所以能形成这种结构是由于上升气流 太强了，使水滴不能在其中增长到雷达所能观测到的大小， 因而充满由小水滴组成的云。即使降水质点在高空形成，也 由于风的切变很大，使它不能落入低层的上升气流中。图 12.3是上升气流与雷达回波降水质点的关系图。可以清楚看 到上升气流呈气旋式旋转的情况及其与弱回波区的关系。在 上升气流中形成的降水质点在环境水平风影响下会按尺度出 现分选和再循环现象，这种现象对风暴内降水或冰雹的形成 以及雷达回波结构有明显的影响。由于降水质点的尺度不同， 下落速度不同，在水平风影响下降落慢的小质点比大质点偏 离主要上升气流区更远（图12.3下图），例如，质点3比质 点1、2离开上升气流区更远。
高等天气学系列专题讲ຫໍສະໝຸດ 对流和降水天气系统第十二讲 雷暴和强风暴模式与 中尺度对流系统（MCC与MCS）
普通的雷暴单体属于小尺度系统，而大的强 雷暴或局地强风暴（如超级单体或多单体） 可以属于中尺度系统的范围（有30～40km）。 因此也有人把这种系统分在中尺度系统之内。 雷暴单体与中尺度系统无论在时空尺度和动 力学特征上都不同。但是雷暴单体的研究十 分重要，它与中尺度对流系统有一定联系， 它是我们了解中尺度系统的基础。一般中尺 度系统即指由这些雷暴单体聚集或组织成的 尺度更大的系统（如MCSs）。
图12.2 （a）强风暴雷达回波三层平面分布示意图；（b）龙卷雷暴近地 面气流平面分布图。粗线包围区是雷达回波。冷锋的符号代表流入暖空 气与流出冷空气的边界，并且画出了锢囚性阵风锋。细点阴影区代表上 升气流的低层位置。FFD与RFD（见文中说明）由粗点阴影区表示。T是 龙卷位置，相对于风暴的气流也给在图上（Lemon与Doswell，1979）