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[分析探讨] 超级单体雷暴的结构特征和演化

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发表于 2021-3-24 23:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
作为强对流新人,本人曾多次在台风论坛和龙卷吧、飑线吧等地搜寻资料以补充相关知识,但是发现这些资料大多深奥难懂,对新手友好的资料又少之又少,导致很长时间找不到合适的切入口。今天在学习的过程中发现了一些新的东西,受益匪浅,故对资料进行了一些整理和补充,发布到这里供新手和老手们讨论。由于本人强对流知识比较欠缺,因此分析难免有一些疏漏,还请大家指出我的错误,谢谢~

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 楼主| 发表于 2021-3-24 23:31 | 显示全部楼层
Part Ⅰ 综述
超级单体雷暴有下列一些特征:
它们是最不常见的,但是最危险的风暴类型;
它们制造了几乎所有的巨大冰雹、猛烈的(可达EF-4、EF-5级别)龙卷风;
由于环境中的强垂直风切和风暴内部的动力因素,对流系统呈现高度的组织化并且结构特征鲜明;
它们的生命周期一般较长,多数为1~4小时,持续时间也是超级单体雷暴的一个判定依据;
发育良好的超级单体雷暴中通常包含持续旋转的上升气流和中气旋。

与超级单体雷暴有关的一些重要概念:
Mesocyclone中气旋;
Hook Echo钩状回波;
Weak Echo Region(WER)弱回波区;
Bounded Weak Echo Region (BWER)有界弱回波区;
Creation of rotation in updraft在上升气流中激发旋转;
Front Flank Downdraft (FFD)前侧下沉气流;
Rear Flank Downdraft (RFD)后侧下沉气流;
Splitting storm超单分裂;
Wall cloud云墙;
tail cloud(入流)尾云;
mammatus cloud乳状云;
Low level jet(LLJ)低空急流;
Upper Level jet(ULJ)高空急流。

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 楼主| 发表于 2021-3-24 23:32 | 显示全部楼层
Part Ⅱ 超级单体雷暴产生的环流基础

下图揭示了超单发生的典型环流背景:

2-1.jpg

图2-1 500hpa高度场(黑线)以及等风速线(绿色)的分布情况

2-2.jpg

图2-2 近地面/850 mb层面风向量;近地面抬升指数LI(黑色虚线);500mb等风速线

对图片的解读:西北方向有具有急流出口的高空槽或者低槽过境,槽区右前侧被拉扯急流轴和北侧的强风切(个人猜测与槽前正涡度带来的强急流输送有关)作用使得槽前的LLJ增强。超单经常在槽前的大气不稳定梯度区形成。

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 楼主| 发表于 2021-3-24 23:34 | 显示全部楼层
Part Ⅲ 从雷达图解读超级单体雷暴的整体结构

3-1.jpg
图3-1  Hail core冰雹核团 Hook echo钩状回波,同时也是中气旋存在的区域
Forward flank gust front前侧阵风锋 rear flank gust front 后侧阵风锋
Tornado location:龙卷风发生的位置

3-2.jpg
图3-2  FFD的外溢的气流与入流的暖湿空气抗衡,形成一条中小尺度的准静止锋(相对于风暴而言)。后侧RFD也会带来一条阵风锋,由RFD区域的下沉冷气流制造。RFD和FFD之间存在着降雨和降雹的核心区域,这里有着最为激烈的雨和雹;宽厚的云砧覆盖在超单的最上部。

3-3.jpg
图3-3 Flanking line(个人翻译为侧翼云带)位于RFD锋区的后部,RFD锋区的前部和中气旋的位置比较接近。龙卷风通常发生在超单中心低气压的附近,这里通常是超单前侧辐合气流转为上升气流的区域,也通常是中气旋产生的区域。大冰雹区在RFD和FFD交界的位置。从反射率结果来看,超单的西南侧看起来就像是一个钩子——这种回波就叫做钩状回波。

3-4.jpg
图3-4 速度图上可以见到在中气旋附近有着明显的速度对,我们通常利用速度对来判断一个雷暴是否拥有中气旋。在一些对流云团中会出现假的钩状回波(可能由对流云系合并而成),这些假钩状回波只是看起来像钩子,其实下面并没有中气旋,因此这些假钩状回波下面很可能没有龙卷风。如果有速度图,我们就可以识别这些假钩状回波,做到更准确的预报。

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 楼主| 发表于 2021-3-24 23:37 | 显示全部楼层
Part Ⅳ超级单体雷暴的一些细微结构
Ⅳ-1 mesocyclone 中气旋
中气旋有以下的特征:
1.是超级单体雷暴气流旋转、上升的区域,在中层,气流的上升和旋转达到最强。
2.上升气流能使得水平方向的旋转风倾斜并且转化为垂直方向上的旋转风,并且能够通过反馈作用使得自身进一步加强。强烈的上升气流是超单发展必不可少的一个条件。
3.中气旋可能是引起龙卷风的母系统,但是并非是必需的。伴有强烈低层旋转的风暴结构均有可能引发龙卷风。
4.中气旋可以维持数小时, 并且可以降下EF-0~EF-5级的龙卷风。
5.中气旋通常在雷暴入流核心区附近,也就是在RFD和FFD交界的位置。

4-1.jpg
图4-1 一个漂亮的LP(低降水超级单体)中气旋

4-2.jpg
图4.2 RFD,FFD和中气旋的位置指示,一般来讲图片右侧右侧为风暴前进方向。
中气旋的雷达指征上面的图片已经阐述,故此处不放置了。
Ⅳ-2 WER和BWER
WER: Weak echo region。我们可以利用雷达来观测这一结构。在基本反射率图中,WER通常是一个回波较弱的区域,如果有沿着垂直剖面的雷达,我们还可以发现WER通常位于雷暴云团的近地面层。WER是怎么形成的呢?因为在WER附近有着强烈的入流和上升气流,这些上升气流托住了降落的降水粒子(比如雨滴、冰雹),使得后者无法通过这个区域降落到地面,于是在基本反射率图上我们就可以发现这个区域的反射率会偏弱。
BWER:Bounded weak echo region。BWER与WER不同,BWER是一个位于雷暴系统中层的弱回波区,但是它们的形成机理是类似的——都是强烈的上升气流托住了降水粒子使得其无法下落到对应的位置,从而使得基本反射率在这个区域偏弱。

4-3.jpg
图4-3 BWER和WER在超单中的位置示意。

4-4.jpg
图4-4 反射率垂直剖面上清晰显示的BWER。

Ⅳ-Ⅲ Hook echo钩状回波
在强烈的超级单体中,当中气旋变得足够强时,就能够裹挟一些降水,从而在反射率极大核的后侧、上升气流的背面,形成一个特征性的钩状回波。低层的中气旋可能与中层对应,也可能略有倾斜,位于钩子的缺口内。龙卷风通常就发生在钩状回波所在的区域,钩状回波是龙卷风预警的重要雷达指征,当然最好参考速度图进行辅助判定。钩状回波所在的区域可能存在着显著的温度梯度,因为其一边是超级单体雷暴的冷下沉气流,另一边是入流的暖湿气流。

4-5.jpg
图4-5 钩状回波。
当一个钩状回波发育出’Debris ball’(中气旋中有一个明显的高反射率点)的结构时,说明它已经降下了接地的龙卷。

Ⅳ-4 RFD和FFD
RFD:rear flank downdraft
FFD:forward flank dowmdraft
RFD和FFD的具体成因涉及到大气物理和流体力学的内容,我就不在这里介绍了,在这里我主要介绍一下RFD和FFD在超单中的相对位置。

4-6.jpg
图4-6 RFD、FFD的位置、发育过程以及对低层入流环流的影响

Ⅳ-5 三体散射长钉,TBSS
Three-Body Scatter Spike三体散射长钉的出现表示雷暴云团中的高反射率区域有较大冰雹。从反射率和速度上看,尖峰是雷达波束受“米氏散射”而不是“瑞利散射”的伪影,尖峰总是出现在冰雹核心的径向下方(即沿着同一径向在核心后面)。

4-7.jpg
图4-7 TBSS,箭头所指。

4-8.jpg
图4-8 TBSS,箭头所指。
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 楼主| 发表于 2021-3-24 23:39 | 显示全部楼层
本帖最后由 marktube_1 于 2021-3-25 11:21 编辑

PartⅤ 超单内部动力学
V-1 超单中上升气流旋转的发展和增强
为了使得超级单体雷暴旋转起来,即产生旋转上升气流或者中气旋,则环境必须提供某种类型的旋转动量。一般来讲,环境的垂直风切变、低层辐合是使得低空气流由水平运动转化为垂直运动的重要因素。驱动上升气流旋转的主要动力是垂直风切变。探空曲线显示,超单孕育、增强的环境中,通常有着强烈的低空急流,同时随着高度的变化,矢量风的东向量会增加,到了高层,基本盛行西风。如果地面是东南风的话,可以形成强烈的垂直风切变,而强烈的垂直风切变又造就了强烈的涡度,并驱动上升气流产生旋转。
辐合也可以令上升气流的旋转增强。在超单RFD前侧通常有气旋性入流风场,离入流核越近,空气的旋转半径就会越小,那么根据角动量守恒定律,旋转半径越小,空气的旋转速度就会越大。
在低空的边界层,当位于上部的入流区暖湿空气和位于下部的出流区偏冷空气发生相对运动时,沿超单底部锋面区或出流边界流动的空气将围绕水平轴(水平涡度)旋转。

5-1.jpg
图5-1 空气沿着水平轴旋转的成因——对图片上面一小段话的解释
低空气流辐合和低空边界层是比环境风切变产生的小尺度水平涡度源。这些较小的源诱发了一些必要的大尺度切变,促使了更大的水平涡度的产生。
为了将水平旋转(涡度)转化为垂直旋转(涡度),必须将水平旋转倾斜为垂直旋转。在超级单体雷暴中,这种倾斜是通过上升气流实现的。

5-2.jpg
图5-2 沿水平轴的旋转通过上升气流转化为沿垂直轴的旋转图解
垂直方向上生成强的旋转气流对中气旋的产生与发展是十分必要的,对龙卷风的产生也有重要的作用。
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 楼主| 发表于 2021-3-24 23:41 | 显示全部楼层
Part Ⅵ 超级单体雷暴的分类
超级单体雷暴根据其降水强度和尺度,可以分为四种,他们分别是高降水超级单体(HP,high precipitation)、经典超级单体(classical)、低降水超级单体(LP)和迷你超级单体(mini/low top)。经典超级单体是数量最多的一种,一般认为介于HP和LP之间,因此在这里略过。
Ⅵ-1 高降水超级单体(HP)
顾名思义,HP拥有极其猛烈的降水,是这四类超单里面降水强度最猛的一位。因为大量的降水粒子被卷入RFD,所以在雷达图上,超级单体雷暴呈现肾形或者豆形(钩状回波可能不明显,回波少数也有呈现S形的),前缘的小缺口揭示了低层气流的入流位置。HP通常嵌入飑线内部,并且沿着边界层运动。HP通常发生在低空湿度大、伴有中强风切变的环境中,能够产生猛烈的降雨、龙卷风、巨大的冰雹和破坏性阵风。HP的反射率可达65dBz以上,有时候甚至能超过75dBz。

6-1.jpg
图6-1 HP结构图,可见HP大多呈现肾形或者豆形,钩状回波可能不甚明显。

6-2.jpg
图6-2 HP基本反射率,右上角可见一只肾形HP。

6-3.jpg
图6-3 HP。可见它的中气旋下面是猛烈的雨幕

Ⅵ-2 低降水超级单体(LP)
LP无论是尺寸还是降水强度一般都不如HP。它们的低空环境往往湿度更小,LCL层结更高,有时还有一些高架雷暴的特征。较高的LCL也不太利于龙卷风的生成。因为LP的降水较弱,所以观察者往往能够清晰地观察到它们的中气旋、RFD、FFD区域,有时候阳光甚至能够穿透雨幕。但是因为LP的中气旋强度通常不是很强,所以雷达上LP的钩状回波特征可能较弱。虽然降水少,但是LP依然可以产生下击暴流、降雹等恶劣天气,因此依然需要防范。回波强度上,虽然LP降水强度低,但是有些LP因为存在冰雹,还是能够达到60-65dBz的反射强度。LP也是超单家族中比较常见的一类。

6-4.jpg
图6-4 LP的结构

6-5.jpg
图6-5 一个漂亮的LP及其中气旋,可见其降水稀少。

Ⅵ-3 迷你mini/低云顶low top超级单体
顾名思义,这些单体是超级单体里面最小的类型。无论是在水平尺度还是垂直尺度上面都比它们的亲戚们小,云顶高度一般在24000-32000ft(7200-9600m)或者更低。因为云顶低、尺度小,这些单体很难发育有深厚的强对流,最大的反射率一般也不会超过55dBz。这些单体也可以发展有中气旋,但是强度不如其他的超单。同样的,迷你超单也能降下龙卷风并且制造冰雹。

6-6.jpg
图6-6 mini超单
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 楼主| 发表于 2021-3-24 23:43 | 显示全部楼层
Part Ⅶ 您如何欣赏超级单体雷暴
在气象迷眼中,偶遇超级单体雷暴是一件让人慌张但是很爽的事情。在保持安全的情况下,我们可以对面临的超级单体雷暴展开观测。下面是从google上面选择的一些图片,部分图片标注了风暴的结构,供大家参考。

7-1.jpg
图7-1 一个LP,可见其逆时针旋转的中气旋

7-2.jpg
图7-2 一个HP,可见其RFD中充满雨幕,FFD和RFD中间的入流暖湿空气冷凝成为一条尾巴,并参与构成云墙。FFD后部因为强烈的上升气流,存在着一个少降水的区域,这个地方本该有的降水都被强烈的上升气流吹到高空去了

7-3.jpg
图7-3 一个HP,可见其入流云带十分发育,RFD被雨幕遮盖

7-4.jpg
图7-4 一个LP或者经典超级单体。入流气流剪切RFD区域的云体形成RFD cut,个人翻译为RFD剪切。同样,可见FFD后侧的入流云系。

7-5.jpg
图7-5 一个LP,可见其FFD后侧的拱顶结构,拱顶结构可能是强上升气流托举雨幕形成。图中FFD区域的雨幕向地面炸开,说明这个LP的FFD内可能有下击暴流。
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 楼主| 发表于 2021-3-24 23:46 | 显示全部楼层
有关HP、LP等超单分类的知识大家可以参考这个贴:
https://www.tybbs.org.cn/forum.p ... &extra=page%3D2
楼主对HP、LP的分类做了详尽的解释
另外,感谢楼主drift ice对本贴错误的指正!
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 楼主| 发表于 2021-3-24 23:48 | 显示全部楼层
大家也可以下载这个pdf看看,我今天阐释的内容大部分来自这里,另外我感觉有些东西还是取用英语称呼比较好
Supercell_Structure.pdf (3.42 MB, 下载次数: 33)
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