引言

超级单体风暴具有深厚持久的中气旋，为组织程度最高的对流风暴(Browning，1978；俞小鼎等，2006)，虽然发生频率不高，但往往造成相当比例的极端强对流天气，如5 cm以上冰雹等(王秀明等，2012)，危害大，值得深入研究。

近年来，气象工作者对造成冰雹的超级单体风暴开展了大量的研究。在风暴的发展演变特征方面，牛奔等(2016)分析鄂西北一次超级单体风暴过程指出，该超级单体具有典型钩状回波、低层有界弱回波区、中气旋等特征；黄俊杰和苟阿宁(2018)研究指出，宽大有界弱回波区以及位于其上的强悬垂回波、弱回波区前侧强入流与中层径向辐合的存在均表明超级单体具有降雹潜势；吴芳芳等(2013)分析苏北地区72个超级单体的雷达回波特征指出，产生大冰雹的超级单体通常反射率因子高、风暴质心高，-20 ℃以上是否有高反射率因子核对判断风暴是否产生大冰雹有指导意义；高丽等(2021)研究指出风暴最大反射率维持在60 dBz以上，风暴顶维持在8 km以上，风暴质心高度出现三次明显波动，对应三次降雹；吴海英等(2017)研究指出冰雹出现在对流风暴顶高及质心高度下降阶段。随着天气雷达技术的不断发展，针对超级单体动力学结构的研究也有不少成果，如潘佳文等(2020)研究表明双涡旋结构有助于超级单体发展及大冰雹的循环增长。陈瑞敏等(2021)对一次长生命史超级单体风暴研究表明，超级单体维持期间一直伴有气旋、反气旋涡旋对。刁秀广等(2009)和张玉洁等(2019)研究指出，大冰雹发生时超级单体风暴有双涡式旋转结构，也有单涡式气旋式旋转结构。

综上可知，出现大冰雹时大多数存在双涡旋结构，但由于强对流天气空间尺度小，局地性强，针对湖南地区大冰雹双涡旋结构的研究未见报道。2020年春季在低层暖平流强迫背景下湖南西部出现两次罕见的6 cm大冰雹，且风暴动力场均表现为双涡旋结构。本文对两次大冰雹超级单体的风暴演变和动力场结构进行分析，以期加深对大冰雹超级单体发展演变过程的认识，为湖南低层暖平流强迫背景下的大冰雹超级单体的预报预警服务提供参考。

1.   资料说明

本文使用的资料包括：(1) 雷达数据，含基本反射率、径向速度、组合反射率、风暴结构、中尺度气旋等要素，来源于益阳S波段多普勒天气雷达，其站点经度112°1'39″E，纬度28°28'16″E，海拔高度791 m，雷达扫描模式为VCP21，雷达探测半径为230 km，每次体扫时间间隔为6 min，水平分辨率为1 km×1 km。时间段为2020年3月21日18∶45—22∶00 (北京时，下同)和2020年5月4日17∶40—23∶36。(2) 常规高空观测资料，来源于湖南省气象大数据云平台，用于环流特征和探空分析；降水、大风资料，来源于湖南省气象大数据云平台的地面气象观测站分钟级数据；冰雹资料, 来源于湖南省各级气象部门收集上报的冰雹观测数据和冰雹灾害报告。时间段均为2020年3月21日08∶00—22日08∶00和2020年5月4日08∶00—5日08∶00。

2.   冰雹天气过程概况

2020年3月21日，湘中以北出现4县市雷暴大风、59县市短时强降水和17县市冰雹过程(以下简称“3· 21”过程)，其中极大风速30.7 m·s^-1发生在22日02∶00的益阳桃江县，最大小时降水60.4 mm发生在21日22∶00的益阳桃江县鸬鹚渡镇，18∶45—22∶00受超级单体风暴S0(O3)影响，怀化、常德和益阳部分乡镇先后出现冰雹天气，怀化沅陵县官庄乡19∶30左右出现直径6 cm的大冰雹。

2020年5月4日，湘中及以北地区出现了26县市雷暴大风、58县市短时强降水和15县市冰雹过程(以下简称“5·4”过程)，其中极大风速32.3 m·s^-1发生在4日23∶19的娄底涟源市，最大小时降水81 mm发生在4日20∶00的湘西州永顺县灵溪镇，17∶58—21∶30受超级单体风暴K0影响，怀化、常德等地出现冰雹，怀化沅陵县清浪乡18∶25—18∶40出现直径6 cm的大冰雹。

3.   天气背景及环境条件

“3·21”过程中，2020年3月21日08∶00 (图 1a)，超级单体位于200 hPa高空急流入口区右侧正涡度的强辐散区域内，500 hPa高度槽位于川东-滇西，温度槽位于湘西北，超前于高度槽，存在强的对流不稳定；850 hPa和925 hPa受暖式切变影响，切变线南侧持续的低层暖湿气流有利于对流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)的建立和维持。地面上暖低压显著发展，地面辐合线从贵州延伸到怀化中部，17∶00雹暴云团沿辐合线生成，地形加强了辐合，雪峰山脉北侧不断有强对流云团新生发展，触发湘西、湘北部分地区风雹、短时强降水等强对流天气。20∶00 (图 1b)，500 hPa低槽东移，700 hPa切变相对850 hPa切变为前倾结构，加剧对流天气发展，850 hPa和925 hPa暖式切变在湘中以北维持，相比08∶00各层系统重叠度更高，低层暖平流强迫加强。

图  1  2020年3月21日(a、b)和5月4日(c、d) 08∶00 (a、c)、20∶00 (b、d)天气形势

Figure  1.  Weather situation at (a, c) 08∶00 BT and (b, d) 20∶00 BT on (a, b) March 21 and (c, d) May 4, 2020

下载: 全尺寸图片 幻灯片

“5·4”过程中，2020年5月4日08∶00 (图 1c)，500 hPa四川东部到云南北部有一浅槽，湖南处于冷槽前，温度槽落后于高度槽，低槽东移发展，850 hPa切变线偏北，925 hPa切变线位于湘西北，低空急流位置较远，急流出口位于黔中，地面辐合线贯穿常德-益阳西部-怀化中部。4日20∶00 (图 1d)，500 hPa短波槽东移过程中经向度增大，动力抬升作用增强，850 hPa和925 hPa湘北受切变线影响，700 hPa以下西南急流加强西伸，急流轴出口处于湘北。地面辐合线东段、925 hPa边界层切变线、850 hPa切变线位置在湘西北基本重叠，使得中小尺度动力条件加强，进一步触发强对流天气发展。

两次强对流天气过程相同之处，均发生在低层暖平流强迫背景下；500 hPa湖南处于高空槽前，700 hPa以下有强盛西南暖湿急流，850 hPa和925 hPa受暖式切变线影响；地面倒槽强烈发展，在地面辐合线触发下产生强对流；500 hPa为冷槽区，850 hPa为明显的温度脊控制，强不稳定层结大气为对流天气提供了有利的环境条件。不同之处，“3·21”过程温度槽超前于高度槽，产生强的对流不稳定，“5·4”过程温度槽落后于高度槽，低槽东移发展；“3·21”过程低空暖湿气流输送更明显，700 hPa、850 hPa风速分别达24 m·s^-1和22 m·s^-1，“5·4”过程700 hPa、850 hPa风速分别达16 m·s^-1和12 m·s^-1 (图略)。

环境参数能够反映大气的对流不稳定、水汽、能量和垂直风切变等信息。两次过程均发生在傍晚到夜间，08∶00 CAPE不能完全反映强对流天气真实情况，因此用14∶00地面温度和露点温度进行订正。由图 2分析可知，两次过程发生前，探空图显示800—400 hPa有干冷空气侵入，800 hPa以下为暖湿层，不稳定层结有利于强对流发生发展。“3·21”过程湿球温度0 ℃层(Wet Blub Zero，WBZ)、干球温度0 ℃层(Dry Blub Zero，DBZ)和-20 ℃层高度分别是3.5 km、4.2 km和6.8 km；“5·4”过程分别是4.0 km、4.9 km和8.1 km。对流层中层干层导致WBZ高度明显低于DBZ高度，显著降低了冰雹融化层高度，有利于大冰雹下落过程中不被或少被融化，从而大冰雹能降落到地面(俞小鼎，2014)。

图  2  2020年3月21日08∶00 (a)和5月4日08∶00 (b)怀化探空站T-logp图

Figure  2.  T-logp diagram from Huaihua Station at (a) 08∶00 BT 21 March and (b) 08∶00 BT 4 May, 2020

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表 1为强对流发生前后环境参数演变情况，上午至夜间抬升指数明显减小，动力抬升条件增强；CAPE超过1 000 J·kg^-1，对流抑制有效位能(Convective Inhibition，CIN)逐渐减少，850和500 hPa温度差达27~ 28 ℃，具有较强的热力不稳定条件。螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力物理量，可反映对流风暴低层入流运动方向旋转的强弱，能量螺旋度(Energy Helicity Index，EHI)综合了考虑不稳定能量和动力因子，EHI增大时，出现超级单体可能性增大(张玲等，2008)。两次过程相同之处在于，从白天到夜间EHI明显增大，有利于超级单体的发展和维持；WBZ高度在3.5—4.0 km附近，DBZ高度和-20 ℃层之间的厚度(即冰雹有效增长层)在3 km左右，温度递减率较大，有利于冰雹增长区附近CAPE增加，从而有利于形成大冰雹(俞小鼎等，2020)。两次过程不同处在于，“5·4”过程的CAPE高于“3·21”过程；“5·4”过程垂直风切变较“3·21”过程更强，达32 m·s^-1。

表  1  2020年3月21日和5月4日08∶00和20∶00怀化站环境参数

Table  1.  Environmental parameters at Huaihua station at 08∶00 BT and 20∶00 BT on March 21 and May 4, 2020

时间	CAPE/(J·kg-1)	CIN/(J·kg-1)	S6 /(m·s-1)	△T/℃	EHI /(J·m·kg-1·s-2)	高度/km			G
						WBZ	DBZ	-20 ℃
21日08∶00	1 354.4(订正后)	544.3	23	27.6	552.2	3.5	4.2	6.8	2.6
21日20∶00	1 180.8	115	21	28	2 425.4	3.8	4.6	7.0	2.4
4日08∶00	1 867.5(订正后)	280.6	13	27.5	450.4	4.0	4.9	8.1	3.2
4日20∶00	1 287.6	146.5	32	28.5	2 494.7	4.3	4.7	8.4	3.7
注：CAPE表示对流有效位能；CIN表示对流抑制有效位能；S6表示0—6 km垂直风切变；△T表示850和500 hPa温度差；EHI表示能量螺旋度；WBZ表示湿球温度0 ℃层；DBZ表示干球温度0 ℃层；G表示干球温度0 ℃层和-20 ℃层之间的厚度，即冰雹有效增长层。

下载: 导出CSV 

| 显示表格

4.   风暴移动路径和演变特征

4.1   风暴移动路径

根据益阳雷达风暴追踪信息产品(STI)绘制两次过程风暴移动路径(图 3)，分析可知，两次过程风暴均产生于沅陵县肖家桥乡附近。“3·21”过程S0风暴3月21日18∶45在怀化沅陵中部生成，向东北移动，2个体扫后转为向东移动，20∶02转向东南方向移动，21∶07风暴S0并入风暴O3，继续向东南移动，22∶00减弱停止编号，风暴历时约3 h，移动距离约190 km。而“5·4”过程风暴K0于5月4日17∶40在怀化沅陵中部生成，持续向东北方向移动，23∶36停止编号，风暴历时近6 h，移动距离约200 km。

图  3  “3·21”过程风暴S0 (O3)和“5·4”过程风暴K0移动路径

Figure  3.  Moving path chart of supercell storm S0 (O3) in"3·21" case and storm K0 in"5·4"case

下载: 全尺寸图片 幻灯片

风暴移动路径由平流和传播决定，通常情况下，环境为强气流所控制时，风暴运动主要取决于平流，而当环境风场较弱时，传播起主导作用(俞小鼎等，2006)。因两次过程对流层环境风较强，故分析平流对风暴移动路径的作用。平流是指中尺度对流系统中任何单体基本上沿着风暴承载层的平均风移动，刁秀广等(2009)计算分析了风暴承载层平均风(主要是850、700、500、400、300 hPa 5层上的平均风)与风暴移动的关系。本文选取风暴发生发展临近时间的怀化站探空数据计算风暴承载层平均风，3月21日20∶00风暴承载层平均风速为24 m·s^-1，平均风向248°，风暴S0(O3)移动方向为东偏南8°，偏向风暴承载层右侧约30°，平均移动速度为15 m·s^-1，是风暴承载层平均风速的62.5%；5月4日20∶00风暴承载层平均风速为24 m·s^-1，平均风向236°，风暴K0移动方向为北偏东66°，偏向风暴承载层右侧约10°，移动速度为9 m·s^-1，是风暴承载层平均风速的37.5%。

风暴S0和K0都属于右移风暴，移动路径与风暴承载层平均风向有关，移动路径大约偏离风暴承载层平均风右侧30°和10°，风暴S0平均移动速度(15 m·s^-1) 快于风暴K0 (9 m·s^-1)，并且两者均为长生命史超级单体风暴，K0持续时间更长。对两次过程强烈发展阶段风廓线资料(图略)分析发现，“3·21”过程和“5·4”过程的700 hPa引导气流分别以偏西风和西南风为主，是导致风暴S0和K0后期移动路径出现明显差异的主要原因之一。

4.2   风暴演变特征

两次过程风暴演变过程均可分为初始发展阶段、强烈发展阶段以及消亡阶段。其中初始发展阶段主要表现为孤立普通单体风暴快速发展为强单体风暴，该阶段各层回波分布的轮廓位置基本重合，以竖直上升气流为主，具有部分冰雹回波特征，但未出现中气旋；强烈发展阶段表现为强单体风暴继续发展，具有明显雹暴特征，逐渐加强为超级单体风暴，并出现中气旋；消亡阶段减弱为普通单体风暴并逐渐消亡。

4.2.1   “3·21”过程风暴演变特征

风暴S0初始发展阶段(18∶45—19∶21)，18∶45单体新生，向东移动过程迅速加强，19∶15 (图 4a) 1.5°仰角发展为密实的椭圆形强单体风暴，最大回波强度达65 dBz以上，出现三体散射(Three Body Scattering，TBSS)，50 dBz回波伸展到10 km左右，各高度强回波中心位置重叠，表明云体内有强的竖直上升气流。0.5°仰角未出现TBSS，说明冰雹在中上层生成，并不断翻滚。强烈发展阶段(19∶21—20∶49)，19∶26风暴(图 4b) S0与其右前侧风暴U0逐渐合并加强，超过65 dBz回波范围明显增大，出现明显TBSS、旁瓣回波特征，单体垂直累积液态水含量(Cells-Vertical Integrated Liquid，C-VIL)大于60 kg·m^-2，对应沅陵19:30前后官庄的大冰雹；20∶02 (图 4c)在相应径向速度图上风暴S0出现明显中气旋，风暴发展为超级单体风暴，风暴S0东移与其前方多个新的雷暴单体合并，超级单体维持9个体扫，造成桃源、安化、桃江多地出现冰雹天气。消亡阶段(20∶49—22∶06)，20∶55 (图 4d)风暴S0最大强度仍然维持在65 dBz以上，但无中气旋特征，并开始减弱。21∶07风暴S0与风暴O3完全合并为风暴O3，风暴S0停止编号。之后风暴O3在向东南方向移动过程中强度不断减弱。

图  4  2020年3月21日益阳雷达19∶15 (a)、19∶26 (b)、20∶08 (c)、20∶55 (d) 1.5°仰角基本反射率因子以及19∶38 0.5°(e)、1.5° (f)、2.4° (g)、4.3° (h)仰角基本反射率因子和组合反射率(i)、沿风暴移动方向的垂直剖面(j)

Figure  4.  1.5° elevation base reflectivity at (a) 19∶15 BT, (b) 19∶26 BT, (c) 20∶08 BT, (d) 20∶55 BT, 19∶38 BT and base reflectivity at (e) 0.5°, (f) 1.5°, (g) 2.4°, (h) 4.3°elevation and (i) composite reflectivity, (j) the vertical cross-section along the moving path of storms on March 21, 2020 from Yiyang Radar

下载: 全尺寸图片 幻灯片

19∶30前后沅陵官庄出现6 cm大冰雹，分析大冰雹出现时雷达回波特征发现，风暴S0最大回波强度达70 dBz以上，0.5°(图 4e)、1.5°(图 4f)仰角表现出钩状回波，同时具有旁瓣回波及TBSS特征，2.4°(图 4g)、4.3° (图 4h)仰角强回波叠加在低层弱回波区之上。垂直剖面图(图 4i、j)上，55 dBz以上强回波伸展至-20 ℃层以上，中层强回波向低层入流一侧伸展，悬垂于低层弱回波区之上，形成弱回波区和中高层回波悬垂的分布特征，表现出典型的雹暴特征，虽然速度图没有明显中气旋，由于处于强单体风暴向着超级单体风暴过渡时期，已经具有超级单体风暴特征，因此称其为“类超级单体”风暴(俞小鼎等，2020)。

由“3·21”过程风暴S0从18∶45生成到21∶07减弱消亡的风暴参数演变(图 5)可见：风暴底高(BASE)、风暴顶高(TOP)分别向下、向上发展，BASE在1 km左右，18∶ 57—20∶43 TOP超过-30 ℃层高度，一直处于“低底高顶”状态，说明风暴上升气流旺盛，有利于出现大冰雹。18∶ 45—19∶26 C-VIL持续增加，强中心高度(Height Top，HT)超过0 ℃层高度，降雹前风暴S0的C-VIL、最大反射率因子(Maximum Reflectivity，用DBZM表示)、HT和TOP分别为69 kg·m^-2、72 dBz、5.7 km和12.3 km，19∶32— 19∶44 HT突然下降，沅陵此时出现直径为6 cm的大冰雹，C-VIL虽然有下降，仍在60 kg·m^-2左右；19∶50 C-VIL进一步加强到74 kg·m^-2，HT也上升；19∶56风暴S0的DBZM和HT分别为69 dBz和7.1 km，强中心高度超过-20 ℃温度线；19∶56—20∶26 C-VIL和HT不断下降，20∶02和20∶20 HT下降到1.1 km和0.7 km，对应桃源、安化降雹，冰雹最大尺寸分别是3 cm和4 cm；20∶26—20∶38 C-VIL从49 kg·m^-2跃增到70 kg·m^-2，为下一次降雹做准备，20∶38—20∶49质心迅速下降，此时益阳桃江也降雹，冰雹最大尺寸为4 cm。

图  5  2020年“3·21”过程风暴S0的C-VIL和HT、TOP、BASE的时间演变

Figure  5.  Evolution trend of C-VIL and HT, TOP, BASE of storm S0 during"3·21"case in 2020

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.2.2   “5·4”过程风暴演变特征

风暴K0表现出与“3·21”过程相似特征。初始发展阶段(17∶40—18∶10)，K0迅速发展，向东北方向移动，18∶10 (图 6a)风暴K0呈指状，最大回波强度达65 dBz，55 dBz强回波伸展至10 km附近，各高度强回波中心位置重叠度高，竖直上升气流发展强烈，有利于冰雹产生。强烈发展阶段(18∶10—20∶50)，18∶22 (图 6b)风暴K0与其前侧的风暴B1、C1开始合并，19∶27 (图 6c)风暴K0与风暴N1合并，并出现明显中气旋，风暴K0发展成超级单体风暴，19:27—20:50风暴K0东移与多个新的雷暴单体合并，风暴K0中气旋维持了15个体扫，沅陵、常德桃源和常德市区先后出现冰雹。消亡阶段(20∶50—23∶36)，20∶56 (图 6d)超级单体风暴K0减弱为强单体风暴，20∶56—21∶31风暴K0在向东北移动过程中与其他新生单体合并，最大回波强度维持在65 dBz以上。21:31开始风暴K0强度不断减弱，23∶36在华容境内减弱消失。

图  6  2020年5月4日益阳雷达18∶10 (a)、18∶22 (b)、19∶27 (c)、20∶56 (d) 1.5°仰角基本反射率因子以及18∶22益阳雷达0.5° (e)、1.5° (f)、2.4° (g)、3.3° (h)仰角基本反射率因子和组合反射率(i)、沿风暴移动方向的垂直剖面(j)

Figure  6.  1.5° elevation base reflectivity at (a) 18∶10 BT, (b) 18∶22 BT, (c) 19∶27 BT, (d) 20∶56 BT, 18∶22 BT base reflectivity at (e) 0.5°, (f) 1.5°, (g) 2.4°, (h) 3.3°elevation and (i) composite reflectivity, (j) the vertical cross-section along the moving path of storms on May 4, 2020 from Yiyang Radar

下载: 全尺寸图片 幻灯片

怀化沅陵县清浪乡18∶25—18∶40也出现直径6 cm的大冰雹，18∶22风暴K0最大回波强度达65 dBz以上，低层0.5°(图 6e)、1.5°(图 6f)仰角上右后侧出现钩状回波，2.4° (图 6g)、3.3° (图 6h)仰角具有TBSS特征。垂直剖面图(图 6i、j)上同样具有弱回波区，并且超过60 dBz强回波伸展高度达9 km，表现为低层钩状回波、中层弱回波区和中高层悬垂回波结构的雹暴特征，与“3·21”过程相似，虽然没有明显中气旋，但表现出超级单体风暴特征，也称其为“类超级单体”风暴。

由“5·4”过程风暴K0从17∶40开始生成到21∶31衰减的风暴参数演变(图 7)可见，BASE在1—2 km左右，风暴单体顶发展很高，18∶04—21∶31 TOP高度一直位于10 km高度，一直处于“低底高顶”状态，说明风暴上升气流旺盛，有利于出现大冰雹。17∶40—18∶28 C-VIL和HT持续增加，18∶28 C-VIL、DBZM、HT和TOP分别为69 kg·m^-2、67 dBz、8.0 km和13.4 km，18∶40强中心高度下降到1.5 km，对应沅陵此时出现直径为6 cm的大冰雹，C-VIL仍维持在60 kg·m^-2以上，表明风暴内上升气流的强度维持较强的状态；18∶57—19:15 C-VIL和HT出现明显下降，沅陵第二次降雹，降雹尺寸最大4 cm；而后C-VIL继续上升，并维持60 kg·m^-2以上，19∶51、20∶08、20∶32质心高度多次下降，且20:32降到1 km，C-VIL降至36 kg·m^-2，据媒体报道常德桃源20∶35降雹，冰雹最大直径4 cm；21∶08和21∶25随着质心高度和C-VIL下降，常德市区出现降雹，冰雹最大直径4 cm。

图  7  “5·4”过程风暴K0的C-VIL和HT、TOP、BASE的时间演变

Figure  7.  Evolution trend of C-VIL and HT, TOP, BASE of storm K0 during"5·4"case

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.2.3   风暴参数异同点

两次过程风暴参数共同点在于，强烈发展阶段风暴S0和K0的DBZM均超过66 dBz (表略)，降大雹前，DBZM和C-VIL达67 dBz和69 kg·m^-2以上，降雹时DBZM和C-VIL略有下降，而后迅速上升，为下一次降雹准备，而HT明显下降，与降雹对应较好。高丽等(2021)分析一次长生命史降雹过程指出，风暴质心高度下降对应三次降雹，与本文结论一致。

两次过程风暴参数不同点在于：强烈发展阶段，风暴S0 (69.4 dBz) DBZM略高于风暴K0 (66.2 dBz)；风暴K0 C-VIL高于风暴S0，风暴K0和风暴S0的C-VIL分别为72.0 kg·m^-2和62.7 kg·m^-2；风暴K0垂直伸展高度更高，HT和TOP高于风暴S0，HT分别为5.4 km和3.0 km，TOP分别为12.2 km和10.4 km。

5.   风暴动力场结构

5.1   “3·21”过程风暴动力场结构

“3·21”过程强烈发展阶段(19∶21—20∶49)主要表现为低层辐合、中层双涡、高层辐散的垂直动力场结构，中层双涡结构维持约1 h；消亡阶段中，20∶49— 21∶31风暴S0低层仍有辐合，但强度减弱，中层为气旋性旋转，高层因风暴S0离雷达距离近，无法观测；21∶31之后风暴S0高层辐散先于低层辐合快速减弱，最终单体消亡。

大冰雹发生在风暴强烈发展阶段。选取强烈发展阶段双涡结构动力场做详细分析，从3月21日19∶50益阳雷达0.5°、3.4°和6.0°仰角(对应高度分别为2.1 km、6.7 km和11.2 km)的径向速度图可见，风暴S0 0.5°仰角径向速度图(图 8e)，表现为气旋性辐合结构，最大正径向速度为17 m·s^-1 (径向速度值取数量级的中间值，下同)，最小负径向速度为-3 m·s^-1，两者差值为20 m·s^-1，距离约6 km，旋转速度和切变量为10 m·s^-1和3.3×10^-3·s^-1。3.4°仰角径向速度图(图 8c)显示，风暴中层出现明显双涡结构。其中气旋性旋转的最大正径向速度为3 m·s^-1，最小负径向速度为-31 m·s^-1，两者差值为34 m·s^-1，距离约6.6 km，旋转速度和切变量为17 m·s^-1和5.2×10^-3·s^-1；而反气旋性旋转的最大正径向速度为3 m·s^-1，最小负径向速度为-31 m·s^-1，两者差值为34 m·s^-1，距离约5.1 km，旋转速度和切变量为17 m·s^-1和6.7×10^-3·s^-1；气旋性旋转强度和反气旋旋转强度相当。6.0°仰角径向速度图(图 8a)中，出现明显的速度模糊，径向速度差超过40 m·s^-1，表现出风暴顶辐散。

图  8  2020年3月21日益阳雷达19∶50 6.0° (a)、3.4° (c)、0.5° (e)径向速度和5月4日益阳雷达18∶34 4.3° (b)、2.4° (d)、0.5° (f)径向速度

Figure  8.  Average radial velocity of supercell storm in Yiyang at 19∶50 BT 21 March 2020 at elevation (a) 6.0°, (c) 3.4°, (e) 0.5°and at 18∶34 BT 4 MAY 2020 at elevation (b) 4.3°, (d) 2.4°, (f) 0.5°

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图 9给出两次过程过程超级单体风暴的最大切变值和最强切变高度。分析图 9a可知，“3·21”过程中气旋持续约1 h (20:02—20:49)。20:08、20:20和20:38分别为常德桃源、益阳安化和益阳桃江降雹时间，三次降雹均对应最强切变高度下降时间。20:02常德桃源降雹后，中气旋底位置较高5.6 km；此后S0单体进一步发展，20:08—20:20中气旋底和顶同时向下和向上发展，中气旋厚度增加，中气旋强度明显加强，最大切变值也不断增强，20:26达极大值56×10^-3·s^-1；20:20— 20:26最强切变高度下降，此时安化降雹；20:32中气旋顶和最强切变高度均上升，中气旋发展加强，20:38最强切变高度下降，对应桃江降雹，此后最大切变值和中气旋顶下降，中气旋强度减弱。

图  9  2020年3月21日20∶02—20∶49中气旋最大切变值和最强切变高度和中气旋最大切变值和最强切变高度

Figure  9.  The maximum shear value and the strongest shear height of Mesocyclone during 20∶02-20∶49 BT 21 March, 2020

Fig.10 The maximum shear value and the strongest shear height of Mesocyclone during 19∶27-20∶50 BT 4 May 2020

下载: 全尺寸图片 幻灯片

5.2   “5·4”过程风暴动力场结构

与“3·21”过程相似，“5·4”过程强烈发展阶段也表现出低层辐合、中层双涡、高层辐散，中层双涡维持约2 h；在强烈发展阶段末期到消亡阶段，20∶26— 21∶08风暴中层转为气旋性旋转；21∶08—21∶43中低层以辐合为主，高层辐散，风暴维持，但强度明显减弱；21∶43之后风暴高层辐散、中低层辐合结构由高到低逐渐消失，风暴缓慢消亡。

“5·4”过程大冰雹发生在双涡结构动力场中，选取强烈发展阶段双涡结构做详细分析，从5月4日18:34益阳雷达0.5°、2.4°和4.3°仰角(对应高度分别为1.6 km、6.7 km和10.6 km高度)的径向速度图可见，风暴K0在0.5°仰角径向速度图(图 8f)上，正速度与负速度在同一径向上，辐合结构，最大正径向速度为12 m·s^-1，最小负径向速度为-7 m·s^-1，两者差值为19 m·s^-1。2.4°仰角径向速度图(图 8d)显示，风暴中层出现明显气旋性旋转与反气旋性旋转并存的气流结构。其中2.4°仰角上气旋性旋转的最大正径向速度为3 m·s^-1，最小负径向速度为-37 m·s^-1，两者差值为40 m·s^-1，距离约5 km，旋转速度和切变量为20 m·s^-1和8×10^-3·s^-1；而反气旋性旋转的最大正径向速度为3 m·s^-1，最小负径向速度为-23 m·s^-1，两者差值为26 m·s^-1，距离约6 km，旋转速度和切变量为13 m·s^-1和4.3×10^-3·s^-1；气旋性旋转强度强于反气旋旋转强度。4.3°仰角径向速度图(图 8b)中，最大正径向速度为4.5 m·s^-1，负速度出现明显的速度模糊，最小负径向速度为-37.5 m·s^-1，正负径向速度差值超过40 m·s^-1，也表现出强烈的风暴顶辐散。

“5·4”过程中气旋持续1.5 h (19∶27—20∶50) (图 9b)。19∶33—19∶56，中气旋底和顶同时向下和向上发展，最大切变值较大，在(34~41)×10^-3·s^-1之间，最强切变高度较高，中气旋强度明显加强；19:51虽然最强切变高度略有所下降，但最大切变值仍强，说明中气旋仍强烈发展；19∶51、20∶08和20∶32最强切变高度下降与质心高度下降时间一致，与实况降雹时间对应很好，且最大切变值20∶08和20∶26明显下降，中气旋底上升，中气旋厚度减小，强度减弱。

5.3   风暴气流结构异同点

当风暴处于强烈发展阶段时，风暴体内均伴有很强的气流旋转和上升现象，低层为气旋性辐合，中层为气旋性旋转和反气旋旋转并存的双涡结构，高层为辐散。消亡阶段风暴中层气旋性旋转变为辐合，接着高层辐散消失，最后低层辐合逐渐消失。

风暴顶辐散是与风暴中强上升气流密切相关的小尺度特征，辐散越强，对应地面冰雹越大(陈秋萍等，2015)，两次风暴高层辐散均较强，因此均出现大冰雹。

两次过程降雹与最强切变高度下降时间基本一致，说明最强切变高度的下降很好反应冰雹降落时间。最大切变值变化反映中气旋强度的变化，“3·21”过程，中气旋最强切变高度和最大切变值的平均值分别是4.4 km和30.8×10^-3·s^-1。“5·4”过程，中气旋最强切变高度和最大切变值的平均值分别是6.24 km和21.1× 10^-3·s^-1。虽然“3·21”过程最大切变量、中气旋强度大于“5·4”过程，但前面分析两次风暴为双涡管式旋转结构，降大雹前“5·4”过程气旋性切变量大于“3·21”过程，反气旋切变量小于“3·21”过程，两者总的旋转强度相当。

6.   结论与讨论

利用常规及探空观测资料、多普勒天气雷达资料，对“3·21”过程和“5·4”过程发生在湖南怀化的两次大冰雹过程的超级单体风暴进行分析，研究了其风暴演变及动力场结构，得到如下主要结论：

(1) 两次过程均发生在低层暖平流强迫背景下，500 hPa湖南处于高空槽前，700 hPa以下有强盛西南暖湿急流，850 hPa和925 hPa受暖式切变线影响，在地面辐合线触发下产生强对流，低层暖湿、中层干冷，强的不稳定有利于对流产生。两次过程相比，“3·21”过程低层风速更大。

(2) 两次过程能量螺旋度明显增大，具有强热力不稳定层结和强垂直风切变，WBZ高度明显低于DBZ高度，有利于大冰雹下落过程中不被或少被融化。两次过程相比，“5·4”过程具有较大的CAPE和垂直风切变。

(3) 两次过程风暴的共同特征是，6 cm冰雹均发生在超级单体风暴强烈发展初期，由无中气旋特征的“类超级单体”造成，出现钩状回波特征、旁瓣回波以及三体散射特征和回波悬垂等特征，垂直动力场均表现出低层辐合、中层气旋性旋转和反气旋旋转并存、高层辐散的结构特征，高层辐散均较强。

(4) 两次风暴底和顶一直处于“低底高顶”状态，风暴上升气流强盛。强烈发展阶段风暴S0和K0的DBZM均超过66 dBz；风暴K0 C-VIL高于风暴S0，风暴K0和风暴S0的C-VIL分别为72.0 kg·m^-2和62.7 kg·m^-2；风暴K0的HT和TOP高于风暴S0。大冰雹降落前DBZM和C-VIL均达到67 dBz和69 kg·m^-2以上。强中心高度和最强切变高度的下降均反映出冰雹的降落。

上述两次过程发生时湖南未进行双偏振雷达改造升级，本文通过单偏振多普勒雷达分析两次大冰雹过程，虽然揭示了大冰雹双涡结构，并提炼了大冰雹的雷达预警指标，但缺乏大冰雹的双偏振特征分析，今后需通过更多的大冰雹个例研究，加强双偏振雷达资料的分析应用，提炼定量、全面的冰雹双偏振指标。