超級(jí)單體引發(fā)的一次大風(fēng)風(fēng)速估算及其機(jī)理探討

周后福，李耀東，趙 倩，何志強(qiáng)，曹晉娟

（1.安徽省氣象科學(xué)研究所，安徽 合肥230031；2.大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230031；3.中國(guó)氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，安徽 壽縣232200；4.壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)，安徽 壽縣232200；5.北京航空氣象研究所，北京100085；6.華北民航氣象中心，北京100621；7.安徽省六安市氣象局，安徽 六安237011）

大風(fēng)的危害主要表現(xiàn)對(duì)環(huán)境造成的機(jī)械損傷和破壞，輕則引起農(nóng)作物倒伏、線路停電，重則導(dǎo)致建筑物傾倒、鐵塔倒塌、車(chē)輛顛覆等嚴(yán)重事故，并且隨著風(fēng)力和范圍的增大而增加，因此一直受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1,2]。對(duì)大風(fēng)風(fēng)速的定量測(cè)量，長(zhǎng)期以來(lái)以國(guó)家級(jí)氣象站觀測(cè)為主，而近10 a 來(lái)隨著中尺度自動(dòng)站的大量布設(shè)，現(xiàn)有空間觀測(cè)密度平均約12 km，風(fēng)力觀測(cè)的精細(xì)化方面取得明顯業(yè)績(jī)。然而在實(shí)踐工作中，自動(dòng)氣象站的布設(shè)是零散分布，不可能形成連續(xù)性的風(fēng)力觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)考慮到大風(fēng)的種類和形成機(jī)制多種多樣，既有大范圍的臺(tái)風(fēng)形成背景，也有中尺度的雷暴形成機(jī)理，還有小尺度的下?lián)舯┝鞒梢?，它們的大氣環(huán)流、熱力動(dòng)力因素千差萬(wàn)別。綜上，利用連續(xù)而精細(xì)化探測(cè)資料對(duì)大風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行估算是必要的，對(duì)大風(fēng)成因進(jìn)行深入探討也是必須的。

根據(jù)已有觀測(cè)數(shù)據(jù)，推算最大風(fēng)速重現(xiàn)期的現(xiàn)象較為普遍。Conradsen 等[3]使用Weibull 分布估測(cè)風(fēng)速的分布，Pang 等[4]利用蒙特卡羅技術(shù)估算風(fēng)速；史軍等[5]采用極值Ⅰ型和皮爾遜Ⅲ型分布估算不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速，呼津華等[6]運(yùn)用Ⅰ型極值概率分布估算風(fēng)電場(chǎng)不同高度50 年一遇的最大風(fēng)速，也有人運(yùn)用小波變換和最小二乘支持向量機(jī)的估算方法估測(cè)船面風(fēng)向風(fēng)速[7]，還有基于激光雷達(dá)進(jìn)行風(fēng)矢的估計(jì)[8]，而Zedel[9]則利用聲多普勒雷達(dá)探測(cè)儀的背景聲級(jí)估算風(fēng)速，近年來(lái)有人利用風(fēng)廓線雷達(dá)實(shí)施風(fēng)的測(cè)量[10]?？梢?jiàn)對(duì)于風(fēng)速的估算，國(guó)內(nèi)外的研究成果很多，但是極少有人用到多普勒天氣雷達(dá)的徑向速度來(lái)估測(cè)地面風(fēng)速。

有關(guān)大風(fēng)形成機(jī)理的研究結(jié)果非常豐富，有從觀測(cè)資料角度出發(fā)，分析大風(fēng)的環(huán)流背景、不穩(wěn)定性、能量等的變化，找出產(chǎn)生大風(fēng)的觸發(fā)機(jī)制；有從數(shù)值模式角度出發(fā)，利用精細(xì)化的模擬資料模擬觀測(cè)資料所沒(méi)有的微物理量，研究更為精細(xì)的熱力、動(dòng)力和微物理量的參數(shù)演變，探討大風(fēng)的形成機(jī)理。劉香娥等[11]研究認(rèn)為，地面強(qiáng)冷池在颮線大風(fēng)的產(chǎn)生中具有重要作用；方翀等[12]認(rèn)為，颮線中大多數(shù)雷暴大風(fēng)是由中氣旋所引發(fā)，在大風(fēng)出現(xiàn)前中氣旋底高下降至2 km 以下；付丹紅等[13]對(duì)一次伴有大風(fēng)、暴雨和冰雹的天氣進(jìn)行模擬，結(jié)果表明冰雹的拖曳和融化作用對(duì)下沉氣流具有決定性作用；梁建宇等[14]對(duì)一次颮線大風(fēng)的分析后認(rèn)為，中層入流是地面大風(fēng)形成的重要原因；農(nóng)孟松等[15]認(rèn)為，降水粒子的拖曳和颮線的快速移動(dòng)對(duì)地面大風(fēng)的產(chǎn)生及增幅有一定的作用；劉希文等[16]發(fā)現(xiàn)，兩次雷暴大風(fēng)均具有中低層徑向速度輻合和地面大風(fēng)核；孫鳴婧等[17]認(rèn)為，東南大風(fēng)風(fēng)力很強(qiáng)的原因在于氣壓差及低層存在明顯的動(dòng)量下傳；高曉梅等[18]認(rèn)為特強(qiáng)雷暴大風(fēng)的條件不穩(wěn)定度明顯增大；Atkins 等[19]研究龍卷大風(fēng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，龍卷渦旋的生命史長(zhǎng)而強(qiáng)，非龍卷渦旋并沒(méi)有如此特征；1987 年在美國(guó)的科羅拉多曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)對(duì)流生成和下?lián)舯┝鞯脑囼?yàn)[20]；后來(lái)有針對(duì)下?lián)舯┝鞯臄?shù)值研究，使用三維云模式模擬發(fā)現(xiàn)下?lián)舯┝骺赡馨l(fā)生在對(duì)流層中層的風(fēng)切變矢量的方向[21]。盡管取得了很多成果，然而大風(fēng)的形成機(jī)制極為復(fù)雜，如何運(yùn)用各種觀測(cè)資料，從天氣學(xué)原理出發(fā)，結(jié)合熱力動(dòng)力場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)，探索大風(fēng)產(chǎn)生機(jī)制依然是一項(xiàng)課題。擬根據(jù)風(fēng)暴結(jié)構(gòu)變化、降水拖曳性能、空中動(dòng)量下傳、環(huán)境浮力特征，對(duì)一次大風(fēng)的成因進(jìn)行深入研討，繼續(xù)揭示大風(fēng)的形成機(jī)理，為大風(fēng)分析預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐。

1 資料方法

基于2016 年6 月5 日發(fā)生的一次大風(fēng)天氣，資料有地面中尺度觀測(cè)資料、雷達(dá)探測(cè)資料、探空資料、GFS（Global Forecast System）0.5°×0.5°的再分析資料。中尺度觀測(cè)資料包括極大風(fēng)、降水、氣溫、氣壓和相對(duì)濕度。文中涉及到比濕的計(jì)算步驟為：比濕是水汽壓與大氣壓之比，水汽壓是相對(duì)濕度和飽和水汽壓的乘積，飽和水汽壓由氣溫的經(jīng)驗(yàn)公式而得，故比濕可由氣溫、氣壓、相對(duì)濕度計(jì)算得到。雷達(dá)探測(cè)資料包括合肥S 波段多普勒雷達(dá)的組合反射率因子（CR）、徑向速度、中氣旋參數(shù)（底高、頂高、切變值）、風(fēng)暴參數(shù)（底高、頂高、最強(qiáng)回波Rmax、最強(qiáng)回波高度HGT、垂直積分液態(tài)水含量VIL），GFS 再分析資料包括格點(diǎn)的垂直速度ω。

圖1 分析方案示意圖

大致可以將分析方案（圖1）分為3 個(gè)部分：資料種類、研究對(duì)象、所起作用。不同的資料所采用的分析方法和對(duì)象有所不同，分別從環(huán)境背景、動(dòng)力角度、濕熱條件闡述資料在分析中的作用。具體分析過(guò)程：根據(jù)地面觀測(cè)資料確定大風(fēng)發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)和風(fēng)力，研究溫度變化引起的負(fù)浮力不穩(wěn)定情況，探討比濕提供的濕度條件，考察降水分布及其對(duì)大風(fēng)的拖曳作用；利用雷達(dá)探測(cè)的多種產(chǎn)品，找出風(fēng)暴合并現(xiàn)象，估測(cè)大風(fēng)風(fēng)力等級(jí)和地點(diǎn)，獲得風(fēng)暴參數(shù)、中氣旋參數(shù)變化特征，分析徑向速度及其動(dòng)量下傳作用；依據(jù)探空資料獲得的指標(biāo)參數(shù)，判斷不穩(wěn)定環(huán)境背景，探索中高層風(fēng)的下傳；依據(jù)GFS 再分析場(chǎng)資料，繪出垂直風(fēng)場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)大氣的垂直下沉運(yùn)動(dòng)。

2 觀測(cè)實(shí)況

包括地面、探空、雷達(dá)實(shí)際觀測(cè)和再分析資料。雷達(dá)觀測(cè)指的風(fēng)暴單體，再分析資料用到的是垂直速度。再分析資料屬于觀測(cè)值的融合和插值處理的分析場(chǎng)，將其歸為觀測(cè)資料。此處包括觀測(cè)到的指標(biāo)參數(shù)分布、風(fēng)暴單體時(shí)間變化和垂直速度分布，指標(biāo)參數(shù)變化涉及到中氣旋與地面風(fēng)場(chǎng)關(guān)系，大風(fēng)、氣溫和比濕分布，以及探空資料得到的指標(biāo)變化；風(fēng)暴單體時(shí)間變化涉及到單體的各種參數(shù)（風(fēng)暴底/頂、Rmax、VIL）隨時(shí)間的演變，GFS 垂直速度分布涉及到GFS 資料的垂直速度剖面變化。

2.1 指標(biāo)參數(shù)變化

圖2 為安徽省六安市6 月5 日8 級(jí)以上極大風(fēng)的分布，圖中的集中分布區(qū)是由同一個(gè)風(fēng)暴單體所引發(fā)的，各站標(biāo)注的時(shí)間為極大風(fēng)的發(fā)生時(shí)間；集中分布區(qū)的北部和南部分別有局地的大風(fēng)分布，它們呈現(xiàn)零散分布，由其它風(fēng)暴所造成。表1 為按發(fā)生時(shí)間順序排列的極大風(fēng)概況。由圖表可知，大風(fēng)分布基本上是按照由西到東的順序先后發(fā)生的，最早的是15：21（北京時(shí)，下同）的姚李，最晚的是16：00 的六安，風(fēng)力在達(dá)到六安城區(qū)附近時(shí)明顯加強(qiáng)，此前一直是8～9 級(jí)，在六安城區(qū)附近上升到10～11 級(jí)。

圖2 大風(fēng)和中氣旋

表1 各站極大風(fēng)速/（m/s）

圖3 為每10 min 的風(fēng)場(chǎng)與中氣旋的疊加圖?？梢钥闯?，低空的中氣旋的旋轉(zhuǎn)方向與地面風(fēng)向的關(guān)系基本一致。15：21—15：30 中氣旋中心的左側(cè)是偏北風(fēng)，東側(cè)是西南風(fēng)和南風(fēng)；15：31—15：40 中氣旋中心附近風(fēng)力加大，風(fēng)向呈現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；15：41—15：50中氣旋附近仍然維持逆時(shí)針選轉(zhuǎn)的風(fēng)向變化；15：51—16：00 中氣旋中心南北側(cè)有相反風(fēng)向的分布態(tài)勢(shì)，組成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的風(fēng)向，在地面有明顯的風(fēng)向、風(fēng)速切變。圖4 是15—16 時(shí)極大風(fēng)分布。由圖可以看出沿火星—丁集—九鼎—順河村—黃家窯—獨(dú)山茶谷的地面強(qiáng)輻合線。在強(qiáng)輻合線的背景下，造成近地層局部大氣輻合抬升。

圖5 為地面氣溫和比濕的分布，圖5b 中“LA、HF”分別是六安和合肥。由圖5 可知，大風(fēng)所經(jīng)之地的氣溫比周邊地區(qū)低5～7 ℃，其中唐家埠19.0 ℃，新店河左側(cè)的諸佛庵中學(xué)31.6 ℃，兩者相差12.6 ℃；氣壓略有降低；比濕降低0.7 g/kg 左右，其周邊地區(qū)的比濕則基本不變。即風(fēng)暴來(lái)臨之際，氣溫迅速降低，氣壓有所抬升，增濕明顯。

圖3 每10 min 地面風(fēng)場(chǎng)與中氣旋（圓圈處）疊加

圖4 15—16 時(shí)極大風(fēng)分布

上游高空站（武漢）14 時(shí)的K 指數(shù)為29 ℃，CAPE 為874 J/kg，SSI 為230，LI 指數(shù)是-4.8 ℃，14時(shí)之前沒(méi)有降水，表示大氣具有一定的不穩(wěn)定性，同時(shí)SI 為1.5 ℃，A 指數(shù)為-7 ℃，說(shuō)明這種不穩(wěn)定性不夠強(qiáng)。

2.2 風(fēng)暴單體演變

經(jīng)過(guò)對(duì)雷達(dá)回波的跟蹤，造成此次六安大風(fēng)的風(fēng)暴為單獨(dú)的一個(gè)風(fēng)暴單體。該風(fēng)暴單體在大風(fēng)發(fā)生前后的參數(shù)見(jiàn)圖6，圖中時(shí)間為雷達(dá)體掃的最后時(shí)間，代表前5～6 min 的時(shí)間段；大風(fēng)符號(hào)代表該時(shí)段內(nèi)曾出現(xiàn)了大風(fēng)。在大風(fēng)起始時(shí)，風(fēng)暴迅速伸展，發(fā)展比較旺盛，由此前不足8 km 的高度抬升到超過(guò)10 km，此后緩慢降低，但風(fēng)暴體依然較為深厚；當(dāng)15：48 風(fēng)暴比較弱的時(shí)候，大風(fēng)沒(méi)有出現(xiàn)；15：54風(fēng)暴再次迅猛抬升，頂高超越10 km，并且超過(guò)此前的風(fēng)暴頂，此時(shí)風(fēng)力加大，16：17 風(fēng)暴降至8 km 以下。即大風(fēng)發(fā)生在風(fēng)暴單體發(fā)展極為旺盛，且底部近于地面的時(shí)候。

最強(qiáng)回波在大風(fēng)發(fā)生前后處于60～66 dBz；最強(qiáng)回波高度有上升—降低—上升—降低的變化趨勢(shì)，15：14 隨著風(fēng)暴增強(qiáng)而抬升，此后逐步降低，15：54 隨著風(fēng)暴的再次增強(qiáng)而抬升，此后再次進(jìn)入逐步降低的階段；VIL 在大風(fēng)未發(fā)生前低于40，發(fā)生時(shí)迅速增加并超過(guò)40，此后一直維持在40以上，多數(shù)超過(guò)50以上，直至16：17迅速減少至30左右。

在該大風(fēng)風(fēng)暴的15：26—16：17 時(shí)間段內(nèi)，一直維持著中氣旋狀態(tài)。圖7 為造成六安大風(fēng)的中氣旋及其切變，中氣旋的直徑在4～8 km。由圖7 可見(jiàn)，該中氣旋持續(xù)時(shí)間有10 個(gè)體掃，共計(jì)57 min；15：26中氣旋處在3～6 km 高度，15：31—15：37 則略 有 下降，15：43 迅速向下伸展， 中氣旋底近于1 km；15：48—15：54 則繼續(xù)向上伸展，16：00—16：06 有所壓縮，此后則繼續(xù)減弱，16：17 后消失。切變值有升—降—升—降的趨勢(shì)變化。造成大風(fēng)的風(fēng)暴具有持續(xù)而深厚的中氣旋存在，故屬于超級(jí)單體風(fēng)暴范疇，也即在低空有顯著的風(fēng)向風(fēng)速切變現(xiàn)象。該超級(jí)單體在15：26 由普通風(fēng)暴單體演變而來(lái)的，維持時(shí)間約1 h。

2.3 GFS 垂直風(fēng)場(chǎng)

六安站的經(jīng)緯度分別是116.5°E、31.7°N，故沿116.5°E 制作經(jīng)向剖面。圖8 為GFS 再分析資料的14 時(shí)ω 垂直分布，正值代表下沉運(yùn)動(dòng)，負(fù)值代表上升運(yùn)動(dòng)。由圖8 可知，29.5°N 以南的低層為下沉運(yùn)動(dòng)，在600 hPa 以下為下沉區(qū)；30°～31°N 低層在0速度線附近；32°N 以北的近地層上升、下沉運(yùn)動(dòng)交替出現(xiàn)；而在六安附近的31°～32°N 之間則有較強(qiáng)的下沉氣流，大約在600 hPa 以下都是下沉運(yùn)動(dòng)，維持深厚的下沉區(qū)，其寬度介于0.3～0.6 個(gè)緯距，最大的下降速度超過(guò)0.6 Pa/s。

圖5 地面氣溫和比濕

圖6 風(fēng)暴參數(shù)

圖7 中氣旋及其切變

圖8 14 時(shí)沿116.5°E 垂直速度剖面

3 大風(fēng)風(fēng)速估測(cè)

經(jīng)過(guò)對(duì)8 級(jí)以上風(fēng)力的大風(fēng)與風(fēng)暴參數(shù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)只有風(fēng)暴在具有中氣旋時(shí)才會(huì)產(chǎn)生大風(fēng)，而沒(méi)有中氣旋發(fā)生時(shí)難以產(chǎn)生大風(fēng)（表1 和圖4）。比較可知，在15：48 體掃時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)8 級(jí)以上大風(fēng)，但是在西橋15：46 出現(xiàn)了16.5 m/s 的7 級(jí)風(fēng)；在16：00后的3 個(gè)體掃沒(méi)有出現(xiàn)大風(fēng)。16：06—16：17 最后一個(gè)體掃的中氣旋很弱，風(fēng)暴也很弱，沒(méi)有出現(xiàn)大風(fēng)。而前2 個(gè)體掃的風(fēng)暴參數(shù)和中氣旋參數(shù)都比較明顯，但是在地面沒(méi)有出現(xiàn)大風(fēng)記錄，原因是此處沒(méi)有地面中尺度觀測(cè)站圖4 圓圈內(nèi)部。16：06—16：11 風(fēng)暴經(jīng)過(guò)了這一自動(dòng)站空白區(qū)域，即使造成地面大風(fēng)，由于缺乏地面觀測(cè)站點(diǎn)，也無(wú)法觀測(cè)到大風(fēng)數(shù)據(jù)。

對(duì)低仰角徑向速度場(chǎng)的分析發(fā)現(xiàn)，中氣旋附近的正負(fù)速度對(duì)的正速度不大，而負(fù)速度的數(shù)值顯著大于正速度值，正速度是風(fēng)暴前部向上的風(fēng)力，導(dǎo)致其風(fēng)速小于負(fù)速度區(qū)的數(shù)值；當(dāng)0.5°仰角的徑向速度＜-20 m/s 時(shí)，出現(xiàn)8～9 級(jí)大風(fēng)，而當(dāng)0.5°仰角的徑向速度＜-27 m/s 時(shí)，出現(xiàn)9 級(jí)大風(fēng)甚至10～11 級(jí)大風(fēng)。為此，表2 列出15：26—16：00 的極大風(fēng)速和0.5°仰角的徑向速度分別＜-20 m/s、-27 m/s 面積。由表2 可見(jiàn)，大體上有風(fēng)力隨著不同等級(jí)徑向速度面積的增加而增加的現(xiàn)象，用其可以大致估算風(fēng)力等級(jí)。估測(cè)方法： 當(dāng)雷達(dá)徑向速度＜-20 m/s 面積不足100 km2或者沒(méi)有出現(xiàn)＜-27 m/s 時(shí)，地面風(fēng)速低于23 m/s；當(dāng)徑向速度＜-20 m/s 面積達(dá)到100 km2以上或者＜-27 m/s 面積達(dá)到12 km2以上時(shí)，地面風(fēng)速易超過(guò)20 m/s； 當(dāng)徑向速度＜-20 m/s 面積達(dá)到140 km2以上且＜-27 m/s 面積達(dá)到15 km2以上時(shí)，地面風(fēng)速超過(guò)30 m/s。

表2 各體掃極大風(fēng)速及不同風(fēng)速等級(jí)對(duì)應(yīng)的面積

4 機(jī)理探討

4.1 合并增強(qiáng)

風(fēng)暴合并使得單體增強(qiáng)。在持續(xù)的中氣旋發(fā)生前，風(fēng)暴有合并的現(xiàn)象出現(xiàn)。I3 風(fēng)暴是造成地面大風(fēng)的風(fēng)暴，在超級(jí)單體形成前發(fā)生合并，合并后持續(xù)保持中層輻合和中氣旋的狀態(tài)。圖9 是I3 風(fēng)暴合并前的CR 分布，圖中有風(fēng)暴追蹤信息，圓圈代表風(fēng)暴中心，“+”代表未來(lái)1 h 的預(yù)測(cè)值，“·”代表過(guò)去1 h的實(shí)際值。15：14 I3 風(fēng)暴略有增強(qiáng)，在其南偏西方向新生一個(gè)N3 風(fēng)暴；到了15：20，3 個(gè)風(fēng)暴（I3、C2 和N3）合并成一個(gè)I3 風(fēng)暴，合并之后的I3 風(fēng)暴明顯增強(qiáng)，強(qiáng)回波面積擴(kuò)大很多倍（＞60 dBz的回波面積有3個(gè) 時(shí) 次 分 別 是：15：08 的22 km2，15：14 的42 km2，15：20 的68 km2，合并后是合并前的3 倍），風(fēng)暴向上伸展明顯，進(jìn)入持續(xù)發(fā)展階段。

4.2 動(dòng)量下傳

在大風(fēng)發(fā)生期間，由沿著風(fēng)暴移動(dòng)方向的最低仰角剖面圖可以看出， 在近地層存在徑向速度＞20 m/s 的風(fēng)速，甚至也有＞27 m/s 的速度存在。這種風(fēng)速下傳至地面，引起地面8 級(jí)以上的大風(fēng)。此處給出地面瞬時(shí)風(fēng)速最大的16：00 回波和徑向速度圖（圖10）。16：00 低仰角回波強(qiáng)度圖上AB 線的中心為引起大風(fēng)的風(fēng)暴單體，強(qiáng)度剖面上有向風(fēng)暴前進(jìn)方向的前傾趨勢(shì)，最強(qiáng)回波高度在6 km 左右；對(duì)應(yīng)的徑向速度有一支上升氣流和兩支下沉氣流，在上升氣流和下沉氣流的水平面上存在較強(qiáng)的低空風(fēng)切變。上升氣流的徑向速度＞27 m/s，下沉氣流徑向速度超過(guò)20 m/s，并且以動(dòng)量下傳方式下傳至地面，引起地面超過(guò)20 m/s 甚至27 m/s 以上的大風(fēng)出現(xiàn)。

圖11 為其它一些時(shí)次的徑向速度剖面圖。15：26、15：37、15：48 的3 個(gè)體掃中，風(fēng)暴頂附近都是上升氣流，而風(fēng)暴中下部主要存在兩支下沉氣流，一支下沉至1 km 左右高度而沒(méi)有接地，一支下沉至地面，引起地面的災(zāi)害性大風(fēng)。在下沉至地面的氣流中，3～4 km 高度上徑向速度超過(guò)20 m/s，下傳至地面附近時(shí)，引起17 m/s 以上甚至28 m/s 以上的風(fēng)力出現(xiàn)。

上升氣流和下沉氣流分布的解釋：用強(qiáng)風(fēng)暴的垂直空間結(jié)構(gòu)可以較好地說(shuō)明。沿強(qiáng)風(fēng)暴前進(jìn)方向，在強(qiáng)風(fēng)暴前側(cè)的底部有入流存在，然后入流沿著傾斜上升的方向升至風(fēng)暴頂部，同時(shí)在風(fēng)暴后側(cè)有下降的入流存在，從風(fēng)暴尾部自上而下直至到達(dá)風(fēng)暴底部。

地面大風(fēng)發(fā)生地附近的比濕降低而周邊地區(qū)比濕沒(méi)有明顯變化，對(duì)于這種現(xiàn)象的解釋：由于有動(dòng)量下傳現(xiàn)象，伴隨著空氣的快速下沉，通過(guò)下沉區(qū)通道將空中的干冷空氣下傳至近地面和地面，使得地面大風(fēng)附近的氣溫相差很大，且有比濕降低的情況出現(xiàn)，而周邊地區(qū)沒(méi)有空氣的下沉運(yùn)動(dòng)，地面的比濕也就沒(méi)有明顯增減的情況。

圖9 組合反射率CR（單位：dBz）分布

圖10 16：00 的0.5°仰角回波及其AB 線垂直剖面

圖11 沿風(fēng)暴移向的徑向速度垂直剖面

4.3 降水拖曳

圖12 為15—16 時(shí)的降水分布。由此可知，大風(fēng)區(qū)的1 h 雨量大致在10～30 mm 之間。相對(duì)較強(qiáng)降水的發(fā)生，降水的拖曳作用將空氣快速帶至近地層，其與風(fēng)暴后部的下沉氣流方向一致，兩支氣流匯合并疊加，導(dǎo)致地面水平大風(fēng)的產(chǎn)生[10]。

圖12 15—16 時(shí)降水分布

4.4 負(fù)浮力較大

一般而言，氣溫的日變化在14 時(shí)左右為最大，此后到午夜為緩慢下降趨勢(shì)，而當(dāng)日的氣溫在15 時(shí)有陡降的現(xiàn)象。圖13 為5 個(gè)站點(diǎn)每10 min 的氣溫變化。由此可知，西側(cè)的羅集下降最早，主要發(fā)生在15：20—15：30；中間的徐集、九鼎下降時(shí)間略晚，主要發(fā)生在15：30—15：40；中東側(cè)的六安西下降時(shí)間再晚一點(diǎn)，主要發(fā)生在15：40—15：50；東側(cè)的六安下降時(shí)間最晚，出現(xiàn)在15：50—16：00。在陡降之前的氣溫約28 ℃，陡降之后的氣溫約20 ℃，氣溫下降幅度約8 ℃。此后氣溫逐步上升到正常位置。

圖13 逐10 min 氣溫變化

氣溫的降低是由于風(fēng)暴的來(lái)臨，結(jié)合同一時(shí)間的氣溫分布（圖3a）可知，風(fēng)暴經(jīng)過(guò)六安地區(qū)時(shí)，風(fēng)暴內(nèi)部的氣溫迅猛下降，而且比周邊環(huán)境空氣的氣溫偏低6 ℃左右。氣溫的下降預(yù)示著熱力不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)，亦即負(fù)浮力的增加。這種負(fù)浮力的增大，使得風(fēng)暴因子核快速下降，導(dǎo)致地面大風(fēng)的發(fā)生。

5 結(jié)論與討論

基于精細(xì)化的探測(cè)資料，分析一次超級(jí)單體引發(fā)的大風(fēng)天氣過(guò)程，大致估測(cè)大風(fēng)的風(fēng)速范圍，并探索大風(fēng)天氣的形成原因。主要結(jié)論有：

（1）伴隨著大風(fēng)天氣的發(fā)生，氣溫快速下降、濕度增大；大風(fēng)的發(fā)生與風(fēng)暴單體發(fā)展程度和中氣旋密切相關(guān)；大風(fēng)地點(diǎn)發(fā)生在大尺度背景下垂直速度下降的區(qū)域。

（2）風(fēng)力有隨著雷達(dá)不同等級(jí)徑向速度面積的增加而增加的現(xiàn)象，用其可以大致估算風(fēng)力等級(jí)。當(dāng)最低仰角徑向速度＜-20 m/s 面積＜100 km2或者沒(méi)有出現(xiàn)＜-27 m/s 時(shí)，地面風(fēng)速＜23 m/s；當(dāng)徑向速度＜-20 m/s 面積達(dá)到100 km2以上或者＜-27 m/s 面積達(dá)到12 km2以上時(shí)，地面風(fēng)速易＞20 m/s；當(dāng)徑向速度＜-20 m/s 面積達(dá)到140 km2以上且＜-27 m/s 面積達(dá)到15 km2以上時(shí)，地面風(fēng)速＞30 m/s。

（3）多單體合并使得風(fēng)暴單體變強(qiáng)，成為超級(jí)單體風(fēng)暴；通過(guò)動(dòng)量下傳促使風(fēng)速快速下沉至地面。隨著單體的合并，風(fēng)暴發(fā)展迅速旺盛，由非超級(jí)單體增強(qiáng)到超級(jí)單體風(fēng)暴，在此背景下極易引發(fā)強(qiáng)烈的對(duì)流天氣。動(dòng)量下傳來(lái)源于降水拖曳作用和負(fù)浮力的增長(zhǎng)，將空中強(qiáng)風(fēng)下傳至地面，引發(fā)地面大風(fēng)的發(fā)生。

（4）由于中等雨量的拖曳作用，將風(fēng)暴中層大氣拖曳至近地層，形成地面大風(fēng)；氣溫明顯偏低，相伴的水物質(zhì)蒸發(fā)造成下沉變暖變緩，表示負(fù)浮力增大，強(qiáng)化了中層大氣的下沉運(yùn)動(dòng)，引起了地面大風(fēng)。雨量過(guò)強(qiáng)就成為暴雨，暴雨天氣多不伴隨強(qiáng)烈的地面大風(fēng)，即暴雨風(fēng)暴中沒(méi)有此種蒸發(fā)，沒(méi)有強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)產(chǎn)生下沖氣流。

針對(duì)一次超級(jí)單體引發(fā)的大風(fēng)天氣，得到了一些有意義的結(jié)果，大致給出大風(fēng)風(fēng)力和雷達(dá)徑向速度之間的關(guān)系；考察了熱力穩(wěn)定度的問(wèn)題，認(rèn)為降水拖曳作用[22]和負(fù)浮力的增大是地面大風(fēng)的誘因，它們貫穿在風(fēng)暴內(nèi)部直到地面，在超級(jí)單體風(fēng)暴大風(fēng)的產(chǎn)生中發(fā)揮了重要作用；經(jīng)過(guò)綜合考慮，認(rèn)為風(fēng)暴合并使得風(fēng)暴單體增強(qiáng)，成為超級(jí)單體風(fēng)暴，在環(huán)境垂直下沉的背景下，隨著空中動(dòng)量下傳，降水拖曳作用和環(huán)境負(fù)浮力增加，以及與風(fēng)暴后部下沉氣流的疊加，它們的共同作用引起風(fēng)暴內(nèi)部大氣的快速下沖，并在地面導(dǎo)致大風(fēng)的產(chǎn)生。但是在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有的科學(xué)問(wèn)題依然無(wú)法得到很好的評(píng)估，像動(dòng)量下傳、降水拖曳和負(fù)浮力在大風(fēng)中的作用難以定量評(píng)價(jià)，很難界定主次影響因素，它們的作用有待繼續(xù)探究。