超級單體風暴

超級單體風暴(8張)

超級單體風暴分為三類，即經典超級單體風暴、強降水超級單體、弱降水超級單體

超級單體風暴區別於其他強風暴的本質特徵：深厚持久的中氣旋。

一種具有特殊結構的單體強雷暴，比正常成熟雷暴的水平尺度要大得多，雲體中低層雷達回波的水平尺度可達幾十公里，維持時間可達幾個小時，常伴有強風、局地暴雨、冰雹、下擊暴流甚至龍捲。“超級單體”有時會在雷暴雨天氣裏出現，它的形狀是一個環形，中間是大風攜裹着的塵土和雨，而一圈圈粗糙不平的雲環繞周圍。它在大型風暴系統的中心地帶，旋轉運動的雲被集中，形成環形，在中間形成疾風暴雨。這種風暴系統可以有十公里寬，在不同地方產生很多次暴風雨。它的成因是寒冷乾燥的空氣遇到了温暖濕潤的熱帶空氣，產生激烈的對流，形成積雨雲，風進入這個系統後會旋轉，形成“隧道”，它越轉越快，最終形成低壓帶，吸進更多空氣。如果冷熱空氣很快中和，那麼這個風暴系統只停留在高空；如果兩者都足夠充沛，它就有可能下降高度，形成“超級單體”。雖然看上去很像龍捲風，但“超級單體”並不會把物體吸進去，而只是把雨傾瀉下來。這種現象會持續數小時，給當地造成一定的危害。

據美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）稱，超級單體風暴並非都是雷暴，這種天氣現象是下方風創造出上升氣流，使氣流垂直旋轉而成，也被稱為中氣旋。中氣旋的風速最快可達每小時274公里。超級單體風暴還以攜帶大量冰雹、強風以及龍捲風聞名，可持續數小時之久。

美國極端天氣愛好者羅伯特·辛納（Robert Sinner）於當地時間2015年6月4日在堪薩斯州抓拍到超級單體風暴（supercell storm）的壯觀場面，記錄了旋轉的雷暴穿過漢斯頓（Hanston）鄉村地區的景象。這個超級單體風暴還夾雜着冰雹，其個頭比棒球還大。

辛納利用加速鏡頭捕捉到這個超級單體風暴演變和移動的全過程。超級單體風暴是陸地上形成的威力最強大的天氣現象，能夠引發龍捲風。辛納説：“我曾追逐過數百個風暴，但很少看到這種日落時分形成的弱降水超級單體風暴，這是一種不同於其他風暴的罕見天氣現象。”

辛納還稱：“超級單體風暴總是伴隨着氣流旋轉和氣流上升現象。期間，這場風暴還帶來了我曾見過的最大的一場冰雹，冰雹的直徑超過9釐米。在視頻中，你可以看到氣流旋轉，風暴在15000多米高空與冰雹結合。”

指一個龍捲風系統內部包含2個或2個以上渦旋個數的龍捲風，通常由一個主渦旋和若干個小渦旋組成，形狀可以是數條‘象鼻子’，也可是被碎屑嚴嚴包裹的‘楔形龍捲風’，這些小渦旋有時會造成更大的破壞，因此房子不但有承受主渦旋的風力衝擊，還有小渦旋的風力衝擊，況且由於有多個渦旋，寬度都較寬，覆蓋範圍很廣。多渦旋龍捲風就包括著名的1999年5月的Moore Tornado EF5（雷達估測到318mph，約合512km/h的風速，是官方認定最強的龍捲風），還有2013年5月31日的 EI reno Tornado EF3（5）（雷達曾經估測到475km/h，約合257kts的巨大風速，不過地面只有EF3級破壞，但是他創下了寬度最大的記錄，寬度約4.2mph）。

landspout、美國國家氣象局稱dust-tube tornado是一個術語，用以描述一種和中尺度氣旋沒有關聯的龍捲風。陸龍捲和水龍捲有一些相同的特點，例如強度相對較弱、持續時間短、冷凝形成的漏斗雲較小且經常不接觸地面等。雖然強度相對較弱，但陸龍捲依然會帶來強風和嚴重破壞。

可以簡單地定義為“水上的龍捲風”，通常意思是在水上的非超級單體龍捲風。水龍捲能吹翻小船，毀壞船隻，當吹襲陸地時就有更大的破壞，並奪去生命。

龍吸水是龍捲風的別名，因為與古代神話裏從波濤中竄出、騰雲駕霧的東海蛟龍很相象而得名，它還有不少的別名，如“龍吸水”、“龍擺尾”、“倒掛龍”等等。

龍捲風在水面上就是龍吸水、在陸地上就是普通的龍捲風。龍捲風就是空氣的流動，空氣是看不到的。龍捲風中心氣壓底，有吸引力。吸引灰塵、水汽等其他雜物。由於重力，液態水不可能長時間在天上，龍吸水過後，吸到天上的水就會落下來，形成暴雨，所以説所謂龍吸水就是龍捲風。

龍吸水是一種偶爾在温暖水面上空的龍捲風。2012年8月22日廣西北海市出現龍吸水圖，它的上端與雷雨雲相接，下端直接延伸到水面，空氣繞龍捲的軸快速旋轉。受龍捲中心氣壓極度減小的吸引，水流被吸入渦旋的底部，並隨即變為繞軸心向上的渦流。

龍捲風俗稱“龍吸水”，它是從雷雨雲底伸向地面或水面的一種範圍很小而風力極大的強風旋渦。

龍捲風的風力極大。在龍捲風中心附近，水平風速每秒可達50-119米，極端情況，可達120米。12級風的風速相當於每秒30多米，造成的破壞異常驚人。

龍捲風的風力大，主要是龍捲風內的空氣大量逸散，使龍捲風中心空氣十分稀薄，氣壓很低，與外圍空氣的氣壓差特別大。颱風中心和它外圍空氣平均每100公里差20毫巴（壓強單位），而龍捲風中心與外圍空氣只要相差20米，氣壓差就達20毫巴。氣壓梯度越大，風力也就越大，龍捲風的風力要比颱風大上好多倍，但龍捲風涉及的範圍很小。

旋風在河流、湖泊或者海面上發生時，就會形成龍捲風。大氣裏的冷空氣團經過水體時，温暖的潮濕氣體向上升騰，形成巨大的水柱。這些水柱從海面上掠過時，它們會留下一條由水汽形成的尾跡。水柱的直徑從幾英尺到數百英尺不等，，深入到雲團深處。海上龍捲風比旋風更微弱，往往只有它們從陸地上經過時，才會對人構成威脅。

非常罕見的龍捲風形態，由陸龍捲與火焰的結合。

巴西火龍捲

龍捲風夾起火焰高達數米，像一條巨大的火龍旋轉前進。

出現“火龍風”的主要原因是異常乾旱的天氣和強勁的風勢助長了此處的火勢。聖保羅地區的空氣乾燥程度已趕上了撒哈拉沙漠。

火焰龍捲風又叫火怪，火旋風，是指當火情發生時，空氣的温度和熱能梯度滿足某些條件，火苗形成一個垂直的漩渦，旋風般直插入天空的罕見現象。旋轉火焰多發生在灌木林火，火苗的高度30至200英尺不等，持續的時間也有限，一般只有幾分鐘，但如果風力強勁能持續更長的時間。

是一種和陣風鋒與下擊暴流有關的小型垂直方向旋轉的氣流。由於它們嚴格來説和雲沒有關聯，所以就它們是否屬於龍捲風還存有爭議。當從雷暴中溢出的快速移動乾冷氣流流經溢出邊緣的靜止暖濕氣流時，會造成一種旋轉的效果（可用“滾軸雲”解釋），若低層的風切變夠強，這種旋轉就會水平（或傾斜）進行，並影響到地面，最終的結果就是陣風捲。陣風捲的旋轉方向不固定，可順時針亦可逆時針。

塵捲風是由於地面局部增熱不均勻而形成的一種特殊的旋轉對流運動。在塵捲風形成的過程中，外圍空氣通過貼近地面的薄層被地面加熱後流向中心部位，外圍空氣的旋轉能量在中心部位得到加強形成塵捲風，其旋轉能量是熱泡原來具有的旋轉能量的局部集中和一部分勢能轉化而形成的，其旋轉方向是由熱對流泡的初始旋轉方向所決定。

值得注意的是，龍捲風與塵捲風是完全不同的，龍捲風是雲層中雷暴的產物。塵捲風由地面強烈增温而生成的小旋風，以捲起地面塵沙和輕小物體形成旋轉的塵柱為特徵。

煙囱龍捲風：輪廓直，比較粗壯，強度中等，一般在EF2--EF4級左右。

繩形龍捲風：纖細，輪廓教彎，強度弱，一般在EF0--EF2左右。

楔形龍捲風：長度較寬，可達1.5公里，寬度超過高度，強度強，一般在EF4--EF5左右。

雙胞胎龍捲風：兩個龍捲風，有的粗，有的細，強度不定。

龍捲風是猛烈旋轉的風，時速超過300千米。位於強烈雷暴內部的旋轉的風把水蒸氣彙集成一個緊密的漩渦，但是這種風暴雲牆中產生的特殊形狀的“漏斗”持續的時間一般不超過10分鐘，而且由超級單體風暴產生的龍捲風能持續破壞一個多小時。持續時間長的龍捲風通常非常寬，直徑可達1.6千米，殺傷力很大。重大的災難發生於風速變化顯著的地方，以及大漏斗內的小龍捲風經過的途徑中。美國中部被稱為“龍捲風走廊”，那裏每年都發生幾百次龍捲風，堪稱世界上在有限面積內爆發龍捲風最多的地區。 ^[1] 

龍捲風不會使房屋爆炸，但是會將房頂掀起。樹杈和交通工具等在空中飛舞，它們刺穿建築物，打碎窗户並對建築物造成毀滅性的破壞。

漏斗雲內部的低氣壓制造出一個被強勁的旋轉風包圍着的平靜核心。從外部看，龍捲風的形狀很想蛇形繩索，圓錐或者大象鼻子。

龍捲風的風力是地球上最強的，不僅能把又重又大的、數十/百噸的物體捲起到數千米以外，而且風力大的可以舉起汽車、火車甚至是整棟房屋。

龍捲風由大型雷暴內部的旋風，以及螺旋運動的地表風共同產生的。碎片雲顯示龍捲風已經接近地面。

龍捲風主要由雲牆、漏斗形管子組成，接近地面時，會形成地表風和碎片雲。

温暖上升的氣流把水蒸氣帶到低温的空中。水蒸氣遇到了低温的環境，凝結並液化，慢慢形成蓬鬆的積雲並蓄積。

當涼爽的下沉氣流截斷上層空氣對風暴的供給，積雨雲就開始消散，它們供給給風暴的大量雲層慢慢蓄積，慢慢“膨脹”，之後的積雨雲只留下幾縷小塊的捲雲。

當蓄積成形後，就會出現龍捲風。龍捲風是劇烈的旋風，往往是超級單體雷暴的母體，可以從超級單體雷暴中降至地面。當龍捲風接觸地面時，它們的破壞性就顯現出來了：電閃雷鳴、風雨交加。有時候一棟房子被摧毀，而它的周圍卻安然無恙，因為龍捲風的軌道總是無法預測。

據國外媒體報道，席捲美國的龍捲風事件被國家氣象機構評定為EF-5級別，有着廣泛的嚴重損害程度，風速大約在每小時320公里到337公里之間，一些氣象學家計算發現，龍捲風在肆掠的一個小時內所釋放的能量區間值相當於8至600倍廣島原子彈。美國國家強風暴實驗室氣象學家哈羅德·布魯克斯認為龍捲風在某些路徑點上的寬度可以超過2公里，路程大約為27公里，持續時間為40分鐘。根據統計，全美髮生的龍捲風事件中，只有不到1%會形成恐怖的破壞事件。

如果一次龍捲風要升級為災難性事件，需要多種因素的介入，比如當地的地理、氣象還有一些不好的運氣。2013年5月21日，在俄克拉荷馬州就形成了破壞性的龍捲風，內布拉斯加林肯大學氣象學教授亞當·休斯頓認為這裏的氣候温暖、空氣潮濕、風切變的天氣條件有利於形成強烈的龍捲風。

龍捲風每年能在經濟上造成數百萬美元的損失，並會導致失業和死傷，危害不容小覷。

從2008年2月5日晚上12點到第2天晚上12點的24小時內，共有大約133起龍捲風席捲了美國的八個州。風力主要集中在田納西、肯塔基、阿肯色、阿拉巴馬和密西西比等地區。這是歷史上第二強烈的24小時龍捲風。反常的温暖氣温助長了超級單體風暴，而大多數龍捲風都是由超級單體風暴引起的。這次毀滅性的事件發生在定期到來的龍捲風風季之前的幾個月，而且像往常一樣，許多致命的風暴都是在夜間形成的。這八個洲中共有84人死亡，其中一股龍捲風更把一個11個月大的小男孩捲走了90米遠。不可思議的是，這個小男孩竟然活了下來，只是受了一點輕傷。 ^[2] 

作為局地對流風暴發展的一種最猛烈的形式，超級單體一直吸引着眾多氣象學家的注意。20世紀60和70年代，Browning及其合作者利用天氣雷達資料對超級單體風暴的結構進行了一系列開創性的研究。正式提出將超級單體作為局地對流風暴的一種類型。超級單體作為一個強烈發展的對流單體的特徵除了其準穩定狀態外，一個重要的特徵是雷達回波存在一個弱回波區WER(Weak Echo Region)或有界弱回波區(Bounded Weak Echo Region，BWER)。超級單體的另一個雷達回波特徵是低層的鈎狀回波。第一個鈎狀回波是由Stout和Huff於1953年觀測到的。並非所有的超級單體都呈現出典型的鈎狀回波，大多數情況下都是由風暴主體向着低層人流方向伸出的一個突出物，給出常見的超級單體鈎狀回波的5個變種。隨着20世紀70年代多普勒天氣雷達在研究中的使用，超級單體的旋轉特性被充分揭示。1970年首次利用多普勒天氣雷達觀測到了超級單體中的“龍捲氣旋”，也就是廣泛使用的所謂“中氣旋”(mesocyclone)。接下來的一系列多普勒雷達觀測和數值模擬進一步證明超級單體總是與中氣旋相伴隨。暗示超級單體可重新定義為具有中氣旋的對流單體，中氣旋形成階段的位置與有界弱回波區的位置大致相同。在根據多普勒天氣雷達觀測和對Browning於1964年提出的超級單體風暴概念模型進行適當修改的基礎上，於1979年提出了一個新的超級單體概念模型，仍被應用。

中國對於局地強對流包括超級單體風暴也進行了一些研究。對1964年發生在北京地區的幾次降雹過程的雷達回波進行了分析，其中的一個雹暴的結構與超級單體類似。研究若干中國的超級單體個例。利用中國氣象科學研究院的多普勒天氣雷達研究了一次雹暴的反射率因子和流場結構。中國新一代雷達的高靈敏度和測速功能為局地強風暴的研究提供了良好的條件。不少站點已觀測到一些超級單體和相應的中氣旋的例子。

2002年5月27日下午，在安徽北部出現了一系列的強對流風暴，其中有1個超級單體造成嚴重的災害，該風暴歷經約2.5h，自西北向東南方向移動了約90km，風暴路徑(包括風暴的起始階段)如圖1所示。安徽省北部大片地區出現大風、冰雹和強降水天氣。其中受災最嚴重的蚌埠市5月27日16時58分出現31m/s的狂風，同時伴隨着冰雹和大雨。農作物大面積受災，倒塌房屋1374間，2人死亡，53人受傷，蚌埠市直接經濟損失1.92億元，這次災害總的經濟損失約4.54億元。此次超級單體很典型，研究將應用合肥多普勒雷達的資料對該超級單體的結構及其演變過程進行仔細的分析。

如上所述，此次超級單體風暴在5月27日16時55分達到最強。分析一下此時超級單體的結構。圖2給出了0.5°，1.5°，3.°和4.3°仰角的反射率因子和徑向速度。0.5°仰角的反射率因子圖上顯示了帶有典型鈎狀回波的超級單體(相應的高度在此距離處約為2km)，最大反射率因子位於鈎狀回波上(西部)，超過70dBz。鈎狀回波的西南方沿西南一東北走向有一條50餘公里長出流邊界，從速度圖上看出它離開超級單體向雷達方向移動，它相對於與超級單體後側下沉氣流相對應的出流邊界，也就是陣風鋒。低層人流似乎是沿着這條西南一東北走向的陣風鋒的前沿向超級單體鈎狀回波缺口附近運動，接近鈎狀回波缺口時由東南方向進入超級單體有界弱回波區成為上升氣流。鈎狀回波的東南有一條長達100多公里的邊界層輻合線，呈西北一東南走向。似乎是與超級單體前側下沉氣流相聯繫的另一段出流邊界(陣風鋒)，但其靠近超級單體的部分可能由於距離雷達遠的緣故沒有顯現出來。低層反射率因子圖上(0.5°)超級單體移動方向的左前側呈現出倒“v”型缺口，這也是超級單體常見的特徵之一。與鈎狀回波的缺口區相對應，0.5°仰角的徑向速度圖上是一個很強的氣旋式切變速度對，即中氣旋。該中氣旋的旋轉速度為22m/s，按照美國國家強風暴實驗室規定的中氣旋判據屬於強中氣旋。在1.5°仰角(在超級單體距離處高度約4km)，反射率因子圖上仍顯現出鈎狀回波特徵，但不如0.5°仰角明顯，最強回波位於鈎狀回波北部，超過70dBz。反射率因子輪廓線相對0.5°仰角向南(低層人流方向)擴展。相應的速度圖上，中氣旋特徵仍很顯著，旋轉速度約為19m/s，比0.5°仰角稍弱。2.4°仰角(高度約為6km)的中氣旋特徵依然清晰，旋轉速度為16m/s。在3.4°仰角(在超級單體距離處的高度約為8km)，反射率因子的輪廓進一步向南擴展，展現出超級單體反射率因子自低往高向低層人流一側傾斜的特徵，呈現出明顯的回波懸垂(echo overhang)。與低層鈎狀回波的人流缺口相對應的閉合的有界弱回波區清晰可見，位置相對偏南，也就是説有界弱回波區也是自低往高向低層人流一側傾斜的。相應的速度圖上呈現出氣旋式輻散的結構。在4.3°仰角，反射率因子回波成羽毛狀，強回波中心位於西側，位於中低層有界弱回波區之上。相應徑向速度圖呈現以反射率因子強度核心為中心的強烈輻散，正負速度差值達63m/s。根據成熟中氣旋的概念模型，在靠近地面附近的大氣邊界層內，中氣旋的徑向速度特徵為輻合式氣旋性旋轉，再上面一些是純粹的氣旋性旋轉，在中上層為氣旋式旋轉輻散，上層為純粹輻散。上述超級單體在0.5°和1.5°仰角(高度分別為2和4km)的徑向速度特徵基本為純粹的氣旋性旋轉(彩圖2)，3.4°仰角(高度約8km)為氣旋性輻散，4.3°仰角(約10km高)以強烈輻散為主，同時帶有旋轉特徵，基本符合成熟中氣旋的概念模型。接近地面的邊界層內的速度特徵由於離雷達較遠而無法觀測到。另外需要指出的是，此次超級單體不是孤立的，在其西部和北部還有其他對流單體存在，共同構成一個中尺度對流系統。就超級單體本身的水平尺度而言，可以近似看成一個橢圓形，其超過30dBz閾值的長短軸的長度分別為30和60km，若閾值為20dBz，則其長短軸分別為40和150km。

圖3(彩圖)給出了16時55分超級單體的反射率因子和徑向速度垂直剖面。圖3c為沿低層人流方向通過有界弱回波區中心的反射率因子垂直剖面。可以看到典型的有界弱回波區(穹隆)和其上的強大回波懸垂、以及有界弱回波區左側回波牆。有界弱回波區的水平尺度約為8～9km。強的反射率因子區(大於65dBz)為沿着BWER左側的一個豎直的狹長區域，從10km左右高度一直擴展到低層，其中下部代表冰雹下降的區域。最強的區域位於回波牆上部，其值超過70dBz。超級單體的回波頂接近15km，沿剖面方向的水平尺度約40km。圖3a和b為沿着與通過中氣旋中心的與雷達徑向垂直的直線的反射率因子和徑向速度的垂直剖面。反射率因子垂直剖面的結構與Fleming超級單體的結構類似，如典型的有界弱回波區(穹隆)和其上的強大回波懸垂、以及有界弱回波區左側回波牆和狹長的反射率因子高值區。此方向BWER的水平尺度略小，約7km。接下來分析相應的徑向速度的垂直剖面(圖3b)：暖色代表離開雷達向着畫面的速度，冷色代表離開畫面向着雷達的速度。徑向速度剖面中最顯著一個特徵是從底部(2km)一直向上擴展到12km左右的中氣旋。由於距離較遠(距雷達約120km)，最低仰角(0.5°)到了超級單體距離處已經接近2km高。從圖3中判斷，中氣旋還應向下延伸直到邊界層內。

利用位於安徽合肥的S波段多普勒天氣雷達資料對2002年5月27日14～20時發生在皖北地區的一次典型的超級單體過程進行了詳細的分析。此次超級單體的天氣背景的主要特徵是：槽線位置從低往高向前傾斜，700hPa小槽在對流風暴發生期間移過皖北地區，下午14時的地面圖上顯示一個尺度約為150km的閉合氣旋式環流。風向從低到高順時針方向旋轉。

上述風暴於27日13點20分左右起源於皖北的西北部亳州和渦陽之間的一個孤立的多單體風暴，此後雷達回波不斷髮展加強並向東偏南方向移動。16時左右，風暴發展為超級單體並保持超級單體特徵達1h之久。整個對流層的平均風向為西風略偏北，而超級單體的移動方向在盛行風向的右側約30°，是典型的右移超級單體。之後，其超級單體特徵迅速消失，先是演變為多單體，然後變成一條颮線，於21時左右進入蘇北。

16時55分，上述超級單體強度達到頂峯。0.5°仰角的反射率因子圖的右後側呈現出典型的鈎狀回波特徵，左前方呈現明顯的倒“V”字型結構，最大反射率因子超過70dBz。相應反射率因子垂直剖面圖上呈現出寬大的有界弱回波區(穹隆)，高大強盛的回波懸垂和與豎直的高反射率因子(65dBz以上)狹長區域相鄰的回波牆，最大的回波強度在回波牆上部，超過70dBz。徑向速度圖上出現成熟中氣旋的典型特徵，中低層為純粹的氣旋式旋轉，中高層為輻散式氣旋旋轉，高層為強烈輻散。超級單參考文獻體南邊出現兩條明顯的出流邊界，一條位於鈎狀回波的西南，一條位於鈎狀回波的東南。另外，相應的垂直累積液態水含量和密度分別超過70kg/m²和5g/m³。此時的超級單體呈現出典型的強烈雹暴特徵，儘管氣象站觀測到的最大冰雹直徑只有11mm，但上述所有特徵都表明該超級單體的實際最大降雹尺寸要遠遠超過這一數值。

在預報發生強對流風暴潛勢時，人們往往使用T—lnP圖進行熱力不穩定分析。此次超級單體風暴發生當日早上08時相鄰探空站的T—lnP圖上並沒有顯示出很強的對流不穩定。主要原因是探空的時空分辨率太低。由於大氣水汽分佈的高時空變率，大氣對流穩定度的時空變率很大，因此利用早上08時探空曲線的T～lnP圖的熱力穩定度分析來預報午後發生對流風暴的潛勢的有效性是十分有限的。可以利用地基GPS測量的水汽總量、自動地面站數據和高分辨率數值天氣預報數據構造高時空分辨率的大氣垂直温濕廓線，從而增加強對流潛勢預報的準確性，這是一個需要進一步研究的問題。

此次超級單體風暴的最強盛階段出現了強中氣旋，按照美國天氣局的業務規範(中國還沒有這方面的業務規範)，應發佈龍捲警報。而事實上並沒有觀測到龍捲。觀測表明，龍捲超級單體和非龍捲超級單體的鈎狀回波幾乎沒有任何區別，而龍捲和非龍捲超級單體在徑向速度特徵方面的差別即使有，也是很細微的。這給超級單體龍捲的預警帶來的很大的挑戰。在這方面進行更多的個例研究是很必要的。 ^[3]