廣東兩次超級單體導致不同類型強風天氣對比分析*

植江玲 黃先香，2 顧伯輝 蔡康龍 李彩玲 張晶晶 李兆明

1 廣東省佛山市氣象局/佛山市龍卷風研究中心，佛山 528315 2 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081 3 廣東省佛山市三水區氣象局，佛山 528100

提 要：2019年4月11日珠江三角洲、4月13日湛江徐聞分別發生了由超級單體引起的強雷暴大風、強龍卷災害天氣過程。利用多源觀測資料對比分析兩次過程的天氣形勢、環境條件、風暴結構、對流觸發以及強風的形成機制，結果表明：強雷暴大風發生在低空切變線和地面冷鋒南壓的斜壓鋒生類天氣形勢下，而強龍卷發生在偏南暖濕氣流強迫天氣背景下。兩者均發生在高能、強0～6 km深層垂直風切變、低抬升凝結高度及上干下濕的大氣環境中，但11日0～1 km低空垂直風切變較小，中層干層更為顯著(700～400 hPa平均溫度露點差為29.2℃)，更有利于產生強下沉氣流從而導致強雷暴大風，而13日強的0～1 km低層垂直風切變，有利于強龍卷發生。11日強雷暴大風出現在超級單體強回波核心，低層中氣旋強度較弱且水平尺度較大(6～7 km)，中氣旋較淺薄(伸展≤2 km)，而13日強龍卷出現在鉤狀回波頂端，低層中氣旋強度更強且尺度小(約2 km)，中氣旋更深厚(伸展至6 km)，并伴有龍卷渦旋特征；11日強雷暴大風發生期間，中氣旋垂直渦度維持在10-2 s-1量級，而13日強龍卷觸地前后，低層中氣旋垂直渦度突增至10-1 s-1量級，比強雷暴大風大一個量級；11日風暴內強下沉氣流在地面形成大面積強冷池，是強雷暴大風產生的重要原因，而13日地面幾乎飽和的大氣濕度及不太強的下沉氣流，有利于強龍卷的發生。

引 言

超級單體作為對流風暴類型中猛烈發展的一種類型，通常產生在強的垂直風切變和一定大小的對流有效位能條件下，可以導致冰雹、大風、短時強降水或龍卷等強對流天氣(Smith et al,2001;俞小鼎等,2006;2012)。根據Doswell Ⅲ(2001)的統計，美國90%以上的超級單體風暴會導致強冰雹、龍卷和雷暴大風等強對流天氣。在國內，Yu et al(2012)對兩百多個超級單體事件統計表明，80%以上的超級單體伴隨有強冰雹、龍卷或雷暴大風。不少專家學者分別對產生龍卷或雷暴大風等不同類型超級單體的環境條件和形成機制進行了研究。在龍卷方面，俞小鼎等(2008)、鄭媛媛等(2015)、王秀明等(2015)、黃先香等(2019a;2019b;2019c)和鄭永光等(2020)先后對安徽、江蘇、東北和珠江三角洲地區龍卷個例的環境條件和雷達回波特征進行了研究，指出龍卷多由超級單體產生，一般發生在強的低層垂直風切變、低抬升凝結高度和風暴相對螺旋度大值區等環境中。雷暴大風是超級單體產生的災害性大風的另一種主要類型，鄭媛媛等(2004)、王秀明等(2013)、費海燕等(2016)、鄭永光等(2016；2018)、周后福等(2020)從個例以及氣候統計等多方面對產生雷暴大風的環境特征和風暴結構進行了細致分析，指出絕大多數雷暴大風由強下沉氣流導致，而有利于強下沉氣流的環境條件包括對流層中層或以上有明顯的干層以及對流層中下層大氣環境溫度直減率較大。上述研究主要針對產生單一類型強對流天氣，但一次強對流天氣過程可以出現一種或多種強對流天氣，其發生的環境條件和物理量閾值都不盡相同。在不同的水汽條件、不穩定層結、垂直風切變和抬升觸發機制等因素的共同影響下超級單體的形態結構和導致的強對流類型卻存在較大的差異(鄭媛媛等,2009;俞小鼎等,2012;符式紅等,2018;楊波等,2019)。對于孤立的雷暴系統，尤其是具有明顯中氣旋特征的超級單體風暴造成的局地強風，往往很難在業務上利用有限的觀測資料對其進行判別和預警(龍卷還是雷暴大風)，因此分類強對流預報目前還是難點，特別是對重大強對流天氣事件的預報預警難度更大。

前汛期是廣東強對流天氣多發的季節，雷暴大風發生頻率較高，但是10級以上的強雷暴大風和直徑≥20 mm的大冰雹出現概率較低；與雷暴大風相比，龍卷特別是強龍卷發生的概率更低。2019年4月11日，廣東珠江三角洲東南部至汕尾一帶出現大范圍10級、局地12級的強雷暴大風，局地出現直徑約20 mm的大冰雹(簡稱“4·11”過程)；2019年4月13日，湛江徐聞局地出現強龍卷(簡稱“4·13”過程)。按照我國重大強對流天氣的定義：小時雨量≥50 mm的短時強降水、或者直徑≥20 mm的冰雹、或者≥25 m·s-1(或10級)的雷暴大風、或者EF2級(陣風可達50 m·s-1以上)及以上級別龍卷天氣(鄭永光等, 2017)，“4·11”過程和“4·13”過程均屬于重大強對流天氣。兩次過程在時間上僅隔2 d，都發生在華南地區前汛期，雷達上都探測到具有明顯中氣旋的超級單體，但卻產生了不同類型的強風災害。基于不同類型強對流天氣發生條件(鄭永光等,2015;2017;俞小鼎等,2012)和“配料法”(俞小鼎,2011)的分析思路，采用常規高空觀測、廣東省加密地面自動氣象站觀測、廣州和湛江S波段多普勒天氣雷達觀測資料等，對比分析“4·11”過程和“4·13”過程的環境條件和對流風暴的中尺度特征，比較兩者異同，并討論這些差異對風暴結構演變進而觸發不同天氣現象的影響，以期進一步加深對該類強天氣的認識、為今后提升該類事件的預報預警能力提供參考。

1 天氣過程實況

2019年4月11日和13日廣東均出現超級單體天氣過程。“4·11”過程，超級單體于11日15:00 前后(北京時，下同)在廣州北部形成后向東南方向移動，20:00前后由汕尾移入海面，強度減弱并消失。受其影響，廣州、惠州至汕尾一帶出現了短時強降水和大范圍雷暴大風，有8個自動氣象站點出現10～11級大風，增城國家基準氣候站和惠陽觀測站2個站點出現12級以上大風，最大風速出現在惠陽，錄得34.4 m·s-1(12級)陣風(圖1a)，造成惠州部分地方大樹折斷、房屋門窗損毀。另外，廣州和惠州局地出現直徑約20 mm的大冰雹。該超級單體從新生到減弱消失超過5 h，自西北向東南移動約400 km，最強反射率因子超過70 dBz，具有生命史長、雷暴大風強度大和影響范圍廣的特點。“4·13”過程，超級單體于13日13:42前后在湛江雷州東南部至徐聞北部一帶形成，受其影響，14:00—14:36湛江市徐聞縣和安鎮出現了EF3級強龍卷，造成1人死亡，5人受傷，龍卷路徑長約16 km(黃先香等,2021;蔡康龍等,2021)。其中錄得10級以上大風的站點有2個站點：14:11和安鎮政府自動氣象站錄得50.7 m·s-1(15級)的極端大風，14:36錦和鎮文化站錄得32.9 m·s-1(12級)的大風(圖1b)。

圖1 2019年4月(a)11日15:00—19:00和(b)13日13:00—15:00超級單體導致的8級以上極大風分布(藍色龍卷符號：龍卷發生地)

2 天氣形勢和大氣環境條件對比

2.1 天氣形勢對比

4月11日珠江三角洲和13日雷州半島均位于500 hPa副熱帶高壓北緣(圖2)，高原上都有西風槽下滑東移至位于廣西中西部，上空都處于溫度露點差>20℃的干區。但11日低槽更為顯著，廣東處于槽前強盛西南氣流中，風速超過25 m·s-1，而13日500 hPa等位勢高度線較為平直，主要受偏西氣流影響，風速在15 m·s-1左右。兩日都處在850 hPa 低空急流右側和溫度脊北側以及溫度露點差<3℃的顯著濕區。但“4·11”過程850 hPa和925 hPa有切變線南壓至粵北，地面有冷鋒南下，屬于斜壓鋒生類天氣形勢(許愛華等,2014)。而“4·13”過程無冷空氣南壓，850 hPa和925 hPa西南風低空急流和偏南風超低空急流在雷州半島匯合并伴有風速輻合，地面上雷州半島到海南一帶存在東北—西南向的風向風速輻合線，此次龍卷天氣發生在偏南風急流暖濕強迫的天氣背景下(許愛華等,2014)。

圖2 2019年4月(a)11日08:00和(b)13日08:00綜合分析圖

2.2 大氣環境條件對比

探空站觀測通常能代表站點附近100～200 km以內的大氣狀態，針對“4·11”“4·13”過程，分別選取清遠站(距離強風發生地上游約80 km)、海口站(距離龍卷發生地約73 km)探空進行分析(圖3，表1)。兩次強風過程發生前，對流有效位能(CAPE)分別為2 293 J·kg-1和1 944 J·kg-1，屬于中等程度，分別用11日降水發生前11:00的清遠和13日14:00和安鎮地面自動站的溫度和露點溫度對探空進行訂正，相應的CAPE分別為3 168 J·kg-1、2 669 J·kg-1，均呈現出強的條件不穩定。兩次過程對應的溫濕探空曲線形態也很相似，均呈“上干下濕的喇叭形”形態(圖3)，低層(900 hPa以下)都很濕，基本接近飽和狀態，600 hPa以上均為明顯的干層，但“4·11”過程，干層的面積和強度明顯更大更強，700～400 hPa的溫度露點差均值為29.2℃，單層最大溫度露點差達43℃，925～700 hPa溫度垂直遞減率為5.9 ℃·km-1；而“4·13”過程，700～400 hPa的溫度露點差均值僅為15.7℃，單層最大溫度露點差僅為28℃，925～700 hPa溫度垂直遞減率為5.0 ℃·km-1，較11日(0.9 ℃·km-1)小。“4·11”過程更干的中層干層以及更大的中低層溫度直減率是產生強下沉氣流的有利環境條件，環境干空氣夾卷進入由降水啟動的下沉氣流，使雨滴蒸發冷卻，在負浮力的作用下產生強烈的下沉氣流；而“4·13”過程中層干層強度相對較弱，配合近地層水汽含量高的飽和大氣，使得下沉氣流不會太強(楊波等,2019;鄭永光等,2020;周后福等,2020)。兩次過程對應的對流抑制能量(CIN)都很小(在20 J·kg-1以下)，抬升凝結高度(LCL)都很低(在200 m以下)，極易觸發深厚濕對流。兩次過程均發生在強的深層垂直風切變環境下，0～6 km 風矢量差分別為24.6 m·s-1和18.0 m·s-1，但“4·11”過程0～6 km垂直風切變更強，這可能與清遠站位于地面冷鋒和低層切變線附近(約150 km)有關，這也是“4·11”超級單體能長時間維持高度組織化的重要原因。而要產生超級單體龍卷，不僅需要有利于超級單體形成的環境條件，還需要較強的0～1 km低層垂直風切變，強的低層垂直風切變是造成龍卷的主要動力，可以將低層斜壓水平渦度傾斜扭轉形成垂直渦度，美國F2/EF2級以上龍卷0～1 km垂直風矢量差統計平均值為9.5 m·s-1(Thompson et al,2003)；而低的抬升凝結高度則有利于渦旋觸地形成龍卷(Weisman and Klemp,1982;McCaul,1991)。兩次過程的0～1 km垂直風矢量差分別為5.7 m·s-1和8.1 m·s-1，“4·13”過程更強的低層垂直風切變，有利于強龍卷的發生。另外，分析兩次過程的0℃層和-20℃ 層高度發現，“4·11”過程的0℃層和-20℃層高度分別為4 192 m和7 751 m，均位于廣東歷史冰雹事件統計值區間內(李懷宇等,2015)，而“4·13”過程的0℃層和-20℃層高度分別為5 113 m和8 355 m，高于歷史統計值，這也是前者伴有大冰雹、后者沒有冰雹天氣的重要原因。

圖3 2019年4月(a)11日08:00清遠站和(b)13日08:00海口站探空圖

表1 2019年4月11日08:00清遠站和13日08:00海口站環境參數

綜上可見，兩次過程都具備較大CAPE、較強0～6 km垂直風切變和低的LCL等有利于超級單體發生發展的環境條件，但環境中高層的干層強度、0～1 km垂直風切變、0℃層和-20℃層高度差異等是兩次超級單體造成不同類型強對流天氣的重要環境因素。

3 地面單站氣象要素分析

為了解兩次強風過程影響前后的地面溫、壓、風等氣象要素的變化，下面分別選取距離強風災害最近的惠州博羅站(距離強雷暴大風災害約600 m)和徐聞和安鎮站(距離龍卷中心路徑僅約42 m)進行分析。

“4·11”過程，其單站氣象要素變化(圖4a)顯示，16:50前后，氣壓先涌升[1.8 hPa·(10 min)-1]、后陡降[0.9 hPa·(10 min)-1]；風向突變、風速突增，由弱偏東風(2 m·s-1)轉為強偏北風(10.7 m·s-1)，并錄得32.2 m·s-1(11級，16:54)的3 s瞬時極大偏北風，17:05恢復弱偏東風，17:15后轉為偏北風，表明冷鋒已經過境；雨量突增，16:50出現雨量峰值，雨強達15.9 mm·(5 min)-1，遠超強雷暴大風發生征兆的4 mm·(6 min)-1雨強閾值(周后福等，2017)，強降水的拖曳作用有利于下沉氣流快速下沖，降雨峰值提前于強雷暴大風出現；同時，氣溫驟降，5 min內驟降5.6℃，表明地面冷池很強。

“4·13”過程，其單站氣象要素變化(圖4b)顯示，14:05前后，氣壓出現兩次明顯降/升過程，13:45—13:50突降0.5 hPa、14:00—14:05陡升1.1 hPa、14:10再突降0.5 hPa、14:20再陡升1.1 hPa；風向出現兩次突變，14:00—14:05由南風順轉為西北風、14:05—14:10逆轉為偏西風、14:10—14:15再順轉為偏北風，表明該站受到龍卷渦旋不同部位的影響(黃先香等,2021)，同時風速突增，該站于14:11錄得50.7 m·s-1(15級)的3 s瞬時極大偏北風；降雨峰值出現在14:20前后，滯后于強龍卷大風，表明龍卷位于母體超級單體風暴前側，與“4·11”過程的先產生強降雨、后發生強風不同；氣溫明顯下降，但降溫幅度較小，5 min氣溫最大降幅為1.7℃，冷池效應明顯弱于“4·11”過程。

圖4 2019年4月(a)11日16:00—17:40博羅站和(b)13日13:30—15:10和安鎮政府自動氣象站2 m溫度(紅色實線)、氣壓(黑色實線)、2 min平均水平風(風羽)和5 min累計降水量(柱狀)隨時間演變

4 超級單體風暴結構對比分析

4.1 超級單體風暴演變的雷達回波分析

“4·11”過程，廣州雷達0.5°仰角反射率因子產品顯示，15:36，對流風暴向東偏南方向移動至廣州北部并加強成為超級單體，低層開始出現鉤狀回波和入流缺口特征，最強反射率因子超過65 dBz；對應速度圖上開始探測到中氣旋，旋轉速度為約21 m·s-1，接近強中氣旋，中氣旋直徑約7 km，底高約0.8 km，距離雷達約47 km(圖略)。15:42—15:54(圖5a，5b)，超級單體迅速增強，反射率因子增大至70 dBz以上，鉤狀回波和入流缺口更明顯；對應速度圖上有中等到強的中氣旋(圖5d，5e)，旋轉速度為15～22 m·s-1，直徑約為6 km，底高為0.8～0.9 km，中氣旋中心位置位于入流缺口靠近強回波中心一側，正速度中心出現大片模糊區，為西南偏西風，最大徑向風速達39 m·s-1。16:00前后，超級單體風暴影響增城區，增城國家觀測站正好處于超級單體風暴強回波中心(圖5c)和中氣旋北側(圖5f)，此時觀測站錄得34.0 m·s-1(12級)的偏西大風、大冰雹和短時強降水，雨強達到15.6 mm·(5 min)-1，強雷暴大風出現在雨強大值區，這與雷暴大風的形成機制跟降水粒子的拖曳作用和強烈的蒸發冷卻作用是相關的。

圖5 2019年4月11日(a,d)15:42，(b,e)15:54,(c,f)16:00廣州雷達0.5°仰角(a，b，c)雷達反射率因子和(d，e，f)平均徑向速度(黑圓圈：中氣旋，白實線：圖7中垂直剖面所在位置，三角型為雷暴大風位置)

“4·13”過程，湛江雷達0.5°仰角反射率因子產品顯示，13:42，位于湛江雷達西南方向約40 km處的雷州市東部一孤立的對流單體加強發展成超級單體，開始出現明顯的鉤狀回波和入流缺口特征，最強反射率因子為52 dBz；對應徑向速度圖上首次探測到中氣旋，旋轉速度為15.0 m·s-1，底高為0.5 km，直徑約為5.3 km(圖略)。14:00(圖6a，6d)，超級單體東南方向移動進入徐聞縣冬松島，中氣旋進一步加強，出流速度出現模糊，旋轉速度增至22 m·s-1，達強中氣旋標準，直徑縮小至2.8 km，中氣旋中心探測到像素的強切變(類龍卷渦旋特征)，其切變值為42 m·s-1，尺度約為1.4 km，對應冬松島龍卷觸地位置。14:06，超級單體移入海面，鉤狀回波和入流缺口特征更為明顯(圖6b)，中氣旋直徑繼續收縮至2 km(圖6e)，最大旋轉速度為25 m·s-1，在中氣旋中心探測到龍卷渦旋特征(TVS)，切變值為50 m·s-1。14:12超級單體風暴影響和安鎮(圖6c)，中氣旋旋轉速度略有減弱至17.5 m·s-1(圖6f)，仍達到中等強度中氣旋標準，底高降至0.4 km，此時龍卷持續，龍卷出現在鉤狀回波頂端和中氣旋中心附近，與15級大風位置、拍攝到的龍卷視頻位置對應(黃先香等，2021；蔡康龍等，2021)。

4.2 風暴結構及中氣旋垂直渦度演變對比分析

為進一步揭示風暴結構，分別沿著兩個超級單體低層入流方向(圖5b和圖6b中白色線段所示)做反射率因子垂直剖面、沿著中氣旋中心并與雷達徑向相垂直的直線(圖5e和圖6e中白色線段所示)做徑向速度垂直剖面。反射率因子剖面圖上，“4·11”過程，15:54超級單體結構隨高度向前傾斜，出現中高層回波懸垂和低層有界弱回波區，表明存在強傾斜上升氣流(圖7a)，強回波中心在65 dBz以上，最大反射因子高度和風暴質心高度達5 km，50 dBz以上的強回波從近地面延伸到8 km附近，本次過程探空顯示0℃層和-20℃層高度分別為4.2 km和7.8 km，50 dBz以上的強回波高度超過的-20℃層高度，表現為高質心的雹暴結構，實況有觀測到直徑為2 cm的大冰雹；“4·13”過程，14:06也存在中高層回波懸垂和低層弱回波區(圖7b)，強回波中心約為60 dBz，但50 dBz以上的強回波僅延伸至6 km左右，最大反射因子高度和風暴質心高度也較低(3 km)。徑向速度剖面圖上，“4·11”過程(圖7c)，中氣旋垂直伸展厚度較淺，從低層向上僅伸展至2 km 附近，低層中氣旋正負速度中心相距較遠，達6～7 km；而“4·13”過程(圖7d)，中氣旋從近地層一直擴展到6 km，且越往低層中氣旋結構越緊湊、渦旋強度越強，并伴有TVS。

圖6 2019年4月13日(a,d)14:00,(b,e)14:06,(c,f)14:12湛江雷達0.5°仰角(a，b，c)雷達反射率因子和(d，e，f)平均徑向速度(大黑圈：中氣旋，小藍圈：TVS或類TVS，白實線：圖7中垂直剖面所在位置，三角型：龍卷發生地)

圖7 2019年4月(a，c)11日15:54沿圖5和(b，d)13日14:06沿圖6白色實線的(a，b)反射率因子和(c，d)徑向速度垂直剖面

低層中氣旋形成后，要形成龍卷，還需要后側陣風鋒附近的低層強輻合區位于適當位置以及中層強上升氣流的向上垂直拉伸配合，使得近地層中氣旋的垂直渦度在短時間內迅速加強(俞小鼎等,2020)。兩次過程雷達都探測到低層中等強度以上中氣旋，底高都在1 km以下，但是低層中氣旋的直徑相差較大，因此計算了雷達0.5°仰角上兩次超級單體中氣旋的垂直渦度隨時間變化(圖8)。T為雷暴大風或龍卷首先出現的體掃時間，雷暴大風或龍卷產生前1個雷達體掃時間為T-1，產生后1個體掃時間為T+1，以此類推。“4·11”過程，強雷暴大風產生前4個體掃，中氣旋垂直渦度在9.5×10-3～13.6×10-3s-1，強雷暴大風發生及發生后2個體掃，中氣旋垂直渦度從9.3×10-3s-1減小至6.6×10-3s-1，整個過程中氣旋垂直渦度維持在10-2s-1量級。而“4.13”過程，龍卷觸地前2～4個體掃期間，中氣旋垂直渦度與強雷暴大風發生前中氣旋的垂直渦度相差不大，但龍卷觸地前2個體掃，中氣旋垂直渦度出現“爆發式”增長，從19.0×10-3s-1突增至124×10-3s-1，增長至原來的6倍多，龍卷持續期間，中氣旋垂直渦度強度維持在10-1s-1量級，比“4·11”過程大一個量級。以上表明，低層中氣旋垂直渦度在短時間內的“爆發式”增長對龍卷發生有較好指示性。

圖8 2019年4月11日廣州雷達和13日湛江雷達0.5°仰角識別的中氣旋垂直渦度演變

5 觸發和形成機制

5.1 抬升觸發系統

“4·11”過程，13:00冷空氣前鋒到達粵北(圖9a)，偏北風速增大至2～4 m·s-1，與粵北南部的東南風形成“人字形”的地面輻合線，懷集與德慶交界處出現一個散度為30×10-5s-1的輻合中心(A)，雷暴在輻合線上生成并快速發展；13:30雷暴單體發展至6 km高度且強度超過60 dBz；14:00(圖9b)，輻合線南壓，德慶附近的輻合中心(B)增強至40×10-5s-1，同時四會附近(C)也出現一個散度大于40×10-5s-1的輻合中心。由于珠江三角洲北部山地的阻擋，冷空氣沿著北江河谷南下后在山前堆積，在四會附近形成了溫度和露點溫度梯度大值區，當風暴移至輻合中心C附近時，與溫度和露點溫度梯度高值區疊加，暖空氣一側出現上升、冷空氣一側出現下沉，形成閉合環流，從而加強了上升運動(Trapp,2013;徐珺等,2018)，對流迅速發展形成一孤立強雷暴單體，回波強度超過65 dBz且發展高度達到7 km，回波垂直剖面圖(圖略)上出現弱回波區，可見風暴內上升氣流不斷加強。

“4·13”過程，12:00雷州半島南部地面氣溫攀升至30～32℃，熱力條件較好，雷州西北部存在一條偏北風與地面東南風形成地面輻合線和散度為20×10-5s-1的輻合中心(D)，從北部灣海面上岸的雷暴單體東移至輻合線附近時在原雷暴南側觸發了新雷暴并強烈發展，同時雷州東南沿海附近存在另一條東北風與東南風的地面輻合線和散度為40×10-5s-1的輻合中心(E)(圖9c)。13:00當雷暴單體東南移至雷州東南部的輻合線附近時，風暴出流邊界與地面輻合線相遇加強了抬升作用，輻合線北側的偏北風加大至6 m·s-1，輻合中心(F)增強，散度增大至50×10-5s-1(圖9d)，強輻合使得雷暴單體強烈發展，最終發展為龍卷母體超級單體風暴；13:30反射率因子核強度超過55 dBz同時高度達6 km，風暴出現了深厚的弱回波區(圖略)。

圖9 2019年4月11日(a)13:00，(b)14:00和13日(c)12:00，(d)13:00地面自動氣象站分析(填色為2 m溫度；紅色實線為露點溫度，單位:℃；風羽為2 min平均風；細黑色虛線為散度，單位:10-5 s-1；粗黑色虛線為地面輻合線；A～F：輻合中心)

5.2 冷池強度

以往研究表明，下沉氣流對雷暴大風的形成至關重要，風暴內強下沉氣流到達地面形成強冷池是造成致災大風的重要原因(Johns and Doswell Ⅲ,1992;俞小鼎等,2012;周后福等,2020)。“4·11”過程，16:00超級單體在增城附近產生了水平尺度近50 km的冷池(圖10a)，1 h降溫中心達到8℃以上，出現12級大風的增城觀測站恰好處在負變溫中心東側；鉤狀回波附近氣溫降至21～23℃，其南側外圍環境溫度為28～30℃，兩者溫差達5～9℃，表明強的下沉氣流到達地面后造成空氣劇烈降溫形成非常強的冷池，是地面氣溫陡降和氣壓陡升(圖4a)的重要原因。對于超級單體龍卷，龍卷的產生是以低層中氣旋的形成為前提條件的，而低層中氣旋的生成與后側下沉氣流的作用有關，有利于龍卷生成的下沉氣流不能太強，下沉氣流到達地面后的冷出流與環境之間的溫差要適宜，通常小于4℃(俞小鼎等,2020;Schenkman et al,2014;鄭永光等,2020)。“4·13”過程(圖10b)，14:00冷池中心氣溫為23℃左右，1 h中心降溫約5℃，鉤狀回波位置距離冷池中心南側約20 km，其附近氣溫為27～29℃，周圍環境溫度約為28～32℃，兩者溫差為2～5℃，冷池強度明顯比“4·11”過程弱。

圖10 2019年4月(a，c)11日16:00和(b，d)13日14:00(a，b)2 m溫度(數字，單位:℃)、1 h變溫(填色)和(c，d)露點溫度(等值線，單位:℃)、相對濕度(填色)分布(紅色圓圈:鉤狀回波位置)

另外，研究表明，近地層較高的相對濕度使得風暴下沉氣流到達地面的冷出流與環境暖濕氣流之間的溫差不會太大(鄭永光等,2020)。由“4·11”過程的地面自動站相對濕度和露點溫度分布可見(圖10c)，16:00超級單體的鉤狀回波附近相對濕度約為75%～80%，露點溫度約為23℃，而“4·13”過程(圖10d)，14:00龍卷移動路徑剛好處于雷州半島的相對濕度和露點溫度大值帶，相對濕度高達90%～95%，露點溫度大于27℃，地面幾乎飽和的大氣環境使得風暴后側下沉氣流形成的冷池強度較為適宜，配合風暴前部的暖濕上升氣流，使得近地面的水平順流渦度傾斜和拉伸形成垂直渦度，有利于龍卷的發生。

6 結 論

2019年4月11日和13日廣東分別發生了超級單體導致的強雷暴大風和強龍卷天氣過程。通過對比分析兩次過程的環流背景、風暴結構、對流觸發和大風形成機制等，主要結論如下：

(1)“4·11”過程發生在低空切變線和地面冷鋒過境的冷暖平流交匯導致斜壓鋒生的天氣形勢下，“4.13”過程無冷空氣影響，發生在偏南急流暖濕強迫類強對流天氣背景下。

(2)兩次過程都具備高能(CAPE>1 900 J·kg-1)、強0～6 km垂直風切變等有利于超級單體發生的環境條件。但“4·11”過程更強的中層干層(700～400 hPa平均溫度露點差為29.2℃)、更大的環境低層溫度直減率和適宜的0℃層、-20℃層高度，利于產生強下沉氣流和地面強冷池，導致珠江三角洲大范圍強雷暴大風和局地強冰雹；而“4·13”過程更強的0～1 km垂直風切變條件有利于龍卷的發生。

(3)地面觀測表明，兩次強風發生前后，都呈現出風向突變、風速突增和氣溫陡降的特征，但“4·11”過程，氣壓出現先躍升后驟降的“高壓鼻”特征，降水峰值比極大風提前4 min出現；而“4·13”過程，龍卷過境前后氣壓出現先陡降后陡升的“漏斗”特征，風向出現氣旋性轉變，降水峰值比極大風滯后9 min出現。

(4)兩次超級單體都具有明顯的低層鉤狀回波特征和中氣旋。但“4·11”過程強雷暴大風出現在超級單體風暴核心位置，中氣旋垂直伸展較為淺薄(2 km 以下)，低層中氣旋較弱且尺度較大(直徑為6～7 km)，中氣旋垂直渦度較弱，整個過程中氣旋垂直渦度維持在10-2s-1量級；而“4·13”過程龍卷發生在鉤狀回波頂端，中氣旋更深厚、旋轉深度高達6 km，低層中氣旋更強且尺度更小(直徑最小僅為2 km)、并伴有TVS，中氣旋垂直渦度更強，龍卷觸地前后，中氣旋垂直渦度出現“爆發式”增長，從10-2s-1量級突增至10-1s-1量級，比“4·11”過程大一個量級。

(5)對流系統的地面觸發機制和大風的形成機制不同。“4·11”過程，由加大的冷空氣北風與環境偏南風形成地面輻合線觸發雷暴、并與溫度露點鋒相遇加強輻合抬升運動，導致雷暴加強形成超級單體風暴；強下沉氣流和強冷池(冷池與環境大氣溫差5～9℃)導致強雷暴大風的發生。而“4·13”過程，地面熱力條件較好，地面風場輻合抬升即可觸發雷暴，風暴出流邊界與地面輻合線相遇加強了輻合抬升，雷暴強烈發展形成龍卷母體風暴；地面暖濕的飽和大氣和適宜的弱冷池(冷池與環境大氣溫差2～5℃)環境有利于龍卷的發生。