超级单体:美丽的危险分子

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  7月21日,福建连城城区上空出现了奇特的雷雨景象,宛如一个巨大的圆柱将UFO状的巨大云体和地面相接,场面颇为壮观。如此奇异的景观引发了网友热评,是天空漏了一个洞?抑或是有高人在此“渡劫”?其实,这是由单体引发的一种强对流天气。

  超级单体是许多气象摄影爱好者的“宠儿”,但它的美丽背后,也会带来冰雹、暴雨,甚至龙卷风等灾害,威力不容小觑。这篇文章将为你揭开超级单体的神秘面纱。

  超级单体风暴一词在1962年首次提出,用于描述多单体风暴成熟阶段的一种特定形式。它区别于其他强风暴的本质特征是拥有深厚持久的中气旋。

  超级单体具有单一的特大垂直环流强风暴云,垂直环流强度大、非对称且有组织,前部有斜升气流,后部有下击暴流。

  超级单体常常孤立于其他雷暴而存在,但是却可以影响周边32千米范围内的天气。其水平尺度在20千米至40千米,垂直尺度在18千米左右。生命史通常为数小时,常伴有强风、局地暴雨、冰雹、下击暴流甚至龙卷风。

  超级单体有时会在雷暴天气里出现,它的形状是一个环形,中间有大风裹挟着尘土和雨,一圈圈粗糙不平的云环绕周围。

  它的成因是寒冷干燥的空气遇到温暖湿润的热带空气后产生激烈的对流,并形成积雨云。风进入这个系统后会旋转,形成一个“隧道”。随着它越转越快,最终形成低压带,从而吸进更多空气。如果冷热空气很快中和,那么这个风暴系统只会停留在高空中;如果两者都足够充沛,它就有可能下降高度,形成超级单体。

  在雷暴中,超级单体是比较常见的,同时也是破坏力最大的一种。随着观测事实的积累和观测技术的不断改进,科学家将超级单体风暴划分为弱降水超级单体、经典超级单体和强降水超级单体。

  弱降水超级单体风暴几乎不产生降水,带来的主要灾害是大冰雹,其反射率因子通常较低,尺寸也较小;经典超级单体低层具有明显的钩状回波,低层入流位于超级单体移动方向的右后侧,积雨云底部基本没有降水或只有很少降水,带来的主要灾害性天气是强冰雹、龙卷风和地面大风,偶尔也会产生暴洪;强降水超级单体最重要的特征是中气旋全部或大部分为降水所包裹,积雨云云底有明显的降水,回波形态有很多种,带来的主要灾害包括强冰雹、地面大风、龙卷风和暴雨洪水。

  雷达可以较为准确地监测到超级单体。新一代天气雷达已经成为我国气象部门监测超级单体的有效手段。

  超级单体在雷达图上显示为块状组织紧密的高反射率图像,其云底附近的上风方向有凹入云内的弱回波区或无回波区存在;在有些超级单体中,弱回波区周围的强回波部分形成钩状体。在这种弱回波区周围的同一侧上空有庞大的云砧,云砧底部下垂而形成悬垂体。超级单体通常向环境风的右侧移动。

  理论上,在合适的天气条件下,世界任何地方都可以产生超级单体。从记录来看,它频繁出现的地区包括美国中部的大平原和加拿大南部一直到美国东南部和墨西哥北部地区,此外还有阿根廷中东部、乌拉圭、孟加拉国、印度东部部分地区、南非,以及澳大利亚东部。

  超级单体一般会在水汽充足、冷气团活跃的地区出现。美国大陆中间有一个经常发生超级单体的地区,被称作龙卷风走廊地区。那里气象环境恶劣,且处在湿润的北美高原。而气象条件相对稳定的中国温带地区则较少出现超级单体。

  不过,超级单体偶尔也出现在温带地区,比如中国东部以及欧洲。我国夏季航空管制中的气象管制经常就是因为有单体风暴的存在。

  龙卷风是积状云下面伸向地面的旋转空气柱,它的形成需要风垂直切变较强、有一定的不稳定性和水汽充足等条件。超级单体可以成为龙卷风的母云,约20%的超级单体会有龙卷风形成。

  超级单体除了个头大、天气剧烈外,还有强烈的涡旋特征。虽然看上去很像龙卷风,但超级单体并不会把物体吸进去,而只是把雨倾泻下来。

  具体来说,超级单体龙卷风产生在中等大小的对流有效位能和有强垂直风切变的条件下,抬升凝结高度较低。龙卷风发生时大气抬升凝结高度也较低,低层风切变较大。与强冰雹超级单体风暴相比,导致强龙卷风的中气旋底部明显偏低,基本在1千米以下。

  风暴结构分析结果显示,造成龙卷风天气的超级单体风暴最大反射率因子高度与风暴质心高度接近,基本在3千米左右,反射率因子在50至60dBz(dBz是表示雷达回波强度的一个物理量)。而强冰雹超级单体风暴结构在超级单体风暴产生冰雹之前,风暴最大反射率因子在高于风暴质心的高度。当风暴开始降雹时,最大反射率因子高度开始降低,而风暴质心的高度变化不大,高于最大反射率因子高度,基本保持在5千米左右,反射率因子在60至70dBz。

  龙卷风分为两种,由超级单体引起的龙卷风的征兆是可能被雷达“抓住”的;另一类是地面切变线附近生成的龙卷风,雷达基本监测不到,不过此类龙卷风相对较弱,占了每年全世界所发生龙卷风的一大半。

  从龙卷风预警的角度来看,特别要关注1千米以下中气旋的发展。由于低层中气旋只有在离雷达较近的距离内才探测得到,所以龙卷风的预警通常是建立在雷达探测到强中气旋的基础上。

  在天气条件有利于龙卷风生成,而且在龙卷风多发地区探测到中气旋生成时,则雷达探测到中等强度的中气旋也可以发布龙卷风警报。