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一次完整的组织化强降雹雷暴的发展过程以及一些随想

楼主#
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最近看到T君在论坛发的一些文章,颇受启发,加上最近刚好观察了一个长达2个小时左右的强降雹雷暴的发展过程,想说些自己对这类雷暴的看法
大环境:我了解的不多,当天应该是处于副高590线控制下,CAPE接近2000,BLI:-3,k指数:37
发生时间:下午15:30前后
发生条件:市区南部有较强热对流活动,天况良好,午后上升运动剧烈,近地面气层炎热稳定,中高空气层不稳定
观测地点:市区北部,强雷暴的正北方向
(1).雷暴最初于下午15:15分前后出现,前身是两块对流云团,均隶属低顶系统

图片:QQ图片20170710170314.jpg

图片:QQ图片20170710170318.jpg



1图相较于2图已进入逐渐成熟的水平,1图的雷暴是很明显的低顶系统,下部的RFB明显,上升活动显著,云团整体以上升运动为主。而2图的上升运动则猛烈的多,仍然处于旺盛的发展期,两者间隔距离≥20km
(2).15:25,双积雨云仍然在快速发展

图片:QQ图片20170710170710.jpg

图片:QQ图片20170710170714.jpg



靠左侧较为成熟的系统此时正在突破近地面稳定层结和逆温层,这有点近似于高架雷暴的发展,与高架雷暴不同的是,高架雷暴的下层是个较为稳定干燥的界面,而这个低顶系统下层则是下垫面粗糙而上升气流活动剧烈的界面,云泡上的璞状云显然是个显著的特征。而靠近西侧的系统发展则显得平稳而持续,整个云体在10分钟内扩大了近5倍,已经逐渐步入秃积雨云阶段。
(3)15:30,双积雨云逐渐进入过渡期

图片:QQ图片20170710171054.jpg

图片:QQ图片20170710171058.jpg



显然此时靠左侧的系统现在发展趋势快于右侧,垂直向上猛烈发展的云泡象征着整个云体正在摆脱低顶系统的范畴而向正规强对流系统迈进,西侧的系统云砧边缘开始舒散平铺,上升区本身开始略微倾斜,象征着较强的背景切变和该系统逐渐进入鬃积雨云阶段
(4)15:40,两者同时进入成熟期

图片:QQ图片20170710171359.jpg

图片:QQ图片20170710171408.jpg



不得不说双系统的发展是旗鼓相当的,先前靠左侧的系统的猛烈发展的迹象逐渐消失,云砧平滑,边缘有卷层云分布,呈现典型的对流单体的成熟特点,而西侧云顶也不再上升,除了其下沉区在不断扩大之外,与左侧的系统无明显差异,但是此时两者的直线距离已经接近10km
(5)15:45 出现降水,开始合并

图片:QQ图片20170710171646.jpg

图片:QQ图片20170710171651.jpg



靠右侧的系统此时占据主导的特点已经初现端倪,对流柱再一次转为垂直向上,云底部的外流携带着从高空下来的干冷气流在近地面凝结成云滴从而形成积云和层积云,由于我地正对着风暴的外流方向,层积云已经逐渐平铺开来向观察者的方向靠近,此时右侧的系统发展已经趋于稳定,整个系统看上去更像是一个多单体风暴
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发布于:2017-07-10 17:19
(6)15:50,开始合并

图片:QQ图片20170710171635.jpg



图片:QQ图片20170710172409.jpg



可以看到西侧系统的外流区已经和东侧系统的外流区融为一体(东侧系统的入流区是由北向南也就是从观察者的方向向远方伸展),此时东侧系统仍然在发展,显然两者的合并没有互相影响。如果此时的背景条件一般 ,在维持一段时间以后其中有一个单体会逐渐减弱,整个系统会向背景风的方向移动。可在这个案例中,高空极不稳定的大气已经地面强烈受热产生的上升气流促使两者向一个更强烈的体系发展,
(7)16:00 合并进入尾声,中心统一,强回波出现

图片:QQ图片20170710172736.jpg

图片:QQ图片20170710172743.jpg



从这个角度可以看到这个系统的中心已经统一了,占据主导的西侧风暴顺利的吞并东侧风暴并继续发展,此时的云顶与15分钟前在画面中相比又高了近一倍,图中甚至已经看不到云顶顶端甚至看不到这个雷暴有任何发展出云砧的迹象。从第一次发展云砧再到合并再到突破云砧再度出现爆@炸性发展足以说明条件非常有利这个系统的发展。
有趣的是正对着我的方向这个系统的后部出现了一个下沉区,此时我并不认为系统有很强烈的下沉气流,因为可以清楚的看到风暴底部的纹理,而这个后部下沉区出现的地点也并非是雷暴的几何中心或入流缺口旁,而是在雷暴的北面外流区附近,对此我做了一些猜测,比较大的可能是系统的合并是个较为复杂的过程,很明显西侧的系统强于东侧系统,当东侧系统逐渐靠近西侧系统时,西侧较强的外流边界促进了东侧系统的发展,这有点类似于为何飑线前侧会出现一些超单并且这些超单会在飑线逐渐靠近时猛烈爆发,此时东侧系统的中高层结构已经并入了西侧系统的下沉范围内,大量的凝结核和云滴在并入过程中迅速下降拖曳空气,到达干燥地面后水汽蒸发,形成较为干冷的下沉气流,仔细观察,东侧系统的低层结构仍然保持完好,所以整个系统在合并期可以认为是一个强迫动力抬升而增强的过程,只不过这个过程极其短暂而且很快就被吞并。
雷达图上此时对应的回波强度已经接近50dbz了
(8)16:05,风暴继续发展,地面强降水迹象凸显

图片:QQ图片20170710175210.jpg

图片:QQ图片20170710175220.jpg


此时整个系统已经趋于统一,当然外流的增强,低云的增加让我越来越难观测这个系统的主体了,但是并不妨碍我对系统大致结构的认识。
前面说到了合并已经完成,东侧系统成功并入之后其入流区和低层结构仍然保持着而并不是完全被“吞掉”,唯一的合理解释是西侧系统仍然相对是个小尺度系统,不足以强到将其姊妹风暴整个都“吃下去”,而是借助其姊妹风暴的低层入流结构发展后侧入流急流,或者仅仅后侧入流。老实讲因为我不是全方位观测这个风暴,我个人对风暴西南侧的唯一入流支的存在表示怀疑,我觉得仅仅根据上上图来看,低层的东侧风暴结构仍然提供了一个持续输入的环境,旺盛发展的云泡以及底部无雨类似于超级单体中的“海狸尾巴”式的入流,让我相信风暴这个时候仍然处于旺盛发展期,能量的来源是多方面的,但此时主要下沉区也应该出现,地面已经观察到了短时强降水和较强的直线风
(9)16:15 核心回波接近60dbz,逐步成熟

图片:QQ图片20170710180000.jpg

图片:QQ图片20170710180005.jpg


风暴的迅速增强使其外流边界已经从观察者头上掠过,此时很容易给人造成一种风暴直接来的假象,其实不然,外流边界带来的是干燥的直线风和较平稳的冷性气流(强风暴的外流边界可能会很强),外流边界到达地面以后幅散,又强迫抬升了风暴前侧的暖湿空气加强了上升气流的输送,增强风暴。
这时可以发现风暴的后部入流区正在逐渐减弱,应该是较强的外流边界在幅散的同时切断了风暴后侧的入流供应,直到这时,我才认为东侧风暴到了真正的消亡期
风暴核心的回波已经接近65dbz,我认为这时有降雹的可能

图片:QQ图片20170710181007.jpg

图片:QQ图片20170710180920.jpg

[冰雪中的冰橙汁于2017-07-10 18:08编辑了帖子]
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发布于:2017-07-10 17:20
透过低层云系可以看到风暴仍然在继续发展

图片:QQ图片20170710181213.jpg



(10)16:20-16:30 风暴成熟

图片:QQ图片20170710181129.jpg

图片:QQ图片20170710181150.jpg



从风暴的北侧看,云底已经彻底模糊了,风暴开始进入成熟期,云底彻底被降水和下沉气流包裹。
此时靠近风暴降水核心的自动测站已经测得了10分钟超过20mm的降水

图片:QQ图片20170710181915.jpg



此时风暴的RFB相当的清晰,说明来自风暴西南的上升气流是非常猛烈的
(11).16:30-16:55 风暴极盛期,地面出现强降雹和强直线风过程

图片:QQ图片20170710182119.jpg

图片:QQ图片20170710182125.jpg

图片:QQ图片20170710182130.jpg



风暴的入流带相当的长,从观察者的西南侧一直绵延到西侧,进一步说明了上升气流的猛烈。而最后一张照片近乎完美地体现了整个风暴的结构,右侧的RFB是经典到不能再经典了,中侧是风暴猛烈的核心下沉区,这里有冰雹降水和极强的直线风,画面左侧则是风暴的出流区,表现为一片模糊边界不太清晰的下沉区,而风暴的云顶已经覆盖到了观察者的头上,雷达探测亦表示此时回波顶高接近15km

图片:QQ图片20170710182555.jpg

图片:QQ图片20170710182622.jpg



从风暴的东南侧观察,风暴的垂直结构极其经典,甚至发展出近似超级单体一定的纹理结构,说明此时的上升气流是极其猛烈的,可以认为此时的风暴是个相当组织化的强降雹系统

图片:QQ图片20170710182807.jpg



从风暴的降水核心南侧观察,拍摄者应该是在风暴的入流区,这边的气流活动是整个风暴最剧烈的区域
[冰雪中的冰橙汁于2017-07-10 18:28编辑了帖子]
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发布于:2017-07-10 19:06
(11)极盛期的维持和特点

图片:QQ图片20170710183121.jpg



图片:QQ图片20170710183102.jpg

图片:QQ图片20170710183112.jpg


可以说这3张照片几乎最能诠释这个强雷暴系统的巅峰状态,这个时候降水区已经有了进一步缩小的迹象,说明风暴的上升气流仍然在增强。而最有特点的是风暴北侧得陆架云,我们都知道陆架云是阵风锋的一种体现,陆架云不仅发生在飑线和强多单体风暴中,HP风暴和高度组织化的强雹暴云团中也能观察到,甚至不仅仅存在风暴的前侧:雷暴是一个动力系统,时刻有流出和流入,雷暴后部的外流干冷,夹卷下来的干冷空气在地面绝热升温形成云,而一个稳定整齐的外流系统形成了一个边界,这边是陆架云形成的基本原因,陆架云的出现彰显着风暴后部的流出和阵风锋已经达到了一个成熟而强烈的水平,这个阶段的雷暴已经进入了成熟期或已经接近成熟期的中后期了。

图片:QQ图片20170710183201.jpg



而这一张图则是整个观测过程中另一个有趣的景象,在风暴的降水核心南侧有异常的低云下垂,并且维持了一定时间的垂直结构,这是碎雨云?还是漏斗云?不好说也不敢说,因为在速度图上确实出现了一些回转和速度对的迹象。

图片:QQ图片20170710183132.jpg



从远处看,风暴确实已经进入了极盛期,边缘的丝缕状卷云,向外幅散的云砧,庞大而稳定的云梯,垂直结构的对流柱,这是一个难得的风暴
(12)17:05-17:20,迈入减弱期,下沉主导的系统

图片:QQ图片20170710184710.jpg



即使是一个组织化的雷暴在徘徊少动的情况下也很难维持很久,这也不例外,随着背景条件的转差,下沉的进一步增强,外流边界不断被风暴向外抛射,切断了暖湿气流,上升气流开始减弱,云中积攒的大量雹核和雨滴迅速下降,整个风暴开始被降水包裹

图片:QQ图片20170710184621.jpg

图片:QQ图片20170710184635.jpg

图片:QQ图片20170710184639.jpg



这3张图分别表示了减弱期的不同阶段,第一张是前期,特征为陆架云向外扩张,原本相对干燥的下沉区出现降水,大量降水降下,在一定区域内云中打开了一个“洞”,表示着湿下沉气流的急剧释放,而到了图二的阶段,下沉气流的范围进一步扩大,已经占据了一定的外流边界,这个时候整个系统的流出和流入系统已经基本紊乱和坍塌,几乎以下沉为主了。到了第三图,有一定的亮区出现,标志着雷暴的干RFD出现,但这时的干RFD已是强弩之末,由于云顶的坍塌,大量的冷气体下沉,从势能转化为动能,到达地面后这片区域由于较为干燥而不出现降雨被称为干RFD,但与循环超级单体中的干湿RFD交替发展的不同时,此时的雷暴的上冲云顶已不再重新建立,很快这个区域就会充满降雨,这个雷暴开始走入消亡期


(13)17:30,移速加快,消亡

图片:QQ图片20170710190748.jpg



此时的雷暴已经远离我地,不便观察,而根据雷达,此时的雷暴也已经消亡
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templerlord
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发布于:2017-07-11 07:49
稍微提两点:
1.描述图片的时候,可以试着统一用“向某方向观测某部位”来描述相对位置,举例:向西北侧观察入流槽口。
由于风暴的朝向和各结构的位置受制于背景风场,所以不会发生整体旋转的情况,只要说出观察者的朝向和视野中的风暴部位就可以比较容易地想象出视野外的风暴结构了。

2.干RFD的生成来自于中层的干空气入流,在一个成熟的超级单体里,这个效应是时时刻刻存在的。蒸发降温在干RFD的生成过程中也十分重要。而湿RFD是其上层的云体失去浮力向下崩塌时导致降水混入,以至于气流的湿度过饱和而引起的共同作用。当一个风暴从湿RFD主导转为干RFD主导的时候,意味着几种可能:①高空急流增强,风暴顶向下风向的辐散加剧,降水落入FFD区域 ②干空气重新占据主导,后缘降水不能落到地面  ③上升气流再次增强,风暴顶的辐散将失去浮力的部分推离风暴正后方
在周期性风暴中,干湿RFD交替是由于第三种情况引起的,而在LP超级单体中则主要是②发挥作用——LP超级单体大多发生在露点锋附近,干线的存在正是LP超级单体降水很少的原因。

现在重新看这系列图,我认为图2a中的风暴其实是一个受激发的新单体(我指的是带有璞状云的上升部分,并非远处的云砧),根据是整个云系的倾斜走向。而图2b中单体的上升气流可能已经有旋转迹象了,不过图中的位置看不到入流槽口的区域,没有确凿证据。

风暴合并的机制我认为是背景环境适宜风暴发展的一个体现。一般来说,在下风向的单体总是要受到来自上风向单体的不利影响。假设A和B两个风暴,B在A移动的下风向。这里粗略认为风暴移向和低层入流风的风向相反,则可以得知:B会截断A的入流,并以冷的出流填塞风暴A;而A会减缓B的移动速度,使得B入流区静止锋的辐合削弱。虽然这是一种相互抑制的机制,但这种条件下不用多久风暴A就会追上风暴B,发生合并。肉眼观测会看到风暴B被风暴A吸入入流区,但实际上风暴B的对流遭到削弱会更明显。这种合并的重点在于消除处于下风向的不良影响,并且完成涡度的输送。

至于那个悬垂结构,可以确定肯定是伴随下沉气流产生的,不过如果没有肉眼可见的旋转的话应该还是碎雨云
我算发现了,就算华北变成潮显半岛,天津市区肯定也是那个旱城
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