超级单体风暴作为组织程度最高、产生天气最强烈的对流风暴类型，一直是众多气象学者的研究重点，其最本质的特征是具有一个称为中气旋的持久深厚的γ中尺度涡旋(Weisman，et al，1984； Burgess，et al，1990；Doswell，et al，1993；俞小鼎等， 2006，2012)。21世纪以来，随着中国气象局新一代天气雷达的布网，中国对于超级单体风暴也开展了大量研究。郑媛媛等(2004)和俞小鼎等(2008)分别对一次产生11级直线形雷暴大风并伴随冰雹的经典超级单体风暴的雷达观测特征和一次伴随F3级强龙卷的强降水超级单体风暴进行了全面深入分析。朱君鉴等(2004)分析了一次初秋季节出现的经典超级单体雹暴，刁秀广等(2009)对一次长寿命的超级单体风暴进行了分析，赵坤等(2008)对一次发生在台湾海峡的超级单体风暴的中气旋特征进行了分析，潘玉洁等(2008)研究了镶嵌在一条强烈飑线中的超级单体特征。但以上分析的超级单体风暴均为气旋性旋转的右移风暴，同时没有明显的分裂过程。在北半球，气旋式旋转的右移超级单体风暴比反气旋式旋转的左移超级单体风暴出现的频率大得多，有关左移反气旋超级单体风暴和分裂超级单体风暴的文献在中国非常少见。廖玉芳等(2007)分析2004年4月29日发生在湖南安乡的超级气旋性单体风暴时，提到了超级单体风暴的分裂过程，分裂后气旋性右移风暴发展强盛，左移反气旋超级单体风暴很弱，并且很快衰减。该文并没有详细分析超级单体风暴分裂的过程及原因。吴芳芳等(2013)统计分析了2005-2011年苏北地区70多个超级单体风暴的环境背景和雷达回波特征，其中，没有一次过程产生了明显的分裂。陈晓燕等(2011)描述了2009年4月14日发生在黔西南的一次分裂超级单体个例，该个例中呈现明显的超级单体分裂过程，但并未对分裂过程本身进行详细分析。Yu等(2012)综合分析了2002-2011年发生在中国的200多次超级单体风暴过程的环境背景和多普勒天气雷达回波特征，其中，只有不超过10次过程出现了明显的超级单体的分裂，所占比例不足5%，最显著的一次发生于2007年7月9日的河北南部地区。

关于超级单体中中气旋产生和超级单体分裂的机制主要是从分析一系列三维对流云模式的数值模拟结果而得出的。Klemp 等(1978)首次成功模拟了超级单体风暴的分裂过程。随后，Rotunno等(1982，1985)、Weisman 等(1982，1984)对超级单体风暴进行了一系列模拟试验，通过分析模拟结果基本搞清了超级单体风暴动力学。在以上研究基础上，Klemp(1987)对超级单体风暴动力学进行了系统全面的总结。Rotunno 等(1982)对超级单体风暴分裂以及选择性加强的动力学机制进行了研究，发现沿风暴上升气流两侧的垂直气压梯度力是风暴分裂的基础，而环境风垂直切变方向随高度的变化是造成风暴选择性加强的主要原因。当风切变矢量随高度基本不变时，气旋式右移风暴和反气旋式左移风暴会有几乎相当的发展；当风切变矢量随高度顺时针旋转时，分裂后气旋式旋转的右移风暴得到加强，而反气旋式旋转的左移风暴受到抑制(Klemp，1987; Markowski，et al，2010)；同理，当风切变矢量随高度逆时针旋转时，风暴分裂后反气旋式旋转的左移风暴得到加强发展，而气旋式旋转的右移风暴受到抑制。

2007年7月9日16-20时(北京时，下同)，有多个对流风暴单体在石家庄南部和邢台北部先后生成，均在发展初期分裂，分裂后分别发展成为气旋式旋转的右移强风暴和反气旋旋转的左移超级单体风暴，其中，反气旋旋转的左移超级单体风暴得到强烈发展。上述过程发生在距离石家庄新乐CINRAD/SA多普勒天气雷达站70-120 km范围内，属于最佳观测范围。中国尚未观测到如此清晰和明显的超级单体分裂过程，并且，分裂后带有中反气旋(mesoanticyclone)的左移超级单体强烈发展的例子。本文将对这次过程做详细分析。 2 环境背景 2.1 天气形势

2007年7月9日08时，华北环流形势主要特征为深厚东北冷涡位于内蒙古锡林浩特和通辽一带(图 1)。从500 hPa风场来看，冷涡底部槽线穿过张家口和北京向西南延伸至山西北部，呈现明显的横槽下摆(转竖)形势，河北南部上空冷平流明显，有利于条件不稳定的发展。500 hPa 河北南部上游的槽后地区为风速16-18 m/s的西北气流，有利于午后河北南部上空明显风垂直切变的建立。东西向的250 hPa等压面上风速超过40 m/s的高空急流核自河北南部上空穿过(图略)，并且，500-250 hPa河北中南部上空呈现明显分流结构，高空辐散明显(图略)，有利于该地区上空大尺度垂直上升运动的发展。根据14时地面观测绘制冷暖锋，可见河北南部位于冷锋前暖湿区，该暖湿区也同时位于地面低压区中(图略)。这种高空冷平流明显、风速大，并且，具有明显辐散、地面冷锋前暖湿东南风和低气压的三维流型配置显然有利于该地区(图 1中橙色方框所示)午后强对流的发展。

图 1 2007年7月9日流场配置 (08时500 hPa等高度线(黑色实线)、 等温线(红色虚线)、槽线(棕色实线)， 14时地面冷锋和暖锋(蓝色和红色锯齿线)， 橙色方框内为系列分裂超级单体风暴发生的范围， 红色和绿色箭头为14时地面暖湿气流) Fig. 1 Weather pattern on 9 July 2007 (500 hPa geopotential height field(black solid line)， temperature field(red dashed line)，trough (brown solid line)at 08:00 BT，surface cold and warm fronts at 14:00 BT)

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图 2为2007年7月9日邢台14时加密探空曲线。850-500 hPa温度廓线位于干绝热和湿绝热线之间，温差为32℃(对应的温度直减率为8℃/km)，具有较为明显的条件不稳定层结，其中，850-700 hPa近乎于干绝热递减率。地面温度和露点分别为33和21℃(比湿为13 g/kg)，温度条件很好，水汽量中等偏上。近地面层由于强烈下垫面加热形成超绝热层结，整个对流层温度露点差都在10℃以上。对流有效位能(CAPE)达到3690 J/kg，对流抑制能量(CIN)很小，只有30 J/kg，地面至6 km高度的风矢量差为24 m/s(14时邢台地面为4 m/s的东南风)，为强的深层风垂直切变。这样的环境条件，特别是强的深层环境风垂直切变非常有利于超级单体风暴的产生和发展(俞小鼎等， 2006，2012)。从环境热力和动力条件看，有利于强冰雹和雷暴大风的产生，而比较极端的强降水几率很小(樊李苗等，2013)。河北南部在14-20时出现强冰雹，测站观测到的最大冰雹直径为40 mm；京津和河北中东部地区多站出现了冰雹和雷暴大风天气，测站观测到的最强瞬时风速为25 m/s。

图 2 2007年7月9日14时邢台探空曲线 Fig. 2 Xingtai sounding at 14:00 BT 9 July 2007

图选项

图 3给出了根据14时邢台探空制作的速矢端迹，地面-925，925-850和850-700 hPa的风切变矢量呈现明显的逆时针旋转。而850-400 hPa风切变矢量方向几乎不变。根据Rotunno等(1982)以及Klemp(1987)的研究，在这种情况下超级单体分裂后反气旋式旋转的左移单体将得到加强，而气旋式旋转的右移单体将受到抑制。

图 3 2007年7月9日14时邢台探空的速矢端迹和风切变矢量随高度的变化 Fig. 3 Hodograph based on the Xingtai sounding at 14:00 BT 9 July 2007

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2007年7月9日16-20时在石家庄南部和邢台北部先后有4个风暴单体生成。按新生时间的先后顺序分别将这4个风暴单体命名为单体1、2、3、4，分裂后的左、右侧单体分别命名为1-L、1-R、2-L、2-R、3-L、3-R、4-L、4-R。通过点绘石家庄新乐雷达基本反射率2.4°仰角产品每6 min强回波中心(30 dBz以上)的位置，记录了4个风暴单体从新生、分裂到消亡的演变过程(图 4)。单体1、2、3、4的生成地点很接近，单体1、2、4分裂后的右侧风暴移动路径几乎一致，但相互都是独立的，没有任何联系。

图 4 4个风暴单体移动路径(蓝色圆点表示2.4°仰角每6 min强回波中心位置) Fig. 4 Moving tracks of the four storm cells (the blue point indicates the positions of strong echo center at 2.4° elevation)

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从图 4可以看出，这些风暴发展演变过程非常相似，都是在发展初期(新生后1-5个体扫)分裂成 2个风暴单体，一个位于风暴移动方向的左侧，一个位于风暴移动方向的右侧，左侧的向左移动，右侧的向右移动。分析风暴相对径向速度产品(图 5、6、9)发现，左侧的风暴单体是反气旋风暴，右侧的风暴单体是气旋性风暴。

图 5 2007年7月9日单体3发展阶段石家庄新乐雷达3.4°仰角基本反射率因子(a1、b1、c1、d1、e1、f1) 和同时刻风暴相对径向速度(a2、b2、c2、d2、e2、f2)(a．17时36分，b．17时42分，c．17时48分， d．17时54分，e．18时00分，f．18时06分；b2中黑色箭头代表 850-500 hPa的风垂直切变矢量方向) Fig. 5 Base reflectivity(a1，b1，c1，d1，e1，f1) and storm relative velocity map(a2，b2，c2，d2，e2，f2)at 3.4° elevation from the radar in Xinle on 9 July 2007 which indicated the development stage of Cell 3(a. 17:36，b. 17:42，c. 17:48，d. 17:54，e. 18:00，f. 18:06 BT; The black arrow in Fig.b2 indicated the direction of vertical wind shear vector from 850 to 500 hPa)

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从分裂单体的生命史来看(单体4在20时06分后缺资料，这里不做分析)，单体3分裂后的反气旋左移风暴持续时间为1 h 48 min，比相应的气旋右移风暴持续时间长30 min。单体1分裂后的右移和左移单体持续时间均为1 h 42 min；单体2分裂后的气旋性右移风暴持续时间为2 h 36 min，比反气旋左移风暴长36 min。

在单体1、2、3分裂后的6个风暴单体中，3个反气旋左移风暴均发展成为超级单体风暴，单体1和单体2的反气旋风暴为具有弱的中反气旋的超级单体风暴，单体3分裂后的反气旋风暴发展成为具有中等强度(接近强)中反气旋的超级单体风暴。可见，当天的环境条件更有利于反气旋风暴的发展。

如上所述，这些风暴有其共同的特点：(1)都是在发展初期(新生后1-5个体扫)分裂成2个风暴单体，一个位于左侧，一个位于右侧，左侧的是反气旋左移风暴，右侧的是气旋性右移风暴；(2)在分裂后的气旋性风暴和反气旋风暴中，有3个反气旋风暴发展成为显著的反气旋左移超级单体风暴，反气旋性风暴得到加强；(3)其中，3个风暴生成地很接近，而且，其右侧气旋性风暴移动路径基本一致。

7月9日的上述超级单体产生的强烈天气主要为冰雹。7个站观测到冰雹，其中，有6个站冰雹是以上4个风暴单体造成的，冰雹最大直径40 mm。高邑和隆尧2站出现边际强度的短时强降水(即勉强达到短时强降水标准)，3 h降水量分别为33和29 mm，是多个单体风暴不断经过上述两站造成的。

4个单体风暴的分裂过程非常相似，却也不完全相同。单体1和单体2在新生后1个体扫就分裂，气旋性涡旋和反气旋性涡旋在新生时是独立的，分别有各自的正、负速度中心。非常有意思的是单体2-L再次分裂，单体2-L和单体3的分裂过程相同，气旋性涡旋和反气旋性涡旋在发展初期是联系在一起的，共用一个负速度中心。单体2-L和单体3分裂后的气旋性风暴受到明显抑制。单体3分裂后的反气旋单体风暴发展成为经典反气旋超级单体风暴，以下详细分析单体3和单体1的分裂过程及主要雷达回波特征。

(1)发展阶段

为了详细描述超级单体风暴的分裂过程，选用新乐雷达3.4°仰角(高约4-5 km)基本反射率因子和风暴相对平均径向速度产品来描述。

17时36分，在单体2-L的后侧新生对流单体3和5(图 5a₁)。从速度图上可见对应单体3的是一个气旋性涡旋(图 5a₂)。对应单体5的速度图上可以看出有一对涡旋，反气旋性涡旋(图 5a₂中虚线环流)和气旋性涡旋(图 5a₂中实线环流)。17时42分，单体5发展回波尺度加大，强度加强(图 5b₁)，反气旋性涡旋和气旋性涡旋开始远离，反气旋性涡旋左偏，气旋性涡旋右偏(左(L)和右(R)偏是相对于环境风切变矢量方向而言的，图 5b₂黑色箭头代表环境风切变矢量方向)；反气旋性涡旋位于强回波中心左侧弱回波区内(图 5b₂)；单体3发展，在对应速度图上负速度中心的两侧各有一个正速度中心，构成一个反气旋性涡旋和一个气旋性涡旋对(图 5b₂)。17时48分，单体5开始分裂(分裂后左侧的单体命名为5-L，右侧的单体命名为5-R，图 5c₁)，对应5-L和5-R的2个涡旋距离明显增大(图 5c₂)，反气旋性涡旋明显左偏，已经和单体3的涡旋合并(图 5c₂中虚线环流)；单体3继续发展，强度加强，尺度迅速增大(图 5c₁)；随着单体发展，反气旋性涡旋和气旋性涡旋的正负速度中心的速度明显加强，正速度中心值分别为24和17 m/s，负速度中心值为24 m/s，2个涡旋的正速度中心距离明显增大(图 5c₂)。17时54分，分裂后单体5-R继续右偏，5-L继续左偏(图 5d₁)。5-L和单体3开始合并，单体3尺度增大，强度加强(图 5d₁)。对应5-L的反气旋性涡旋迅速减弱(图 5d₂中虚线环流)，对应单体3的反气旋性涡旋和气旋性涡旋的正速度中心值继续增大，分别为27和24 m/s，但负速度中心值减弱为17 m/s(图 5d₂)。与上一时刻相比，2个涡旋的正速度中心距离继续加大。18时，单体5-L和单体3合并，单体 3继续发展，尺度继续加大，有多个强回波中心 (图 5e₁)，反气旋性涡旋的正速度大值区范围扩大，气旋性涡旋中好像由2个小的气旋性涡旋组成(图 5e₂)，气旋性涡旋的正速度中心值迅速减小为12 m/s。负速度中心位置靠近气旋性涡旋的正速度中心。18时06分，单体3的多个强回波中心合并，单体尺度达到最大，回波中心强度达到最强，为65 dBz(图 5f₁)。对应速度图上负速度中心的位置有了明显的改变，负速度中心位于气旋性涡旋和反气旋性涡旋的2个正速度中心之间，与上一时刻相比，负速度中心向反气旋性涡旋的正速度中心靠近，反气旋性涡旋的直径减小旋转明显加强，反气旋性涡旋比气旋性涡旋明显偏强(图 5f₂)，单体3的强回波中心也位于反气旋涡旋一侧。

综上所述，单体3最初是弱小的具有气旋性涡旋的单体，然后其中反气旋涡旋发展，成为具有气旋和反气旋对的单体。而本来就具有气旋和反气旋对的较强单体5经历了分裂，分裂后其反气旋左移的单体与单体3合并，单体3的反射率因子强度得到加强，同时其所含涡旋对中的反气旋涡旋明显强于气旋性涡旋。上述发展过程从17时36分开始，历时约30 min。

(2)分裂阶段

18时12分，单体3开始分裂，分裂后命名为3-L和3-R(图 6a₁)。3-R有2个强回波中心，3-L回波中心强度明显偏强。从速度图上看到反气旋涡旋迅速发展，反气旋涡旋对应的正、负速度中心沿雷达径向对称分布。构成反气旋涡旋的正、负速度中心值分别为+24和-24 m/s，核区直径5 km(图 6a₂)。属于中等强度(接近强)中反气旋。从3-L超级单体各层强回波中心的位置来看，高层的强回波中心位于低层强回波中心左侧的弱回波区内。同时，分裂后右移的气旋性涡旋的正、负速度中心值都明显减小(图 6a₂)，说明气旋性涡旋明显减弱。对应气旋性涡旋的3-R单体的2个强的回波中心与3-L相比强度都明显偏弱，说明在风切变矢量随高度逆时针旋转情况下(图 3)，具有反气旋涡旋的3-L单体得到选择性加强，而具有气旋性涡旋的3-R单体受到抑制。从各个仰角的基本反射率因子来看，在6.0°和3.4°仰角单体3已经分裂(图 7a₁、a₂)，但1.5°和0.5°仰角还没有完全分裂(图 7a₃、a₄)。18时18分，3-L超级单体北侧出现明显低层暖湿气流入流缺口(图 6b₁)，说明上升气流明显加强(俞小鼎等，2006)。3-R单体中靠近3-L单体的回波强度明显减弱，说明3-R超级单体受到明显抑制。分裂后具有反气旋涡旋的3-L单体明显左偏，而具有气旋性涡旋的3-R单体则右偏，2个单体的距离增大(图 6b₁、b₂)。然后1.5°和0.5°仰角开始分裂(图 7b₃、b₄)，表明分裂先从中高层开始，1个体扫后迅速延伸至低层。18时24分，具有反气旋涡旋的3-L超级单体继续左偏，而具有气旋性涡旋的3-R超级单体继续右偏，2个涡旋距离增大(图 6c₂)，3-R回波强度明显减弱(图 6c₁)。18时36分，3-L超级单体继续左偏，3-R单体则继续右偏并迅速减弱(图 6d₁)，气旋性涡旋也减弱，负速度中心消失(图 6d₂)。18时48分，3-L超级单体回波中心强度加强，3-R单体消亡(图 6e₁)。36 min之后的19时24分，3-L超级单体消亡。

图 6 2007年7月9日单体3分裂阶段石家庄新乐雷达3.4°仰角基本反射率(a1、b1、c1、d1、e1)和同时刻风暴相对径向速度 (a2、b2、c2、d2、e2)(a．18时12分，黑色箭头代表 850-500 hPa的垂直风切变矢量方向，b．18时18分，c．18时24分，d．18时36分，e．18时48分) Fig. 6 Base reflectivity(a1，b1，c1，d1，e1) and storm relative velocity map(a2，b2，c2，d2，e2)at 3.4° elevation from the radar in Xinle on July 9，2007 which indicated the splitting stage of Cell 3 (a. 18:12，b.18:18，c.18:24，d.18:36，e.18:48 BT; The black arrows in Fig(a1) and (a2)indicated the directions of vertical wind shear vectors from 850 to 500 hPa)

图选项

图 7 2007年7月9日石家庄新乐雷达单体3分裂过程的空间演变 (a1、a2、a3、a4．18时12分6.0°、3.4°、1.5°和0.5°仰角的雷达反射率因子，b1、b2、b3、b4．18时18分相应仰角的反射率因子) Fig. 7 Spatial evolution of Cell 3 on 9 July 2007 (a1，a2，a3，a4．corresponding base reflectivity to 6.0°，3.4°，1.5°，0.5° elevation respectively at 18:12 BT from the radar in Xinle； b1，b2，b3，b4．corresponding base reflectivity to 6.0°，3.4°，1.5° and 0.5° elevation respectively at 18:18 BT)

图选项

从以上演变过程可以看出，超级单体3的分裂是在单体3新生后36 min开始，分裂先从中高层(6.0°、4.3°、3.4°和2.4°仰角，3.5-7.5 km)开始，6 min后，分裂迅速向下延伸到低层(1.5°和0.5°仰角，1.0-2.5 km)。左侧的单体为反气旋风暴，右侧为气旋性风暴，分裂后反气旋风暴左移，气旋性风暴右移。从分裂的前一个体扫开始(18时06分)，左侧的反气旋风暴得到加强，气旋性风暴受到抑制开始减弱。分裂的同时，左侧的反气旋风暴继续加强发展成为强烈超级单体风暴，而右移的气旋性风暴明显受到抑制。分裂后受到抑制的气旋性风暴36 min后消亡，而得到加强的反气旋超级单体风暴持续了72 min。

(3)反气旋超级单体风暴3-L的主要雷达回波特征

3-L最终发展为具有明显中反气旋的强烈左移超级单体，在中国难得观测到这样强大的反气旋左移超级单体，因此，在这里对其结构做进一步分析。按照中气旋强度标准，18时12-54分上述单体属于具有中等强度(接近强)中反气旋的左移超级单体风暴，19时00-06分属于具有弱中反气旋的左移超级单体风暴。12分已经达不到中反气旋标准(俞小鼎等，2006)，因而不再是超级单体风暴，尽管仍具有弱的反气旋涡旋。18时24分上述左移超级单体的中反气旋达到最强(图 8)。在中低层(0.5°-2.4°仰角，对应高度1.0-3.0 km)北侧有宽广的前侧入流缺口(简称FIN)和明显的钩状回波(Hook echo)(图 8d₁、e₁)，反射率因子梯度很大；中层(3.4°-4.3° 仰角，高度4.0-5.0 km)有清楚的有界弱回波区(简称BWER)(图 8c₁、b₁)并扩展至高层，在6.0°仰角上(高度约7.5 km)仍然隐约可见。中层的有界弱回波区从垂直剖面上也可以清楚看到。再往上，有强反射率因子核心位于有界弱回波区之上(图 8a₁、8f)，同时可以清楚看到悬垂回波(Echo Overhang)。从低层向高层，反射率因子高梯度区向北侧(低层暖湿气流入流的那一侧)倾斜，高层强回波中心位于低层入流缺口和中高层有界弱回波区上空(图 8f)。从低层到中高层都观测到明显的中反气旋，均位于北侧的入流缺口或有界弱回波区内(图 8e₂、d₂、c₂、b₂)，3.4°仰角(高度约4.5 km)的中层旋转最强，旋转速度为18 m/s，尺度约为5 km，根据距离雷达约70 km，可判断其属于中等强度中反气旋。若假定涡旋为轴对称，则可计算出其垂直涡度值为1.4×10^-2 s^-1。顶层(9.9°仰角，高度约12 km)有明显的风暴顶辐散(Storm Top Divergence)(图 8a₂)，同时还略微带有反气旋旋转，对应强辐散的正、负速度差值为66 m/s，构成风暴顶辐散的正、负速度中心间距为15 km，如果假定该风暴顶辐散为轴对称(实际辐散形态应该与轴对称有差异)，则其散度值为8.8×10^-3s^-1。

图 8 2007年7月9日18时24分反气旋超级单体风暴的基本 反射率(a1-e1)和风暴相对径向速度特征(a2-e2) (a1、a2．9.9°仰角，b1、b2．4.3°仰角，c1、c2．3.4°仰角，d1、d2．2.4°仰角， e1、e2．1.5°仰角，f．沿d1中黑色直线所做反射率因子剖面;雷达位于北方) Fig. 8 Base reflectivity(a1-e1) and storm relative velocity(a2-e2)of the anti-cyclonic supercell storm from the radar in Xinle at 18:24 BT 9 July 2007 (Fig.(a)-(e)are corresponding to the elevation 9.9°，4.3°，3.4°，2.4° and 1.5°，respectively， (f)is the vertical section of reflectivity along the black line in Fig. 8d1; The meanings of the different color are the same as in Fig. 5， and the radar is in the north)

图选项

综上所述，3-L单体发展为成熟的反气旋旋转的强烈左移超级单体后，其低层具有面向暖湿入流的入流缺口和钩状回波，相对于其移动方向，钩状回波和中气旋位于其左后侧，低层沿着入流缺口反射率因子梯度很大，中高层具有位于低层弱回波区之上的回波悬垂和有界弱回波区结构，有界弱回波区内为旋转的强烈上升气流(俞小鼎等， 2006，2012)。中气旋从低层一直扩展到10 km以上，在中层(高度约4.5 km)旋转最强，而风暴顶为强烈辐散。上述特征为典型的超级单体雹暴结构特征。与郑媛媛等(2004)分析的2002年5月27日发生在安徽北部的经典的气旋式右移超级单体风暴相比，除了是反气旋旋转左移外，其他方面非常类似，几乎互为镜像。在上述3-L反气旋左移超级单体生命史中，最大反射率因子为70 dBz，最大基于单体的垂直累积液态水含量为80 kg/m²，其移动方向相对于风暴承载层平均风向左偏21°，移动速度约为12 m/s。而相对应的分裂后右移的气旋性超级单体风暴相对于风暴承载层平均风向右偏30°，移动速度约为9 m/s，即左移风暴比右移风暴移动快，与Klemp(1987)和Markowski等(2010)的数值模拟结果一致。

16时06分在距离雷达约90 km处新生单体1，高层(6.0°仰角，高约10 km)还是单单体风暴(图 9a)。16时12分单体1高层(6.0°仰角，高约10 km)开始分裂(图 9b₁)，中层和低层(4.3°、2.4°、0.5°)尚没有分裂迹象(图 9b₂、b₃、b₄)。16时18分，4.3°仰角也开始分裂(图 9c₂)，而此时2.4°和0.5°仰角还未分裂(图 9c₃、c₄)。16时24分，2.4°和0.5°仰角也开始分裂(图 9d₃、d₄)。可以看出，分裂是先从高层开始的，随后向下延伸，整个分裂过程完成用时18 min。

图 9 2007年7月9日石家庄新乐雷达单体1分裂过程 (a．16时06分6.0°仰角基本反射率，b1、b2、b3、b4/c1、c2、c3、c4/d1、d2、d3、d4，16时12分/18分/24分，6.0°、4.3°、2.4°、0.5°仰角 基本反射率，e、f、g、h．16时06分、16时18分、16时24分、16时30分2.4°仰角的风暴相对径向速度) Fig. 9 Splitting process of Cell 1 on 9 July 2007 from the Xinle radar (a. the reflectivity corresponding to 6.0° elevation at 16:06 BT，b1，b2，b3，b4. the reflectivity corresponding with 6.0°，4.3°，2.4° and 0.5° elevation at 16:12 BT，from c1 to c4 and d1 to d4 the reflectivity at the same elevations as b1 to b4 at 16:18 BT and 16:24 BT，respectively， and e，f，g，h. SRMs at 16:06，16:18，16:24 and 16:30 BT，respectively，at 2.4° elevation)

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分析2.4°仰角的风暴相对径向速度产品，发现与单体3有不同之处。16时06分，对应单体1有1个正速度中心和1个负速度中心构成一个气旋性涡旋(图 9e中白色实线圆圈)。16时18分，气旋性涡旋发展，在气旋性涡旋的左侧出现由一对正、负速度中心构成的反气旋涡旋(图 9f中白色虚线圆圈)。这一对涡旋是完全独立的，分别有各自的正、负速度中心，气旋性涡旋和反气旋涡旋之间有明显的弱速度区(图 9f)。16时24分，气旋性涡旋和反气旋涡旋都发展，随着单体1的分裂，气旋性涡旋右偏，反气旋涡旋左偏，气旋性涡旋没有减弱(图 9g)。分裂后1-L单体和1-R单体回波强度都增大(图 9d₁、d₂)，说明气旋性涡旋在分裂的同时没有受到明显抑制。16时30分，分裂后反气旋涡旋发展，负速度中心值从12增大到17 m/s(图 9h)。2.4°、3.4°和4.3°仰角都达到中气旋标准，1-L发展成为反气旋超级单体风暴。 4 风暴分裂及选择性加强的机理

对于超级单体形成、分裂和分裂后右移(左移)风暴选择性加强机理的说明构成了超级单体风暴动力学，主要来自对于风暴尺度数值模拟结果的理论分析(Rotunno，et al， 1982，1985；Klemp，1987)。其分析过程相当繁杂，这里只是给予简要的阐述，完整地叙述见Klemp(1987)。在中等或强的风垂直切变环境下(0-6 km风矢量差至少大于15 m/s，最好≥20 m/s)，会产生明显的水平涡度，形成水平涡管，雷暴的上升气流将水平涡管扭曲产生气旋和反气旋对(图 10)。然后，与气旋-反气旋对所对应的正负垂直涡度同环境风之间产生相互作用，这种相互作用导致动力扰动的向上垂直气压梯度力，该动力扰动垂直气压梯度力可以表达为一个非线性项和一个线性项之和(Markowski，et al，2010)。其非线性项在气旋或反气旋涡度最强的中层产生低压扰动，导致通过气旋和反气旋中心的向上的扰动气压梯度力，使风暴分裂。而风暴内降水导致的下沉气流会进一步加快这一分裂过程(图 10)。

图 10 直线形速矢端迹情况下通过涡管扭曲导致正负涡度对的形成与风暴分裂 (空心蓝色箭头代表相对风暴气流，带有正负号的紫色圆环分别代表气旋式和反气旋式涡旋，蓝色实心箭头代表动力扰动 气压梯度力的方向，阴影的蓝色箭头代表降水导致的下沉气流，引自Klemp(1987); Markowski 等(2010)) Fig. 10 Development of vertical vortex pair through the vortex line tilting and the splitting of cells (the transparent blue arrows indicate storm-relative trajectories， and the directions of vertical perturbation pressure gradient forces are indicated by blue solid arrows，from Klemp(1987) and Markowski et al(2010))

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而上述垂直气压扰动力中的线性项产生水平方向并通过与气旋-反气旋对所对应正、负垂直涡度中心的沿着风垂直切变矢量的气压梯度，高压位于通过正涡度或负涡度中心的切变矢量的上游一侧，而低压位于其下游一侧。当风垂直切变矢量不随高度变化，即速矢端迹为直线时，上述所有高压扰动一端都位于一条垂直线上，所有低压扰动一端也都位于一条垂直线上(Klemp，1987)。尽管这会导致正、负涡度中心上游的气压升高和下游的气压降低，但不会导致上升气流的侧向传播。而垂直涡度与环境风相互作用中的非线性项导致风暴分裂，在速矢端迹为直线的情况下，气旋式右移风暴和反气旋式左移风暴几乎对等发展，有时其中的右移或左移风暴会在上述非线性项作用下不断分裂(Klemp，1987)。

如果风垂直切变矢量随高度顺时针旋转，即速矢端迹低层存在明显气旋式曲率，则在上升气流移动方向右侧的气旋性涡旋一侧，低压扰动位于高压扰动之上，垂直气压梯度力为向上的，而在上升气流移动方向左侧的反气旋涡旋一侧，高压扰动位于低压扰动之上。这样，气旋式右移风暴会得到加强，而反气旋的左移风暴会受到抑制(图 11)。当左移风暴受到的抑制很强时，甚至观测不到风暴分裂过程而只观察到气旋式右移风暴，北半球中高纬度大多数的超级单体都是没有明显分裂过程的气旋式右移超级单体。如果风垂直切变矢量随高度逆时针旋转(速矢端迹低层有明显反气旋曲率)，则反气旋左移风暴会得到加强，而气旋式右移风暴会受到抑制。

图 11 垂直风切变矢量随高度顺时针旋转时，上升气流与垂直风切变相互作用导致的气压扰动 (蓝色空心箭头代表相对风暴气流的轨迹，带有正负号的紫色圆环分别代表气旋式和反气旋式涡旋， 蓝色实心箭头代表动力扰动气压梯度力的方向，绿色箭头代表相互作用项中的线性项导致的水平面内 气压梯度力的方向，引自Klemp(1987); Markowski等(2010)) Fig. 11 Pressure perturbations arising as an updraft interacts with an environmental wind shear turning clockwise with the height(the transparent blue arrows indicate storm-relative trajectories， and the directions of vertical perturbation pressure gradient forces are indicated by blue solid arrows，from Klemp(1987) and Markowski et al(2010))

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那么，这次分裂超级单体风暴的风垂直切变矢量方向随高度是如何变化的呢？分析2007年7月9日14时邢台站速矢端迹(图 3)可以看出，从地面至850 hPa的风垂直切变矢量随高度呈现明显的逆转，850-400 hPa的风垂直切变矢量方向变化很小，除了700-500 hPa是弱的顺转外，其他层次都是弱的逆转。因此，总体上从地面至400 hPa，风垂直切变矢量方向随高度逆转，尤其在低空。在这种环境条件下，反气旋左移风暴应该得到加强，气旋性风暴受到抑制。从7月9日3个超级单体分裂情况发现左移的反气旋风暴确实得到选择性加强，部分右移的气旋性风暴受到明显抑制，和上述的超级单体动力学的理论(Rotunno，et al， 1982，1985；Klemp，1987)基本一致。

不过，此次个例也有与上述理论不太一致之处：单体1和单体2的气旋性风暴(1-R、2-R)没有像单体3的气旋性风暴(3-R)一样很快消亡，即这两个单体分裂后其气旋性右移风暴并没有受到明显抑制。这里试探讨其中可能的原因。上述超级单体动力学理论是根据均匀初始场情况下的模拟，而实际过程中环境场和下垫面是不均匀的。单体1和单体2分裂后的气旋性风暴(1-R、2-R)的移动路径基本一致。分析地面的区域自动站资料，发现这2个气旋性风暴处在非常有利的地面环境条件中。16时06分，单体1在临城北部新生，16时24分移动到临城东部分裂，分裂后的气旋性风暴明显右偏，向东南方向移动。17时，气旋性风暴(1-R)移动到隆尧的南部。分析17时的地面加密站温度(图 12)分布可以看出，柏乡和隆尧气温急剧下降，从16时的35℃分别下降至28和23℃，形成明显的冷中心，任县、南和、邢台的气温为34-35℃，仍为暖中心，在冷暖中心存在明显的热力边界。露点温度分布呈现西低东高的形势，山西与河北相邻测站的露点温度均为10℃左右，石家庄井陉17℃，赞皇、元氏分别为21和20℃，邢台为19℃，而在邢台东部和北部存在明显的高湿中心，露点温度达到25℃(图 12中虚线所示)。17时以后气旋性风暴沿热力边界从隆尧南部沿东南方向移动至平乡北部。因此，单体1分裂后的气旋性单体是沿着高湿区内的热力边界偏暖一侧移动的，这种高暖高湿的环境有利于单体的发展。单体2于16时48分在赞皇北部生成，54分开始分裂，分裂后的气旋性单体风暴右偏，向东南方向移动。17时，移动到临城北部，18时，移动到隆尧西部，19时，移动到平乡和广宗交界，19时24分移动到临西北部消亡。单体2的气旋性风暴移动路径和单体1的气旋性风暴移动路径基本一致，略偏南。从17、18和19时的自动加密站露点和气温分布来看，柏乡和隆尧处于冷中心，但邢台的其他地区气温仍然较高，在31℃以上，仍然为暖中心，邢台东部湿度变化不大，仍然为高湿中心，所以，单体2的气旋性风暴仍然是沿着高湿区内的热力边界偏暖一侧移动的，高温高湿的环境有利于对流的发展。有利的地面环境条件抵消了单体1和单体2的气旋性涡旋受抑制的程度。使得气旋性涡旋能够持续更长的时间。需要指出，这只是一种推断和猜测，需要通过专门设计的数值模拟加以验证。

图 12 2007年7月9日17时地面加密自动站气温(红色)、 露点(绿色)分布(绿虚线表示露点温度为25℃的湿中心) Fig. 12 Temperature(red) and dew-point temperature(green)distribution observed by the automatic weather stations at 17:00 BT on 9 July 2007 (the dotted green line indicates the high humidity area where the dew-point temperatures are 25℃)

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在特定的环境条件下单体分裂，并且，分裂后反气旋的左移单体加强发展为反气旋式左移超级单体风暴是颇为罕见的现象，在所有超级单体风暴事件中所占比例不超过5%(Yu，et al，2012)。2007年7月9日16-20时，在河北南部就出现了这样一起超级单体分裂事件，并且有多次分裂过程，距雷达距离为70-120 km，属于最佳观测范围，从而可以对这次分裂超级单体过程进行较为细致的观察，所得结论如下：

(1)7月9日14时上述超级单体发生区域邻近探空显示对流有效位能为3690 J/kg，0-6 km风矢量差为24 m/s，即对流有效位能和深层风垂直切变都很强，非常有利于超级单体风暴的产生。速矢端迹显示从地面至850 hPa的风垂直切变矢量随高度呈现明显的逆转，850-400 hPa的风垂直切变矢量方向变化很小，除了700-500 hPa为弱的顺转外，其他层次均为弱的逆转。因此，总体上从地面到400 hPa风垂直切变矢量方向随高度逆转，尤其在低空。根据超级单体动力学，有利于反气旋左移超级单体风暴的发展。

(2)7月9日16-20时，发生了多次单体分裂情况，其中，3个超级单体分裂后左移的反气旋风暴确实得到选择性加强，部分右移的气旋性风暴受到明显抑制，与超级单体动力学的理论基本一致；同时，也有与超级单体动力学理论不一致的现象，有两个单体分裂后气旋性的右移超级单体并没有如超级单体动力学预见的那样受到明显抑制，推断其部分原因可归结为这两个气旋性右移超级单体是沿着热力边界暖湿区一侧移动，而超级单体动力学所根据的数值模拟并没有考虑环境和下垫面的非均一性。

(3)几次单体分裂都是在单体生成后不久的6-30 min内开始的；分裂是先从中高层开始的，随后迅速向下延伸到低层；分裂后左移的单体为反气旋风暴，右移为气旋性风暴；在分裂发生之前的单体发展初期单体内就存在一个气旋-反气旋涡旋对。

(4)其中，一个单体分裂后其反气旋左移单体发展为强烈的带有明显中反气旋的左移超级单体雹暴，与经典气旋超级单体雹暴有着类似的特征，包括低层钩状回波和入流缺口、中层有界弱回波区，持久深厚的中(反)气旋，和强烈的风暴顶辐散。不同的是，钩状回波位于左后侧，中气旋为中反气旋，与气旋式超级单体雹暴结构互为镜像。其中，该中反气旋的最强垂直涡度出现在中层，最大值大约为-14×10^-2s^-1；最强烈的风暴顶辐散出现在该左移超级单体成熟阶段，位于大约12 km高处，其辐散值大约为8.8×10^-3s^-1。

需要指出的是，风暴的分裂过程并不罕见，只是大多数情况下，风暴分裂前所含有的气旋-反气旋涡旋对较弱，达不到超级单体中气旋(中反气旋)标准，分裂后也没有进一步发展成为超级单体(达不到中气旋标准)。本个例中观测到多个单体分裂，并且，分裂后既有左移反气旋超级单体形成，也有气旋式右移超级单体形成，并且反气旋左移超级单体发展得非常强盛的情况的确不多见。