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广东两次台风龙卷的环境背景和雷达回波对比

黄先香 俞小鼎 炎利军 李兆明 李彩玲

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广东两次台风龙卷的环境背景和雷达回波对比

Contrastive Analysis of Two Intense Typhoon-tornado Cases with Synoptic and Doppler Weather Radar Data in Guangdong

  • 摘要: 利用常规气象观测、广州多普勒天气雷达及NCEP/NCAR再分析等资料对比广东省佛山市2015年10月4日EF3级和2006年8月4日EF2级台风外围强龙卷过程。结果表明:两次强龙卷都发生在登陆台风的东北象限,低层辐合、高层辐散及中低空强劲东南急流在珠江三角洲叠加是其产生的相似环境背景。环境参数均表现为较小的对流有效位能、低的对流抑制与抬升凝结高度、强的垂直风切变和大的风暴相对螺旋度。两个龙卷母体均为微型超级单体,前者雷达回波强度更强,钩状回波特征更明显;都存在强中气旋和龙卷涡旋特征(TVS),中气旋都在中低层形成后,向更低层发展最终导致龙卷。TVS比龙卷触地提前1个体扫出现,或与龙卷触地同时发生,中气旋和TVS的底高和顶高均很低。但两次龙卷触地前后,前者中气旋和TVS的底高和顶高出现突降现象,而后者中气旋和TVS的底高和顶高一直维持较低高度。龙卷触地前后,两者风暴单体的最强切变均出现剧增现象,但前者TVS的最强切变更强,比后者大1倍以上。
  • 图 1  佛山两次台风龙卷

    (a)2015年10月4日15:38台风彩虹(1522)龙卷,(b)2006年8月4日10:50台风派比安(0606)龙卷

    Fig.1  Two typhoon-spawned tornadoes at Foshan

    (a)tornado spawned by Typhoon Rainbow at 1538 BT 4 Oct 2015, (b)tornado spawned by Typhoon Papi at 1050BT 4 Aug 2006

    图 2  2015年10月4日龙卷(a)和2006年8月4日龙卷(b)对应的中气旋路径

    (红色圆圈、黄色圆圈分别代表有龙卷、无龙卷发生时的中气旋位置)

    Fig.2  Mesocyclone tracks of tornadoes on 4 Oct 2015(a) and 4 Aug 2006(b)

    (mesocyclones with or without tornado are marked by red circles and yellow circles, respectively)

    图 3  两次强龙卷过程环流形势图

    (红色三角形为龙卷发生地;等值线为位势高度,单位:dagpm;填色区为风速)(a)2015年10月4日08:00 500 hPa形势图,(b)2006年8月4日08:00 500 hPa形势图,(c)2015年10月4日08:00综合分析图,(d)2006年8月4日08:00综合分析图

    Fig.3  The synoptic map of two intense typhoon-tornado cases

    (the tornado is marked by red triangle; the isoline denotes the height, unit:dagpm; the shaded denotes wind speed) (a)500 hPa synoptic map at 0800 BT 4 Oct 2015, (b)500 hPa synoptic map at 0800 BT 4 Aug 2006, (c)comprehensive weather chart at 0800 BT 4 Oct 2015, (d)comprehensive weather chart at 0800 BT 4 Aug 2006

    图 4  2015年10月4日08:00(a)和14:00(b)以及2006年8月4日08:00(c)和14:00(d)根据NCEP再分析资料得到的925~1000 hPa垂直风切变(填色)

    Fig.4  Vertical wind shear(the shaded) between 925 hPa and 1000 hPa using NCEP reanalysis data at 0800 BT 4 Oct 2015(a), 1400 BT 4 Oct 2015(b), 0800 BT 4 Aug 2006(c), 1400 BT 4 Aug 2006(d)

    图 5  2015年10月4日15:30—15:42广州雷达0.5°仰角反射率因子和径向速度

    (黑色三角形为龙卷大致发生地,白色圆圈为中气旋,黑色圆圈为TVS)

    Fig.5  The reflectivity and radial velocity of 0.5° elevation by Guangzhou radar at 1530-1542 BT 4 Oct 2015

    (the tornado is marked by black triangle, the mesocyclone and TVS are marked by white circles and black circles, respectively)

    图 6  2006年8月4日10:47—10:59广州雷达0.5°反射率因子和径向速度

    (黑色三角形为龙卷大致发生地,白色圆圈为中气旋,黑色圆圈为TVS)

    Fig.6  The reflectivity and radial velocity of 0.5° elevation by Guangzhou radar at 1047—1059 BT on 4 Aug 2006

    (the tornado is marked by black triangle, the mesocyclone and TVS are marked in white circles and black circles, respectively)

    表 1  香港探空站环境参数

    Table 1.  Parameters of Hongkong Sounding Station

    环境参数 2015-10-04T08:00 2006-08-04T08:00
    对流有效位能/(J·kg-1) 600 1750
    对流抑制/(J·kg-1) 20 10
    抬升凝结高度/m 400 120
    0~1 km风矢量差/(m·s-1) 17 15
    0~6 km风矢量差/(m·s-1) 24 22
    0~1 km风切变/s-1 0.017 0.015
    0~6 km风切变/s-1 0.004 0.0038
    风暴相对螺旋度/(m2·s-2) 430 110
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    表 2  相似台风路径下佛山有无龙卷发生时的风暴相对螺旋度特征

    Table 2.  The storm relative helicity under the similar typhoon path with or without tornado at Foshan

    台风个例 时间 佛山有无龙卷 清远风暴相对螺旋度/(m2·s-2) 香港风暴相对螺旋度/(m2·s-2)
    彩虹(1522) 2015-10-04T08:00 420 430
    派比安(0606) 2006-08-04T08:00 305 110
    威马逊(1409) 2014-07-19T08:00 70 30
    灿都(1003) 2010-07-22T20:00 115 100
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    表 3  2015年10月4日15:12—15:42中气旋特征

    Table 3.  Characteristics of the mesocyclone from 1512 BT to 1542 BT on 4 Oct 2015

    时间 方位/(°) 距离/km 特征底高/km 特征顶高/km 最强切变/s-1
    15:12 195 35 1.60 3.60 0.010
    15:18 203 30 1.40 3.10 0.016
    15:24 213 27 1.20 2.80 0.018
    15:30 225 25 0.70 2.70 0.049
    15:36 243 25 0.70 1.50 0.039
    15:42 256 26 0.70 1.60 0.035
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    表 4  2015年10月4日15:12—15:48龙卷涡旋特征

    Table 4.  Tornado vortex signatures from 1512 BT to 1548 BT on 4 Octo 2015

    时间 方位/(°) 距离/km 特征底高/km 特征顶高/km 最强切变/s-1
    15:12 184 25 0.70 6.95 0.079
    15:18
    15:24 212 25 0.27 2.87 0.103
    15:30 224 25 0.27 2.56 0.122
    15:36 237 24 0.24 1.87 0.128
    15:42 254 24 0.27 2.01 0.115
    15:48 278 26 0.27 4.03 0.126
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    表 5  2006年8月4日10:41—10:47中气旋特征

    Table 5.  Characteristics of the mesocyclone from 1041 BT to 1047 BT on 4 Aug 2006

    时间 方位/(°) 距离/km 特征底高/km 特征顶高/km 最强切变/s-1
    10:41 266 46 0.60 2.10 0.021
    10:47 272 46 0.60 2.10 0.016
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    表 6  2006年8月4日10:41—11:05龙卷涡旋特征

    Table 6.  Tornado vortex signatures from 1041 BT to 1105 BT on 4 Aug 2006

    时间 方位/(°) 距离/km 特征底高/km 特征顶高/km 最强切变/s-1
    10:41 258 46 0.50 3.50 0.051
    10:47 265 46 0.50 2.80 0.044
    10:53 272 46 0.50 2.10 0.038
    10:59 278 46 0.50 2.90 0.063
    11:05 284 47 0.60 2.20 0.060
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-27
  • 修回日期:  2017-10-13
  • 刊出日期:  2018-01-31

广东两次台风龙卷的环境背景和雷达回波对比

  • 1. 广东省佛山市龙卷风研究中心, 佛山 528000
  • 2. 广东省佛山市气象局, 佛山 528000
  • 3. 中国气象局干部培训学院, 北京 100081

摘要: 利用常规气象观测、广州多普勒天气雷达及NCEP/NCAR再分析等资料对比广东省佛山市2015年10月4日EF3级和2006年8月4日EF2级台风外围强龙卷过程。结果表明:两次强龙卷都发生在登陆台风的东北象限,低层辐合、高层辐散及中低空强劲东南急流在珠江三角洲叠加是其产生的相似环境背景。环境参数均表现为较小的对流有效位能、低的对流抑制与抬升凝结高度、强的垂直风切变和大的风暴相对螺旋度。两个龙卷母体均为微型超级单体,前者雷达回波强度更强,钩状回波特征更明显;都存在强中气旋和龙卷涡旋特征(TVS),中气旋都在中低层形成后,向更低层发展最终导致龙卷。TVS比龙卷触地提前1个体扫出现,或与龙卷触地同时发生,中气旋和TVS的底高和顶高均很低。但两次龙卷触地前后,前者中气旋和TVS的底高和顶高出现突降现象,而后者中气旋和TVS的底高和顶高一直维持较低高度。龙卷触地前后,两者风暴单体的最强切变均出现剧增现象,但前者TVS的最强切变更强,比后者大1倍以上。

English Abstract

    • 台风龙卷是指由热带气旋外围雨带上的微型超级单体产生的龙卷,与西风带超级单体龙卷[1-4]相比同样具有突发性强、尺度小、生命史短暂的特点。较强台风龙卷(EF2级或以上)移动速度快、所产生的地面风速强,往往能在短时间内造成重大人员伤亡和财产损失[5-6]。早在20世纪50年代, 美国学者已对飓风外围龙卷有所研究[7]。直到20世纪70年代之前,美国学者对飓风龙卷的研究主要局限于气候研究。文献[8-10]指出,相对于飓风的向前移动,距离飓风中心180~460 km且位于右前侧的区域被确定为龙卷生成的有利区域。Hill等[11]在仔细分析了飓风龙卷的方位角分布之后指出,飓风龙卷相对于其移动方向右前侧,出现在东北象限的几率更大(相对于笛卡尔直角坐标而言)。1967年飓风Beulah的外围雨带上产生了超过100个龙卷,多数发生在飓风中心的东北部并且是飓风的左后象限,因为飓风向南移动[12]。Novlan等[13]更新了Hill的工作,将统计年限延长至1972年,结果表明:相对于飓风中心,东北象限仍是龙卷最多发区域。飓风移动右前方与飓风东北象限很多情况下具有很大部分重叠,大多数在美国登陆的飓风具有向北的移动分量。在对1950—2007年北半球台风龙卷的统计分析后,Schultz等[14]得到的结论之一是在北半球台风龙卷最多发的区域是台风的东北象限,无论是相对于随地球转动的固定笛卡尔坐标系还是随台风中心的移动而平动的笛卡尔坐标系,都是如此。涉及到登陆热带气旋产生龙卷的比例,McCaul[15-16]指出从1948—1986年登陆美国的大约59%的飓风产生龙卷。而根据Mitsuta[17]的统计,1961—1982年登陆日本的台风中,大约40%有龙卷产生。

      国内学者在多普勒天气雷达布网前,也有一些对台风龙卷的研究,主要是统计及天气背景分析。陈联寿等[18]指出,台风龙卷大多出现在相对台风移动方向的右前侧,距离台风中心300~400 km;沈树勤[19]分析了江苏台风前部龙卷特征及其产生原因;林仲青等[20]和林志强[21]对影响珠江三角洲地区的9403号台风外围龙卷进行天气形势背景和物理量资料等分析;黄先香等[22]和李彩玲等[23]分析了佛山台风龙卷个例,得出台风龙卷一般产生在台风减弱阶段,龙卷与强的低层垂直风切变关系密切,喇叭口地形等也起到了一定作用。

      随着美国、中国和日本多普勒天气雷达的先后布网,除了气候统计和天气背景分析,很多学者[24-28]对台风龙卷的雷达回波特征也进行分析,包括产生龙卷的微型超级单体结构、中气旋以及TVS(龙卷涡旋特征)演变情况。Green等[29]利用多普勒天气雷达资料结合高分辨率数值模拟研究了美国迄今为止致灾最严重的Katrina飓风外围螺旋雨带上产生龙卷的微型超级单体的生成机理、结构与演变特征。郑媛媛等[30]对比了台风微型超级单体龙卷和西风带超级单体龙卷的环境背景、关键环境参数和多普勒天气雷达回波特征差异,包括微型超级单体结构和中气旋差异特征,发现主要差别是相对于西风带超级单体龙卷,台风龙卷中气旋的尺度更小,垂直伸展高度更低,并指出台风龙卷产生的环境场为较小的对流有效位能、强的0~1 km风切变和风暴相对螺旋度。

      国内外学者对台风龙卷的成因和机理已有了一定程度研究,但针对相似台风环境场中在同一地方重复出现强龙卷的不同个例对比鲜见报道。因此,本文选取广东两次相似台风环流背景下在相同地区出现强龙卷的天气过程(台风彩虹(1522)和台风派比安(0606))进行研究。利用预报业务中能得到的各种资料(包括MICAPS资料、雷达资料和卫星资料等),对引发两次强龙卷的环境背景、关键物理量参数、台风外围雨带上微型超级单体雷达回波特征进行详细的对比分析,探讨其中的共同特征和差异,增强对于导致台风龙卷的关键环境参数和龙卷母风暴结构特征的认识,以期为台风龙卷监测预警提供参考。由于监测密度不够、探测技术局限和真实龙卷数值模拟的困难,对台风龙卷的研究仍然是中小尺度天气学的难点,以下对比分析仅为初步。

    • 2015年10月4日15:28—17:00(北京时,下同)和2006年8月4日10:50—15:30广东省发生了两次系列龙卷过程,其中包括两次距离广州多普勒天气雷达较近的强龙卷(EF2级或以上级别的龙卷)过程,这两次强龙卷过程分别是2015年10月4日15:28—16:03的EF3级龙卷和2006年8月4日10:50左右的EF2级龙卷,两次龙卷过程均发生在广东省佛山市境内(图 1)。

      图  1  佛山两次台风龙卷

      Figure 1.  Two typhoon-spawned tornadoes at Foshan

      2015年10月4日下午,台风彩虹(1522)外围螺旋雨带中出现了3个龙卷,分别袭击了佛山、广州番禺以及汕尾海丰等地,共导致7人死亡,214人受伤,直接经济损失超过3亿元。其中,佛山龙卷出现在10月4日15:28—16:03,龙卷行进路径长度约31.7 km,持续时间为35 min(图 2a),平均时速约为54 km·h-1,造成4人死亡,80人受伤,直接经济损失超过亿元。2006年8月4日台风派比安(0606)外围雨带引发5个龙卷分别袭击了佛山、肇庆、清远等地。其中先后有3个龙卷分别于10:50,13:10,15:25前后袭击佛山市南海区西樵和丹灶、三水区白坭和金本、南海区大沥和狮山等地,造成10人死亡,逾百人受伤,直接经济损失达数亿元。2015年10月4日台风彩虹(1522)外围3个龙卷的最强龙卷发生在佛山顺德(图 1a),2006年8月4日台风派比安(0606)外围雨带上5个龙卷中10:50的龙卷发生在佛山南海(图 1b)。由图 1可以清晰地看到,2015年10月4日和2006年8月4日龙卷都呈现出漏斗云,但前者形态更为典型,持续时间超过30 min,后者形态不典型,持续时间大约5~6 min。从灾后调查及资料分析[31],综合判断这两次龙卷强度分别达到了EF3级和EF2级,都属于强龙卷[5-6]。这两次龙卷过程路径如图 2所示,图 2给出两次龙卷过程的中气旋路径。

      图  2  2015年10月4日龙卷(a)和2006年8月4日龙卷(b)对应的中气旋路径

      Figure 2.  Mesocyclone tracks of tornadoes on 4 Oct 2015(a) and 4 Aug 2006(b)

    • 两次强龙卷均产生于台风外围螺旋雨带中。台风彩虹(1522)于2015年10月4日14:10在湛江市坡头区沿海登陆,之后继续向西北方向移动,佛山顺德龙卷在台风登陆后1 h 18 min后出现,此时彩虹中心仍位于湛江,强度处于减弱阶段,但仍维持在强台风量级,中心风力为45 m·s-1,龙卷发生在台风的东北象限,也是其前进方向的右前侧,龙卷发生地与台风中心相距约为360 km。10月4日08:00 500 hPa西太平洋副热带高压(以下简称副高)脊线位于27°N附近,主体位置偏东,590 dagpm线控制粤东及以东地区,副高西南缘与台风彩虹(1522)外围东北侧之间的强劲东南气流在广东中北部一带汇合,925,850,700 hPa和500 hPa风速分别为18,22,26,26 m·s-1的东南急流上下叠加在珠江三角洲地区,中低层急流轴的位置非常接近,且低层925 hPa辐合线也位于广东中北部一带,大量水汽输送到珠江三角洲地区并在这一带辐合,高层200 hPa的分流区也位于珠江口附近(图 3),风场呈辐散状(图略)。从2015年10月4日14:00地面图(图略)可以看到有弱冷空气南下,并且在广东中北部一带有一条辐合线存在。

      图  3  两次强龙卷过程环流形势图

      Figure 3.  The synoptic map of two intense typhoon-tornado cases

      台风派比安(0606)于2006年8月3日19:20在广东电白至阳西之间沿海地区登陆后,向西北偏西方向移动,中心逐渐移入广西境内,图 1b所示的广东佛山南海丹灶龙卷是台风派比安(0606)登陆13 h后出现的,此时台风已减弱为热带风暴,其中心移至广西东南部的钦州浦北县,龙卷同样发生在热带风暴的东北象限,也是其前进方向的右前侧,龙卷发生地与热带风暴中心相距约为420 km。2006年8月4日08:00 500 hPa副高西伸加强,主体位置偏东,脊线偏北(35°N附近)。副高西南缘的强东南气流与台风派比安(0606)外围东侧的强偏南风在广东中北部一带汇合,中低层925,850,700 hPa风速分别为20,26,28 m·s-1的强东南急流与500 hPa风速为24 m·s-1西南急流汇合于珠江三角洲地区,925 hPa辐合线和高层200 hPa的分流区即高空辐散区也位于珠江口附近(图 3)。2006年8月4日08:00地面东路有弱冷空气扩散,并且在广东中北部一带同样有一条辐合线存在(图略)。

      通过上述分析可以看到,两次台风龙卷产生的环流背景非常相似。强龙卷出现在台风前进方向的右前象限(即东北侧),强龙卷发生时,台风中心位于广东湛江到广西东南部一带,台风处于减弱阶段,但仍维持在热带风暴量级或以上,强龙卷发生地与台风中心相距360~420 km。中低层都存在强东南急流,低空急流风速在18 m·s-1以上,低层有辐合线,高层200 hPa存在明显的分流区即高空辐散区,龙卷发生在低层辐合与高层辐散和中低空急流交汇处附近。这两次强龙卷发生的环流背景与黄先香等[22]的研究结果一致。上述两次台风龙卷发生的环流背景差异在于两个台风处于不同发展阶段:台风彩虹(1522)刚登陆1.3 h,具有更高的组织程度和强度,而台风派比安(0606)已登陆13 h,处于明显衰减阶段。也就是说,在台风登陆后的不同阶段,都可以在其外围雨带上产生龙卷。

    • 判断龙卷潜势的两个重要对流参数分别是抬升凝结高度和0~1 km的低层垂直风切变;而要产生强龙卷,首先需要超级单体风暴的形成,其形成条件与对流有效位能和0~6 km深层垂直风切密切相关;此外,风暴相对螺旋度是衡量风暴旋转潜势的重要指标,也是判别超级单体和龙卷形成的辅助指标。利用探空资料和NCEP再分析资料计算了两次台风龙卷过程的对流有效位能、对流抑制、0~1 km和0~6 km的垂直风切变、风暴相对螺旋度,分析龙卷发生之前与龙卷相关的关键环境背景参数。

      两次强龙卷过程龙卷发生前其上游的香港探空站的对流有效位能分别为600 J·kg-1和1750 J·kg-1(表 1)。2015年10月4日08:00由于龙卷发生前地面多数已经产生降水,消耗掉部分对流有效位能,而2006年8月4日08:00香港尚没有对流发生,因此,可以解释两次龙卷过程发生前对流有效位能之间的明显差异。可以合理估计到,如果没有已经发生的对流影响,2015年10月4日08:00探空呈现的对流有效位能也会在1000~2000 J·kg-1之间,属于中等大小的对流有效位能[32]。两次龙卷对应的温湿探空曲线形态和对流有效位能形态很类似,整个对流层相对湿度很大,基本处于饱和状态,对流有效位能呈竖直的狭长带(图略)。两个探空显示的温度廓线500~850 hPa温差分别为21.7℃和23.0℃,而最接近温度廓线的假绝热曲线(湿中性曲线)500~850 hPa温差在上述两个个例均为20.0℃,表明两次龙卷过程都发生在弱的条件不稳定环境下。两次龙卷对应的对流抑制很小,分别为20 J·kg-1和10 J·kg-1。由于低层相对湿度和露点都较大,抬升凝结高度(两次龙卷过程对应的代表性探空的抬升凝结高度分别为400 m和120 m)和自由对流高度都很低,导致对流抑制很弱,深厚湿对流容易触发。而低的抬升凝结高度也是龙卷尤其是EF2级以上的强龙卷产生的重要条件之一[33-34]

      表 1  香港探空站环境参数

      Table 1.  Parameters of Hongkong Sounding Station

      环境参数 2015-10-04T08:00 2006-08-04T08:00
      对流有效位能/(J·kg-1) 600 1750
      对流抑制/(J·kg-1) 20 10
      抬升凝结高度/m 400 120
      0~1 km风矢量差/(m·s-1) 17 15
      0~6 km风矢量差/(m·s-1) 24 22
      0~1 km风切变/s-1 0.017 0.015
      0~6 km风切变/s-1 0.004 0.0038
      风暴相对螺旋度/(m2·s-2) 430 110

      两次强龙卷过程都发生在风随高度强烈顺转的强高空和低空风垂直切变环境下。利用2015年10月4日08:00和2006年8月4日08:00的香港探空资料分别计算了两次龙卷过程的垂直风切变(表 1)。可以看到,2015年10月4日08:00,0~1 km风矢量差为17 m·s-1,对应的垂直风切变值为0.017 s-1;0~6 km风矢量差为24 m·s-1,对应的垂直风切变值为0.004 s-1。2006年8月4日08:00,0~1 km风矢量差为15 m·s-1,对应的垂直风切变值为0.015 s-1;0~6 km风矢量差为22 m·s-1,对应的垂直风切变值为0.0038 s-1。从0~6 km深层垂直风切变判断,两次过程对应的值都属于强的0~6 km垂直风切变, 有利于超级单体风暴的形成[35-38]。而两次龙卷过程的环境背景也都具有非常强的0~1 km垂直风切变和非常低的抬升凝结高度,有利于龙卷尤其是EF2级以上强龙卷产生[32-33]

      利用NCEP资料每6 h 1次规则格点分析的优点,不仅可以展示出珠江三角洲整个区域内的低层垂直风切变的空间分布,还可以展示没有探空观测的14:00低层垂直风切变的分布情况。图 4给出了两次过程中用NCEP再分析资料计算的08:00与14:00珠江三角洲超低空的垂直风切变(1000~925 hPa)分布情况。可以看到,2015年10月4日08:00—14:00珠江三角洲超低空的垂直风切变进一步增大,从08:00的0.025 s-1增大到14:00的0.03 s-1以上,是一个非常强的低层垂直风切变(图 4a4b)。2006年8月4日08:00珠江三角洲也有超低空垂直风切变的强中心,约为0.025 s-1,14:00低层垂直风切变略有减小,但仍在0.02 s-1以上(图 4c4d)。这表明两次龙卷天气过程,低层垂直风切变不仅在探空站点较大,而且在整个珠江三角洲内都较大。如果与探空资料对比,会发现NCEP再分析资料的低层风偏大,但计算的垂直风切变在量级上是正确的,可以作定性参考。

      图  4  2015年10月4日08:00(a)和14:00(b)以及2006年8月4日08:00(c)和14:00(d)根据NCEP再分析资料得到的925~1000 hPa垂直风切变(填色)

      Figure 4.  Vertical wind shear(the shaded) between 925 hPa and 1000 hPa using NCEP reanalysis data at 0800 BT 4 Oct 2015(a), 1400 BT 4 Oct 2015(b), 0800 BT 4 Aug 2006(c), 1400 BT 4 Aug 2006(d)

      Thompson等[39]分析超级单体龙卷的多种对流参数的统计值,得到EF2级以上龙卷0~6 km垂直风切变平均值为0.004 s-1,下限为0.003 s-1;0~1 km垂直风切变平均值为0.0095 s-1,下限为0.0055 s-1;且认为0~1 km垂直风切变对判断龙卷更为有效。由此可见,2015年10月4日和2006年8月4日两次龙卷0~6 km和0~1 km垂直风切变都达到了Thompson等[39]统计的平均值,尤其是低层的切变值远远高出该统计的平均值,非常有利于EF2级以上强龙卷的产生。

      风暴相对螺旋度是衡量风暴旋转潜势的重要指标。当沿流线方向的显著水平涡度与风暴内较强上升气流结合时,风暴相对螺旋度或旋转潜势尤其大。Davies-Jones[40]将风暴相对螺旋度等于150 m2 ·s-2界定为有利于产生超级单体风暴的最低值,而当风暴相对螺旋度大于150 m2·s-2时,也可作为预报有龙卷、冰雹大风、强降水等天气的参考指标之一,因为一旦出现超级单体,结合其他条件,出现上述强对流天气的概率较大。需要指出的是,对于中国大部分地区,观测到的龙卷发生频率很低,因此,较大的风暴相对螺旋度作为超级单体出现的重要指标,可以作为强冰雹和雷暴大风的预报预警指标之一,若作为龙卷预警指标可能虚警率很高。而在观测到的龙卷发生频率较高的区域[6],如江苏、广东的珠江三角洲地区以及海南岛,相对较大的风暴相对螺旋度可以作为龙卷的预报指标之一,结合其他条件,可以判别是否还有其他强对流天气如强冰雹、雷暴大风和短时强降水。

      根据探空资料分析上述两次龙卷发生当日08:00风暴相对螺旋度的空间分布(图略)可以看到,2015年10月4日08:00整个广东的风暴相对螺旋度都在200 m2·s-2以上,特别是珠江三角洲一带,风暴相对螺旋度非常高;在龙卷发生地附近有一个风暴相对螺旋度高中心,上游香港及下游清远的风暴相对螺旋度高达420 m2·s-2以上,而发生龙卷的佛山位于香港和清远之间。2006年8月4日08:00台风中心已经位于广西东南部,但同样龙卷发生地佛山附近的风暴相对螺旋度仍接近300 m2·s-2,远在150 m2·s-2以上,非常有利于超级单体风暴的形成。

      一般情况下,台风本身的风暴相对螺旋度比较大。为了更好地认识在相似台风路径下,佛山有龙卷发生与无龙卷发生的风暴相对螺旋度特征,本文选取近年来与台风彩虹(1522)和台风派比安(0606)路径相似的超强台风威马逊(1409)和台风灿都(1003)作对比分析。表 2给出了当台风中心位于最有利于佛山出现龙卷的位置(广东湛江到广西东南部或北部湾一带[22])时,佛山有无龙卷发生的上游香港及下游清远探空站的风暴相对螺旋度情况。虽然威马逊(1409)是广东省有气象记录以来强度最强的登陆台风,但从表 2可以看到其在佛山上下游的风暴相对螺旋度均很小,不利于微型超级单体的出现,雷达也未监测到微型超级单体;台风灿都(1003)影响时,香港的风暴相对螺旋度接近台风派比安(0606)影响时的风暴相对螺旋度,清远的风暴相对螺旋度则比台风派比安(0606)影响时的值明显偏低,实际雷达上台风灿都(1003)影响时有微型超级单体和弱中气旋出现,只是强度偏弱,持续时间短,没有龙卷出现。这表明风暴相对螺旋度越大,出现超级单体或中气旋的可能性越大,且超级单体或中气旋的强度越强,出现龙卷的可能性也就越大。当然,风暴相对螺旋度只是有无龙卷发生的参考指标之一,还要结合低层垂直风切变、抬升凝结高度等环境条件综合作出判断。

      表 2  相似台风路径下佛山有无龙卷发生时的风暴相对螺旋度特征

      Table 2.  The storm relative helicity under the similar typhoon path with or without tornado at Foshan

      台风个例 时间 佛山有无龙卷 清远风暴相对螺旋度/(m2·s-2) 香港风暴相对螺旋度/(m2·s-2)
      彩虹(1522) 2015-10-04T08:00 420 430
      派比安(0606) 2006-08-04T08:00 305 110
      威马逊(1409) 2014-07-19T08:00 70 30
      灿都(1003) 2010-07-22T20:00 115 100

      以上分析表明:两次强龙卷产生的环境条件也非常相似,两次龙卷过程发生前抬升凝结高度均较低(小于400 m),高、低空垂直风切变都很大,特别是低空垂直风切变很强(超过0.015 s-1),风暴相对螺旋度很大(达300 m2·s-2以上),如果将龙卷通常发生在台风东北象限这一统计事实与风暴相对螺旋度高值区结合,则对龙卷可能发生的区域具有一定的指示性。

      特别需要指出,2015年10月4日龙卷和2006年8月4日龙卷都发生在弱的深层条件不稳定环境下,相似的水汽条件、相似的对流有效位能形状和温湿廓线形状,类似的0~6 km和0~1 km垂直风切变以及风暴相对螺旋度,但2015年10月4日下午佛山顺德龙卷持续时间超过30 min,强度达到EF3级,而2006年8月4日上午佛山南海龙卷持续时间只有5~6 min,强度为EF2级。这似乎意味着通过环境背景条件可以判断龙卷多发地区某一次龙卷过程的可能性。但为何在珠江三角洲相似的环境条件下,两次强龙卷都发生在佛山,原因是多方面的,也很复杂,主要原因可能与佛山独特的地形和地理位置有关。佛山地处珠江三角洲腹地,地势西北高、东南低,西江、北江交汇于此,且佛山又恰好正对东江河谷,东南暖湿气流沿喇叭形的珠江口北上后常与顺着北江、东江河谷渗透到佛山的浅薄冷空气交汇,产生辐合抬升作用,易形成地面辐合线和地面小尺度涡旋[22]。进一步分析2015年10月4日和2006年8月4日广东省地面自动气象站风场表明:两次龙卷天气出现前,均存在偏北、偏东和东南3股气流在佛山汇聚,形成东南—西北走向的地面辐合线,并且在辐合线南端有小尺度涡旋生成,小尺度涡旋沿着地面辐合线偏北移,龙卷移动路径与地面小尺度涡旋的移动路径一致(图略)。这表明地面辐合线、地面小尺度涡旋是有利于龙卷触发和发展的重要中小尺度天气系统。此外,还可能与形成龙卷涡旋的垂直涡度的生成密切相关,有必要通过更多个例和高分辨率数值模拟进行更全面深入研究。

    • 在广州雷达基本反射率因子图上,2015年10月3日下午—4日下午台风彩虹(1522)外围共有7条螺旋雨带影响珠江三角洲地区,产生佛山龙卷的雷暴母体是来自第7条影响珠江三角洲的台风外围螺旋雨带。4日15:00产生佛山龙卷的对流风暴还在中山市境内,当时已经具有超级单体风暴特征,最强反射率因子为53 dBZ(图略);随后对流风暴向西北方向移动,强度略有短暂减弱,15:18—15:24风暴进入顺德境内(图略);15:30风暴再次明显加强,从广州雷达反射率因子图(图 5)上能够看到钩状回波,顺德龙卷于15:28前后开始触地,龙卷发生在微型超级单体右后侧的钩状回波顶端附近的弱回波区处;15:36—15:42风暴达到最强,钩状回波特征更加显著,钩状回波顶端为反射率因子最强区域,数值达到65~70 dBZ,其与径向速度图上的负速度大值区相对应,并且靠近TVS的位置,在风暴前进方向右后侧出现入流缺口,低层有明显的弱回波区,对应强的低层暖湿气流入流通道;该时段也正是顺德龙卷强度最强(EF3级)的时段,龙卷出现在钩状回波顶端的强回波处(15:36)或钩状回波顶端附近的弱回波区处(15:42),位于中气旋中心。该微型超级单体风暴主要在15:24—15:48自东南向西北方向影响顺德区(图 5,30 dBZ以下的回波被过滤,下同);15:48—16:00影响禅城、南海区,回波强度略有减弱,16:00后回波强度和影响范围明显减弱,16:12起减弱为普通的对流风暴后进入三水区境内(图略)。

      图  5  2015年10月4日15:30—15:42广州雷达0.5°仰角反射率因子和径向速度

      Figure 5.  The reflectivity and radial velocity of 0.5° elevation by Guangzhou radar at 1530-1542 BT 4 Oct 2015

      由广州雷达径向速度图看到,2015年10月4日15:00在中山市北部已经探测到中气旋,中气旋首先在中低层(2.4°仰角)形成,位于广州雷达站185°方向,46 km处,探测高度2.3 km,最大入流速度和出流速度中心距离约4.4 km,旋转速度为16 m·s-1,属于中等强度中气旋(图略);随后中气旋向西北方向移动并向低层发展,15:06在0.5°仰角上出现中等强度的中气旋,底高0.7 km,正负速度对旋转速度为18 m·s-1;15:18中气旋开始进入顺德南部,强度继续加强,旋转速度达到20.5 m·s-1,接近强中气旋标准,探测高度1.0 km(图略);15:24低层出现强中气旋,最大正速度和最小负速度分别为31 m·s-1和-18 m·s-1,相距约3 km,底高为0.5 km;15:30中气旋结构趋于对称,最大正速度和最小负速度分别为24 m·s-1和-24 m·s-1(图 5);15:36~15:42中气旋强度达到最强,表现为纯粹的辐合旋转,正、负速度均出现速度模糊,旋转速度加快到31 m·s-1,尺度缩小至2 km,并探测到TVS(图 5),其切变值为52 m·s-1,最大正速度和最小负速度对相距约1.0 km,垂直涡度(2×(Vmax-Vmin)/DD为最大正速度和最小负速度之间的距离)达到0.104 s-1,这是一个非常高的垂直涡度值(EF2或以上级龙卷本身的垂直涡度的量级为100 s-1),底高下降到0.4 km以下。15:48后中气旋强度明显减弱。

      在广州雷达基本反射率因子图上,2006年8月4日早晨广东大部分地区被台风外围降水雨带所覆盖,珠江口西侧不断有接近南北向的螺旋雨带北上。07:00—10:00第1条强螺旋雨带北上影响佛山,主要给佛山带来短时强降水,最大小时雨量为86.0 mm;产生佛山南海西樵、丹灶的龙卷雷暴母体是来自第2条北上的螺旋雨带,10:29有一条接近南北走向的螺旋雨带发展,10:41螺旋雨带上回波明显发展加强,反射率因子超过50 dBZ(图略);10:47—10:53最强反射率因子达到58 dBZ,在0.5°仰角反射率因子图上(图 6)可以看到,明显的前侧暖湿气流入流缺口(FIN)及与暖湿气流入流缺口相连的钩状回波特征,10:50后龙卷跳跃式向北移动,10:59前后南海丹灶镇政府再次受龙卷影响,龙卷同样出现在钩状回波顶端附近的弱回波处。

      图  6  2006年8月4日10:47—10:59广州雷达0.5°反射率因子和径向速度

      Figure 6.  The reflectivity and radial velocity of 0.5° elevation by Guangzhou radar at 1047—1059 BT on 4 Aug 2006

      由广州雷达径向速度图看到,2006年8月4日10:29开始探测到中气旋,中气旋同样是先在中低层(2.4°仰角)形成,位于广州雷达站247°方向,48 km处探测高度2.4 km,最大入流速度和出流速度中心距离约2.5 km,旋转速度为12 m·s-1,属于弱中气旋,此时1.5°和0.5°仰角上正负速度值仍较小,属于弱切变(图略);随后中气旋向北移动并且向低层发展,10:35—10:41在低层出现中等强度的中气旋(最大正速度和最小负速度分别为23 m·s-1和-13 m·s-1),旋转速度为18 m·s-1,底高为0.7 km (图略);10:47中气旋强度继续加强,接近强中气旋标准,旋转速度约21 m·s-1(图 6);10:53—10:59出现强中气旋,旋转速度为22 m·s-1,正速度出现速度模糊,10:59在距离广州雷达45 km处(南海丹灶镇附近)探测到像素到像素的风切变,切变约为44 m·s-1,接近TVS标准,此时龙卷已经触地,最大入流速度和出流速度中心相距约1.0 km,对应的TVS垂直涡度约为8.6×10-2 s-1, 该值略小于2015年10月4日龙卷过程对应的TVS垂直涡度,但仍然是非常强的垂直涡度(图 6)。

      对比两次龙卷过程的多普勒径向速度,龙卷均伴随有强中气旋和TVS的出现,但2015年10月4日龙卷的中气旋和TVS强度更强,持续时间更长。这可能意味着中气旋强度尤其是近地面中气旋强度与可能导致的龙卷强度具有一定的关联。更确定的结论需要更多相似个例进一步证实。

    • 表 3给出了2015年10月4日雷达自动识别出15:12—15:48的中气旋特征。可以看到,共有6个体扫出现中气旋特征。在龙卷发生前,风暴单体底高和顶高均快速下降,特别是在龙卷发生前1个体扫15:24—15:30,中气旋底高明显下降,从1.2 km下降到0.7 km,最强切变突增,从0.018 s-1增大到0.049 s-1,通过现场灾害调查确认15:28前后有龙卷生成触地。在龙卷持续期间,中气旋底高维持在0.7 km左右的低值,中气旋最强切变维持在0.04 s-1左右的大值。可见,中气旋在龙卷发生前16 min出现,龙卷触地前后,中气旋底和顶突降、切变突增。

      表 3  2015年10月4日15:12—15:42中气旋特征

      Table 3.  Characteristics of the mesocyclone from 1512 BT to 1542 BT on 4 Oct 2015

      时间 方位/(°) 距离/km 特征底高/km 特征顶高/km 最强切变/s-1
      15:12 195 35 1.60 3.60 0.010
      15:18 203 30 1.40 3.10 0.016
      15:24 213 27 1.20 2.80 0.018
      15:30 225 25 0.70 2.70 0.049
      15:36 243 25 0.70 1.50 0.039
      15:42 256 26 0.70 1.60 0.035

      TVS是在雷达径向速度图上识别出的一种与龙卷紧密关联的比中气旋尺度小而旋转快的涡旋。由表 4同样可以看到,在龙卷触地前1个体扫的15:24,TVS的底高和顶高也显著下降,底高下降到离地只有200~300 m,顶高下降到离地2~3 km,同时TVS最强切变突增,由0.079 s-1增大到0.103 s-1,在龙卷持续期间,TVS最强切变一直维持在0.12 s-1左右的大值。

      表 4  2015年10月4日15:12—15:48龙卷涡旋特征

      Table 4.  Tornado vortex signatures from 1512 BT to 1548 BT on 4 Octo 2015

      时间 方位/(°) 距离/km 特征底高/km 特征顶高/km 最强切变/s-1
      15:12 184 25 0.70 6.95 0.079
      15:18
      15:24 212 25 0.27 2.87 0.103
      15:30 224 25 0.27 2.56 0.122
      15:36 237 24 0.24 1.87 0.128
      15:42 254 24 0.27 2.01 0.115
      15:48 278 26 0.27 4.03 0.126

      表 5表 6分别给出了2006年8月4日离南海西樵丹灶龙卷最近的中气旋、龙卷涡旋特征。可以看到,雷达上能自动识别出来的中气旋和TVS提前量很少,只提前1~2个体扫;中气旋和TVS的底高和顶高均不高,底高在0.6 km左右,顶高在2~4 km之间;风暴单体的最强切变与2015年10月4日龙卷相比,明显弱很多,中气旋最强切变在0.02 s-1左右,TVS最强切变约为0.05 s-1,但可以看到,在龙卷触地前后的10:59,TVS最强切变同样出现急剧增强的现象。

      表 5  2006年8月4日10:41—10:47中气旋特征

      Table 5.  Characteristics of the mesocyclone from 1041 BT to 1047 BT on 4 Aug 2006

      时间 方位/(°) 距离/km 特征底高/km 特征顶高/km 最强切变/s-1
      10:41 266 46 0.60 2.10 0.021
      10:47 272 46 0.60 2.10 0.016

      表 6  2006年8月4日10:41—11:05龙卷涡旋特征

      Table 6.  Tornado vortex signatures from 1041 BT to 1105 BT on 4 Aug 2006

      时间 方位/(°) 距离/km 特征底高/km 特征顶高/km 最强切变/s-1
      10:41 258 46 0.50 3.50 0.051
      10:47 265 46 0.50 2.80 0.044
      10:53 272 46 0.50 2.10 0.038
      10:59 278 46 0.50 2.90 0.063
      11:05 284 47 0.60 2.20 0.060

      可见,两次龙卷过程的风暴单体底高和顶高均非常低,底高为0.2~0.7 km,顶高为2~4 km。当风暴单体底高和顶高快速下降或下降到低谷、风暴单体的最强切变急剧增强时,龙卷正在触地或是正迅速加强。所以,在龙卷多发地区,中等强度以上的中气旋的出现并向下伸展到接近1 km或以下,是发布龙卷预警的重要依据。至于TVS,它或者与龙卷触地同时出现,或者比龙卷触地提前1个体扫出现,不宜作为发布龙卷预警的关键依据,因为绝大多数情况下,为了有效的预警提前量,只能根据中等强度以上的中气旋的出现并向下伸展到接近1 km或以下进行预警。不过,如果预警发出后出现TVS,根据低层中等强度中气旋发布的龙卷警报的命中率会比较高。

    • 为了更好地了解广东台风龙卷与西风带龙卷的雷达回波特征差异,分析台风龙卷2015年10月4日15:36和2006年8月4日10:53以及同样发生在广东佛山的西风带龙卷2011年5月7日18:00龙卷母风暴反射率因子和径向速度(图略)。由反射率因子垂直剖面可知,台风龙卷母风暴发展高度不高,回波顶高基本在10 km以下,50 dBZ以上的强回波主要在4 km以下,呈现出低质心的特点;而西风带超级单体龙卷母风暴回波形态呈穹窿结构,存在高悬的强回波和有界弱回波区,50 dBZ以上的强回波高达10 km,最大反射率因子超过65 dBZ,具有经典超级单体特征。由径向速度垂直剖面可知,台风龙卷环境下龙卷涡旋特征伸展厚度2 km以下,平均直径1.6 km,西风带环境下龙卷中气旋垂直伸展厚度比较大,达到了7 km以上,平均直径为4.5 km。因此,广东台风龙卷母风暴属于低质心强降水微型超级单体,台风龙卷中气旋的尺度更小,垂直伸展高度更低。这也与郑媛媛等[30]获得的结果类似。

    • 目前对于台风龙卷的活动位置及其发生的有利环境已有了较为清晰的成果,基于环境背景场的潜势预报,配合雷达、区域自动气象站等非常规仪器观测,开展台风龙卷的短时临近预警也是可能的。在台风龙卷多发区,在大尺度天气背景及环境条件有利的情况下,如果出现中气旋,并且中等或以上强度中气旋底高扩展到1 km以下,则可发布龙卷预警,未来路径可以参考风暴路径信息产品;当中气旋距雷达60 km以内,可能会在1.5°或2.4°仰角上首先出现中气旋,中气旋出现后,要密切跟踪,达到上述条件,可以发布龙卷预警。

      2015年10月4日15:06在中山北部开始识别出底高低于1 km的中等强度中气旋,直到16:06以后中气旋消失。从在低层开始识别出中等强度中气旋到龙卷发生(约15:28)耗时约22 min。按照目前广东省气象局和佛山市气象局情况(全国其他地区情况类似),从预报员决定发布龙卷警报至信息到达用户或应急部门手中,至少需要15 min,因此,对于2015年10月4日下午佛山顺德EF3级龙卷的可能预警的最长提前时间为7 min。2006年8月4日上午、中午及下午发生的3个龙卷,其能识别出低于1 km的中等强度中气旋的时间分别为10:35,12:58,15:15,从在低层开始识别出中等强度中气旋到龙卷发生(约10:50,13:10,15:25)之间相隔分别约为15,12,10 min。考虑到龙卷警报发布过程至少需要15 min,因此,对上述2006年8月4日相继发生的3个龙卷无有效预警的提前时间量。如果龙卷生命史比较长,上述预警还是有价值的,至少龙卷移动方向下游地区未必知道上游有龙卷发生。自2001年珠江三角洲地区布设多普勒天气雷达以来,只有2015年10月4日的台风龙卷生命史较长,其他台风外围龙卷生命史通常不超过10 min。也就是说,按照目前龙卷警报发布程序和手段,只有对台风彩虹(1522)外围龙卷可能发布有效预警,而对珠江三角洲在2001年以后发生的其他台风龙卷几乎不可能发布有效的龙卷预警。在珠江三角洲地区建立对于台风龙卷的有效预警,需要建立高效的龙卷(包括其他强对流天气如雷暴大风和冰雹)警报自动生成系统和快速发布机制。

    • 通过对发生在广东佛山的相隔9年的两次EF2级或以上台风外围龙卷的环境背景场、与龙卷发生相关的关键环境参数以及多普勒天气雷达资料分析可以得到以下结论:

      1) 两次台风龙卷均发生在登陆台风前进方向右前侧(东北象限)的外围螺旋雨带中。低层辐合、高层辐散及中低空强劲东南急流在珠江三角洲地区上下叠加是产生龙卷的有利天气背景。环境背景差异在于台风彩虹(1522)刚登陆不久,具有更高的组织程度和强度,而台风派比安(0606)已经登陆十几个小时,处于明显衰减阶段。

      2) 环境参数均表现为较小对流有效位能、小的对流抑制、低的抬升凝结高度、强的垂直风切变以及大的风暴相对螺旋度。风暴相对螺旋度越大,出现超级单体或中气旋的可能性越大且强度越强。在台风龙卷高发区,将台风东北象限与风暴相对螺旋度大值区相结合,再综合低层垂直风切变、抬升凝结高度等条件,可在一定程度上确定龙卷可能出现的区域。

      3) 台风彩虹(1522)龙卷和台风派比安(0606)龙卷的母体都是微型超级单体,前者回波强度更强,钩状回波特征更明显;都存在强中气旋和TVS,中气旋和TVS的底高和顶高均很低。差异在于龙卷触地前后,前者中气旋和TVS的底高、顶高出现突降,而后者一直维持在较低高度;两者风暴单体的最强切变均出现剧增,但前者TVS的最强切变更强,比后者大一倍以上。

      4) 在台风龙卷多发区域,若大尺度天气背景及环境条件有利,当中等或以上强度中气旋底高扩展到1 km以下,则可发布临近龙卷警报。就广东省目前的业务平台,台风彩虹(1522)龙卷预警的有效提前时间仅为7 min,而台风派比安(0606)外围几个龙卷的有效预警时间基本没有提前量, 说明台风龙卷的有效预警仍极具挑战,需要建立更加有效的龙卷警报自动生成和发布平台。

参考文献 (40)

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