1713号台风“天鸽”外围龙卷特征及成因分析

2018-05-16屈梅芳赖珍权

气象研究与应用 2018年1期

黄荣，黄晴，屈梅芳，赖珍权

（广西区气象台，南宁，530022）

1 引言

龙卷是一种破坏力极大的小尺度强对流天气，其显著特征是有一条漏斗状云柱从雷暴云底伸展至地面，是一种猛烈的小型涡旋和小型低压系统。EF2级以上的龙卷由于其在地面产生风速极大的旋转风，通常会造成重大的人员伤亡和财产损失，例如2016年6月23日发生江苏省盐城市阜宁县的EF4级龙卷导致99人死亡、数百人受伤，大批建筑和设施被毁。因此龙卷的发生环境和监测预警一直是国内外气象学者重点研究领域之一。研究表明［1-3］，龙卷多发生在西风带低槽或横槽、冷涡等西风带天气系统中，环境大气具有抬升凝结高度较低、中低层比湿较大、0℃以下对流有效位能极端大等特征，超低空强垂直风切变有利于龙卷小尺度涡旋的形成，低层切变线和地面气旋式辐合切变是龙卷风暴可能的触发机制。龙卷通常是由超级单体发展形成，具有低层入流缺口、中高层回波悬垂等经典超级单体的反射率因子特征，雷达速度图像呈现出在深厚强烈的中尺旋里面包裹更小尺度的龙卷式涡旋特征（TVS）［4-5］。此外，有部分龙卷发生台风的外围云带中［6-8］，登陆前或登陆后的台风前部超低空强垂直风切变和极不稳定层结是有利龙卷发生的环境条件，部分台风龙卷也具有中气旋结构、龙卷式涡旋特征（TVS）中，但比西风带的龙卷风暴尺度小，生命史较短。近年来在明显变暖趋势的气候背景下，极端强降水、冰雹、飑线强对流等极端天气事件增多［9-13］，陆地龙卷和水龙卷等事件也时有发生，例如2013年和2015年在柳州和桂林分别发生了龙卷天气，李向红等［14］对这两次龙卷过程进行对比分析，得到了两次龙卷过程环境条件和雷达特征异同点。但总体上广西有记录的EF2级以上的龙卷过程相对较少［15］，在多普勒天气雷达布网以前地面观测网也难以捕捉到α小尺度的龙卷天气，因此针对广西龙卷的研究并不多见，针对广西台风龙卷的分析研究更是几乎为空白。2017年8月23日15时左右，广西玉林市北流市隆盛镇遭受罕见的龙卷风袭击，本文通过常规观测资料、多普勒天气雷达资料和区域加密自动站资料详细分析此次龙卷过程特征和成因，希望通过本文研究可以对广西龙卷研究补充完善，为今后台风外围龙卷预警提供参考。

2 过程天气实况和灾情

受1713号台风 “天鸽”外围强对流云团影响，2017年8月22日下午至8月23日广西自东向西出现大范围的雷暴和雷暴大风天气（图1a），8月22日20时—23日20时全区共有51个县级站观测到雷暴天气和52站次8级（17.2m·s-1）以上雷暴大风，雷暴大风主要出现在桂南、桂西，桂南、桂西大部出现雨量20—40mm·h-1的短时强降水天气（图略），局地雨强超过50mm·h-1。8月23日15时左右，北流市隆盛镇秧道村松花组附近遭到罕见的龙卷风袭击，媒体报道附近居民用手机拍摄到龙卷的漏斗状云已接地的视频（图1b）。事后灾情调查表明，此次龙卷共造成5人受伤，照耀河砂石厂和永基储石场部分机械、临时铁皮顶房屋被毁，一辆越野车被风吹翻，储石场后山腰100多棵松树和速生桉被拦腰吹断。根据“增强藤田级别”对龙卷强度的判定标准［15］，综合认定此次龙卷强度为EF2级，最大风速可能达50～60m·s-1。

图1 （a）2017年8月22日20时—23日20时强对流天气落区（已去除由台风低压引起的大风，仅绘出对流造成的雷暴大风）（b）居民拍摄到龙卷视频截图

3 雷达特征分析

3.1 回波演变特征

此次龙卷发生地距离玉林雷达站约30㎞，位于台风龙卷的雷达有效探测距离内，因此选取玉林雷达资料对龙卷的回波特征进行分析。追踪组合反射率因子（图略）的演变发现，产生北流龙卷的风暴于23日13：07在一条螺旋云带回波前部约50㎞处生成，该对流风暴在东北气流的引导下向西南方向移动，14：05—14：35在容县中部地区强度迅速增强，14：52—14：58 最大反射率因子强度达 60～63dBz。龙卷风暴回波呈块状，尺度约20㎞左右，与普通单体风暴的组合反射率因子回波形态并没有明显区别。从基本反射率因子演变（图2，见彩页）看出，14：35在风暴西南侧识别出中气旋，14：41在前一时中气旋部位从0.5°到2.4°仰角反射率因子都观测到钩状回波，但 “钩状”头部反射率因子强度仅为25～40dBz，较容易忽略。 14：581.5°仰角钩状回波特征更为突出，15：04钩状回波特征减弱，钩状回波特征共持续了4个体扫，其出现时间和维持时段与灾情收集到的龙卷发生时间相当，因此可以认为出现钩状回波后不久龙卷生成，钩状回波减弱消失后，龙卷也快速消亡。14：58沿着钩状回波前沿经过西南部回波主体的作反射率因子垂直剖面（图3，见彩页），显示龙卷风暴具有中高层回波悬垂和有界弱回波区（BWER）等超级单体风暴特征，在悬垂强回波中有一个细长倾斜的回波柱连接到低层钩状回波并已接地，从龙卷周边居民手机拍摄的视频资料可见龙卷风典型的“漏斗云”已接地（图1b），可以判断倾斜回波柱为龙卷的漏斗状云柱。龙卷回波顶高9㎞，垂直伸展高度不超过10㎞，与郑媛媛等［16］分析的台风龙卷的雷达回波结构相似，属于微超级单体风暴。

3.2 中气旋和TVS特征

龙卷的发生发展与中气旋的发展是密切相关的。14：35玉林雷达中气旋产品首次在编号O9的风暴中标记出中气旋，之后在14：46、14：58识别出中气旋。14：352.4°仰角径向速度图上显示大范围的环境风场为东北气流，中气旋负速度中心为-22m·s-1，正速度中心约为6m·s-1，旋转速度为14m·s-1。中气旋距离雷达约39㎞，属于弱中气旋。14：462.4°仰角中气旋负速度中心为-22m·s-1，正速度中心约16m·s-1，旋转速度达 19m·s-1，中气旋距离雷达约 31㎞，为中等强度中气旋，同时在风暴中首次识别出TVS，在0.5°仰角到6.0°仰角都可以看到相邻像素之间正负速度的切变，最强的速度切变位于约3.3㎞高度。14：52雷达算法没有识别出中气旋，也没有识别出TVS，经分析这是由于0.5°仰角钩状回波区域对应的径向速度退速度模糊失败（显示为被紫色区域覆盖），不满足TVS算法要求切变达到0.5°仰角或高度低于 600m 的标准［17］，但在 2.4°～6.0°仰角都有相邻方位角正负速度的切变，说明龙卷风暴中维持强烈的小尺度旋转气流。14：58在钩状回波头部对应位置雷达再次识别出TVS（图2e，见彩页），速度图上从0.5°到6.0°仰角都存在相邻方位角的正负速度切变，通过PUP四分屏显示（图略）TVS由低层到高层偏移向西南侧约2㎞，2.4°仰角切变速度达到38m·s-1，表明此时龙卷的小尺度涡旋气流非常强烈。对中气旋底高和顶高进行分析（图4，见彩页）表明，14：35—14：58中气旋底高略有升高，顶高从2.4㎞显著升高到4.6㎞，已发展为深厚的中气旋。但与已有研究成果认为龙卷接地是伴随着中气旋底高不断降低过程的结论不同［18］，经分析这是由于14：35和14：46识别出的中气旋位于钩状回波附近，而14：58识别出的中气旋位于龙卷母体风暴中部（图2e，见彩页），因此中气旋高度变化未能反映出龙卷漏斗云高度降低的过程。位于钩状回波的头部的TVS切变底部高度14：58为0.4㎞，相比14：46时下降了0.2㎞，与龙卷漏斗状云柱高度逐渐下降接地的趋势一致。

图5 2017年8月23日14：35—14：58龙卷中气旋顶高、底高和TVS切变底高时间变化

4 龙卷成因分析

4.1 环境条件分析

2017年第13号台风“天鸽”（路径见图6）于8月20日14时在台湾东南部洋面上生成，之后向西偏北方向移动进入南海北部，强度逐渐加强，22日15时加强为台风，23日07时加强为强台风。23日08时500hPa天气图（图6）显示，强盛的西太平洋副热带高压控制我国江南地区和高原东部，高压中心达596hPa，588dagpm等值线呈虎口状，西脊点位于90°E附近，中纬度地区无西风带系统，没有明显冷空气影响。此时台风中心位于距离广东省珠海市东南部约130㎞的洋面，强度为强台风级，广西位于台风倒槽西北侧，受风速12～18m·s-1东北气流控制，在广东和广西交界附近存在风速的辐合。700hPa和850hPa形势（图略）与500hPa类似，广西大部为东北气流影响。“天鸽”于23日12时50分以强台风级在广东省珠海市沿海一带登陆，登陆时中心附近最大风力 14级（45m·s-1），登陆后继续向西北移动，14时台风强度仍为强台风级，中心位于广东省台山市境内，距离龙卷发生地约235㎞，广西仍位于台风倒槽西侧。

选取阳江、梧州、北海三个探空站资料分析此次龙卷发生前的环境场热力条件（表1），可以看出梧州站（距离龙卷发生地约130㎞）具备更有利的对流不稳定条件：K指数达到43℃，CAPE达到了1466J·kg-1，SI指数达到-3.41，强天气威胁指数（SWEAT）超过300，同时抬升凝结高度为988hPa，对流抑制能接近为0J·kg-1。 925hPa 气温 24℃，比湿达到 19g·kg-1，850hPa比湿也达到17g·kg-1，探空层结曲线显示显著的湿层从近地面延伸到约400hPa。这些物理量特征参数表明，梧州附近环境大气处于高温高湿、强烈的对流性不稳定状态，很低的抬升凝结高度、中等强度以上的CAPE等环境条件与西风带龙卷发生的环境条件相似。雷达的VWP产品具有高时空分辨率的优点，因此利用玉林雷达VWP产品来分析龙卷发生地的垂直风切变条件，由于雷达VWP无地面风场，故采用0.3㎞高度和1.2㎞高度风来计算低层垂直风切变。23日08时，0.3㎞高度风为西北风，风速为 4m·s-1，1.2㎞高度风为东北风，风速为 10m·s-1，相应的0.3～1.2㎞风切变为8×10-3s-1。14时随着台风外围东北气流向广西东部输送，边界层风速明显增大，0.3㎞高度风速为 6m·s-1，风向为 315°，1.2㎞高度风速为 14m·s-1，风向为 45°，0.3～1.2㎞风切变为10.8×10-3s-1，达到台风龙卷的环境0～1㎞切变阈值10-2s-1，因此显著增强的低层垂直风切变是形成龙卷的主要动力条件［16］。

图6 2017年8月23日08时500hPa形势场及8月20日14时—8月23日20时台风路径

表1 2017年8月23日08时北流临近探空站点不稳定参数

4.2 触发条件分析

通过地面区域加密自动站和雷达资料分析此次龙卷的触发机制。23日11时（图略），广西西部和东南部地面相当位温较08时显著增大，形成一条由西向东的暖舌，同时在梧州至南宁一带东北气流和偏西气流汇合，形成一条中尺度辐合线，在北流隆盛镇产生龙卷的风暴于13时左右在地面辐合线附近生成。14时（图7，见彩页），随着台风中心向西北移动，中尺度地面辐合线略向南压，北流位于386K的相当位温暖中心附近，大气不稳定度进一步增大，风暴14时移入容县中部地区后强度迅速增强，在北流附近高温高湿和较强的低层垂直风切变的环境下最终发展为龙卷。15时以后，龙卷风暴在环境较强东北气流的引导下快速向西南移动远离地面辐合线，综合分析此次龙卷发生地附近的地形条件发现，龙卷发生和移动都在山地丘陵地带，而高原、山地的地形不利于龙卷发展增强［15］，两个因素综合可能是该龙卷持续时间较短原因之一。

5 结论和讨论

（1）此次龙卷过程发生在1713号台风“天鸽”外围螺旋云带前部，距离台风中心约235㎞。物理量分析表明广西东南部具有较大的不稳定度能量，环境大气处于强不稳定状态，抬升凝结高度较低，低层垂直风切变较大，具有利于龙卷发生的环境热力和动力条件。中尺度地面辐合线触发出新生对流单体，该对流单体在高温高湿和强的低层垂直风切变的有利环境下最终发展为龙卷，但由于龙卷发生在山地丘陵地带，生成后快速远离辐合线和不利的地形条件可能是该龙卷持续时间较短原因之一。

（2）此次龙卷为尺度约20㎞的微超级单体风暴，具有低层钩状回波、中高层回波悬垂和有界弱回波区（BWER）等典型超级单体特征，垂直伸展高度仅9㎞。低层钩状回波持续了4个体扫，低层钩状回波的演变与龙卷的生消密切相关，出现钩状回波后不久龙卷生成，钩状回波减弱消失后，龙卷也快速消亡。

（3）中气旋先于低层钩状回波出现，钩状回波形成于强中气旋附近，龙卷发生时中气旋底高在2㎞左右，TVS切变底部高度0.5㎞左右并且不断下降，与龙卷漏斗状云柱高度逐渐下降接地的趋势一致。

需要注意的是，此次台风龙卷仅从组合反射率因子形态与普通单体风暴的回波并没有明显区别，出现TVS到龙卷接地的时间很短暂，考虑到雷达观测传输和算法必要的运行时间导致产品不可能立即到达预报员桌面，因此要对此次龙卷进行提前预警是很困难的。在实际业务中需要密切关注中气旋的发展，当出现强中气旋，且出现TVS和低层钩状回波时，需特别警惕出现龙卷的可能性很高，及时开展实况预警。受雷达观测技术条件等多方面因素的制约，雷达TVS算法也存在较高的虚警率，目前龙卷的准确预警仍是一个难题。本文对台风龙卷的发生环境探讨还较初步，还需要利用更细致的中尺度观测资料或中尺度数值模拟作进一步分析研究。

参考文献：

［1］姚叶青，郝莹，张义军，李劲，刘高平，邱学兴，余金龙，刘远永.安徽龙卷发生的环境条件和临近预警［J］.高原气象，2012，31（6）：1721-1730.

［2］王宁，王婷婷，张硕，慕秀香，杨秀峰.东北冷涡背景下一次龙卷过程的观测分析［J］.应用气象学报，2014，25（4）：463-469.

［3］张小玲，杨波，朱文剑，方翀，刘鑫华，周康辉，蓝渝，田付友.2016年6月23日江苏阜宁EF4级龙卷天气分析［J］.气象，2016，42（11）：1304-1314.

［4］俞小鼎，郑媛媛，廖玉芳，姚叶青，方翀.一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究［J］.大气科学，2008（3）：508-522.

［5］郑艳，俞小鼎，任福民，蔡亲波.海南一次超级单体引发的强烈龙卷过程观测分析［J］.气象，2017，43（6）：675-685.

［6］蒋义芳，吴海英，沈树勤，刘安宁.0808号台风凤凰前部龙卷的环境场和雷达回波分析［J］. 气象，2009，35（4）：68-75＋130-131.

［7］郑峰，钟建锋，张灵杰.超强台风“圣帕”引发温州类龙卷的特征分析［J］.高原气象，2012，31（1）：231-238.

［8］李彩玲，炎利军，李兆慧，麦雪湖，黄先香.1522号台风“彩虹”外围佛山强龙卷特征分析［J］.热带气象学报，2016，32（3）：416-424.

［9］罗红磊，何洁琳，李艳兰，等.气候变化背景下影响广西的主要气象灾害及变化特征［J］.气象研究与应用，2016，37（1）：10-14.

［10］农孟松，祁丽燕，黄海洪，邓汝伊，班荣贵.桂西北一次超级单体风暴过程的分析［J］.气象，2011，37（12）：1519-1525.

［11］杨思施，黄开刚，刘国忠.2013.3.23百色市致灾冰雹天气过程成因分析［J］.气象研究与应用，2015，36（2）：43-46.