台风“艾云尼”（2018）外围两次近距离龙卷的环境条件和雷达特征

2019-09-25李彩玲吴乃庚王硕甫蔡康龙李兆明

热带气象学报 2019年4期

李彩玲，吴乃庚，王硕甫，蔡康龙，李兆明

(1.佛山市气象局/佛山市龙卷风研究中心，广东佛山528000；2.中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室，广东广州510641)

1 引言

龙卷是破坏性极强的灾害性天气，可造成重大的人员伤亡和财产损失。我国是龙卷高发地区，不少学者对我国龙卷及其灾害的特点、成因等进行了研究。魏文秀等[1]、范雯杰等[2]对我国1980—1993年的龙卷分布情况和1961—2010年EF2级以上龙卷的统计结果显示，中国有两个龙卷多发带，一个是自长江三角洲经苏北平原至黄淮平原，另一个是在广东和广西，而广东省珠江三角洲（简称珠三角，下同）地区地势平坦，喇叭口地形和西北高东南低地势容易触发强对流天气，也有利于龙卷的生成；文献[3-10]对中国龙卷天气进行了个例分析和气候统计研究，指出有利于龙卷发生的环流背景及中小尺度对流系统的特征；文献[11-18]针对龙卷和相关风灾天气进行详细的现场调查和分析工作，指出通过现场调查判断风灾类型的技巧和不同角度揭示了龙卷的雷达特征和致灾机理等。

部分龙卷的产生与台（飓）风有关，已有研究指出日本和美国分别有40%、59%的登陆台风会产生龙卷[19-20]。北美的飓风龙卷研究表明，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[21-23]，而相对于飓风中心东北象限是龙卷最多发的区域[24]。郑媛媛等[9]对2005—2014年我国东部10个台风龙卷的环境背景和F2-F3级以上龙卷过程雷达回波结构进行了统计，并与西风带龙卷的特征进行初步对比指出台风龙卷大多出现在台风前进方向的东北侧，位于0～1 km垂直风切变和相对风暴螺旋度大值区，引起在台风龙卷的风暴属于微超级单体风暴，台风龙卷的中气旋比西风带龙卷的中气旋尺度小，伸展高度低。华南是台风龙卷比较高发的区域，王东海等[25]研究指出，华南地区强龙卷超过一半发生在台风外围环流中，且台风外围龙卷属于浅对流龙卷。通过对影响珠三角佛山地区龙卷统计表明，影响佛山的台风龙卷绝大部分发生在距离台风中心360～550 km的右前象限，且产生于台风的减弱阶段，龙卷与强的低层垂直风切变关系密切[26-29]。

这些研究成果对推进台风龙卷的预报预警提供了很多有益的参考，但龙卷突发性强、尺度小、发展迅速，对龙卷的深入细致认识仍然十分不足、龙卷预警能力提升仍是科研和业务的难点，利用更高精度的现代探测设备加强其精细特征研究，对龙卷的监测预警能力提升十分重要。为加强中小尺度强天气监测能力，广东省在2014年通过珠澳合作的国内首部业务S波段双偏振天气雷达投入运行，并于2015—2018年陆续开展了对省内8部单偏振雷达进行了双偏振升级。针对龙卷频发的佛山地区，在佛山的三水、南海、顺德、高明四个区建成了4部X波段双偏振多普勒天气雷达（图1），并于2018年3月完成了4部雷达的组网建设，实现了时间分辨率小于1 min、空间分辨率达75 m，雷达间距小于50 km的X波段双偏振多普勒雷达网。这些新一代雷达网建设，为进一步加强珠三角龙卷的监测预警和分析研究提供了良好的探测条件。

2018年6月8日，在距台风“艾云尼”中心80 km、160 km的广州市南沙区横沥镇、佛山市南海区大沥镇罕见地先后出现了近距离台风龙卷天气（以下分别简称南沙龙卷和南海龙卷）（图1）。南沙龙卷发生地距离广州S波段双偏振雷达（以下简称广州雷达）约30 km，距离南沙风廓线雷达10 km；南海龙卷发生地距离广州雷达约26 km，距离南海X波段双偏振雷达（以下简称南海雷达）约13 km，距离三水风廓线雷达约26 km。这些新一代雷达设备布网为细致分析两地台风龙卷特征提供了非常好的观测基础。本文使用地面自动气象站、加密探空、风廓线雷达等观测资料对两地龙卷发生前后的环境条件进行分析，重点使用广州雷达和佛山四部X波段雷达（组网）资料对两次台风近距离龙卷的中小尺度雷达特征进行分析，并对比两地龙卷过程雷达特征差异，以期为今后台风龙卷的精细监测预警提供参考依据。

2 龙卷现场调查和环境条件分析

2.1 龙卷现场调查

由于我国龙卷灾情调查标准正在制定中，文中采用美国天气局2007年起启用的“增强藤田级别”（Enhanced Fujita Scale，EF-Scale）对龙卷强度进行定级，“增强藤田级别”将龙卷强度分为EF0、EF1、EF2、EF3、EF4、EF5 共 6 个等级[30]，其中 EF1级对灾情的主要描述包括：中等破坏。棚舍倒塌，刮掉质量较差房屋（木质棚屋、活动板房等）的屋顶表面；车拖活动房屋被推倒；金属结构房屋的天花板或墙板被吹走；不结实的木质电杆、路灯被摧毁，高压铁塔有所损坏；软木类树木断、折；硬木（多为阔叶树）类树木被连根拔起等。

2018年6月8日凌晨01:40左右（北京时，下同），广州市南沙区横沥镇云水雅苑及附近工地遭受龙卷袭击，8日上午由广东省气象局、广州市气象局、南沙区气象局、佛山市龙卷风研究中心共同组成的调查组前往龙卷发生地进行实地调研。由于龙卷发生在凌晨，调查组走访了多位亲历者，均表示没有拍摄到龙卷的视频和照片。通过调阅龙卷发生地周边监控视频，发现位于云水雅苑大门东北向的监控摄像头拍摄到龙卷来时路灯断电、风向迅速转换以及飞屑物逆时针旋转等龙卷风灾特征（图2）。灾情调查现场可见，铁皮厂房倒塌，移动板房吹翻，水泥电线杆吹断，树木连根拔起或折断等特征，根据“增强藤田级别”标准判断南沙龙卷强度为EF1级。6月8日14：03佛山市南海区大沥镇沥东社区博美铝材五金城遭受龙卷袭击，佛山市气象局15:30收到龙卷目击者报料视频后立即组成调查组前往受灾现场进行调研，并于9—11日多次前往龙卷发生地调研。从目击者拍摄的视频和描述得知（图3），视频拍摄到龙卷在五金城上空掀起铁皮的镜头，由于当时雨大，拍摄距离较远，且龙卷持续时间很短，拍摄背景灰暗，看不到龙卷的漏斗云结构，但可辨认有多块铁皮逆时针方向旋转，随后落下。五金城西南向摄像头拍摄到风向短时间内迅速逆时针转换。通过走访多位目击者印证了龙卷的触地点在萱琳铝业装饰材料店屋顶附近，龙卷卷起屋顶石棉瓦和轻薄铁皮，此时强度为EF0级，向东北方向移向五金城过程中加强，在五金城掀翻了金属结构的厂房屋顶，此时强度达到EF1级，随后减弱消失。

图1 台风“艾云尼”路径和外围龙卷发生地以及广州、佛山雷达观测设备分布

图2 2018年6月8日南沙龙卷影响范围、路径和强度定级红色箭头为龙卷移动路径，黑色虚线为龙卷影响范围。

调查组通过查看受灾现场破坏程度、走访目击者、多渠道获取视频照片资料等方式判断：南沙龙卷自东南向西北方向移动，路径长度约1 100 m，最宽影响直径约200 m，影响时间约40 s，强度为EF1级；南海龙卷自西南向东北方向移动，路径长度约380 m，影响时间约30 s，强度为EF1级。两地龙卷均为台风外围龙卷，影响时间短、范围小、强度弱。

图3 2018年6月8日南海龙卷影响范围、路径和强度定级红色箭头为龙卷移动路径，黑色虚线为龙卷影响范围。

2.2 环境条件分析

2018年第4号台风“艾云尼”6月7日20：30在广东阳江海陵岛登陆，登陆时中心附近最大风力8级，7日夜间到8日“艾云尼”向东北方向移动，珠三角受“艾云尼”东侧东南到偏南气流影响，强降雨区从南部沿海向广东省中北部一带推进，南沙和南海的龙卷先后发生在台风外围环流中。其中，南沙龙卷发生在台风中心右前方约160 km的螺旋雨带中（图4a），南海龙卷发生在台风中心右后方约80 km的螺旋雨带中（图4b），两地龙卷发生时间相隔12 h。分析7日20时—8日08时大尺度环境条件可见（图4c、4d），200 hPa高空槽在广西中部缓慢东移，广东省处于槽前辐散区，且珠三角存在风速辐散，高层辐散条件对强对流发生十分有利；台风环流东侧的珠三角中低层偏南急流进一步北推，西南急流和东南急流在珠三角附近汇合；同时低层850 hPa、925 hPa温度露点差＜1℃，水汽十分饱和。南沙龙卷发生前（7日20时）850 hPa偏南急流和925 hPa东南急流在南沙南部辐合，地面中尺度辐合线位于广东省南部沿海一带，南海龙卷发生前（8日08:00），低层西南急流和东南急流辐合区北抬至佛山南部一带，地面辐合线在广东省中部。从两地龙卷发生前中尺度区域自动气象站风场分析看（图4a、4b），8日01:36南沙区横沥镇附近处于东北风和偏东风辐合区，14:00南海区大沥镇处于东南风、偏东风和东北风辐合区。综上所述，6月8日珠三角低层辐合、高层辐散环流特征为龙卷的发生提供了十分有利的天气形势条件，且水汽饱和，两地龙卷发生前中低层偏南或西南急流和东南急流在龙卷发生地附近交汇，龙卷发生在地面中尺度辐合线附近。

为了分析两地龙卷发生前大气热力和动力条件，选取距离南沙最近的香港探空站和距离南海最近的清远探空站资料进行分析（表1），两地龙卷发生前6 h整层比湿积分＞5 500 g/kg，强天气指数＞270，抬升凝结高度（LCL）966～993 hPa，约400～500 m，属于很低的抬升凝结高度；CAPE值不大，介于26～873 J/kg之间，属于弱对流有效位能，可能与两地龙卷发生前均已出现明显降雨，消耗掉部分有效位能有关。俞小鼎等[31]研究曾指出，有时发生龙卷的对流有效位能不大，但只要垂直风切变很大，仍然可以产生超级单体风暴，引起龙卷的发生。

图4 区域自动气象站风场和雷达组合反射率拼图（a.6月8日01:36；b.6月8日14:00）和基于地面、探空观测的中尺度分析图（c.6月7日20:00；d.6月8日08:00）

龙卷通常发生在低层垂直风切变很大的环境中。为进一步了解龙卷发生的垂直风切变条件，计算南沙风廓线雷达和三水风廓线雷达龙卷发生前后的0～1 km、0～3 km垂直风切变（图5）。南沙龙卷发生前（图5a）的8日00:00—02:00，南沙低层的0～1 km、0～3 km垂直风切变都很强，0～1 km 大于 15×10-3s-1，0～3 km 大于8×10-3s-1，且在01:30南沙龙卷发生前上空的垂直风切变有显著剧增的特征，达到最高峰值（35×10-3s-1～40×10-3s-1），龙卷发生之后垂直风切变逐渐下降。南海龙卷发生前（图5b）的 8日 12：00—12：30，三水 0～1 km、0～3 km垂直风切变同样出现了剧增过程，此时间段佛山虽然没有收到龙卷报告，但低层强的垂直风切变利于中气旋的加强和发展，台风外围螺旋雨带中有多个超级单体风暴自西南向东北方向移动影响佛山地区。13:30—14:00，三水0～1 km、0～3 km垂直风切变有第二次剧增过程，垂直风切变分别超过15×10-3s-1和 6×10-3s-1。可见，两地在龙卷发生前低层垂直风切变均处于大值，且在龙卷发生前30～60 min有剧增过程，这种环境下有利于水平涡度随上升气流转化为垂直涡度，垂直涡度发生扭曲旋转，导致中气旋的发生发展，有利于龙卷的发生。

黄先香等[32]曾统计分析指出珠三角台风外围龙卷通常发生在台风环流的东北象限，龙卷发生地与台风中心相距360～550 km，而这次两地台风外围龙卷发生地距离台风中心相对较近，南海龙卷甚至发生在台风环流的东南象限。从大尺度环境条件和对流参数看，6月8日珠三角处于台风东侧，有强的低空急流和充沛的水汽输送，中低层有明显的辐合区，龙卷发生地附近地面有中尺度辐合线，强对流威胁指数很大，且具有低的对流抬升凝结高度，虽然对流有效位能（CAPE）不高，但低层垂直风切变足够强，这些环境条件、对流参数与文献[26-29]对影响佛山的龙卷个例和统计结论基本一致。

3 广州S波段双偏振雷达资料分析

3.1 南沙龙卷雷达特征

影响南沙龙卷的风暴单体在8日01:00进入南沙区万顷沙镇，位于广州雷达东南方约56 km处，此时反射率因子强度已达50 dBz（图6a），径向速度图上对应＞27 m/s的东南风急流（图6b）。该风暴单体自东南向西北方向移动，强度逐渐加强，01:24—01:36强度接近 55 dBz（1.5 °仰角），达到最强（图6c、6d），01:42强度减弱；沿雷达径向做反射率因子的时间剖面（RCS时间序列图）可见（图6e），01:12—01:18风暴单体发展，低层有入流缺口（白色箭头），回波发展高度较低；01:24出现钩状回波特征，低层2.0 km以下有明显的有界弱回波区（BWER）（图6e白色圈），中层回波悬垂结构明显；01:30—01:36强度维持在55 dBz以上，但≥50 dBz强回波核心下降，有界弱回波区缩小，上升气流减弱，01:42回波强度减弱，有界弱回波区消失。可见南沙龙卷发生（01:40）前，风暴单体强度增强，龙卷发生时上升气流减弱，强回波核心下降。

表1 香港和清远探空站的环境参数

图5 6月8日广州南沙(a)和佛山三水(b)风廓线雷达的低空垂直风切变时间演变图横坐标上的黑色倒三角为龙卷发生时间标识。

图6 a～d.广州雷达 1.5 °反射率因子和径向速度图(a.01:00；b.01:00；c.01:24；d.01:36)；e.沿雷达径向做反射率因子的时间剖面图。

图7可见，01:00—01:18中气旋左侧速度由朝向雷达转为小的离开雷达速度，表明中气旋旋转气流增强，逐渐能克服风暴移动对其带来的影响，同时中气旋直径缩小，径向直径大于方位角直径，呈椭圆状。01:24中气旋进一步加强，由椭圆形发展为圆形，表现为气旋式辐合，有利于对流风暴的进一步发展或维持，旋转速度加强到15 m/s；01:30—01:36中气旋直径由2.3 km缩减到2.0 km，底高由0.58 km下降到0.52 km，旋转速度为15.3 m/s，接近中等强度中气旋，处于最强盛阶段，01:42中气旋强度明显减弱。由于速度模糊，雷达的中气旋算法未能自动识别中气旋，通过人工识别中气旋可见，此次中气旋核心高度低，0.5°仰角中气旋特征较1.5°仰角明显。南沙龙卷发生在01:36—01:42之间，01:36中气旋位置离横沥镇云水雅苑较近（黑色倒三角为龙卷发生地附近），可见龙卷发生时中气旋强度接近中等强度，直径最小，底高最低。

图7 6月8日01:00—01:42广州雷达0.5°仰角径向速度图(退模糊后)

3.2 南海龙卷雷达特征

6月8日中午到下午，台风外围螺旋雨带中不断有一些强度较强的对流单体自西南向东北方向移动影响佛山市，13:30起位于顺德区乐从镇境内的对流单体明显加强（距广州雷达西南偏西方向约30 km），回波强度＞50 dBz，对应径向速度图上有一旋转速度为10 m/s的正负速度对。13:30—13:36（图略）最强回波强度50～55 dBz，强度≥45 dBz的回波伸展到4～5 km，强度≥50 dBz强回波高度发展到3 km，低层2 km处有弱回波区；沿雷达径向做反射率因子的时间剖面（图8a）可见，13:42—14:00发展为微型超级单体风暴，最强回波强度55～60 dBz，有界弱回波区明显，其中在龙卷发生前两个体扫（13:54—14:00）达到最强盛，强度≥45 dBz的回波高度发展到7 km，强度≥50 dBz的回波高度达到3 km。紫色圆点和黑色圆点分别表示45 dBz、50 dBz强回波顶高，从曲线变化趋势可见，龙卷发生前强回波顶高升高，到14:00达到最大值，14:06龙卷风发生后，强回波高度明显下降，有界弱回波区消失。

沿中气旋中心垂直于雷达径向做径向速度图的剖面图(雷达在垂直于纸方向的外面)（图8b），13:30—13:48中气旋伸展高度由2 km伸展到3 km，旋转速度由10 m/s增加到13 m/s，发展为弱的中气旋；13：54雷达算法自动识别出中气旋，此时中气旋直径3 km，最强切变18×10-3s-1，底高0.7 km，13：54—14：00 中气旋发展到最强盛，旋转速度16 m/s，达到中等强度，中气旋顶高急剧下降，由3 km下降到1 km，直径减小到2 km左右，底高400 m以下，14:03龙卷发生，14:06中气旋旋转速度减弱。可见与南海龙卷相关的中气旋从中层发展，强度加强，达到中等强度中气旋伴随直径缩小，顶高下降时龙卷发生。

图8 6月8日13:42—14:06广州雷达反射率因子和径向速度剖面图

3.3 两地龙卷雷达特征异同

引起两地龙卷的超级单体风暴最强反射率因子强度55～60 dBz，中气旋尺寸2～3 km，底高0.6 km以下，回波伸展高度在13 km以下，50 dBz强度回波伸展高度在4 km以下，强回波质心高度在2 km以下，风暴单体的发展高度低，尺度小，为台风外围微型超级单体风暴。广州雷达能提前15～20 min监测到龙卷风暴垂直方向上的悬垂结构、入流缺口和有界弱回波区。

南沙龙卷中气旋产品没能自动识别中气旋，龙卷发生前16 min监测到钩状回波以及有界弱回波区特征，龙卷发生前4～16 min中气旋强度最强，接近中等强度，中气旋核心高度低，龙卷发生在中气旋直径紧缩底高下降阶段。南海龙卷，广州雷达在龙卷发生前9 min雷达算法自动识别中气旋，龙卷发生在强回波顶高急剧下降，中气旋直径紧缩下降阶段。

4 佛山X波段双偏振雷达探测分析

目前双偏振雷达在龙卷监测上的主要应用是捕捉龙卷碎片特征（TDS），TDS通常是在龙卷发生区域对应有高的反射率因子（Z），低的差分反射率（ZDR）和低的零相关系数（CC）[33-34]。但是是否能监测到TDS特征通常与龙卷强度、发展高度以及与雷达距离和方位等多方面因素相关，这次两地龙卷广州雷达和南海雷达均没有探测到TDS。相关研究结果[33-35]指出，中气旋及超级单体有明显的双偏振参量特征，超级单体风暴中低层可观测到大的ZDR弧、KDP弧，中高层有ZDR和KDP柱等特征，这些特征与强的底层入流或上升气流有关，也与强的垂直风变化和风暴相对螺旋度有关，可为预报员提供风暴强度趋势的判断。南海雷达采用快速扫描模式（扫描1.8°和2.8°两个仰角），以下重点分析南海雷达对南海龙卷风暴在中低层的探测优势。

从图9可见，南海雷达在13：34—13：36监测到乐从境内的风暴单体第1次明显加强，最强反射率因子强度为50～55 dBz，有钩状回波特征，单体右后侧有明显的入流缺口，对应在径向速度图上是＞27 m/s的东南风急流（退模糊后速度）。分析差分反射（ZDR）和差分相位移（KDP）1 km高度的CAPPI可见，有＞3 dB的ZDR弧和＞7 deg/km的KDP弧，在风暴入流缺口对应是4～5 dB的ZDR大值，推测可能是强的上升气流把大的降水粒子托住，导致ZDR出现大值[33-36]，这表明超级单体风暴在强的入流一侧配合有强的上升气流，有利于风暴单体的进一步发展。13:48—13:56是风暴单体第2次快速加强阶段，此时最强反射率因子强度为55～60 dBz，钩状回波、入流缺口特征更明显，对应中气旋为辐合式中气旋，直径由3 km缩减到2 km，核心高度由1 km降低到0.6 km，正负速度差增大，旋转速度为19 m/s，达到中等强度中气旋；13：55（图10），1 km高度的ZDR和KDP分析可见，在超级单体前悬回波南侧有强度为2～3 dB的ZDR弧，钩状回波尾端有强的KDP脚，研究表明，一般这种双偏振特征发生在龙卷发生前，ZDR弧和KDP脚与强的垂直风变化和风暴相对螺旋度有关[35]。13:57—14:03反射率因子强度维持，但钩状回波结构逐渐消失，中气旋直径由辐合式中气旋转为辐散式中气旋，旋转速度为16 m/s，南海龙卷发生在14:03前后，14：04起中气旋迅速减弱。

从风暴最强盛阶段13:55的雷达反射率拼图和1 km高度的风场反演分析可见（图11），风暴处于西南风、偏南风和偏东风辐合处，在钩状回波的末端，有一明显涡旋存在，风向有较大的切变，这与中气旋结构和位置吻合，遗憾的是南海雷达垂直方向上资料缺失，我们没法分析更多垂直方向上的结构。

南海X波段雷达由于探测精度高，时间更新快，监测到南海龙卷风暴更详细的发展变化情况：龙卷发生前30 min监测到超级单体风暴钩状回波、入流缺口、东南急流等特征，配合差分反射率（ZDR）和差分相位移（KDP）等双偏振量分析出强的上升气流。在龙卷发生前8 min钩状回波特征进一步加强，ZDR弧和KDP脚特征与强的垂直风变化和风暴相对螺旋度有关，可作为强风暴进一步发展的预报指标。