台风山竹(1822)龙卷的双极化相控阵雷达特征

傅佩玲 胡东明* 黄 浩 张 羽 田聪聪

1)(广州市气象台，广州 511430) 2)(南京大学，南京 210023)

引 言

龙卷是强对流中致灾性最强的天气现象之一，具有尺度小、突发性和破坏性超强的特点，其监测与机理研究是世界难题。广东省特别是珠江三角洲地区是龙卷风高发区，其中一部分发生在热带气旋外围雨带上，也称为台风龙卷，影响范围虽小，但来势凶猛，往往导致严重局地灾害，如2006年8月4日佛山市5处受到台风派比安(0606)龙卷袭击，导致10人死亡、172人受伤，直接经济损失超过2亿元[1]；2015年10月4日台风彩虹(1522)外围螺旋雨带中多个龙卷分别袭击佛山、广州番禺以及汕尾海丰等地，导致7人死亡、214人受伤，经济损失达3亿元[2-3]。提高对小尺度强对流系统的监测能力，挖掘其内部细微结构特征是目前亟待解决的问题。

目前国内有关台风龙卷的研究仍处于起步阶段，研究大多关注天气尺度环流背景,不同于非台风龙卷常和西风带系统相关联[4-8]，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[9]；台风龙卷一般产生在台风减弱阶段，与强低层风切变关系密切，喇叭口地形等也起一定作用[10-11]；台风龙卷发生环境通常伴随充沛水汽和较强低空急流，另外，低抬升凝结高度、低层高度不稳定、低层对流有效位能和中低层明显辐合与正涡度均有利于龙卷发生[10-13]。基于多普勒天气雷达的研究表明：台风龙卷的雷达回波特征通常伴随龙卷的微型超级单体结构、中气旋和龙卷涡旋特征[14-16]，且台风龙卷的初生和中气旋的加强有密切联系[17]。何彩芬等[18]、蒋义芳等[19]分析台风前部龙卷个例，指出强钩状回波和正负速度中心和强切变是多普勒雷达回波特征。黄先香等[1]比较相似环境场中不同强台风龙卷的关键物理量参数和龙卷母体风暴特征，指出风暴相对螺旋度、低层垂直风切变和抬升凝结高度是关键环境参数。郑媛媛等[13]指出台风龙卷中气旋的尺度更小，垂直伸展的高度更低。

龙卷这类尺度小、致灾性强的天气系统，尺度为几十米至1 km，持续时间约为10 min。目前业务中使用的多普勒天气雷达(CINRAD/SA)6 min和1 km 的观测时空分辨率不足以识别和分析这类强天气系统[20-23]。近年对相控阵雷达的研究增强了对中小尺度灾害性天气的可探测性[24-25]。广州市气象局2018年引入X波段双极化相控阵雷达，径向分辨率为30 m，垂直方向为17层不间断扫描(0.9°～29.7°)，在探测龙卷、局地强降水强风暴等中小尺度致灾天气方面具有重大优势[26]，是强天气监测中传统多普勒天气雷达的重要补充，弥补了S波段雷达低空区域的观测盲区，可通过灵活的扫描方式迅速获得垂直方向的精细探测，取得高精度高密度探测结果。本文选取2018年9月17日台风山竹(1822)内的龙卷，这是广州X波段双极化相控阵雷达网(以下简称广州相控阵雷达)首次观测到的完整台风龙卷过程，结合MICAPS台风路径资料、探空资料和分析资料，分析环境背景、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，探讨台风龙卷内部结构的演变和偏振量特征，增强对台风龙卷的认识。

1 台风概述、资料和方法

1.1 台风龙卷过程概述

2018年第22号台风山竹于9月16日17：00(北京时，下同)在广东省台山海宴镇登陆(图1)，登陆时为强台风级别，中心附近最大风力达15级(48 m·s-1)。9月17日上午台风山竹进入广西，其外围云系出现2个龙卷，分别袭击佛山、肇庆等地区，其中佛山三水龙卷出现在9月17日09:37—10:00，持续时间约23 min，龙卷呈现典型漏斗云特征，从灾后调查及资料综合分析，判断这次龙卷强度为EF2级[27]。

图1 2018年9月17日09:30台风山竹(1822)路径及广东雷达网组合反射率因子(黑色矩形框为中气旋位置，台风图标上方标记时间及台风中心最低气压，其中红色台风图标为09：00位置，与09:42中气旋位置直线距离为447 km)

1.2 资料和方法

本文使用广州相控阵雷达资料，径向分辨率为30 m，垂直方向连续17个仰角(0.9°～29.7°之间以1.8°为间隔进行无缝隙连续扫描)。与多普勒天气雷达不同，广州相控阵雷达在垂直方向采用电子扫描方式，时间延迟极低，在标准模式下仅需0.25 s即可获得1个方位的完整信息，随后切换至下个方位角，再次进行连续垂直扫描，直到完成360°全方位扫描(角度间隔0.9°)。不仅可避免切换仰角带来的数据污染，而且大幅提升完整体扫的时间分辨率(常规为130 s)，多波束同时扫描可极大缩短扫描时间，并提升雷达系统的稳定性和波束指向的可靠性。因此，与多普勒天气雷达相比，广州相控阵雷达能够大幅度增加对强对流天气系统的扫描更新率，实现高时空分辨率。本文广州相控阵雷达距离台风龙卷约为27 km，距离合理，观测角度清晰，对分析台风龙卷的雷达回波特征提供良好的观测资料。雷达的具体参数如表1所示。

表1 广州相控阵雷达主要性能指标

本文同时采用广州多普勒天气雷达和清远L波段秒级探空观测资料，以及美国环境预报中心NCEP FNL(final run analysis)0.25°×0.25°分析资料。广州相控阵雷达、广州多普勒天气雷达和清远L波段秒级探空站分布见图1。

2 环流形势与环境条件

2018年9月16日17：00台风山竹(1822)在广东江门台山登陆后，向西北偏西方向移动，佛山三水龙卷在台风登陆后16 h出现，此时山竹中心已移入广西境内(09：00位于 22.9°N,108.6°E)，处于减弱阶段，但仍维持热带风暴量级，中心风力为20 m·s-1，龙卷发生在台风东北象限，即其前进方向的右前侧，龙卷发生地与台风中心相距约为447 km。9月17日08：00 500 hPa西太平洋副热带高压(以下简称副高)脊线位于25°N附近(图2a和图2b)，主体位置偏东，590 dagpm等值线控制广东东部以东地区，副高西南边缘与台风山竹(1822)外围东北侧之间的强劲东南气流在广东中北部汇合，中低层急流轴的位置非常接近，由图2c和图2d可以看到，850 hPa偏南急流(最大风速超过20 m·s-1)将海洋上的暖湿空气源源不断输送到广东沿海一带，并与副高西侧的东南气流在珠江三角洲地区辐合。此时，广东南部沿海地区的可降水量较大，最大值超过65 mm，为暴雨的形成提供充足水汽。

图2 2018年9月17日高度场(等值线，单位：gpm)和风场(a)02:00 500 hPa，(b)08:00 500 hPa,(c)02:00 850 hPa，(d)08:00 850 hPa(图2a和图2b中填色代表整层大气可降水量，图2c和图2d中填色代表风速)

清远加密探空资料(图略)显示，龙卷发生前已经产生降水，对流有效位能中等偏弱，为678 J·kg-1，探空曲线显示整层相对湿度偏高，基本处于饱和状态。低层相对湿度和露点较大，抬升凝结高度(129 m)和自由对流高度(1.8 km)很低，龙卷发生时对流抑制很弱，易触发深厚湿对流。

这次台风龙卷过程发生在风随高度强烈顺转的垂直切变环境下。由水平风速随高度变化计算可知，0～6 km风矢量差为22.56 m·s-1，对应的垂直风切变为3.76×10-3s-1，强高层风切变有利于超级单体风暴形成；0～1 km风矢量差为20.94 m·s-1，对应的垂直风切变值为2.09×10-2s-1，强的低层风切变则有利于龙卷产生。

风暴相对螺旋度是衡量风暴旋转潜势的重要指标，Davies-Jones[28]将风暴相对螺旋度为150 m2·s-2界定为产生超级单体风暴的参考阈值，将风暴相对螺旋度大于150 m2·s-2作为龙卷、冰雹大风、强降水等天气的预报参考指标之一。这次台风龙卷过程中环境风暴相对螺旋度超过参考阈值，对超级单体风暴的产生非常有利。

3 雷达特征

3.1 系统演变

由广州雷达组合反射率因子图(图略)可见，2018年9月17日珠江三角洲地区主要受台风山竹(1822)外围云系影响。17日07：00后，螺旋雨带回波强度逐渐加强，雨带上不断有强单体风暴加强北移，产生龙卷的超级单体风暴移动方向基本与龙卷的移动路径一致。07:42产生三水龙卷的对流风暴还在中山市境内，最强反射率因子超过50 dBZ，之后逐渐向西北方向移动，经过一系列合并加强后09：00进入佛山境内并快速发展，微型超级单体的生命史长约为3 h。

图3和图4是台风龙卷超级单体风暴的主要发展过程。17日09:00—09:18风暴主体开始收缩，强度进一步加强，尤其在09:12—09:18，有明显的合并加强过程，弱中气旋出现，超级单体风暴的主体形态已经形成；09:24—09:30对流风暴的钩状结构逐渐形成，风场旋转特征和强度逐渐明显，在径向速度图中最低层仰角出现速度模糊，旋转速度明显加强；09:36—09:48风暴达到最强，钩状回波特征最显著，钩状回波顶端为反射率因子最前区域，最强反射率因子达到55～60 dBZ，中气旋强度也达到峰值，旋转强度达到最强，该时段也是台风龙卷特征最显著阶段，龙卷位置在钩状回波顶端的强回波(09:36)或钩状回波顶端附近的弱回波区处(09:42)，位于中气旋中心。该微型超级单体风暴主要在09:30—09:50自南向北影响南海区和山水区，直到11：00后在三水区境内减弱为普通对流风暴。

图3 2018年9月17日09:12—09:42广州多普勒天气雷达1.5°仰角反射率因子演变(龙卷(EF2等级)发生位置用黑色×形表示)

图4 2018年9月17日09:12—09:42广州多普勒天气雷达1.5°仰角径向速度演变(龙卷(EF2等级)发生位置用黑色×形表示)

3.2 超级单体演变与中气旋特征

虽然通过广州多普勒天气雷达可以看到风暴主体发展的大致过程，但受分辨率和遮挡的影响，无法清晰展示对流系统内部结构的变化，尤其是台风龙卷发生位置附近的对流涡旋特征，而广州相控阵雷达凭借其高精度的观测，在密集监测方面具有显著优势。

图5显示广州相控阵雷达观测的9月17日09:29—09:48 最低仰角反射率因子演变(横纵坐标均为相对于雷达的距离，下同)，追踪超级单体风暴的生成发展演变过程，尤其是对钩状回波的形成和发展过程的精细呈现：09:20—09:26单体风暴位于雨带尾端，为相对独立发展的对流系统，此时弱中气旋已形成，该阶段正负速度对的强度变化不大，速度切变距离进一步减小(图略)；09:29—09:33单体风暴的右后方出现入流，钩状回波形态逐渐形成，速度切变加强，达到中等强度中气旋；09:35—09:37反射率因子加强，超过60 dBZ，入流缺口进一步扩大，钩状回波结构已经形成；09:42—09:48 为台风龙卷的主要影响阶段，对流系统的水平风切变显著增加，达到强中气旋等级，回波进一步加强，09:42最低仰角(0.9°)上最强回波超过65 dBZ，此时垂直方向上存在回波悬垂(图略)，在形态上，钩状特征进一步发展，在前侧下沉气流和后侧下沉气流的交汇处强烈辐合，逐渐形成弱回波眼区，对应径向速度图上为清晰的涡旋特征，这很可能是龙卷涡旋结构的中心区域，该环状结构在09:42—09:48维持，这种显著的精细结构特征在广州多普勒天气雷达上几乎未能体现；钩状特征09:48后略微减弱。

图5 2018年9月17日09:31—09:48广州相控阵雷达0.9°仰角反射率因子演变(龙卷(EF2等级)发生位置用黑色×形表示)

中气旋的旋转速度定义为最大正速度与最大负速度绝对值之和的一半，中气旋直径定义为最大正负速度对间距离[29]。中气旋需同时满足尺寸范围为2～10 km和一定的垂直厚度及垂直涡度，本文中龙卷母体的微型超级单体涡旋满足上述定义。

进一步追踪龙卷微型超级单体风暴迅速加强的阶段特征(图6和图7)发现，17日09:40钩状回波特征显著，0.9°仰角上后侧下沉气流区边界入流明显加强，2.7°以上仰角出现速度模糊，退模糊后最大旋转速度出现在4.5°仰角上，为20.6 m·s-1，距离雷达10～20 km，达到强中气旋标准，伴随台风龙卷涡旋特征，弱回波眼区初现雏形；09：42强风速区开始下沉，最强风速区出现在2.7°仰角上，同时最低0.9° 仰角钩状回波区域进一步收缩成环状，中心旋转区呈清晰的龙卷弱回波眼区特征，旋转速度达到21 m·s-1；09:44环状回波形态和中心眼区最清晰，此时最低层仰角正速度区出现明显的速度模糊，超过33 m·s-1，后侧强入流区厚度达到最强。可见中气旋在09:40—09:44为最强阶段，09:46后略有减弱，而该阶段的龙卷涡旋特征也最清晰。

图6 2018年9月17日09:40—09:46广州相控阵雷达0.9°仰角反射率因子(龙卷(EF2等级)发生位置用黑色×形表示)

图7 2018年9月17日09:40—09:46广州相控阵雷达0.9°，2.7°与4.5°仰角径向速度(龙卷(EF2等级)发生位置用黑色×形表示)

3.3 涡旋特征演变

由9月17日09:00—10:00龙卷涡旋转动速度和旋转直径随高度变化(图8)可以看到旋转单体发展加强过程。该过程前期有两个弱中气旋合并加强，因此09:00初始观测到中气旋在低层1 km高度以下，旋转速度达到12.5 m·s-1；09:00—09:13两个弱中气旋合并形成新的中气旋；09:18中气旋强度显著增加(2.0～2.5 km高度)，随后30 min内中气旋厚度逐渐增大，垂直伸展最高超过最高仰角(9.9°)，强度不断增强；09:18—09:33最强中气旋高度从4 km逐渐下降到低于1 km，0.9°仰角上的最强旋转速度达到21 m·s-1。与中气旋强度增加趋势一致，旋转直径也在不断减小：09:33—09:40，2.7°仰角旋转直径从4 km收缩至2 km，09:42—09:50旋转直径进一步缩小至1.5 km以内，最小直径出现在09:48，仅为0.944 km，该阶段龙卷强度从EF1加强到EF2。在旋转直径进一步收缩到2 km 以内的过程中，旋转速度自09:42:13无明显加强，这很可能是中气旋转为龙卷涡旋的一个重要标志[30]，结合图7可以看到，龙卷旋转特征的演变与垂直旋转结构特征变化对应很好。09:53后高仰角均无法观测到明显的旋转特征，低层的中气旋强度逐渐减弱。

图8 2018年9月17日09:00—10：00龙卷涡旋转动速度(单位：m·s-1)、旋转直径(单位：km)和转动速度与旋转直径之比(单位：m·s-1·km-1)的垂直廓线随时间演变(灾情调查龙卷结果用黑色粗线显示，EF2等级用实心黑点标示)

龙卷涡旋特征，定义为约一个波束宽度距离(小于2 km)相邻方位角正负速度的大值，在雷达径向速度图上表现为像素到像素大于20 m·s-1的风切变[31]。首次满足龙卷涡旋特征的速度出现在17日09:37的2.7°仰角上，接下来的6个体扫直至09:50 低层均有明显的龙卷涡旋特征，且在09:40—09:46涡旋在不断加强加深，并且距离地面越来越近，最低仰角的最强旋转速度出现在09:42，最大速度差达到42 m·s-1，同时旋转直径也收缩到1 km左右，从转动速度与旋转直径比随时间演变情况看，最大值出现在该时刻，随后的5个体扫虽然其旋转速度略有减弱，但低层的旋转特征非常明显，这个阶段的龙卷涡旋特征与事后灾调的龙卷EF2位置较好对应。09:48以后旋转直径进一步增大，龙卷涡旋特征明显减弱，直到无法清晰识别。

将广州相控阵雷达观测与龙卷灾情调查对照发现，强中气旋的高度不断下降、龙卷涡旋特征的出现是龙卷出现的主要特征，而龙卷涡旋特征加深加强和旋转直径收缩则是龙卷强度增加的重要标志。

3.4 偏振量

广州相控阵雷达还观测到龙卷关键发展阶段的偏振量特征。图9是龙卷弱回波眼区最显著时刻17日09:44:23的观测特征。在弱回波眼区中心，高反射率因子、低差分反射率和低相关系数，对应风速旋转强切变的位置，很可能是龙卷碎片特征(TDS)[32-33]。受限于龙卷强度，只有个别时刻在最低层才观测到该特征。在包围龙卷涡旋的钩状回波区，中等强度的反射率因子和高差分反射率与对流性质的粒子分布相对应，意味着该区域集中着大粒子，该区域对应的相关系数也在0.95以上，表示该区域主要被雨滴粒子填充，其中不排除有小型融化冰雹粒子的可能性。在钩状回波的西南侧边缘区域，对应弱反射率因子、弱差分反射率和高相关系数，指示小雨滴的主要分布区域。

广州相控阵雷达也观测到超级单体的偏振特征。在最低层仰角，差分反射率弧延展在前侧下沉气流(FFD)的反射率因子梯度区，高差分反射率值(大于4 dB)和较低的反射率因子(小于30 dBZ)，这是超级单体风暴的独有特征，表征由于强垂直风切变筛选不同尺寸粒子导致大粒子集中分布[34-35]。本文中差分反射率弧的演变与前人研究的涡旋超级单体特征一致。17日09:40—09:44清晰可见差分反射率弧特征逐渐加强的过程，说明该过程中的风暴涡旋也是在逐渐增强，出现强龙卷的可能性增加。

4 结论和讨论

本文利用广州多普勒天气雷达和广州X波段双极化相控阵雷达分析一次发生在典型环流背景下的台风山竹(1822)龙卷完整过程。得到主要结论如下：

1)广州多普勒天气雷达观测到强对流风暴的形态演变和钩状回波的形成过程，体现了微型超级单体中钩状回波、较低仰角的强中气旋和相对较长生命史等特征；在高不稳定的环境背景下，龙卷在台风外围云系微型超级单体上发展起来，位于单体风暴右后侧钩状回波顶端的弱回波区中，雷达观测对中气旋强度的变化有指示意义。

2)低层的地形遮挡和较粗的时空分辨率均不利于广州多普勒天气雷达追踪超级单体的精细结构演变和龙卷涡旋特征。

3)广州X波段双极化相控阵雷达可观测到龙卷超级单体风暴1 km以内范围的结构连续演变特征，单体风暴尾端在右后方的入流加强下，逐渐形成钩状回波形态，此时对流层中低层2～3 km附近的中气旋强度率先达到最大，之后随着旋转强度的加强和旋转中心高度的逐步下降，低层的强旋转特征逐渐明显，当低层出现龙卷涡旋特征，旋转速度超过20 m·s-1时，地面出现龙卷触地，强中气旋的高度不断下降、龙卷涡旋特征的出现是龙卷发生的主要特征。

4)广州X波段双极化相控阵雷达观测显示，当低层龙卷涡旋强度达到峰值超过21 m·s-1，旋转直径收缩到1 km以下，地面龙卷的强度从EF1加强到EF2，在回波形态上出现弱回波龙卷眼区，与旋转速度对位置对应。所以，龙卷涡旋特征加深加强、旋转直径收缩和弱回波眼区的出现是龙卷强度增加的重要标志。

本文仅对台风山竹(1822)龙卷过程的内部涡旋结构特征演变进行初步分析，体现了相控阵雷达对中小尺度灾害性天气系统的观测优势，未来可结合多雷达反演的精细风场结构对龙卷内部的动力机制进行更深入研究。