臺風“摩羯”螺旋雨帶中衍生龍卷的非超級單體特征

朱義青，王慶華

(山東省臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004)

引 言

龍卷是能產生極大破壞力的小尺度災害性天氣，通常表現(xiàn)為從對流云底向下伸展到地面的高速旋轉漏斗狀云柱，它是一種強烈的小型渦旋和小型低壓，能在短時間內造成重大財產損失和人員傷亡。由于龍卷移速快、尺度小、生消迅速等特征，與其他強對流天氣相比，龍卷屬于小概率事件，短期預報較為困難，一直是氣象監(jiān)測和預報中的難點。

龍卷通常由超級單體風暴和非超級單體風暴產生。超級單體風暴產生的龍卷與持久深厚的中氣旋緊密相關，有時還出現(xiàn)比中氣旋尺度小且旋轉快的渦旋即為龍卷渦旋特征(tornado vortex signature, TVS)，而非超級單體風暴產生的龍卷可以發(fā)生在各種對流風暴環(huán)境下[1]。研究發(fā)現(xiàn)，龍卷發(fā)生的環(huán)流背景主要有：西風帶系統(tǒng)所伴隨的對流風暴和臺風或颶風(簡稱tropical cyclone，TC)。其中，西風帶龍卷發(fā)生在中等偏強的大氣熱力不穩(wěn)定環(huán)境條件下，龍卷位于鉤狀回波的頂端[2-4]，而臺風龍卷則易出現(xiàn)在距離TC中心180～460 km的右前側區(qū)域[5-8]。SCHULTZ等統(tǒng)計了1950—2007年美國引發(fā)龍卷的颶風，發(fā)現(xiàn)90%以上龍卷發(fā)生方位在340°～120°之間，距離颶風中心200 km以內區(qū)域的龍卷通常出現(xiàn)在颶風登陸后12 h內，而200 km以外區(qū)域的龍卷常發(fā)生在午后[9]。隨著探測技術的進一步發(fā)展，多普勒天氣雷達因其較高的靈敏度而成為探測龍卷天氣的強有力工具[10-13]，其反射率因子強度可提供豐富的強對流信息，而平均徑向速度產品能夠反映氣流的輻合、輻散、切變以及與強風暴有關的中氣旋、龍卷渦旋特征等，為深層次分析龍卷天氣過程演變及預警提供更豐富、可靠的信息。

熱帶氣旋引發(fā)的龍卷多見于沿海地區(qū)，且引發(fā)龍卷的TC距離海岸線100 km以內，當表層風速靠近陸地時，陸地摩擦作用使風速減小而引起輻合，造成局地強的垂直運動，因此在靠近海岸線的地區(qū)利于水平渦度轉成垂直渦度，誘發(fā)低層中氣旋而形成龍卷[14-15]。山東境內的龍卷多出現(xiàn)在7—8月，且大多與西風帶系統(tǒng)影響下的超級單體風暴有關，而由TC引發(fā)的則較少，特別是TC引發(fā)的非超級單體龍卷極其少見。因此，本文針對2018年第14號臺風“摩羯”外圍螺旋雨帶中非超級單體龍卷，利用常規(guī)觀測資料、衛(wèi)星云圖和多普勒天氣雷達等資料，探討引發(fā)龍卷的非超級單體結構特征，進一步認識TC引發(fā)中緯度龍卷的環(huán)境特征和物理機制，以期更好地為中緯度地區(qū)龍卷預報、預警做好服務。

1 臺風“摩羯”概況和龍卷強度

2018年8月8日11:00(北京時，下同)前后第14號臺風“摩羯”在西北太平洋生成，生成后向西北方向移動，于12日23:35前后在浙江溫嶺沿海登陸[圖1(a)]，登陸時中心附近最大風力10級(28 m·s-1，強熱帶風暴)，中心最低氣壓為980 hPa；登陸后仍向西北方向移動，并于13日23:00減弱為熱帶低壓，14日05:00前后進入山東并停止編號。受臺風“摩羯”影響，8月14日08:00至15日08:00山東大部地區(qū)遭受持續(xù)性強降水，有25個國家氣象觀測站出現(xiàn)暴雨，17站出現(xiàn)大暴雨，其中寧津縣降雨量超過200 mm。受本次臺風影響，受災人口達8萬人，直接經濟損失達4.6億元人民幣。其中，伴隨的龍卷造成廠房和房屋倒塌及人員受傷。

經實地勘察受災現(xiàn)場和走訪龍卷目擊者及多渠道獲取龍卷風視頻等，結合多種氣象觀測資料，綜合分析研判后，確認臺風“摩羯”進入山東后在山東境內共產生7個龍卷風(表1)，其中8月14日12:10發(fā)生在惠民縣姜樓鎮(zhèn)的龍卷最強，造成的災害路徑長4.5 km、寬約150 m，生命史11 min，位于臺風北偏東方向35°約160 km處[圖1(b)]，其形態(tài)及造成的災情見圖2(a)和圖2(b)。

圖1 臺風“摩羯”移動路徑(a)和2018年8月14日12:10山東濟南站多普勒雷達0.5°仰角反射率因子(b，單位：dBZ)(黑色方框及其內部實線分別為龍卷發(fā)生區(qū)和移動路徑，粉色線為龍卷距臺風的距離)Fig.1 The moving path of typhoon ‘YAGI’ (a) and reflectivity factor of Doppler radar on 0.5° elevation at Ji’nan station of Shandong at 12:10 BST on 14 August 2018 (b, Unit: dBZ) (The black box and internal solid line are the occurrence area of tornado and its moving path, respectively)

圖2 2018年8月14日山東姜樓鎮(zhèn)龍卷形態(tài)(a)及其災情照片(b)Fig.2 The morphology of tornado (a) and caused damage picture (b) in Jianglou of Shandong on 14 August 2018

時 間地 點經緯度等級距臺風中心方位(°)/距離(km)資料來源09:30—09:50 濰坊昌邑市柳疃鎮(zhèn)辛安莊村、漁爾堡村119.44°E,37.03°N 0～1 65/290 視頻 10:40東營市墾利區(qū)孤東油田119.08°E,37.88°N152/308視頻12:10—12:21濱州市惠民縣姜樓鎮(zhèn)117.50°E,37.25°N235/160視頻13:10—13:20 東營利津縣鹽窩鎮(zhèn)灘東村、臺前村、崔西村118.44°E,37.68°N 1 55/190 視頻 13:10—13:20濱州市陽信縣洋湖鎮(zhèn)馬士和村117.40°E,37.53°N135/114視頻13:30—13:50德州市慶云縣尚堂鎮(zhèn)李含賁村117.36°E,37.67°N0～132/99災情調查13:40—13:50濱州市惠民縣落桑墅鎮(zhèn)哨馬張村117.77°E,37.51°N0～154/110視頻

受探測手段限制，對龍卷強度直接觀測存在一定的難度，但是可以根據龍卷過后的災害程度進行評估。FUJITA[16]根據龍卷造成的災害程度，提出0～5級的等級分類標準，即“藤田等級”(Fujita-scale，F(xiàn)0～F5)，并得到廣泛應用，其中F5為最高等級，造成的災害最嚴重。目前中國尚無完善的龍卷災情調查標準，參照“藤田等級”來判斷發(fā)生在中國的龍卷強度可能會有一定的誤差。另外，在相關的標準下龍卷強度的判定高度依賴個人主觀判斷，使得結果存在一定差異。盡管如此，根據災情調查，針對不同時間、不同地方的龍卷強度進行定級仍然十分必要。根據惠民縣姜樓鎮(zhèn)龍卷災情的特點、破壞長度和范圍、現(xiàn)場圖片和龍卷視頻，結合氣象觀測資料，判定本次龍卷為F2級。

2 龍卷發(fā)生的潛勢分析

龍卷的發(fā)生發(fā)展除滿足一般強對流天氣所需的水汽條件、不穩(wěn)定層結條件和抬升觸發(fā)機制外，還具備強的對流有效位能(CAPE)和垂直風切變。對于F2級及以上龍卷，通常發(fā)生在較低的抬升凝結高度(LCL)和較大的低層垂直風切變條件下，尤其是0～1 km較強的垂直風切變。抬升凝結高度越低、低層垂直風切變越大，越有利于F2級及以上龍卷(包括超級和非超級單體龍卷)的產生[1]。

2.1 天氣背景

本次臺風外圍云系中有很多塊狀的中小尺度對流系統(tǒng)，龍卷的母體正是由這些中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)展起來的[圖1(b)]。8月13—14日(圖略)，500 hPa副熱帶高壓(簡稱“副高”)中心穩(wěn)定維持在日本海南部，副高西伸脊點位于120°E；隨著臺風的逼近，山東上空風力逐漸增大，13日20:00至14日20:00，山東惠民縣上空為臺風“摩羯”與副高之間的東南急流控制。13日夜間[圖3(a)]開始，中低層風速開始增大，700 hPa受東南急流控制，惠民地區(qū)位于急流左側，風速超過18 m·s-1；14日08:00[圖3(b)]，山東受臺風東北象限強盛的東南急流影響，惠民附近上空700 hPa風速超過24 m·s-1；隨著臺風逐漸向東北方向移動，惠民附近有中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展。

2.2 環(huán)境條件

從距離龍卷發(fā)生地最近的章丘探空站14日08:00的T-lnP圖[圖4(a)]看出，受臺風環(huán)流影響，龍卷發(fā)生地附近整層風速都較大，低層風速達12 m·s-1以上，且隨高度升高明顯增大；整個對流層相對濕度都很大，從地面到對流層頂接近飽和；對流有效位能呈狹長狀，且CAPE值較小，為200～300 J·kg-1，低于山東地區(qū)強對流天氣發(fā)生的CAPE值[17]；K指數超過42 ℃，威脅指數(SWEAT)達335，對流抑制CIN在70～80 J·kg-1之間，抬升凝結高度在500 m以下。上述條件表明龍卷發(fā)生地附近大氣層結不穩(wěn)定性較強，利于對流天氣的發(fā)生。

較低的抬升凝結高度LCL、較大的低層垂直風切變(尤其是0～1 km)有利于龍卷等強天氣的發(fā)生發(fā)展。THOMPSON[18]指出，F(xiàn)2級以上龍卷的平均抬升凝結高度小于981 m；0～1 km垂直風切變是判斷龍卷最有效的參數，F(xiàn)2級及以上龍卷0～1 km垂直風切變平均值為9.5×10-3s-1。從圖4(a)看出，14日08:00山東章丘探空站的抬升凝結高度較低，不到500 m，較THOMPSON統(tǒng)計的平均抬升凝結高度明顯偏低，說明低層相對濕度大，下沉氣流中的氣塊在下降過程中蒸發(fā)冷卻的可能性很小，具有較大的正浮力，利于上升運動的發(fā)展，進而利于龍卷產生。章丘附近0～6 km的垂直風切變?yōu)?9 m·s-1，屬于中等強度的深層垂直風切變，其中0～1 km的垂直風切變?yōu)?2 m·s-1，對應的垂直風切變值為12×10-3s-1，屬于強低層垂直風切變，遠高于THOMPSON統(tǒng)計的平均值，利于F2級以上龍卷的產生。

圖4 2018年8月14日08:00山東章丘T-ln P圖(a)和濱州雷達VWP產品(b)Fig.4 The T-ln P diagram at Zhangqiu radiosonde station (a) and VWP product of radar at Binzhou station (b) of Shandong at 08:00 BST on 14 August 2018

濱州(惠民縣東南部)雷達的VWP[圖4(b)]顯示，14日11:09以后近地面層(300 m以下)始終維持著10 m·s-1左右的東東南風，900 m高度為14～16 m·s-1的南東南風，3～4 km高度偏南風超過20 m·s-1，中層風速一直較強；12:09，近地面層300 m高度的東東南風增大為12 m·s-1，3.7 km高度偏南風風速為20 m·s-1，5.5 km高度偏南風最強風速達22 m·s-1，中低層存在較強的水平垂直風切變，這與章丘探空數據較為一致。

2.3 衛(wèi)星云圖特征

高時空分辨率衛(wèi)星資料是監(jiān)測中小尺度天氣系統(tǒng)十分有效的數據源。水汽圖像上的干區(qū)和濕區(qū)往往與天氣尺度的下沉和上升運動區(qū)域相匹配，故而水汽圖像上的連續(xù)時次干濕邊界和暗區(qū)亮度變化對天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展有重要指示意義[19]。

2018年8月14日12:00，F(xiàn)Y-2G衛(wèi)星水汽圖上，臺風渦旋北側白色濕上升區(qū)與南側冷空氣侵入的暗區(qū)呈明顯的非對稱結構，惠民縣姜樓鎮(zhèn)位于干濕區(qū)邊界處，濕度梯度明顯[圖5(a)]；中紅外云圖的邊界和白亮區(qū)與水汽圖的邊界和白亮區(qū)基本重合[圖5(b)]，說明臺風渦旋北側濕層深厚，上升運動強烈[19]。在龍卷發(fā)生附近的姜樓鎮(zhèn)100 km范圍內，云頂亮溫從-10 ℃降低到-70 ℃[圖5(c)]，說明姜樓鎮(zhèn)附近溫度梯度較大，龍卷發(fā)生在TBB梯度最大處。

3 非超級單體龍卷特征

3.1 非超級單體龍卷形成過程

圖6是雷達回波圖上龍卷風暴結構的演變過程。可以看出，龍卷發(fā)生前7 min(12:03)，龍卷的母云體尚未生成，最強單體位于惠民縣姜樓鎮(zhèn)南側；龍卷發(fā)生前1 min(12:09)，龍卷母云體生成，并發(fā)展成回波較弱的非超級單體風暴；12:15龍卷發(fā)生時，母云體發(fā)展到最強盛階段，回波強度顯著增強；12:21(龍卷持續(xù)階段)，龍卷母云體的弱回波結構消失。

3.2 反射率因子演變特征

從非超級單體龍卷反射率因子時間演變(圖7)看出，12:09之前，風暴最大反射率因子約53 dBZ，且出現(xiàn)在3 km以下，風暴質心高度在1.8 km；12:09，最大反射率因子、強中心高度和回波頂高快速增加；在龍卷發(fā)生期間(12:10—12:21)，最大反射率因子始終維持在54 dBZ以上。當風暴單體強中心高度從12:09的3.4 km降至12:15的2.4 km時，此期間地面觀測到龍卷，而當強中心高度從12:21的2.8 km躍升至12:27的4.8 km時，龍卷消失?？梢姡瑥娭行母叨鹊目焖傧陆岛蛙S升過程對應地面龍卷的出現(xiàn)和消失。

圖5 2018年8月14日12:00的FY-2G水汽圖(a)、中紅外云圖(b)和云頂亮溫(c，單位：℃)Fig.5 The water vapor image (a), mid-infrared cloud image (b) and cloud top brightness temperature (c, Unit: ℃) from FY-2G satellite at 12:00 BST on 14 August 2018

圖6 2018年8月14日12:03—12:21山東濱州雷達站0.5°仰角反射率因子逐6 min演變(單位：dBZ)(圓圈內為龍卷母云體)Fig.6 The 6-minute evolution of radar reflectivity factor on 0.5° elevation from 12:03 BST to 12:21 BST on 14 August 2018 at Binzhou Doppler radar station of Shandong(The maternal cloud body of tornado is located inside the circle)

圖7 2018年8月14日12:03—12:27對流風暴最大反射率因子、單體回波頂高及強中心高度時間演變Fig.7 The 6-minute evolution of the maximum reflectivity factor, echo top height of cell and its strong center height of convective storms from 12:03 BST to 12:27 BST on 14 August 2018

3.3 龍卷渦旋特征

在雷達徑向速度圖上，將與龍卷密切相關、比中氣旋尺度小且旋轉快的渦旋所表現(xiàn)的像素到像素的很大的風切變現(xiàn)象稱為龍卷渦旋特征(tornado vortex signature，TVS)。TVS切變是通過速度差和方位切變2個指標來判斷。速度差(DV)是相鄰方位角沿方位方向的最大入流速度(Vi)和最大出流速度(Vo)的絕對值之和(單位：m·s-1)。方位切變指標是按照距雷達的距離分段定義。若某相鄰方位角之間的速度差不低于45 m·s-1且距離雷達小于60 km，或者速度差不低于35 m·s-1、距離雷達60～100 km，則認定發(fā)生了TVS切變[1]。

濱州雷達監(jiān)測到的距地600 m附近的低層強烈渦旋出現(xiàn)時間與視頻錄制的龍卷強烈發(fā)展時段同步，雷達速度圖上小尺度渦旋出現(xiàn)在12:03—12:21(圖8)，向西北方向移動4.5 km，與目擊者報告和災情調查基本一致。其中，12:15視頻監(jiān)測到的龍卷最強盛階段，雷達速度圖上，0.5°仰角小尺度渦旋速度差約為40 m·s-1，直徑1 km，1.5°仰角速度差約為51 m·s-1，直徑約1 km，且距離濱州雷達45 km，滿足龍卷渦旋特征。另外發(fā)現(xiàn)，小尺度渦旋距離濱州雷達40～50 km，雷達最低仰角觀測到的小尺度渦旋距離地面高度0.6～0.7 km，其底高為雷達最低探測高度。其中，12:03，雷達在0.5°仰角上首次探測到小尺度渦旋，比龍卷首次觸地(12:10)提前7 min，其速度差為17 m·s-1；12:09，小尺度渦旋自0.5°仰角向上伸展到2.4°仰角，且速度差逐漸減弱，0.5°仰角的速度差最大為32 m·s-1；12:15，小尺度渦旋自0.5°仰角向上伸展到3.4°仰角，且3.4°仰角的速度差最小，1.5°仰角的速度最大約為51 m·s-1；12:21，僅在2.4°仰角以下觀測到小尺度渦旋?？梢?，龍卷初始階段小尺度渦旋先出現(xiàn)在近地面層，而后向上發(fā)展加強，消失階段先從高層減弱消失。

由于龍卷尺度小、突發(fā)性強，多普勒天氣雷達是其預警最為有效的手段。然而，多普勒天氣雷達的中氣旋識別算法(主要針對西風帶龍卷)在中氣旋垂直伸展厚度較小情況下無法自動識別。這表明預報時不能過分依賴雷達的中氣旋和龍卷渦旋特征自動識別產品，而應當基于有利的環(huán)境背景，強化人工監(jiān)測分析和研判。本次非超級單體龍卷位于臺風路徑東北象限的臺風龍卷易發(fā)區(qū)，無論處于臺風環(huán)流外圍還是內部，都要警惕龍卷發(fā)生的可能，在有利的大尺度天氣背景及環(huán)境條件情況下，若低層出現(xiàn)小尺度渦旋且底高伸展到近地面層，可以考慮發(fā)布龍卷預警。

圖8 2018年8月14日12:03—12:21不同仰角下龍卷發(fā)生地附近強對流單體內小尺度渦旋特征(數值為速度差，其中紅色數值滿足TVS特征，單位：m·s-1；括弧內數值為龍卷發(fā)生地距雷達的距離，單位：km)Fig.8 The small-scale vortex characteristic of strong convective cell near tornado occurrence site on different elevations from 12:03 BST to 12:21 BST on 14 August 2018(The values stand for speed difference, while red value meets condition of TVS, Unit: m·s-1, and the values in bracket indicate the distance between the occurrence site of tornado and its nearby Bingzhou Doppler radar station, Unit: km)

4 結論和討論

(1)龍卷發(fā)生在臺風“摩羯”外圍螺旋雨帶中，其發(fā)生地位于臺風中心35°方向約160 km處。

(2)低空急流、較低的抬升凝結高度LCL和較大的低層垂直風切變均有利于龍卷的發(fā)生。本次龍卷發(fā)生在抬升凝結高度500 m以下的環(huán)境中，且0～1 km高度垂直風切變達12 m·s-1，0～6 km垂直風切變達19 m·s-1，垂直風切變深厚，這與500 hPa東南急流密切相關。

(3)風暴發(fā)展過程中，水汽圖像的邊界和白亮區(qū)與中紅外云圖的邊界和白亮區(qū)基本重合，說明濕層深厚、上升運動較強，龍卷發(fā)生在濕度梯度大值與TBB梯度大值相重合的區(qū)域內。

(4)螺旋雨帶中產生龍卷的風暴為非超級單體風暴，龍卷初始階段小尺度渦旋先出現(xiàn)在近地面層，而后向上發(fā)展加強，龍卷消失階段則先從高層減弱消失。本次龍卷形成發(fā)展過程，最大反射率因子強中心高度的快速下降和躍升過程對應著龍卷的出現(xiàn)和消失，龍卷發(fā)生前7 min在0.5°仰角上出現(xiàn)小尺度渦旋，本次過程中，低仰角(0.5°)一旦出現(xiàn)小尺度渦旋，龍卷接地或即將發(fā)生。小尺度渦旋頂高的明顯上升，可作為龍卷迅速增強的指標。

中國對龍卷的研究還處于起步階段，因其尺度小、持續(xù)時間短、突發(fā)性強、發(fā)生概率低等特點，業(yè)務上開展龍卷的預報預警困難極大，存在難以確定龍卷具體落區(qū)和發(fā)生時間、空報率較高等諸多問題。因此，總結歸納有利于龍卷發(fā)生的天氣形勢、大尺度環(huán)流背景和各物理量及雷達回波特征，以提高對龍卷發(fā)生發(fā)展機理的認識，進而凝練有實用價值的預報、預警方法。針對龍卷尺度小、持續(xù)時間短等特點，目前地面自動站布網密度有時還無法監(jiān)測到龍卷來臨時引起的氣象要素變化，在預報員未完全確定情況下，目擊者若能主動報告龍卷發(fā)生的相關信息，將有利于下游的預報、預警發(fā)布?？梢?，在加強龍卷相關監(jiān)測能力建設的同時，應注意提升市民意識和加大科普宣傳力度，以提高龍卷預報、預警的及時性和準確性。