1710號(hào)臺(tái)風(fēng)“海棠”外圍龍卷大氣環(huán)境條件和雷達(dá)特征分析

湯潔 徐芬 吳海英 夏網(wǎng)萍 安禮政

(1 江蘇省淮安市氣象局，淮安 223001； 2 中國氣象局交通氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210008； 3 江蘇省氣象科學(xué)研究所，南京 210009； 4 江蘇省氣象臺(tái)，南京 210008)

*通信作者，Email:xufen1130@tom.com

引言

龍卷是在非常不穩(wěn)定的天氣條件下，由空氣強(qiáng)烈對(duì)流運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一種漏斗狀云柱的強(qiáng)風(fēng)渦旋，具有極強(qiáng)的破壞性，易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。近年來，隨著中國現(xiàn)代天氣觀測(cè)網(wǎng)的發(fā)展與資料的積累，我國氣象學(xué)者對(duì)龍卷的研究取得了一定的成果。馮佳瑋[1]、范雯杰[2]和魏文秀等[3]對(duì)中國龍卷的時(shí)空分布特征進(jìn)行了概述。唐曉文等[4]總結(jié)了近十年國內(nèi)外對(duì)龍卷風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和演變的研究成果，詳述超級(jí)單體和非超級(jí)單體風(fēng)暴中龍卷形成過程的概念模型。劉式適等[5]利用大氣動(dòng)力和熱力學(xué)方程組，繪制出龍卷風(fēng)的三維風(fēng)場(chǎng)及漏斗型結(jié)構(gòu)。白蘭強(qiáng)等[6]對(duì)2006—2018年中國臺(tái)風(fēng)龍卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)龍卷主要產(chǎn)生于東北象限并由強(qiáng)度相對(duì)較弱的熱帶氣旋產(chǎn)生的。無論西風(fēng)帶龍卷還是臺(tái)風(fēng)龍卷在地域上分布有明顯集中區(qū)，俞小鼎、鄭媛媛、周后福、姚葉青等[7-17]分別對(duì)蘇皖地區(qū)龍卷超級(jí)單體風(fēng)暴的環(huán)境及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，黃先香、張建云、李彩玲、李兆慧等[18-22]對(duì)珠江三角洲區(qū)域臺(tái)風(fēng)龍卷的預(yù)報(bào)預(yù)警工作有較好的研究。這些研究揭示了低槽切變、低空的西南風(fēng)急流、強(qiáng)烈的對(duì)流不穩(wěn)定、低層較大的垂直風(fēng)切變及較低的抬升凝結(jié)高度有利于西風(fēng)帶強(qiáng)龍卷的產(chǎn)生，同時(shí)雷達(dá)反射率因子形態(tài)呈現(xiàn)出經(jīng)典超級(jí)單體的特征并伴隨中氣旋和龍卷渦旋特征(TVS)；而臺(tái)風(fēng)龍卷集中在離海岸線更近的相對(duì)平坦的地區(qū)，并出現(xiàn)在相對(duì)較弱的條件不穩(wěn)定環(huán)境中，除了需要低的抬升凝結(jié)高度和強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變，對(duì)中層干冷空氣侵入與風(fēng)暴相對(duì)螺旋度有一定要求，即渦旋尺度更小，雷達(dá)回波特征以微超級(jí)單體風(fēng)暴為主，風(fēng)暴垂直伸展高度低于西風(fēng)帶龍卷。

對(duì)龍卷環(huán)境條件與回波特征、中氣旋的位置和強(qiáng)度變化、TVS等特征研究分析可以有效提升預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中對(duì)龍卷的預(yù)警能力。但由于龍卷的空間尺度小、突發(fā)性強(qiáng)、生命史短，使得監(jiān)測(cè)預(yù)警成為一個(gè)難題，李峰等[23]對(duì)美國近20年龍卷探測(cè)雷達(dá)技術(shù)和觀測(cè)手段，表明美國基本實(shí)現(xiàn)快速掃描、獲取高時(shí)空分辨率和高精度的龍卷資料，已形成龍卷概念模型與預(yù)報(bào)指標(biāo)并在業(yè)務(wù)中實(shí)施。目前國內(nèi)對(duì)龍卷的最大風(fēng)力、直徑、移速等判斷依賴于災(zāi)后災(zāi)情調(diào)查和多普勒雷達(dá)資料，研究重點(diǎn)也主要是在大尺度環(huán)境場(chǎng)特征和雷達(dá)回波演變特征，對(duì)于龍卷的觸發(fā)機(jī)制、三維結(jié)構(gòu)研究較少。周海光[24]用雙多普勒雷達(dá)反演了“6·23”江蘇阜寧龍卷風(fēng)暴三維結(jié)構(gòu)，中氣旋伴隨超級(jí)單體的生成，氣旋和反氣旋組成的渦旋偶對(duì)龍卷形成有重要作用。江蘇作為龍卷發(fā)生頻次最高的地區(qū)之一[2]，對(duì)龍卷的過程研究直接決定了當(dāng)?shù)氐念A(yù)報(bào)預(yù)警能力。本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、NCEP 1°×1°再分析資料、江蘇淮安及宿遷多普勒雷達(dá)資料等，對(duì)2017年8月1日發(fā)生在江蘇淮安區(qū)的一次非超級(jí)單體臺(tái)風(fēng)龍卷進(jìn)行環(huán)境條件和雷達(dá)特征分析，并應(yīng)用垂直螺旋度分析和雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演等方法研究龍卷風(fēng)暴的對(duì)流結(jié)構(gòu)和演變過程，為江蘇開展龍卷觀測(cè)和業(yè)務(wù)預(yù)警預(yù)報(bào)提供參考。

1 龍卷實(shí)況與災(zāi)情調(diào)查

2017年8月1日18:10—18:30江蘇省淮安市淮安區(qū)南閘鎮(zhèn)、林集鎮(zhèn)、三堡鎮(zhèn)先后共有16個(gè)村受臺(tái)風(fēng)龍卷影響，造成12人輕傷。受災(zāi)人口約1360人，共造成359戶房屋受損，其中倒塌10間；房屋嚴(yán)重受損95戶。農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)42.7 hm2，樹木倒折685棵，家禽死亡50余只，電桿線倒塌70余根，13個(gè)村斷電(圖1)。

圖1 2017年8月1日龍卷影響路徑、災(zāi)情照片及龍卷視頻截圖

通過多方獲取的視頻、照片，以及對(duì)龍卷路徑沿線的村莊進(jìn)行走訪調(diào)查，再結(jié)合多普勒雷達(dá)和自動(dòng)站等數(shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合判斷，確認(rèn)龍卷自東南向西北方向移動(dòng)，在三堡鄉(xiāng)轉(zhuǎn)向西北偏西，平均速度約50 km·h-1，持續(xù)時(shí)間約20 min，路徑約18 km。路經(jīng)南閘鎮(zhèn)的林南村、戴灣村和涇河村，林集鎮(zhèn)的袁莊村、聯(lián)盟村、后管圩村、雙溝村、平河村，三堡鄉(xiāng)的祁莊村、花園村、陳莊村、新莊村、西合興村、大陶村、周灣村，最后在沙灘村附近減弱消失(圖1a)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，龍卷經(jīng)過的地方，房頂被掀翻、電線桿和樹木被折斷、樹木倒伏明顯、廣告牌被吹飛。從當(dāng)?shù)卮迕袷謾C(jī)視頻截圖中發(fā)現(xiàn)18:16龍卷漏斗云已形成，但未接地，18:18漏斗云繼續(xù)發(fā)展，云底高度持續(xù)降低，此階段龍卷母云移速較快，18:23視頻中龍卷已經(jīng)觸地，轉(zhuǎn)速加強(qiáng)，直徑增大，移速減慢，對(duì)三堡鄉(xiāng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞，18:28之后結(jié)構(gòu)開始松散，龍卷逐漸消失。依據(jù)范雯杰等(2015)[2]做法，根據(jù)歸納后的“增強(qiáng)藤田級(jí)別”強(qiáng)度分類標(biāo)準(zhǔn)，判斷本次龍卷級(jí)別為EF1級(jí)，屬一般龍卷。

2 環(huán)流形勢(shì)與環(huán)境背景

天氣尺度可以提供中尺度系統(tǒng)形成的基本條件，強(qiáng)對(duì)流天氣是否發(fā)生、發(fā)展以及它的移動(dòng)和落區(qū)都和當(dāng)時(shí)的大氣環(huán)境條件有著緊密的聯(lián)系。這次龍卷是發(fā)生在臺(tái)風(fēng)“海棠”登陸北上減弱為熱帶低壓后產(chǎn)生的外圍螺旋雨帶中。

2.1 臺(tái)風(fēng)概述及天氣尺度環(huán)流背景場(chǎng)

2017 年第 10 號(hào)臺(tái)風(fēng)“海棠”剛剛形成就與臺(tái)風(fēng)“納沙”發(fā)生藤原效應(yīng)，前期路徑形似鉤狀(圖2)。后期由于雙臺(tái)風(fēng)牽引作用，路徑趨向一致，兩個(gè)臺(tái)風(fēng)間隔24 h內(nèi)登陸同一地點(diǎn)。登陸后臺(tái)風(fēng) “納沙”殘余云系逐漸并入“海棠”，給福建、浙江、江西、湖北、安徽、江蘇、河南、山東等地帶來強(qiáng)降雨。臺(tái)風(fēng)“海棠”于 7月26日在南海中部海面上生成；7月27日加強(qiáng)為熱帶低壓；7月28日加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴；7月30日17:30“海棠”在中國臺(tái)灣省屏東縣沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有9級(jí)(23 m·s-1)，中心最低氣壓為984 hPa；22:35“海棠”由臺(tái)中市移入臺(tái)灣海峽；7月31日02:50，在福建省福清市沿海再次登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有8級(jí)(18 m·s-1)，中心最低氣壓為990 hPa；31日夜間在江西境內(nèi)減弱為熱帶低壓；8月1日14:00，逐漸轉(zhuǎn)為東北方向移動(dòng)，18:00時(shí)前后淮安出現(xiàn)龍卷天氣，此時(shí)殘留低壓中心位于湖北省麻城市境內(nèi)，龍卷產(chǎn)生于距離熱帶低壓中心東北象限約435～442 km處，位于臺(tái)風(fēng)殘留低壓外雨帶中的強(qiáng)對(duì)流區(qū)中。

2017年8月1日08:00位于500 hPa高空槽前，西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)中心位于黃海，其脊線呈西北東南向，西脊點(diǎn)位于108°E，臺(tái)風(fēng)“海棠”沿副高邊緣向東北方向移動(dòng)，江蘇位于副高邊緣西南側(cè)與熱帶低壓東北側(cè)之間，在二者共同作用下，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)流，在淮安區(qū)出現(xiàn)了龍卷天氣。中低層存在東南急流，最強(qiáng)風(fēng)速達(dá)20 m·s-1，各層急流軸均在浙江、江蘇一帶，位置相近，同時(shí)伴隨濕舌和海上水汽輸送，為中尺度系統(tǒng)的形成提供能量及水汽條件。殘留低壓倒槽呈西南—東北向，伸至江淮之間。地面存在輻合線，容易觸發(fā)對(duì)流天氣。高層輻散以及槽前正渦度平流的大尺度背景，有利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，臺(tái)風(fēng)東南側(cè)的水汽向中緯度槽前輸送有利于加強(qiáng)降水的強(qiáng)度。本次龍卷發(fā)生位置位于低層輻合、高層輻散、高低空急流交匯處和低空切變線頂端，同時(shí)該龍卷發(fā)生在離海岸150 km以內(nèi)的地區(qū)，東南急流風(fēng)速達(dá)20 m·s-1以上，這些結(jié)論均與以往的研究成果[25-28]相一致。

圖2 1710號(hào)臺(tái)風(fēng)“海棠”移動(dòng)路徑及龍卷發(fā)生地(a),2017年8月1日08:00綜合天氣系統(tǒng)(b)

2.2 環(huán)境場(chǎng)特征分析

由于龍卷發(fā)生地附近沒有探空站，本文選取距離龍卷發(fā)生地150 km的南京探空站08:00資料，同時(shí)利用8月1日17:00(龍卷發(fā)生前1 h)地面資料進(jìn)行訂正，并與曾明劍等[29]針對(duì)江蘇10次梅雨期龍卷過程分析得出的環(huán)境參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

從表1可知，南京站08:00對(duì)流有效位能CAPE為1281.6 J·kg-1，對(duì)流抑制能量為21 J·kg-1， 經(jīng)過訂正后， 17:00對(duì)流有效位能增加至1850.8 J·kg-1,對(duì)流抑制能量降至2.9 J·kg-1，對(duì)流有效位能的增大同時(shí)對(duì)流抑制能量絕對(duì)值小， 說明在龍卷發(fā)生前大氣層不穩(wěn)定能量不斷積累，十分有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展[30]。與臺(tái)風(fēng)龍卷相比較，馮佳瑋等[1]合成江蘇及鄰近地區(qū)對(duì)流有效位能(CAPE)的置信區(qū)間為449～692 J·kg-1，鄭媛媛等[28]認(rèn)為臺(tái)前龍卷在其龍卷產(chǎn)生前大氣對(duì)流有效位能平均在200～1000 J·kg-1，本次過程的CAPE值偏大。與梅雨期龍卷相比較，對(duì)流有效位能依然偏大，特別是訂正后結(jié)果與江蘇雷暴大風(fēng)天氣需要2000 J·kg-1的CAPE值接近。抬升指數(shù)(LI)反映大氣層結(jié)不穩(wěn)定特征，本次臺(tái)風(fēng)龍卷過程有一定的不穩(wěn)定特征，但不穩(wěn)定層結(jié)強(qiáng)度小于梅雨期龍卷。近地面層為偏東風(fēng)，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有一定的垂直風(fēng)切變，且0～1 km的風(fēng)切變?yōu)?0 m·s-1，與江蘇梅雨期龍卷低層風(fēng)切變值相當(dāng)，大于周后福等[8]統(tǒng)計(jì)的江淮地區(qū)產(chǎn)生龍卷超級(jí)單體的0～1 km風(fēng)垂直切變平均值8 m·s-1，同時(shí)抬升凝結(jié)高度LCL在1 km以下，中高層水汽條件較弱，這也是本次過程區(qū)域性強(qiáng)降水發(fā)生較少的原因之一，中層存在干層，近地面層露點(diǎn)溫度高，水汽較充足。中緯度地區(qū)強(qiáng)風(fēng)暴的發(fā)生3要素為對(duì)流層位勢(shì)不穩(wěn)定、上干下濕的水汽垂直分布和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變[31]。因此上述環(huán)境條件有利于龍卷的發(fā)生。

表1 “海棠”臺(tái)風(fēng)龍卷與江蘇梅雨期龍卷環(huán)境參數(shù)對(duì)比

2.3 物理量分析

利用江蘇省約1400個(gè)地面氣象自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析龍卷發(fā)生前地面輻合流場(chǎng)的演變。17 h揚(yáng)州至淮安一線的地面流場(chǎng)出現(xiàn)氣旋性彎曲(圖3a)，偏東氣流和東南氣流之間形成一條中尺度輻合線，有對(duì)流回波在輻合線附近生成，并沿著輻合線向西北移動(dòng)。從17:10地面風(fēng)場(chǎng)圖可以看到有小尺度渦旋生成(圖3b)，形成閉合的氣旋性環(huán)流。選取離龍卷路徑較近的白馬湖農(nóng)場(chǎng)站(圖3b)進(jìn)行分析，此站點(diǎn)位于龍卷路徑左側(cè)，距離龍卷發(fā)生地約1.5 km，當(dāng)龍卷渦旋出現(xiàn)后，地面自動(dòng)站溫、壓、風(fēng)等氣象要素也有明顯的變化特征。18:15—18:25龍卷過境前后，氣壓上升，氣溫與露點(diǎn)溫度下降，溫度露點(diǎn)差增加，龍卷遠(yuǎn)離后氣壓下降，溫度與露點(diǎn)逐漸上升并趨于一致(圖4)。雨量變化表明，18:05—18:10，5 min降雨量為1.6 mm，達(dá)到峰值，隨后減弱。從風(fēng)場(chǎng)的變化表明，龍卷發(fā)生前2 min平均風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng)，風(fēng)速在3～5 m·s-1之間，龍卷過境時(shí)，風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為東北，出現(xiàn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)風(fēng)速增大至8.8 m·s-1，隨后減小，18:35風(fēng)向從東北風(fēng)又轉(zhuǎn)為東風(fēng)。

沿著龍卷發(fā)生地的經(jīng)度119°E做相對(duì)濕度的剖面(圖5a，黑線處為龍卷發(fā)生地緯度)，可以發(fā)現(xiàn)龍卷發(fā)生的區(qū)域處于相對(duì)濕度梯度大值區(qū)，在700～500 hPa之間的干層也十分明顯，龍卷發(fā)生時(shí)，中層環(huán)境干冷空氣容易侵入到龍卷渦旋中，有利于高位渦下傳，使低層氣旋性渦度加強(qiáng)，同時(shí)增加了對(duì)流不穩(wěn)定。

圖3 2017年8月1日17:10地面輻合流場(chǎng)(a)及地面自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)(b) (黑色箭頭為流場(chǎng),陰影為散度,虛線為地面輻合線,黑色圈為小尺度渦旋位置,黑框?yàn)辇埦沓霈F(xiàn)地,紅圈處為白馬湖農(nóng)場(chǎng)自動(dòng)站)

圖4 2017年8月1日17:50—18:50的白馬湖農(nóng)場(chǎng)站氣溫(點(diǎn)折線)、露點(diǎn)(紅線)、氣壓(折線)、 5 min累計(jì)降水量(柱狀)(a)及2 min平均水平風(fēng)向風(fēng)速(b)時(shí)間演變

圖5 14:00沿119°E相對(duì)濕度剖面(a)、垂直速度剖面(b)、垂直螺旋度剖面(c)

沿著119°E做垂直速度和垂直螺旋度的剖面，垂直螺旋度由垂直速度和垂直渦度決定，可以綜合反映大氣在垂直空間上的運(yùn)動(dòng)特征。從圖5b可以看出龍卷發(fā)生地附近環(huán)境風(fēng)場(chǎng)為一致的垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。從圖5c黑色方框內(nèi)可以看出龍卷發(fā)生前南側(cè)低層出現(xiàn)了正垂直螺旋度大值中心，說明低層環(huán)境中垂直風(fēng)切變較大，產(chǎn)生了水平渦管，進(jìn)而出現(xiàn)了正渦度，氣流流入螺旋系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生傾斜上升[32]，并生成小尺度渦旋。

3 多普勒雷達(dá)特征分析及風(fēng)場(chǎng)反演

3.1 雷達(dá)回波特征

2017年8月1日白天開始，受臺(tái)風(fēng)“海棠”殘留低壓外圍云系影響，江蘇省西部出現(xiàn)降水，隨著臺(tái)風(fēng)中心繼續(xù)北上，降水范圍不斷擴(kuò)大，同時(shí)在螺旋云帶上不斷有對(duì)流性降水回波生成，降水主要集中在江蘇西部及西北部。從反射率因子圖上(圖6)可以看出，16:03臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶位于揚(yáng)州淮安一線，該雨帶最大回波強(qiáng)度達(dá)61 dBz，回波頂高達(dá)16.2 km，走向呈東南—西北方向，其后部沿著螺旋云帶不斷有新回波生成，并在江都生成一新孤立回波單體(龍卷在此單體中生成)，該單體初生中心強(qiáng)度為46 dBz，回波頂高為6.4 km，0.5°仰角最大徑向速度為-22.5 m·s-1(圖7)，隨后該孤立單體沿引導(dǎo)氣流向西北方向邊移動(dòng)邊逐漸增強(qiáng)，并由孤立單體逐漸發(fā)展為多單體風(fēng)暴，對(duì)流模態(tài)由孤立單體發(fā)展為簇類對(duì)流系統(tǒng)。該簇類對(duì)流系統(tǒng)途徑高郵、金湖、寶應(yīng)，于17:53進(jìn)入淮安區(qū)境內(nèi)，其中一回波單體的反射率因子最高達(dá)到60 dBz，回波頂高為13.7 km，同時(shí)刻該單體徑向速度場(chǎng)出現(xiàn)龍卷渦旋特征(TVS)，底高0.6 km，低層速度差(LLDV)為16 m·s-1，但該TVS最大速度差(MXDV)位于1.3 km高度，為21 m·s-1。18:10，該簇類對(duì)流系統(tǒng)到達(dá)淮安林集鎮(zhèn)附近，該系統(tǒng)南側(cè)對(duì)應(yīng)弱回波區(qū)域，為入流缺口位置(圖6黑色箭頭處)，與之對(duì)應(yīng)的徑向速度場(chǎng)0.5°～3.4°仰角層均出現(xiàn)了正負(fù)速度對(duì)，可能閾值未達(dá)到TVS識(shí)別算法要求，未能有TVS結(jié)構(gòu)識(shí)別出，但通過目擊者及媒體視頻資料發(fā)現(xiàn)該時(shí)刻在林集鎮(zhèn)附近出現(xiàn)了漏斗云特征，尚未接地。18:16—18:22該龍卷單體移入三堡鄉(xiāng)地區(qū)，回波強(qiáng)度變化不大，但回波結(jié)構(gòu)更加緊實(shí)，正負(fù)速度對(duì)強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，回波質(zhì)心有所下降龍卷風(fēng)暴逐漸觸地，18:28該單體右后側(cè)對(duì)應(yīng)為氣旋性風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在該氣旋性風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部又再次識(shí)別出TVS結(jié)構(gòu)，該TVS最大速度差位于底部0.5 km處，為18 m·s-1。隨后該產(chǎn)生龍卷的對(duì)流單體跟隨其所處的簇類對(duì)流系統(tǒng)繼續(xù)往西北方向移動(dòng)，回波強(qiáng)度和強(qiáng)回波面積迅速減小，徑向速度場(chǎng)中的氣旋性結(jié)構(gòu)也隨之消失。

圖6 2017年8月1日16:03—18:28淮安S波段雷達(dá)組合反射率因子與1.5°反射率因子 (白圈對(duì)應(yīng)龍卷風(fēng)暴初生位置；黑圈對(duì)應(yīng)龍卷發(fā)生地；黑色方框處為雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演區(qū)域；黑色箭頭處為入流缺口)

圖7 2017年8月1日16:03—18:28淮安S波段雷達(dá) 1.5°風(fēng)暴相對(duì)徑向速度 (紅圈對(duì)應(yīng)龍卷風(fēng)暴初生、發(fā)展時(shí)正負(fù)速度對(duì)演變過程， ▽表示龍卷渦旋特征TVS)

3.2 雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演

多部多普勒天氣雷達(dá)聯(lián)合觀測(cè)不僅能提高風(fēng)場(chǎng)反演的精度，還有利于災(zāi)害天氣內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)短臨預(yù)報(bào)精度的提高也起到重要作用。本文中雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演算法采用劉黎平[33]提出的直角坐標(biāo)處理方法，與“共面法”相比，這種直角坐標(biāo)系下的處理方法更簡(jiǎn)單。將淮安-宿遷雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制后，利用雙線性插值處理方法插值到直角坐標(biāo)系中，本文插值時(shí)設(shè)置的格點(diǎn)水平精度為0.0025°(約250 m)，垂直方向上的精度為500 m，高度從海拔1～18 km共36層。需要說明的是，由于1 km高度以下兩部雷達(dá)聯(lián)合觀測(cè)區(qū)域缺乏足夠有效數(shù)據(jù)，無法正確反演出近地面風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

17:53在徑向速度場(chǎng)上識(shí)別出龍卷渦旋特征(TVS)，而龍卷生成時(shí)間為18:10左右，本文主要探討這兩個(gè)時(shí)次的風(fēng)場(chǎng)三維結(jié)構(gòu)，找出觸發(fā)機(jī)制，由于龍卷屬于低質(zhì)心擾動(dòng)，用淮安—宿遷雙多普勒雷達(dá)反演圖6中黑框范圍的不同高度風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，可以看出17:53強(qiáng)回波處1.0 km高度有偏北風(fēng)量(圖8a)，1.5～3.0 km高度則以東南到南風(fēng)為主(圖8b、c)，上下層存在明顯垂直風(fēng)切變，并且3.0 km高度可看到明顯氣旋式輻合，與強(qiáng)回波位置對(duì)應(yīng)較好，6.0 km 高度以上存在輻散(圖8d)，低層輻合、高層輻散以及近地面層的上下垂直風(fēng)切變有利于龍卷風(fēng)暴的生成。18:10，從水平風(fēng)場(chǎng)反演圖中可以看到1.0 km與1.5 km高度均在強(qiáng)回波區(qū)出現(xiàn)了東北風(fēng)與東南風(fēng)的水平風(fēng)切變，1.0 km高度出現(xiàn)了氣旋式輻合中心，位于切變線南側(cè)的弱回波區(qū)中(圖8e、f)，3.0 km高度上氣旋式輻合明顯減弱，30 dBz以上的回波區(qū)以偏南氣流為主，6 km以上龍卷發(fā)生地附近沒有回波，以上說明龍卷發(fā)生時(shí)氣旋式輻合中心高度逐漸下降至1 km以下，有利于龍卷風(fēng)暴觸地。從圖8中風(fēng)暴位置及風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果來看，龍卷發(fā)生地位于低層渦旋移動(dòng)方向左前側(cè)，并在1 km高度切變線附近，這與Markowski等[34]認(rèn)為非超級(jí)單體龍卷主要形成于近地面水平風(fēng)切變線附近的結(jié)論相一致，廣西2015年5月10日的龍卷過程也是由低層水平風(fēng)切變觸發(fā)引起[35]。近地面層水平風(fēng)切變維持到18:28(圖略)，龍卷風(fēng)暴沿著近地面切變線方向移動(dòng)，當(dāng)水平風(fēng)切變逐漸消失時(shí)，龍卷也隨之消散。

圖8 2017年8月1日17:53、18:10淮安—宿遷雙多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演(高度為1 km、1.5 km、3 km、6 km) (黑色箭頭為反演水平風(fēng)向，陰影為反射率因子，紅圈為氣旋式風(fēng)場(chǎng)輻合，▲為龍卷發(fā)生地)

4 結(jié)論

(1)龍卷發(fā)生在1710號(hào)臺(tái)風(fēng)“海棠”減弱后的熱帶低壓倒槽頂端和副高邊緣的高低空急流交匯處，距離熱帶低壓中心東北象限約435～442 km處，離海岸150 km以內(nèi)，根據(jù)災(zāi)情調(diào)查判斷，本次龍卷為EF1級(jí)。

(2)逐漸增大對(duì)流有效位能、小的對(duì)流抑制能量、較大的 0～1 km的風(fēng)切變、1 km以下的抬升凝結(jié)高度、中層環(huán)境干冷空氣侵入等特征，有利于龍卷風(fēng)暴的生成。龍卷發(fā)生前1 h地面不斷有小尺度渦旋生成，并沿著地面輻合線向西北方向移動(dòng)。當(dāng)龍卷渦旋出現(xiàn)后，地面自動(dòng)站氣壓上升，氣溫與露點(diǎn)溫度下降，風(fēng)力明顯增大，龍卷發(fā)生前的降水為龍卷發(fā)生提供了一定的水汽條件。龍卷發(fā)生前環(huán)境風(fēng)場(chǎng)為垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，同時(shí)存在正垂直螺旋度大值中心，有利于氣流傾斜上升，有利于渦度增加。

(3)龍卷風(fēng)暴從孤立單體逐漸發(fā)展為多單體風(fēng)暴，對(duì)流模態(tài)由孤立單體發(fā)展為簇類對(duì)流系統(tǒng)，具有入流缺口特征，最大反射率因子在60 dBz以上，龍卷發(fā)生前在徑向速度場(chǎng)上可以看到輻合特征及正負(fù)速度對(duì)，并出現(xiàn)TVS特征，較龍卷風(fēng)暴出現(xiàn)提前約17 min。

(4)通過雙多普勒雷達(dá)反演龍卷的風(fēng)場(chǎng)三維結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：龍卷生成前后風(fēng)場(chǎng)存在差異，龍卷發(fā)生前有3.0 km以下的低層輻合，6.0 km以上的高層輻散，1.0～1.5 km間有明顯垂直風(fēng)切變，低層水平風(fēng)場(chǎng)以輻合為主；龍卷發(fā)生時(shí)輻合中心高度下降，有利于龍卷風(fēng)暴觸地，1.0 km以上風(fēng)場(chǎng)氣旋式輻合減弱，轉(zhuǎn)為東北風(fēng)與東南風(fēng)切變，龍卷發(fā)生地位于低層渦旋移動(dòng)方向左前側(cè)與1 km 高度切變線附近，龍卷形成于近地面水平風(fēng)切變南側(cè)。