登陸臺(tái)風(fēng)“溫比亞”引發(fā)的龍卷過程分析

邱陽陽，程向陽，楊祖祥，周昆，李慧敏

(1.安徽省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，合肥 230061；2.安徽省氣象臺(tái)，合肥 230031)

引言

眾所周知，龍卷是一個(gè)劇烈旋轉(zhuǎn)的狹窄空氣柱，表現(xiàn)為一個(gè)從積雨云底懸掛至地面的漏斗云，是直徑幾十米到幾百米的小尺度災(zāi)害性天氣，生命期幾分鐘到幾小時(shí)，其中心風(fēng)速可超過140 m·s-1，多與雷暴、冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水相伴(魏文秀等，1995；Davis-Jones et al.，2001；俞小鼎等，2006b；張勁梅和莫偉強(qiáng)，2013；范雯杰等，2015)。美國約59%的登陸臺(tái)風(fēng)會(huì)產(chǎn)生龍卷(McCaul et al.，1991)，日本有40%的登陸臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生了龍卷(Mitsuta et al.，1983)。龍卷個(gè)例統(tǒng)計(jì)顯示，安徽省平原丘陵地帶的江淮東部為龍卷多發(fā)區(qū)，85%以上的龍卷發(fā)生在6—8月，其中7月中旬至8月，臺(tái)風(fēng)影響下的龍卷個(gè)例約占20%，因此臺(tái)風(fēng)是引發(fā)龍卷的主要天氣系統(tǒng)之一(姚葉青等，2012)。國內(nèi)外氣象學(xué)者研究指出臺(tái)風(fēng)龍卷發(fā)生的環(huán)流形勢(shì)主要表現(xiàn)為高層反氣旋輻散氣流、中低層偏東或東南急流的動(dòng)熱量和水汽輸送、地面的小波槽及弱冷空氣入侵等(Ryzhkov et al.，2002；吳俞等，2015；唐嘉惠等，2019)。強(qiáng)的低層(0—1 km)風(fēng)垂直切變,豐富的低層水汽含量，低于1 200 m(約925 hPa)的抬升凝結(jié)高度(LCL)，較大的風(fēng)暴水平相對(duì)螺旋度(SRH)等是有利于龍卷發(fā)生的重要物理量條件(鄭媛媛等，2015；黃先香等，2019)。龍卷主要產(chǎn)生于臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶上的低質(zhì)心微超級(jí)單體，中氣旋尺度更小，伸展高度較低(鄭媛媛等，2015；朱文劍等，2016；張建云等，2018；黃先香等，2018，2019；李彩玲等，2019)。McCaul(1991)還認(rèn)為螺旋度增加是導(dǎo)致龍卷出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)右前側(cè)的原因。

長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)達(dá)、人口稠密，臺(tái)風(fēng)龍卷極易造成重大氣象災(zāi)害(黃大鵬等，2016)。對(duì)長(zhǎng)三角登陸臺(tái)風(fēng)引發(fā)的龍卷過程研究還甚少，是否存在自身的區(qū)域性特點(diǎn)也尚未知曉。由于龍卷空間尺度較小，時(shí)間尺度較短，長(zhǎng)期以來是氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警的難點(diǎn)，目前，對(duì)龍卷的監(jiān)測(cè)預(yù)警主要依靠天氣雷達(dá)。Donaldson(1970)首次利用多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)到超級(jí)單體鉤狀回波中的中氣旋。Brown等(1978)發(fā)現(xiàn)一個(gè)可能伴隨龍卷過程的比中氣旋尺度更小的渦旋特征，即龍卷渦旋特征(Tornado Vortex Signature,TVS)。Ryzhkov等(2002)在1999年用S波段雙偏振雷達(dá)在超級(jí)單體鉤狀回波的末端處探測(cè)到龍卷碎片特征(Tornadic Debris Signature，TDS)。本文主要利用災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料、自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料、歐洲細(xì)網(wǎng)格再分析資料及雷達(dá)回波資料，針對(duì)2018年8月18 日發(fā)生在長(zhǎng)三角西部安徽北部平原地區(qū)的靈璧龍卷，從其發(fā)生時(shí)的氣象要素特征、大氣環(huán)流背景、關(guān)鍵物理量、雷達(dá)回波特征等方面展開分析，期望能夠在天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中提高該地區(qū)的登陸臺(tái)風(fēng)所引發(fā)龍卷的監(jiān)測(cè)、潛勢(shì)預(yù)報(bào)預(yù)警能力，以減輕臺(tái)風(fēng)龍卷帶來的災(zāi)害影響。

1 資料與方法

使用的資料包括以下5種：(1)龍卷災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，包括通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘、走訪村民得到的龍卷致災(zāi)情況、發(fā)生時(shí)間、移動(dòng)路徑等資料；(2)中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)2018年18號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”時(shí)間、路徑資料；(3)2018年8月18日16∶00—17∶30(北京時(shí)，下同)安徽省靈璧縣婁莊鎮(zhèn)自動(dòng)站(I1661)5 min的氣溫氣壓和安徽省空間分辨率約為10 km的地面風(fēng)場(chǎng)、氣溫、降水量等加密觀測(cè)資料；(4)2018 年8 月18 日08∶00—20∶00 空間分辨率為0.25°×0.25°的歐洲細(xì)網(wǎng)格再分析資料(ERA5)；(5)2018年8月18日15∶00—17∶00安徽省蚌埠多普勒天氣雷達(dá)約6 min一次的反射率和徑向風(fēng)資料，阜陽S波段雙偏振雷達(dá)約6 min一次的反射率、徑向風(fēng)、差分反射率(ZDR)、零滯后相關(guān)系數(shù)(CC)資料。

首先，通過災(zāi)情調(diào)查判定靈璧龍卷強(qiáng)度。然后，利用觀測(cè)數(shù)據(jù)和ERA5數(shù)據(jù)分析龍卷發(fā)生時(shí)的氣象要素特征和假相當(dāng)位溫(θse)、渦度(Vor)、風(fēng)垂直切變(Shr)、對(duì)流有效位能(CAPE)、對(duì)流抑制能量(CIN)、水平相對(duì)螺旋度(SRH)和垂直螺旋度(H3l)等參數(shù)，重點(diǎn)分析龍卷發(fā)生前18 日16∶00 的天氣形勢(shì)配置和關(guān)鍵物理量特征。最后，用雷達(dá)資料分析龍卷發(fā)生時(shí)的回波特征。其中，θse、Vor、Shr、SRH和H3l通過計(jì)算(Bolton，1980；盛裴軒等，2013；岳彩軍等，2006)得到，計(jì)算所需物理量及文中其它物理量從ERA5數(shù)據(jù)中獲取。

2 龍卷災(zāi)情調(diào)查

2018年8月18日下午16∶00—17∶00，安徽省宿州市靈璧縣發(fā)生了龍卷。其后，安徽氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心對(duì)此次龍卷進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)地災(zāi)情調(diào)查。圖1為2018年8月18日16∶40左右發(fā)生的龍卷致災(zāi)路徑示意圖。圖中曲線AF為根據(jù)村民口述及現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害痕跡手工繪制的路徑，因而無法獲取龍卷發(fā)生的精確時(shí)刻及持續(xù)時(shí)間。龍卷自陳營向北偏東方向移動(dòng)，到達(dá)南王莊東側(cè)后轉(zhuǎn)向東北方向移動(dòng)到F 點(diǎn)，龍卷持續(xù)時(shí)間5～6 min，路徑長(zhǎng)度約為2.5 km，由此推斷出該龍卷移速約為8.3 m·s-1。距離災(zāi)害發(fā)生地最近的氣象觀測(cè)站為安徽省婁莊鎮(zhèn)自動(dòng)站(I1661)，位于災(zāi)害發(fā)生地偏北約3.5 km 處，盡管龍卷移動(dòng)路徑并未通過該自動(dòng)站，但由于相距較近，仍采用其觀測(cè)資料大致判斷龍卷發(fā)生時(shí)氣象要素的變化情況。

圖1 2018年8月18日16∶40左右發(fā)生的龍卷致災(zāi)路徑示意圖(曲線AF為根據(jù)村民口述及現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害痕跡所作路徑，其中B處房屋毀損，C處電線桿倒伏，D處樹木被扭斷，E處玉米倒伏；●為婁莊鎮(zhèn)自動(dòng)站位置，下同)Fig.1 The track of the tornado occurred at about 16∶40 BT on 18 August 2018.Curve AF represents the track of the tornado according to villagers’oral narration and traces of the disaster site,the house at point B is damaged,the telegraph poles at point C are fallen,the trees at point D are twisted and the corn at point E is destroyed,the dot“●”represents Louzhuang Town station,same below.

圖2 為龍卷移動(dòng)路徑上倒塌的房屋和扭斷的樹木，它們出現(xiàn)在圖1 中B、D 等處，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)勘察，樹木被扭斷，電線桿塔和大樹倒伏方向不一，這是龍卷區(qū)別于下?lián)舯┝?、雷暴大風(fēng)等其它災(zāi)害性天氣的較為特殊的致災(zāi)特征。根據(jù)《龍卷災(zāi)害調(diào)查技術(shù)規(guī)范》(GB/T 34301—2017)，判定此次龍卷強(qiáng)度為EF0級(jí)。根據(jù)安徽省民政局調(diào)查統(tǒng)計(jì)，此次龍卷共造成1人死亡、17人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約8 200萬元。

圖2 龍卷移動(dòng)路徑上倒塌的房屋(a，位于圖1中B處)和扭斷的樹木(b，位于圖1中D處)Fig.2 (a)The pictures of damaged house(point B in fig.1)and(b)the twisted trees(point D in fig.1)on the tornado path.

3 氣象要素特征

圖3 為2018 年8 月18 日16∶40 地面風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)及15∶00—16∶00的雨量分布。由圖可知，在龍卷發(fā)生前(15∶00—16∶00)，地面已出現(xiàn)東南-西北走向的強(qiáng)降水帶，最大小時(shí)雨強(qiáng)可達(dá)80 mm以上。隨著強(qiáng)降水的產(chǎn)生，地面出現(xiàn)了和雨帶走向一致的冷舌區(qū)，婁莊鎮(zhèn)位于冷舌的東側(cè)，氣溫約為25 ℃，它與東側(cè)的偏東暖濕氣流區(qū)形成了較強(qiáng)的鋒區(qū)。從圖中還可以看到，在婁莊鎮(zhèn)附近出現(xiàn)了明顯的風(fēng)切變，其附近最大陣風(fēng)可達(dá)10級(jí)左右。

圖3 2018年8月18日16∶40地面風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)及15∶00—16∶00的雨量分布(填色表示溫度，單位:℃；等值線表示雨量，單位:mm；▲代表龍卷發(fā)生位置，下同；棕色實(shí)線為地面切變線)Fig.3 Surface wind field,air temperature(shaded,unit:℃)at 16∶40 BT and rainfall distribution(isoline,unit:mm)from 15∶00 BT to 16∶00 BT on 18 August 2018.The triangle represents the location of the tornado(same below),and the brown solid line represents wind shear line.

為了解此次龍卷發(fā)生時(shí)的氣象要素特征，對(duì)靈璧縣婁莊鎮(zhèn)自動(dòng)站觀測(cè)資料進(jìn)行分析。圖4是2018年8月18 日16∶00—17∶20 靈璧縣婁莊鎮(zhèn)自動(dòng)站氣壓、氣溫時(shí)序圖，由圖可知，龍卷發(fā)生前后，單站氣壓“漏斗”明顯，5 min 降壓/升壓幅度達(dá)-1 hPa/1.1 hPa；單站氣溫30 min 內(nèi)從28 ℃下降到25 ℃。這種氣壓陡降陡升、氣溫劇烈下降的現(xiàn)象與龍卷發(fā)生時(shí)的氣象要素變化特征一致。

圖4 2018年8月18日16∶00—17∶20靈璧縣婁莊鎮(zhèn)自動(dòng)站氣壓、氣溫時(shí)序圖(紅線處為災(zāi)害發(fā)生時(shí)刻)Fig.4 Temporal variation of air pressure and temperature at the automatic station in Louzhuang Town of Lingbi County from 16∶00 BT to 17∶20 BT on 18 August 2018.The red line represents the occur time of the disaster.

4 龍卷的發(fā)生與臺(tái)風(fēng)“溫比亞”的位置關(guān)系

圖5 是臺(tái)風(fēng)“溫比亞”登陸后的移動(dòng)路徑、阜陽和蚌埠雷達(dá)站位置及龍卷發(fā)生時(shí)的位置和時(shí)刻。龍卷發(fā)生時(shí)，2018年第18號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”中心位于河南省境內(nèi)。17日04∶05“溫比亞”在上海浦東新區(qū)南部登陸，登陸時(shí)中心氣壓為982 hPa，中心風(fēng)力為10級(jí)(25 m·s-1)，登陸后繼續(xù)往西北方向移動(dòng)。36 h 后，即18 日16∶40左右，“溫比亞”向偏北方向移動(dòng)時(shí)，其東北象限約285 km 處靈璧出現(xiàn)龍卷。Bai 等(2020)對(duì)2006—2018年中國熱帶氣旋龍卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，同樣發(fā)現(xiàn)龍卷主要生成于距離熱帶氣旋中心250～500 km 的東北象限內(nèi)。

圖5 臺(tái)風(fēng)“溫比亞”登陸后的移動(dòng)路徑、阜陽和蚌埠雷達(dá)站位置及龍卷發(fā)生的位置和時(shí)刻(代表臺(tái)風(fēng)中心位置，下同；紅色圓點(diǎn)表示阜陽和蚌埠雷達(dá)站的位置，虛線圓代表雷達(dá)每100 km探測(cè)圈，紅色虛線為16∶40龍卷與臺(tái)風(fēng)中心位置連線)Fig.5 Typhoon movement path(http://typhoon.nmc.cn/web.html),distribution of Fuyang and Bengbu radar stations,time and site of tornado.The represents the location of the typhoon center(same below),the red dot represents the location of the Fuyang and Bengbu radar stations,and the dotted circle represents the 100 km radar detection circle,the red dotted line connects the center of the tornado and the typhoon at 16∶40 BT.

以下從大氣環(huán)流背景和相關(guān)物理量的診斷入手，分析臺(tái)風(fēng)背景下龍卷發(fā)生的環(huán)境條件，以期能夠得到臺(tái)風(fēng)中心東北象限內(nèi)有利于龍卷發(fā)生的特殊環(huán)境配置。另外，蚌埠多普勒天氣雷達(dá)和阜陽S 波段雙偏振雷達(dá)同時(shí)觀測(cè)到了這次龍卷，可進(jìn)行對(duì)比分析，以進(jìn)一步研究此次龍卷發(fā)生時(shí)的回波特征。

5 環(huán)流背景與物理量診斷

5.1 大氣環(huán)流背景

圖6 為2018 年8 月18 日16∶00 的200 hPa 風(fēng)矢量和水平風(fēng)速，500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、風(fēng)矢量和云液態(tài)水含量，850 hPa 相對(duì)濕度、風(fēng)矢量和水平風(fēng)速，以及地面氣壓場(chǎng)和24 h 變溫。由圖6a 可知，高層200 hPa 高空急流軸位于華北至東北地區(qū)，安徽位于急流區(qū)南側(cè)，靈璧處于高空反氣旋環(huán)流之下，高層輻散較強(qiáng)(圖略)。圖6b 表明，500 hPa 臺(tái)風(fēng)“溫比亞”位于副熱帶高壓以西并向偏北方向移動(dòng)，華北低槽伴有冷溫槽，靈璧位于“溫比亞”外圍環(huán)流和副熱帶高壓之間的強(qiáng)盛偏南氣流中，云液態(tài)水含量顯示靈璧上空水汽可達(dá)0.6 g·kg-1，為大值中心。圖6c 顯示，850 hPa等壓面上“溫比亞”東側(cè)的東南急流明顯，靈璧盛行12 m·s-1以上的偏南風(fēng)，同時(shí)相對(duì)濕度超過80%，水汽充沛。圖6d 顯示，地面上安徽北部有996 hPa的低壓中心，靈璧處于“溫比亞”北側(cè)倒槽內(nèi)。地面24 h 變溫場(chǎng)在“溫比亞”北側(cè)有降溫區(qū)，中心達(dá)-6 ℃，“溫比亞”東側(cè)為升溫區(qū)，表明近地面有冷空氣滲透侵入“溫比亞”所在的地面暖區(qū)中，靈璧附近溫度梯度增大。

圖6 2018年8月18日16∶00(a)200 hPa風(fēng)矢量(箭頭，單位:m·s-1)和水平風(fēng)速(填色，單位:m·s-1)；(b)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(實(shí)線，單位:gpm)、溫度場(chǎng)(虛線，單位:℃)、風(fēng)矢量(箭頭，單位:m·s-1)和云液態(tài)水含量(填色，單位:g·kg-1)；(c)850 hPa相對(duì)濕度(填色)、風(fēng)矢量(箭頭，單位:m·s-1)和水平風(fēng)速(等值線，單位：m·s-1)；(d)地面氣壓場(chǎng)(等值線，單位:hPa)及24 h變溫(填色，單位:℃)Fig.6 (a)The horizontal wind vector(arrow,unit:m·s-1)and speed(shaded,unit:m·s-1)at 200 hPa,(b)geopotential height(solid lines,unit:gpm),temperature(dashed line,unit:℃),wind vector(arrow,unit:m·s-1)and cloud liquid water content(shaded,unit:g·kg-1)at 500 hPa,(c)relative humidity(shaded,unit:%),wind vector(arrow,unit:m·s-1)and speed(contour,unit:m·s-1)at 850 hPa,(d)the surface pressure(contour,unit:hPa)and 24 h temperature variability(shaded,unit:℃)at 16∶00 BT on 18 August 2018.

綜上所述，龍卷發(fā)生時(shí)，受“溫比亞”影響，其中心東北象限的靈璧對(duì)流層高層為反氣旋輻散氣流、中層為偏南急流、低層為東南急流，地面為低壓倒槽，有冷空氣侵入“溫比亞”北側(cè)，地面水平溫度梯度大，對(duì)流層整層水汽充沛，這樣的大氣環(huán)流背景為龍卷的發(fā)生提供良好的環(huán)境條件。

5.2 物理量診斷

因?yàn)辇埦頌樾〕叨认到y(tǒng)，其發(fā)生發(fā)展更依賴于當(dāng)?shù)卮髿獾臒崃?、?dòng)力、水汽等條件。通過分析龍卷發(fā)生時(shí)各種物理量的分布，發(fā)現(xiàn)與姚葉青等(2012)、Don?aldson(1970)的研究結(jié)論一致：區(qū)別于雷雨大風(fēng)、冰雹等其它強(qiáng)天氣，不穩(wěn)定層結(jié)、低層風(fēng)垂直切變和螺旋度對(duì)龍卷有更好的指示意義，因此重點(diǎn)對(duì)這三個(gè)物理量的發(fā)展演變進(jìn)行分析。

5.2.1 大氣不穩(wěn)定層結(jié)

圖7 是2018 年8 月18 日08∶00—20∶00 龍卷發(fā)生點(diǎn)上空1°×1°范圍內(nèi)500 hPa 和1 000 hPa 假相當(dāng)位溫差的平均值(Δθse)及16∶00 CAPE 和CIN 分布。由圖7a 可知，18 日08∶00 大氣已處于對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)，至14∶00 Δθse由-10.7 ℃降低至-27.1 ℃，對(duì)流不穩(wěn)定持續(xù)增強(qiáng)，16∶00 Δθse為-21.5 ℃，不穩(wěn)定度仍較強(qiáng)。進(jìn)一步分析CAPE，18 日08∶00 靈璧附近的CAPE 較小(約為136.8 J·kg-1，圖略)，至16∶00 (圖7b)靈璧位于“溫比亞”中心的東北象限，其CAPE 值迅速增大為1 591.5 J·kg-1；而此時(shí)CIN 值為31.4 J·kg-1，這是一個(gè)較合適的值，據(jù)統(tǒng)計(jì)，龍卷的發(fā)生需要一定的CIN 值，如果值太小，能量不易于聚積而輕易釋放，對(duì)流不會(huì)有較強(qiáng)的發(fā)展，如果CIN＞50 J·kg-1則會(huì)抑制對(duì)流活動(dòng)，龍卷不易發(fā)生(姚葉青等，2012；Bai et al.，2020)。

圖7 2018年8月18日(a)08∶00—20∶00龍卷發(fā)生點(diǎn)上空1°×1°范圍內(nèi)500 hPa和1 000 hPa假相當(dāng)位溫差的平均值(Δθse,單位:℃)及(b)16∶00的CAPE(填色，單位:J·kg-1)及CIN(等值線，單位:J·kg-1)分布Fig.7 (a)Temporal variation of the pseudo-equivalent potential temperature difference(Δθse,contour,unit:℃)between 500 hPa and 1 000 hPa over the disaster site in 1°×1°from 08∶00 BT to 20∶00 BT,and(b)CAPE(shaded,unit:J·kg-1)and CIN(contour,unit:J·kg-1)distribution at 16∶00 BT on 18 August 2018.

5.2.2 風(fēng)切變

在大氣層結(jié)不穩(wěn)定的條件下，較大的風(fēng)垂直切變有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的增強(qiáng)和維持(俞小鼎等，2006b；黃先香等，2019)。圖8 是2018 年8 月18 日16∶00 的0—1 km、0—3 km風(fēng)垂直切變和龍卷發(fā)生點(diǎn)上空1 000—500 hPa 風(fēng)速風(fēng)向。由圖8a 可知，16∶00 的0—1 km 和0—3 km 風(fēng)垂直切變大值中心位于“溫比亞”西北部，其分別達(dá)22、18 m·s-1，靈璧處分別為12、16 m·s-1。圖8b中顯示，龍卷發(fā)生地上空1 000 hPa為南風(fēng)，風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，至500 hPa 已轉(zhuǎn)為東風(fēng)，地面至925 hPa 風(fēng)速有較大的增加。強(qiáng)的低層風(fēng)垂直切變?yōu)辇埦淼葟?qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的觸發(fā)與組織提供了較好的動(dòng)力條件(許薇等，2012)。

圖8 2018年8月18日16∶00的0—1 km(紅實(shí)線)和0—3 km(藍(lán)虛線)風(fēng)垂直切變(單位:m·s-1)分布(a)以及龍卷發(fā)生點(diǎn)上空1 000—500 hPa風(fēng)速風(fēng)向變化(b)Fig.8 (a)The vertical wind shear(unit:m·s-1)of 0-1 km(the red solid line)and 0-3 km(the blue dotted line),and(b)wind speed and direction from 1 000 hPa to 500 hPa over the disaster site at 16∶00 BT on 18 August 2018.

5.2.3 螺旋度

在風(fēng)垂直切變較大的環(huán)境中(>10 m·s-1)，低層水平渦度矢量主要是沿風(fēng)暴入流方向進(jìn)入上升支，強(qiáng)烈的上曳氣流將水平渦度轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睖u度，促進(jìn)風(fēng)暴發(fā)展(Lilly，1986)，螺旋度可以描述上述過程。與冰雹(73 m2·s-2)和雷雨大風(fēng)(52 m2·s-2)相比，龍卷0—3 km SRH平均可達(dá)303 m2·s-2(姚葉青等，2012)。為了更清楚地認(rèn)識(shí)靈璧龍卷發(fā)生時(shí)的螺旋度分布及變化特征，對(duì)水平相對(duì)螺旋度(SRH)和垂直螺旋度(H3l)分別進(jìn)行了計(jì)算，15∶00—16∶00 靈璧地區(qū)的0—3 km SRH由335 m2·s-2增加到360 m2·s-2(圖略)。Bai 等(2020)統(tǒng)計(jì)了2006—2018 年產(chǎn)生龍卷的臺(tái)風(fēng)中心四個(gè)象限的關(guān)鍵物理量，指出0—1 km SRH對(duì)龍卷的指示意義略好于0—3 km SRH，因此重點(diǎn)對(duì)“溫比亞”中心四個(gè)象限的0—1km SRH進(jìn)行分析。圖9為2018年8月18日16∶00 0—1 km SRH分布，以及龍卷發(fā)生點(diǎn)上空0—1 km SRH和925 hPa H3l時(shí)序圖。圖9a顯示，16∶00 0—1 km SRH大值區(qū)位于“溫比亞”中心的東北和西北象限，為360 m2·s-2以上。由圖9b 可知，15∶00—16∶00 靈璧地區(qū)的0—1 km SRH 由143 m2·s-2增加到149 m2·s-2，同時(shí)H3l由3×10-6Pa·s-2上升至10×10-6Pa·s-2，是沿氣流方向的水平渦度和水平方向的入流增強(qiáng)使SRH增大，并且向H3l轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致H3l有較大增加，預(yù)示龍卷發(fā)生的概率增大。

圖9 2018年8月18日16∶00 0—1 km SRH(填色，單位:m2·s-2)分布(a)以及龍卷發(fā)生點(diǎn)上空0—1 km SRH(黑實(shí)線，單位:m2·s-2)和925 hPa H3l(紅實(shí)線，單位:10-6 Pa·s-2)時(shí)序圖(b)Fig.9 (a)The 0-1 km SRH(shaded,unit:m2·s-2)at 16∶00 BT,and(b)temporal variation of 0-1 km SRH(black line,unit:m2·s-2)and 925 hPa vertical helicity(red line,unit:10-6 Pa·s-2)over the disaster site on 18 August 2018.

Bai等(2020)指出，臺(tái)風(fēng)中心東北象限CAPE和0—1 km SRH 的配置最有利于龍卷的發(fā)生。由以上分析可知，靈璧龍卷發(fā)生時(shí)，CAPE在“溫比亞”中心的東北和東南象限數(shù)值較大，0—1 km SRH 在“溫比亞”中心的東北和西北象限數(shù)值較大，因此同樣“溫比亞”中心東北象限具有CAPE和0—1 km SRH的最佳配置，且靈璧上空的0—1 km SRH 最大為149 m2·s-2，符合Bai 等(2020)研究統(tǒng)計(jì)的0—1 km SRH 值(100～180 m2·s-2)，對(duì)龍卷的發(fā)生有重要的指示意義。

6 雷達(dá)回波特征

天氣雷達(dá)是監(jiān)測(cè)預(yù)警龍卷的有效工具(張建云等，2018)，以往對(duì)龍卷的研究多利用單部雷達(dá)資料，而本次龍卷發(fā)生時(shí)，蚌埠多普勒天氣雷達(dá)(距龍卷約78 km)探測(cè)到了龍卷母體即帶鉤狀回波的超級(jí)單體的典型結(jié)構(gòu)、中氣旋產(chǎn)品、TVS 產(chǎn)品，同時(shí)阜陽S 波段雙偏振雷達(dá)(距龍卷約165 km)還探測(cè)到了TDS。用兩部雷達(dá)聯(lián)合分析可以更加細(xì)致了解此次龍卷發(fā)生時(shí)的回波特征。

6.1 龍卷母體鉤狀回波特征

圖10 是2018 年8 月18 日15∶01、16∶20、16∶42 蚌埠多普勒雷達(dá)0.5°仰角受災(zāi)點(diǎn)附近的基本反射率及16∶42 基本反射率在圖10c 中線段AB 處的垂直分布。由圖10a可知，15∶01蚌埠雷達(dá)站西北方向有西北東南走向的線狀強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴帶，在對(duì)流風(fēng)暴帶東南方向有若干單體風(fēng)暴，此后這些單體風(fēng)暴向西北方向移動(dòng)且不斷合并，風(fēng)暴單體的連續(xù)合并對(duì)其迅速增強(qiáng)為超級(jí)單體有重要作用(朱江山等，2015)。圖10b顯示，16∶20單體風(fēng)暴已合并進(jìn)入強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴帶，并移動(dòng)到靈璧附近，在靈璧附近開始形成一個(gè)超級(jí)單體，中心強(qiáng)度達(dá)到55 dBz。此后，超級(jí)單體向西北方向移動(dòng)并逐步發(fā)展成熟。圖10c顯示，16∶42超級(jí)單體回波中心強(qiáng)度增大到60 dBz，其移動(dòng)方向左后側(cè)方出現(xiàn)“V”型缺口，形成有界弱回波區(qū)，超級(jí)單體南端回波呈鉤狀，而龍卷多起源于具有典型鉤狀回波的超級(jí)單體(周海光，2018)，此次龍卷就出現(xiàn)于鉤狀回波頂端的強(qiáng)回波與有界弱回波交界處。經(jīng)過圖10c 中的線段AB 做垂直剖面如圖10d 所示，鉤狀部分50 dBz 強(qiáng)回波的高度達(dá)5 km，回波向北偏東方向傾斜，在1.5 km 高度處有回波懸垂。有界弱回波前側(cè)的強(qiáng)回波高度更高，伸展到8 km，整個(gè)超級(jí)單體的回波頂高超過12 km。研究表明超級(jí)單體龍卷發(fā)生時(shí)，雷達(dá)回波多呈鉤狀，具有懸垂結(jié)構(gòu)(俞小鼎等，2006a)，本次發(fā)生的龍卷超級(jí)單體回波特征與此相符。

圖10 2018年8月18日15∶01(a)、16∶20(b)、16∶42(c)蚌埠多普勒雷達(dá)0.5°仰角受災(zāi)點(diǎn)附近的基本反射率及16∶42基本反射率在圖10c中線段AB處的垂直分布(d,單位:dBz)(虛線橢圓為超級(jí)單體大致位置，實(shí)線圓圈處為鉤狀回波)Fig.10 Basic reflectivity factor(unit:dBz)around the disaster site at 0.5°elevation angle from Bengbu Doppler radar at(a)15∶01 BT,(b)16∶20 BT and(c)16∶42 BT,and(d)vertical cross sections of basic reflectivity factor along the black solid line from A to B in(c)at 16∶42 on 18 August 2018.The dashed ellipse is marked as the approximate position of the super cell,and the circle is marked as hook echo.

6.2 中氣旋和TVS

龍卷的發(fā)生發(fā)展與中氣旋的發(fā)展密切相關(guān)，雷達(dá)中氣旋產(chǎn)品能夠顯示與三維相關(guān)切變及中氣旋的識(shí)別有關(guān)的信息(俞小鼎等，2006a)。圖11 為2018 年8月18 日16∶42 蚌埠多普勒雷達(dá)0.5°仰角受災(zāi)點(diǎn)附近的徑向速度，雷達(dá)產(chǎn)品顯示此時(shí)靈璧北邊約11 km 處有一三維相關(guān)切變，此三維相關(guān)切變于16∶14 開始出現(xiàn)在靈璧東南方向約10 km 處，此后向西北方向移動(dòng)，16∶31 增強(qiáng)為中氣旋，16∶36 中氣旋尺度進(jìn)一步增大。

圖11 2018年8月18日16∶42蚌埠多普勒雷達(dá)0.5°仰角受災(zāi)點(diǎn)附近徑向速度(單位:m·s-1)圖(黑色圓圈為編號(hào)為“W0”的單體風(fēng)暴移動(dòng)路徑，其中粗圓圈標(biāo)識(shí)為中氣旋，細(xì)圓圈標(biāo)識(shí)為三維相關(guān)切變)Fig.11 Radial velocity(unit:m·s-1)around the disaster site at 0.5°elevation angle from Bengbu Doppler radar at 16∶42 BT on 18 August 2018.The black circles are marked as the sites of tornado storm cell numbered“W0”,the thick circles are marked as medium cyclones,and the thin circles are marked as three-dimensional related shear.

表1 為2018 年8 月18 日16∶31—16∶42 中氣旋及TVS參數(shù)特征。從中看到，16∶31—16∶36中氣旋頂高由7.0 km下降為5.7 km，徑向直徑維持2.8 km，方位直徑由1.8 km 增大為2.2 km，中氣旋形狀由橢圓形逐步接近圓形，表明旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨向于對(duì)稱，此時(shí)出現(xiàn)了TVS，婁莊鎮(zhèn)發(fā)生龍卷災(zāi)害。16∶42，最大風(fēng)切變維持80×10-3s-1，表明渦度仍保持較大水平，低層徑向速度差由25 m·s-1增至51 m·s-1，表明低層旋轉(zhuǎn)明顯增強(qiáng)。

表1 2018年8月18日16∶31—16∶42中氣旋及TVS參數(shù)特征Table 1 Characteristics of mesocyclone and TVS from 16∶31 BT to 16∶42 BT on 18 August 2018.

6.3 龍卷碎片特征

龍卷在雙偏振雷達(dá)上出現(xiàn)TDS特征，是因?yàn)辇埦韺㈦s物碎片卷到空中，這些雜物碎片隨機(jī)的方向、不規(guī)則的形狀、大的尺寸和高的介電常數(shù)產(chǎn)生高反射率因子、低ZDR和異常低的CC。TDS在龍卷監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)中具有重要作用(張建云等，2018)。

圖12 是2018 年8 月18 日16∶38 阜陽S 波段雙偏振雷達(dá)0.5°仰角在靈璧附近的基本反射率、徑向速度、差分反射率和零滯后相關(guān)系數(shù)。由圖12a 可見，阜陽雙偏振雷達(dá)能探測(cè)到165 km 處的靈璧龍卷母體超級(jí)單體的鉤狀回波，且圖12b 中的速度場(chǎng)上對(duì)應(yīng)有明顯的正負(fù)速度對(duì)(黑色虛線橢圓處)。雙偏振雷達(dá)還探測(cè)到了TDS：對(duì)應(yīng)圖12a 中超級(jí)單體的鉤狀回波末端處(黑色圓圈所示)，圖12c中ZDR有0 dB左右的低值區(qū)，圖12d 中CC也有0.85 左右的低值區(qū)。雷達(dá)0.5°仰角在165 km 的探測(cè)高度約4.2 km，也能在16∶44 探測(cè)到TDS(圖略)，說明龍卷可以將雜物卷到4 km 左右的高空中。

圖12 2018年8月18日16∶38阜陽S波段雙偏振雷達(dá)0.5°仰角在靈璧附近基本反射率(a，單位:dBz)、徑向速度(b，單位:m·s-1)、差分反射率ZDR(c，單位:dB)和零滯后相關(guān)系數(shù)CC(d)(圖a、c、d中，黑色圓圈表示TDS所在處；圖b中虛線橢圓為正負(fù)速度對(duì))Fig.12 (a)Basic reflectivity factor(unit:dBz),(b)radial velocity(unit:m·s-1),(c)ZDR(unit:dB),and(d)CC at 0.5°elevation angle from Fuyang S-band dual-polarimetric radar around Lingbi at 16∶38 BT on 18 August 2018.The black circles in a,b and c are marked as the site of TDS,the dotted ellipse in b is marked as a pair of positive and negative velocities.

對(duì)比多普勒雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)的龍卷回波特征可知：多普勒天氣雷達(dá)對(duì)100 km 以內(nèi)的鉤狀回波、中氣旋和TVS 具有較好的探測(cè)效果(姚葉青等，2012)。目前，我國雙偏振雷達(dá)正在升級(jí)改造、增加站點(diǎn)建設(shè)中，其對(duì)超級(jí)單體的鉤狀回波等的探測(cè)范圍尚未有更多的統(tǒng)計(jì)和一致的結(jié)論。本次龍卷發(fā)生時(shí)，阜陽雙偏振雷達(dá)可探測(cè)到165 km處的超級(jí)單體鉤狀回波，表明雙偏振雷達(dá)對(duì)100 km以外的回波特征也能有較好的探測(cè)，且徑向速度圖上能夠識(shí)別出更明顯的正負(fù)速度對(duì)，另外還可以探測(cè)到對(duì)于不同極化狀態(tài)電磁波的后向散射信號(hào)強(qiáng)度的變化信息，如ZDR、CC等變量，綜合這些變量能夠識(shí)別出TDS，可為龍卷微物理特征及動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究提供強(qiáng)有力的手段，對(duì)龍卷的探測(cè)能力更強(qiáng)。

7 結(jié)論和討論

通過對(duì)2018 年8 月18 日16∶40 左右發(fā)生的靈璧龍卷現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查和龍卷發(fā)生時(shí)的氣象要素特征、大氣環(huán)流背景、關(guān)鍵物理量、雷達(dá)回波特征的綜合分析，得到結(jié)論如下：

(1)龍卷發(fā)生在“溫比亞”臺(tái)風(fēng)登陸后36 h 的減弱階段，位于臺(tái)風(fēng)中心東北象限，強(qiáng)度為EF0級(jí)，同時(shí)伴隨有氣壓陡降陡升、氣溫劇烈下降、風(fēng)向急轉(zhuǎn)、10級(jí)瞬時(shí)大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水。

(2)當(dāng)龍卷發(fā)生時(shí)，大氣環(huán)流背景具有與冰雹、雷雨大風(fēng)等強(qiáng)天氣相似的天氣形勢(shì)配置，但“溫比亞”中心東北象限具有CAPE 和SRH 的最佳配置，且該象限內(nèi)的0—1 km SRH 符合2006—2018 年中國臺(tái)風(fēng)龍卷的平均值，螺旋度由水平向垂直轉(zhuǎn)化對(duì)龍卷的發(fā)生有重要的指示意義。

(3)蚌埠多普勒雷達(dá)探測(cè)到龍卷發(fā)生于“溫比亞”外圍線狀強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴帶中超級(jí)單體內(nèi)，有低層鉤狀回波、回波懸垂、中氣旋和TVS。當(dāng)中氣旋的形狀由橢圓形向圓形轉(zhuǎn)變，同時(shí)TVS的低層徑向速度差迅速增大時(shí)，靈璧發(fā)生龍卷災(zāi)害。

(4)阜陽S 波段雙偏振雷達(dá)可探測(cè)165 km 處超級(jí)單體的鉤狀回波，探測(cè)范圍更廣，并且能夠識(shí)別出TDS和更明顯的正負(fù)速度對(duì)，對(duì)龍卷有更強(qiáng)的探測(cè)能力。

2018年8月17日安徽省氣象臺(tái)預(yù)報(bào)了24 h內(nèi)“溫比亞”將給安徽帶來大雨到暴雨、局地大暴雨，并指出全省平均風(fēng)力5級(jí)，陣風(fēng)8～10級(jí)，及時(shí)發(fā)布了臺(tái)風(fēng)藍(lán)色預(yù)警信號(hào)，但漏報(bào)了龍卷。龍卷仍為天氣預(yù)報(bào)中的一大挑戰(zhàn)。本文僅針對(duì)一次由臺(tái)風(fēng)引發(fā)的龍卷個(gè)例進(jìn)行分析，未來仍需大力推進(jìn)龍卷等中小尺度災(zāi)害性天氣現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查，收集統(tǒng)計(jì)大量臺(tái)風(fēng)龍卷個(gè)例，并且隨著大氣探測(cè)能力的提高和計(jì)算機(jī)能力的發(fā)展，可以使用同化了天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)資料等的高分辨率區(qū)域數(shù)值模式對(duì)其進(jìn)行更加全面的分析和深入研究，加深對(duì)臺(tái)風(fēng)龍卷的機(jī)理認(rèn)識(shí)，為強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供更加有效的參考，提升監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。