中國東部沿海地區(qū)兩次登陸臺風(fēng)多發(fā)龍卷天氣雷達(dá)特征對比分析

溫璐璐 韓銳 張吉榮

(中國人民解放軍93117部隊，江蘇南京 210018)

引言

龍卷風(fēng)是一種伴隨猛烈旋轉(zhuǎn)漏斗狀云柱的小尺度渦旋，突發(fā)性強，雖然影響范圍小，但破壞力巨大，預(yù)警難度大[1-4]。誘發(fā)龍卷風(fēng)的物理機制已有很多研究，有分析表明超級單體風(fēng)暴易誘發(fā)龍卷風(fēng)的關(guān)鍵因素是：0～1 km垂直風(fēng)切變較大和抬升凝結(jié)高度較低環(huán)境下持續(xù)的中氣旋，而且發(fā)生的龍卷風(fēng)強度一般偏強[5-9]。對于非超級單體風(fēng)暴誘發(fā)的龍卷，通常與淺薄的、尺度較小的低層渦旋相關(guān)聯(lián)，龍卷風(fēng)等級偏弱，預(yù)警難度較大[10-13]。為提高龍卷風(fēng)的預(yù)警能力，美國強風(fēng)暴實驗室(National Severe Storms Laboratory，NSSL)開發(fā)了基于多普勒天氣雷達(dá)探測資料的龍卷探測算法[14]，并應(yīng)用于WSR-88D雷達(dá)業(yè)務(wù)中，取得良好效果。國內(nèi)CINRAD/SA雷達(dá)也基本采用WSR-88D雷達(dá)算法，根據(jù)雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)，識別龍卷渦旋特征(Tornado Vortex Signature,TVS)，TVS為等距離圈方位相鄰距離庫之間速度切變的大小及垂直關(guān)聯(lián)程度，速度切變大小用方位相鄰距離庫之間速度差的絕對值(ΔV)來表示。

中國東部沿海地區(qū)的龍卷時空分布、龍卷形成機制及預(yù)警技術(shù)等已有大量研究[16-21]。江蘇省是中國龍卷多發(fā)地，同時臺風(fēng)龍卷占比較高，2004—2013年江蘇記錄到EF1或以上級龍卷的次數(shù)最多[15]，2006—2018年江蘇省41次龍卷中有27%為臺風(fēng)前龍卷[16]。臺風(fēng)環(huán)流的龍卷多出現(xiàn)在臺風(fēng)的東北象限或前進(jìn)方向的右前象限，多發(fā)生在下午，有時會成群出現(xiàn)，主要環(huán)境條件是大的低層垂直風(fēng)切變和相對風(fēng)暴螺旋度及低的抬升凝結(jié)高度等[17-21]。白蘭強等[22]對2006—2018年中國熱帶氣旋(Tropical Cyclone,TC)龍卷(簡稱TC龍卷)的分析認(rèn)為，TC龍卷主要集中在低層風(fēng)暴相對螺旋度(Storm Relative Helicity,SRH)和考慮夾卷效應(yīng)的對流有效位能(Entrainment-Convective Available Potential Energy,ECAPE)的大值區(qū)；同時對龍卷多發(fā)和非龍卷多發(fā)的TC環(huán)境進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)SRH或ECAPE的數(shù)值大小和空間覆蓋區(qū)域無法用以區(qū)分一個龍卷性TC是否具有龍卷多發(fā)的潛勢。雷達(dá)觀測表明，弱龍卷風(fēng)暴強度不強，質(zhì)心較低，沒有明顯的鉤狀回波特征，風(fēng)暴低層有強切變或強小尺度渦旋存在；強龍卷風(fēng)暴多屬于微型超級單體，低層有強或中等強度中氣旋，中氣旋尺度小、伸展高度低[19-21,23-24]。鄭媛媛等[25]對臺風(fēng)龍卷風(fēng)暴雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為，EF2～EF3級龍卷母體風(fēng)暴屬于微超級單體風(fēng)暴，回波反射率因子強度一般為50～60 dBz，中氣旋較小(2～4 km)，垂直渦度限制在4 km以下，風(fēng)暴單體質(zhì)心和伸展高度較低。刁秀廣等[26]對2018年臺風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”龍卷風(fēng)暴分析認(rèn)為，龍卷出現(xiàn)前30 min內(nèi)風(fēng)暴最大反射率因子多為51～58 dBz，風(fēng)暴頂高多為5～9 km，強中心高度多為4 km以下，龍卷出現(xiàn)時風(fēng)暴底均伴有強的小尺度氣旋性渦旋，ΔV均為20 m·s-1以上。綜上，對于臺風(fēng)龍卷，低層大的垂直風(fēng)切變和大的相對風(fēng)暴螺旋度是基本共識，但并沒有確定的閾值進(jìn)行龍卷天氣的預(yù)警。產(chǎn)生龍卷的風(fēng)暴既有超級單體風(fēng)暴，也有非超級單體風(fēng)暴，從風(fēng)暴結(jié)構(gòu)或風(fēng)暴形態(tài)上也較難進(jìn)行龍卷預(yù)警。較強的龍卷一般會出現(xiàn)TVS，但多數(shù)偏弱的龍卷風(fēng)并不會出現(xiàn)TVS特征，僅從TVS特征進(jìn)行預(yù)警在準(zhǔn)確性及時間提前量方面難度均較大。龍卷出現(xiàn)前，風(fēng)暴低層氣旋性切變或氣旋性渦旋演變特征還缺乏相應(yīng)的研究。

2008年臺風(fēng)“鳳凰”(0808)外圍環(huán)流在江蘇北部地區(qū)產(chǎn)生5個龍卷，2018年臺風(fēng)“摩羯”(1814)外圍環(huán)流在江蘇北部和山東東北部地區(qū)產(chǎn)生12個龍卷，造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失，這種多發(fā)龍卷天氣在中國東部沿海地區(qū)出現(xiàn)幾率較低。本文基于多部CINRAD/SA雷達(dá)探測資料，結(jié)合探空觀測、地面實況資料及災(zāi)情報告，對兩次多發(fā)龍卷過程的環(huán)境物理量和風(fēng)暴演變及徑向速度特征，特別是龍卷觸地前期風(fēng)暴低層、底部切變特征的演變進(jìn)行了分析，以期為類似臺風(fēng)外圍環(huán)流形勢下龍卷風(fēng)的預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 資料與方法

資料包括探空資料和S波段多普勒天氣雷達(dá)觀測資料。2008年7月29日夜間和30日白天，龍卷發(fā)生區(qū)域距離射陽探空站較近，使用射陽探空資料計算環(huán)境參數(shù)。2018年8月13日夜間，龍卷發(fā)生區(qū)域距離徐州探空站距離較近，8月14日白天，龍卷發(fā)生區(qū)域距離章丘探空站距離較近，分別使用徐州和章丘探空資料計算環(huán)境參數(shù)。2008年7月29—30日龍卷風(fēng)暴分析分別使用距離龍卷風(fēng)地點最近的徐州和鹽城CINRAD/SA雷達(dá)探測資料，2018年8月13—14日龍卷風(fēng)暴分析分別使用距離龍卷風(fēng)地點最近的徐州、濰坊和濱州CINRAD/SA雷達(dá)探測資料，統(tǒng)計分析龍卷風(fēng)暴參數(shù)演變及氣旋性渦旋演變。

2 結(jié)果分析2.1 臺風(fēng)路徑與龍卷風(fēng)實況

2.1.1 臺風(fēng)路徑

2008年臺風(fēng)“鳳凰”和2018年臺風(fēng)“摩羯”登陸后移動路徑見圖1。由圖1可知，兩次臺風(fēng)登陸時間均為夜間23:00左右，登陸后移動方向大體一致，“鳳凰”登陸點及移動路徑偏南，移動速度較慢，24 h移動380 km左右，“摩羯”登陸點及移動路徑偏北，移動速度較快，24 h移動了840 km左右。

圖1 2008年臺風(fēng)“鳳凰”和2018年“摩羯”登陸后移動路徑Fig.1 The paths of typhoons "Fung-wong" in 2008 and "Yagi" in 2018 after landing

2.1.2 龍卷風(fēng)實況

2008年7月29—30日受0808號減弱臺風(fēng)“鳳凰”外圍環(huán)流影響，江蘇北部(長江以北)的東臺、邳州、高郵、寶應(yīng)等市縣的局地相繼出現(xiàn)龍卷天氣(圖1)。7月29日20:00(北京時，下同)左右，鹽城東臺市開二村、羅一村遭受龍卷風(fēng)襲擊，龍卷風(fēng)過境地帶農(nóng)作物受災(zāi)面積333 ha，倒塌房屋102間，損壞房屋108間。7月30日05:10左右，徐州邳州市港上鎮(zhèn)、周莊鎮(zhèn)、四戶鎮(zhèn)部分村莊遭受龍卷風(fēng)襲擊，致使253間房屋損壞和倒塌，1人死亡，2人受傷。7月30日15:30—17:00，揚州高郵市臨澤鎮(zhèn)和揚州寶應(yīng)縣的廣洋湖、射洋湖、西安豐、魯垛等多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受了3個龍卷風(fēng)重創(chuàng)，倒塌民房114間，損壞民房1213間，4人亡、47人傷(高郵龍卷強度EF2級[22])。東臺、邳州、高郵和寶應(yīng)龍卷距離低壓中心的距離分別為600 km、650 km、500～510 km，出現(xiàn)方位分別為25°、15°、30°～35°?？梢姡傍P凰”減弱后低壓環(huán)流造成的龍卷風(fēng)均出現(xiàn)在減弱低壓中心的東北象限，距低壓中心的距離范圍基本為500～650 km，方位范圍為15°～35°。

2018年8月13日夜間至14日下午，受1814號臺風(fēng)“摩羯”減弱低壓環(huán)流影響，江蘇北部徐州邳州市和山東棗莊、濰坊、煙臺、濱州、東營、德州等地部分村莊先后出現(xiàn)12個龍卷風(fēng)(圖1)，造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失(最大強度EF2級，為濱州惠民縣姜樓鎮(zhèn)龍卷[26])。徐州邳州市土山鎮(zhèn)薛集村和劉井村龍卷風(fēng)出現(xiàn)在13日22:30左右，最后一個龍卷風(fēng)在14日14:45出現(xiàn)在濱州惠民縣落桑墅鎮(zhèn)哨馬張村?！澳︳伞睖p弱后低壓環(huán)流造成的龍卷風(fēng)均出現(xiàn)在減弱低壓中心的東北象限，距低壓中心的距離范圍基本為100～360 km，方位范圍為35～75°[26]。

“鳳凰”登陸后外圍環(huán)流在江蘇北部產(chǎn)生5個龍卷風(fēng)，其中3個集中發(fā)生在15:30—17:00，而且區(qū)域也較為集中，龍卷距離臺風(fēng)低壓中心的距離較遠(yuǎn)。“摩羯”登陸后外圍環(huán)流在江蘇北部和山東東北部產(chǎn)生12個龍卷風(fēng)，其中6個集中在12:00—15:00，而且區(qū)域也相對集中，龍卷距臺風(fēng)低壓中心的距離相對較近。

2.1.3 環(huán)境參數(shù)變化

2008年7月29日射陽探空站、2018年8月13日徐州探空站和8月14日章丘探空站T-lnP見圖2。由圖2和表1可知，3個探空站均位于臺風(fēng)減弱低壓中心東北象限，且距離龍卷發(fā)生地點較近，龍卷區(qū)域風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)再轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，低空存在20 m·s-1左右的東南急流，且濕層較厚。根據(jù)探空資料計算得出的環(huán)境參數(shù)表明(表1)，K指數(shù)較大，850 hPa與500 hPa溫差(ΔT)較小，抬升指數(shù)(Lifting Index,LI)和對流抑制能量(Convective Inhibition,CIN)較小，抬升凝結(jié)高度(Lifting Condensating Level,LCL)較低，對流有效位能(CAPE)中等強度或以上，相對風(fēng)暴螺旋度(SRH)較大，低層垂直風(fēng)切變(Wsr)較強，比濕(q)較大，與文獻(xiàn)[18-21]的相關(guān)分析基本一致。

圖2 2008年7月29日20:00(a)和30日08:00(b)射陽探空站、2018年8月13日20:00(c)徐州探空站和14日08:00(d)章丘探空站T-lnPFig.2 Sounding charts of Sheyang (a) at 20:00 on July 29 and (b) at 08:00 on July 30,2008,Xuzhou (c) at 20:00 on August 13,2018,Zhangqiu (d) at 08:00 on August 14,2018

表1 射陽、徐州和章丘探空站環(huán)境參數(shù)Table 1 Environmental parameters of Sheyang、Xuzhou and Zhangqiu sounding stations

由2018年8月14日08時與2008年7月30日08時對比可知，臺風(fēng)“摩羯”減弱低壓中心東北象限具有更大的低層(0～3 km)垂直風(fēng)切變(Wsr=22.4 m·s-1)、深層次(0～6 km)垂直風(fēng)切變(19.7 m·s-1)和更大的相對風(fēng)暴螺旋度(SRH=276 m2·s-2)。

2.2 “鳳凰”外圍環(huán)流龍卷風(fēng)暴雷達(dá)特征

2.2.1 風(fēng)暴演變與徑向速度

2008年7月30日下午，在江蘇省高郵市和寶應(yīng)縣較臨近區(qū)域，短時間接連有3個龍卷產(chǎn)生，為多發(fā)性龍卷天氣。2008年7月30日鹽城雷達(dá)組合反射率與平均徑向速度見圖3。由圖3可知，7月30日14:40左右，江蘇省興化市南部不斷有對流單體生成、發(fā)展，北偏西方向移動，15:27逐漸發(fā)展成東南西北向短的帶狀回波(圖3a)，后側(cè)單體產(chǎn)生龍卷(龍卷單體A)，影響高郵市臨澤鎮(zhèn)。15:15，興化南部又有對流單體觸發(fā)、發(fā)展，至15:27發(fā)展較為旺盛(圖3a的雷暴B)，并隨前側(cè)短的帶狀回波一起向北偏西移動(圖3b)。16:09興化西部(短帶狀回波后側(cè))又有對流單體觸發(fā)、發(fā)展，16:22與前側(cè)短帶狀回波連為一體(圖3c)，整體向北偏西移動(圖3d)。造成高郵和寶應(yīng)3個龍卷風(fēng)的對流風(fēng)暴處在同一條對流云帶上(圖3a至圖3d)，風(fēng)暴演變具有明顯的后向傳播特征。

高郵市臨澤鎮(zhèn)龍卷風(fēng)風(fēng)暴最強切變出現(xiàn)在15:27，1.5 °仰角平均徑向速度產(chǎn)品上，方位上相鄰距離庫之間徑向速度差的絕對值最大ΔV約39 m·s-1(圖3e)，寶應(yīng)縣魯垛鎮(zhèn)龍卷風(fēng)風(fēng)暴最強切變出現(xiàn)在15:45,0.5 °仰角平均徑向速度產(chǎn)品上，ΔV約34 m·s-1(圖3f)。高郵市臨澤鎮(zhèn)龍卷風(fēng)與寶應(yīng)縣魯垛鎮(zhèn)龍卷風(fēng)由同一龍卷單體A產(chǎn)生(圖3a和圖3b)，而且時間間隔較短，可視為同一龍卷風(fēng)。影響寶應(yīng)縣廣洋湖、射洋湖的龍卷風(fēng)由帶狀后側(cè)發(fā)展起來的雷暴B產(chǎn)生(圖3a至圖3c)，最強切變出現(xiàn)在16:22，0.5°仰角平均徑向速度產(chǎn)品上，ΔV約33 m·s-1(圖3g)。

白色箭頭為單體移動方向圖3 2008年7月30日15:27(a)，15:45(b)，16:22(c),16:52(d)鹽城雷達(dá)組合反射率與15:27(e)，15:45(f)，16:22(g),16:52(h)平均徑向速度Fig.3 Composite reflectivity at 15:27 (a),15:45 (b),16:22 (c),16:52 (d) and mean radial velocity at 15:27 (e),15:45 (f) 16:22 (g),16:52 (h) observed with Yancheng radar on July 30,2008

影響寶應(yīng)縣西安豐鎮(zhèn)的龍卷由帶狀后側(cè)發(fā)展起來的雷暴C產(chǎn)生，最強切變出現(xiàn)在16:52和16:58，0.5 °仰角ΔV均為25 m·s-1左右(圖3h)，而且2個時次均有龍卷渦旋特征(TVS)。

2.2.2 風(fēng)暴切變演變與風(fēng)暴參數(shù)演變

2008年7月30日江蘇鹽城雷達(dá)仰角平均徑向速度及龍卷單體A、B和C風(fēng)暴參數(shù)見圖4。由圖4可知，14:50在風(fēng)暴上空3.7 km高度首先出現(xiàn)大的氣旋性切變或者明顯的氣旋性渦旋(圖4a)，右側(cè)最小徑向速度為-22.5 m·s-1，左側(cè)最大徑向速度為-7.5 m·s-1，兩者的速度差約為15 m·s-1，表現(xiàn)為明顯的氣旋性切變。14:56切變強度迅速加強，右側(cè)最小徑向速度為-29.5 m·s-1(速度退模糊后)，左側(cè)最大徑向速度為-4.5 m·s-1，速度差約為25 m·s-1(圖4b)，強切變一直維持到15:09(圖4c)，15:15切變強度有所減弱(圖4d)，最大速度差約20 m·s-1。至龍卷風(fēng)發(fā)生階段，3 km高度基本維持這種氣旋性切變狀態(tài)，最大速度差為20 m·s-1左右。風(fēng)暴底層(0.5 °仰角)在14:50沒有明顯的切變(圖略)，14:56出現(xiàn)明顯的氣旋性切變(圖4e)，最大徑向速度為7 m·s-1，最小徑向速度為-12.5 m·s-1，最大速度差為19.5 m·s-1。之后，底層切變強度逐漸增大，15:09最大速度差約為28.5 m·s-1(圖4f)，15:27—15:33均為35 m·s-1以上。由風(fēng)暴參數(shù)演變可知(圖4g)，龍卷風(fēng)暴頂部為5～6 km，最大反射率因子為54～55 dBz，強中心高度為3～4 km。

圖4 2008年7月30日江蘇鹽城雷達(dá)2.4 °仰角14:50(a)，14:56(b)，15:09(c)，15:15(d)平均徑向速度和0.5 °仰角14:56(e),15:09(f)平均徑向速度及龍卷單體A(g)、單體B(h)和單體C(i)風(fēng)暴參數(shù)Fig.4 The mean radial velocities at 14:50 (a),14:56 (b),15:09 (c),15:15 (d) at 2.4 °elevation,at 14:56 (e),15:09 (f) at 0.5 °elevation,and storm parameters of cell A (g),B (h),C (i) observed with Yancheng radar on July 30,2008

綜上，龍卷誘發(fā)前期，風(fēng)暴3 km左右高度出現(xiàn)明顯的強切變，之后切變快速下傳，底層切變強度會迅速加強，達(dá)到一定強度后地面出現(xiàn)龍卷。龍卷單體B和C也具有類似特征，只是3 km左右高度及底層的切變強度弱于龍卷單體A。龍卷單體A、B和C的風(fēng)暴參數(shù)也基本類似(圖4g至圖4i)，風(fēng)暴強度(最大反射率因子)及強中心高度基本相當(dāng)，單體B的風(fēng)暴頂高略偏高。3個對流單體在演變過程中沒有出現(xiàn)中氣旋，為非超級單體風(fēng)暴(伴有深厚持久中氣旋的風(fēng)暴為超級單體風(fēng)暴)。

2.3 “摩羯”外圍環(huán)流龍卷風(fēng)暴雷達(dá)觀測特征

2.3.1 風(fēng)暴演變與徑向速度

2018年8月13—14日“摩羯”外圍環(huán)流造成的12個龍卷風(fēng)有6個集中在14日12:00—15:00，而且地點也相對集中，主要出現(xiàn)在山東濱州和東營兩地[26]。8月14日山東濱州雷達(dá)組合反射率與平均徑向速度見圖5。午后對流發(fā)展，逐漸演變成2條螺旋對流云帶(圖5a至圖5c)，造成多個龍卷風(fēng)的對流單體分別處在兩條螺旋云帶的頂端。云帶1分別在惠民姜樓鎮(zhèn)(12:10左右)、陽信洋湖鎮(zhèn)(13:10左右)和慶云尚堂鎮(zhèn)(13:50左右)及惠民縣落桑墅鎮(zhèn)(14:45左右)產(chǎn)生4個龍卷風(fēng)，其中前3個龍卷風(fēng)由長時間維持的云帶前端單體A造成。云帶2分別在利津鹽窩鎮(zhèn)(13:20左右)和河口區(qū)六合街道(14:00左右)產(chǎn)生2個龍卷風(fēng)，均由其前側(cè)單體B造成。龍卷期間，低層或底層平均徑向速度上均具有較大的ΔV，單體A產(chǎn)生的3個龍卷均有TVS特征，單體B產(chǎn)生的2個龍卷無TVS特征。龍卷單體A在12:15 、13:15和13:50最大ΔV分別為39 m·s-1(圖5d)、36 m·s-1(圖5e)和39 m·s-1(圖5f)。

圖a至圖c藍(lán)色和白色箭頭為單體移動方向圖5 2018年8月14日12:15(a)、13:09(b)、13:50(c)山東濱州雷達(dá)組合反射率，12:15(d)、13:15(e)、13:50(f)平均徑向速度和單體A(g)、單體B(h)風(fēng)暴參數(shù)Fig.5 Composite reflectivities at 12:15 (a),13:09 (b),13:50 (c) and mean radial velocities at 12:15 BT (d),13:15 BT (e),13:50 BT (f),and storm parameters of cell A (g),B (h) observed with Binzhou radar on August 14,2018

由圖5g和5h可知，龍卷單體A和單體B維持時間較長。單體A在13:33—13:50連續(xù)4個體掃出現(xiàn)中氣旋(中氣旋底部平均高度為1.0 km，頂部平均高度為4.2 km)，前2個龍卷發(fā)生時屬于非超級單體風(fēng)暴階段，第3個龍卷發(fā)生時屬于超級單體階段(伴有深厚持久的中氣旋)。龍卷產(chǎn)生前后回波強度變化不明顯，為54～56 dBz，風(fēng)暴頂高變化明顯。單體B在13:09—14:08連續(xù)11個體掃出現(xiàn)中氣旋(底部平均高度為2.1 km，頂部平均高度為6.0 km)，2個龍卷均出現(xiàn)在中氣旋時段內(nèi)，為超級單體龍卷風(fēng)暴。龍卷期間強度為57～61 dBz，風(fēng)暴頂高變化明顯。

2.3.2 切變演變

2018年8月14日山東濱州雷達(dá)仰角平均徑向速度和仰角平均徑向速度見圖6。由圖6可知，11:21在風(fēng)暴后側(cè)3.4 km高度首先出現(xiàn)強的氣旋性切變(圖6a)，切變兩側(cè)最大速度差約為22 m·s-1，這種強的切變一直維持到11:39(圖6b)。11:45切變強度有所減弱(圖6c)，至龍卷發(fā)生，3 km上下高度切變最大速度差維持在16.5～18.0 m·s-1。風(fēng)暴底層在11:21—11:27氣旋性切變迅速加強，最大速度差由10 m·s-1左右增大至21.5 m·s-1左右(圖6d)，11:45和11:57分別為26 m·s-1(圖6e)和27.5 m·s-1(圖6f)，龍卷發(fā)生階段(12:09—12:15)最大速度差為30 m·s-1以上。龍卷風(fēng)暴B在龍卷產(chǎn)生前徑向速度與風(fēng)暴A有類似特征，12:39，3.3 km高度出現(xiàn)明顯的切變加強特征，并一直維持到中氣旋出現(xiàn)(中氣旋出現(xiàn)時切變更強)，12:51底層出現(xiàn)切變明顯加強現(xiàn)象。

圖6 2018年8月14日11:21(a)、11:39(b)、11:45(c)濱州雷達(dá)3.4 °仰角平均徑向速度和11:27(d)、11:45(e)、11:57(f)0.5°仰角平均徑向速度Fig.6 The mean radial velocities at 11:21 (a) ，11:39 (b) ，11:45 (c) at 3.4° elevation ,and at 11:27 (d),11:45 (e),11:57 (f) at 0.5°elevation observed with Binzhou radar on August 14,2018

2.4 龍卷風(fēng)暴參數(shù)演變及氣旋性渦旋演變特征

2.4.1 風(fēng)暴形態(tài)

2008年臺風(fēng)“鳳凰”在江蘇北部產(chǎn)生5個龍卷風(fēng)，2018年臺風(fēng)“摩羯”在江蘇北部及山東產(chǎn)生12個龍卷[26]，17個龍卷有4個為相對孤立的對流風(fēng)暴，即2008年“鳳凰”外圍的江蘇邳州龍卷，2018年“摩羯”外圍的山東昌邑柳疃鎮(zhèn)、萊州朱橋鎮(zhèn)和東營墾利區(qū)孤東油田龍卷，其他13個龍卷均出現(xiàn)在對流云帶中?！傍P凰”外圍江蘇東臺龍卷由對流云帶中的弓形回波導(dǎo)致[17]，江蘇高郵和寶應(yīng)縣3個龍卷產(chǎn)生在具有后向傳播特征的回波帶的后側(cè)。“摩羯”外圍山東惠民縣、陽信縣、慶云縣、利津縣和東營河口區(qū)等地5個龍卷由云帶前側(cè)的強對流單體產(chǎn)生，其他4個龍卷出現(xiàn)在帶狀回波偏前部位。龍卷出現(xiàn)前后，風(fēng)暴低層或底層沒有觀測到明顯的鉤狀回波特征。

2.4.2 風(fēng)暴參數(shù)

對2008年臺風(fēng)“鳳凰”和2018年臺風(fēng)“摩羯”產(chǎn)生17個龍卷風(fēng)暴中的11個進(jìn)行了龍卷產(chǎn)生前的風(fēng)暴參數(shù)和最大徑向速度差變化特征統(tǒng)計(圖7)，T為龍卷出現(xiàn)體掃時間，T-1為龍卷出現(xiàn)時間的前一個體掃，以此類推，各風(fēng)暴的前推時間段以風(fēng)暴低層或底層徑向速度差超過15 m·s-1的前一個體掃為準(zhǔn)。風(fēng)暴參數(shù)包括最大反射率因子(圖7a)、風(fēng)暴頂高(圖7b)、強中心高度(圖7c)，低層和底層氣旋性渦旋的強弱用最大徑向速度差表示(圖7d和圖7e)。其他6個龍卷風(fēng)暴未參與統(tǒng)計，其中2008年7月29日東臺龍卷風(fēng)暴由于氣旋性渦旋徑向速度差較小，可能是由于較大的反氣旋產(chǎn)生的下沉氣流與后側(cè)入流輻合產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)性的上升氣流而誘發(fā)[17]。2018年8月14日山東萊州朱橋鎮(zhèn)龍卷距離雷達(dá)較遠(yuǎn)未做統(tǒng)計，8月14日凌晨江蘇邳州龍卷風(fēng)暴的后續(xù)龍卷(1個)及圖5中龍卷風(fēng)暴A和風(fēng)暴B后續(xù)發(fā)生的3個龍卷，則由于一直持續(xù)較強切變而未做統(tǒng)計。

虛線為“鳳凰”產(chǎn)生的龍卷風(fēng)；實線為“摩羯”產(chǎn)生的龍卷風(fēng)圖7 2008年臺風(fēng)“鳳凰”和2018年臺風(fēng)“摩羯”產(chǎn)生的11個龍卷風(fēng)暴最大反射率因子(a)、風(fēng)暴頂高(b)、強中心高度(c)、低層(d)和底層(e)最大徑向速度差變化Fig.7 The evolutions of max-reflectivity (a),top height (b),max-reflectivity height (c),and max- differences of radial velocity at the low level (d) and the bottom (e) of 11 tornado storms generated by typhoon "Fung-Wong" in 2008 and "Yagi" in 2018

圖7表明，兩次多發(fā)龍卷天氣出現(xiàn)前，風(fēng)暴最大反射率因子為52～59 dBz，平均值為54.6 dBz，風(fēng)暴頂高主要集中在6 km上下，平均為6.1 km，風(fēng)暴強中心高度為4 km以下，龍卷風(fēng)暴發(fā)展高度和強中心高度較低，屬于低質(zhì)心對流風(fēng)暴。

2.4.3 氣旋性渦旋

龍卷產(chǎn)生前期，龍卷風(fēng)暴低層(1.5～3.5 km高度)和底層(1.5 km以下)具有明顯的氣旋性渦旋，與圖4和圖6類似，多數(shù)為同一方向徑向速度區(qū)的相對速度差較為明顯(中氣旋除外)，渦旋最大徑向速度差有明顯增大趨勢(圖7d、圖7e)。龍卷出現(xiàn)時，風(fēng)暴低層最大徑向速度差≥19 m·s-1，風(fēng)暴底部最大徑向速度差≥23 m·s-1，氣旋性渦旋旋轉(zhuǎn)速度在風(fēng)暴底層較強。低層徑向速度差增大到15 m·s-1以上，多在T-4體掃之前(含T-4)，底層多在T-4至T-2之間，底層徑向速度差增大滯后于低層，具有渦旋下傳特征。低層徑向速度差增大至19 m·s-1以上，均在T-2體掃之前(含T-2)，T-3至T-2體掃有4個，T-4至T-3體掃有3個，多數(shù)龍卷集中在T-4和T-3體掃之后速度差快速增大。風(fēng)暴底層徑向速度差增大至19 m·s-1以上的時間更短，T-1至T體掃有3個，T-2至T-1體掃、T-3至T-2體掃各有2個。

風(fēng)暴低層或底層氣旋性渦旋強度發(fā)展非常迅速，給龍卷預(yù)警帶來較大難度。以低層徑向速度差19 m·s-1為標(biāo)準(zhǔn)，對龍卷預(yù)警有2個體掃或以上的時間提前量，以底層徑向速度差19 m·s-1為標(biāo)準(zhǔn)，龍卷預(yù)警時間提前量更短甚至沒有預(yù)警時間提前量。

3 結(jié)論

(1) “2008年臺風(fēng)“鳳凰”和2018年臺風(fēng)“摩羯”登陸后的移動方向基本一致，但移動速度差別明顯，“摩羯”登陸后移動速度較快。龍卷風(fēng)均出現(xiàn)在低壓中心東北象限，“鳳凰”外圍環(huán)流誘發(fā)龍卷區(qū)域距離低壓中心較遠(yuǎn)，而“摩羯”較近。龍卷多發(fā)區(qū)對流抑制能量較小，抬升凝結(jié)高度較低，對流有效位能為中等強度或以上，相對風(fēng)暴螺旋度較大(SRH>170 m2·s-2)，低層垂直風(fēng)切變較大(0～3 km,Wsr>13 m·s-1)。

(2) 兩次臺風(fēng)登陸引發(fā)的龍卷風(fēng)暴形態(tài)特征不同，風(fēng)暴強度偏弱。龍卷既可以出現(xiàn)在臺風(fēng)外圍環(huán)流相對孤立的對流單體中，也可出現(xiàn)在臺風(fēng)外圍對流云帶上，但以對流云帶為主?！傍P凰”外圍多發(fā)龍卷主要發(fā)生在具有后向傳播特征云帶的后端，“摩羯”外圍多發(fā)龍卷主要發(fā)生在云帶前端雷暴單體，持續(xù)時間較長，并具有深厚的強氣旋性上升氣流。龍卷出現(xiàn)前期風(fēng)暴強度整體偏弱，伸展高度偏低，最大反射率因子為52～59 dBz，頂高為6 km左右，強中心高度為4 km以下。

(3) 龍卷產(chǎn)生前期，風(fēng)暴低層(1.5～3.5 km)首先出現(xiàn)明顯的強切變，之后切變快速下傳，風(fēng)暴底層(1.5 km以下)切變強度迅速加強，達(dá)到一定強度后地面出現(xiàn)龍卷。龍卷出現(xiàn)時風(fēng)暴低層最大徑向速度差≥19 m·s-1，多為22～25 m·s-1。龍卷出現(xiàn)時風(fēng)暴底部最大徑向速度差≥23 m·s-1，多為26～33 m·s-1，氣旋性渦旋強度在風(fēng)暴底層較強。臺風(fēng)外圍環(huán)流對流單體低層或底層出現(xiàn)明顯的氣旋性渦旋，可為龍卷預(yù)警提供參考，以低層最大徑向速度差19 m·s-1為標(biāo)準(zhǔn)，對龍卷預(yù)警至少有2個體掃的時間提前量。

(4) 龍卷發(fā)生階段，風(fēng)暴低層或底層平均徑向速度上相鄰距離庫之間速度差ΔV較大，具有顯著的小尺度渦旋特征?！澳︳伞蓖鈬菪茙α鲉误wA和B產(chǎn)生5個龍卷中ΔV最小為25 m·s-1，對流單體A產(chǎn)生的3個龍卷具有TVS特征?！傍P凰”外圍環(huán)流中對流單體A、B和C產(chǎn)生的3個龍卷中ΔV最小為33 m·s-1，1個龍卷具有TVS特征。

(5) “摩羯”低壓中心東北象限具有更大的垂直風(fēng)切變和更大的相對風(fēng)暴螺旋度，0～6 km和0～3 km垂直風(fēng)切變分別為19.7 m·s-1和22.4 m·s-1，相對風(fēng)暴螺旋度達(dá)276 m2·s-2，更利于超級單體風(fēng)暴的出現(xiàn)。超級單體風(fēng)暴歷時較長，在大的低層垂直風(fēng)切變及較低的抬升凝結(jié)高度等有利條件下，可能更容易誘發(fā)多個龍卷風(fēng)。