基于雷達(dá)觀測(cè)的2021年6月珠江口一次水龍卷過程分析

梅雨菲 ，陳生 ，劉陳帥 ，雷振亮

(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東 珠海 519082；2.珠海市斗門區(qū)氣象局，廣東 珠海 519125；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院黑河遙感站和甘肅省遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；4. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室( 珠海)，廣東 珠海 519000）

1 引 言

龍卷是對(duì)流云產(chǎn)生的破壞力極大的小尺度災(zāi)害性天氣，具有突發(fā)性強(qiáng)、生命史短、變化劇烈、垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)等特征，預(yù)報(bào)難度大，常造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。龍卷多發(fā)于春夏季以及午后和傍晚，因?yàn)榇合募窘孛嫦鄬?duì)溫暖，層結(jié)不穩(wěn)定和中低層垂直切變高，午后及傍晚大氣層結(jié)不穩(wěn)定垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，有利于龍卷天氣系統(tǒng)的形成和維持。強(qiáng)龍卷的發(fā)生頻率與地形因素關(guān)系密切，主要發(fā)生在我國江淮地區(qū)、兩湖平原、華南地區(qū)、東北地區(qū)和華北地區(qū)東南部等地形相對(duì)平坦的平原地區(qū)。江蘇和廣東的珠江三角洲地區(qū)為龍卷發(fā)生頻次最高的地區(qū)[2-4]。

龍卷通常分為超級(jí)單體龍卷和非超級(jí)單體龍卷。通常超級(jí)單體龍卷強(qiáng)度較強(qiáng)，但僅約25%的超級(jí)單體能產(chǎn)生龍卷[5]。從天氣形勢(shì)和影響系統(tǒng)來看，可分為臺(tái)風(fēng)龍卷和西風(fēng)帶系統(tǒng)龍卷。黃先香等[6-7]統(tǒng)計(jì)了2005 年以來珠三角臺(tái)風(fēng)龍卷的活動(dòng)特征及環(huán)境條件，發(fā)現(xiàn)：(1) 多數(shù)臺(tái)風(fēng)龍卷出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)登陸1.3～21.3 h 時(shí)段內(nèi)，多位于臺(tái)風(fēng)中心的東北象限；(2) 0～1 km 垂直風(fēng)切變和SRH（風(fēng)暴相對(duì)螺旋度）越大，龍卷發(fā)生概率越高。通過分析，黃先香等[6-7]歸納出臺(tái)風(fēng)龍卷天氣概念模型和臨近預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)，構(gòu)建珠三角臺(tái)風(fēng)龍卷預(yù)報(bào)預(yù)警方法和流程，并成功進(jìn)行了兩次龍卷預(yù)警試驗(yàn)。王炳赟等[8-9]、傅佩玲等[10]、黃先香等[11]對(duì)1522號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”、1806 號(hào)臺(tái)風(fēng)“艾云尼”、1822 號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”外圍螺旋雨帶中的龍卷過程進(jìn)行分析。陳元昭等[12]對(duì)2015 年5 月華南一次水龍卷過程進(jìn)行觀測(cè)分析。李婉儀等[13]對(duì)2020年5月31日佛山超級(jí)單體龍卷過程進(jìn)行分析。過去對(duì)于華南地區(qū)臺(tái)風(fēng)龍卷研究較多，且多為陸龍卷，對(duì)珠江口沿海地區(qū)龍卷和水龍卷研究較少。珠江口交通繁忙，大橋多，水龍卷對(duì)于水上和橋上交通將造成巨大威脅，本文利用常規(guī)地面資料、探空資料、珠海S 波段多普勒天氣雷達(dá)資料和珠海橫琴X 波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)資料對(duì)2021 年6 月1 日發(fā)生在澳門友誼大橋東側(cè)的水龍卷過程進(jìn)行研究。珠海S 波段雙偏振多普勒雷達(dá)距龍卷發(fā)生地約30 km，珠海橫琴X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)距龍卷發(fā)生地約13 km。

2 水龍卷概況

2021 年6 月1 日13 時(shí)(北京時(shí)間)左右，澳門友誼大橋東側(cè)外海出現(xiàn)水龍卷，水龍卷持續(xù)約數(shù)十分鐘后在海上消散，未造成人員傷亡。龍卷發(fā)生當(dāng)天清晨，珠海附近已出現(xiàn)明顯降雨，06—07時(shí)橫琴鎮(zhèn)中心溝站錄得1 小時(shí)雨量148.6 mm，打破珠海1 小時(shí)雨量極值；08 時(shí)后降雨減弱，11 時(shí)再次有分散回波生成，并逐漸發(fā)展。龍卷發(fā)生前后附近的港珠澳大橋口岸人工島站3 小時(shí)雨量（12—15時(shí)）達(dá)到104.7 mm。

圖1 6月1日約13時(shí)澳門友誼大橋東側(cè)外海水龍卷現(xiàn)象

3 水龍卷發(fā)生發(fā)展的環(huán)境場(chǎng)特征

3.1 天氣尺度環(huán)流背景場(chǎng)

從2021 年6 月1 日08 時(shí)環(huán)流形勢(shì)（圖2a）可見，200 hPa 珠三角地區(qū)處于高壓脊強(qiáng)輻散區(qū)內(nèi)；500 hPa 副熱帶高壓位于南海北部，脊線位于17 °N 附近，廣東沿海地區(qū)處于副熱帶高壓北緣，不斷有小槽東移影響廣東；850 hPa 有切變線位于江西中部到廣西北部一帶，廣東吹西南風(fēng)，1 日08 時(shí)最大風(fēng)速13.6 m/s，達(dá)到急流水平；925 hPa切變線位于廣東北部至廣西中部，切變線南側(cè)吹西南風(fēng)，最大風(fēng)速10 m/s，接近急流水平。

此次水龍卷天氣過程發(fā)生在低層風(fēng)速大值區(qū)和高空輻散區(qū)中，與以往學(xué)者分析的大部分龍卷過程相比，此次龍卷的天氣環(huán)流背景場(chǎng)弱，前人研究的龍卷過程低層均存在風(fēng)速超過16 m/s的低空急流。

3.2 環(huán)境場(chǎng)條件

香港探空站位于龍卷發(fā)生地東側(cè)約60 km處，探空數(shù)據(jù)表明，6 月1 日08 時(shí)對(duì)流有效位能值為751.6 J/kg，從探空曲線（圖2b）可看出，層結(jié)曲線呈明顯狹長條型，整層相對(duì)濕度較高，地面至500 hPa 基本處于飽和狀態(tài)，抬升凝結(jié)高度（985.9 hPa）和自由對(duì)流高度（773.9 hPa）很低，對(duì)流抑制（45.7 J/kg）很弱，易觸發(fā)深厚濕對(duì)流。從風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)上看，08 時(shí)地面吹西南風(fēng)，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，600 hPa轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，400 hPa 轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，各層次水平風(fēng)向隨高度變化不大；0～1 km風(fēng)矢量差為12.6 m/s，風(fēng)暴螺旋度為196 m2/s2。Thompson等[14]統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)龍卷發(fā)生時(shí)平均抬升凝結(jié)高度低于981 m，弱龍卷平均為1 179 m；Davies-Jones[15]將150 m2/s2的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度界定為產(chǎn)生超級(jí)單體風(fēng)暴的閾值。此次水龍卷過程環(huán)境場(chǎng)抬升凝結(jié)高度極低、0～1 km風(fēng)矢量差較大、風(fēng)暴相對(duì)螺旋度大，為龍卷的發(fā)生提供了較好的動(dòng)力條件。

圖2 2021年6月1日08時(shí)高空形勢(shì)綜合圖(a)、香港站T-lnP圖(b)

4 雷達(dá)特征

4.1 系統(tǒng)演變

由珠海S 波段雙偏振雷達(dá)反射率因子圖（圖略）可見，2021 年6 月1 日00—08 時(shí)臺(tái)山附近不斷有零散回波生成并東移，移動(dòng)過程中，回波面積擴(kuò)大，強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，最強(qiáng)反射率因子為60 dBZ 左右。08—11 時(shí)降雨暫歇，11 時(shí)起再次有分散回波在海上生成向東南方向移動(dòng)，強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，13時(shí)07分最強(qiáng)反射率因子達(dá)到67.5 dBZ。

圖3 和圖4 是水龍卷超級(jí)單體風(fēng)暴主要發(fā)展過程。1 日12:31—12:44 風(fēng)暴結(jié)構(gòu)較松散，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，12:49—12:56 風(fēng)暴主體開始收縮，強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，出現(xiàn)鉤狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)在徑向速度圖中出現(xiàn)風(fēng)切變，最強(qiáng)反射率因子達(dá)到55～60 dBZ，超級(jí)單體風(fēng)暴主體形態(tài)形成。13：01—13：07風(fēng)暴達(dá)到最強(qiáng)，風(fēng)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)特征和強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，出現(xiàn)中氣旋，鉤狀回波特征更加顯著，鉤狀頂端最強(qiáng)反射率因子超過60 dBZ，觀測(cè)到像素的正負(fù)速度對(duì)，近似龍卷渦旋特征，13：07 旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到最大，出現(xiàn)氣旋和反氣旋，共用負(fù)速度中心現(xiàn)象，該時(shí)段也是水龍卷最強(qiáng)時(shí)段，其后一直到13：38，鉤狀回波和正負(fù)速度對(duì)持續(xù)存在，低層旋轉(zhuǎn)速度有所減弱。

圖3 2021年6月1日12：44—13：13珠海S波段雙偏振多普勒雷達(dá)1.5 °仰角反射率因子演變

圖4 2021年6月1日12：44—13：13珠海S波段雙偏振多普勒雷達(dá)1.5 °徑向速度演變

4.2 超級(jí)單體演變和中氣旋特征

雖然S 波段多普勒天氣雷達(dá)可以看到超級(jí)單體風(fēng)暴演變過程，但此次水龍卷過程持續(xù)時(shí)間較短，龍卷發(fā)生時(shí)段僅有2 個(gè)體掃，不能清晰展示龍卷從開始到結(jié)束的精細(xì)結(jié)構(gòu)變化。珠海相控陣?yán)走_(dá)采用電子掃描方式，時(shí)間延遲極低，完成1 次體掃過程僅需約90 s，可以大幅提高時(shí)間分辨率。

圖5 為珠海橫琴相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)的6 月1 日12：45—13：15 最低仰角0.9 °反射率因子演變，可以清楚地看到鉤狀回波形成發(fā)展的過程。12：41回波呈弓狀結(jié)構(gòu)，隨后其彎曲程度迅速加大，12：42 出現(xiàn)入流缺口，回波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；12：45 已出現(xiàn)清楚的鉤狀回波形態(tài)，鉤狀邊緣光滑，最大反射率因子在鉤狀結(jié)構(gòu)頂端；12：48—12：55 鉤狀進(jìn)一步加深加大，回波結(jié)構(gòu)進(jìn)一步緊實(shí)，強(qiáng)回波區(qū)域擴(kuò)大，最強(qiáng)反射率因子超過60 dBZ；12：58 前側(cè)入流缺口（FIN）依然顯著，同時(shí)出現(xiàn)后側(cè)入流缺口（RIN），回波形態(tài)演變?yōu)镾 型，說明后側(cè)下沉氣流已迅速加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)著低層速度切變加強(qiáng)；13：02 強(qiáng)的風(fēng)速切變將超級(jí)單體風(fēng)暴分成2個(gè)強(qiáng)回波中心；13：07左側(cè)的回波再次加強(qiáng)出現(xiàn)入流缺口。

圖5 2021年6月1日12：51—13：07珠海橫琴相控陣?yán)走_(dá)0.9 °仰角反射率因子演變

超級(jí)單體風(fēng)暴都具有一個(gè)中層中氣旋，而龍卷往往伴隨著低層中氣旋（1 km以下）的出現(xiàn)而產(chǎn)生。Trapp 等[16]的研究表明，在出現(xiàn)中氣旋的風(fēng)暴中，約26%的情況下能夠產(chǎn)生龍卷；強(qiáng)中氣旋龍卷出現(xiàn)概率為40%；中等以上強(qiáng)度中氣旋的底距離地面小于1 km 時(shí)，龍卷出現(xiàn)概率大于40%，中氣旋的底距離地面越近，龍卷發(fā)生概率越大。

在水龍卷發(fā)生前，12：47 低層0.9 °仰角（高度約600 m）首次出現(xiàn)負(fù)速度中心，隨后其高度有所增大；12：51在2.7°仰角（高度約1 km）上開始出現(xiàn)弱正負(fù)速度對(duì)；12：55正負(fù)速度對(duì)高度上升至4.5°仰角（高度約1.4 km），低層正負(fù)速度對(duì)速度差逐漸加大，0.9°仰角旋轉(zhuǎn)速度首先加強(qiáng)到弱中氣旋的強(qiáng)度，約為16 m/s（圖6）；12：56 在6.3 °（高度約1.9 km）和8.1 °仰角（高度約2.3 km）上開始出現(xiàn)負(fù)速度中心；13:01 弱切變高度升至9.9°（高度約2.7 km）和11.7 °（高度約3.1 km）仰角，2.7～8.1°仰角旋轉(zhuǎn)速度均達(dá)到弱中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)龍卷已觸達(dá)水面，弱中氣旋強(qiáng)度和高度維持至13：08；13：07弱切變高度達(dá)到最高17.1°仰角（高度約4.4 km）；維持短暫時(shí)間后，13：09 后弱切變高度逐漸下降，旋轉(zhuǎn)直徑明顯增大，此時(shí)龍卷開始減弱消散。

圖6 2021年6月1日12：54、13：01、13：05、13：07相控陣?yán)走_(dá)0.9 °、2.7 °、4.5 °、6.3 °仰角徑向速度

此次水龍卷過程中氣旋強(qiáng)度較弱，龍卷觸及水面前未出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和旋轉(zhuǎn)中心高度逐步下降[10,12,17]的情況，但有明顯的高度增高的過程。

4.3 超級(jí)單體反射率三維結(jié)構(gòu)特征

圖7 清楚的展現(xiàn)了水龍卷超級(jí)單體生成發(fā)展垂直結(jié)構(gòu)的變化。12：42 前風(fēng)暴單體強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，低層出現(xiàn)水平風(fēng)切變，由于力管項(xiàng)的作用，形成水平渦管。水平渦管在強(qiáng)烈的上升氣流帶動(dòng)下扭曲拉升，形成垂直渦管，上升氣流開始旋轉(zhuǎn)，達(dá)到一定強(qiáng)度即為中氣旋。12：47-12：58 渦管逐漸向上延伸，變細(xì)增強(qiáng)。垂直回波呈現(xiàn)穹窿結(jié)構(gòu)和邊緣光滑的有界弱回波區(qū)，最強(qiáng)反射率因子超過60 dBZ，具有經(jīng)典超級(jí)單體結(jié)構(gòu)特征。此時(shí)，強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)上升氣流使得低層氣壓降低，氣旋性旋轉(zhuǎn)輻合進(jìn)一步增強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步加大，形成抽吸作用，初生的龍卷在氣旋內(nèi)部形成。龍卷觸及水面后（13：01-13：05），回波柱明顯增粗。13：10 呈現(xiàn)拱門的形狀，隨后左側(cè)回波柱開始減弱，水龍卷也開始減弱。

圖7 2021年6月1日12：42—13：10水龍卷超級(jí)單體反射率因子三維結(jié)構(gòu)（相控陣?yán)走_(dá)）

4.4 偏振量特征

雙偏振雷達(dá)可以有效識(shí)別降水粒子相態(tài)、大小、形狀，以及區(qū)分氣象和非氣象目標(biāo)物，對(duì)于研究超級(jí)單體風(fēng)暴演變具有重要意義。Ryzhkov等[18]總結(jié)了龍卷5 個(gè)雙偏振雷達(dá)特征：(1) 出現(xiàn)勾狀回波；(2) 相關(guān)系數(shù)(ρHV)＜0.8；(3) 在徑向速度圖上有明顯的旋轉(zhuǎn)特征；(4) 差分反射率(ZDR)＜0.5 dB；(5) 反射率(Z)＞45 dBZ，當(dāng)滿足(2)～(5)條件時(shí)，很可能有龍卷碎屑。

分析珠海S 波段雙偏振雷達(dá)偏振量產(chǎn)品（圖8），在勾狀回波處，對(duì)應(yīng)著風(fēng)速旋轉(zhuǎn)切變位置，有ZDR～-3.0 dB 的ZDR低值眼區(qū)和低ρHV值（約0.8），在其周圍，為高ZDR和高ρHV弧，類似龍卷碎片特征（TDS），但反射率因子較小（約30 dBZ）。在入流缺口處出現(xiàn)ZDR弧可能是由于強(qiáng)的上升氣流將小粒子帶入空中，只有大降水粒子能夠落下，從而導(dǎo)致ZDR出現(xiàn)大值，這同時(shí)代表風(fēng)暴相關(guān)環(huán)境螺旋度（SREH, storm-relative environmental helicity）增大，并且風(fēng)暴的劇烈程度在增加[19]。在水龍卷發(fā)生處，為極低ZDR值和低ρHV值。極低ZDR值可能是強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)上升氣流對(duì)電磁波的衰減所致[20]；ρHV低值可能是由于小碎屑被卷入上升氣流中或者區(qū)域內(nèi)水含量減少，均代表此處出現(xiàn)了強(qiáng)的上升氣流[19]。ZDR弧和ρHV弧最早出現(xiàn)在12:48，隨后ZDR梯度加大（中心值減小、周圍值增大），且范圍逐漸收縮，12:54ZDR發(fā)展為一個(gè)低值眼區(qū)，說明SREH 進(jìn)一步加大，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度急劇增加，13:00ZDR梯度最大，此時(shí)也為水龍卷強(qiáng)盛時(shí)期，該特征持續(xù)了4 個(gè)體掃時(shí)次，水龍卷減弱消散后，特征消失。因此，在參考中氣旋演變的基礎(chǔ)上，偏振量特征對(duì)于預(yù)報(bào)員提前預(yù)警以及識(shí)別龍卷具有一定幫助。

圖8 2021年6月1日13:00珠海S波段雙偏振雷達(dá)0.1 °仰角觀測(cè)

5 結(jié) 論

本文利用常規(guī)地面和探空資料、珠海S 波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)和X 波段相控陣?yán)走_(dá)資料對(duì)2021 年6 月1 日發(fā)生在珠江口的水龍卷過程進(jìn)行分析。

（1）此次水龍卷過程發(fā)生在高層強(qiáng)輻散、中層短波槽影響、低層吹一致西南風(fēng)的背景場(chǎng)下。過程伴隨著極端強(qiáng)降雨，極低的抬升凝結(jié)高度、較大的0～1 km 風(fēng)矢量差、超過超級(jí)單體發(fā)生閾值的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度，為龍卷的發(fā)生提供了較好的動(dòng)力條件。

（2）水龍卷發(fā)生在超級(jí)單體風(fēng)暴中，最強(qiáng)反射率因子超過65 dBZ，觀測(cè)到明顯的鉤狀回波特征，并伴隨有穹窿結(jié)構(gòu)和清晰的有界弱回波區(qū)邊界。

（3）X 波段相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)到了水龍卷超級(jí)單體風(fēng)暴連續(xù)精細(xì)化演變特征，0.9 °仰角首先出現(xiàn)風(fēng)切變，隨后風(fēng)切變出現(xiàn)高度逐漸增高，并加強(qiáng)為中氣旋，切變最高高度達(dá)到17.1 °仰角，隨后高度逐漸降低，龍卷減弱。三維反射率因子圖清晰地看到龍卷母體風(fēng)暴穹窿結(jié)構(gòu)形成過程，以及反射率因子柱向上延伸，變細(xì)加強(qiáng)，觸及水面后變粗的過程。

（4）S 波段雷達(dá)探測(cè)到在龍卷發(fā)生前，出現(xiàn)ZDR低值眼區(qū)和ρHV弧，這對(duì)于預(yù)報(bào)員提前預(yù)測(cè)龍卷的發(fā)生以及龍卷的識(shí)別具有一定幫助。