2018年8月13日天津靜海龍卷的雷達特征和發(fā)生條件*

東高紅 劉一瑋 黃冬梅 林曉萌

1 中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所,沈陽 110052 2 天津市氣象臺,天津 300074 3 天津市靜海區(qū)氣象局,靜海 300060

提 要: 利用常規(guī)觀測資料、地面自動氣象站資料、多普勒天氣雷達和風廓線雷達資料等,對2018年8月13日17:30左右發(fā)生在天津靜海的EF2級龍卷天氣進行分析,重點分析龍卷發(fā)生前后的環(huán)境背景條件、局地不穩(wěn)定條件、觸發(fā)抬升條件及雷達回波特征等。結果表明:這次龍卷天氣發(fā)生在500 hPa高空槽東移、副熱帶高壓加強西進及臺風摩羯北上的過程中;龍卷發(fā)生前環(huán)境大氣處于明顯不穩(wěn)定狀態(tài),對流有效位能為1797 J·kg-1(對流抑制能量為0 J·kg-1)、0～6 km風矢量差約為14 m·s-1,且存在較低抬升凝結高度;同時龍卷發(fā)生地局地存在較大對流有效位能(最大值超過4000 J·kg-1)和較低抬升凝結高度,且龍卷發(fā)生前抬升凝結高度出現突降現象(最低降到897 hPa附近)。龍卷發(fā)生前后上下游兩站近地層(0～1 km高度及以下)垂直風切變值均出現先迅速增大后又迅速減小的特征,且垂直風切變值的迅速減小是由上層開始并迅速向下,而0～1 km 以上高度的垂直風切變值沒有明顯變化。多普勒天氣雷達觀測表明,龍卷回波單體尺度小(正負速度中心直徑為2 km左右)、正負速度中心最大旋轉速度為24 m·s-1、垂直渦度為2.4×10-2s-1,回波具有明顯懸垂結構和有界弱回波區(qū)及龍卷渦旋(TVS)等特征,后側低層入流也非常強,應是微超級單體龍卷。海風鋒移動到本地與上游雷暴單體出流形成的陣風鋒相遇發(fā)生碰撞,觸發(fā)局地不穩(wěn)定能量強烈釋放、激發(fā)雷暴單體新生并發(fā)展為有組織的強雷暴單體,應是此次龍卷發(fā)生的直接觸發(fā)條件。

引 言

龍卷是由對流云產生的破壞力極大的小尺度災害性天氣,它的直徑一般從幾十米到幾百米,可造成重大的人員傷亡和財產損失(俞小鼎等,2006a;2006b),而且具有突發(fā)性強、生命史短、變化急劇等特點。和冰雹、雷暴大風等強對流天氣相比較,龍卷的發(fā)生屬于小概率事件,因此提前并準確預報預警龍卷天氣發(fā)生的難度較大。雷達是龍卷觀測最常用的工具,龍卷的鉤狀回波特征于1953年在美國伊利諾伊州的雷達圖像上被偶然觀察到后,Fujita(1971;1981;1989)利用雷達監(jiān)測,結合地面觀測數據、龍卷圖片以及龍卷災情等對龍卷展開了大量研究工作。自多普勒天氣雷達在氣象災害天氣研究中使用以來,Donaldson(1970)首次利用多普勒天氣雷達觀測到了超級單體中的“龍卷氣旋”。之后不少專家學者利用多普勒天氣雷達對龍卷天氣進行分析研究,其中Brown et al(1978)利用美國國家強風暴實驗室的多普勒天氣雷達資料,發(fā)現了一個可能伴隨龍卷過程的比中氣旋尺度更小的多普勒雷達速度場渦旋特征,表現為徑向速度圖上沿方位角方向兩個緊挨著的像素之間的強烈速度切變,尺度通常在2 km 以下,被稱為龍卷渦旋特征(TVS)。在國內,隨著新一代天氣雷達布網之后,相關專家對龍卷天氣過程的分析研究也逐漸增多(俞小鼎等,2008;鄭媛媛等,2004;2009;2015;何彩芬等,2006;李改琴等,2014;張晰瑩等,2013;陳元昭等,2016;李兆慧等,2017;蔣義芳等,2009;鄭艷等,2017;徐芬等,2021;鄭永光等,2020;張楠等,2020;慕瑞琪等,2022;朱江山等,2015),其中俞小鼎等(2008)和鄭媛媛等(2004;2009)利用多普勒天氣雷達數據對超級單體龍卷過程進行詳細分析后指出,伴隨龍卷的發(fā)生,天氣雷達上基本能夠觀察到中氣旋或小尺度強切變(TVS)特征;李兆慧等(2017)和黃先香等(2019)及邱陽陽等(2021)利用多普勒天氣雷達資料等對當地發(fā)生的臺風龍卷過程進行了詳細分析。針對我國龍卷發(fā)生的空間分布特征,魏文秀和趙亞民(1995)分析統(tǒng)計1980—1993年我國發(fā)生的龍卷分布特征指出,中國的長江三角洲經蘇北平原至黃淮平原和廣東與廣西地區(qū)是龍卷的兩個多發(fā)帶;范雯杰和俞小鼎(2015)則對1961—2010年全國記錄到的EF2級以上的165次龍卷的發(fā)生地進行統(tǒng)計后發(fā)現,江淮流域、華南、東北和華北地區(qū)東南部等地形平坦地區(qū)為龍卷高發(fā)區(qū);之后馮佳瑋等(2017)利用2004—2012年的中國氣象局氣象災害年鑒和CFSR再分析資料對我國龍卷的空間分布統(tǒng)計后指出,中國龍卷在空間上主要分布于東部地區(qū),以江蘇和廣東地區(qū)最多;而遼寧、吉林和內蒙古交界處及黑龍江中部也是龍卷集中發(fā)生區(qū)域。相對而言,位于華北的天津地區(qū)觀測到的龍卷很少,近30年來僅在20世紀90年代有幾次龍卷風災情記錄,所以目前對當地龍卷天氣的分析研究相對較少。2018年8月13日下午,天津局地出現強對流天氣,17:30左右(北京時,下同)靜海區(qū)出現龍卷天氣,龍卷發(fā)生的時間短、強度大、突發(fā)性強、局地受災嚴重,從回波新生到龍卷擊地僅有40 min 左右,所以預報預警難度很大。而且龍卷的發(fā)生地和影響區(qū)域恰好沒有布設自動氣象站,只能利用周邊的自動氣象站觀測和風廓線雷達及多普勒天氣雷達等資料,對此次龍卷天氣的發(fā)生條件和雷達特征等進行分析,探討其觸發(fā)機制和預報預警可能性,為今后預警龍卷等強對流天氣提供預報思路。

1 龍卷實況及強度定級

2018年8月13日下午天津局地出現強對流天氣,17:30左右在靜海區(qū)北五里村附近發(fā)生龍卷天氣(圖1),龍卷自靜海區(qū)魏家莊村附近生成后,自東北向西南方向移動,先后影響靜海區(qū)北五里村—西五里村—梁頭鎮(zhèn)小李莊村,生命史約為15 min,移動速度約為20 km·h-1,造成的明顯災情路徑長度大約為5 km、寬度幾米至上百米,伴隨局地的雷電和短時強降水,其中自動站17:00—18:00的小時最大降水量為57.8 mm(圖1d),龍卷天氣發(fā)生30 min后在其移動路徑下游的A2563自動氣象站監(jiān)測到的地面最大風速仍達24 m·s-1(圖1c),可見此次龍卷造成的災害大風強度很強。受龍卷影響,靜海區(qū)共造成2人受傷,房屋倒塌4間、損壞179間,倒斷電桿8根、電塔3座,損壞蔬菜大棚138座,農作物受災面積為854.7 hm2;據不完全統(tǒng)計,龍卷共造成農業(yè)、交通等直接經濟損失達4731.4萬元。依據Fujita(1981)提出的龍卷分級標準判定,此次龍卷等級應為EF2級。

2 環(huán)流背景和不穩(wěn)定條件

2.1 天氣背景條件

分析2018年8月13日高低空天氣形勢看到,08:00的500 hPa高度場上蒙古至河套西部有一高空槽,東部副熱帶高壓(以下簡稱副高)位于海上、588 dagpm線西脊點位于36°N、122°E附近,南面臺風摩羯中心位于30°N、118°E附近(圖2a),級別為熱帶風暴,低層850 hPa上在高空槽前北京西側有一西南風與東南風的中尺度切變,天津處于副高外圍西北側584 dagpm線內;地面圖上天津處于均壓場內,東部地區(qū)有一東北—西南向的地面中尺度輻合線(圖略)。隨著500 hPa高空槽東移略北縮,副高明顯加強西進略北抬,臺風摩羯以25 km·h-1左右的速度向西北方向移動,副高外圍與臺風摩羯之間東南氣流明顯加強并向西北方向伸進,850 hPa上天津和北京地區(qū)上空轉為一致的東南風,并在天津南部出現明顯東南風風速輻合,東南海上大量水汽隨低空東南氣流向北輸送至天津上空。到17:00地面圖上天津仍處于弱氣壓場里,中尺度輻合線位置略向西移,其后側東南風有所加大(圖2b);此時臺風摩羯中心位置位于32.4°N、116.9°E,中心最大風速為18 m·s-1,龍卷發(fā)生位置位于副高脊線的北側、北上臺風摩羯中心位置的偏北方向,距離臺風中心約650 km,副高外圍和臺風東北側之間的東南氣流明顯加強。

注:棕色線為500 hPa槽線,紅色雙線為850 hPa切變線,“”為臺風位置;“●”為臺風摩羯位置,“★”為靜海龍卷位置。圖2 2018年8月13日(a)08:00 500 hPa天氣形勢圖,(b)17:00海平面氣壓圖和(c)17:30華北雷達拼圖Fig.2 (a) The 500 hPa synoptic chart at 08:00 BT, (b) sea level pressure chart at 17:00 BT and (c) North China radar puzzle at 17:30 BT 13 August 2018

2.2 環(huán)境不穩(wěn)定條件

由于天津本地沒有探空觀測,我們利用北京探空資料(龍卷發(fā)生地位于北京探空站的南偏東方向約94.8 km處)對龍卷發(fā)生前的背景條件進行分析,看到(圖略),13日08:00從底層到400 hPa整層濕度較大、低層垂直風切變較大、風向隨高度順轉,對流有效位能(CAPE)為224.1 J·kg-1、對流抑制(CIN)為140 J·kg-1,K指數較高(39.6℃)、抬升指數(LI)為-1.5℃、風暴強度指數(SSI)為252、沙氏指數(SI)為-1.48℃、強天氣威脅指數(SWEAT)為242.4,同時抬升凝結高度較低,在988.8 hPa附近。上述物理量參數值說明環(huán)境大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)下,只是不穩(wěn)定能量較小、對流抑制較大,不太容易觸發(fā)強對流天氣。到14:00從北京探空圖上看到(圖3a,表1所列為14:00北京探空物理量參數值),此時近地層濕度仍較大,但850～700 hPa兩層溫度露點差明顯加大,出現中層干冷空氣層,說明有干冷空氣侵入,低層垂直風切變仍較大,同時CAPE增大為1797 J·kg-1,增幅達1550 J·kg-1以上,CIN減小為0 J·kg-1,K指數維持39.6℃,LI降為-5.1℃,SSI達到271.4,SI為-2.1℃,SWEAT為255.5;此時抬升凝結高度雖然升高到938.7 hPa附近(有所升高應是日變化),但相對而言仍然較低。俞小鼎等(2008)研究指出,抬升凝結高度較低表明低層相對濕度較大,下沉氣流中的氣塊在低層大氣被蒸發(fā)降溫的可能性就較小,其具有正浮力的可能性也就較大,因此會有利于龍卷形成。對比08:00和14:00各項動力、熱力物理量參數值變化看,龍卷天氣發(fā)生前京津地區(qū)環(huán)境大氣變得更不穩(wěn)定,特別是對流有效位能迅速增大,對流抑制降為0 J·kg-1,說明從低層到高層大氣均處于不穩(wěn)定狀態(tài),同時在850～700 hPa層出現干冷空氣侵入,干冷空氣疊加在低層暖濕空氣上, 大氣呈現顯著條件(靜力)不穩(wěn)定,再加上較低的抬升凝結高度,環(huán)境條件非常有利于產生強雷暴、龍卷等強烈天氣的高度組織單體、多單體風暴或超級單體風暴。Evans and Doswell Ⅲ(2002)和Rasmussen(2003)的研究也指出,這是較強龍卷風發(fā)生的有利天氣背景條件。

表1 2018年8月13日14:00北京探空部分參數值Table 1 Partial parameter values of Beijing sounding at 14:00 BT 13 August 2018

圖3 2018年8月13日(a)14:00北京探空圖和(b)16:00龍卷發(fā)生地訂正探空圖Fig.3 (a) Sounding at Beijing Station at 14:00 BT and (b) corrected sounding at tornado location at 16:00 BT 13 August 2018

2.3 局地不穩(wěn)定條件

為了進一步分析龍卷發(fā)生前后局地的不穩(wěn)定條件,利用天津地面自動氣象站資料和北京探空資料相結合,重新計算得到龍卷發(fā)生前后局地自動氣象站逐時的新探空資料(圖3b為16:00龍卷發(fā)生地探空),并提取得到各物理量參數隨時間的變化,用于近似分析龍卷發(fā)生前后局地物理量參數變化特征。通過分析看到,16:00靜海區(qū)局地的CAPE高達3273.4 J·kg-1,比14:00北京探空得到的CAPE高出近1倍,同樣CIN為0 J·kg-1,K指數達40℃,LI降到-9.7℃,SSI增大到321.9,SI降到-2.25℃,SWEAT基本維持,上述物理量參數值均說明靜海區(qū)局地不穩(wěn)定條件更強。另外從計算得到的最大上升速度值對比看到,局地最大上升速度由08:00的21.2 m·s-1到16:00加大到80.9 m·s-1。因為天津近20年沒有出現過龍卷天氣,將上述物理量參數值和之前統(tǒng)計出的本地強對流天氣物理量參數閾值(圖略)對比看到,此次龍卷天氣的對流有效位能、對流抑制、K指數、抬升指數以及最大上升速度值等均超過本地強對流天氣極值,說明如有觸發(fā)將導致局地不穩(wěn)定能量強烈釋放,將造成劇烈強對流天氣。

3 龍卷發(fā)生條件

近年來,國內外專家研究指出近地層(0～1 km)存在強的垂直風切變、較低的抬升凝結高度和很大的對流有效位能等是龍卷天氣發(fā)生的主要動力、熱力條件。如Weisman and Klemp(1982)和McCaul(1991)的研究就指出,近地層(0～1 km)強垂直風切變是造成龍卷的主要動力條件;Rasmussen and Blanchard(1998)和Rasmussen(2003)通過研究也指出,低層0～1 km垂直風切變和較低的抬升凝結高度是影響龍卷發(fā)生的主要條件;Thompson et al(2000)進一步統(tǒng)計發(fā)現產生較強龍卷的平均抬升凝結高度低于981 m,弱龍卷的平均抬升凝結高度為1179 m。國內,陳元昭等(2016)通過分析也指出龍卷發(fā)生前環(huán)境有很大的對流有效位能和強的垂直風切變。為進一步分析此次龍卷發(fā)生的動力、熱力條件和發(fā)生潛勢,利用龍卷發(fā)生地上下游觀測站點(西青站代表上游站,靜海站代表下游站,兩站點位置見圖1c)風廓線雷達觀測資料,計算得到龍卷發(fā)生前后兩站點不同高度垂直風切變值隨時間的變化,并利用前面計算得到的兩站的對流有效位能和抬升凝結高度參數值隨時間變化特征進行具體分析。

3.1 對流有效位能隨時間變化特征

對比分析兩站的CAPE隨時間演變可以看到(圖4a),龍卷發(fā)生前,局地CAPE均很大,基本在2000 J·kg-1以上,而且龍卷發(fā)生地上游的西青站的CAPE值明顯高于下游的靜海站,龍卷發(fā)生前2 h 西青站的CAPE值最大達到4898.8 J·kg-1,比靜海站高出近2870 J·kg-1,這說明龍卷發(fā)生地上游的局地不穩(wěn)定能量更大,遇有局地觸發(fā)抬升,會率先觸發(fā)不穩(wěn)定能量強烈釋放,造成強烈天氣發(fā)生。從圖4a看到,龍卷發(fā)生前45 min西青站的CAPE由4402.6 J·kg-1迅速下降到995 J·kg-1,對比實況,這一時間段上游出現局地強雷雨天氣,自動氣象站17:00—18:00的小時最大降水量為37.6 mm。而靜海站的CAPE在這一時間段沒有下降反而出現躍增,其值從1872.2 J·kg-1突增到4003.4 J·kg-1,且隨后1 h一直維持在3300 J·kg-1以上,17:50后才迅速降低,此時龍卷天氣已經發(fā)生。這說明此次龍卷發(fā)生前不但環(huán)境場具有較大CAPE,龍卷發(fā)生地局地不穩(wěn)定能量更大,這與陳元昭等(2016)的分析結論一致。但需要指出的是,上述修訂中只考慮了低空的加熱作用,訂正后的CAPE在龍卷發(fā)生前后的變化特征還需要今后更多個例的分析驗證。

圖4 2018年8月13日08:00—19:40(a)兩個站對流有效位能,(b)兩個站抬升凝結高度,(c)西青站和(d)靜海站低空不同高度風垂直切變隨時間的變化Fig.4 Changes with time in (a) CAPE of the two stations, (b) LI of the two stations, (c, d) wind vertical shear at different heights at the low level of (c) Xiqing Station, and (d) Jinghai Station from 08:00 BT to 19:40 BT 13 August 2018

3.2 抬升凝結高度隨時間變化特征

對比兩站的抬升凝結高度值隨時間演變看到(圖4b),13日白天兩站的抬升凝結高度隨時間均有所升高,西青站在出現局地雷雨天氣前2 h抬升凝結高度開始降低,35 min約降低了35 hPa左右,之后一直維持在較低高度,到17:00抬升凝結高度出現突降,10 min下降了46.6 hPa,達到924.6 hPa附近(約700 m高度附近),但隨后其高度又迅速升高。對應實況,抬升凝結高度出現突降時正好對應該地出現強雷暴天氣。而靜海站的抬升凝結高度在16:00之前一直維持較高高度,16:15出現首次突降,10 min降低了38 hPa,之后又出現升高,16:45再次出現突降,降低高度達64.2 hPa,17:10高度降低到897 hPa處(接近1000 m高度),隨后一直維持在較低高度。對應實況,靜海站抬升凝結高度第二次出現突降的時間正好與龍卷生成時間相對應,抬升凝結高度維持在最低高度(低于900 hPa)時正好是龍卷生成擊地時間。這說明抬升凝結高度在局地強雷暴發(fā)生前會出現突降現象,當降低幅度較大(超過50 hPa)并在較低高度(低于900 hPa)維持一段時間時,有利于出現龍卷天氣。這一結論與Thom- pson et al(2000)統(tǒng)計出的產生強—弱龍卷的平均抬升凝結高度的結論基本一致。

3.3 低空垂直風切變隨時間變化特征

分析龍卷發(fā)生前后上下游兩站0～3 km及0～6 km垂直風切變值均不大,隨時間也沒有明顯變化,而0～1 km垂直風切變值隨時間變化較大(圖4c,4d),其中西青站低層垂直風切變值在龍卷發(fā)生前3 h有所增大,近地層0～0.3 km和0～0.5 km高度垂直風切變值增大較明顯,平均增幅為8×10-3～10×10-3s-1。龍卷生成前從16:47(此時0～1 km高度垂直風切變值為0.9×10-3s-1)開始近地層不同高度垂直風切變值均迅速增大,0～1 km 高度垂直風切變值增大了18.2×10-3s-1,到17:17達到19.1×10-3s-1,而0～0.3 km和0～0.5 km 高度垂直風切變值增幅更大,分別為35.3×10-3s-1和46.9×10-3s-1,到龍卷發(fā)生前的17:23 時0～0.3 km和0～0.5 km高度的垂直風切變值達到最大,分別為44.7×10-3s-1和52.6×10-3s-1,之后伴隨龍卷的發(fā)生,低層(0～1 km及以下)各高度垂直風切變值均迅速減小,而且垂直風切變值的迅速減小是由上層開始并迅速向下,0～0.5 km高度垂直風切變值降幅最明顯,僅十幾分鐘垂直風切變值降幅就達42.9×10-3s-1,這也正好說明龍卷的發(fā)生是由高到低再擊地造成嚴重災害的過程。而對比靜海站,龍卷發(fā)生前低層各高度之間的垂直風切變值沒有明顯增大,只是在龍卷發(fā)生的17:33—17:36這幾分鐘內0～1 km高度及以下的垂直風切變值出現瞬間增大,隨后又迅速減小,持續(xù)時間僅有10 min 左右;但在龍卷發(fā)生15 min后0～0.3 km高度垂直風切變值發(fā)生突增,2 min增幅達31×10-3s-1,13 min內增幅達64×10-3s-1,到17:57時0～0.3 km高度垂直風切變值達到最大,為69.3×10-3s-1,而0～1 km以上高度的垂直風切變值沒有明顯變化。依據上文分析龍卷移動速度約為20 km·h-1,靜海站距離龍卷發(fā)生地約5 km,該站在龍卷發(fā)生15 min后近地層0～0.3 km高度垂直風切變值達到最大,應是由龍卷擊地后迅速向下游移動的災害性大風造成的,這也說明此次龍卷向下伸展致災的高度在1 km以下。

3.4 地面觸發(fā)抬升條件

由天津地面自動氣象站風場(圖5a1～5c1)看到,8月13日中午開始在天津東部有一條偏北風和東南風的中尺度輻合線。該中尺度輻合線隨時間自渤海沿岸向西移動,移動過程中其經過地區(qū)自動氣象站溫度略降、相對濕度略增大,對應多普勒天氣雷達0.5°仰角反射率因子圖和徑向速度圖上也有一條窄帶回波帶(圖5a2～5c2),由之前分析知這是海陸差異形成的海風鋒(東高紅等,2011)。由于13日地面處于弱低壓前部,系統(tǒng)風雖然很弱,但也是東南風,所以該地面中尺度輻合線應是疊加了弱系統(tǒng)東南風的海風鋒(以下簡稱為海風鋒)。海風鋒隨時間不斷向西移動,15:00以后在海風鋒后側附近有雷暴單體新生發(fā)展,到16:00后不斷有雷暴單體發(fā)展成熟,單體中心最大回波強度達到50 dBz,受其影響天津西青區(qū)和市區(qū)局地出現雨強較大的雷暴天氣(這應與城市熱島和海風鋒疊加觸發(fā)加強有關,本文不做討論),同時雷暴單體內強下沉氣流到達地面形成出流邊界(陣風鋒)。其中影響西青區(qū)雷暴單體前側的陣風鋒向西南推進,16:40后與移動到此處的海風鋒相遇,因本地存在較大不穩(wěn)定能量,兩條中尺度輻合線相遇發(fā)生碰撞,造成該地不穩(wěn)定能量強烈釋放,隨后該地出現新生回波單體并迅速發(fā)展加強,17:06回波單體中心強度達到50 dBz,到17:30單體回波強度達到55 dBz、并出現回波懸垂結構,而且雷達自動監(jiān)測到TVS。分析看到雷暴單體是在海風鋒附近發(fā)展起來的,產生龍卷的雷暴單體是由上游雷暴單體前側陣風鋒南移與海風鋒在當地相遇發(fā)生碰撞后新生發(fā)展起來的。

注:線段為海風鋒。圖5 2018年8月13日14:00—16:00(a1～c1)天津地面自動氣象站風場分布,(a2～c2)天津雷達0.5°仰角反射率因子Fig.5 (a1-c1) Wind field distribution of the automatic weather station in Tianjin and (a2-c2) the 0.5° elevation reflectivity factor of Tianjin Radar from 14:00 BT to 16:00 BT 13 August 2018

為進一步分析龍卷發(fā)生的觸發(fā)條件,利用西青站風廓線雷達觀測資料進行具體分析。從龍卷發(fā)生前西青站的地面風場與風廓線雷達資料看到,下午該站地面一直維持弱的偏北風,16:40后低層轉為偏東風,對應前面分析知是海風鋒移動到此地造成的風向變化,從風廓線圖上看(圖6a),偏東風的伸展高度僅有0.7 km左右。隨后在1.2 km高度以上風向出現突轉,由之前的偏南風突轉為偏北風,對應實況和雷達觀測,這應是上游雷暴單體內由降水拖曳作用造成的下沉氣流,隨后偏北風風速明顯增大并迅速向下侵入到近地層偏東風層內,10 min后近地層偏東風轉為東南風且風速迅速加大并向上層伸展,說明低層偏東氣流被抬升,在0.3～1.2 km高度出現強的東南上升氣流,氣流中心最大風速達到24 m·s-1。對應垂直速度看到(圖6b),此時垂直上升速度明顯加大,在對應高度層出現垂直上升速度大值區(qū),1 km高度附近出現強上升中心,中心最大垂直上升速度達3.0 m·s-1,同時17:20開始近地面出現弱西北風,風向隨高度順轉,低層垂直風切變值明顯加大,0～1 km 高度風矢量差最大達到25 m·s-1,轉換為切變值為25×10-3s-1,有如此強的低層垂直風切變和強的垂直上升速度,加之上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結和本地又處于高能區(qū)且?guī)缀鯖]有對流抑制(CIN為0 J·kg-1),所以雷暴被觸發(fā)后可以在較短時間內迅速發(fā)展為有組織的強雷暴單體。龍卷發(fā)生在西青站下游,其發(fā)生的環(huán)境條件和局地條件基本相同,當海風鋒移動到靜海本地與上游雷暴出流形成的陣風鋒相遇發(fā)生碰撞,觸發(fā)不穩(wěn)定能量強烈釋放,激發(fā)雷暴單體的新生發(fā)展并迅速發(fā)展加強為有組織的強雷暴單體,最終產生龍卷天氣?？梢哉f,海風鋒與陣風鋒相遇發(fā)生碰撞應是此次龍卷天氣的直接觸發(fā)條件。

注:棕色線表示海風鋒,藍色線表示陣風鋒。圖6 2018年8月13日(a)16:29—17:57西青站風廓線雷達觀測風場,(b)16:29—17:57西青站風廓線雷達觀測垂直速度隨時間變化(負值表示垂直上升),(c)16:40天津地面自動站風場Fig.6 Variation of (a) wind field and (b) vertical velocity of Xiqing Station from 16:29 BT to 17:57 BT (negative value: vertical rise), (c) wind field of Tianjin automatic weather stations at 16:40 BT 13 August 2018

4 雷達回波特征分析

從天津地面自動氣象站風場演變看到(圖5),地面有一中尺度輻合線隨時間不斷向西移動,對應雷達觀測和上面分析,此輻合線應為疊加弱系統(tǒng)東南風的海風鋒。15:00以后在海風鋒后側不斷有雷暴單體新生發(fā)展,16:00雷暴單體發(fā)展成熟,單體中心回波強度最大達到50 dBz,受其影響天津西青區(qū)和市區(qū)局地出現雨強較大的雷暴天氣,同時雷暴單體內強下沉氣流到達地面發(fā)生輻散形成出流(陣風鋒)。隨時間陣風鋒向西南移動,到16:42與向西移動的海風鋒相遇(圖7a),過二者相遇處沿雷達徑向方向的反射率因子垂直剖面圖上可以清楚看到近地層海風鋒自身的弱回波及上層的弱回波(圖7b1)。東高紅等(2011)分析指出海風鋒自身的弱回波伸展高度約為1.5 km,而從圖7b1上看到弱回波的伸展高度已經到9 km附近,說明這應是陣風鋒和海風鋒相遇后觸發(fā)出來的新單體回波。隨時間單體回波迅速發(fā)展,3～4個體掃時間單體回波中心強度最大已達到50 dBz(圖7b～7d),之后仍不斷發(fā)展,到17:30(圖7e,7e1,7e3)已發(fā)展成中心強度為55 dBz 的成熟單體回波,對應在4.3°仰角徑向速度圖上出現正負速度對和明顯TVS(圖7e4)。由過回波單體中心沿雷達徑向的反射率因子及徑向速度垂直剖面(圖7e5,7e6)看到,此時該單體回波頂高在13 km 高度附近,55 dBz最強回波中心位于5～6 km 高度,而且出現明顯有界弱回波區(qū)和回波懸垂結構,低層后側入流弱回波區(qū)非常清楚,這說明單體后側入流很強,單體內垂直上升運動非常強。從對應的徑向速度垂直剖面看到,該單體低層輻合高層輻散特征明顯,同時在6～11 km高度上有一對正負徑向速度像素對,其中負徑向速度最大值為-17 m·s-1,正徑向速度最大值為7 m·s-1。結合4.3°仰角徑向速度圖上最大正負速度中心之間的距離為2 km左右,可以算出正負速度中心的最大旋轉速度為24 m·s-1,垂直渦度為2.4×10-2s-1。另外通過風暴相對平均徑向速度圖(SRM)產品提取出TVS(表2),從表上看到17:30該TVS距離天津雷達約71 km,最大轉動速度差為22 m·s-1,最大轉動速度差高度為2.4 km,伸展高度為4.7 km,最大風切變達到37×10-3s-1,對照龍卷強度標準(俞小鼎等,2006a),此時龍卷已經達到較強強度。6 min后雷暴單體移到離雷達73 km處,最大轉動速度差加大到25 m·s-1,最大轉動速度差高度為1.1 km,伸展高度為4.9 km,最大風切變達40×10-3s-1。從此時反射率因子垂直剖面圖上看到(圖7f2),50 dBz強回波高度明顯降低,懸垂結構特征已經明顯減弱,但回波隨高度還是向入流方向傾斜,在徑向速度圖0.5°仰角上仍可以看到正負徑向速度像素對(圖7f1),只是強度明顯減弱,對應徑向速度剖面圖上可以看到近地層正負徑向速度對已落地并明顯減弱(圖7f3),這說明此時該龍卷已經擊地。對應實況,龍卷擊地時間基本可以確定在17:30—17:36。另外,分析看到從雷暴單體新生并迅速發(fā)展成熟到雷達監(jiān)測到TVS僅有40 min左右,雖然徑向速度圖上沒有監(jiān)測到中氣旋和鉤狀回波,但連續(xù)兩個體掃監(jiān)測到正負徑向速度像素對,考慮應是微超級單體龍卷,只是中氣旋尺度較小(直徑為2 km左右),雷達中氣旋探測算法識別不出來,但這也需在今后分析中通過更多個例進行驗證。

表2 2018年8月13日17:00—17:36龍卷渦旋(TVS)參數特征Table 2 Parameter characteristics of TVS from 17:30 BT to 17:36 BT 13 August 2018

圖7 2018年8月13日天津雷達回波產品(a～e)逐12 min 0.5°仰角反射率因子;(e1,e3)反射率因子和(e2,e4)平均徑向速度:(e1,e2)1.5°仰角,(e3,e4)4.3°仰角;(f)17:36反射率因子和(f1)平均徑向速度;(b1,e5,e6,f2,f3)沿圖7a中黑色線的垂直剖面:(b1,e5,f2)反射率因子,(e6,f3)徑向速度Fig.7 Radar products in Tianjin on 13 August 2018(a-e) 12 min reflectivity factor at 0.5° elevation from 16:42 BT to 17:30 BT; (e1, e3) reflectivity factor and (e2, e4) average radial velocity (e1, e2) 1.5° elevation, (e3, e4) 4.3° elevation; (f) reflectivity factor and (f1) average radial velocity at 0.5° elevation at 17:36 BT; (b1, e5, e6, f2, f3) vertical cross-section along the black line in Fig.7a: (b1, e5, f2) reflectivity factor, (e6, f3) radial velocity

5 結 論

通過對2018年8月13日17:30左右發(fā)生在天津靜海的龍卷天氣進行分析,重點分析龍卷天氣發(fā)生前后的環(huán)境背景條件和局地物理量參數變化及雷達回波特征等,得到以下結論:

(1)此次龍卷天氣發(fā)生在500 hPa高空槽東移、副高加強西進及1814號臺風摩羯北上的過程中;副高外圍和臺風摩羯之間的低空東南氣流加強、水汽源源不斷向北輸送并在天津上空出現明顯氣流輻合。龍卷發(fā)生前環(huán)境大氣處于明顯不穩(wěn)定狀態(tài),CAPE值達到1797 J·kg-1(CIN為0 J·kg-1)、0～6 km風矢量差約為14 m·s-1,且存在較低抬升凝結高度等,這均有利于龍卷等強對流天氣發(fā)生。

(2)龍卷發(fā)生前局地存在大的對流有效位能(最大值超過4000 J·kg-1)、較低抬升凝結高度,且龍卷發(fā)生前抬升凝結高度出現突降現象(最低降到897 hPa附近)。龍卷發(fā)生前后上下游兩站近地層(0～1 km高度及以下)垂直風切變值均出現先迅速增大后又迅速減小的特征,且垂直風切變值的迅速減小是由上層開始并迅速向下,而0～1 km以上高度垂直風切變值沒有明顯變化。另外下游靜海站在龍卷發(fā)生15 min后0～0.3 km高度垂直風切變值再次發(fā)生突增,13 min內增幅達64×10-3s-1,這應是由龍卷擊地后迅速向下游移動的災害性大風造成的。

(3)多普勒天氣雷達觀測表明此次龍卷的回波具有明顯懸垂結構和有界弱回波區(qū)及龍卷渦旋(TVS)等特征,且后側入流非常強并在龍卷擊地時從高層到近地層出現明顯中尺度徑向輻散;通過計算得出龍卷發(fā)生時4.3°仰角徑向速度圖上正負速度對的最大旋轉速度為24 m·s-1,垂直渦度為2.4×10-2s-1,應是微超級單體龍卷,只是中氣旋尺度較小,雷達中氣旋探測算法沒有識別出來。

(4)海風鋒的觸發(fā)抬升為龍卷發(fā)生發(fā)展提供動力條件,上游雷暴單體前側強下沉干冷氣流與近地面海風鋒攜帶的相對暖濕空氣疊加形成上干冷、下暖濕的局地條件(靜力)不穩(wěn)定,在環(huán)境不穩(wěn)定疊加局地不穩(wěn)定的有利條件下,陣風鋒與海風鋒相遇發(fā)生碰撞,導致本地不穩(wěn)定能量強烈釋放,激發(fā)雷暴單體新生并迅速發(fā)展為有組織的雷暴單體,應是此次龍卷發(fā)生的直接觸發(fā)條件。