2. 东营市气象局, 山东 东营 257091;
3. 滨州市气象局, 山东 滨州 256600;
4. 临沂市气象局, 山东 临沂 276004
2. Dongying Meteorological Bureau, Dongying 257091, China;
3. Binzhou Meteorological Bureau, Binzhou 256600, China;
4. Linyi Meteorological Bureau, Linyi 276004, China
龙卷是一种伴随着猛烈旋转的漏斗状云柱的小尺度涡旋[1-3]。根据风力及破坏程度, FUJITA[2]将龙卷分为F0、F1、F2……F5共六个等级。2006年初美国国家气象局(National Weather Service)正式对外公布了增强的F-分级(EF-分级)标准,EF-分级共分为EF0、EF1、EF2……EF5六个等级。
超级单体风暴和非超级单体风暴均可产生龙卷。超级单体产生的龙卷通常与中气旋相联系,在低层较大垂直风切变和抬升凝结高度较低的环境下持续的中气旋很容易诱发龙卷[4-5]。非超级单体产生的龙卷通常与浅薄的、尺度较小的低层涡旋气流有关[6-7]。由于龙卷尺度小,突发性强,在其预警方面最为有效的手段是多普勒天气雷达。为了改进龙卷的预警效果,美国国家强风暴实验室(National Severe Storms Laboratory, NSSL)开发了基于多普勒天气雷达探测资料的龙卷涡旋探测算法[8],并在WSR-88D雷达业务中进行了应用,取得了良好效果。
我国气象工作者对龙卷的区域分布、气候特征、产生机制、雷达回波特征等开展了大量研究工作,取得了丰硕的研究成果。我国龙卷主要分布在江淮地区、两湖平原、华南地区、东北地区和华北地区东南部等平原地区,具有在某地频发的特征[9]。龙卷的形成与低层的强垂直风切变密切相关,低的抬升凝结高度和地面辐合线的存在利于龙卷的形成[10-14]。在多普勒天气雷达产品上,强龙卷常与中气旋相伴,低层具有钩状回波结构,龙卷涡旋特征(TVS)等[15-18]。对于台风环流带来的龙卷,国内也有相应研究[19-22]。台风内的龙卷多出现在台风的东北象限或前进方向的右前象限,强度一般较弱,多出现在下午,也多会成群出现[23]。郑媛媛等[24]对10次台风龙卷过程的环境背景和其中F2~F3级龙卷过程的回波结构演变特征的分析结果表明,台风龙卷所处环境基本为弱对流有效位能和风随高度强烈顺转的强低空风的垂直切变环境,风暴的相对螺旋度很大。黄先香等[25]对广东2次台风龙卷对比分析发现,低层辐合、高层辐散及中低空强劲东南急流在珠江三角洲叠加是其产生的相似环境背景,两个龙卷母体均为微型超级单体,都存在强中气旋和龙卷涡旋特征,中气旋都在中低层形成后,向更低层发展最终导致龙卷。
2018年第14号台风“摩羯”在江苏北部及山东造成12个龙卷,尤其是在山东滨州和东营一带集中爆发7个龙卷。2018年第18号台风“温比亚”给江苏徐州及山东临沂带来3个龙卷。2次台风减弱低压先后穿过山东,其外围环流在山东产生多个龙卷,造成严重经济损失,实属罕见。文章利用多普勒天气雷达探测资料,结合环境物理量,对龙卷产生的关键区和关键环境因子进行了分析,统计分析了龙卷风暴和非龙卷风暴强度结构及气旋性小尺度涡旋特征并进行了对比,对台风外围龙卷的识别与可预警性进行了分析,以期对今后台风减弱低压外围环流中龙卷的预警有借鉴意义。
1 实况与环境物理量 1.1 龙卷实况受2018年第14号台风“摩羯”减弱低压环流影响,13日夜间至14日下午,江苏北部邳州市和山东枣庄、潍坊、烟台、滨州、东营、德州等地部分村庄先后出现12个龙卷,造成严重经济损失,龙卷出现地点见图 1a。江苏邳州(编号1和3)和山东台儿庄龙卷(编号2和3)出现在13日夜间,没有视频资料,只有新闻报道,山东其他龙卷有视频资料或经灾情调查证实,12个龙卷详细信息见表 1。受2018年第18号台风“温比亚”减弱低压环流影响,18日18:45和19:46前后江苏徐州市铜山区和丰县先后遭受龙卷袭击,19日19:35山东临沂市河东区也出现龙卷(图 1b),3个龙卷详细信息见表 2。序号是根据龙卷出现时间先后顺序进行的排列,时间是根据视频时间、实地灾情调查、雷达径向速度上强的小尺度涡旋综合判别得到,等级是根据视频资料、龙卷破坏程度综合推断得到。
台风环流造成的龙卷均出现在减弱低压中心的东北象限,距低压中心的距离范围和方位范围基本在100~360 km和35°~75°之间。“温比亚”环流造成的龙卷个数明显少于“摩羯”环流造成的龙卷个数,但强度强于“摩羯”环流造成的龙卷强度。
1.2 环境物理量根据章丘和徐州探空资料计算的环境参数(表 3),包括K指数,850 hPa与500 hPa温差(ΔT),沙氏指数(SI)和抬升指数(LI),0~3 km相对风暴螺旋度(SRH),对流有效位能(CAPE)和对流抑制能量(CIN),抬升凝结高度(LCL),0~6 km和0~2 km高度垂直风切变(Wsr),925 hPa、850 hPa和500 hPa比湿(q)。上标“*”号的为订正后的CAPE,14日08时章丘探空资料订正到11时惠民站的CAPE值为1 230 J·kg-1,18日08时徐州探空资料订正到17时徐州站的CAPE值为1 530 J·kg-1,19日08时徐州探空资料订正到17时临沂站的CAPE值为1 180 J·kg-1。19日19:35临沂河东区龙卷出现在东北象限, 20时徐州探空站位于台风低压为中心的东南象限区域,SRH和Wsr较小,对临沂龙卷指示意义不大。利用临沂多普勒天气雷达风廓线数据计算出的19:00前后0~2 km和0~6 km垂直风切变分别为14.1 m·s-1和12.3 m·s-1,龙卷发生前低层具有强的垂直风切变。总的看来,两次台风过程中龙卷发生地都具有较大的K指数(≥32 ℃),较低的ΔT(≤23 ℃),较厚的湿层,较大的SRH(>270 m2·s-2),较低的LCL(≥950 hPa),较强的低层垂直风切变,0~2 km高度Wsr>10 m·s-1。CAPE值介于1 200~1 700 J·kg-1之间,台风减弱低压东北象限CAPE值并不太高。表 3中还给出了2005年7月30日安徽灵璧F3级龙卷[10]和2016年江苏阜宁EF4级龙卷[16]对应的探空站环境参数,7月30日用灵璧11时温度和露点订正CAPE,6月23日用阜宁13时温度和露点订正CAPE。简单对比可知,“摩羯”和“温比亚”环流中诱发龙卷区域的关键环境因子是湿度大湿层厚、强的低层垂直风切变和大的相对风暴螺旋度。
利用ROSE-RPG系统,重新回放两次台风过程滨州、潍坊、临沂和徐州多普勒天气雷达基数据资料,获取反射率因子、平均径向速度、风暴结构参数等产品数据。风暴参数分析风暴演变特征,包括最大反射率因子(DBZM)、基于单体的液态含水量(C-VIL)、风暴顶高度(TOP)和强中心高度(HT)。平均径向速度分析气旋性小尺度涡旋特征,用方位上相邻距离库间的径向速度差的绝对值最大值(ΔV)来表示,ΔV越大,气旋性小尺度涡旋越强。
2.1 龙卷风暴结构特征对13个龙卷对应的风暴(简称“龙卷风暴”)参数进行了统计(图 2),T为龙卷首先出现的体扫时间,龙卷产生前1个体扫时间为T-1,前2个体扫时间为T-2,产生后一个体扫时间为T+1,产生后2个体扫时间为T+2,以此类推。8月18日徐州铜山区张集矿龙卷风暴和14日临沂河东区贾官庄龙卷风暴由于距离雷达较近,风暴数据不完整,未作统计。
由图 2可以看出,龙卷产生前30 min(5个体扫)DBZM平均值变化不大,在54.5~55.3 dBz之间,龙卷出现后18 min(3个体扫)内DBZM平均值减小,在53.6~54.1 dBz之间,龙卷出现后风暴最大反射率因子有下降趋势;龙卷产生前30 min内DBZM的最小值为49 dBz,最大值为63 dBz,多数(80%)在51~58 dBz之间。龙卷产生前后C-VIL没有明显变化,T-5~T-1体扫时间平均值在21.1~24.6 kg·m-2,T+1~T+3体扫时间平均值在21.9~22.7 kg·m-2。T-2至T-1时间DBZM和C-VIL中值都出现明显下降趋势, 8个风暴C-VIL出现下降,其中6个下降幅度超过5 kg·m-2,下降幅度最大的达13 kg·m-2;5个风暴DBZM出现下降,4个上升,其中3个下降幅度超过2 dBz,下降幅度最大的达5 dBz。HT平均值和中值变化不明显,HT平均值在2.6 km上下,平均值在2.8 km上下,强中心高度较低。TOP平均值和中值呈缓慢上升趋势,风暴顶的高度逐渐升高,说明龙卷前后风暴内部一直维持强的上升气流。
2.2 龙卷小尺度涡旋演变特征 2.2.1 个例分析用2个实例分析来说明诱发龙卷的小尺度涡旋在平均径向速度上的表现特征及ΔV计算方法。图 3是产生“摩羯”4号龙卷和“温比亚”3号龙卷的风暴低层雷达反射率因子(R19)与平均径向速度(V26)及速度剖面(VCS)。可以看出,14日09:46体扫(龙卷出现时间)潍坊雷达0.5°(图 3a)和1.5°(图 3c)仰角V26产品上方位相邻距离库之间都存在明显的切变,即小尺度气旋性涡旋(距雷达站距离约62 km),0.5°仰角最大径向速度为19.5 m·s-1,对应的最小负速度为4.5 m·s-1,速度差绝对值为24.0 m·s-1,1.5°仰角速度差绝对值为20.5 m·s-1, 2.4°仰角速度差小于10.0 m·s-1(图略)。此时小尺度气旋性涡旋的ΔV为24.0 m·s-1,其所在高度是1.1 km;前一体扫和后一体扫ΔV分别是12.0 m·s-1和16.0 m·s-1(图略),诱发龙卷的较强的小尺度气旋性涡旋仅在1个体扫内出现;小尺度涡旋中心对应的反射率因子上(图 3b, 蓝色箭头所示)强度为42 dBz,位于风暴质心的后侧,此时对流单体P0的DBZM、C-VIL、HT和TOP分别是58 dBz、24 kg·m-2、2.9 km和7.5 km;VCS(图 3d)是沿图 3a白色虚线所示方向,蓝色箭头与图 3a小尺度涡旋中心相对应,低层小尺度气旋性涡旋随高度有明显向北倾斜特征。
19日19:35体扫(龙卷出现时间)临沂雷达V26产品上方位相邻距离库之间有明显的切变(距雷达站距离约14 km), 1.5°仰角(图 3g)速度差绝对值为32.5 m·s-1,3.4°仰角(图 3e)速度差绝对值为46.5 m·s-1, 0.5°、2.4°、4.3°和6°仰角速度差绝对值分别为19.5 m·s-1、18.0 m·s-1、19.5 m·s-1和10.0 m·s-1(图略),此时小尺度气旋性涡旋的ΔV为46.5 m·s-1,其所在高度是1.2 km;前一体扫和后一体扫ΔV分别是22.5 m·s-1和26.5 m·s-1(图略),诱发龙卷的较强的小尺度气旋性涡旋持续时间相对较长;19:35小尺度涡旋中心低层对应的反射率因子上(图 3f蓝色箭头所示)强度为49 dBz,位于风暴质心的右侧;VCS(图 3h)是沿图 3g白色虚线所示方向,蓝色箭头与图 3g小尺度涡旋中心相对应,低层小尺度气旋性涡旋随高度有明显向北倾斜特征。
“摩羯”4号龙卷出现在对流单体质心的后侧,“温比亚”3号龙卷出现在对流单体质心的右侧,同时伴有较强的直径约2.5 km的气旋性涡旋(图 3e蓝色圆圈所示),由于其高度较低(约2.0 km),中气旋算法并没有识别出中气旋。诱发龙卷的小尺度气旋性涡旋强度差别较为明显,两者差值达22.5 m·s-1,导致“温比亚”3号龙卷的强度也强于“摩羯”4号龙卷强度。
2.2.2 龙卷小尺度涡旋演变特征对14个龙卷产生前2个体扫和出现后1个体扫的低层ΔV及所在高度(H)进行了统计(图 4)。图 4下分位数均为10%,上分位数均为90%。8月14日莱州朱桥镇龙卷距离潍坊雷达和烟台雷达较远,最低仰角探测高度超过2.2 km,探测不到底层径向速度特征,未作统计。
可以看出,龙卷首次出现的体扫时间都出现较大的ΔV(图 4a),平均值是31.6 m·s-1,中值是31.5 m·s-1,两者基本相当;最小值是21.5 m·s-1,为8月14日东营市垦利孤东油田龙卷,最大值是46.5 m·s-1,为8月19日临沂河东区贾官庄龙卷;T+1时间,中值为32.7 m·s-1,与T时间相比略有增大,平均值是30.0 m·s-1,与T时间相比略有减小,这种状况利于部分龙卷的维持或增强;最小值为15.5 m·s-1,明显小于T时间的最小值,说明个别小尺度气旋性涡旋强度迅速减小,龙卷维持时间较短。与T时间相比,T-2、T-1时间平均值与中值均明显下降,最小值仅有11.0 m·s-1左右,说明有些龙卷的ΔV在龙卷产生前并不大,ΔV可在短时间内迅速增大,从而诱发龙卷。径向速度差的绝对值最大值ΔV所在高度H多数在2.0 km高度以下(图 4b),中值为1.0 km,平均值为1.2 km左右,说明诱发龙卷的小尺度涡旋主要位于风暴低层,环境场上0~2 km高度具有强垂直风切变,利于在低层产生容易诱发龙卷的气旋性小尺度涡旋。T时间最大高度3.7 km,为“摩羯”11号龙卷,其他龙卷最大ΔV所在高度均在2.2 km以下。
3 龙卷的可预警性分析 3.1 未诱发龙卷的气旋性小尺度涡旋特征由以上分析可知,14个龙卷发生时气旋性小尺度涡旋ΔV的最小值为21.5 m·s-1,也就是说,龙卷都具有ΔV≥21.5 m·s-1的气旋性小尺度涡旋,但是不是所有ΔV≥21.5 m·s-1的气旋性小尺度涡旋都会伴有龙卷呢?
为了方便,以ΔV>20.0 m·s-1为阈值,重新普查济南、滨州、潍坊、临沂和徐州雷达100 km之内陆地区域的径向速度,发现有29个ΔV>20.0 m·s-1的气旋性小尺度涡旋未出现龙卷,对应的风暴简称为非龙卷风暴,“摩羯”环流中有19个,“温比亚”环流中有10个,其特征见图 5,T为首次出现ΔV>20.0 m·s-1体扫时间,前1个体扫为T-1,后一个体扫为T+1,下分位数均为10%,上分位数均为90%。
可以看出,T时间ΔV最大31.5 m·s-1,多数(80%)集中在21.0~27.0 m·s-1之间,平均值是23.9 m·s-1,中值是23.8 m·s-1 (图 5a)。T-1时间多数集中在10.0~18.0 m·s-1之间,平均值和中值都是14.3 m·s-1。T+1时间多数集中在17.0~29.0 m·s-1之间,平均值和中值均为22. 7 m·s-1,ΔV>20.0 m·s-1的小尺度涡旋有19个,占比为67.8%。T-1时间ΔV较小,T时间ΔV迅速增大,T+1时间有2/3风暴ΔV仍维持在20.0 m·s-1以上。这种未诱发龙卷的小尺度气旋性涡旋具有迅速发展增强的特征,与诱发龙卷的小尺度涡旋具有相似性。非龙卷风暴ΔV所在高度H多数在2.0 km高度以下,中值为1.2 km,平均值为1.3 km左右(图 5b),说明未诱发龙卷的小尺度涡旋仍位于风暴低层,与诱发龙卷的小尺度涡旋ΔV所对应高度大致相当。
3.2 龙卷风暴与非龙卷风暴特征对比图 6是龙卷风暴和非龙卷风暴参数的对比情况,龙卷风暴参数和ΔV对应龙卷首次出现的体扫时间(图 3和图 4中的T时间),非龙卷风暴ΔV是气旋性小尺度涡旋持续阶段的最大值,及其对应的风暴参数。可以看出,龙卷风暴DBZM、C-VIL、TOP和ΔV的平均值和中值均大于非龙卷风暴,非龙卷风暴HT平均值和中值均大于龙卷风暴,但差别不明显。龙卷风暴DBZM平均值和中值分别是54.5 dBz和55.0 dBz,非龙卷风暴DBZM平均值和中值分别是53.4 dBz和54.0 dBz;龙卷风暴C-VIL平均值和中值分别是22.9 kg·m-2和24.0 kg·m-2,非龙卷风暴C-VIL平均值和中值分别是19.5 kg·m-2和19.0 kg·m-2;龙卷风暴HT平均值和中值分别是2.4 km和2.2 km,非龙卷风暴HT平均值和中值分别是2.6 km和2.5 km;龙卷风暴TOP平均值和中值分别是7.0 km和6.8 km,非龙卷风暴TOP平均值和中值分别是6.45 km和6.40 km;龙卷风暴ΔV平均值和中值分别是31.6 m·s-1和31.5 m·s-1,非龙卷风暴ΔV平均值和中值分别是26.2 m·s-1和25.8 m·s-1,龙卷风暴ΔV平均值和中值与非龙卷风暴ΔV最大值大致相当。
依据上述分析,识别风暴低层气旋性小尺度涡旋是单偏振多普勒天气雷达识别龙卷的唯一有效途径。将台风减弱低压环流中的气旋性小尺度涡旋的强度分为3个等级,满足10.0<ΔV≤20.0 m·s-1的低层气旋性小尺度涡旋定义为弱气旋性涡旋,满足20.0<ΔV≤32.0 m·s-1的低层气旋性小尺度涡旋定义为显著气旋性涡旋,满足ΔV>32.0 m·s-1的低层气旋性小尺度涡旋定义为强气旋性涡旋。
弱气旋性涡旋不会诱发龙卷,在对流风暴中较为常见。强气旋性涡旋都诱发了龙卷,14个龙卷中T时间有6个ΔV超过32.0 m·s-1,非龙卷风暴中最大ΔV没有超过32.0 m·s-1的个例。
显著气旋性涡旋对应的风暴较多,龙卷风暴有8个,非龙卷风暴有29个,龙卷出现的概率仅有21.6%。
以显著气旋性涡旋最低值ΔV>20.0 m·s-1为阈值,44个风暴中伴有龙卷的为15个,满足阈值的有14个,命中率为93.3%,龙卷识别准确率为31.8%,空报率67.4%,漏报率6.7%。受雷达架设高度及探测距离因素影响,远处(基本100 km之外)的风暴很难识别出低层小尺度涡旋,这种情况下就会出现漏报现象。
对于龙卷的预警还有时间提前量问题。降水天气情况下,雷达常用扫描模式为VCP21模式(体扫时间6 min),龙卷小尺度涡旋出现在低层,基本在低层2个仰角扫描结束后可进行识别,大致2 min完成最低2个仰角扫描,这样可增加近4 min识别时间提前量(相对于体扫结束后再进行识别)。以ΔV>20.0 m·s-1为阈值,14个龙卷有5个在T-1时间不满足阈值,因此,35.7%龙卷没有识别时间提前量。在T-2时间满足阈值的有7个,约50%龙卷识别时间提前量在10 min左右或以上,2个龙卷(约14.3%)识别时间提前量在0~10 min之间。在T-3时间不满足阈值的有10个,满足阈值的仅有4个,约28.6%龙卷识别时间提前量在16 min左右或以上,3个龙卷(约21.4%)识别时间提前量在10~16 min之间。如果进行人工识别预警的话,预警时间提前量会更短,需要增加相应的识别与预警准备时间和通讯传输到用户的时间,按5 min计算的话,7个龙卷(50%)没有预警时间提前量,4个龙卷预警时间提前量≥11 min,3个龙卷时间提前量在0~11 min之间。
4 结论1) 两次台风减弱低压极易诱发龙卷的关键区是东北象限,关键物理量是高湿且湿层厚、强的低层垂直风切变和大的相对风暴螺旋度。15个龙卷均出现在台风减弱低压中心的东北象限,距低压中心的距离范围和方位范围基本在100~360 km和35°~75°之间。两次台风过程中K指数较大,较低的ΔT,低层比湿大(>15 g·kg-1)而且湿层较厚,较大的SRH(>270 m2·s-2),较低的LCL,较强的低层垂直风切变(>10 m·s-1),中等强度的CAPE。
2) 14个龙卷风暴在龙卷风出现的首个体扫时间都具有较大的ΔV,平均值是31.6 m·s-1,中值是31.5 m·s-1,最小21.5 m·s-1,最大46.5 m·s-1。ΔV所在高度多数在2.0 km高度以下,中值为1.0 km,平均值为1.2 km左右,诱发龙卷的小尺度气旋性涡旋主要位于风暴低层。
3) 29个非龙卷风暴在ΔV首次达到20.0 m·s-1以上时,ΔV平均值是23.9 m·s-1,中值是23.8 m·s-1,最大31.5 m·s-1。ΔV所在高度多数在2.0 km高度以下,中值为1.2 km,平均值为1.3 km左右。非龙卷风暴ΔV平均值和中值明显小于龙卷风暴的ΔV平均值和中值,但所在高度基本相当。0~2 km高度具有强垂直风切变,利于在低层产生气旋性小尺度涡旋。
4) 非龙卷风暴ΔV最大值所对应的风暴参数DBZM、C-VIL、TOP平均值和中值均小于龙卷首次出现体扫时间所对应的龙卷风暴的DBZM、C-VIL、TOP平均值和中值,而HT相反,但差别都不明显。单纯的从风暴参数上无法区别龙卷风暴和非龙卷风暴。
5) 两次台风减弱低压外围环流中,弱气旋性涡旋不会诱发龙卷,强气旋性涡旋都诱发龙卷。显著气旋性涡旋对应的37个风暴有8个出现龙卷,诱发龙卷的概率仅有21.6%。
6) 以ΔV>20.0 m·s-1为阈值,43个满足阈值的风暴中龙卷风暴为14个,龙卷命中率为93.3%,龙卷识别准确率为31.8%,空报率67.4%,漏报率6.7%。14个龙卷风暴中有5个龙卷(约占35.7%)没有识别时间提前量,7个(50%)识别时间提前量在10 min左右或以上,4个(约占28.6%)识别时间提前量在16 min左右或以上。如果进行预警的话,时间提前量会更短,50%左右龙卷没有预警时间提前量。
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