2019, Vol. 39
2. 佛山市气象局，广东 佛山 528000;
3. 山东省人民政府人工影响天气办公室，山东 济南 250031;
4. 东营市气象局，山东 东营 257091
2. Foshan Meteorological Bureau, Foshan 528000, China;
3. Weather Modification Office of Shandong Province, Jinan 250031, China;
4. Dongying Meteorological Bureau, Dongying 257091, China
龙卷是小尺度灾害性天气，破坏性极强。根据魏文秀和赵亚民[1]对我国1980—1993年的龙卷分布情况以及范雯杰和俞小鼎[2]对1961—2010年龙卷事件的统计分析，我国长江三角洲、苏北平原和黄淮平原是龙卷多发区域，2005年7月30日安徽灵璧EF2级龙卷[3]、2007年7月3日安徽天长EF2级龙卷[4]、2016年6月23日盐城EF4级龙卷[5-6]等都发生在这个区域。广东省和广西省是我国另一个龙卷多发区域，其中广东省珠三角地区的龙卷发生频数最高，2006年8月4日和2015年10月4日该区域的佛山市发生了2次强龙卷[7-8]。
龙卷大多发生在强对流风暴中，强龙卷大多发生在超级单体风暴中。台风登陆后，由于地面摩擦力增大或冷空气侵入等原因，台风外围的雨带中一些风暴单体会强烈发展，成为小型超级单体风暴，引发龙卷[9]。郑媛媛等[10]研究表明，这类小型超级单体风暴与超级单体类似，风暴内有中气旋发展，但中气旋的发展高度较低，一般在4 km以下，中气旋的水平尺度较小，一般2~4 km，风暴发展高度5~7 km，风暴的质心位于风暴的下部，大约2 km。有的登陆台风会引发几个甚至几十个龙卷的爆发[11]。2004年9月15日飓风“IVAN”在美国登陆后，引发了31个龙卷[12]。
2004年8月25日台风“艾莉”在福建登陆后，在浙江省宁波市引发了龙卷, 造成房屋倒塌，农作物受灾，直接经济损失185.06万元[13]。2006年8月4日台风“派比安”(0606)外围雨带引发5个龙卷，分别袭击了佛山、肇庆、清远等地，造成10人死亡，逾百人受伤，直接经济损失达数亿元[14]。2015年10月4日下午，台风“彩虹”(1522)外围螺旋雨带中出现了3个龙卷，分别袭击了佛山、广州番禺以及汕尾海丰等地，导致7人死亡，214人受伤，直接经济损失超过3亿元[15-17]。
龙卷是破坏性极强的灾害，由于龙卷中心附近的风力非常大，常规方法很难观测到龙卷的风速。2007年美国开始使用“增强藤田级别”(enhanced Fujita scale, EF scale)对龙卷强度进行定级[18]，分为EF0—EF5共6个等级[19]：EF0级风速为29~37 m·s-1，EF1级风速为38~49 m·s-1，EF2级风速为50~60 m·s-1，EF3级风速为61~73 m·s-1，EF4级风速为74~90 m·s-1，EF5级风速超过了90 m·s-1。在龙卷灾情调查和龙卷级别的评估中，为了尽可能详细了解龙卷对建筑物损毁和树木折断、庄稼损坏的程度和倒伏的方向，对龙卷进行现场调查时常采用无人机、GPS定位仪、激光测距仪等先进的设备。近年来无人机技术快速发展，无人机航拍可以拍摄到龙卷在地面造成灾害的高分辨率图像，可完整追踪龙卷移动轨迹，已成为调查龙卷灾情的重要方法[5, 20]。
山东是龙卷发生相对较少的省份，据统计[21]，1950—2000年山东出现的351次龙卷中，F0级61次、F1级256次、F2级34次。山东半岛、鲁中、鲁南出现次数较多，鲁西北较少。龙卷发生存在明显的季节特征，夏季发生较多。龙卷主要发生于午后至傍晚，多数龙卷仅能维持几分钟到十几分钟。对发生在山东省境内的龙卷，之前有过一些研究[22-23]。2018年8月13—14日，受1814号台风“摩羯”影响，山东省境内多处出现龙卷，造成重大经济损失，属历史罕见。龙卷发生后，当地气象部门第一时间赶到现场进行勘察，对目击者采访调查，并协同广东龙卷风研究中心对龙卷灾害现场进行了无人机航拍，获得了龙卷灾害现场的第一手调查资料。本文将其中6处调查情况进行整理，并且结合新一代天气雷达的监测产品进行初步分析，以期为深入研究台风外围龙卷的形成机理、灾害特征，做好龙卷的监测预警积累资料和经验。
1 “摩羯”在山东引发的龙卷概况2018年8月12日23：35(北京时，下同)前后，“摩羯”以强热带风暴级别在浙江温岭沿海登陆之后，沿副热带高压边缘向西北方向移动，强度逐渐减弱，13日23时在安徽北部减弱为热带低压，转向偏北方向移动，14日05时进入山东省境内，之后停止编号，但残余低压环流继续维持[24]。受此低压环流影响，8月13日23：18 —14日14：20不到16 h内，山东省枣庄、潍坊、东营和滨州等地先后发生多个龙卷。根据灾情报告、实地调查、无人机航拍和新一代天气雷达反射率因子、平均径向速度、中气旋(M)、龙卷涡旋特征(TVS)等产品的综合分析，确定了6次龙卷发生的时间、地点、尺度、级别等基本概况(表 1、图 1)。为了叙述方便，按时间顺序将6次龙卷依次命名为1号—6号龙卷。表 1中龙卷影响的最大宽度和最大长度是根据无人机航拍地面灾情估算的；因为调查时天气下雨，未能对4号龙卷进行无人机航拍，因此未估算其影响宽度和长度。13日23：18，枣庄市张山子镇官庄村出现1号龙卷，14日00：30，枣庄市涧头集镇谷庄村出现2号龙卷，1号和2号龙卷发生在同一条雨带中的2个风暴单体中；14日09：50，潍坊昌邑市柳疃镇辛安庄出现3号龙卷；14日10：16，胜利油田孤东集输大队3号联合站出现4号龙卷，3号、4号龙卷也发生在同一条雨带中的2个风暴单体中；14日12：15，滨州市惠民县姜楼镇出现5号龙卷；14日13：15，东营市盐窝镇滩东村出现6号龙卷。表 1中正负速度差DV为多普勒雷达最低仰角(0.5°)探测到的龙卷涡旋正速度和负速度的差。
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表 1 “摩羯”在山东省境内引发的龙卷概况 Table 1 Information of tornados in Shandong Province induced by YAGI (2018) |
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图 1 “摩羯”在山东省境内引发的龙卷(数字为表 1中的龙卷序号) Fig.1 Tornados (numbered in Table 1) in Shandong Province induced by YAGI (2018) |
据齐鲁网8月15日报道，8月14日凌晨前后，受“摩羯”影响，枣庄市台儿庄区出现强雷电、强降雨、大风等强对流天气。枣庄市台儿庄区涧头集镇、张山子镇受灾严重，其中涧头集镇谷庄村、张山子镇官庄村遭遇龙卷袭击，造成900户左右房屋受损，受灾人口4.6万人，农作物受灾3 503 hm2，直接经济损失达670万元。
2.2 灾情调查 2.2.1 无人机航拍1号龙卷灾情图 2是无人机航拍张山子镇官庄村龙卷灾害情况，图中红线画出了地面灾害的区域，位于官庄村的南部。龙卷灾害长度约4 500 m，最宽处约200 m。龙卷漏斗云自后淤村东南开始接地，向西北方向移动，沿途在庄稼地留下了清晰的轨迹(图 2a、b、c)，到达可乐庄时将一些房顶的瓦片吹飞(图 2d)，之后在官庄村的西侧消失。根据地面灾情，估测龙卷级别为EF1级。
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图 2 无人机航拍张山子镇官庄村龙卷破坏轨迹(a、b、c.龙卷轨迹，d.可乐庄灾情；红色曲线区为龙卷影响区域，红色箭头线为龙卷方向和路径) Fig.2 Damage track of tornado by drone aerial photography in Guanzhuang Village, Zhangshanzi Town (a, b, c. tornado track, d. disaster in Kele Village; red curve for affected area of tornado, red arrow line for direction and track of tornado) |
枣庄市气象局组织人员对涧头集镇谷庄村2号龙卷大风灾害情况进行了现场调查，龙卷破坏轨迹和现场灾害照片见图 3。图 3a照片显示谷庄村最南端一家彩钢瓦屋顶全部刮飞，院墙被刮倒；在龙卷轨迹中段位置(图 3b)，房屋倒塌，树木、电线杆被折断；图 3c箭头所指位置，房屋被刮倒。大风破坏轨迹自谷庄村东南方向开始，向西北方向穿过谷庄村，龙卷破坏宽度70~80 m，可辨别的破坏长度300~400 m。2号龙卷判断为EF0级。
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图 3 实地勘察涧头集镇谷庄村龙卷破坏轨迹(a、b、c分别为龙卷前段、中段、后段灾情；红色箭头线为龙卷方向和路径) Fig.3 Field investigation of damage track of tornado in Guzhuang Village, Jiantouji Town (a, b, and c for anterior, medial, and posterior disaster of tornado, respectively; red arrow line for direction and track of tornado) |
8月13日23：00，热带低压中心位于安徽省北部涡阳附近。图 4a给出了8月13日23：18徐州新一代天气雷达0.5°仰角反射率因子产品，可见在热带低压中心的右前方是一条强回波带，最强反射率因子达到50 dBZ以上，回波带的形态类似弓状，发生龙卷的枣庄张山子镇官庄村处于该弓状回波的顶部，距离热带低压中心约160 km。图 4b是23：18徐州新一代天气雷达0.5°仰角平均径向速度产品(V25)，可见在官庄村位置有一个非常明显的正负速度对，正负速度差达到28.5 m·s-1，23：24增大到36.5 m·s-1(图略)。
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图 4 2018年8月13日23：18徐州新一代天气雷达产品(a. 0.5°仰角反射率因子R19，b. 0.5°仰角平均径向速度V25，c. 0.5°仰角V25，d. 1.5°仰角V25，e. 2.4°仰角V25；b图比a图放大了8倍，黄色圆圈为叠加上的中气旋，白色箭头线指示中气旋在a图中对应的位置，红色箭头线为台风到中气旋的连线) Fig.4 Reflectivity factor at 0.5° elevation (a, R19) and mean radial velocity at 0.5°/0.5°/1.5°/2.4° elevation (b/c/d/e, V25) at 23:18 on 13 August 2018 from Xuzhou CINRAD/SA radar (Fig. 4b is magnified 8 times of Fig. 4a, yellow circle for overlaid mesocyclone, white arrow line for position of mesocyclone in Fig. 4a, red arrow line for connection between typhoon and mesocyclone) |
图 4c、d、e分别是0.5°、1.5°和2.4°仰角V25产品，图上叠加了雷达系统算出的中气旋产品(黄色圆圈)。中气旋的最大切变为24×10-3 s-1，位于1 km高度。0.5°、1.5°和2.4°仰角上中气旋位置对应的高度分别是0.6 km、1.2 km和1.8 km。图中可以清楚地看到，0.5°仰角上正速度中心较负速度中心到雷达的距离近，说明是辐合性中气旋；2.4°仰角上正速度中心较负速度中心到雷达的距离远，说明是辐散性中气旋；1.5°仰角上正、负速度中心到雷达站的距离相近，说明1.5°高度近似为无辐散层。
2.3.2 2号龙卷图 5a是8月14日00：30反射率因子产品(R19)，图上叠加了雷达系统算出的中气旋产品。图 5b是平均径向速度产品(V25)，谷庄的位置有一个非常清晰的正负速度对。台风外围雨带中小型超级单体发展高度低，中气旋的发展高度也比较低，因此用缺省的适配参数常常算不出中气旋，适当修改一些参数，中气旋算法就会将这些中气旋搜索出来(详见第6节分析)。图 5a的中气旋(黑色粗圆圈)是在修改适配参数后算出的结果，可看到在图中降雨带上有5个中气旋，其中1个中气旋(白色箭头标注)对应于谷庄的速度对。此外，图 5a中叠加的黑色细圆圈为识别的三维切变，未达到中气旋的识别标准。
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图 5 2018年8月14日00：30徐州新一代天气雷达0.5°仰角产品(a.反射率因子R19，b.平均径向速度V25；b图比a图放大了8倍，黑色粗/细圆圈为叠加上的中气旋，白色箭头线指示中气旋在a图中对应的位置) Fig.5 Reflectivity factor (a, R19) and mean radial velocity (b, V25) at 0.5° elevation at 00:30 on 14 August 2018 from Xuzhou CINRAD/SA radar (Fig. 5b is magnified 8 times of Fig. 5a, thick/thin black circle for overlaid mesocyclone, white arrow line for position of mesocyclone in Fig. 5a) |
据大众网潍坊8月14日报道，14日，潍坊昌邑市北部沿海遭遇龙卷袭击，多处养鱼棚被掀翻。龙卷掠过之处，多家农户房瓦掀落，屋顶太阳能设施及门窗受损[25]。
3.2 现场灾情实况调查 3.2.1 3号龙卷手机摄像视频一位气象摄影爱好者施先生用手机录像记录了14日发生在潍坊昌邑市北部沿海龙卷过程的片段，时间是14日09：54前后，录像时长68 s。图 6是该视频的截图，摄像者开车自北向南行驶，拍摄位置用蓝色线段标注在图 7中(照片见图 7b)。起始拍摄时(图 6a)，龙卷的漏斗云出现在摄像者较远处的正前方，开始接近地面，之后龙卷向北移动过程中逐渐偏向摄像者的左侧。由图 6a-d可以看到漏斗云越来越清晰，由地面卷起的杂物也越来越多，随着逐渐接近龙卷，手机摄像镜头视野变小，只能看到龙卷的下部，但龙卷的细节特征更明显。图 6e是龙卷将养鱼棚吹毁的场景，根据龙卷卷起的塑料膜在空中(高度大约200 m)的飞行距离和飞行时间，估计水平旋转风速可达40~50 m·s-1。
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图 6 8月14日09：54前后拍摄的龙卷漏斗云视频截图(a. 09:53:54，b. 09:54:03，c. 09:54:27，d. 09:54:38，e. 09:54:51) Fig.6 Video screenshot of tornado funnel cloud at around 09:54 on 14 August 2018 (a. 09:53:54, b. 09:54:03, c. 09:54:27, d. 09:54:38, e. 09:54:51) |
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图 7 无人机航拍昌邑市柳疃镇龙卷灾情(a.辛安庄村折断的树木，b.龙卷漏斗云的视频截图，c.渔尔堡村毁坏的鱼棚，d.辛安庄村毁坏的铝合金门，e.辛安庄村毁坏的窗户，f.辛安庄村毁坏的屋顶，g.辛安庄村龙卷接地痕迹；红线区为龙卷影响区域, 蓝色线段为拍摄视频的位置) Fig.7 Tornado disaster by drone aerial photography in Liutuan Town, Changyi City (a. broken trees in Xin'anzhuang Village, b. video screenshot of tornado funnel cloud, c. damaged fish shed in Yuerpu Village, d. damaged aluminum alloy door in Xin'anzhuang Village, e. destroyed window in Xin'anzhuang Village, f. ruined roof in Xin'anzhuang Village, g. grounding mark of tornado in Xin'anzhuang Village; red line describes affected area of tornado, blue line segment for location of shooting the video) |
龙卷发生后，17日上午，佛山市龙卷风研究中心和山东省气象局组织人员到龙卷灾害现场进行了无人机拍摄调查。根据目击者描述的情况，无人机追踪航拍了这次龙卷发生的完整路径，图 7中红线勾画出了龙卷扫过的区域。龙卷从昌邑市西辛安庄村的南边开始接地，向北移动经过渔尔堡村，在该村北边约2 km处消失。龙卷及地的时间是14日09：50—09：58，持续时间8 min，根据航拍的建筑物和植被倒伏状况，判断龙卷接地的路径分为南北两段，两段长度均约为1.6 km，中间有一段不连续，推测为漏斗云悬空造成。约09：50，龙卷在辛安庄村南边的庄稼地开始接地(图 7g)，地面倒伏的玉米秸留下了小涡旋清晰的旋转痕迹。之后龙卷向北移动，经过辛安庄村时造成树木折断(图 7a)、铝合金门(图 7d)和木制窗户的毁坏(图 7e)，屋顶瓦片被吹飞(图 7f，因为拍照时间是龙卷发生后第3天，房顶盖上了塑料膜)；龙卷漏斗云(图 7b)第2次接地时造成渔尔堡村多处鱼棚被毁坏(图 7c)，估判龙卷级别为EF0，属于弱龙卷。
3.3 多普勒雷达产品分析8月14日09：46，热带低压涡旋中心移动到山东省菏泽市附近，龙卷发生地距离低涡中心400 km左右。图 8是09：46潍坊新一代天气雷达0.5°仰角产品，由反射率因子产品(图 8a)可以看到，经过潍坊昌邑市有一条不明显的回波带，回波带上有2个较强的风暴单体，其中北边的单体P0造成了这次龙卷的发生。对应的平均径向速度产品(图 8b)有一个正负速度对，09：46正负速度差约为26.6 m·s-1。
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图 8 2018年8月14日09：46潍坊新一代天气雷达0.5°仰角产品(a.反射率因子R19，b.平均径向速度V26；黑色圆圈为叠加上的中气旋，白色箭头线指示中气旋在a图中对应的位置) Fig.8 Reflectivity factor (a, R19) and mean radial velocity (b, V26) at 0.5° elevation at 09:46 on 14 August 2018 from Weifang CINRAD/SA radar(black circle for overlaid mesocyclone, white arrow line for position of mesocyclone in Fig. 8a) |
据媒体报道和目击者反映，8月14日10：16前后，胜利油田孤东集输大队3号联合站遭龙卷(4号龙卷)袭击；13：40利津县盐窝镇台前村、滩东村遭龙卷(6号龙卷)袭击。
4.1.1 4号龙卷灾情调查8月14日13：15，垦利区气象局接到胜利油田孤东集输大队3号联合站电话报告，10：00该站受龙卷影响造成财产损失，随即派出工作人员赶赴现场开展灾情调查。图 9是对该龙卷实地勘察拍摄的照片，该站有4辆小型车辆被吹离原地5 m左右并翻滚(图 9a、d)，厂区内有5 m院墙被吹塌(图 9c)，部分厂房玻璃被吹碎，通信线杆被吹倒。图 9b是目击者拍摄的龙卷漏斗云的视频截图。
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图 9 胜利油田孤东集输大队3号联合站龙卷实地勘察照片(a.被吹离原地的小型车辆，b.龙卷漏斗云的视频截图，c.厂区吹塌的墙，d.被毁坏的轿车) Fig.9 Photo of field investigation of tornado at No.3 Joint Station of Gudong Gathering and Transportation Brigade in Shengli Oil Field (a. automobile that was blown away, b. video screenshot of tornado funnel cloud, c. collapsed wall in factories, d. disabled car) |
据齐鲁网东营要闻8月15日报道，14日13：40龙卷袭击了利津县盐窝镇台前村、滩东村。台前村村民王义军说：“一开始就是下大雨，风是突然刮起来了，我当时在房子里，忽然一阵风就把门吹开了，霎时间就昏天暗地什么都看不见了，前后也就1分钟，风停了之后出门一看，最西边的一间房房顶的瓦片不翼而飞。”滩东村刘建民家彩钢房顶残片最远向北飞出了近百米远。龙卷还“撂倒”了沿310省道布设的5根电线杆，被齐根刮断的电线杆砸坏了4辆车和1台农用拖拉机。
4.2 无人机航拍6号龙卷分析图 10是利津县盐窝镇台前村、滩东村灾情无人机航拍分析图。当日13：15左右，6号龙卷在310省道南边滩东村的玉米地接地，之后向东北方向移动，吹飞了路南刘建民家彩钢房顶，刮倒了路北5根电线杆，毁坏了铝合金门窗；之后进入一片庄稼地，造成树木折断，玉米倒伏。龙卷持续5 min左右，影响路径长度约1 100 m，宽度约800 m。根据地面房屋损坏和植被倒伏状况分析，估计龙卷级别为EF1/EF2。
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图 10 东营市利津县台前村和滩东村龙卷风路径图 Fig.10 Tornado track in Taiqian Village and Tandong Village, Lijin County, Dongying City |
图 11是8月14日10：16滨州新一代天气雷达0.5°仰角产品，对反射率因子产品跟踪分析可以看到，产生龙卷的风暴单体与经过潍坊昌邑市龙卷的风暴单体在同一条回波带上，该风暴单体位于昌邑市龙卷风暴单体的前方。因为风暴距离雷达很远，钩状回波的特征不很明显，但反射率因子图上低层有很明显的入流缺口(图 11a)；对应的平均径向速度产品有明显的正负速度对(图 11b)，正负速度差约为20.5 m·s-1。
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图 11 8月14日10：16滨州新一代天气雷达0.5°仰角产品(a.反射率因子R19，b.平均径向速度V26；黄色圆圈为叠加上的中气旋，白色箭头线指示中气旋在a图中对应的位置) Fig.11 Reflectivity factor (a, R19) and mean radial velocity (b, V26) at 0.5° elevation at 10:16 on 14 August 2018 from Binzhou CINRAD/SA radar (yellow circle for overlaid mesocyclone, white arrow line for position of mesocyclone in Fig. 11a) |
图 12是13：33滨州新一代天气雷达0.5°仰角反射率因子产品(图 12a)和平均径向速度产品(图 12b)，由反射率因子产品可以看到，产生龙卷的风暴单体位于经过东营的一条回波带的北端，这条回波带13：00开始逐渐发展形成。13：09风暴单体具有弱的入流缺口，此后对流单体逐渐增强，13：33反射率因子的放大图上已经具有明显的钩状回波特征(图略)。图 12b上黄色圆圈是雷达系统计算出的M产品，黄色圆圈的南边缘的红色倒三角是雷达系统算出的TVS产品。TVS西北侧是负速度，东南侧是正速度，正负速度差达到47.5 m·s-1。
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图 12 8月14日13：33滨州新一代天气雷达0.5°仰角产品(a.反射率因子R19，b.平均径向速度V26；黄色圆圈为叠加上的中气旋，红色倒三角是雷达系统算出的TVS产品, 白色箭头线指示中气旋在a图中对应的位置) Fig.12 Reflectivity factor (a, R19) and mean radial velocity (b, V26) at 0.5° elevation at 13:33 on 14 August 2018 from Binzhou CINRAD/SA radar (yellow circle for overlaid mesocyclone, red inverted triangle for calculated TVS product by radar system, white arrow line for position of mesocyclone in Fig. 12a) |
8月14日12：00，受“摩羯”影响，惠民县姜楼镇出现大风和暴雨，姜楼镇部分供电线路中断，个别企业和民房房顶出现局部损毁，公路沿线树木及农作物出现不同程度倒伏。
根据实地考察和无人机航拍(图 13)分析，5号龙卷发生时间约在14日12：10，龙卷自东南向西北方向移动，受现场天气影响未航拍到完整的龙卷移动路径及影响范围。受灾最重的有驰骋网业、华海化纤两家公司，影响时长约2 min，波及范围长度约1 000 m，最大影响宽度200 m。驰骋网业公司的住宅、厂房瓦片大范围掀起，房屋门和窗户有明显破损；华海化纤公司4 t重厂房钢梁被卷起抛到隔壁10 m外的厂房，并将其砸坍陷，初步估计龙卷级别是EF1/EF2级。
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图 13 滨州市惠民县姜楼镇龙卷风路径图 Fig.13 Tornado track in Jianglou Town, Huimin County, Binzhou City |
图 14是8月14日12：15滨州新一代天气雷达0.5°仰角产品，图 14a中的黑色倒三角是雷达系统给出的龙卷涡旋特征产品，产生龙卷的风暴单体位于一条南北方向不连续的回波带的北端，这条回波带11：00开始逐渐发展形成；对应的平均径向速度产品有一个正负速度对(图 14b)。
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图 14 8月14日12：15滨州新一代天气雷达0.5°仰角产品(a.反射率因子R19，b.平均径向速度V25；a图中的黑色倒三角是雷达系统给出的龙卷涡旋特征产品) Fig.14 Reflectivity factor (a, R19) and mean radial velocity (b, V25) at 0.5° elevation at 12:15 on 14 August 2018 from Binzhou CINRAD/SA radar (black inverted triangle in Fig. 14a for calculated TVS product by radar system) |
图 15是14日12：15滨州新一代天气雷达分析产品。由反射率因子剖面产品RCS(图 15a)可见，反射率因子强核位于风暴单体的下部，大于45 dBZ的强中心高度只有5.5 km。风暴单体大于18 dBZ的回波顶高只有12 km(图略)。由平均径向速度剖面产品VCS(图 15b)可见，此处有一条向北倾斜的负速度窄带，宽度只有1 km，显示出龙卷涡旋的位置；龙卷的南侧径向速度朝向雷达，是负速度。这个涡旋的轴线是向北偏西倾斜的，实际上向北倾斜的程度没有这么大，这主要是因为风暴单体向北移动速度很快，雷达自下向上扫描时，风暴在不断向北移动，扫描高一层仰角时风暴已经向前移动了一段距离，导致剖面产品呈现向风暴单体移动方向倾斜的效应，新一代天气雷达的剖面产品算法没有对这种扫描延时产生的效应进行订正；若订正这种影响后，此时龙卷涡旋轴的倾斜度并不大。对应的速度谱宽图(图 15c)上同一位置，因为龙卷尺度非常小，龙卷的正向和负向的径向速度会出现在同一个雷达照射体内，造成速度谱宽达到10 m·s-1以上。图 15d是0.5°仰角反射率因子产品放大图，图 15e是0.5°仰角平均径向速度剖面产品放大图，图中白线显示了剖面位置。由图 15d可以看到，大于40 dBZ的区域已经形成钩状，在钩状回波位置的红色倒三角是雷达系统算出的龙卷涡旋特征产品(TVS)。雷达系统的风暴追踪产品(STI)给出风暴单体此时的移动速度为13 m·s-1，雷达在使用VCP21模式扫描时，0.5°仰角和1.5°仰角都要扫描2次，用时约80 s，2.4°仰角扫描时风暴已经向前移动了大约1 km距离。以上这些特征与郑媛媛等[10]的研究结果类似。
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图 15 8月14日12：15滨州新一代天气雷达(a.反射率因子剖面产品RCS，b.平均径向速度剖面产品VCS，c.速度谱宽剖面产品WCS，d. 0.5°仰角反射率因子产品，e.0.5°仰角平均径向速度剖面产品) Fig.15 Reflectivity cross section (a, RCS), mean radial velocity cross section (b, VCS), spectral width cross section (c, WCS), reflectivity factor at 0.5° elevation (d), and cross section of mean radial velocity at 0.5° elevation (e) at 12:15 on 14 August 2018 from Binzhou CINRAD/SA radar |
图 16是12：15滨州新一代天气雷达平均径向速度产品，没有进行退模糊，图中距离库A方位255°，距离雷达45.3 km，是姜楼龙卷发生的位置。滨州雷达最大不模糊速度是-26.5 m·s-1, 分析可知，距离库A包围在最大正速度中，读数为-26 m·s-1，出现了速度模糊，订正后应为正速度27 m·s-1；在它南侧的距离库B读数为-13 m·s-1, 正负速度差DV=40 m·s-1。
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图 16 8月14日12：15滨州新一代天气雷达平均径向速度产品 Fig.16 Mean radial velocity at 12:15 on 14 August 2018 from Binzhou CINRAD/SA radar |
雷达的最低探测仰角是0.5°，雷达天线半功率点波瓣宽度为1°，因此不能精确探测近地面龙卷的风速，而只能探测到龙卷风暴中中气旋的风速[26]，也就是说只能探测到龙卷风速的近似估计值[27]。近年来发展的车载高分辨率雷达，具有较高的分辨率和较低的探测高度，对平均径向速度有较高的探测精度，能探测到更接近地面的风速。TOTH et al.[28]对发生在距离WSR-88D雷达100 km半径内径向速度的探测值与车载高分辨率雷达的近地面径向速度的探测值作了比较分析，得到2种雷达探测的平均径向速度差(DV)的近似经验公式MDOW = 1.4×MWSR-88D + 0.4，其中MDOW为车载雷达测得的速度差值，MWSR-88D为WSR-88D测得的速度差值。姜楼龙卷发生时，依上述经验公式估测近地面风速差约为56.4 m·s-1，依据风暴移动速度为13 m·s-1，估测风速能达到41.2 m·s-1，达到EF1级标准。车载精细雷达的探测高度一般为200~300 m，结合华海化纤4 t重厂房钢梁被卷起抛到10 m之外，判断这里龙卷级别达到EF2级。
6 M与TVS产品算法适配参数优化试验新一代雷达系统在计算导出产品时，为了适应不同地域、不同季节、不同天气系统，在产品算法中设置了可修改的适配参数，其中M产品算法适配参数有15个[26]，TVS产品算法适配参数有30个[26]。适当降低M算法中角动量和切变量的阈值，可以提前算出M产品，经多次试验，M算法中角动量的阈值由缺省值540 km2·h-1，减小到270 km2·h-1，切变量的阈值由缺省值14.4 h-1减小到9.4 h-1；在TVS产品算法的30个适配参数中，适当降低其中最小正负速度差的阈值MDV(缺省值36 m·s-1，改为26 m·s-1)、最低层正负速度差的阈值LLDV(缺省值25 m·s-1，改为15 m·s-1)和涡旋厚度阈值(缺省值1.5 km，改为0.5 km)，可以提前算出强度不很强的TVS产品。以1号龙卷为例，用雷达系统适配参数的缺省值计算，没有算出中气旋，在龙卷发生前24 min(22：54)，系统算出1次TVS产品；通过修改适配参数值进行计算，在龙卷发生前18 min(23：00)开始，系统共算出3次中气旋产品，提前24 min(22：54)开始算出4次TVS产品(图 17)。
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图 17 1号龙卷TVS时间和位置(红色倒三角)示意图(黄色圆圈为叠加上的中气旋产品) Fig.17 Schematic diagram of TVS time and location (red inverted triangle) of No.1 tornado (yellow circle for overlaid mesocyclone) |
表 2给出了用雷达系统适配参数缺省值和优化参数算出的6次龙卷的M和TVS产品个数和较龙卷发生时的提前时间。对比可见，通过优化M产品算法的适配参数，6次龙卷均提前算出M产品，其中6号龙卷算出的M个数最多、提前时间最长；而用缺省值仅2号龙卷算出了M产品。对于TVS产品，通过优化其算法的适配参数，除3号、4号龙卷仍未算出TVS外，其他4个龙卷均提前算出TVS产品，1号龙卷虽提前时间仍是24 min，但算出数量增加3个，2号、6号龙卷均提前18 min算出2~3个TVS产品，5号龙卷采用优化参数也优于缺省值计算结果。综上分析可见，通过优化适配参数，可以明显提高M和TVS的算出个数和提前时间，其中M平均提前36 min，TVS平均提前18 min将较弱的中气旋和TVS识别出来，这可为龙卷灾害的临近预警提供雷达监测依据。此文仅对本次台风过程发生的6次龙卷进行了参数修改试验，未改变M和TVS产品算法的计算公式，此次优化参数是否具有普适性，还需要收集更多的龙卷个例进行试验验证。
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表 2 缺省适配参数与优化适配参数算出的M和TVS产品对比试验结果 Table 2 Comparison between M and TVS products by default value of adaptation parameter and optimized adaptation parameter |
1)“摩羯”登陆后在山东省境内引发了多处龙卷，调查分析其中6个龙卷均发生在台风外围雨带中的小型超级单体内，这些小型超级单体位于台风外围雨带的北端或北端附近，台风涡旋中心的右前方，在滨州引发的龙卷距离热带低压中心最近，大约150 km，在潍坊引发的龙卷距离热带低压中心的距离最远，大约400 km。
2) 产生龙卷的小型超级单体尺度小，发展高度低，雷达的强反射率因子位于风暴单体的底部，龙卷随着风暴单体大多自南向北移动。低层反射率因子的南端有入流缺口，呈钩状回波特征；低层径向速度产品有较强的正负速度对。这些特征与郑媛媛等[10]研究的台风外围的龙卷类似，但这次登陆台风在山东省引发的龙卷强度相对较弱，多数为EF0/EF1级，只有2处短时间达到EF2级。
3) 无人机航拍获得的龙卷导致建筑物损毁，玉米、树木等植被倒伏等清晰图像，有助于判断龙卷经过时的地面流场状况，完整追踪龙卷移动的轨迹，为龙卷的研究提供可靠的现场资料。
4) 用雷达系统原适配参数缺省值计算，在6处龙卷中，有1次龙卷发生前算出了中气旋产品，2次算出TVS产品；用修改适配参数值重新进行计算，在6次龙卷发生前均算出了中气旋产品，4次龙卷算出TVS产品。可见针对本次台风涡旋外围的龙卷，使用修改后的适配参数进行计算，可以提前给出中气旋和TVS产品，这有助于这类龙卷的临近监测预警。当然，针对这些参数值的修改需要更多样本的统计分析，这里只是初步尝试。
5) 山东省在台风影响天气背景下，出现如此多的龙卷，历史上非常罕见。近几年，我国龙卷发生次数也比以往明显增多，龙卷的强度也很强，探索龙卷监测预警的方法迫在眉睫，尤其要加强利用多普勒雷达和双偏振多普勒雷达监测预警龙卷方法的研究。
致谢: 感谢枣庄市气象局、潍坊市气象局、东营市气象局、滨州市气象局等单位对现场调查的大力支持，感谢参加灾情调查的全体人员。
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