2022, Vol. 42
2. 滨州市气象局, 山东 滨州 256600;
3. 山东省气象台, 山东 济南 250031
2. Binzhou Meteorological Bureau, Binzhou 256600, China;
3. Shandong Meteorological Observatory, Jinan 250031, China
强对流风暴产生的龙卷是地球大气中最猛烈、最具有破坏性的天气现象[1]。美国是世界上龙卷发生率最高的国家，我国年均发生龙卷数目约为美国的十分之一，发生概率极低[2]。龙卷的水平尺度小、生命期短、突发性强，常伴有雷暴、冰雹、短时强降水等强对流天气，可造成重大财产损失和人员伤亡。龙卷不但难以预报，也难以通过现有的观测手段观测到其真实的风向风速、气压、气温等气象要素值。目前被广泛应用的龙卷等级划分标准为“增强藤田级别”(enhanced Fujita Scale，EF-Scale)，是美国国家气象局于2007年对原“藤田级别”(Fujita Scale，F-Scale)进行调整后的标准，将龙卷划分为EF0、EF1、EF2、EF3、EF4、EF5六个等级，并将EF2级以上龙卷称为强龙卷[3-4]。
龙卷既可能产生于超级单体风暴中，也可能产生于非超级单体风暴中，大部分EF2或以上级别龙卷都属于超级单体龙卷(占比高达80%)[5]。长期以来，许多学者在气候统计特征、典型个例分析、现场灾情调查、监测预警等领域作了大量研究。梅雨、冷涡和热带气旋(tropical cyclone，TC)是我国龙卷发生的主要天气背景[1]，其中TC龙卷是发生在登陆TC螺旋雨带中的龙卷，是龙卷的重要子集。其主要的对流风暴类型仍然是超级单体风暴，特别是对于至少EF2级的龙卷[6-7]，但该类超级单体风暴的中气旋水平尺度(2~4 km)较小，是伸展高度(5~7 km)较低的低质心单体(2 km左右)[8]。TC登陆后，由于大气边界层阻力增大或中高层干空气侵入等原因，造成大气动力和热力结构发生改变，致使风暴单体发展成为小型超级单体风暴，继而在其中气旋里引发龙卷[8-9]。
美国约59%的登陆TC至少生成1个龙卷[10]，少数会引发数个甚至上百个龙卷，而我国约27%的登陆TC至少生成1个龙卷[11]。虽然它们的强度往往比西风带系统中的龙卷弱，但仍能造成严重的灾害。2004年9月15—17日美国登陆TC“伊万”的外围螺旋雨带上生成了118个龙卷，且主要发生在TC中心的东北象限，强度较非TC龙卷弱[6, 9, 12]。2018年6月8日减弱的热带风暴“艾云尼”在广东引发2个龙卷，强度分别为EF3级和EF1级，造成1人死亡、8人受伤[13]。2015年10月4日TC“彩虹”减弱阶段的螺旋雨带引发了3个龙卷，强度最大达EF3级，造成7人死亡、214人受伤[14-16]。
在我国，江苏和广东是TC龙卷的高发区，同时也是西风带龙卷的高发区[2]。我国TC龙卷通常发生在TC环流中心右前方东北象限的一个扇形区域中，集中出现在距离TC中心500 km范围内[11]，其低层强烈的垂直风切变(vertical wind shear, VWS)和小于1 000 J ·kg-1的对流有效位能为龙卷的形成和发展创造了有利条件[5]。郑媛媛等[8]、白兰强等[11]、沈树勤[17]通过对TC龙卷过程的统计分析得出，大部分龙卷发生在登陆TC迅速减弱阶段，其环境场对对流不稳定能量的要求较低，但对低空顺时针风的垂直切变和相对风暴螺旋度(storm relative helicity，SRH)要求则较高。黄先香等[18]对TC“海鸥”外围形成龙卷的环境场和雷达回波特征进行分析，指出有利于这类龙卷产生的环境条件应具备：高层辐散和低层辐合、低空急流、强低层垂直风切变、低抬升凝结高度，以及地面中尺度辐合线和弱冷空气入侵等特征。黄先香等[19]对两个相似TC环境场中发生在同一个地方的2个龙卷进行对比分析，发现2个龙卷均具有钩状回波、入流缺口、中气旋和龙头涡旋特征(tornado vortex signature, TVS)高度较低等特征。
根据薛德强和杨成芳[20]对山东省1950—2000年龙卷事件的统计结果来看，山东龙卷多发于山东半岛、鲁中、鲁南地区，鲁西北地区较少发生龙卷，由TC引发的且强度达EF2级的龙卷更属罕见。针对“摩羯”螺旋雨带中生成的TC龙卷，刁秀广等[21]对龙卷产生的关键区、关键因子和龙卷的识别与可预警性进行分析。朱君鉴等[22]整理了6处龙卷调查情况，结合雷达回波分析了每个龙卷风暴的结构特征，发现通过优化中气旋算法和TVS算法适配参数，可以一定程度上提升系统对中气旋和TVS特征的预警时间提前量。朱义青和王庆华[23]认为“摩羯”螺旋雨带中产生龙卷的风暴为非超级单体风暴，小尺度涡旋顶高跃升可作为龙卷迅速增强的指标。
本文针对2018年台风“摩羯”减弱后的低压环流在鲁北地区引发的EF2级龙卷，利用常规观测、ERA5再分析和新一代天气雷达资料，分析引发龙卷的环境场和小型超级单体结构特征，以期提高对登陆TC迅速减弱阶段环境背景中极易诱发龙卷的认识，从而改善本区域对台风防灾减灾的措施。
1 龙卷灾情实况2018年8月14日05:00(北京时，下同)前后，逐渐减弱的TC“摩羯”进入山东单县一带后停止编号，其残余的低压环流继续维持北上，在鲁北平原地区激发了7个龙卷，其中发生在惠民县姜楼镇的龙卷(以下简称“姜楼龙卷”)，其强度等级及引起的灾害均最大。龙卷发生地位于山东北部、华北平原东南部、黄河三角洲腹地，该地区地势平坦，南北两侧略高、中部略低，范雯杰和俞小鼎[2]、纪文君和张羽[24]研究指出，该种地形易触发强对流天气，促进龙卷的生成。根据灾情调查情况分析，姜楼龙卷发生于14日12:10—12:21，生命期约为11 min，移动路径长约为4 500 m，最大宽度约为200 m，其相对于TC中心的方位角约为30°，距离约为75 km，距海岸线110~150 km，移动轨迹为自东南向西北。位于其移动路径附近的“驰骋网业”和“华海化纤”是受灾最严重的两家企业，厂房和民用房屋屋顶瓦片被强风掀起，抛出数十米远，屋顶受损或毁坏严重，个别房屋的玻璃窗有被拍碎的情况。华海化纤公司厂房的4 t重屋顶钢构件被抛至厂房西侧约10 m远的另一间厂房上，造成该厂房塌毁。同时造成树木折断、农作物倒伏严重。根据以上现场情况，并结合使用“增强藤田级别”(EF-scale)，评估该龙卷级别为EF2级。
2 大尺度环流背景 2.1 天气形势配置“摩羯”于8月12日23:35前后在浙江温岭沿海登陆，登陆时为强热带风暴级别。此时，西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)西脊点位于122°E附近。TC登陆后副高持续加强西伸，副高西脊点逐渐西伸至120°E附近，“摩羯”在副高西侧东南或偏南气流的引导下，自浙江、上海、江苏、安徽一路向西北偏北方向挺进。同时，强度逐渐减弱，13日01:00前后减弱为热带风暴，13日23:00前后在安徽涡阳附近减弱为热带低压，14日05:00前后进入山东单县后停止编号。此后，在山东多地触发11个龙卷强对流天气过程(图 1)。
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图 1 “摩羯”残余环流中心及其引发龙卷的位置分布 Fig.1 Distribution of residual circulation center of Yagi and its tornadoes |
13日20：00—14日20：00，500 hPa副高主体偏东、偏北，脊线位于35°N附近，588 dagpm线控制山东半岛东部及以东的朝鲜半岛、日本南部等地区，副高西南缘与“摩羯”外围东北侧之间的强劲南或东南急流在江苏、山东一带汇合(图 2a)，同时500、700 hPa中层西风槽逐渐东移靠近TC倒槽和副高(图 2b)。500、700、850和925 hPa东南风最大风速分别为22、20、22 m ·s-1和22 m ·s-1左右，各层急流的位置有较好的重叠，上下叠加在山东中北部区域。低层南或东南气流辐合于925 hPa辐合线附近；而高层200 hPa急流与925 hPa辐合线走向基本一致，其右侧的强烈辐散区与低层辐合区重叠，高层辐散区下方的强迫辐合抬升运动与低层的辐合运动叠加，进一步增强该区域的垂直上升运动，形成有利于触发对流不稳定能量释放的“高层辐散、低层辐合”的形势。500、700 hPa逐渐靠近TC的西风槽进一步增加了大气的不稳定度，有利于风暴的深对流继而引发龙卷[25]。
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图 2 8月14日“摩羯”外围龙卷环流形势(a. 8月14日08：00高空形势综合图，b. 8月13日20：00高空500 hPa形势图) Fig.2 Tornado synoptic environment in the outer region of Yagi on 14 August (a. comprehensive upper-level situation at 08:00 BST 14 August, b. synoptic situation at 500 hPa at 20:00 BST 13 August) |
地面加密自动气象观测站10 min平均风向风速资料显示，此次龙卷过程配合有中尺度辐合线和低压中心的生成和发展。14日12:00(图 3a)，龙卷发生地以南的沿黄河一线形成了长度约为220 km的东南风和偏东风的中尺度辐合线，此时龙卷发生地姜楼镇位于辐合线北侧的东北风中。龙卷发生后的13:00(图 3b)，东南风和东北风形成的中尺度辐合线位置较12:00偏西偏北，姜楼镇位于辐合线南侧，风向转为东南风。可以推断，地面中尺度辐合线有向西北方向小幅移动的特征。另外，在辐合线的西南端始终存在一低压中心，并沿着500 hPa倒槽线附近向北偏东方向移动。
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图 3 8月14日鲁北地区地面中尺度辐合线(a. 12:00中尺度辐合线，b. 13:00中尺度辐合线) Fig.3 Mesoscale surface convergence line in the north of Shandong at 12:00 BST (a) and 13:00 BST (b) 14 August |
图 4a是强对流发生前14日08:00距离龙卷发生地约55 km章丘探空站的探空图。章丘站上空对流层中层850~700 hPa表现为条件性不稳定，Δθse(850-500)为11.09 K(大于10 K), θse饱和随高度减小。K指数为42 ℃(不小于32 ℃)，沙瓦特指数(Showalter index，SI)为-2.41℃(小于0 ℃)，抬升指数(lifting index，LI)为-0.58 ℃(小于0 ℃)，Δt850-500为23 ℃(小于25 ℃，较弱)，都表明对流发生前大气已蓄存了一定的不稳定能量。由于对流有效位能(convective available potential energy，CAPE)是湿度和温度的函数，对湿度和温度极为敏感。因此，在此次分析过程中，利用惠民气象站当天11：00的气温(25.7 ℃)、露点温度(25.7 ℃)对其进行订正，计算出的CAPE由203.4 J ·kg-1增大为760.8 J ·kg-1(均小于1 000 J ·kg-1)，且呈现狭长形，对流抑制能(convective inhibition energy，CIN)值由76.1 J ·kg-1下降至0 J ·kg-1，抬升凝结高度(lifting condensation level，LCL)为209.5 m。同时，章丘站从近地面到365 hPa水汽接近饱和，整层相对湿度很大，湿层深厚，这一特征与大气可降水量(precipitable water，PW)较大有很好的对应；下沉对流有效位能(downdraft convective available potential energy，DCAPE)较小，侧面说明中层不存在相对干的气层，同时也与环境温度直减率Δt850-500较弱相对应。
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图 4 2018年8月14日08:00章丘站t-lnp图(a)和2018年8月14日11:00惠民站上空ERA5再分析资料(b) Fig.4 The t-lnp diagram (a) of Zhangqiu Station at 08:00 BST 14 and ERA5 reanalysis data (b) of Huimin Station at 11:00 BST 14 August 2018 |
图 4b是利用ERA5再分析资料绘制的14日11:00惠民站上空的探空图。为了验证ERA5分析数据的适用性，将章丘站14日08:00和20:00的探空物理量实况资料，与ERA5资料同地点、同时刻的物理量分析数据进行对比(表 1)。
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表 1 8月14日08:00和20:00章丘站探空物理量实况资料和ERA5分析值的对比 Table 1 Comparison of physical quantities between radiosonde data of Zhangqiu Station and ERA5 analysis data at 08:00 BST and 20:00 BST 14 August |
ERA5分析数据显示强对流发生前，惠民气象站附近K指数为38 ℃(不小于32 ℃)，SI指数为-1.69 ℃(小于0 ℃)，LI指数为-4.47 ℃(小于0 ℃)，CIN为0.06 J ·kg-1，LCL为213.1 m，CAPE高达1 899.2 J ·kg-1，这些特征值表明强对流发生前，该地区上空大气层结不稳定。
在大气流场的水平和垂直结构方面，章丘站上空整层风速都较大，低层风速达12 m ·s-1以上，风向随高度顺转的同时风速明显增大；0~6 km垂直风矢量差为19.7 m ·s-1，0~3 km垂直矢量差变为22.4 m ·s-1，0~1 km的垂直风矢量差为8.8 m ·s-1，对应的垂直风切变为3.3×10-3 s-1、7.5×10-3 s-1、8.8×10-3 s-1。通过分析ERA5资料发现，惠民站上空0~6 km垂直风矢量差为11.1 m ·s-1，0~3 km垂直风矢量差为23.1 m ·s-1，0~1 km的垂直风矢量差为14.5 m ·s-1，对应的垂直风切变为1.9×10-3 s-1、7.7×10-3 s-1、14.5×10-3 s-1。THOMPSON et al.[26]研究认为，0~6 km垂直风切变达到3×10-3 s-1以上，0~1 km垂直风切变达到5.5×10-3 s-1以上的情况将有利于EF2级以上龙卷的发生。用上述两组垂直风切变数据与该研究成果对比来看，龙卷发生地附近超低空0~1 km垂直风切变远高于THOMPSON等研究者给出的下限值，而0~1 km垂直风切变是产生龙卷更重要的条件。DAVIES-JONES[27]、白兰强等[11]研究指出风暴相对螺旋度(SRH)可以很好地指示超级单体风暴的发生发展潜势，当SRH大于150 m2 ·s-2时，将十分有利于产生超级单体风暴。章丘站的SRH为276.4 m2 ·s-2，惠民站的SRH为264 m2 ·s-2。由此可见，大气水平和垂直流场结构均十分有利于此次龙卷强对流天气的发生。
14日08:00，200 hPa上副高脊线呈东北—西南走向，鲁北位于副高的西北缘。13日20:00—14日08:00，涡度场上，有正、负涡度中心分别位于山东及其以东洋面，正涡度中心随着高度的升高有向西偏斜的特征，鲁北上空300~200 hPa逐渐转为负涡度，正涡度由925 hPa一直伸展到400 hPa，龙卷正好发生在低层正涡度、高层负涡度的重叠区；散度场上，鲁北上空500 hPa由正散度转为负散度，由辐散转为辐合，说明辐合由低层向高层传导，200 hPa一直为正散度，850 hPa一直为负散度，高层辐散、低层辐合有利于上升运动，龙卷也发生在正、负散度的重叠区。
以上这些物理量特征符合诱发TC龙卷的环境特征，即大气环境是热力不稳定的，湿层深厚，存在对流不稳定能量，而CAPE值不必很大。低空(0~1 km、0~3 km)顺时针风垂直切变强大，低于500 m的抬升凝结高度、十分小的对流抑制能等，均是有利于龙卷发生的大气流场结构特征。同时，该地区不仅处于低层正涡度、高层负涡度的叠加区，也处于低层负散度、高层正散度的叠加区，这种环境结构将进一步增强该区域的垂直上升运动，足以触发强烈的局地对流。
3 龙卷风暴天气雷达资料分析目前，我国新一代天气雷达系统使用的中气旋和TVS算法都是采用美国WSR-88D第10版的算法，为了在不同地区、不同气候条件下均能获得最优探测效果，中气旋算法设置了15个用户可以修改的适配参数，TVS算法设置了30个适配参数。中气旋和TVS算法缺省的适配参数值主要是根据美国俄克拉荷马州的超级单体风暴统计数据确定的，在此次龙卷天气过程中，利用缺省的适配参数值雷达系统并未计算出中气旋，只计算出1次TVS。根据郑媛媛等[8]、McCAUL[10]、朱君鉴等[22]的研究方法和结果，本研究中气旋算法中的角动量阈值为270 km2 ·h-1，切变量阈值为9.4 h-1，设置TVS算法中的最小正负速度差阈值为26 m ·s-1、最底层正负速度差阈值为15 m ·s-1、涡旋厚度阈值为0.5 km，这些设置降低了算法系统的判断阈值，增加了中气旋和TVS报警的概率。
3.1 龙卷母风暴演变台风“摩羯”减弱后的低压环流中心于14日上午移动到德州市齐河县附近，在惠民县姜楼镇(距滨州雷达站约48 km)一带引发EF2级龙卷。图 5是滨州雷达站当天12:09反射率因子产品，龙卷位置(蓝色倒三角)距残余的TC中心(红色圆圈)约75 km。
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图 5 2018年8月14日12:09滨州雷达1.5°仰角反射率因子图及龙卷母风暴移动轨迹示意图(红色圆圈为TC残余的低压环流中心位置；红色箭头为低压环流的移动方向(北偏东)；红色虚箭头线为龙卷母风暴移动路径；蓝色倒三角为TVS产品，亦为龙卷发生位置) Fig.5 Schematic diagram of radar reflectivity at 1.5° elevation from Binzhou radar at 12:09 BST 14 August 2018 and track of tornado-parent storm (red circle for residual circulation center of typhoon, red arrow for north-northeast direction that the circulation moves toward, red dashed arrow line for track of tornado-parent storm, blue inverted triangle for TVS product and also position of tornado) |
利用风暴追踪信息(storm tracking information，STI)产品得到母风暴移动特征图(图 6)。引发姜楼龙卷的母风暴单体于09:22在泰安市新泰县境内生成，09:40移动到济南市莱芜区，10:46移动到济南市章丘区，11:10移动到滨州市邹平市，12:09移动到滨州市惠民县，在惠民县姜楼镇引发龙卷。此后该母风暴单体继续向北移动的过程中，在德州境内又引发新的龙卷，风暴生命史超过4 h。
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图 6 龙卷母风暴移动特征(白色点画线为母风暴单体的移动轨迹，线上的白色点为风暴质心位置，左侧小框内为0.5°仰角反射率因子，右侧小框内为0.5°仰角径向速度，黄色圆圈为中气旋产品，蓝色倒三角为TVS产品) Fig.6 Moving characteristics of tornado-parent storm (white dash-dotted line for track of parent storm cell, white point on the line for position of storm centroid, small box on the left for reflectivity at 0.5° elevation, small box on the right for radial velocity at 0.5° elevation, yellow circle for mesocyclone product, blue inverted triangle for TVS product) |
由图 6左侧的反射率因子分析，风暴单体生成后在向北移动过程中不断增强。11:10低层开始出现入流缺口，12:15到达滨州市惠民县时达到最强，最大反射率因子为58 dBZ，大于45 dBZ的强中心面积达到最大，入流缺口更加清晰，入流缺口的南侧呈现钩状回波。由图 6右侧的径向速度图分析，10:45和10:51风暴移动到章丘时，雷达系统连续2个体扫探测到中气旋，之后2个体扫风暴中涡旋稍微减弱没有探测到中气旋。11:10之后风暴内风切变进一步增大，径向速度图上可以更加清晰地辨识出正负速度对。雷达系统从11:10开始连续13个体扫探测到中气旋，龙卷发生前连续探测到10个，龙卷发生后连续探测到3个。从12:03开始连续4个体扫探测到TVS，龙卷发生前连续探测到2个，龙卷发生后连续探测到2个(图略)。据实地调查，龙卷生成的时间约为12:10，雷达系统提前60 min发出中气旋警报，提前7 min发出TVS警报。
3.2 风暴单体中气旋分析姜楼龙卷的母风暴，其反射率因子、风暴发展高度、强反射率因子的面积均较西风带天气系统的强对流风暴单体偏弱，常常不易引起预报员的关注。但风暴单体的涡旋度很强，因此有必要利用天气雷达的速度产品和速度衍生产品——中气旋、TVS进行分析。
对姜楼龙卷发生前母风暴的中气旋特性(图 7)分析发现，龙卷生成前母风暴中气旋的底高和顶高不断降低，最大切变量逐渐增大，最大切变所在的高度也在下降。11:10—12:09，中气旋底高由1.7 km降低到0.5 km。最大切变量由4×10-3 s-1增大到15×10-3 s-1，12:15增大到49×10-3 s-1。最大切变所在的高度由2.8 km下降到1.2 km。龙卷发生前11:51—12:03，连续3个体扫的中气旋顶高由2.2 km跃升至5 km，同时最大切变的高度也由0.5 km跃升至2.8 km，底高也有小幅的上升，最大切变维持在12×10-3~18×10-3 s-1之间。12:09龙卷发生时，中气旋顶高、底高、最大切变高度均迅速下降。龙卷维持阶段的12:15前后，最大切变值飙升至49×10-3 s-1，之后最大切变值显著下降，龙卷随之消亡。中气旋顶高、最大切变高度快速上升和下降的过程分别对应着小尺度涡旋的增强和触地，最大切变值骤降对应着龙卷能量的快速释放。
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图 7 龙卷风暴中气旋特征随时间演变(灰色柱表示顶高与底高之间的距离差) Fig.7 Evolution of mesocyclone features in tornadoes (grey bar for distance difference between top height and base height) |
根据灾情调查，龙卷发生在12:10—12:21。雷达系统在12:03—12:21连续4个体扫探测到TVS。由于12:09和12:15的2个体扫径向速度场出现距离折叠，不能对径向速度进行完整的分析，所以本研究分析12:21的风暴单体结构和流场特征。图 8a是12:21姜楼龙卷发生时滨州雷达反射率因子。图 8b、e是反射率因子垂直剖面，图 8c、f是径向速度剖面，图 8d是速度谱宽剖面。图 8b、c、d剖面的位置即为图 8a上红线AB所示的位置，为切向剖面，剖线穿过TVS位置，与雷达扫描线垂直。图 8e、f剖面的位置即为图 8a上白线CD所示的位置，为径向剖面，剖线亦穿过TVS位置。由图 8b可以看到，风暴的发展高度并不高，大于45 dBZ的强反射率核仅仅达到6 km。图 8c中箭头右边(B端、北侧)是离开雷达的正速度，左边(A端、南侧)是朝向雷达的负速度，可以清楚地看到TVS位置向上有向北倾斜的正速度和负速度之间的零速度线，这是龙卷涡旋的轴线，龙卷涡旋轴线向北倾斜的程度实际上没有这么大，原因是龙卷涡旋随风暴单体快速向北移动，而雷达从低仰角到高仰角的扫描有时间延迟，雷达扫描到高仰角时龙卷已经向北移动了一段距离，雷达系统制作剖面的算法没有对此延时产生的上下层位置差进行订正。图 8d是速度谱宽产品，对应TVS的位置谱宽值达到10 m ·s-1以上，这是因为龙卷涡旋尺度很小，正负速度会出现在雷达的同一波瓣中，因此速度谱宽很大，对应图 8c在龙卷涡旋轴线(零速度线)的剖面值也比较大，大多在7 m ·s-1以上。图 8e是穿过TVS的径向垂直剖面，由于这里是风暴单体后部钩状回波的位置，因此，反射率发展的高度更低，大于45 dBZ的强反射率因子仅仅达到3.5 km左右。图 8f上对应TVS位置，在TVS的左边(C端、西侧)是朝向雷达的负速度，在TVS的右边(D端、东侧)是离开雷达的正速度，可以看到龙卷位置低层(2.5 km以下)有尺度很小的风场辐合。
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图 8 2018年8月14日12:21 0.5°仰角雷达产品(a.反射率因子，b、e.反射率因子垂直剖面，c、f.径向速度垂直剖面，d.速度谱宽垂直剖面；白色倒三角为雷达系统叠加的TVS符号，红色直线AB为雷达切向剖面位置，白色直线CD为雷达径向剖面位置，红色箭头为TVS和龙卷位置) Fig.8 Radar products at 0.5° elevation at 12:21 BST 14 August 2018 (a. reflectivity, b/e. vertical profile of reflectivity, c/f. vertical profile of radial velocity, d. vertical profile of velocity spectrum width; white inverted triangle for TVS symbol, red straight line AB for position of radar tangential section, white straight line CD for position of radar radial section, red arrow for position of TVS and tornado) |
利用多种观测资料分析2018年8月14日中午发生在台风“摩羯”减弱环流中的姜楼龙卷的天气背景、物理量参数、中尺度特征和雷达回波演变等，得出如下结论：
(1) 此次龙卷发生在台风“摩羯”登陆北上、深入内陆迅速减弱阶段，其外围的螺旋雨带对流活动旺盛，为龙卷的产生提供了良好的环境条件。黄河冲积平原平坦的地势，为触发强对流天气、促进龙卷生成提供了有利的下垫面条件。龙卷发生时“摩羯”已减弱为温带气旋并停止编号，此时TC位置和强度特征与国内广东、江苏等地得出的研究结果相似[13-19]。
(2) 环境背景条件方面，西风带系统对TC环流造成影响，中低层倒槽直接影响鲁北地区，低层辐合、高层辐散的抽吸作用，925~500 hPa上下重叠度较好的急流轴，形成超低空强垂直风切变。探空实况资料和ERA5再分析资料所表现出的较低的抬升凝结高度、较强深层风(0~6 km)垂直切变、大的风暴相对螺旋度、深厚湿层等物理量条件均有利于龙卷发生。这与郑媛媛等[8]的研究结果相近。
(3) 该龙卷的母风暴属于低质心的小型超级单体风暴，其最大反射率因子值(58 dBZ)和垂直伸展高度(小于6 km)均较西风带强对流风暴偏低，但低层反射率因子仍具有钩状回波的形态。在雷达系统缺省适配参数下，中气旋探测算法并没有给出中气旋，龙卷涡旋探测算法只在龙卷发生时给出1次TVS。降低部分适配参数阈值后，系统提前60 min给出中气旋，提前7 min给出TVS。
(4) 从龙卷母风暴的速度切向剖面图上能够看到龙卷涡旋轴线，在速度径向剖面图上发现龙卷低层具有小尺度的风场辐合特征。对应谱宽产品切向剖面上TVS附近出现大值区。中气旋顶高、最大切变高度快速上升和下降的过程分别对应着小尺度涡旋的增强和触地，最大切变值骤降对应着龙卷能量的快速释放。
上述结论从一定程度上总结了中纬度地区热带气旋环境背景下的龙卷特征，但由于龙卷尺度小、突发性强、环境背景复杂多变等特点，在实际业务中开展龙卷预报预警仍然困难重重。鲁北地区是龙卷发生概率极低地区，登陆TC环境下产生龙卷则更为罕见。据统计，TC在生成龙卷时的强度多为热带低压或热带风暴级别[11]。此次龙卷发生时，台风“摩羯”已经停止编号，强度已经非常弱，但仍然在山东引发11个龙卷。因此，当TC强度明显减弱的时候，仍然不能忽视TC龙卷发生的可能性，特别是当同时有西风带系统存在的时候，龙卷发生的概率会大幅提升，必要时需及时发布灾害性天气预警信号。由ERA5再分析资料来看，龙卷发生前该地区CAPE值达到了1 899.2 J ·kg-1，与章丘站远小于1 000 J ·kg-1的CAPE值相差较大。造成这种结果的原因可能有两个：一是ERA5再分析资料计算的CAPE值偏大；二是龙卷发生当天在低压环流北侧、副高西北侧有弱西风槽东移，其携带的弱冷空气向南侵入，使鲁北上空不稳定能量进一步加强，表现为CAPE值较其他台风龙卷偏大。适当降低雷达系统适配参数阈值，可提前辨识出风暴中的涡旋特征，有助于龙卷的探测和预警。但由于研究个例的缺乏，要找到该类龙卷中气旋算法适配参数的最佳设值，需要更多个例的试验。同时，降低雷达系统适配参数会计算出更多的中气旋和TVS，造成较高的虚警率。建议在有条件的台站配备2台计算机分别配置降低适配参数和不降低适配参数的雷达产品生成器(Radar Product Generator，RPG)，并同时运行，用降低参数的算法更早地提醒预报人员关注龙卷发生的可能性，用不降低适配参数的算法帮助预报人员做出最终的决策。
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