黃先香，炎利軍，王碩甫，蔡康龍，余樂福

(1.佛山市龍卷風研究中心，廣東佛山528000；2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100081)

1 引 言

龍卷是對流風暴產(chǎn)生的最猛烈的天氣現(xiàn)象，空間尺度一般為幾十米到幾百米，其產(chǎn)生的地面最大風速可超過140 m/s，能造成重大人員傷亡、建筑物損毀、電力與交通中斷等極端災害[1-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計[3]，1961—2010年間的165次強龍卷導致我國至少1 772人死亡，3.17萬人受傷。最近的一次嚴重龍卷災害發(fā)生在2016年6月23日江蘇省鹽城市阜寧縣，龍卷造成99人死亡，846人受傷[4]。

有關龍卷的研究成果已有不少。范雯杰等[3]和魏文秀等[5]概括了我國龍卷的分布及其活動特征；文獻[4，6-10]對西風帶天氣系統(tǒng)中的龍卷(以下簡稱西風帶龍卷)的天氣形勢、環(huán)境場、雷達回波特征分析指出，龍卷發(fā)生在中低層有低槽切變、低空西南急流和地面低壓等天氣系統(tǒng)的配置下，不同季節(jié)冷暖空氣勢力不同，龍卷的影響系統(tǒng)配置有差異，中等偏強的熱力不穩(wěn)定、強的垂直風切變、低的抬升凝結(jié)高度(LCL)有利于西風帶龍卷的發(fā)生，雷達徑向速度場一般是先出現(xiàn)中氣旋，隨后多數(shù)出現(xiàn)龍卷渦旋特征(TVS)；俞小鼎等[11]和姚葉青等[12]基于龍卷的多普勒雷達回波特征探討了龍卷的臨近預警，指出徑向速度場是龍卷監(jiān)測預警的主要依據(jù)；周后福等[13]開展了龍卷天氣過程的微物理和動力特征數(shù)值模擬；孟智勇等[14]和鄭永光等[15]對龍卷災害做了細致的現(xiàn)場調(diào)查和強度分析。沈樹勤[16]和Edwards[17]研究表明，龍卷易發(fā)生在熱帶氣旋中心東北象限180～460 km的區(qū)域。Schultz等[18]指出，相對于熱帶氣旋運動方向，龍卷多發(fā)生在方位角340～120°之間。鄭媛媛等[19]、黃先香等[20]對熱帶氣旋外圍螺旋雨帶中的龍卷(以下簡稱臺風龍卷)研究指出，龍卷產(chǎn)生在臺風減弱階段，低的LCL、強的低層垂直風切變和大的風暴相對螺旋度(SRH)有利于臺風龍卷的產(chǎn)生；與西風帶系統(tǒng)中的超級單體龍卷相比，臺風龍卷出現(xiàn)在相對較弱的條件不穩(wěn)定環(huán)境下，臺風龍卷中氣旋的尺度更小，伸展高度更低。臺風環(huán)流的影響在不同的地域所產(chǎn)生的龍卷概率也是不同的，楊程等[21]統(tǒng)計2001—2010年熱帶氣旋對江蘇的影響中，沒有發(fā)現(xiàn)臺風龍卷的發(fā)生，主要是短時強降水和雷雨大風。

雖然國內(nèi)外對龍卷做了大量研究，但由于龍卷尺度小、持續(xù)時間短、發(fā)生概率低等特點，對龍卷的監(jiān)測、預報預警和數(shù)值模擬一直以來都是災害天氣領域的難點。目前只有美國和加拿大等少數(shù)國家建立了龍卷監(jiān)測預警業(yè)務，我國還沒有建立龍卷預警業(yè)務[22]。2016年10月開始，中國氣象局預報司選擇廣東、江蘇等省份開展龍卷監(jiān)測預警試驗。

珠三角是臺風龍卷高發(fā)區(qū)，當臺風中心位于廣東湛江-廣西南部一帶[23]時，在有利的大尺度環(huán)境條件下，在距離臺風中心300～500 km的臺風外圍螺旋雨帶中容易產(chǎn)生龍卷并造成較嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[24-28]。2018年9月17日09:37—10:00(北京時間，下同)，受 1822 號臺風“山竹”外圍環(huán)流影響，廣東省佛山市三水區(qū)到肇慶市四會區(qū)發(fā)生了一次EF2級強龍卷天氣。本次龍卷過程中，第一作者及團隊提前37 min成功發(fā)布了龍卷警報，龍卷沒有造成人員傷亡，但仍導致不少建筑物受損。本文利用常規(guī)氣象觀測資料、地面氣象自動站加密資料、廣州S波段多普勒天氣雷達資料等對此次龍卷天氣過程加以分析，著重對比分析了此次龍卷過程與珠三角以往臺風強龍卷過程的大尺度環(huán)境場特征，并對此次過程的自動站觀測和雷達觀測的中小尺度特征以及龍卷預警進行分析，為今后的臺風龍卷監(jiān)測預警提供參考。

2 龍卷過程及現(xiàn)場災害調(diào)查

2018年9月17日09:37—10:00，廣東省佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)、西南街道和肇慶市四會區(qū)大沙鎮(zhèn)等地先后受龍卷影響。通過多渠道獲取的龍卷視頻、照片，以及對龍卷路徑沿線的工廠、村居民舍等受災現(xiàn)場的實地調(diào)研、走訪龍卷目擊者、對龍卷災情路徑的航拍等，再結(jié)合雷達以及氣象自動站等資料進行綜合判斷，確認此次龍卷過程最早于09:37在佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)金竹村觸地，然后向西北方向移動，先后影響了白坭鎮(zhèn)金竹村，西南街道官員村、顯學村、安溪村、沙水村、木塱村、漁運村、上崗村、楊村、木棉村和青岐望樓崗村，最后于10:00在肇慶市四會區(qū)撻泊村減弱消失 (圖1，見下頁)。整個龍卷過程持續(xù)時間約23 min，路徑長達18 km，時速約47 km/h。近年來路徑在10 km以上、持續(xù)時間超過20 min的長生命強龍卷主要有2016.6.23江蘇阜寧龍卷(以下簡稱阜寧龍卷)和2015.10.4“彩虹”臺風順德龍卷(以下簡稱“彩虹”龍卷)，阜寧龍卷持續(xù)時間約45 min，路徑長為33 km，時速約 44 km/h[4,29-30]，“彩虹”龍卷持續(xù)時間約35 min，路徑長度約32 km，時速達60 km/h[22,24]，“山竹”臺風龍卷移速與阜寧龍卷移速相當，較“彩虹”龍卷移速則明顯偏慢。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，龍卷經(jīng)歷了生成初期、發(fā)展加強、減弱、消失階段，移動過程呈現(xiàn)跳躍式。龍卷造成的地面破壞寬度，最小的僅有十多米，最大的可達百米以上，其中龍卷風破壞寬度最大的地方位于三水區(qū)西南街道柏木塱村，達到了153 m。龍卷造成簡易鐵皮廠房頂被刮走、部分圍墻倒塌、大樹折斷等，所幸龍卷影響區(qū)域民眾提早收到預警信息，及時撤離，沒有造成人員傷亡。根據(jù)美國2007年起新啟用“改進的藤田級別”[31](Enhanced Fujita Scale，EF-Scale)對龍卷強度的定級，結(jié)合本次龍卷災情特點，認定強度為EF2級，為強龍卷。

3 天氣背景和環(huán)境場特征

3.1 臺風“山竹”活動概況

1822號臺風“山竹”最早于9月7日10:00在西太平洋生成，9日02:00加強為強熱帶風暴，9日08:00加強為臺風，11日08:00加強為超強臺風，11日08:00—15日08:00長時間維持超強臺風量級，最大風速達到65 m/s(17級)，由于登陸菲律賓受到陸地摩擦作用，15日09:00起強度減弱為強臺風，16日17:00以強臺風級在廣東臺山海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風力14級(45 m/s)，登陸后維持西北偏西方向移動，16日20:00減弱為臺風，17日04:00減弱為強熱帶風暴，17日07:00減弱為熱帶風暴，17日14:00減弱為熱帶低壓(圖2)。佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)龍卷發(fā)生在17日09:37前后、距離臺風登陸已有16.5 h，此時臺風中心位于廣西南寧市境內(nèi)，強度為熱帶風暴級。龍卷產(chǎn)生于距臺風“山竹”中心東北象限約490 km處螺旋雨帶中的一個微型超級單體(圖2a)。FY4衛(wèi)星很好地拍攝到了這個微型超級單體的上沖云頂照片(圖2b)。

圖1 2018年9月17日09:37—10:00龍卷路徑(黃色虛線)、龍卷及災害照片

圖2 9月17日09:30雷達組合反射率(a)和09:23FY4衛(wèi)星可見光云圖(b) △和□為龍卷發(fā)生地。

3.2 環(huán)境場特征分析

9月17日08:00，500 hPa西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)比較強盛，呈方頭狀，西脊點位于109°E附近，粵東受588 dagpm線控制，華東沿海地區(qū)受592 dagpm線控制，脊線位于26°N附近，珠三角地區(qū)處于副高西南側(cè)與“山竹”東側(cè)之間，中低層處于強東南偏南急流控制區(qū)，925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa 東南風速分別為18 m/s、24 m/s、30 m/s、22 m/s，低層東南急流強度達到了珠三角歷史臺風外圍強龍卷的閾值[20]，各層急流軸的位置非常接近，東南急流上下疊加匯聚在珠江口附近，且低層925 hPa的輻合線和高層200 hPa分流區(qū)即高空輻散區(qū)也位于珠江口附近(圖3a)；地面形勢氣壓場東北高西南低，有利于東南氣流在珠江口附近輻合匯聚(圖3b)。龍卷發(fā)生在低層輻合、高層輻散與中低空急流交匯處附近，與以往的研究結(jié)果[19-20]一致。

根據(jù)位于龍卷發(fā)生地西北方約67 km處的清遠探空站9月17日08時T-lnP圖分析顯示，中低層為強偏南氣流，近地層為弱東南風，風向隨高度具有順時針旋轉(zhuǎn)特征(圖略)；整層的溫度露點差都很小，大氣接近飽和狀態(tài)，地面露點在25℃左右，最大累積可降水量(PW)為61 mm，大氣非常暖濕，濕層深厚；環(huán)境場具備合適的對流有效位能(CAPE)411 J/kg和對流抑制能量 (CIN)33 J/kg、低的抬升凝結(jié)高度(LCL)144 m、強0～1 km低層垂直風切變16.0 m/s和大的風暴相對螺旋度(SRH)283 m2/s2(表1)，非常有利于強龍卷母體風暴的發(fā)生發(fā)展[32]。本次EF2級臺風龍卷環(huán)境條件與發(fā)生在梅雨期西風帶系統(tǒng)里的阜寧龍卷環(huán)境條件相比，阜寧龍卷發(fā)生在高溫高能和強深層垂直風切變的大氣環(huán)境中，最大CAPE值超過2 000 J/kg，0～6 km垂直風切變高達27 m/s[4,29]，本次“山竹”EF2級臺風龍卷過程的CAPE和0～6 km垂直風切變均低于阜寧龍卷，但0～1 km垂直風切變較阜寧龍卷的8 m/s高；兩個龍卷過程LCL均很低。Craven等[33]認為，1 200 m以下低的LCL和10 m/s以上高的0～1 km風切變更有利于龍卷的發(fā)生，尤其強龍卷更是具有低層強垂直風切變和低LCL特點。本次EF2級臺風龍卷動力條件與近年來發(fā)生在珠三角地區(qū)的“彩虹”龍卷(EF3)、“派比安”龍卷(EF2)動力條件對比可見(表1)，0～1 km的垂直風切變與“彩虹”龍卷閾值的16 m/s相當、略低于“派比安”龍卷的20 m/s，SRH與“派比安”龍卷的305 m2/s2相當、低于“彩虹”龍卷的 424 m2/s2，0～6 km的垂直風切變則明顯低于以往強龍卷過程閾值(24.6 m/s)。樊李苗等[34]指出，0～6 km垂直風切變達15～20 m/s為中等強度垂直風切變，超過20 m/s為強垂直風切變。有研究表明，0～6 km垂直風切變數(shù)值達到15～20 m/s以上是超級單體形成的必要條件之一[35]，美國F2/EF2級及以上龍卷對流風暴的0～6 km垂直風差值普遍超過20 m/s[33,36]。鄭媛媛等[19]、朱文劍等[22]研究指出，臺風龍卷發(fā)生環(huán)境條件基本為弱的CAPE(200～1 000 J/kg)、風隨高度強烈順轉(zhuǎn)的強低空垂直風切變和大的SRH。由此可見，9月17日廣州及周邊的大氣環(huán)境條件有利于龍卷的發(fā)生，對于強龍卷，其深層的垂直風切變條件相對較弱。

圖3 2018年9月17日08:00高空形勢綜合圖(a)和地面形勢圖(b)

表1 “山竹”臺風龍卷與“彩虹”臺風龍卷、“派比安”臺風龍卷環(huán)境參數(shù)對比

4 地面自動氣象站觀測

佛山市地面自動氣象站有212個，間距為3～5 km，能較為有效監(jiān)測地面中小尺度天氣系統(tǒng)的活動。分析自動氣象站風場可見，在龍卷發(fā)生前，在龍卷風暴移動方向上已經(jīng)有地面輻合線和小尺度渦旋存在?！吧街瘛比埦碜钤缬?月17日09:37前后在白坭鎮(zhèn)觸地，在龍卷發(fā)生前的09:10，在佛山南海區(qū)九江、西樵到三水區(qū)白坭、西南一帶就已經(jīng)存在一條東南-西北向的地面風向風速輻合線，并且在西樵附近有一個小尺度渦旋生成(圖4a)，之后小尺度渦旋沿著地面輻合線向西北方向移動(圖4b)，09:30—09:40移至白坭附近時對流強烈發(fā)展產(chǎn)生了龍卷(圖4c～4d)，龍卷風暴移動路徑與小尺度渦旋的移動路徑一致。

圖4 2018年9月17日09:10(a)、09:20(b)、09:30(c)和09:40(d)地面自動氣象站2 min平均風場

對自動氣象站09:00—10:00的瞬時大風(圖5a)分析發(fā)現(xiàn)，極大風速出現(xiàn)在龍卷路徑附近，距離龍卷路徑約1 000 m的三水區(qū)西南洲邊村委站于09:42記錄到最大風速為16.6 m/s(7級)，另一個距龍卷路徑約700 m的三水區(qū)西南水利所站于09:50記錄到最大風速為22.1 m/s(9級)。 分析09:00—10:00的最低氣壓(圖5b)發(fā)現(xiàn)，最低氣壓呈東南-西北向帶狀分布，與龍卷路徑方向一致。

圖5 佛山自動氣象站09:00—10:00的3 s極大風速(a，陰影區(qū)風速大于≥7級)和最低氣壓(b，hPa)

受龍卷渦旋環(huán)流影響，位于龍卷路徑右側(cè)的鄰近地面自動站的5 min變壓也表現(xiàn)出明顯的信號。對應強回波中心，三水區(qū)白坭鎮(zhèn)新明珠廠站最早在09:30開始出現(xiàn)-1.4 hPa/(5 min)的負變壓；09:35，負變壓中心北移至白坭鎮(zhèn)中心小學，而隨著風暴的北移，白坭鎮(zhèn)新明珠廠站迅速升壓，5 min氣壓升幅達1.9 hPa；09:40—09:45，負變壓中心進一步北移到西南街道，最大負變壓中心出現(xiàn)在西南洲邊村委站，5 min氣壓降幅達-1.9 hPa，09:45西南洲邊村委站同樣出現(xiàn)迅速升壓，5 min氣壓升幅高達2.2 hPa，負變壓中心北移至西南水利所。從現(xiàn)場災調(diào)確定的龍卷路徑來看，負變壓中心移動路徑基本與龍卷路徑一致。

圖6 2018年9月17日09:30—09:45地面自動站5 min變壓(單位：Pa)和廣東雷達拼圖 Δ為龍卷大致發(fā)生地。

為了更清楚地了解龍卷過境前后地面氣象站溫、壓、風等氣象要素的變化特征，下面對離龍卷路徑較近的三水區(qū)西南洲邊村委站和三水區(qū)西南水利所站的氣象要素進行分析。

三水區(qū)西南洲邊村委站位于龍卷路徑的右側(cè)(圖6c)，距離龍卷發(fā)生地西南街道顯學村(09:40)1 000 m左右。從其氣壓、風向風速、溫度、降雨變化曲線(圖7a)可見，龍卷發(fā)生前，09:00—09:20氣壓呈波動式小幅上升，09:20—09:35氣壓小幅下降，09:40氣壓明顯下降，由09:35的1 001.4 hPa陡然下降到09:40的999.5 hPa，而本站的3 s瞬時氣壓在09:40錄得最低值999.2 hPa，5 min內(nèi)下降-2.2 hPa，09:45氣壓迅速躍升到1 001.7 hPa，5 min氣壓升幅達+2.5 hPa，出現(xiàn)氣壓“漏斗”，具有典型的龍卷過境特征，這與下?lián)舯┝鞯戎本€型雷暴大風引發(fā)的氣壓陡升現(xiàn)象明顯不同；風的變化表明，龍卷發(fā)生前，2 min平均風速在1～6 m/s之間，風向為偏南風，龍卷過境前后，2 min平均風風向出現(xiàn)先逆轉(zhuǎn)后順轉(zhuǎn)，09:20—09:30，風向由西南風逆轉(zhuǎn)為東到東北風，09:35—09:40，風向再由東北風順轉(zhuǎn)為偏南風，同時風速突增，09:40，2 min平均風風速增大到11.9 m/s，09:42出現(xiàn)3 s瞬時極大風速值為16.6 m/s，之后風速減小，表明龍卷遠離本站；雨量變化表明，在龍卷發(fā)生前40 min，地面已經(jīng)有降水發(fā)生，09:05前，5 min平均降雨量在0.3 mm以下，09:10起降雨逐漸增強，09:10—09:15，5 min降雨量為1.0 mm，09:20降雨出現(xiàn)峰值，5 min降雨量達到2.1 mm，09:30出現(xiàn)次峰值，之后降雨明顯減弱，龍卷發(fā)生時，地面有弱降雨，5 min降雨量在0.2 mm以下，也就是說降雨峰值(09:20前后)較龍卷發(fā)生提前約20 min，強降雨為龍卷的發(fā)生提供了很好的濕度條件；溫度變化表明，龍卷影響前，氣溫總體比較平穩(wěn)，即使在強降雨期間氣溫仍維持在25.3℃左右，在09:35—09:45龍卷過境前后，氣溫小幅波動，09:35—09:40氣溫下降0.1℃，09:40—09:45氣溫上升0.2℃，之后氣溫短暫小幅下降后逐漸上升，表明龍卷是發(fā)生在單一暖氣團中。

圖7 2018年9月17日09:00—10:00的西南洲邊村委站(a)和西南水利所站(b)溫度(藍線，℃)、氣壓(黑線，hPa)、2 min平均水平風速(紅線，m/s)、2分鐘平均風向(風向桿)和5分鐘累計降雨量(柱狀，mm)時間演變

另一個站點三水區(qū)西南水利所站同樣位于龍卷路徑的右側(cè)(圖6d)，距離龍卷發(fā)生地三水區(qū)西南街道漁運村(09:48)約700 m。分析其壓、風、雨、溫等發(fā)現(xiàn)具有與西南洲邊村委站相類似的特征(圖7b)，09:45/09:50龍卷過境前后，氣壓出現(xiàn)陡降/陡升，5 min內(nèi)氣壓降/升幅為-2.5 hPa/+2.1 hPa，氣壓“漏斗”明顯；風速突增，09:50出現(xiàn) 3 s瞬時極大風速值為22.1 m/s，風向先逆轉(zhuǎn)后順轉(zhuǎn)，09:30—09:40，風向由東南風逆轉(zhuǎn)為東到東北風，09:45—09:50，風向再由東北風順轉(zhuǎn)為東南風；龍卷發(fā)生前地面同樣已經(jīng)有降水發(fā)生，降雨峰值出現(xiàn)在09:30前后，較龍卷發(fā)生提前約15 min；在強降雨和龍卷發(fā)生期間，氣溫維持在25.4℃左右，龍卷過境后，氣溫明顯上升。

5 雷達觀測與預警分析

5.1 雷達觀測特征

廣州S波段多普勒雷達反射率因子產(chǎn)品顯示，9月17日早晨開始，珠江口西側(cè)的江門臺山、新會一帶不斷有南北向的強回波北上影響佛山，強回波帶由多個對流單體組成。產(chǎn)生龍卷的母體風暴源自于新會附近發(fā)展的對流單體，08:12前后其0.5°仰角反射率因子最強回波強度為53 dBz，對應徑向速度圖上為弱切變；08:24，對流單體北移至江門附近，發(fā)展為微型超級單體風暴，低層開始呈現(xiàn)出鉤狀回波和入流缺口特征，對應徑向速度圖上探測到弱中氣旋，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度為12.5 m/s，底高約0.9 km，尺度約2.7 km，1.5°仰角仍為弱切變 (圖略)；08:42，0.5°仰角反射率因子鉤狀回波和入流缺口特征更加明顯，對應徑向速度上中氣旋旋轉(zhuǎn)速度增強至15 m/s，接近中等強度中氣旋標準，底高約0.75 km，尺度約2.5 km，中氣旋擴展至1.5°仰角，旋轉(zhuǎn)速度為15 m/s，底高約1.6 km，尺度約2.9 km，雷達開始自動識別出中氣旋(圖8a1～8c1)；08:48，中氣旋增強至16 m/s，達到中等強度中氣旋標準(圖略)；09:00，風暴向西北移至佛山高明境內(nèi)，最強回波增至58 dBz，1.5°仰角中氣旋出流速度出現(xiàn)模糊，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度增強至17 m/s，尺度縮至2.5 km(圖8a2～8c2)；09:12，0.5 °仰角上中氣旋明顯增強，出流速度出現(xiàn)速度模糊，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度增至 19.0 m/s，底高維持在 0.75 km(圖8a3～8c3)；09:30，風暴移至三水白坭鎮(zhèn)附近，0.5°仰角上徑向速度圖上出現(xiàn)像素值的切變，切變值為34 m/s，底高0.8 km，距離雷達51 km，出現(xiàn)類TVS特征 (圖8a4～8c4)，經(jīng)現(xiàn)場災調(diào)確定09:37龍卷首先在白坭鎮(zhèn)觸地；09:42，龍卷風暴進入三水西南街道，0.5°仰角上中氣旋強度明顯增強，旋轉(zhuǎn)速度增大到27.0 m/s，達到強中氣旋標準，底高維持在0.8 km(圖8a5～8c5)；之后，龍卷風暴繼續(xù)西北移動，于10:00進入肇慶市四會區(qū)，之后逐漸減弱消失。本次龍卷母體風暴強度與“派比安”龍卷[20]相當，弱于阜寧龍卷和“彩虹”龍卷，阜寧龍卷和“彩虹”龍卷母體風暴最強回波均超過60 dBz、中氣旋最強旋轉(zhuǎn)速度均超過30 m/s、都出現(xiàn)了明顯的TVS特征[4,22,29]。

“山竹”臺風龍卷母體風暴中氣旋從17日08:24開始發(fā)展，08:42接近中等強度中氣旋標準 (雷達開始自動識別出中氣旋)，08:48增強到中等強度中氣旋，09:30出現(xiàn)類TVS特征，09:42達到最強，旋轉(zhuǎn)速度為27.0 m/s，達到強中氣旋標準，中氣旋持續(xù)至10:00。中氣旋總體持續(xù)時間約96 min。為了進一步揭示風暴的結(jié)構(gòu)，下面沿反射率因子勾狀回波和中氣旋附近對雷達反射率因子和徑向速度做垂直剖面 (垂直剖面位置見圖9a中的白線)。從反射率因子垂直剖面可見，龍卷母體風暴發(fā)展高度不高，回波頂高基本在10 km以下，50 dBz以上強回波高度在5 km以下，30 dBz以上反射率因子高度在8 km以下(圖9b)。對比而言，西風帶系統(tǒng)中的阜寧龍卷風暴垂直伸展更為旺盛、回波質(zhì)心更高，超過30 dBz的反射率因子可達16 km高度[29]。從平均徑向速度垂直剖面可見，“山竹”臺風龍卷母體風暴最顯著特征是該超級單體風暴的中氣旋自下而上朝東北方向傾斜，在3 km以下存在較強的旋轉(zhuǎn)氣流，3 km以上中氣旋明顯減弱，并明顯偏向東北方向(圖9c)，這與阜寧龍卷風暴中氣旋特征類似[29]，只是“山竹”臺風龍卷中氣旋尺度更小、垂直伸展厚度更低。可見，“山竹”臺風龍卷母風暴屬于低質(zhì)心微型超級單體，其中氣旋尺度較小，垂直伸展高度較低。這也與鄭媛媛等[19]、朱文劍等[22]獲得的結(jié)果類似。

5.2 龍卷預警分析

由于龍卷時空尺度小、發(fā)生概率低等特點，對于龍卷的監(jiān)測、預報預警仍是世界性難題。龍卷的臨近預警主要基于多普勒天氣雷達探測到的中氣旋[11]。統(tǒng)計表明，大約只有20%的中氣旋能夠產(chǎn)生龍卷，但當中氣旋底距離地面高度小于1 km時，龍卷的發(fā)生概率約為40%[11]。目前美國基層氣象臺發(fā)布龍卷警報的主要依據(jù)是：在環(huán)境低層垂直風切變和相對濕度較大情況下，探測到強中氣旋，或探測到中等以上強度中氣旋，并且其底部距離地面不超過1 km[11]。由于多普勒天氣雷達的中氣旋探測算法存在局限性，一方面使得中氣旋產(chǎn)品存在很多錯誤識別，再加上多數(shù)中氣旋沒有龍卷產(chǎn)生，所以基于中氣旋的龍卷預警會導致較高的虛警率，另一方面還會使得中氣旋識別時間過短，有的甚至識別不出中氣旋，容易導致龍卷的遲報、漏報。美國基于中氣旋的龍卷警報平均提前時間約為 10～20 min[11]。

圖8 2018年9月17日08:42—09:42廣州S波段雷達0.5°反射率因子(a)和0.5°(b)、1.5°(c)徑向速度

圖9 2018年9月17日09:24龍卷母體反射率因子(a)、反射率因子垂直剖面(b)和徑向速度垂直剖面(c)

雷暴大風和龍卷的短期預報是做好龍卷短時臨近預警的重要基礎[37]。陶祖鈺等[38]指出，小概率的極端天氣可以用相似法進行統(tǒng)計預報。目前對于臺風龍卷發(fā)生的有利環(huán)境場已有了較為清晰的成果[19-20,39]，黃先香等[20,23]分析表明，佛山(珠三角)地區(qū)臺風龍卷的活動特征及環(huán)境場存在較好的相似性，在臺風龍卷多發(fā)區(qū)域，將龍卷易發(fā)的臺風中心東北象限與大SRH區(qū)、強0～1 km垂直風切變區(qū)及低LCL等環(huán)境條件相結(jié)合，在一定程度上可以給出龍卷未來可能出現(xiàn)的高風險區(qū)域。在龍卷有發(fā)生潛勢的情況下，再進一步分析雷達特征，重點關注雷達反射率因子圖上≥50 dBz的強回波，要特別關注具有低層鉤狀回波和入流缺口等特征的微型超級單體風暴，以及雷達徑向速度圖上的低層中氣旋或TVS或類TVS，如果出現(xiàn)明顯中氣旋，并且中氣旋底高擴展到1 km以下，則可以發(fā)布龍卷預警。這種基于環(huán)境場特征的龍卷潛勢預報、再結(jié)合短時臨近雷達特征作出龍卷預警的龍卷預報預警技術思路，一方面可以提高龍卷預警的命中率，另一方面還可能大大增加龍卷預警時間的提前量。本次“山竹”臺風龍卷事件具備了臺風龍卷母體風暴產(chǎn)生的上述所有有利環(huán)境條件，雷達特征上也完全符合上述臺風龍卷雷達預警指標，而且考慮到龍卷母體風暴未來將影響的白坭鎮(zhèn)等地也是佛山歷史上臺風龍卷高發(fā)區(qū)等綜合因素，第1作者及團隊于9月17日09:00針對高明荷城、三水白坭等4個鎮(zhèn)街發(fā)布了龍卷警報，提前37 min預警了09:37三水白坭龍卷。但并非環(huán)境條件有利于龍卷產(chǎn)生的區(qū)域都會出現(xiàn)龍卷，實際上在當日15:00還發(fā)出了另一次龍卷預警，沒有出現(xiàn)龍卷。這也說明，龍卷預警技術還不成熟、業(yè)務上對龍卷的具體落區(qū)和發(fā)生時間等的短臨預報還存在極大困難，目前還不具備龍卷預警業(yè)務化的能力。這主要是因為孕育龍卷的母體風暴所處環(huán)境極為復雜，對龍卷風暴的結(jié)構(gòu)及其發(fā)生發(fā)展機理等諸多科學問題還不完全清楚，未來還有必要用高分辨率數(shù)值模式對龍卷風暴的結(jié)構(gòu)和機理等做進一步的深入研究。

6 小結(jié)和討論

受1822號臺風“山竹”外圍環(huán)流影響，2018年9月17日09:37—10:00廣東佛山三水、肇慶四會等地遭到龍卷襲擊。經(jīng)過實地災害調(diào)查、航拍龍卷災情路徑、詢問目擊者，再結(jié)合龍卷影像資料、地面自動氣象站、氣象衛(wèi)星和雷達等資料，對龍卷路徑進行確認，并綜合分析龍卷發(fā)生的環(huán)境場和龍卷風暴的結(jié)構(gòu)及強度演變等特點，得出如下結(jié)果。

(1)龍卷首先于09:37在佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)金竹村觸地，然后向西北方向移動，先后影響了三水區(qū)白坭鎮(zhèn)和西南街道、肇慶市四會區(qū)大沙鎮(zhèn)等地，路徑長度達18 km，持續(xù)時間23 min，平均時速約為47 km/h，導致多個村居建筑物受損。龍卷最大破壞寬度153 m，強度為EF2級，屬于強龍卷。

(2)龍卷產(chǎn)生于距離“山竹”中心東北象限約490 km處螺旋雨帶中的一個微型超級單體，衛(wèi)星云圖清晰可見其上沖云頂；龍卷出現(xiàn)在中低空強東南偏南急流交匯處及低層輻合、高層輻散相疊加的區(qū)域。強的低空0～1 km垂直風切變、大的風暴相對螺旋度(SRH)、低的抬升凝結(jié)高度(LCL)和較大的0～6 km垂直風切變，有利于龍卷超級單體風暴的生成。與珠三角歷史臺風強龍卷過程對比，本次龍卷過程的低空0～1 km垂直風切變與歷史強龍卷閾值相當，但0～6 km深層垂直風切變和風暴相對螺旋度(SRH)則相對較小。

(3)龍卷影響時，地面存在清晰的輻合線和小尺度渦旋；龍卷路徑附近的自動氣象站氣壓、風場等要素表現(xiàn)出明顯的信號：09:00—10:00瞬時大風、最低氣壓的極值區(qū)呈東南-西北向帶狀分布，與龍卷移動路徑一致；龍卷過境前后，鄰近龍卷路徑右側(cè)的自動站風速突增，風向出現(xiàn)先逆轉(zhuǎn)后順轉(zhuǎn)，氣壓陡降/陡升，單站5 min降壓/升壓幅度達-2.5 hPa/+2.1 hPa，氣壓“漏斗”明顯，明顯區(qū)別于下?lián)舯┝鞯戎本€型雷暴大風引發(fā)的氣壓陡升現(xiàn)象。

(4)龍卷母體風暴具有較明顯的鉤狀回波和入流缺口回波特征，其發(fā)展高度較低，50 dBz回波高度在5 km以下。徑向速度圖上低層出現(xiàn)中等到強的中氣旋和類TVS特征，中氣旋伸展厚底在3 km以下，持續(xù)時間約96 min，類TVS較龍卷觸地提前約7 min出現(xiàn)?；谏鲜隼走_觀測等特征，第一作者及團隊提前37 min成功發(fā)布了龍卷預警。

本文僅是對龍卷的環(huán)境場、地面自動站、雷達等觀測特征的初步分析，雖然在本次龍卷過程中開展了有效的龍卷預警試驗，但并非環(huán)境條件有利于龍卷發(fā)生的區(qū)域都會有龍卷出現(xiàn)，在實際預警發(fā)布過程中仍會存在難以確定龍卷的具體落區(qū)和發(fā)生時間、龍卷空報率較高等諸多問題，這主要是由于孕育龍卷的母體風暴所處環(huán)境極為復雜，對龍卷的發(fā)生發(fā)展機理還缺乏深入研究，加上龍卷本身尺度小、持續(xù)時間短、突發(fā)性強、發(fā)生概率低等特點，使得業(yè)務上開展龍卷的預報預警仍存在極大困難，未來有必要用高分辨率數(shù)值模式對龍卷風暴的結(jié)構(gòu)和機理進行深入分析。

致 謝：感謝廣東省氣象臺伍志方首席、廣東省生態(tài)氣象中心鄧玉嬌博士、中山大學白蘭強博士、山東省氣象臺朱君鑒研究員級高級工程師提供的支持和幫助。