任興宇 肖天貴 湯志亞

(成都信息工程大學 大氣科學學院，成都 610225)

引 言

龍卷是一種很小尺度的在強烈不穩(wěn)定大氣形勢下產(chǎn)生的對流渦旋，具有強度大、突發(fā)性強、危害嚴重等特點。國內(nèi)學者對于龍卷的研究還處于起步階段[1-3]。近年來,隨著新一代高時空分辨率和速度測量功能的氣象雷達的廣泛應用,使龍卷的監(jiān)測和預警能力都有所提高。許多學者利用新一代多普勒雷達詳細研究了誘發(fā)龍卷風的條件和形成過程，并取得較大進展。俞小鼎等[4-5]對安徽省一次超級單體龍卷進行了分析，探討了有利于龍卷發(fā)生發(fā)展的形成機制。鄭媛媛等[6]分析了安徽省的龍卷天氣過程，總結(jié)了龍卷風暴的特征和預警方法，提出超級單體龍卷在強垂直風切變和中等對流有效位能條件下，抬升凝結(jié)高度較低，中氣旋底高明顯偏低。趙蕾等[7]分析了海南一次龍卷過程，發(fā)現(xiàn)龍卷發(fā)生時的強回波中心頂高和 VIL值會出現(xiàn)驟降，且龍卷發(fā)生前上空有熱柱源伸展至對流層頂并向東傾斜，傾斜結(jié)構(gòu)表明垂直風切變較大有利于風暴長時間并存或加強。陳愛軍等[8]利用多普勒雷達產(chǎn)品對廣東一次超級單體龍卷進行特征分析，總結(jié)出對流單體合并可能會導致龍卷的發(fā)生并且龍卷最容易產(chǎn)生在鉤狀回波處，氣旋性旋轉(zhuǎn)和緊挨著的正負速度對在低層仰角出現(xiàn)時表明產(chǎn)生龍卷的漏斗云已向下伸展至底層，此時發(fā)布龍卷預警能爭取到大約10 min的預警時間。姚葉青等[9]根據(jù)安徽省龍卷發(fā)生時的環(huán)境條件，總結(jié)了龍卷臨近預警的著眼點。

江蘇是我國龍卷的高發(fā)地區(qū)，7月的龍卷風活動最強，占年龍卷風總數(shù)的40%，其次為6月和8月。對該地區(qū)龍卷進行深入研究具有重要意義。江蘇龍卷頻發(fā)最主要的原因是：江蘇北部地區(qū)地勢低洼平坦、江河湖泊水網(wǎng)交織，處于亞熱帶和暖溫帶的氣候過渡地帶，易積聚不穩(wěn)定能量，空氣對流的熱力條件和動力條件較好，有助于龍卷風生成。本文利用徐州多普勒雷達數(shù)據(jù)和常規(guī)氣象觀測資料，分析了超級風暴引起的龍卷風天氣過程的天氣狀況和回波特征，為今后龍卷探測和預警提供參考。

1 龍卷過程及臺風“溫比亞”概況

1.1 龍卷概況

根據(jù)徐州市氣象局和江蘇省氣象局發(fā)布的災情報告來看，江蘇地區(qū)受”溫比亞”臺風云系余波影響，18日18時(北京時，下同)對流風暴在徐州銅山區(qū)附近產(chǎn)生并逐漸加強形成微型超級單體，于18時48分在劉集鎮(zhèn)張集礦附近出現(xiàn)龍卷，龍卷移動路徑大約1.3 km， 寬度40～50 m，強度達到EF2級龍卷，持續(xù)時間大約為2 min。第二次龍卷于19時46分出現(xiàn)在豐縣謝集村附近，強度為EF1—EF2級龍卷，龍卷寬40 m左右，移動路徑大約500 m，持續(xù)大約1 min。龍卷發(fā)生時氣象觀測站測得該地區(qū)最大風速達到30.5 m·s-1(11級大風)。 截至19日02時，造成500余戶居民房屋不同程度受損，一人死亡，多人受傷。

1.2 臺風溫比亞概況

8月15日14時，東海熱帶低壓加強為2018年第18號臺風“溫比亞”。自生成以來，“溫比亞”一直以熱帶風暴級別的強度穩(wěn)步向我國華東沿?？拷?；16日14時，“溫比亞”距離浙江省舟山偏東方約190 km，中心附近最大風力9級(23 m·s-1)。 臺風將以15 km·h-1左右的速度向西偏北方向移動，強度逐漸加強，16日10時位于“溫比亞”浙江舟山偏東方約220 km的東海海面上，中心附近最大風力有8級(20 m·s-1)，中心最低氣壓為992 hPa，7級風圈半徑50～350 km。17日04時05分前后在上海浦東新區(qū)南部沿海登陸，登陸時中心附近最大風力9級(23 m·s-1，熱帶風暴級)，中心最低氣壓為985 hPa。8月17日，“溫比亞”在江蘇逗留了7 h，成為2018年夏季影響江蘇的最強臺風，它給江蘇大部地區(qū)帶來了一天一夜的狂風暴雨。8月18日臺風中心位于信陽到安徽合肥西北部一帶，雖然臺風整體處于減弱階段，但仍保持在熱帶風暴量級以上。徐州臺風外圍龍卷距離臺風中心大約300 km，在有利的地理環(huán)境和大氣環(huán)流背景共同影響下，易在臺風外圍的徐州地區(qū)產(chǎn)生龍卷。

2 天氣背景分析

2018年8月18日08時西太平洋副熱帶高壓北抬，徐州地區(qū)位于低空槽前，受低層東南急流控制，有明顯水汽和熱量輸向該地區(qū)輸送。低層盛行自海洋吹向陸地的暖濕氣流，300 hPa以上，來自北方的干冷氣流向徐州地區(qū)輸送，從低層到高層水平風的垂直切變大，大氣具有明顯的層結(jié)不穩(wěn)定。14時蘇州北部地區(qū)受暖低壓控制，濕度大，溫度高，大部份地區(qū)露點溫度為26 ℃，部分地區(qū)高達27 ℃，大氣不穩(wěn)定性增強；18時30分微型超級單體中心位于銅山區(qū)官橋鎮(zhèn)附近，最強回波超過55 dBZ，銅山區(qū)的短時強降水和龍卷均由此風暴造成，蕭縣及西北、北部地區(qū)地面有較強的風向和風速輻合，中氣旋生成中心位于銅山區(qū)北部附近。 此后，氣旋逐漸向西北方向發(fā)展。

3 環(huán)境條件分析

3.1 熱力不穩(wěn)定

8月18日徐州地區(qū)低層主要受暖濕的東南低空急流控制，高層轉(zhuǎn)為南風。 08時徐州站的探空資料表明：08時該地區(qū)對流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE)值為260 J·kg-1，K指數(shù)為38 ℃，沙氏指數(shù)是-0.65，表明大氣中存在對流不穩(wěn)定。需要指出的是，銅山區(qū)和豐縣的龍卷發(fā)生時間為18時，徐州08時探空資料不確定能代表龍卷發(fā)生時的實際狀況，只提供參考。

3.2 垂直風切變

低的抬升凝結(jié)高度和較大的低層垂直風切變是利于龍卷發(fā)生的兩個條件[10-11]。 Thompson, et al[12]分析結(jié)果表明：F2級龍卷0～6 km的垂直風切變的平均值為4×10-3s-1，最低值為3×10-3s-1；0～1 km的垂直風切變的平均值為9.5×10-3s-1，最低為5.5×10-3s-1，判斷龍卷能否發(fā)生很大程度取決于0～1 km的垂直風切變[13]。根據(jù)徐州多普勒雷達風廓線產(chǎn)品(圖1)，8月18日18—19時，徐州上空由低層的東南風、南風逐漸順轉(zhuǎn)為高層的西南風，風向風速具有很大變化。據(jù)地面觀測資料和探空資料，徐州站0～6 km垂直風切變約為2.9×10-3s-1，0～1 km垂直風切變約為8.6×10-3s-1，已經(jīng)超過可能出現(xiàn)龍卷的閾值[14-16]?？梢娦熘莸貐^(qū)低層具有很強的垂直風切變，非常利于龍卷的形成。

圖1 8月18日18—20時徐州多普勒雷達風廓線產(chǎn)品:(a)18時12分—19時12分;(b)19時06分—20時06分Fig.1 Wind profile product of Xuzhou Doppler radar from 18∶12 BST to 20∶06 BST on 18 August:(a)18∶12 BST to 19∶12 BST; (b)19∶06 BST to 20∶06 BST

3.3 水汽條件

徐州站18日08時的抬升凝結(jié)高度為966 hPa距離地面高度大約400 m。據(jù)相關(guān)研究的結(jié)論表明低的抬升凝結(jié)高度有利于強龍卷的生成[14-15]，此時徐州地區(qū)上空較低的抬升凝結(jié)高度為龍卷風的產(chǎn)生提供了有利條件。 995、925、850、700、500 hPa 的比濕分別為18.88、17.98、16.25、10.27、5.46 g·kg-1。850～500 hPa假相當位溫大于6 ℃，垂直溫度遞減率≥0.5 ℃/(100 m)。 因此低抬升凝結(jié)高度、對流層深厚氣層中的低氣壓和中下層中不穩(wěn)定層結(jié)為龍卷的發(fā)生提供了有利的條件。由圖2可見，江蘇大部分地區(qū)均處于高溫高濕的環(huán)境條件下。

3.4 抬升條件

徐州大部分都是平原為龍卷的發(fā)展提供了有利地形條件。并且江蘇地區(qū)東西方向跨度很大，受海洋影響程度有差異導致其東西部受不同季風氣候影響。根據(jù)8月18日14時的地面風場分析表明徐州地區(qū)存在一條輻合線，為局地的強對流提供了觸發(fā)機制，為龍卷的發(fā)生提供了有利的上升運動條件。

圖2 2016年8月18日18時650 hPa(a)、950 hPa(b)相對濕度和溫度疊加場(溫度單位：K;相對濕度單位：%)Fig.2 Relative humidity and temperature superposition field of (a)650 hPa and (b)950 hPa at 18∶00 BST on Aug. 18, 2016(temperature unit: K; relative humidity unit: %)

4 多普勒雷達資料分析

4.1 反射率因子演變情況

根據(jù)多普勒雷達檢測到18時21分有對流風暴在徐州市三堡鎮(zhèn)附近形成，并以50 km·h-1的速度朝著西北方向移動，在此期間對流風暴兩次加強最終形成了微超級單體風暴。在龍卷風形成之前，反射率因子通常具有快速增強的特點，此次過程前后的反射率因子強度均大于50 dBZ，最強回波中心在6 km以下。 18時30分(圖3a)，強對流單體隨著東南風的深入沿著西北方向延伸，強度繼續(xù)增強，在18時48分(圖3d)達到最強，最大反射率因子為58 dBZ，并出現(xiàn)典型超級單體特征—鉤狀回波和暖濕氣流鏈接形成入流缺口回波等特征。并且在強回波中心區(qū)域，在同一方位的中層高值區(qū)位于底層低值區(qū)之上，具有明顯的雷達回波高值區(qū)向低層入流區(qū)方向傾斜的現(xiàn)象，其低層強烈的入流對保持對流上升運動的穩(wěn)定性提供了有利條件。

為了探究超級單體特征，對反射率因子中氣旋中心附近做垂直剖面(圖4)可見，此微超級單體的發(fā)展高度較低，50 dBZ以上的回波主要位于4 km以下，單體垂直伸展高度基本在10 km左右，呈現(xiàn)出明顯的低質(zhì)心的特點。 并且中氣旋的伸展高度在2 km左右，平均直徑大約3 km。此次徐州龍卷風暴是一種低質(zhì)心微超級單體，具有水平尺度小，垂直伸展高度較低的特點。

4.2 反射率因子演變情況與中氣旋特征

圖5 8月18日2.4°仰角平均徑向速度：(a)18時48分；(b)18時54分；(c)19時00分；(d)19時06分Fig.5 Storm relative velocity of 2.4°elevation on 18 August at： (a) 18∶48 BST ; (b) 18∶54 BST; (c) 19∶00 BST; (d) 19∶06 BST

根據(jù)多普勒雷達產(chǎn)品檢測出單體鉤狀回波在18時48分開始出現(xiàn)中氣旋特征(圖5)，共持續(xù)4次體掃，表1為18時48分—19時06分的G6中氣旋的特征量。中氣旋與單體風暴移動方向大體都是向西北方向移動，與龍卷移動路徑基本吻合。18時48分2.4°仰角風暴速度圖明顯反映出了氣旋性旋轉(zhuǎn)，后側(cè)下沉氣流與鉤狀回波的底層入流區(qū)形成了中氣旋環(huán)流。根據(jù)徑向速度的垂直剖面，可以清楚地反映出中旋風的垂直尺度較大，結(jié)構(gòu)對稱，并且從高層向低層發(fā)展。此時G6中氣旋距離雷達站29 km，最大正速度為19.5 m·s-1、最大負速度為-18.5 m·s-1。根據(jù)中氣旋識別標準，G6屬于強中氣旋，旋轉(zhuǎn)速度(正負速度絕對值之和的平均值)為19 m·s-1，中氣旋切變值達到10×10-3s-1，具有較強切變。

中層中氣旋首次發(fā)現(xiàn)是在 18時48分(圖7a)，其旋轉(zhuǎn)速度為24 m·s-1，最強切變高度為2 km，其后的3個體掃中均伴有中氣旋，同一時刻對流單體的雷達回波表現(xiàn)出超級單體的特征。 18時54分(圖7b)中氣旋發(fā)展加深，通過對反射率因子的垂直剖面進行觀察發(fā)現(xiàn)了中高層回波的懸垂結(jié)構(gòu)和低層有界弱回波區(qū)垂直伸展高度10 km，回波中心大值區(qū)位于在5 km以下，低層高層均出現(xiàn)有界弱回波區(qū)懸垂結(jié)構(gòu)表明此時有非常強烈的上升氣流，為風暴的發(fā)展提供有力的動力條件。

根據(jù)徐州多普勒雷達產(chǎn)品可以看出18時36分在2.4°仰角發(fā)現(xiàn)對稱的正負速度區(qū)，低層并沒有觀察到此現(xiàn)象。18時42分氣旋逐漸向低層發(fā)展，在1.5°仰角距離雷達298° 29 km處出現(xiàn)對稱的正負速度區(qū)，最大正負速度分別為25 m·s-1、-26 m·s-1；18時48分根據(jù)多普勒雷達產(chǎn)品檢測到中氣旋特征，轉(zhuǎn)速達到24 m·s-1屬于強中氣旋，徑向尺度在10 km左右，氣旋中心距離地面1.5 km，中氣旋底高0.9 km并且氣旋繼續(xù)向低處發(fā)展此時已經(jīng)具備龍卷發(fā)生的條件；19時06分在0.5°仰角的徑向速度產(chǎn)品檢測出沿著雷達徑向?qū)ΨQ的正負速度區(qū)，呈現(xiàn)出明顯的氣旋式環(huán)流特征，說明此時 G6中氣旋已經(jīng)發(fā)展至最低角度。此時在中氣旋環(huán)流之中檢測出龍卷渦旋特征(Tornado Vortex Signature, TVS)，位于雷達300° 43.5 km處。根據(jù)定義，龍卷渦旋特征為沿著雷達方位角方向的兩個相鄰像素之間的強烈速度切變。根據(jù)徐州多普勒雷達數(shù)據(jù)產(chǎn)品檢測到19時06分0.5°仰角出現(xiàn)一組相鄰的-26 m·s-1和22 m·s-1的速度對，故產(chǎn)生了 TVS警報。然而根據(jù)實際情況指出龍卷發(fā)生時間為18時48分，持續(xù)時間大約為1～2 min，實際發(fā)生龍卷的時間與檢測到 TVS時間相差近18 min出現(xiàn)了滯后的現(xiàn)象。根據(jù)對以往發(fā)生龍卷資料的統(tǒng)計，大約85%發(fā)生龍卷前都出現(xiàn)了中氣旋，而出現(xiàn) TVS的龍卷次數(shù)僅為50%，因此用中氣旋可以作為龍卷的臨近預報，而 TVS出現(xiàn)時龍卷可能已經(jīng)發(fā)生了。因此當檢測出有強中氣旋產(chǎn)生并且向低層迅速發(fā)展時應考慮發(fā)布龍卷警報以避免龍卷天氣帶來的損失。

表1 G6中氣旋特征量Table 1 Characteristic quantities of mesocyclones G6

5 結(jié)論

(1)受”溫比亞”臺風云系影響，低層暖濕的東南急流對產(chǎn)生龍卷的動力和熱力條件起著重要作用。中層來自東北弱冷空氣的流入和海洋水汽的影響使大氣具有上干下濕的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，中低層較強的垂直風切變導致了較強的旋轉(zhuǎn)潛勢，高層的輻散為強對流天氣的形成和發(fā)展提供了動力機制，從而發(fā)生了2018年8月18日的龍卷天氣。

(2)位勢不穩(wěn)定層結(jié)、低層(0～1 km)具有較強的垂直風切變、低的抬升凝結(jié)高度和中尺度輻合線為徐州地區(qū)上空對流單體的形成和發(fā)展提供了非常有利的條件。此次龍卷發(fā)生前，風暴持續(xù)向西北方向移動，風暴經(jīng)過兩次加強后形成微型超級單體，最終產(chǎn)生龍卷。說明對流單體加強有利于誘發(fā)龍卷。當環(huán)境條件具有上述特征時，應當考慮龍卷發(fā)生的可能性。

(3)受低空東南急流影響導致該地區(qū)近地面的垂直風切變增大，形成的近地面的水平渦度大多是朝向龍卷生成地區(qū)的低層入流方向，水平渦度在近地面流入過程受上升氣流影響逐漸被扭曲為垂直渦度，隨后被進一步的拉伸加強形成中層中氣旋。此次龍卷發(fā)生前18 min在雷達回波圖中中氣旋有明顯的從高層到低層發(fā)展的趨勢。龍卷發(fā)生時，中氣旋強度保持穩(wěn)定但雷達反射率因子略微減弱，低層的入流缺口逐漸消失。此次微型超級單體回波強度高值區(qū)域基本低于5 km，屬于低質(zhì)心型對流系統(tǒng)，受此次對流過程影響產(chǎn)生的天氣是龍卷和大雨，沒有降雹。

(4)龍卷風大多發(fā)生于鉤狀回波處，在低層的入流與后側(cè)下沉氣流導致的出流的共同作用下形成了中氣旋環(huán)流。通過此次多普勒雷達產(chǎn)品檢測結(jié)果表明，當中氣旋的最大切變高度具有明顯下降趨勢以及其切變值的增加時，中氣旋將逐漸加強并向低層發(fā)展；當雷達在低層仰角觀測到有明顯的氣旋性旋轉(zhuǎn)并且出現(xiàn)緊挨著的正負速度對時，表明可能導致龍卷風生成的對流云已經(jīng)向下發(fā)展至低層。 此時應及時發(fā)出龍卷預警。