陸 琛, 魏 鳴

(1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044)

災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警和短臨預(yù)報一直受到關(guān)注,隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,強(qiáng)對流天氣所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失也越大。強(qiáng)對流系統(tǒng)中往往有多種災(zāi)害同時發(fā)生,如冰雹、雷暴、龍卷風(fēng)的預(yù)報一直是很大的挑戰(zhàn)。龍卷經(jīng)常出現(xiàn)在強(qiáng)對流天氣中,但由于其尺度小、發(fā)展迅速,所以不易被觀測到。相比于其它大氣探測方法,天氣雷達(dá)探測的時間和空間分辨率高,對龍卷風(fēng)的預(yù)報和探測具有獨(dú)特優(yōu)勢。近年來,中國新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)正在升級為雙偏振多普勒雷達(dá),雙偏振雷達(dá)相比于常規(guī)單偏振多普勒雷達(dá)能獲得更多信息,其偏振參量有：水平/垂直偏振反射率因子ZHH、Zvv(dBZ)能反映散射粒子的尺度和濃度的度量,主要受尺度控制；差分反射率Zdr(differential reflectivity) (dB)能反映中值水滴直徑的度量,受尺度/形狀影響,對判別雨、雹、雪等有用；比差分傳播相位移Kdp(specific differential phase)[(°)/km]對精確降雨估計有效,對雷達(dá)標(biāo)校、衰減和波束部分阻擋不敏感；零滯后相關(guān)系數(shù)(cross-correlation coefficient，CC)。

對雙偏振參量的龍卷特征分析已有前人研究結(jié)果。張培昌等[1]總結(jié)了4種龍卷易出現(xiàn)的天氣,對龍卷產(chǎn)生的條件、形成機(jī)制和雷達(dá)探測預(yù)報龍卷的方法做出總結(jié),并對中國發(fā)生的3個龍卷個例的雷達(dá)資料進(jìn)行了分析,說明龍卷可以在不同的天氣條件下產(chǎn)生,在雷達(dá)探測上會有一些基本相似的特征,如鉤狀回波、中氣旋產(chǎn)品和龍卷渦旋特征(tornado vortex signature,TVS),可以推斷有較大概率發(fā)生龍卷,并被實際觀測證明確有龍卷。

對于臺風(fēng)龍卷的時間分布特征,Schultz等[2]對1950—2007年美國颶風(fēng)引起的龍卷進(jìn)行了特征分析,分為外圍龍卷和區(qū)域內(nèi)龍卷,外部區(qū)域的龍卷風(fēng)(距臺風(fēng)中心超過200 km)有更強(qiáng)的晝夜信號,通常發(fā)生在下午。區(qū)域內(nèi)龍卷風(fēng)通常發(fā)生在臺風(fēng)中心登陸后12 h內(nèi),發(fā)生時間在一天中沒有特定時段。Bodine等[3]用龍卷碎片特征(tornadic debris signatures，TDS)參數(shù)來獲得關(guān)于龍卷風(fēng)損害嚴(yán)重程度和空間范圍的近實時信息。張建云等[4]也對2015年彩虹臺風(fēng)廣東佛山龍卷進(jìn)行了雷達(dá)TVS及TDS特征的分析。佛山雷達(dá)為X波段雙偏振雷達(dá),龍卷發(fā)生時,雷達(dá)探測到了超級單體風(fēng)暴鉤狀回波內(nèi)的龍卷渦旋。龍卷渦旋位于鉤狀回波的末端,龍卷渦旋的反射率因子大,即回波很強(qiáng),其中間反射率因子相對較弱；與強(qiáng)反射率因子對應(yīng)的位置,平均徑向速度有明顯的渦旋特征；在龍卷渦旋的位置,雙偏振雷達(dá)的差分反射率因子Zdr有明顯的低值區(qū),零滯后相關(guān)系數(shù)(CC)也有一明顯的低值區(qū)。黃先香等[5]對2018年6月8日臺風(fēng)“艾云尼”中發(fā)生的廣州龍卷和佛山龍卷進(jìn)行了分析,龍卷均發(fā)生在中低空強(qiáng)東南急流和高層輻散的有利大尺度環(huán)流背景下。環(huán)境條件表現(xiàn)為較強(qiáng)的低層風(fēng)垂直切變和較大的風(fēng)暴相對螺旋度,較小的對流有效位能和對流抑制能量,極低的抬升凝結(jié)高度,地面存在中尺度輻合線和小尺度渦旋。廣州S波段雷達(dá)探測到兩次龍卷母云風(fēng)暴的低層鉤狀回波和入流缺口回波特征及低層中等強(qiáng)度中氣旋,龍卷出現(xiàn)在鉤狀回波頂端、中氣旋中心附近。佛山雷達(dá)清晰地探測到佛山南海區(qū)大瀝龍卷的微型超級單體和龍卷碎片特征(TDS)。潘佳文等[6]針對福州地區(qū)一次臺風(fēng)螺旋雨帶造成的特大暴雨過程進(jìn)行分析,探討了臺風(fēng)登陸前局地短時強(qiáng)降水與地形的關(guān)系,地形摩擦作用增大了垂直風(fēng)切變。王炳赟等[7]研究了1522強(qiáng)臺風(fēng)“彩虹”螺旋雨帶中衍生龍卷的超級單體演變與形成機(jī)理,幾個龍卷分別出現(xiàn)在上午和午后,產(chǎn)生在遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心的外雨帶上。

2019年8月29日凌晨,海南儋州發(fā)生了EF2級龍卷,此次龍卷發(fā)生在臺風(fēng)“楊柳”的外圍螺旋雨帶。與一般龍卷不同的是,儋州龍卷發(fā)生在夜間,而大部分龍卷的觀測記錄都是在午后。由于針對夜間龍卷的研究較少,因此以這次海南臺風(fēng)雨帶的夜間龍卷為例,分析天氣背景、衛(wèi)星云圖、儋州地形、大氣風(fēng)溫濕結(jié)構(gòu)以及海口S波段雙偏振多普勒雷達(dá)資料,從熱力、動力和水汽等方面分析夜間龍卷的形成原因及回波結(jié)構(gòu)。

1 天氣背景

1.1 事件概況與海南省地形影響

2019年第12號臺風(fēng)“楊柳”(熱帶風(fēng)暴級)的中心在8月28日1:00前后在菲律賓呂宋島沿海登陸,登陸時中心附近最大風(fēng)力有8級(18 m/s),中心最低氣壓為998 hPa。5:00“楊柳”的中心位于海南省陵水縣以東大約1 000 km的南海東部海面上,位置為16.9°N、119.3°E,中心附近最大風(fēng)力有8級(18 m/s),中心最低氣壓為998 hPa,7級風(fēng)圈半徑為150～300 km。8月29日5:00臺風(fēng)“楊柳”位于海南省三亞市偏東方約300 km的南海北部海面上(17.8°N、112.3°E),中心附近最大風(fēng)力有9級(23 m/s),中心最低氣壓為990 hPa,7級風(fēng)圈半徑為180～330 km。受臺風(fēng)影響,海南島局部有暴雨,伴有短時強(qiáng)降水和雷暴龍卷等強(qiáng)對流天氣。8月29日3:30儋州發(fā)生龍卷,強(qiáng)度達(dá)到EF2級,造成8人遇難,2人受傷。

圖1所示是海南省地形圖,儋州位于19.5°N、119.5°E的覆蓋范圍內(nèi)(見圖中圓圈),箭頭是臺風(fēng)雨帶來向。臺風(fēng)外圍雨帶的風(fēng)從東北吹向西南時,遇到山地地形遇阻抬升,同時山地摩擦減小地面風(fēng)速,高空風(fēng)速仍保持,加大了垂直風(fēng)速切變,促進(jìn)迎風(fēng)坡氣流抬升。這種動力加強(qiáng)機(jī)制與壽紹文[8]在中尺度氣象學(xué)闡述的臺風(fēng)雨帶中出現(xiàn)龍卷的機(jī)制相符,也與王炳赟等[9]解釋的2015年10月4日“彩虹”臺風(fēng)雨帶出現(xiàn)龍卷的原理相似。

圖1 海南省地形圖Fig.1 Topographic map of Hainan province

1.2 天氣圖分析

圖2所示為2019年8月28日20：00—29日8：00(北京時間,下同)的高空與地面天氣圖。圖2(a)、圖2(b)是28日20：00和29日8：00的500 hPa天氣圖,可以清楚地見到臺風(fēng)“楊柳”深厚的暖低壓中心向海南島移動,并不斷加強(qiáng)；圖2(c)、圖2(d)是8月28日20：00 700 hPa和850 hPa天氣圖,臺風(fēng)暖濕中心清晰可見；圖2(e)、圖2(f)、圖2(g)、圖2(h)分別是28日20：00、29日2：00、29日5：00和29日8：00疊加雷達(dá)反射率因子(即回波強(qiáng)度)的地面天氣圖,分析4個時次的臺風(fēng)雨帶環(huán)流和回波演變可知,隨著臺風(fēng)中心移向海南島,臺風(fēng)雨帶的回波強(qiáng)度不斷加強(qiáng),29日2：00和5：00海南儋州附近的回波達(dá)到最強(qiáng),對應(yīng)著山地抬升對流加強(qiáng),導(dǎo)致夜間的龍卷和雷暴。

2 衛(wèi)星云圖與T-logP圖

2.1 衛(wèi)星云圖

為了研究夜間臺風(fēng)加強(qiáng)生成龍卷的熱力不穩(wěn)定機(jī)制,利用FY2G紅外亮溫圖分析云頂溫度的變化。圖3所示為2019年8月29日0:00和3:00的FY2G紅外亮溫圖,紅色矩形區(qū)域為海南省。可以看到海南以南地區(qū)29日0:00亮溫比周圍明顯低很多呈灰色,低值區(qū)范圍為185～190 K,這是由于云頂向外太空發(fā)射長波輻射而降溫,0:00—3:00最低溫度的灰區(qū)面積合并擴(kuò)大,并有向海南北部移動的軌跡，此時云頂溫度最低為185 K,地面和云頂溫差增加使熱力不穩(wěn)定加強(qiáng),促進(jìn)了強(qiáng)對流。根據(jù)圖2,臺風(fēng)低壓中心在灰色區(qū)的東南方向,強(qiáng)對流位于臺風(fēng)西側(cè),這里正對應(yīng)著海南島儋州區(qū)域,云頂輻射降溫及強(qiáng)對流云團(tuán)合并,為臺風(fēng)雨帶產(chǎn)生龍卷提供了熱力不穩(wěn)定。

2.2 T-logP圖

T-logP圖(溫度氣壓對數(shù)圖)表示了大氣風(fēng)溫濕垂直結(jié)構(gòu),可進(jìn)行物理量診斷。圖4所示為28日20：00和29日8：00?？谔娇照镜腡-logP圖,下面從溫度層結(jié)(即對流指數(shù))方面分析大氣結(jié)構(gòu)。對流有效位能(convective available potential energy，CAPE)值越大,大氣溫度層結(jié)越不穩(wěn)定,當(dāng)大于1 000時發(fā)生強(qiáng)對流可能性大。K指數(shù)是反映對流層中低層大氣層結(jié)穩(wěn)定、濕度和飽和程度的綜合指標(biāo)。K越大,層結(jié)越不穩(wěn)定,2530連續(xù)雷雨。在自由對流高度(level of free converction,LFC)上氣塊溫度高于環(huán)境溫度,氣塊能從環(huán)境大氣中獲取不穩(wěn)定能量自由上升。由表1可見,海口站28日20：00到29日8：00,CAPE值從1 539增加到1911，K指數(shù)從25.9增加到38.1，LFC從2 km降到0.8 km,說明大氣底層水汽在增多。這些指標(biāo)都有利于對流的發(fā)展,為夜間龍卷的形成提供了有利的環(huán)境背景。

圖2 2019年8月28日20時—29日8時的高空與疊加了雷達(dá)反射率因子的地面天氣圖Fig.2 Surface weather map added with radar echo reflectivity factors and high altitudes weather map from 20:00 in August 28 to 08:00 on August 29th, 2019

紅色區(qū)為海南省圖3 2019年8月29日FY2G紅外亮溫圖Fig.3 Infrared bright temperature from FY2G on August 29th, 2019

圖4 2019年8月28日20：00和29日8：00?？赥-logP圖Fig.4 T-logP plot in Haikou at 20:00 on August 28th and 8:00 in August 29th

表1 28日20：00和29日8：00?？谔娇諏α髦笖?shù)Table 1 Radiosonde convection index of Haikou at 20:00 on August 28th and 8:00 on August 29th

再分析大氣的濕度層結(jié)特征,注意到無論海口還是三亞探空站28日20：00大氣從地面到1 km水汽豐沛,而1～3 km的中低層很干,與圖2(c)海南島干暖特征相符,中尺度氣象學(xué)[8]在討論環(huán)境熱力條件對于對流風(fēng)暴強(qiáng)度的影響時認(rèn)為:“邊界層的水汽豐富有利于不穩(wěn)定能量的儲存和積累,增強(qiáng)風(fēng)暴的強(qiáng)度,而邊界層以上(2～4 km)則相反,水汽減少反而會使對流不穩(wěn)定性加強(qiáng),進(jìn)而使風(fēng)暴增強(qiáng)。另一方面風(fēng)暴發(fā)生后可以造成干燥的中層入流,使降水質(zhì)點(diǎn)蒸發(fā)加強(qiáng),下沉氣流和雷暴外流引起嚴(yán)重的災(zāi)害性大風(fēng)”。28日20：00的干層在1～3 km,這是海南島在臺風(fēng)前的局地干熱環(huán)境所致,這種水汽強(qiáng)梯度促進(jìn)了對流發(fā)展,這種特有的濕度層結(jié)特征促使29日凌晨出現(xiàn)龍卷。29日8：00較28日20：00的近地面風(fēng)速明顯增大,與雷暴外流的災(zāi)害性大風(fēng)有關(guān)。

3 雙偏振雷達(dá)特征分析

3.1 反射率因子特征

圖5所示為2019年8月29日?？陔p偏振雷達(dá)的0.5°仰角反射率因子圖,2:16雷達(dá)站向南100 km內(nèi)有強(qiáng)雨帶,200～300 km內(nèi)有大范圍降水,局部降水強(qiáng)度大,同時北偏東250 km左右也有小范圍強(qiáng)降水,3:58龍卷發(fā)生后離雷達(dá)站較近的降雨帶東移,與臺風(fēng)雨帶移動路徑一致。

圖6所示為2019年8月29日3:30龍卷發(fā)生時的反射率因子(reflectivity cross section，RCS),儋州所在地區(qū)(圓圈區(qū))的雷達(dá)反射率因子在0.5°仰角處最大達(dá)到56 dBZ,抬高仰角到1.5°,最大值達(dá)到60 dBZ以上,最大回波強(qiáng)度在高度4 km。RCS上最強(qiáng)回波高度在2～3 km,對應(yīng)龍卷伸向地面的過程。

圖6 8月29日3:30反射率因子Fig.6 Reflectivity factor at 3:30 on August 29th, 2019

圖7 8月29日3:13 兩個中尺度渦旋的徑向速度圖退模糊對比Fig.7 Velocity dealiasing comparison of two mesoscale vortexes at 3:13 on August 29th

3.2 徑向速度特征

圖7所示為8月29日3:13 兩個中尺度渦旋的徑向速度圖退模糊對比。退模糊后對龍卷的發(fā)展過程分為3個階段,選取了3:13、3:30、3:58三個時間點(diǎn),3:13徑向速度圖中0.5°仰角出現(xiàn)了小范圍速度模糊,經(jīng)過退速度模糊并減去周圍環(huán)境風(fēng)場后,有兩處出現(xiàn)了中尺度渦旋特征,仰角抬高到1.5°,速度模糊范圍增大且出現(xiàn)了二次模糊,經(jīng)過處理后,中尺度渦旋特征范圍更大更明顯,龍卷從空中向地面發(fā)展,到3:30,0.5°仰角的中尺度渦旋較之前明顯,而在1.5°仰角中也出現(xiàn)了中尺度渦旋和正負(fù)速度對,龍卷進(jìn)一步發(fā)展,繼續(xù)抬升仰角,依舊有中尺度渦旋的特征,直到6.0°仰角消失,高度大約為5 km,符合反射率因子垂直剖面圖的特征。3:58中尺度渦旋又分散為2個(圖8),0.5°仰角圖上渦旋程度和范圍均趨減小,1.5°仰角仍較明顯,此時龍卷渦旋開始減弱。

3.3 速度譜寬特征

由于龍卷發(fā)展演變時,速度譜寬可以指示其湍流特征,參看文獻(xiàn)[10]。圖9所示為8月29日1.5°仰角譜寬。3:13有兩處出現(xiàn)譜寬大于10 m/s,位置與徑向速度圖中尺度渦旋相似,到3:30合并為平均7 m/s的大范圍,之后到3:58再分裂,與徑向速度變化趨勢一致。

圖8 8月29日3:30,3:58徑向速度圖Fig.8 Radial velocity at 3:30 and 3:58 on August 29th

圖9 8月29日1.5°仰角譜寬Fig.9 1.5°elevation spectral width on August 29th

3.4 雙偏振參量特征

圖10所示為2019年8月29日差分反射率因子Zdr。在中尺度渦旋對應(yīng)的位置,3:13和3:30在1.5°仰角出現(xiàn)了較大范圍的正負(fù)值,3:58在對應(yīng)位置沒有較明顯的正負(fù)值變化,而3:30的0.5°仰角出現(xiàn)了正負(fù)值混合,說明近地面龍卷將碎片拋到空中,但1.5°仰角正負(fù)混合范圍明顯減小,由于碎片的方向隨機(jī),形狀不規(guī)則,導(dǎo)致TDS特征處相關(guān)系數(shù)CC較小,3:30在1.5°仰角仍可測到小范圍CC小值區(qū),3:58消失,此時龍卷減弱不足以拋碎屑到更高處。圖11所示為2019年8月29日1.5°仰角比差分相位Kdp。Kdp隨著龍卷的發(fā)展逐漸增強(qiáng),到3:30正值區(qū)的數(shù)值和范圍都達(dá)到了最大,隨后減弱。圖12所示為2019年8月29日0.5°與1.5°仰角相關(guān)系數(shù)。

在3:13的0.5°仰角相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)多處正負(fù)值交錯的區(qū)域,抬高到1.5°則幾乎消失,這是受地物雜波的影響,根據(jù)海南地形圖,?？诶走_(dá)站位置的西北部是山脈部分,低仰角地物雜波影響明顯,而1.5°則很少,而在3:30的1.5°仰角圖中,出現(xiàn)了一塊有正負(fù)值交錯的區(qū)域,這是受龍卷影響,一些雜物被卷到空中所造成的,到3:58龍卷消失或不足以將雜物卷到1.5°仰角的高度。

4 結(jié)論

(1)分析海南地形圖以及2019年8月28日20：00到29日8：00高空天氣圖和疊加雷達(dá)回波強(qiáng)度的地面天氣圖,臺風(fēng)“楊柳”自東向西移向海南島,雨帶受地面摩擦和迎風(fēng)坡抬升,回波強(qiáng)度在29日2：00增強(qiáng),5：00達(dá)到最強(qiáng),對應(yīng)夜間發(fā)生龍卷的時段。

(2)分析FY2紅外云圖演變可知,夜間海南島附近對流云團(tuán)的云頂亮溫明顯低于周圍地區(qū),云頂?shù)妮椛浣禍卦黾恿伺c地面的溫差,從29日0：00到3：00最低溫度的灰區(qū)面積合并擴(kuò)大增加了熱力不穩(wěn)定,促進(jìn)對流增強(qiáng)。

(3)分析T-logP圖的風(fēng)溫濕垂直分布,海口站28日20：00—29日8：00,CAPE值從1 539增加到1 911；K指數(shù)從25.9增加到38.1，LFC從2 km降到0.8 km,說明大氣底層水汽在增多。這些指標(biāo)都有利于對流的發(fā)展,為夜間龍卷的形成提供了有利的環(huán)境。28日20：00的干層在1～3 km,是海南島在臺風(fēng)前的局地干熱環(huán)境所致,水汽強(qiáng)梯度促進(jìn)了對流發(fā)展,獨(dú)有的濕度層結(jié)特征促使29日凌晨出現(xiàn)龍卷。29日8：00較28日20：00的近地面風(fēng)速明顯增大,與雷暴外流的災(zāi)害性大風(fēng)有關(guān)。

(4)?？诘碾p偏振雷達(dá)資料顯示了典型的龍卷回波特征,經(jīng)過退速度模糊,凸顯了中氣旋、TVS和TDS特征的演變,偏振參量Zdr、Kdp和CC的演變,揭示了中氣旋和龍卷的特征。Zdr在龍卷發(fā)生之初會出現(xiàn)相隔一段距離的小范圍的正值(3)和負(fù)值(-2),Kdp圖中出現(xiàn)了區(qū)域正值,最大值為3.6,CC由于初期龍卷較弱,不足以將雜物卷到1.5°仰角的高度,故特征不明顯,到3:30龍卷發(fā)展強(qiáng)盛,Zdr出現(xiàn)了兩個正負(fù)相對的區(qū)域,Kdp正值范圍增大且最大值增大到6,CC在1.5°仰角出現(xiàn)正負(fù)值交錯區(qū)域,3:58龍卷減弱,僅Kdp圖中有小范圍正值區(qū),且最大值減小為3,而Zdr與CC已無明顯特征。

圖10 29日差分反射率ZdrFig.10 Differential reflectivity Zdr on August 29th

圖11 29 日1.5°仰角比差分傳播相位移KdpFig.11 Specific differential phase Kdp on August 29th

圖12 2019年8月29日0.5、1.5°仰角相關(guān)系數(shù)Fig.12 Cross-correlation coefficient on August 29th

綜上所述,臺風(fēng)外雨帶登陸海南島后的動力抬升、熱力層結(jié)和濕度層結(jié)特征,使臺風(fēng)雨帶的對流不穩(wěn)定加強(qiáng),是儋州在夜間發(fā)生龍卷的主要原因。研究結(jié)果為預(yù)警臺風(fēng)雨帶中的夜間龍卷提供了參考依據(jù)。