湯潔 徐芬 吳海英 夏網(wǎng)萍 安禮政
(1 江蘇省淮安市氣象局,淮安 223001; 2 中國氣象局交通氣象重點開放實驗室,南京 210008; 3 江蘇省氣象科學研究所,南京 210009; 4 江蘇省氣象臺,南京 210008)
*通信作者,Email:xufen1130@tom.com
龍卷是在非常不穩(wěn)定的天氣條件下,由空氣強烈對流運動而產(chǎn)生的一種漏斗狀云柱的強風渦旋,具有極強的破壞性,易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。近年來,隨著中國現(xiàn)代天氣觀測網(wǎng)的發(fā)展與資料的積累,我國氣象學者對龍卷的研究取得了一定的成果。馮佳瑋[1]、范雯杰[2]和魏文秀等[3]對中國龍卷的時空分布特征進行了概述。唐曉文等[4]總結(jié)了近十年國內(nèi)外對龍卷風暴結(jié)構(gòu)和演變的研究成果,詳述超級單體和非超級單體風暴中龍卷形成過程的概念模型。劉式適等[5]利用大氣動力和熱力學方程組,繪制出龍卷風的三維風場及漏斗型結(jié)構(gòu)。白蘭強等[6]對2006—2018年中國臺風龍卷進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)臺風龍卷主要產(chǎn)生于東北象限并由強度相對較弱的熱帶氣旋產(chǎn)生的。無論西風帶龍卷還是臺風龍卷在地域上分布有明顯集中區(qū),俞小鼎、鄭媛媛、周后福、姚葉青等[7-17]分別對蘇皖地區(qū)龍卷超級單體風暴的環(huán)境及結(jié)構(gòu)特征進行統(tǒng)計分析,黃先香、張建云、李彩玲、李兆慧等[18-22]對珠江三角洲區(qū)域臺風龍卷的預(yù)報預(yù)警工作有較好的研究。這些研究揭示了低槽切變、低空的西南風急流、強烈的對流不穩(wěn)定、低層較大的垂直風切變及較低的抬升凝結(jié)高度有利于西風帶強龍卷的產(chǎn)生,同時雷達反射率因子形態(tài)呈現(xiàn)出經(jīng)典超級單體的特征并伴隨中氣旋和龍卷渦旋特征(TVS);而臺風龍卷集中在離海岸線更近的相對平坦的地區(qū),并出現(xiàn)在相對較弱的條件不穩(wěn)定環(huán)境中,除了需要低的抬升凝結(jié)高度和強的低層垂直風切變,對中層干冷空氣侵入與風暴相對螺旋度有一定要求,即渦旋尺度更小,雷達回波特征以微超級單體風暴為主,風暴垂直伸展高度低于西風帶龍卷。
對龍卷環(huán)境條件與回波特征、中氣旋的位置和強度變化、TVS等特征研究分析可以有效提升預(yù)報業(yè)務(wù)中對龍卷的預(yù)警能力。但由于龍卷的空間尺度小、突發(fā)性強、生命史短,使得監(jiān)測預(yù)警成為一個難題,李峰等[23]對美國近20年龍卷探測雷達技術(shù)和觀測手段,表明美國基本實現(xiàn)快速掃描、獲取高時空分辨率和高精度的龍卷資料,已形成龍卷概念模型與預(yù)報指標并在業(yè)務(wù)中實施。目前國內(nèi)對龍卷的最大風力、直徑、移速等判斷依賴于災(zāi)后災(zāi)情調(diào)查和多普勒雷達資料,研究重點也主要是在大尺度環(huán)境場特征和雷達回波演變特征,對于龍卷的觸發(fā)機制、三維結(jié)構(gòu)研究較少。周海光[24]用雙多普勒雷達反演了“6·23”江蘇阜寧龍卷風暴三維結(jié)構(gòu),中氣旋伴隨超級單體的生成,氣旋和反氣旋組成的渦旋偶對龍卷形成有重要作用。江蘇作為龍卷發(fā)生頻次最高的地區(qū)之一[2],對龍卷的過程研究直接決定了當?shù)氐念A(yù)報預(yù)警能力。本文利用常規(guī)觀測資料、NCEP 1°×1°再分析資料、江蘇淮安及宿遷多普勒雷達資料等,對2017年8月1日發(fā)生在江蘇淮安區(qū)的一次非超級單體臺風龍卷進行環(huán)境條件和雷達特征分析,并應(yīng)用垂直螺旋度分析和雙多普勒雷達風場反演等方法研究龍卷風暴的對流結(jié)構(gòu)和演變過程,為江蘇開展龍卷觀測和業(yè)務(wù)預(yù)警預(yù)報提供參考。
2017年8月1日18:10—18:30江蘇省淮安市淮安區(qū)南閘鎮(zhèn)、林集鎮(zhèn)、三堡鎮(zhèn)先后共有16個村受臺風龍卷影響,造成12人輕傷。受災(zāi)人口約1360人,共造成359戶房屋受損,其中倒塌10間;房屋嚴重受損95戶。農(nóng)作物受災(zāi)面積達42.7 hm2,樹木倒折685棵,家禽死亡50余只,電桿線倒塌70余根,13個村斷電(圖1)。
圖1 2017年8月1日龍卷影響路徑、災(zāi)情照片及龍卷視頻截圖
通過多方獲取的視頻、照片,以及對龍卷路徑沿線的村莊進行走訪調(diào)查,再結(jié)合多普勒雷達和自動站等數(shù)據(jù)資料進行綜合判斷,確認龍卷自東南向西北方向移動,在三堡鄉(xiāng)轉(zhuǎn)向西北偏西,平均速度約50 km·h-1,持續(xù)時間約20 min,路徑約18 km。路經(jīng)南閘鎮(zhèn)的林南村、戴灣村和涇河村,林集鎮(zhèn)的袁莊村、聯(lián)盟村、后管圩村、雙溝村、平河村,三堡鄉(xiāng)的祁莊村、花園村、陳莊村、新莊村、西合興村、大陶村、周灣村,最后在沙灘村附近減弱消失(圖1a)。調(diào)查發(fā)現(xiàn),龍卷經(jīng)過的地方,房頂被掀翻、電線桿和樹木被折斷、樹木倒伏明顯、廣告牌被吹飛。從當?shù)卮迕袷謾C視頻截圖中發(fā)現(xiàn)18:16龍卷漏斗云已形成,但未接地,18:18漏斗云繼續(xù)發(fā)展,云底高度持續(xù)降低,此階段龍卷母云移速較快,18:23視頻中龍卷已經(jīng)觸地,轉(zhuǎn)速加強,直徑增大,移速減慢,對三堡鄉(xiāng)產(chǎn)生較為嚴重的破壞,18:28之后結(jié)構(gòu)開始松散,龍卷逐漸消失。依據(jù)范雯杰等(2015)[2]做法,根據(jù)歸納后的“增強藤田級別”強度分類標準,判斷本次龍卷級別為EF1級,屬一般龍卷。
天氣尺度可以提供中尺度系統(tǒng)形成的基本條件,強對流天氣是否發(fā)生、發(fā)展以及它的移動和落區(qū)都和當時的大氣環(huán)境條件有著緊密的聯(lián)系。這次龍卷是發(fā)生在臺風“海棠”登陸北上減弱為熱帶低壓后產(chǎn)生的外圍螺旋雨帶中。
2017 年第 10 號臺風“海棠”剛剛形成就與臺風“納沙”發(fā)生藤原效應(yīng),前期路徑形似鉤狀(圖2)。后期由于雙臺風牽引作用,路徑趨向一致,兩個臺風間隔24 h內(nèi)登陸同一地點。登陸后臺風 “納沙”殘余云系逐漸并入“海棠”,給福建、浙江、江西、湖北、安徽、江蘇、河南、山東等地帶來強降雨。臺風“海棠”于 7月26日在南海中部海面上生成;7月27日加強為熱帶低壓;7月28日加強為熱帶風暴;7月30日17:30“海棠”在中國臺灣省屏東縣沿海登陸,登陸時中心附近最大風力有9級(23 m·s-1),中心最低氣壓為984 hPa;22:35“海棠”由臺中市移入臺灣海峽;7月31日02:50,在福建省福清市沿海再次登陸,登陸時中心附近最大風力有8級(18 m·s-1),中心最低氣壓為990 hPa;31日夜間在江西境內(nèi)減弱為熱帶低壓;8月1日14:00,逐漸轉(zhuǎn)為東北方向移動,18:00時前后淮安出現(xiàn)龍卷天氣,此時殘留低壓中心位于湖北省麻城市境內(nèi),龍卷產(chǎn)生于距離熱帶低壓中心東北象限約435~442 km處,位于臺風殘留低壓外雨帶中的強對流區(qū)中。
2017年8月1日08:00位于500 hPa高空槽前,西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)中心位于黃海,其脊線呈西北東南向,西脊點位于108°E,臺風“海棠”沿副高邊緣向東北方向移動,江蘇位于副高邊緣西南側(cè)與熱帶低壓東北側(cè)之間,在二者共同作用下,進而產(chǎn)生對流,在淮安區(qū)出現(xiàn)了龍卷天氣。中低層存在東南急流,最強風速達20 m·s-1,各層急流軸均在浙江、江蘇一帶,位置相近,同時伴隨濕舌和海上水汽輸送,為中尺度系統(tǒng)的形成提供能量及水汽條件。殘留低壓倒槽呈西南—東北向,伸至江淮之間。地面存在輻合線,容易觸發(fā)對流天氣。高層輻散以及槽前正渦度平流的大尺度背景,有利于垂直運動的發(fā)展,臺風東南側(cè)的水汽向中緯度槽前輸送有利于加強降水的強度。本次龍卷發(fā)生位置位于低層輻合、高層輻散、高低空急流交匯處和低空切變線頂端,同時該龍卷發(fā)生在離海岸150 km以內(nèi)的地區(qū),東南急流風速達20 m·s-1以上,這些結(jié)論均與以往的研究成果[25-28]相一致。
圖2 1710號臺風“海棠”移動路徑及龍卷發(fā)生地(a),2017年8月1日08:00綜合天氣系統(tǒng)(b)
由于龍卷發(fā)生地附近沒有探空站,本文選取距離龍卷發(fā)生地150 km的南京探空站08:00資料,同時利用8月1日17:00(龍卷發(fā)生前1 h)地面資料進行訂正,并與曾明劍等[29]針對江蘇10次梅雨期龍卷過程分析得出的環(huán)境參數(shù)值進行對比,結(jié)果如表1所示。
從表1可知,南京站08:00對流有效位能CAPE為1281.6 J·kg-1,對流抑制能量為21 J·kg-1, 經(jīng)過訂正后, 17:00對流有效位能增加至1850.8 J·kg-1,對流抑制能量降至2.9 J·kg-1,對流有效位能的增大同時對流抑制能量絕對值小, 說明在龍卷發(fā)生前大氣層不穩(wěn)定能量不斷積累,十分有利于強對流的發(fā)生發(fā)展[30]。與臺風龍卷相比較,馮佳瑋等[1]合成江蘇及鄰近地區(qū)對流有效位能(CAPE)的置信區(qū)間為449~692 J·kg-1,鄭媛媛等[28]認為臺前龍卷在其龍卷產(chǎn)生前大氣對流有效位能平均在200~1000 J·kg-1,本次過程的CAPE值偏大。與梅雨期龍卷相比較,對流有效位能依然偏大,特別是訂正后結(jié)果與江蘇雷暴大風天氣需要2000 J·kg-1的CAPE值接近。抬升指數(shù)(LI)反映大氣層結(jié)不穩(wěn)定特征,本次臺風龍卷過程有一定的不穩(wěn)定特征,但不穩(wěn)定層結(jié)強度小于梅雨期龍卷。近地面層為偏東風,風隨高度順轉(zhuǎn),有一定的垂直風切變,且0~1 km的風切變?yōu)?0 m·s-1,與江蘇梅雨期龍卷低層風切變值相當,大于周后福等[8]統(tǒng)計的江淮地區(qū)產(chǎn)生龍卷超級單體的0~1 km風垂直切變平均值8 m·s-1,同時抬升凝結(jié)高度LCL在1 km以下,中高層水汽條件較弱,這也是本次過程區(qū)域性強降水發(fā)生較少的原因之一,中層存在干層,近地面層露點溫度高,水汽較充足。中緯度地區(qū)強風暴的發(fā)生3要素為對流層位勢不穩(wěn)定、上干下濕的水汽垂直分布和強的垂直風切變[31]。因此上述環(huán)境條件有利于龍卷的發(fā)生。
表1 “海棠”臺風龍卷與江蘇梅雨期龍卷環(huán)境參數(shù)對比
利用江蘇省約1400個地面氣象自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)分析龍卷發(fā)生前地面輻合流場的演變。17 h揚州至淮安一線的地面流場出現(xiàn)氣旋性彎曲(圖3a),偏東氣流和東南氣流之間形成一條中尺度輻合線,有對流回波在輻合線附近生成,并沿著輻合線向西北移動。從17:10地面風場圖可以看到有小尺度渦旋生成(圖3b),形成閉合的氣旋性環(huán)流。選取離龍卷路徑較近的白馬湖農(nóng)場站(圖3b)進行分析,此站點位于龍卷路徑左側(cè),距離龍卷發(fā)生地約1.5 km,當龍卷渦旋出現(xiàn)后,地面自動站溫、壓、風等氣象要素也有明顯的變化特征。18:15—18:25龍卷過境前后,氣壓上升,氣溫與露點溫度下降,溫度露點差增加,龍卷遠離后氣壓下降,溫度與露點逐漸上升并趨于一致(圖4)。雨量變化表明,18:05—18:10,5 min降雨量為1.6 mm,達到峰值,隨后減弱。從風場的變化表明,龍卷發(fā)生前2 min平均風向為偏東風,風速在3~5 m·s-1之間,龍卷過境時,風向逐漸轉(zhuǎn)為東北,出現(xiàn)逆時針轉(zhuǎn)動,同時風速增大至8.8 m·s-1,隨后減小,18:35風向從東北風又轉(zhuǎn)為東風。
沿著龍卷發(fā)生地的經(jīng)度119°E做相對濕度的剖面(圖5a,黑線處為龍卷發(fā)生地緯度),可以發(fā)現(xiàn)龍卷發(fā)生的區(qū)域處于相對濕度梯度大值區(qū),在700~500 hPa之間的干層也十分明顯,龍卷發(fā)生時,中層環(huán)境干冷空氣容易侵入到龍卷渦旋中,有利于高位渦下傳,使低層氣旋性渦度加強,同時增加了對流不穩(wěn)定。
圖3 2017年8月1日17:10地面輻合流場(a)及地面自動站風場(b) (黑色箭頭為流場,陰影為散度,虛線為地面輻合線,黑色圈為小尺度渦旋位置,黑框為龍卷出現(xiàn)地,紅圈處為白馬湖農(nóng)場自動站)
圖4 2017年8月1日17:50—18:50的白馬湖農(nóng)場站氣溫(點折線)、露點(紅線)、氣壓(折線)、 5 min累計降水量(柱狀)(a)及2 min平均水平風向風速(b)時間演變
圖5 14:00沿119°E相對濕度剖面(a)、垂直速度剖面(b)、垂直螺旋度剖面(c)
沿著119°E做垂直速度和垂直螺旋度的剖面,垂直螺旋度由垂直速度和垂直渦度決定,可以綜合反映大氣在垂直空間上的運動特征。從圖5b可以看出龍卷發(fā)生地附近環(huán)境風場為一致的垂直上升運動區(qū)。從圖5c黑色方框內(nèi)可以看出龍卷發(fā)生前南側(cè)低層出現(xiàn)了正垂直螺旋度大值中心,說明低層環(huán)境中垂直風切變較大,產(chǎn)生了水平渦管,進而出現(xiàn)了正渦度,氣流流入螺旋系統(tǒng)內(nèi)部會產(chǎn)生傾斜上升[32],并生成小尺度渦旋。
2017年8月1日白天開始,受臺風“海棠”殘留低壓外圍云系影響,江蘇省西部出現(xiàn)降水,隨著臺風中心繼續(xù)北上,降水范圍不斷擴大,同時在螺旋云帶上不斷有對流性降水回波生成,降水主要集中在江蘇西部及西北部。從反射率因子圖上(圖6)可以看出,16:03臺風外圍螺旋雨帶位于揚州淮安一線,該雨帶最大回波強度達61 dBz,回波頂高達16.2 km,走向呈東南—西北方向,其后部沿著螺旋云帶不斷有新回波生成,并在江都生成一新孤立回波單體(龍卷在此單體中生成),該單體初生中心強度為46 dBz,回波頂高為6.4 km,0.5°仰角最大徑向速度為-22.5 m·s-1(圖7),隨后該孤立單體沿引導氣流向西北方向邊移動邊逐漸增強,并由孤立單體逐漸發(fā)展為多單體風暴,對流模態(tài)由孤立單體發(fā)展為簇類對流系統(tǒng)。該簇類對流系統(tǒng)途徑高郵、金湖、寶應(yīng),于17:53進入淮安區(qū)境內(nèi),其中一回波單體的反射率因子最高達到60 dBz,回波頂高為13.7 km,同時刻該單體徑向速度場出現(xiàn)龍卷渦旋特征(TVS),底高0.6 km,低層速度差(LLDV)為16 m·s-1,但該TVS最大速度差(MXDV)位于1.3 km高度,為21 m·s-1。18:10,該簇類對流系統(tǒng)到達淮安林集鎮(zhèn)附近,該系統(tǒng)南側(cè)對應(yīng)弱回波區(qū)域,為入流缺口位置(圖6黑色箭頭處),與之對應(yīng)的徑向速度場0.5°~3.4°仰角層均出現(xiàn)了正負速度對,可能閾值未達到TVS識別算法要求,未能有TVS結(jié)構(gòu)識別出,但通過目擊者及媒體視頻資料發(fā)現(xiàn)該時刻在林集鎮(zhèn)附近出現(xiàn)了漏斗云特征,尚未接地。18:16—18:22該龍卷單體移入三堡鄉(xiāng)地區(qū),回波強度變化不大,但回波結(jié)構(gòu)更加緊實,正負速度對強度進一步加強,回波質(zhì)心有所下降龍卷風暴逐漸觸地,18:28該單體右后側(cè)對應(yīng)為氣旋性風場結(jié)構(gòu),在該氣旋性風場內(nèi)部又再次識別出TVS結(jié)構(gòu),該TVS最大速度差位于底部0.5 km處,為18 m·s-1。隨后該產(chǎn)生龍卷的對流單體跟隨其所處的簇類對流系統(tǒng)繼續(xù)往西北方向移動,回波強度和強回波面積迅速減小,徑向速度場中的氣旋性結(jié)構(gòu)也隨之消失。
圖6 2017年8月1日16:03—18:28淮安S波段雷達組合反射率因子與1.5°反射率因子 (白圈對應(yīng)龍卷風暴初生位置;黑圈對應(yīng)龍卷發(fā)生地;黑色方框處為雙多普勒雷達風場反演區(qū)域;黑色箭頭處為入流缺口)
圖7 2017年8月1日16:03—18:28淮安S波段雷達 1.5°風暴相對徑向速度 (紅圈對應(yīng)龍卷風暴初生、發(fā)展時正負速度對演變過程, ▽表示龍卷渦旋特征TVS)
多部多普勒天氣雷達聯(lián)合觀測不僅能提高風場反演的精度,還有利于災(zāi)害天氣內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)的研究,對短臨預(yù)報精度的提高也起到重要作用。本文中雙多普勒雷達風場反演算法采用劉黎平[33]提出的直角坐標處理方法,與“共面法”相比,這種直角坐標系下的處理方法更簡單。將淮安-宿遷雷達體掃數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制后,利用雙線性插值處理方法插值到直角坐標系中,本文插值時設(shè)置的格點水平精度為0.0025°(約250 m),垂直方向上的精度為500 m,高度從海拔1~18 km共36層。需要說明的是,由于1 km高度以下兩部雷達聯(lián)合觀測區(qū)域缺乏足夠有效數(shù)據(jù),無法正確反演出近地面風場結(jié)構(gòu)。
17:53在徑向速度場上識別出龍卷渦旋特征(TVS),而龍卷生成時間為18:10左右,本文主要探討這兩個時次的風場三維結(jié)構(gòu),找出觸發(fā)機制,由于龍卷屬于低質(zhì)心擾動,用淮安—宿遷雙多普勒雷達反演圖6中黑框范圍的不同高度風場結(jié)構(gòu),可以看出17:53強回波處1.0 km高度有偏北風量(圖8a),1.5~3.0 km高度則以東南到南風為主(圖8b、c),上下層存在明顯垂直風切變,并且3.0 km高度可看到明顯氣旋式輻合,與強回波位置對應(yīng)較好,6.0 km 高度以上存在輻散(圖8d),低層輻合、高層輻散以及近地面層的上下垂直風切變有利于龍卷風暴的生成。18:10,從水平風場反演圖中可以看到1.0 km與1.5 km高度均在強回波區(qū)出現(xiàn)了東北風與東南風的水平風切變,1.0 km高度出現(xiàn)了氣旋式輻合中心,位于切變線南側(cè)的弱回波區(qū)中(圖8e、f),3.0 km高度上氣旋式輻合明顯減弱,30 dBz以上的回波區(qū)以偏南氣流為主,6 km以上龍卷發(fā)生地附近沒有回波,以上說明龍卷發(fā)生時氣旋式輻合中心高度逐漸下降至1 km以下,有利于龍卷風暴觸地。從圖8中風暴位置及風場反演結(jié)果來看,龍卷發(fā)生地位于低層渦旋移動方向左前側(cè),并在1 km高度切變線附近,這與Markowski等[34]認為非超級單體龍卷主要形成于近地面水平風切變線附近的結(jié)論相一致,廣西2015年5月10日的龍卷過程也是由低層水平風切變觸發(fā)引起[35]。近地面層水平風切變維持到18:28(圖略),龍卷風暴沿著近地面切變線方向移動,當水平風切變逐漸消失時,龍卷也隨之消散。
圖8 2017年8月1日17:53、18:10淮安—宿遷雙多普勒雷達風場反演(高度為1 km、1.5 km、3 km、6 km) (黑色箭頭為反演水平風向,陰影為反射率因子,紅圈為氣旋式風場輻合,▲為龍卷發(fā)生地)
(1)龍卷發(fā)生在1710號臺風“海棠”減弱后的熱帶低壓倒槽頂端和副高邊緣的高低空急流交匯處,距離熱帶低壓中心東北象限約435~442 km處,離海岸150 km以內(nèi),根據(jù)災(zāi)情調(diào)查判斷,本次龍卷為EF1級。
(2)逐漸增大對流有效位能、小的對流抑制能量、較大的 0~1 km的風切變、1 km以下的抬升凝結(jié)高度、中層環(huán)境干冷空氣侵入等特征,有利于龍卷風暴的生成。龍卷發(fā)生前1 h地面不斷有小尺度渦旋生成,并沿著地面輻合線向西北方向移動。當龍卷渦旋出現(xiàn)后,地面自動站氣壓上升,氣溫與露點溫度下降,風力明顯增大,龍卷發(fā)生前的降水為龍卷發(fā)生提供了一定的水汽條件。龍卷發(fā)生前環(huán)境風場為垂直上升運動區(qū),同時存在正垂直螺旋度大值中心,有利于氣流傾斜上升,有利于渦度增加。
(3)龍卷風暴從孤立單體逐漸發(fā)展為多單體風暴,對流模態(tài)由孤立單體發(fā)展為簇類對流系統(tǒng),具有入流缺口特征,最大反射率因子在60 dBz以上,龍卷發(fā)生前在徑向速度場上可以看到輻合特征及正負速度對,并出現(xiàn)TVS特征,較龍卷風暴出現(xiàn)提前約17 min。
(4)通過雙多普勒雷達反演龍卷的風場三維結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn):龍卷生成前后風場存在差異,龍卷發(fā)生前有3.0 km以下的低層輻合,6.0 km以上的高層輻散,1.0~1.5 km間有明顯垂直風切變,低層水平風場以輻合為主;龍卷發(fā)生時輻合中心高度下降,有利于龍卷風暴觸地,1.0 km以上風場氣旋式輻合減弱,轉(zhuǎn)為東北風與東南風切變,龍卷發(fā)生地位于低層渦旋移動方向左前側(cè)與1 km 高度切變線附近,龍卷形成于近地面水平風切變南側(cè)。