1713號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鴿”外圍龍卷特征及成因分析

黃 榮，黃 晴，屈梅芳，賴珍權(quán)

（廣西區(qū)氣象臺(tái)，南寧，530022）

1 引言

龍卷是一種破壞力極大的小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣，其顯著特征是有一條漏斗狀云柱從雷暴云底伸展至地面，是一種猛烈的小型渦旋和小型低壓系統(tǒng)。EF2級(jí)以上的龍卷由于其在地面產(chǎn)生風(fēng)速極大的旋轉(zhuǎn)風(fēng)，通常會(huì)造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，例如2016年6月23日發(fā)生江蘇省鹽城市阜寧縣的EF4級(jí)龍卷導(dǎo)致99人死亡、數(shù)百人受傷，大批建筑和設(shè)施被毀。因此龍卷的發(fā)生環(huán)境和監(jiān)測(cè)預(yù)警一直是國內(nèi)外氣象學(xué)者重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。研究表明［1-3］，龍卷多發(fā)生在西風(fēng)帶低槽或橫槽、冷渦等西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)中，環(huán)境大氣具有抬升凝結(jié)高度較低、中低層比濕較大、0℃以下對(duì)流有效位能極端大等特征，超低空強(qiáng)垂直風(fēng)切變有利于龍卷小尺度渦旋的形成，低層切變線和地面氣旋式輻合切變是龍卷風(fēng)暴可能的觸發(fā)機(jī)制。龍卷通常是由超級(jí)單體發(fā)展形成，具有低層入流缺口、中高層回波懸垂等經(jīng)典超級(jí)單體的反射率因子特征，雷達(dá)速度圖像呈現(xiàn)出在深厚強(qiáng)烈的中尺旋里面包裹更小尺度的龍卷式渦旋特征（TVS）［4-5］。此外，有部分龍卷發(fā)生臺(tái)風(fēng)的外圍云帶中［6-8］，登陸前或登陸后的臺(tái)風(fēng)前部超低空強(qiáng)垂直風(fēng)切變和極不穩(wěn)定層結(jié)是有利龍卷發(fā)生的環(huán)境條件，部分臺(tái)風(fēng)龍卷也具有中氣旋結(jié)構(gòu)、龍卷式渦旋特征（TVS）中，但比西風(fēng)帶的龍卷風(fēng)暴尺度小，生命史較短。近年來在明顯變暖趨勢(shì)的氣候背景下，極端強(qiáng)降水、冰雹、颮線強(qiáng)對(duì)流等極端天氣事件增多［9-13］，陸地龍卷和水龍卷等事件也時(shí)有發(fā)生，例如2013年和2015年在柳州和桂林分別發(fā)生了龍卷天氣，李向紅等［14］對(duì)這兩次龍卷過程進(jìn)行對(duì)比分析，得到了兩次龍卷過程環(huán)境條件和雷達(dá)特征異同點(diǎn)。但總體上廣西有記錄的EF2級(jí)以上的龍卷過程相對(duì)較少［15］，在多普勒天氣雷達(dá)布網(wǎng)以前地面觀測(cè)網(wǎng)也難以捕捉到α小尺度的龍卷天氣，因此針對(duì)廣西龍卷的研究并不多見，針對(duì)廣西臺(tái)風(fēng)龍卷的分析研究更是幾乎為空白。2017年8月23日15時(shí)左右，廣西玉林市北流市隆盛鎮(zhèn)遭受罕見的龍卷風(fēng)襲擊，本文通過常規(guī)觀測(cè)資料、多普勒天氣雷達(dá)資料和區(qū)域加密自動(dòng)站資料詳細(xì)分析此次龍卷過程特征和成因，希望通過本文研究可以對(duì)廣西龍卷研究補(bǔ)充完善，為今后臺(tái)風(fēng)外圍龍卷預(yù)警提供參考。

2 過程天氣實(shí)況和災(zāi)情

受1713號(hào)臺(tái)風(fēng) “天鴿”外圍強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)影響，2017年8月22日下午至8月23日廣西自東向西出現(xiàn)大范圍的雷暴和雷暴大風(fēng)天氣（圖1a），8月22日20時(shí)—23日20時(shí)全區(qū)共有51個(gè)縣級(jí)站觀測(cè)到雷暴天氣和52站次8級(jí)（17.2m·s-1）以上雷暴大風(fēng)，雷暴大風(fēng)主要出現(xiàn)在桂南、桂西，桂南、桂西大部出現(xiàn)雨量20—40mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水天氣（圖略），局地雨強(qiáng)超過50mm·h-1。8月23日15時(shí)左右，北流市隆盛鎮(zhèn)秧道村松花組附近遭到罕見的龍卷風(fēng)襲擊，媒體報(bào)道附近居民用手機(jī)拍攝到龍卷的漏斗狀云已接地的視頻（圖1b）。事后災(zāi)情調(diào)查表明，此次龍卷共造成5人受傷，照耀河砂石廠和永基儲(chǔ)石場(chǎng)部分機(jī)械、臨時(shí)鐵皮頂房屋被毀，一輛越野車被風(fēng)吹翻，儲(chǔ)石場(chǎng)后山腰100多棵松樹和速生桉被攔腰吹斷。根據(jù)“增強(qiáng)藤田級(jí)別”對(duì)龍卷強(qiáng)度的判定標(biāo)準(zhǔn)［15］，綜合認(rèn)定此次龍卷強(qiáng)度為EF2級(jí)，最大風(fēng)速可能達(dá)50～60m·s-1。

圖1 （a）2017年8月22日20時(shí)—23日20時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣落區(qū)（已去除由臺(tái)風(fēng)低壓引起的大風(fēng)，僅繪出對(duì)流造成的雷暴大風(fēng)）（b）居民拍攝到龍卷視頻截圖

3 雷達(dá)特征分析

3.1 回波演變特征

此次龍卷發(fā)生地距離玉林雷達(dá)站約30㎞，位于臺(tái)風(fēng)龍卷的雷達(dá)有效探測(cè)距離內(nèi)，因此選取玉林雷達(dá)資料對(duì)龍卷的回波特征進(jìn)行分析。追蹤組合反射率因子（圖略）的演變發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生北流龍卷的風(fēng)暴于23日13：07在一條螺旋云帶回波前部約50㎞處生成，該對(duì)流風(fēng)暴在東北氣流的引導(dǎo)下向西南方向移動(dòng)，14：05—14：35在容縣中部地區(qū)強(qiáng)度迅速增強(qiáng)，14：52—14：58 最大反射率因子強(qiáng)度達(dá) 60～63dBz。龍卷風(fēng)暴回波呈塊狀，尺度約20㎞左右，與普通單體風(fēng)暴的組合反射率因子回波形態(tài)并沒有明顯區(qū)別。從基本反射率因子演變（圖2，見彩頁）看出，14：35在風(fēng)暴西南側(cè)識(shí)別出中氣旋，14：41在前一時(shí)中氣旋部位從0.5°到2.4°仰角反射率因子都觀測(cè)到鉤狀回波，但 “鉤狀”頭部反射率因子強(qiáng)度僅為25～40dBz，較容易忽略。 14：581.5°仰角鉤狀回波特征更為突出，15：04鉤狀回波特征減弱，鉤狀回波特征共持續(xù)了4個(gè)體掃，其出現(xiàn)時(shí)間和維持時(shí)段與災(zāi)情收集到的龍卷發(fā)生時(shí)間相當(dāng)，因此可以認(rèn)為出現(xiàn)鉤狀回波后不久龍卷生成，鉤狀回波減弱消失后，龍卷也快速消亡。14：58沿著鉤狀回波前沿經(jīng)過西南部回波主體的作反射率因子垂直剖面（圖3，見彩頁），顯示龍卷風(fēng)暴具有中高層回波懸垂和有界弱回波區(qū)（BWER）等超級(jí)單體風(fēng)暴特征，在懸垂強(qiáng)回波中有一個(gè)細(xì)長傾斜的回波柱連接到低層鉤狀回波并已接地，從龍卷周邊居民手機(jī)拍攝的視頻資料可見龍卷風(fēng)典型的“漏斗云”已接地（圖1b），可以判斷傾斜回波柱為龍卷的漏斗狀云柱。龍卷回波頂高9㎞，垂直伸展高度不超過10㎞，與鄭媛媛等［16］分析的臺(tái)風(fēng)龍卷的雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)相似，屬于微超級(jí)單體風(fēng)暴。

3.2 中氣旋和TVS特征

龍卷的發(fā)生發(fā)展與中氣旋的發(fā)展是密切相關(guān)的。14：35玉林雷達(dá)中氣旋產(chǎn)品首次在編號(hào)O9的風(fēng)暴中標(biāo)記出中氣旋，之后在14：46、14：58識(shí)別出中氣旋。14：352.4°仰角徑向速度圖上顯示大范圍的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)為東北氣流，中氣旋負(fù)速度中心為-22m·s-1，正速度中心約為6m·s-1，旋轉(zhuǎn)速度為14m·s-1。中氣旋距離雷達(dá)約39㎞，屬于弱中氣旋。14：462.4°仰角中氣旋負(fù)速度中心為-22m·s-1，正速度中心約16m·s-1，旋轉(zhuǎn)速度達(dá) 19m·s-1，中氣旋距離雷達(dá)約 31㎞，為中等強(qiáng)度中氣旋，同時(shí)在風(fēng)暴中首次識(shí)別出TVS，在0.5°仰角到6.0°仰角都可以看到相鄰像素之間正負(fù)速度的切變，最強(qiáng)的速度切變位于約3.3㎞高度。14：52雷達(dá)算法沒有識(shí)別出中氣旋，也沒有識(shí)別出TVS，經(jīng)分析這是由于0.5°仰角鉤狀回波區(qū)域?qū)?yīng)的徑向速度退速度模糊失敗 （顯示為被紫色區(qū)域覆蓋），不滿足TVS算法要求切變達(dá)到0.5°仰角或高度低于 600m 的標(biāo)準(zhǔn)［17］，但在 2.4°～6.0°仰角都有相鄰方位角正負(fù)速度的切變，說明龍卷風(fēng)暴中維持強(qiáng)烈的小尺度旋轉(zhuǎn)氣流。14：58在鉤狀回波頭部對(duì)應(yīng)位置雷達(dá)再次識(shí)別出TVS（圖2e，見彩頁），速度圖上從0.5°到6.0°仰角都存在相鄰方位角的正負(fù)速度切變，通過PUP四分屏顯示（圖略）TVS由低層到高層偏移向西南側(cè)約2㎞，2.4°仰角切變速度達(dá)到38m·s-1，表明此時(shí)龍卷的小尺度渦旋氣流非常強(qiáng)烈。對(duì)中氣旋底高和頂高進(jìn)行分析（圖4，見彩頁）表明，14：35—14：58中氣旋底高略有升高，頂高從2.4㎞顯著升高到4.6㎞，已發(fā)展為深厚的中氣旋。但與已有研究成果認(rèn)為龍卷接地是伴隨著中氣旋底高不斷降低過程的結(jié)論不同［18］，經(jīng)分析這是由于14：35和14：46識(shí)別出的中氣旋位于鉤狀回波附近，而14：58識(shí)別出的中氣旋位于龍卷母體風(fēng)暴中部 （圖2e，見彩頁），因此中氣旋高度變化未能反映出龍卷漏斗云高度降低的過程。位于鉤狀回波的頭部的TVS切變底部高度14：58為0.4㎞，相比14：46時(shí)下降了0.2㎞，與龍卷漏斗狀云柱高度逐漸下降接地的趨勢(shì)一致。

圖5 2017年8月23日14：35—14：58龍卷中氣旋頂高、底高和TVS切變底高時(shí)間變化

4 龍卷成因分析

4.1 環(huán)境條件分析

2017年第13號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鴿”（路徑見圖6）于8月20日14時(shí)在臺(tái)灣東南部洋面上生成，之后向西偏北方向移動(dòng)進(jìn)入南海北部，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，22日15時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，23日07時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。23日08時(shí)500hPa天氣圖（圖6）顯示，強(qiáng)盛的西太平洋副熱帶高壓控制我國江南地區(qū)和高原東部，高壓中心達(dá)596hPa，588dagpm等值線呈虎口狀，西脊點(diǎn)位于90°E附近，中緯度地區(qū)無西風(fēng)帶系統(tǒng)，沒有明顯冷空氣影響。此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心位于距離廣東省珠海市東南部約130㎞的洋面，強(qiáng)度為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，廣西位于臺(tái)風(fēng)倒槽西北側(cè)，受風(fēng)速12～18m·s-1東北氣流控制，在廣東和廣西交界附近存在風(fēng)速的輻合。700hPa和850hPa形勢(shì)（圖略）與500hPa類似，廣西大部為東北氣流影響?！疤禅潯庇?3日12時(shí)50分以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)在廣東省珠海市沿海一帶登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力 14級(jí)（45m·s-1），登陸后繼續(xù)向西北移動(dòng)，14時(shí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度仍為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，中心位于廣東省臺(tái)山市境內(nèi)，距離龍卷發(fā)生地約235㎞，廣西仍位于臺(tái)風(fēng)倒槽西側(cè)。

選取陽江、梧州、北海三個(gè)探空站資料分析此次龍卷發(fā)生前的環(huán)境場(chǎng)熱力條件（表1），可以看出梧州站（距離龍卷發(fā)生地約130㎞）具備更有利的對(duì)流不穩(wěn)定條件：K指數(shù)達(dá)到43℃，CAPE達(dá)到了1466J·kg-1，SI指數(shù)達(dá)到-3.41， 強(qiáng)天氣威脅指數(shù)（SWEAT）超過300，同時(shí)抬升凝結(jié)高度為988hPa，對(duì)流抑制能接近為0J·kg-1。 925hPa 氣溫 24℃， 比濕達(dá)到 19g·kg-1，850hPa比濕也達(dá)到17g·kg-1，探空層結(jié)曲線顯示顯著的濕層從近地面延伸到約400hPa。這些物理量特征參數(shù)表明，梧州附近環(huán)境大氣處于高溫高濕、強(qiáng)烈的對(duì)流性不穩(wěn)定狀態(tài)，很低的抬升凝結(jié)高度、中等強(qiáng)度以上的CAPE等環(huán)境條件與西風(fēng)帶龍卷發(fā)生的環(huán)境條件相似。雷達(dá)的VWP產(chǎn)品具有高時(shí)空分辨率的優(yōu)點(diǎn)，因此利用玉林雷達(dá)VWP產(chǎn)品來分析龍卷發(fā)生地的垂直風(fēng)切變條件，由于雷達(dá)VWP無地面風(fēng)場(chǎng)，故采用0.3㎞高度和1.2㎞高度風(fēng)來計(jì)算低層垂直風(fēng)切變。23日08時(shí)，0.3㎞高度風(fēng)為西北風(fēng)，風(fēng)速為 4m·s-1，1.2㎞高度風(fēng)為東北風(fēng)，風(fēng)速為 10m·s-1，相應(yīng)的0.3～1.2㎞風(fēng)切變?yōu)?×10-3s-1。14時(shí)隨著臺(tái)風(fēng)外圍東北氣流向廣西東部輸送，邊界層風(fēng)速明顯增大，0.3㎞高度風(fēng)速為 6m·s-1，風(fēng)向?yàn)?315°，1.2㎞高度風(fēng)速為 14m·s-1， 風(fēng)向?yàn)?45°，0.3～1.2㎞風(fēng)切變?yōu)?0.8×10-3s-1，達(dá)到臺(tái)風(fēng)龍卷的環(huán)境0～1㎞切變閾值10-2s-1，因此顯著增強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變是形成龍卷的主要?jiǎng)恿l件［16］。

圖6 2017年8月23日08時(shí)500hPa形勢(shì)場(chǎng)及8月20日14時(shí)—8月23日20時(shí)臺(tái)風(fēng)路徑

表1 2017年8月23日08時(shí)北流臨近探空站點(diǎn)不穩(wěn)定參數(shù)

4.2 觸發(fā)條件分析

通過地面區(qū)域加密自動(dòng)站和雷達(dá)資料分析此次龍卷的觸發(fā)機(jī)制。23日11時(shí)（圖略），廣西西部和東南部地面相當(dāng)位溫較08時(shí)顯著增大，形成一條由西向東的暖舌，同時(shí)在梧州至南寧一帶東北氣流和偏西氣流匯合，形成一條中尺度輻合線，在北流隆盛鎮(zhèn)產(chǎn)生龍卷的風(fēng)暴于13時(shí)左右在地面輻合線附近生成。14時(shí)（圖7，見彩頁），隨著臺(tái)風(fēng)中心向西北移動(dòng)，中尺度地面輻合線略向南壓，北流位于386K的相當(dāng)位溫暖中心附近，大氣不穩(wěn)定度進(jìn)一步增大，風(fēng)暴14時(shí)移入容縣中部地區(qū)后強(qiáng)度迅速增強(qiáng)，在北流附近高溫高濕和較強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變的環(huán)境下最終發(fā)展為龍卷。15時(shí)以后，龍卷風(fēng)暴在環(huán)境較強(qiáng)東北氣流的引導(dǎo)下快速向西南移動(dòng)遠(yuǎn)離地面輻合線，綜合分析此次龍卷發(fā)生地附近的地形條件發(fā)現(xiàn)，龍卷發(fā)生和移動(dòng)都在山地丘陵地帶，而高原、山地的地形不利于龍卷發(fā)展增強(qiáng)［15］，兩個(gè)因素綜合可能是該龍卷持續(xù)時(shí)間較短原因之一。

5 結(jié)論和討論

（1）此次龍卷過程發(fā)生在1713號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鴿”外圍螺旋云帶前部，距離臺(tái)風(fēng)中心約235㎞。物理量分析表明廣西東南部具有較大的不穩(wěn)定度能量，環(huán)境大氣處于強(qiáng)不穩(wěn)定狀態(tài)，抬升凝結(jié)高度較低，低層垂直風(fēng)切變較大，具有利于龍卷發(fā)生的環(huán)境熱力和動(dòng)力條件。中尺度地面輻合線觸發(fā)出新生對(duì)流單體，該對(duì)流單體在高溫高濕和強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變的有利環(huán)境下最終發(fā)展為龍卷，但由于龍卷發(fā)生在山地丘陵地帶，生成后快速遠(yuǎn)離輻合線和不利的地形條件可能是該龍卷持續(xù)時(shí)間較短原因之一。

（2）此次龍卷為尺度約20㎞的微超級(jí)單體風(fēng)暴，具有低層鉤狀回波、中高層回波懸垂和有界弱回波區(qū)（BWER）等典型超級(jí)單體特征，垂直伸展高度僅9㎞。低層鉤狀回波持續(xù)了4個(gè)體掃，低層鉤狀回波的演變與龍卷的生消密切相關(guān)，出現(xiàn)鉤狀回波后不久龍卷生成，鉤狀回波減弱消失后，龍卷也快速消亡。

（3）中氣旋先于低層鉤狀回波出現(xiàn)，鉤狀回波形成于強(qiáng)中氣旋附近，龍卷發(fā)生時(shí)中氣旋底高在2㎞左右，TVS切變底部高度0.5㎞左右并且不斷下降，與龍卷漏斗狀云柱高度逐漸下降接地的趨勢(shì)一致。

需要注意的是，此次臺(tái)風(fēng)龍卷僅從組合反射率因子形態(tài)與普通單體風(fēng)暴的回波并沒有明顯區(qū)別，出現(xiàn)TVS到龍卷接地的時(shí)間很短暫，考慮到雷達(dá)觀測(cè)傳輸和算法必要的運(yùn)行時(shí)間導(dǎo)致產(chǎn)品不可能立即到達(dá)預(yù)報(bào)員桌面，因此要對(duì)此次龍卷進(jìn)行提前預(yù)警是很困難的。在實(shí)際業(yè)務(wù)中需要密切關(guān)注中氣旋的發(fā)展，當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)中氣旋，且出現(xiàn)TVS和低層鉤狀回波時(shí)，需特別警惕出現(xiàn)龍卷的可能性很高，及時(shí)開展實(shí)況預(yù)警。受雷達(dá)觀測(cè)技術(shù)條件等多方面因素的制約，雷達(dá)TVS算法也存在較高的虛警率，目前龍卷的準(zhǔn)確預(yù)警仍是一個(gè)難題。本文對(duì)臺(tái)風(fēng)龍卷的發(fā)生環(huán)境探討還較初步，還需要利用更細(xì)致的中尺度觀測(cè)資料或中尺度數(shù)值模擬作進(jìn)一步分析研究。

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