2019年8月29日海南儋州臺風雨帶中夜間龍卷的多源資料分析

陸 琛, 魏 鳴

(1.南京信息工程大學大氣物理學院,南京 210044；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044)

災害性天氣的監(jiān)測預警和短臨預報一直受到關注,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,強對流天氣所導致的經(jīng)濟損失也越大。強對流系統(tǒng)中往往有多種災害同時發(fā)生,如冰雹、雷暴、龍卷風的預報一直是很大的挑戰(zhàn)。龍卷經(jīng)常出現(xiàn)在強對流天氣中,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,天氣雷達探測的時間和空間分辨率高,對龍卷風的預報和探測具有獨特優(yōu)勢。近年來,中國新一代天氣雷達網(wǎng)正在升級為雙偏振多普勒雷達,雙偏振雷達相比于常規(guī)單偏振多普勒雷達能獲得更多信息,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,對雷達標校、衰減和波束部分阻擋不敏感；零滯后相關系數(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果。張培昌等[1]總結了4種龍卷易出現(xiàn)的天氣,對龍卷產生的條件、形成機制和雷達探測預報龍卷的方法做出總結,并對中國發(fā)生的3個龍卷個例的雷達資料進行了分析,說明龍卷可以在不同的天氣條件下產生,在雷達探測上會有一些基本相似的特征,如鉤狀回波、中氣旋產品和龍卷渦旋特征(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。

對于臺風龍卷的時間分布特征,Schultz等[2]對1950—2007年美國颶風引起的龍卷進行了特征分析,分為外圍龍卷和區(qū)域內龍卷,外部區(qū)域的龍卷風(距臺風中心超過200 km)有更強的晝夜信號,通常發(fā)生在下午。區(qū)域內龍卷風通常發(fā)生在臺風中心登陸后12 h內,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)來獲得關于龍卷風損害嚴重程度和空間范圍的近實時信息。張建云等[4]也對2015年彩虹臺風廣東佛山龍卷進行了雷達TVS及TDS特征的分析。佛山雷達為X波段雙偏振雷達,龍卷發(fā)生時,雷達探測到了超級單體風暴鉤狀回波內的龍卷渦旋。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,其中間反射率因子相對較弱；與強反射率因子對應的位置,平均徑向速度有明顯的渦旋特征；在龍卷渦旋的位置,雙偏振雷達的差分反射率因子Zdr有明顯的低值區(qū),零滯后相關系數(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“艾云尼”中發(fā)生的廣州龍卷和佛山龍卷進行了分析,龍卷均發(fā)生在中低空強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)為較強的低層風垂直切變和較大的風暴相對螺旋度,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波段雷達探測到兩次龍卷母云風暴的低層鉤狀回波和入流缺口回波特征及低層中等強度中氣旋,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)一次臺風螺旋雨帶造成的特大暴雨過程進行分析,探討了臺風登陸前局地短時強降水與地形的關系,地形摩擦作用增大了垂直風切變。王炳赟等[7]研究了1522強臺風“彩虹”螺旋雨帶中衍生龍卷的超級單體演變與形成機理,幾個龍卷分別出現(xiàn)在上午和午后,產生在遠離臺風中心的外雨帶上。

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“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、大氣風溫濕結構以及海口S波段雙偏振多普勒雷達資料,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構。

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“楊柳”(熱帶風暴級)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,中心附近最大風力有8級(18 m/s),中心最低氣壓為998 hPa,7級風圈半徑為150～300 km。8月29日5:00臺風“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),中心附近最大風力有9級(23 m/s),中心最低氣壓為990 hPa,7級風圈半徑為180～330 km。受臺風影響,海南島局部有暴雨,伴有短時強降水和雷暴龍卷等強對流天氣。8月29日3:30儋州發(fā)生龍卷,強度達到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(見圖中圓圈),箭頭是臺風雨帶來向。臺風外圍雨帶的風從東北吹向西南時,遇到山地地形遇阻抬升,同時山地摩擦減小地面風速,高空風速仍保持,加大了垂直風速切變,促進迎風坡氣流抬升。這種動力加強機制與壽紹文[8]在中尺度氣象學闡述的臺風雨帶中出現(xiàn)龍卷的機制相符,也與王炳赟等[9]解釋的2015年10月4日“彩虹”臺風雨帶出現(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“楊柳”深厚的暖低壓中心向海南島移動,并不斷加強；圖2(c)、圖2(d)是8月28日20：00 700 hPa和850 hPa天氣圖,臺風暖濕中心清晰可見；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疊加雷達反射率因子(即回波強度)的地面天氣圖,分析4個時次的臺風雨帶環(huán)流和回波演變可知,隨著臺風中心移向海南島,臺風雨帶的回波強度不斷加強,29日2：00和5：00海南儋州附近的回波達到最強,對應著山地抬升對流加強,導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

為了研究夜間臺風加強生成龍卷的熱力不穩(wěn)定機制,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,促進了強對流。根據(jù)圖2,臺風低壓中心在灰色區(qū)的東南方向,強對流位于臺風西側,這里正對應著海南島儋州區(qū)域,云頂輻射降溫及強對流云團合并,為臺風雨帶產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)表示了大氣風溫濕垂直結構,可進行物理量診斷。圖4所示為28日20：00和29日8：00海口探空站的T-logP圖,下面從溫度層結(即對流指數(shù))方面分析大氣結構。對流有效位能(convective available potential energy，CAPE)值越大,大氣溫度層結越不穩(wěn)定,當大于1 000時發(fā)生強對流可能性大。K指數(shù)是反映對流層中低層大氣層結穩(wěn)定、濕度和飽和程度的綜合指標。K越大,層結越不穩(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海口T-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海口探空對流指數(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[8]在討論環(huán)境熱力條件對于對流風暴強度的影響時認為:“邊界層的水汽豐富有利于不穩(wěn)定能量的儲存和積累,增強風暴的強度,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,進而使風暴增強。另一方面風暴發(fā)生后可以造成干燥的中層入流,使降水質點蒸發(fā)加強,下沉氣流和雷暴外流引起嚴重的災害性大風”。28日20：00的干層在1～3 km,這是海南島在臺風前的局地干熱環(huán)境所致,這種水汽強梯度促進了對流發(fā)展,這種特有的濕度層結特征促使29日凌晨出現(xiàn)龍卷。29日8：00較28日20：00的近地面風速明顯增大,與雷暴外流的災害性大風有關。

3 雙偏振雷達特征分析

3.1 反射率因子特征

圖5所示為2019年8月29日海口雙偏振雷達的0.5°仰角反射率因子圖,2:16雷達站向南100 km內有強雨帶,200～300 km內有大范圍降水,局部降水強度大,同時北偏東250 km左右也有小范圍強降水,3:58龍卷發(fā)生后離雷達站較近的降雨帶東移,與臺風雨帶移動路徑一致。

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))的雷達反射率因子在0.5°仰角處最大達到56 dBZ,抬高仰角到1.5°,最大值達到60 dBZ以上,最大回波強度在高度4 km。RCS上最強回波高度在2～3 km,對應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,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速度對,龍卷進一步發(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[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。在中尺度渦旋對應的位置,3:13和3:30在1.5°仰角出現(xiàn)了較大范圍的正負值,3:58在對應位置沒有較明顯的正負值變化,而3:30的0.5°仰角出現(xiàn)了正負值混合,說明近地面龍卷將碎片拋到空中,但1.5°仰角正負混合范圍明顯減小,由于碎片的方向隨機,形狀不規(guī)則,導致TDS特征處相關系數(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,到3:30正值區(qū)的數(shù)值和范圍都達到了最大,隨后減弱。圖12所示為2019年8月29日0.5°與1.5°仰角相關系數(shù)。

在3:13的0.5°仰角相關系數(shù)出現(xiàn)多處正負值交錯的區(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,海口雷達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回波強度的地面天氣圖,臺風“楊柳”自東向西移向海南島,雨帶受地面摩擦和迎風坡抬升,回波強度在29日2：00增強,5：00達到最強,對應夜間發(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)面積合并擴大增加了熱力不穩(wěn)定,促進對流增強。

(3)分析T-logP圖的風溫濕垂直分布,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,是海南島在臺風前的局地干熱環(huán)境所致,水汽強梯度促進了對流發(fā)展,獨有的濕度層結特征促使29日凌晨出現(xiàn)龍卷。29日8：00較28日20：00的近地面風速明顯增大,與雷暴外流的災害性大風有關。

(4)海口的雙偏振雷達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)展強盛,Zdr出現(xiàn)了兩個正負相對的區(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°仰角相關系數(shù)Fig.12 Cross-correlation coefficient on August 29th

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