1710号台风“海棠”外围龙卷大气环境条件和雷达特征分析

汤洁 徐芬 吴海英 夏网萍 安礼政

(1 江苏省淮安市气象局，淮安 223001； 2 中国气象局交通气象重点开放实验室，南京 210008； 3 江苏省气象科学研究所，南京 210009； 4 江苏省气象台，南京 210008)

*通信作者，Email:xufen1130@tom.com

引言

龙卷是在非常不稳定的天气条件下，由空气强烈对流运动而产生的一种漏斗状云柱的强风涡旋，具有极强的破坏性，易造成人员伤亡和财产损失。近年来，随着中国现代天气观测网的发展与资料的积累，我国气象学者对龙卷的研究取得了一定的成果。冯佳玮[1]、范雯杰[2]和魏文秀等[3]对中国龙卷的时空分布特征进行了概述。唐晓文等[4]总结了近十年国内外对龙卷风暴结构和演变的研究成果，详述超级单体和非超级单体风暴中龙卷形成过程的概念模型。刘式适等[5]利用大气动力和热力学方程组，绘制出龙卷风的三维风场及漏斗型结构。白兰强等[6]对2006—2018年中国台风龙卷进行统计分析，发现台风龙卷主要产生于东北象限并由强度相对较弱的热带气旋产生的。无论西风带龙卷还是台风龙卷在地域上分布有明显集中区，俞小鼎、郑媛媛、周后福、姚叶青等[7-17]分别对苏皖地区龙卷超级单体风暴的环境及结构特征进行统计分析，黄先香、张建云、李彩玲、李兆慧等[18-22]对珠江三角洲区域台风龙卷的预报预警工作有较好的研究。这些研究揭示了低槽切变、低空的西南风急流、强烈的对流不稳定、低层较大的垂直风切变及较低的抬升凝结高度有利于西风带强龙卷的产生，同时雷达反射率因子形态呈现出经典超级单体的特征并伴随中气旋和龙卷涡旋特征(TVS)；而台风龙卷集中在离海岸线更近的相对平坦的地区，并出现在相对较弱的条件不稳定环境中，除了需要低的抬升凝结高度和强的低层垂直风切变，对中层干冷空气侵入与风暴相对螺旋度有一定要求，即涡旋尺度更小，雷达回波特征以微超级单体风暴为主，风暴垂直伸展高度低于西风带龙卷。

对龙卷环境条件与回波特征、中气旋的位置和强度变化、TVS等特征研究分析可以有效提升预报业务中对龙卷的预警能力。但由于龙卷的空间尺度小、突发性强、生命史短，使得监测预警成为一个难题，李峰等[23]对美国近20年龙卷探测雷达技术和观测手段，表明美国基本实现快速扫描、获取高时空分辨率和高精度的龙卷资料，已形成龙卷概念模型与预报指标并在业务中实施。目前国内对龙卷的最大风力、直径、移速等判断依赖于灾后灾情调查和多普勒雷达资料，研究重点也主要是在大尺度环境场特征和雷达回波演变特征，对于龙卷的触发机制、三维结构研究较少。周海光[24]用双多普勒雷达反演了“6·23”江苏阜宁龙卷风暴三维结构，中气旋伴随超级单体的生成，气旋和反气旋组成的涡旋偶对龙卷形成有重要作用。江苏作为龙卷发生频次最高的地区之一[2]，对龙卷的过程研究直接决定了当地的预报预警能力。本文利用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、江苏淮安及宿迁多普勒雷达资料等，对2017年8月1日发生在江苏淮安区的一次非超级单体台风龙卷进行环境条件和雷达特征分析，并应用垂直螺旋度分析和双多普勒雷达风场反演等方法研究龙卷风暴的对流结构和演变过程，为江苏开展龙卷观测和业务预警预报提供参考。

1 龙卷实况与灾情调查

2017年8月1日18:10—18:30江苏省淮安市淮安区南闸镇、林集镇、三堡镇先后共有16个村受台风龙卷影响，造成12人轻伤。受灾人口约1360人，共造成359户房屋受损，其中倒塌10间；房屋严重受损95户。农作物受灾面积达42.7 hm2，树木倒折685棵，家禽死亡50余只，电杆线倒塌70余根，13个村断电(图1)。

图1 2017年8月1日龙卷影响路径、灾情照片及龙卷视频截图

通过多方获取的视频、照片，以及对龙卷路径沿线的村庄进行走访调查，再结合多普勒雷达和自动站等数据资料进行综合判断，确认龙卷自东南向西北方向移动，在三堡乡转向西北偏西，平均速度约50 km·h-1，持续时间约20 min，路径约18 km。路经南闸镇的林南村、戴湾村和泾河村，林集镇的袁庄村、联盟村、后管圩村、双沟村、平河村，三堡乡的祁庄村、花园村、陈庄村、新庄村、西合兴村、大陶村、周湾村，最后在沙滩村附近减弱消失(图1a)。调查发现，龙卷经过的地方，房顶被掀翻、电线杆和树木被折断、树木倒伏明显、广告牌被吹飞。从当地村民手机视频截图中发现18:16龙卷漏斗云已形成，但未接地，18:18漏斗云继续发展，云底高度持续降低，此阶段龙卷母云移速较快，18:23视频中龙卷已经触地，转速加强，直径增大，移速减慢，对三堡乡产生较为严重的破坏，18:28之后结构开始松散，龙卷逐渐消失。依据范雯杰等(2015)[2]做法，根据归纳后的“增强藤田级别”强度分类标准，判断本次龙卷级别为EF1级，属一般龙卷。

2 环流形势与环境背景

天气尺度可以提供中尺度系统形成的基本条件，强对流天气是否发生、发展以及它的移动和落区都和当时的大气环境条件有着紧密的联系。这次龙卷是发生在台风“海棠”登陆北上减弱为热带低压后产生的外围螺旋雨带中。

2.1 台风概述及天气尺度环流背景场

2017 年第 10 号台风“海棠”刚刚形成就与台风“纳沙”发生藤原效应，前期路径形似钩状(图2)。后期由于双台风牵引作用，路径趋向一致，两个台风间隔24 h内登陆同一地点。登陆后台风 “纳沙”残余云系逐渐并入“海棠”，给福建、浙江、江西、湖北、安徽、江苏、河南、山东等地带来强降雨。台风“海棠”于 7月26日在南海中部海面上生成；7月27日加强为热带低压；7月28日加强为热带风暴；7月30日17:30“海棠”在中国台湾省屏东县沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有9级(23 m·s-1)，中心最低气压为984 hPa；22:35“海棠”由台中市移入台湾海峡；7月31日02:50，在福建省福清市沿海再次登陆，登陆时中心附近最大风力有8级(18 m·s-1)，中心最低气压为990 hPa；31日夜间在江西境内减弱为热带低压；8月1日14:00，逐渐转为东北方向移动，18:00时前后淮安出现龙卷天气，此时残留低压中心位于湖北省麻城市境内，龙卷产生于距离热带低压中心东北象限约435～442 km处，位于台风残留低压外雨带中的强对流区中。

2017年8月1日08:00位于500 hPa高空槽前，西太平洋副热带高压(以下简称副高)中心位于黄海，其脊线呈西北东南向，西脊点位于108°E，台风“海棠”沿副高边缘向东北方向移动，江苏位于副高边缘西南侧与热带低压东北侧之间，在二者共同作用下，进而产生对流，在淮安区出现了龙卷天气。中低层存在东南急流，最强风速达20 m·s-1，各层急流轴均在浙江、江苏一带，位置相近，同时伴随湿舌和海上水汽输送，为中尺度系统的形成提供能量及水汽条件。残留低压倒槽呈西南—东北向，伸至江淮之间。地面存在辐合线，容易触发对流天气。高层辐散以及槽前正涡度平流的大尺度背景，有利于垂直运动的发展，台风东南侧的水汽向中纬度槽前输送有利于加强降水的强度。本次龙卷发生位置位于低层辐合、高层辐散、高低空急流交汇处和低空切变线顶端，同时该龙卷发生在离海岸150 km以内的地区，东南急流风速达20 m·s-1以上，这些结论均与以往的研究成果[25-28]相一致。

图2 1710号台风“海棠”移动路径及龙卷发生地(a),2017年8月1日08:00综合天气系统(b)

2.2 环境场特征分析

由于龙卷发生地附近没有探空站，本文选取距离龙卷发生地150 km的南京探空站08:00资料，同时利用8月1日17:00(龙卷发生前1 h)地面资料进行订正，并与曾明剑等[29]针对江苏10次梅雨期龙卷过程分析得出的环境参数值进行对比，结果如表1所示。

从表1可知，南京站08:00对流有效位能CAPE为1281.6 J·kg-1，对流抑制能量为21 J·kg-1， 经过订正后， 17:00对流有效位能增加至1850.8 J·kg-1,对流抑制能量降至2.9 J·kg-1，对流有效位能的增大同时对流抑制能量绝对值小， 说明在龙卷发生前大气层不稳定能量不断积累，十分有利于强对流的发生发展[30]。与台风龙卷相比较，冯佳玮等[1]合成江苏及邻近地区对流有效位能(CAPE)的置信区间为449～692 J·kg-1，郑媛媛等[28]认为台前龙卷在其龙卷产生前大气对流有效位能平均在200～1000 J·kg-1，本次过程的CAPE值偏大。与梅雨期龙卷相比较，对流有效位能依然偏大，特别是订正后结果与江苏雷暴大风天气需要2000 J·kg-1的CAPE值接近。抬升指数(LI)反映大气层结不稳定特征，本次台风龙卷过程有一定的不稳定特征，但不稳定层结强度小于梅雨期龙卷。近地面层为偏东风，风随高度顺转，有一定的垂直风切变，且0～1 km的风切变为10 m·s-1，与江苏梅雨期龙卷低层风切变值相当，大于周后福等[8]统计的江淮地区产生龙卷超级单体的0～1 km风垂直切变平均值8 m·s-1，同时抬升凝结高度LCL在1 km以下，中高层水汽条件较弱，这也是本次过程区域性强降水发生较少的原因之一，中层存在干层，近地面层露点温度高，水汽较充足。中纬度地区强风暴的发生3要素为对流层位势不稳定、上干下湿的水汽垂直分布和强的垂直风切变[31]。因此上述环境条件有利于龙卷的发生。

表1 “海棠”台风龙卷与江苏梅雨期龙卷环境参数对比

2.3 物理量分析

利用江苏省约1400个地面气象自动站监测数据分析龙卷发生前地面辐合流场的演变。17 h扬州至淮安一线的地面流场出现气旋性弯曲(图3a)，偏东气流和东南气流之间形成一条中尺度辐合线，有对流回波在辐合线附近生成，并沿着辐合线向西北移动。从17:10地面风场图可以看到有小尺度涡旋生成(图3b)，形成闭合的气旋性环流。选取离龙卷路径较近的白马湖农场站(图3b)进行分析，此站点位于龙卷路径左侧，距离龙卷发生地约1.5 km，当龙卷涡旋出现后，地面自动站温、压、风等气象要素也有明显的变化特征。18:15—18:25龙卷过境前后，气压上升，气温与露点温度下降，温度露点差增加，龙卷远离后气压下降，温度与露点逐渐上升并趋于一致(图4)。雨量变化表明，18:05—18:10，5 min降雨量为1.6 mm，达到峰值，随后减弱。从风场的变化表明，龙卷发生前2 min平均风向为偏东风，风速在3～5 m·s-1之间，龙卷过境时，风向逐渐转为东北，出现逆时针转动，同时风速增大至8.8 m·s-1，随后减小，18:35风向从东北风又转为东风。

沿着龙卷发生地的经度119°E做相对湿度的剖面(图5a，黑线处为龙卷发生地纬度)，可以发现龙卷发生的区域处于相对湿度梯度大值区，在700～500 hPa之间的干层也十分明显，龙卷发生时，中层环境干冷空气容易侵入到龙卷涡旋中，有利于高位涡下传，使低层气旋性涡度加强，同时增加了对流不稳定。

图3 2017年8月1日17:10地面辐合流场(a)及地面自动站风场(b) (黑色箭头为流场,阴影为散度,虚线为地面辐合线,黑色圈为小尺度涡旋位置,黑框为龙卷出现地,红圈处为白马湖农场自动站)

图4 2017年8月1日17:50—18:50的白马湖农场站气温(点折线)、露点(红线)、气压(折线)、 5 min累计降水量(柱状)(a)及2 min平均水平风向风速(b)时间演变

图5 14:00沿119°E相对湿度剖面(a)、垂直速度剖面(b)、垂直螺旋度剖面(c)

沿着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涡度决定，可以综合反映大气在垂直空间上的运动特征。从图5b可以看出龙卷发生地附近环境风场为一致的垂直上升运动区。从图5c黑色方框内可以看出龙卷发生前南侧低层出现了正垂直螺旋度大值中心，说明低层环境中垂直风切变较大，产生了水平涡管，进而出现了正涡度，气流流入螺旋系统内部会产生倾斜上升[32]，并生成小尺度涡旋。

3 多普勒雷达特征分析及风场反演

3.1 雷达回波特征

2017年8月1日白天开始，受台风“海棠”残留低压外围云系影响，江苏省西部出现降水，随着台风中心继续北上，降水范围不断扩大，同时在螺旋云带上不断有对流性降水回波生成，降水主要集中在江苏西部及西北部。从反射率因子图上(图6)可以看出，16:03台风外围螺旋雨带位于扬州淮安一线，该雨带最大回波强度达61 dBz，回波顶高达16.2 km，走向呈东南—西北方向，其后部沿着螺旋云带不断有新回波生成，并在江都生成一新孤立回波单体(龙卷在此单体中生成)，该单体初生中心强度为46 dBz，回波顶高为6.4 km，0.5°仰角最大径向速度为-22.5 m·s-1(图7)，随后该孤立单体沿引导气流向西北方向边移动边逐渐增强，并由孤立单体逐渐发展为多单体风暴，对流模态由孤立单体发展为簇类对流系统。该簇类对流系统途径高邮、金湖、宝应，于17:53进入淮安区境内，其中一回波单体的反射率因子最高达到60 dBz，回波顶高为13.7 km，同时刻该单体径向速度场出现龙卷涡旋特征(TVS)，底高0.6 km，低层速度差(LLDV)为16 m·s-1，但该TVS最大速度差(MXDV)位于1.3 km高度，为21 m·s-1。18:10，该簇类对流系统到达淮安林集镇附近，该系统南侧对应弱回波区域，为入流缺口位置(图6黑色箭头处)，与之对应的径向速度场0.5°～3.4°仰角层均出现了正负速度对，可能阈值未达到TVS识别算法要求，未能有TVS结构识别出，但通过目击者及媒体视频资料发现该时刻在林集镇附近出现了漏斗云特征，尚未接地。18:16—18:22该龙卷单体移入三堡乡地区，回波强度变化不大，但回波结构更加紧实，正负速度对强度进一步加强，回波质心有所下降龙卷风暴逐渐触地，18:28该单体右后侧对应为气旋性风场结构，在该气旋性风场内部又再次识别出TVS结构，该TVS最大速度差位于底部0.5 km处，为18 m·s-1。随后该产生龙卷的对流单体跟随其所处的簇类对流系统继续往西北方向移动，回波强度和强回波面积迅速减小，径向速度场中的气旋性结构也随之消失。

图6 2017年8月1日16:03—18:28淮安S波段雷达组合反射率因子与1.5°反射率因子 (白圈对应龙卷风暴初生位置；黑圈对应龙卷发生地；黑色方框处为双多普勒雷达风场反演区域；黑色箭头处为入流缺口)

图7 2017年8月1日16:03—18:28淮安S波段雷达 1.5°风暴相对径向速度 (红圈对应龙卷风暴初生、发展时正负速度对演变过程， ▽表示龙卷涡旋特征TVS)

3.2 双多普勒雷达风场反演

多部多普勒天气雷达联合观测不仅能提高风场反演的精度，还有利于灾害天气内部精细结构的研究，对短临预报精度的提高也起到重要作用。本文中双多普勒雷达风场反演算法采用刘黎平[33]提出的直角坐标处理方法，与“共面法”相比，这种直角坐标系下的处理方法更简单。将淮安-宿迁雷达体扫数据经过质量控制后，利用双线性插值处理方法插值到直角坐标系中，本文插值时设置的格点水平精度为0.0025°(约250 m)，垂直方向上的精度为500 m，高度从海拔1～18 km共36层。需要说明的是，由于1 km高度以下两部雷达联合观测区域缺乏足够有效数据，无法正确反演出近地面风场结构。

17:53在径向速度场上识别出龙卷涡旋特征(TVS)，而龙卷生成时间为18:10左右，本文主要探讨这两个时次的风场三维结构，找出触发机制，由于龙卷属于低质心扰动，用淮安—宿迁双多普勒雷达反演图6中黑框范围的不同高度风场结构，可以看出17:53强回波处1.0 km高度有偏北风量(图8a)，1.5～3.0 km高度则以东南到南风为主(图8b、c)，上下层存在明显垂直风切变，并且3.0 km高度可看到明显气旋式辐合，与强回波位置对应较好，6.0 km 高度以上存在辐散(图8d)，低层辐合、高层辐散以及近地面层的上下垂直风切变有利于龙卷风暴的生成。18:10，从水平风场反演图中可以看到1.0 km与1.5 km高度均在强回波区出现了东北风与东南风的水平风切变，1.0 km高度出现了气旋式辐合中心，位于切变线南侧的弱回波区中(图8e、f)，3.0 km高度上气旋式辐合明显减弱，30 dBz以上的回波区以偏南气流为主，6 km以上龙卷发生地附近没有回波，以上说明龙卷发生时气旋式辐合中心高度逐渐下降至1 km以下，有利于龙卷风暴触地。从图8中风暴位置及风场反演结果来看，龙卷发生地位于低层涡旋移动方向左前侧，并在1 km高度切变线附近，这与Markowski等[34]认为非超级单体龙卷主要形成于近地面水平风切变线附近的结论相一致，广西2015年5月10日的龙卷过程也是由低层水平风切变触发引起[35]。近地面层水平风切变维持到18:28(图略)，龙卷风暴沿着近地面切变线方向移动，当水平风切变逐渐消失时，龙卷也随之消散。

图8 2017年8月1日17:53、18:10淮安—宿迁双多普勒雷达风场反演(高度为1 km、1.5 km、3 km、6 km) (黑色箭头为反演水平风向，阴影为反射率因子，红圈为气旋式风场辐合，▲为龙卷发生地)

4 结论

(1)龙卷发生在1710号台风“海棠”减弱后的热带低压倒槽顶端和副高边缘的高低空急流交汇处，距离热带低压中心东北象限约435～442 km处，离海岸150 km以内，根据灾情调查判断，本次龙卷为EF1级。

(2)逐渐增大对流有效位能、小的对流抑制能量、较大的 0～1 km的风切变、1 km以下的抬升凝结高度、中层环境干冷空气侵入等特征，有利于龙卷风暴的生成。龙卷发生前1 h地面不断有小尺度涡旋生成，并沿着地面辐合线向西北方向移动。当龙卷涡旋出现后，地面自动站气压上升，气温与露点温度下降，风力明显增大，龙卷发生前的降水为龙卷发生提供了一定的水汽条件。龙卷发生前环境风场为垂直上升运动区，同时存在正垂直螺旋度大值中心，有利于气流倾斜上升，有利于涡度增加。

(3)龙卷风暴从孤立单体逐渐发展为多单体风暴，对流模态由孤立单体发展为簇类对流系统，具有入流缺口特征，最大反射率因子在60 dBz以上，龙卷发生前在径向速度场上可以看到辐合特征及正负速度对，并出现TVS特征，较龙卷风暴出现提前约17 min。

(4)通过双多普勒雷达反演龙卷的风场三维结构发现：龙卷生成前后风场存在差异，龙卷发生前有3.0 km以下的低层辐合，6.0 km以上的高层辐散，1.0～1.5 km间有明显垂直风切变，低层水平风场以辐合为主；龙卷发生时辐合中心高度下降，有利于龙卷风暴触地，1.0 km以上风场气旋式辐合减弱，转为东北风与东南风切变，龙卷发生地位于低层涡旋移动方向左前侧与1 km 高度切变线附近，龙卷形成于近地面水平风切变南侧。