2014年6月3日佛山龙卷风过程分析

黄先香，炎利军，植江玲，王硕甫，李兆慧

（1.佛山市气象局，广东佛山　528000；2.佛山市龙卷风研究中心，广东佛山　528000）

天气与气候

2014年6月3日佛山龙卷风过程分析

黄先香1，2，炎利军1，2，植江玲1，王硕甫1，李兆慧2

（1.佛山市气象局，广东佛山528000；2.佛山市龙卷风研究中心，广东佛山528000）

利用广州多普勒天气雷达、常规气象观测和NCEP再分析等资料，分别从环流背景、物理量特征、中尺度特征等方面，对2014年6月3日广东佛山的龙卷风天气过程进行了分析。结果表明：中低层的辐合切变及高层的辐散“抽吸”作用为该次强对流风暴的发生发展提供了有利的大尺度环流背景条件；上干下湿的位势不稳定层结，低层高湿、增温为强对流天气提供了有利的环境条件；冷空气南压和地面中小尺度辐合系统提供了触发机制；K、SI、SWEAT、TT等物理量指数清晰地反映出大气的极端不稳定，中等以上强度的对流有效位能（CAPE）、较低的抬升凝结高度以及较强的0～1 km低层垂直风切变为龙卷产生提供了可能性；龙卷等强对流风暴的发展加强与地面中小尺度辐合系统加强有密切关系，珠江三角洲的喇叭口地形以及佛山东南低西北高的独特地理地形条件有利于地面中小尺度辐合系统的形成和加强。多普勒雷达径向速度捕捉到该次龙卷过程的中气旋特征，涡旋持续了6个体扫，垂直伸展局限于3 km的低层大气，强度达到了中等到强中等气旋，反射率因子图上最强回波达到60 dBz。

天气学；龙卷；中气旋；佛山

黄先香，炎利军，植江玲，等.2014年6月3日佛山龙卷风过程分析［J］.广东气象，2016，38（4）：1-6.

龙卷风是由对流云产生的破坏力极大的极端灾害性小尺度天气，可在短时间内造成重大人员伤亡和财产损失［1］。因其水平尺度小、持续时间短、发展迅猛、移动快速，是当前监测和预警中的一大难题。沈树勤［2］、吴海英等［3］和刘式适等［4］从理论模型角度探讨了龙卷风产生的机制和结构，指出绝对不稳定的大气层结和较大的水平涡度是产生龙卷风旋转的条件；俞小鼎等［5-6］分析了发生在安徽省的两次强烈龙卷天气过程，发现中等程度的对流有效位能和大的深层垂直风切变有利于超级单体风暴产生，而大的低层垂直风切变、低的抬升凝结高度和地面阵风锋的存在有利于F2级以上强龙卷产生；刁秀广等［7］对发生在山东境内的6个非超级单体龙卷风暴特征进行了分析，指出低层大的湿度和0～1 km的垂直风切变≥7 m/s是非超级单体龙卷发生的有利条件；伍志方等［8］归纳统计了中小尺度天气系统的多普勒速度和反射率因子及其导出产品特征，指出了此类强对流的分类识别方法；李彩玲等［9］、黄姚钦等［10］诊断分析了台风外围环流中触发的佛山龙卷风背景场；黄先香等［11］从气候角度分析了佛山龙卷风若干统计特征，并给出了龙卷风发生的几类环流形势。

2014年6月3日下午，佛山自西北向东南先后受强雷雨云团影响，15：25（北京时，下同）在顺德区陈村镇广隆工业区环镇西路和工业大道交界处产生了龙卷风，重20余吨的厂房房顶和房梁被掀掉。根据房顶倒塌和损坏情况，以及目击者关于漏斗云的描述以及道路交通监控视频，按照Fujita提出的龙卷风分级标准，判断此次龙卷风的强度为F2级。除了龙卷风，该次强对流天气过程还产生了短时强降水灾害。本研究利用常规观测、NCEP/NCAR再分析资料（分辨率1° ×1°）、多普勒天气雷达及自动气象站资料等，对该次强对流过程的天气背景、物理量诊断、地面中小尺度特征及龙卷风发生时的多普勒天气雷达回波特征等作分析，旨在总结经验并为类似天气过程监测预警提供参考。

1　过程概述

2014年6月3日13：30—16：30，佛山自西北向东南先后受强雷雨云团影响，出现龙卷、雷雨大风和短时强降水等强对流天气。其中，14：00—15：00，南海区大沥气象自动站录得全市最大时雨量57.1 mm，14：59佛山一中气象自动站出现34.5 m/s（东南风12级）极大阵风；其后强雷暴云团快速向东南移动，15：25前后在顺德陈村镇产生龙卷风。从距离龙卷风发生地最近（3 km）的陈村新圩民警中队气象自动站的风场变化来看，在龙卷风过境前后该站风向由15：25的偏西风呈气旋式顺转为西北、东北、东南风，15：27出现瞬时极大风速19.3 m/s（偏西风8级），2 min平均最大风速为10.2 m/s（偏西风5级）出现在15：30。

2　天气背景

2014年6月3日08：00，500 hPa上，亚洲中高纬度维持两槽一脊形势。高压脊位于河套附近，冷涡中心位于华东到华北的渤海湾附近，脊前的西北气流不断分裂小槽东移下滑，槽底到达25°N附近，引导冷空气南下；受中纬度西风槽东移南压影响，副高继续南落，588 dagpm线位于南海北部海面，广东省受槽后西北风场影响；700 hPa上，有小槽东移影响广东中北部一带；850 hPa上，切变线南压至南岭北侧，广东上空为强盛西南风场影响，强盛西南气流为强对流的发生提供了充足的水汽和不稳定能量；同时，广东中北部一带存在西北风与西南风的辐合线，925 hPa上在广东中北部一带也有切变线存在；地面上有弱的冷空气渗透到粤北，3日白天弱冷空气继续南压影响佛山，广东中部一带有辐合线存在。而且700、850、925 hPa和地面切变线或辐合线的位置非常接近，中低层具备很好的辐合抬升条件。另外，200 hPa上，南亚高压位于中南半岛北部，广东位于其中心东北偏东方，珠三角及以西为东北偏北风场，粤东为西北风场，广东省上空气流呈逐渐散开状，为明显的正散度区；高层的辐散“抽吸”作用有利于低层的上升运动发展。这种天气形势的配置，非常有利于佛山市出现强对流天气。从高、中、低各层主要系统的配置（图1）来看，低层850 hPa存在大范围湿区，珠三角地区为正变温区，700 hPa广东中部一带为负变温区，且珠三角一带中层比较干。中层干冷气流与低层暖湿平流的叠加使位势不稳定明显增大，珠三角及以西地区温度直减率大，t850-500≥24℃，为对流不稳定区。另外，地面上锋面位于广东北部一带，珠三角地区暖低压槽区，高温高湿，且存在风向的辐合，为强对流天气的发生提供了有利的动力抬升条件。

图1　2014年6月3日08：00各层天气形势配置

3　强对流潜势分析

龙卷等强对流天气的产生，不仅需要大的垂直不稳定、水汽条件及抬升触发机制条件，还需要较大的对流有效位能和垂直风切变条件。有研究表明，有利于F2级以上龙卷风生成的2个有利条件分别是低的抬升凝结高度和较大的低层（0～1 km）垂直风切变［5-6，12-13］。

3.1水汽和热力不稳定条件

图2a、2b分别给出了6月3日08：00沿113°E的比湿经向剖面、假相当位温（θse）纬度-高度剖面配合风场的垂直分布图。从图2可以看出，广东大部分地方都是湿区，湿层伸展的区域并不是太高，主要在700 hPa以下，上干下湿特征明显。高能区从海面输送过来，珠三角地区为高能舌区，高能舌伸展高度比较高，一直伸展到600 hPa以上，并且呈倾斜状，低层能量充足。冷空气已经越过了南岭，低层冷空气南下使得大气斜压性增大，加剧了珠三角地区涡度发展，增强了水汽辐合（潜热释放），使得大气不稳定能量增加。此外，还可以看到，中高层还存在干空气的入侵。这样，上干、下湿更为明显。因此，珠三角一带的大气层结变得更为不稳定。

图2　2014年6月3日08：00沿113°E经向剖面

3.2对流有效位能（CAPE）

分析华南地区CAPE值变化发现，2日20：00，广东及周边的CAPE值比2日08：00明显增大，增幅最大为河源站，由2日08：00的759.5 J/kg增大到2 534.1 J/kg；清远站由1 455 J/kg增大到2 795.1 J/kg。另外，阳江、梧州的CAPE值分别增大到2 870.7、2 876.9 J/kg；清远站K指数高达42℃，沙氏指数为-2.41，表明大气强烈对流不稳定。

由2日20：00清远站探空曲线（图3）可知，曲线呈明显的“喇叭”型，低层700 hPa以下比较湿，且有一定的对流抑制，而700 hPa以上干冷，具有明显的“上干下湿”位势不稳定层结特征，为该次强对流发展提供了垂直不稳定条件；另外，CAPE很大，且伸展高，有利于深对流发展。

图3　2014年6月2日20：00清远站探空曲线

3日早晨，由于有强雷暴在清远地区生成发展，3日08：00清远站的CAPE值降为402.6 J/kg，但K指数仍高达43℃，沙氏指数增强到-4.1；14：00经过订正后的清远站CAPE值为2 815.0 J/kg，修正的K指数为46.8℃。仍然呈现出强烈的对流不稳定。

3.3物理量指数诊断

分析6月3日08：00强天气威胁指数（SWEAT）、抬升指数（LI）、850和500 hPa的垂直温度递减率（Δt850-500）及Total Totals指数的分布情况（图略）。可以看出，华南及西南地区的SWEAT指数达200以上，表明这些地区低层湿度条件好，气层不稳定度大，特别是在珠三角地区SWEAT指数高达300以上，有产生强雷暴的可能。华南地区的抬升指数也都为负值，珠三角地区周边LI指数均<-3，表明气块温度高于环境温度，气块将继续上升，使大气层结变得越来越不稳定。另外，在广西大部到广东的中西部地区，Δt850-500≥24℃，为对流不稳定区，与强对流天气落区一致。广东大部Total Totals指数≥45，大气已具有较大的潜在不稳定度。考虑到上游还有垂直温度递减率较大的不稳定区将叠加上来，层结不稳定度将加剧。

3.4垂直风切变和抬升凝结高度

分析距离佛山最近的清远探空站的垂直风变化可知：2日20：00，从低层925 hPa到高层200 hPa，风随高度顺转，有暖平流；3日08：00，从低层到高层的风随高度逆转，有冷平流，低层有冷空气入侵（图略）。分析该过程2日20：00—3日08：00的0～6 km的风矢量差可知，0～6 km的风矢量差维持在12.0～14.0 m/s，垂直风切变明显，有利于对流加强发展和维持。据文献［13］，0～1 km的垂直风切变越大，抬升凝结高度越低，龙卷出现的可能性越大。2日20：00—3日08：00，清远站0～1 km的风矢量差由6.0 m/s增强至10.0 m/s，属较强的低空垂直风切变。另外，2日20：00—3日08：00，清远站的抬升凝结高度为951和981 hPa，均相对较低，与俞小鼎等［12-13］研究的结果一致，也与黄先香等［11］对佛山龙卷风发生的气候背景的有关结论相吻合。由此可见，该次龙卷是发生在较大的低层垂直风切变和较低的抬升凝结高度下。

4　地形和地面风场特征

佛山独特的地理环境条件是龙卷风产生的一个重要影响因素。从地理位置看，佛山总体上呈北高南低、西高东低的特征，西北部多起伏的丘陵和山脉，东南部为珠江三角洲平原；从100 km外的更大范围看，北部有南岭山脉、南部为向东南开口的“喇叭形”珠江口。而且佛山地处西江、北江交汇处，又恰恰处于三角洲上正对东江河谷的位置上，南来的暖湿气流沿着“喇叭形”的珠江口北上后通常与顺着北江或东江河谷渗透到佛山的浅薄冷空气交汇，产生辐合抬升作用，形成地面辐合线。在适当的大气环流条件下，容易触发龙卷风等小尺度天气系统的发生或发展。该次过程中，地形对地面风场也起到了明显的影响作用。分析强对流天气发生当天的08：00、11：00、14：00地面风场变化可以发现，从河源-广州-佛山-江门一带持续维持长约300 km的中尺度辐合线，而影响佛山的强对流风暴就是由肇庆附近的零散对流单体移入佛山境内，在中尺度辐合线附近进一步发展加强的。结合广东省自动站12：00—16：00实时风场资料和雷达资料分析表明，在中午12：00前后，渗透南下的冷空气前锋的偏北气流沿着北江河谷率先抵达佛山市南海区中北部，东江河谷有一支偏东气流抵达佛山中部，同时南部沿海有偏南气流北上，分别与北部的冷空气前锋和东部的偏东气流形成两条地面辐合线（图4）。13：00—15：00，辐合线两侧的南、北风逐渐加强，辐合增强；14：15，地面两条辐合线逐渐靠拢，形成“人”字型结构，珠江口内部的西侧东南气流明显增强并向西北推进；14：30，辐合线西段南压较快，在“人”字型的结合部，由冷、暖气流形成了冷性的小尺度涡旋，位于禅城北部的张槎附近；14：59禅城区的佛山一中自动站录得34.5 m/s阵风（东南风12级）；随后辐合线和小尺度涡旋中心东南压，给沿途的禅城张槎和顺德陈村带来强对流天气。

图4　2014年6月3日13：00—15：00地面自动站风场

因此，地面中尺度风场监测表明，有利的天气形势背景下，地形在地面辐合线和小尺度涡旋的形成中发挥了重要的影响作用。

从佛山市6月3日15：00—16：00的瞬时最大风速分布（图5）上也可以更清楚地看到，有3个小尺度涡旋中心，这3个小尺度涡旋是随着强雷达回波自北向南先后出现的，北部涡旋最强，出现在15：00前后，与佛山一中的12级阵风相对应，中部涡旋的风速相对较弱，而东南部的涡旋也较强，出现在15：30前后，对应该区域出现的龙卷风。

图5　15：00—16：00佛山自动站瞬时最大阵风分布（单位：m/s）（为涡旋中心）

5　多普勒天气雷达资料分析

2014年6月3日12：00前后，雷达上肇庆附近有零散对流生成并自西向东移动。13：30开始移入佛山境内，影响三水区南部和高明北部。13：36—13：42回波略有减弱，13：48回波开始加强，并且在南海区北部也有回波生成发展。14：12—14：18，影响高明区北部的回波明显加强，同时南海北部的回波继续加强，范围越来越大。

14：42影响高明的南边回波与影响南海北部的回波加强，连成南北向的带状回波。14：48带状回波继续加强，最强回波值达到了55～60 dBz，并逐渐演变成弓状回波。与弓状回波顶点处相对应，速度图上开始出现一对正负速度对（气旋性），位于禅城区张槎附近，该特征在1.5°和0.5°仰角上均可见到，0.5°仰角更清楚，其在0.5°仰角上表现为纯粹的旋转特征，其旋转速度（正负速度对的绝对值之和的1/2）约为13 m/s，为弱中气旋；在1.5°仰角上表现为辐合旋转特征（图略）。14：54，气旋性涡旋特征持续，1.5°和0.5°仰角上均表现为纯粹的旋转特征，并且强度加强，位于左侧的向着雷达的负速度出现了模糊，经过退速度模糊后的负速度最大值为-33 m/s，其旋转速度约为21 m/s，位于禅城区石湾附近（图6）。其正负速度对之间的距离（即涡旋的尺度）约为4 km，涡旋的垂直伸展局限于低层大气（约3 km）。根据以往研究，上述小尺度涡旋可以判定为中等到强中气旋［12］。15：00，气旋性涡旋呈现出辐散旋转的特征，并且位于左侧的向着雷达的负速度中的大风区范围有所增大，导致位于其附近的佛山一中自动站录得34.5 m/s（12级）大风，将数棵直径20 cm左右的桉树拦腰折断。15：06气旋性辐散旋转特征持续。15：12，气旋性辐散旋转涡旋减弱，但负速度中的大风区范围增大、强度增强，达到了20～27 m/s。之后强雷雨带和大风区继续东移南压，于15：30前后影响顺德区陈村镇，位于顺德区陈村镇广隆工业区环镇西路和工业大道交界处的钢板厂15：25左右出现龙卷风。根据佛山市自动气象站监测，离该点最近的站点（顺德陈村新圩民警中队）15：36测得19.3 m/s（8级）大风。

图6　6月3日14：54广州雷达强度（单位：dBz）（a、b）和速度图（单位：m/s）（c、d）a、c.1.5°仰角；b、d.0.5°仰角（红圈处为中气旋）

6　结论

1）该次龙卷风天气过程发生在有利的大尺度环流背景场中。虽然500 hPa华南处于槽后西北气流控制下，但是中低层的辐合切变风场及200 hPa高层辐散“抽吸”作用为此次强对流风暴的发生发展提供了有利的天气背景条件。

2）上干下湿的位势不稳定层结，低层高湿、增温为强对流天气提供了有利的环境条件，冷空气南压和地面中小尺度辐合系统为其提供了触发机制。

3）物理量场方面，K指数普遍在40℃以上，SI指数低于2.0，SWEAT指数在300以上，TT指数在45以上，清晰地反映了大气的极端不稳定；2 500 J/kg以上的对流有效位能（CAPE）、较低的抬升凝结高度（981 hPa）以及较强的0～1 km低层垂直风切变为龙卷产生提供了可能性。

4）龙卷等强对流风暴的发展加强与地面中小尺度辐合系统加强有密切关系，珠江三角洲的喇叭口地形以及佛山东南低西北高的独特地理地形条件有利于地面中小尺度辐合系统的形成和加强。该次过程就是由沿喇叭口的珠三角北上的暖湿气流与顺着北江、东江河谷渗透到佛山的弱冷空气在佛山一带交汇，形成2条中尺度辐合线，最后发展加强为小尺度涡旋。

5）多普勒雷达捕捉到该次龙卷的中气旋特征，涡旋持续了6个体扫，垂直伸展局限于3 km的低层大气，强度达到了中等到强中气旋，反射率因子图上最强回波达到60 dBz。

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Analysis of the Process of a Tornado June 3，2014 in Foshan

HUANG Xian-xiang1，2，YAN Li-jun1，2，ZHI Jiang-ling1，WANG Shuo-fu1，LI Zhao-hui2
（1.Meteorological Bureau of Foshan City，Foshan 528000；2.Tornado Research Center of Foshan City，Foshan 528000）

With the data of Doppler weather radars in Guangzhou，conventional meteorological observations and NCEP reanalysis，we studied the process of a tornado weather that happened in Foshan，Guangdong on June 3，2014 by the associated circulation background and the characteristics of physical quantities and mesoscale features.The result is as follows.A converging shear at the middle and low levels and sucking effect at the upper level provided favorable large-scale environmental conditions for the generation and development of this severe convective storm.Favorable environmental conditions also included a geopotentially unstable stratification（of being drier in the upper level than in the low level）and high humidity and warming in the low level.Southward-progressing cold air and surface meso-and fine-scale converging systems triggered the severe weather.Indexes of physical quantities，such as K，SI，SWEAT and TT，all clearly indicated the extreme instability of the atmosphere；CAPE was more than moderate，and the height of lifting and condensation was low and the vertical wind shear was strong in the 0-to 1-km layer，making it possible for the tornado to take place.The development and enhancement of tornadoes and other severe convective storms are closely related to surface meso-and fine-scale converging systems and the terrain of a bell-mouth shaped estuary of the Pearl River Delta，in association with the unique geographical and topographical conditions of Foshan where it is lower in the southeast than in the northwest，help the systems form and strengthen.During the event，the Doppler radars captured a meso-cyclone with the radial velocity. The vortex lasted for six volume scans with its vertical extension limited to low-level atmosphere below 3 km.Its intensity was moderate to severe with the strongest echo of reflectivity being 60 dBz on the scan map.

synoptics；tornado；mesocyclone；Foshan

P44

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.001

2016-01-06

广东省气象局科技项目（2014B21）和佛山市气象局科技项目（201603）共同资助

黄先香（1974年生），女，高级工程师，主要从事天气气候预测工作。E-mail：634003143@qq.com