台风“摩羯”螺旋雨带中衍生龙卷的非超级单体特征

朱义青，王庆华

(山东省临沂市气象局，山东 临沂 276004)

引 言

龙卷是能产生极大破坏力的小尺度灾害性天气，通常表现为从对流云底向下伸展到地面的高速旋转漏斗状云柱，它是一种强烈的小型涡旋和小型低压，能在短时间内造成重大财产损失和人员伤亡。由于龙卷移速快、尺度小、生消迅速等特征，与其他强对流天气相比，龙卷属于小概率事件，短期预报较为困难，一直是气象监测和预报中的难点。

龙卷通常由超级单体风暴和非超级单体风暴产生。超级单体风暴产生的龙卷与持久深厚的中气旋紧密相关，有时还出现比中气旋尺度小且旋转快的涡旋即为龙卷涡旋特征(tornado vortex signature, TVS)，而非超级单体风暴产生的龙卷可以发生在各种对流风暴环境下[1]。研究发现，龙卷发生的环流背景主要有：西风带系统所伴随的对流风暴和台风或飓风(简称tropical cyclone，TC)。其中，西风带龙卷发生在中等偏强的大气热力不稳定环境条件下，龙卷位于钩状回波的顶端[2-4]，而台风龙卷则易出现在距离TC中心180～460 km的右前侧区域[5-8]。SCHULTZ等统计了1950—2007年美国引发龙卷的飓风，发现90%以上龙卷发生方位在340°～120°之间，距离飓风中心200 km以内区域的龙卷通常出现在飓风登陆后12 h内，而200 km以外区域的龙卷常发生在午后[9]。随着探测技术的进一步发展，多普勒天气雷达因其较高的灵敏度而成为探测龙卷天气的强有力工具[10-13]，其反射率因子强度可提供丰富的强对流信息，而平均径向速度产品能够反映气流的辐合、辐散、切变以及与强风暴有关的中气旋、龙卷涡旋特征等，为深层次分析龙卷天气过程演变及预警提供更丰富、可靠的信息。

热带气旋引发的龙卷多见于沿海地区，且引发龙卷的TC距离海岸线100 km以内，当表层风速靠近陆地时，陆地摩擦作用使风速减小而引起辐合，造成局地强的垂直运动，因此在靠近海岸线的地区利于水平涡度转成垂直涡度，诱发低层中气旋而形成龙卷[14-15]。山东境内的龙卷多出现在7—8月，且大多与西风带系统影响下的超级单体风暴有关，而由TC引发的则较少，特别是TC引发的非超级单体龙卷极其少见。因此，本文针对2018年第14号台风“摩羯”外围螺旋雨带中非超级单体龙卷，利用常规观测资料、卫星云图和多普勒天气雷达等资料，探讨引发龙卷的非超级单体结构特征，进一步认识TC引发中纬度龙卷的环境特征和物理机制，以期更好地为中纬度地区龙卷预报、预警做好服务。

1 台风“摩羯”概况和龙卷强度

2018年8月8日11:00(北京时，下同)前后第14号台风“摩羯”在西北太平洋生成，生成后向西北方向移动，于12日23:35前后在浙江温岭沿海登陆[图1(a)]，登陆时中心附近最大风力10级(28 m·s-1，强热带风暴)，中心最低气压为980 hPa；登陆后仍向西北方向移动，并于13日23:00减弱为热带低压，14日05:00前后进入山东并停止编号。受台风“摩羯”影响，8月14日08:00至15日08:00山东大部地区遭受持续性强降水，有25个国家气象观测站出现暴雨，17站出现大暴雨，其中宁津县降雨量超过200 mm。受本次台风影响，受灾人口达8万人，直接经济损失达4.6亿元人民币。其中，伴随的龙卷造成厂房和房屋倒塌及人员受伤。

经实地勘察受灾现场和走访龙卷目击者及多渠道获取龙卷风视频等，结合多种气象观测资料，综合分析研判后，确认台风“摩羯”进入山东后在山东境内共产生7个龙卷风(表1)，其中8月14日12:10发生在惠民县姜楼镇的龙卷最强，造成的灾害路径长4.5 km、宽约150 m，生命史11 min，位于台风北偏东方向35°约160 km处[图1(b)]，其形态及造成的灾情见图2(a)和图2(b)。

图1 台风“摩羯”移动路径(a)和2018年8月14日12:10山东济南站多普勒雷达0.5°仰角反射率因子(b，单位：dBZ)(黑色方框及其内部实线分别为龙卷发生区和移动路径，粉色线为龙卷距台风的距离)Fig.1 The moving path of typhoon ‘YAGI’ (a) and reflectivity factor of Doppler radar on 0.5° elevation at Ji’nan station of Shandong at 12:10 BST on 14 August 2018 (b, Unit: dBZ) (The black box and internal solid line are the occurrence area of tornado and its moving path, respectively)

图2 2018年8月14日山东姜楼镇龙卷形态(a)及其灾情照片(b)Fig.2 The morphology of tornado (a) and caused damage picture (b) in Jianglou of Shandong on 14 August 2018

时 间地 点经纬度等级距台风中心方位(°)/距离(km)资料来源09:30—09:50 潍坊昌邑市柳疃镇辛安庄村、渔尔堡村119.44°E,37.03°N 0～1 65/290 视频 10:40东营市垦利区孤东油田119.08°E,37.88°N152/308视频12:10—12:21滨州市惠民县姜楼镇117.50°E,37.25°N235/160视频13:10—13:20 东营利津县盐窝镇滩东村、台前村、崔西村118.44°E,37.68°N 1 55/190 视频 13:10—13:20滨州市阳信县洋湖镇马士和村117.40°E,37.53°N135/114视频13:30—13:50德州市庆云县尚堂镇李含贲村117.36°E,37.67°N0～132/99灾情调查13:40—13:50滨州市惠民县落桑墅镇哨马张村117.77°E,37.51°N0～154/110视频

受探测手段限制，对龙卷强度直接观测存在一定的难度，但是可以根据龙卷过后的灾害程度进行评估。FUJITA[16]根据龙卷造成的灾害程度，提出0～5级的等级分类标准，即“藤田等级”(Fujita-scale，F0～F5)，并得到广泛应用，其中F5为最高等级，造成的灾害最严重。目前中国尚无完善的龙卷灾情调查标准，参照“藤田等级”来判断发生在中国的龙卷强度可能会有一定的误差。另外，在相关的标准下龙卷强度的判定高度依赖个人主观判断，使得结果存在一定差异。尽管如此，根据灾情调查，针对不同时间、不同地方的龙卷强度进行定级仍然十分必要。根据惠民县姜楼镇龙卷灾情的特点、破坏长度和范围、现场图片和龙卷视频，结合气象观测资料，判定本次龙卷为F2级。

2 龙卷发生的潜势分析

龙卷的发生发展除满足一般强对流天气所需的水汽条件、不稳定层结条件和抬升触发机制外，还具备强的对流有效位能(CAPE)和垂直风切变。对于F2级及以上龙卷，通常发生在较低的抬升凝结高度(LCL)和较大的低层垂直风切变条件下，尤其是0～1 km较强的垂直风切变。抬升凝结高度越低、低层垂直风切变越大，越有利于F2级及以上龙卷(包括超级和非超级单体龙卷)的产生[1]。

2.1 天气背景

本次台风外围云系中有很多块状的中小尺度对流系统，龙卷的母体正是由这些中小尺度对流系统发展起来的[图1(b)]。8月13—14日(图略)，500 hPa副热带高压(简称“副高”)中心稳定维持在日本海南部，副高西伸脊点位于120°E；随着台风的逼近，山东上空风力逐渐增大，13日20:00至14日20:00，山东惠民县上空为台风“摩羯”与副高之间的东南急流控制。13日夜间[图3(a)]开始，中低层风速开始增大，700 hPa受东南急流控制，惠民地区位于急流左侧，风速超过18 m·s-1；14日08:00[图3(b)]，山东受台风东北象限强盛的东南急流影响，惠民附近上空700 hPa风速超过24 m·s-1；随着台风逐渐向东北方向移动，惠民附近有中尺度对流系统发展。

2.2 环境条件

从距离龙卷发生地最近的章丘探空站14日08:00的T-lnP图[图4(a)]看出，受台风环流影响，龙卷发生地附近整层风速都较大，低层风速达12 m·s-1以上，且随高度升高明显增大；整个对流层相对湿度都很大，从地面到对流层顶接近饱和；对流有效位能呈狭长状，且CAPE值较小，为200～300 J·kg-1，低于山东地区强对流天气发生的CAPE值[17]；K指数超过42 ℃，威胁指数(SWEAT)达335，对流抑制CIN在70～80 J·kg-1之间，抬升凝结高度在500 m以下。上述条件表明龙卷发生地附近大气层结不稳定性较强，利于对流天气的发生。

较低的抬升凝结高度LCL、较大的低层垂直风切变(尤其是0～1 km)有利于龙卷等强天气的发生发展。THOMPSON[18]指出，F2级以上龙卷的平均抬升凝结高度小于981 m；0～1 km垂直风切变是判断龙卷最有效的参数，F2级及以上龙卷0～1 km垂直风切变平均值为9.5×10-3s-1。从图4(a)看出，14日08:00山东章丘探空站的抬升凝结高度较低，不到500 m，较THOMPSON统计的平均抬升凝结高度明显偏低，说明低层相对湿度大，下沉气流中的气块在下降过程中蒸发冷却的可能性很小，具有较大的正浮力，利于上升运动的发展，进而利于龙卷产生。章丘附近0～6 km的垂直风切变为19 m·s-1，属于中等强度的深层垂直风切变，其中0～1 km的垂直风切变为12 m·s-1，对应的垂直风切变值为12×10-3s-1，属于强低层垂直风切变，远高于THOMPSON统计的平均值，利于F2级以上龙卷的产生。

图4 2018年8月14日08:00山东章丘T-ln P图(a)和滨州雷达VWP产品(b)Fig.4 The T-ln P diagram at Zhangqiu radiosonde station (a) and VWP product of radar at Binzhou station (b) of Shandong at 08:00 BST on 14 August 2018

滨州(惠民县东南部)雷达的VWP[图4(b)]显示，14日11:09以后近地面层(300 m以下)始终维持着10 m·s-1左右的东东南风，900 m高度为14～16 m·s-1的南东南风，3～4 km高度偏南风超过20 m·s-1，中层风速一直较强；12:09，近地面层300 m高度的东东南风增大为12 m·s-1，3.7 km高度偏南风风速为20 m·s-1，5.5 km高度偏南风最强风速达22 m·s-1，中低层存在较强的水平垂直风切变，这与章丘探空数据较为一致。

2.3 卫星云图特征

高时空分辨率卫星资料是监测中小尺度天气系统十分有效的数据源。水汽图像上的干区和湿区往往与天气尺度的下沉和上升运动区域相匹配，故而水汽图像上的连续时次干湿边界和暗区亮度变化对天气系统的发生发展有重要指示意义[19]。

2018年8月14日12:00，FY-2G卫星水汽图上，台风涡旋北侧白色湿上升区与南侧冷空气侵入的暗区呈明显的非对称结构，惠民县姜楼镇位于干湿区边界处，湿度梯度明显[图5(a)]；中红外云图的边界和白亮区与水汽图的边界和白亮区基本重合[图5(b)]，说明台风涡旋北侧湿层深厚，上升运动强烈[19]。在龙卷发生附近的姜楼镇100 km范围内，云顶亮温从-10 ℃降低到-70 ℃[图5(c)]，说明姜楼镇附近温度梯度较大，龙卷发生在TBB梯度最大处。

3 非超级单体龙卷特征

3.1 非超级单体龙卷形成过程

图6是雷达回波图上龙卷风暴结构的演变过程。可以看出，龙卷发生前7 min(12:03)，龙卷的母云体尚未生成，最强单体位于惠民县姜楼镇南侧；龙卷发生前1 min(12:09)，龙卷母云体生成，并发展成回波较弱的非超级单体风暴；12:15龙卷发生时，母云体发展到最强盛阶段，回波强度显著增强；12:21(龙卷持续阶段)，龙卷母云体的弱回波结构消失。

3.2 反射率因子演变特征

从非超级单体龙卷反射率因子时间演变(图7)看出，12:09之前，风暴最大反射率因子约53 dBZ，且出现在3 km以下，风暴质心高度在1.8 km；12:09，最大反射率因子、强中心高度和回波顶高快速增加；在龙卷发生期间(12:10—12:21)，最大反射率因子始终维持在54 dBZ以上。当风暴单体强中心高度从12:09的3.4 km降至12:15的2.4 km时，此期间地面观测到龙卷，而当强中心高度从12:21的2.8 km跃升至12:27的4.8 km时，龙卷消失。可见，强中心高度的快速下降和跃升过程对应地面龙卷的出现和消失。

图5 2018年8月14日12:00的FY-2G水汽图(a)、中红外云图(b)和云顶亮温(c，单位：℃)Fig.5 The water vapor image (a), mid-infrared cloud image (b) and cloud top brightness temperature (c, Unit: ℃) from FY-2G satellite at 12:00 BST on 14 August 2018

图6 2018年8月14日12:03—12:21山东滨州雷达站0.5°仰角反射率因子逐6 min演变(单位：dBZ)(圆圈内为龙卷母云体)Fig.6 The 6-minute evolution of radar reflectivity factor on 0.5° elevation from 12:03 BST to 12:21 BST on 14 August 2018 at Binzhou Doppler radar station of Shandong(The maternal cloud body of tornado is located inside the circle)

图7 2018年8月14日12:03—12:27对流风暴最大反射率因子、单体回波顶高及强中心高度时间演变Fig.7 The 6-minute evolution of the maximum reflectivity factor, echo top height of cell and its strong center height of convective storms from 12:03 BST to 12:27 BST on 14 August 2018

3.3 龙卷涡旋特征

在雷达径向速度图上，将与龙卷密切相关、比中气旋尺度小且旋转快的涡旋所表现的像素到像素的很大的风切变现象称为龙卷涡旋特征(tornado vortex signature，TVS)。TVS切变是通过速度差和方位切变2个指标来判断。速度差(DV)是相邻方位角沿方位方向的最大入流速度(Vi)和最大出流速度(Vo)的绝对值之和(单位：m·s-1)。方位切变指标是按照距雷达的距离分段定义。若某相邻方位角之间的速度差不低于45 m·s-1且距离雷达小于60 km，或者速度差不低于35 m·s-1、距离雷达60～100 km，则认定发生了TVS切变[1]。

滨州雷达监测到的距地600 m附近的低层强烈涡旋出现时间与视频录制的龙卷强烈发展时段同步，雷达速度图上小尺度涡旋出现在12:03—12:21(图8)，向西北方向移动4.5 km，与目击者报告和灾情调查基本一致。其中，12:15视频监测到的龙卷最强盛阶段，雷达速度图上，0.5°仰角小尺度涡旋速度差约为40 m·s-1，直径1 km，1.5°仰角速度差约为51 m·s-1，直径约1 km，且距离滨州雷达45 km，满足龙卷涡旋特征。另外发现，小尺度涡旋距离滨州雷达40～50 km，雷达最低仰角观测到的小尺度涡旋距离地面高度0.6～0.7 km，其底高为雷达最低探测高度。其中，12:03，雷达在0.5°仰角上首次探测到小尺度涡旋，比龙卷首次触地(12:10)提前7 min，其速度差为17 m·s-1；12:09，小尺度涡旋自0.5°仰角向上伸展到2.4°仰角，且速度差逐渐减弱，0.5°仰角的速度差最大为32 m·s-1；12:15，小尺度涡旋自0.5°仰角向上伸展到3.4°仰角，且3.4°仰角的速度差最小，1.5°仰角的速度最大约为51 m·s-1；12:21，仅在2.4°仰角以下观测到小尺度涡旋。可见，龙卷初始阶段小尺度涡旋先出现在近地面层，而后向上发展加强，消失阶段先从高层减弱消失。

由于龙卷尺度小、突发性强，多普勒天气雷达是其预警最为有效的手段。然而，多普勒天气雷达的中气旋识别算法(主要针对西风带龙卷)在中气旋垂直伸展厚度较小情况下无法自动识别。这表明预报时不能过分依赖雷达的中气旋和龙卷涡旋特征自动识别产品，而应当基于有利的环境背景，强化人工监测分析和研判。本次非超级单体龙卷位于台风路径东北象限的台风龙卷易发区，无论处于台风环流外围还是内部，都要警惕龙卷发生的可能，在有利的大尺度天气背景及环境条件情况下，若低层出现小尺度涡旋且底高伸展到近地面层，可以考虑发布龙卷预警。

图8 2018年8月14日12:03—12:21不同仰角下龙卷发生地附近强对流单体内小尺度涡旋特征(数值为速度差，其中红色数值满足TVS特征，单位：m·s-1；括弧内数值为龙卷发生地距雷达的距离，单位：km)Fig.8 The small-scale vortex characteristic of strong convective cell near tornado occurrence site on different elevations from 12:03 BST to 12:21 BST on 14 August 2018(The values stand for speed difference, while red value meets condition of TVS, Unit: m·s-1, and the values in bracket indicate the distance between the occurrence site of tornado and its nearby Bingzhou Doppler radar station, Unit: km)

4 结论和讨论

(1)龙卷发生在台风“摩羯”外围螺旋雨带中，其发生地位于台风中心35°方向约160 km处。

(2)低空急流、较低的抬升凝结高度LCL和较大的低层垂直风切变均有利于龙卷的发生。本次龙卷发生在抬升凝结高度500 m以下的环境中，且0～1 km高度垂直风切变达12 m·s-1，0～6 km垂直风切变达19 m·s-1，垂直风切变深厚，这与500 hPa东南急流密切相关。

(3)风暴发展过程中，水汽图像的边界和白亮区与中红外云图的边界和白亮区基本重合，说明湿层深厚、上升运动较强，龙卷发生在湿度梯度大值与TBB梯度大值相重合的区域内。

(4)螺旋雨带中产生龙卷的风暴为非超级单体风暴，龙卷初始阶段小尺度涡旋先出现在近地面层，而后向上发展加强，龙卷消失阶段则先从高层减弱消失。本次龙卷形成发展过程，最大反射率因子强中心高度的快速下降和跃升过程对应着龙卷的出现和消失，龙卷发生前7 min在0.5°仰角上出现小尺度涡旋，本次过程中，低仰角(0.5°)一旦出现小尺度涡旋，龙卷接地或即将发生。小尺度涡旋顶高的明显上升，可作为龙卷迅速增强的指标。

中国对龙卷的研究还处于起步阶段，因其尺度小、持续时间短、突发性强、发生概率低等特点，业务上开展龙卷的预报预警困难极大，存在难以确定龙卷具体落区和发生时间、空报率较高等诸多问题。因此，总结归纳有利于龙卷发生的天气形势、大尺度环流背景和各物理量及雷达回波特征，以提高对龙卷发生发展机理的认识，进而凝练有实用价值的预报、预警方法。针对龙卷尺度小、持续时间短等特点，目前地面自动站布网密度有时还无法监测到龙卷来临时引起的气象要素变化，在预报员未完全确定情况下，目击者若能主动报告龙卷发生的相关信息，将有利于下游的预报、预警发布。可见，在加强龙卷相关监测能力建设的同时，应注意提升市民意识和加大科普宣传力度，以提高龙卷预报、预警的及时性和准确性。