2019年8月29日海南儋州台风雨带中夜间龙卷的多源资料分析

陆 琛, 魏 鸣

(1.南京信息工程大学大气物理学院,南京 210044；2.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京 210044)

灾害性天气的监测预警和短临预报一直受到关注,随着社会经济的发展,强对流天气所导致的经济损失也越大。强对流系统中往往有多种灾害同时发生,如冰雹、雷暴、龙卷风的预报一直是很大的挑战。龙卷经常出现在强对流天气中,但由于其尺度小、发展迅速,所以不易被观测到。相比于其它大气探测方法,天气雷达探测的时间和空间分辨率高,对龙卷风的预报和探测具有独特优势。近年来,中国新一代天气雷达网正在升级为双偏振多普勒雷达,双偏振雷达相比于常规单偏振多普勒雷达能获得更多信息,其偏振参量有：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浓度的度量,主要受尺度控制；差分反射率Zdr(differential reflectivity) (dB)能反映中值水滴直径的度量,受尺度/形状影响,对判别雨、雹、雪等有用；比差分传播相位移Kdp(specific differential phase)[(°)/km]对精确降雨估计有效,对雷达标校、衰减和波束部分阻挡不敏感；零滞后相关系数(cross-correlation coefficient，CC)。

对双偏振参量的龙卷特征分析已有前人研究结果。张培昌等[1]总结了4种龙卷易出现的天气,对龙卷产生的条件、形成机制和雷达探测预报龙卷的方法做出总结,并对中国发生的3个龙卷个例的雷达资料进行了分析,说明龙卷可以在不同的天气条件下产生,在雷达探测上会有一些基本相似的特征,如钩状回波、中气旋产品和龙卷涡旋特征(tornado vortex signature,TVS),可以推断有较大概率发生龙卷,并被实际观测证明确有龙卷。

对于台风龙卷的时间分布特征,Schultz等[2]对1950—2007年美国飓风引起的龙卷进行了特征分析,分为外围龙卷和区域内龙卷,外部区域的龙卷风(距台风中心超过200 km)有更强的昼夜信号,通常发生在下午。区域内龙卷风通常发生在台风中心登陆后12 h内,发生时间在一天中没有特定时段。Bodine等[3]用龙卷碎片特征(tornadic debris signatures，TDS)参数来获得关于龙卷风损害严重程度和空间范围的近实时信息。张建云等[4]也对2015年彩虹台风广东佛山龙卷进行了雷达TVS及TDS特征的分析。佛山雷达为X波段双偏振雷达,龙卷发生时,雷达探测到了超级单体风暴钩状回波内的龙卷涡旋。龙卷涡旋位于钩状回波的末端,龙卷涡旋的反射率因子大,即回波很强,其中间反射率因子相对较弱；与强反射率因子对应的位置,平均径向速度有明显的涡旋特征；在龙卷涡旋的位置,双偏振雷达的差分反射率因子Zdr有明显的低值区,零滞后相关系数(CC)也有一明显的低值区。黄先香等[5]对2018年6月8日台风“艾云尼”中发生的广州龙卷和佛山龙卷进行了分析,龙卷均发生在中低空强东南急流和高层辐散的有利大尺度环流背景下。环境条件表现为较强的低层风垂直切变和较大的风暴相对螺旋度,较小的对流有效位能和对流抑制能量,极低的抬升凝结高度,地面存在中尺度辐合线和小尺度涡旋。广州S波段雷达探测到两次龙卷母云风暴的低层钩状回波和入流缺口回波特征及低层中等强度中气旋,龙卷出现在钩状回波顶端、中气旋中心附近。佛山雷达清晰地探测到佛山南海区大沥龙卷的微型超级单体和龙卷碎片特征(TDS)。潘佳文等[6]针对福州地区一次台风螺旋雨带造成的特大暴雨过程进行分析,探讨了台风登陆前局地短时强降水与地形的关系,地形摩擦作用增大了垂直风切变。王炳赟等[7]研究了1522强台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变与形成机理,几个龙卷分别出现在上午和午后,产生在远离台风中心的外雨带上。

2019年8月29日凌晨,海南儋州发生了EF2级龙卷,此次龙卷发生在台风“杨柳”的外围螺旋雨带。与一般龙卷不同的是,儋州龙卷发生在夜间,而大部分龙卷的观测记录都是在午后。由于针对夜间龙卷的研究较少,因此以这次海南台风雨带的夜间龙卷为例,分析天气背景、卫星云图、儋州地形、大气风温湿结构以及海口S波段双偏振多普勒雷达资料,从热力、动力和水汽等方面分析夜间龙卷的形成原因及回波结构。

1 天气背景

1.1 事件概况与海南省地形影响

2019年第12号台风“杨柳”(热带风暴级)的中心在8月28日1:00前后在菲律宾吕宋岛沿海登陆,登陆时中心附近最大风力有8级(18 m/s),中心最低气压为998 hPa。5:00“杨柳”的中心位于海南省陵水县以东大约1 000 km的南海东部海面上,位置为16.9°N、119.3°E,中心附近最大风力有8级(18 m/s),中心最低气压为998 hPa,7级风圈半径为150～300 km。8月29日5:00台风“杨柳”位于海南省三亚市偏东方约300 km的南海北部海面上(17.8°N、112.3°E),中心附近最大风力有9级(23 m/s),中心最低气压为990 hPa,7级风圈半径为180～330 km。受台风影响,海南岛局部有暴雨,伴有短时强降水和雷暴龙卷等强对流天气。8月29日3:30儋州发生龙卷,强度达到EF2级,造成8人遇难,2人受伤。

图1所示是海南省地形图,儋州位于19.5°N、119.5°E的覆盖范围内(见图中圆圈),箭头是台风雨带来向。台风外围雨带的风从东北吹向西南时,遇到山地地形遇阻抬升,同时山地摩擦减小地面风速,高空风速仍保持,加大了垂直风速切变,促进迎风坡气流抬升。这种动力加强机制与寿绍文[8]在中尺度气象学阐述的台风雨带中出现龙卷的机制相符,也与王炳赟等[9]解释的2015年10月4日“彩虹”台风雨带出现龙卷的原理相似。

图1 海南省地形图Fig.1 Topographic map of Hainan province

1.2 天气图分析

图2所示为2019年8月28日20：00—29日8：00(北京时间,下同)的高空与地面天气图。图2(a)、图2(b)是28日20：00和29日8：00的500 hPa天气图,可以清楚地见到台风“杨柳”深厚的暖低压中心向海南岛移动,并不断加强；图2(c)、图2(d)是8月28日20：00 700 hPa和850 hPa天气图,台风暖湿中心清晰可见；图2(e)、图2(f)、图2(g)、图2(h)分别是28日20：00、29日2：00、29日5：00和29日8：00叠加雷达反射率因子(即回波强度)的地面天气图,分析4个时次的台风雨带环流和回波演变可知,随着台风中心移向海南岛,台风雨带的回波强度不断加强,29日2：00和5：00海南儋州附近的回波达到最强,对应着山地抬升对流加强,导致夜间的龙卷和雷暴。

2 卫星云图与T-logP图

2.1 卫星云图

为了研究夜间台风加强生成龙卷的热力不稳定机制,利用FY2G红外亮温图分析云顶温度的变化。图3所示为2019年8月29日0:00和3:00的FY2G红外亮温图,红色矩形区域为海南省。可以看到海南以南地区29日0:00亮温比周围明显低很多呈灰色,低值区范围为185～190 K,这是由于云顶向外太空发射长波辐射而降温,0:00—3:00最低温度的灰区面积合并扩大,并有向海南北部移动的轨迹，此时云顶温度最低为185 K,地面和云顶温差增加使热力不稳定加强,促进了强对流。根据图2,台风低压中心在灰色区的东南方向,强对流位于台风西侧,这里正对应着海南岛儋州区域,云顶辐射降温及强对流云团合并,为台风雨带产生龙卷提供了热力不稳定。

2.2 T-logP图

T-logP图(温度气压对数图)表示了大气风温湿垂直结构,可进行物理量诊断。图4所示为28日20：00和29日8：00海口探空站的T-logP图,下面从温度层结(即对流指数)方面分析大气结构。对流有效位能(convective available potential energy，CAPE)值越大,大气温度层结越不稳定,当大于1 000时发生强对流可能性大。K指数是反映对流层中低层大气层结稳定、湿度和饱和程度的综合指标。K越大,层结越不稳定,2530连续雷雨。在自由对流高度(level of free converction,LFC)上气块温度高于环境温度,气块能从环境大气中获取不稳定能量自由上升。由表1可见,海口站28日20：00到29日8：00,CAPE值从1 539增加到1911，K指数从25.9增加到38.1，LFC从2 km降到0.8 km,说明大气底层水汽在增多。这些指标都有利于对流的发展,为夜间龙卷的形成提供了有利的环境背景。

图2 2019年8月28日20时—29日8时的高空与叠加了雷达反射率因子的地面天气图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

红色区为海南省图3 2019年8月29日FY2G红外亮温图Fig.3 Infrared bright temperature from FY2G on August 29th, 2019

图4 2019年8月28日20：00和29日8：00海口T-logP图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海口探空对流指数Table 1 Radiosonde convection index of Haikou at 20:00 on August 28th and 8:00 on August 29th

再分析大气的湿度层结特征,注意到无论海口还是三亚探空站28日20：00大气从地面到1 km水汽丰沛,而1～3 km的中低层很干,与图2(c)海南岛干暖特征相符,中尺度气象学[8]在讨论环境热力条件对于对流风暴强度的影响时认为:“边界层的水汽丰富有利于不稳定能量的储存和积累,增强风暴的强度,而边界层以上(2～4 km)则相反,水汽减少反而会使对流不稳定性加强,进而使风暴增强。另一方面风暴发生后可以造成干燥的中层入流,使降水质点蒸发加强,下沉气流和雷暴外流引起严重的灾害性大风”。28日20：00的干层在1～3 km,这是海南岛在台风前的局地干热环境所致,这种水汽强梯度促进了对流发展,这种特有的湿度层结特征促使29日凌晨出现龙卷。29日8：00较28日20：00的近地面风速明显增大,与雷暴外流的灾害性大风有关。

3 双偏振雷达特征分析

3.1 反射率因子特征

图5所示为2019年8月29日海口双偏振雷达的0.5°仰角反射率因子图,2:16雷达站向南100 km内有强雨带,200～300 km内有大范围降水,局部降水强度大,同时北偏东250 km左右也有小范围强降水,3:58龙卷发生后离雷达站较近的降雨带东移,与台风雨带移动路径一致。

图6所示为2019年8月29日3:30龙卷发生时的反射率因子(reflectivity cross section，RCS),儋州所在地区(圆圈区)的雷达反射率因子在0.5°仰角处最大达到56 dBZ,抬高仰角到1.5°,最大值达到60 dBZ以上,最大回波强度在高度4 km。RCS上最强回波高度在2～3 km,对应龙卷伸向地面的过程。

图6 8月29日3:30反射率因子Fig.6 Reflectivity factor at 3:30 on August 29th, 2019

图7 8月29日3:13 两个中尺度涡旋的径向速度图退模糊对比Fig.7 Velocity dealiasing comparison of two mesoscale vortexes at 3:13 on August 29th

3.2 径向速度特征

图7所示为8月29日3:13 两个中尺度涡旋的径向速度图退模糊对比。退模糊后对龙卷的发展过程分为3个阶段,选取了3:13、3:30、3:58三个时间点,3:13径向速度图中0.5°仰角出现了小范围速度模糊,经过退速度模糊并减去周围环境风场后,有两处出现了中尺度涡旋特征,仰角抬高到1.5°,速度模糊范围增大且出现了二次模糊,经过处理后,中尺度涡旋特征范围更大更明显,龙卷从空中向地面发展,到3:30,0.5°仰角的中尺度涡旋较之前明显,而在1.5°仰角中也出现了中尺度涡旋和正负速度对,龙卷进一步发展,继续抬升仰角,依旧有中尺度涡旋的特征,直到6.0°仰角消失,高度大约为5 km,符合反射率因子垂直剖面图的特征。3:58中尺度涡旋又分散为2个(图8),0.5°仰角图上涡旋程度和范围均趋减小,1.5°仰角仍较明显,此时龙卷涡旋开始减弱。

3.3 速度谱宽特征

由于龙卷发展演变时,速度谱宽可以指示其湍流特征,参看文献[10]。图9所示为8月29日1.5°仰角谱宽。3:13有两处出现谱宽大于10 m/s,位置与径向速度图中尺度涡旋相似,到3:30合并为平均7 m/s的大范围,之后到3:58再分裂,与径向速度变化趋势一致。

图8 8月29日3:30,3:58径向速度图Fig.8 Radial velocity at 3:30 and 3:58 on August 29th

图9 8月29日1.5°仰角谱宽Fig.9 1.5°elevation spectral width on August 29th

3.4 双偏振参量特征

图10所示为2019年8月29日差分反射率因子Zdr。在中尺度涡旋对应的位置,3:13和3:30在1.5°仰角出现了较大范围的正负值,3:58在对应位置没有较明显的正负值变化,而3:30的0.5°仰角出现了正负值混合,说明近地面龙卷将碎片抛到空中,但1.5°仰角正负混合范围明显减小,由于碎片的方向随机,形状不规则,导致TDS特征处相关系数CC较小,3:30在1.5°仰角仍可测到小范围CC小值区,3:58消失,此时龙卷减弱不足以抛碎屑到更高处。图11所示为2019年8月29日1.5°仰角比差分相位Kdp。Kdp随着龙卷的发展逐渐增强,到3:30正值区的数值和范围都达到了最大,随后减弱。图12所示为2019年8月29日0.5°与1.5°仰角相关系数。

在3:13的0.5°仰角相关系数出现多处正负值交错的区域,抬高到1.5°则几乎消失,这是受地物杂波的影响,根据海南地形图,海口雷达站位置的西北部是山脉部分,低仰角地物杂波影响明显,而1.5°则很少,而在3:30的1.5°仰角图中,出现了一块有正负值交错的区域,这是受龙卷影响,一些杂物被卷到空中所造成的,到3:58龙卷消失或不足以将杂物卷到1.5°仰角的高度。

4 结论

(1)分析海南地形图以及2019年8月28日20：00到29日8：00高空天气图和叠加雷达回波强度的地面天气图,台风“杨柳”自东向西移向海南岛,雨带受地面摩擦和迎风坡抬升,回波强度在29日2：00增强,5：00达到最强,对应夜间发生龙卷的时段。

(2)分析FY2红外云图演变可知,夜间海南岛附近对流云团的云顶亮温明显低于周围地区,云顶的辐射降温增加了与地面的温差,从29日0：00到3：00最低温度的灰区面积合并扩大增加了热力不稳定,促进对流增强。

(3)分析T-logP图的风温湿垂直分布,海口站28日20：00—29日8：00,CAPE值从1 539增加到1 911；K指数从25.9增加到38.1，LFC从2 km降到0.8 km,说明大气底层水汽在增多。这些指标都有利于对流的发展,为夜间龙卷的形成提供了有利的环境。28日20：00的干层在1～3 km,是海南岛在台风前的局地干热环境所致,水汽强梯度促进了对流发展,独有的湿度层结特征促使29日凌晨出现龙卷。29日8：00较28日20：00的近地面风速明显增大,与雷暴外流的灾害性大风有关。

(4)海口的双偏振雷达资料显示了典型的龙卷回波特征,经过退速度模糊,凸显了中气旋、TVS和TDS特征的演变,偏振参量Zdr、Kdp和CC的演变,揭示了中气旋和龙卷的特征。Zdr在龙卷发生之初会出现相隔一段距离的小范围的正值(3)和负值(-2),Kdp图中出现了区域正值,最大值为3.6,CC由于初期龙卷较弱,不足以将杂物卷到1.5°仰角的高度,故特征不明显,到3:30龙卷发展强盛,Zdr出现了两个正负相对的区域,Kdp正值范围增大且最大值增大到6,CC在1.5°仰角出现正负值交错区域,3:58龙卷减弱,仅Kdp图中有小范围正值区,且最大值减小为3,而Zdr与CC已无明显特征。

图10 29日差分反射率ZdrFig.10 Differential reflectivity Zdr on August 29th

图11 29 日1.5°仰角比差分传播相位移KdpFig.11 Specific differential phase Kdp on August 29th

图12 2019年8月29日0.5、1.5°仰角相关系数Fig.12 Cross-correlation coefficient on August 29th

综上所述,台风外雨带登陆海南岛后的动力抬升、热力层结和湿度层结特征,使台风雨带的对流不稳定加强,是儋州在夜间发生龙卷的主要原因。研究结果为预警台风雨带中的夜间龙卷提供了参考依据。