两次台风衍生龙卷的环境背景和雷达特征对比分析

谌志刚 李海燕 肖柳斯 傅佩玲 周芯玉

(1 广州市气象局，广州 511430；2 广州市气象台，广州 511430)

引 言

龙卷是一种尺度小、突发性强、强度大、生命史短、危害严重的天气系统[1-2]。台风龙卷通常是由热带气旋外围雨带上的微型超级单体引发的，但维持时间通常较短、强度较弱，且由于台风上层有云系遮挡，难以识别，使台风龙卷的预报预警面临巨大的挑战。沈树勤[3]、吴俞等[4]、彭霞云等[5]均对生在台风前部龙卷过程进行了详细分析；朱文剑等[6]、李彩玲等[7]、肖柳斯等[8]先后对台风“彩虹”的外围龙卷从其发生的热动力条件和雷达特征进行了分析，但基本都是对单次龙卷过程进行分析，缺少系统性对比；郑媛媛等[9]对十余次台风龙卷过程的环境背景及其回波结构演变特征进行了对比分析，指出龙卷主要出现在0～1 km风切变和相对风暴螺旋度大值区；黄先香等[10]对佛山发生的两次台风龙卷环境背景及雷达特征进行了对比分析，发现低层辐合、高层辐散及中低空强劲东南急流在珠江三角洲叠加是影响台风龙卷形成的重要特征。以上研究均未涉及广州的龙卷个例分析，尤其是对相似台风环境场在广州地区相近位置重复出现龙卷的对比分析较少。

为此，本文借助ECMWF高分辨率(0.125°×0.125°)再分析资料，结合广州多普勒雷达资料，对比分析广州发生的两次台风龙卷过程的致灾情况、发生发展环境、中尺度特征以及雷达回波特征等，并挑选了一个路径相似但未发生龙卷的台风个例做对比分析，探讨其中的共同特征和差异，增强对广州发生台风龙卷的天气特征与雷达特征的识别能力，以期为台风龙卷监测预警提供参考。

1 两次台风龙卷过程概况

2015年10月4日下午，1522号台风“彩虹”(超强台风级)外围环流触发的小尺度龙卷分别袭击了佛山顺德、广州番禺以及汕尾海丰等地。其中，4日17时(北京时，下同)左右发生在番禺的龙卷，导致该区多间房屋受损，3人死亡、134人受伤。根据现场专家的勘测，该龙卷地面直径仅100 m左右，根据风灾现场破坏情况，对照藤田级数，破坏程度在EF3级[7]。

2018年6月8日凌晨，受1804号台风“艾云尼”(热带风暴级)外围环流触发，广州南沙横沥镇出现了龙卷，造成1人死亡、8人受伤。根据风灾现场破坏情况，对照藤田级数，强度相当于EF1级。

2 两次台风龙卷大尺度环境背景对比分析

2.1 天气形势分析

两次龙卷均发生在登陆后台风的外围螺旋雨带中(图1)。其中1522号台风“彩虹”(超强台风级)于2015年10月4日14时10分在湛江市坡头区沿海登陆，随后继续向西北移动，16时前后到达湛江麻章区，中心风力52 m·s-1，受外围环流影响，南沙区黄阁镇附近有气旋性涡旋生成，并继续发展北移，17时左右广州番禺发生龙卷(图1c)，龙卷位于台风中心移动方向右前侧大约390 km处[11]。此时副热带高压西伸呈东西块状分布，西脊点在110°E附近，脊线位于24°N，台风“彩虹”处于副热带高压南侧东南气流引导下，番禺处于台风外围偏南气流和副热带高压边缘的东南气流的辐合区中，其上空925 hPa、850 hPa、700 hPa和500 hPa各层次均存在明显的急流，其中500 hPa和850 hPa风速分别达到25.4 m·s-1和24.4 m·s-1(图2a、b)；番禺区域地面自动站存在明显的风速辐合区(图略)，200 hPa则存在明显的高空辐散(图略)，辐散度达到2.3×10-5s-2。中低层深厚的急流区存在(尤其是低空急流出现)对于能量和水汽的输送至关重要，同时也有利于中低空的垂直风切变的产生。

图1 (a)2015年10月4日(蓝色点)和2018年6月8日(紫色点)两次龙卷对应的中气旋的路径；(b)龙卷与台风“艾云尼”位置示意；(c)龙卷与台风“彩虹”位置示意Fig.1 (a)Mesocyclone tracks of tornadoes on October 4，2015(blue circles)and June 8 2018(purple circles); (b) the location of thetornado corresponds with typhoon “Mujigate” ;(b) the location of the tornado corresponds with typhoon “Ewiniar”

1804号台风“艾云尼”(热带风暴级)于2018年6月7日20时30分在阳江海陵岛再次登陆，之后继续北移，8日01时前后到达阳江大八镇，中心风力20 m·s-1，此时在南沙区万顷沙镇附近有气旋性涡旋生成，并向北发展，01时30分前后广州南沙横沥镇发生龙卷(图1b)，龙卷位于台风中心移动方向右前侧大约180 km处，与常规认识中的台风外围龙卷形成区域存在差异。2018年6月7日20时，副热带高压强度偏弱，主体位置偏东，脊线位于25°N。珠三角地区处于副热带高压西南缘的偏南气流与台风“艾云尼”在外围东侧的偏南气流的辐合区中，其上空925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa各层次依然存在均存在明显的东南风或偏南风，其中850 hPa和500 hPa风速分别达到13.2 m·s-1和15.9 m·s-1(图2c、d)，即低层850 hPa也达到了急流强度。南沙区域地面自动站存在较弱的风速辐合区(图略)，200 hPa高层亦存在弱的辐散(图略)，辐散度为0.74×10-5s-2。

图2 “彩虹”(a、b)和 “艾云尼”(c、d)台风龙卷发生时500 hPa和850 hPa风场分布特征(单位：m·s-1)：(a、c)500 hPa; (b、d)850 hPaFig.2 The 500 hPa and 850 hPa wind when the tornado occur corresponding with (a，b) the typhoon “Mujigate” and (c，d) the typhoon “Ewiniar”(unit：m·s-1)：(a,c)500 hPa; (b,d)850 hPa

通过对比发现，两次龙卷均出现在台风前进方向的右前象限，龙卷发生时，台风均处于登陆后的减弱阶段，强度维持热带风暴量级或以上，两次台风龙卷发生时的大尺度环流背景非常相近；龙卷发生地与台风中心相距180～390 km，说明非台风的外围孕育地带依然可能会出现龙卷。低层都存在强的东南和偏南急流汇合区，低空急流风速在13 m·s-1以上，地面自动站均存在风速辐合区，高层200 hPa存在高空辐散区，龙卷发生在中低空急流、低层辐合与高层辐散交汇处附近。

2.2 环境参数对比

McCual[13]总结了有利于热带气旋外围环流下龙卷发生的环境影响因子及其阈值(表1)，Schneider, et al[14]将其应用于个例分析并发现具有较高的参考价值。利用ECMWF再分析场资料，分别对比两次龙卷发生前的影响因子及其阈值，其中“彩虹”龙卷过程取2015年10月4日14时，“艾云尼”龙卷过程取2018年6月8日20时。涉及的主要影响因子含义及计算方法如下：

对流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE)是指气块上升过程中所有因温度差异形成的正浮力对气块所做的功。计算公式为：

(1)

其中：ZLFC为自由对流高度；ZEL为平衡高度；Tvp为气块的虚温；Tve为环境的虚温。

垂直风切变，指风的垂直方向上的变化，本文计算了0～1 km、0～3 km、0～6 km，公式为:

(2)

其中：ΔV为上下层的风速差，

(3)

其中：v1和v2分别表示两层等压面上的经向风速；u1和u2分别表示两层等压面上的纬向风速；ΔZ为上下层的高度差。

粗里查逊数BRi，反映垂直风切变与静力不稳定两者之间的某种平衡关系。公式为：

(4)

其中：u和v取为0～6 km的密度加权风与0～500 m近地面层平均风之间的风速差值的两个分量。

风暴相对螺旋度(Storm Relative Helicity, SRH)，指在一定厚度层的大气中，风暴相对气流与环境水平涡度的点积，是螺旋度的简化形式。在强风暴发生前，涡度的垂直分量一般比风的垂直切变小一个量级以上；在强天气发生之前，垂直速度本身及其在水平方向上的变化不大。 公式为：

(ui-cx)(vi+1-cy)]dz,

(5)

其中：vi、ui分别为Vi环境风矢量在x、y方向的分量；Cxy为风暴移动速度，本文取为850 hPa和500 hPa之间的平均风；z为风暴入流厚度，通常取z=3 km；i表示自下向上的分层序号，i=1，2，3 …N-1，N，本文中N取1 000 hPa到200 hPa，共10层。

抬升指数(Lifting Index，LI)，是一种表示对流性不稳定的指数，指地表气块绝热上升至500 hPa时与环境的温度差，公式为：

LI=T500-T＇suf。

(6)

其中：T500为500 hPa的环境温度；T＇suf为地表空气块绝热抬升至500 hPa时的温度。

两次龙卷发生的具体位置，都是在台风移动方向0°～120°范围的高威胁区内。龙卷发生前，CAPE分别为1 294.6 J·kg-1和506.3 J·kg-1(表1)，两者都超过了热带气旋外围环流衍生龙卷的高威胁区500 J·kg-1的阈值，但相比台风“彩虹”过程CAPE要大的多；SRH是衡量风暴旋转潜势的重要指标，也是超级单体出现的重要指标[15]，从表1可以看出，两次龙卷过程，SRH接近高威胁区阈值的3倍，有利于超级单体的发生；除此以外，台风“彩虹”过程发生龙卷时，除了粗里查逊数BRi外，其他因子都达到了高威胁区的条件，相比之下，台风“艾云尼”过程发生龙卷时，0～3 km风切变和850 hPa风速这两项重要因子均未达到高威胁区的条件，抬升指数LI也明显小于台风“彩虹”过程，这也进一步说明了台风“艾云尼”过程发生的龙卷要明显弱于台风“彩虹”过程的原因。除了McCual[13]提到的9个影响因子以外，判断龙卷潜势的另外两个重要对流参数分别是LCL和0～1 km低层垂直风切变；较低的LCL导致对流抑制很弱，有利于风暴单体强度的维持，进而有利于超级单体的发生，两次龙卷发生前夕，LCL分别为330和272 m，均较低，0～1 km低层垂直风切变(图3)分别为12.4 ×10-3s-1和7.58 ×10-3·s-1，分别超过了Thompson,et al[16]统计的EF2级以上龙卷平均值为9.50×10-3s-1、下限为5.50×10-3s-1，可见，中低层的强切变是龙卷的形成重要条件之一，切变强度越强，发生龙卷的强度也越强。

表1 有利于热带气旋外围环流下龙卷发生的环境影响因子的阈值和番禺、南沙的环境条件Table 1 Threshold of environmental factors in favor of happening of tornados in outside-region of typhoon and environmental conditions of Panyu and Nansha

图3 “彩虹”台风(a)和“艾云尼”台风(b)龙卷发生时0～1 km垂直风切变对比(单位：m·s-1)Fig.3 The wind shear between 0-1 km when the tornado occur corresponding with (a) the typhoon “Mujigate” and (b) the typhoon “Ewiniar”(unit：m·s-1)

综上，两次龙卷发生的环流背景与黄先香等[12]研究结果相近，两次过程都是发生在台风移动方向0°～120°范围的高威胁区内，大气热力不稳定显著，中低层急流明显，垂直风切变较强，LCL较低，热力和动力条件有利于龙卷生成。且由于发生龙卷时，台风“彩虹”强度明显强于台风“艾云尼”，“彩虹”外围所产生的多项环境影响条件相对要强于“艾云尼”，进而引发的龙卷强度要大于“艾云尼”。

2.3 路径相似台风的大尺度形势和环境参数对比

为了进一步说明大尺度形势背景和环境参数对台风外围衍生龙卷的影响，本文挑选了2017年8月27日台风“帕卡”作为对比分析对象，“帕卡”的路径和强度介于“彩虹”和“艾云尼”之间，于8月27日09时前后在江门台山以台风强度(中心风力33 m·s-1)登陆，随后向西北移动，14时减弱为热带风暴(中心风力23 m·s-1)(图4a)，从登陆到远离减弱，“帕卡”给广州带来明显的大风降雨，但珠三角并未有龙卷发生。针对台风“帕卡”再度计算了27日14时前后番禺与南沙交界附近的环境影响因子(表2)，由于“帕卡”位于强盛的副热带高压边缘的西南侧，导致500 hPa和850 hPa风速都较大，分别达到了17.2 m·s-1和18.9 m·s-1(图4b)，但从表2可以看出，此次过程抬升凝结高度为632 m，较前两次过程明显偏高；0～3 km风矢量差仅1.6 m·s-1， 0～1 km SRH为0.4 m2·s-2，LI仅为0.25，CAPE为52.9 J·kg-1，粗里查逊数BRi为3.4，这些对龙卷触发有重要影响的因子均远远小于发生龙卷的阈值，由此可见，台风外围龙卷的发生仅仅是中低层存在急流还不够，需要在低层垂直风切变、LI、SRH等多个有利于龙卷发生的环境影响因子下满足条件下才可发生。

图4 (a)台风 “帕卡”路径示意；8月27日14时(b)500 hPa和(c)850 hPa风场分布特征(单位：m·s-1)Fig.4 (a)The path of the typhoon“ Pakhar”; the (b)500 hPa and (c) 850 hPa wind corresponding with the typhoon “ Pakhar” at 14∶00 BST on 27 August

表2 2017年8月27日14时番禺与南沙交界(22.9 °N，113.47 °E)处各重要影响因子Table 2 Environmental factors in favor of happening of tornados in outside-region of typhoon at border of Panyu and Nansha at 14∶00 BST on August 27 2017

3 龙卷的雷达回波特征

广州多普勒雷达站位于番禺区，两次龙卷过程均发生在雷达站50 km的范围内，有利于对龙卷发生时低层中气旋的探测和分析。

3.1 雷达回波强度特征分析

2015年10月4日16时12分，受台风“彩虹”外围螺旋环流影响，番禺南部到南沙出现一条西北—东南走向带状回波；16时36分雷达反射率因子回波上显示有弓状结构(图5a)，龙卷发生区域最强的反射率为57 dBZ，但钩状回波并不明显，随后回波继续发展，16时42分弓状区域弧度增大，1.5°仰角上出现弱的前侧V型缺口，表明存在较强的入流气流，有利于强单体风暴的出现，最强反射率增大到62 dBZ，位于弓状结构顶端，这种结构特征一直维持到17时12分才逐渐消散，弓状回波以及前侧V型缺口的出现，是超级雷暴单体的重要特征之一，超级雷暴单体又是龙卷出现的重要参考指标之一；但由于距离广州雷达较近，从强度剖面看(图略)，垂直方向的悬垂结构并不明显。

对于“艾云尼”台风龙卷过程，受其外围环流影响，2018年6月8日01时前后，在江门到佛山一带以及中山到珠海均出现一条螺旋雨带，但弓状不明显，最强反射率因子在55 dBZ；01时24分，中山到珠海的螺旋雨带向北移至番禺、南沙附近，最强反射率因子达到59 dBZ，0.5°仰角出现弱的钩状回波(图5b)，01时30分钩状回波进一步区域明显，1时36分钩状结构维持，但到01时42分，钩状结构开始填塞，龙卷开始减弱消散；从强度剖面看(图略)，垂直方向上亦无明显的悬垂结构。

图5 “彩虹”台风(a)和“艾云尼”台风(b)龙卷发生时雷达反射率因子特征对比(单位：dBZ)Fig.5 The characteristic of radar reflectivity when the tornado occur corresponding with (a) the typhoon “Mujigate” and (b) the typhoon “Ewiniar”(unit: dBZ)

3.2 径向速度演变及中气旋特征

台风“彩虹”影响期间，龙卷过程发生时(16时36分，图6a)，0.5°和1.5°、2.4°这3个仰角能探测到有弱的速度对存在，其中负速度的一侧还出现了明显的速度模糊，1.5°仰角上速度差为14 m·s-1，此时还未达到中气旋级别。表3给出了“彩虹”龙卷过程风暴单体的变化特征，此时风暴单体特征底高430 m；随着风暴的进一步北移发展，16时48分速度差继续增大(图6b)，0.5°、1.5°和2.4°这3个仰角均出现了明显的速度对，1.5°仰角上速度差为17 m·s-1，达到了弱中气旋的标准，特征底高进一步下降至300 m；17时(图6c)，1.5°仰角中心旋转速度进一步增强至20.5 m·s-1，此时达到了中等强度中气旋的标准，特征底高最低下降至220 m；17时12分速度对已不明显(图略)。从16时36分开始发展至17时12分结束，本次中气旋持续大约36 min，达到中等强度，垂直伸展高度比较低，对龙卷的生成有较明显的指示作用。

表3 两次台风外围龙卷过程的中气旋特征Table 3 Characteristics of the mesocyclone about two tornadosin outside-region of typhoon

图6 “彩虹”台风龙卷发生时雷达速度(黑色椭圆圈内为速度对所在区域)：(a)16∶36：0.5°、1.5°、2.4°；(b)16∶48：0.5°、1.5°、2.4°；(c)17∶00：0.5°、1.5°、2.4°Fig.6 The images of radar velocity when the tornado occur corresponding with the typhoon “Mujigate”(the region of black ellipse islocation of speed pair):(a)16∶36 BST：0.5°，1.5°，2.4°；(b)16∶48 BST：0.5°，1.5°，2.4°；(c)17∶00 BST：0.5°，1.5°，2.4°

对“艾云尼”台风龙卷过程，龙卷发生前(01时12分，图7a)，0.5°、1.5°、2.4°3个仰角上能探测到有弱的速度对存在，其中1.5°仰角上速度差为13 m·s-1；表3显示此时风暴单体特征底高760 m；随着风暴的进一步北移发展，01时24分(图7b)，速度差继续增大，1.5°仰角上速度差最大达到15.5 m·s-1，但依然未达到中气旋的标准，特征底高进一步下降至640 m；01时30分强度维持，01时36分起(图7c)，1.5°仰角上速度差下降至14 m·s-1，特征底高最低下降至530 m；到01时42分，速度对进一步减弱，龙卷减弱消失，此次龙卷过程从开始到结束速度对始终未能达到中气旋级别。

图7 “艾云尼”台风龙卷发生时雷达速度(黑色椭圆圈内为速度对所在区域):(a)01∶12：0.5°、1.5°、2.4°；(b)01∶24：0.5°、1.5°、2.4°；(c)01∶36：0.5°、1.5°、2.4°Fig.7 The images of radar velocity when the tornado occurs corresponding with the typhoon “Ewiniar” (the region of black ellipse islocation of speed pair): (a)01∶12 BST：0.5°，1.5°，2.4°；(b)01∶24 BST：0.5°，1.5°，2.4°；(c)01∶36 BST：0.5°，1.5°，2.4°

4 结论

通过对发生在广州的两个台风外围龙卷的环境背景场、有利于龙卷发生的关键环境因子以及雷达探测资料等分析，并挑选了一个未发生龙卷的台风做对比，结论如下：

(1)两次台风龙卷均发生在台风登陆后前进方向右前侧的外围螺旋雨带中，且都在台风移动方向0°～120°范围的高威胁区内。中低空急流明显、低层辐合、高层辐散在珠江三角洲地区叠加是产生龙卷的有利天气背景。两者差异在于台风“彩虹”强度明显强于台风“艾云尼”，其外围的低空急流强度更强，高空辐散更加明显。

(2)产生龙卷的台风外围环境影响因子均表现为CAPE较大、低层风速较大、垂直风切变较强、LCL较低、LI较小、粗里查逊数BRi适中且SRH较大。相对来说“彩虹”龙卷过程在CAPE、0～1 km、0～3 km风切变，850 hPa风速及LI等重要指数均高于“艾云尼”龙卷过程，即有利于龙卷发生的环境条件更强，易发生更强的龙卷；另外，台风“帕卡”的分析进一步说明，龙卷的发生仅仅是中低层存在急流还远远不够，需在低层垂直风切变、LI、SRH等多个有利于龙卷发生的环境影响因子下满足条件下才可能发生。

(3)雷达反射率均存在部分超级单体特征，最强反射率均达到59 dBZ及以上，且低仰角都存在明显的速度对，但强度剖面显示垂直方向上均无明显的悬垂结构。其中“彩虹”龙卷过程中强回波具有明显的弓状结构，并出现弱的前侧V型缺口，径向速度上显示低层有中等中气旋，发展高度较低；“艾云尼”龙卷过程强回波则具有明显的钩状回波结构，但速度对强度未达到中气旋标准。

(4)通过对比分析龙卷的环境特征以及雷达特征，能够发现龙卷出现时的一些相似之处，尤其是在大尺度天气背景及环境条件有利时，当中等或以上强度中气旋底高扩展到1 km以下，则可发布临近龙卷警报[10]，但对于类似“艾云尼”龙卷过程，中气旋特征较弱，环境条件也相对局限，提前发布龙卷警报可能性较小。