基于雷达观测的2021年6月珠江口一次水龙卷过程分析

梅雨菲 ，陈生 ，刘陈帅 ，雷振亮

(1.中山大学大气科学学院，广东 珠海 519082；2.珠海市斗门区气象局，广东 珠海 519125；3.中国科学院西北生态环境资源研究院黑河遥感站和甘肃省遥感重点实验室，甘肃 兰州 730000；4. 南方海洋科学与工程广东省实验室( 珠海)，广东 珠海 519000）

1 引 言

龙卷是对流云产生的破坏力极大的小尺度灾害性天气，具有突发性强、生命史短、变化剧烈、垂直运动强等特征，预报难度大，常造成重大人员伤亡和财产损失[1]。龙卷多发于春夏季以及午后和傍晚，因为春夏季近地面相对温暖，层结不稳定和中低层垂直切变高，午后及傍晚大气层结不稳定垂直运动强，有利于龙卷天气系统的形成和维持。强龙卷的发生频率与地形因素关系密切，主要发生在我国江淮地区、两湖平原、华南地区、东北地区和华北地区东南部等地形相对平坦的平原地区。江苏和广东的珠江三角洲地区为龙卷发生频次最高的地区[2-4]。

龙卷通常分为超级单体龙卷和非超级单体龙卷。通常超级单体龙卷强度较强，但仅约25%的超级单体能产生龙卷[5]。从天气形势和影响系统来看，可分为台风龙卷和西风带系统龙卷。黄先香等[6-7]统计了2005 年以来珠三角台风龙卷的活动特征及环境条件，发现：(1) 多数台风龙卷出现在台风登陆1.3～21.3 h 时段内，多位于台风中心的东北象限；(2) 0～1 km 垂直风切变和SRH（风暴相对螺旋度）越大，龙卷发生概率越高。通过分析，黄先香等[6-7]归纳出台风龙卷天气概念模型和临近预报预警指标，构建珠三角台风龙卷预报预警方法和流程，并成功进行了两次龙卷预警试验。王炳赟等[8-9]、傅佩玲等[10]、黄先香等[11]对1522号台风“彩虹”、1806 号台风“艾云尼”、1822 号台风“山竹”外围螺旋雨带中的龙卷过程进行分析。陈元昭等[12]对2015 年5 月华南一次水龙卷过程进行观测分析。李婉仪等[13]对2020年5月31日佛山超级单体龙卷过程进行分析。过去对于华南地区台风龙卷研究较多，且多为陆龙卷，对珠江口沿海地区龙卷和水龙卷研究较少。珠江口交通繁忙，大桥多，水龙卷对于水上和桥上交通将造成巨大威胁，本文利用常规地面资料、探空资料、珠海S 波段多普勒天气雷达资料和珠海横琴X 波段双极化相控阵雷达资料对2021 年6 月1 日发生在澳门友谊大桥东侧的水龙卷过程进行研究。珠海S 波段双偏振多普勒雷达距龙卷发生地约30 km，珠海横琴X波段双极化相控阵雷达距龙卷发生地约13 km。

2 水龙卷概况

2021 年6 月1 日13 时(北京时间)左右，澳门友谊大桥东侧外海出现水龙卷，水龙卷持续约数十分钟后在海上消散，未造成人员伤亡。龙卷发生当天清晨，珠海附近已出现明显降雨，06—07时横琴镇中心沟站录得1 小时雨量148.6 mm，打破珠海1 小时雨量极值；08 时后降雨减弱，11 时再次有分散回波生成，并逐渐发展。龙卷发生前后附近的港珠澳大桥口岸人工岛站3 小时雨量（12—15时）达到104.7 mm。

图1 6月1日约13时澳门友谊大桥东侧外海水龙卷现象

3 水龙卷发生发展的环境场特征

3.1 天气尺度环流背景场

从2021 年6 月1 日08 时环流形势（图2a）可见，200 hPa 珠三角地区处于高压脊强辐散区内；500 hPa 副热带高压位于南海北部，脊线位于17 °N 附近，广东沿海地区处于副热带高压北缘，不断有小槽东移影响广东；850 hPa 有切变线位于江西中部到广西北部一带，广东吹西南风，1 日08 时最大风速13.6 m/s，达到急流水平；925 hPa切变线位于广东北部至广西中部，切变线南侧吹西南风，最大风速10 m/s，接近急流水平。

此次水龙卷天气过程发生在低层风速大值区和高空辐散区中，与以往学者分析的大部分龙卷过程相比，此次龙卷的天气环流背景场弱，前人研究的龙卷过程低层均存在风速超过16 m/s的低空急流。

3.2 环境场条件

香港探空站位于龙卷发生地东侧约60 km处，探空数据表明，6 月1 日08 时对流有效位能值为751.6 J/kg，从探空曲线（图2b）可看出，层结曲线呈明显狭长条型，整层相对湿度较高，地面至500 hPa 基本处于饱和状态，抬升凝结高度（985.9 hPa）和自由对流高度（773.9 hPa）很低，对流抑制（45.7 J/kg）很弱，易触发深厚湿对流。从风场结构上看，08 时地面吹西南风，风随高度顺转，600 hPa转为偏西风，400 hPa 转为西北风，各层次水平风向随高度变化不大；0～1 km风矢量差为12.6 m/s，风暴螺旋度为196 m2/s2。Thompson等[14]统计发现较强龙卷发生时平均抬升凝结高度低于981 m，弱龙卷平均为1 179 m；Davies-Jones[15]将150 m2/s2的风暴相对螺旋度界定为产生超级单体风暴的阈值。此次水龙卷过程环境场抬升凝结高度极低、0～1 km风矢量差较大、风暴相对螺旋度大，为龙卷的发生提供了较好的动力条件。

图2 2021年6月1日08时高空形势综合图(a)、香港站T-lnP图(b)

4 雷达特征

4.1 系统演变

由珠海S 波段双偏振雷达反射率因子图（图略）可见，2021 年6 月1 日00—08 时台山附近不断有零散回波生成并东移，移动过程中，回波面积扩大，强度明显加强，最强反射率因子为60 dBZ 左右。08—11 时降雨暂歇，11 时起再次有分散回波在海上生成向东南方向移动，强度不断加强，13时07分最强反射率因子达到67.5 dBZ。

图3 和图4 是水龙卷超级单体风暴主要发展过程。1 日12:31—12:44 风暴结构较松散，强度逐渐加强，12:49—12:56 风暴主体开始收缩，强度明显加强，出现钩状结构，此时在径向速度图中出现风切变，最强反射率因子达到55～60 dBZ，超级单体风暴主体形态形成。13：01—13：07风暴达到最强，风场旋转特征和强度明显加强，出现中气旋，钩状回波特征更加显著，钩状顶端最强反射率因子超过60 dBZ，观测到像素的正负速度对，近似龙卷涡旋特征，13：07 旋转速度达到最大，出现气旋和反气旋，共用负速度中心现象，该时段也是水龙卷最强时段，其后一直到13：38，钩状回波和正负速度对持续存在，低层旋转速度有所减弱。

图3 2021年6月1日12：44—13：13珠海S波段双偏振多普勒雷达1.5 °仰角反射率因子演变

图4 2021年6月1日12：44—13：13珠海S波段双偏振多普勒雷达1.5 °径向速度演变

4.2 超级单体演变和中气旋特征

虽然S 波段多普勒天气雷达可以看到超级单体风暴演变过程，但此次水龙卷过程持续时间较短，龙卷发生时段仅有2 个体扫，不能清晰展示龙卷从开始到结束的精细结构变化。珠海相控阵雷达采用电子扫描方式，时间延迟极低，完成1 次体扫过程仅需约90 s，可以大幅提高时间分辨率。

图5 为珠海横琴相控阵雷达观测的6 月1 日12：45—13：15 最低仰角0.9 °反射率因子演变，可以清楚地看到钩状回波形成发展的过程。12：41回波呈弓状结构，随后其弯曲程度迅速加大，12：42 出现入流缺口，回波强度明显增强；12：45 已出现清楚的钩状回波形态，钩状边缘光滑，最大反射率因子在钩状结构顶端；12：48—12：55 钩状进一步加深加大，回波结构进一步紧实，强回波区域扩大，最强反射率因子超过60 dBZ；12：58 前侧入流缺口（FIN）依然显著，同时出现后侧入流缺口（RIN），回波形态演变为S 型，说明后侧下沉气流已迅速加强，对应着低层速度切变加强；13：02 强的风速切变将超级单体风暴分成2个强回波中心；13：07左侧的回波再次加强出现入流缺口。

图5 2021年6月1日12：51—13：07珠海横琴相控阵雷达0.9 °仰角反射率因子演变

超级单体风暴都具有一个中层中气旋，而龙卷往往伴随着低层中气旋（1 km以下）的出现而产生。Trapp 等[16]的研究表明，在出现中气旋的风暴中，约26%的情况下能够产生龙卷；强中气旋龙卷出现概率为40%；中等以上强度中气旋的底距离地面小于1 km 时，龙卷出现概率大于40%，中气旋的底距离地面越近，龙卷发生概率越大。

在水龙卷发生前，12：47 低层0.9 °仰角（高度约600 m）首次出现负速度中心，随后其高度有所增大；12：51在2.7°仰角（高度约1 km）上开始出现弱正负速度对；12：55正负速度对高度上升至4.5°仰角（高度约1.4 km），低层正负速度对速度差逐渐加大，0.9°仰角旋转速度首先加强到弱中气旋的强度，约为16 m/s（图6）；12：56 在6.3 °（高度约1.9 km）和8.1 °仰角（高度约2.3 km）上开始出现负速度中心；13:01 弱切变高度升至9.9°（高度约2.7 km）和11.7 °（高度约3.1 km）仰角，2.7～8.1°仰角旋转速度均达到弱中气旋标准，此时龙卷已触达水面，弱中气旋强度和高度维持至13：08；13：07弱切变高度达到最高17.1°仰角（高度约4.4 km）；维持短暂时间后，13：09 后弱切变高度逐渐下降，旋转直径明显增大，此时龙卷开始减弱消散。

图6 2021年6月1日12：54、13：01、13：05、13：07相控阵雷达0.9 °、2.7 °、4.5 °、6.3 °仰角径向速度

此次水龙卷过程中气旋强度较弱，龙卷触及水面前未出现旋转强度和旋转中心高度逐步下降[10,12,17]的情况，但有明显的高度增高的过程。

4.3 超级单体反射率三维结构特征

图7 清楚的展现了水龙卷超级单体生成发展垂直结构的变化。12：42 前风暴单体强度逐渐增强，低层出现水平风切变，由于力管项的作用，形成水平涡管。水平涡管在强烈的上升气流带动下扭曲拉升，形成垂直涡管，上升气流开始旋转，达到一定强度即为中气旋。12：47-12：58 涡管逐渐向上延伸，变细增强。垂直回波呈现穹窿结构和边缘光滑的有界弱回波区，最强反射率因子超过60 dBZ，具有经典超级单体结构特征。此时，强烈旋转上升气流使得低层气压降低，气旋性旋转辐合进一步增强，旋转速度进一步加大，形成抽吸作用，初生的龙卷在气旋内部形成。龙卷触及水面后（13：01-13：05），回波柱明显增粗。13：10 呈现拱门的形状，随后左侧回波柱开始减弱，水龙卷也开始减弱。

图7 2021年6月1日12：42—13：10水龙卷超级单体反射率因子三维结构（相控阵雷达）

4.4 偏振量特征

双偏振雷达可以有效识别降水粒子相态、大小、形状，以及区分气象和非气象目标物，对于研究超级单体风暴演变具有重要意义。Ryzhkov等[18]总结了龙卷5 个双偏振雷达特征：(1) 出现勾状回波；(2) 相关系数(ρHV)＜0.8；(3) 在径向速度图上有明显的旋转特征；(4) 差分反射率(ZDR)＜0.5 dB；(5) 反射率(Z)＞45 dBZ，当满足(2)～(5)条件时，很可能有龙卷碎屑。

分析珠海S 波段双偏振雷达偏振量产品（图8），在勾状回波处，对应着风速旋转切变位置，有ZDR～-3.0 dB 的ZDR低值眼区和低ρHV值（约0.8），在其周围，为高ZDR和高ρHV弧，类似龙卷碎片特征（TDS），但反射率因子较小（约30 dBZ）。在入流缺口处出现ZDR弧可能是由于强的上升气流将小粒子带入空中，只有大降水粒子能够落下，从而导致ZDR出现大值，这同时代表风暴相关环境螺旋度（SREH, storm-relative environmental helicity）增大，并且风暴的剧烈程度在增加[19]。在水龙卷发生处，为极低ZDR值和低ρHV值。极低ZDR值可能是强烈的旋转上升气流对电磁波的衰减所致[20]；ρHV低值可能是由于小碎屑被卷入上升气流中或者区域内水含量减少，均代表此处出现了强的上升气流[19]。ZDR弧和ρHV弧最早出现在12:48，随后ZDR梯度加大（中心值减小、周围值增大），且范围逐渐收缩，12:54ZDR发展为一个低值眼区，说明SREH 进一步加大，旋转强度急剧增加，13:00ZDR梯度最大，此时也为水龙卷强盛时期，该特征持续了4 个体扫时次，水龙卷减弱消散后，特征消失。因此，在参考中气旋演变的基础上，偏振量特征对于预报员提前预警以及识别龙卷具有一定帮助。

图8 2021年6月1日13:00珠海S波段双偏振雷达0.1 °仰角观测

5 结 论

本文利用常规地面和探空资料、珠海S 波段双偏振多普勒天气雷达和X 波段相控阵雷达资料对2021 年6 月1 日发生在珠江口的水龙卷过程进行分析。

（1）此次水龙卷过程发生在高层强辐散、中层短波槽影响、低层吹一致西南风的背景场下。过程伴随着极端强降雨，极低的抬升凝结高度、较大的0～1 km 风矢量差、超过超级单体发生阈值的风暴相对螺旋度，为龙卷的发生提供了较好的动力条件。

（2）水龙卷发生在超级单体风暴中，最强反射率因子超过65 dBZ，观测到明显的钩状回波特征，并伴随有穹窿结构和清晰的有界弱回波区边界。

（3）X 波段相控阵雷达观测到了水龙卷超级单体风暴连续精细化演变特征，0.9 °仰角首先出现风切变，随后风切变出现高度逐渐增高，并加强为中气旋，切变最高高度达到17.1 °仰角，随后高度逐渐降低，龙卷减弱。三维反射率因子图清晰地看到龙卷母体风暴穹窿结构形成过程，以及反射率因子柱向上延伸，变细加强，触及水面后变粗的过程。

（4）S 波段雷达探测到在龙卷发生前，出现ZDR低值眼区和ρHV弧，这对于预报员提前预测龙卷的发生以及龙卷的识别具有一定帮助。