2021, Vol. 37
2. 阳江市气象局，广东 阳江 529500;
3. 中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州 510641;
4. 佛山市气象局/佛山市龙卷风研究中心，广东 佛山 528000;
5. 中国气象局气象探测中心，北京 100081;
6. 海南省气象探测中心, 海南 海口 570203
2. Yangjiang Meteorological Bureau, Yangjiang 529500, China;
3. Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, CMA, Guangzhou 510641, China;
4. Foshan Meteorological Bureau/ Foshan Tornado Research Center, Foshan 528000, China;
5. Meteorological Observation Centre, CMA, Beijing 100081, China;
6. Hainan Meteorological Detection Center, Haikou 570203, China
强对流天气导致的灾害在中国仅次于台风和洪涝，有些年份甚至与台风相当[1]。龙卷是最猛烈的对流天气现象，产生的最大地面风速可达125~140 m/s[2]，可造成重大人员伤亡和财产损失，其具有水平尺度小、生消演变迅速、暴发性强、监测预报难的特点。龙卷通常分为两类：一类为中气旋龙卷(也称为超级单体龙卷)，另一类为非中气旋龙卷(也称为非超级单体龙卷)[3-4]。范雯杰等[5]和Chen等[6]统计分析中国龙卷的气候特征，发现中国每年发生约100个龙卷；白兰强等[7]回顾了2006—2018年中国热带气旋龙卷气候特征发现，仅热带气旋龙卷中国平均每年发生约5次，中国龙卷发生频率虽远低于美国，但每年仍不乏造成重大灾害的龙卷。19世纪至今已有众多学者分析了中国龙卷的时空分布特征、灾情特征、环境场特征和雷达特征，针对台风龙卷或超级单体龙卷的气候统计和个例研究颇多，这主要是由于台风天气背景下常出现龙卷，而超级单体风暴中出现强龙卷概率也较大[8-11]。非中气旋龙卷可以发生在各种有利于对流风暴产生的环境下，通常较弱，多为EF0级弱龙卷，对该类龙卷预警非常困难[12]，同时相关分析也较之中气旋龙卷少。刁秀广等[13]分析了2006—2012年山东境内出现的5次非中气旋龙卷的环境和雷达回波特征，其中就有2次龙卷出现在飑线或弓形回波前沿。这与Trapp等[14]和Wakimoto等[15]定义的非中气旋龙卷不谋而合。近年来，随着探测技术的提升和探测手段不断增多，中国学者对很多龙卷个例的雷达特征也做了深入分析[16-18]，对其发生、发展的环流背景以及通过雷达和卫星观测到的组织结构及演变特征都已有了明确认识[19]。李峰等[20]对近20年美国龙卷探测雷达技术和观测研究进行了文献调研发现，美国有关龙卷研究和预警能力的突破进展，主要来源于新技术新装备、龙卷生成机理研究、动力热力和微物理研究这3个方面的贡献，这些方面是促进科学认知和预警龙卷能力提高的关键因素。截至目前，国内外学者对国外的水龙卷和陆龙卷研究颇多，Tanja等[21]建立了2001—2013年亚得里亚海东部水龙卷数据库，主要分析了此期间水龙卷的时空分布特征和有利环境条件；Rodriguez等[22]分析了2000—2019年发生在加泰罗尼亚的陆龙卷和水龙卷的雷达、卫星遥感资料特征，并提供了上述龙卷详细信息。但对中国水龙卷的分析相对较少，王炳赟等[23]主要研究强台风“彩虹”衍生水龙卷的演变特征与形成机理；Chan等[24]和Hon等[25]分别对出现在珠江口附近和香港机场附近的水龙卷进行研究，主要对比数值模拟与实况的差异性；杨伟等[26]研究东洞庭湖中气旋水龙卷个例的大尺度环境条件成因；周淑玲等[27]则是针对黄海一次海龙卷的中尺度特征进行深入分析。大多个例以环境条件和单偏振雷达特征研究为主，S波段单偏振雷达分辨率仅1 km，因此对广东省西南部海面龙卷的观测和研究都难以多见。中国南部的水龙卷强度偏弱，其可能与该区域很少有超级单体风暴影响的原因，也可能与该区域夏季低层风垂直切变较小有关[24]。随着人民生活水平的提高，广东省西南沿海旅游已获得众多游客青睐，同时海上养殖、渔船往返等也不断增多，水龙卷或给近海旅游和海上作业等方面带来重大危害。因此，对此区域水龙卷的详细分析具有显著的社会效益。
现有S波段新一代天气雷达在设计上更加适用于大范围的探测和预警，由于地球曲率的影响，低空区域特别是1 000 m以下的空域探测存在盲区。由于龙卷持续时间短和水平尺度小的显著特点，业界关于龙卷的研究多基于短波长的X波段雷达，或是引入快速扫描机制的相控阵雷达，并且大都针对陆龙卷。因此由于时空分辨率的原因，长波段雷达能持续观测到水龙卷特征的案例更是少见。
本文针对阳江S波段双偏振雷达捕捉到的一次非中气旋海面龙卷，利用雷达资料、海陵岛风廓线雷达资料、广东省区域自动站观测资料、阳江L波段探空雷达资料和ERA5再分析资料对此次龙卷的大气条件和雷达特征演变进行了详细分析，为长波段雷达识别水龙卷提供了有价值的资料，也希望为出现在广东省西南部海面的龙卷预警预报提供参考依据。
2 天气背景和龙卷概况 2.1 天气背景2019年5月23日夜间—31日(北京时间，下同)，受西南季风影响，广东省阳江市出现大范围、持续性强对流天气过程，期间连续4天发出暴雨红色预警，过程造成中南部出现内涝等灾害；5月26日中午11时前后，阳江市海陵岛附近海面上出现了罕见的龙卷，在视频中龙卷结构清晰可见(图 1)，同时阳江S波段雷达也探测到这一龙卷过程。受强对流云系和龙卷影响，26日08—15时阳江附近海域出现了6~8级的短时大风，其中南鹏岛站录得最大阵风18.8 m/s。分析天气尺度环流形势发现：26日08时阳江市位于副热带高压西北部边缘，北部湾附近有短波槽东移(图 2b)，广东大部处于槽前西南气流中，副高(588线)位于南海北部；同时高层(200 hPa)位于辐散区、低层受强劲的西南急流(12 m/s)影响(图 2a、图 2c), 850 hPa海口到阳江间存在气旋性弯曲(图 2c), 08时地面辐合线位于两广交界(图 2d)。
|
图 1 目击者拍摄龙卷实景(拍摄地见图 3) |
|
图 2 2019年5月26日08时MICAPS实况环流形势图 a.200 h Pa; b.500 h Pa; c.850 h Pa; d.地面。图中线条代表等高线(单位: dagpm)，★代表阳江探空站位置。 |
本次龙卷发生在华南西南季风气流中，对流剧烈时段介于26日10—13时，这与目击者提供视频时间接近，其主要影响阳江市海陵岛南部海域、南鹏岛附近以及下川岛西侧海域。从TVS龙卷涡旋特征产品识别结果发现(图 3)，在10—13时，阳江南部海域雷达TVS产品共提示出5个不同ID的强切变(T3、WO、C8、BO、EO)且随时间变化多以东偏北移为主，最长出现了4个体扫(C8)，雷达提醒时间主要集中在10:54—11:00和11:54—13:00。在第二段时间阳江南鹏岛附近和江门下川岛附近均识别到强涡旋。13时后产生龙卷的强对流风暴减弱消失。在10—13时阶段，距离龙卷最近的观测站为南鹏岛观测站，从其气象要素变化图(图 4)中可看出，龙卷造成的大风天气也主要在11—13时影响南鹏岛，同时伴有降雨，其风雨变化大致与强风暴一致。龙卷来临前，南鹏岛附近以东南风为主，极大阵风在5 m/s以下，气温介于26~28℃；龙卷来临时，风向明显转变，呈气旋式旋转，由南风转为北到东北风，且风力明显增大，最大阵风达20 m/s以上，同时气温快速下降，最低降至24℃左右；龙卷远离后由于仍有强回波影响，风力仍在10 m/s左右。
|
图 3 观测站点及雷达TVS产品识别数据时空分布 |
|
图 4 2019年5月26日08—15时南鹏岛观测站气象要素变化图 |
探空站观测数据通常能反映以站点为中心周围100~200 km内的大气状态[28]。分析龙卷发生前距离其最近的阳江探空站资料(部分图略)发现：02时湿层从地面向上延伸到500 h Pa, 08时虽然略转干，但500 h Pa到地面仍为高湿区，02—08时的CIN由73.6 J/kg降至0 J/kg(表 1)；自由对流高度由3 km降至1 km、抬升凝结高度维持在0.996 km，抬升凝结高度与非中气旋龙卷平均值1.05 km[13]和超级单体风暴产生的EF2级以上强龙卷的平均值0.981 km[29]接近，但也高于个别中气旋陆龙卷、低于国外弱龙卷的平均值[11, 30]，有利于涡旋触地形成龙卷。上述物理量特征表明龙卷出现前低层湿度较大，抬升凝结高度和自由对流高度都很低，导致对流抑制能量很小，表明稳定层非常浅薄，容易触发深厚湿对流天气，同时也利于龙卷的产生[31]。02时观测到500~925 hPa的温差为28℃、08时略有减小(26℃)，与温度廓线接近的湿中性曲线500~925 hPa的温差与其相差不大，表明此次龙卷发生在弱的条件不稳定环境中。
|
表 1 2019年5月26日02—08时阳江探空站对流参数 |
由02—08时风玫瑰图(图 5)可见，02时7 km以下为西南风，7~15 km转为西北风，16.7 km则为东北风，表明大气底部风随高度顺时针旋转，具有明显的正值水平螺旋度。08时风向随高度的变化大致与02时相当，但低层西南风明显增大，1~3 km增至11 m/s，表明低层暖平流增强，而14 km以上风力也增至14 m/s以上，均有利于低层水平涡管的形成。龙卷等强天气的产生还需要较强的垂直风切变，而强的低层垂直风切变是产生龙卷的重要动力条件[11, 18], 08时阳江探空站0~1 km和0~6 km的垂直风切变分别为10.5×10-3s-1和6.7×10-3s-1。其中，低层垂直风切变大于非中气旋陆龙卷统计值(7×10-3s-1)，与国内中气旋龙卷和国外中气旋龙卷0~1 km垂直风切变平均值较为接近[32]，接近强龙卷0~1 km垂直风切变的平均值9.5×10-3s-1[29]。低空垂直风切变是造成龙卷的主要动力，大的深层垂直风切变和低层垂直风切变与低层正值的水平螺旋度相结合，极易产生局地小尺度涡旋运动，诱发小尺度范围的强切变[12]，构成了龙卷产生的重要动力条件[3]。但02—08时的风暴相对螺旋度(Storm Relative Helicity, SRH)均在100 m2/s2以下，从此要素看龙卷潜势较小。
|
图 5 阳江探空站2019年5月26日02时(a)、08时(b)风玫瑰图 图中★数值表示探空仪器所在高度(单位：km)。 |
研究表明，对流有效位能(简称CAPE)是判断强对流潜势的重要对流参数之一[19]。本文中使用的CAPE值是基于混合层气块计算得到的。02—08时的CAPE由405.7 J/kg增至992.9 J/kg，由于龙卷出现时间较08时间隔较长，因此简单利用11时的地面观测资料中的气温、露点及气压资料替换08时探空的对应数据发现，修订后11时CAPE值上升至1 570.8 J/kg，达到中等大小的对流CAPE值为风暴的发展提供了良好的热力条件，接近刁秀广等[13]所研究的6个非中气旋陆龙卷风暴的热力条件平均值(1 822 J/kg)，远大于研究个例中两个EF0级龙卷的CAPE值和黄海北侧一次海龙卷[27]。
需要指出的是，阳江雷达站和探空站距离此次龙卷单体形成和发展的地点有40 km左右的距离，并不能完全代表龙卷发生地的天气条件，但有很大的参考价值。
由于探空资料时次较少，与龙卷发生时间差距大，因而选取龙卷发生前后的ERA5再分析资料(图 6，见下页)研究发现，在龙卷来临前08时前后地面辐合线位于阳江西北部(图 6e)，快于超低空切变线(图 6c), 09时已影响闸坡近海(图 6f)；超低空切变线在东南移过程中断裂成两段，其中东段移至此区域(图 6d), 11时闸坡西侧低层西南气流加大至急流标准(12 m/s)(图 6a), 14时西侧减弱至10 m/s，闸坡近海西南急流维持(图 6b)，低空急流持续输送和超低空及地面辐合线影响为本次龙卷强对流风暴的触发与组织提供了有利的大尺度背景条件；龙卷来临时，低层切变和地面辐合线维持，且在海口到海陵岛南部海域有气旋性弯曲；14时后切变线东移，且其南侧东南风减弱，龙卷也减弱消失。
|
图 6 2019年5月26日ERA5再分析风场资料 ▲代表闸坡南部近海；□代表龙卷活动区域。a.850 h Pa 11时风场；b.850 h Pa 14时风场；c.975 h Pa 08时风场；d.975 h Pa 10时风场；e.10 m 08时风场；f.10 m 9时风场。 |
总的来说，26日08—14时阳江地区具有较好的动力和热力条件，有利于强对流风暴的发生发展，龙卷发生的潜势较高。
4 雷达特征分析 4.1 风廓线雷达特征对流有效位能和风的垂直切变条件对高度组织化的多单体强风暴甚至超级单体风暴的生成非常有利。风暴相对螺旋度可以估算风暴运动在垂直风切变环境下产生的旋转潜势[33]。以往的研究表明，SRH值大于150 m2/s2时有利于龙卷或超级单体风暴的产生，可将其作为龙卷、冰雹大风、强降水等天气的预报参考指标之一[34]。大的0~1km和0~6 km的垂直风切变结合较大的风暴相对螺旋度，更易使局地小涡旋转化成垂直涡旋运动，对龙卷的发生非常有利。
本文使用距龙卷发生区域更近的海陵岛海洋气象观测站风廓线雷达资料(图 7)和计算后的0~1 km和0~3 km风暴相对螺旋度数据(图 8)综合分析发现：10:00—10:36, 0~6 km以一致的西南风为主，且整层风力介于8~20 m/s, 0~1 km最大风垂直切变约为21.3×10-3s-1, 0~6 km最大风垂直切变约为20.4×10-3s-1，有利于风暴生成，但此阶段0~1 km风暴相对螺旋度在100 m2/s2以下，0~3 km略有减小，风暴旋转潜势一般；龙卷来临时，0~3 km风随高度顺转，存在暖平流，且随时间变化暖平流增强，3~6 km风随高度逆转，高层存在冷平流，10:42—11:00观测站附近受多单体风暴影响，风廓线资料显示2~3 km风速有3个时次增大至20 m/s以上，同时低层风速也大多在12 m/s左右，此时段周边测站的低层风速介于6~10 m/s，这可能与中层浅槽影响和高空急流略有南移有关，此阶段0~1 km风暴相对螺旋度大多在150m2/s2以上，其中10:54更是超过200 m2/s2，风暴旋转潜势大；11:00后高空槽东移过境，观测站3~6km风向转为西北，风速介于10~18 m/s, 1.5~3.0km以较弱的偏西风为主，低层仍维持强劲的偏南风，风速介于8~20 m/s，地面最大风速约为18 m/s, 0.5~1.0 km最大风速达20 m/s以上，整层风随高度顺转，暖平流较强，0~1 km最大风垂直切变约为32.3×10-3s-1, 0~6 km最大风垂直切变约为22.0×10-3s-1，有利于强对流风暴发展，而此站点的0~1 km和0~6 km垂直风切变均强于阳江探空站的垂直风切变，13—14时0~1 km风暴相对螺旋度更是增至250 m2/s2, 0~3 km风暴相对螺旋度也逼近500 m2/s2，旋转潜势极大，它们转化为垂直螺旋后，有利于龙卷的形成，此阶段测站周边阵风达14.7 m/s，测站下游风暴经过的南鹏岛自动站也录得14.9 m/s的大风，资料真实可信；龙卷远离后，受后侧强雷暴影响，大风仍维持。
|
图 7 2019年5月26日海陵岛风廓线雷达资料 a.08—16时逐时资料；b.10—13时逐6分钟资料。 |
|
图 8 2019年5月26日海陵岛风廓线雷达风暴相对螺旋度变化 a.0~1 km; b.0~3 km。 |
分析距离龙卷发生地较近的S波段双偏振雷达基本反射率因子(图 9)演变过程发现，造成龙卷的对流风暴大致出现在10—15时，其生成于地面辐合线(图略)和低层切变线(图 6d)附近，且与二者的移向相同。10时(图 9a)前后闸坡镇南侧近海有A块状对流风暴东移擦过其西南部，同时在其东南方向有块状对流风暴B在发展，10:18(图 9b)前后A、B风暴明显加强，强中心达57.5 dBZ；随后A、B两对流风暴快速发展东北移，于11时(图 9c)合并成C线状对流风暴，其前部并靠近南鹏岛西南侧近海，后部影响海陵岛东侧，此时前沿强回波中心升至6 km, 50 dBZ回波伸展高度接近8 km，风暴明显发展，前侧发展成弓形，可能对龙卷存在激发作用[45]，此时强回波中心位置与雷达识别的小涡旋位置接近。11—12时风暴C以东移为主，其中风暴南部强度维持，北部先加强后减弱，11:30(图略)风暴前沿低层(0.5°仰角)出现钩状回波，钩状回波前侧存在强入流，从11时风暴C前沿反射率因子剖面(图 10b)和11:18剖面(图 10d)中也可以看出随着风暴合并东移，50 dBZ回波伸展高度由4 km增至7 km，但强中心(> 58 dBZ)高度较低，多位于2 km以下，此时段海陵岛东南部测站均出现明显降水，风暴明显发展；随后对流风暴C转向偏东方向移动，龙卷移过海陵岛南部海域靠近南鹏岛西南侧，11:36前后风暴C再次发展，强中心增至61.5 dBZ，随后经过南鹏岛风暴前侧强度略有减弱，12:06(图 9f)前后C风暴中心再增强至60dBZ、后部D风暴单体也明显加强，同1体扫时段内雷达产品识别出的小涡旋位于风暴前沿(南鹏岛西南侧近海)；12:18(图 9g)前后C风暴后侧发展并与D风暴合并生成新风暴E，经向度增大，风暴前部、后部是南北走向带状回波，中部则为东西走向带状回波，移动缓慢，南鹏岛附近风暴E内出现多个强度在55 dBZ以上的强中心，此时前后南鹏岛(图 4)出现明显降水，风力略有增大；风暴后部回波经过海陵岛东部时略有加强，强中心位于2km附近，50 dBZ回波伸展高度接近6 km，此时除风暴前沿仍为南北走向，其余大部分转东西走向；12:36前后雷达产品识别出三个小涡旋(图 3)，大致位于风暴强中心前沿(东南侧及东侧)，此时风暴云团转为多个东北-西南走向的线状对流，此阶段对流风暴发展最旺盛；12:42后线状对流合并，风暴再次增强，其中12:48和13时两个时次达60 dBZ, 12:48出现了钩状回波，但仅持续1个体扫，雷达识别到的强切变仍位于强中心前沿，仍接近水面，分析12:48的反射率因子剖面图(图 10f)可发现，强回波伸展高度多在4 km以下，较11:18(6 km)略有降低；12:54风暴E再度向上伸展，南鹏岛附近最大反射率因子55 dBZ, 50 dBZ高度接近6 km(图 10h)，南鹏岛出现过程最大风，且在此之前为气旋性旋转；13时(图 9h)后风暴E快速降至50 dBZ以下，南鹏岛维持东北风，风力减弱；15时(图 9i)风暴E继续减弱，远离阳江，海陵岛西侧强对流云系再度东移，但再未出现龙卷，以强雷暴、短时大风为主。
|
图 9 0.5°反射率因子变化图 ●为阳江雷达站位置，★为南鹏岛观测站位置。 |
|
图 10 反射率因子剖面图 a.11时0.5°仰角反射率因子；b.沿图a中剖线位置剖面；c.11:18 0.5°仰角反射率因子；d.沿图c中剖线位置剖面；e.12:48 1.5°仰角反射率因子；f.沿图e中剖线位置剖面；g.12:54 1.5°仰角反射率因子；h.沿图g中剖线位置剖面。 |
目前，龙卷等强对流天气的临近预警主要是基于多普勒天气雷达探测到的中气旋或龙卷涡旋特征(Tornadic Vortex Signature, TVS)[4, 10, 35]。本次过程阳江雷达未探测到中气旋信息，这给预警带来了难度，但雷达TVS产品中多次识别出与龙卷紧密关联的比中气旋尺度小而旋转快的涡旋，对龙卷预报预警有一定提醒作用。龙卷涡旋特征一般定义为一个波束宽度距离(小于2 km)相邻方位角正负速度的大值，在雷达径向速度图上表现为大于20 m/s的风切变[36]。除超强龙卷外，对于波束宽度为1°的雷达天线水平扫描，TVS的有效半径在60 km以内。下文中用涡旋的旋转速度大小表征(龙卷)涡旋的强弱，旋转速度按VD=(VmaxVmin）/2计算，VD表示单体的旋转速度；Vmax为旋转涡对中的最大正速度(远离雷达速度)，Vmin为最大负速度(朝向雷达速度)。而气旋的核直径由最大正速度值与最大负速度值之间的距离决定。
结合雷达径向速度图(图 11，部分图略)和雷达产品强切变提醒(表 2)分析发现，10:54—11:24时段风暴C(图 9d)前沿出现气旋式涡旋，且涡旋底高降至1 km，顶高约3 km，低层(1 km)旋转速度介于11~13 m/s，最大正负速度相距2 km，属中尺度涡旋。11时风暴位于距离雷达站约36 km的近海，其高层辐散虽略有减弱，但中低层旋转速度仍在16 m/s左右(图略)，同时从径向速度剖面(图 12b)中也可以看到正负速度已降至雷达最低探测高度，低层最大正负速度间距离约为4 km，垂直伸展高度(方框范围)约占整个风暴的1/3，此时段接近中气旋标准[17]，同时雷达产品也多次识别出强涡旋，与目击者提供龙卷视频时间大致吻合。11:30—12:00内旋转速度向上发展，中层介于10~15m/s，垂直运动减弱；12:06(图 11a)起整层旋转速度再次增大，最大旋转速度出现在1.8 km高度，旋转速度为18.25 m/s，最大正负速度间距离约2.5 km, 12:18中层最大旋转速度达23.75 m/s、正负速度对再次达雷达最低探测高度，且最大正负速度间距离缩短至2 km，介于中小尺度涡旋之间，垂直伸展高度约占整个风暴的1/2(图 12d方框范围)，仍接近中气旋标准，同时入流速度出现速度模糊，其实际最大值为~30 m/s(图 11b)，仅持续了1个体扫，风暴总体强于11时前后，此阶段风暴位于南鹏岛中北部，南鹏岛观测站已出现旋转风，且风速略增，此时龙卷可能在加强，这与黄先香等[11]研究结论一致(当风暴单体底高和顶高快速下降或下降到低谷、风暴单体的最强切变急剧增强时，龙卷正在触地或是正迅速加强)。12:24—12:54多仰角均出现2~3个强切变对，但多位于南鹏岛北侧海域，其中12:30在1.5 km高度的涡旋中心有1个直径小于2 km的龙卷式特征TVS[36](图 11c)，正负速度差达48.5 m/s(距离雷达站约36.3 km)，此时0.5km旋转速度达18 m/s，此TVS特征仅持续1个体扫且其他仰角未探测到；12:36虽TVS特征消失，但低层旋转速度仍介于13~15 m/s; 12:48在11km高度出现出流速度模糊，最大出流速度为32m/s，表明此时辐散强盛(图略)；13时后中尺度涡旋逐渐减弱，最强旋转速度止步于14 m/s。
|
图 11 径向速度变化图 ★为南鹏岛观测站位置。a.12:06 2.4°仰角；b.12:18 1.5°仰角；c.12:30 1.5°仰角。 |
|
|
表 2 2019年5月26日10:54—13:00龙卷涡旋距海面高度特征变化 |
|
图 12 径向速度剖面图 箭头指向为气流方向，方框内为涡旋垂直伸展高度。a.11时1.5°仰角径向速度图；b.沿图a中剖线位置剖面；c.12:18 1.5°仰角径向速度图；d.沿图c中剖线位置剖面。 |
从雷达产品识别到的涡旋变化看，10:54—12:18涡旋顶高维持在距离海平面3 km的高度，底高则在0.6 km，与速度图整体一致，涡旋均主要维持在中低层；12:30后顶高略下降到2.5~2.8 km，但底高维持或略有升高，介于0.6~1.0 km，龙卷减弱，可能与下沉气流增强有关。
总的来说，虽然本次龙卷过程中未出现中气旋，不符合超级单体标准，但雷达产品多次提醒有中小尺度涡旋持续，且多位于带状回波前沿，也伴有TVS特征，依据判定标准可定性为非中气旋龙卷，虽不宜作为发布龙卷预警的依据[11]，但仍需高度关注。
4.4 雷达偏振量特征对于双偏振雷达，还可以通过双偏振参量探测龙卷碎片特征来确认龙卷的发生[37-38]。龙卷碎片特征表现为在钩状回波区有异常低的零滞后相关系数(CC)和低的差分反射率(ZDR)特征。Ryzhkov等[39]研究指出，龙卷碎片特征是很显著的，强龙卷过程的龙卷碎片特征主要有以下几个参考指标：在钩状回波区和龙卷涡旋附近，零滞后相关系数CC < 0.8, ZDR < 0.5 dB, Z > 45 dBZ，但对于弱龙卷过程龙卷碎片特征没那么明显，有些甚至观测不到龙卷碎片特征。阳江S波段双偏振雷达还观测到龙卷关键发展阶段的偏振量特征(图 13)。其中在龙卷出现时段内有多时次0.5~1.5°仰角数据可看到强回波前沿和旋转速度与中心位置对应，且此区域相关系数CC值和差分反射率ZDR均较小，但在1.5°仰角较明显。以图 13为例，11时前后1.5°仰角的雷达偏振量数据发现，气旋式涡旋最大旋转速度区域位于强回波前沿(偏南方)，高度在1.15 km，低层为明显的弱回波区，也就是图 13a中方框区域附近，此区域对应的ZDR为-1~2 dB相较于北侧(≥3 dB)明显偏小，同时CC在此位置也存在低谷区(0.80~0.85)，雷达特征表现为高反射率因子前沿、低ZDR和低CC，对应大的旋转速度，与雷达识别的涡旋位置(112°E, 21.5°N)大致相近。这与陆龙卷经常出现的龙卷碎片特征[39]有所区别，黄先香等[40-41]研究中气旋陆龙卷个例时出现龙卷碎片特征，此阶段双偏振参量CC最小为0.73, ZDR最小约为0.5 dB；陈海涛等[42]研究非中气旋陆龙卷个例时出现双偏振参量CC小于0.8, ZDR介于-2~0 dB，推断可能与龙卷碎屑有关。二者均与本次龙卷的双偏振参量有差异，这可能与水龙卷和陆龙卷移动中卷起的粒子相态有关，陆龙卷卷起的多为固体碎屑，雷达反映的多为杂波；而水龙卷出现在海面上，卷起的仍是雨滴，粒子直径较大，所以水龙卷的ZDR会大于陆龙卷。而CC的差异主要与其内在机理有关，CC是用来衡量单个脉冲采样体内，水平和垂直极化脉冲返回信号变化的相似度，反映了水平和垂直2个方向上幅度和相位的关系。其大小与粒子的轴比、倾斜角、形状不规则性及相态有关，但它对雷达噪声比较敏感，也容易受到地物杂波和旁瓣回波的影响。若研究区域内均一性越强，粒子形态(大小和指向)均一致，则相关性越好，也就是CC越大，反之越小。陆龙卷中多为固体碎屑，分布极不均匀，所以CC特别小；而水龙卷中，虽然每个水粒子受强垂直风切变影响，大小和指向有所差异，但均一性好于固体碎屑，因此水龙卷的CC会略大于陆龙卷。
|
图 13 11时阳江双偏振雷达1.5°仰角偏振量特征图 a.基本反射率；b.径向速度；c.ZDR; d.CC。 |
总的来说，龙卷强盛期旋转速度大值区前沿弱回波区，ZDR很小，CC显著降低，其特征持续时间和范围与雷达识别的涡旋相近。在龙卷减弱或消失阶段，ZDR和CC的典型特征随之减弱或消失，可据此确定龙卷的持续时间和影响范围。
5 结论(1) 本次龙卷出现在低层切变线和地面辐合线附近，且位于带状回波前沿，产生龙卷的风暴未出现中气旋，属于非中气旋龙卷。虽然本次龙卷过程中未出现中气旋，不符合超级单体标准，但雷达产品多次提醒有中小尺度涡旋持续，且多位于带状回波前沿，也伴有TVS特征，虽不宜作为发布龙卷预警的依据，但仍需高度关注。
(2) 高层辐散抽吸、低层辐合上升和地面辐合的抬升触发等各层的动力配合以及西南急流不断提供水汽，为产生龙卷的强风暴发生发展提供了有利的大尺度条件。与大多陆龙卷和一些水龙卷的大尺度条件近似。
(3) 龙卷出现前，海陵岛南部海域具有中等大小的对流有效位能、弱的对流抑制能量、低的抬升凝结高度、大的风暴螺旋度和0~1 km、0~6 km强垂直风切变趋势等特征，与中气旋和非中气旋陆龙卷的环境条件特征相似。但0~1 km的垂直风切变远大于国内外中气旋陆龙卷平均值，这可能是出现此次龙卷的主要动力条件。
(4) 分析雷达资料发现：海面龙卷旋转速度大值区中心附近，ZDR减小，CC降低，可据此确定龙卷的持续时间和影响范围。海龙卷与陆龙卷在微物理上也有明显区别，陆龙卷卷起的多为固体碎片，而海龙卷卷起的则是均一性更好的液体粒子，因而造成ZDR和CC特征值不同，粒子相态的差异或长波段雷达分辨率较低是造成海陆龙卷双偏振雷达特征差异的主要原因。
| [1] |
新中国成立70年来的中国大气科学研究: 天气篇[J]. 中国科学: 地球科学, 2019, 49(12): 1 875-1 918. |
| [2] |
DAVIES-JONES R, TRAPP R J, BLUESTEIN H B. Tornadoes and tornadic storms. severe convective storms[J]. Amer Meteor Soc, 2001, 28(50): 167-221. |
| [3] |
JOHNS R H, DOSWELLⅢC A. Severe local storms forecasting[J]. Wea Forecasting, 1992, 7(4): 588-612. DOI:10.1175/1520-0434(1992)007<0588:SLSF>2.0.CO;2 |
| [4] |
MOLLER A R. Severe local storms forecasting||Doswell Ⅲ C A. Severe Convective Storms[C]. Boston, MA: Amer Meteor Soc, 2001: 433-480.
|
| [5] |
中国龙卷的时空分布特征[J]. 气象, 2015, 41(7): 793-805. |
| [6] |
CHEN J Y, CAI X H, WANG H Y, et al. Tornado climatology of China[J]. Int J Climatol, 2018, 38(5): 2 478-2 489. DOI:10.1002/joc.5369 |
| [7] |
中国热带气旋龙卷的气候统计特征(2006~2018)[J]. 中国科学: 地球科学, 2020, 50(5): 619-634. |
| [8] |
HILL E L, MALKIN W, SCHULZ JR W A. Tornadoes associated with cyclones of tropical origin-practical features[J]. J Appl Meteor, 1966, 5(6): 745-763. DOI:10.1175/1520-0450(1966)005<0745:TAWCOT>2.0.CO;2 |
| [9] |
MCCAUL E W. Buoyancy and shear characteristics of hurricane tornado environments[J]. Mon Wea Rev, 1991, 119(8): 1 954-1 978. DOI:10.1175/1520-0493(1991)119<1954:BASCOH>2.0.CO;2 |
| [10] |
苏北地区超级单体风暴环境条件与雷达回波特征[J]. 气象学报, 2013, 71(2): 209-227. |
| [11] |
广东两次台风龙卷的环境背景和雷达回波对比[J]. 应用气象学报, 2018, 29(1): 70-83. |
| [12] |
三次非超级单体龙卷风暴多普勒雷达特征对比分析[J]. 高原气象, 2014, 33(4): 1 164-1 172. |
| [13] |
非超级单体龙卷风暴多普勒天气雷达产品特征及预警[J]. 气象, 2014, 40(6): 668-677. |
| [14] |
TRAPP R J, STUMPF G J, MANROSS K L. A reassessment of the percentage of tornadic mesocyclones[J]. Wea Forecasting, 2005, 20(4): 23-34. |
| [15] |
WAKIMOTO R M, CAI H. Analysis of a nontornadic storm during VORTEX 95[J]. Mon Wea Rev, 2000, 128(3): 565-592. DOI:10.1175/1520-0493(2000)128<0565:AOANSD>2.0.CO;2 |
| [16] |
新一代天气雷达与强对流天气预警[J]. 高原气象, 2005, 24(3): 456-464. DOI:10.3321/j.issn:1000-0534.2005.03.025 |
| [17] |
安徽一次强烈龙卷的多普勒天气雷达分析[J]. 高原气象, 2006, 25(5): 914-924. DOI:10.3321/j.issn:1000-0534.2006.05.020 |
| [18] |
强龙卷超级单体风暴特征分析与预警研究[J]. 高原气象, 2009, 28(3): 617-625. |
| [19] |
中国当代强对流天气研究与业务进展[J]. 气象学报, 2020, 78(3): 391-418. |
| [20] |
近20年美国龙卷探测研究进展—对我国龙卷风研究的启示[J]. 气象, 2020, 46(2): 245-256. |
| [21] |
TANJA R, IVUŠIĆS, PRTENJAK M T, et al. Waterspout forecasting method over the eastern adriatic using a high-resolution numerical weather model[J]. Pure and Applied Geophysics, 2018, 175(11): 3 759-3 778. DOI:10.1007/s00024-018-1833-x |
| [22] |
RODRÍGUEZ O, BECH J, ARÚS J, et al. An overview of tornado and waterspout events in Catalonia(2000-2019)[J]. Atmospheric Research, 2021, 250(1): 1-19. |
| [23] |
1522强台风"彩虹"螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变与机理研究Ⅰ: 谱宽和速度[J]. 热带气象学报, 2018, 34(4): 472-480. |
| [24] |
CHAN P W, TSE S M, JEFFREY C, et al. Analysis of a waterspout at Zhuhai, China, on June 12, 2019[J]. Meteorological Applications, 2020, 27(2): 1-14. |
| [25] |
HON K K, TSE S M, CHAN P W, et al. Observation and numerical simulation of a weak waterspout at Hong Kong International Airport[J]. Meteorological Applications, 2021, 28(1): 1-16. |
| [26] |
2017年8月13日东洞庭湖水龙卷特征[J]. 应用气象学报, 2020, 31(3): 328-338. |
| [27] |
11月初北黄海一次海龙卷风暴的中尺度特征分析[J]. 海洋气象学报, 2020, 40(4): 42-51. |
| [28] |
"山竹"(1822)台风外围佛山强龙卷天气过程观测分析[J]. 气象与减灾研究, 2019, 42(4): 251-260. |
| [29] |
THOMPSON R L, EDWARDS R, HART J A. An assessment of supercell and tornado forecast parameters with RUC-2 model close proximity soundings[M]. 2014: 12.
|
| [30] |
2015年5月华南一次龙卷过程观测分析[J]. 应用气象学报, 2016, 27(3): 334-341. |
| [31] |
BROOKS H E, LEE J W, CRAVEN J P. The spatial distribution of severe thunderstorm and tornado environments from global reanalysis data[J]. Atmospheric Research, 2003, 67(3): 73-94. |
| [32] |
两次强龙卷过程的环境背景场和多普勒雷达资料的对比分析[J]. 热带气象学报, 2007, 23(5): 483-490. DOI:10.3969/j.issn.1004-4965.2007.05.009 |
| [33] |
台风山竹(1822)龙卷的双极化相控阵雷达特征[J]. 应用气象学报, 2020, 31(6): 706-718. |
| [34] |
DAVIES-JONES R. Streamwise vorticity: the origin of updraft rotation in supercell storms[J]. J Atmos Sci, 1984, 41(20): 2 991-3 006. DOI:10.1175/1520-0469(1984)041<2991:SVTOOU>2.0.CO;2 |
| [35] |
2013年7月7日苏皖龙卷环境场与雷达特征分析[J]. 干旱气象, 2014, 32(3): 415-423. |
| [36] |
BROWN R A, LEMON L R, BURGESS D W. Tornado detection by pulsed doppler radar[J]. Mon Wea Rev, 1978, 106(1): 29-38. DOI:10.1175/1520-0493(1978)106<0029:TDBPDR>2.0.CO;2 |
| [37] |
KUMJIAN M R, RYZHKOV A V. Polarimetric signatures in supercell thunderstorms[J]. J Appl Meteor Climatol, 2008, 47(7): 1 940-1 961. DOI:10.1175/2007JAMC1874.1 |
| [38] |
HOUSER J L, BLUESTEIN H B, SNYDER J C. A finescale radar examination of the tornadic debris signature and weak-echo reflectivity band associated with a large, violent tornado[J]. Mon Wea Rev, 2016, 144(11): 4 101-4 130. DOI:10.1175/MWR-D-15-0408.1 |
| [39] |
RYZHKOV A V, SCHUUR T J, BURGESS D W, et al. Polarimetric tornado detection[J]. J Appl Meteor, 2005, 44(5): 557-570. DOI:10.1175/JAM2235.1 |
| [40] |
2018年中国龙卷活动特征[J]. 气象科技进展, 2019, 9(1): 50-55. DOI:10.3969/j.issn.2095-1973.2019.01.009 |
| [41] |
1804号台风"艾云尼"龙卷分析[J]. 气象学报, 2019, 77(4): 645-661. |
| [42] |
辽宁营口2019-08-16龙卷过程双偏振雷达特征分析[J]. 陕西气象, 2020(6): 9-14. DOI:10.3969/j.issn.1006-4354.2020.06.002 |
| [43] |
一次龙卷生成中风暴单体合并和涡旋特征的雷达观测研究[J]. 气象, 2015, 41(2): 182-191. |