1713號臺風“天鴿”外圍龍卷特征及成因分析

黃 榮，黃 晴，屈梅芳，賴珍權

（廣西區氣象臺，南寧，530022）

1 引言

龍卷是一種破壞力極大的小尺度強對流天氣，其顯著特征是有一條漏斗狀云柱從雷暴云底伸展至地面，是一種猛烈的小型渦旋和小型低壓系統。EF2級以上的龍卷由于其在地面產生風速極大的旋轉風，通常會造成重大的人員傷亡和財產損失，例如2016年6月23日發生江蘇省鹽城市阜寧縣的EF4級龍卷導致99人死亡、數百人受傷，大批建筑和設施被毀。因此龍卷的發生環境和監測預警一直是國內外氣象學者重點研究領域之一。研究表明［1-3］，龍卷多發生在西風帶低槽或橫槽、冷渦等西風帶天氣系統中，環境大氣具有抬升凝結高度較低、中低層比濕較大、0℃以下對流有效位能極端大等特征，超低空強垂直風切變有利于龍卷小尺度渦旋的形成，低層切變線和地面氣旋式輻合切變是龍卷風暴可能的觸發機制。龍卷通常是由超級單體發展形成，具有低層入流缺口、中高層回波懸垂等經典超級單體的反射率因子特征，雷達速度圖像呈現出在深厚強烈的中尺旋里面包裹更小尺度的龍卷式渦旋特征（TVS）［4-5］。此外，有部分龍卷發生臺風的外圍云帶中［6-8］，登陸前或登陸后的臺風前部超低空強垂直風切變和極不穩定層結是有利龍卷發生的環境條件，部分臺風龍卷也具有中氣旋結構、龍卷式渦旋特征（TVS）中，但比西風帶的龍卷風暴尺度小，生命史較短。近年來在明顯變暖趨勢的氣候背景下，極端強降水、冰雹、颮線強對流等極端天氣事件增多［9-13］，陸地龍卷和水龍卷等事件也時有發生，例如2013年和2015年在柳州和桂林分別發生了龍卷天氣，李向紅等［14］對這兩次龍卷過程進行對比分析，得到了兩次龍卷過程環境條件和雷達特征異同點。但總體上廣西有記錄的EF2級以上的龍卷過程相對較少［15］，在多普勒天氣雷達布網以前地面觀測網也難以捕捉到α小尺度的龍卷天氣，因此針對廣西龍卷的研究并不多見，針對廣西臺風龍卷的分析研究更是幾乎為空白。2017年8月23日15時左右，廣西玉林市北流市隆盛鎮遭受罕見的龍卷風襲擊，本文通過常規觀測資料、多普勒天氣雷達資料和區域加密自動站資料詳細分析此次龍卷過程特征和成因，希望通過本文研究可以對廣西龍卷研究補充完善，為今后臺風外圍龍卷預警提供參考。

2 過程天氣實況和災情

受1713號臺風 “天鴿”外圍強對流云團影響，2017年8月22日下午至8月23日廣西自東向西出現大范圍的雷暴和雷暴大風天氣（圖1a），8月22日20時—23日20時全區共有51個縣級站觀測到雷暴天氣和52站次8級（17.2m·s-1）以上雷暴大風，雷暴大風主要出現在桂南、桂西，桂南、桂西大部出現雨量20—40mm·h-1的短時強降水天氣（圖略），局地雨強超過50mm·h-1。8月23日15時左右，北流市隆盛鎮秧道村松花組附近遭到罕見的龍卷風襲擊，媒體報道附近居民用手機拍攝到龍卷的漏斗狀云已接地的視頻（圖1b）。事后災情調查表明，此次龍卷共造成5人受傷，照耀河砂石廠和永基儲石場部分機械、臨時鐵皮頂房屋被毀，一輛越野車被風吹翻，儲石場后山腰100多棵松樹和速生桉被攔腰吹斷。根據“增強藤田級別”對龍卷強度的判定標準［15］，綜合認定此次龍卷強度為EF2級，最大風速可能達50～60m·s-1。

圖1 （a）2017年8月22日20時—23日20時強對流天氣落區（已去除由臺風低壓引起的大風，僅繪出對流造成的雷暴大風）（b）居民拍攝到龍卷視頻截圖

3 雷達特征分析

3.1 回波演變特征

此次龍卷發生地距離玉林雷達站約30㎞，位于臺風龍卷的雷達有效探測距離內，因此選取玉林雷達資料對龍卷的回波特征進行分析。追蹤組合反射率因子（圖略）的演變發現，產生北流龍卷的風暴于23日13：07在一條螺旋云帶回波前部約50㎞處生成，該對流風暴在東北氣流的引導下向西南方向移動，14：05—14：35在容縣中部地區強度迅速增強，14：52—14：58 最大反射率因子強度達 60～63dBz。龍卷風暴回波呈塊狀，尺度約20㎞左右，與普通單體風暴的組合反射率因子回波形態并沒有明顯區別。從基本反射率因子演變（圖2，見彩頁）看出，14：35在風暴西南側識別出中氣旋，14：41在前一時中氣旋部位從0.5°到2.4°仰角反射率因子都觀測到鉤狀回波，但 “鉤狀”頭部反射率因子強度僅為25～40dBz，較容易忽略。 14：581.5°仰角鉤狀回波特征更為突出，15：04鉤狀回波特征減弱，鉤狀回波特征共持續了4個體掃，其出現時間和維持時段與災情收集到的龍卷發生時間相當，因此可以認為出現鉤狀回波后不久龍卷生成，鉤狀回波減弱消失后，龍卷也快速消亡。14：58沿著鉤狀回波前沿經過西南部回波主體的作反射率因子垂直剖面（圖3，見彩頁），顯示龍卷風暴具有中高層回波懸垂和有界弱回波區（BWER）等超級單體風暴特征，在懸垂強回波中有一個細長傾斜的回波柱連接到低層鉤狀回波并已接地，從龍卷周邊居民手機拍攝的視頻資料可見龍卷風典型的“漏斗云”已接地（圖1b），可以判斷傾斜回波柱為龍卷的漏斗狀云柱。龍卷回波頂高9㎞，垂直伸展高度不超過10㎞，與鄭媛媛等［16］分析的臺風龍卷的雷達回波結構相似，屬于微超級單體風暴。

3.2 中氣旋和TVS特征

龍卷的發生發展與中氣旋的發展是密切相關的。14：35玉林雷達中氣旋產品首次在編號O9的風暴中標記出中氣旋，之后在14：46、14：58識別出中氣旋。14：352.4°仰角徑向速度圖上顯示大范圍的環境風場為東北氣流，中氣旋負速度中心為-22m·s-1，正速度中心約為6m·s-1，旋轉速度為14m·s-1。中氣旋距離雷達約39㎞，屬于弱中氣旋。14：462.4°仰角中氣旋負速度中心為-22m·s-1，正速度中心約16m·s-1，旋轉速度達 19m·s-1，中氣旋距離雷達約 31㎞，為中等強度中氣旋，同時在風暴中首次識別出TVS，在0.5°仰角到6.0°仰角都可以看到相鄰像素之間正負速度的切變，最強的速度切變位于約3.3㎞高度。14：52雷達算法沒有識別出中氣旋，也沒有識別出TVS，經分析這是由于0.5°仰角鉤狀回波區域對應的徑向速度退速度模糊失敗 （顯示為被紫色區域覆蓋），不滿足TVS算法要求切變達到0.5°仰角或高度低于 600m 的標準［17］，但在 2.4°～6.0°仰角都有相鄰方位角正負速度的切變，說明龍卷風暴中維持強烈的小尺度旋轉氣流。14：58在鉤狀回波頭部對應位置雷達再次識別出TVS（圖2e，見彩頁），速度圖上從0.5°到6.0°仰角都存在相鄰方位角的正負速度切變，通過PUP四分屏顯示（圖略）TVS由低層到高層偏移向西南側約2㎞，2.4°仰角切變速度達到38m·s-1，表明此時龍卷的小尺度渦旋氣流非常強烈。對中氣旋底高和頂高進行分析（圖4，見彩頁）表明，14：35—14：58中氣旋底高略有升高，頂高從2.4㎞顯著升高到4.6㎞，已發展為深厚的中氣旋。但與已有研究成果認為龍卷接地是伴隨著中氣旋底高不斷降低過程的結論不同［18］，經分析這是由于14：35和14：46識別出的中氣旋位于鉤狀回波附近，而14：58識別出的中氣旋位于龍卷母體風暴中部 （圖2e，見彩頁），因此中氣旋高度變化未能反映出龍卷漏斗云高度降低的過程。位于鉤狀回波的頭部的TVS切變底部高度14：58為0.4㎞，相比14：46時下降了0.2㎞，與龍卷漏斗狀云柱高度逐漸下降接地的趨勢一致。

圖5 2017年8月23日14：35—14：58龍卷中氣旋頂高、底高和TVS切變底高時間變化

4 龍卷成因分析

4.1 環境條件分析

2017年第13號臺風“天鴿”（路徑見圖6）于8月20日14時在臺灣東南部洋面上生成，之后向西偏北方向移動進入南海北部，強度逐漸加強，22日15時加強為臺風，23日07時加強為強臺風。23日08時500hPa天氣圖（圖6）顯示，強盛的西太平洋副熱帶高壓控制我國江南地區和高原東部，高壓中心達596hPa，588dagpm等值線呈虎口狀，西脊點位于90°E附近，中緯度地區無西風帶系統，沒有明顯冷空氣影響。此時臺風中心位于距離廣東省珠海市東南部約130㎞的洋面，強度為強臺風級，廣西位于臺風倒槽西北側，受風速12～18m·s-1東北氣流控制，在廣東和廣西交界附近存在風速的輻合。700hPa和850hPa形勢（圖略）與500hPa類似，廣西大部為東北氣流影響。“天鴿”于23日12時50分以強臺風級在廣東省珠海市沿海一帶登陸，登陸時中心附近最大風力 14級（45m·s-1），登陸后繼續向西北移動，14時臺風強度仍為強臺風級，中心位于廣東省臺山市境內，距離龍卷發生地約235㎞，廣西仍位于臺風倒槽西側。

選取陽江、梧州、北海三個探空站資料分析此次龍卷發生前的環境場熱力條件（表1），可以看出梧州站（距離龍卷發生地約130㎞）具備更有利的對流不穩定條件：K指數達到43℃，CAPE達到了1466J·kg-1，SI指數達到-3.41， 強天氣威脅指數（SWEAT）超過300，同時抬升凝結高度為988hPa，對流抑制能接近為0J·kg-1。 925hPa 氣溫 24℃， 比濕達到 19g·kg-1，850hPa比濕也達到17g·kg-1，探空層結曲線顯示顯著的濕層從近地面延伸到約400hPa。這些物理量特征參數表明，梧州附近環境大氣處于高溫高濕、強烈的對流性不穩定狀態，很低的抬升凝結高度、中等強度以上的CAPE等環境條件與西風帶龍卷發生的環境條件相似。雷達的VWP產品具有高時空分辨率的優點，因此利用玉林雷達VWP產品來分析龍卷發生地的垂直風切變條件，由于雷達VWP無地面風場，故采用0.3㎞高度和1.2㎞高度風來計算低層垂直風切變。23日08時，0.3㎞高度風為西北風，風速為 4m·s-1，1.2㎞高度風為東北風，風速為 10m·s-1，相應的0.3～1.2㎞風切變為8×10-3s-1。14時隨著臺風外圍東北氣流向廣西東部輸送，邊界層風速明顯增大，0.3㎞高度風速為 6m·s-1，風向為 315°，1.2㎞高度風速為 14m·s-1， 風向為 45°，0.3～1.2㎞風切變為10.8×10-3s-1，達到臺風龍卷的環境0～1㎞切變閾值10-2s-1，因此顯著增強的低層垂直風切變是形成龍卷的主要動力條件［16］。

圖6 2017年8月23日08時500hPa形勢場及8月20日14時—8月23日20時臺風路徑

表1 2017年8月23日08時北流臨近探空站點不穩定參數

4.2 觸發條件分析

通過地面區域加密自動站和雷達資料分析此次龍卷的觸發機制。23日11時（圖略），廣西西部和東南部地面相當位溫較08時顯著增大，形成一條由西向東的暖舌，同時在梧州至南寧一帶東北氣流和偏西氣流匯合，形成一條中尺度輻合線，在北流隆盛鎮產生龍卷的風暴于13時左右在地面輻合線附近生成。14時（圖7，見彩頁），隨著臺風中心向西北移動，中尺度地面輻合線略向南壓，北流位于386K的相當位溫暖中心附近，大氣不穩定度進一步增大，風暴14時移入容縣中部地區后強度迅速增強，在北流附近高溫高濕和較強的低層垂直風切變的環境下最終發展為龍卷。15時以后，龍卷風暴在環境較強東北氣流的引導下快速向西南移動遠離地面輻合線，綜合分析此次龍卷發生地附近的地形條件發現，龍卷發生和移動都在山地丘陵地帶，而高原、山地的地形不利于龍卷發展增強［15］，兩個因素綜合可能是該龍卷持續時間較短原因之一。

5 結論和討論

（1）此次龍卷過程發生在1713號臺風“天鴿”外圍螺旋云帶前部，距離臺風中心約235㎞。物理量分析表明廣西東南部具有較大的不穩定度能量，環境大氣處于強不穩定狀態，抬升凝結高度較低，低層垂直風切變較大，具有利于龍卷發生的環境熱力和動力條件。中尺度地面輻合線觸發出新生對流單體，該對流單體在高溫高濕和強的低層垂直風切變的有利環境下最終發展為龍卷，但由于龍卷發生在山地丘陵地帶，生成后快速遠離輻合線和不利的地形條件可能是該龍卷持續時間較短原因之一。

（2）此次龍卷為尺度約20㎞的微超級單體風暴，具有低層鉤狀回波、中高層回波懸垂和有界弱回波區（BWER）等典型超級單體特征，垂直伸展高度僅9㎞。低層鉤狀回波持續了4個體掃，低層鉤狀回波的演變與龍卷的生消密切相關，出現鉤狀回波后不久龍卷生成，鉤狀回波減弱消失后，龍卷也快速消亡。

（3）中氣旋先于低層鉤狀回波出現，鉤狀回波形成于強中氣旋附近，龍卷發生時中氣旋底高在2㎞左右，TVS切變底部高度0.5㎞左右并且不斷下降，與龍卷漏斗狀云柱高度逐漸下降接地的趨勢一致。

需要注意的是，此次臺風龍卷僅從組合反射率因子形態與普通單體風暴的回波并沒有明顯區別，出現TVS到龍卷接地的時間很短暫，考慮到雷達觀測傳輸和算法必要的運行時間導致產品不可能立即到達預報員桌面，因此要對此次龍卷進行提前預警是很困難的。在實際業務中需要密切關注中氣旋的發展，當出現強中氣旋，且出現TVS和低層鉤狀回波時，需特別警惕出現龍卷的可能性很高，及時開展實況預警。受雷達觀測技術條件等多方面因素的制約，雷達TVS算法也存在較高的虛警率，目前龍卷的準確預警仍是一個難題。本文對臺風龍卷的發生環境探討還較初步，還需要利用更細致的中尺度觀測資料或中尺度數值模擬作進一步分析研究。

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