基于雷達觀測的2021年6月珠江口一次水龍卷過程分析

梅雨菲 ，陳生 ，劉陳帥 ，雷振亮

(1.中山大學大氣科學學院，廣東 珠海 519082；2.珠海市斗門區氣象局，廣東 珠海 519125；3.中國科學院西北生態環境資源研究院黑河遙感站和甘肅省遙感重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；4. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室( 珠海)，廣東 珠海 519000）

1 引 言

龍卷是對流云產生的破壞力極大的小尺度災害性天氣，具有突發性強、生命史短、變化劇烈、垂直運動強等特征，預報難度大，常造成重大人員傷亡和財產損失[1]。龍卷多發于春夏季以及午后和傍晚，因為春夏季近地面相對溫暖，層結不穩定和中低層垂直切變高，午后及傍晚大氣層結不穩定垂直運動強，有利于龍卷天氣系統的形成和維持。強龍卷的發生頻率與地形因素關系密切，主要發生在我國江淮地區、兩湖平原、華南地區、東北地區和華北地區東南部等地形相對平坦的平原地區。江蘇和廣東的珠江三角洲地區為龍卷發生頻次最高的地區[2-4]。

龍卷通常分為超級單體龍卷和非超級單體龍卷。通常超級單體龍卷強度較強，但僅約25%的超級單體能產生龍卷[5]。從天氣形勢和影響系統來看，可分為臺風龍卷和西風帶系統龍卷。黃先香等[6-7]統計了2005 年以來珠三角臺風龍卷的活動特征及環境條件，發現：(1) 多數臺風龍卷出現在臺風登陸1.3～21.3 h 時段內，多位于臺風中心的東北象限；(2) 0～1 km 垂直風切變和SRH（風暴相對螺旋度）越大，龍卷發生概率越高。通過分析，黃先香等[6-7]歸納出臺風龍卷天氣概念模型和臨近預報預警指標，構建珠三角臺風龍卷預報預警方法和流程，并成功進行了兩次龍卷預警試驗。王炳赟等[8-9]、傅佩玲等[10]、黃先香等[11]對1522號臺風“彩虹”、1806 號臺風“艾云尼”、1822 號臺風“山竹”外圍螺旋雨帶中的龍卷過程進行分析。陳元昭等[12]對2015 年5 月華南一次水龍卷過程進行觀測分析。李婉儀等[13]對2020年5月31日佛山超級單體龍卷過程進行分析。過去對于華南地區臺風龍卷研究較多，且多為陸龍卷，對珠江口沿海地區龍卷和水龍卷研究較少。珠江口交通繁忙，大橋多，水龍卷對于水上和橋上交通將造成巨大威脅，本文利用常規地面資料、探空資料、珠海S 波段多普勒天氣雷達資料和珠海橫琴X 波段雙極化相控陣雷達資料對2021 年6 月1 日發生在澳門友誼大橋東側的水龍卷過程進行研究。珠海S 波段雙偏振多普勒雷達距龍卷發生地約30 km，珠海橫琴X波段雙極化相控陣雷達距龍卷發生地約13 km。

2 水龍卷概況

2021 年6 月1 日13 時(北京時間)左右，澳門友誼大橋東側外海出現水龍卷，水龍卷持續約數十分鐘后在海上消散，未造成人員傷亡。龍卷發生當天清晨，珠海附近已出現明顯降雨，06—07時橫琴鎮中心溝站錄得1 小時雨量148.6 mm，打破珠海1 小時雨量極值；08 時后降雨減弱，11 時再次有分散回波生成，并逐漸發展。龍卷發生前后附近的港珠澳大橋口岸人工島站3 小時雨量（12—15時）達到104.7 mm。

圖1 6月1日約13時澳門友誼大橋東側外海水龍卷現象

3 水龍卷發生發展的環境場特征

3.1 天氣尺度環流背景場

從2021 年6 月1 日08 時環流形勢（圖2a）可見，200 hPa 珠三角地區處于高壓脊強輻散區內；500 hPa 副熱帶高壓位于南海北部，脊線位于17 °N 附近，廣東沿海地區處于副熱帶高壓北緣，不斷有小槽東移影響廣東；850 hPa 有切變線位于江西中部到廣西北部一帶，廣東吹西南風，1 日08 時最大風速13.6 m/s，達到急流水平；925 hPa切變線位于廣東北部至廣西中部，切變線南側吹西南風，最大風速10 m/s，接近急流水平。

此次水龍卷天氣過程發生在低層風速大值區和高空輻散區中，與以往學者分析的大部分龍卷過程相比，此次龍卷的天氣環流背景場弱，前人研究的龍卷過程低層均存在風速超過16 m/s的低空急流。

3.2 環境場條件

香港探空站位于龍卷發生地東側約60 km處，探空數據表明，6 月1 日08 時對流有效位能值為751.6 J/kg，從探空曲線（圖2b）可看出，層結曲線呈明顯狹長條型，整層相對濕度較高，地面至500 hPa 基本處于飽和狀態，抬升凝結高度（985.9 hPa）和自由對流高度（773.9 hPa）很低，對流抑制（45.7 J/kg）很弱，易觸發深厚濕對流。從風場結構上看，08 時地面吹西南風，風隨高度順轉，600 hPa轉為偏西風，400 hPa 轉為西北風，各層次水平風向隨高度變化不大；0～1 km風矢量差為12.6 m/s，風暴螺旋度為196 m2/s2。Thompson等[14]統計發現較強龍卷發生時平均抬升凝結高度低于981 m，弱龍卷平均為1 179 m；Davies-Jones[15]將150 m2/s2的風暴相對螺旋度界定為產生超級單體風暴的閾值。此次水龍卷過程環境場抬升凝結高度極低、0～1 km風矢量差較大、風暴相對螺旋度大，為龍卷的發生提供了較好的動力條件。

圖2 2021年6月1日08時高空形勢綜合圖(a)、香港站T-lnP圖(b)

4 雷達特征

4.1 系統演變

由珠海S 波段雙偏振雷達反射率因子圖（圖略）可見，2021 年6 月1 日00—08 時臺山附近不斷有零散回波生成并東移，移動過程中，回波面積擴大，強度明顯加強，最強反射率因子為60 dBZ 左右。08—11 時降雨暫歇，11 時起再次有分散回波在海上生成向東南方向移動，強度不斷加強，13時07分最強反射率因子達到67.5 dBZ。

圖3 和圖4 是水龍卷超級單體風暴主要發展過程。1 日12:31—12:44 風暴結構較松散，強度逐漸加強，12:49—12:56 風暴主體開始收縮，強度明顯加強，出現鉤狀結構，此時在徑向速度圖中出現風切變，最強反射率因子達到55～60 dBZ，超級單體風暴主體形態形成。13：01—13：07風暴達到最強，風場旋轉特征和強度明顯加強，出現中氣旋，鉤狀回波特征更加顯著，鉤狀頂端最強反射率因子超過60 dBZ，觀測到像素的正負速度對，近似龍卷渦旋特征，13：07 旋轉速度達到最大，出現氣旋和反氣旋，共用負速度中心現象，該時段也是水龍卷最強時段，其后一直到13：38，鉤狀回波和正負速度對持續存在，低層旋轉速度有所減弱。

圖3 2021年6月1日12：44—13：13珠海S波段雙偏振多普勒雷達1.5 °仰角反射率因子演變

圖4 2021年6月1日12：44—13：13珠海S波段雙偏振多普勒雷達1.5 °徑向速度演變

4.2 超級單體演變和中氣旋特征

雖然S 波段多普勒天氣雷達可以看到超級單體風暴演變過程，但此次水龍卷過程持續時間較短，龍卷發生時段僅有2 個體掃，不能清晰展示龍卷從開始到結束的精細結構變化。珠海相控陣雷達采用電子掃描方式，時間延遲極低，完成1 次體掃過程僅需約90 s，可以大幅提高時間分辨率。

圖5 為珠海橫琴相控陣雷達觀測的6 月1 日12：45—13：15 最低仰角0.9 °反射率因子演變，可以清楚地看到鉤狀回波形成發展的過程。12：41回波呈弓狀結構，隨后其彎曲程度迅速加大，12：42 出現入流缺口，回波強度明顯增強；12：45 已出現清楚的鉤狀回波形態，鉤狀邊緣光滑，最大反射率因子在鉤狀結構頂端；12：48—12：55 鉤狀進一步加深加大，回波結構進一步緊實，強回波區域擴大，最強反射率因子超過60 dBZ；12：58 前側入流缺口（FIN）依然顯著，同時出現后側入流缺口（RIN），回波形態演變為S 型，說明后側下沉氣流已迅速加強，對應著低層速度切變加強；13：02 強的風速切變將超級單體風暴分成2個強回波中心；13：07左側的回波再次加強出現入流缺口。

圖5 2021年6月1日12：51—13：07珠海橫琴相控陣雷達0.9 °仰角反射率因子演變

超級單體風暴都具有一個中層中氣旋，而龍卷往往伴隨著低層中氣旋（1 km以下）的出現而產生。Trapp 等[16]的研究表明，在出現中氣旋的風暴中，約26%的情況下能夠產生龍卷；強中氣旋龍卷出現概率為40%；中等以上強度中氣旋的底距離地面小于1 km 時，龍卷出現概率大于40%，中氣旋的底距離地面越近，龍卷發生概率越大。

在水龍卷發生前，12：47 低層0.9 °仰角（高度約600 m）首次出現負速度中心，隨后其高度有所增大；12：51在2.7°仰角（高度約1 km）上開始出現弱正負速度對；12：55正負速度對高度上升至4.5°仰角（高度約1.4 km），低層正負速度對速度差逐漸加大，0.9°仰角旋轉速度首先加強到弱中氣旋的強度，約為16 m/s（圖6）；12：56 在6.3 °（高度約1.9 km）和8.1 °仰角（高度約2.3 km）上開始出現負速度中心；13:01 弱切變高度升至9.9°（高度約2.7 km）和11.7 °（高度約3.1 km）仰角，2.7～8.1°仰角旋轉速度均達到弱中氣旋標準，此時龍卷已觸達水面，弱中氣旋強度和高度維持至13：08；13：07弱切變高度達到最高17.1°仰角（高度約4.4 km）；維持短暫時間后，13：09 后弱切變高度逐漸下降，旋轉直徑明顯增大，此時龍卷開始減弱消散。

圖6 2021年6月1日12：54、13：01、13：05、13：07相控陣雷達0.9 °、2.7 °、4.5 °、6.3 °仰角徑向速度

此次水龍卷過程中氣旋強度較弱，龍卷觸及水面前未出現旋轉強度和旋轉中心高度逐步下降[10,12,17]的情況，但有明顯的高度增高的過程。

4.3 超級單體反射率三維結構特征

圖7 清楚的展現了水龍卷超級單體生成發展垂直結構的變化。12：42 前風暴單體強度逐漸增強，低層出現水平風切變，由于力管項的作用，形成水平渦管。水平渦管在強烈的上升氣流帶動下扭曲拉升，形成垂直渦管，上升氣流開始旋轉，達到一定強度即為中氣旋。12：47-12：58 渦管逐漸向上延伸，變細增強。垂直回波呈現穹窿結構和邊緣光滑的有界弱回波區，最強反射率因子超過60 dBZ，具有經典超級單體結構特征。此時，強烈旋轉上升氣流使得低層氣壓降低，氣旋性旋轉輻合進一步增強，旋轉速度進一步加大，形成抽吸作用，初生的龍卷在氣旋內部形成。龍卷觸及水面后（13：01-13：05），回波柱明顯增粗。13：10 呈現拱門的形狀，隨后左側回波柱開始減弱，水龍卷也開始減弱。

圖7 2021年6月1日12：42—13：10水龍卷超級單體反射率因子三維結構（相控陣雷達）

4.4 偏振量特征

雙偏振雷達可以有效識別降水粒子相態、大小、形狀，以及區分氣象和非氣象目標物，對于研究超級單體風暴演變具有重要意義。Ryzhkov等[18]總結了龍卷5 個雙偏振雷達特征：(1) 出現勾狀回波；(2) 相關系數(ρHV)＜0.8；(3) 在徑向速度圖上有明顯的旋轉特征；(4) 差分反射率(ZDR)＜0.5 dB；(5) 反射率(Z)＞45 dBZ，當滿足(2)～(5)條件時，很可能有龍卷碎屑。

分析珠海S 波段雙偏振雷達偏振量產品（圖8），在勾狀回波處，對應著風速旋轉切變位置，有ZDR～-3.0 dB 的ZDR低值眼區和低ρHV值（約0.8），在其周圍，為高ZDR和高ρHV弧，類似龍卷碎片特征（TDS），但反射率因子較?。s30 dBZ）。在入流缺口處出現ZDR弧可能是由于強的上升氣流將小粒子帶入空中，只有大降水粒子能夠落下，從而導致ZDR出現大值，這同時代表風暴相關環境螺旋度（SREH, storm-relative environmental helicity）增大，并且風暴的劇烈程度在增加[19]。在水龍卷發生處，為極低ZDR值和低ρHV值。極低ZDR值可能是強烈的旋轉上升氣流對電磁波的衰減所致[20]；ρHV低值可能是由于小碎屑被卷入上升氣流中或者區域內水含量減少，均代表此處出現了強的上升氣流[19]。ZDR弧和ρHV弧最早出現在12:48，隨后ZDR梯度加大（中心值減小、周圍值增大），且范圍逐漸收縮，12:54ZDR發展為一個低值眼區，說明SREH 進一步加大，旋轉強度急劇增加，13:00ZDR梯度最大，此時也為水龍卷強盛時期，該特征持續了4 個體掃時次，水龍卷減弱消散后，特征消失。因此，在參考中氣旋演變的基礎上，偏振量特征對于預報員提前預警以及識別龍卷具有一定幫助。

圖8 2021年6月1日13:00珠海S波段雙偏振雷達0.1 °仰角觀測

5 結 論

本文利用常規地面和探空資料、珠海S 波段雙偏振多普勒天氣雷達和X 波段相控陣雷達資料對2021 年6 月1 日發生在珠江口的水龍卷過程進行分析。

（1）此次水龍卷過程發生在高層強輻散、中層短波槽影響、低層吹一致西南風的背景場下。過程伴隨著極端強降雨，極低的抬升凝結高度、較大的0～1 km 風矢量差、超過超級單體發生閾值的風暴相對螺旋度，為龍卷的發生提供了較好的動力條件。

（2）水龍卷發生在超級單體風暴中，最強反射率因子超過65 dBZ，觀測到明顯的鉤狀回波特征，并伴隨有穹窿結構和清晰的有界弱回波區邊界。

（3）X 波段相控陣雷達觀測到了水龍卷超級單體風暴連續精細化演變特征，0.9 °仰角首先出現風切變，隨后風切變出現高度逐漸增高，并加強為中氣旋，切變最高高度達到17.1 °仰角，隨后高度逐漸降低，龍卷減弱。三維反射率因子圖清晰地看到龍卷母體風暴穹窿結構形成過程，以及反射率因子柱向上延伸，變細加強，觸及水面后變粗的過程。

（4）S 波段雷達探測到在龍卷發生前，出現ZDR低值眼區和ρHV弧，這對于預報員提前預測龍卷的發生以及龍卷的識別具有一定幫助。