李昭春 朱君鑒 張持岸 孫 劍 王 瑤

1 海南省氣象探測(cè)中心，?？?570203 2 山東省氣象臺(tái)，濟(jì)南250031 3 北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司，北京 100029 4 海南省東方市氣象局，東方 572600 5 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570203

提 要： 分析了2019年8月29日發(fā)生在海南省屯昌縣和儋州市龍卷過(guò)程的海口雙偏振多普勒雷達(dá)探測(cè)資料。龍卷發(fā)生在臺(tái)風(fēng)楊柳右前方大約370 km處的臺(tái)風(fēng)雨帶中的對(duì)流風(fēng)暴單體中，兩次龍卷發(fā)生都與風(fēng)暴合并有關(guān)聯(lián)，一次發(fā)生在風(fēng)暴單體合并前12 min，一次發(fā)生在風(fēng)暴單體合并后5 min。單體合并導(dǎo)致風(fēng)暴反射率因子增強(qiáng)，風(fēng)暴高度增高，風(fēng)暴中氣旋迅速增強(qiáng)。兩次龍卷，雷達(dá)都探測(cè)到龍卷渦旋特征(TVS)，探測(cè)到TVS的時(shí)間比龍卷發(fā)生時(shí)間分別提前27 min和5 min。龍卷發(fā)生前對(duì)應(yīng)龍卷渦旋特征位置的相關(guān)系數(shù)(CC)值沒(méi)有變化，龍卷發(fā)生時(shí)，龍卷渦旋特征位置的CC值突然減小到0.8以下，龍卷發(fā)生后CC的低值特征持續(xù)了20 min以上。兩次龍卷都有后部風(fēng)暴單體并入，龍卷發(fā)生在主風(fēng)暴單體的后部、兩個(gè)風(fēng)暴單體合并的連接處。

引 言

海南省是我國(guó)龍卷多發(fā)的省份之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004—2015年海南省共發(fā)生龍卷21次，其中熱帶氣旋龍卷7次，熱帶氣旋龍卷普遍達(dá)到EF1級(jí)或EF2級(jí)(鄭艷等，2017)。

熱帶氣旋外圍雨帶中常常有龍卷發(fā)生，近年來(lái)我國(guó)廣東省發(fā)生過(guò)多次這一類龍卷(黃先香等，2019a；李彩玲等，2007；李兆慧等，2017；朱文劍等，2016)， 2006年8月4日和2015年10月4日發(fā)生在廣東省佛山市的龍卷，都造成了重大的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。2019年8月29日夜間，在臺(tái)風(fēng)楊柳的外圍雨帶中，海南省屯昌縣新興鎮(zhèn)和西昌鎮(zhèn)、儋州市那大鎮(zhèn)先后遭受龍卷風(fēng)襲擊，導(dǎo)致8人死亡，8人受傷(李彩玲等，2020，陸琛和魏鳴，2020)。因?yàn)槠渖范?、尺度小、突發(fā)性強(qiáng)，對(duì)龍卷的監(jiān)測(cè)和預(yù)警非常困難。對(duì)于臺(tái)風(fēng)外圍的龍卷預(yù)警難度更大，近年來(lái)鄭媛媛等(2015)、李彩玲等(2016)、王秀明和俞小鼎(2019)對(duì)此類龍卷的監(jiān)測(cè)和預(yù)警做了很多研究。鄭媛媛等(2015)對(duì)10次臺(tái)風(fēng)龍卷過(guò)程的環(huán)境背景和其中F2、F3級(jí)以上龍卷過(guò)程的回波結(jié)構(gòu)演變特征分析認(rèn)為：(1)臺(tái)風(fēng)龍卷所處環(huán)境基本為弱對(duì)流有效位能(200～1 000 J·kg-1)和風(fēng)隨高度強(qiáng)烈順轉(zhuǎn)的強(qiáng)低空風(fēng)的垂直切變環(huán)境，0～1 km風(fēng)的垂直切變超過(guò)10-2s-1，風(fēng)暴的相對(duì)螺旋度很大。臺(tái)風(fēng)龍卷大多數(shù)出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向的右前側(cè)，位于0～1 km風(fēng)切變和相對(duì)風(fēng)暴螺旋度大值區(qū)。龍卷主要產(chǎn)生于臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶上，臺(tái)前龍卷產(chǎn)生前往往地面已存在風(fēng)向切變和風(fēng)速的輻合，但溫度梯度不大。(2)在臺(tái)風(fēng)影響環(huán)境下導(dǎo)致龍卷的風(fēng)暴屬于微超級(jí)單體風(fēng)暴，有水平尺度2～4 km的中氣旋；垂直渦度限制在4 km以下；風(fēng)暴單體的質(zhì)心在2 km左右，風(fēng)暴伸展高度在5～7 km。佛山龍卷研究中心(黃先香等，2019b)在研究成果的基礎(chǔ)上，建立了珠江三角洲龍卷預(yù)警流程，成功地預(yù)警了2018年兩次龍卷的發(fā)生，驗(yàn)證了流程的可行性。以上研究成果對(duì)于臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)警提供了較好的技術(shù)支持，但正如黃先香等(2019b)指出的，目前龍卷預(yù)警的空?qǐng)?bào)率比較高，需要對(duì)雷達(dá)觀測(cè)資料的深入分析，加深對(duì)龍卷的觸發(fā)、維持、消亡機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

尋找更多有效的龍卷預(yù)警方法，使用先進(jìn)的雙偏振多普勒雷達(dá)信息是便利的途徑之一。龍卷的發(fā)生發(fā)展突發(fā)性強(qiáng)，在實(shí)際業(yè)務(wù)中對(duì)龍卷的預(yù)警，需要預(yù)報(bào)人員在很短的時(shí)間內(nèi)做出決策，需要更多龍卷發(fā)生前雷達(dá)探測(cè)的有用信息。Wurman et al(2007)分析了兩部高時(shí)空分辨率的X波段多普勒雷達(dá)同時(shí)探測(cè)到的1997年5月26日發(fā)生在俄克拉何馬的龍卷風(fēng)暴過(guò)程，風(fēng)暴中發(fā)生了兩次龍卷，最初的龍卷發(fā)生在主超級(jí)單體與另一個(gè)較弱的風(fēng)暴合并時(shí)，這個(gè)龍卷被兩個(gè)風(fēng)暴的降水所包圍，僅僅幾分鐘后，最底層的渦旋都開(kāi)始減弱，龍卷消亡；第二個(gè)龍卷發(fā)生，是主超級(jí)單體與另一個(gè)更大的超級(jí)單體合并，合并后中層中氣旋再度增強(qiáng)，新的鉤狀回波再度發(fā)展，龍卷再度產(chǎn)生，但合并破壞了主超級(jí)單體的結(jié)構(gòu)，鉤狀回波很快收縮，中氣旋消散，龍卷也很快消亡。

Lee et al(2006a；2006b)跟蹤研究了1996年4月19日美國(guó)伊利諾伊州大規(guī)模龍卷爆發(fā)過(guò)程中109個(gè)風(fēng)暴單體的移動(dòng)、分裂、合并和發(fā)展的復(fù)雜過(guò)程，分析了龍卷生成與風(fēng)暴單體合并和風(fēng)暴之間相互作用的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)26次風(fēng)暴合并中，54%的龍卷發(fā)生在單體合并前后的15 min內(nèi)。安徽阜陽(yáng)的一次龍卷過(guò)程中也探測(cè)到龍卷發(fā)生前的風(fēng)暴單體合并(朱江山等，2015)，龍卷發(fā)生在單體合并后3 min。2016年6月5日發(fā)生在海南文昌的龍卷也與兩個(gè)部分單體之間相互作用有關(guān)(王秀明和俞小鼎，2019；張培昌等，2019)。張濤等(2020)、鄭永光等(2020)對(duì)2019年7月3日遼寧開(kāi)原龍卷的演變特征、形成條件和機(jī)理做了研究和分析。

雙偏振多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用，為龍卷的探測(cè)提供了更多有用的信息，2019年8月29日發(fā)生在海南省儋州市的龍卷，距離海口雙偏振雷達(dá)60～120 km范圍內(nèi)。雷達(dá)探測(cè)資料分析表明，龍卷的發(fā)生與風(fēng)暴單體的合并有關(guān)聯(lián)。龍卷發(fā)生前雷達(dá)給出了龍卷渦旋特征(TVS)產(chǎn)品，龍卷發(fā)生時(shí)，探測(cè)到了龍卷碎片特征(TDS)。

1 ?？陔p偏振雷達(dá)的性能和標(biāo)定

海口雷達(dá)原為S波段單偏振多普勒天氣雷達(dá)CINRAD/SA，2019年4月升級(jí)改造成雙偏振多普勒雷達(dá)并投入運(yùn)行。同年5—7月進(jìn)行雷達(dá)技術(shù)維護(hù)，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格標(biāo)定。

2 龍卷發(fā)生概況

2019年8月29日02—04時(shí)(北京時(shí)，下同)，受臺(tái)風(fēng)楊柳外圍環(huán)流影響，海南省屯昌縣新興鎮(zhèn)和西昌鎮(zhèn)、儋州市那大鎮(zhèn)先后遭受龍卷風(fēng)襲擊，導(dǎo)致8人死亡，8人受傷。根據(jù)佛山市龍卷研究中心和海南省氣象局的聯(lián)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果，屯昌縣龍卷(以下簡(jiǎn)稱屯昌龍卷)發(fā)生在02:54前后，持續(xù)時(shí)間約7 min，路徑長(zhǎng)度約9 km，造成大片樹(shù)木攔腰折斷和大片樹(shù)木連根拔起，最大破壞寬度約150 m，破壞程度為EF2級(jí)，無(wú)人員傷亡。

此時(shí)臺(tái)風(fēng)楊柳位于17.2°N、113.1°E南海海面上，距離儋州龍卷發(fā)生地大約370 km，向偏西方向移動(dòng)(中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)http:∥typhoon.nmc.cn/web.html)，龍卷發(fā)生地位于臺(tái)風(fēng)楊柳前進(jìn)方向的右前側(cè)，與黃先香等(2019a；2019b)、鄭媛媛等(2015)研究的臺(tái)風(fēng)龍卷易發(fā)區(qū)結(jié)論一致。

儋州市那大鎮(zhèn)龍卷(以下簡(jiǎn)稱儋州龍卷)約發(fā)生在04:03， 持續(xù)時(shí)間約6 min，龍卷跳躍式前進(jìn)，路徑總長(zhǎng)度約5 km，中間有1.8 km破壞痕跡不明顯，最大破壞寬度約400 m，造成整個(gè)鐵皮廠房屋頂和鋼架結(jié)構(gòu)坍塌，破壞程度相當(dāng)于EF2級(jí)，導(dǎo)致8人死亡、8人受傷。

3 風(fēng)暴移動(dòng)、合并和發(fā)展的雙偏振雷達(dá)反射率因子分析

3.1 風(fēng)暴的移動(dòng)和合并

圖1a是臺(tái)風(fēng)楊柳移動(dòng)軌跡(中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)http:∥typhoon.nmc.cn/web.html)，29日02時(shí)臺(tái)風(fēng)楊柳以25 km·h-1的速度向西移動(dòng)。圖1b是?？陔p偏振多普勒雷達(dá)CINRAD/SA_D(以下簡(jiǎn)稱?？诶走_(dá))反射率因子產(chǎn)品(R20)。紅色三角為儋州龍卷發(fā)生地位置，紅色圓圈為臺(tái)風(fēng)中心位置，兩者之間距離大約370 km。臺(tái)風(fēng)向偏西方向移動(dòng)(紅色箭頭方向)。發(fā)生龍卷的風(fēng)暴單體位于臺(tái)風(fēng)外圍雨帶中，這條外圍雨帶不是很典型(風(fēng)暴單體排列不連續(xù))，雨帶中的風(fēng)暴單體沿臺(tái)風(fēng)外圍的東北氣流自東北向西南方向移動(dòng)(黃色中空箭頭方向)。圖2是風(fēng)暴單體X4的反射率因子移動(dòng)路徑，反射率因子濾除了低于50 dBz的部分，01:40引發(fā)龍卷的風(fēng)暴單體X4在?？跂|部生成，風(fēng)暴隨著臺(tái)風(fēng)外圍的偏東北氣流向西南方向移動(dòng)。02:09風(fēng)暴單體X4追上其前方的單體M5(圖略)，兩個(gè)風(fēng)暴單體合并，回波頂高由5 km增高到8 km以上，最大反射率因子高度上升到4 km(圖3a)，最大反射率因子增強(qiáng)到59 dBz，風(fēng)暴迅速增強(qiáng)，單體中開(kāi)始探測(cè)到氣旋性渦旋，風(fēng)暴移動(dòng)方向開(kāi)始偏向承載層氣流方向的右側(cè)，向西偏南方向移動(dòng)。02:55風(fēng)暴移動(dòng)到屯昌境內(nèi)，風(fēng)暴單體后方較弱的單體C5追上單體X4，再次發(fā)生風(fēng)暴單體合并，回波頂高和最大反射率因子高度再次增高，風(fēng)暴強(qiáng)烈發(fā)展，很快地面出現(xiàn)龍卷。03:58 風(fēng)暴移動(dòng)到儋州市那大鎮(zhèn)附近，又一次與其后方的風(fēng)暴單體N8合并，風(fēng)暴再度增強(qiáng)，地面再次出現(xiàn)龍卷。

圖1 2019年8月29日(a)02—19時(shí)臺(tái)風(fēng)楊柳移動(dòng)軌跡，(b)03：01?？诶走_(dá)0.5°反射率因子產(chǎn)品(R20)(圖1b中紅色三角：儋州龍卷位置，黃色箭頭為龍卷移動(dòng)方向，紅點(diǎn)：臺(tái)風(fēng)位置，紅色箭頭：臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向)Fig.1 (a) Typhoon Podul moving track from 02:00 BT to 19:00 BT, (b) Haikou radar reflectivity factor product at 0.5° elevation (R20) at 03:01 BT 29 August 2019(Red triangle is location of Danzhou tornado, yellow arrow is moving direction of the tornado, red dot is typhoon location, red arrow indicates motion direction of typhoon)

圖2 2019年8月29日風(fēng)暴單體X4移動(dòng)路徑(圖中濾除了反射率因子小于50 dBz的部分)Fig.2 The moving path of the storm cell X4 on 29 August 2019(The part with reflectiveity factor less than 50 dBz is filtered out in the figure)

圖3 2019年8月29日風(fēng)暴單體X4風(fēng)暴變化趨勢(shì)產(chǎn)品(a)屯昌龍卷，(b)儋州龍卷(黃線是風(fēng)暴質(zhì)心高度，紫線是最大反射率高度，白線段為風(fēng)暴頂高和底高)Fig.3 Storm cell X4 trend products on 29 August 2019(a) Tunchang tornado, (b) Danzhou tornado(Yellow line is the height of the storm’s center of mass, purple line is the height of maximum reflectivity,white line segment is the storm top and bottom height)

3.2 風(fēng)暴單體的合并

風(fēng)暴單體的合并常常導(dǎo)致風(fēng)暴的強(qiáng)烈發(fā)展，有很多龍卷的發(fā)生與風(fēng)暴單體合并有關(guān)。Sabones et al(1996)曾經(jīng)探測(cè)到超級(jí)單體和颮線的相互作用引發(fā)的龍卷，Wolf et al(1996)也報(bào)道了超級(jí)單體之間的合并導(dǎo)致了強(qiáng)龍卷的生成。

Lee et al(2006a)研究了1996年4月19日美國(guó)伊利諾伊州大規(guī)模龍卷爆發(fā)過(guò)程中的26次風(fēng)暴合并，將導(dǎo)致風(fēng)暴單體合并的情況歸納為3種：(1)偏向承載層平均風(fēng)右側(cè)的氣旋性旋轉(zhuǎn)的單體與沿著承載層平均風(fēng)方向不旋轉(zhuǎn)的單體之間的合并；(2)偏向承載層平均風(fēng)左側(cè)的反氣旋性旋轉(zhuǎn)的單體攔截不旋轉(zhuǎn)的單體或者氣旋性旋轉(zhuǎn)的單體之間的合并；(3)偏向承載層平均風(fēng)右側(cè)的氣旋性旋轉(zhuǎn)的單體攔截另一個(gè)偏離很小的單體之間的合并。并且將風(fēng)暴單體合并的形態(tài)分為4種：類型A，一個(gè)較大的風(fēng)暴單體合并入一個(gè)較小的單體，結(jié)果反射率因子面積增大，或者強(qiáng)度增強(qiáng)。合并后，風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)度隨之發(fā)生變化。類型B，主風(fēng)暴和次風(fēng)暴合并，結(jié)果主風(fēng)暴脈沖上升，主風(fēng)暴周圍或者風(fēng)暴合并位置反射率因子增強(qiáng)。類型C，當(dāng)兩個(gè)較強(qiáng)的風(fēng)暴單體移動(dòng)到很近時(shí)，在兩個(gè)反射率強(qiáng)中心之間新生一個(gè)新的單體，這種情況常常發(fā)生在兩個(gè)單體強(qiáng)度相差不大的情況下。數(shù)值模擬顯示(Ryzhkov et al，2002)，新的上升氣流在兩個(gè)風(fēng)暴之間出流邊界相遇的地方，這個(gè)新的風(fēng)暴很快取代了原來(lái)的兩個(gè)風(fēng)暴。類型D，在兩個(gè)風(fēng)暴單體合并的連接點(diǎn)或者附近生成新的單體，并入的單體失去ID，這個(gè)新生單體只在極短暫的時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)展并且產(chǎn)生龍卷。

3.2.1 屯昌龍卷風(fēng)暴單體的合并

確定風(fēng)暴單體合并的時(shí)間常常比較困難，為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，Lee et al(2006a)將0.5°仰角反射率因子區(qū)域中原本分開(kāi)的最強(qiáng)反射率因子合并成一整體的過(guò)程定義為單體合并的時(shí)間。本文主要依據(jù)雷達(dá)的風(fēng)暴追蹤信息(STI)產(chǎn)品，并結(jié)合這樣的方法分析此次過(guò)程中的強(qiáng)風(fēng)暴單體合并過(guò)程。

圖4是?？诶走_(dá)02:44—03:01反射率因子產(chǎn)品，圖上疊加了STI產(chǎn)品，白色細(xì)線是STI的移動(dòng)軌跡和預(yù)報(bào)方向，借助于STI的指示，02:44(圖4d)中有較強(qiáng)風(fēng)暴單體X4和較弱小的單體C7，單體C7沿著承載層平均風(fēng)方向向西南方向移動(dòng)；單體X4已經(jīng)發(fā)展得很強(qiáng)，風(fēng)暴中已經(jīng)探測(cè)到中氣旋初始渦旋，02:49(圖4c)風(fēng)暴中探測(cè)到中氣旋(M)和龍卷渦旋特征(TVS)，風(fēng)暴移動(dòng)方向偏向承載層平均風(fēng)方向的右側(cè)，與C7比較移動(dòng)速度也慢一些，因此兩個(gè)單體之間的距離不斷縮小，到03:01(圖4a)，在0.5°仰角，單體C7反射率強(qiáng)中心的大部分已經(jīng)并入單體X4，兩個(gè)單體大于50 dBz的中心完全連接到一起，時(shí)間是03:06(圖略)。參考Lee et al(2006b)的判別方法，把0.5°仰角兩個(gè)風(fēng)暴單體的強(qiáng)中心合并到一起作為判據(jù)，認(rèn)定為單體合并時(shí)間，則比龍卷發(fā)生時(shí)間(02:54)滯后12 min。

圖4 2019年8月29日(a)03:01,(b)02:55,(c)02:49,(d)02:44?？诶走_(dá)反射率因子合成展示屯昌龍卷風(fēng)暴單體的合并過(guò)程(X4，C7為風(fēng)暴單體，黑圓圈表示中氣旋，下同)Fig.4 Mergering process of Tunchang tornado storm cells expressed by series of Haikou radar refectivity at (a) 03:01 BT, (b) 02:55 BT, (c) 02:49 BT, (d) 02:44 BT 29 August 2019(X4, C7 indicate storm cells, black circle indicates mesocyclone, the same below)

3.2.2 儋州龍卷風(fēng)暴單體的合并

儋州龍卷風(fēng)暴單體的合并過(guò)程與屯昌龍卷的風(fēng)暴合并非常類似(圖5)。03:46 風(fēng)暴單體X4已經(jīng)移動(dòng)到屯昌的西部，即將進(jìn)入儋州，在X4的北邊有個(gè)風(fēng)暴單體N8(圖5d)，03:46—04:04，N8和X4之間的距離越來(lái)越小。實(shí)地調(diào)查龍卷發(fā)生在04:03，同樣參考Lee et al(2006b)的方法，03:58(圖5b)0.5° 仰角兩個(gè)風(fēng)暴單體的強(qiáng)中心合并到一起，認(rèn)定為方便合并時(shí)間，比龍卷發(fā)生提前5 min。

屯昌龍卷發(fā)生在風(fēng)暴單體合并前12 min，儋州龍卷發(fā)生在風(fēng)暴單體合并后5 min，以下做簡(jiǎn)單的分析。屯昌龍卷發(fā)生前，從02:55時(shí)0.5°反射率可以看到，風(fēng)暴單體X4的鉤狀回波已經(jīng)形成，可認(rèn)為單體C7與X4之間的相互作用激發(fā)了龍卷的生成，猜測(cè)單體C7的前部下沉氣流進(jìn)入X4的鉤狀回波區(qū)，但因?yàn)轱L(fēng)暴距離雷達(dá)約有70 km，0.5°仰角PPI上風(fēng)暴中心位置距離地面1 km，無(wú)法探測(cè)到低層的狀況來(lái)驗(yàn)證，因此只能是猜測(cè)；而儋州龍卷發(fā)生時(shí)，03:58 風(fēng)暴中心距離雷達(dá)大約100 km，0.5°仰角風(fēng)暴中心位置距離地面1.5 km，1.5 km以下的狀況也無(wú)法探測(cè)到，但從TVS疊加在03:58時(shí)0.5°仰角反射率因子圖(圖5b)上的位置，大致在風(fēng)暴強(qiáng)反射率的中心位置，因此可以認(rèn)為由于風(fēng)暴合并使得風(fēng)暴上升速度增強(qiáng)，導(dǎo)致渦旋在垂直方向拉伸而產(chǎn)生龍卷(參看圖6c、6d)。

圖6是?？诶走_(dá)03:46—04:04連續(xù)4個(gè)時(shí)次RCS產(chǎn)品，剖面位置通過(guò)單體X4和單體N8的強(qiáng)中心(圖5中白色細(xì)線的位置)。從圖中可以看到風(fēng)暴單體N8逐漸追上單體X4，兩個(gè)單體的強(qiáng)中心逐漸合并的過(guò)程。風(fēng)暴內(nèi)最強(qiáng)反射率因子(55～60 dBz)的面積不斷增大，高度增高，最強(qiáng)反射率因子的高度由大約6 km上升到7.5 km左右。

圖5 同圖4，但為儋州龍卷(a)04:04,(b)03:58,(c)03:52,(d)03:46(N8為風(fēng)暴單位，黑色倒三角為TVS)Fig.5 Same as Fig.4, but for Danzhou tornado at (a) 04:04 BT, (b) 03:58 BT, (c) 03:52 BT, (d) 03:46 BT(N8 is storm cell, black inverted triangle indicates TVS)

圖6 ?？诶走_(dá)2019年8月29日(a)03:46，(b)03：52，(c)03：58，(d)04:04連續(xù)4個(gè)時(shí)次RCS產(chǎn)品(剖面位置通過(guò)單體X4和單體N8的中心)Fig.6 Haikou Radar RCS products for volume scan at(a) 03:46 BT， (b) 03：52 BT， (c) 03：58 BT， (d) 04:04 BT 29 August 2019(The cross section passes through the center of the cell X4 and the cell N8)

后面的分析會(huì)看到龍卷發(fā)生在兩個(gè)風(fēng)暴單體的相接位置。

3.3 風(fēng)暴單體合并的預(yù)報(bào)

風(fēng)暴單體合并有可能激發(fā)風(fēng)暴的發(fā)展，導(dǎo)致龍卷的發(fā)生，在紛亂的風(fēng)暴單體移動(dòng)的情況下，判斷可能的風(fēng)暴合并對(duì)于龍卷預(yù)警是有用的，CINRAD/SA的STI產(chǎn)品是有用的工具。STI產(chǎn)品中，白色小圓圈是風(fēng)暴單體當(dāng)前的質(zhì)心位置，白色細(xì)折線是風(fēng)暴的過(guò)去位置，線上的菱形小方點(diǎn)是風(fēng)暴過(guò)去每個(gè)體掃時(shí)間的質(zhì)心位置，風(fēng)暴的前方帶十字線的直線是預(yù)報(bào)的風(fēng)暴未來(lái)位置，兩個(gè)十字星之間的時(shí)間間隔是15 min。圖7a是29日03:46海口雷達(dá)的STI產(chǎn)品，圖中可以看到風(fēng)暴單體N8過(guò)去的移動(dòng)速度和預(yù)報(bào)速度都比單體X4快很多，并且預(yù)示未來(lái)風(fēng)暴之間的距離會(huì)很快縮小，風(fēng)暴很快會(huì)發(fā)生合并。圖7b 02:49時(shí)風(fēng)暴單體C7和X4也類似，預(yù)示很快就要發(fā)生風(fēng)暴合并。需要注意的是STI產(chǎn)品每個(gè)體掃完成后會(huì)不斷修正預(yù)報(bào)位置，個(gè)別時(shí)次會(huì)出現(xiàn)較大的方向偏差，因此考察單體移動(dòng)的歷史位置，判斷風(fēng)暴移動(dòng)的大趨勢(shì)更為準(zhǔn)確。比如圖7a中，根據(jù)過(guò)去位置做主觀外推(圖中紅色虛線)，風(fēng)暴單體N8與X4的合并時(shí)間比圖中兩個(gè)STI產(chǎn)品的交點(diǎn)時(shí)間有所提前，與這兩個(gè)風(fēng)暴的實(shí)際合并時(shí)間(04:04)很接近。

圖7 2019年8月29日(a)03：46和(b)02：49海口雷達(dá)風(fēng)暴追蹤信息(STI)產(chǎn)品(圖7a中紅色虛線表示對(duì)風(fēng)暴單體N8移動(dòng)方向的修正)Fig.7 The storm tracking information (STI) products of Haikou Radar at (a) 03:46 BT and (b) 02:49 BT 29 August 2019(Red dotted line represents the correction of the movement direction of the storm cell N8 in Fig.7a)

4 TVS產(chǎn)品和雙偏振參數(shù)分析

4.1 TVS產(chǎn)品特征分析

TVS是專門為龍卷的監(jiān)測(cè)和預(yù)警設(shè)計(jì)的雷達(dá)應(yīng)用產(chǎn)品。在屯昌龍卷發(fā)生前27 min，風(fēng)暴單體X4中02:27和02:33連續(xù)兩個(gè)體掃雷達(dá)探測(cè)到TVS；02:54龍卷發(fā)生之后，02:55—03:07，連續(xù)3個(gè)體掃雷達(dá)探測(cè)到TVS；儋州龍卷發(fā)生前5 min，雷達(dá)又探測(cè)到TVS。表1是這次龍卷過(guò)程中雷達(dá)探測(cè)到的TVS產(chǎn)品的部分屬性。表中可見(jiàn)，TVS渦旋的底高為0.6～1.4 km，平均為0.9 km。進(jìn)一步分析，底高的差異是因?yàn)辇埦頊u旋與雷達(dá)的距離不同而造成的，這6次的底高都是雷達(dá)最低仰角0.5°探測(cè)到的高度，也就是雷達(dá)能夠探測(cè)到的最低高度。龍卷渦旋最大切變所在的高度也都是雷達(dá)所能探測(cè)到的最低高度0.6～1.4 km。TVS渦旋的頂高在3.4～4.7 km，平均為3.9 km。TVS的厚度平均為3 km。龍卷的最大切變?cè)?8×10-3～35×10-3s-1，平均值為30×10-3s-1。儋州龍卷最大切變?yōu)?8×10-3s-1，比屯昌龍卷小很多，除了渦旋自身的強(qiáng)度有差異外，這與龍卷和雷達(dá)之間的距離增加時(shí)雷達(dá)波束展寬效應(yīng)有關(guān)。例如2009年7月16日河南省濮陽(yáng)縣發(fā)生的F1級(jí)龍卷(李改琴等，2014)，因?yàn)榫嚯x雷達(dá)只有16 km，雷達(dá)探測(cè)到的最大切變量達(dá)到215×10-3s-1。

表1 2019年8月29日屯昌龍卷和儋州龍卷風(fēng)暴TVS特性表Table 1 Tunchang tornado and Danzhou tornado storm TVS characteristics on 29 August 2019

圖8是?？诶走_(dá)0.5°徑向速度(圖8a，8c，8e)和徑向速度垂直剖面(圖8b，8d，8f)產(chǎn)品。垂直剖面的位置是其徑向速度產(chǎn)品上的白線位置，通過(guò)龍卷渦旋中心(白色箭頭的位置)，剖面線與徑向接近垂直，雷達(dá)位于龍卷的北偏東方向，在渦旋左側(cè)是離開(kāi)雷達(dá)的正速度，右側(cè)是朝向雷達(dá)的負(fù)速度。三幅剖面圖上可以看到，渦旋的高度只有2 km左右，比雷達(dá)算出高度略低，這是因?yàn)榄h(huán)境風(fēng)(北偏東方向)很大，渦旋正負(fù)速度對(duì)的上部被淹沒(méi)所致。還可以看到，渦旋強(qiáng)度最底層最強(qiáng)，負(fù)速度和正速度都是最低層絕對(duì)值最大。局限于雷達(dá)的分辨率，粗略估計(jì)渦旋的水平尺度在4 km左右，中心最強(qiáng)，向外圍逐漸減弱。

圖8 2019年8月29日(a，b)02：55，(c，d)03：01，(e，f)03：07?？诶走_(dá)(a，c，e)徑向速度和(b，d，f)沿圖8a，8c，8e中白線徑向速度垂直剖面產(chǎn)品Fig.8 Radial velocity (a， c， e) and radial velocity cross-section (b， d， f) along white line in Figs.8a, 8c, 8e of Haikou Radar at (a, b) 02:55 BT, (c, d) 03:01 BT, (e, f) 03:07 BT 29 August 2019

4.2 雙偏振參數(shù)分析

龍卷碎片特征(tornadic debris signature,TDS)是指龍卷將地面上的雜物碎片卷到空中，這些雜物碎片方向隨機(jī)、形狀不規(guī)則、尺寸很大、介電常數(shù)很高，從而產(chǎn)生高反射率因子ZHH、低的差分反射率ZDR和異常低的零滯后相關(guān)系數(shù)CC的雙偏振雷達(dá)探測(cè)特征。自從Ryzhkov et al(2002)用S波段雙偏振雷達(dá)在超級(jí)單體鉤狀回波的末端處探測(cè)到龍卷碎片特征TDS之后，許多探測(cè)研究表明，在C波段和X波段雙偏振雷達(dá)上同樣探測(cè)到了TDS。2015年10月4日廣東省佛山市臺(tái)風(fēng)彩虹外圍的龍卷，X波段雷達(dá)曾經(jīng)探測(cè)到TDS特征(張建云等，2018)，TDS特征在龍卷監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)中非常有用，尤其在龍卷被雨區(qū)包圍，或者龍卷發(fā)生在夜間，視覺(jué)無(wú)法確認(rèn)龍卷是否已經(jīng)在地面生成的情況下，TDS可以幫助確認(rèn)龍卷的發(fā)生和位置。

Kumjian and Ryzhkov(2008)曾經(jīng)提到在龍卷被雨區(qū)包裹的情況下，雨滴可能與龍卷卷起的雜物混雜。這樣ZDR會(huì)因?yàn)橛甑蔚拇嬖诙?，從而?dǎo)致ZDR不是很低。但是任何非氣象反射物，如混雜在水成物中的龍卷卷起的雜物碎片，都會(huì)使相關(guān)系數(shù)CC明顯降低。因此在有雨滴存在的情況下，不能過(guò)于強(qiáng)調(diào)ZDR很低的TDS特征，而CC是龍卷監(jiān)測(cè)最有效的雙偏振參量，對(duì)此，Ryzhkov et al(2005)也有同樣的論述。

在這次龍卷過(guò)程中，CC低值的TDS特征非常清楚，而ZDR低值的特征不明顯。圖9是03:01海口雷達(dá)0.5°的反射率因子(圖9a)、徑向速度(圖9b)和零滯后相關(guān)系數(shù)(圖9c)。圖中雙箭頭指向的位置是龍卷渦旋特征(圖9b中TVS)的位置(使用雙偏振雷達(dá)PUP軟件的光標(biāo)聯(lián)動(dòng)功能，雙箭頭同時(shí)指向不同產(chǎn)品的同一坐標(biāo)位置)，反射率因子值大于50 dBz，這個(gè)位置位于上文所述主風(fēng)暴單體X4的后部、后面追上并入的單體C7的前部，2個(gè)風(fēng)暴單體合并的接點(diǎn)位置;徑向速度產(chǎn)品指向正負(fù)速度對(duì)位置，正速度達(dá)到25 m·s-1，負(fù)速度為-13.5 m·s-1，速度差為38.5 m·s-1;零滯后相關(guān)系數(shù)低于0.8，最低值為0.76，這是典型的TDS特征。

圖9 2019年8月29日03:01?？诶走_(dá)0.5°(a)反射率因子，(b)徑向速度，(c)零滯后相關(guān)系數(shù)Fig.9 Reflectivity (a)， radial velocity (b) and co-polar correlation coefficient (c) at 0.5° elevation of Haikou Radar at 03:01 BT 29 August 2019

圖10是8月29日04：04?？诶走_(dá)0.5°的反射率因子(圖10a)、徑向速度(圖10b)和零滯后相關(guān)系數(shù)(圖10c)。圖中雙箭頭指向的位置是龍卷渦旋特征(圖10b中TVS)的位置，反射率因子值大于55 dBz，這個(gè)位置位于上文所述風(fēng)暴單體X4的后部、N8的前部，2個(gè)風(fēng)暴單體合并的接點(diǎn)位置;徑向速度產(chǎn)品指向正負(fù)速度對(duì)，正速度達(dá)到34.7 m·s-1，負(fù)速度為-7 m·s-1，速度差為41.7 m·s-1;零滯后相關(guān)系數(shù)低于0.88，最低為0.85。

圖10 同圖9，但為04：04Fig.10 Same as Fig.9, but for 04:04 BT

圖11列出了零滯后相關(guān)系數(shù)CC隨時(shí)間的變化情況，圖11a～11d是海口雷達(dá)0.5°平均徑向速度V(27號(hào)產(chǎn)品)，圖11e～11h是CC(160號(hào)產(chǎn)品)。圖11a和11e的時(shí)間相同，位置相同，圖中雙箭頭指向相同的位置，從02:55(圖11a)到03:29(圖11d)白色虛線箭頭所指位置都有清晰的正負(fù)速度對(duì)，這個(gè)速度對(duì)的位置是龍卷渦旋特征(TVS)的位置。右側(cè)相同的位置表示了相關(guān)系數(shù)的狀態(tài)，03:01(圖11f)，TVS位置的CC值在0.9以下，而02:55(圖11e)TVS位置的CC值比周圍低得很少，因此可以認(rèn)為這是龍卷剛剛發(fā)生。實(shí)地調(diào)查屯昌龍卷03:03之后消散，但從圖中可以看到這個(gè)CC的低值的特征一直維持到03:12(圖11g)之后，甚至到03:29還可以看到對(duì)應(yīng)于TVS的位置，CC的值還比其周圍的低(大約0.94 左右)。分析其原因，應(yīng)該是地面的雜物碎片一旦被卷到TVS的渦旋中，往下落地的過(guò)程很慢，而在龍卷開(kāi)始著地時(shí)，只是一瞬間就把地面的雜物卷到空中，時(shí)間很短，因此02:55—03:01期間CC值變化很大。

圖11 2019年8月29日(a，e)02：55，(b，f)03：01，(c，g)03：12，(d，h)03：29?？诶走_(dá)0.5°平均徑向速度(a～d)和零滯后相關(guān)系數(shù)(e～h) Fig.11 Haikou Radar 0.5° radial velocity (a-d) and co-polar correlation coefficient (e-h) at (a, e) 02:55 BT, (b, f) 03:01 BT, (c, g) 03:12 BT, (d, h) 03:29 BT 29 August 2019

儋州龍卷從03:58開(kāi)始，CC的值04:04突然減低到0.8以下(圖略)，之后也維持了超過(guò)12 min。CC的低值在03:01和04:04兩個(gè)時(shí)次最清晰，因?yàn)槔走_(dá)波束隨距離展寬的效應(yīng)，不便于分析TDS的尺度大小，徑向方向，雷達(dá)的距離庫(kù)長(zhǎng)為250 m，分析看到CC的低值區(qū)大約占10個(gè)庫(kù)長(zhǎng)，大約2.5 km。

5 結(jié)論與討論

綜合以上分析，得到以下結(jié)論：

(1)龍卷發(fā)生在臺(tái)風(fēng)楊柳右前方大約370 km的臺(tái)風(fēng)外圍雨帶中，雨帶中較強(qiáng)風(fēng)暴單體X4的強(qiáng)烈發(fā)展和轉(zhuǎn)向，攔截了后面移動(dòng)速度快的較小風(fēng)暴單體C7和N8，造成風(fēng)暴合并，引發(fā)龍卷產(chǎn)生。

海南省這次兩處龍卷的發(fā)生都伴有風(fēng)暴的合并，屯昌風(fēng)暴單體合并在龍卷發(fā)生后12 min，儋州風(fēng)暴合并在龍卷發(fā)生前5 min。因此在環(huán)境條件有利于龍卷產(chǎn)生的條件下，監(jiān)測(cè)風(fēng)暴的合并對(duì)于龍卷預(yù)警無(wú)疑是有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。監(jiān)測(cè)表明，STI產(chǎn)品能給出風(fēng)暴移動(dòng)的軌跡，預(yù)示風(fēng)暴未來(lái)的合并，是監(jiān)測(cè)風(fēng)暴合并的有用工具。

(2)屯昌龍卷發(fā)生前27 min，儋州龍卷發(fā)生前5 min，雷達(dá)探測(cè)到了TVS，可見(jiàn)TVS產(chǎn)品是龍卷探測(cè)和預(yù)警的有效工具。探測(cè)到的TVS渦旋的底高都是雷達(dá)能夠探測(cè)到的最低高度，平均為0.9 km。TVS渦旋的頂高在3.4～4.7 km，平均為3.9 km。TVS的厚度平均為3 km。龍卷的最大切變?cè)?8×10-3～35×10-3s-1，平均值為30×10-3s-1。最大切變也都發(fā)生在雷達(dá)能探測(cè)到的最低高度。

(3)兩次龍卷發(fā)生時(shí)，龍卷渦旋處的CC值都非常低，03:01低至0.76。龍卷發(fā)生后，地面雜物碎片被卷到空中，CC值突然降低；龍卷消亡后，CC的低值能維持10 min以上，說(shuō)明雜物碎片會(huì)在空中停留較長(zhǎng)時(shí)間。CINRAD/SA是大功率遠(yuǎn)距離探測(cè)雷達(dá)，最低仰角0.5°，在50 km以外，雷達(dá)波束中心高度已經(jīng)在600 m以上，即使探測(cè)到TVS，也無(wú)法知道地面是否發(fā)生了龍卷，而TDS特征可以幫助確認(rèn)龍卷是否已經(jīng)發(fā)生，盡管TDS對(duì)龍卷的預(yù)警沒(méi)有提前時(shí)間，但對(duì)于風(fēng)暴移動(dòng)的下游的預(yù)警是有意義的，這個(gè)例子中看到龍卷發(fā)生后，CC的值突然增大，這可以明確判斷龍卷的發(fā)生，但是龍卷消亡之后，盡管對(duì)應(yīng)TVS位置CC的值會(huì)逐漸減小，但仍然低于TVS周圍的值，因此對(duì)于判斷龍卷的消亡需要結(jié)合更多的信息做進(jìn)一步深入研究。