谷山青，王鳳嬌，孟憲貴，朱君鑒

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250031；2.濱州市氣象局，山東 濱州 256600；3.山東省氣象臺(tái)，山東 濟(jì)南 250031)

引言

強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的龍卷是地球大氣中最猛烈、最具有破壞性的天氣現(xiàn)象[1]。美國(guó)是世界上龍卷發(fā)生率最高的國(guó)家，我國(guó)年均發(fā)生龍卷數(shù)目約為美國(guó)的十分之一，發(fā)生概率極低[2]。龍卷的水平尺度小、生命期短、突發(fā)性強(qiáng)，常伴有雷暴、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，可造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。龍卷不但難以預(yù)報(bào)，也難以通過(guò)現(xiàn)有的觀測(cè)手段觀測(cè)到其真實(shí)的風(fēng)向風(fēng)速、氣壓、氣溫等氣象要素值。目前被廣泛應(yīng)用的龍卷等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為“增強(qiáng)藤田級(jí)別”(enhanced Fujita Scale，EF-Scale)，是美國(guó)國(guó)家氣象局于2007年對(duì)原“藤田級(jí)別”(Fujita Scale，F(xiàn)-Scale)進(jìn)行調(diào)整后的標(biāo)準(zhǔn)，將龍卷劃分為EF0、EF1、EF2、EF3、EF4、EF5六個(gè)等級(jí)，并將EF2級(jí)以上龍卷稱為強(qiáng)龍卷[3-4]。

龍卷既可能產(chǎn)生于超級(jí)單體風(fēng)暴中，也可能產(chǎn)生于非超級(jí)單體風(fēng)暴中，大部分EF2或以上級(jí)別龍卷都屬于超級(jí)單體龍卷(占比高達(dá)80%)[5]。長(zhǎng)期以來(lái)，許多學(xué)者在氣候統(tǒng)計(jì)特征、典型個(gè)例分析、現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查、監(jiān)測(cè)預(yù)警等領(lǐng)域作了大量研究。梅雨、冷渦和熱帶氣旋(tropical cyclone，TC)是我國(guó)龍卷發(fā)生的主要天氣背景[1]，其中TC龍卷是發(fā)生在登陸TC螺旋雨帶中的龍卷，是龍卷的重要子集。其主要的對(duì)流風(fēng)暴類型仍然是超級(jí)單體風(fēng)暴，特別是對(duì)于至少EF2 級(jí)的龍卷[6-7]，但該類超級(jí)單體風(fēng)暴的中氣旋水平尺度(2～4 km)較小，是伸展高度(5～7 km)較低的低質(zhì)心單體(2 km左右)[8]。TC登陸后，由于大氣邊界層阻力增大或中高層干空氣侵入等原因，造成大氣動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，致使風(fēng)暴單體發(fā)展成為小型超級(jí)單體風(fēng)暴，繼而在其中氣旋里引發(fā)龍卷[8-9]。

美國(guó)約59%的登陸TC至少生成1個(gè)龍卷[10]，少數(shù)會(huì)引發(fā)數(shù)個(gè)甚至上百個(gè)龍卷，而我國(guó)約27%的登陸TC至少生成1個(gè)龍卷[11]。雖然它們的強(qiáng)度往往比西風(fēng)帶系統(tǒng)中的龍卷弱，但仍能造成嚴(yán)重的災(zāi)害。2004年9月15—17日美國(guó)登陸TC“伊萬(wàn)”的外圍螺旋雨帶上生成了118個(gè)龍卷，且主要發(fā)生在TC中心的東北象限，強(qiáng)度較非TC龍卷弱[6,9,12]。2018年6月8日減弱的熱帶風(fēng)暴“艾云尼”在廣東引發(fā)2個(gè)龍卷，強(qiáng)度分別為EF3級(jí)和EF1級(jí)，造成1人死亡、8人受傷[13]。2015年10月4日TC“彩虹”減弱階段的螺旋雨帶引發(fā)了3個(gè)龍卷，強(qiáng)度最大達(dá)EF3級(jí)，造成7人死亡、214人受傷[14-16]。

在我國(guó)，江蘇和廣東是TC龍卷的高發(fā)區(qū)，同時(shí)也是西風(fēng)帶龍卷的高發(fā)區(qū)[2]。我國(guó)TC龍卷通常發(fā)生在TC環(huán)流中心右前方東北象限的一個(gè)扇形區(qū)域中，集中出現(xiàn)在距離TC中心500 km范圍內(nèi)[11]，其低層強(qiáng)烈的垂直風(fēng)切變(vertical wind shear, VWS)和小于1 000 J·kg-1的對(duì)流有效位能為龍卷的形成和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件[5]。鄭媛媛等[8]、白蘭強(qiáng)等[11]、沈樹(shù)勤[17]通過(guò)對(duì)TC龍卷過(guò)程的統(tǒng)計(jì)分析得出，大部分龍卷發(fā)生在登陸TC迅速減弱階段，其環(huán)境場(chǎng)對(duì)對(duì)流不穩(wěn)定能量的要求較低，但對(duì)低空順時(shí)針風(fēng)的垂直切變和相對(duì)風(fēng)暴螺旋度(storm relative helicity，SRH)要求則較高。黃先香等[18]對(duì)TC“海鷗”外圍形成龍卷的環(huán)境場(chǎng)和雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析，指出有利于這類龍卷產(chǎn)生的環(huán)境條件應(yīng)具備：高層輻散和低層輻合、低空急流、強(qiáng)低層垂直風(fēng)切變、低抬升凝結(jié)高度，以及地面中尺度輻合線和弱冷空氣入侵等特征。黃先香等[19]對(duì)兩個(gè)相似TC環(huán)境場(chǎng)中發(fā)生在同一個(gè)地方的2個(gè)龍卷進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)2個(gè)龍卷均具有鉤狀回波、入流缺口、中氣旋和龍頭渦旋特征(tornado vortex signature, TVS)高度較低等特征。

根據(jù)薛德強(qiáng)和楊成芳[20]對(duì)山東省1950—2000年龍卷事件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，山東龍卷多發(fā)于山東半島、魯中、魯南地區(qū)，魯西北地區(qū)較少發(fā)生龍卷，由TC引發(fā)的且強(qiáng)度達(dá)EF2級(jí)的龍卷更屬罕見(jiàn)。針對(duì)“摩羯”螺旋雨帶中生成的TC龍卷，刁秀廣等[21]對(duì)龍卷產(chǎn)生的關(guān)鍵區(qū)、關(guān)鍵因子和龍卷的識(shí)別與可預(yù)警性進(jìn)行分析。朱君鑒等[22]整理了6處龍卷調(diào)查情況，結(jié)合雷達(dá)回波分析了每個(gè)龍卷風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)化中氣旋算法和TVS算法適配參數(shù)，可以一定程度上提升系統(tǒng)對(duì)中氣旋和TVS特征的預(yù)警時(shí)間提前量。朱義青和王慶華[23]認(rèn)為“摩羯”螺旋雨帶中產(chǎn)生龍卷的風(fēng)暴為非超級(jí)單體風(fēng)暴，小尺度渦旋頂高躍升可作為龍卷迅速增強(qiáng)的指標(biāo)。

本文針對(duì)2018年臺(tái)風(fēng)“摩羯”減弱后的低壓環(huán)流在魯北地區(qū)引發(fā)的EF2級(jí)龍卷，利用常規(guī)觀測(cè)、ERA5再分析和新一代天氣雷達(dá)資料，分析引發(fā)龍卷的環(huán)境場(chǎng)和小型超級(jí)單體結(jié)構(gòu)特征，以期提高對(duì)登陸TC迅速減弱階段環(huán)境背景中極易誘發(fā)龍卷的認(rèn)識(shí)，從而改善本區(qū)域?qū)ε_(tái)風(fēng)防災(zāi)減災(zāi)的措施。

1 龍卷災(zāi)情實(shí)況

2018年8月14日05:00(北京時(shí)，下同)前后，逐漸減弱的TC“摩羯”進(jìn)入山東單縣一帶后停止編號(hào)，其殘余的低壓環(huán)流繼續(xù)維持北上，在魯北平原地區(qū)激發(fā)了7個(gè)龍卷，其中發(fā)生在惠民縣姜樓鎮(zhèn)的龍卷(以下簡(jiǎn)稱“姜樓龍卷”)，其強(qiáng)度等級(jí)及引起的災(zāi)害均最大。龍卷發(fā)生地位于山東北部、華北平原東南部、黃河三角洲腹地，該地區(qū)地勢(shì)平坦，南北兩側(cè)略高、中部略低，范雯杰和俞小鼎[2]、紀(jì)文君和張羽[24]研究指出，該種地形易觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣，促進(jìn)龍卷的生成。根據(jù)災(zāi)情調(diào)查情況分析，姜樓龍卷發(fā)生于14日12:10—12:21，生命期約為11 min，移動(dòng)路徑長(zhǎng)約為4 500 m，最大寬度約為200 m，其相對(duì)于TC中心的方位角約為30°，距離約為75 km，距海岸線110～150 km，移動(dòng)軌跡為自東南向西北。位于其移動(dòng)路徑附近的“馳騁網(wǎng)業(yè)”和“華海化纖”是受災(zāi)最嚴(yán)重的兩家企業(yè)，廠房和民用房屋屋頂瓦片被強(qiáng)風(fēng)掀起，拋出數(shù)十米遠(yuǎn)，屋頂受損或毀壞嚴(yán)重，個(gè)別房屋的玻璃窗有被拍碎的情況。華?；w公司廠房的4 t重屋頂鋼構(gòu)件被拋至廠房西側(cè)約10 m遠(yuǎn)的另一間廠房上，造成該廠房塌毀。同時(shí)造成樹(shù)木折斷、農(nóng)作物倒伏嚴(yán)重。根據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)情況，并結(jié)合使用“增強(qiáng)藤田級(jí)別”(EF-scale)，評(píng)估該龍卷級(jí)別為EF2級(jí)。

2 大尺度環(huán)流背景

2.1 天氣形勢(shì)配置

“摩羯”于8月12日23:35前后在浙江溫嶺沿海登陸，登陸時(shí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)別。此時(shí)，西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱“副高”)西脊點(diǎn)位于122°E附近。TC登陸后副高持續(xù)加強(qiáng)西伸，副高西脊點(diǎn)逐漸西伸至120°E附近，“摩羯”在副高西側(cè)東南或偏南氣流的引導(dǎo)下，自浙江、上海、江蘇、安徽一路向西北偏北方向挺進(jìn)。同時(shí)，強(qiáng)度逐漸減弱，13日01:00前后減弱為熱帶風(fēng)暴，13日23:00前后在安徽渦陽(yáng)附近減弱為熱帶低壓，14日05:00前后進(jìn)入山東單縣后停止編號(hào)。此后，在山東多地觸發(fā)11個(gè)龍卷強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程(圖1)。

圖1 “摩羯”殘余環(huán)流中心及其引發(fā)龍卷的位置分布Fig.1 Distribution of residual circulation center of Yagi and its tornadoes

13日20：00—14日20：00，500 hPa副高主體偏東、偏北，脊線位于35°N附近，588 dagpm線控制山東半島東部及以東的朝鮮半島、日本南部等地區(qū)，副高西南緣與“摩羯”外圍東北側(cè)之間的強(qiáng)勁南或東南急流在江蘇、山東一帶匯合(圖2a)，同時(shí)500、700 hPa中層西風(fēng)槽逐漸東移靠近TC倒槽和副高(圖2b)。500、700、850和925 hPa東南風(fēng)最大風(fēng)速分別為22、20、22 m·s-1和22 m·s-1左右，各層急流的位置有較好的重疊，上下疊加在山東中北部區(qū)域。低層南或東南氣流輻合于925 hPa輻合線附近；而高層200 hPa急流與925 hPa輻合線走向基本一致，其右側(cè)的強(qiáng)烈輻散區(qū)與低層輻合區(qū)重疊，高層輻散區(qū)下方的強(qiáng)迫輻合抬升運(yùn)動(dòng)與低層的輻合運(yùn)動(dòng)疊加，進(jìn)一步增強(qiáng)該區(qū)域的垂直上升運(yùn)動(dòng)，形成有利于觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放的“高層輻散、低層輻合”的形勢(shì)。500、700 hPa逐漸靠近TC的西風(fēng)槽進(jìn)一步增加了大氣的不穩(wěn)定度，有利于風(fēng)暴的深對(duì)流繼而引發(fā)龍卷[25]。

圖2 8月14日“摩羯”外圍龍卷環(huán)流形勢(shì)(a. 8月14日08：00高空形勢(shì)綜合圖， b. 8月13日20：00高空500 hPa形勢(shì)圖)Fig.2 Tornado synoptic environment in the outer region of Yagi on 14 August (a. comprehensive upper-level situation at 08:00 BST 14 August, b. synoptic situation at 500 hPa at 20:00 BST 13 August)

圖3 8月14日魯北地區(qū)地面中尺度輻合線(a. 12:00中尺度輻合線， b. 13:00中尺度輻合線)Fig.3 Mesoscale surface convergence line in the north of Shandong at 12:00 BST (a) and 13:00 BST (b) 14 August

2.2 地面中尺度分析

地面加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站10 min平均風(fēng)向風(fēng)速資料顯示，此次龍卷過(guò)程配合有中尺度輻合線和低壓中心的生成和發(fā)展。14日12:00(圖3a)，龍卷發(fā)生地以南的沿黃河一線形成了長(zhǎng)度約為220 km的東南風(fēng)和偏東風(fēng)的中尺度輻合線，此時(shí)龍卷發(fā)生地姜樓鎮(zhèn)位于輻合線北側(cè)的東北風(fēng)中。龍卷發(fā)生后的13:00(圖3b)，東南風(fēng)和東北風(fēng)形成的中尺度輻合線位置較12:00偏西偏北，姜樓鎮(zhèn)位于輻合線南側(cè)，風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南風(fēng)。可以推斷，地面中尺度輻合線有向西北方向小幅移動(dòng)的特征。另外，在輻合線的西南端始終存在一低壓中心，并沿著500 hPa倒槽線附近向北偏東方向移動(dòng)。

2.3 物理量條件

圖4a是強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前14日08:00距離龍卷發(fā)生地約55 km章丘探空站的探空?qǐng)D。章丘站上空對(duì)流層中層850～700 hPa表現(xiàn)為條件性不穩(wěn)定，Δθse(850-500)為11.09 K(大于10 K),θse飽和隨高度減小。K指數(shù)為42 ℃(不小于32 ℃)，沙瓦特指數(shù)(Showalter index，SI)為-2.41℃(小于0 ℃)，抬升指數(shù)(lifting index，LI)為-0.58 ℃(小于0 ℃)，Δt850-500為23 ℃(小于25 ℃，較弱)，都表明對(duì)流發(fā)生前大氣已蓄存了一定的不穩(wěn)定能量。由于對(duì)流有效位能(convective available potential energy，CAPE)是濕度和溫度的函數(shù)，對(duì)濕度和溫度極為敏感。因此，在此次分析過(guò)程中，利用惠民氣象站當(dāng)天11：00的氣溫(25.7 ℃)、露點(diǎn)溫度(25.7 ℃)對(duì)其進(jìn)行訂正，計(jì)算出的CAPE由203.4 J·kg-1增大為760.8 J·kg-1(均小于1 000 J·kg-1)，且呈現(xiàn)狹長(zhǎng)形，對(duì)流抑制能(convective inhibition energy，CIN)值由76.1 J·kg-1下降至0 J·kg-1，抬升凝結(jié)高度(lifting condensation level，LCL)為209.5 m。同時(shí)，章丘站從近地面到365 hPa水汽接近飽和，整層相對(duì)濕度很大，濕層深厚，這一特征與大氣可降水量(precipitable water，PW)較大有很好的對(duì)應(yīng)；下沉對(duì)流有效位能(downdraft convective available potential energy，DCAPE)較小，側(cè)面說(shuō)明中層不存在相對(duì)干的氣層，同時(shí)也與環(huán)境溫度直減率Δt850-500較弱相對(duì)應(yīng)。

圖4b是利用ERA5再分析資料繪制的14日11:00惠民站上空的探空?qǐng)D。為了驗(yàn)證ERA5分析數(shù)據(jù)的適用性，將章丘站14日08:00和20:00的探空物理量實(shí)況資料，與ERA5資料同地點(diǎn)、同時(shí)刻的物理量分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(表1)。

表1 8月14日08:00和20:00章丘站探空物理量實(shí)況資料和ERA5分析值的對(duì)比

ERA5分析數(shù)據(jù)顯示強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前，惠民氣象站附近K指數(shù)為38 ℃(不小于32 ℃)，SI指數(shù)為-1.69 ℃(小于0 ℃)，LI指數(shù)為-4.47 ℃(小于0 ℃)，CIN為0.06 J·kg-1，LCL為213.1 m ，CAPE高達(dá)1 899.2 J·kg-1，這些特征值表明強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前，該地區(qū)上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定。

在大氣流場(chǎng)的水平和垂直結(jié)構(gòu)方面，章丘站上空整層風(fēng)速都較大，低層風(fēng)速達(dá)12 m·s-1以上，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)的同時(shí)風(fēng)速明顯增大；0～6 km垂直風(fēng)矢量差為19.7 m·s-1，0～3 km垂直矢量差變?yōu)?2.4 m·s-1，0～1 km的垂直風(fēng)矢量差為8.8 m·s-1，對(duì)應(yīng)的垂直風(fēng)切變?yōu)?.3×10-3s-1、7.5×10-3s-1、8.8×10-3s-1。通過(guò)分析ERA5資料發(fā)現(xiàn)，惠民站上空0～6 km垂直風(fēng)矢量差為11.1 m·s-1，0～3 km垂直風(fēng)矢量差為23.1 m·s-1，0～1 km的垂直風(fēng)矢量差為14.5 m·s-1，對(duì)應(yīng)的垂直風(fēng)切變?yōu)?.9×10-3s-1、7.7×10-3s-1、14.5×10-3s-1。THOMPSON et al.[26]研究認(rèn)為，0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)到3×10-3s-1以上，0～1 km垂直風(fēng)切變達(dá)到5.5×10-3s-1以上的情況將有利于EF2級(jí)以上龍卷的發(fā)生。用上述兩組垂直風(fēng)切變數(shù)據(jù)與該研究成果對(duì)比來(lái)看，龍卷發(fā)生地附近超低空0～1 km垂直風(fēng)切變遠(yuǎn)高于THOMPSON等研究者給出的下限值，而0～1 km垂直風(fēng)切變是產(chǎn)生龍卷更重要的條件。DAVIES-JONES[27]、白蘭強(qiáng)等[11]研究指出風(fēng)暴相對(duì)螺旋度(SRH)可以很好地指示超級(jí)單體風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展?jié)搫?shì)，當(dāng)SRH大于150 m2·s-2時(shí)，將十分有利于產(chǎn)生超級(jí)單體風(fēng)暴。章丘站的SRH為276.4 m2·s-2，惠民站的SRH為264 m2·s-2。由此可見(jiàn)，大氣水平和垂直流場(chǎng)結(jié)構(gòu)均十分有利于此次龍卷強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。

14日08:00，200 hPa上副高脊線呈東北—西南走向，魯北位于副高的西北緣。13日20:00—14日08:00，渦度場(chǎng)上，有正、負(fù)渦度中心分別位于山東及其以東洋面，正渦度中心隨著高度的升高有向西偏斜的特征，魯北上空300～200 hPa逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)渦度，正渦度由925 hPa一直伸展到400 hPa，龍卷正好發(fā)生在低層正渦度、高層負(fù)渦度的重疊區(qū)；散度場(chǎng)上，魯北上空500 hPa由正散度轉(zhuǎn)為負(fù)散度，由輻散轉(zhuǎn)為輻合，說(shuō)明輻合由低層向高層傳導(dǎo)，200 hPa一直為正散度，850 hPa一直為負(fù)散度，高層輻散、低層輻合有利于上升運(yùn)動(dòng)，龍卷也發(fā)生在正、負(fù)散度的重疊區(qū)。

以上這些物理量特征符合誘發(fā)TC龍卷的環(huán)境特征，即大氣環(huán)境是熱力不穩(wěn)定的，濕層深厚，存在對(duì)流不穩(wěn)定能量，而CAPE值不必很大。低空(0～1 km、0～3 km)順時(shí)針風(fēng)垂直切變強(qiáng)大，低于500 m的抬升凝結(jié)高度、十分小的對(duì)流抑制能等，均是有利于龍卷發(fā)生的大氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，該地區(qū)不僅處于低層正渦度、高層負(fù)渦度的疊加區(qū)，也處于低層負(fù)散度、高層正散度的疊加區(qū)，這種環(huán)境結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步增強(qiáng)該區(qū)域的垂直上升運(yùn)動(dòng)，足以觸發(fā)強(qiáng)烈的局地對(duì)流。

圖4 2018年8月14日08:00章丘站t-lnp圖(a)和2018年8月14日11:00惠民站上空ERA5再分析資料(b)Fig.4 The t-lnp diagram (a) of Zhangqiu Station at 08:00 BST 14 and ERA5 reanalysis data (b) of Huimin Station at 11:00 BST 14 August 2018

3 龍卷風(fēng)暴天氣雷達(dá)資料分析

目前，我國(guó)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)使用的中氣旋和TVS算法都是采用美國(guó)WSR-88D第10版的算法，為了在不同地區(qū)、不同氣候條件下均能獲得最優(yōu)探測(cè)效果，中氣旋算法設(shè)置了15個(gè)用戶可以修改的適配參數(shù)，TVS算法設(shè)置了30個(gè)適配參數(shù)。中氣旋和TVS算法缺省的適配參數(shù)值主要是根據(jù)美國(guó)俄克拉荷馬州的超級(jí)單體風(fēng)暴統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定的，在此次龍卷天氣過(guò)程中，利用缺省的適配參數(shù)值雷達(dá)系統(tǒng)并未計(jì)算出中氣旋，只計(jì)算出1次TVS。根據(jù)鄭媛媛等[8]、McCAUL[10]、朱君鑒等[22]的研究方法和結(jié)果，本研究中氣旋算法中的角動(dòng)量閾值為270 km2·h-1，切變量閾值為9.4 h-1，設(shè)置TVS算法中的最小正負(fù)速度差閾值為26 m·s-1、最底層正負(fù)速度差閾值為15 m·s-1、渦旋厚度閾值為0.5 km，這些設(shè)置降低了算法系統(tǒng)的判斷閾值，增加了中氣旋和TVS報(bào)警的概率。

3.1 龍卷母風(fēng)暴演變

臺(tái)風(fēng)“摩羯”減弱后的低壓環(huán)流中心于14日上午移動(dòng)到德州市齊河縣附近，在惠民縣姜樓鎮(zhèn)(距濱州雷達(dá)站約48 km)一帶引發(fā)EF2級(jí)龍卷。圖5是濱州雷達(dá)站當(dāng)天12:09反射率因子產(chǎn)品，龍卷位置(藍(lán)色倒三角)距殘余的TC中心(紅色圓圈)約75 km。

利用風(fēng)暴追蹤信息(storm tracking information，STI)產(chǎn)品得到母風(fēng)暴移動(dòng)特征圖(圖6)。引發(fā)姜樓龍卷的母風(fēng)暴單體于09:22在泰安市新泰縣境內(nèi)生成，09:40移動(dòng)到濟(jì)南市萊蕪區(qū)，10:46移動(dòng)到濟(jì)南市章丘區(qū)，11:10移動(dòng)到濱州市鄒平市，12:09移動(dòng)到濱州市惠民縣，在惠民縣姜樓鎮(zhèn)引發(fā)龍卷。此后該母風(fēng)暴單體繼續(xù)向北移動(dòng)的過(guò)程中，在德州境內(nèi)又引發(fā)新的龍卷，風(fēng)暴生命史超過(guò)4 h。

由圖6左側(cè)的反射率因子分析，風(fēng)暴單體生成后在向北移動(dòng)過(guò)程中不斷增強(qiáng)。11:10低層開(kāi)始出現(xiàn)入流缺口，12:15到達(dá)濱州市惠民縣時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，最大反射率因子為58 dBZ，大于45 dBZ的強(qiáng)中心面積達(dá)到最大，入流缺口更加清晰，入流缺口的南側(cè)呈現(xiàn)鉤狀回波。由圖6右側(cè)的徑向速度圖分析，10:45和10:51風(fēng)暴移動(dòng)到章丘時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)連續(xù)2個(gè)體掃探測(cè)到中氣旋，之后2個(gè)體掃風(fēng)暴中渦旋稍微減弱沒(méi)有探測(cè)到中氣旋。11:10之后風(fēng)暴內(nèi)風(fēng)切變進(jìn)一步增大，徑向速度圖上可以更加清晰地辨識(shí)出正負(fù)速度對(duì)。雷達(dá)系統(tǒng)從11:10開(kāi)始連續(xù)13個(gè)體掃探測(cè)到中氣旋，龍卷發(fā)生前連續(xù)探測(cè)到10個(gè)，龍卷發(fā)生后連續(xù)探測(cè)到3個(gè)。從12:03開(kāi)始連續(xù)4個(gè)體掃探測(cè)到TVS，龍卷發(fā)生前連續(xù)探測(cè)到2個(gè)，龍卷發(fā)生后連續(xù)探測(cè)到2個(gè)(圖略)。據(jù)實(shí)地調(diào)查，龍卷生成的時(shí)間約為12:10，雷達(dá)系統(tǒng)提前60 min發(fā)出中氣旋警報(bào)，提前7 min發(fā)出TVS警報(bào)。

圖5 2018年8月14日12:09濱州雷達(dá)1.5°仰角反射率因子圖及龍卷母風(fēng)暴移動(dòng)軌跡示意圖(紅色圓圈為TC殘余的低壓環(huán)流中心位置；紅色箭頭為低壓環(huán)流的移動(dòng)方向(北偏東)；紅色虛箭頭線為龍卷母風(fēng)暴移動(dòng)路徑；藍(lán)色倒三角為TVS產(chǎn)品，亦為龍卷發(fā)生位置)Fig.5 Schematic diagram of radar reflectivity at 1.5° elevation from Binzhou radar at 12:09 BST 14 August 2018 and track of tornado-parent storm (red circle for residual circulation center of typhoon, red arrow for north-northeast direction that the circulation moves toward, red dashed arrow line for track of tornado-parent storm, blue inverted triangle for TVS product and also position of tornado)

圖6 龍卷母風(fēng)暴移動(dòng)特征(白色點(diǎn)畫線為母風(fēng)暴單體的移動(dòng)軌跡，線上的白色點(diǎn)為風(fēng)暴質(zhì)心位置，左側(cè)小框內(nèi)為0.5°仰角反射率因子，右側(cè)小框內(nèi)為0.5°仰角徑向速度，黃色圓圈為中氣旋產(chǎn)品，藍(lán)色倒三角為TVS產(chǎn)品)Fig.6 Moving characteristics of tornado-parent storm (white dash-dotted line for track of parent storm cell, white point on the line for position of storm centroid, small box on the left for reflectivity at 0.5° elevation, small box on the right for radial velocity at 0.5° elevation, yellow circle for mesocyclone product, blue inverted triangle for TVS product)

3.2 風(fēng)暴單體中氣旋分析

姜樓龍卷的母風(fēng)暴，其反射率因子、風(fēng)暴發(fā)展高度、強(qiáng)反射率因子的面積均較西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴單體偏弱，常常不易引起預(yù)報(bào)員的關(guān)注。但風(fēng)暴單體的渦旋度很強(qiáng)，因此有必要利用天氣雷達(dá)的速度產(chǎn)品和速度衍生產(chǎn)品——中氣旋、TVS進(jìn)行分析。

對(duì)姜樓龍卷發(fā)生前母風(fēng)暴的中氣旋特性(圖7)分析發(fā)現(xiàn)，龍卷生成前母風(fēng)暴中氣旋的底高和頂高不斷降低，最大切變量逐漸增大，最大切變所在的高度也在下降。11:10—12:09，中氣旋底高由1.7 km降低到0.5 km。最大切變量由4×10-3s-1增大到15×10-3s-1，12:15增大到49×10-3s-1。最大切變所在的高度由2.8 km下降到1.2 km。 龍卷發(fā)生前11:51—12:03，連續(xù)3個(gè)體掃的中氣旋頂高由2.2 km躍升至5 km，同時(shí)最大切變的高度也由0.5 km躍升至2.8 km，底高也有小幅的上升，最大切變維持在12×10-3～18×10-3s-1之間。12:09龍卷發(fā)生時(shí)，中氣旋頂高、底高、最大切變高度均迅速下降。龍卷維持階段的12:15前后，最大切變值飆升至49×10-3s-1，之后最大切變值顯著下降，龍卷隨之消亡。中氣旋頂高、最大切變高度快速上升和下降的過(guò)程分別對(duì)應(yīng)著小尺度渦旋的增強(qiáng)和觸地，最大切變值驟降對(duì)應(yīng)著龍卷能量的快速釋放。

圖7 龍卷風(fēng)暴中氣旋特征隨時(shí)間演變(灰色柱表示頂高與底高之間的距離差)Fig.7 Evolution of mesocyclone features in tornadoes (grey bar for distance difference between top height and base height)

3.3 龍卷母風(fēng)暴的垂直結(jié)構(gòu)

根據(jù)災(zāi)情調(diào)查，龍卷發(fā)生在12:10—12:21。雷達(dá)系統(tǒng)在12:03—12:21連續(xù)4個(gè)體掃探測(cè)到TVS。由于12:09和12:15的2個(gè)體掃徑向速度場(chǎng)出現(xiàn)距離折疊，不能對(duì)徑向速度進(jìn)行完整的分析，所以本研究分析12:21的風(fēng)暴單體結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)特征。圖8a是12:21姜樓龍卷發(fā)生時(shí)濱州雷達(dá)反射率因子。圖8b、e是反射率因子垂直剖面，圖8c、f是徑向速度剖面，圖8d是速度譜寬剖面。圖8b、c、d剖面的位置即為圖8a上紅線AB所示的位置，為切向剖面，剖線穿過(guò)TVS位置，與雷達(dá)掃描線垂直。圖8e、f剖面的位置即為圖8a上白線CD所示的位置，為徑向剖面，剖線亦穿過(guò)TVS位置。由圖8b可以看到，風(fēng)暴的發(fā)展高度并不高，大于45 dBZ的強(qiáng)反射率核僅僅達(dá)到6 km。圖8c中箭頭右邊(B端、北側(cè))是離開(kāi)雷達(dá)的正速度，左邊(A端、南側(cè))是朝向雷達(dá)的負(fù)速度，可以清楚地看到TVS位置向上有向北傾斜的正速度和負(fù)速度之間的零速度線，這是龍卷渦旋的軸線，龍卷渦旋軸線向北傾斜的程度實(shí)際上沒(méi)有這么大，原因是龍卷渦旋隨風(fēng)暴單體快速向北移動(dòng)，而雷達(dá)從低仰角到高仰角的掃描有時(shí)間延遲，雷達(dá)掃描到高仰角時(shí)龍卷已經(jīng)向北移動(dòng)了一段距離，雷達(dá)系統(tǒng)制作剖面的算法沒(méi)有對(duì)此延時(shí)產(chǎn)生的上下層位置差進(jìn)行訂正。圖8d是速度譜寬產(chǎn)品，對(duì)應(yīng)TVS的位置譜寬值達(dá)到10 m·s-1以上，這是因?yàn)辇埦頊u旋尺度很小，正負(fù)速度會(huì)出現(xiàn)在雷達(dá)的同一波瓣中，因此速度譜寬很大，對(duì)應(yīng)圖8c在龍卷渦旋軸線(零速度線)的剖面值也比較大，大多在7 m·s-1以上。 圖8e是穿過(guò)TVS的徑向垂直剖面，由于這里是風(fēng)暴單體后部鉤狀回波的位置，因此，反射率發(fā)展的高度更低，大于45 dBZ的強(qiáng)反射率因子僅僅達(dá)到3.5 km左右。圖8f上對(duì)應(yīng)TVS位置，在TVS的左邊(C端、西側(cè))是朝向雷達(dá)的負(fù)速度，在TVS的右邊(D端、東側(cè))是離開(kāi)雷達(dá)的正速度，可以看到龍卷位置低層(2.5 km以下)有尺度很小的風(fēng)場(chǎng)輻合。

4 結(jié)論與討論

利用多種觀測(cè)資料分析2018年8月14日中午發(fā)生在臺(tái)風(fēng)“摩羯”減弱環(huán)流中的姜樓龍卷的天氣背景、物理量參數(shù)、中尺度特征和雷達(dá)回波演變等，得出如下結(jié)論：

(1)此次龍卷發(fā)生在臺(tái)風(fēng)“摩羯”登陸北上、深入內(nèi)陸迅速減弱階段，其外圍的螺旋雨帶對(duì)流活動(dòng)旺盛，為龍卷的產(chǎn)生提供了良好的環(huán)境條件。黃河沖積平原平坦的地勢(shì)，為觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣、促進(jìn)龍卷生成提供了有利的下墊面條件。龍卷發(fā)生時(shí)“摩羯”已減弱為溫帶氣旋并停止編號(hào)，此時(shí)TC位置和強(qiáng)度特征與國(guó)內(nèi)廣東、江蘇等地得出的研究結(jié)果相似[13-19]。

(2)環(huán)境背景條件方面，西風(fēng)帶系統(tǒng)對(duì)TC環(huán)流造成影響，中低層倒槽直接影響魯北地區(qū)，低層輻合、高層輻散的抽吸作用，925～500 hPa上下重疊度較好的急流軸，形成超低空強(qiáng)垂直風(fēng)切變。探空實(shí)況資料和ERA5再分析資料所表現(xiàn)出的較低的抬升凝結(jié)高度、較強(qiáng)深層風(fēng)(0～6 km)垂直切變、大的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度、深厚濕層等物理量條件均有利于龍卷發(fā)生。這與鄭媛媛等[8]的研究結(jié)果相近。

(3)該龍卷的母風(fēng)暴屬于低質(zhì)心的小型超級(jí)單體風(fēng)暴，其最大反射率因子值(58 dBZ)和垂直伸展高度(小于6 km)均較西風(fēng)帶強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴偏低，但低層反射率因子仍具有鉤狀回波的形態(tài)。在雷達(dá)系統(tǒng)缺省適配參數(shù)下，中氣旋探測(cè)算法并沒(méi)有給出中氣旋，龍卷渦旋探測(cè)算法只在龍卷發(fā)生時(shí)給出1次TVS。降低部分適配參數(shù)閾值后，系統(tǒng)提前60 min給出中氣旋，提前7 min給出TVS。

圖8 2018年8月14日12:21 0.5°仰角雷達(dá)產(chǎn)品(a.反射率因子，b、e.反射率因子垂直剖面，c、f.徑向速度垂直剖面，d.速度譜寬垂直剖面；白色倒三角為雷達(dá)系統(tǒng)疊加的TVS符號(hào)，紅色直線AB為雷達(dá)切向剖面位置，白色直線CD為雷達(dá)徑向剖面位置，紅色箭頭為TVS和龍卷位置)Fig.8 Radar products at 0.5° elevation at 12:21 BST 14 August 2018 (a. reflectivity, b/e. vertical profile of reflectivity, c/f. vertical profile of radial velocity, d. vertical profile of velocity spectrum width; white inverted triangle for TVS symbol, red straight line AB for position of radar tangential section, white straight line CD for position of radar radial section, red arrow for position of TVS and tornado)

(4)從龍卷母風(fēng)暴的速度切向剖面圖上能夠看到龍卷渦旋軸線，在速度徑向剖面圖上發(fā)現(xiàn)龍卷低層具有小尺度的風(fēng)場(chǎng)輻合特征。對(duì)應(yīng)譜寬產(chǎn)品切向剖面上TVS附近出現(xiàn)大值區(qū)。中氣旋頂高、最大切變高度快速上升和下降的過(guò)程分別對(duì)應(yīng)著小尺度渦旋的增強(qiáng)和觸地，最大切變值驟降對(duì)應(yīng)著龍卷能量的快速釋放。

上述結(jié)論從一定程度上總結(jié)了中緯度地區(qū)熱帶氣旋環(huán)境背景下的龍卷特征，但由于龍卷尺度小、突發(fā)性強(qiáng)、環(huán)境背景復(fù)雜多變等特點(diǎn)，在實(shí)際業(yè)務(wù)中開(kāi)展龍卷預(yù)報(bào)預(yù)警仍然困難重重。魯北地區(qū)是龍卷發(fā)生概率極低地區(qū)，登陸TC環(huán)境下產(chǎn)生龍卷則更為罕見(jiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，TC在生成龍卷時(shí)的強(qiáng)度多為熱帶低壓或熱帶風(fēng)暴級(jí)別[11]。此次龍卷發(fā)生時(shí)，臺(tái)風(fēng)“摩羯”已經(jīng)停止編號(hào)，強(qiáng)度已經(jīng)非常弱，但仍然在山東引發(fā)11個(gè)龍卷。因此，當(dāng)TC強(qiáng)度明顯減弱的時(shí)候，仍然不能忽視TC龍卷發(fā)生的可能性，特別是當(dāng)同時(shí)有西風(fēng)帶系統(tǒng)存在的時(shí)候，龍卷發(fā)生的概率會(huì)大幅提升，必要時(shí)需及時(shí)發(fā)布災(zāi)害性天氣預(yù)警信號(hào)。由ERA5再分析資料來(lái)看，龍卷發(fā)生前該地區(qū)CAPE值達(dá)到了1 899.2 J·kg-1，與章丘站遠(yuǎn)小于1 000 J·kg-1的CAPE值相差較大。造成這種結(jié)果的原因可能有兩個(gè)：一是ERA5再分析資料計(jì)算的CAPE值偏大；二是龍卷發(fā)生當(dāng)天在低壓環(huán)流北側(cè)、副高西北側(cè)有弱西風(fēng)槽東移，其攜帶的弱冷空氣向南侵入，使魯北上空不穩(wěn)定能量進(jìn)一步加強(qiáng)，表現(xiàn)為CAPE值較其他臺(tái)風(fēng)龍卷偏大。適當(dāng)降低雷達(dá)系統(tǒng)適配參數(shù)閾值，可提前辨識(shí)出風(fēng)暴中的渦旋特征，有助于龍卷的探測(cè)和預(yù)警。但由于研究個(gè)例的缺乏，要找到該類龍卷中氣旋算法適配參數(shù)的最佳設(shè)值，需要更多個(gè)例的試驗(yàn)。同時(shí)，降低雷達(dá)系統(tǒng)適配參數(shù)會(huì)計(jì)算出更多的中氣旋和TVS，造成較高的虛警率。建議在有條件的臺(tái)站配備2臺(tái)計(jì)算機(jī)分別配置降低適配參數(shù)和不降低適配參數(shù)的雷達(dá)產(chǎn)品生成器(Radar Product Generator，RPG)，并同時(shí)運(yùn)行，用降低參數(shù)的算法更早地提醒預(yù)報(bào)人員關(guān)注龍卷發(fā)生的可能性，用不降低適配參數(shù)的算法幫助預(yù)報(bào)人員做出最終的決策。