1822號(hào)“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷過(guò)程觀測(cè)與預(yù)警分析

黃先香，炎利軍，王碩甫，蔡康龍，余樂(lè)福

(1.佛山市龍卷風(fēng)研究中心，廣東佛山528000；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

1 引 言

龍卷是對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的最猛烈的天氣現(xiàn)象，空間尺度一般為幾十米到幾百米，其產(chǎn)生的地面最大風(fēng)速可超過(guò)140 m/s，能造成重大人員傷亡、建筑物損毀、電力與交通中斷等極端災(zāi)害[1-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[3]，1961—2010年間的165次強(qiáng)龍卷導(dǎo)致我國(guó)至少1 772人死亡，3.17萬(wàn)人受傷。最近的一次嚴(yán)重龍卷災(zāi)害發(fā)生在2016年6月23日江蘇省鹽城市阜寧縣，龍卷造成99人死亡，846人受傷[4]。

有關(guān)龍卷的研究成果已有不少。范雯杰等[3]和魏文秀等[5]概括了我國(guó)龍卷的分布及其活動(dòng)特征；文獻(xiàn)[4，6-10]對(duì)西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)中的龍卷(以下簡(jiǎn)稱西風(fēng)帶龍卷)的天氣形勢(shì)、環(huán)境場(chǎng)、雷達(dá)回波特征分析指出，龍卷發(fā)生在中低層有低槽切變、低空西南急流和地面低壓等天氣系統(tǒng)的配置下，不同季節(jié)冷暖空氣勢(shì)力不同，龍卷的影響系統(tǒng)配置有差異，中等偏強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定、強(qiáng)的垂直風(fēng)切變、低的抬升凝結(jié)高度(LCL)有利于西風(fēng)帶龍卷的發(fā)生，雷達(dá)徑向速度場(chǎng)一般是先出現(xiàn)中氣旋，隨后多數(shù)出現(xiàn)龍卷渦旋特征(TVS)；俞小鼎等[11]和姚葉青等[12]基于龍卷的多普勒雷達(dá)回波特征探討了龍卷的臨近預(yù)警，指出徑向速度場(chǎng)是龍卷監(jiān)測(cè)預(yù)警的主要依據(jù)；周后福等[13]開(kāi)展了龍卷天氣過(guò)程的微物理和動(dòng)力特征數(shù)值模擬；孟智勇等[14]和鄭永光等[15]對(duì)龍卷災(zāi)害做了細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和強(qiáng)度分析。沈樹(shù)勤[16]和Edwards[17]研究表明，龍卷易發(fā)生在熱帶氣旋中心東北象限180～460 km的區(qū)域。Schultz等[18]指出，相對(duì)于熱帶氣旋運(yùn)動(dòng)方向，龍卷多發(fā)生在方位角340～120°之間。鄭媛媛等[19]、黃先香等[20]對(duì)熱帶氣旋外圍螺旋雨帶中的龍卷(以下簡(jiǎn)稱臺(tái)風(fēng)龍卷)研究指出，龍卷產(chǎn)生在臺(tái)風(fēng)減弱階段，低的LCL、強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變和大的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度(SRH)有利于臺(tái)風(fēng)龍卷的產(chǎn)生；與西風(fēng)帶系統(tǒng)中的超級(jí)單體龍卷相比，臺(tái)風(fēng)龍卷出現(xiàn)在相對(duì)較弱的條件不穩(wěn)定環(huán)境下，臺(tái)風(fēng)龍卷中氣旋的尺度更小，伸展高度更低。臺(tái)風(fēng)環(huán)流的影響在不同的地域所產(chǎn)生的龍卷概率也是不同的，楊程等[21]統(tǒng)計(jì)2001—2010年熱帶氣旋對(duì)江蘇的影響中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)龍卷的發(fā)生，主要是短時(shí)強(qiáng)降水和雷雨大風(fēng)。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)龍卷做了大量研究，但由于龍卷尺度小、持續(xù)時(shí)間短、發(fā)生概率低等特點(diǎn)，對(duì)龍卷的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警和數(shù)值模擬一直以來(lái)都是災(zāi)害天氣領(lǐng)域的難點(diǎn)。目前只有美國(guó)和加拿大等少數(shù)國(guó)家建立了龍卷監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)，我國(guó)還沒(méi)有建立龍卷預(yù)警業(yè)務(wù)[22]。2016年10月開(kāi)始，中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)司選擇廣東、江蘇等省份開(kāi)展龍卷監(jiān)測(cè)預(yù)警試驗(yàn)。

珠三角是臺(tái)風(fēng)龍卷高發(fā)區(qū)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心位于廣東湛江-廣西南部一帶[23]時(shí)，在有利的大尺度環(huán)境條件下，在距離臺(tái)風(fēng)中心300～500 km的臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶中容易產(chǎn)生龍卷并造成較嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[24-28]。2018年9月17日09:37—10:00(北京時(shí)間，下同)，受 1822 號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”外圍環(huán)流影響，廣東省佛山市三水區(qū)到肇慶市四會(huì)區(qū)發(fā)生了一次EF2級(jí)強(qiáng)龍卷天氣。本次龍卷過(guò)程中，第一作者及團(tuán)隊(duì)提前37 min成功發(fā)布了龍卷警報(bào)，龍卷沒(méi)有造成人員傷亡，但仍導(dǎo)致不少建筑物受損。本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、地面氣象自動(dòng)站加密資料、廣州S波段多普勒天氣雷達(dá)資料等對(duì)此次龍卷天氣過(guò)程加以分析，著重對(duì)比分析了此次龍卷過(guò)程與珠三角以往臺(tái)風(fēng)強(qiáng)龍卷過(guò)程的大尺度環(huán)境場(chǎng)特征，并對(duì)此次過(guò)程的自動(dòng)站觀測(cè)和雷達(dá)觀測(cè)的中小尺度特征以及龍卷預(yù)警進(jìn)行分析，為今后的臺(tái)風(fēng)龍卷監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

2 龍卷過(guò)程及現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害調(diào)查

2018年9月17日09:37—10:00，廣東省佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)、西南街道和肇慶市四會(huì)區(qū)大沙鎮(zhèn)等地先后受龍卷影響。通過(guò)多渠道獲取的龍卷視頻、照片，以及對(duì)龍卷路徑沿線的工廠、村居民舍等受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地調(diào)研、走訪龍卷目擊者、對(duì)龍卷災(zāi)情路徑的航拍等，再結(jié)合雷達(dá)以及氣象自動(dòng)站等資料進(jìn)行綜合判斷，確認(rèn)此次龍卷過(guò)程最早于09:37在佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)金竹村觸地，然后向西北方向移動(dòng)，先后影響了白坭鎮(zhèn)金竹村，西南街道官員村、顯學(xué)村、安溪村、沙水村、木塱村、漁運(yùn)村、上崗村、楊村、木棉村和青岐望樓崗村，最后于10:00在肇慶市四會(huì)區(qū)撻泊村減弱消失 (圖1，見(jiàn)下頁(yè))。整個(gè)龍卷過(guò)程持續(xù)時(shí)間約23 min，路徑長(zhǎng)達(dá)18 km，時(shí)速約47 km/h。近年來(lái)路徑在10 km以上、持續(xù)時(shí)間超過(guò)20 min的長(zhǎng)生命強(qiáng)龍卷主要有2016.6.23江蘇阜寧龍卷(以下簡(jiǎn)稱阜寧龍卷)和2015.10.4“彩虹”臺(tái)風(fēng)順德龍卷(以下簡(jiǎn)稱“彩虹”龍卷)，阜寧龍卷持續(xù)時(shí)間約45 min，路徑長(zhǎng)為33 km，時(shí)速約 44 km/h[4,29-30]，“彩虹”龍卷持續(xù)時(shí)間約35 min，路徑長(zhǎng)度約32 km，時(shí)速達(dá)60 km/h[22,24]，“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷移速與阜寧龍卷移速相當(dāng)，較“彩虹”龍卷移速則明顯偏慢。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，龍卷經(jīng)歷了生成初期、發(fā)展加強(qiáng)、減弱、消失階段，移動(dòng)過(guò)程呈現(xiàn)跳躍式。龍卷造成的地面破壞寬度，最小的僅有十多米，最大的可達(dá)百米以上，其中龍卷風(fēng)破壞寬度最大的地方位于三水區(qū)西南街道柏木塱村，達(dá)到了153 m。龍卷造成簡(jiǎn)易鐵皮廠房頂被刮走、部分圍墻倒塌、大樹(shù)折斷等，所幸龍卷影響區(qū)域民眾提早收到預(yù)警信息，及時(shí)撤離，沒(méi)有造成人員傷亡。根據(jù)美國(guó)2007年起新啟用“改進(jìn)的藤田級(jí)別”[31](Enhanced Fujita Scale，EF-Scale)對(duì)龍卷強(qiáng)度的定級(jí)，結(jié)合本次龍卷災(zāi)情特點(diǎn)，認(rèn)定強(qiáng)度為EF2級(jí)，為強(qiáng)龍卷。

3 天氣背景和環(huán)境場(chǎng)特征

3.1 臺(tái)風(fēng)“山竹”活動(dòng)概況

1822號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”最早于9月7日10:00在西太平洋生成，9日02:00加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，9日08:00加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，11日08:00加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，11日08:00—15日08:00長(zhǎng)時(shí)間維持超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)量級(jí)，最大風(fēng)速達(dá)到65 m/s(17級(jí))，由于登陸菲律賓受到陸地摩擦作用，15日09:00起強(qiáng)度減弱為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，16日17:00以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)在廣東臺(tái)山海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力14級(jí)(45 m/s)，登陸后維持西北偏西方向移動(dòng)，16日20:00減弱為臺(tái)風(fēng)，17日04:00減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，17日07:00減弱為熱帶風(fēng)暴，17日14:00減弱為熱帶低壓(圖2)。佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)龍卷發(fā)生在17日09:37前后、距離臺(tái)風(fēng)登陸已有16.5 h，此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心位于廣西南寧市境內(nèi)，強(qiáng)度為熱帶風(fēng)暴級(jí)。龍卷產(chǎn)生于距臺(tái)風(fēng)“山竹”中心東北象限約490 km處螺旋雨帶中的一個(gè)微型超級(jí)單體(圖2a)。FY4衛(wèi)星很好地拍攝到了這個(gè)微型超級(jí)單體的上沖云頂照片(圖2b)。

圖1 2018年9月17日09:37—10:00龍卷路徑(黃色虛線)、龍卷及災(zāi)害照片

圖2 9月17日09:30雷達(dá)組合反射率(a)和09:23FY4衛(wèi)星可見(jiàn)光云圖(b) △和□為龍卷發(fā)生地。

3.2 環(huán)境場(chǎng)特征分析

9月17日08:00，500 hPa西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)比較強(qiáng)盛，呈方頭狀，西脊點(diǎn)位于109°E附近，粵東受588 dagpm線控制，華東沿海地區(qū)受592 dagpm線控制，脊線位于26°N附近，珠三角地區(qū)處于副高西南側(cè)與“山竹”東側(cè)之間，中低層處于強(qiáng)東南偏南急流控制區(qū)，925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa 東南風(fēng)速分別為18 m/s、24 m/s、30 m/s、22 m/s，低層?xùn)|南急流強(qiáng)度達(dá)到了珠三角歷史臺(tái)風(fēng)外圍強(qiáng)龍卷的閾值[20]，各層急流軸的位置非常接近，東南急流上下疊加匯聚在珠江口附近，且低層925 hPa的輻合線和高層200 hPa分流區(qū)即高空輻散區(qū)也位于珠江口附近(圖3a)；地面形勢(shì)氣壓場(chǎng)東北高西南低，有利于東南氣流在珠江口附近輻合匯聚(圖3b)。龍卷發(fā)生在低層輻合、高層輻散與中低空急流交匯處附近，與以往的研究結(jié)果[19-20]一致。

根據(jù)位于龍卷發(fā)生地西北方約67 km處的清遠(yuǎn)探空站9月17日08時(shí)T-lnP圖分析顯示，中低層為強(qiáng)偏南氣流，近地層為弱東南風(fēng)，風(fēng)向隨高度具有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)特征(圖略)；整層的溫度露點(diǎn)差都很小，大氣接近飽和狀態(tài)，地面露點(diǎn)在25℃左右，最大累積可降水量(PW)為61 mm，大氣非常暖濕，濕層深厚；環(huán)境場(chǎng)具備合適的對(duì)流有效位能(CAPE)411 J/kg和對(duì)流抑制能量 (CIN)33 J/kg、低的抬升凝結(jié)高度(LCL)144 m、強(qiáng)0～1 km低層垂直風(fēng)切變16.0 m/s和大的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度(SRH)283 m2/s2(表1)，非常有利于強(qiáng)龍卷母體風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展[32]。本次EF2級(jí)臺(tái)風(fēng)龍卷環(huán)境條件與發(fā)生在梅雨期西風(fēng)帶系統(tǒng)里的阜寧龍卷環(huán)境條件相比，阜寧龍卷發(fā)生在高溫高能和強(qiáng)深層垂直風(fēng)切變的大氣環(huán)境中，最大CAPE值超過(guò)2 000 J/kg，0～6 km垂直風(fēng)切變高達(dá)27 m/s[4,29]，本次“山竹”EF2級(jí)臺(tái)風(fēng)龍卷過(guò)程的CAPE和0～6 km垂直風(fēng)切變均低于阜寧龍卷，但0～1 km垂直風(fēng)切變較阜寧龍卷的8 m/s高；兩個(gè)龍卷過(guò)程LCL均很低。Craven等[33]認(rèn)為，1 200 m以下低的LCL和10 m/s以上高的0～1 km風(fēng)切變更有利于龍卷的發(fā)生，尤其強(qiáng)龍卷更是具有低層強(qiáng)垂直風(fēng)切變和低LCL特點(diǎn)。本次EF2級(jí)臺(tái)風(fēng)龍卷動(dòng)力條件與近年來(lái)發(fā)生在珠三角地區(qū)的“彩虹”龍卷(EF3)、“派比安”龍卷(EF2)動(dòng)力條件對(duì)比可見(jiàn)(表1)，0～1 km的垂直風(fēng)切變與“彩虹”龍卷閾值的16 m/s相當(dāng)、略低于“派比安”龍卷的20 m/s，SRH與“派比安”龍卷的305 m2/s2相當(dāng)、低于“彩虹”龍卷的 424 m2/s2，0～6 km的垂直風(fēng)切變則明顯低于以往強(qiáng)龍卷過(guò)程閾值(24.6 m/s)。樊李苗等[34]指出，0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)15～20 m/s為中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變，超過(guò)20 m/s為強(qiáng)垂直風(fēng)切變。有研究表明，0～6 km垂直風(fēng)切變數(shù)值達(dá)到15～20 m/s以上是超級(jí)單體形成的必要條件之一[35]，美國(guó)F2/EF2級(jí)及以上龍卷對(duì)流風(fēng)暴的0～6 km垂直風(fēng)差值普遍超過(guò)20 m/s[33,36]。鄭媛媛等[19]、朱文劍等[22]研究指出，臺(tái)風(fēng)龍卷發(fā)生環(huán)境條件基本為弱的CAPE(200～1 000 J/kg)、風(fēng)隨高度強(qiáng)烈順轉(zhuǎn)的強(qiáng)低空垂直風(fēng)切變和大的SRH。由此可見(jiàn)，9月17日廣州及周邊的大氣環(huán)境條件有利于龍卷的發(fā)生，對(duì)于強(qiáng)龍卷，其深層的垂直風(fēng)切變條件相對(duì)較弱。

圖3 2018年9月17日08:00高空形勢(shì)綜合圖(a)和地面形勢(shì)圖(b)

表1 “山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷與“彩虹”臺(tái)風(fēng)龍卷、“派比安”臺(tái)風(fēng)龍卷環(huán)境參數(shù)對(duì)比

4 地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)

佛山市地面自動(dòng)氣象站有212個(gè)，間距為3～5 km，能較為有效監(jiān)測(cè)地面中小尺度天氣系統(tǒng)的活動(dòng)。分析自動(dòng)氣象站風(fēng)場(chǎng)可見(jiàn)，在龍卷發(fā)生前，在龍卷風(fēng)暴移動(dòng)方向上已經(jīng)有地面輻合線和小尺度渦旋存在。“山竹”三水龍卷最早于9月17日09:37前后在白坭鎮(zhèn)觸地，在龍卷發(fā)生前的09:10，在佛山南海區(qū)九江、西樵到三水區(qū)白坭、西南一帶就已經(jīng)存在一條東南-西北向的地面風(fēng)向風(fēng)速輻合線，并且在西樵附近有一個(gè)小尺度渦旋生成(圖4a)，之后小尺度渦旋沿著地面輻合線向西北方向移動(dòng)(圖4b)，09:30—09:40移至白坭附近時(shí)對(duì)流強(qiáng)烈發(fā)展產(chǎn)生了龍卷(圖4c～4d)，龍卷風(fēng)暴移動(dòng)路徑與小尺度渦旋的移動(dòng)路徑一致。

圖4 2018年9月17日09:10(a)、09:20(b)、09:30(c)和09:40(d)地面自動(dòng)氣象站2 min平均風(fēng)場(chǎng)

對(duì)自動(dòng)氣象站09:00—10:00的瞬時(shí)大風(fēng)(圖5a)分析發(fā)現(xiàn)，極大風(fēng)速出現(xiàn)在龍卷路徑附近，距離龍卷路徑約1 000 m的三水區(qū)西南洲邊村委站于09:42記錄到最大風(fēng)速為16.6 m/s(7級(jí))，另一個(gè)距龍卷路徑約700 m的三水區(qū)西南水利所站于09:50記錄到最大風(fēng)速為22.1 m/s(9級(jí))。 分析09:00—10:00的最低氣壓(圖5b)發(fā)現(xiàn)，最低氣壓呈東南-西北向帶狀分布，與龍卷路徑方向一致。

圖5 佛山自動(dòng)氣象站09:00—10:00的3 s極大風(fēng)速(a，陰影區(qū)風(fēng)速大于≥7級(jí))和最低氣壓(b，hPa)

受龍卷渦旋環(huán)流影響，位于龍卷路徑右側(cè)的鄰近地面自動(dòng)站的5 min變壓也表現(xiàn)出明顯的信號(hào)。對(duì)應(yīng)強(qiáng)回波中心，三水區(qū)白坭鎮(zhèn)新明珠廠站最早在09:30開(kāi)始出現(xiàn)-1.4 hPa/(5 min)的負(fù)變壓；09:35，負(fù)變壓中心北移至白坭鎮(zhèn)中心小學(xué)，而隨著風(fēng)暴的北移，白坭鎮(zhèn)新明珠廠站迅速升壓，5 min氣壓升幅達(dá)1.9 hPa；09:40—09:45，負(fù)變壓中心進(jìn)一步北移到西南街道，最大負(fù)變壓中心出現(xiàn)在西南洲邊村委站，5 min氣壓降幅達(dá)-1.9 hPa，09:45西南洲邊村委站同樣出現(xiàn)迅速升壓，5 min氣壓升幅高達(dá)2.2 hPa，負(fù)變壓中心北移至西南水利所。從現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)調(diào)確定的龍卷路徑來(lái)看，負(fù)變壓中心移動(dòng)路徑基本與龍卷路徑一致。

圖6 2018年9月17日09:30—09:45地面自動(dòng)站5 min變壓(單位：Pa)和廣東雷達(dá)拼圖 Δ為龍卷大致發(fā)生地。

為了更清楚地了解龍卷過(guò)境前后地面氣象站溫、壓、風(fēng)等氣象要素的變化特征，下面對(duì)離龍卷路徑較近的三水區(qū)西南洲邊村委站和三水區(qū)西南水利所站的氣象要素進(jìn)行分析。

三水區(qū)西南洲邊村委站位于龍卷路徑的右側(cè)(圖6c)，距離龍卷發(fā)生地西南街道顯學(xué)村(09:40)1 000 m左右。從其氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、溫度、降雨變化曲線(圖7a)可見(jiàn)，龍卷發(fā)生前，09:00—09:20氣壓呈波動(dòng)式小幅上升，09:20—09:35氣壓小幅下降，09:40氣壓明顯下降，由09:35的1 001.4 hPa陡然下降到09:40的999.5 hPa，而本站的3 s瞬時(shí)氣壓在09:40錄得最低值999.2 hPa，5 min內(nèi)下降-2.2 hPa，09:45氣壓迅速躍升到1 001.7 hPa，5 min氣壓升幅達(dá)+2.5 hPa，出現(xiàn)氣壓“漏斗”，具有典型的龍卷過(guò)境特征，這與下?lián)舯┝鞯戎本€型雷暴大風(fēng)引發(fā)的氣壓陡升現(xiàn)象明顯不同；風(fēng)的變化表明，龍卷發(fā)生前，2 min平均風(fēng)速在1～6 m/s之間，風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，龍卷過(guò)境前后，2 min平均風(fēng)風(fēng)向出現(xiàn)先逆轉(zhuǎn)后順轉(zhuǎn)，09:20—09:30，風(fēng)向由西南風(fēng)逆轉(zhuǎn)為東到東北風(fēng)，09:35—09:40，風(fēng)向再由東北風(fēng)順轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，同時(shí)風(fēng)速突增，09:40，2 min平均風(fēng)風(fēng)速增大到11.9 m/s，09:42出現(xiàn)3 s瞬時(shí)極大風(fēng)速值為16.6 m/s，之后風(fēng)速減小，表明龍卷遠(yuǎn)離本站；雨量變化表明，在龍卷發(fā)生前40 min，地面已經(jīng)有降水發(fā)生，09:05前，5 min平均降雨量在0.3 mm以下，09:10起降雨逐漸增強(qiáng)，09:10—09:15，5 min降雨量為1.0 mm，09:20降雨出現(xiàn)峰值，5 min降雨量達(dá)到2.1 mm，09:30出現(xiàn)次峰值，之后降雨明顯減弱，龍卷發(fā)生時(shí)，地面有弱降雨，5 min降雨量在0.2 mm以下，也就是說(shuō)降雨峰值(09:20前后)較龍卷發(fā)生提前約20 min，強(qiáng)降雨為龍卷的發(fā)生提供了很好的濕度條件；溫度變化表明，龍卷影響前，氣溫總體比較平穩(wěn)，即使在強(qiáng)降雨期間氣溫仍維持在25.3℃左右，在09:35—09:45龍卷過(guò)境前后，氣溫小幅波動(dòng)，09:35—09:40氣溫下降0.1℃，09:40—09:45氣溫上升0.2℃，之后氣溫短暫小幅下降后逐漸上升，表明龍卷是發(fā)生在單一暖氣團(tuán)中。

圖7 2018年9月17日09:00—10:00的西南洲邊村委站(a)和西南水利所站(b)溫度(藍(lán)線，℃)、氣壓(黑線，hPa)、2 min平均水平風(fēng)速(紅線，m/s)、2分鐘平均風(fēng)向(風(fēng)向桿)和5分鐘累計(jì)降雨量(柱狀，mm)時(shí)間演變

另一個(gè)站點(diǎn)三水區(qū)西南水利所站同樣位于龍卷路徑的右側(cè)(圖6d)，距離龍卷發(fā)生地三水區(qū)西南街道漁運(yùn)村(09:48)約700 m。分析其壓、風(fēng)、雨、溫等發(fā)現(xiàn)具有與西南洲邊村委站相類似的特征(圖7b)，09:45/09:50龍卷過(guò)境前后，氣壓出現(xiàn)陡降/陡升，5 min內(nèi)氣壓降/升幅為-2.5 hPa/+2.1 hPa，氣壓“漏斗”明顯；風(fēng)速突增，09:50出現(xiàn) 3 s瞬時(shí)極大風(fēng)速值為22.1 m/s，風(fēng)向先逆轉(zhuǎn)后順轉(zhuǎn)，09:30—09:40，風(fēng)向由東南風(fēng)逆轉(zhuǎn)為東到東北風(fēng)，09:45—09:50，風(fēng)向再由東北風(fēng)順轉(zhuǎn)為東南風(fēng)；龍卷發(fā)生前地面同樣已經(jīng)有降水發(fā)生，降雨峰值出現(xiàn)在09:30前后，較龍卷發(fā)生提前約15 min；在強(qiáng)降雨和龍卷發(fā)生期間，氣溫維持在25.4℃左右，龍卷過(guò)境后，氣溫明顯上升。

5 雷達(dá)觀測(cè)與預(yù)警分析

5.1 雷達(dá)觀測(cè)特征

廣州S波段多普勒雷達(dá)反射率因子產(chǎn)品顯示，9月17日早晨開(kāi)始，珠江口西側(cè)的江門臺(tái)山、新會(huì)一帶不斷有南北向的強(qiáng)回波北上影響佛山，強(qiáng)回波帶由多個(gè)對(duì)流單體組成。產(chǎn)生龍卷的母體風(fēng)暴源自于新會(huì)附近發(fā)展的對(duì)流單體，08:12前后其0.5°仰角反射率因子最強(qiáng)回波強(qiáng)度為53 dBz，對(duì)應(yīng)徑向速度圖上為弱切變；08:24，對(duì)流單體北移至江門附近，發(fā)展為微型超級(jí)單體風(fēng)暴，低層開(kāi)始呈現(xiàn)出鉤狀回波和入流缺口特征，對(duì)應(yīng)徑向速度圖上探測(cè)到弱中氣旋，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度為12.5 m/s，底高約0.9 km，尺度約2.7 km，1.5°仰角仍為弱切變 (圖略)；08:42，0.5°仰角反射率因子鉤狀回波和入流缺口特征更加明顯，對(duì)應(yīng)徑向速度上中氣旋旋轉(zhuǎn)速度增強(qiáng)至15 m/s，接近中等強(qiáng)度中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，底高約0.75 km，尺度約2.5 km，中氣旋擴(kuò)展至1.5°仰角，旋轉(zhuǎn)速度為15 m/s，底高約1.6 km，尺度約2.9 km，雷達(dá)開(kāi)始自動(dòng)識(shí)別出中氣旋(圖8a1～8c1)；08:48，中氣旋增強(qiáng)至16 m/s，達(dá)到中等強(qiáng)度中氣旋標(biāo)準(zhǔn)(圖略)；09:00，風(fēng)暴向西北移至佛山高明境內(nèi)，最強(qiáng)回波增至58 dBz，1.5°仰角中氣旋出流速度出現(xiàn)模糊，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度增強(qiáng)至17 m/s，尺度縮至2.5 km(圖8a2～8c2)；09:12，0.5 °仰角上中氣旋明顯增強(qiáng)，出流速度出現(xiàn)速度模糊，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度增至 19.0 m/s，底高維持在 0.75 km(圖8a3～8c3)；09:30，風(fēng)暴移至三水白坭鎮(zhèn)附近，0.5°仰角上徑向速度圖上出現(xiàn)像素值的切變，切變值為34 m/s，底高0.8 km，距離雷達(dá)51 km，出現(xiàn)類TVS特征 (圖8a4～8c4)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)調(diào)確定09:37龍卷首先在白坭鎮(zhèn)觸地；09:42，龍卷風(fēng)暴進(jìn)入三水西南街道，0.5°仰角上中氣旋強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)速度增大到27.0 m/s，達(dá)到強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，底高維持在0.8 km(圖8a5～8c5)；之后，龍卷風(fēng)暴繼續(xù)西北移動(dòng)，于10:00進(jìn)入肇慶市四會(huì)區(qū)，之后逐漸減弱消失。本次龍卷母體風(fēng)暴強(qiáng)度與“派比安”龍卷[20]相當(dāng)，弱于阜寧龍卷和“彩虹”龍卷，阜寧龍卷和“彩虹”龍卷母體風(fēng)暴最強(qiáng)回波均超過(guò)60 dBz、中氣旋最強(qiáng)旋轉(zhuǎn)速度均超過(guò)30 m/s、都出現(xiàn)了明顯的TVS特征[4,22,29]。

“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴中氣旋從17日08:24開(kāi)始發(fā)展，08:42接近中等強(qiáng)度中氣旋標(biāo)準(zhǔn) (雷達(dá)開(kāi)始自動(dòng)識(shí)別出中氣旋)，08:48增強(qiáng)到中等強(qiáng)度中氣旋，09:30出現(xiàn)類TVS特征，09:42達(dá)到最強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)速度為27.0 m/s，達(dá)到強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，中氣旋持續(xù)至10:00。中氣旋總體持續(xù)時(shí)間約96 min。為了進(jìn)一步揭示風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)，下面沿反射率因子勾狀回波和中氣旋附近對(duì)雷達(dá)反射率因子和徑向速度做垂直剖面 (垂直剖面位置見(jiàn)圖9a中的白線)。從反射率因子垂直剖面可見(jiàn)，龍卷母體風(fēng)暴發(fā)展高度不高，回波頂高基本在10 km以下，50 dBz以上強(qiáng)回波高度在5 km以下，30 dBz以上反射率因子高度在8 km以下(圖9b)。對(duì)比而言，西風(fēng)帶系統(tǒng)中的阜寧龍卷風(fēng)暴垂直伸展更為旺盛、回波質(zhì)心更高，超過(guò)30 dBz的反射率因子可達(dá)16 km高度[29]。從平均徑向速度垂直剖面可見(jiàn)，“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴最顯著特征是該超級(jí)單體風(fēng)暴的中氣旋自下而上朝東北方向傾斜，在3 km以下存在較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)氣流，3 km以上中氣旋明顯減弱，并明顯偏向東北方向(圖9c)，這與阜寧龍卷風(fēng)暴中氣旋特征類似[29]，只是“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷中氣旋尺度更小、垂直伸展厚度更低?？梢?jiàn)，“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷母風(fēng)暴屬于低質(zhì)心微型超級(jí)單體，其中氣旋尺度較小，垂直伸展高度較低。這也與鄭媛媛等[19]、朱文劍等[22]獲得的結(jié)果類似。

5.2 龍卷預(yù)警分析

由于龍卷時(shí)空尺度小、發(fā)生概率低等特點(diǎn)，對(duì)于龍卷的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警仍是世界性難題。龍卷的臨近預(yù)警主要基于多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)到的中氣旋[11]。統(tǒng)計(jì)表明，大約只有20%的中氣旋能夠產(chǎn)生龍卷，但當(dāng)中氣旋底距離地面高度小于1 km時(shí)，龍卷的發(fā)生概率約為40%[11]。目前美國(guó)基層氣象臺(tái)發(fā)布龍卷警報(bào)的主要依據(jù)是：在環(huán)境低層垂直風(fēng)切變和相對(duì)濕度較大情況下，探測(cè)到強(qiáng)中氣旋，或探測(cè)到中等以上強(qiáng)度中氣旋，并且其底部距離地面不超過(guò)1 km[11]。由于多普勒天氣雷達(dá)的中氣旋探測(cè)算法存在局限性，一方面使得中氣旋產(chǎn)品存在很多錯(cuò)誤識(shí)別，再加上多數(shù)中氣旋沒(méi)有龍卷產(chǎn)生，所以基于中氣旋的龍卷預(yù)警會(huì)導(dǎo)致較高的虛警率，另一方面還會(huì)使得中氣旋識(shí)別時(shí)間過(guò)短，有的甚至識(shí)別不出中氣旋，容易導(dǎo)致龍卷的遲報(bào)、漏報(bào)。美國(guó)基于中氣旋的龍卷警報(bào)平均提前時(shí)間約為 10～20 min[11]。

圖8 2018年9月17日08:42—09:42廣州S波段雷達(dá)0.5°反射率因子(a)和0.5°(b)、1.5°(c)徑向速度

圖9 2018年9月17日09:24龍卷母體反射率因子(a)、反射率因子垂直剖面(b)和徑向速度垂直剖面(c)

雷暴大風(fēng)和龍卷的短期預(yù)報(bào)是做好龍卷短時(shí)臨近預(yù)警的重要基礎(chǔ)[37]。陶祖鈺等[38]指出，小概率的極端天氣可以用相似法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)。目前對(duì)于臺(tái)風(fēng)龍卷發(fā)生的有利環(huán)境場(chǎng)已有了較為清晰的成果[19-20,39]，黃先香等[20,23]分析表明，佛山(珠三角)地區(qū)臺(tái)風(fēng)龍卷的活動(dòng)特征及環(huán)境場(chǎng)存在較好的相似性，在臺(tái)風(fēng)龍卷多發(fā)區(qū)域，將龍卷易發(fā)的臺(tái)風(fēng)中心東北象限與大SRH區(qū)、強(qiáng)0～1 km垂直風(fēng)切變區(qū)及低LCL等環(huán)境條件相結(jié)合，在一定程度上可以給出龍卷未來(lái)可能出現(xiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。在龍卷有發(fā)生潛勢(shì)的情況下，再進(jìn)一步分析雷達(dá)特征，重點(diǎn)關(guān)注雷達(dá)反射率因子圖上≥50 dBz的強(qiáng)回波，要特別關(guān)注具有低層鉤狀回波和入流缺口等特征的微型超級(jí)單體風(fēng)暴，以及雷達(dá)徑向速度圖上的低層中氣旋或TVS或類TVS，如果出現(xiàn)明顯中氣旋，并且中氣旋底高擴(kuò)展到1 km以下，則可以發(fā)布龍卷預(yù)警。這種基于環(huán)境場(chǎng)特征的龍卷潛勢(shì)預(yù)報(bào)、再結(jié)合短時(shí)臨近雷達(dá)特征作出龍卷預(yù)警的龍卷預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)思路，一方面可以提高龍卷預(yù)警的命中率，另一方面還可能大大增加龍卷預(yù)警時(shí)間的提前量。本次“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷事件具備了臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴產(chǎn)生的上述所有有利環(huán)境條件，雷達(dá)特征上也完全符合上述臺(tái)風(fēng)龍卷雷達(dá)預(yù)警指標(biāo)，而且考慮到龍卷母體風(fēng)暴未來(lái)將影響的白坭鎮(zhèn)等地也是佛山歷史上臺(tái)風(fēng)龍卷高發(fā)區(qū)等綜合因素，第1作者及團(tuán)隊(duì)于9月17日09:00針對(duì)高明荷城、三水白坭等4個(gè)鎮(zhèn)街發(fā)布了龍卷警報(bào)，提前37 min預(yù)警了09:37三水白坭龍卷。但并非環(huán)境條件有利于龍卷產(chǎn)生的區(qū)域都會(huì)出現(xiàn)龍卷，實(shí)際上在當(dāng)日15:00還發(fā)出了另一次龍卷預(yù)警，沒(méi)有出現(xiàn)龍卷。這也說(shuō)明，龍卷預(yù)警技術(shù)還不成熟、業(yè)務(wù)上對(duì)龍卷的具體落區(qū)和發(fā)生時(shí)間等的短臨預(yù)報(bào)還存在極大困難，目前還不具備龍卷預(yù)警業(yè)務(wù)化的能力。這主要是因?yàn)樵杏埦淼哪阁w風(fēng)暴所處環(huán)境極為復(fù)雜，對(duì)龍卷風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)及其發(fā)生發(fā)展機(jī)理等諸多科學(xué)問(wèn)題還不完全清楚，未來(lái)還有必要用高分辨率數(shù)值模式對(duì)龍卷風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和機(jī)理等做進(jìn)一步的深入研究。

6 小結(jié)和討論

受1822號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”外圍環(huán)流影響，2018年9月17日09:37—10:00廣東佛山三水、肇慶四會(huì)等地遭到龍卷襲擊。經(jīng)過(guò)實(shí)地災(zāi)害調(diào)查、航拍龍卷災(zāi)情路徑、詢問(wèn)目擊者，再結(jié)合龍卷影像資料、地面自動(dòng)氣象站、氣象衛(wèi)星和雷達(dá)等資料，對(duì)龍卷路徑進(jìn)行確認(rèn)，并綜合分析龍卷發(fā)生的環(huán)境場(chǎng)和龍卷風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度演變等特點(diǎn)，得出如下結(jié)果。

(1)龍卷首先于09:37在佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)金竹村觸地，然后向西北方向移動(dòng)，先后影響了三水區(qū)白坭鎮(zhèn)和西南街道、肇慶市四會(huì)區(qū)大沙鎮(zhèn)等地，路徑長(zhǎng)度達(dá)18 km，持續(xù)時(shí)間23 min，平均時(shí)速約為47 km/h，導(dǎo)致多個(gè)村居建筑物受損。龍卷最大破壞寬度153 m，強(qiáng)度為EF2級(jí)，屬于強(qiáng)龍卷。

(2)龍卷產(chǎn)生于距離“山竹”中心東北象限約490 km處螺旋雨帶中的一個(gè)微型超級(jí)單體，衛(wèi)星云圖清晰可見(jiàn)其上沖云頂；龍卷出現(xiàn)在中低空強(qiáng)東南偏南急流交匯處及低層輻合、高層輻散相疊加的區(qū)域。強(qiáng)的低空0～1 km垂直風(fēng)切變、大的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度(SRH)、低的抬升凝結(jié)高度(LCL)和較大的0～6 km垂直風(fēng)切變，有利于龍卷超級(jí)單體風(fēng)暴的生成。與珠三角歷史臺(tái)風(fēng)強(qiáng)龍卷過(guò)程對(duì)比，本次龍卷過(guò)程的低空0～1 km垂直風(fēng)切變與歷史強(qiáng)龍卷閾值相當(dāng)，但0～6 km深層垂直風(fēng)切變和風(fēng)暴相對(duì)螺旋度(SRH)則相對(duì)較小。

(3)龍卷影響時(shí)，地面存在清晰的輻合線和小尺度渦旋；龍卷路徑附近的自動(dòng)氣象站氣壓、風(fēng)場(chǎng)等要素表現(xiàn)出明顯的信號(hào)：09:00—10:00瞬時(shí)大風(fēng)、最低氣壓的極值區(qū)呈東南-西北向帶狀分布，與龍卷移動(dòng)路徑一致；龍卷過(guò)境前后，鄰近龍卷路徑右側(cè)的自動(dòng)站風(fēng)速突增，風(fēng)向出現(xiàn)先逆轉(zhuǎn)后順轉(zhuǎn)，氣壓陡降/陡升，單站5 min降壓/升壓幅度達(dá)-2.5 hPa/+2.1 hPa，氣壓“漏斗”明顯，明顯區(qū)別于下?lián)舯┝鞯戎本€型雷暴大風(fēng)引發(fā)的氣壓陡升現(xiàn)象。

(4)龍卷母體風(fēng)暴具有較明顯的鉤狀回波和入流缺口回波特征，其發(fā)展高度較低，50 dBz回波高度在5 km以下。徑向速度圖上低層出現(xiàn)中等到強(qiáng)的中氣旋和類TVS特征，中氣旋伸展厚底在3 km以下，持續(xù)時(shí)間約96 min，類TVS較龍卷觸地提前約7 min出現(xiàn)?；谏鲜隼走_(dá)觀測(cè)等特征，第一作者及團(tuán)隊(duì)提前37 min成功發(fā)布了龍卷預(yù)警。

本文僅是對(duì)龍卷的環(huán)境場(chǎng)、地面自動(dòng)站、雷達(dá)等觀測(cè)特征的初步分析，雖然在本次龍卷過(guò)程中開(kāi)展了有效的龍卷預(yù)警試驗(yàn)，但并非環(huán)境條件有利于龍卷發(fā)生的區(qū)域都會(huì)有龍卷出現(xiàn)，在實(shí)際預(yù)警發(fā)布過(guò)程中仍會(huì)存在難以確定龍卷的具體落區(qū)和發(fā)生時(shí)間、龍卷空?qǐng)?bào)率較高等諸多問(wèn)題，這主要是由于孕育龍卷的母體風(fēng)暴所處環(huán)境極為復(fù)雜，對(duì)龍卷的發(fā)生發(fā)展機(jī)理還缺乏深入研究，加上龍卷本身尺度小、持續(xù)時(shí)間短、突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)生概率低等特點(diǎn)，使得業(yè)務(wù)上開(kāi)展龍卷的預(yù)報(bào)預(yù)警仍存在極大困難，未來(lái)有必要用高分辨率數(shù)值模式對(duì)龍卷風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和機(jī)理進(jìn)行深入分析。

致 謝：感謝廣東省氣象臺(tái)伍志方首席、廣東省生態(tài)氣象中心鄧玉嬌博士、中山大學(xué)白蘭強(qiáng)博士、山東省氣象臺(tái)朱君鑒研究員級(jí)高級(jí)工程師提供的支持和幫助。