臺(tái)風(fēng)山竹(1822)龍卷的雙極化相控陣?yán)走_(dá)特征

傅佩玲 胡東明* 黃 浩 張 羽 田聰聰

1)(廣州市氣象臺(tái)，廣州 511430) 2)(南京大學(xué)，南京 210023)

引 言

龍卷是強(qiáng)對(duì)流中致災(zāi)性最強(qiáng)的天氣現(xiàn)象之一，具有尺度小、突發(fā)性和破壞性超強(qiáng)的特點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)與機(jī)理研究是世界難題。廣東省特別是珠江三角洲地區(qū)是龍卷風(fēng)高發(fā)區(qū)，其中一部分發(fā)生在熱帶氣旋外圍雨帶上，也稱為臺(tái)風(fēng)龍卷，影響范圍雖小，但來勢(shì)兇猛，往往導(dǎo)致嚴(yán)重局地災(zāi)害，如2006年8月4日佛山市5處受到臺(tái)風(fēng)派比安(0606)龍卷襲擊，導(dǎo)致10人死亡、172人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失超過2億元[1]；2015年10月4日臺(tái)風(fēng)彩虹(1522)外圍螺旋雨帶中多個(gè)龍卷分別襲擊佛山、廣州番禺以及汕尾海豐等地，導(dǎo)致7人死亡、214人受傷，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3億元[2-3]。提高對(duì)小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力，挖掘其內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)特征是目前亟待解決的問題。

目前國(guó)內(nèi)有關(guān)臺(tái)風(fēng)龍卷的研究仍處于起步階段，研究大多關(guān)注天氣尺度環(huán)流背景,不同于非臺(tái)風(fēng)龍卷常和西風(fēng)帶系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)[4-8]，臺(tái)風(fēng)龍卷大多出現(xiàn)在相對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的右前側(cè)，距離臺(tái)風(fēng)中心300～400 km[9]；臺(tái)風(fēng)龍卷一般產(chǎn)生在臺(tái)風(fēng)減弱階段，與強(qiáng)低層風(fēng)切變關(guān)系密切，喇叭口地形等也起一定作用[10-11]；臺(tái)風(fēng)龍卷發(fā)生環(huán)境通常伴隨充沛水汽和較強(qiáng)低空急流，另外，低抬升凝結(jié)高度、低層高度不穩(wěn)定、低層對(duì)流有效位能和中低層明顯輻合與正渦度均有利于龍卷發(fā)生[10-13]?；诙嗥绽仗鞖饫走_(dá)的研究表明：臺(tái)風(fēng)龍卷的雷達(dá)回波特征通常伴隨龍卷的微型超級(jí)單體結(jié)構(gòu)、中氣旋和龍卷渦旋特征[14-16]，且臺(tái)風(fēng)龍卷的初生和中氣旋的加強(qiáng)有密切聯(lián)系[17]。何彩芬等[18]、蔣義芳等[19]分析臺(tái)風(fēng)前部龍卷個(gè)例，指出強(qiáng)鉤狀回波和正負(fù)速度中心和強(qiáng)切變是多普勒雷達(dá)回波特征。黃先香等[1]比較相似環(huán)境場(chǎng)中不同強(qiáng)臺(tái)風(fēng)龍卷的關(guān)鍵物理量參數(shù)和龍卷母體風(fēng)暴特征，指出風(fēng)暴相對(duì)螺旋度、低層垂直風(fēng)切變和抬升凝結(jié)高度是關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。鄭媛媛等[13]指出臺(tái)風(fēng)龍卷中氣旋的尺度更小，垂直伸展的高度更低。

龍卷這類尺度小、致災(zāi)性強(qiáng)的天氣系統(tǒng)，尺度為幾十米至1 km，持續(xù)時(shí)間約為10 min。目前業(yè)務(wù)中使用的多普勒天氣雷達(dá)(CINRAD/SA)6 min和1 km 的觀測(cè)時(shí)空分辨率不足以識(shí)別和分析這類強(qiáng)天氣系統(tǒng)[20-23]。近年對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的研究增強(qiáng)了對(duì)中小尺度災(zāi)害性天氣的可探測(cè)性[24-25]。廣州市氣象局2018年引入X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)，徑向分辨率為30 m，垂直方向?yàn)?7層不間斷掃描(0.9°～29.7°)，在探測(cè)龍卷、局地強(qiáng)降水強(qiáng)風(fēng)暴等中小尺度致災(zāi)天氣方面具有重大優(yōu)勢(shì)[26]，是強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)中傳統(tǒng)多普勒天氣雷達(dá)的重要補(bǔ)充，彌補(bǔ)了S波段雷達(dá)低空區(qū)域的觀測(cè)盲區(qū)，可通過靈活的掃描方式迅速獲得垂直方向的精細(xì)探測(cè)，取得高精度高密度探測(cè)結(jié)果。本文選取2018年9月17日臺(tái)風(fēng)山竹(1822)內(nèi)的龍卷，這是廣州X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)網(wǎng)(以下簡(jiǎn)稱廣州相控陣?yán)走_(dá))首次觀測(cè)到的完整臺(tái)風(fēng)龍卷過程，結(jié)合MICAPS臺(tái)風(fēng)路徑資料、探空資料和分析資料，分析環(huán)境背景、關(guān)鍵物理量參數(shù)、臺(tái)風(fēng)外圍雨帶上微型超級(jí)單體雷達(dá)回波特征，探討臺(tái)風(fēng)龍卷內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變和偏振量特征，增強(qiáng)對(duì)臺(tái)風(fēng)龍卷的認(rèn)識(shí)。

1 臺(tái)風(fēng)概述、資料和方法

1.1 臺(tái)風(fēng)龍卷過程概述

2018年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)山竹于9月16日17：00(北京時(shí)，下同)在廣東省臺(tái)山海宴鎮(zhèn)登陸(圖1)，登陸時(shí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，中心附近最大風(fēng)力達(dá)15級(jí)(48 m·s-1)。9月17日上午臺(tái)風(fēng)山竹進(jìn)入廣西，其外圍云系出現(xiàn)2個(gè)龍卷，分別襲擊佛山、肇慶等地區(qū)，其中佛山三水龍卷出現(xiàn)在9月17日09:37—10:00，持續(xù)時(shí)間約23 min，龍卷呈現(xiàn)典型漏斗云特征，從災(zāi)后調(diào)查及資料綜合分析，判斷這次龍卷強(qiáng)度為EF2級(jí)[27]。

圖1 2018年9月17日09:30臺(tái)風(fēng)山竹(1822)路徑及廣東雷達(dá)網(wǎng)組合反射率因子(黑色矩形框?yàn)橹袣庑恢?，臺(tái)風(fēng)圖標(biāo)上方標(biāo)記時(shí)間及臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓，其中紅色臺(tái)風(fēng)圖標(biāo)為09：00位置，與09:42中氣旋位置直線距離為447 km)

1.2 資料和方法

本文使用廣州相控陣?yán)走_(dá)資料，徑向分辨率為30 m，垂直方向連續(xù)17個(gè)仰角(0.9°～29.7°之間以1.8°為間隔進(jìn)行無縫隙連續(xù)掃描)。與多普勒天氣雷達(dá)不同，廣州相控陣?yán)走_(dá)在垂直方向采用電子掃描方式，時(shí)間延遲極低，在標(biāo)準(zhǔn)模式下僅需0.25 s即可獲得1個(gè)方位的完整信息，隨后切換至下個(gè)方位角，再次進(jìn)行連續(xù)垂直掃描，直到完成360°全方位掃描(角度間隔0.9°)。不僅可避免切換仰角帶來的數(shù)據(jù)污染，而且大幅提升完整體掃的時(shí)間分辨率(常規(guī)為130 s)，多波束同時(shí)掃描可極大縮短掃描時(shí)間，并提升雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和波束指向的可靠性。因此，與多普勒天氣雷達(dá)相比，廣州相控陣?yán)走_(dá)能夠大幅度增加對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的掃描更新率，實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率。本文廣州相控陣?yán)走_(dá)距離臺(tái)風(fēng)龍卷約為27 km，距離合理，觀測(cè)角度清晰，對(duì)分析臺(tái)風(fēng)龍卷的雷達(dá)回波特征提供良好的觀測(cè)資料。雷達(dá)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 廣州相控陣?yán)走_(dá)主要性能指標(biāo)

本文同時(shí)采用廣州多普勒天氣雷達(dá)和清遠(yuǎn)L波段秒級(jí)探空觀測(cè)資料，以及美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP FNL(final run analysis)0.25°×0.25°分析資料。廣州相控陣?yán)走_(dá)、廣州多普勒天氣雷達(dá)和清遠(yuǎn)L波段秒級(jí)探空站分布見圖1。

2 環(huán)流形勢(shì)與環(huán)境條件

2018年9月16日17：00臺(tái)風(fēng)山竹(1822)在廣東江門臺(tái)山登陸后，向西北偏西方向移動(dòng)，佛山三水龍卷在臺(tái)風(fēng)登陸后16 h出現(xiàn)，此時(shí)山竹中心已移入廣西境內(nèi)(09：00位于 22.9°N,108.6°E)，處于減弱階段，但仍維持熱帶風(fēng)暴量級(jí)，中心風(fēng)力為20 m·s-1，龍卷發(fā)生在臺(tái)風(fēng)東北象限，即其前進(jìn)方向的右前側(cè)，龍卷發(fā)生地與臺(tái)風(fēng)中心相距約為447 km。9月17日08：00 500 hPa西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)脊線位于25°N附近(圖2a和圖2b)，主體位置偏東，590 dagpm等值線控制廣東東部以東地區(qū)，副高西南邊緣與臺(tái)風(fēng)山竹(1822)外圍東北側(cè)之間的強(qiáng)勁東南氣流在廣東中北部匯合，中低層急流軸的位置非常接近，由圖2c和圖2d可以看到，850 hPa偏南急流(最大風(fēng)速超過20 m·s-1)將海洋上的暖濕空氣源源不斷輸送到廣東沿海一帶，并與副高西側(cè)的東南氣流在珠江三角洲地區(qū)輻合。此時(shí)，廣東南部沿海地區(qū)的可降水量較大，最大值超過65 mm，為暴雨的形成提供充足水汽。

圖2 2018年9月17日高度場(chǎng)(等值線，單位：gpm)和風(fēng)場(chǎng)(a)02:00 500 hPa，(b)08:00 500 hPa,(c)02:00 850 hPa，(d)08:00 850 hPa(圖2a和圖2b中填色代表整層大氣可降水量，圖2c和圖2d中填色代表風(fēng)速)

清遠(yuǎn)加密探空資料(圖略)顯示，龍卷發(fā)生前已經(jīng)產(chǎn)生降水，對(duì)流有效位能中等偏弱，為678 J·kg-1，探空曲線顯示整層相對(duì)濕度偏高，基本處于飽和狀態(tài)。低層相對(duì)濕度和露點(diǎn)較大，抬升凝結(jié)高度(129 m)和自由對(duì)流高度(1.8 km)很低，龍卷發(fā)生時(shí)對(duì)流抑制很弱，易觸發(fā)深厚濕對(duì)流。

這次臺(tái)風(fēng)龍卷過程發(fā)生在風(fēng)隨高度強(qiáng)烈順轉(zhuǎn)的垂直切變環(huán)境下。由水平風(fēng)速隨高度變化計(jì)算可知，0～6 km風(fēng)矢量差為22.56 m·s-1，對(duì)應(yīng)的垂直風(fēng)切變?yōu)?.76×10-3s-1，強(qiáng)高層風(fēng)切變有利于超級(jí)單體風(fēng)暴形成；0～1 km風(fēng)矢量差為20.94 m·s-1，對(duì)應(yīng)的垂直風(fēng)切變值為2.09×10-2s-1，強(qiáng)的低層風(fēng)切變則有利于龍卷產(chǎn)生。

風(fēng)暴相對(duì)螺旋度是衡量風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)潛勢(shì)的重要指標(biāo)，Davies-Jones[28]將風(fēng)暴相對(duì)螺旋度為150 m2·s-2界定為產(chǎn)生超級(jí)單體風(fēng)暴的參考閾值，將風(fēng)暴相對(duì)螺旋度大于150 m2·s-2作為龍卷、冰雹大風(fēng)、強(qiáng)降水等天氣的預(yù)報(bào)參考指標(biāo)之一。這次臺(tái)風(fēng)龍卷過程中環(huán)境風(fēng)暴相對(duì)螺旋度超過參考閾值，對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴的產(chǎn)生非常有利。

3 雷達(dá)特征

3.1 系統(tǒng)演變

由廣州雷達(dá)組合反射率因子圖(圖略)可見，2018年9月17日珠江三角洲地區(qū)主要受臺(tái)風(fēng)山竹(1822)外圍云系影響。17日07：00后，螺旋雨帶回波強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，雨帶上不斷有強(qiáng)單體風(fēng)暴加強(qiáng)北移，產(chǎn)生龍卷的超級(jí)單體風(fēng)暴移動(dòng)方向基本與龍卷的移動(dòng)路徑一致。07:42產(chǎn)生三水龍卷的對(duì)流風(fēng)暴還在中山市境內(nèi)，最強(qiáng)反射率因子超過50 dBZ，之后逐漸向西北方向移動(dòng)，經(jīng)過一系列合并加強(qiáng)后09：00進(jìn)入佛山境內(nèi)并快速發(fā)展，微型超級(jí)單體的生命史長(zhǎng)約為3 h。

圖3和圖4是臺(tái)風(fēng)龍卷超級(jí)單體風(fēng)暴的主要發(fā)展過程。17日09:00—09:18風(fēng)暴主體開始收縮，強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，尤其在09:12—09:18，有明顯的合并加強(qiáng)過程，弱中氣旋出現(xiàn)，超級(jí)單體風(fēng)暴的主體形態(tài)已經(jīng)形成；09:24—09:30對(duì)流風(fēng)暴的鉤狀結(jié)構(gòu)逐漸形成，風(fēng)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)特征和強(qiáng)度逐漸明顯，在徑向速度圖中最低層仰角出現(xiàn)速度模糊，旋轉(zhuǎn)速度明顯加強(qiáng)；09:36—09:48風(fēng)暴達(dá)到最強(qiáng)，鉤狀回波特征最顯著，鉤狀回波頂端為反射率因子最前區(qū)域，最強(qiáng)反射率因子達(dá)到55～60 dBZ，中氣旋強(qiáng)度也達(dá)到峰值，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，該時(shí)段也是臺(tái)風(fēng)龍卷特征最顯著階段，龍卷位置在鉤狀回波頂端的強(qiáng)回波(09:36)或鉤狀回波頂端附近的弱回波區(qū)處(09:42)，位于中氣旋中心。該微型超級(jí)單體風(fēng)暴主要在09:30—09:50自南向北影響南海區(qū)和山水區(qū)，直到11：00后在三水區(qū)境內(nèi)減弱為普通對(duì)流風(fēng)暴。

圖3 2018年9月17日09:12—09:42廣州多普勒天氣雷達(dá)1.5°仰角反射率因子演變(龍卷(EF2等級(jí))發(fā)生位置用黑色×形表示)

圖4 2018年9月17日09:12—09:42廣州多普勒天氣雷達(dá)1.5°仰角徑向速度演變(龍卷(EF2等級(jí))發(fā)生位置用黑色×形表示)

3.2 超級(jí)單體演變與中氣旋特征

雖然通過廣州多普勒天氣雷達(dá)可以看到風(fēng)暴主體發(fā)展的大致過程，但受分辨率和遮擋的影響，無法清晰展示對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，尤其是臺(tái)風(fēng)龍卷發(fā)生位置附近的對(duì)流渦旋特征，而廣州相控陣?yán)走_(dá)憑借其高精度的觀測(cè)，在密集監(jiān)測(cè)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖5顯示廣州相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)的9月17日09:29—09:48 最低仰角反射率因子演變(橫縱坐標(biāo)均為相對(duì)于雷達(dá)的距離，下同)，追蹤超級(jí)單體風(fēng)暴的生成發(fā)展演變過程，尤其是對(duì)鉤狀回波的形成和發(fā)展過程的精細(xì)呈現(xiàn)：09:20—09:26單體風(fēng)暴位于雨帶尾端，為相對(duì)獨(dú)立發(fā)展的對(duì)流系統(tǒng)，此時(shí)弱中氣旋已形成，該階段正負(fù)速度對(duì)的強(qiáng)度變化不大，速度切變距離進(jìn)一步減小(圖略)；09:29—09:33單體風(fēng)暴的右后方出現(xiàn)入流，鉤狀回波形態(tài)逐漸形成，速度切變加強(qiáng)，達(dá)到中等強(qiáng)度中氣旋；09:35—09:37反射率因子加強(qiáng)，超過60 dBZ，入流缺口進(jìn)一步擴(kuò)大，鉤狀回波結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成；09:42—09:48 為臺(tái)風(fēng)龍卷的主要影響階段，對(duì)流系統(tǒng)的水平風(fēng)切變顯著增加，達(dá)到強(qiáng)中氣旋等級(jí)，回波進(jìn)一步加強(qiáng)，09:42最低仰角(0.9°)上最強(qiáng)回波超過65 dBZ，此時(shí)垂直方向上存在回波懸垂(圖略)，在形態(tài)上，鉤狀特征進(jìn)一步發(fā)展，在前側(cè)下沉氣流和后側(cè)下沉氣流的交匯處強(qiáng)烈輻合，逐漸形成弱回波眼區(qū)，對(duì)應(yīng)徑向速度圖上為清晰的渦旋特征，這很可能是龍卷渦旋結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域，該環(huán)狀結(jié)構(gòu)在09:42—09:48維持，這種顯著的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征在廣州多普勒天氣雷達(dá)上幾乎未能體現(xiàn)；鉤狀特征09:48后略微減弱。

圖5 2018年9月17日09:31—09:48廣州相控陣?yán)走_(dá)0.9°仰角反射率因子演變(龍卷(EF2等級(jí))發(fā)生位置用黑色×形表示)

中氣旋的旋轉(zhuǎn)速度定義為最大正速度與最大負(fù)速度絕對(duì)值之和的一半，中氣旋直徑定義為最大正負(fù)速度對(duì)間距離[29]。中氣旋需同時(shí)滿足尺寸范圍為2～10 km和一定的垂直厚度及垂直渦度，本文中龍卷母體的微型超級(jí)單體渦旋滿足上述定義。

進(jìn)一步追蹤龍卷微型超級(jí)單體風(fēng)暴迅速加強(qiáng)的階段特征(圖6和圖7)發(fā)現(xiàn)，17日09:40鉤狀回波特征顯著，0.9°仰角上后側(cè)下沉氣流區(qū)邊界入流明顯加強(qiáng)，2.7°以上仰角出現(xiàn)速度模糊，退模糊后最大旋轉(zhuǎn)速度出現(xiàn)在4.5°仰角上，為20.6 m·s-1，距離雷達(dá)10～20 km，達(dá)到強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，伴隨臺(tái)風(fēng)龍卷渦旋特征，弱回波眼區(qū)初現(xiàn)雛形；09：42強(qiáng)風(fēng)速區(qū)開始下沉，最強(qiáng)風(fēng)速區(qū)出現(xiàn)在2.7°仰角上，同時(shí)最低0.9° 仰角鉤狀回波區(qū)域進(jìn)一步收縮成環(huán)狀，中心旋轉(zhuǎn)區(qū)呈清晰的龍卷弱回波眼區(qū)特征，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到21 m·s-1；09:44環(huán)狀回波形態(tài)和中心眼區(qū)最清晰，此時(shí)最低層仰角正速度區(qū)出現(xiàn)明顯的速度模糊，超過33 m·s-1，后側(cè)強(qiáng)入流區(qū)厚度達(dá)到最強(qiáng)?？梢娭袣庑?9:40—09:44為最強(qiáng)階段，09:46后略有減弱，而該階段的龍卷渦旋特征也最清晰。

圖6 2018年9月17日09:40—09:46廣州相控陣?yán)走_(dá)0.9°仰角反射率因子(龍卷(EF2等級(jí))發(fā)生位置用黑色×形表示)

圖7 2018年9月17日09:40—09:46廣州相控陣?yán)走_(dá)0.9°，2.7°與4.5°仰角徑向速度(龍卷(EF2等級(jí))發(fā)生位置用黑色×形表示)

3.3 渦旋特征演變

由9月17日09:00—10:00龍卷渦旋轉(zhuǎn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)直徑隨高度變化(圖8)可以看到旋轉(zhuǎn)單體發(fā)展加強(qiáng)過程。該過程前期有兩個(gè)弱中氣旋合并加強(qiáng)，因此09:00初始觀測(cè)到中氣旋在低層1 km高度以下，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到12.5 m·s-1；09:00—09:13兩個(gè)弱中氣旋合并形成新的中氣旋；09:18中氣旋強(qiáng)度顯著增加(2.0～2.5 km高度)，隨后30 min內(nèi)中氣旋厚度逐漸增大，垂直伸展最高超過最高仰角(9.9°)，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)；09:18—09:33最強(qiáng)中氣旋高度從4 km逐漸下降到低于1 km，0.9°仰角上的最強(qiáng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到21 m·s-1。與中氣旋強(qiáng)度增加趨勢(shì)一致，旋轉(zhuǎn)直徑也在不斷減?。?9:33—09:40，2.7°仰角旋轉(zhuǎn)直徑從4 km收縮至2 km，09:42—09:50旋轉(zhuǎn)直徑進(jìn)一步縮小至1.5 km以內(nèi)，最小直徑出現(xiàn)在09:48，僅為0.944 km，該階段龍卷強(qiáng)度從EF1加強(qiáng)到EF2。在旋轉(zhuǎn)直徑進(jìn)一步收縮到2 km 以內(nèi)的過程中，旋轉(zhuǎn)速度自09:42:13無明顯加強(qiáng)，這很可能是中氣旋轉(zhuǎn)為龍卷渦旋的一個(gè)重要標(biāo)志[30]，結(jié)合圖7可以看到，龍卷旋轉(zhuǎn)特征的演變與垂直旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特征變化對(duì)應(yīng)很好。09:53后高仰角均無法觀測(cè)到明顯的旋轉(zhuǎn)特征，低層的中氣旋強(qiáng)度逐漸減弱。

圖8 2018年9月17日09:00—10：00龍卷渦旋轉(zhuǎn)動(dòng)速度(單位：m·s-1)、旋轉(zhuǎn)直徑(單位：km)和轉(zhuǎn)動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)直徑之比(單位：m·s-1·km-1)的垂直廓線隨時(shí)間演變(災(zāi)情調(diào)查龍卷結(jié)果用黑色粗線顯示，EF2等級(jí)用實(shí)心黑點(diǎn)標(biāo)示)

龍卷渦旋特征，定義為約一個(gè)波束寬度距離(小于2 km)相鄰方位角正負(fù)速度的大值，在雷達(dá)徑向速度圖上表現(xiàn)為像素到像素大于20 m·s-1的風(fēng)切變[31]。首次滿足龍卷渦旋特征的速度出現(xiàn)在17日09:37的2.7°仰角上，接下來的6個(gè)體掃直至09:50 低層均有明顯的龍卷渦旋特征，且在09:40—09:46渦旋在不斷加強(qiáng)加深，并且距離地面越來越近，最低仰角的最強(qiáng)旋轉(zhuǎn)速度出現(xiàn)在09:42，最大速度差達(dá)到42 m·s-1，同時(shí)旋轉(zhuǎn)直徑也收縮到1 km左右，從轉(zhuǎn)動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)直徑比隨時(shí)間演變情況看，最大值出現(xiàn)在該時(shí)刻，隨后的5個(gè)體掃雖然其旋轉(zhuǎn)速度略有減弱，但低層的旋轉(zhuǎn)特征非常明顯，這個(gè)階段的龍卷渦旋特征與事后災(zāi)調(diào)的龍卷EF2位置較好對(duì)應(yīng)。09:48以后旋轉(zhuǎn)直徑進(jìn)一步增大，龍卷渦旋特征明顯減弱，直到無法清晰識(shí)別。

將廣州相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)與龍卷災(zāi)情調(diào)查對(duì)照發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)中氣旋的高度不斷下降、龍卷渦旋特征的出現(xiàn)是龍卷出現(xiàn)的主要特征，而龍卷渦旋特征加深加強(qiáng)和旋轉(zhuǎn)直徑收縮則是龍卷強(qiáng)度增加的重要標(biāo)志。

3.4 偏振量

廣州相控陣?yán)走_(dá)還觀測(cè)到龍卷關(guān)鍵發(fā)展階段的偏振量特征。圖9是龍卷弱回波眼區(qū)最顯著時(shí)刻17日09:44:23的觀測(cè)特征。在弱回波眼區(qū)中心，高反射率因子、低差分反射率和低相關(guān)系數(shù)，對(duì)應(yīng)風(fēng)速旋轉(zhuǎn)強(qiáng)切變的位置，很可能是龍卷碎片特征(TDS)[32-33]。受限于龍卷強(qiáng)度，只有個(gè)別時(shí)刻在最低層才觀測(cè)到該特征。在包圍龍卷渦旋的鉤狀回波區(qū)，中等強(qiáng)度的反射率因子和高差分反射率與對(duì)流性質(zhì)的粒子分布相對(duì)應(yīng)，意味著該區(qū)域集中著大粒子，該區(qū)域?qū)?yīng)的相關(guān)系數(shù)也在0.95以上，表示該區(qū)域主要被雨滴粒子填充，其中不排除有小型融化冰雹粒子的可能性。在鉤狀回波的西南側(cè)邊緣區(qū)域，對(duì)應(yīng)弱反射率因子、弱差分反射率和高相關(guān)系數(shù)，指示小雨滴的主要分布區(qū)域。

廣州相控陣?yán)走_(dá)也觀測(cè)到超級(jí)單體的偏振特征。在最低層仰角，差分反射率弧延展在前側(cè)下沉氣流(FFD)的反射率因子梯度區(qū)，高差分反射率值(大于4 dB)和較低的反射率因子(小于30 dBZ)，這是超級(jí)單體風(fēng)暴的獨(dú)有特征，表征由于強(qiáng)垂直風(fēng)切變篩選不同尺寸粒子導(dǎo)致大粒子集中分布[34-35]。本文中差分反射率弧的演變與前人研究的渦旋超級(jí)單體特征一致。17日09:40—09:44清晰可見差分反射率弧特征逐漸加強(qiáng)的過程，說明該過程中的風(fēng)暴渦旋也是在逐漸增強(qiáng)，出現(xiàn)強(qiáng)龍卷的可能性增加。

4 結(jié)論和討論

本文利用廣州多普勒天氣雷達(dá)和廣州X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)分析一次發(fā)生在典型環(huán)流背景下的臺(tái)風(fēng)山竹(1822)龍卷完整過程。得到主要結(jié)論如下：

1)廣州多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)到強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的形態(tài)演變和鉤狀回波的形成過程，體現(xiàn)了微型超級(jí)單體中鉤狀回波、較低仰角的強(qiáng)中氣旋和相對(duì)較長(zhǎng)生命史等特征；在高不穩(wěn)定的環(huán)境背景下，龍卷在臺(tái)風(fēng)外圍云系微型超級(jí)單體上發(fā)展起來，位于單體風(fēng)暴右后側(cè)鉤狀回波頂端的弱回波區(qū)中，雷達(dá)觀測(cè)對(duì)中氣旋強(qiáng)度的變化有指示意義。

2)低層的地形遮擋和較粗的時(shí)空分辨率均不利于廣州多普勒天氣雷達(dá)追蹤超級(jí)單體的精細(xì)結(jié)構(gòu)演變和龍卷渦旋特征。

3)廣州X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)可觀測(cè)到龍卷超級(jí)單體風(fēng)暴1 km以內(nèi)范圍的結(jié)構(gòu)連續(xù)演變特征，單體風(fēng)暴尾端在右后方的入流加強(qiáng)下，逐漸形成鉤狀回波形態(tài)，此時(shí)對(duì)流層中低層2～3 km附近的中氣旋強(qiáng)度率先達(dá)到最大，之后隨著旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的加強(qiáng)和旋轉(zhuǎn)中心高度的逐步下降，低層的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)特征逐漸明顯，當(dāng)?shù)蛯映霈F(xiàn)龍卷渦旋特征，旋轉(zhuǎn)速度超過20 m·s-1時(shí)，地面出現(xiàn)龍卷觸地，強(qiáng)中氣旋的高度不斷下降、龍卷渦旋特征的出現(xiàn)是龍卷發(fā)生的主要特征。

4)廣州X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)顯示，當(dāng)?shù)蛯育埦頊u旋強(qiáng)度達(dá)到峰值超過21 m·s-1，旋轉(zhuǎn)直徑收縮到1 km以下，地面龍卷的強(qiáng)度從EF1加強(qiáng)到EF2，在回波形態(tài)上出現(xiàn)弱回波龍卷眼區(qū)，與旋轉(zhuǎn)速度對(duì)位置對(duì)應(yīng)。所以，龍卷渦旋特征加深加強(qiáng)、旋轉(zhuǎn)直徑收縮和弱回波眼區(qū)的出現(xiàn)是龍卷強(qiáng)度增加的重要標(biāo)志。

本文僅對(duì)臺(tái)風(fēng)山竹(1822)龍卷過程的內(nèi)部渦旋結(jié)構(gòu)特征演變進(jìn)行初步分析，體現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá)對(duì)中小尺度災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，未來可結(jié)合多雷達(dá)反演的精細(xì)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)龍卷內(nèi)部的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行更深入研究。