雷州半島一次臺風外圍龍卷天氣過程分析

植江玲 李彩玲 蔡康龍 黃先香

（1 廣東省佛山市氣象局，佛山 528000；2 廣東省佛山市龍卷風研究中心，佛山 528000）

0 引言

龍卷是大氣最猛烈的大氣對流現(xiàn)象，可在短時間內造成重大的人員傷亡和財產損失[1]。由于突發(fā)性強、時空尺度小以及生命史短等特點，對龍卷的預報預警難度大，對龍卷的研究仍是中小尺度天氣學的難點。龍卷多發(fā)生在華南、華東以及東北等地的地勢平坦地帶[2]。在我國的東部沿海，部分龍卷的產生在臺風外圍（以下簡稱臺風龍卷），而華南和江浙的平原地帶和海南島作為臺風龍卷的高發(fā)區(qū)[2-3]，許多學者上述地區(qū)的臺風龍卷進行了研究。黃先香等[3]、李彩玲等[4]、鄭媛媛等[5]、鄭艷等[6]對珠江三角洲、長江三角洲和海南島等20多次臺風龍卷過程的活動特征和環(huán)境條件進行分析指出，臺風龍卷多發(fā)生在臺風前進方向的東北象限，所處的環(huán)境多為中等強度的大氣熱力不穩(wěn)定環(huán)境條件、低的抬升凝結高度和較強的低層垂直風切變，產生龍卷的風暴母體多為微型超級單體，與一般西風帶系統(tǒng)中的超級單體不同，風暴伸展高度低，產生龍卷的中氣旋尺度小。李兆慧等[7]利用地面自動氣象站觀測資料對2015年10月發(fā)生在佛山境內的一次EF3級臺風龍卷進行分析，指出氣象要素表現(xiàn)出受龍卷影響的特征，氣壓下降、風速增大、風向明顯改變，且龍卷移動路徑上風場呈氣旋性輻合。

由于觀測手段所限，災害現(xiàn)場調查仍然是分析龍卷和下?lián)舯┝鞯戎行〕叨葟婏L天氣過程的風力和精細分布的重要手段。Fujita等[8]在1970年開創(chuàng)性的開展了風災調查工作，根據破壞程度和風速的對應關系，將龍卷分成6個等級，F(xiàn)0～F5級，即“藤田級別”或F等級。2000年起，美國得克薩斯技術大學聯(lián)合多部門對F等級進行修訂，采用28類災害標識物（DI），每一類標識物有多個災害等級（DoD），調整F等級各個級別對應的風速，即為“增強藤田級別”或EF等級[9]。目前EF等級已被美國、法國和加拿大等各國廣泛使用并進行修訂[10]。雖然雷州半島作為龍卷的易發(fā)區(qū)之一[11]，但過去對發(fā)生在雷州半島的龍卷天氣的環(huán)境背景和雷達特征等研究還較少。本文利用現(xiàn)場災情調查、高空和地面常規(guī)觀測、廣東地面自動氣象站觀測資料、湛江s波段多普勒天氣雷達，對發(fā)生在雷州半島徐聞縣的一次臺風外圍龍卷過程的環(huán)境背景、物理量參數和雷達特征進行分析，以期增強對發(fā)生在雷州半島的臺風龍卷天氣過程的環(huán)境條件和風暴特征的認識，為今后同類天氣的預警提供借鑒。

1 龍卷過程及現(xiàn)場災情調查

2013年11月11日07：06—07：12（北京時，下同），廣東省湛江市徐聞縣前山鎮(zhèn)復興村、后嶺村和麟角村先后出現(xiàn)龍卷（圖1a）。經現(xiàn)場災情調查，龍卷造成瓦房被刮壞或掀頂、樹木和農作物倒伏或攔腰折斷（圖1b）。由于龍卷沒有經過地面自動氣象站，因此參照“改進的藤田級別”（Enhanced Fujita Scale, EFScale）龍卷定強標準來判斷此次龍卷的強度，根據此次龍卷災害特點，軟木樹干折斷對應的風速期望值為46.5 m/s，小于20%的屋頂受損，對應風速期望值為35.3 m/s，認定強度為EF1級，屬于弱龍卷。

圖1 龍卷移動路徑（a）及受災現(xiàn)場圖片（b）Fig. 1 Tornado path (a) and damage picture (b)

2 天氣背景

2.1 臺風海燕活動概況

2013年第30號臺風海燕于11月4日在西北太平洋生成后，強度快速增強，8日以超強臺風級登陸菲律賓中部萊特島北部沿海，橫穿菲律賓中部地區(qū)后，夜間進入南海東南部海域，11月10日下午從海南島西南部近海掠過并轉向偏北方向移入北部灣，11日05：00前后以臺風級別在越南廣寧省沿海登陸，09：00移入廣西境內。龍卷發(fā)生在11日07：00前后，距離臺風登陸越南后2.0 h，此時“海燕”處于減弱階段，為強熱帶風暴級別，龍卷發(fā)生在臺風海燕前進方向東南象限約350 km處的螺旋雨帶中（圖2）

2.2 環(huán)流背景

11月11日08時（圖3），200 hPa上雷州半島處于南海高壓脊后的輻散區(qū)，500 hPa西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）主體偏東偏南，脊線位于20°N附近，雷州半島位于副高西側邊緣與“海燕”外圍東側之間的強勁東南氣流中，同時700 hPa、850 hPa和925 hPa上低空急流風速強勁，各層風速都在20 m·s-1以上，雷州半島處于東南風與偏南風氣流輻合區(qū)，為強對流天氣的產生提供了充足的水汽和暖濕不穩(wěn)定能量；地面上，冷高壓中心位于華北到華東地區(qū)，鋒面南壓到廣西中北部，有弱冷空氣影響到廣東中南部并在雷州半島中部形成一條東北風與東南風匯合的輻合線。徐聞龍卷發(fā)生在地面冷暖空氣交界處的暖空氣一側，同時也是低空急流和高空輻散耦合的區(qū)域，提供了有利的天氣尺度動力強迫。

圖2 臺風海燕移動路徑（紅色三角形為龍卷發(fā)生地）Fig. 2 The path of Typhoon “Haiyan” (The tornado is marked by red triangle)

圖3 2013年11月11日08時環(huán)流綜合形勢Fig. 3 The synoptic map at 08:00 BT on 11 November 2013

3 環(huán)境條件分析

研究表明，龍卷的風暴母體多產生在條件不穩(wěn)定且低層水汽充沛的環(huán)境下，而對流有效位能（CAPE）和對流抑制能量（CIN）常用來表征大氣深厚濕對流發(fā)生的潛勢；抬升凝結高度、低層垂直風切變和風暴相對螺旋度也是判斷龍卷潛勢的重要對流參數[3,12-13]。

3.1 熱力條件分析

探空站觀測通常能代表站點附近100～200 km以內的大氣狀態(tài)，選取位于龍卷發(fā)生地上游最近的約50 km的?？谡镜奶娇召Y料進行分析。10日20時和11日08時（圖4），?？谡旧峡盏娘L隨高度順轉，表明低層有暖平流，各層風速都在20 m/s-1以上，風速強勁。大氣濕層從地面向上延伸到400 hPa以上，濕層深厚，400～850 hPa溫差為31 ℃，與溫度廓線接近的濕中性曲線400～850 hPa 的溫差30 ℃相差不大，表明龍卷發(fā)生在弱的條件不穩(wěn)定環(huán)境中。從表1可見，10日20時—11日08時?？谡緦α饔行荒埽–APE）從510 J/kg明顯增大為1064 J/kg，達到中等強度大小?？梢娊貙由嫌蔚貐^(qū)通過偏南氣流為兩次龍卷發(fā)生地都輸送了較好的水汽和熱量。由于低層相對濕度和露點都很大，大氣環(huán)境的對流抑制能量（CIN）都很小，表明大氣穩(wěn)定層很薄，極易觸發(fā)深厚濕對流天氣。

圖4 2013年11月10日20時（a）和11日08時（b）?？谔娇涨€（藍色和綠色實線分別為環(huán)境溫度和露點溫度，紅色實線為狀態(tài)曲線）Fig. 4 T-logP chart at Haikou sounding station at 20:00 BT on 10 November 2013 (a) and at 08:00 BT on 11 November 2013 (b) (The blue and green solid line denote the environmental temperature and dew-point temperature, the red solid line is the state curve)

表1 2013年11月10日20時和11日08時海口探空站環(huán)境參數Table 1 Parameters of Haikou Sounding Station at 20:00 BT on 10 November 2013 and at 08:00 BT on 11 November 2013

3.2 水汽條件分析

有利于中氣旋龍卷的環(huán)境條件需要較大的低層相對濕度，較高的低層相對濕度有助于風暴母體的下沉氣流不至于太強[14-15]。10日20時和11日08時（圖4），?？谡镜臏貪裉娇涨€顯示近地層相對濕度很大，濕層從地面向上伸展到400 hPa，非常深厚。大氣環(huán)境中低層的水汽充沛，為雷暴的生成提供了充足的能量來源，且大氣中低層較大的濕度不利于中層空氣卷入導致的蒸發(fā)冷卻形成負浮力，導致下沉氣流不會太強，配合低層飽和的大氣環(huán)境保證了風暴后側的下沉氣流形成的冷池強度不至于太強，配合風暴前部的暖濕上升氣流，使得近地面的水平順流渦度傾斜和拉伸形成垂直渦度，有利于龍卷的發(fā)生。

3 .3 垂直風切變分析

研究表明，中等到強的深層垂直風切變是產生超級單體風暴和冰雹的必要條件之一[12]，而要產生超級單體龍卷，還需要強的0～1 km垂直風切變和低的抬升凝結高度，低空垂直風切變是造成龍卷的主要動力，可以將低層斜壓水平渦度傾斜扭轉形成垂直渦度，而低的抬升凝結高度則有利于渦旋觸地形成龍卷[16-17]。從附近?？谡镜奶娇召Y料可知（表1），10日20時和11日08時，?？谏峡盏奶Y高度都較低，高度都在300 m以下，有利于雷暴的觸發(fā)。由于雷州半島到?？谡靖浇继幱谂_風海燕和副高之間氣壓梯度大值區(qū)，東南風急流強盛，10日20時，“海燕”強度為臺風級，距離?？谡据^近，此時0～6 km和0～1 km的垂直風切變都很強，分別為3.8×10-3/s和33.1×10-3/s；隨著“海燕”登陸后摩擦近地面風速迅速減弱，11日08時的0～6 km垂直風切變和0～1 km垂直風切變有所減弱為3.6×10-3/s和13.4×10-3/s。Thompson等[18]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)產生超級單體龍卷的0～6 km垂直風切變下限值為3×10-3/s ，0～1 km垂直風切變下限值為5.5×10-3/s。此次龍卷過程的0～6 km垂直風切變都超過統(tǒng)計值下限，而0～1 km垂直風切變顯著大于下限值，雖然“海燕”臺風龍卷發(fā)生在垂直風切變減弱的過程，但過程中仍維持較強的0～1 km垂直風切變，有利于龍卷的產生。

4 自動站觀測

超級單體中的下沉氣流對龍卷的生成至關重要，當其與環(huán)境之間形成的溫差存在一個平衡點，即通常下沉氣流形成的冷出流與環(huán)境之間的溫差小于4 ℃時，有利于近地面垂直渦度的發(fā)展從而形成龍卷[19]。從07:05的廣東省地面自動氣象站觀測溫度分布顯示（圖5），龍卷風暴母體的下沉氣流導致的地面冷池氣溫約為24～25 ℃，周圍環(huán)境的溫度約為26～29 ℃，兩者的溫差約為1～5 ℃，較小的溫差有助于近地面垂直渦度的加強，從而有利于龍卷的形成。

圖5 2013年11月11日07：05地面自動氣象站觀測溫度（單位：℃，□為龍卷發(fā)生地）Fig. 5 Temperatures of automatic weather stations at 07:05 BT 11 November 2013 (unit:℃, the tornado is marked by red square)

進一步分析地面自動站風場發(fā)現(xiàn)，11日06：30（圖6a），在龍卷發(fā)生前，龍卷生成地附近已經有一條地面輻合線和小尺度渦旋存在。這個渦旋和輻合線隨時間向東北方向移動。07：10（圖6b），小尺度渦旋移動到徐聞縣復興村附近時風場的氣旋性渦旋特征更為明顯，風暴單體強烈發(fā)展產生龍卷。渦旋的路徑走向和龍卷的移動路徑對應較好，對比地面輻合線、渦旋和龍卷出現(xiàn)時間，輻合線和渦旋提前于龍卷出現(xiàn)，可見地面風場輻合線和小尺度渦旋為此次強對流系統(tǒng)提供了有利的抬升觸發(fā)條件。

5 雷達回波演變特征

圖6 2013年11月11日06：30（a）和07：10（b）地面自動氣象站風場（紅色圓圈為龍卷發(fā)生地）Fig. 6 Winds of automatic weather stations at 06:30 BT (a) and 07:10 BT (b) 11 November 2013 (The tornado is marked by red circle)

圖7 2013年11月11日07：00（a、d），07:06（b、e），07：12（c、f）湛江S波段雷達0.5°仰角反射率因子（單位：dBZ）和和徑向速度圖（單位：m·s-1）（白色圓圈為鉤狀回波和中氣旋，黑色圓圈為TVS）Fig. 7 The reflectivity (unit: dBZ) and radial velocity (unit: m·s-1) of 0.5°elevation by Zhanjiang S-band radar at 07:00 (a, d),07:06 (b, e) and 07:12 (c, f) BT on 11 November 2013 (white circles are hook echoes and mesocyclones, black circles are TVS)

湛江多普勒雷達 0.5°仰角反射率因子產品顯示，2013年11月11日早晨，1330號臺風海燕外圍不斷有回波自海南島方向向北移動影響雷州半島，產生徐聞龍卷的對流風暴母體是來自從瓊州海峽向北移動的一對流風暴。06：30，對流風暴從海南島向北移動進入瓊州海峽。07：00（圖7a），對流風暴北上靠近徐聞復興村沿岸，最強反射率因子為54 dBZ，此時風暴已經呈現(xiàn)出低層鉤狀回波和與暖濕氣流相連接的入流缺口回波等特征，屬于微型超級單體風暴。07：06—07：12（圖7b—c），對流風暴上岸進入徐聞縣復興村境內，然后北上影響后嶺村和連角村，最強反射率因子為56 dBZ。07：18—07：24（圖略），對流風暴向北偏西方向移動，遠離連角村，強度維持（56 dBZ）。對應0.5°仰角平均徑向速度圖上，06：42—06：52（圖略），對流風暴在海上時雷達在微型超級單體風暴勾狀回波附近持續(xù)探測到強中氣旋；06：42，中氣旋旋轉速度為26 m/s，底高約1.7 km，最大入流速度和出流速度中心距離約為3.4 km，且在在中氣旋中心探測到龍卷渦旋特征（TVS），TVS切變?yōu)?0 m/s；06：48—06：52，中氣旋直徑縮小至1.7 km左右，并且在中氣旋中心繼續(xù)探測到龍卷渦旋特征（TVS），TVS切變?yōu)?2.0～53.0 m/s，底高約1.4～1.6 km。07：00（圖7d），中氣旋出流速度出現(xiàn)速度模糊，退速度模糊后中氣旋旋轉速度為32 m/s，在中氣旋中心仍然探測到TVS特征，切變值為54 m/s。07：06（圖7c），對流風暴快上岸前，中氣旋旋轉速度為30 m/s，TVS切變增強為57 m/s，底高為1.2 km。07：12（圖7d），對流風暴上岸進入復興村，中氣旋旋轉速度為31 m/s，TVS切變增強為54 m/s，中氣旋底高為1.1 km。07：18開始，中氣旋強度迅速減弱，旋轉速度減弱為17 m/s，減弱為中等強度中氣旋，中氣旋中心仍然探測到像素到像素的類TVS特征，切變值為34 m/s。17：24，旋轉速度減小為15 m/s，減弱為弱中氣旋。結合雷達觀測資料，判斷徐聞縣的龍卷是在徐聞縣的龍卷是發(fā)生在11月11日07：06—07：12，07：12—07：18減弱消失，持續(xù)時間約為6 min，龍卷出現(xiàn)在微型超級單體風暴右后側的鉤狀回波頂端、中氣旋中心及TVS附近。鉤狀回波和強中氣旋提前于龍卷超過30 min，龍卷出現(xiàn)前中氣旋和TVS旋轉速度處于最強階段，底高降到1.1 km附近。07：18后，雖然回波強度維持，但中氣旋迅速減弱后，龍卷消失。

6 結論

本文利用常規(guī)高空和地面觀測、廣東省地面自動站觀測和湛江S波段多普勒天氣雷達數據以及現(xiàn)場災害調查資料等，對2013年11月11日早上湛江市徐聞縣龍卷的天氣背景、環(huán)境條件、自動站觀測和雷達回波等觀測事實進行分析，主要結果如下：

此次龍卷在臺風外圍螺旋雨帶中出現(xiàn)的，強度為EF1級，影響時間約為6 min，龍卷發(fā)生在臺風前進方向的右前側的東北象限內，距離臺風中心約350 km。龍卷發(fā)生時，“海燕”強度處于減弱階段，為強熱帶風暴量級。

龍卷發(fā)生副高和臺風之間的強勁東南氣流影響的環(huán)流形勢下，高空輻散和低空各層急流耦合的配置為龍卷提供了有利的天氣尺度動力強迫。龍卷發(fā)生前，臨近的海口探空表現(xiàn)為中等強度對流有效位能、低的對流抑制能量和抬升凝結高度、強的0～6 km和0～1 km垂直風切變，尤其是低層0～1 km垂直風切變遠遠大于統(tǒng)計值下限，有利于龍卷等強對流天氣的發(fā)生。充足的水汽為強對流天氣的發(fā)生奠定了物質基礎，尤其是低層大的相對濕度不利于中層空氣卷入導致的蒸發(fā)冷卻形成負浮力，導致下沉氣流不會太強，有助于龍卷的產生。

3）分析地面自動氣象站風場發(fā)現(xiàn)，地面層的中尺度輻合線和小尺度渦旋提前于龍卷出現(xiàn)，龍卷發(fā)生在小尺度渦旋附近，輻合線和小尺度渦旋為龍卷的產生提供了有利的動力抬升作用。地面自動氣象站溫度觀測顯示，龍卷風暴母體的下沉氣流導致的地面冷池氣溫約為24～25 ℃，周圍環(huán)境的溫度約為26～28 ℃，兩者的溫差約為1～4 ℃，較小的溫差有助于近地面垂直渦度的加強，從而有利于龍卷的形成。

4） 龍卷產生于臺風外圍螺旋雨帶中低質心的微超級單體，低層具有鉤狀回波和入流缺口特征，對應徑向速度圖上低層出現(xiàn)中等到強中氣旋和TVS特征，中氣旋和TVS伸展高度在2 km以下，龍卷觸地前，中氣旋強度增大，直徑縮小，底高降低，TVS特征較龍卷提前約24 min出現(xiàn)。龍卷出現(xiàn)在鉤狀回波的弱回波區(qū)附近，當中氣旋逐漸增強、直徑收縮、底高不斷降低時龍卷觸地產生。