江蘇臺風龍卷環(huán)境條件與雷達關(guān)鍵特征分析*

慕瑞琪 徐 芬 孫康遠 李 峰 王 易

1 江蘇省氣象臺，南京 210044

2 南京氣象科技創(chuàng)新研究院，南京 210009

3 中國氣象局交通氣象重點開發(fā)實驗室，南京 210009

4 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081

提 要： 利用常規(guī)觀測、自動站、多普勒天氣雷達以及美國環(huán)境預報中心的全球再分析資料，分析江蘇2007—2018年間的臺風龍卷活動時空分布特征、龍卷產(chǎn)生的環(huán)境條件及多普勒雷達關(guān)鍵特征，并與廣東臺風龍卷相應(yīng)特征進行對比。結(jié)果表明：江蘇臺風龍卷與過去相比發(fā)生頻次有所增加，主要集中在7—8月，且主要發(fā)生于午后的16—20時；比起廣東臺風龍卷多發(fā)生于臺風登陸后的24 h以內(nèi)，江蘇臺風龍卷多發(fā)生于登陸24 h之后,位于臺風中心的東北象限，多集中于江淮中部以及西北部地區(qū)；低空急流輸送充足的水汽和不穩(wěn)定能量，為龍卷的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件，地面輻合線是龍卷發(fā)生發(fā)展的重要系統(tǒng)；江蘇和廣東龍卷均發(fā)生在對流不穩(wěn)定能量不大、抬升凝結(jié)高度較低、深層(0～6 km)和低層(0～1 km)垂直風切變較大以及風暴相對螺旋度較大的環(huán)境下，但從均值來看，廣東龍卷的對流有效位能和對流抑制能更小，抬升凝結(jié)高度更低，具有更大的深層(0～6 km)和低層(0～1 km)垂直風切變，且風暴相對螺旋度較?。唤K臺風龍卷單體約有2/3伴隨龍卷渦旋特征(TVS)，產(chǎn)生強龍卷的雷暴單體生命期同時伴隨有中氣旋和TVS特征。當TVS的最低仰角速度差超過23 m·s-1時，更易產(chǎn)生強龍卷。與廣東臺風龍卷TVS關(guān)鍵特征量對比顯示，江蘇地區(qū)產(chǎn)生龍卷的TVS最低仰角速度差和最大切變值均偏小(最大切變值為廣東的1/3)。

引 言

龍卷作為一種最強烈的災(zāi)害性天氣，破壞性極強，由于尺度小、生消快，常規(guī)的觀測資料往往很難監(jiān)測到，預報預警難度大，可造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。美國在龍卷探測和研究方面取得了大量成果，Brown et al(1978)通過觀測資料發(fā)現(xiàn)伴隨在龍卷過程中的、比中氣旋尺度更小的速度場渦旋特征，可稱之為龍卷渦旋特征(tornadic vortex signature，TVS)，當中氣旋和TVS同時被探測到時，龍卷的發(fā)生概率明顯提高(Doswell Ⅲ，2001)。Brooks et al(2003)研究了有利于龍卷發(fā)生的環(huán)境條件，找出了影響龍卷產(chǎn)生的關(guān)鍵因子包括對流有效位能(convective available potential energy，CAPE)、深層及低層垂直風切變(vertical wind shear，VWS)、抬升凝結(jié)高度(lifting condensation level，LCL)、風暴相對螺旋度(storm relative helicity，SRH)等。熱帶氣旋通常會生成龍卷(簡稱臺風龍卷)(Bai et al，2020),據(jù)統(tǒng)計,在1948—1986年間登陸美國的颶風中, 約59%至少有一個龍卷生成(McCaul,1991)，Schultz and Cecil(2009)指出，84%的颶風龍卷發(fā)生在颶風登陸前12 h至登陸后48 h內(nèi)，峰值是登陸后的0～12 h。

我國也時常受到龍卷的侵害。范雯杰和俞小鼎(2015)研究中國龍卷的時空分布表明，龍卷多出現(xiàn)在丘陵山區(qū)及沿海、沿湖地區(qū)，主要發(fā)生在春、夏兩季。馮佳瑋等(2017)研究了中國三個龍卷頻發(fā)區(qū)(珠三角、江蘇、東北地區(qū))的環(huán)流背景和環(huán)境物理量特征，并比較它們之間的區(qū)域差異。徐芬等(2021)統(tǒng)計分析了江蘇龍卷的時空分布、等級分布、天氣背景特征及風暴形態(tài)特征。黃先香等(2019a；2019b)分析了珠三角臺風龍卷的活動特征、龍卷產(chǎn)生的環(huán)境場特征，并對臺風艾云尼引發(fā)的龍卷進行了深入分析。李峰等(2020)梳理美國近20年龍卷探測雷達技術(shù)和觀測研究，提出我國應(yīng)參照其成功經(jīng)驗，汲取其技術(shù)成果，為構(gòu)建龍卷監(jiān)測預警業(yè)務(wù)提供科學支撐。鄭媛媛等(2015)和刁秀廣等(2019)分析臺風產(chǎn)生龍卷的環(huán)境物理量特征，得出低層高濕、強的VWS和大的SRH是關(guān)鍵物理量。沈樹勤(1990)對臺風龍卷的研究指出，龍卷產(chǎn)生于臺風的右前象限，距離臺風中心300～400 km。多普勒雷達是探測和預警龍卷的最有力工具，何彩芬等(2006)、蔣義芳等(2009) 對發(fā)生在臺風前部龍卷過程的多普勒雷達回波特征進行了個例分析，王秀明和俞小鼎(2019)利用多源資料對熱帶一次致災(zāi)龍卷的環(huán)境特征和龍卷形成的物理過程進行了深入探討。朱君鑒等(2019)對登陸臺風摩羯在山東引發(fā)的龍卷進行了災(zāi)情調(diào)查與天氣雷達的識別。此外，一些學者們還對龍卷影響過程進行了數(shù)值模擬(李佳等，2017；王霽吟等，2019；陳鋒等，2019)。

江蘇省是中國龍卷(范雯杰和俞小鼎,2015；Chen et al,2018)天氣最頻發(fā)的省份。過去42年來, 造成中國傷亡人數(shù)最多的龍卷亦發(fā)生在江蘇省(Meng et al,2018)。統(tǒng)計表明, 江蘇省約20%的龍卷過程與臺風有關(guān)(鄭媛媛等,2015)。在1962—1984年和2005—2014年分別有18次和5次臺風龍卷記錄(沈樹勤,1990；鄭媛媛等,2015)。江蘇省經(jīng)濟發(fā)達、人口密度大、交通縱橫、城市化水平高，龍卷發(fā)生所造成的災(zāi)害損失和人員傷亡較大，因此，加強龍卷的分析對防災(zāi)減災(zāi)意義重大。目前對江蘇龍卷的研究仍以個例分析為主，尤其近年間對于臺風龍卷的活動特征及環(huán)境條件研究較少。本文利用多源觀測資料對江蘇2007—2018年發(fā)生的臺風龍卷的時空分布特征、環(huán)境條件及雷達關(guān)鍵特征進行了分析，并與廣東臺風龍卷進行對比，以期為臺風龍卷的短時臨近預報和監(jiān)測預警提供參考。

1 資料與方法

本文龍卷資料主要來源于江蘇省氣候中心龍卷檔案、江蘇各市氣象災(zāi)害檔案、與江蘇龍卷相關(guān)的已發(fā)表的研究論文、《中國氣象災(zāi)害年鑒》以及新聞媒體的視頻報道等。近年來公眾及網(wǎng)絡(luò)媒體對災(zāi)害性天氣的關(guān)注增高，越來越多發(fā)生在白天的龍卷被拍攝記錄下來，確保了龍卷數(shù)據(jù)集的真實和完整。在龍卷實況災(zāi)情的收集過程中，主要依靠災(zāi)情調(diào)查和新聞媒體的視頻報道、無人機連續(xù)大范圍的航拍，加上多普勒雷達、自動站等資料綜合判斷，確保了龍卷樣本的客觀真實。

對龍卷的記錄采用了Bai et al(2020)的方法。表1給出了江蘇2007—2018年11年間臺風龍卷概況以及災(zāi)情統(tǒng)計特征，共有7次臺風龍卷過程，產(chǎn)生了12個龍卷。該龍卷個數(shù)發(fā)生比例與廣東臺風龍卷相似(黃先香等，2019a)。

表1 2007—2018年江蘇臺風龍卷過程概況Table 1 Statistics of disaster situation of typhoon-tornadoes in Jiangsu during 2007-2018

2 臺風龍卷的時空分布特征

由表1可見，2007—2018年間江蘇共有7個臺風產(chǎn)生了12個龍卷過程，均為臺風登陸減弱后形成的龍卷，年均0.58個臺風產(chǎn)生龍卷，略高于21世紀前的年均0.5個的發(fā)生概率(沈樹勤,1990)，但遠低于同年梅汛期龍卷年均1次的發(fā)生概率。影響江蘇地區(qū)的臺風生成龍卷個數(shù)比例有所上升，從過去的1.63 上升至1.71。2007—2018年間0808號“鳳凰”產(chǎn)生4個龍卷、1211號“海葵”和1818號“溫比亞”均產(chǎn)生2個龍卷，為多發(fā)龍卷臺風；0715號“羅莎”、1410號“麥德姆”、1710號“海棠”、1814號“摩羯”均產(chǎn)生1個龍卷，為少發(fā)龍卷臺風。7個影響江蘇的臺風中有2個產(chǎn)生了EF2及以上的強龍卷，其余均為EF0～ EF1級的弱龍卷，總體來看臺風龍卷的致災(zāi)強度低于同年梅汛期龍卷。

2.1 臺風龍卷的時間分布特征

圖1給出了2007—2018年江蘇和廣東臺風龍卷的時間分布特征。江蘇臺風龍卷主要集中在7月、8月，8月最為多發(fā)，占總數(shù)的50 %，10月偶有發(fā)生，其余月份均無龍卷出現(xiàn)，7月、8月副熱帶高壓北推至長江流域，也是江蘇地區(qū)受臺風影響最多的月份。從臺風龍卷發(fā)生的日變化分布來看，臺風龍卷呈現(xiàn)出明顯的日變化特征，午后(16—20時)發(fā)生頻率最高，占總數(shù)的83%，這是因為午后大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增大，垂直運動強，有利于龍卷天氣的形成和維持。與廣東臺風龍卷時間分布特征對比來看，由于6—10月為珠三角熱帶氣旋活躍期，其相應(yīng)產(chǎn)生的龍卷也發(fā)生于該時間段，長于江蘇地區(qū)，但仍以8月最為多發(fā)，兩個地區(qū)日變化特征略有不同，廣東臺風龍卷白天(06—20時)均會發(fā)生，而江蘇臺風龍卷主要集中在午后。

圖1 2007—2018年江蘇和廣東臺風龍卷的(a)月分布特征和(b)日變化分布對比Fig.1 (a) Monthly and (b) hourly distributions of typhoon-tornadoes in Jiangsu and Guangdong during 2007-2018

2.2 臺風龍卷的空間分布特征

圖2給出了江蘇臺風龍卷的空間分布情況。從圖中可以看出，2007—2018年江蘇省臺風龍卷多發(fā)區(qū)域主要集中在江淮中部以及西北部的徐州地區(qū)，呈西北—東南向帶狀分布。其中發(fā)生在徐州的臺風龍卷最多，達4個。2000年以前，江蘇東南部始終是龍卷發(fā)生的頻繁區(qū)，與過去相比，臺風龍卷多發(fā)地帶呈現(xiàn)北抬和向內(nèi)陸移動的趨勢。龍卷多發(fā)的徐州地區(qū)北臨微山湖，江淮之間的淮安、揚州、泰州地區(qū)緊鄰洪澤湖和高郵湖，由此可見江河湖海等大型水體可能促進龍卷的生成。

圖2 2007—2018年江蘇臺風龍卷地域分布特征Fig.2 Geographical distribution of typhoon-tornadoes in Jiangsu during 2007-2018

3 江蘇引發(fā)龍卷的臺風路徑

和廣東臺風龍卷多由西行的臺風引發(fā)不同的是，江蘇引發(fā)龍卷的臺風路徑以西北行為主(圖3)，臺風生成后從菲律賓以東向西北方向移動，在福建—浙江、上海一帶登陸，除“羅莎”外，其他臺風均在登陸后繼續(xù)向西北偏北方向移動。當臺風中心位于福建北部—江西北部—安徽南部一帶時，江淮地區(qū)易出現(xiàn)龍卷，而當臺風中心位于安徽中北部—河南東部駐馬店一帶時，江蘇西北部地區(qū)易出現(xiàn)龍卷。

圖3 2007—2018年引發(fā)江蘇龍卷的臺風路徑(紅框表示出現(xiàn)龍卷時臺風中心位置)Fig.3 The contrastive tracks of tornadic typhoons during 2007-2018(Red frames represent position of the typhoon center at the time of tornado genesis)

沈樹勤(1990)的研究顯示，江蘇臺風龍卷一般出現(xiàn)在臺風開始登陸迅速減弱階段。江蘇臺風龍卷均發(fā)生于臺風登陸之后，約有75%的龍卷發(fā)生在臺風登陸24 h之后，峰值出現(xiàn)在臺風登陸后的36～48 h 內(nèi)，占總數(shù)的42%(5個)。而廣東臺風龍卷的高發(fā)時段主要在臺風登陸后24 h內(nèi)(黃先香等，2019a)。從龍卷發(fā)生時的臺風強度變化情況看(表2)，大多數(shù)臺風在生成龍卷時的強度為熱帶低壓(42%)和熱帶風暴(33%)，另有約17%和8%的龍卷分別產(chǎn)生于強度為臺風和臺風停編時，沒有發(fā)現(xiàn)在強熱帶風暴和強臺風環(huán)境下生成的龍卷案例，而廣東臺風龍卷發(fā)生時，臺風強度在熱帶低壓到強臺風量級之間，其中維持在熱帶風暴以上量級的約占73%(黃先香等，2019a)。影響廣東地區(qū)產(chǎn)生龍卷的臺風多在廣東及其以南地區(qū)登陸，故龍卷發(fā)生時臺風強度減弱較慢，強于江蘇龍卷發(fā)生時的臺風強度，臺風登陸后龍卷的發(fā)生時間也早于江蘇地區(qū)。

表2 2007—2018年江蘇龍卷發(fā)生時的臺風強度Table 2 Typhoon intensities at the occurrence time of tornadoes during 2007-2018 in Jiangsu

從龍卷與臺風中心的相對位置來看(圖4)，除一個龍卷發(fā)生在臺風中心的正東方向外，江蘇臺風龍卷主要分布在相對于臺風中心的東北象限，這與Bai et al(2020)研究指出的中國臺風龍卷主要分布在相對于臺風中心的東北象限的結(jié)論一致。而龍卷發(fā)生地的位置主要集中在距離臺風中心250～500 km范圍，平均值為336 km。

圖4 2007—2018年江蘇龍卷發(fā)生地與臺風中心的位置關(guān)系(單位：km)Fig.4 The relationship between the typhoon center and the tornado location in Jiangsu during 2007-2018 (unit: km)

4 臺風龍卷發(fā)生的環(huán)境條件分析

4.1 臺風龍卷大尺度環(huán)流背景

龍卷作為一種小尺度強對流天氣系統(tǒng)，通常發(fā)生在一定的大尺度環(huán)流背景之下。參照“鄰(臨)近原則”(章國材，2011)，利用龍卷發(fā)生前最近時次的1°×1°全球再分析資料(FNL)對龍卷的環(huán)流形勢進行合成，分別合成了9次臺風龍卷過程的500、850和925 hPa的高度場(圖5)。由圖5可見，龍卷發(fā)生時，500 hPa臺風中心平均位置在安徽池州的南部，副熱帶高壓東退于海上，江蘇處于臺風東側(cè)以及副熱帶高壓西側(cè)之間的強盛偏南到東南氣流當中，中低層存在東南風急流，850 hPa和925 hPa的急流強度達到18 m·s-1以上。

圖5 江蘇9次臺風龍卷過程環(huán)流形勢合成(實線：等高線，單位：dagpm；填色和風羽：風速)(a)500 hPa，(b)850 hPa，(c)925 hPaFig.5 Composite synoptic situation of nine typhoon-tornado processes in Jiangsu (solid line: contour line, unit: dagpm; shaded and wind barb: wind speed)(a) 500 hPa， (b) 850 hPa， (c) 925 hPa

廣東臺風龍卷發(fā)生前合成的環(huán)境場(黃先香等，2019a)顯示(圖略)，無論是強龍卷還是弱龍卷，龍卷發(fā)生前的環(huán)境場與江蘇類似，珠三角地區(qū)也處于臺風東側(cè)以及副熱帶高壓西側(cè)之間的東南氣流當中，中低層在珠江口附近存在東南偏南急流，850 hPa和925 hPa的東南急流均在16 m·s-1以上，強龍卷過程甚至達到20 m·s-1以上，各層東南急流軸的位置非常接近。

以上分析表明，強盛的低空急流輸送充足的水汽和不穩(wěn)定能量，促使層結(jié)不穩(wěn)定性增強，為龍卷的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。

4.2 臺風龍卷對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)

龍卷的發(fā)生需要合適的動力、熱力和水汽條件。為了更好地認識有利于臺風龍卷發(fā)生的大氣環(huán)境條件，分別利用龍卷發(fā)生前最靠近時次FNL資料和距離最近的探空站資料計算了江蘇9次臺風龍卷過程環(huán)境的CAPE、對流抑制能(convective inhibition，CIN)、SRH、LCL、0～1 km垂直風切變、0～6 km垂直風切變。對FNL再分析資料與探空資料接近時刻進行定性對比，兩者物理量變化趨勢相似，合成結(jié)果具有參考性。

圖6是9次臺風龍卷過程靠近龍卷發(fā)生時刻前的物理量平均場，從對流層低層850 hPa的渦度場(圖6a)可見，江蘇的西南側(cè)安徽至江西、福建地區(qū)有顯著的氣旋性渦度發(fā)展，正渦度中心值為10×10-5s-1，且此區(qū)域也是假相當位溫(θse)的大值區(qū)(圖6b)，θse中心值超過354 K，江蘇龍卷發(fā)生于正渦度中心東北側(cè)以及θse鋒區(qū)東北暖濕空氣一側(cè)，這與第3節(jié)的統(tǒng)計分析結(jié)果一致。從850 hPa風場與水汽通量散度的疊加(圖6c)上，江蘇龍卷發(fā)生在沿南到東南氣流形成的水汽通量輻合中心附近，對流層低層有暖濕氣流輸送并在龍卷發(fā)生地集中，使得低層大氣非常潮濕。

圖6 江蘇9次臺風龍卷過程的(a)850 hPa渦度、(b)假相當位溫(θse)及(c)水汽通量散度與風場的合成Fig.6 Composite graphs of the (a) 850 hPa vorticity， (b) θse and (c) divergence of moisture flux with wind field of nine typhoon-tornado processes in Jiangsu

從江蘇(表3)和廣東(黃先香等，2019a)探空計算的環(huán)境參數(shù)對比可以看出，兩個區(qū)域龍卷過程的環(huán)境條件共同特征為：CAPE值不太大，CIN較小，LCL較低，深層(0～6 km)和低層(0～1 km)垂直風切變較大，SRH值較高。江蘇臺風龍卷的CAPE值平均為1 255.5 J·kg-1，而廣東臺風龍卷的CAPE值更低，平均僅為314.4 J·kg-1。臺風龍卷與西風帶超級單體龍卷不同，在其龍卷發(fā)生前的CAPE值不大，主要是由于臺風龍卷產(chǎn)生前多已經(jīng)產(chǎn)生降水，不穩(wěn)定能量已部分得到釋放。較低的LCL有利于水汽迅速凝結(jié)，導致深厚濕對流的觸發(fā)，研究表明(俞小鼎等，2006；鄭媛媛等，2015)，LCL>1 200 m會大大降低龍卷產(chǎn)生的概率。江蘇除“麥德姆”龍卷LCL為1 700 m外，其他均在400 m以下。強的垂直風切變會增加對流風暴內(nèi)部氣流的強度，使其更易組織化，且十分有利于產(chǎn)生龍卷形成與發(fā)展所需的渦度增長。江蘇龍卷過程中，0～6 km為0.8×10-3～2.9×10-3s-1，0～1 km有5次過程達到10×10-3s-1以上。SHR高值中心與龍卷頻發(fā)位置基本一致(馮佳瑋等，2017)，江蘇臺風龍卷發(fā)生前SHR普遍較大，有5次在200 m2·s-2以上，1818號“溫比亞”甚至達到了960 m2·s-2，但也有3次臺風龍卷的SRH在100 m2·s-2以下。

表3 2007—2018年江蘇臺風龍卷的環(huán)境參數(shù)Table 3 Environmental parameters of typhoon-tornadoes in Jiangsu during 2007-2018

從均值來看，廣東龍卷的CAPE和CIN更小，LCL更低，具有更大的深層(0～6 km)和低層(0～1 km)垂直風切變，且SRH較小。產(chǎn)生這些差異的可能原因為廣東地區(qū)溫濕條件更好，更低的LCL易于水汽快速凝結(jié)，降水顯著，不穩(wěn)定能量進一步釋放，且廣東龍卷產(chǎn)生時臺風強度更強，使得垂直風切變更強。

4.3 臺風龍卷的環(huán)境地面中尺度特征

在有利的大尺度環(huán)境背景下，龍卷的產(chǎn)生通常與地面中小尺度輻合關(guān)系密切。分析了12次龍卷發(fā)生前地面自動站風場，圖7為多發(fā)龍卷(1818號“溫比亞”)和單個龍卷(1710號“海棠”)發(fā)生前最接近時刻的地面風場，發(fā)現(xiàn)在龍卷發(fā)生前地面圖上存在清晰的輻合線，龍卷發(fā)生在地面輻合線以北、臺風低壓中心的東北側(cè)。且整個江蘇地區(qū)均處于暖區(qū)當中，沒有明顯的溫度梯度，龍卷一般發(fā)生于遠離冷暖邊界的暖區(qū)當中，這是由于在冷區(qū)下部的冷空氣較冷、較厚，龍卷無法生成，這與鄭媛媛等(2015)對江蘇4個臺風龍卷的統(tǒng)計結(jié)果一致。

圖7 (a)2018年8月18日17時和(b)2017年8月1日17時地面填圖(綠色圓點為龍卷發(fā)生地)Fig.7 Surface synoptic charts at (a) 17：00 BT 18 August 2018 and (b) 17：00 BT 1 August 2017(Green dots represent the occurrence areas of tornadoes)

從黃先香等(2019a)對珠三角地區(qū)臺風龍卷過程的地面中尺度特征分析也可以看出，在龍卷發(fā)生前，龍卷風暴移動方向上均存在地面輻合線和小尺度渦旋，小尺度渦旋沿著地面輻合線方向移動，強烈發(fā)展產(chǎn)生龍卷，其移動路徑與小尺度渦旋的移動路徑一致。

以上分析表明，在特定的環(huán)境背景下，地面輻合線和中小尺度渦旋是龍卷發(fā)生發(fā)展的重要系統(tǒng)，對地面風場的分析有助于龍卷的預報預警。

5 江蘇臺風龍卷雷達關(guān)鍵特征分析

鄭媛媛等(2015)通過對產(chǎn)生于江蘇、廣東、浙江等地幾次強臺風龍卷的雷達關(guān)鍵特征進行初步統(tǒng)計認為臺風影響導致的龍卷根據(jù)中氣旋或TVS的出現(xiàn)進行預警具有一定的提前時間，比西風帶系統(tǒng)影響造成龍卷的尺度更小，伸展高度更低。詳細統(tǒng)計分析臺風龍卷雷暴單體關(guān)鍵特征有助于預報員識別具有產(chǎn)生龍卷可能性的單體。

5.1 雷達關(guān)鍵特征處理

為統(tǒng)一統(tǒng)計的標準，本節(jié)所涉及的龍卷雷達數(shù)據(jù)集均為龍卷日龍卷事件發(fā)生前3 h至結(jié)束后3 h時間段并能有效覆蓋龍卷發(fā)生地點的雷達站的雷達基數(shù)據(jù)。經(jīng)過徑向速度退模糊算法后的基數(shù)據(jù)分別采用Stumpf et al(1998)的中氣旋識別方法和Mitchell et al(1998)的TVS識別方法進行雷達關(guān)鍵特征提取處理，兩種方法被廣泛應(yīng)用于美國氣象部門和中國氣象部門，統(tǒng)計結(jié)果有助于業(yè)務(wù)應(yīng)用。由于TVS特征結(jié)構(gòu)尺度較小，受徑向速度數(shù)據(jù)質(zhì)量影響仍會出現(xiàn)誤判結(jié)果，本文為確保TVS關(guān)鍵特征統(tǒng)計的準確性，基于TVS算法識別結(jié)果，結(jié)合人工核對相應(yīng)徑向速度圖像的渦旋特征，剔除因速度數(shù)據(jù)質(zhì)量問題導致的錯誤TVS識別結(jié)果。

通常龍卷發(fā)生后持續(xù)時間較短，且由于觀測和認定手段有限，絕大部分結(jié)束時間無法準確確認，因此本節(jié)把演變過程中任一時次或多時次與龍卷事件有關(guān)的中氣旋(或TVS)稱為龍卷中氣旋(或龍卷TVS)。其他中氣旋(或TVS)被認為非龍卷中氣旋(或TVS)。龍卷中氣旋(或TVS)顯著特征采用龍卷發(fā)生時刻的中氣旋(或TVS)結(jié)構(gòu)特征進入統(tǒng)計。

5.2 江蘇臺風龍卷關(guān)鍵特征統(tǒng)計分析

2007—2018年間江蘇在7個臺風影響下產(chǎn)生的12次龍卷過程，其中33.3%的臺風龍卷單體無中氣旋和TVS伴隨，67.7%的臺風龍卷單體伴隨TVS特征，只有16.7%的臺風龍卷單體同時伴隨有中氣旋和TVS特征。同時伴隨有中氣旋和TVS特征的臺風龍卷單體所產(chǎn)生的龍卷級別均為EF2級強龍卷。而其他無中氣旋、無TVS特征伴隨或僅有TVS伴隨的臺風龍卷單體所產(chǎn)生的龍卷均為EF0～EF1級的弱龍卷。由于江蘇臺風龍卷中氣旋出現(xiàn)次數(shù)極低，下文只統(tǒng)計分析江蘇臺風龍卷的TVS特征值。為分析臺風龍卷單體本身結(jié)構(gòu)特征，還統(tǒng)計了TVS提前于龍卷出現(xiàn)的時間，TVS的持續(xù)時間、平均底高和頂高、厚度、平均最大切變、龍卷時刻的最大切變值、最大切變值所在高度和最低仰角速度差(lowest level difference velocity，LLDV)，以及表征龍卷單體強度的最大回波強度值及所在高度(表4)。

表4 2007—2018年江蘇臺風龍卷TVS特征Table 4 TVS statistical characteristics of typhoon-tornadoes in Jiangsu during 2007-2018

從表4可見，8個伴隨有TVS的臺風龍卷單體在出現(xiàn)TVS特征時，50%沒有提前量；25%的臺風龍卷單體盡管在移動過程中伴隨有TVS，但在龍卷發(fā)生時無TVS被識別出，一是有可能龍卷距離雷達站較遠，無法探測到龍卷單體底部特征；二是有可能龍卷發(fā)生時，最低層正負速度對距離進一步縮小，目前業(yè)務(wù)雷達的空間分辨率無法辨識這種變化，因此會丟失TVS特征。從TVS特征量來看，龍卷發(fā)生時刻的TVS最大切變值在30.6×10-3～67.3×10-3s-1，平均為50.7×10-3s-1；TVS最低仰角速度差為20.1～31.5 m·s-1，與龍卷強度等級對應(yīng)看，當最低仰角速度差超過23 m·s-1時，均為EF2級以上強龍卷。比起切變值，TVS最低仰角速度差指示作用更明顯。

在上述臺風龍卷過程中，除龍卷單體伴隨有TVS特征外，也有大量非龍卷單體伴隨TVS，龍卷TVS和非龍卷TVS比例為31∶181，只有14.5%的TVS與龍卷有關(guān)。與非龍卷TVS相應(yīng)平均特征對比來看(表4)，臺風系統(tǒng)下產(chǎn)生龍卷的單體強回波中心更強，質(zhì)心更低，TVS垂直伸展高度更低，厚度更??；表征TVS強度的平均最大切變值也有較大差異，龍卷TVS平均最大切變值約為46×10-3s-1,而非龍卷TVS相應(yīng)平均值約為33×10-3s-1。

為能更清晰表征龍卷單體TVS和非龍卷單體TVS強度差異，分別繪制了兩者TVS最低仰角速度差和最大切變的頻率分布情況(圖8)。如圖所示：龍卷單體TVS最低仰角速度差在13.0～47.5 m·s-1，大于非龍卷單體TVS(11.5～45.5 m·s-1)。且龍卷TVS強速度差頻率更高，速度差26.8 m·s-1的頻率達0.45。從最大切變值來看，非龍卷TVS最大切變分布范圍較廣，在10.1×10-3～147.2×10-3s-1，最大值雖然達到了147.2×10-3s-1，但大于90×10-3s-1的頻率非常低，僅為0.1；龍卷TVS最大切變值為25.1×10-3～86.3×10-3s-1，且在37.4×10-3～49.7×10-3s-1范圍內(nèi)的頻率最高，達0.6。相比之下，龍卷TVS的最大切變更強，強切變出現(xiàn)的頻率更高。

圖8 2007—2018年江蘇臺風龍卷天氣中龍卷與非龍卷單體TVS關(guān)鍵特征分布(a)非龍卷單體TVS最低仰角速度差，(b)龍卷單體TVS最低仰角速度差，(c)非龍卷單體TVS平均最大切變，(d)龍卷單體TVS平均最大切變Fig.8 Key feature distribution of tornado TVS and non-tornado TVS in Jiangsu during 2007-2018(a) LLDV of non-tornado TVS, (b) LLDV of tornado TVS, (c) mean maximum shear of non-tornado TVS, (d) mean maximum shear of tornado TVS

5.3 江蘇、廣東臺風龍卷關(guān)鍵特征差異分析

為探討江蘇臺風龍卷的雷達關(guān)鍵特征是否與廣東臺風龍卷相應(yīng)特征量存在差異，本節(jié)按照5.1節(jié)雷達數(shù)據(jù)處理方式提取了廣東臺風龍卷數(shù)據(jù)集中含有TVS特征的龍卷個例，分別為2006年8月4日臺風派比安影響下產(chǎn)生的5個龍卷事件和2015年10月4日臺風彩虹影響下產(chǎn)生的2個龍卷事件。統(tǒng)計廣東臺風龍卷TVS和非龍卷TVS出現(xiàn)時次個數(shù),結(jié)果為67∶215，約23.8%的TVS與龍卷有關(guān)，高于江蘇臺風龍卷相應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果14.5%。該統(tǒng)計結(jié)果表明江蘇臺風系統(tǒng)影響下出現(xiàn)TVS特征對龍卷的預警能力只有廣東的1/2。

從龍卷TVS持續(xù)時間看(圖略)，廣東臺風龍卷TVS提前時間平均為17.9 min，平均持續(xù)時長長達49 min，比起江蘇臺風龍卷TVS的可指示性，廣東臺風系統(tǒng)下TVS的出現(xiàn)均預示著更早的預警提前量以及可跟蹤效果。

再對比兩者龍卷TVS的關(guān)鍵特征量最大切變值和LLDV。圖9統(tǒng)計了廣東龍卷TVS最低仰角速度差頻率分布直方圖，由圖9a可見廣東地區(qū)產(chǎn)生龍卷的TVS最低仰角速度差50%分布于28.6～39.4 m·s-1，而江蘇地區(qū)相應(yīng)值偏弱，50%分布于26.8～33.7 m·s-1；對比圖8d和圖9b，廣東臺風龍卷的TVS最大切變值平均是江蘇的3倍，超過60%的最大切變值位于46.7×10-3～77.7×10-3s-1,遠高于江蘇臺風龍卷相應(yīng)頻率區(qū)間(37.4×10-3～49.7×10-3s-1)。為分析兩地龍卷單體TVS最大切變差異原因，繪制了最大切變與距離雷達斜距的曲線(圖10)。由該圖可見，兩地平均最大切變值相差接近30×10-3s-1,該巨大差異來自廣東地區(qū)距離雷達站35 km半徑范圍內(nèi)的TVS結(jié)構(gòu)貢獻，這是由于切變計算公式中切變值與距離成反比，當TVS結(jié)構(gòu)距離雷達站越近，切變值越大。35～80 km距離兩地切變分布較為接近，約為50×10-3s-1左右。

圖9 廣東臺風龍卷TVS關(guān)鍵特征分布(a)最低仰角速度差，(b)平均最大切變Fig.9 Key feature distribution of tornado TVS in Guangdong (a) LLDV of tornado TVS, (b) mean maximum shear of tornado TVS

圖10 江蘇、廣東兩地臺風龍卷TVS最大切變與距離分布Fig.10 Maximum shear and distance distribution of tornado TVS in Jiangsu and Guangdong

6 結(jié) 論

本文對2007—2018年間江蘇發(fā)生的臺風龍卷進行了統(tǒng)計分析，總結(jié)出江蘇臺風龍卷的基本活動特征，并與廣東地區(qū)臺風龍卷的環(huán)流背景、環(huán)境特征、地面中尺度特征及雷達關(guān)鍵特征進行對比，得出以下結(jié)論：

(1)2007—2018年間江蘇共有7個臺風產(chǎn)生了12個龍卷過程，年均有0.58個臺風會產(chǎn)生龍卷。江蘇臺風龍卷主要集中在7月、8月，8月最為多發(fā)，占總數(shù)的50%，主要發(fā)生在午后，在16—20時發(fā)生的龍卷占總數(shù)的83%。而廣東龍卷在6—10月均有發(fā)生，8月最為多發(fā)，且龍卷在白天均有發(fā)生。江淮中部以及西北部的徐州是江蘇臺風龍卷頻發(fā)的兩個地區(qū)，江河湖海等大型水體可能促進龍卷的生成。

(2)西北行的臺風易在江蘇產(chǎn)生龍卷，臺風龍卷出現(xiàn)在登陸臺風中心的東北象限，距臺風中心250～500 km范圍。江蘇臺風龍卷多發(fā)生于臺風登陸24 h之后，占總數(shù)的75%，峰值出現(xiàn)在臺風登陸后的36～48 h，占總數(shù)的42%(5個)；大多數(shù)臺風在生成龍卷時的強度為熱帶低壓(42%)和熱帶風暴(33%)。而在廣東地區(qū)產(chǎn)生龍卷的臺風多為西行，龍卷的高發(fā)時段主要在臺風登陸后24 h內(nèi)，龍卷發(fā)生時，臺風強度在熱帶低壓到強臺風量級之間，約73%的臺風強度在熱帶風暴以上量級。

(3)對比江蘇和廣東地區(qū)龍卷發(fā)生前的環(huán)境背景，共性為龍卷發(fā)生地均處于臺風東側(cè)以及副熱帶高壓西側(cè)之間的東南氣流當中，中低層存在東南偏南急流，地面有明顯的輻合線，強盛的低空急流輸送充足的水汽和不穩(wěn)定能量，促使層結(jié)不穩(wěn)定性增強，為龍卷的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。

(4)江蘇和廣東地區(qū)臺風龍卷的發(fā)生環(huán)境差異在于：盡管兩個區(qū)域臺風龍卷均發(fā)生在CAPE值不大、LCL較低、深層(0～6 km)和低層(0～1 km)垂直風切變較大以及SHR較大的環(huán)境下，但與江蘇龍卷相比，從均值來看，廣東龍卷的CAPE和CIN更小，LCL更低，具有更大的深層(0～6 km)和低層(0～1 km)垂直風切變，且SRH較小。產(chǎn)生這些差異的可能原因為廣東地區(qū)溫濕條件更好，更低的LCL易于水汽快速凝結(jié)，降水顯著，不穩(wěn)定能量進一步釋放，且廣東龍卷產(chǎn)生時臺風強度更強，使得垂直風切變更強。

(5)江蘇臺風龍卷單體約有2/3伴隨TVS特征，其中50%單體的TVS特征出現(xiàn)于龍卷發(fā)生后；25%的臺風龍卷單體盡管在移動過程中伴隨有TVS，但在龍卷發(fā)生時無TVS被識別出。產(chǎn)生強龍卷的單體同時伴隨有中氣旋和TVS特征。當TVS的最低仰角速度差超過23 m·s-1時，更易產(chǎn)生強龍卷。與廣東臺風龍卷TVS關(guān)鍵特征量對比顯示，江蘇地區(qū)產(chǎn)生龍卷的TVS最低仰角速度差偏小，最大切變值也偏小(為廣東的1/3)。