地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (11): 4082-4097   PDF    
广东佛山EF3级龙卷超级单体风暴高分辨率数值模拟
唐嘉蕙1,2, 冉令坤2, 沈新勇1, 炎利军3     
1. 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室, 气候与环境变化国际合作联合实验室, 气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044;
2. 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029;
3. 佛山市气象局龙卷风研究中心, 广东佛山 528000
摘要:本文对2015年10月4日发生于广东佛山地区台风"彩虹"登陆后螺旋云带中的一次强龙卷风过程进行高分辨率(148 m,48 m)数值模拟,结果产生了类龙卷涡旋(Tornado-Like Vortex,TLV),最接近观测到的龙卷风,并对龙卷超级单体及产生龙卷的TLV系统的三维动热力精细化结构进行诊断分析.结果表明,此次龙卷产生于超级单体右侧边缘,钩状回波显著,伴有明显的中气旋活动.模拟的龙卷超级单体与之前观测研究和理想化建模的龙卷超级单体结构相类似,超级单体后部云墙之下低层水成物呈现狭窄的触地漏斗状结构,对应低层的TLV系统;TLV具有中心气流下沉和周围气流上升的动力结构,对应上宽下窄的强烈涡管.与之前的研究相比,本次台风螺旋云带中的超级单体中后部入流较弱,出流较强,其前部气流上升存在水合物聚集.相对螺旋度(Storm Relative Helicity,SRH)的分析表明,超级单体的发展伴随正负SRH的增大,龙卷发生在SRH正负高值区的交界处.
关键词: 龙卷      类龙卷涡旋      超级单体      螺旋度     
High-resolution numerical simulation of the EF3 tornadic storm in Foshan city, Guangdong Province
TANG JiaHui1,2, RAN LinKun2, SHEN XinYong1, YAN LiJun3     
1. Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
2. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. Foshan Meteorological Bureau Tornado Research Center, Guangdong Foshan 528000, China
Abstract: The tornado studied in this paper occurred in the external airflow after the typhoon Mujigae landed on 4 Oct 2015 at Foshan City. Using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, this storm was numerically modeled at a high resolution with 148 m grid and a 48 m grid spacing, respectively. Analysis and diagnosis of the model results permit to reveal the three-dimensional dynamic structure of the tornadic storm and Tornado-Like Vortex (TLV), which are very close to the observed process. Results show that this tornado occurred on the right edge of the supercell, accompanied by an obvious hook echo and mesocyclone. The simulated tornadic supercell is similar to the previously observed and the idealized supercell model. On the one hand a small branch of hydrate funnels is generated at the rear of supercell at the low layer which reflects the low-level TLV system. On the other hand, the center of the TLV sinks and periphery rises, corresponding to a strong vortex. Compared with previous studies, the supercell in typhoon spiral cloud bands has a weaker inflow and a stronger outflow. And the air rises at the front of the moving direction with hydrometeor aggregation. The analysis of Storm Relative Helicity (SRH) indicates that the development of tornadic storm was accompanied by the increase of positive and negative SRH, and occurred at the junction between SRH positive and negative high value areas.
Keywords: Tornado    Tornado-Like Vortex    Supercell    Helicity    
0 引言

龙卷是一个剧烈旋转的狭窄空气柱,表现为一个从积雨云底悬挂至地面的漏斗云,是自然界中最剧烈的强对流天气现象,通常伴随有超级单体风暴,多出现于雷暴云下方,由近地面的涡旋急剧拉伸形成.

龙卷的结构与超级单体关系密切,Donaldson(1970)首先指出龙卷存在于超级单体旋转气流中.Lemon和Doswell(1979)证实超级单体中(从7~10 km处开始)上升气流停滞被迫下沉,构成强垂直速度梯度和强温度梯度区,对应存在强旋转气流,有利龙卷发生.超级单体中的龙卷多生成于较大尺度的母体环流之中,如中尺度气旋(Mesocyclone,MESO,下文简称中气旋),中气旋可划分为中层中气旋(Mid-Level Mesocyclone)和低层中气旋(Low-Level Mesocyclone),低层中尺度气旋直径约2~10 km;类龙卷涡旋(Tornado-Like Vortex,TLV)的尺度则介于龙卷和中尺度气旋两者之间(周海光,2018),表现为近地面强烈的气旋式涡旋,量级很小约为2 km.Klemp和Rotunno(1983)分析了龙卷超级单体的低层特征,指出产生龙卷的类龙卷涡旋TLV形成于超级单体内部上升气流(Updraft,UD)和后侧下沉气流(Rear Flank Downdraft,RFD)的耦合区,也是后侧阵风锋(Rear Flank Gust Front,RFGF)与前侧阵风锋(Forward Flank Gust Front,FFGF)的锢囚处.Fujita(1981)Davies-Jones(1986)指出龙卷呈现出外部辐合上升、内部辐散下沉的态势,其中心存在更小尺度的吸管涡旋(Suction Vortex)围绕龙卷中心轴旋转.上述工作为对龙卷的理论与观测研究,为后期开展数值模拟相关的研究奠定了基础.

从20世纪70年代开始,对龙卷和超级单体开展了一系列的数值模拟研究取得许多重要成果.Schlesinger(1975)Wilhelmson和Klemp(1978)以及Rotunno(1979)建立了超级单体的数值模型,定量分析龙卷的物理过程,并对中气旋、风暴分裂、锢囚下沉气流以及上升气流的非线性旋转效应等进行了解释.Wicker和Wilhelmson(1995)模拟了龙卷的精细结构,指出低层中气旋的增强导致向上的气压梯度力,产生强烈的低空上升气流.Trapp(1999)Wakimoto和Cai(2000)对比分析龙卷风超级单体和非龙卷风超级单体的特点,结果显示,这两类超级单体都包含持续的中气旋,但是龙卷风超级单体后部RFGF处存在强烈的上升气流,同时伴有较强的风暴相对入流,说明单纯的中气旋物理机制不足以解释龙卷风的发生.Mashiko等(2009)Schenkman等(2012, 2014)通过龙卷的高分辨率数值模拟,探讨龙卷中水汽对涡流的影响,以及表面阻力对龙卷风发生发展的作用.Davies-Jones(2015)将龙卷的产生机理归纳为三个阶段:第一阶段为正压过程下中气旋的初始发展阶段,表现为沿风暴相对入流的流向涡度进入上升气流并产生倾斜(Schlesinger, 1975, 1978Klemp and Wilhelmson, 1978a, b);第二阶段为斜压过程中低层中气旋的发展,表现为后侧阵风锋前阻挡前部入流,后侧下沉气流下传高空角动量,在近地面产生涡旋(Klemp and Rotunno, 1983Rotunno and Klemp, 1985);第三阶段为地表摩擦作用,摩擦应力打破了离心力与内部气压梯度力的平衡,使得边界层产生猛烈的向上喷射气流并伴随有螺旋线式的气流旋转,旋转气柱急剧收缩产生龙卷(Lewellen and Lewellen, 2007Davies-Jones et al., 2001).总体上,龙卷的形成机理和发展机制非常复杂,受到各种物理因素的影响.目前龙卷的研究正朝着结构化、精细化、机理化的方向发展.

国内气象学者也对龙卷开展了大量研究,俞小鼎等(2006)利用雷达资料对一次强龙卷过程进行了分析,认为超级单体和强龙卷的产生需要配合有边界层强垂直风切变和较低的抬升凝结高度.俞小鼎等(2008)进一步分析发现,龙卷出现在低层“ S”形回波阶段,中气旋形成于弓形回波的逗点头部,其中心对应龙卷涡旋特征(Tornadic Vortex Signature,TVS).郑媛媛等(2009)研究了超级单体龙卷与强冰雹的雷达反射率差异,指出龙卷中气旋的高度明显偏低(1 km以下),其超级单体最大雷达反射率可达50~60 dBz,其高度与超级单体质心高度接近.从地面灾害调查、各类观测数据及双多普勒雷达反演的角度,Bai等(2017)Zhao等(2017)周海光(2018)分别对2016年江苏阜宁龙卷和2015年广东佛山龙卷过程进行了超级单体和中气旋的演变特征及机制分析.Yao等(2018)对2016年“6·23”江苏阜宁龙卷进行25 m高分辨率数值模拟,结果显示向地表延伸的漏斗云内呈现出双螺旋涡度结构,龙卷风的消亡与涡度中心存在的下沉气流有关.此外,李佳等(2017)基于3 km水平分辨率的快速更新循环同化系统,模拟阜宁龙卷个例并进行敏感性实验,指出资料同化在龙卷模拟中起着关键作用.

目前,国内龙卷研究主要集中在常规与非常规观测资料的诊断分析等方面,对超级单体风暴的环境条件和龙卷的雷达回波结构进行研究,其中还存在着一些亟待解决的关键科学问题.(1)国内关于龙卷超级单体及类龙卷涡旋的高分辨数值模拟、三维结构和演变特征的研究相对较少,加强这方面的研究是非常必要的.(2)以往的研究模型多建立在龙卷频发的广阔内陆地区,在台风外围螺旋云带和我国华南地理条件影响下,超级单体部分精细的机理结构是否存在自身区域性特点.为此,本文针对2015年10月4日发生在佛山地区台风“彩虹”螺旋云带中的一次龙卷过程进行高分辨率的数值模拟,并分析对应的龙卷超级单体的动热力三维精细化结构,揭示其发展演变特征和可能的触发机制.

1 天气形势

北京时间2015年10月4日14时10分1522号台风“彩虹”在广东省湛江坡头区登陆,登陆时中心附近最大风力达到15级(50 m·s-1),登陆后继续往西北方向移动(李彩玲等,2016).在4日15时28分至16时台风螺旋云带内出现龙卷风,位于广东省佛山市中北部,强度为EF3级,影响时间32 min,路径长度31.7 km.北京时间15时36分龙卷达到最强,最大影响半径为577 m,属强龙卷风.此次龙卷在广东地区造成4500人受灾,其中死亡7人,受伤214人,直接经济损失高达7亿元(李兆慧等,2017).

此次龙卷由台风螺旋云带中超级单体引起,发生在有利的动力、热力和水汽环境条件下.在2015年10月4日0600 UTC龙卷发生前,200 hPa等压面(图 1a)我国中北部被东西向高空急流控制,珠三角地区位于高空急流区的南侧,处于台风高空反气旋气流中,高空气流辐散特征明显.500 hPa等压面(图 1b)上佛山位于台风前进方向的右前侧外围环流中,同时也处于592 gpm等值线副高西南侧.二者之间的东南气流强劲,向台风右前侧外围环流区输送大量的暖湿气流,有利强对流天气发生发展.850 hPa等压面(图 1c)上佛山地区盛行东南风,水平风速大,有利于动量、热量和水汽向强对流区的输送;同时低层相对湿度达到90%以上,水汽供应充沛,为强对流的发生创造有利的水汽条件.地面图(图 1d)显示,台风西北侧和东北侧分别存在小波槽,佛山位于东北槽的底部,槽前来自陆地的西北气流与台风的东南暖湿气流在此交汇,产生强烈辐合.地面变温场呈现负值,表明近地面有弱冷空气渗透,对暖湿空气有动力抬升作用;同一时间佛山站点的T-lnp图(图略)显示,CAPE值达到517 J,抬升凝结高度较低,不稳定能量较大,容易触发强对流.

图 1 2015年10月4日0600 UTC (a) 200 hPa风矢量(箭头,m·s-1)和水平风速(填色,m·s-1);(b) 500 hPa位势高度场(实线,gpm)、温度场(虚线,℃);(c) 850 hPa相对湿度(填色)、风矢量(箭头,m·s-1)和水平风速(等值线,m·s-1);(d)地面气压场(等值线,hPa)及24 h变温(填色,℃),三角标志为佛山,红线为槽线. Fig. 1 The GFS analyzed field at 0600 UTC 4 October 2015 (a) The horizontal wind vector (arrow, m·s-1) and speed (shaded, m·s-1) at 200 hPa; (b) Geopotential height (solid lines, gpm) and temperature (dashed line, ℃) at 500 hPa; (c) Relative humidity(shaded), wind vector (arrow, m·s-1) and speed (contour, m·s-1) on 850 hPa; (d) The surface pressure (contour, hPa) and 24 h temperature variability (shaded, ℃). The triangle is Foshan city, the red line is the trough-line.

综上所述,此次龙卷是在高低空天气系统共同作用下发生的,包括高空反气旋辐散气流、中层台风与副高之间强劲的东南气流、低层东南风的动热量和水汽输送、地面层的小波槽以及弱冷空气入侵.这样天气形势配置为强对流天气的发生提供良好的热、动力和水汽条件,有利于超级单体和龙卷的发生发展.

2 数值模拟对比分析

利用非静力中尺度数值模式WRF V3.6.1,对上述有利背景条件下龙卷过程进行高分辨数值模拟,以此来研究台风螺旋云带中龙卷的精细化结构和发展演变特征.采用美国NCEP GFS(0.5°×0.5°)分析和预报资料作为背景场及侧边界条件;模拟区域包括五层单向嵌套区域,模拟的初始时间为2015年10月4日0000 UTC,结束时间为2015年10月5日0000 UTC,积分时长24 h,最高分辨率达到48 m,而本文关于龙卷超级单体的分析主要以148 m分辨率的模式资料为主,模拟结果模拟方案设置如表 1所示.

表 1 WRF模式模拟方案设置 Table 1 Simulation scheme in WRF model

图 2a是2015年10月4日0600 UTC(世界时,以下同)台风“彩虹”登陆时雷达组合反射率实况.如图所示,台风眼的位置于湛江南部坡头区,其外围的螺旋云带明显,向东北方向伸展.此次佛山龙卷(用三角形符号标识)发生在台风外围东北侧的螺旋云带之中,盛行东南风,反射率达到40 dBz以上,对应着强烈的对流风暴.图 2b为模拟的同时刻雷达反射率(分辨率4 km),可以看出,模拟的台风结构清晰完整,台风眼的位置与实况比较接近,外围螺旋云带的位置和回波强度与实况基本一致.

图 2 (a) 2015年10月4日0600 UTC广州雷达组合反射率图;(b)模拟的4 km分辨率0600 UTC最大雷达反射率图(单位:dBz) Fig. 2 (a) Observed radar composite reflectivity (dBz); (b) Simulated radar composite reflectivity (4 km resolution, dBz) at 0600 UTC 4 October 2015

图 3分别给出了实况龙卷和模拟的148 m分辨率下类龙卷涡旋TLV中心的移动路径、成熟期雷达回波和5 min降水量.此次龙卷持续时间约为32 min,从东南向西北方向移动,时速约为60 km,路径长度约为31.7 km;北京时间15时36分达到最强,实际观测量级相当于EF3级,属强龙卷风.雷达回波显示一个强对流单体,回波中心达到50 dBz,强回波中心配合有强降水,强回波区东南端呈现为钩状回波结构.龙卷始终出现于强对流单体和强降水区的右侧,并与钩状回波相配合.如图 3b所示,模拟的对流单体移动方向和路径长度与实况基本一致.模拟强雷达回波区、强降水区、钩状回波和TLV的空间配置与实况比较吻合.成熟期,实况和模拟结果均对应着明显的钩状回波(画圈部分),这是超级单体中发生龙卷的标志之一.TLV生成的位置比实况龙卷偏东偏南,成熟期(0650 UTC)位置比实况落后约15 km,时间提前45 min左右.

图 3 (a) 2015年10月4日1536时(0736 UTC)广州雷达组合反射率(填色,单位:dBz)与5 min降水(等值线,单位:mm)、2 min平均风场(风向标)、龙卷路径叠加图(折线);(b) 0650 UTC模拟148 m分辨率的250 m高度雷达组合反射率(填色, 单位:dBz)与5 min降水(等值线,单位:mm)、TLV路径叠加图(折线) Fig. 3 (a) Observed radar composite reflectivity (shaded, dBz), 5 min rainfall (contour, mm), 2 min mean wind (wind vane) and tornado paths (polylines) at 0736 UTC 4 October 2015; (b) Simulated (148m resolution) radar composite reflectivity (shaded, dBz) at 250 m AGL, 5 min rainfall (contour, mm) and TLV paths (broken lines) at 0650 UTC 4 October 2015

综上所述,本次台风“彩虹”的模拟效果较好,再现了台风登陆位置和螺旋云带结构.同时,也成功模拟了类龙卷涡旋TLV的移动方向,虽然模拟的TLV位置和发生时间与观测龙卷略有偏差,但模拟的强雷达回波、强降水和钩状回波和龙卷超级单体的空间分布特征与观测比较相似,因此本次模拟输出资料比较可靠,可以用来分析龙卷超级单体的精细化结构和发展演变特征.

3 超级单体和TLV结构分析

图 4所示对模拟TLV中心近地面最大风速进行诊断,由此判定龙卷演变的各个过程,0645 UTC之前为龙卷发展期,0645 UTC至0650 UTC中心风速和涡度急剧增大,气压减小,风速达到40 m·s-1,涡度达0.25 s-1,表明TLV达到成熟期,0655 UTC至0705 UTC,中心风速回落但依旧保持一定的强度,为维持期,0705 UTC至0715 UTC便走向衰减.

图 4 模拟148 m分辨率的TLV中心10 m风速(单位:m·s-1)、10 m涡度(单位:s-1)及地面气压(单位:hPa)的时间变化 Fig. 4 Simulated (148 m resolution) temporal variation of 10 m wind speed, 10 m vertical vorticity and surface pressure in the center of TLV
3.1 超级单体分析

超级单体是产生龙卷的载体,其结构特别是钩状回波是形成龙卷的关键之一.如图 5所示,初期0620 UTC低层(350 m高度)对流单体的雷达回波呈团状,不断加强并向西北移动(图 5a);同时团状回波向后拉伸,逐渐形成对流云带,回波中心东侧出现小的凸起(图 5b),代表初生阶段的钩状回波;发展期0640 UTC单体移速减慢,单体回波发展成西北-东南走向的狭长带状,东侧凸起的钩状回波逐渐增强(图 5c);成熟期0650 UTC对流单体已发展为旺盛的超级单体,强回波中心达63 dBz,单体东侧钩状回波结构非常显著,内钩的北侧存在缺口,说明此处有较强的偏北气流流入,有利于气旋性涡旋的形成(图 5 d).衰减期0700 UTC钩状回波结构不明显,北侧缺口减小,代表北侧入流减弱.0715 UTC钩状回波结构完全消失,代表龙卷过程结束(图 5f).成熟期钩状回波处的反射率因子呈现出明显的“S”型(图 5d),龙卷常发生于“S”型回波凸出部分的顶点位置(余小鼎等,2008),其中层和低层一般对应有中气旋,低层中气旋有很大的概率生成龙卷.

图 5 模拟148 m分辨率的350 m高度雷达反射率(单位:dBz) (a) 0620 UTC; (b) 0630 UTC; (c) 0640 UTC; (d) 0650 UTC; (e) 0700 UTC; (f) 0715 UTC,蓝圈对应的钩状回波为后文研究中气旋的区域. Fig. 5 Simulated (148m resolution) radar composite reflectivity (shaded, dBz) at 350 m AGL (a) 0620 UTC; (b) 0630 UTC; (c) 0640 UTC; (d) 0650 UTC; (e) 0700 UTC; (f) 0715 UTC. The blue circle corresponding hooked echo is the region of mesocyclone in following text.

48 m分辨率的模拟(图 6)能够更加清晰地显示超级单体回波结构,表现为一个“逗点”状回波;其尾部不断拉伸内旋,最终形成精细的钩状回波结构.

图 6 模拟48 m分辨率的超级单体350 m雷达反射率(单位:dBz) (a) 0640 UTC; (b) 0645 UTC; (c) 0650 UTC. Fig. 6 Simulated (48m resolution) radar composite reflectivity (shaded, dBz) at 350 m AGL (a) 0640 UTC; (b) 0645 UTC; (c) 0650 UTC.

从雷达回波的垂直结构(图 7)来看,发展期(0630~0645 UTC)600 hPa附近左右雷达回波高值中心逐渐形成,强回波区不断向前方扩散,形成层云区(图 7ab).成熟期(0650~0655 UTC)强回波中心值达62 dBz,高值区从600 hPa向下伸展到近地面,并向单体前进方向倾斜,形成超级单体前悬回波(图 7cd),表明该区域有很强的上升气流;倾斜的回波高值区下方存在弱回波区(WER),与低层入流有关,此时对流单体发展为超级单体.维持一段时间之后,超级单体的回波强度开始减弱,进入衰退期,强回波中心消失,上部云毡伸展明显(图 7ef).龙卷发展演变过程中,雷达回波的高度都达到或超过150 hPa,代表存在上突云顶.模拟的雷达回波在层次和结构上与Zhao等(2017)利用实况多普勒雷达资料分析的台风“彩虹”龙卷超级单体大体一致,强度偏强,模拟结果体现了更为精细的前悬回波和入流弱回波.

图 7 模拟148 m分辨率的沿超级单体中心最大反射率点的组合反射率经向剖面(单位:dBz) (a) 0630 UTC; (b) 0645 UTC; (c) 0650 UTC; (d) 0655 UTC; (e) 0715 UTC; (f) 0725 UTC. Fig. 7 The vertical cross sections of simulated (148 m resolution) radar composite reflectivity (shaded, dBz) through the dBz center of supercell (a) 0630 UTC; (b) 0645 UTC; (c) 0650 UTC; (d) 0655 UTC; (e) 0715 UTC; (f) 0725 UTC.

图 8显示了48 m分辨率下超级单体对应水成物(云水、雨水、雪、云冰、霰粒子混合比含量的总和)的垂直结构,水成物在3~5 km处存在两个高值中心,分别对应强对流风暴主体部分和东侧的钩状回波部分.随着超级单体的发展,单体向西移动,水成物中心逐渐加强,垂直方向不断伸展.位于单体后部云底的水成物出现单独的接地水成物,至0644 UTC触地,0650 UTC多支水成物触地并汇合加粗,强度增强.之后水成物逐渐变细并向上回缩,至0654 UTC已无水成物接地.综合水成物垂直结构的分析,一方面反映出超级单体对应云体的发展演变,另一方面水成物的接地与回缩也与龙卷的触地发展关系密切.

图 8 模拟的48 m分辨率水成物沿最大反射率点的纬向剖面(单位:g·kg-1) (a) 0642 UTC; (b) 0644 UTC; (c) 0646 UTC; (d) 0650 UTC; (e) 0652 UTC; (f) 0654 UTC. Fig. 8 Latitudinal cross sections of simulated (48m resolution) hydrometeor mixing ratio (shaded, g·kg-1) through the dBz center of supercell (a) 0642 UTC; (b) 0644 UTC; (c) 0646 UTC; (d) 0650 UTC; (e) 0652 UTC; (f) 0654 UTC.
3.2 低层垂直速度和近地面风场分析

为了研究低层钩状回波区的环流特点,本文对10 m水平风场和2 km高度垂直速度进行分析.如图 9所示,前期0630 UTC垂直上升区呈涡旋状,内部存在弱下沉运动;风暴西侧下沉气流对应的近地面风为向四周辐散,该下沉气流被称为风暴前侧下沉气流FFD,近地面东北方向辐散的气流与偏东风在上升区东北部汇合出现前侧阵风锋FFGF(图 9ab).龙卷发展期0640 UTC上升速度出现明显中心,也是气流的辐合中心,上升区表现为逗点状;FFD的尾部呈带状夹卷进上升区;偏南风和偏东风汇合,形成后侧阵风锋RFGF(图 9c).

图 9 模拟148 m分辨率的2000 m高度垂直速度(填色,单位:m·s-1)和近地面10 m风场, 黑色实线为40 dBz的雷达回波廓线(箭头,单位:m·s-1),黄色实线为后文分析超级单体结构剖面图(图 12)所取的剖线 (a) 0620 UTC; (b) 0630 UTC; (c) 0640 UTC; (d) 0650 UTC; (e) 0700 UTC; (f) 0710 UTC. Fig. 9 Simulated (148 m resolution) vertical velocity (shaded, m·s-1) at 2 km AGL, wind vector (arrow, m·s-1) at 10 m AGL, radar echo of 40 dBz (soild line). The solid yellow line is the section line in Fig. 12 (a) 0620 UTC; (b) 0630 UTC; (c) 0640 UTC; (d) 0650 UTC; (e) 0700 UTC; (f) 0710 UTC.

龙卷成熟期0650 UTC上升区中心风速达到40 m·s-1以上,上升区内部出现下沉气流RFD,FFGF与RFGF的锢囚处形成气旋式环流.图 9d中实线是钩状回波的廓线,RFD和钩状回波对应良好,龙卷一般发生在上升气流与下沉气流RFD的交界处靠近上升气流的一侧,这与经典的龙卷地面结构特征相吻合.在衰减阶段,FFD和RFD均减弱,垂直风速减小,钩状回波结构解体(图 9ef).

低层两支下沉气流FFD和RFD在龙卷的发生发展中起着重要的作用,其辐散出流边界处产生的两支阵风锋FFGF和RFGF形成锢囚,配合近地面的气旋式环流,有利于龙卷的产生.FFD与超级单体中降水拖拽有关,RFD的影响机制复杂,Davies-Jones和Brooks(1993)Adlerman等(1999)Straka等(2007)等学者认为,RFD区域在斜压作用下产生的水平涡度,在上升气流的作用下转变为垂直涡度,对低层中气旋的形成意义重大,更为龙卷的发展提供了条件.

3.3 中气旋分析

超级单体内部的中气旋为产生龙卷的母系统,我们主要关注2km以下的低层中气旋,其中可能产生接近龙卷风的类龙卷涡旋系统TLV,参考Schenkman等(2012)提出的TLV特征指标来分析龙卷,其在一定程度上代表了龙卷的发展演变.定义TLV为低层存在闭合环流,持续至少2 min,中心最大垂直涡度大于0.2 s-1,风速至少达到29 m·s-1(EF-0级)的系统.如图 10所示,中气旋发展的前期(图 10ab),200 m高度垂直涡度逐渐增大,气旋性环流结构逐渐加强,系统西侧切变线形成并南压;50 m高度环流场呈现出类似的形式,正负垂直气流开始交绥.龙卷成熟期0650 UTC低层出现闭合环流,中心涡度由前一时刻的0.12 s-1增强至0.26 s-1,近地面风速也由27 m·s-1迅速攀升至40 m·s-1,已达到TLV的标准(图 10c);TLV低层的垂直速度场显示其具有中心下沉,外围上升的结构(图 10d),这与理论上龙卷的结构相吻合,说明低层中气旋发展旺盛,TLV系统中形成龙卷并已达成熟阶段.随着系统向西北方向移动,气流辐合和入流逐渐减弱,虽然气旋性环流依然存在,但中心涡度的强度有较大回落(图 10ef).至0715 UTC,涡度高值区被东南气流覆盖,中气旋消亡(图 10gh).

图 10 模拟148 m分辨率的200 m高度垂直涡度(填色,s-1)和水平风场(箭头m·s-1)(a、c、e、g);50 m高度垂直速度(填色,m·s-1)、水平风场(箭头m·s-1)和涡度场(黑实线)(b、d、f、h) (a, b) 0640 UTC; (c, d) 0650 UTC; (e, f) 0700 UTC; (g, h) 0710 UTC. “T”代表TLV. Fig. 10 Simulated (148 m resolution) vertical vorticity (shaded, s-1) and wind vector (arrow, m·s-1) at 200 m AGL (a, c, e, g); vertical velocity (shaded, m·s-1), wind vector (arrow, m·s-1) and vertical vorticity (contour, s-1)at 50 m AGL (b, d, f, h) (a, b) 0640 UTC; (c, d) 0650 UTC; (e, f) 0700 UTC; (g, h) 0710 UTC. The marker T represents the position of the TLV.

图 11为垂直涡度和水成物的垂直分布,龙卷发展期0640 UTC(图 11a)对流单体中部存在强烈的上升气流,对应着水成物高值中心.在单体后部低层水成物接地,云底形成云墙(Wall Cloud),涡度高值区集中在1~2 km处.龙卷成熟期0650 UTC(图 11b)超级单体前侧(133.3°E)和后侧(113.36°E)均出现下沉气流(FFD和RFD),上升气流与下沉气流RFD在113.36°E交汇,高低空存在明显的垂直风切变.涡度中心分裂为两个,分别对应中层中气旋和低层中气旋,低层中气旋的急剧增强反映了TLV的形成.维持期0700 UTC(图 11c),中气旋的涡度迅速减小,下沉气流变弱;在单体前后侧出现负涡度,与风暴后侧的反气旋环流有关;水成物触及地面,但是单体上部云体变宽,结构松散.至0710时(图 11d),正负涡度区减弱收缩,水成物混合比含量减小,对流单体减弱.

图 11 模拟148 m分辨率的垂直涡度(等值线,s-1)、风场(箭头,m·s-1)和水成物(填色,g/kg)沿TLV中心的纬向剖面 (a) 0640 UTC; (b) 0650 UTC; (c) 0700 UTC; (d) 0710 UTC. Fig. 11 Latitudinal cross sections of simulated (148 m resolution) vertical vorticity (contour, s-1), wind vector (arrow, m·s-1) and hydrometeor mixing ratio (shaded, g/kg) (a) 0640 UTC; (b) 0650 UTC; (c) 0700 UTC; (d) 0710 UTC.

上述分析表明,超级单体内部中气旋先在中层增强,收缩至3 km的高度,并下降至近地面,低层中气旋强度在成熟期达到TLV级别,TLV低层呈现出内部下沉外部上升的环流形态,与单体后部的旋转上升的云墙相配合,极易出现龙卷.但在超级单体中存在低水平中气旋并不是龙卷风发生的充分条件(Burgess et al., 1993Trapp,1999Markowski et al., 2002),云底之下与龙卷可见漏斗云相关的涡度和风场模式只是龙卷风整个环流结构的一小部分,需要更精细的模拟来反映龙卷内部的精细结构.

3.4 龙卷超级单体分析

图 12为龙卷成熟期0650 UTC水成物沿22.804°N的纬向垂直剖面图,这是一个向西移动的超级单体,其中部3~6 km高度有强烈的倾斜上升气流(Updraft),顶部为发展旺盛的上突云顶(Overshooting Top),单体后部高空出现明显的云毡(Anvil).单体前侧113.3°E处存在倾斜下沉气流FFD,形成地面冷池出流(Cool Outflow).风暴内部133.32°E—113.36°E处2~5 km高度存在下沉气流RFD,与勾状回波有紧密联系.同时,该下沉气流与低层上升气流形成线状辐合结构,并延伸至近地面,下沉气流的速度逐渐减小,对应云底产生龙卷的TLV.中气旋(MESO)的位置存在于RFD与上升气流的交汇处,5 km之下的高度层均有分布,这是超级单体内部结构的特点.

图 12 模拟的148 m分辨率龙卷成熟期0650 UTC水成物(填色,g/kg)和合成风场(箭头,m·s-1)沿22.804°N (见图 9d黄实线)的纬向-剖面图 Fig. 12 Simulated (148 m resolution) hydrometeor mixing ratio (shaded, g/kg) and wind vector (arrow, m·s-1) in the mature period of tornado 0650 UTC

龙卷超级单体中与龙卷密切相关的结构如下,一是单体后部云底的水成物形成云墙(Wall Cloud),云墙基于超级单体中部的低水平上升气流产生,并与低层中气旋相关,一直以来被认为是龙卷风形成的前兆.云墙主要是由于FFD内的蒸发冷却的气流沿FFGF被吸入到中气旋中心,由上升气流强迫抬升遇云底饱和空气而形成(Rotunno and Klemp, 1985Atkins et al., 2014).二是水成物向下范围变窄拉长,触地呈漏斗状分布,触地水成物对应的TLV具有内部气流下沉和外部气流上升的结构,在水平风的作用下发生倾斜扭曲,这与理论上龙卷的结构相吻合.此次龙卷过程中纪录了清晰的双龙卷结构(李兆慧等,2017),剖面图显示接地的漏斗状水成物也有两支,分别在113.36°E和113.37°E处,只有西侧分支对应低层TLV(图 10c图 11b),可能是由于分辨率不足,只能模拟出一个TLV系统.

本次模拟的龙卷超级单体结构与之前研究提出模型比较相似(Lemon and Doswell, 1979; Davies, 1986, 1996),该龙卷对应的TLV系统发生在典型超级单体后部底层的云墙中,由中部上升气流与后部下沉气流RFD相互作用而形成,这种环境下形成的龙卷破坏力很大,持续时间也相对较长.

综合以上分析,提出龙卷超级单体的三维结构概念图,如图 13所示,超级单体的移动方向为自东向西,整个单体云顶高度可达11~12 km,高空前侧存在出流(Outflow),后部云毡(Anvil)处上升气流回落下沉.超级单体主要由一支强盛的倾斜上升气流UD和分别位于风暴前后两侧的两支下沉气流(FFD和RFD)组成,6 km以下高度可观察到UD与后侧下沉气流RFD的呈涡旋状的交汇现象,对应产生中层中气旋(Mid-Level Mesocyclone), 致使UD呈现螺旋上升的态势.5 km以下存在风暴前侧下沉气流FFD,造成地面降水和低层冷池出流(Cool Outflow).1 km以下存在低层中气旋(Low-Level Mesocyclone),表现为形成龙卷的TLV系统.在单体底部,水成物形成环绕云墙(Wall Cloud),云墙之下水成物延伸收缩,配合低层中气旋形成触地龙卷.近地面气流的辐合辐散,产生前后两支阵风锋(FFGF、RFGF),二者交汇造成锢囚,其中下沉气流对应强回波区,低层RFD对应明显的钩状回波(Hook Echo).龙卷形成于阵风锋锢囚处(钩状回波内钩处),其上部为单体底部的云墙,总体存在于上升气流UD之中.

图 13 根据模拟结果得出的龙卷超级单体三维概念图 Fig. 13 3D conceptual diagram of tornadic supercell based on simulation results

概念图中简化了上升气流UD与后侧下沉气流RFD的涡旋交汇的程度,模拟的UD与RFD旋转契合的趋势更强(图 9d),RFD被夹卷进入UD上升区,夹卷内旋部分的RFD被UD紧紧包裹,内部下沉外部上升的垂直结构对应了低层TLV系统(图 12,113.36°E处).概念图中将RFD的内旋和外延部分统一表示为一支后部下沉气流(图 13,蓝色箭头RFD),意在说明RFD与UD呈涡旋状交汇的区域均有利于龙卷的形成,RFD越深入UD内部,夹卷程度越大,形成龙卷的可能性越大.

图 14 ab展示了龙卷对应的TLV系统的结构,TLV中心为下沉气流,周围为强上升气流(图 10d),升降气流产生垂直速度的水平切变(图 14a);由于5 km以下高度存在东风(图 9d图 13),并具有垂直切变,因此在垂直速度的水平切变和东风的垂直切变的共同作用下水平涡管向垂直涡管转化,涡流轴发生倾斜,使得TLV内部出现倾斜的向上延伸的线状辐合结构(图 14b).

图 14 根据模拟结果得出的TLV结构图 Fig. 14 The structure of TLV derived from simulation results

以上概念模型再现了龙卷超级单体和TLV的内部环流结构,与之前提出的二维超级单体概念模型的不同点在于,二者水平移动方向相反;相比与传统模型中超级单体后部入流和出流汇合加强RFD,本模型中后部入流较弱,出流较强,二者并未汇合;单体后部不存在明显的侧线云塔(Flanking Line),而在单体最前部,冷池出流的上空,气流上升出现水合物聚集.以上差异说明国外的研究模型虽然可以反映出龙卷的超级单体的主要特征,但受台风外围螺旋云带和我国独特的地理地形条件影响,部分精细的机理结构仍然存在一定的差异.本文提出的龙卷超级单体的概念模型对我国东南沿海台风外围螺旋雨带中生成的龙卷具有一定的参考和指示作用.

3.5 螺旋度分析

大多数强对流系统生成在风速大于10 m·s-1、水平风的垂直切变较大的环境中,低层水平涡度矢量主要是沿风暴入流方向进入上升支, 强烈的上曳气流将水平涡度转变为垂直涡度, 促进风暴发展(Lilly,1986).螺旋度表征流体旋转与沿旋转方向运动的强度,能够反映这种涡管的变化,般常用的螺旋度是风暴相对螺旋度(Storm Relative Helicity,SRH),其计算公式为

(1)

实际计算中常采用简化公式为(Davies-Jones et al., 1990):

(2)

其中,Vh为水平风场,C =(Cx-Cy)为风暴的传播速度,通常C取1.5~7 km气层间平均风速的75%,且向右偏转40°,ω为水平涡度矢量,h为气层厚度,通常取3 km,n为垂直层数.风暴相对螺旋度定量描述了沿气流方向上的水平涡度与入流的强度.风暴相对螺旋度越大说明水平气流的旋转效应越强,发生强对流天气的概率越大(岳彩军等,2006).

图 15所示,在超级单体发展的过程中,低层正负相对螺旋度一直都维持,其中正螺旋度的强度和范围始终大于负螺旋度.在前期0620 UTC至0630 UTC(图 13ab),正值中心向南伸出一个小分支,并在末端开始出现小的相对螺旋度负值区,并且该负值区逐渐增强,范围也逐渐扩大,伴随有中气旋发展.龙卷成熟期0650 UTC,SRH正负值区交汇,均达到最大强度(图 13d),TLV就发生在正负SRH交界处,中气旋的强度达到最大,这可能与水平涡管向垂直涡管转化有关系.进入衰减期后,负值SRH随之减小并消失.SRH的正负高值区与水平风垂直切变高值区有一定的对应关系,这说明在SRH的正负高值区交界处有水平涡度向垂直涡度转化,造成垂直涡度增长,促进中气旋和龙卷的发展(Markowski et al., 1998).

图 15 模拟的148 m分辨率2015年风暴相对螺旋度(填色,m2·s-2)和200m垂直涡度(等值线,s-1) (a) 0620 UTC; (b) 0635 UTC; (c) 0640 UTC; (d) 0650 UTC; (e) 0700 UTC; (f) 0710 UTC. Fig. 15 Simulated (148m resolution) storm relative helicity (shaded, m2s-2) and vertical vorticity (contour, s-1) at 200m AGL (b, d, f) (a) 0620 UTC; (b) 0635 UTC; (c) 0640 UTC; (d) 0650 UTC; (e) 0700 UTC; (f) 0710 UTC.
4 结论

本文利用WRF数值模式对2015年10月4日台风“彩虹”外围气流中的一次强龙卷过程进行高分辨率数值模拟和诊断分析研究,得到以下结论:

(1) 本次数值模拟研究成功地模拟了此次龙卷形成的背景环境,较为准确地反映了龙卷超级单体发生发展过程,模拟的超级单体结构和演变特征与实况比较相符,TLV移动方向与实况龙卷较为一致,但位置略偏东南,时间上略有提前.

(2) 此次龙卷是由超级单体风暴(又称龙卷风暴)所引起的.成熟期该单体具有前悬回波、入流弱回波(WER)和低层钩状回波等典型结构.与钩状回波对应的近地面结构包括风暴前侧下沉气流(FFD)、风暴后侧下风气流(RFD)和中部上升气流(UD).这种超级单体有很大几率会引起龙卷.

(3) 成功模拟出生成龙卷的TLV系统,主要表现为水平面上垂直涡度急剧增大,维持时间较短,在垂直方向上倾斜发展,正涡度高值中心位于近地面,近地面对应有内部下沉外围上升的结构.水成物在单体后部云底形成环绕云墙,其下部水成物收缩拉长呈触地漏斗状,配合TLV形成龙卷.

(4) 建立了龙卷超级单体的三维概念图来反映超级单体和TLV的精细化结构:伴随着超级单体的发展,上升气流UD向上发展形成上冲云顶,向前侧伸展形成云毡,单体前侧和后侧均出现下沉气流FFD和RFD,对流云底中水成物形成云墙;FFD造成单体前侧降水,RFD和UD耦合处产生强辐合,低层中气旋激增形成产生小尺度龙卷的TLV系统.与之前研究存在差异的是,本次个例超级单中后部入流较弱,出流较强,其前部气流上升出现水合物聚集.

(5) 相对螺旋度分析表明,在此次龙卷过程中一直存在相对螺旋度(SRH)的正负值区,龙卷发生在SRH正负高值区交界处,伴有较强的中气旋.这可能是在SRH的正负高值区交界处有水平涡度向垂直涡度转化,促进垂直涡度增长,引起中气旋和龙卷的发展.

本文虽然成功地模拟了具有强烈的中、低层旋转的龙卷超级单体及龙卷对应的TLV系统,表明了龙卷风形成的巨大潜力,但并不能直接预测龙卷风的形成.已有的研究表明,低层中气旋(或者TLV)可能不是龙卷风形成的精确指标.考虑到龙卷风的规模较小,更深层次的数值模拟(10 m尺度)分析龙卷精细结构及其对应的物理机制是今后的工作重心.本文建立超级单体和龙卷的概念模型是根据此次个例的数值模拟和诊断分析而建立的,还需要开展更多的龙卷个例数值模拟分析工作进行检验和完善.

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