中国气象学会主办。
文章信息
- 李兆慧, 王东海, 麦雪湖, 吴凯露, 刘英, 王红艳, 朱建军, 炎利军, 李彩玲, 陈慧娴, 龙妍妍. 2017.
- LI Zhaohui, WANG Donghai, MAI Xuehu, WU Kailu, LIU Ying, WANG Hongyan, ZHU Jianjun, YAN Lijun, LI Cailing, CHEN Huixian, LONG Yanyan. 2017.
- 2015年10月4日佛山龙卷过程的观测分析
- Observations of the tornado occurred at Foshan on 4 October 2015
- 气象学报, 75(2): 288-313.
- Acta Meteorologica Sinica, 75(2): 288-313.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2017.013
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文章历史
- 2016-06-25 收稿
- 2016-11-22 改回
2. 中山大学大气科学学院, 广州, 510275;
3. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京, 100081;
4. 中国民用航空飞行学院, 广汉, 618307
2. School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China;
3. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China;
4. Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China
龙卷定义为从积状云下垂并延伸至地面的强烈旋转的空气柱,且经常可见漏斗云和/或地面上旋转的碎片/沙尘。龙卷是对流风暴产生的最猛烈的天气现象,其中心最大风速可超过140 m/s (David-Jones, et al, 2001),常与雷暴大风、冰雹和暴雨等强对流系统一起出现。它是大气中最强烈的涡旋现象,影响范围虽小,但来势凶猛,破坏力极大。龙卷有巨大的能量能将尘土和其他松散物质卷向高空,远远地甩出或扔向地面,对所到之处的建筑物、农林作物、交通和渔业等均能造成严重破坏。因此,是建筑设计、工农业生产和生命财产保险、防灾救灾等诸项事业中应予以重视的灾害性天气现象。
号称为“龙卷之乡”的美国是世界上龙卷发生最多的地方,其对龙卷的研究起步较早。继20世纪40年代末期的“雷暴计划”以后,龙卷的钩状回波于1953年在美国伊利诺伊州的雷达图像上被偶然观察到,此后,特别是在60到70年代,芝加哥大学的Fujita结合地面观测数据、龙卷图片以及龙卷灾情对龙卷展开了大量研究工作 (Fujita, 1971, 1981, 1989; McDonald,2001)。美国龙卷的研究史包括了一系列有计划的外场观测实验以及实验室的模拟实验。龙卷观测最常用的工具是雷达,随着高端雷达技术的发展,雷达的时、空分辨率逐步提高,WSR多普勒雷达、双偏振雷达、相控阵雷达等相继被应用于龙卷的观测。虽然通过雷达数据反演能够获取到龙卷风暴的三维特征,但龙卷漏斗涡旋的尺度小于雷达的分辨率,且作为龙卷风暴体热力、动力学特征的一个关键区域——地面层,雷达却几乎观测不到,从而针对龙卷的各种地面观测仪器应运而生。对龙卷最早的地面仪器观测始于1980年,位于Boulder的波动传播实验室的Bedard等 (1983)和俄克拉荷马大学的Bluestein (1983)设计了Totable Tornado Observatory (TOTO), 这个仪器重400 pound①,能测量温度、气压、露点温度和风速。测量时需要将其放在龙卷所经过的路径上,由于准确估计龙卷路径的难度较大,所以当时成功观测到的龙卷个例很少。80年代末期,俄克拉荷马大学的Fred Brock设计出了另一种观测龙卷的仪器“Turtle”(Brock, et al, 1987),它较轻便且体积小,容易在大范围内布点,这增加了观测龙卷的机会。1988年,Turtle成功捕捉到俄克拉荷马境内的一次龙卷过程。但是由于Turtle太轻,容易被龙卷破坏,Tim Samaras对此进行改进,将Turtle与加固的龙卷气压记录器融为一体,设计了加固的龙卷气压记录仪——Hardened In-Situ Tornado Pressure Recorder (HITPR), 并于2003年6月24日成功地记录到南达科他州的一次龙卷降压过程 (Samaras, et al, 2006)。另外,静止自动观测站Stationary Automated Mesonetwork (SAM)(Barnes, 1981) 以及便捷式自动观测站Portable Automated Mesonet (如PAM-Ⅱ)(Brock, et al, 1986) 也曾用于龙卷的观测,而龙卷观测数据较成功的获取主要来源于两次外场实验Verification of the Origins of Rotation in Tornadoes Experiment: VORTEX (VORTEX1(1994—1995年; Rasmussen, et al, 1994) 和VORTEX2(2009—2010年; Wurman, et al, 2012)),美国国家强风暴实验室NSSL和俄克拉荷马大学为VORTEX外场实验联合设计的车载移动气象观测站Mobile Mesonet (Straka, et al, 1996),成功地获取到龙卷内部的温、压、湿、风等数据, 使得对龙卷钩状回波及其后侧下沉区地面层的热力和动力结构有了进一步的认识。相比于分辨率较高的固定地面自动站网而言,外场实验通常需要耗费大量的人力物力,还必须要进行周密的计划和安排才能成功获取到有效数据。
① 1 pound=0.45359 kg
中国目前对龙卷的研究仍然处于起步阶段。20世纪90年代之前对龙卷研究主要围绕灾情的描述, 包括灾害现场地物摧毁特征、龙卷行踪的时空分布等方面,而对龙卷的大、中、小尺度天气学分析以及雷达分析较为简单 (查玉泉,1979;张军,1981;甄长忠等,1982;李连芳, 1987;戴秀君等,1987;徐良炎,1988;黎清才等,1989)。20世纪90年代后, 随着观测设备的逐步完善,特别是中国气象局从1998年开始建设的由S波段和C波段多普勒天气雷达构成的中国新一代天气雷达网的逐步完善,以及车载X波段雷达和C波段雷达的应用,再结合常规气象观测资料、加密地面自动站观测资料、无线电探空仪等资料以及使用高分辨率的数值模式模拟等技术,使得龙卷的研究得到较大开展, 进而逐步深入地分析龙卷的气候活动规律及时空分布特征,以及有利于龙卷发生的天气尺度环流背景及中、小尺度对流系统的特征 (魏文秀,1995;周后福等, 2009, 2014a, 2014b; 何彩芬等,2006;俞小鼎等, 2006a, 2006b, 2008, 2012;蒋义芳,2009;郑峰等, 2010;Zheng, et al, 2011;李延江等,2011;姚叶青等,2012;Yao, et al, 2015;吴芳芳等, 2012, 2013;王毅等,2012;王德育等,2012;张一平等,2012;许薇等,2012;李改琴等,2014;徐学义等,2014;朱江山等,2015;范雯杰等,2015;王秀明等,2015)。魏文秀等 (1995)对中国1980—1993年的龙卷分布进行统计后指出,中国有2个龙卷多发带,一个是自长江三角洲经苏北平原至黄淮平原,另一个是在广东和广西。范雯杰等 (2015)对1961—2010年全国记录到的EF2级以上的165次龙卷的发生地进行统计后发现,江淮流域、华南、东北和华北地区东南部等地形平坦地区为龙卷高发区。
江淮地区东部的龙卷以苏北、皖北为中心,多发生在雨季,常发生在梅雨期间,伴随强降水,其发生的环境特征为副热带高压 (副高) 外围西风槽前,低层水汽充沛,常存在低空急流,0—6 km深层风垂直切变超过3×10-3 s-1,对流有效位能高 (俞小鼎等, 2006a, 2008;郑媛媛等, 2004, 2009, 2015;姚叶青等,2012;张一平等,2012;吴芳芳等,2013)。华南强龙卷超过一半发生在台风外围环流中,华南前汛期也会在冷暖空气交汇形成的对流系统中出现F2级以下的小龙卷。台风外围龙卷通常都发生在台风环流的东北象限,其发生的环境条件通常都伴随着充沛的水汽和较强的低空急流,另外,抬升凝结高度低,K指数以及强天气威胁指数 (SWEAT) 大,风垂直切变大,对流有效位能不高,中低层伴有明显的辐合区和正涡度区,这些都有利于龙卷产生 (戴秀君等,1987;沈树勤,1990;李彩玲等,2007;许薇等,2012;黄先香等,2014;郑媛媛等,2015)。在美国飓风、龙卷研究中也有类似的特点,并强调热带气旋低层强的风垂直切变是产生龙卷的重要因素 (Novlan,et al, 1974; Gentry, 1983)。东北地区龙卷多发生在东北冷涡背景下,直接影响系统为冷涡南侧次天气尺度短波槽,且常出现在槽区或前倾槽后;较之夏季江淮流域和华南龙卷,东北龙卷环境温度直减率较大;低层水汽含量及湿层厚度比江淮及华南龙卷显著偏低 (王秀明等,2015;朱红蕊,2015)。
对中国2004—2013年的龙卷进行统计后发现,广东佛山是出现EF1级或以上的龙卷次数最多的地级市。龙卷发生与地形有密切关系,除了地形平坦以外,江河湖泊、沿海等地区对强龙卷生成有一定的促进作用,喇叭口地形容易生成强对流天气,也能促进龙卷的生成 (范雯杰等,2015;姚叶青等,2012;纪文君等,2005)。佛山市地处东亚大陆的边缘、毗邻南海,属于亚热带季风性气候。由于受季风、热带气旋以及珠江口附近喇叭口地形地貌影响,佛山强对流天气多发,是华南龙卷气象灾害高发区。佛山的龙卷近几年发生频率较高,最近10年龙卷的发生频率平均为2.0次/a。根据佛山龙卷过程的环流背景场可分为4种类型:(1) 台风外围型;(2) 锋前暖区型;(3) 热带扰动型;(4) 地面辐合型,即无特定天气系统情况下的一种类型。其中台风外围型和锋前暖区型发生的龙卷较多 (黄先香等,2014)。本研究分析的龙卷属于台风外围型,出现在台风彩虹的东北侧。
虽然越来越多的先进监测设备被应用到龙卷的探测和分析中,但由于龙卷的时、空尺度太小,对于龙卷的监测仍有很大的难度,目前仍然极难甚至无法探测到诸如龙卷中心的实际风速、气压等气象要素值,对龙卷最大风力的估计多数还是灾后灾情调查者的估计值或者车载多普勒雷达近距离观测的估计值。庆幸的是,佛山地区有分布较密的地面自动气象站网 (图 6c),在龙卷经过时可以捕捉到龙卷周围气象要素的变化情况。文中使用的资料除了航拍的龙卷灾情,走访龙卷目击者以及现场灾情调研等获取的视频及照片外,其余全部来源于观测资料。地面常规气象站以及自动气象站记录到的温度、气压、风速风向以及降水随时间的演变,有利于认识龙卷路径上各气象要素的变化情况;广东珠三角附近的4个常规探空站探测资料和3部风廓线雷达探测资料等有助于了解龙卷发生的大尺度环境场的层结条件以及风垂直切变等;5部S波段多普勒业务雷达探测资料有利于分析龙卷的结构,特别是广州雷达距离龙卷约23 km,能有效地捕捉到本次龙卷的发生、发展过程。
2 龙卷实况及其强度定级2015年第22号台风“彩虹”于10月4日14时10分 (北京时,下同) 在广东省湛江市坡头区沿海登陆 (图 6b),登陆时为强台风级别,中心附近最大风力达15级 (50 m/s),台风中心距离佛山350 km左右。受台风“彩虹”环流影响,10月3日20时—6日20时广东佛山出现持续性强降雨,佛山199个自动气象站普遍记录到雨量在100—500 mm,平均雨量317.4 mm,其中南海九江和西樵镇雨量超过500 mm。本次台风过程雨强大、降雨时间集中,为佛山有气象记录以来最强降雨过程。受此次天气过程影响,佛山市共23个镇 (街) 受灾,造成死亡4人,受伤95人,受灾人口超过4.2万,转移安置人口5400人,农作物受灾面积3.3135×103 hm2,水产养殖损失3.0169×103 hm2,受损厂房、民房、棚舍共1200多间,受损车辆400多辆,直接经济损失77981万元。上述灾情中,伴随台风环流而产生的龙卷造成了4人死亡,80余人受伤。
经过对龙卷路径沿线的工业园区、村居民舍等受灾现场进行实地调研,了解其破坏程度,航拍龙卷灾情路径,走访龙卷目击者,多渠道获取龙卷视频照片等资料,再结合雷达以及佛山自动气象站等观测资料进行综合分析,确认此次龙卷于15时28分在佛山顺德区勒流富安工业区 (FA) 生成,向西北偏北 (方位角327.3°,北偏西32.7°) 方向移动, 先后影响了勒流镇的连杜 (图 1a1、a2)、龙眼 (LY,图 1a3),伦教镇仕版、新塘世龙工业区 (SL, 图 1a4),勒流镇江义 (JY,图 1a5),北滘镇马龙工业区 (ML,图 1a6、a7、a8),乐从镇劳岳工业区 (LAY, 图 1a9)、大墩、小涌 (XC,图 1a10),禅城区石湾街道 (经过佛山公园、佛山大道家博城路段、德星村陶瓷批发市场 (DX, 图 1a11)、魁奇西路飞驰厂、季华3路中国陶瓷城 (JH3, 图 1a12、a13)),张槎街道 (经过张槎一路、青柯、大江、古灶、上塱、下塱),于16时前后影响南海狮山镇的罗村甘坑 (LC, 图 1a14),造成明显灾情的路径长度为31.7 km,这与中国EF3级龙卷的平均路径长度 (35.7 km) 较接近 (范雯杰等,2015)。随后龙卷逐渐消失,其生命史为32 min,速度为60 km/h。通常龙卷的移动速度是由产生它的对流单体的移动速度决定的 (40—50 km/h),最快90—100 km/h,可见本次龙卷的移动速度较快。
受探测手段的限制,虽然对龙卷强度的直接观测存在一定的困难,但是可以根据龙卷过后的灾情加以评估。Fujita (1971, 1981) 根据龙卷路径上建筑物的受损程度及其与风速的对应关系将龙卷分为6个等级 (图 2),从F0级到F5级,即“藤田级别”(Fujita-Scale, F-Scale), 此后藤田级别法得到广泛的应用 (NOAA, 2003),但在使用过程中发现其存在一定的局限性:(1) 缺乏丰富的灾情指示物,仅仅局限在房屋的受损程度;(2) 对建筑物的质量和差异考虑不够;(3) 风速和灾情的关系不够准确;于是在“藤田级别”基础上新增了28种灾情指示物,如不同结构、不同建材、不同高度的建筑物,电线架,塔架,硬木,软木等,同时对各等级龙卷的风速阈值也进行了调整,从而使风速和龙卷灾情更准确地对应,命名为“改进的藤田级别”(Enhanced Fujita Scale, EF-Scale),并于2007年2月1日用于美国的龙卷级别界定业务中 (Texas Tech University, 2006)。
目前中国尚无完善的龙卷灾情调查标准,建筑物、树木、电杆等各类龙卷灾害指示物的结构特征等也与美国不同,直接参照“改进的藤田级别”来判定中国龙卷的强度本身可能会有一定误差。另外,即使相关标准统一、可靠,判定龙卷强度本身仍高度依赖于个人主观判断,易造成判断标准的前后不一 (Doswell, et al, 1988),甚至气象学家和具有丰富灾情调查经验的专业人士也常将同一龙卷灾害认定为不同级别。尽管存在上述偏差,针对龙卷的灾情特征,对不同时间、不同地点的龙卷强度进行定级,仍是十分有必要的。综合所收集的各方面的资料对本次龙卷过程进行灾情定级,并按其强度将龙卷过程划分为初生发展、成熟和减弱消亡阶段。
2.1 初生发展阶段 (EF0—EF2级)本次龙卷于2015年10月4日15时28分生成并触地,从市民拍摄到的龙卷照片 (图 3a) 可见,龙卷刚从母体云中往下伸展,尺度较小,漏斗云系中无杂物,还很干净,对地面破坏较弱,灾情现场只发现水塘周围的香蕉树及矮小的桃树等被吹倒或折断,并受龙卷涡旋影响而向内倒伏 (图 3b),EF-Scale中直径约1—3英寸 (2.54—7.6 cm) 的树枝折断对应的风速为27—39 m/s,其风速期望值为33 m/s,由此推出灾情级别为EF0(附录表 1)。随后龙卷经过2 min逐步发展,穿过2.3 km平坦的农田和水塘后,强度迅速增强,毁坏庄稼地农作物,吹倒沿途的高压电线杆 (图 1a1), EF-Scale中,铁制或水泥电线杆弯曲或折断,其风速为51—67 m/s,其风速期望值为62 m/s,灾害等级为EF2(附录表 2),地面受灾范围直径在50 m以内。另外,15时30分广州雷达 (图 1b)0.5°PPI的基本反射率中已经能看出钩状回波雏形,有明显的入流区;径向速度图上中气旋的旋转速度为22.75 m/s,尺度大小为2.1 km,为中等强度的中气旋。
损毁级别 | 灾情描述 | 风速期望值 | 风速最小值 | 风速最大值 | 期望值对应的EF-Scale级别 |
1 | 直径约1英寸的小树枝折断 | 26.8 | 21.5 | 32.2 | EF0(29-38) |
2 | 直径约1—3英寸 (2.54—7.6cm) 的大树枝折断 | 33.1 | 27.3 | 39.3 | EF0(29-38) |
3 | 连根拔起 | 40.7 | 34.0 | 52.7 | EF1(38-49) |
4 | 树干折断 | 49.2 | 41.6 | 59.9 | EF2(50-60) |
5 | 剥皮,只剩下主枝干 | 63.9 | 55.0 | 74.6 | EF3(61-74) |
损毁级别 | 灾情描述 | 风速期望值 | 风速最小值 | 风速最大值 | 期望值对应的EF-Scale级别 |
1 | 可计损失的起始值 | 37.1 | 31.3 | 43.8 | EF0(29-38) |
2 | 电线杆的木横梁受损 | 44.3 | 35.8 | 51.0 | EF1(39-49) |
3 | 木质电线杆倾斜 | 48.3 | 38.0 | 58.1 | EF1(39-49) |
4 | 木质电线杆折断 | 52.7 | 43.8 | 63.5 | EF2(50-60) |
5 | 铁制或水泥电线杆弯曲或折断 | 61.7 | 51.4 | 66.6 | EF3(61-73) |
6 | 铁制高压线塔架倒塌 | 63.0 | 51.9 | 73.8 | EF3(61-73) |
此阶段龙卷体积增大,其漏斗的轮廓已经非常清晰,颜色较深,表明其内部卷起很多杂物,漏斗云系周围伴有未触地的龙卷涡管——卫星龙卷 (图 4a),其移动路径长达15.5 km,历时12 min,对地面厂房等造成严重的损坏 (图 4b)。此阶段龙卷所到之处大部分是低矮简易的厂房和水塘,平坦的下垫面对龙卷的摩擦阻力小,利于其迅速加强,并有较快的移动速度。当龙卷横扫其路径上第一个工业区——龙眼 (LY) 时,视频拍摄到了双龙卷的形态特征 (图 4a2),龙卷给工业区带来极大破坏,吹飞厂房铁皮房顶,并使厂房钢架结构坍塌 (风速为54—75 m/s,其灾害等级为EF3级,详情见附录表 3),吹断混凝土电线杆以及铁制的高压线塔架 (图 1a2,风速为52—73 m/s,EF3级,详情见附录表 2),吹倒砖房的外墙 (图 1a3,风速为51—68 m/s,EF3级,详情见附录表 4)。随后龙卷继续往西北方向移动,穿过一片长250 m高80 m的住宅楼群,虽然受高楼阻挡龙卷漏斗云柱断裂了5 s,但龙卷母体移过高楼后再次重新形成漏斗云并触地 (图 4a2)。钢筋混凝土的建筑物对龙卷有一定的抵御能力,墙体结构完好,只有窗户玻璃出现破裂。随后龙卷途经之处树木枝叶被剥光,只剩下主干 (图 1a4,风速为55—73 m/s,其灾害等级为EF3,详情见附录表 1),高压电线塔架被刮倒 (图 1a5, 风速为52—74 m/s,EF3级,详情见附录表 2),在建工地的塔吊被折断或吹倒 (图 1a6,灾情级别为EF2,详情见附录表 5),大面积的厂房房顶被吹飞,钢结构的厂房彻底倒塌,几乎被夷为平地 (图 1a7、a9,灾情级别为EF3,详情见附录表 3),并发现十几吨的大货车被吹翻 (图 1a8), 这在EF-Scale中没有明确的定级标准。
损毁级别 | 灾情描述 | 风速期望值 | 风速最小值 | 风速最大值 | 期望值对应的EF-Scale级别 |
1 | 可计损失的起始值 | 30.0 | 24.0 | 37.1 | EF0(29-38) |
2 | 卷叶门向内或向外垮塌 | 39.8 | 33.5 | 48.3 | EF1(39-49) |
3 | 铁制的屋顶或墙体铁板吹飞 | 42.5 | 34.9 | 53.6 | EF1(39-49) |
4 | 柱锚固脱落 | 52.3 | 42.9 | 60.3 | EF2(50-60) |
5 | 房顶的檩条垮塌 | 52.7 | 42.5 | 61.7 | EF2(50-60) |
6 | 侧面X型负载支架倒塌 | 61.9 | 52.7 | 70.6 | EF3(61-73) |
7 | 房屋的钢架结构垮塌 | 63.9 | 53.6 | 75.1 | EF3(61-73) |
8 | 整个房屋完全垮塌 | 69.3 | 59.0 | 79.6 | EF3(61-73) |
损毁级别 | 灾情描述 | 风速期望值 | 风速最小值 | 风速最大值 | 期望值对应的EF-Scale级别 |
1 | 可计损失的起始值 | 29.0 | 23.7 | 35.8 | EF0(29-38) |
2 | 小于20%的屋顶受损,屋顶的天沟或者雨棚受损,墙体外层的塑料或铁制的面板受损 | 35.3 | 28.2 | 43.4 | EF1(39-49) |
3 | 门窗的玻璃受损 | 42.9 | 35.3 | 51.0 | EF1(39-49) |
4 | 掀起屋顶的平台,屋顶材料有明显的大于20%的损失,烟囱倒塌,车库门向内倒塌,车库或者走廊倒塌 | 43.4 | 36.2 | 51.9 | EF2(50-60) |
5 | 整个房子被抬离地基 | 54.0 | 46.0 | 63.0 | EF2(50-60) |
6 | 大部分房顶结构被吹离,墙体大部分还在 | 54.5 | 46.5 | 63.5 | EF2(50-60) |
7 | 顶楼的外墙倒塌 | 59.0 | 50.9 | 68.4 | EF2(50-60) |
8 | 除了部分内墙外,大部分墙倒塌 | 67.9 | 56.8 | 79.6 | EF3(61-73) |
9 | 所有墙体倒塌 | 76.0 | 63.5 | 88.5 | EF4(74-89) |
10 | 房屋完全摧毁,墙体等杂物被吹走,水泥地基面上被扫干净 | 89.4 | 73.8 | 98.3 | EF5( > 89) |
损毁级别 | 灾情描述 | 风速期望值 | 风速最小值 | 风速最大值 | 期望值对应的EF-Scale级别 |
1 | 可计损失的起始值 | 41.0 | 34.0 | 50.5 | EF1(39-49) |
2 | 手机通讯塔垮塌 | 59.4 | 50.5 | 70.2 | EF2(50-60) |
3 | 微波通讯塔垮塌 | 60.8 | 51.9 | 71.5 | EF2(50-60) |
15时31—42分,龙卷灾情的范围在逐步增大,强度也继续加强。15时31分,龙眼工业区的地面受灾直径为80 m (LY,图a中沿着龙卷路径的红色阴影区为龙卷灾情范围);15时36分世龙工业区 (SL) 的地面受灾直径扩大到230 m,江义水闸 (JY) 达到367 m,此时雷达基本反射率图上已经形成明显的钩状回波,其回波末梢出现反射率最大值62.5 dBz (图 1c右上图的黑色矩形处),这与龙卷触地后卷起的大量碎片有关 (该位置雷达波束中心区能探测到的高度约为420 m)。此时中气旋已增强为强中气旋,其尺度为3.4 km,旋转速度增强为25.75 m/s;中气旋内部出现明显的龙卷涡旋特征 (TVS,Tornadic Vortex Signature)(图 1c,即图中2个正、负速度对矩形框)。15时42分龙卷灾情半径继续扩大,马龙工业区 (ML) 灾情直径为354 m,劳岳工业区 (LAY) 出现灾情最大直径为577 m。此时雷达反射率上的钩状回波依然存在,但是其钩状区变得略肥大,中尺度气旋强度减弱为中等强度的中气旋,旋转速度减小为20.25 m/s,直径为2.6 km,但其内部的龙卷涡旋特征依然明显,强度继续维持,且钩状回波末端最大反射率更强,达到65 dBz (图 1d),正好与此时增大的灾情直径和大量被卷上高空的龙卷碎片一致。
2.3 减弱消亡阶段 (EF1—EF2级)此阶段龙卷漏斗形的轮廓变得模糊而松散,云系中杂物减少 (图 5a),部分高楼的房顶受损 (图 5b),强度和灾情都有所减弱,其路径长13.9 km,历时18 min,下垫面相较之前有明显不同。此阶段龙卷进入佛山主城区,建筑物主要以钢筋混凝土为主,而且多高楼大厦,粗糙度大,其最大风速中心上移,离开地面,同时近地面大风区范围随之缩小,对地面的破坏力小,灾情也随之减轻 (文字信贵等, 1989;Dessen, 1972; Leslie, 1977)。粗糙的下垫面成为龙卷强度以及地面灾情减弱的一个重要因素,龙卷的移动速度也因此而变慢。从地面灾情来看,城区主要建筑物并没有受到很强的破坏,灾情多是以树木吹倒或折断 (JH3,图 1a12,灾情级别为EF1或者EF2, 详情见附录表 1),楼顶广告牌被吹飞 (EF-Scale中没有对此做灾情风速对应表,在以后考虑中国的龙卷定级时可加入广告牌作为灾情指示物),小型面包车被吹翻 (JH3,图 1a13),移动房屋被吹走 (EF2, 详情见附录表 6, 飞射物在EF-Scale中没有做明确的灾情定级,但是英国的龙卷与风暴研究组织TORRO (the TORnado and storm Research Or-ganization) 的龙卷定级标准T-Scale中有对飞射物与风速关系的描述,由此可推出相应的EF-Scale,但是二者在风速的对应关系上是有差别的),砖墙民房倒塌 (LC,图 1a14,EF2, 见附录表 4),城区中零散分布的厂房房顶被揭开 (图 1a10、a11),灾害等级减弱为EF1,见附录表 3。
损毁级别 | 灾情描述 | 风速最小值 | 风速最大值 | T-Scale级别 | 推导出的EF-Scale级别 |
1 | 蓬松轻巧的垃圾螺旋式上升 | 17.0 | 24.0 | T0 | |
2 | 轻便折叠躺椅、小的植物、较重的垃圾在空飞舞 | 25.0 | 32.0 | T1 | EF0(29-38) |
3 | 一些较重的垃圾及碎片在空中飞舞,并对窗户等造成二次损坏,甚至嵌在较软的物体上 | 42.0 | 51.0 | T3 | EF1(39-49) |
4 | 汽车被抬升到空中,移动房屋卷至空中或被损毁;碎片被卷至空中2 km高度并留下明显的痕迹 | 52.0 | 61.0 | T4 | EF2(50-60) |
5 | 砖石及块状物被卷上天成为危险的空中飞行物 | 73.0 | 83.0 | T6 | EF3(61-73) |
6 | 汽车被卷到很远的距离;钢铁制品及其他较重的碎片撒在很远的距离外 | 96.0 | 107.0 | T8 | EF4(74-89) |
7 | 框架结构的房屋及其类似的建筑物整体被抬离地基并被甩到一定距离之外 | 121.0 | 134.0 | T10 | EF5( > 89) |
此阶段龙卷灾情范围的直径逐步缩小,小涌 (XC) 和德星村陶瓷批发厂 (DX) 的灾情直径缩小为140 m左右,随后灾情直径继续缩小。雷达图上的中气旋的尺度及其旋转速度都在逐步减小。15时48分,雷达基本反射率图上的钩状回波基本被填塞,黑色矩形内 (图 1e右上图) 的反射率已减弱为52.5 dBz,朝向雷达的径向速度明显减弱,中气旋旋转速度减弱为15.5 m/s,强度衰减为弱中气旋,其尺度减小到2 km,其内部的龙卷涡旋特征也明显减弱。15时54分 (图 1f) 和16时 (图 1g) 的反射率图上已经没有钩状回波的形态,旋转速度因朝向雷达的径向速度减弱而继续减小,中气旋尺度也继续减小,强度衰减为弱切变,随后龙卷消失。
综上所述,此次产生龙卷的超级单体存在于台风“彩虹”外围螺旋云带内部的中小尺度对流系统中;龙卷随着超级单体风暴向西北偏北方向移动,触地时长为32 min,路径长度为31.7 km,灾情直径在几十米到几百米,最大直径为577 m,平均速度约为60 km/h,强度达到EF3级,属于强龙卷。本次龙卷的生命史可分为初生发展阶段 (EF0到EF1级)、成熟阶段 (EF3级) 和减弱消亡阶段 (EF1到EF2级)。从初生发展阶段到成熟阶段,龙卷强度逐步增强,中气旋的旋转速度增大,龙卷涡旋特征清晰。由于下垫面较平坦,龙卷移动速度较快,对地面的破坏力逐渐增强,灾情直径逐渐增大。减弱消亡阶段,龙卷强度逐步减弱,中气旋的旋转速度减小, 再加上进入佛山主城区后下垫面粗糙度增大,龙卷移动速度减慢,对地面的破坏力逐渐减弱,灾情直径逐渐减小。
3 天气背景特征10月1日中高纬度的小槽东移,槽底偏北,位于西北太平洋的副热带高压随之东退,同时在副高西南侧的东南气流引导下,中国南海的热带扰动往西北方向移动,并于2日凌晨加强为热带风暴,编号为1522号台风“彩虹”。随后台风在往西北方向移动的过程中不断加强为强热带风暴 (STS,2日20时)、台风 (TY,3日14时)、强台风 (STY,3日23时),并于4日14时10分前后以强台风级别在广东省湛江市坡头区沿海登陆,登陆后于18时减弱为台风级别,龙卷正好发生在台风登录减弱时期,这与沈树勤 (1990)的研究结果一致,他统计出1962—1984年江苏台风前龙卷有84%出现在台风登录减弱阶段。本次台风的外围云系中存在很多带状的中小尺度对流,呈现出列车效应向西北方向移动,龙卷的母体正是由这些中小尺度对流系统发展而来的 (图 6b)。3—4日,500 hPa的副热带高压西伸,随着台风逼近,广东上空风力逐渐增大。3日20时至4日20时,佛山上空为台风“彩虹”及副热带高压之间的东南急流所控制 (图 7e)。
3日白天,中低层风速开始增大,佛山地区从3日20时起700 hPa高空受东南急流控制,4日08时风速大值区往西北方向移至位于阳江和江门一带,佛山位于低空急流区右侧,其上空风速超过28 m/s。850 hPa显示3日20时佛山为偏东急流控制,风速超过16 m/s,4日转受台风东北象限的强盛东南急流影响,08时大值区仍然位于江门至阳江一带,佛山风速则超过24 m/s,20时大值区随着台风中心往西北方向移动,影响两广地区 (图 7a—d)。
4日08和20时,佛山地区700 hPa上空均为辐散且处于负涡度区内,而850 hPa处于辐合区内且均为正涡度场。由此可见,低层 (850 hPa) 的环境场有利于对流的发生、发展,但其发展高度不高,限制在700 hPa以下 (图 7a—d)。
地面上中高纬度陆续有冷高压东移,3日晚上到4日有小低压槽携带冷空气南下,其主体主要影响广西,4日17时广西北部地区24 h降温达到10℃,而佛山降温在4—6℃,除了受广东北部冷空气影响外,东部沿海的小槽带来的东路冷空气也成为佛山降温的一大因素。偏东的较冷空气与暖湿偏南气流交汇于佛山地区,形成较强的辐合区的同时,也形成了一个冷暖交汇的锋面系统,从而使得温度梯度增大,层结不稳定度增强。可见风场辐合和锋面系统为对流的发展提供了非常有利的条件 (图 7f)。
另外,广东佛山处于珠江三角洲腹地,地势平坦,而珠江三角洲西北面有起伏的山脉,形成西高东低,北高南低的喇叭口地形,西行台风外围的东南气流遇到喇叭口地形 (图 6a),加速汇合到佛山,有利于低层气流辐合和局地气旋性涡旋的产生,是龙卷发生的有利因素。
佛山周围有4个探空站 (图 6a),其中阳江站 (图 8a、b) 和香港站 (图 8c、d) 位于佛山南部,受台风环流影响较明显,整层风速都较大,低层风速已达到20 m/s,并随着高度升高而明显增大。阳江站08时以偏东风为主,20时随着台风向西北方向移动,其风向转为偏南风。香港站08时500 hPa以下的风速随着高度升高而明显增大,风向呈顺时针旋转,可见此切变有利于龙卷发生。从各探空指数来看 (表 1),08时对流有效位能很小,20时能量有所增大,但仍然小于强对流天气的CAPE值。K指数超过33℃,强天气威胁指数 (SWEAT) 也较大,说明层结不稳定,有利于对流天气发生。抬升凝结高度 (LCL) 均很低,不到400 m,Thompson等 (2002, 2003) 和Craven等 (2004)统计发现F2级以上强龙卷的平均LCL小于981 m,弱龙卷的平均LCL小于1179 m。可见佛山周围的LCL相当低,表明低层相对湿度大,下沉气流中的气块在低层大气被蒸发冷却的可能性就小,具有较大的正浮力,有利于上升运动的发展,进而有利于F2级以上强龙卷形成。低层的垂直风切变也很大。综合各个探空可见其中低层的湿度都很大,风垂直切变也较大,对流有效位能较小,抬升凝结高度相当低。综合分析佛山历史龙卷个例的各探空指数也存在此特点 (表 2,黄先香等,2014)。
站点 | K指数 (℃) | CAPE (J/kg) | SWEAT指数 | LCL (m) | ||||
08时 | 20时 | 08时 | 20时 | 08时 | 20时 | 08时 | 20时 | |
阳江 (YJ) | 38 | 34 | 142 | 1099 | 333 | 327 | 79 | 92 |
香港 (HK) | 33 | 42 | 475 | 1657 | 361 | 352 | 323 | 325 |
时间 | K指数 (℃) | CAPE (J/kg) | SWEAT指数 | LCL (hPa) |
2006年8月4日 | 36 | 231 | 340 | 969 |
2007年6月9日 | 36 | 14 | 321.5 | 940 |
2011年4月17日 | 34 | 560 | 240 | 967 |
2011年5月7日 | 40 | 639 | 388.9 | 979 |
2015年10月4日 | 36 | 254 | 339 | 991 |
研究 (Brooks, et al, 2002; Craven, et al, 2004; Evans, et al, 2002; Markowski, et al, 2002; 俞小鼎, 2008, 2012) 表明,两个有利于F2级以上强龙卷产生的条件分别是低的抬升凝结高度和较大的低层 (0—1 km) 风垂直切变。本次过程中南沙 (NS)、三水 (SS) 风廓线雷达资料显示 (图 9)0—1 km的风垂直切变值几乎都超过12×10-3 s-1,其中三水的切变平均值达到14.18×10-3 s-1,南沙达到16.5×10-3 s-1,珠海 (ZH) 稍低,为12.38×10-3 s-1。Craven等 (2004)统计出美国0—1 km的风垂直切变均值为11.5×10-3 s-1,0—6 km的风垂直切变均值为3.9×10-3 s-1。而中国的龙卷个例中,安徽无为和灵璧龙卷0—1 km的风垂直切变值都在13×10-3 s-1(俞小鼎等, 2006a, 2008),山东烟台070718龙卷的切变值达到15×10-3 s-1(徐学义等,2014),东北龙卷的切变均值11.8×10-3 s-1(王秀明等,2015),可见广东地区拥有一个相对较大的风垂直切变值,有利于龙卷发展。从中低层的风垂直切变 (图 9) 来看,4日0—3 km的风切变三水和南沙平均值为7.6×10-3—7.7×10-3 s-1,珠海为4.5×10-3 s-1。另外, 0—6 km三水风垂直切变平均值也维持在4.5×10-3 s-1,珠海为2.5×10-3 s-1。美国从风暴研究中概括出不同类型风暴所具有的切变:多单体风暴为1.5×10-3—2.5×10-3 s-1,超级单体风暴为2.5×10-3—4.5×10-3 s-1。可见本次天气过程的切变值较大,有利于超级单体发生、发展。
综上所述,佛山地区高空受台风外围和副热带高压边缘的强盛偏南气流影响,中低层为偏南急流控制,水汽充足,地面有弱冷空气渗透,风场辐合区与冷暖空气交汇的锋面系统为对流发生提供了有利条件;珠三角地区西北高东南低的喇叭口地形有利于低层气流的辐合以及局地小涡旋的形成;强对流天气威胁指数 (SWEAT) 和K指数都较大;抬升凝结高度低;风场随高度呈顺时针方向旋转,中低层 (0—3 km,0—6 km) 的风垂直切变很强,低层 (0—1 km) 的风垂直切变也很大,有利于龙卷的生成。
4 地面自动气象站观测佛山辖区内正常工作的地面自动气象站有198个,平均间距为4.3 km,其中有76个为6要素自动站。对自动气象站15—16时的3 s瞬时大风 (图 10a) 进行统计后发现,极大风速呈现西北—东南向带状分布,与龙卷路径方向一致。一个距离龙卷100 m左右的站点于15时51分记录到最大风速为25.2 m/s,风力达到10级,另一个距龙卷340 m的站点于15时59分记录到风速22.9 m/s。风速大值区集中出现在龙卷路径的北部,是因为北部的自动气象站点较密集,离龙卷较近,而南部的站点较稀疏,记录到的极大风速大多只有7—8级。统计分析15—16时的3 s最低气压 (图 10b) 后发现,最低气压也呈西北—东南向的带状分布。由于佛山顺德的自动气象站大多数还未升级为6要素自动站,所以龙卷路径南部的气压大部分缺测。1 h累计降水 (图 10c) 的大值中心也与龙卷路径一致,呈现出西北—东南走向,降水大值中心都分布在龙卷路径的西侧,而龙卷路径东侧降水都小于10 mm,由此可推测出龙卷出现在其母体的右侧。地面气温 (图 10d) 在龙卷到来时有明显的降低,从温度距平可见,龙卷周围的气温都是负变温,最大负变温达到1.3℃。
将龙卷所到之处的2 min平均风场与5 min降水的位置进行叠加 (图 11) 后发现,龙卷周围的地面风场呈现明显的气旋性辐合。降水大值中心都分布于龙卷的西侧,与1 h累计降水的分布一致。在龙卷的初生期 (15时30分) 以及触地之前 (15时25分),地面风场辐合区面积较大,距龙卷中心5 km左右的风场都呈现气旋性辐合;而在龙卷触地后,地面风场辐合区缩小到只距龙卷中心1.5 km左右的范围内。由此可见,地面的辐合区是龙卷触地的有利因素。
为了更清楚地了解龙卷对地面各气象要素的影响随时间的演变情况,对距龙卷路径较近的6要素站点进行分析后发现,龙卷的到来对本站的气温、气压、2 min平均风速和风向以及5 min累计降水都有非常明显的影响。站点G6804(图 12) 距离龙卷路径830 m左右,在龙卷来临前,气压为1008 hPa左右,龙卷来临时气压明显降低,15时45分从1007.9 hPa陡降至1007.4 hPa;而本站3 s瞬时气压记录到最低值 (1005.8 hPa) 出现在15时46分,降低约2.2 hPa,说明此时本站点距龙卷中心最近;15时50分气压又迅速回升至1008.5 hPa,随后气压基本维持在1008.9 hPa左右,比龙卷来临前上升约1 hPa。气温在龙卷来临前维持在25.4℃左右,龙卷到来时本站气温明显下降,最低3 s瞬时气温24.7℃出现在15时47分,15时50分气温降至最低24.7℃,15时55分又因降水明显减弱而突增至25.4℃,龙卷离开后气温降到25℃左右,比龙卷来临之前低0.4℃左右。2 min平均风速在龙卷到来前维持在7 m/s左右,龙卷来临时风速突增,2 min平均风向呈现气旋性旋转,15时45分之前,风向为偏东风,略有偏北分量,15时45分直接转变为偏北风,15时50分风速增大到11.8 m/s,风向转为西南风,15时48分出现3 s瞬时极大风速值为16.4 m/s,15时55分2 min平均风速减小到7 m/s,风向转为东南风,随着龙卷远离本站,16时风向恢复为偏东。从本站的5 min累计降水随时间的演变可见,龙卷来临前,本站的降水小于0.5 mm,15时35分 (即龙卷影响本站前10分钟左右),降水明显增强,15时40—50分超过2.5 mm,随着龙卷远离,降水明显减弱。由此推测龙卷位于其母体的后侧。
同时对另一个距离龙卷路径1420 m的自动站G2221(图 12) 进行分析发现,此站点气压在龙卷来临时陡降,3 s瞬时气压记录到最低值为1006.4 hPa,降低2 hPa左右,气温同时也降低0.5℃左右,风速增大,风向随时间呈气旋性旋转,降水在龙卷到达前10分钟左右就开始明显增强;龙卷离开后,气温、气压回升,但气温比龙卷来临前低约0.5 ℃,而气压比龙卷来临前高约1 hPa。
综上所述,受龙卷环流影响的地面自动气象站各气象要素表现出明显的信号。15—16时3 s极大风速的大值带、3 s最低气压的低值带以及1 h累计降水大值中心呈现出与龙卷走向一致的西北—东南向带状分布;龙卷到来时气温和气压明显降低;风速明显增大,风向呈现气旋性旋转;降水在龙卷到达前10分钟左右开始明显增强,其大值中心分布于龙卷路径的西侧。龙卷远离后气压比龙卷来临前高1 hPa左右,气温降低0.5℃左右。龙卷触地前地面风场出现了较大范围辐合区,触地后辐合区明显缩小,可见地面辐合区是引导龙卷涡旋触地的有利因素。
那么为什么龙卷经过后的气温会低于龙卷来临前,而气压又高于龙卷来临前呢?为什么降水在龙卷到达前10分钟左右就开始明显增大?这是由于龙卷的母体——超级单体带来明显降水,在上升气流中形成的降水粒子落在超级单体后侧的下沉气流区域时,水滴蒸发,使得周围的湿度达到饱和状态,下沉空气按湿绝热增温,升温率小,使其温度低于四周的温度,所以,龙卷过后的温度低于龙卷来临前的温度;另外,云底以下直到地面下沉的空气都比周围空气冷,较低的气温形成一个冷空气堆,所以龙卷过后的气压高于龙卷来临前的气压。降水在龙卷到达之前就开始明显增大,这是由于龙卷位于降水大值落区的右后侧 (图 11),而降水是由超级单体带来,所以龙卷位于超级单体的右后侧,在超级单体向西北方向移动时,降水总是先于龙卷到达,龙卷与超级单体及降水落区的具体分布从下一节的雷达分析中也可以得到答案。
5 雷达观测雷达观测是获取龙卷结构特征很有效的方法。通过15时30分—16时的广州雷达的组合反射率与自动气象站的风场和降水进行叠加 (图 13) 发现,超级单体风暴的移动方向与龙卷路径一致。15时36分雷达组合反射率 (图 13b) 超过50 dBz的区域出现了明显的超级单体风暴特征——钩状回波 (Lemon, et al,1979),龙卷出现在钩状回波的右后侧。风场的辐合区位于钩状回波处, 辐合中心与龙卷触地的位置一致,钩状回波的入流区在雷达反射率上表现出“V”形缺口,此处为上升气流所在地,地面吹偏东风,且风速较大。相关研究 (吴芳芳等,2012) 表明,与龙卷相关的大风通常出现在超级单体钩状回波附近。5 min累计降水大值区与雷达组合反射率大值区的位置较一致,其强度也随雷达回波减弱而减弱。
广州雷达的中尺度气旋探测算法从14时36分就识别出来中尺度气旋, 并一直持续到16时12分;龙卷探测算法也从15时30—48分识别出龙卷涡旋特征 (TVS),位于中尺度气旋的右侧 (图 14),根据实地调研得出的龙卷路径位于龙卷涡旋特征路径的右侧。中尺度气旋、龙卷涡旋特征和地面龙卷三者的位置较接近,且呈西北—东南走向,15时36分地面龙卷正好位于钩状回波的顶端,即超级单体风暴的右后侧,与前文分析的结果一致。通常受地球曲率的影响,雷达不能探测到地面层的情况,所以从三者的位置可以看出龙卷从超级单体风暴的右后侧伸出,且向西北方向倾斜。
结合15时36分广州雷达各仰角的基本反射率可以看出钩状回波在各高度层的结构 (图 15)。15时36分0.5°仰角出现明显的钩状回波 (图 15a1),钩状回波末端为反射率最强区域,强度达到62.5 dBz,其位置与径向速度图上像素到像素的龙卷涡旋特征重合 (图 15a2)。将钩状回波反射率最强区域用黑色矩形标识出来,作为参照物,可见单体在向高层发展时向西北方向倾斜;2.4°仰角以下的钩状回波入流区为弱回波区,3.4°(1.8 km) 仰角上则出现有界弱回波区 (Bounded Weak Echo Region, BWER),表明此高度仍有较强的上升气流;4.3°(2.2 km) 及6.0°(3 km) 仰角被较强回波覆盖 (图 15e、f),弱回波区消失,可见上升气流形成的穹窿区主要存在于1.8 km以内;9.9°(5 km) 仰角回波反射率已经明显减弱,可见超级单体风暴的高度不超过5 km。这与大尺度环境场的700 hPa佛山上空为辐散区和负涡度区,使得超级单体风暴的高度较低的结果较一致。
沿着图 15a1、a2所示的黑色实线对钩状回波进行剖面分析,也可以发现其单体高度较低,50 dBz回波高度在4 km左右,其前部存在回波悬垂。龙卷的云墙在反射率剖面图上表现为一条很窄的向西北倾斜的回波大值带 (图 15h、i),对应径向速度剖面图上为一条向西北倾斜的正、负速度交界区,红色为从纸面向外的速度,绿色为朝向纸面的速度,构成一个逆时针旋转的涡旋 (图 15j),而从切向剖面图上可见龙卷低层区域存在较强的辐合区 (图 15k)。
分析雷达中气旋和龙卷探测算法得出的中尺度气旋和龙卷涡旋特征量随时间的演变,可以了解龙卷风暴的结构及强度变化特点。风暴单体的最大反射率维持在60 dBz左右,高度全部在0℃层以下,为低质心风暴 (图略)。15时24分前后,对流风暴单体已进入佛山,在风暴顶和风暴底逐渐下降的过程中,中气旋的顶和底也在逐渐下降;龙卷触地时间为15时28分,此前中气旋的底高就在逐渐下降,15时30分下降到700 m,此时探测到龙卷涡旋特征,其底高300 m。研究指出,如果中气旋底高在不断地下降时,就要警惕龙卷的发生;具有低底的中气旋的对流风暴有利于龙卷的产生 (吴芳芳等, 2012, 2013)。龙卷的切变值此时达到130×10-3 s-1。统计表明,一般切变值超过100×10-3 s-1时就要注意龙卷等强天气的发生 (何彩芬等,2006)。15时36分中气旋达到最强阶段,此时中气旋的切变值上升到最大 (43×10-3 s-1),龙卷涡旋的切变值也增大到140×10-3 s-1(图 16),可见龙卷涡旋的切变值远大于中气旋,二者在龙卷强度最强时发展到最大。15时36分风暴顶和风暴底也下降到一个极值。15时30—48分,龙卷涡旋特征的顶高和底高都略低于中气旋,并在龙卷触地时降至最低,最强回波高度逐渐降低,最低降到300 m。随着龙卷出现,单体质心高度也于15时36分明显下降。垂直柱液态水含量于15时24分从38 kg/m2降低至22 kg/m2,至16时一直维持在21 kg/m2;之后随着龙卷消失,垂直柱液态水含量明显下降 (图略),其变化与其他龙卷个例描述较一致。
综上所述,超级单体风暴出现典型的钩状回波,其移动方向与龙卷路径一致,龙卷出现在钩状回波的右后侧;5 min累计降水大值区与雷达组合反射率的大值区的落区一致,其强度也随雷达回波减弱而减弱。地面风场的辐合区位于钩状回波处, 辐合中心与龙卷触地的位置一致,并且钩状回波的入流区正好对应地面的偏东风场。超级单体风暴发展的高度较低,50 dBz回波高度在4 km左右,其前部存在回波悬垂。龙卷云墙为一条很窄的向西北倾斜的回波大值带,对应径向速度剖面上为一条向西北倾斜的正、负速度交界区,构成一个逆时针旋转的涡旋,切向剖面图上存在较强的辐合。
龙卷发展过程中伴随着超级单体风暴顶和风暴底的逐渐下降以及单体质心和最强回波高度的下降,中气旋的顶和底也随之逐渐下降。龙卷涡旋特征的顶高和底高都略低于中气旋,并在龙卷触地时降至最低。龙卷涡旋的切变值远大于中气旋的切变值,两者在龙卷强度最强时发展到最大。垂直柱液态水含量在龙卷出现后下降。
6 总结与讨论受1522号台风“彩虹”外围螺旋云带影响,2015年10月4日15时28分—16时广东佛山出现了EF3级强龙卷并对多个镇街造成严重灾害。经过对受灾现场的实地调研,航拍龙卷灾情路径,走访龙卷目击者,再结合多渠道获取的龙卷视频照片等资料、广东省S波段业务雷达探测资料、风廓线资料、地面无线电探空资料和佛山地面自动气象站等资料,对龙卷路径进行确认,造成的灾情进行定级,并综合分析龙卷发生的大、中、小尺度环境场和龙卷的结构及强度演变等特点,结果表明:
(1) 产生此次龙卷的超级单体存在于台风“彩虹”外围螺旋云带内;龙卷随着超级单体向西北偏北 (方位角327.3°,北偏西32.7°) 方向移动,触地时长为32 min,路径长度为31.7 km,灾情直径在几十米到几百米之间,最大直径为577 m,平均速度约为60 km/h,强度达到EF3级,属于强龙卷,具有“移动速度快,影响范围广,破坏力强”的特点。本次龙卷的生命史可明确分为初生发展阶段、成熟阶段和减弱消亡阶段。龙卷的移动速度快慢似与超级单体强度和地面的粗糙度有关。从初生发展阶段到成熟阶段,龙卷强度逐步增强,中气旋的旋转速度增大,龙卷涡旋特征清晰。由于下垫面较平坦,龙卷移动速度较快,对地面的破坏力逐渐增强,使得灾情直径逐渐增大。减弱消亡阶段,龙卷强度逐步减弱,中气旋的旋转速度减小,再加上进入佛山主城区后下垫面粗糙度增大,使得龙卷移动速度变慢,对地面的破坏力逐渐减弱,灾情直径逐渐减小。
(2) 佛山地区高空受台风外围和副高边缘的强盛偏南气流影响,中低层受偏南急流控制,水汽充足,地面有弱冷空气,中低层的风场辐合区与正涡度区的叠加为对流发生提供了有利条件;珠三角西北高东南低的喇叭口地形有利于低层气流的辐合与局地涡旋的产生;强对流天气威胁指数 (SWEAT) 和K指数都较大;抬升凝结高度 (LCL) 低;中低空 (0—3 km,0—6 km) 的风垂直切变很大,有利于超级单体发生、发展,低层 (0—1 km) 的风垂直切变也很大,有利于龙卷的生成。
(3) 受龙卷环流影响的地面自动气象站各气象要素表现出明显的龙卷特征信号。15—16时3 s极大风速的大值带、3 s最低气压的低值带以及1 h累计降水大值中心呈现出与龙卷走向一致的西北—东南向带状分布;龙卷到来时气温和气压明显降低;风速明显增大,风向呈现气旋性旋转;降水在龙卷到达前10分钟左右开始明显增强,其大值中心位于龙卷路径的西侧。龙卷远离后气压比龙卷来临前高约1 hPa,气温降低约0.5℃。龙卷触地前地面风场出现了较大范围辐合区,触地后辐合区明显缩小,可见地面辐合区是引导龙卷涡旋触地的有利因素。
(4) 超级单体风暴出现典型的钩状回波,其移动方向与龙卷路径一致,龙卷出现在钩状回波前进方向的右后侧;5 min累计降水大值区与雷达组合反射率大值区的落区基本一致,其强度也随雷达回波减弱而减弱。地面风场的辐合区位于钩状回波处, 辐合中心与龙卷触地的位置基本一致,并且钩状回波的入流区正好与地面的偏东风区相对应。产生龙卷的超级单体风暴发展高度较低,50 dBz回波高度在4 km左右,其前部存在回波悬垂。一条很窄的向西北倾斜的回波大值带可能与龙卷漏斗云墙有关,对应径向速度剖面上为一条向西北倾斜的正、负速度交界区,构成一个逆时针旋转的涡旋,切向剖面图上存在较强的辐合。
(5) 龙卷发展过程中伴随着超级单体风暴顶和风暴底的逐渐下降以及单体质心和最强回波高度的下降,中气旋的顶和底也随之逐渐下降。龙卷涡旋特征的顶高和底高都略低于中气旋,并在龙卷触地时降至最低。龙卷涡旋的切变值远大于中气旋的切变值,两者在龙卷强度最强时发展到最大。垂直柱液态水含量随着龙卷出现而降低。
从佛山龙卷历史个例的统计中发现近十年佛山龙卷出现频率上升为2.0个/a,而近几年广东沿海地区水龙卷 (珠海、深圳、汕尾) 和陆龙卷 (佛山顺德) 也时有发生,特别是本次强龙卷发生后,越来越多的市民开始关注龙卷,政府也很支持龙卷的预报预警工作。那么该如何开展龙卷预警业务以减轻龙卷对市民生命及财产的损害,是一个值得深思的问题。
本次佛山龙卷路径达32 km,龙卷路径上留下不同程度的灾情,在灾害及强度定级方面,能否总结归纳出适合中国的一套方法并标准化?下次在灾情实地调研时,能否准确地定级?所有这些都是极为令人关注的。
由于中国龙卷的特性与龙卷多发区的美国中部龙卷有所不同,中国对龙卷研究还处于起步阶段,对龙卷结构的认识还有一定的难度,那么总结归纳有利于龙卷发生的天气形势、大尺度环流背景场以及地面各物理要素场和雷达各变量的观测特征,将有利于提高预报员对龙卷发生环境背景及龙卷特征的认识,从而提炼出具有实际应用价值的预报、预警方法。同时,加强龙卷相关监测能力的建设,进而捕捉更多的龙卷特征,亦是亟待解决的问题。
最后就是全民参与龙卷预警的问题。虽然气象仪器如雷达、地面自动气象站等能够监测到龙卷来临时带来的变化,在预报员还未完全确定的情况下,若市民能及时主动报告已经发现龙卷的相关信息,这将非常有利于对龙卷下游的预报、预警。我们更应关注如何提高市民的意识及科普宣传力度,让市民积极地担当好一个气象信息员,齐心协力提高龙卷预报、预警的准确性。
致谢: 感谢丁一汇院士的细致审阅和宝贵意见。查玉泉. 1979. 一次龙卷的雷达回波探讨. 气象, 5(4): 30–34. Zha Y Q. 1979. A discussion about the radar echo of a tornado. Meteor Mon, 5(4): 30–34. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.1979.04.012 (in Chinese) |
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