气象学报  2014, Vol. 72 Issue (2): 306-317   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2014.016
中国气象学会主办。
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文章信息

周后福, 刁秀广, 夏文梅, 王德育, 项阳. 2014.
ZHOU Houfu, DIAO Xiuguang, XIA Wenmei, WANG Deyu, XIANG Yang. 2014.
江淮地区龙卷超级单体风暴及其环境参数分析
Analysis of the tornado supercell storm and its environmental parameters in the Yangtze-Huaihe region
气象学报, 72(2): 306-317
Acta Meteorologica Sinica, 72(2): 306-317.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2014.016

文章历史

收稿日期:2013-4-23
改回日期:2013-11-12
江淮地区龙卷超级单体风暴及其环境参数分析
周后福1,2,3, 刁秀广4, 夏文梅5, 王德育6, 项阳7    
1. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京, 210044;
2. 安徽省气象科学研究所, 合肥, 230031;
3. 安徽省大气科学与卫星遥感重点实验室, 合肥, 230031;
4. 山东省气象台, 济南, 250031;
5. 江苏省气象科学研究所, 南京, 210009;
6. 安徽省宿州市气象局, 安徽宿州, 234000;
7. 安徽省阜阳市气象局, 安徽阜阳, 236001
摘要:利用多普勒雷达探测资料和NCEP再分析资料,对2003—2010年发生在江淮地区的6个龙卷超级单体风暴及其环境参数进行了分析。研究表明:(1)龙卷超级单体风暴HBASE平均为1.7 km,HTOP平均为9.1 km;H多在风暴的下部,近于下部的1/4处。HBASE平均值比江淮地区各种超级单体的平均值低得多,HTOP则略低。(2)龙卷超级单体IVIL平均为25.6 kg/m2ZMX平均为54.8 dBz。和江淮地区超级单体相比,龙卷IVIL要小得多,而龙卷ZMX略低。(3)龙卷超级单体的中气旋MBASEMTOPMSHR平均值分别为1.2 km、3.9 km和14.4×10-3s-1,和江淮地区超级单体相比,龙卷MBASEMTOP明显低,而MSHR略高。(4)TVS参数最强时的VAD在12—45 m/s,VLLD多大于30 m/s,VMXD多超过30 m/s,VMXD的高度不低于0.8 km,TDPT在2.4—6.4 km,TBASE在0.7—1.5 km,TTOP在2.3—6.4 km,TMXSHR超过22×10-3s-1。TVS参数最强时间与龙卷实际时间基本吻合,平均相差4.2 min;平均而言,TVS出现后6 min有龙卷发生。(5)雷达推算的龙卷超级单体的0—6 km风垂直切变比江淮地区超级单体的风垂直切变平均值高15.2%;龙卷发生前ICAPE平均为1752 J/kg,IK为38℃,850 hPa到地面风切变平均超过12 m/s,850—500 hPa温差平均为23.7℃。龙卷发生前能量处在中等到强的状态,大气不稳定性较强,风垂直切变大。
关键词龙卷     超级单体风暴     中气旋     TVS     环境参数    
Analysis of the tornado supercell storm and its environmental parameters in the Yangtze-Huaihe region
ZHOU Houfu1,2,3, DIAO Xiuguang4, XIA Wenmei5, WANG Deyu6, XIANG Yang7    
1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evalution of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
2. Anhui Institute of Meteorological Sciences, Hefei 230031, China;
3. Key Laboratory of Atomspheric Sciences and Satellite Remote Scanning of Anhui, Hefei 230031, China;
4. Shandong Provincial Meteorological Observatory, Ji'nan 250031, China;
5. Jiangsu Institue of Meteorological Sciences, Nanjing 210009, China;
6. Suzhou Meteorological Office, Suzhou, Anhui 234000, China;
7. Fuyang Meteorological Office, Fuyang, Anhui 236001, China
Abstract:Based on the Doppler radar detection data and the NCEP reanalysis data, 6 tornado supercell storms in the Yangtze-Huaihe region from 2003 to 2010 and their environmental parameters were analyzed. The results show that: (1) HBASE average of the tornado supercell storms was 1.7 km, HTOP average was 9.1 km. The height of maximum reflectance factor was mostly in the lower part of the storm, close to somewhere quarter to its base. HBASE average was much lower than the mean averaged over all the supercell storms of the Yangtze-Huaihe region, but HTOP average was slightly lower. (2) IVIL average was 25.6 kg/m2, and ZMX average was 54.8 dBz. IVIL average was much smaller than the mean averaged over all supercell storms of the Yangtze-Huaihe region, but ZMX average was slightly lower. (3) MBASE average of the tornado supercell storms was 1.2 km, MTOP average was 3.9 km, and MSHR average was 14.4×10-3s-1. Compared to the average for the Yangtze-Huaihe region, tornado MBASE and MTOP were obviously lower, but MSHR was slightly lower. (4) When TVS (Tornado Vortex Signature) parameters got the maximum value, VAD was between 12 and 45 m/s, the VLLD was greater than 30 m/s, VMXD was larger than 30 m/s, the hight of VMXD was not lower than 0.8 km, TDPT was between 2.4 and 6.4 km, the TBASE was between 0.7 and 1.5 km, TTOP was between 2.3 and 6.4 km, and TMXSHR exceeded 22×10-3s-1. The maximum parameter occurrence time of TVS agreed with the actual time. On average, tornado appeared within 6 min after TVS appeared. And, (5) 0-6 km vertical wind shear of the tornado supercell storm as detected by the radar was 15.2 percent higher than the averaged value over the Yangtze-Huaihe region. ICAPE average was 1752 J/kg, K index was 38℃, wind shear average from 850 hPa to the ground exceeded 12 m/s, and, the temperature difference from 850 to 500 hPa was 23.7℃ before tornado happened. The energy was on a moderate to strong condition, the instability of the atmosphere was higher, and vertical wind shear became larger.
Key words: Tornado     Supercell storm     Mesocyclone     TVS     Environmental parameter    

1 引 言

超级单体风暴的概念由Browning(1962)首先提出。Browning给出了超级单体风暴的雷达反射率因子特征,认为在成熟阶段具有持续相对稳定的特点,稳定性和持续性是超级单体与其他强风暴的主要区别。到了20世纪70年代,Donaldson(1970)在研究超级单体时最先发现了“龙卷气旋”,揭示出龙卷超级单体的旋转特性,此后超级单体风暴作为一种风暴类型的概念被广泛接受和使用(Marwitz,1972a1972b1972c)。随着多普勒雷达技术的逐渐成熟与应用,大量雷达观测数据验证了风暴内部中气旋的存在(Ray,1975),后来的多普勒雷达探测进一步证明了超级单体风暴是与中气旋相伴而生,为此,Browning(1978)对超级单体风暴的概念作出修订,认为具有深厚中气旋的对流单体才是超级单体风暴,上述概念随后在学术界得到了广泛认可(Moller,et al,1994Doswell,2001)。中气旋是风暴上升气流与后侧下沉气流紧密相联的小尺度涡旋,是雷达径向速度回波的典型特征(俞小鼎等,2006)。在超级单体的三维模式中,上升气流从右前方进入风暴,到高层作气旋式扭转进入云砧区,下沉气流在对流层中层从风暴右侧进入,在左后方低层离开风暴。此后根据气旋的旋转速度、速度切变、维持时间和伸展厚度对中气旋进行了定义(赵坤等,2008),至今仍被广泛使用(Jerald,et al,2013)。近年来已经有运用云尺度模式和雷达资料的四维同化(4Dvar)技术,针对超级单体风暴的热动力机制进行数值模拟的研究(陈明轩等,2012)。

龙卷分为两类,分别是超级单体风暴产生的龙卷和非超级单体风暴产生的龙卷(Wilson,1986)。超级单体龙卷与持续、深厚的中气旋紧密相关,从雷达回波上可以观测到龙卷往往是伴随低层中气旋(小于1 km)的出现而产生的,从雷达径向速度图上有时能识别与龙卷紧密联系的比中气旋尺度小、旋转快的涡旋即龙卷涡旋特征(TVS);并非所有的龙卷都与超级单体风暴有关,非超级单体风暴龙卷可以发生在各种产生对流风暴的环境下,研究认为非超级单体龙卷与非超级单体风暴相联系,同时与边界层辐合切变线密切相关(郑媛媛等,2004);有些非超级单体风暴发生在弱的风垂直切变环境条件,而另一些非超级单体风暴产生在强的风垂直切变条件下,一般将其生命史分为3个阶段:生成阶段、成熟阶段和消亡阶段(俞小鼎等,2006)。TVS的定义通常由3个部分组成,即切变、垂直方向伸展和持续性;切变指的是相邻方位角的距离库到距离库的径向速度切变值,反映气流旋转的强弱,切变值的阈值设定为20 m/(s· km);如果有2个以上仰角存在潜在TVS,则相应的三维结构被识别为TVS。到目前为止,尽管中气旋和TVS在识别龙卷时虚警率较高,但依然是识别龙卷的有效指标。

随着各地多普勒雷达的应用,其高时空分辨率的观测数据为探测小尺度的龙卷提供了一条有效途径,有关龙卷超级单体的研究近年来开展较多,取得了一系列的研究成果(Michael,et al,2009; Joshua,et al,2013),并有龙卷预测的技术成果(Christopher,et al,2013)。龙卷是在一定的环境条件下产生的,龙卷超级单体风暴发生前的环境往往为中等到强的对流不稳定和中等到强的相对风暴螺旋度,0—6 km风垂直切变通常超过20 m/s,低层风切变矢量有较大的气旋式曲率(章国材,2011)。廖玉芳等(2003)针对2002年5月14日发生在湖南的强对流风暴个例做出分析,并根据出现的龙卷对TVS进行验证;宋子忠等(2006)研究认为,2005年7月30日的龙卷超级单体垂直液态水含量密度超过5 g/m3,低层风向顺时针旋转,垂直切变大;刘娟等(2009)针对2007年7月3日发生在苏皖交界处的龙卷进行了分析,着重研究中气旋和TVS的典型特征;俞小鼎等(2008)针对2005年安徽北部龙卷的强降水超级单体风暴进行了详细分析,重点是环境条件和回波演变特征;郑媛媛等(2009)针对安徽3次超级单体龙卷的雷达回波特征做的研究认为,超级单体龙卷产生在中等大小的对流有效位能和强风垂直切变条件下,同时抬升凝结高度较低;方丽娟等(2009)针对2008年5月23日一次超级单体龙卷过程进行了研究,发现龙卷母云与低空急流密切相关,速度场上伴有强中气旋;金巍等(2009)分析2005年8月10日超级单体引发的龙卷时认为,超低空南支急流、低空西南急流和高空风垂直切变有利于龙卷产生,中气旋形成与发展明显;李向红等(2010)针对一次包括龙卷、冰雹和暴雨等强对流天气分析时发现,弓形回波和线形波动有“V”形缺口,龙卷和冰雹是由γ尺度的超级单体造成,且有三体散射回波。俞小鼎等(2012)认为,高架雷暴随着其发展出现阵风锋,触发新的雷暴发展而导致龙卷等强天气。

可以看出,上述有关超级单体龙卷的研究成果大多集中在龙卷个例的研究,极少数涉及到3次龙卷超级单体个例的探讨,鲜见有3次以上的龙卷超级单体的总结。2次以上的龙卷超级单体的研究有:张一平等(2012)针对河南2次龙卷做过研究,对雷达探测资料参数和环境参数进行了统计;刁秀广等(2009)曾对3次超级单体风暴雷达产品进行过分析,但是其超级单体都是冰雹灾害,不是龙卷灾害性天气。超级单体风暴特性与地域也有一定关系,本研究拟对江淮地区6个龙卷超级单体风暴进行分析,既探讨其风暴参数、中气旋参数和TVS参数的变化,也做了与江淮地区90个超级单体风暴的参数的比较,同时也探讨龙卷超级单体的环境场参数的特征,目的是提炼出龙卷超级单体风暴与本地区各种超级单体风暴的异同点,为灾害性龙卷的监测预警提供支撑。

2 资料与方法

选用江淮地区多普勒SA天气雷达(合肥、阜阳、徐州、南京)探测半径在30—150 km 2003—2010年的资料,以及相应的地面龙卷灾情资料,确定龙卷单体的发生时间、地点,并依据Fujita提出的风力和破坏程度判定龙卷等级,据此给出龙卷的破坏级别(表 1)。每次龙卷发生时都有中气旋的产生,且至少在雷达的两个体扫中连续出现,故它们都属于超级单体风暴。考虑到每次龙卷发生的地点不同,所用到的多普勒雷达站点也不同,表中也列出了雷达观测站。表中只是给出县名,没有列出龙卷发生的乡镇所在地,实际地点为该县市的若干个乡镇。2003年7月8日在安徽的两个县分别出现龙卷,由于两个龙卷的级别有差异,故按照龙卷的属性分别列出。2007年7月3日、2010年7月17日尽管在苏皖两省的两个县出现龙卷,由于是同一个龙卷经过了两地,故将其作为一个龙卷的属性列出。可以看出,龙卷出现在平原和江淮丘陵地区,龙卷灾害级别多属于EF2—EF3级。表中列出的江淮地区单体都发生在7月,实际上在6和8月也会出现龙卷,比如2006年6月29日出现的安徽泗县龙卷、2008年7月23日出现的安徽颍上县龙卷、2008年6月20日出现的安徽灵璧县龙卷,由于这些龙卷不属于超级单体龙卷,故不在本研究的考察对象中。表中每个龙卷发生时的雷达回波中都有中气旋,且至少2个体扫都出现了中气旋,故为超级单体龙卷个例。

表 1 超级单体龙卷的基本属性 Table 1 The basic property of the supercell tornado
发生日期发生时间(北京时)发生地点雷达站龙卷级别
2003年7月8日22时10分安徽庐江县合肥EF1
2003年7月8日23时20分安徽无为县合肥EF2—EF3
2005年7月30日11时26分安徽灵璧县徐州EF3
2007年7月3日 16时47分安徽天长市、江苏高邮市南京EF3
2007年7月7日18时57分安徽肥东县合肥EF2
2010年7月17日19时30分安徽砀山县、江苏丰县徐州EF2—EF3

环境参数的分析有两类,一类是基于NCEP再分析资料计算的,一类是雷达VWP(VAD Wind Profile)产品推算的风垂直切变。2007年之后NCEP再分析资料所用的为0.5°×0.5°,2007年之前没有0.5°×0.5°,只有1°×1°资料,故2003—2006年用到的是1°×1°资料。计算时选择最靠近龙卷发生地和发生时间的格点资料。由NCEP再分析资料得到的大气环境参数包括对流有效位能(ICAPE)、K指数(IK)、850 hPa到地面的风垂直切变、850 hPa与500 hPa的温差。ICAPE属于能量参数,IK属于不稳定和水汽条件的综合参数,850 hPa到地面的风垂直切变属于风切变参数,850 hPa与500 hPa的温差属于上下层之间的不稳定参数。雷达的风廓线产品VWP有垂直方向上的风速、风向分布,据此可以算出各层之间的水平风矢差,由风矢差得到风垂直切变;由风向的变化得到风向切变。经由雷达VWP产品得到的风垂直切变具有时间精度高的特点,其得到的风切变多不是龙卷超级单体内部风切变,而是环境背景下的风切变,属于大气环境参数。

3 参数分析

根据多普勒雷达对龙卷的探测产品,龙卷超级单体的参数包括风暴参数和中气旋参数、风切变、TVS参数、环境参数等。风暴参数有最大反射率因子(ZMX,单位: dBz)、基于单体的垂直累积液态水含量(IVIL,单位:kg/m2)、最大反射率因子高度(H)、单体底高(HBASE)和单体顶高(HTOP)等;中气旋参数有中气旋底部(MBASE)、顶部(MTOP)、最大切变量(MSHR,单位:10-3s-1)及所在高度等;基于雷达的风切变有风速切变和风向切变;TVS参数有径向速度差的平均值(VAD)、最低仰角径向速度差(VLLD)、最大径向速度差(VMXD),三维环流特征的厚度(TDPT)、底部(TBASE)和顶部高度(TTOP),三维环流特征中最大切变量(TMXSHR)及其高度;环境参数有ICAPEIK、风切变、温差等。

3.1 风暴参数

图 1为龙卷超级单体的风暴参数,图中横粗线为龙卷发生时间。由此可知,2003年7月8日21时47分(北京时,下同)风暴厚度近9 km,接下来2个时次风暴迅速变弱,22时03分风暴明显增强,H降低,22时09分风暴再次减弱,22时15分风暴HTOP迅速抬高近3 km,超过11 km,且H在降低,此时在庐江县出现了第一个龙卷,22时49分风暴有明显减弱趋势;到了23时06分风暴再次增强,HTOP再次迅速抬高2.2 km,超过10 km,但是H没有明显降低,直到23时18分风暴依然较强,但H下降很快,此时(约23时20分)在无为县出现了第二个龙卷,此后风暴逐渐有所减弱。2005年7月3日10时07分风暴已经比较强,厚度超过12 km,此后连续4个体扫的风暴依然较强,在10时44分有明显减弱的趋势,到10时48分再次增强,11时14分厚度达到最强(15.4 km),后面两个时次的风暴再次减弱,伴随着风暴高度的变化,H也在变化,多处在风暴的中下部;11时32分风暴HTOP猛然抬高6.2 km,此时出现了龙卷,随后一个体扫的风暴迅速下降,在后面6个体扫的厚度大致在10—11 km。2007年7月3日16时18分风暴比较弱,下一个时次迅速抬高到13 km以上,厚度增加12 km,此后3个体扫的风暴变化不大,16时42分风暴有所减弱,下一个体扫再次增强,HTOP向上增高,HBASE向下延伸,厚度增加3.7 km,且H有明显降低,龙卷就出现在此时;随后多个时次风暴减弱,厚度多不超过6 km。2007年7月7日18时38—51分风暴已经较强,到18时57分风暴迅速加强,HTOP猛然抬升4.3 km,同时伴有H的升高,龙卷出现在此时;此后也有风暴的增强和减弱的现象,但没有出现龙卷;可以看到,H一直较低,甚至在风暴底部。2010年7月17日19时01—24分风暴厚度在4—5 km,没有前面5次龙卷过程的风暴强烈;19时30分风暴有所减弱,19时36分风暴再次增强,H也有明显增强的趋势,第一个龙卷就发生在此时;此后4个时次风暴一直较为强劲,20时风暴略有抬升,但是H迅速增高(1.3 km),第2个龙卷出现在此时;此后风暴逐渐减弱。

图 2 2009年4月18日天气形势
(a. 08时500 hPa高度场(单位:gpm)和风场,b. 19时FY-2C红外云图)
Fig. 2 Synoptic weather background on 18 April 2009
(a. geopotential height(unit: gpm) and wind fields at 500 hPa at 08:00 BT,b. FY-2C infrared cloud image at 19:00 BT)
图 1 风暴高度(柱)及最大反射率因子高度(虚线)(a.2003年7月8日22时10分,b. 2003年7月8日 23时20分,c. 2005年7月30日,d. 2007年7月3日,e.2007年7月7日,f.2010年7月17日)Fig. 1 Storm height(bar) and the height of maximum reflectance factor(dashed line)(a. 22:10 BT 8 July 2003,b. 23:20 BT 8 July 2003,c. 30 July 2005,d. 3 July 2007,e. 7 July 2007,f. 17 July 2010)

针对龙卷过程的HBASEHTOP以及H占风暴高度的比例,统计结果见表 2。由表可见,风暴HBASE多在2 km以下,平均1.7 km;风暴HTOP多在8 km以上,只有2010年的低于8 km,平均为9.1 km;H占风暴高度的比例最高的为42.4%,最低的不到20%,平均为27.2%,说明H多在风暴的下部,近于下部的1/4处。与江淮地区90个超级单体(包括冰雹、雷雨大风、龙卷等天气)风暴的HBASE平均值4 km、HTOP平均值10 km相比,龙卷超级单体风暴的HBASE要低得多,HTOP略低。

表 2 风暴参数属性 Table 2 The storm parameters property
龙卷时间HBASE(km)HTOP(km)H占风暴高度比例(%)IVIL(kg/m2)ZMX(dBz)
2003年7月8日 22时10分1.610.321.824.454.5
2003年7月8日 23时20分0.97.342.422.254.8
2005年7月30日3.113.522.940.357.3
2007年7月3日1.99.224.619.352.2
2007年7月7日1.08.719.427.955.6
2010年7月17日1.55.731.917.454.1
平均1.79.127.225.354.8

龙卷风暴的IVILZMX曲线变化见图 2,图上依然将龙卷发生时间标注其上。由图可知,2003年7月8日前3个时次IVIL低于20 kg/m2,22时 09分开始跃增,后两个时次继续增大,龙卷出现在IVIL跃增的22时10分;在22时49分IVIL下降到最低值,后2个时次再次迅速增大,并一直保持在23 kg/m2左右,第二个龙卷发生在23时20分前后;ZMX在50—60 dBz,而且变化不大。2005年7月30日前5个时次的IVIL多在40 kg/m2左右,10时38—56分处在较低的位置,11时02—14分处在较高的状态,11时20分再次跃增,于11时26分出现龙卷;ZMX多处在55—60 dBz,且变化不大。2007年7月3日16时18分的IVIL仅有15 kg/m2,此后连续3个体扫都是在逐步增大,16时42分迅速降低,下一个时次再次上升,龙卷就发生在这一时次;后续各个时次IVIL一直较低,不足15 kg/m2ZMX多在50—55 dBz。2007年7月7日18时38分的IVIL只有21 kg/m2,此后连续2个时次的IVIL跃增幅度较大,于18时57分发生龙卷天气,后续的多个时次IVIL持续性地降低;ZMX多在50—60 dBz。2008年7月23日13时01分的IVIL仅有20 kg/m2,此后连续3个时次有所增大,龙卷就出现在13时10分,13时25分风暴消失;ZMX也多在50—55 dBz。2010年7月17日的IVIL明显较低,普遍不足25 kg/m2,在19时36分开始增加前的19时30分出现一次龙卷,在20时的IVIL跃增时再次出现龙卷;ZMX的变化一直较小,多在50—55 dBz。

图 2 风暴IVILZMX(a. 2003年7月8日 22时10分,b.2003年7月8日 23时20分,c.2005年7月30日,d.2007年7月3日,e.2007年7月7日,f.2010年7月17日)Fig. 2 IVIL and ZMX of the storms(a. 22:10 BT 8 July 2003,b. 23:20 BT 8 July 2003,c. 30 July 2005,d. 3 July 2007,e. 7 July 2007,f. 17 July 2010)

可以看出,龙卷超级单体IVIL多在10—40 kg/m2,平均值约为25.6 kg/m2ZMX多在50—60 dBz变化,平均值约为54.8 dBz。与江淮地区90个超级单体的IVIL平均值40 kg/m2ZMX平均值58 dBz比较,龙卷超级单体的IVIL要小得多,而龙卷超级单体的ZMX仅比超级单体的略低。

3.2 中气旋参数

图 3为龙卷超级单体的中气旋参数,柱体为中气旋高度,分别有MBASEMTOP,虚线为MSHR,横线为龙卷发生时间。可以看出,2003年7月8日是中气旋连续次数最多的龙卷过程,中间有一次中断,其他有19个体扫;第一个龙卷发生在中气旋跃增,MSHR有所增加之时;22时15分中气旋MBASE降低0.4 km,MTOP抬升3.2 km,MSHR增大3×10-3s-1,龙卷出现在体扫的时间段内;在随后的5个体扫中有2个体扫的MTOP跃增,但是MBASE变化不大,MSHR不大,在10×10-3s-1左右变化;22时49分中气旋消失,下一个时次中气旋再次出现,厚度较小,MSHR也较小,22时12分的MSHR有剧增的现象,此后2个时次中气旋厚度依然不大,在23时29分再次有MSHR剧增的现象,龙卷发生在该时间之前;后续的中气旋逐渐有所萎缩,尽管在23时46分的MSHR升高到36×10-3s-1,但是中气旋较弱,没有龙卷相对应。2005年7月30日10时38分开始出现较弱的中气旋,MSHR不大,此后3个时次中气旋有所增强,MSHR依然不大,11时02分中气旋跃增,且MSHR也增强到33×10-3s-1,有龙卷潜势但没有出现龙卷;11时20分中气旋明显减弱,下一个时次消失,11时32分中气旋再次增强,厚度有4.5 km,且MSHR跃增至25×10-3s-1,龙卷就发生在此时;随后几个时次中尽管中气旋厚度较厚,但是MSHR不大,没有龙卷发生。2007年7月3日16时18分开始出现中气旋,厚度较薄,MSHR不大,16时36分有所增强,到16时48分中气旋依然较厚,而MSHR跃增至38×10-3s-1,龙卷就发生在此时;随后中气旋迅速消失。2007年7月7日18时51分有中气旋产生,厚度较薄,18时57分中气旋有所增强,且MSHR也增强至16×10-3s-1,此次龙卷发生于这一时间。2010年7月17日19时30分开始有中气旋出现,MSHR不大,19时36分中气旋MBASE有所降低,MSHR有所增强,龙卷发生在这一时间。

图 3 中气旋参数(a. 2003年7月8日 22时10分,b. 2003年7月8日 23时20分,c. 2005年7月30日,d. 2007年7月3日,e. 2007年7月7日,f. 2010年7月17日)Fig. 3 Mesocyclone parameters(a. 22:10 BT 8 July 2003,b. 23:20 BT 8 July 2003,c. 30 July 2005,d. 3 July 2007,e. 7 July 2007,f. 17 July 2010)

表 3列出中气旋的基本属性,包括连续中气旋个数、MBASEMTOPMSHR,2003年7月8日有2次龙卷发生,故不仅列出日期,还给出具体的时间。由此可知,连续2个中气旋都会有龙卷产生,最多的连续个数是12个,平均有5.7个;MBASE多在1 km左右,平均有1.2 km;MTOP最低的仅有2.4 km,最高的超过6 km,平均为3.9 km;MSHR多在10×10-3s-1以上,最低的近于10×10-3s-1,最高的接近20×10-3s-1,平均有14.4×10-3s-1。江淮地区90个超级单体的中气旋MBASEMTOPMSHR平均值分别约为2.6 km、5 km和13×10-3s-1,与其相比,龙卷超级单体的MBASEMTOP明显偏低,而MSHR略高。

表 3 中气旋属性 Table 3 The mesocyclone property
龙卷时间连续中气旋个数MBASE/(km)MTOP/(km)MSHR/(10-3s-1)
2003年7月8日 22时10分70.74.110.3
2003年7月8日 23时20分120.72.918.0
2005年7月30日31.86.716.0
2007年7月3日80.84.119.2
2007年7月7日21.12.413.5
2010年7月17日21.83.09.5
平均5.71.23.914.4
3.3 TVS参数

为了考察每次龙卷TVS参数的统计特性,给出TVS最强时的参数值,同时将龙卷实际发生时间一并列于表 4,TVS参数最强的要求是多数参数达到最大。2007年7月7日尽管发生了龙卷且属于超级单体,但是没有出现TVS,故表中只有5个超级单体的TVS参数。由此可知,5个单体的TVS参数最强时的VAD在12—45 m/s,VLLD大多大于30 m/s,VMXD多超过30 m/s,VMXD的高度不低于0.8 km,TDPT在2.4—6.4 km,TBASE在0.7—1.5 km,TTOP在2.3—6.4 km,TMXSHR超过22×10-3s-1TMXSHR的高度多低于2 km。而且可以发现,TVS参数最强的时间与龙卷实际出现的时间基本吻合,相差在3—12 min,平均相差4.2 min。

表 4 龙卷TVS最强参数与龙卷时间 Table 4 The list of the TVS maximun parameters of tornado and the tornado time of occurrence
TVS时间VAD(m/s)VLLD (m/s)VMXD/高度 (m/s)/(km)TDPT (km)TBASE/TTOP (km)TMXSHR/高度 (10-3s-1)/(km)龙卷发生 时间
2003年7月8日 22时15分14.534.534.5/0.85.60.8/6.425/6.422时10分
2003年7月8日 23时12分31.537.548/1.92.40.7/3.139/1.923时20分
2005年7月30日 11时20分16.54646/1.56.41.5/7.929/1.511时26分
2007年7月3日 16时54分44.546.546.5/0.92.40.9/3.339/0.916时47分
2010年7月17日 19时42分12.52525/0.93.30.9/2.322/0.919时30分
平均23.937.940.0/1.24.01.0/4.630.8/2.3

表 5给出TVS持续时间最长的一次龙卷参数值,其中23时18—29分有1个时次没有TVS。龙卷实际出现时间为23时20分,由表可知,在龙卷发生时间段的VAD超过20 m/s,VLLD大于35 m/s,VMXD超过40 m/s,三维环流大于3.5 km,TMXSHR超过33×10-3s-1。由其他龙卷TVS参数的演变也得出大体有类似结果,即龙卷发生时的径向速度差(平均值、最低仰角、最大)偏大,三维环流特征深厚,三维环流最大切变量偏大。

表 5 2003年7月8日龙卷TVS参数 Table 5 The list of the tornado TVS parameters on 8 July 2003
时间VAD(m/s)VLLD(m/s)VMXD/高度(m/s)/(km)TDPT(km)TBASE/TTOP(km)TMXSHR/高度(10-3s-1)/(km)
23时01分21.52235/3.22.50.7/3.228/3.2
23时06分212735/1.52.90.5/3.435/1.5
23时12分31.537.548/1.92.40.7/3.139/1.9
23时18分26.541.541.5/0.63.70.6/4.333/0.6
23时29分16.529.529.5/0.72.50.7/3.224/0.7
23时35分2229.535.5/22.50.7/3.228/2.0
23时40分2237.537.5/0.72.60.7/3.329/0.7

3.4 时间参数

中气旋和TVS是识别龙卷的有效参数,故表 6给出中气旋、TVS最早出现时间和龙卷时间,以及中气旋、TVS提前龙卷的时间。由表可知,有2次出现中气旋而没有TVS,说明即使没有TVS,有了中气旋也可以有龙卷超级单体风暴的出现;中气旋提前龙卷出现的时间,少则1 min,多则48 min,平均而言,中气旋出现后18 min有龙卷发生,故中气旋的产生对于龙卷的预警具有一定的指示意义;TVS出现时间和龙卷出现时间相比,多数是TVS在前龙卷在后,有2次是龙卷在前TVS在后,平均而言,TVS出现后6 min有龙卷发生,即多数情况下,TVS的出现伴随有龙卷超级单体风暴。

表 6 中气旋、TVS的时间属性 Table 6 The time property of the mesocyclone and TVS
单体日期中气旋时间TVS时间龙卷时间中气旋提前龙卷时间(min)TVS提前龙卷时间(min)
2003年7月8日22时09分22时15分22时10分1-5
2003年7月8日22时55分23时06分23时20分2514
2005年7月30日10时38分10时56分11时26分4830
2005年7月30日11时20分11时26分6
2007年7月3日16时18分16时42分16时47分295
2007年7月7日18时51分18时57分6
2010年7月17日19时19分19时42分19时30分11-12

3.5 环境参数 3.5.1 基于雷达的风切变

利用雷达VWP产品所得到的0—1 km和0—6 km的环境风垂直切变值见表 7,2005年7月30日龙卷出现时间为11时26分,11时20分有中气旋,但没有TVS,故同时列出TVS时间,在计算风切变平均值时只算一次。由表可见,0—1 km的风切变最小有6 m/s,最大有12 m/s,平均超过8 m/s;0—6 km的风切变最小有8 m/s,最大有24 m/s,平均超过16 m/s。无论是低层0—1 km还是0—6 km的风垂直切变都比较大。从低层0—1 km的风向切变来看,只有2007年7月7日的龙卷是逆时针旋转,其他都是顺时针旋转,说明低层多顺时针方向的风切变,伴随有暖平流的出现。江淮地区90个超级单体风暴的0—6 km风垂直切变约为14.5 m/s,和其相比,龙卷超级单体的0—6 km风垂直切变高出15.2%。

表 7 基于雷达的风切变(m/s) Table 7 The wind shear(m/s)based on the radar
单体日期0—1 km风切变0—6 km风切变
2003年7月8日820
2003年7月8日1024
2005年7月30日1220
2007年7月3日716
2007年7月7日812
2010年7月17日68
平均8.516.7

3.5.2 基于NCEP的参数

表 8列出龙卷发生地点和时间最近的NCEP再分析资料格点计算得到的环境参数。表 7中有6个龙卷超级单体,但是2003年两次龙卷出现时间较近,只能用一次的NCEP资料来计算,故有5次龙卷过程的环境参数。由表可见,5个过程的ICAPE最小为600 J/kg,最大为2850 J/kg,平均为1752 J/kg;根据姚学祥(2011)的研究结果表明强对流天气的ICAPE值一般要求大于400 J/kg,即使最小的ICAPE值也远大于强对流天气所要求的数值;IK至少35℃,最大41℃,符合强对流天气的基本要求;850 hPa到地面风切变最小的为7 m/s,最大的为16 m/s,平均超过12 m/s;850—500 hPa温差最小的有22℃,平均值为23.7℃。能量处在中等到较大的状态,大气不稳定性较强,风垂直切变大,易导致强天气的发生。

表 8 龙卷发生最近时间的环境参数 Table 8 The environmental parameters at the times nearest to tornado occurrence
龙卷时间NCEP时间ICAPE(J/kg)IK(℃)850 hPa到地面风切变(m/s)T850-T500(℃)
2003年7月8日22时2003年7月8日20时2110351624.5
2005年7月30日11时2005年7月30日14时285037724.4
2007年7月3日16时2007年7月3日14时1500401623.0
2007年7月7日18时2007年7月7日20时17004112.824.7
2010年7月17日20时2010年7月17日20时60037922
平均17523812.223.7
4 结 语

通过对龙卷超级单体风暴的分析,得到以下主要结论:

(1)龙卷超级单体风暴HBASE多在2 km以下,平均1.7 km;HTOP多在8 km以上,平均9.1 km;H占风暴高度的比例平均为27.2%,说明H多在风暴的下部,近于下部的1/4处。龙卷超级单体风暴的HBASE比江淮地区各种超级单体低得多,而HTOP则略低。

(2)龙卷超级单体IVIL多在10—40 kg/m2,平均25.6 kg/m2ZMX多在50—60 dBz,平均54.8 dBz。和江淮地区各种超级单体比较,龙卷超级单体的IVIL要小得多,而龙卷超级单体的ZMX仅比超级单体的略低。

(3)龙卷超级单体的中气旋MBASEMTOPMSHR平均值分别为1.2 km、3.9 km和14.4×10-3s-1,和江淮地区各种超级单体比较,龙卷超级单体的MBASEMTOP明显偏低,而MSHR略高。

(4)TVS参数最强时的VAD在12—45 m/s,VLLD大多大于30 m/s,VMXD多超过30 m/s,VMXD的高度不低于0.8 km,TDPT在2.4—6.4 km,TBASE在0.7—1.5 km,TTOP在2.3—6.4 km,TMXSHR超过22×10-3s-1TMXSHR的高度多低于2 km。TVS参数最强的时间与龙卷实际出现的时间基本吻合,相差在3—12 min,平均相差4.2 min。平均而言TVS出现后6 min有龙卷发生。

(5)雷达VWP产品推算的龙卷超级单体的0—6 km风垂直切变比江淮地区超级单体的平均值高出15.2%;龙卷发生前ICAPE平均为1752 J/kg,IK为38℃,850 hPa到地面风切变平均超过12 m/s,850—500 hPa温差平均为23.7℃。可见对流有效能量为中等到强的状态,大气不稳定性较强,风垂直切变大,易导致强天气的发生。

本研究针对江淮地区龙卷超级单体风暴进行了统计,得到了一些有益的结果。但是还有非超级单体而形成的龙卷,对这些个例没有做出分析;同时也没有研究风暴的低层风场环流结构,风暴顶部的辐散情况,没有与江淮地区强风暴相应的参数做对比,因此有不少问题有待继续探讨和深入研究。只有不断地探究超级单体和强风暴结构的时空演变特征,才能更好地掌握龙卷超级单体风暴的形成机理及其规律,为未来龙卷的预报预警提供有益的支撑。

参考文献
陈明轩, 王迎春, 肖现等. 2012. 基于雷达资料四维变分同化和三维云模式对一次超级单体风暴发展维持热动力机制的模拟分析. 大气科学, 36(5): 929-944
刁秀广, 朱君鉴, 刘志红. 2009. 三次超级单体风暴雷达产品特征及气流结构差异性分析. 气象学报, 67(1): 133-146
方丽娟, 姬菊枝, 陶国辉等. 2009. 一次超级单体风暴中龙卷的天气过程分析及龙卷强度判定. 自然灾害学报, 18(2): 167-172
金巍, 曲岩, 安来友. 2009. 超级单体引发的龙卷天气过程分析. 气象, 35(3): 36-41
李向红, 唐熠, 郑传新等. 2010. 一次多种强对流天气过程的雷达回波特征分析. 气象, 36(8): 61-71
廖玉芳, 俞小鼎, 郭庆. 2003. 一次强对流系列风暴个例的多普勒天气雷达资料分析. 应用气象学报, 14(6): 656-662
刘娟, 朱君鉴, 魏德斌等. 2009. 070703天长超级单体龙卷的多普勒雷达典型特征. 气象, 35(10): 32-39
宋子忠, 刘娟, 张健等. 2006. 灵璧强龙卷个例的多普勒天气雷达分析. 气象科学, 26(6): 689-695
姚学祥. 2011. 天气预报技术与方法. 北京: 气象出版社, 134-145
俞小鼎, 姚秀萍, 熊廷南等. 2006. 多普勒天气雷达原理与业务应用. 北京: 气象出版社, 116-120
俞小鼎, 郑媛媛, 廖玉芳等. 2008. 一次伴有强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究. 大气科学, 32(3): 508-522
俞小鼎, 周小刚, 王秀明. 2012. 雷暴与强对流临近天气预报技术进展. 气象学报, 70(3): 311-337
章国材. 2011. 强对流天气分析与预报. 北京: 气象出版社, 58-64
张一平, 俞小鼎, 吴蓁等. 2012. 区域暴雨过程中两次龙卷风事件分析. 气象学报, 70(5): 961-973
赵坤, 周仲岛, 潘玉洁等. 2008. 台湾海峡中气旋结构特征的单多普勒雷达分析. 气象学报, 66(4): 637-651
郑媛媛, 俞小鼎, 方翀等. 2004. 2003年7月8日安徽系列龙卷的新一代天气雷达分析. 气象, 30(1): 38-40, 45
郑媛媛, 朱红芳, 方翀等. 2009. 强龙卷超级单体风暴特征分析与预警研究. 高原气象, 28(3): 617-625
Browning K A. 1962. Cellular structures of convective storms. Meteor Mag, 91: 341-350
Browning K A. 1978. The structure and mechanisms of hailstorms. Meteor Monogr, 38: 1-36
Christopher J N, Anders A J. 2013. Classifing proximity soundings with self-organizing maps toward improving supercell and tornado. Wea Forecasting, 28:783-801
Donaldson R J Jr. 1970. Vortex signature recognition by a Doppler radar. J Appl Meteor Mag, 9: 661-670
Doswell C A Ⅲ. 2001. Severe convective storms. Meteor Monogr, (69): 1-26
Jerald A B, Steven E N, Richad L T, et al. 2013. Tornado probability of detection and lead time as a function of convective mode and environmental parameters. Wea Forecasting, 28: 1261-1276
Joshua M B, Barbara E M, William G, et al. 2013. Discriminating environmental conditions for significant warm sector and boundary tornadoes in parts of the Great Plains. Wea Forecasting, 28: 1498-1523
Marwitz J D. 1972a. The structure and motion of severe hailstorms. Part I: Supercell storms. J Appl Meteor, 11(1): 166-179
Marwitz J D. 1972b. The structure and motion of severe hailstorms. PartⅡ: Multi-cell storms. J Appl Meteor, 11(1): 180-188
Marwitz J D. 1972c. The structure and motion of severe hailstorms. Part Ⅲ: Severely sheared storms. J Appl Meteor, 11(1): 189-201
Michael M F, Howard B B, Louis J W, et al. 2009. An example of the use of mobile Doppler radar data for tronado verification. Wea Forecasting, 24:884-891
Moller A R, Doswell C A Ⅲ, Foster M P, et al. 1994. The operational recognition of supercell thunderstorm environments and storm structures. Wea Forecasting, 9: 327-347
Ray P S. 1975. Dual-Doppler observation of a tornadic storm. J Appl Meteor, 14(8): 1521-1530
Wilson J W. 1986. Tornadogenesis by nonprecipitation induced wind shear lines. Mon Wea Rev, 114: 270-284