THE EVOLUTION AND MECHANISM OF TORNADIC SUPERCELLS IN THE OUTER RAINBANDS OF STRONG TYPHOON MUJIGAE (1522). PART Ⅰ: SPECTRUM WIDTH AND MESOCYCLONE SPEED
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摘要: 为揭示多普勒雷达速度谱宽资料对1522号台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变规律的指示作用，基于常规观测资料、多普勒雷达资料和ECWMF再分析资料，分析3个衍生龙卷的超级单体速度谱宽和中气旋速度演变特征。研究表明，速度谱宽可提前10~30 min预示强对流风暴的变化。根据速度谱宽σ与湍能耗散率ε的关系分析，提出了谱宽变化与超级单体内中气旋和龙卷发生发展关系的概念模型。当对流单体进入新的发展阶段时，谱宽值加大呈增强状态；当对流单体处于维持稳定阶段时，谱宽值减小则呈减弱状态。衍生汕尾海丰水龙卷的中气旋最大切向速度19.5 m/s，属中等强度中气旋。衍生顺德龙卷和番禺龙卷的中气旋最大切向速度＞27 m/s，均属强中气旋。用多普勒雷达中气旋算法识别的中气旋在距离较远（＞80 km）和较近(＜17 km)距离上有漏报现象，人工纠正有利于更正预报结果，更准确地指导防灾减灾。Abstract: Based on the conventional observations data of China, Doppler radar data and reanalysis data of ECWMF, the evolution and mechanism of three supercells that induced tornadoes in the outer rainbands were analyzed during the landing of "Mujigae", and this is the first part of the spectrum width and speed from radar data. The varieties of spectrum width could give an indication approximately 10-30 minutes earlier than the actual event, and evolutions of mesocyclones and tornadoes in the three supercells, and the relationships between spectrum width and mesocyclones and tornadoes in supercells were discovered based on the relationship between speed width and turbulence dissipation rate. According to the criteria of mesocyclone recognition guidelines, the maximum rotational velocity of the mesocyclone induced waterspout in Shanwei was 19.5 m/s, classified into moderate mesocyclone, and the velocity of the two mesocyclones induced tornadoes in Guangzhou were more than 27 m/s, classified into strong mesocyclone. The mesocyclone automatically detected by Doppler algorithm missed targets on ranges less than 17km and more than 80 km, therefore manual correction is needed to have more accurate results to guide disaster prevention and mitigation.
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Key words:
- hurricane /
- supercell /
- tornado /
- speed width /
- hook echo /
- spectrum /
- radial velocity
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1. 引言
衍生龙卷的超级单体是中小尺度天气系统中具有超高能量的强风暴。强台风“彩虹”作为少有的晚秋强台风于2015年10月4日14:10(北京时，下同)在广东湛江登陆，登陆前后在其右前象限距离台风中心300~400 km远处的螺旋雨带中形成了多个对流单体风暴，其中至少有3个增强为超级单体并衍生3个龙卷：汕尾水龙卷、佛山陆龙卷和番禺陆龙卷，特别是陆龙卷在广州佛山和番禺造成了强致灾性的破坏。据统计，该台风过程在广东省造成11人死亡，4人失踪，累积受灾人口350余万，农作物受灾面积28余万公顷，直接经济损失逾230亿元。由此可见，致灾性的强天气预报关系国计民生，揭示其演化结构和相关机理，有助于更好地预报此类灾害性天气的发生发展，可为防灾减灾提供精细化的决策依据。
超级单体作为强对流系统中单体发展的最强阶段特征，通常被定义为一个具有垂直速度和涡度正(或负)相关较明显、持续时间较长和垂直高度深厚的中尺度气旋(或反气旋)结构的强对流单体[1]。近三十年来许多研究用多普勒雷达观测超级单体风场，统计正负速度差和风切变等特征[2-5]。在超级单体个例分析方面，研究主要集中在天气背景、回波结构、旋转速度、垂直风切变值和衍生龙卷的演变等参数及其与经典超级单体模型的对比，揭示了单个超级单体或若干超级单体发展演变的特征[6-12]。在超级单体数据集的对比分析方面，主要是集中在超级单体风暴的时空分布、移动方向、生命史长度、结构特征、中气旋旋转速度大小、回波顶和底的高度、伸长厚度、风暴螺旋度以及切变值等特征量的统计分析，给出相应的参考指标[13-17]，并且对衍生龙卷超级单体和非龙卷超级单体风暴及其环境参数进行了统计分析，确定了有无衍生龙卷的超级单体的相关参数[18-19]。
随着探测手段的发展，对灾害性中小尺度天气过程的实时监测手段愈加丰富。多普勒天气雷达就是其中重要的工具之一，它具有良好的空间覆盖能力、较高的时空分辨率和丰富的探测产品。其回波信息包括反射率因子、径向速度(简称速度)和速度谱宽(简称谱宽)等基本数据以及其它反演的物理量产品等[20-21]。目前国内对强对流天气的雷达资料分析，主要侧重于反射率因子和径向速度，还较少使用速度谱宽资料。因此，本文作为此项研究的第一部分，主要分析1522号台风“彩虹”雨带中衍生龙卷和中尺度气旋的3个超级单体风暴的天气背景、谱宽和径向速度，以深入揭示晚秋登陆我国的强致灾台风螺旋雨带中超级单体风暴结构演变特征。
2. 天气背景
4日08时，台风“彩虹”位于南海北部并向西北方向移动。受台风雨带和副高西南边缘的共同影响，500 hPa广东中东部有20 m/s的台风环流大风区。700 hPa与广东相邻的西北部有干区，广东阳江以北至福建大部地区24 h降温超过-3 ℃，有28 m/s的大风区。850 hPa广东北侧有13 g/kg的高比湿区以及大于16 ℃的高露点区，螺旋雨带在广东中部-广西东南部的环流风速为28 m/s。925 hPa广东西北部及广西北部有一辐合线，有一冷急流从广西方向由台风西部偏南流入台风中心，台风中心东北部有辐合大风区。地面图上(图 1a)，12 h前在广西北部-江西中南部冷空气南压，降温明显。24 h变温与风场(图略)在湖南-江西-福建三省南部和广东北部之间存在切变。随着台风“彩虹”近海登陆，广西中北部和广东中北部为3 h显著增压区，两省区南部地区及海南省为3 h显著降压区。
图 1 2015年10月4日08时台风“彩虹”外围螺旋雨带地面流场分析(a)、45004探空图(b)、汕尾海丰龙卷附近6601824自动气象站(c)、汕尾上空散度空间分布(d)以台风外围螺旋雨带先到达的澳门探空站(站号45004)4日08时资料为例(图 1b)，3日20时湿层(相对湿度＞80%)约在9 km以下高度，4日08时湿层达到10 km高度(超过300 hPa)。从3日20时到4日08时，汕尾对流有效位能CAPE的值为1 240~1 420，广州的值约为720~810。4日08时1 000~925 hPa风切变增强至0.0241/s，中低层以东南风为主且风速随高度增大，925 hPa东南偏东风24 m/s，至500 hPa风速增加到30 m/s。由汕尾水龙卷超级单体风暴移经的小漠镇自动站(站号6601824)逐小时观测资料可见(图 1c)，10—11时超级单体经过时风向转换近180 °，雨强为44 mm/h，属于强降水超级单体，同样，衍生顺德陆龙卷和番禺陆龙卷的超级单体小时雨强分别为20 mm和33 mm。由汕尾地区4日08时散度场(图 1d，龙卷发生地为图中黑线所标)可见，在汕尾龙卷发生前2 h，该地低层1 000~925 hPa为辐合区，高层300~200 hPa为强辐散区，与高空环流形势相匹配。通过分析汕尾和广州两地的锋生函数、涡度、温度散度、比湿场和垂直速度等参数，发现该地发生龙卷前就已经处在有利于强对流触发的环境场中。
3. 衍生龙卷的超级单体谱宽演变特征
3.1 超级单体速度谱宽CAPPI的演化
台风雨带是强对流单体的组合体，其背景场谱宽值约为2.0~2.5 m/s，强对流单体的谱宽值约为3.0~5.0 m/s。本文以衍生龙卷的强对流单体(中气旋位置)为中心，取上下左右各25 km的距离，对雷达数据进行处理后得到等高平面位置(CAPPI)图，以风暴增强龙卷孕育期、龙卷爆发期和龙卷消亡期为节点分析谱宽的演变特征。
风暴增强龙卷孕育期：4日08:42衍生水龙卷的强对流单体位于汕尾雷达方位160 °距离86 km处，最大反射率因子为53 dBz，被识别为单体结构(图 2，部分时次和层次图略，下同)。1 km高度层(简称层)50 km×50 km的范围内环境谱宽值为2.0~4.5 m/s。单体强中心在3.0~3.5 km高度层，并有3.5~7.0 m/s的大值区，其右下侧局部1.5~6.0 km层有3.5~8.0 m/s的大值区。08:54单体回波增强为58 dBz，0.5~1.0 km高度上部有5.0~8.0 m/s的大值中心，2.0~7.0 km高度上有较明显的3.5~7.0 m/s大值中心。原右下侧的谱宽区减弱为3.5~6.0 m/s且面积减小，谱宽相对大值区在空间上垂直方向增大。09:06在0.5 km层6.0~ 8.0 m/s的谱宽大值区有所减小，距离风暴中心更近。在1.0~4.5 km层上3.5~7.0 m/s的大值区面积增大，5.0 km及以上高度中心大值区面积减小强度减弱，但0.5~3.0 km各层左下侧小区域有＞8.0 m/s强谱宽出现，整体上此时谱宽大值区有水平尺度增大且下传的趋势。此后12 min内，各层谱宽大值区面积有所收缩且强度有所减小，说明单体达到一定强度后呈相对稳定状态。09:18单体在0.5~3.0 km各层左下侧有＞8.0 m/s的强谱宽区面积明显扩大且上传到3.5 km高度，单体中心在各层谱宽面积减小强度降低，4.5 km及以上强度最大值仅为4.0 m/s，值得注意的是0.5 km层中心右下侧5.0~8.0 m/s谱宽区域面积扩大，3.0~5.0 km各层右下角有5.0~6.0 m/s的谱宽出现并较前2个体扫加强。09:24衍生水龙卷的强对流单体出现中气旋标志即增强为超级单体。此时在1.0~4.0 km各层5.0~7.0 m/s谱宽区域有增大且中心明显，单体中心附近区域各层大值区与09:18的近乎相同，约为3.0~7.0 m/s。09:30超级单体在2.0~5.0 km各层谱宽出现＞8.0 m/s明显增强区约40.0 km2。09:36强谱宽区在垂直方向上下拓展，各层面积增大明显，中心强度以8.0~11.0 m/s为主，并向中气旋中心移近。09:42—09:48强谱宽区在对流单体内的1.0~4.5 km各层水平方向进一步增强拓展，在5.0 km及以上各层的强度和面积有所减弱，谱宽大值区再次呈现明显下传特征。水龙卷爆发期：09:54超级单体中有龙卷出现，此时中气旋特征直径尺度有所收缩(图略)。在0.5 km层谱宽强度达到10.0 m/s以上，1.0~5.5 km各层强谱宽区面积有所减小，谱宽强度开始减弱。10:00单体中心0.5 km层强谱宽面积继续增大，强度增强＞10.0 m/s，1.0~5.5 km各层强谱宽面积减小，主体强度由8.0~10.0 m/s转变为2.0~6.0 m/s。水龙卷消失期：TVS标志在10:06消失，中气旋在10:12减弱变为三维相关风切变，在0.5 km高度层的强谱宽区域开始减弱，1.0~1.5 km层仅剩很小区域的8.0~10.0 m/s谱宽，2.0~5.5 km仅有很小区域的5.0~7.0 m/s谱宽。
衍生佛山和番禺2个陆龙卷的超级单体的速度谱宽也存在类似的演变特征(图 3和图 4)。其演变特征可总结为：衍生龙卷的超级单体在中气旋和TVS出现前，谱宽大值区都会提前至少24 min出现在1.0~3.5 km的高度层内，之后在其范围内强度先水平空间增大，然后在垂直方向传递，向上达到5.5 km以上，向下达到0.5 km。谱宽加强维持12~18 min后，为中气旋和龙卷的发生发展提供以及蓄积动能。此后，谱宽大值区主要呈中上层减弱、低层增强特征，强对流单体增强为携带中气旋的超级单体，然后谱宽大值略减弱，超级单体进入稳定蓄积能量的状态。龙卷衍生前，谱宽大值先在局域空间的水平方向增强，再垂直方向伸展增强，然后自上而下垂直下传，此时龙卷伴随中气旋发生，同时中气旋有加强收缩的特征。最后强谱宽在中上层消失，谱宽大值区主要维持在0.5 km及以下。
3.2 谱宽与大气湍涡触发关系
大气湍流是由大气三维空间的风向、风速、温度、湿度等要素的不均匀而形成的，而多要素的分布不均匀会出现多种梯度力，各梯度力综合作用的结果就产生旋转，呈现涡旋和湍流。涡旋具有对偶性，以内旋和外旋来完成热-动能转换和物质输送，而旋转方向的不一致必然有次尺度的相互作用而产生次涡旋和次次涡旋[22]，湍流具有这种“次涡旋结构”，是大小尺度不同的众多湍涡综合作用的结果。湍流是流体运动中一种非常普遍而又复杂的基本形态，因为对流层内的流体运动几乎总是处于湍流状态，所以这是大气物理研究的核心问题[23]。猝发与拟序结构特征是近代湍流研究的重大发现，实验表明，在湍流混合层和剪切湍流边界层中存在大尺度的相干结构和猝发现象，说明湍流不是完全无秩序、无内部结构的运动[24]。
湍能耗散率ε是表征湍流动能的重要参量，而湍流动能是湍流强度的度量。湍流动能涉及整个边界层动量、热量和水汽的输送。因而湍能耗散率ε在区域空间的分布，表征了该区域湍流强度的分布，值愈大，该区域湍流愈强。多普勒速度谱宽σ表示采样体积内目标物的速度离散度即速度(风向、风速)的变化，是对在一个距离库中速度离散度的度量[20]。
假设雷达波束内湍流局地均匀各向同性且目标物充满波束，反映多普勒径向速度变化的谱宽σ与湍能耗散率ε在球坐标系中可用以下公式表示[25-26]：
(1) 
(2) 
(3) 其中，ε为湍能耗散率，σ为谱宽，α和β分别是雷达波束宽度和脉冲长度，A是普适常数(A≈0.47)，r和ζ为两个条件式的代表符号，υ为一个距离库有效照射体积内某反射体的多普勒速度，υ为一个距离库有效照射体积内平均多普勒速度，Ψ(υ)为速度谱分布密度，Ψ(υ)dυ为多普勒速度由υ再增速dυ过程中的功率，
为雷达接收到的总回波功率。
3.3 速度谱宽与对流单体演变的概念模型
根据流体力学和湍流能量方程等知识，通过分子粘性和涡流粘性，可建立速度谱宽σ与平均动能、脉动动能、热能和功之间的关系(图 5a)[26]。由谱宽CAPPI分析可知，速度谱宽σ体现了对流单体不同发展阶段的湍流变化，表征大气中能量的输送和转化过程。湍流是由热力、动力和水汽等梯度的加强和配合下产生的，可以促进对流的产生、增强和演变。台风“彩虹”发生时，其螺旋雨带内的动力、热力和水汽条件都有利于对流发展。3个衍生龙卷的超级单体的谱宽演变显示了不同强度谱宽σ的强烈变化对于中气旋、龙卷的发生具有显著指示性，根据其变化程度、持续时间和面积，可提前10~30 min做出可能的中气旋和龙卷的预警。由上述的谱宽σ时空演变特征，图 5b给出了在强对流风暴-超级单体-龙卷各阶段演变中，谱宽σ值预示作用的概念模型，即在强风暴每个阶段的发展期谱宽σ增强，在每阶段的稳定期σ减弱，在发展到下一个阶段转换期σ再次加强。
4. 衍生龙卷的超级单体中气旋强度演变特征
由衍生水龙卷超级单体内中气旋强度参数(图 6a)和其相对于单体的平均径向速度产品演变(图略)可知，随着单体移近雷达，根据中气旋最大转动速度和距离的强度关系，可知在09:24—09:48期间为弱中气旋，在09:54—10:00龙卷衍生后的两个体扫为中等强度中气旋，最大转动速度19.5 m/s。中气旋的切向直径基本维持在4.0 km左右，径向直径整体呈减小趋势，在中气旋最强时刻10:00其值约为2.3 km。中气旋的正负速度大值中心距在中气旋形成(09:24)至龙卷消失(10:00)期间，呈波动增大趋势，10:00达到最大值4.66 km。由衍生佛山龙卷的超级单体内中气旋强度参数(图 6b)和速度产品演变(图略)可知，14:36首次形成直径约7.5 km中等强度中气旋，2.4 °仰角最大转速＞17.0 m/s，之后强度减弱为非相关切变。15:06加强为直径约7.1 km的三维相关中等中气旋，最大转速约15.0 m/s。15:12最大转速为20.5 m/s，雷达监测到龙卷标志(TVS)，此后2个体扫中最大转速“先降后升”由18.5 m/s转为20.5 m/s。据灾后调查，佛山顺德龙卷15:28分左右落地，此时单体最大转动速度＞27.0 m/s，成为强中气旋，此状态持续到15:42分的25.5 m/s，此后雷达监测龙卷和中气旋消失，或与雷达识别算法有关。根据灾后查证，龙卷最后触地时间为15:58分左右。该单体正负速度大值中心距离随着中气旋强度增强而变短，在15:36最短距离2.3 km。中气旋切向直径在龙卷发生前波动下降，龙卷发生时达到最小值2.7 km，径向直径稳定在3.0~4.0 km左右。由衍生广州番禺龙卷的超级单体内中气旋强度参数(图 6c)和速度产品演变(图略)可知，在16:00中气旋生成，直径约9.5 km，最大转速约12.0 m/s，强度为非相关性切变。16:06—16:24最大转速为13.5~15.0 m/s的弱中气旋阶段，其中16:12雷达监测显示有龙卷标志出现。16:30—16:36为19.5 m/s的中等强度中气旋。此后的多个体扫，雷达没有识别出中气旋和龙卷标志(图 6d，白箭头所指位置为中气旋位置)，但据灾后调查，有衍生龙卷的超级单体发生并造成损失，这可能与雷达近距离识别有探测盲区且单体距离雷达太近不满足中气旋探测的高度判据有关，因此本文仍按照中气旋标准分析该对流单体的速度对。据灾后调查龙卷在16:42落地，强度为22.0 m/s发展为强中气旋。16:42—15:00该单体最大转动速度＞27.0 m/s。15:06左右是实测龙卷最后触地时刻，雷达显示此时最大转速骤降为14.5 m/s，但15:12又增大为22 m/s。正负速度中心距在龙卷出现前后先减小后增大，在弱中气旋阶段和中等中气旋阶段约4.0~5.0 km左右，在强中气旋阶段中心距明显下降，17:00最小间距为0.98 km，之后间距逐渐增大。该中气旋的切向直径约4.0~5.0 km左右，径向直径约3.0~5.0 km。
通过对比台风“彩虹”雨带中衍生龙卷的超级单体风暴的中气旋和龙卷出现时间(图 6)可知，水龙卷发生在中气旋生成后的30 min左右，陆龙卷发生在中气旋生成后的6~30 min左右，佛山陆龙卷持续时间长强度更强危害更大，三个衍生龙卷的超级单体其最大正负速度对间距都在10 km以内，都属于γ中尺度(meso-γ)系统。其中，衍生番禺龙卷的超级单体在强中气旋阶段最大正负速度对间距仅0.98 km，属于α小尺度(micro-α)系统。
5. 结论与讨论
本文深入细致地分析2015年10月4日强台风“彩虹”登陆前后雨带内3个衍生龙卷的超级单体的天气背景及其谱宽和中气旋强度的变化。
(1) 在台风“彩虹”登陆前后，龙卷发生地恰好位于台风外围Rankine模型最大风速半径位置[27]。该地区大气边界层的中低层有≥30 m/s的大风速带，在925~1 000 hPa有约2.41×10-2/s强烈的风切变，底层来自西北部的浅薄冷空气不断入侵，抬升凝结高度低为200~300 m，在适当的CAPE值和风暴螺旋度配合下，形成了底层850~1 000 hPa散度负大值辐合区，高层200~300 hPa正大值辐散区，有利于强对流天气在该地区发生。3个超级单体移经的自动站风向有近180 °转换，局地小时雨强分别为44 mm、20 mm、33 mm，为强降水型超级单体。
(2) 3个超级单体演变过程中的速度谱宽特征在揭示强对流风暴阶段—超级单体阶段—龙卷阶段发生发展中有重要指示意义，建立了对流风暴不同发展阶段速度谱宽值演变的概念模型。速度谱宽增大时，对应流风暴处于各阶段的发展(或减弱)期；速度谱宽减小时，对应流风暴处于各阶段的稳定期。
(3) 衍生水龙卷中气旋最大强度19.5 m/s为中等强度中气旋，2个衍生陆龙卷的中气旋最大强度＞27.0 m/s为强中气旋。其正负速度对中心距水平尺度都在10 km以内，都属于γ中尺度(meso-γ)气旋，番禺超级单体中气旋最小直径一度达0.98 km，属于α小尺度(micro-α)强气旋。在单体增强阶段雷达在判别中气旋和龙卷发生有滞后现象，在单体减弱阶段雷达的判别算法有提前现象，人工确认中气旋有利于对单体的发展和成灾情况作出更加准确的判断。
致谢: 本文的完成得益于广东省气象局提供的观测资料，广东阳江市气象局黄先伦对天气分析提出了建议，在此深表感谢。 -
图 1 2015年10月4日08时台风“彩虹”外围螺旋雨带地面流场分析(a)、45004探空图(b)、汕尾海丰龙卷附近6601824自动气象站(c)、汕尾上空散度空间分布(d)
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