AN ANALYSIS ON THE OBSERVATIONS AND WARNINGS OF TORNADO INDUCED BY TYPHOON MANGKHUT
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摘要: 2018年9月17日09:37—10:00，在登陆台风“山竹”外围螺旋雨带中，广东省佛山市三水区到肇庆市四会区发生了EF2级强龙卷，龙卷路径长度18 km，持续时间23 min，平均时速47 km/h，导致不少建筑物损毁。本次过程佛山市进行了龙卷预警试验，提前37 min发布了龙卷预警，龙卷没有造成人员伤亡。利用观测资料对产生强龙卷的环境场特征、地面自动站和雷达观测的中小尺度特征以及龙卷预警试验进行了分析，结果表明：产生龙卷的微型超级单体出现在台风外围和副高边缘之间的强东南急流中，具有低层辐合、高层辐散、水汽充足等典型台风外围龙卷环流形势特征；强的低空0~1 km垂直风切变、大的风暴相对螺旋度和低的抬升凝结高度等环境条件利于龙卷的生成；龙卷影响时，邻近地面自动气象站观测要素表现出明显的信号，瞬时大风和最低气压的极值区呈东南至西北向带状分布，与龙卷路径一致，龙卷过境前后，单站气压“漏斗”明显，5 min降压/升压幅度达-2.5 hPa/+2.1 hPa；广州多普勒天气雷达探测到龙卷母体风暴的低层钩状回波和入流缺口特征，以及低层强中气旋和类TVS特征。预警试验初步表明，对台风龙卷高发区，在环境场有利情况下，若低层出现中等或以上强度中气旋，其底高在1 km以下，可以考虑发布龙卷预警。Abstract: In an outer rainband of the landfalling typhoon Mangkhut, an EF2 tornado struck Sanshui District of Foshan City and Sihui District of Zhaoqing City, Guangdong Province from 9:37 to 10:00 on 17 September 2018. The tornado lasted for 23 minutes, produced an 18-km long ground damage track. Its average velocity was 47 km/h. As Foshan Weather Service was then conducting a tornado warning test, tornado warnings were issued 37 minutes in advance, and thus no people were injured or killed. Based on the data of observations, this paper focuses on the synoptic background, mesoscale characteristics of automatic weather stations and doppler radar and warning test of the tornado. The results show that miniature supercell spawned tornado formed in the southeast jets between typhoon and subtropical high. The features of low-level convergence, upper level divergence and high moisture in lower levels are typical tornado synoptic environment with the outer region of typhoon circulation. The environmental conditions, such as strong vertical wind shear at 0~1 km, high storm relative helicity and low lifting condensation level were favorable for tornado genesis. Significant signals were recorded by the adjacent automatic weather stations when tornado passed by. The distribution of extreme variables of gust and pressure extended from southeast to northwest which was consistent with the tornado track. The pressure showed a clear funnel and dropped sharply by -2.5 hPa/5min and increased sharply by 2.1 hPa/5min during the tornado influencing period. The hook echo, FIN, low-level strong mesocyclone and similar TVS were detected by Guangzhou doppler radar. Preliminary examination of tornado warning test indicated that tornado warnings could be issued to those areas with high tornadoes frequency when the bottom height of low-level moderate or greater mesocyclone is lower than 1 km and the synoptic environmental conditions are favorable for tornado genesis.
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Key words:
- typhoon tornado /
- environmental condition /
- radar echo /
- typhoon Mangkhut /
- tornado warning
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1. 引言
龙卷是对流风暴产生的最猛烈的天气现象，空间尺度一般为几十米到几百米，其产生的地面最大风速可超过140 m/s，能造成重大人员伤亡、建筑物损毁、电力与交通中断等极端灾害[1-3]。据不完全统计[3]，1961—2010年间的165次强龙卷导致我国至少1 772人死亡，3.17万人受伤。最近的一次严重龙卷灾害发生在2016年6月23日江苏省盐城市阜宁县，龙卷造成99人死亡，846人受伤[4]。
有关龙卷的研究成果已有不少。范雯杰等[3]和魏文秀等[5]概括了我国龙卷的分布及其活动特征；文献[4, 6-10]对西风带天气系统中的龙卷(以下简称西风带龙卷)的天气形势、环境场、雷达回波特征分析指出，龙卷发生在中低层有低槽切变、低空西南急流和地面低压等天气系统的配置下，不同季节冷暖空气势力不同，龙卷的影响系统配置有差异，中等偏强的热力不稳定、强的垂直风切变、低的抬升凝结高度(LCL)有利于西风带龙卷的发生，雷达径向速度场一般是先出现中气旋，随后多数出现龙卷涡旋特征(TVS)；俞小鼎等[11]和姚叶青等[12]基于龙卷的多普勒雷达回波特征探讨了龙卷的临近预警，指出径向速度场是龙卷监测预警的主要依据；周后福等[13]开展了龙卷天气过程的微物理和动力特征数值模拟；孟智勇等[14]和郑永光等[15]对龙卷灾害做了细致的现场调查和强度分析。沈树勤[16]和Edwards[17]研究表明，龙卷易发生在热带气旋中心东北象限180~460 km的区域。Schultz等[18]指出，相对于热带气旋运动方向，龙卷多发生在方位角340~120 °之间。郑媛媛等[19]、黄先香等[20]对热带气旋外围螺旋雨带中的龙卷(以下简称台风龙卷)研究指出，龙卷产生在台风减弱阶段，低的LCL、强的低层垂直风切变和大的风暴相对螺旋度(SRH)有利于台风龙卷的产生；与西风带系统中的超级单体龙卷相比，台风龙卷出现在相对较弱的条件不稳定环境下，台风龙卷中气旋的尺度更小，伸展高度更低。台风环流的影响在不同的地域所产生的龙卷概率也是不同的，杨程等[21]统计2001—2010年热带气旋对江苏的影响中，没有发现台风龙卷的发生，主要是短时强降水和雷雨大风。
虽然国内外对龙卷做了大量研究，但由于龙卷尺度小、持续时间短、发生概率低等特点，对龙卷的监测、预报预警和数值模拟一直以来都是灾害天气领域的难点。目前只有美国和加拿大等少数国家建立了龙卷监测预警业务，我国还没有建立龙卷预警业务[22]。2016年10月开始，中国气象局预报司选择广东、江苏等省份开展龙卷监测预警试验。
珠三角是台风龙卷高发区，当台风中心位于广东湛江-广西南部一带[23]时，在有利的大尺度环境条件下，在距离台风中心300~500 km的台风外围螺旋雨带中容易产生龙卷并造成较严重的人员伤亡和财产损失[24-28]。2018年9月17日09:37—10:00(北京时间，下同)，受1822号台风“山竹”外围环流影响，广东省佛山市三水区到肇庆市四会区发生了一次EF2级强龙卷天气。本次龙卷过程中，第一作者及团队提前37 min成功发布了龙卷警报，龙卷没有造成人员伤亡，但仍导致不少建筑物受损。本文利用常规气象观测资料、地面气象自动站加密资料、广州S波段多普勒天气雷达资料等对此次龙卷天气过程加以分析，着重对比分析了此次龙卷过程与珠三角以往台风强龙卷过程的大尺度环境场特征，并对此次过程的自动站观测和雷达观测的中小尺度特征以及龙卷预警进行分析，为今后的台风龙卷监测预警提供参考。
2. 龙卷过程及现场灾害调查
2018年9月17日09:37—10:00，广东省佛山市三水区白坭镇、西南街道和肇庆市四会区大沙镇等地先后受龙卷影响。通过多渠道获取的龙卷视频、照片，以及对龙卷路径沿线的工厂、村居民舍等受灾现场的实地调研、走访龙卷目击者、对龙卷灾情路径的航拍等，再结合雷达以及气象自动站等资料进行综合判断，确认此次龙卷过程最早于09:37在佛山市三水区白坭镇金竹村触地，然后向西北方向移动，先后影响了白坭镇金竹村，西南街道官员村、显学村、安溪村、沙水村、木塱村、渔运村、上岗村、杨村、木棉村和青岐望楼岗村，最后于10:00在肇庆市四会区挞泊村减弱消失(图 1，见下页)。整个龙卷过程持续时间约23 min，路径长达18 km，时速约47 km/h。近年来路径在10 km以上、持续时间超过20 min的长生命强龙卷主要有2016.6.23江苏阜宁龙卷(以下简称阜宁龙卷)和2015.10.4“彩虹”台风顺德龙卷(以下简称“彩虹”龙卷)，阜宁龙卷持续时间约45 min，路径长为33 km，时速约44 km/h[4, 29-30]，“彩虹”龙卷持续时间约35 min，路径长度约32 km，时速达60 km/h[22, 24]，“山竹”台风龙卷移速与阜宁龙卷移速相当，较“彩虹”龙卷移速则明显偏慢。
调查发现，龙卷经历了生成初期、发展加强、减弱、消失阶段，移动过程呈现跳跃式。龙卷造成的地面破坏宽度，最小的仅有十多米，最大的可达百米以上，其中龙卷风破坏宽度最大的地方位于三水区西南街道柏木塱村，达到了153 m。龙卷造成简易铁皮厂房顶被刮走、部分围墙倒塌、大树折断等，所幸龙卷影响区域民众提早收到预警信息，及时撤离，没有造成人员伤亡。根据美国2007年起新启用“改进的藤田级别”[31](Enhanced Fujita Scale，EF- Scale)对龙卷强度的定级，结合本次龙卷灾情特点，认定强度为EF2级，为强龙卷。
3. 天气背景和环境场特征
3.1 台风“山竹”活动概况
1822号台风“山竹”最早于9月7日10:00在西太平洋生成，9日02:00加强为强热带风暴，9日08:00加强为台风，11日08:00加强为超强台风，11日08:00—15日08:00长时间维持超强台风量级，最大风速达到65 m/s(17级)，由于登陆菲律宾受到陆地摩擦作用，15日09:00起强度减弱为强台风，16日17:00以强台风级在广东台山海宴镇登陆，登陆时中心附近最大风力14级(45 m/s)，登陆后维持西北偏西方向移动，16日20:00减弱为台风，17日04:00减弱为强热带风暴，17日07:00减弱为热带风暴，17日14:00减弱为热带低压(图 2)。佛山市三水区白坭镇龙卷发生在17日09:37前后、距离台风登陆已有16.5 h，此时台风中心位于广西南宁市境内，强度为热带风暴级。龙卷产生于距台风“山竹”中心东北象限约490 km处螺旋雨带中的一个微型超级单体(图 2a)。FY4卫星很好地拍摄到了这个微型超级单体的上冲云顶照片(图 2b)。
3.2 环境场特征分析
9月17日08:00，500 hPa西太平洋副热带高压(以下简称副高)比较强盛，呈方头状，西脊点位于109 °E附近，粤东受588 dagpm线控制，华东沿海地区受592 dagpm线控制，脊线位于26 °N附近，珠三角地区处于副高西南侧与“山竹”东侧之间，中低层处于强东南偏南急流控制区，925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa东南风速分别为18 m/s、24 m/s、30 m/s、22 m/s，低层东南急流强度达到了珠三角历史台风外围强龙卷的阈值[20]，各层急流轴的位置非常接近，东南急流上下叠加汇聚在珠江口附近，且低层925 hPa的辐合线和高层200 hPa分流区即高空辐散区也位于珠江口附近(图 3a)；地面形势气压场东北高西南低，有利于东南气流在珠江口附近辐合汇聚(图 3b)。龙卷发生在低层辐合、高层辐散与中低空急流交汇处附近，与以往的研究结果[19-20]一致。
根据位于龙卷发生地西北方约67 km处的清远探空站9月17日08时T-lnP图分析显示，中低层为强偏南气流，近地层为弱东南风，风向随高度具有顺时针旋转特征(图略)；整层的温度露点差都很小，大气接近饱和状态，地面露点在25 ℃左右，最大累积可降水量(PW)为61 mm，大气非常暖湿，湿层深厚；环境场具备合适的对流有效位能(CAPE)411 J/kg和对流抑制能量(CIN)33 J/kg、低的抬升凝结高度(LCL)144 m、强0~1 km低层垂直风切变16.0 m/s和大的风暴相对螺旋度(SRH)283 m2/s2(表 1)，非常有利于强龙卷母体风暴的发生发展[32]。本次EF2级台风龙卷环境条件与发生在梅雨期西风带系统里的阜宁龙卷环境条件相比，阜宁龙卷发生在高温高能和强深层垂直风切变的大气环境中，最大CAPE值超过2 000 J/kg，0~6 km垂直风切变高达27 m/s[4, 29]，本次“山竹”EF2级台风龙卷过程的CAPE和0~6 km垂直风切变均低于阜宁龙卷，但0~1 km垂直风切变较阜宁龙卷的8 m/s高；两个龙卷过程LCL均很低。Craven等[33]认为，1 200 m以下低的LCL和10 m/s以上高的0~1 km风切变更有利于龙卷的发生，尤其强龙卷更是具有低层强垂直风切变和低LCL特点。本次EF2级台风龙卷动力条件与近年来发生在珠三角地区的“彩虹”龙卷(EF3)、“派比安”龙卷(EF2)动力条件对比可见(表 1)，0~1 km的垂直风切变与“彩虹”龙卷阈值的16 m/s相当、略低于“派比安”龙卷的20 m/s，SRH与“派比安”龙卷的305 m2/s2相当、低于“彩虹”龙卷的424 m2/s2，0~6 km的垂直风切变则明显低于以往强龙卷过程阈值(24.6 m/s)。樊李苗等[34]指出，0~6 km垂直风切变达15~20 m/s为中等强度垂直风切变，超过20 m/s为强垂直风切变。有研究表明，0~6 km垂直风切变数值达到15~20 m/s以上是超级单体形成的必要条件之一[35]，美国F2/EF2级及以上龙卷对流风暴的0~6 km垂直风差值普遍超过20 m/s[33, 36]。郑媛媛等[19]、朱文剑等[22]研究指出，台风龙卷发生环境条件基本为弱的CAPE(200~1 000 J/kg)、风随高度强烈顺转的强低空垂直风切变和大的SRH。由此可见，9月17日广州及周边的大气环境条件有利于龙卷的发生，对于强龙卷，其深层的垂直风切变条件相对较弱。
表 1 “山竹”台风龙卷与“彩虹”台风龙卷、“派比安”台风龙卷环境参数对比台风龙卷过程 时间 CAPE/(J/kg) CIN/(J/kg) LCL/m 0~1 km
风切变/(m/s)0~6 km
风切变/(m/s)SRH/(m2/s2) PW/mm 1822号“山竹” 2018/9/17/08 411 33 144 16.0 18.9 283 61 1522号“彩虹” 2015/10/4/08 144 21 342 16.0 24.6 424 61 0606号“派比安” 2006/8/4/08 279 42 271 20.0 25.3 305 61 4. 地面自动气象站观测
佛山市地面自动气象站有212个，间距为3~5 km，能较为有效监测地面中小尺度天气系统的活动。分析自动气象站风场可见，在龙卷发生前，在龙卷风暴移动方向上已经有地面辐合线和小尺度涡旋存在。“山竹”三水龙卷最早于9月17日09:37前后在白坭镇触地，在龙卷发生前的09:10，在佛山南海区九江、西樵到三水区白坭、西南一带就已经存在一条东南-西北向的地面风向风速辐合线，并且在西樵附近有一个小尺度涡旋生成(图 4a)，之后小尺度涡旋沿着地面辐合线向西北方向移动(图 4b)，09:30—09:40移至白坭附近时对流强烈发展产生了龙卷(图 4c~4d)，龙卷风暴移动路径与小尺度涡旋的移动路径一致。
对自动气象站09:00—10:00的瞬时大风(图 5a)分析发现，极大风速出现在龙卷路径附近，距离龙卷路径约1 000 m的三水区西南洲边村委站于09:42记录到最大风速为16.6 m/s(7级)，另一个距龙卷路径约700 m的三水区西南水利所站于09:50记录到最大风速为22.1 m/s (9级)。分析09:00—10:00的最低气压(图 5b)发现，最低气压呈东南-西北向带状分布，与龙卷路径方向一致。
受龙卷涡旋环流影响，位于龙卷路径右侧的邻近地面自动站的5 min变压也表现出明显的信号。对应强回波中心，三水区白坭镇新明珠厂站最早在09:30开始出现-1.4 hPa/(5 min)的负变压；09:35，负变压中心北移至白坭镇中心小学，而随着风暴的北移，白坭镇新明珠厂站迅速升压，5 min气压升幅达1.9 hPa；09:40—09:45，负变压中心进一步北移到西南街道，最大负变压中心出现在西南洲边村委站，5 min气压降幅达-1.9 hPa，09:45西南洲边村委站同样出现迅速升压，5 min气压升幅高达2.2 hPa，负变压中心北移至西南水利所。从现场灾调确定的龙卷路径来看，负变压中心移动路径基本与龙卷路径一致。
为了更清楚地了解龙卷过境前后地面气象站温、压、风等气象要素的变化特征，下面对离龙卷路径较近的三水区西南洲边村委站和三水区西南水利所站的气象要素进行分析。
三水区西南洲边村委站位于龙卷路径的右侧(图 6c)，距离龙卷发生地西南街道显学村(09:40)1 000 m左右。从其气压、风向风速、温度、降雨变化曲线(图 7a)可见，龙卷发生前，09:00—09:20气压呈波动式小幅上升，09:20—09:35气压小幅下降，09:40气压明显下降，由09:35的1 001.4 hPa陡然下降到09:40的999.5 hPa，而本站的3 s瞬时气压在09:40录得最低值999.2 hPa，5 min内下降-2.2 hPa，09:45气压迅速跃升到1 001.7 hPa，5 min气压升幅达+2.5 hPa，出现气压“漏斗”，具有典型的龙卷过境特征，这与下击暴流等直线型雷暴大风引发的气压陡升现象明显不同；风的变化表明，龙卷发生前，2 min平均风速在1~6 m/s之间，风向为偏南风，龙卷过境前后，2 min平均风风向出现先逆转后顺转，09:20—09:30，风向由西南风逆转为东到东北风，09:35—09:40，风向再由东北风顺转为偏南风，同时风速突增，09:40，2 min平均风风速增大到11.9 m/s，09:42出现3 s瞬时极大风速值为16.6 m/s，之后风速减小，表明龙卷远离本站；雨量变化表明，在龙卷发生前40 min，地面已经有降水发生，09:05前，5 min平均降雨量在0.3 mm以下，09:10起降雨逐渐增强，09:10—09:15，5 min降雨量为1.0 mm，09:20降雨出现峰值，5 min降雨量达到2.1 mm，09:30出现次峰值，之后降雨明显减弱，龙卷发生时，地面有弱降雨，5 min降雨量在0.2 mm以下，也就是说降雨峰值(09:20前后)较龙卷发生提前约20 min，强降雨为龙卷的发生提供了很好的湿度条件；温度变化表明，龙卷影响前，气温总体比较平稳，即使在强降雨期间气温仍维持在25.3 ℃左右，在09:35—09:45龙卷过境前后，气温小幅波动，09:35—09:40气温下降0.1 ℃，09:40—09:45气温上升0.2 ℃，之后气温短暂小幅下降后逐渐上升，表明龙卷是发生在单一暖气团中。
图 7 2018年9月17日09:00—10:00的西南洲边村委站(a)和西南水利所站(b)温度(蓝线，℃)、气压(黑线，hPa)、2 min平均水平风速(红线，m/s)、2分钟平均风向(风向杆)和5分钟累计降雨量(柱状，mm)时间演变另一个站点三水区西南水利所站同样位于龙卷路径的右侧(图 6d)，距离龙卷发生地三水区西南街道渔运村(09:48)约700 m。分析其压、风、雨、温等发现具有与西南洲边村委站相类似的特征(图 7b)，09:45/09:50龙卷过境前后，气压出现陡降/陡升，5 min内气压降/升幅为-2.5 hPa /+2.1 hPa，气压“漏斗”明显；风速突增，09:50出现3 s瞬时极大风速值为22.1 m/s，风向先逆转后顺转，09:30—09:40，风向由东南风逆转为东到东北风，09:45—09:50，风向再由东北风顺转为东南风；龙卷发生前地面同样已经有降水发生，降雨峰值出现在09:30前后，较龙卷发生提前约15 min；在强降雨和龙卷发生期间，气温维持在25.4 ℃左右，龙卷过境后，气温明显上升。
5. 雷达观测与预警分析
5.1 雷达观测特征
广州S波段多普勒雷达反射率因子产品显示，9月17日早晨开始，珠江口西侧的江门台山、新会一带不断有南北向的强回波北上影响佛山，强回波带由多个对流单体组成。产生龙卷的母体风暴源自于新会附近发展的对流单体，08:12前后其0.5 °仰角反射率因子最强回波强度为53 dBz，对应径向速度图上为弱切变；08:24，对流单体北移至江门附近，发展为微型超级单体风暴，低层开始呈现出钩状回波和入流缺口特征，对应径向速度图上探测到弱中气旋，中气旋旋转速度为12.5 m/s，底高约0.9 km，尺度约2.7 km，1.5 °仰角仍为弱切变(图略)；08:42，0.5 °仰角反射率因子钩状回波和入流缺口特征更加明显，对应径向速度上中气旋旋转速度增强至15 m/s，接近中等强度中气旋标准，底高约0.75 km，尺度约2.5 km，中气旋扩展至1.5 °仰角，旋转速度为15 m/s，底高约1.6 km，尺度约2.9 km，雷达开始自动识别出中气旋(图 8a1~8c1)；08:48，中气旋增强至16 m/s，达到中等强度中气旋标准(图略)；09:00，风暴向西北移至佛山高明境内，最强回波增至58 dBz，1.5 °仰角中气旋出流速度出现模糊，中气旋旋转速度增强至17 m/s，尺度缩至2.5 km(图 8a2~8c2)；09:12，0.5 °仰角上中气旋明显增强，出流速度出现速度模糊，中气旋旋转速度增至19.0 m/s，底高维持在0.75 km(图 8a3~8c3)；09:30，风暴移至三水白坭镇附近，0.5 °仰角上径向速度图上出现像素值的切变，切变值为34 m/s，底高0.8 km，距离雷达51 km，出现类TVS特征(图 8a4~8c4)，经现场灾调确定09:37龙卷首先在白坭镇触地；09:42，龙卷风暴进入三水西南街道，0.5 °仰角上中气旋强度明显增强，旋转速度增大到27.0 m/s，达到强中气旋标准，底高维持在0.8 km(图 8a5~8c5)；之后，龙卷风暴继续西北移动，于10:00进入肇庆市四会区，之后逐渐减弱消失。本次龙卷母体风暴强度与“派比安”龙卷[20]相当，弱于阜宁龙卷和“彩虹”龙卷，阜宁龙卷和“彩虹”龙卷母体风暴最强回波均超过60 dBz、中气旋最强旋转速度均超过30 m/s、都出现了明显的TVS特征[4, 22, 29]。
“山竹”台风龙卷母体风暴中气旋从17日08:24开始发展，08:42接近中等强度中气旋标准(雷达开始自动识别出中气旋)，08:48增强到中等强度中气旋，09:30出现类TVS特征，09:42达到最强，旋转速度为27.0 m/s，达到强中气旋标准，中气旋持续至10:00。中气旋总体持续时间约96 min。为了进一步揭示风暴的结构，下面沿反射率因子勾状回波和中气旋附近对雷达反射率因子和径向速度做垂直剖面(垂直剖面位置见图 9a中的白线)。从反射率因子垂直剖面可见，龙卷母体风暴发展高度不高，回波顶高基本在10 km以下，50 dBz以上强回波高度在5 km以下，30 dBz以上反射率因子高度在8 km以下(图 9b)。对比而言，西风带系统中的阜宁龙卷风暴垂直伸展更为旺盛、回波质心更高，超过30 dBz的反射率因子可达16 km高度[29]。从平均径向速度垂直剖面可见，“山竹”台风龙卷母体风暴最显著特征是该超级单体风暴的中气旋自下而上朝东北方向倾斜，在3 km以下存在较强的旋转气流，3 km以上中气旋明显减弱，并明显偏向东北方向(图 9c)，这与阜宁龙卷风暴中气旋特征类似[29]，只是“山竹”台风龙卷中气旋尺度更小、垂直伸展厚度更低。可见，“山竹”台风龙卷母风暴属于低质心微型超级单体，其中气旋尺度较小，垂直伸展高度较低。这也与郑媛媛等[19]、朱文剑等[22]获得的结果类似。
5.2 龙卷预警分析
由于龙卷时空尺度小、发生概率低等特点，对于龙卷的监测、预报预警仍是世界性难题。龙卷的临近预警主要基于多普勒天气雷达探测到的中气旋[11]。统计表明，大约只有20%的中气旋能够产生龙卷，但当中气旋底距离地面高度小于1 km时，龙卷的发生概率约为40%[11]。目前美国基层气象台发布龙卷警报的主要依据是：在环境低层垂直风切变和相对湿度较大情况下，探测到强中气旋，或探测到中等以上强度中气旋，并且其底部距离地面不超过1 km[11]。由于多普勒天气雷达的中气旋探测算法存在局限性，一方面使得中气旋产品存在很多错误识别，再加上多数中气旋没有龙卷产生，所以基于中气旋的龙卷预警会导致较高的虚警率，另一方面还会使得中气旋识别时间过短，有的甚至识别不出中气旋，容易导致龙卷的迟报、漏报。美国基于中气旋的龙卷警报平均提前时间约为10~20 min[11]。
雷暴大风和龙卷的短期预报是做好龙卷短时临近预警的重要基础[37]。陶祖钰等[38]指出，小概率的极端天气可以用相似法进行统计预报。目前对于台风龙卷发生的有利环境场已有了较为清晰的成果[19-20, 39]，黄先香等[20, 23]分析表明，佛山(珠三角)地区台风龙卷的活动特征及环境场存在较好的相似性，在台风龙卷多发区域，将龙卷易发的台风中心东北象限与大SRH区、强0~1 km垂直风切变区及低LCL等环境条件相结合，在一定程度上可以给出龙卷未来可能出现的高风险区域。在龙卷有发生潜势的情况下，再进一步分析雷达特征，重点关注雷达反射率因子图上≥50 dBz的强回波，要特别关注具有低层钩状回波和入流缺口等特征的微型超级单体风暴，以及雷达径向速度图上的低层中气旋或TVS或类TVS，如果出现明显中气旋，并且中气旋底高扩展到1 km以下，则可以发布龙卷预警。这种基于环境场特征的龙卷潜势预报、再结合短时临近雷达特征作出龙卷预警的龙卷预报预警技术思路，一方面可以提高龙卷预警的命中率，另一方面还可能大大增加龙卷预警时间的提前量。本次“山竹”台风龙卷事件具备了台风龙卷母体风暴产生的上述所有有利环境条件，雷达特征上也完全符合上述台风龙卷雷达预警指标，而且考虑到龙卷母体风暴未来将影响的白坭镇等地也是佛山历史上台风龙卷高发区等综合因素，第1作者及团队于9月17日09:00针对高明荷城、三水白坭等4个镇街发布了龙卷警报，提前37 min预警了09:37三水白坭龙卷。但并非环境条件有利于龙卷产生的区域都会出现龙卷，实际上在当日15:00还发出了另一次龙卷预警，没有出现龙卷。这也说明，龙卷预警技术还不成熟、业务上对龙卷的具体落区和发生时间等的短临预报还存在极大困难，目前还不具备龙卷预警业务化的能力。这主要是因为孕育龙卷的母体风暴所处环境极为复杂，对龙卷风暴的结构及其发生发展机理等诸多科学问题还不完全清楚，未来还有必要用高分辨率数值模式对龙卷风暴的结构和机理等做进一步的深入研究。
6. 小结和讨论
受1822号台风“山竹”外围环流影响，2018年9月17日09:37—10:00广东佛山三水、肇庆四会等地遭到龙卷袭击。经过实地灾害调查、航拍龙卷灾情路径、询问目击者，再结合龙卷影像资料、地面自动气象站、气象卫星和雷达等资料，对龙卷路径进行确认，并综合分析龙卷发生的环境场和龙卷风暴的结构及强度演变等特点，得出如下结果。
(1) 龙卷首先于09:37在佛山市三水区白坭镇金竹村触地，然后向西北方向移动，先后影响了三水区白坭镇和西南街道、肇庆市四会区大沙镇等地，路径长度达18 km，持续时间23 min，平均时速约为47 km/h，导致多个村居建筑物受损。龙卷最大破坏宽度153 m，强度为EF2级，属于强龙卷。
(2) 龙卷产生于距离“山竹”中心东北象限约490 km处螺旋雨带中的一个微型超级单体，卫星云图清晰可见其上冲云顶；龙卷出现在中低空强东南偏南急流交汇处及低层辐合、高层辐散相叠加的区域。强的低空0~1 km垂直风切变、大的风暴相对螺旋度(SRH)、低的抬升凝结高度(LCL)和较大的0~6 km垂直风切变，有利于龙卷超级单体风暴的生成。与珠三角历史台风强龙卷过程对比，本次龙卷过程的低空0~1 km垂直风切变与历史强龙卷阈值相当，但0~6 km深层垂直风切变和风暴相对螺旋度(SRH)则相对较小。
(3) 龙卷影响时，地面存在清晰的辐合线和小尺度涡旋；龙卷路径附近的自动气象站气压、风场等要素表现出明显的信号：09:00—10:00瞬时大风、最低气压的极值区呈东南-西北向带状分布，与龙卷移动路径一致；龙卷过境前后，邻近龙卷路径右侧的自动站风速突增，风向出现先逆转后顺转，气压陡降/陡升，单站5 min降压/升压幅度达-2.5 hPa/+2.1 hPa，气压“漏斗”明显，明显区别于下击暴流等直线型雷暴大风引发的气压陡升现象。
(4) 龙卷母体风暴具有较明显的钩状回波和入流缺口回波特征，其发展高度较低，50 dBz回波高度在5 km以下。径向速度图上低层出现中等到强的中气旋和类TVS特征，中气旋伸展厚底在3 km以下，持续时间约96 min，类TVS较龙卷触地提前约7 min出现。基于上述雷达观测等特征，第一作者及团队提前37 min成功发布了龙卷预警。
本文仅是对龙卷的环境场、地面自动站、雷达等观测特征的初步分析，虽然在本次龙卷过程中开展了有效的龙卷预警试验，但并非环境条件有利于龙卷发生的区域都会有龙卷出现，在实际预警发布过程中仍会存在难以确定龙卷的具体落区和发生时间、龙卷空报率较高等诸多问题，这主要是由于孕育龙卷的母体风暴所处环境极为复杂，对龙卷的发生发展机理还缺乏深入研究，加上龙卷本身尺度小、持续时间短、突发性强、发生概率低等特点，使得业务上开展龙卷的预报预警仍存在极大困难，未来有必要用高分辨率数值模式对龙卷风暴的结构和机理进行深入分析。
致谢: 感谢广东省气象台伍志方首席、广东省生态气象中心邓玉娇博士、中山大学白兰强博士、山东省气象台朱君鉴研究员级高级工程师提供的支持和帮助。 -
图 7 2018年9月17日09:00—10:00的西南洲边村委站(a)和西南水利所站(b)温度(蓝线，℃)、气压(黑线，hPa)、2 min平均水平风速(红线，m/s)、2分钟平均风向(风向杆)和5分钟累计降雨量(柱状，mm)时间演变
表 1 “山竹”台风龙卷与“彩虹”台风龙卷、“派比安”台风龙卷环境参数对比
台风龙卷过程 时间 CAPE/(J/kg) CIN/(J/kg) LCL/m 0~1 km
风切变/(m/s)0~6 km
风切变/(m/s)SRH/(m2/s2) PW/mm 1822号“山竹” 2018/9/17/08 411 33 144 16.0 18.9 283 61 1522号“彩虹” 2015/10/4/08 144 21 342 16.0 24.6 424 61 0606号“派比安” 2006/8/4/08 279 42 271 20.0 25.3 305 61 
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