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梅雨锋中尺度涡旋内微型超级单体龙卷的形成研究

戴建华 王国荣 龚剑 宋宇辰 朱家恺 陈浩君 乔丹 罗川 赵长健 陆海荣 管理 孙敏 邵一巳

戴建华, 王国荣, 龚剑, 宋宇辰, 朱家恺, 陈浩君, 乔丹, 罗川, 赵长健, 陆海荣, 管理, 孙敏, 邵一巳. 梅雨锋中尺度涡旋内微型超级单体龙卷的形成研究[J]. 热带气象学报, 2021, 37(5-6): 693-709. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.065
引用本文: 戴建华, 王国荣, 龚剑, 宋宇辰, 朱家恺, 陈浩君, 乔丹, 罗川, 赵长健, 陆海荣, 管理, 孙敏, 邵一巳. 梅雨锋中尺度涡旋内微型超级单体龙卷的形成研究[J]. 热带气象学报, 2021, 37(5-6): 693-709. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.065
DAI Jianhua, WANG Guorong, GONG Jian, SONG Yuchen, ZHU Jiakai, CHEN Haojun, QIAO Dan, LUO Chuan, ZHAO Changjian, LU Hairong, GUAN Li, SUN Min, SHAO Yisi. ANALYSIS OF THE FORMATION OF MINI-SUPERCELLS AND ASSOCIATED TORNADOGENESIS WITHIN A MESOSCALE VORTEX EMBEDDED IN A MEIYU FRONT[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2021, 37(5-6): 693-709. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.065
Citation: DAI Jianhua, WANG Guorong, GONG Jian, SONG Yuchen, ZHU Jiakai, CHEN Haojun, QIAO Dan, LUO Chuan, ZHAO Changjian, LU Hairong, GUAN Li, SUN Min, SHAO Yisi. ANALYSIS OF THE FORMATION OF MINI-SUPERCELLS AND ASSOCIATED TORNADOGENESIS WITHIN A MESOSCALE VORTEX EMBEDDED IN A MEIYU FRONT[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2021, 37(5-6): 693-709. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.065

梅雨锋中尺度涡旋内微型超级单体龙卷的形成研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.065
基金项目: 

国家自然科学基金 41775049

国家重点研发计划资助 2018YFC1507601

湖湘高层次人才聚集工程-创新人才项目 2019RS1073

详细信息
    通讯作者:

    戴建华,男,浙江省人,研究员级高级工程师,主要从事中尺度对流天气研究。E-mail:djhnn@sina.com

  • 中图分类号: P458.2

ANALYSIS OF THE FORMATION OF MINI-SUPERCELLS AND ASSOCIATED TORNADOGENESIS WITHIN A MESOSCALE VORTEX EMBEDDED IN A MEIYU FRONT

  • 摘要: 对一次梅雨锋中尺度涡旋上发展的系列龙卷过程的形势背景、近风暴环境、龙卷演变过程和形成机理进行了研究。在高空强辐散区、中低层西南风急流的强风速辐合背景下,北侧干空气卷入后静止锋上形成了具有弓状结构的“逗点”状中尺度对流系统(MCS),MCS北部γ中尺度涡旋明显发展,产生多个龙卷。相较于S波段多普勒天气雷达,高分辨率(30 m距离库、30秒体扫描)相控阵雷达探测到上海崇明陈家镇龙卷及其母体“微型”超级单体的精细结构和形成演变过程,及涡旋速度对、反射率空洞、高谱宽等典型标记;正、负径向速度对的结构和演变揭示涡旋源于近地面,发展后其高度最高达到2.0 km;龙卷接地前2~3分钟,收缩拉伸的龙卷涡旋又呈现出从上向下接地的过程。分析表明:极低的抬升凝结高度和极强的低层垂直风切变为龙卷形成提供了环境条件,龙卷发生前低层垂直风切变显著加强;在中尺度涡旋东部降水回波后缘,西南干急流与东南湿急流汇集激发形成“微型”超级单体,其指状回波快速向单体主体靠近、收缩逐渐演变成钩状回波,形成具有空洞特征的龙卷涡旋区。该龙卷形成的可能机制是:指状回波包围区内上升运动与外围下沉运动分别作用于由低层垂直风切变形成的水平涡管上,使水平涡管倾斜向上逐渐转为垂直涡管,在上升运动的作用下不断拉伸加强,涡度迅速加大形成龙卷。针对该次过程,建立了中尺度涡旋上“大涡套小涡”的系列龙卷分布概念模型和“微型”超级单体上龙卷涡旋形成的概念模型。

     

  • 图  1  2020年7月6日上海崇明港沿镇和陈家镇龙卷路径、龙卷目击视频(崇明港沿镇石材店庄志强拍摄)和灾情等

    a. 港沿镇龙卷路径;b. 漏斗云视频抓屏(来自网络,已在现场与发布者确认);c~d. 港沿镇龙卷灾情;e~f. 陈家镇龙卷路径和灾情。

    图  2  上海相控阵阵列天气雷达网分布图

    图  3  2020年7月6日08:00天气形势综合分析图(a,包括500 hPa等高线和槽线,850 hPa填图,200 hPa、500 hPa、700 hPa和850 hPa的急流(分别为紫色、蓝色、褐色和红色线),700 hPa干线(黄色加短标曲线)、地面锋面等)和09:36华东雷达拼图(b)

    图  4  2020年7月6日08:00宝山探空分析图(a)和采用陈家镇相控阵子阵雷达垂直风反演产品(VWP)修订后的宝山探空分析图(b);陈家镇子阵雷达获取的10:33—10:53的VWP水平风垂直分布时间序列图(c)

    图  5  青浦雷达2020年7月6日08:41(a, i)、09:15(b, j)、09:44(c, k)、10:01(d, l)、10:12(e, m)、10:23(f, n)、10:40(g,o)及10:51 (h, p)的0.5 °仰角的反射率因子(a~h)和径向速度(i~p)

    其中09:44、10:23和10:40反射率因子图上“T1”、“T2”、“T3”和“T4”标记分别对应江苏太仓浏河中燕村及上海崇明港沿镇、陈家镇和向化镇龙卷目击报告位置。

    图  6  2020年7月6日产生系列龙卷的“逗点状”对流系统所对应的南汇双偏振雷达0.5 °仰角产品

    a. 10:27反射率因子(港沿镇龙卷发生前后);b~g. 10:39(陈家镇龙卷发生前后)的反射率因子、径向速度、谱宽、Zdr(差分反射率)、φdp(差与相移率)和CC(相关系数)。其中,白色“T1”、“T2”、“T3”和“T4”分别对应江苏太仓浏河和上海崇明港沿镇、向化镇和陈家镇龙卷目击报告位置,黑色虚线+箭头为中尺度涡旋中心的移动轨迹示意。

    图  7  2020年7月6日10:41上海南汇WSR-88D多普勒天气雷达0.5 °仰角的反射率因子(a)和径向速度(c);上海陈家镇ETWS-X01相控阵雷达子阵探测到对应时刻的5.6 °仰角的反射率因子(b)和径向速度(d)

    a、c图里褐色方框包含的区域与b、d图包含的区域对应,黑色和红色点划圆圈分别标记了微型超级单体钩状回波及对应的空洞回波(b)和小尺度涡旋速度对(d)的区域。

    图  8  上海相控阵雷达网陈家镇子阵雷达探测到的陈家镇龙卷1分钟间隔的演变图(10:36—10:45):1.4 °仰角的反射率因子(a~b,e~f,i~j,m~n和q~r)和径向速度产品图(c~d,g~h,k~l,o~p和s~t)

    图中白(蓝)色箭头所指为指状(钩状)回波的位置,径向速度图上的红色点划圆圈中心为小尺度涡旋的速度对。图 8r中给出了5 km的距离标尺。

    图  9  陈家镇龙卷发生中前期(10:34—10:53)不同仰角(0.0 °~23.91 °)上的旋转速度(a,单位m/s)、涡旋直径(b,单位m)、水平风切变值(c,单位: 10-3 s-1)10:34开始速度对距离雷达站约8.5 km,之后逐渐靠近,10:40—10:53期间距离雷达站4~6 km。

    图  10  本次过程γ中尺度涡旋上系列龙卷分布概念模型示意图

    褐色箭头代表超级单体的移动方向   LH-江苏太仓浏河,GYZ-上海崇明港沿镇,CJZ-上海崇明陈家镇。

    图  11  陈家镇龙卷形成的概念模型图

    a. 微型超级单体发展加强过程中,后侧入流干急流(蓝色点流线)和东南暖湿急流(褐色点流线)汇合加强并形成气旋性弯曲;b. 指状回波“收缩”演变成钩状回波、龙卷涡旋形成的过程,类似“吹吹卷”效应的示意图。

    表  1  上海相控阵阵列天气雷达子阵的相关技术指标

    型号 ETWS-X01 ETWS-X02
    子阵站点 崇明陈家镇、宝山南王、浦东七灶 松江东勤、崇明长征
    技术体制 固态有源相控阵、数字多波束 双偏振固态有源相控阵、数字多波束
    工作频率 9.3~9.5 GHz 9.3~9.5 GHz
    峰值发射功率 ≥320 W ≥320 W
    天线阵元数量 64 128(64 H、64 V)
    探测距离 ≥60 km ≥60 km
    距离分辨率 ≤30 m ≤30 m
    波束 ≥16 ≥16
    波束宽度 水平1.6 °,垂直1.6 ° 水平1.6 °,垂直1.6 °
    体扫范围 水平:0 °~360 °,垂直: 0 °~90 ° 水平:0 °~360 °,垂直: 0 °~72 °
    体扫时间 24 s/30 s/48 s/60 s(可设置) 24 s/30 s/48 s/60 s(可设置)
    整机功耗 ≤3 kW(220 V/50HZ) ≤3 kW(220 V/50 HZ)
    天线尺寸 长≤1.2 m、宽≤1.4 m 长≤1.2 m、宽≤1.4 m
    尺寸 1 550 mm×1 390 mm×2 000 mm 1 550 mm×1 390 mm×2 000 mm
    重量 <850 kg <930 kg
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-04
  • 修回日期:  2021-11-28
  • 网络出版日期:  2022-03-02
  • 刊出日期:  2021-12-20

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