Multiple radar observations and formation environment of a weak tornadic storm associated with a boundary layer convergent line
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摘要: 2022年6月30日下午，佛山市南海区遭受EF0级龙卷风袭击，本研究基于邻近此地区三部不同体制的X波段雷达和两部S波段双极化雷达、地面气象站和大气再分析数据等资料，系统研究了该龙卷风暴的多波段、多体制雷达观测特征及关键生成环境。由于五部雷达均未识别到中层中气旋特征，表明该个例为非中气旋龙卷风。通过多波段雷达观测对比发现，S波段雷达对这一短时龙卷风的探测能力极其有限，未能识别龙卷涡旋特征（TVS），而X波段雷达凭借更高的低空探测覆盖率和径向空间分辨率，对此类弱龙卷风暴精细结构的捕捉具有显著优势。与X波段多体制雷达对比发现，X波段机械雷达因其更高的发射功率和更窄波束宽度，可以探测到更加清晰的TVS和“弱回波眼区”等关键结构；而具有快速扫描优势的X波段相控阵雷达，受限于较小的发射功率和相对较宽的波束宽度，对弱龙卷风涡旋特征的探测相对不足。进一步研究发现，本次龙卷母体对流风暴位于热带气旋“暹芭”外围环流与西风带系统相互作用的过渡区内。雷达低层径向风和地面风场观测表明，该龙卷风暴由边界层内辐合切变线动力强迫抬升而激发，形成于辐合线上直径约4~6 km的微气旋内，因此本次非中气旋龙卷风可能是由近地面微气旋受低层垂直上升气流拉伸增强所致。Abstract: On the afternoon of 30 June 2022, an EF0 tornado struck Nanhai District, Foshan. Utilizing data from three X-band Doppler weather radars of distinct hardware standards, two additional S-band dualpolarization radars, surface meteorological stations, and atmospheric reanalysis products, the key multiple radar observational characteristics and the convective environment associated with this tornadic storm were systematically investigated. Results showed that no mid-level mesocyclone signatures were identified by any of the five radars, confirming this event as a non-mesocyclone tornado. Comparing with X-band radar observations, the S-band radars exhibited limited capability in detecting vortex signatures associated with the tornado and failed to identify tornado vortex signature (TVS). In contrast, the higher spatial-temporal resolution and enhanced low-level coverage of the X-band radars showed superior advantages in detecting such tornadic fine-scale structures. Comparisons of these X-band radars revealed that, the mechanicalscanning antennas, equipped with higher transmit power and narrower beamwidth, appeared to provide clearer features of TVS and weak-echo eye during this weak tornado. Although being advantageous in rapid scanning, it was relatively harder to capture such weak TVS features through the phased array Xband radars due to the lower transmit power and broader beamwidth. Further studies revealed that the tornado developed in a transition zone between the outer large-scale cyclonic circulation of Typhoon Chaba and the upper-level prevailing westerlies. Doppler products and surface wind observations suggested that the tornadic storm was triggered by the upward forcing along a convergence line within the boundary layer, and this tornado formed within a misocyclone approximately 4-6 km in diameter. Consequently, these findings infer that the near-surface mesocyclone, which was enhanced by the stretching of the preexisting low-level ambient vertical vorticity, led to the non-mesocyclone tornado.
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Key words:
- non-mesocyclone tornado /
- phased array radar /
- convergence line /
- misocyclone /
- tropical cyclone
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图 1 S波段多普勒天气雷达站（广州右黄点、肇庆左黄点; 灰色圈代表 70 km探测范围）、佛山南海X波段雷达（绿点为雷达#1，紫点为雷达#2，蓝点为雷达#3；对应颜色的透明圈代表 10 km探测范围）、清远探空站（蓝菱形）及地面自动气象站（黑点）和龙卷风（红色三角）位置。
图 2 2022年6月30日佛山狮山镇颜峰社区龙卷实拍照片（a）和实际灾害照片（b），以及17:00 LST华南雷达组合反射率拼图（c）
红色三角形是龙卷风所在位置。其中，（c）中所用雷达组合反射率由中国气象局雷达气象中心制作。为体现具体的行政区域边界和叠加龙卷风发生位置等信息，本文通过下载中央气象台官网的华南区域雷达拼图，并参考Bai等[26]的方法进行重新绘制。
图 3 2022年6月30日14:00葵花8卫星反照率（albedo_01）叠加2203号台风“暹芭”移动路径
红色三角形是龙卷风所在位置。台风路径上的蓝色点为每6小时台风中心的位置。
图 5 2022年6月30日肇庆S波段多普勒雷达1642 LST（上）和1654 LST（下）的0.5 °仰角反射率因子和径向速度图
红色圈为龙卷发生地，黑色大圈表示低层弱气旋性切变特征。
图 6 2022年6月30日16:44佛山3部X波段雷达的反射率因子图（左）和径向速度图（右）。第一行、第二行、第三行分别对应表 1中的雷达#1、雷达#2、雷达#3
红圈为龙卷风地面位置，黑色三角为雷达所在位置。
图 8 2022年6月30日16:42—16:48雷达#3在1.7 °仰角速度图，雷达站高度约35 m，（a~d）的TVS距离地面高度分别约为240 m、220 m、200 m和175 m
在（a）中，红色和蓝色箭头分别表示远离和向着雷达方向的径向速度，虚线表示辐合切变线，黑圈表示TVS所在区域。
图 9 2022年6月30日08时的LST高空探测（a）以及500 hPa高空填图（b）
（a）中带箭头线为大风轴，绿色锯齿线为湿区，橙色锯齿线为干区，双线为切变线，粗实线为槽线，细实线为等温线；（b）中，短杆代表 2 m·s-1，长杆代表 4 m·s-1，无杆代表小于2 m·s-1。
图 10 清远探空站在2022年6月30日08时的斜温图
其中黑色和绿色线分别为气温和露点温度，红色虚线代表地面气块抬升的气温状态，短杆代表 2 m·s-1，长杆代表 4 m·s-1，无杆代表小于2 m·s-1。各层水平风速随高度的矢端图显示在左下角，紫色箭头为风暴的实际移动矢量，黑色圆点为间隔1 km的高度标记。
图 11 2022年6月30日垂直上升速度（a）、水汽通量（b）廓线的时间演变，以及基于ERA5数据在1600 LST的0-1 km风暴相对螺旋度（c）、强龙卷指数（d）和相应的850 hPa风场空间分布。
图 12 2022年6月30日14:00—16:00 LST地面自动站风场分布
短杆代表 2 m·s-1，长杆代表 4 m·s-1，无杆代表小于2 m·s-1。不同颜色的虚线分别表示在14:00 LST, 15:00 LST和16:00 LST主观分析出的地面辐合线位置。
图 13 2022年6月30日16:30LST雷达#3反射率因子（a为1.7 °，b为4.6 °）和径向速度（c为1.7 °，d为4.6 °）叠加自动站风场图
短杆代表 2 m·s-1，长杆代表 4 m·s-1，无杆代表小于2 m·s-1。
表 1 本研究所用多普勒天气雷达的相关技术参数
名称 雷达#1 雷达#2 雷达#3 肇庆/广州雷达 波段 X X X S 技术体制 相控阵全相参 相控阵全相参 机械扫描全相参 机械扫描全相参 极化方式 水平、垂直双极化 水平、垂直双极化 水平、垂直双极化 水平、垂直双极化 发射机峰值功率 320 W 400 W 75 kW 650 kW 波束宽度 水平1.8 °，垂直1.8 ° 水平3.6 °，垂直1.8 ° 水平0.93 °，垂直1 ° 水平1 °，垂直1 ° 时间分辨率 60 s 60 s 120 s 360 s 径向分辨率 30 m 30 m 75 m 250 m 方位角分辨率 1.6 ° 3.6 ° 0.9 ° 0.5 ° 仰角层数 48层 34层 5层 9层 有效探测半径 40 km 60 km 75 km 230 km 最低仰角最大不模糊速度 36 m·s-1 19.8 m·s-1 31.6 m·s-1 26.6 m·s-1 
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表 2 2022年6月30日08时清远探空站环境参数，其中CAPE等对流参数是基于气块从地面抬升计算所得
CAPE（对流有效位能）/(J·kg-1) CIN（对流抑制）/(J·kg-1) LCL（抬升凝结高度）/m LFC（自由对流高度）/m SHR(垂直风切变)/(m·s-1) SRH(风暴相对螺旋度)/(m2·s-2) 0~1 km 0~6 km 0~1 km 0~3 km 1773 5.3 317 81 4.1 4.4 34.8 47.9
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表 3 Thompson等统计的非超级单体风暴垂直风切变值
物理量 最大值/(m·s-1) 最小值/(m·s-1) 平均值/(m·s-1) SHR(垂直风切变，0~1 km) 4.9 1.1 2.9 SHR(垂直风切变，0~6 km) 14.3 3.6 7.8
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