基于模拟的“彩虹”台风强龙卷精细化特征

董雪峰; 王映思; 黄先香; 严晓强; 张少婷

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2025.033

基于模拟的“彩虹”台风强龙卷精细化特征

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.033

董雪峰^{1, 2},
王映思³,
黄先香^1, ,,
严晓强⁴,
张少婷²

1.
佛山市龙卷风研究中心/中国气象局龙卷风重点开放实验室，广东佛山 528000
2.
三水区气象局，广东佛山 528000
3.
普宁市气象局，广东揭阳 515343
4.
成都市人工影响天气办公室，四川成都 610107

基金项目:

广东省基础与应用基础研究基金气象联合基金项目 2024A1515510006

广东省气象局科技项目 GRMC2020013

佛山市气象局科技项目 202216

佛山市气象局科技项目 202001

佛山市气象局科技项目 202401

佛山市气象局创新团队项目 202301

详细信息

通讯作者:
黄先香，女，广西壮族自治区人，研究员级高级工程师，主要从事龙卷等强对流天气预报预警技术研究。E-mail: fsqxj@163.com

中图分类号: P444
计量
- 文章访问数: 8
- HTML全文浏览量: 4
- PDF下载量: 1
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2024-01-09
- 修回日期: 2025-03-19
- 网络出版日期: 2025-07-06
- 刊出日期: 2025-06-20

Refined Characterizes of EF3 Tornado Induced by Typhoon"Mujigae"Based on the Numerical Simulation

1.
Foshan Tornado Research Center/China Meteorological Administration Tornado Key Laboratory, Foshan, Guangdong 528000, China
2.
Sanshui Meteorological Bureau, Foshan, Guangdong 528000, China
3.
Puning Meteorological Bureau, Jieyang, Guangdong 515343, China
4.
Chengdu Weather Modification Office, Chengdu 610107, China

摘要

摘要: 采用非静力中尺度数值模式WRF V3.6.1模拟1522号“彩虹”台风外围广东佛山EF3级强龙卷天气过程。基于模式模拟资料分析了强龙卷发生的近风暴环境条件、龙卷母体风暴超级单体和类龙卷涡旋(Tornado-Like Vortex, TLV)的演变特征。结果表明：近风暴环境CAPE揭示出有利于龙卷风暴发生发展的热力不稳定条件，TLV附近CAPE达1 000~1 500 J·kg^-1，近风暴环境0~3 km和0~1 km垂直风切变大值区与TLV系统位置呈很好的对应关系，在TLV发展期和强盛期，0~3 km垂直风切变分别达15×10^-3 s^-1和20×10^-3 s^-1以上，0~1 km垂直风切变分别达25×10^-3 s^-1和30×10^-3 s^-1以上；模拟的100 m、500 m和1 500 m高度的雷达回波能较好揭示龙卷超级单体风暴钩状回波形成、发展和消散的演变特征；成熟期的龙卷风暴内部，前侧下沉气流(FFD)和后侧下沉气流(RFD)加强，有利于风暴内部上升气流的增强，前侧阵风锋(FFGF)和后侧阵风锋(RFGF)形成锢囚结构，加强低层环流，促进近地面气旋式环流和TLV的发展加强，TLV系统中心位于上升气流与RFD之间、靠近上升气流一侧。龙卷发生之前伴随着低层中气旋的明显增强及中层中气旋的发展，低层强中气旋与龙卷生成相对应。
- 龙卷 /
- 数值模拟 /
- 超级单体 /
- 类龙卷涡旋(TLV)
Abstract: An EF3 supercell tornado, occurring in the external rainbelt of Typhoon"Mujigae"struck Foshan, Guangdong Province, China on 4 October 2015, resulting in severe damage. The tornado event was simulated using the nonhydrostatic mesoscale numerical model WRF V3.6.1. This paper analyzes the storm environmental conditions of the intense tornado and the evolutions of both the tornadic supercell storm and Tornado-Like Vortex (TLV) based on the model data. The analysis reveals that thermally unstable conditions near the storm environment facilitate the formation and development of tornado storms, with the Convective Available Potential Energy (CAPE) reaching 1 000-1 500 J · kg^-1 near the TLV. The areas of high 0-3 km and 0-1 km vertical wind shear in the storm environment correspond well with TLV system location. During the developmental and maturation periods of the TLV, the 0-3 km vertical wind shear exceeds 15×10^-3 s^-1 and 20×10^-3 s^-1, while the 0-1 km vertical wind shear surpasses 25×10^-3 s^-1 and 30 × 10^-3 s^-1, respectively. Simulated radar reflectivity at 100 m, 500 m and 1 500 m demonstrates the evolutionary characteristics of the tornadic supercell storm with hook echoes during development, maturation, and dissipation periods. During the maturation period, the forward-flank downdraft (FFD) and rear-flank downdraft (RFD) intensify within the tornado storm, promoting enhanced updraft inside the storms. The occluded structure of the forward-flank gust front (FFGF) and rear-flank gust front (RFGF) enhance the near-surface cyclonic circulation and the TLV. The TLV center positions between the updraft and RFD, proximate to the updraft side. The tornado formation is preceded by significant intensification of the low-level mesocyclone and development of the middle layer mesocyclone. The formation of the tornado corresponds to the presence of strong low-level mesocyclone.
- Tornado /
- Numerical Simulation /
- Supercell /
- Tornado-Like Vortex (TLV)

HTML全文

图 1 2015年10月4日广州S波段雷达0.5 °反射率因子(a)和模拟的500 m高度雷达反射率因子(b)

单位：dBZ。

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 2015年10月4日广州雷达0.5 °仰角雷达径向速度图(a~c，单位：m·s^-1)和模拟的500 m高度风场插值到广州雷达径向速度图(d~f，单位：m·s^-1)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 2015年10月4日0640 UTC(a、d、g)，0650 UTC(b、e、h)，0700 UTC(c、f、i)模拟的CAPE场(a~c，填色，单位：J·kg^-1)、抬升凝结高度场(d~f，填色，单位：m)、0~3 km(g~i)垂直风切变和0~1 km垂直风切变(j~l，填色，单位：10-3 s^-1)

黑色虚线圆表示模拟的TLV的位置。

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 2015年10月4日0640 UTC(a、e、i)，0650 UTC(b、f、j)，0700 UTC(c、g、k)，0710 UTC(d，h，l)模拟的100 m(a~d)、500 m(e~h)和1 500 m(i~l)高度雷达反射率(填色，单位：dBZ)

黑色虚框表示龙卷风暴移向。

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 模拟的2015年10月4日0640 UTC(a)、0650 UTC(b)、0700 UTC(c)和0710 UTC(d)雷达反射率(填色，单位：dBZ)沿着钩状回波入流缺口的垂直剖面(A~B)

纵轴为气压高度(单位：hPa)。

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 模拟的2015年10月4日0640 UTC(a、b)，0650 UTC(c、d)和0710 UTC(e、f)的1 500 m高度垂直速度场(左列填色，单位：m·s^-1)和100 m高度的风场(左列风杆，单位：m·s^-1)、1 500 m的高度垂直涡度场(右列填色，单位：10^-2 s^-1)和风场(右列风杆，单位：m·s^-1)

灰色等值线是500 m高度的30 dBZ强度雷达回波；FFD、FFDF、RFD和RFGF分别表示前侧下沉、前侧阵风锋、后侧下沉和后侧阵风锋。

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 模拟的2015年10月4日0640 UTC(a、d)，0650 UTC(b、e)和0710 UTC(c、f)的500 m高度雷达反射率(a~c，填色，单位：dBZ)，风场(风杆，单位：m·s^-1)和垂直涡度场(填色，单位：10^-2 s^-1)(d~f)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 模拟的2015年10月4日0640 UTC(a、d)，0650 UTC(b、e)，0655 UTC(c、f)，0700 UTC(g、j)，0705 UTC(h、k)和0715 UTC(i、l)的50 m垂直涡度(填色，单位：10^-2 s^-1)、风场(风杆，单位：m·s^-1)和垂直速度(等值线，单位：m·s^-1)(a~c和g~i)及沿着垂直涡度中心(蓝色直线)的纬向剖面(d~f和j~l)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 模拟的2015年10月4日0640 UTC(a)，0645 UTC(b)，0650 UTC(c)，0655 UTC(d)，0700 UTC(e)，0710 UTC(f)沿着TLV中心纬向剖面的垂直速度场(填色，单位：m·s^-1)、垂直涡度场(等值线，单位：10-2 s^-1)和风场(矢量，m·s^-1)纵轴为海拔高度(km)；FFD、RFD和TLV分别表示前侧下沉气流、后侧下沉气流和类龙卷涡旋；风暴移动方向为向西。

下载: 全尺寸图片幻灯片

参考文献(55)

[1]	范雯杰, 俞小鼎. 中国龙卷的时空分布特征[J]. 气象, 2015, 41(7): 793-805.
[2]	郑永光, 朱文剑, 姚聃, 等. 风速等级标准与2016年6月23日阜宁龙卷强度估计[J]. 气象, 2016, 42(11): 1 289-1 303.
[3]	俞小鼎, 郑永光. 中国当代强对流天气研究与业务进展[J]. 气象学报, 2020, 78(3): 391-418.
[4]	王福侠, 俞小鼎, 薛学武, 等. 2021年7月21日保定清苑龙卷雷达观测和环境条件分析[J]. 热带气象学报, 2023, 39(5): 664-679.
[5]	MARKOWSKI P, RICHARDSON Y. Mesoscale meteorology in midlatitudes[M]. Chichester: John Wiley and Sons Ltd, 2010: 245-260.
[6]	徐玥, 邵美荣, 唐凯, 等. 2021年黑龙江两次超级单体龙卷过程多尺度特征[J]. 应用气象学报, 2022, 33(3): 305-318.
[7]	张桂莲, 李一平, 江靖, 等. 多个超级单体风暴诱发的EF3级强龙卷特征分析[J]. 气象, 2023, 49(11): 1 315-1 327.
[8]	WAKIMOTO R M, LIU C, CAI H. The Garden City, Kansas, storm during VORTEX 95. Part Ⅰ: Overview of the stormcs lif ecycle and mesocyclo-genesis[J]. Mon Wea Rev, 1998, 126(2): 372-392.
[9]	ZIEGLER C L, RASMUSSEN E N, SHEPHERD T R, et al. The evolution of the low-level rotation in the 29 May 1994 new castle-Graham, Texas, storm complex during VORTEX[J]. Mon Wea Rev, 2001, 129(6): 1 339-1 368.
[10]	王秀明, 俞小鼎. 热带一次致灾龙卷形成物理过程研究[J]. 气象学报, 2019, 77(3): 387-404.
[11]	植江玲, 白兰强, 黄先香, 等. 2022年6月19日广东佛山龙卷的双极化相控阵雷达特征[J]. 热带气象学报, 2024, 40(2): 297-312.
[12]	LEMON L R, DOSWELL C A. Severe thunderstorm evolution and mesocyclone structure as related to tornadogenesis[J]. Mon Wea Rev, 1979, 107(9): 1 184-1 197.
[13]	MARKOWSKI P M, STRATA J M, RASMUSSEN E N. Direct surface thermodynamic observations within therear-flank downdrafts of nontornadic and tornadic supercells[J]. Mon Wea Rev, 2002, 130(7): 1 692-1 721.
[14]	HONDA T, AND KAWANO T. A possible mechanism of tornadogenesis associated with the interaction between a supercell and an outflow boundary without horizontal shear[J]. J Atmos Sci, 2016, 73(3): 1 273-1 292.
[15]	DAVIES-JONES R, BROOKS H E. Mesocyclogenesis from a theoretical perspective[M]//CHURCH C, BURGESS D, DOSWELL III C, et al. The tornado: Its structure, dynamics, prediction, and hazards. Washington DC: American Geophysical Union, 1993: 105-114.
[16]	DAVIES-JONES R. Streamwise vorticity: The origin of updraft rotation in supercell storms[J]. J Atmos Sci, 1984, 41(20): 2 991-3 006.
[17]	MARQUIS J N, RICHARDSON Y P, MARKOWSKI P M, et al. Tornado maintenance investigated with high-resolution dual-Doppler and EnKF analysis[J]. Mon Wea Rev, 2012, 140(1): 3-27.
[18]	DAVIES-JONES R. A review of supercell and tornado dynamics[J]. Atmos Res, 2015, 158: 274-291.
[19]	SCHENKMAN A D, XUE M, HU M. Tornadogenesis in a high-resolution simulation of the 8 May 2003 Oklahoma city supercell[J]. J Atmos Sci, 2014, 71(1): 130-154.
[20]	FISCHER J, DAHL J M L. The relative importance of updraft and cold pool characteristics in supercell tornadogenesis using highly idealized simulations[J]. J Atmos Sci, 2020, 77(12): 4 089-4 107.
[21]	KLEMP J B, ROTUNNO R. A study of the tornadic region within a supercell thunderstorm[J]. J Atmos Sci, 1983, 40(2): 359-377.
[22]	ROTUNNO R, KLEMP J. On the rotation and propagation of simulated supercell thunderstorms[J]. J Atmos Sci, 1985, 42(42): 271-292.
[23]	WICKER L J, WILHELMSON R B. Simulation and analysis of tornado development and decay within a three-dimensional supercell thunderstorm[J]. J Atmos Sci, 1995, 52(15): 2 675-2 704.
[24]	XUE M, ZHAO K, WANG M, et al. Recent significant tornadoes in China[J]. Adv Atmos Sci, 2016, 33(11): 1 209-1 217.
[25]	GOLDACKER N A, PARKER M D. Assessing the comparative effects of storm-relative helicity components within right-moving supercell environments[J]. J Atmos Sci, 2023, 80(12): 2 805-2 822.
[26]	BAI L Q, MENG Z Y, ZHOU R. et al. Radar-based characteristics and formation environment of supercells in the landfalling typhoon Mujigae in 2015[J]. Adv Atmos Sci, 2020, 39(5): 802-818.
[27]	朱皓清, 赵宇. 江苏阜宁EF4级龙卷的高分辨率数值模拟研究[J]. 高原气象, 2022, 41(6): 1 599-1 614.
[28]	BAI L Q, YAO D, MENG Z Y, et al. Influence of irregular coastlines on a tornadic mesovortex in the Pearl River Delta during monsoon season. Part Ⅱ: Numerical experiments[J]. Adv Atmos Sci, 2024, 41(9): 1 704- 1 720.
[29]	俞小鼎, 赵娟, 范雯杰, 等. 中国龙卷的时空分布与关键环境参数特征[J]. 热带气象学报, 2021, 37(5/6): 681-692.
[30]	黄先香, 俞小鼎, 炎利军, 等. 广东两次台风龙卷的环境背景和雷达回波对比[J]. 应用气象学报, 2018, 29(1): 70-83.
[31]	黄先香, 俞小鼎, 炎利军, 等. 珠江三角洲台风龙卷的活动特征和环境条件分析[J]. 气象, 2019, 45(6): 777-790.
[32]	白兰强, 孟智勇, SUEKI K, 等. 中国热带气旋龙卷的气候统计特征(2006~2018)[J]. 中国科学: 地球科学, 2020, 50(5): 619-634.
[33]	黄先香, 白兰强, 炎利军, 等. 热带气旋背景下广东龙卷活动特征及环境条件[J]. 气象学报, 2024, 82(3): 319-339.
[34]	郑媛媛, 张备, 王啸华, 等. 台风龙卷的环境背景和雷达回波结构分析[J]. 气象, 2015, 41(8): 942-952.
[35]	黄先香, 俞小鼎, 炎利军, 等. 1804号台风"艾云尼" 龙卷分析[J]. 气象学报, 2019, 77(4): 645-661
[36]	黄先香, 炎利军, 王硕甫, 等. 1822号"山竹" 台风龙卷过程观测与预警分析[J]. 热带气象学报, 2019, 35(4): 458-469.
[37]	傅佩玲, 胡东明, 黄浩, 等. 台风山竹(1822)龙卷的双极化相控阵雷达特征[J]. 应用气象学报, 2020, 31(6): 706-718.
[38]	黄先香, 伍志方, 炎利军, 等. 珠江三角洲台风龙卷预警技术与2018年两次龙卷预警试验[J]. 气象科技, 2020, 48(1): 88-96.
[39]	麦雪湖, 炎利军, 李兆慧. 2015年10月4日佛山强龙卷风灾害过程浅析[J]. 广东气象, 2015, 37(6): 6-8.
[40]	BAI L Q, MENG Z Y, HUANG L, et al. An integrated damage, visual, and radar analysis of the 2015 Foshan, Guangdong, EF3 tornado in China produced by the landfalling Typhoon Mujigae (2015)[J]. Bull Amer Meteorol Soc, 2017, 98(12): 2 619-2 640.
[41]	朱文剑, 盛杰, 郑永光, 等. 1522号"彩虹" 台风龙卷现场调查与中尺度特征分析[J]. 暴雨灾害, 2016, 35(5): 403-414.
[42]	李彩玲, 炎利军, 李兆慧, 等. 1522号台风"彩虹" 外围佛山强龙卷特征分析[J]. 热带气象学报, 2016, 32(3): 416-424.
[43]	李兆慧, 王东海, 麦雪湖, 等. 2015年10月4日佛山龙卷过程的观测分析[J]. 气象学报, 2015, 75(2): 288-313
[44]	ZHAO K, WANG M J, XUE M, et al. Doppler radar analysis of a tornadic miniature supercell during the landfall of typhoon Mujigae (2015) in South China[J]. Bull Amer Meteorol Soc, 2017, 98(9): 1 821-1 831.
[45]	WU L G, LIU Q Y, LI Y B. Prevalence of tornado-scale vortices in the tropical cyclone eyewall[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2018, 115(33): 8 307-8 310.
[46]	唐嘉蕙, 冉令坤, 沈新勇, 等. 广东佛山EF3级龙卷超级单体风暴高分辨率数值模拟[J]. 地球物理学报, 2019, 62(11): 4 082-4 097.
[47]	徐敬涵, 冉令坤, 炎利军, 等. 台风"山竹" 外围强龙卷的结构和机理分析[J]. 大气科学, 2024, 48(3): 843-858.
[48]	SCHENKMAN A D, XUE M, SHAPIRO A. Tornadogenesis in a simulated mesovortex within a mesoscale convective system[J]. J Atmos Sci, 2012, 69(11): 3 372-3 390.
[49]	WAKIMOTO R M, CAI H Q. Analysis of a nontornadic storm during VORTEX 95[J]. Mon Wea Rev, 2000, 128(3): 565-592.
[50]	俞小鼎, 郑媛媛, 张爱民, 等. 安徽一次强烈龙卷的多普勒天气雷达分析[J]. 高原气象, 2006, 25(5): 914-924.
[51]	DAWSON D T, XUE M, SHAPIRO A, et al. Sensitivity of real-data simulations of the 3 May 1999 Oklahoma city tornadic supercell and associated tornadoes to multimoment microphysics. Part Ⅱ: Analysis of buoyancy and dynamic pressure forces in simulated tornado-like vortices[J]. J Atmos Sci, 2016, 73(3): 1 039-1 061.
[52]	MARKOWSKI P M, RICHARDSON Y P. The influence of environmental low-level shear and cold pools on tornadogenesis: Insights from idealized simulations[J]. J Atmos Sci, 2014, 71(1): 243-275.
[53]	俞小鼎, 郑媛媛, 廖玉芳, 等. 一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究[J]. 大气科学, 2008, 32(3): 508-522.
[54]	姚叶青, 俞小鼎, 郝莹, 等. 两次强龙卷过程的环境背景场和多普勒雷达资料的对比分析[J]. 热带气象学报, 2007, 23(5): 483-490.
[55]	俞小鼎, 王秀明, 李万莉, 等. 雷暴与强对流临近预报[M]. 北京: 气象出版社, 2020: 265-268.