我国龙卷预警试验的前沿阵地——访佛山市龙卷风研究中心炎利军主任

2018年佛山市对两次台风龙卷过程进行了预警试验,发布了独立的、到达镇街的龙卷预报,取得了较好的效果,本刊针对我国龙卷发生态势、实际预警发布过程中存在的困难等问题采访了佛山市龙卷风研究中心主任炎利军。

1948—2001年全球陆地6—8月降水长期变化的时空特征

采用 PREC/ L的全球陆地月降水资料 ,研究了 194 8— 2 0 0 1年全球陆地 6— 8月降水长期变化的时空特征。结果表明 ,在该时段内 ,6— 8月降水量较大的区域是全球几个主要的季风区 ,而且季风区的降水均方差较大 ;全球陆地 6— 8月降水量以负趋势为主要特征 ,降水量明显减少的区域是 :热带非洲 ,中国的淮河以北 ,俄罗斯的东部 ,中、西西伯利亚 ,朝鲜 ,南亚等 8个区域 ;降水量增加的区域是 :加拿大北部、格陵兰中部等 4个区域 ;全球 36个纬度带中共有 12个纬度带 6— 8月降水量趋势变化达到了 0 .0 5显著性水平的 Monte Carlo检验 ,但是只有 1个纬度带 (6 5～ 6 0°S)是正趋势。全球陆地 6— 8月降水量正趋势的范围是很小的。初步探讨了 ENSO与全球陆地6— 8月降水量趋势变化的关系。

台风“山竹”外围强龙卷的结构和机理分析

本文利用再分析资料和中尺度数值模式WRFV3.6.1,对2018年9月17日上午发生在佛山市三水区的“增强藤田等级”2级(EF2)强龙卷过程开展49 m分辨率数值模拟,利用模式数据,分析龙卷超级单体和低层类龙卷涡旋(Tornado-Like Vortex,简称TLV)的结构特征,并通过涡度方程诊断TLV的动力成因,结果表明:龙卷由台风“山竹”外围螺旋雨带内的超级单体产生,该单体具有钩状回波、入流缺口、有界弱回波、悬垂回波等典型特征,水成物图上可见上冲云顶、云砧和后部云墙;单体内垂直环流由中部上升气流(UD)、前部下沉气流(FFD)和后部下沉气流(RFD)构成;TLV发生在低层UD和RFD之间,其生命史可分为初始期、发展期、成熟期和减弱期,成熟期TLV具有内部下沉、外部上升的结构;涡度方程的诊断分析表明,发展期扭转项对TLV的加强上传更为关键,成熟期拉伸项主导了TLV强度和形态的变化。

广东龙卷时空分布及其母体风暴雷达观测特征

基于《中国气象灾害大典》广东卷(1959—2000年)、广东省防灾减灾年鉴(2002—2022年)和近年来广东龙卷现场灾调记录等历史数据、常规观测、ERA5高分辨率再分析资料以及广东多普勒天气雷达(2006—2022年)等资料,分析1961—2022年广东龙卷的时空分布、天气背景和2006以来的龙卷对流风暴形态等气候统计特征。结果表明:近62年广东共有225个龙卷记录。其中,在多源观测资料较齐备的2006年以来,龙卷年均发生约6个,近50%发生在热带气旋影响天气背景下,40%为西风带系统龙卷,还有约10%为热带扰动龙卷,但龙卷数量逐年波动很大,最高达17个(2008年),部分年份仅1个或无记录。广东龙卷主要发生在4—9月,4—6月主要为西风带系统龙卷,7—9月主要为热带气旋和热带扰动龙卷;约85%的龙卷发生于06—20时,14—18时为最高发时段(占比近40%)。龙卷最频发于珠三角、雷州半岛和潮汕平原一带,北部山区极少。其中,佛山、湛江和广州是广东龙卷最高发的3个城市。广东产生龙卷的对流形态中,约54%带状对流系统,为热带气旋和热带扰动龙卷母体风暴,其风暴结构呈现出低质心的特点;约36%多单体风暴系统,多数为西风带龙卷母体风暴;与美国龙卷易产生于孤立单体和准线状对流系统不同,广东产生龙卷的孤立对流单体和准线性对流系统相对频率很低,均仅约为5%,主要为西风带龙卷母体风暴,其风暴结构往往呈现出高质心的特点。超过90%的龙卷中尺度母体风暴具有低层中气旋,但仅约47%伴随低层龙卷涡旋特征(TVS)。强龙卷通常伴随着旋转速度超过20 m·s^(-1)的低层中气旋、超过40 m·s^(-1)的TVS速度差。

热带气旋背景下广东龙卷气候特征和环境条件

为研究热带气旋(简称TC)背景下广东龙卷发生的特征,利用《中国气象灾害大典》广东卷(1959—2000年)、广东省防灾减灾年鉴(2002—2022年)和近年来龙卷现场灾调记录等广东历史龙卷灾情数据和欧洲中期天气预报中心第5代大气再分析资料(ERA5),统计1961—2022年广东TC龙卷的时空分布、天气形势和环境条件,并对比分析了不同TC在相似路径下有/无龙卷及强/弱龙卷的关键热动力环境参数差异。结果表明:广东TC龙卷主要发生在珠江三角洲、雷州半岛和潮汕平原。TC龙卷占广东总龙卷数量的约42%,龙卷个数与影响广东的TC数量呈显著正相关;8月为TC龙卷最高发月份,14—18和06—10时(北京时)为日内高发时段。这些龙卷主要发生在TC的东北象限(或其前进方向的右后侧或深层环境风切变上切变区域);TC登陆后的2—18 h是龙卷发生的高发时段,龙卷生成时对应的TC强度主要为热带风暴和热带低压。TC背景下广东龙卷发生天气形势可分为偏南急流型和偏北急流型,两类天气型龙卷的生成位置均与超级单体复合参数(SCP)大值区和强龙卷指数(STP)大值区呈现较好的空间匹配关系。对比TC背景下龙卷/非龙卷及强/弱龙卷的环境条件,发现在TC中心的东北象限广东龙卷环境比非龙卷具有明显更大的夹卷对流有效位能(E-CAPE)和0—1 km风暴相对螺旋度(SRH1)(差异均达95%置信度),E-CAPE和SRH1的组合能较好地指示TC引发龙卷的潜势;广东TC强龙卷的混合层对流有效位能(MLCAPE)和STP与美国TC强龙卷相当,但SRH1明显小于美国TC强龙卷,E-CAPE、0—6 km风垂直切变(SHR6)、0—3 km风暴相对螺旋度(SRH3)和STP能较好地区分广东TC强、弱龙卷环境。对比TC背景下广东龙卷与江苏龙卷及冷涡背景下辽宁龙卷发现,广东TC龙卷CAPE均值约为江苏TC龙卷和辽宁冷涡龙卷的1/2,但广东TC龙卷具有明显更强的动力环境条件,其SRH1均值是冷涡背景下辽宁龙卷的2倍以上。上述结果有利于更好地认识TC背景下广东龙卷发生的环境条件,为TC龙卷潜势预报的开展提供依据。

超强台风“桑美”(2006)近海急剧增强过程数值模拟试验

应用PSU/NCAR非静力平衡中尺度模式MM5(V3.5)设计试验方案,对超强台风"桑美"(2006)在我国近海的急剧增强和减弱过程进行数值模拟研究,模式较好地再现了台风的路径和强度变化;通过地形敏感性试验,着重研究了地形对近海台风强度变化的影响。结果表明:(1)"桑美"强度变化与南亚高压、副热带高压的强度变化呈反相变化关系,当南亚高压和副热带高压减弱时,台风急剧增强;台风中心附近对流层高层辐散的增强导致"桑美"急剧增强,对流层中低层辐散的增强以及中层辐合的增大与"桑美"的减弱密切相关;来自海洋的暖湿气流是"桑美"发展的关键条件;低层气旋性涡旋并入台风环流是"桑美"近海急剧增强的重要原因。(2)凝结加热过程对"桑美"的近海维持和发展增强非常重要,尤其是对流层中上层凝结潜热的突然增强有利于台风在近海的急剧增强。(3)小范围地形对"桑美"在近海的强度和路径有一定影响,但作用相对较小,而且主要表现在台风登陆前后;大范围地形导致水平风场的非对称分布和台风中心附近垂直运动的异常,最终影响到台风的强度变化。

华南前汛期旱涝影响因子和预报方法

利用二维风场差异的显著性检验和蒙特卡洛模拟检验等方法,研究华南前汛期旱涝年同期及前期风场差异特征。结果表明西太平洋副热带高压及850 hPa贝加尔湖东北部和南印度洋中部的风场异常是影响华南前汛期旱涝的重要因子；前期1月的印度北部和3月的西北太平洋风场异常可能是华南前汛期旱涝的强预测信号。分析还表明,3月份北太平洋地区的高度场与前汛期降水有密切关系。最后,建立了华南前汛期旱涝的预报工具。

近半个世纪佛山气温变化的研究

文章对比分析了广东省佛山市和沙堤(机场,市郊)多种气温变化指数的差异来探讨城市化对佛山气温的影响。结果表明:①两地气温均呈上升趋势,气候变率前者大于后者,秋冬尤甚。②长期趋势分析结果显示,两地气温近20多年来以快速上升为主要特征,佛山的趋势曲线强度大且曲线升过均值的时间早,而沙堤的则相对较小且较迟。③R/S分析结果定量地揭示了气温上升的特征,并反映出趋势性成分的强弱是由城市效应引起的。所有结果及突变检测都一致反映出自我国改革开放以来佛山城市化过程对气温有明显的影响。

应用非对称结构理论制作台风路径预报

阐述应用非对称结构理论作台风路径预报的技术原理。应用该理论较好地预报出 90 1 2号台风 ( Yancy)西行、941 4号台风 ( Doug)转向和 941 7号台风 ( Fred)

东亚冬季1000 hPa环流异常与我国气候的关系

将NCEP/NCAR 1951/1952～2003/2004年东亚冬季1 000 hPa风场进行向量EOF分解,研究其第一特征模态的时空变化及其与我国气候异常的关系。结果表明,EOF1时间系数能够很好地刻画东亚冬季风的强度变化。强(弱)EOF1时间系数时,冬季我国气候冷、干(暖、湿),次年春季东北及河套等地区的温度明显偏低(高);次年夏季长江中下游地区的降水明显偏少(多),华北和华南降水则偏多(少),长江流域和江南地区的温度偏高(低),华南及西南地区夏季则温度偏低(高)。

双台风相互作用的数值研究

无基本气流的情况下,应用无辐散正压模式对初始呈西北-东南等方位的双台风相互作用进行数值研究,探讨了非对称理论在双台风相互作用中的应用。试验结果表明:双台风的运动特征能够运用非对称理论进行解释;非对称流函数场中,通风气流分别控制着双台风的移动,同时双台风的移动对其对应的非对称结构具有反作用。试验还表明,台风非对称结构内小尺度涡旋的强度及其绕台风中心逆时针旋转的快慢与台风路径的摆动关系密切;模式可以模拟出台风逆时针打转、“蛇形”摆动等异常移动路径。

近58年西北太平洋热带气旋频数的气候变化特征

基于中国气象局整编的1949-2006年共58年的《台风年鉴》和《热带气旋年鉴》资料,分析了西北太平洋各种强度类型TC频数的气候变化和TC达到最强时的频数空间分布特征。结果表明：（1）近58a TC频数减少的趋势非常显著,频数上存在多种时间尺度的变化特征。（2）长周期振荡特征看,目前低频数的阶段即将结束,未来10年TC个数很可能是增加的趋势。（3）不同类别的TC分析表明,TD频数是明显减少的,而TS频数则是明显增加的;STS频数的减少并不显著,TY频数的减少则较为显著。（4）长周期振荡分析表明,短时间内仍处于TD频数较少时段,而TS频数则是处于增多的阶段;STS和TY频数未来若干年很可能转增多的趋势。（5）热带气旋在生命史中强度达到最强时的位置有向北漂移的趋势,这在频数空间分布的年代际变化上表现明显。

华南7月异常温度气候变化研究

采用中国气象局整编的月平均气温资料、NCEP/NCAR再分析资料等,分析了华南7月极端气温的气候变化,并据此探讨了2003年7月华南高温的成因。研究表明:华南7月高、低温年500hPa欧亚环流差异显著;高(低)温年东亚热带夏季风偏弱(强)。华南7月气温异常与我国南海、东海和赤道中东太平洋前冬和夏季的SST及同期南海和西北太平洋的台风活动关系密切。

广东高温影响因子和预报方法

采用二维风场差异的显著性检验方法等，研究广东盛夏7—8月高温的同期及前期风场差异特征，探讨广东盛夏高温的风场影响因子和前期的强预测信号。结果表明：南海中北部风场的异常是影响广东盛夏高温日数的重要因子；前期冬季200hPa我国东北到印度北部、华南到江南、赤道低纬度80—120°E地区，以及上年12月500hPa孟加拉湾到南海中北部、我国中部偏西地区的风场异常可能是广东盛夏高温的强预测信号。分析还表明，前期1月和3月的亚洲500hPa高度场及前期1月的太阳黑子也与盛夏高温日数关系密切。最后，建立了广东盛夏高温的预报工具。

佛山2008年初罕见低温阴雨过程与气候特征对比

基于佛山市1959～2008年气温和日照等资料,分析佛山2008年初罕见低温阴雨的成因及低温阴雨的气候特征,结果表明:2008年低温阴雨属于异常天气气候事件。佛山的重低温阴雨年集中在1960年代后期～1980年代中期,之后以轻年为主;重(轻)年景时,前期赤道中东太平洋SST持续为负(正)距平的可能性较大,2008年低温阴雨前期为典型La Nina事件。低温阴雨重、轻年的高度场差异显著:重年500 hPa西北欧到南亚呈"-+-"的环流分布型,轻年反之;2008年初环流与重年合成场基本一致,但也存在异常特征。850 hPa风场还表明佛山低温阴雨可能与全球大尺度环流异常有联系。

佛山暴雨预报的物理量指标法及集成预报分析

利用佛山1990-2004年3个测站降水量和华南逐日物理量等资料,建立佛山汛期暴雨与各种指标量的关系;结合其它几种暴雨预报产品,通过引入可信度概念,建立佛山暴雨的可信度集成预报方法,2005年汛期的试报效果较好。该方法的优点在于可处理缺乏历史样本资料的情况并可增加或减少集成预报的因子,综合集成能力强,简便易用;特点在于能区别对待报对和报错两种不同情况;缺陷在于当多数预报工具暴雨预报失败时,此集成方法是无效的。

2015年10月4日佛山龙卷过程的观测分析

受1522号台风彩虹外围螺旋云带影响,2015年10月4日15时28分—16时(北京时)广东佛山出现了EF3级强龙卷并造成严重灾害。为了综合分析龙卷发生的多尺度环境背景场和龙卷的结构及强度变化等特点,进行了灾情调研,航拍龙卷灾情路径,走访龙卷目击者,确认龙卷路径及灾情级别,再结合多渠道获取的龙卷视频照片等资料以及观测资料进行分析研究,结果表明:(1)产生此次龙卷的超级单体存在于台风彩虹外围螺旋云带内;龙卷向西北偏北方向移动,触地时长为32 min,受灾路径长度为31.7 km,最大受灾直径为577 m,平均速度约为60 km/h,具有"移动速度快,影响范围广,破坏力强"的特点,其移动速度快慢似与超级单体强度和地面的粗糙度有关。(2)佛山地区中高层受偏南气流控制,水汽充足,地面有弱冷空气;珠三角喇叭口地形有利于气流的辐合与局地涡旋的产生;抬升凝结高度低,风垂直切变大,有利于龙卷的生成。(3)地面自动气象站气象要素表现出受龙卷环流影响的特征。3 s极大风速的大值带和3 s最低气压的低值带以及1 h累计降水大值中心呈现出与龙卷走向一致的东南—西北向带状分布;龙卷到来时其周围自动气象站气温和气压明显降低,风速明显增大,风向明显改变;降水在龙卷靠近前5—10分钟就开始明显增大,其大值中心位于龙卷路径的西侧。龙卷离开后气压比龙卷来临前有所升高,但气温较前降低。(4)龙卷出现在钩状回波前进方向的右后侧;降水大值区与雷达组合反射率大值区基本一致。地面风场的辐合中心与龙卷触地的位置基本一致,并且钩状回波的入流区与地面偏东风区相对应。龙卷风暴单体发展高度在4 km左右,具有低重心对流的特点。其前部存在回波悬垂,一条很窄的向西北倾斜的回波大值带可能与龙卷漏斗云墙有关。对应径向速度剖面图上为一条向西北倾斜的正、负速度交界区,构成一个逆时针旋转的涡旋带,切向剖面图上存在较强的辐合。(5)龙卷发展过程中伴随着龙卷风暴顶和风暴底的逐渐下降以及单体质心的下降,中气旋与龙卷涡旋特征的顶和底也随之逐渐下降。龙卷风涡旋特征的顶高和底高都略低于中气旋,并在龙卷触地时降至最低。龙卷涡旋的切变值远大于中气旋的切变值,且在龙卷强度最强时最大。

广东佛山EF3级龙卷超级单体风暴高分辨率数值模拟

本文对2015年10月4日发生于广东佛山地区台风“彩虹”登陆后螺旋云带中的一次强龙卷风过程进行高分辨率(148m,48m)数值模拟,结果产生了类龙卷涡旋(Tornado-LikeVortex,TLV),最接近观测到的龙卷风,并对龙卷超级单体及产生龙卷的TLV系统的三维动热力精细化结构进行诊断分析.结果表明,此次龙卷产生于超级单体右侧边缘,钩状回波显著,伴有明显的中气旋活动.模拟的龙卷超级单体与之前观测研究和理想化建模的龙卷超级单体结构相类似,超级单体后部云墙之下低层水成物呈现狭窄的触地漏斗状结构,对应低层的TLV系统;TLV具有中心气流下沉和周围气流上升的动力结构,对应上宽下窄的强烈涡管.与之前的研究相比,本次台风螺旋云带中的超级单体中后部入流较弱,出流较强,其前部气流上升存在水合物聚集.相对螺旋度(StormRelativeHelicity,SRH)的分析表明,超级单体的发展伴随正负SRH的增大,龙卷发生在SRH正负高值区的交界处.

珠江三角洲台风龙卷的活动特征及环境条件分析

利用常规观测、自动气象站、多普勒雷达等资料分析珠江三角洲台风龙卷的活动特征及其产生的环境条件。结果表明:台风龙卷发生在6-10月,时间多为10-20时,出现在台风登陆后1.3~21.3 h的时段内;多数龙卷位于台风中心的东北象限,台风中心在广东湛江一广西东南部或北部湾附近时是珠江三角洲龙卷发生的高风险期。高层辐散、低层辐合及中低空强东南急流在珠江口附近叠加是龙卷产生的有利环流背景。强或弱龙卷环境条件的共同特征为低抬升凝结高度、强深层和低层垂直风切变及较大风暴相对螺旋度(SRH),主要差异是强龙卷的深层和低层垂直风切变与SRH更大;相似台风路径下,有/无龙卷环境条件的明显差异在于0~1 km低层垂直风切变和SRH,两值越大出现超级单体或中气旋的可能性越大,龙卷发生概率也就越高。台风龙卷风暴母体属于低质心的微型超级单体风暴;低层有强或中等强度中气旋,有时强中气旋中心伴有龙卷涡旋特征(TVS);龙卷出现在钩状回波顶端或TVS附近。与西风带超级单体龙卷相比,台风龙卷中气旋的尺度更小、垂直伸展高度更低。

广东两次台风龙卷的环境背景和雷达回波对比

利用常规气象观测、广州多普勒天气雷达及NCEP/NCAR再分析等资料对比广东省佛山市2015年10月4日EF3级和2006年8月4日EF2级台风外围强龙卷过程。结果表明:两次强龙卷都发生在登陆台风的东北象限,低层辐合、高层辐散及中低空强劲东南急流在珠江三角洲叠加是其产生的相似环境背景。环境参数均表现为较小的对流有效位能、低的对流抑制与抬升凝结高度、强的垂直风切变和大的风暴相对螺旋度。两个龙卷母体均为微型超级单体,前者雷达回波强度更强,钩状回波特征更明显;都存在强中气旋和龙卷涡旋特征(TVS),中气旋都在中低层形成后,向更低层发展最终导致龙卷。TVS比龙卷触地提前1个体扫出现,或与龙卷触地同时发生,中气旋和TVS的底高和顶高均很低。但两次龙卷触地前后,前者中气旋和TVS的底高和顶高出现突降现象,而后者中气旋和TVS的底高和顶高一直维持较低高度。龙卷触地前后,两者风暴单体的最强切变均出现剧增现象,但前者TVS的最强切变更强,比后者大1倍以上。