台风龙卷的环境背景和雷达回波结构分析

利用NCEP再分析资料、常规观测和地面加密观测资料及多普勒雷达资料,对10次台风龙卷过程的环境背景和其中F2~F3级以上龙卷过程的回波结构演变特征进行了详细分析,主要结果如下:(1)台风龙卷所处环境基本为弱对流有效位能(200~1000 J·kg^(-1))和风随高度强烈顺转的强低空风的垂直切变环境,0~1 km风的垂直切变超过10^(-2)s^(-1),风暴的相对螺旋度很大,台前龙卷环境的粗理查孙数很小,平均在40以下。台风龙卷大多数出现在台风前进方向的东北侧,位于0~1km风切变和相对风暴螺旋度大值区。龙卷主要产生于台风外围螺旋雨带上,台前龙卷往往产生前地面已存在风向切变和风速的辐合,但温度梯度不大。(2)在台风影响环境下导致龙卷的风暴属于微超级单体风暴,有水平尺度2~4 km的中气旋;垂直涡度限制在4 km以下;风暴单体的质心在2 km左右,风暴伸展高度在5~7 km。

江苏台风龙卷环境条件与雷达关键特征分析

利用常规观测、自动站、多普勒天气雷达以及美国环境预报中心的全球再分析资料,分析江苏2007—2018年间的台风龙卷活动时空分布特征、龙卷产生的环境条件及多普勒雷达关键特征,并与广东台风龙卷相应特征进行对比。结果表明:江苏台风龙卷与过去相比发生频次有所增加,主要集中在7—8月,且主要发生于午后的16—20时;比起广东台风龙卷多发生于台风登陆后的24 h以内,江苏台风龙卷多发生于登陆24 h之后,位于台风中心的东北象限,多集中于江淮中部以及西北部地区;低空急流输送充足的水汽和不稳定能量,为龙卷的发生提供了有利的环境条件,地面辐合线是龙卷发生发展的重要系统;江苏和广东龙卷均发生在对流不稳定能量不大、抬升凝结高度较低、深层(0~6 km)和低层(0~1 km)垂直风切变较大以及风暴相对螺旋度较大的环境下,但从均值来看,广东龙卷的对流有效位能和对流抑制能更小,抬升凝结高度更低,具有更大的深层(0~6 km)和低层(0~1 km)垂直风切变,且风暴相对螺旋度较小;江苏台风龙卷单体约有2/3伴随龙卷涡旋特征(TVS),产生强龙卷的雷暴单体生命期同时伴随有中气旋和TVS特征。当TVS的最低仰角速度差超过23 m·s^(-1)时,更易产生强龙卷。与广东台风龙卷TVS关键特征量对比显示,江苏地区产生龙卷的TVS最低仰角速度差和最大切变值均偏小(最大切变值为广东的1/3)。

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。

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。

珠江三角洲台风龙卷预警技术与2018年两次龙卷预警试验

利用常规观测、自动气象站、多普勒天气雷达等资料,分析珠江三角洲台风龙卷活动特征、龙卷产生的环境场特征等,给出了珠江三角洲台风龙卷的天气概念模型和预报预警指标,建立了珠江三角洲台风龙卷预报预警方法与流程,并应用于2018年两次台风龙卷预警试验。结果表明,依托该方法分别提前58min、37min成功预警了6月8日佛山市南海区的"艾云尼"台风龙卷、9月17日佛山市三水区的"山竹"台风龙卷,证实该方法流程是可行的。

1822号“山竹”台风龙卷过程观测与预警分析

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18km,持续时间23min,平均时速47km/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37min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0~1km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,5min降压/升压幅度达-2.5hPa/+2.1hPa;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1km以下,可以考虑发布龙卷预警。

1415号“海鸥”台风龙卷天气过程分析

2014年9月16日夜间,第15号台风"海鸥"外围螺旋雨带中产生龙卷,袭击了广东省佛山市三水区白坭镇。通过现场灾情勘察、群众走访、新一代雷达观测等资料的综合分析,确定这次龙卷强度为EF1级。分析其发生发展的环境背景、雷达回波特征,并与相似台风路径下无龙卷产生的1409号超强台风"威马逊"环境条件对比,结果表明:龙卷发生在登陆台风"海鸥"移动方向的右后侧,对应上空200 h Pa为辐散区,500 h Pa为副热带高压和"海鸥"之间的强东南气流汇合处,从925 h Pa到500 h Pa强东南急流轴走向一致、上下叠加在珠江口附近,地面存在触发对流的东路弱冷空气和中尺度辐合线。环境条件呈弱的条件不稳定,对流有效位能(CAPE)小、抬升凝结高度(LCL)低、垂直风切变和风暴相对螺旋度(SRH)大;产生龙卷的对流风暴属于低质心的微型超级单体风暴,速度图上低层存在强中气旋,中气旋中心伴有TVS,中气旋和TVS尺度比较小、垂直伸展高度比较低,强中气旋、TVS分别早于龙卷14 min、8 min出现。龙卷出现在微型超级单体风暴右后侧钩状回波顶端、TVS附近。分析还表明,相似台风路径下,台风"海鸥"(有龙卷出现)和超强台风"威马逊"(无龙卷出现)的环境条件明显差异主要体现在0~1 km的低层垂直风切变和SRH上,后者的0~1 km垂直风切变和SRH均明显偏小,不利于微型超级单体风暴的出现。

1522号“彩虹”台风龙卷现场调查与中尺度特征分析

2015年10月4日,当年第22号台风"彩虹"外围螺旋雨带中发生两次龙卷天气,分别袭击了广东省佛山市顺德区和广州市番禺区。通过现场灾情调查、互联网视频和照片、新一代天气雷达观测等资料的综合分析,确定这两次龙卷最大强度达到EF3级。分析了典型台风龙卷的发生发展过程及其致灾和中小尺度特征。主要结论如下:两次龙卷过程发生的环境条件是,龙卷位于"彩虹"台风右前象限,地面存在触发对流的中尺度辐合线,水汽充沛,抬升凝结高度低,0—1 km垂直风切变强;天气雷达资料分析表明,顺德龙卷出现在勾状回波顶端、中气旋持续时间约1 h,番禺龙卷出现在弓型回波断裂处,中气旋持续时间约40 min;两次龙卷过程在迅速发展阶段都表现出中气旋尺度缩小、高度下降、径向切变增强等特征。上述结论可作为我国台风龙卷业务监测和预警的参考依据。

“艾云尼”台风龙卷天气过程分析

利用常规观测、地面自动气象站、多普勒天气雷达、现场灾调及互联网视频等资料,对2018年6月8日发生在广东省佛山市南海区大沥镇的1804号“艾云尼”台风龙卷天气过程进行分析。结果表明:龙卷发生在台风“艾云尼”登陆后前进方向的右后侧,强度为EF1级。高层辐散抽吸、中低空强劲的东南风急流叠加和地面中尺度辐合线的抬升触发作用是其有利的环流背景。对流参数表现为弱的对流有效位能和对流抑制能量、强低层风垂直切变、低抬升凝结高度和大的风暴相对螺旋度。产生龙卷的风暴为低质心微超级单体风暴,龙卷出现在钩状回波的弱回波区内。速度图上中气旋提前龙卷约30 min,临近龙卷发生时中气旋旋转速度增至最强,尺度缩小,底高降至最低,对龙卷预警有一定指示作用。

瞬时扰动法在佛山一次台风龙卷的环境背景分析和模式预报中的应用

结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA5再分析数据与S2D模式输出产品,利用瞬时扰动法先提取了2018年9月17日台风“山竹”在佛山地区诱发的台前龙卷前期“扰动天气系统”,接着评估了业务模式对此过程前期扰动天气系统的预报能力。结果表明:龙卷易发生于负高度扰动轴线和冷暖气团对比零线的重合之处;龙卷是在台风登陆之后高空扰动暖气团和近地面负高度扰动明显减弱阶段发生的,此时近地面有扰动冷气团开始发展;佛山在龙卷发生前1 h转受近地面的较强的东南风和偏南风扰动辐合影响,而中高层大气受冷平流扰动影响,大气层结变得不稳定;负高度扰动和正湿涡度扰动有利于台风龙卷母体风暴发生发展,但会抑制下沉气流扰动的出现,而正湿散度扰动增大引起的下沉气流扰动增强;业务模式起报时间为最新时次的预报结果对全部扰动场的综合预报能力是最好的,预报提前量有12 h。

1710号台风“海棠”外围龙卷大气环境条件和雷达特征分析

2017年8月1日18:10—18:30受1710号台风"海棠"外围螺旋雨带影响,江苏省淮安市淮安区出现EF1级龙卷。利用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、多普勒雷达资料等,对龙卷过程进行分析。结果显示:龙卷发生在"海棠"残留低压和副高边缘间的东南暖湿急流中,其发生前1h地面出现小尺度涡旋并沿着地面辐合线移动。龙卷影响时,相邻地面自动站观测到气压上升、气温和露点下降、风力明显增大。逐渐增大的对流有效位能、小的对流抑制能量、较大的0~1km垂直风切变、1km以下的抬升凝结高度、干侵入等环境场特征均有利于本次龙卷风暴的生成。淮安多普勒雷达探测到入流缺口、TVS特征、气旋性风场结构。通过垂直螺旋度分析和双多普勒雷达风场反演等方法,发现在龙卷发生前低层环境垂直风切变有利于小尺度涡旋生成,中低层水平风场以辐合为主。当出现龙卷时,气旋式辐合中心下降有利于涡旋触地,龙卷发生地位于低层涡旋移动方向左前侧与1km高度切变线附近。

两次台风衍生龙卷的环境背景和雷达特征对比分析

利用ECMWF高分辨率再分析资料及广州多普勒天气雷达资料,对1522号台风"彩虹"外围衍生的广州番禺龙卷和1806号台风"艾云尼"外围衍生的广州南沙龙卷进行对比分析,同时还挑选了一个未发生龙卷的台风做外围环境参数对比。结果表明:两次强龙卷都发生在登陆台风的东北象限,中低空急流明显、低层辐合、高层辐散在珠江三角洲地区叠加是产生龙卷的有利天气背景。环境影响因子均表现为对流有效位能较大、低层风速较大、垂直风切变较强、抬升凝结高低较低、抬升指数较小、风暴相对螺旋度较大:相比之下,未发生龙卷的台风外围中低空急流依然明显,但其他环境影响因子大多数未达到发生龙卷的条件阈值。雷达反射率上均表现为一些超级单体特征,最强反射率均在59 dBZ以上,且低仰角都存在明显的速度对。由于"彩虹"龙卷过程的对流有效位能、中低层风速、低层风切变、抬升指数及中气旋强度等环境影响因子均明显强于"艾云尼"龙卷过程,导致其强度明显强于"艾云尼"龙卷。

1804号台风“艾云尼”龙卷分析

2018年6月8日,在1804号台风"艾云尼"螺旋雨带中发生了两次陆龙卷天气,分别袭击了广州市南沙区横沥镇和佛山市南海区大沥镇。利用广州CINRAD/SA多普勒天气雷达、佛山CINRAD/XD多普勒天气雷达、5 min间隔的地面自动气象站和MICAPS等资料,研究了两次陆龙卷的天气背景、环境参数和龙卷风暴中尺度结构特征。结果表明:广州南沙龙卷为台风环流外围龙卷,位于台风中心的东北象限,强度为EF3级;佛山南海龙卷为台风环流内部龙卷,位于台风中心的东侧,强度为EF1级。龙卷均发生在中低空强东南急流在珠江口附近上下叠加和高层辐散的有利大尺度环流背景下。环境条件表现为较强的低层风垂直切变和较大的风暴相对螺旋度(SRH)、较小的对流有效位能(CAPE)和对流抑制能量(CIN)、极低的抬升凝结高度(LCL);地面存在中尺度辐合线和小尺度涡旋。广州S波段雷达探测到两次龙卷母风暴的低层钩状回波和入流缺口回波特征及低层中等强度中气旋,龙卷出现在钩状回波顶端、中气旋中心附近。佛山X波段双偏振雷达清晰地探测到佛山南海区大沥龙卷的微型超级单体和龙卷碎片特征(TDS)。

台风“艾云尼”（2018）外围两次近距离龙卷的环境条件和雷达特征

2018年6月8日在距台风“艾云尼”中心80km、160km的广州市南沙区横沥镇、佛山市南海区大沥镇两地罕见地先后出现了龙卷天气。利用X波段双偏振雷达组网、广州S波段双偏振雷达、风廓线雷达和区域加密自动站等观测资料对两次近距离台风龙卷过程的环境条件和雷达特征进行了分析。环境条件分析表明,两次龙卷发生地位于低层西南急流和东南急流辐合区,所处环境为弱的对流有效位能(CAPE)、低的抬升凝结高度和强的低层垂直风切变环境中,0~1km垂直风切变值超过15×10-3s-1。中小尺度雷达特征分析表明:(1)两地龙卷由台风外围微型超级单体引起,超级单体在发展强盛阶段有钩状回波、入流缺口、中层回波悬垂等典型特征,最强反射率因子55~60dBz,强度≥50dBz强回波发展高度在4km以下,微型超级单体有水平尺度2~3km的中气旋,由于速度模糊影响,仅在南海龙卷发生前9min广州S波段雷达能自动识别中气旋。(2)与南沙龙卷相联系的中气旋核心高度低,强度进一步加强紧缩导致龙卷发生;而与南海龙卷相联系的中气旋从中层发展,中气旋加强紧缩下降到更低导致龙卷发生。(3)两地弱龙卷发生时广州和南海双偏振雷达没能捕捉到龙卷碎片(TDS)特征,南海X波段雷达能提前30min监测到入流急流,提前27min探测出钩状回波等特征,并通过分析ZDR弧和KDP弧可判断低层强盛的上升气流和强的垂直风切变利于风暴的发展。(4)佛山四部X波段组网雷达反演的1km水平风场可分析出小尺度涡旋结构,对应钩状回波尾端有强的风向切变,这对龙卷发生地点的判断和风暴的流场结构有较好指示意义。

1814号台风“摩羯”引发鲁北平原一次罕见龙卷特征

利用常规观测、探空、区域气象观测站、ERA5、多普勒雷达等资料对2018年8月14日台风“摩羯”在鲁北平原引发的1个EF2级龙卷的环境背景和雷达回波进行分析。结果表明:(1)龙卷发生时台风“摩羯”已减弱为温带气旋并停止编号。(2)低层辐合、高层辐散,上下重叠度较好的急流轴,低空强的垂直风切变和风暴相对螺旋度等,构成龙卷风暴发生的有利环境条件。(3)龙卷母风暴属于小型超级单体风暴,低层反射率因子具有钩状回波形态;在速度剖面上具有龙卷涡旋轴线和小尺度风场辐合特征,对应谱宽剖面上有谱宽大值区。(4)降低雷达系统中气旋探测算法和龙卷涡旋探测算法部分适配参数阈值后,系统提前60 min给出中气旋特征,提前7 min给出龙卷涡旋特征(tornado vortex signature,TVS);中气旋顶高、最大切变高度快速上升和下降的过程对应小尺度涡旋的增强和触地,最大切变值骤降对应龙卷快速释放能量。

“山竹”(1822)台风外围佛山强龙卷天气过程观测分析

利用地面气象观测、多普勒天气雷达、风廓线雷达及现场灾调等资料,对2018年9月17日上午发生在佛山的“山竹”台风(1822)外围强龙卷天气过程进行分析。结果表明:龙卷发生在台风登陆后前进方向右前侧的东北象限,强度为EF2级。低层急流汇合与高层辐散相互配合提供了有利的环流背景,环境场表现为中等偏弱的对流有效位能、弱的对流抑制能量、低的抬升凝结高度、大的风暴相对螺旋度和0—1 km强垂直风切变等特征。地面气象要素受龙卷影响表现出明显的信号,龙卷过境前后单站气压降低/升高明显,风向出现明显气旋式旋转。产生龙卷的风暴为低质心微超级单体,龙卷出现在雷达钩状回波的弱回波区附近,雷达低仰角速度图上出现强中气旋和龙卷涡旋特征,中气旋尺度小、伸展高度低,且在龙卷发生前其最强切变突然增强。当环境条件有利时,在台风龙卷的高发区,当雷达低仰角速度图上出现中等强度以上中气旋,且底高在1 km以下时,可以考虑发布龙卷预警。

雷州半岛一次台风外围龙卷天气过程分析

2013年11月11日早晨,距离第30号台风海燕中心约350 km的湛江市徐闻县出现了龙卷,强度为EF1级。利用现场灾情调查、常规高空和地面观测、广东省地面自动站观测和湛江S波段多普勒天气雷达数据等,对此次龙卷天气过程进行分析。结果表明,龙卷发生在副热带高压和台风海燕之间的东南急流辐合的环流形势下,环境条件表现为中等强度对流有效位能、低的对流抑制能量和抬升凝结高度、强的0~6 km和0~1 km垂直风切变以及大的低层相对湿度;地面层的中尺度辐合线和小尺度涡旋提前于龙卷出现,龙卷发生在小尺度涡旋附近。龙卷风暴母体的下沉气流导致的地面冷池气温与周围环境的温差约为1~4℃,较小的温差有利于龙卷的形成。龙卷风暴母体为低质心的微超级单体,低层具有钩状回波和入流缺口特征,伴有中等到强中气旋和TVS特征,中气旋和TVS伸展高度在2 km以下;龙卷触地前,中气旋强度增大,直径缩小,底高降低,TVS特征较龙卷提前约24 min出现。

一次台风前部龙卷的多普勒天气雷达分析

通过分析2004年8月25日发生在浙江省宁波市的一次台风前部龙卷发生发展的环境特征,发现该龙卷发生在台风前部风切变区里,尽管当时涡度、散度等物理量对于深对流发展不是非常有利,但下湿中干、强的垂直风切变及地形条件等还是有利于局地弱龙卷的产生;在宁波新一代天气雷达产品上表现为强的钩状回波,速度场上有相邻的正负速度中心及强的组合切变值等。通过多个反射率产品、剖面产品等综合分析了该风暴的三维结构,初步了解此类弱龙卷的发生机理,为以后的预报提供一些经验。

1522号台风“彩虹”外围佛山强龙卷特征分析

2015年10月4日15：28-16：03（北京时间，下同），强龙卷自东南向西北方向影响了佛山市顺德、禅城和南海区的十多个村居，造成严重灾害。利用常规观测资料、自动气象站资料、广州多普勒雷达资料、风廓线资料等，对这次强龙卷过程进行分析。（1）强龙卷发生在1522号台风“彩虹”外围螺旋云带中，龙卷发生地位于台风中心的45°方向约340～360km处。（2）大尺度环境场利于龙卷的发生。低空急流、低空强的垂直风切变和低的抬升凝结高度均利于龙卷的发生，高层辐散、低层辐合，上干下湿的不稳定层结，弱冷空气的低层入侵等提供了很好的动力条件。（3）地面中尺度辐合线是强龙卷发生的抬升机制之一，珠l一角喇叭口地形以及佛山东南低、西北高的地形有利于低层辐合的加强。（4）在螺旋雨带中发展加强的超级单体风暴发展至强盛阶段，雷达上探测到典型的钩状回波、人流缺口等特征；中气旋由弱中气旋加强到强中气旋，由中层向低层发展且切变不断增强时，龙卷触地或继续加强。（5）此次强龙卷是发生在中气旋和TVS底高顶高下降，切变急剧增强期间，龙卷发生时强中气旋底高距离地面小于1km，TVS底高低于500m，龙卷发生前16rain出现弱中气旋，龙卷发生前4min出现强中气旋并伴有TVS特征；TVS的底高、顶高明显下降，最强切变剧增是龙卷迅速增强的指标。