坎坷追风路——佛山市龙卷风研究中心李兆明博士谈龙卷灾情调查

2019年7月辽宁铁岭市开原遭受龙卷风袭击,灾后及时的灾情调查对于此次龙卷的定级起到了非常重要的作用。本刊针对我国龙卷灾情调查、灾调对于灾情预警的意义、观测手段的进步等问题采访了佛山市龙卷风研究中心李兆明博士。

佛山市龙卷风活动的特征及环流背景分析

利用常规气象观测资料和NCEP再分析资料,分析了多年来佛山龙卷风的活动特点及其产生的环流背景和环境条件。结果表明:佛山龙卷风集中出现在4—8月;发生时间主要集中在08:00—14:00;发生地域以南海区最多,其次是三水区;16次龙卷风过程可归纳为4种诱生形势:台风外围型、锋面暖区型、地面辐合线型和热带扰动型。分析还发现:佛山龙卷风发生于偏南暖湿气流中,中低层通常有西南或偏南急流叠加配置,并存在强的垂直风切变和中干冷、下暖湿的强不稳定层结及较低的抬升凝结高度。另外,佛山龙卷风的发生还与地形因素关系密切。

利用卷积神经网络开展偏振雷达定量降水估测研究

利用偏振升级改造后的广州新一代天气雷达(CINRAD/SAD)水平反射率ZH、差分传播相移率KDP、差分反射率因子ZDR和广东佛山219个地面气象自动站雨量数据,形成不同偏振量组合的8个数据集。基于卷积神经网络(CNN),建立雷达定量降水估测网络架构QPEnet,并将该架构用于雷达定量降水估测(QPE),评估结果表明:数据集通道数N的增加可降低QPEnet的定量降雨估测的均方根误差(RMSE),并提高相关系数(CORR);对于由ZH形成的数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min,随着通道数N的增加,数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min的性能逐步得到提高,数据集Z_1~3 km和Z_6 min的均方根误差(RMSE)分别是4.71和3.78,比数值集Z分别降低了1.3%和18.7%;数据集Z_1~3 km和Z_6 min的CORR分别是0.82和0.88,比数据集Z分别提高了2.5%和10.0%;对于ZH、KDP和ZDR偏振量组成的数据集里面,数据集Z_ZDR_KDP的拟合性能最好,RMSE为3.97,比数据集Z的RMSE降低了14.6%,CORR是0.86,比数据集Z提高了7.5%;分别对0.6~5 mm、5~10 mm、10~20 mm、20~30 mm、30~40 mm、40~50 mm和50 mm以上的7个降水量级的均方根误差(RMSE)、平均偏差比(MBR)、平均误差(AE)和相对误差(RE)等的统计结果表明,数据集Z_6 min降雨精度最高。

2015年10月4日佛山强龙卷风灾害过程浅析

受1522号台风"彩虹"外围螺旋云带影响,2015年10月4日15:28—16:00佛山市出现了强龙卷风并对多个镇街造成严重灾害。通过灾害现场调查、多普勒雷达观测、群众走访、视频影像等资料,综合比对分析龙卷风的特征,结果表明:该次龙卷风过程发生在台风"彩虹"外围螺旋云带中,发生时的台风中心距离佛山350 km;龙卷风影响时间约为32 min,路径长度为31.7 km,平均时速约为60 km/h,强度达F2级,属于强龙卷,具有"移动速度快、影响范围广、风力破坏强"的特点。

2014年6月3日佛山龙卷风过程分析

利用广州多普勒天气雷达、常规气象观测和NCEP再分析等资料，分别从环流背景、物理量特征、中尺度特征等方面，对2014年6月3日广东佛山的龙卷风天气过程进行了分析。结果表明：中低层的辐合切变及高层的辐散“抽吸”作用为该次强对流风暴的发生发展提供了有利的大尺度环流背景条件；上干下湿的位势不稳定层结，低层高湿、增温为强对流天气提供了有利的环境条件；冷空气南压和地面中小尺度辐合系统提供了触发机制；K、SI、SWEAT、TT等物理量指数清晰地反映出大气的极端不稳定，中等以上强度的对流有效位能（CAPE）、较低的抬升凝结高度以及较强的0—1km低层垂直风切变为龙卷产生提供了可能性；龙卷等强对流风暴的发展加强与地面中小尺度辐合系统加强有密切关系，珠江三角洲的喇叭口地形以及佛山东南低西北高的独特地理地形条件有利于地面中小尺度辐合系统的形成和加强。多普勒雷达径向速度捕捉到该次龙卷过程的中气旋特征，涡旋持续了6个体扫，垂直伸展局限于3km的低层大气，强度达到了中等到强中等气旋，反射率因子图上最强回波达到60dBz。

2022年6月19日广东佛山龙卷的双极化相控阵雷达特征

利用X波段双极化相控阵雷达等多源观测资料,分析了2022年6月19日早晨广东佛山超级单体龙卷的环境条件和对流风暴的结构及演变特征。龙卷母体风暴是在强西南季风天气背景下的一条东北-西南向飑线南端发展起来的。环境条件具备较大对流有效位能、低抬升凝结高度和强垂直风切变等有利于超级单体龙卷发生发展的热力和动力条件;低空风暴相对螺旋度、超级单体复合指数和强龙卷指数的显著增强对超级单体龙卷的发生有较好指示意义。具有高时空分辨率的佛山南海X波段双极化相控阵雷达探测到了龙卷母体微型超级单体的发展过程和龙卷涡旋的演变特征:对流单体在前侧低层入流的加强下逐渐形成钩状回波和反射率弱回波空洞;中气旋首先在2.5 km附近高度形成后向低层伸展,随着后侧下沉气流的加强,低层涡旋旋转增强,当低层中气旋旋转速度超过22 m·s^(-1)(强中气旋)且直径紧缩至1.5 km以内时,龙卷即将触地,龙卷涡旋特征(TVS)和龙卷碎片特征(TDS)出现是龙卷触地的主要特征,龙卷发生在反射率弱回波空洞、TVS和TDS附近。

佛山市X波段双偏振雷达地形遮挡与覆盖面积分析

利用SRTM3高分辨率的数字高程模型(DEM)对佛山市已建成的4部X波段双偏振雷达进行地形遮挡分析。结果表明:南海、三水、顺德雷达在0.5°低仰角遮挡严重,而高明雷达在0.5°低仰角基本没有遮挡。在1.5°仰角除三水还有少量遮挡外,其他雷达基本没有遮挡。另外,南海、三水雷达仰角1.8°、2.8°,顺德雷达仰角1.5°、2.5°,高明雷达仰角0.5°、1.5°低层2层仰角组网的扫描数据比较可靠。X波段双偏振雷达总的覆盖面积约为30005km^2,2部雷达共同观测面积为22569km^2,占总覆盖面积的75%,3部雷达共同观测面积为12503km^2,占总覆盖面积的42%,4部雷达共同观测面积为5608km^2,占总覆盖面积的19%。佛山市X波段雷达整体的遮挡率比较低、覆盖面积大、布网情况好。

佛山市气象条件对空气质量的影响分析

文章利用2014年5月至2015年6月佛山市8个环境空气质量国控站点AQI、PM2.5、O3浓度数据、佛山市自动气象站、国家气象观测气象资料以及华南地区地面和高空天气图资料等,分析气象条件对佛山市空气质量,特别是重污染天气的影响规律,发现影响城市空气质量的主要原因是城市各类污染源污染物的过量排放,而气象条件是影响城市环境空气质量的重要原因。

佛山短时强降水时空特征及主要影响系统

利用佛山市152个自动气象观测站2012—2020年降水资料,根据强降水范围和性质,研究佛山市短时强降水的时空分布特征,并分析主要影响系统。结果表明:(1)短时强降水发生频次整体呈上升趋势,不同范围、不同性质的短时强降水时空差异性较大。局地性、区域性、突发型短时强降水主要发生在4—9月,全市性、增长型短时强降水主要发生在3—10月,持续型短时强降水5—6月发生频次最高。(2)从日变化来看,局地性、区域性呈单峰特征,全市性呈多峰特征,突发型、增长型呈双峰特征,持续型较平稳,06—09时略高,局地性、全市性和增长型短时强降水中分位值日变化较小,区域性、增长型和持续型短时强降水中分位值的日变化较大。(3)极大值出现的时间段也不相同,最大值的短时强降水是一次增长型的区域性过程。(4)空间分布上,局地性短时强降水在佛山西南部和北部发生的频次较高,全市性短时强降水发生频次的分布与之相反,而区域性短时强降水在西南部发生频次较低,增长型短时强降水发生频次高于突发型短时强降水,持续型短时强降水发生频次最低。(5)影响系统占比最大的分别是局地性、突发型短时强降水为副热带高压边缘,区域性、持续型、增长型短时强降水为热带系统,全市性短时强降水为西风槽,而西南低涡在各类中占比均最小。

线状对流中EF3级强龙卷的多尺度机理研究

利用NCEP再分析资料、地面观测资料、多普勒雷达资料、风廓线雷达资料、FY-4A卫星资料、雷达变分同化分析系统输出的高分辨率分析场资料对2018年8月13日17:30发生在天津静海地区的EF3级强龙卷过程进行分析,结果表明:此次过程为发生在线状对流中的强龙卷,且引发龙卷的对流风暴不具备超级单体风暴典型特征,龙卷形成后,在涡旋不断加强的基础上,旋转中心不断下降,且TVS的伸展厚度不断增大。两个线状对流之间新单体的形成发展促使了线状对流的合并,新生对流单体强回波接地时间与龙卷的发生时间有较好的对应关系。在龙卷发生前20 min,分别位于两条边界层辐合线北侧和西侧的偏北风和前方入流的偏东风构成了中低压的辐合旋转流场,当雷暴出流与龙卷发生地的局地风垂直切变中心(在180 m高度可达90×10-3 s^-1)相遇,辐合线上水平分布极不均匀的上升运动迫使水平涡管倾斜,加强了垂直涡度,涡管在垂直方向上被拉伸,根据角动量守恒,旋转加强形成龙卷母体涡旋,因此,发生在线状对流中的强龙卷虽然在对流模态上与超级单体龙卷不同,但龙卷母体涡旋形成的物理机理是一致的。

2023年中国龙卷活动及灾情特征

通过风灾调查和网络信息研判,分析了2023年中国龙卷时空分布特征。2023年中国共出现56个陆龙卷及20个水龙卷,可确认灾情强度等级的龙卷有28个,其中EF2级及以上强龙卷有8个。陆龙卷多发于东北地区、江淮平原及华北平原,发生时段为3—9月,主要影响系统是东北冷涡、江淮气旋和热带气旋。江苏省龙卷发生频次最多,共遭受12个龙卷袭击,其中EF2级及以上强龙卷6个,造成14人死亡。水龙卷多发于沿海地区,发生时段为3—10月。2023年,台风龙卷数量相对较少,但受东北冷涡及江淮气旋影响,多次发生龙卷群发事件。

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。

关注龙卷将我国激烈天气研究引向深入——记2020年全国龙卷学术交流会

2020年11月17—18日,2020年全国龙卷学术交流会在美丽的佛山市南海区召开,来自全国12个省(区、市)的气象业务部门以及北京大学、中山大学、成都信息工程大学等高校近140位学者就龙卷研究、灾调、模拟等多个主题,以大会报告和分会场报告(线上和线下)方式,开展了较为深入的交流。会议还增加了龙卷灾调培训讲座,深受到会青年学者的欢迎。

佛山相控阵阵列雷达探测2020年9月4日短时强降水天气过程的分析

为了研究高时空分辨率的相控阵阵列雷达可否精细探测强降水的演变,利用质量控制后的佛山X波段相控阵阵列天气雷达资料,分析了2020年9月4日广州省佛山市南海区发生的一次局地短时强降水天气过程。分析了16:00—17:30南海区出现的多单体风暴的强度场和三维风场结构,并探究强度场、三维风场与降水量之间的关系。结果表明:阵列天气雷达能够对强对流天气过程进行更精细的探测。合并阶段,观测到小尺度、短时间内多个对流单体的初生、分裂和合并过程。成熟阶段,分析γ中尺度气旋的形成过程以及气旋式辐合维持时强度场、三维风场、散度场和涡度场的结构。消亡阶段,分析γ中尺度反气旋的形成与增强过程。气旋与反气旋消失后,单体迅速消亡。基于高时空分辨率的强度场和三维风场获得的各统计量,发现在自动气象站降水出现前10~15 min以及最大5分钟降水出现前5~10 min,反射率因子与水平风速有明显变化。本研究结果对监测预警短时强降水有预示作用,为高时空分辨率的相控阵阵列雷达精细探测强降水的演变提供了参考依据。

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。

中国与欧美龙卷统计特征比较分析及研究进展

介绍欧洲、美国和中国的龙卷研究进展及其龙卷的时空分布特征,包括对年变化、月变化及日变化等统计特征进行了回顾和比较分析,并肯定了中国对龙卷的关注度及龙卷研究水平的逐步提升以及对未来龙卷的发展前景的展望。

“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。

佛山致灾雷暴大风环境背景和雷达回波特征分析

利用常规观测、区域自动站、多普勒雷达等资料,统计佛山近10年来雷暴大风灾害并对其发生的环境背景及雷达回波特征进行分析。结果表明:致灾雷暴大风多发在前汛期,占总数的70%;以5月最多,10月到次年2月没有雷暴大风灾害。致灾雷暴大风环流背景主要有锋面低槽型和暖区对流型。大风灾害对应温湿探空曲线"上干下湿",湿层较薄,中层存在明显干层,垂直风切变较大;雷击灾害对应对流不稳定能量更大,垂直风切变较小。飑线、弓形回波、带状回波、孤立单体等对流风暴是致灾雷暴大风的主要回波形态,速度图上表现为速度大值区、中气旋(中涡旋)、低层强烈辐散等特征。

1822号台风外围佛山龙卷特征与预警发布

针对2018年9月17日09:37—10:00出现在佛山的龙卷风进行分析,通过现场灾情调查、报料视频、目击者描述及雷达监测等确定龙卷路径长度约18 km,行进方向为东南向西北偏北,影响时间为23 min,强度达EF2级,属于强龙卷。龙卷发生在台风中心偏东方约460 km处。广州S波段和佛山X波段雷达均探测到产生龙卷的微型超级单体风暴,在龙卷发生前55 min广州雷达能识别出中气旋和TVS。佛山市气象局于9月17日09:00提前37 min发布了三水区龙卷警报,警报内容精细到镇街,并得到佛山各大媒体和公众的大量转发,取得比较好的效果,没有造成人员伤亡。

强台风“纳沙”外围环流引发佛山强雨带的成因分析

采用Micaps观测资料、广东省中尺度自动站及广州多普勒雷达资料,分析2011年登陆强台风"纳沙"外围环流引发的佛山市强降雨带成因。结果表明:副热带高压和冷空气共同作用使得"纳沙"稳定西北西行;在其外围环流影响下,佛山具备低层辐合、中高层辐散的有利动力抬升条件,同时南海到珠江口的水汽输送强烈并在珠江口西侧到粤西存在水汽通量辐合,而东路冷空气的入侵为强降水发生提供了触发机制。中尺度观测表明,对于浅薄的冷空气入侵,河谷地形作为气流通道的作用是明显的。该次过程就是在有利的环流背景下,冷空气经北江、东江河谷入侵,与珠江口北上的强盛东南暖湿气流交绥,形成地面中尺度辐合线,触发了强降水过程。