热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (4): 481-488  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.005
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引用本文  

王炳赟, 魏鸣, 范广洲, 等. 1522强台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变与机理研究Ⅱ:回波结构和钩状回波形成机理[J]. 热带气象学报, 2018, 34(4): 481-488.DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.005.
王炳赟, 魏鸣, 范广洲, 等. The evolution and mechanism of the tornadic supercells in the outer rainbands of strong typhoon mujigae (1522). part ⅱ: evolution of structure and mechanism of hook echo[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(4): 481-488. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.005.

基金项目

国家自然科学基金项目(41675029、91644226、91537214、41405063、41705008);国家重点基础研究发展计划973项目(2013CB430102);国家重点研发计划“全球变化及应对”重点专项(2016YFA0602004);地理信息科学教育部重点实验室开放研究基金资助项目(KLGIS2015A01);中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室开放课题(2016LASW-B12);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(KYZZ-0246);重庆市气象局青年基金项目(QNJJ-201710)共同资助

通讯作者

魏鸣, 女,河北省人,教授,从事大气遥感与灾害性天气预报。E-mail:mingwei@nuist.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-07-21
修订日期:2018-02-18
1522强台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变与机理研究Ⅱ:回波结构和钩状回波形成机理
王炳赟 1,3, 魏鸣 1,2, 范广洲 1,3, 杜爱军 4     
1. 南京信息工程大学/气候与气象灾害协同创新中心,江苏 南京 210044;
2. 中国气象科学研究院/强天气国家重点实验室,北京 100081;
3. 成都信息工程大学大气科学学院/四川省高原大气与环境重点实验室,四川 成都 610225;
4. 重庆市巴南区气象局,重庆 401320
摘要:为深入研究超级单体的结构演变及其相关机理,对1522“彩虹”台风登陆前后外围雨带中衍生龙卷的超级单体进行了深入分析。研究结果表明,该台风雨带内衍生龙卷的超级单体持续约1.5 h左右,生命史较短。3个超级单体都在回波段的尾部发展,其中汕尾和佛山2个超级单体在发展过程中合并其后部相对较弱的单体。涡旋结构位于超级单体回波穹隆和悬挂回波附近,龙卷发生期间呈“涡管”状,向移动方向倾斜。由Bernoulli原理和空气动力学相关知识可知,超级单体某一高度上阻碍气旋(反气旋)向前运动的空气阻力f和周围压力差δF的共同作用合力F是钩状回波形成的原因。由此提出的钩状回波概念模型可合理解释北半球西风带和东风带内超级单体演变过程中钩状回波的形成结构及其机理,有助于进一步丰富超级单体结构及其理论内涵,加深对此类强天气致灾机理的理解。
关键词台风    超级单体    钩状回波    涡旋    Bernoulli    流体力学    
THE EVOLUTION AND MECHANISM OF THE TORNADIC SUPERCELLS IN THE OUTER RAINBANDS OF STRONG TYPHOON MUJIGAE (1522). PART Ⅱ: EVOLUTION OF STRUCTURE AND MECHANISM OF HOOK ECHO
WANG Bing-yun1,3, WEI Ming1,2, FAN Guang-zhou1,3, DU Ai-jun4     
1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
2. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China;
3. College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology/Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610225, China;
4. Meteorological Bureau of Ba'nan City, Chongqing 401320, China
Abstract: Based on conventional observation data of China, Doppler radar data and reanalysis data of ECWMF, the evolution and mechanism of supercells that induced tornadoes in the outer rainbands were analyzed during the landing of "Mujigae", and this is the second part about the evolution of reflectivity structure and mechanism of hook echo. The supercells generally sustained approximately 1.5 h in the rainbands of the typhoon, with a short lifetime. The duration of reflectivity above 50 dBz of a supercell in Shanwei matched a moderately-lived severe storm event that lasted approximately 2.5 hours, while two supercells in Guangzhou were for long-lived severe storm events that lasted approximately 5 hours. The three supercells induced tornadoes at the end of the echo they belonged to. The supercells in Shanwei and Foshan absorbed and combined weak storms nearby during their growing processes. The rotation was near a domed echo and a hanging echo in the supercell phase, and showed obviously "vortex tube" shape tilted toward the moving direction. Bernoulli's principle can explain the formation mechanism of hook echo in supercells, and could be used reasonably in the formation process of the hook echo in the supercell in westerlies or easterlies in the Northern Hemisphere. The evolution and mechanism of supercells would be helpful in further understanding the causes for severe weather processes.
Key words: hurricane    supercell    hook echo    rotation    Bernoulli    hydrodynamics    
1 引言

中国是西太平洋台风登陆地之一[1],台风在华南登陆时其外围螺旋雨带中常携带有多个强对流单体(群)甚至超级单体,由此给所经之地带来生命和财产的严重损失[2]。超级单体风暴是对流风暴系统中组织程度最高、产生天气最强烈的风暴形态之一,其中深厚持久的中气旋是超级单体风暴最本质的特征,超级单体风暴只产生在中等到强的垂直风切变环境中[3-4]。2015年10月4日“彩虹”台风(1522)登陆期间,08时的探空资料显示汕尾和广州地区低层具有强垂直风切变约0.024 1 s-1,有利于超级单体的产生。近年来,伴随探测仪器和数值模式的发展,对晚秋台风引发的超级单体及龙卷等灾害性天气过程的细微结构实时监测和相关机理研究越来越完善。

在超级单体结构分析方面,俞小鼎等[5]对一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究指出该超级单体的演化可归结为“带状回波-典型强降水超级单体-弓形回波”三个阶段,并对此次过程中中气旋产生和超级单体形态演变的可能机制进行了探讨。伍志方等[6]对风暴分裂中左移超级单体风暴和飑线内超级单体风暴引发的两次强对流天气过程进行了对比分析,指出风切变矢量随高度的变化决定了左移和右移风暴的发展趋势。在超级单体模拟方面,许多研究采用相对成熟的高分辨率数值模式和资料同化技术,通过同化雷达、卫星和其它探空资料,对超级单体的发生、发展过程进行更加细致的量化,有利于超级单体的强度和轨迹的预测预报,深入分析超级单体高时空分辨率的时空结构演变,试图解释超级单体发生发展过程中的物理机制[7-17]。在超级单体是否衍生龙卷方面,已有研究从预报概念模型的环境风场、热力不稳定、能量螺旋指数、风暴相对螺旋度、环境层结高度、低层上升气流强度、中气旋旋转速度和旋转半径等多个方面进行综合研究,并给出了相关的参考标准[18-25]。另外,超级单体的形成还与局地独特的地理环境有密切关系,在合适的地理环境中,有些地区会更容易发生超级单体等灾害性强对流天气[26-27]

本文在对1522“彩虹”台风期间衍生龙卷的三个超级单体的谱宽和径向速度分析和研究的基础上进一步对其回波结构演变特征和钩状回波形成机理进行分析和研究,从而丰富和完善在晚秋登陆中国的强致灾台风外围雨带中超级单体风暴结构演变特征和形成机理。

2 超级单体回波结构演变

多普勒雷达回波强弱可以分析雨带的结构、强弱演变和移动趋势等,有利于对强灾害性天气过程进行实时监测,为短临预报提供直观的决策依据。因“彩虹”台风雨带中环境背景回波强度的值比较大,故本文选取回波强度值>50 dBz的强度来分析衍生龙卷的超级单体回波结构的时空演变特征。

2.1 超级单体生消过程不同强度阶段持续时间

由衍生水龙卷的超级单体不同阶段的强度状态演变可知(图 1a),在08:42—09:24为强度增强阶段约0.7 h,09:24—10:54为中气旋出现成为超级单体阶段约1.5 h,10:54—11:12为强对流减弱阶段约0.3 h,该强对流单体>50 dBz持续时间约2.5 h。其中超级单体衍生水龙卷阶段,09:24—10:00为中气旋加强阶段,09:54—10:06为水龙卷生消阶段,10:06—10:12为中气旋波动减弱阶段(3D-shr),10:12—10:30为中气旋再次加强阶段,10:30—10:54为中气旋波动减弱阶段,中气旋在水龙卷消失后持续约0.8 h。衍生佛山陆龙卷超级单体演变(图 1b)显示,在13:12—14:36为增强阶段约1.4 h,14:36—16:12中气旋出现超级单体阶段约1.6 h,16:12—16:54为强对流消亡阶段约0.7 h,该强对流单体持续时间约3.7 h。佛山龙卷超级单体阶段在14:36—15:06为中气旋波动减弱阶段(MESO- 3D-shr),15:12—15:54为中气旋再次加强、龙卷发生阶段,15:54—16:12为中气旋波动减弱阶段约0.3 h。由衍生番禺陆龙卷超级单体演变(图 1c)可知,15:18—16:00为增强阶段约0.7 h,16:00 —17:30可能为中气旋出现超级单体持续阶段约1.5 h(16:42雷达最后检测到中气旋和龙卷(TVS),17:06—17:24超级单体减弱阶段约0.3 h),17:24—18:36为消亡阶段约1.1 h,该强对流单体维持时间约为3.3 h。参照对超级单体持续时间长短的分类标准,可知衍生龙卷的3个超级单体持续时间都在1.5~1.6 h,属于短生命史的超级单体(含有一个或多个超级单体且生命史<2 h)[28]。以50 dBz回波的持续时间仍采用超级单体生命史时间划分尺度,汕尾海丰水龙卷所在对流单体属中等生命史的强对流单体事件,佛山龙卷所在的对流单体属长生命史事件,番禺龙卷所在的强对流单体属中-长生命史事件。可见,在台风雨带充沛的水汽和合适的动力、热力条件下,超级单体可维持较长时间的发展演变。值得注意的是,在汕尾水龙卷消失后,其所在超级单体维持了约0.8 h,而2个陆龙卷消失后,其所在的超级单体持续约0.3 h,这或与衍生水龙卷超级单体登陆后水汽相对充足且水龙卷消失后释放的凝结潜热有利于中气旋的进一步发展有关。

图 1 三个超级单体生消过程中不同强度状态持续时间 体扫数据6 min/次。a.衍生汕尾水龙卷超级单体;b.衍生佛山陆龙卷单体;c.衍生番禺陆龙卷超级单体。
2.2 超级单体回波的分裂合并

随着“彩虹”台风逐渐近海登陆,衍生汕尾海丰水龙卷的超级单体(图 2中H)08:42于所在回波段尾端增强为强对流单体(>50 dBz),并独立发展(图 2a1)。在增强为超级单体的过程中单体H与它后面相对小的对流单体合并(图 2a2~2a4,白箭头所指),在09:30开始与它前面的多对流单体群进行合并。衍生佛山龙卷的超级单体(单体A)和衍生番禺龙卷的超级单体(单体B)在同一条螺旋雨带内发展,该雨带初期移动速度达到110 km/h,加速靠近其左前方的强回波带,逐渐演变为条形回波带。在12:36该回波带发生多处断裂,其前端分裂大值区(>45 dBz,下同)与左前方另一强回波带合并(图 2b1),其中后部多个单体开始彼此分离形成多个回波段。13:00该螺旋雨带呈明显的弓形,13:06单体A右下侧附近再次发生断裂(图 2b2),单体A移动速度稍快。13:36该断裂处前段的单体A和后段的对流单体的距离至少12 km(图略)。13:54后段回波的前端部分脱离原回波段并加速前移(图 2b3),在14:06靠近单体A处(图 2b4),此时单体A成为非相关切变中气旋。14:12吸收后面单体壮大后的单体A进一步加强,强回波面积继续增大,在14:36单体A增强为携带中气旋的超级单体。单体B在发展初期独立向前加速移动,15:24与其前面2个对流单体靠近并逐渐合并(图 2c1),15:42合并后形成强对流多单体群(图 2c2)。16:00,单体B在回波段尾端达到中气旋强度成为超级单体(图 2c3)。16:24强回波自中间断裂向头尾两端收缩独立发展,超级单体B位于后一强回波断裂段尾端,其低层多仰角钩状回波加深且清晰(图 2c4)。在超级单体的回波空间特征演变中,3个衍生龙卷的超级单体都是在所在螺旋雨带回波段的尾部生成并加强发展,且衍生汕尾水龙卷的超级单体和衍生陆龙卷的佛山超级单体在增强为超级单体发展过程中存在从较远处合并小对流单体的现象。

图 2 三个超级单体的回波的移动、断裂、合并演变 a1、a2、a3、a4为衍生汕尾水龙卷强回波单体演变;b1、b2、b3、b4为衍生佛山陆龙卷超级单体演变;c1、c2、c3、c4为衍生番禺陆龙卷超级单体演变。
2.3 超级单体空间结构和涡旋演变特征

逐时次分析衍生汕尾水龙卷、佛山陆龙卷和番禺陆龙卷的三个超级单体的空间强回波(强度50 dBz)结构,可见超级单体历经“强-更强-最强”三种不同强度状态阶段(图 1),且空间结构也有明显变化(图 3)。由3个超级单体在强对流阶段的强回波和涡旋结构(图 3a13b13c1)可知,强回波顶高都约在5.5 km,有明显的涡旋(蓝色和绿色,强度0.5 ro,下同)出现在强回波右侧,汕尾和番禺强对流单体的涡旋顶高不到3 km,而佛山涡旋顶高达到4.5 km,体积也远大于其他2个涡旋的空间体积。图 3a23b23c2为超级单体阶段但未衍生龙卷前的强回波和涡旋结构图。图 3a2显示09:42汕尾超级单体强回波顶达到约7.2 km,悬挂回波和回波穹窿开始出现,并且底层有钩状回波存在。涡旋相对较细高度约6.2 km,涡旋倾斜方向与移动方向一致,自地面到6 km都有连续的涡旋存在。图 3b2显示15:06佛山超级单体强回波在4.5~5.0 km高度左右,强回波有明显的悬挂回波和回波穹隆,钩状回波出现在底层,回波穹隆内自地面向上有倾斜的不同高度的小涡旋中心链。图 3c2显示16:06番禺超级单体强回波顶高约5 km左右,涡旋强度和空间尺度都明显增大,涡旋顶高接近6 km,底层钩状回波开始出现。图 3a33b33c3为三个超级单体衍生龙卷后的强回波结构和涡旋结构图。图 3a3显示09:54汕尾水龙卷发生时,强回波顶高仍维持在7 km,自地面倾斜上升的涡旋高度略有降低在6 km左右,2~5 km高度上的涡旋空间尺度增大,有明显的“涡管”结构。图 3b3是15:36佛山龙卷发生中期处在强度相对较强阶段,此时龙卷已经触地,整个强回波沿着移动方向自东南向西北倾斜,在虚线所指引的倾斜强回波内有“管状”强回波穹隆,强回波顶高在4 km左右,地面钩状回波明显,钩状回波尖端回波强度达到70 dBz及以上,可能为龙卷杂物回波标志(Tornado Debris Sign,TDS)。涡旋柱(涡管)自地面至约2.8 km高度上倾斜地存在于“管状”穹隆内,强度达到1.5 ro,在其斜上方6 km以上高度有一涡旋中心。图 3c3为16:36番禺龙卷强回波和涡旋结构,此时龙卷还未触地(据灾后考察和雷达资料对比,番禺龙卷约在16:42以后触地),其强回波高度仅有少许超过3 km,整体高度降低明显,悬挂回波和回波穹隆明显,底层有钩状回波大值区。涡旋主体处在回波穹隆右上侧,与悬挂回波有融合,高度在1~2 km。总体来看,水龙卷发生时其超级单体高度和涡旋强度都比衍生陆龙卷超级单体的大。佛山龙卷的超级单体涡旋强度和钩状回波在同阶段内比番禺的强,所以造成的灾害和影响更大。

图 3 3个超级单体强对流阶段、超级单体阶段和龙卷阶段的强回波结构 a1、a2、a3为衍生汕尾水龙卷超级单体;b1、b2、b3为衍生佛山陆龙卷超级单体;c1、c2、c3为衍生番禺陆龙卷超级单体。
3 超级单体中钩状回波形成机理

钩状回波是(不是必须)超级单体的多普勒雷达反射率因子特征,通常出现在超级单体风暴的中低层,体现了所在超级单体风暴的三维运动特征。中气旋通常出现在钩状回波的位置,并且当中气旋底部距离地面不到1 km高度时,常会引起致灾性的强对流天气,有40%的概率衍生龙卷[29]。钩状回波是如何形成的呢?由空气动力学原理[30]可知以0.2~0.3 Mach(即68~102 m/s)低速情况下运动的低层大气通常可视为不可压缩流体,受自身的重力、因气压分布不均而产生的气压梯度力、因地球自转而产生的地转偏向力、因空气作曲线运动而产生的惯性离心力和不同气团(相同气团与不同界面(如地面))间的摩擦力共同影响,则作用于低层空气的力的总合,可写为:

(1)

根据实际情况合理简化的空气受力方程(1),对超级单体中未变形中气旋受力特征进行分析。基本假设如下:设初始时刻在某高度上以角速度为w进行转动且半径为r的中气旋未移动。在同一高度中气旋没有气压梯度力产生=0,受地转偏向力很小可忽略,惯性离心力在直线运动场没有力的作用,水平运动重力不做功,自身的重力不考虑。这样,方程(1)可简化为:

(2)

假设在t0时刻,将该中气旋放在气压(Pe)分布均匀且风场分布均匀的大气环境场内(ρ=1.166,T=26 ℃)中作水平匀速直线运动,则该中气旋与环境风场相切于a和b两点,如图 4所示(图 4a为西风带中的中气旋钩状回波模型,图 4b为东风带中的中气旋钩状回波模型),在a点其切向风与环境风同向叠加,则a点风速标量表示为Va=Ve+wr,在b点其切向风与环境风反向叠加,则b点风速标量表示为Vb=Ve-wr。由流体力学的伯努利能量守恒方程[31],可知:

(3)
图 4 北半球中气旋在西风带(a)和东风带(b)中的钩状回波形成机理概念模型及实况分析,西风带中强对流风暴的中气旋模型分析监利龙卷(c)和阜宁龙卷(d),东风带中强对流风暴中的中气旋模型分析汕尾海丰龙卷(e)和广东顺德龙卷(f)

其a、b两点流体力学能量守恒方程与机翼升力产生原因相同,符合以下方程:

(4)

化简可得:

(5)

则对于中气旋上a、b两点的压力差δp,假设相应的作用面积S上产生的作用力为δF=δpS,此时某一高度层上中气旋所受到的合力方程(2)改写为:

(6)

由以上推导可知,在强对流单体发展初期其内小而轻的水成物(反射率因子低),有利于对流单体内中气旋的发展增强,此时可近似地看成圆柱体。当强对流发展成超级单体时风暴内部中气旋结构非常成熟,但高速旋转的空气和水成物混合的流体不像刚体那样固定,此时单体内颗粒较大(反射率因子高)质量较重的水成物容易在气压梯度力δF和摩擦f的共同作用下,被从超级单体中的中尺度涡旋的内核中推出来,出现在前进方向的右后侧,形成钩状回波。实际超级单体发生时可验证钩状回波形成机理的有效性,如2015年6月1日发生在湖北荆州监利地区的强对流天气系统中的中气旋钩状回波(图 4c)、2016年6月23日下午发生在江苏盐城阜宁的强对流天气系统中的中气旋钩状回波(图 4d)就是北半球西风带中超级单体内中气旋钩状回波发展演变的很好例证。而2015年10月4日发生在“彩虹”台风螺旋雨带中广东汕尾海丰地区的超级单体系统中的中气旋钩状回波(图 4e)和广东广州佛山地区的超级单体系统中的中气旋钩状回波(图 4f)就是北半球东风带的螺旋雨带中超级单体内受到挤压变形的中气旋钩状回波发展演变的很好例证。从图 4中的三个强天气过程中的超级单体的钩状回波对概念模型的一致适应性来看,该模型较合理地揭示了钩状回波形成机理。

如果空气中物体运动的速度小于2.5 Mach(马赫),基本上可认为其阻力f与阻力系数k,相对速度Vr和作用面积S三者呈正比关系[30]

(7)

此时,阻力系数k=2.937。则对于共同作用于类圆柱体中气旋上的力δFf之间可如下比较:

(8)

其中,相对速度Vr取中气旋所在环境风场平均速度Vr =Ve

由“彩虹”台风外围螺旋雨带中衍生龙卷的3个超级单体多个时刻抽样取值数据(表 1)可知,同一高度上的中尺度气旋两个切点间的压力差δF明显大于所受的摩擦力f,其近似关系为:

(9)
表 1 “彩虹”台风中超级单体在不同仰角高度上压力差δF与所受的摩擦力f统计表
4 结论与讨论

本文细致分析2015年10月4日强台风“彩虹”登陆前后其外围螺旋雨带在汕尾和广州地区形成3个衍生龙卷的超级单体的回波结构演变特征和钩状回波形成机理。

(1) 参照对超级单体持续时间分类标准,3个超级单体持续时间都在1.5~1.6 h,属于短生命史的超级单体。从50 dBz大值回波的持续时间来看,仍采用超级单体生命史划分尺度,衍生水龙卷的强对流单体持续时间约为2.5 h属中等生命史的强对流单体事件,衍生佛山龙卷的对流单体持续时间约为5.0 h属长生命史事件。衍生番禺龙卷的对流单体持续时间约为3.3 h属中长生命史事件。

(2) 3个衍生龙卷的超级单体都生成在各自回波段尾部。其强回波(>50 dBz)结构和涡旋结构特征揭示了超级单体空间结构的增强演变。在中气旋阶段,悬挂涡旋主体位于回波穹隆和悬挂回波右前侧附近;在龙卷阶段,涡旋主体有向移动方向倾斜的“涡管”结构。

(3) 根据空气动力学和伯努利能量守恒方程可知,某高度上超级单体内阻碍中气旋向前运动的空气阻力f和周围压强差所造成的压力差δF的共同作用合力F是钩状回波形成的原因。实际个例验证了北半球东风带和西风带内超级单体中钩状回波的概念模型,表明该模型可解释北半球不同天气系统中超级单体钩状回波的形成机理。

(4) 通过对比分析超级单体内中气旋速度对之间关系,推导出同一高度上中气旋由压强差所造成的压力差δF和空气阻力f之间可能的倍数关系,以“彩虹”台风超级单体中的速度数据分析可得δF>4f

本文对“彩虹”台风雨带中衍生龙卷的超级单体的空间结构进行了分析和研究,并籍此初步建立和解释了北半球钩状回波形成机理。文中存在检验个例较少等问题,因此对于该模型的适应性将在后续工作中进一步收集个例进行检验完善。

致谢: 感谢广东省气象局提供的观测资料。
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