Joint Calculation of Vertical Velocity and Convective Indices in the WRF Model for the Analysis and Forecasting of Tornado-risk Situations

Calculation of convective indices using the WRF model for the analysis and forecasting of tornado-risk situations involved the calculation of vertical velocity field. The results of calculations for four tornados registered in 2015 are presented. It is shown that if the values of the indices are above the thresholds, the localized intensive convective cell is formed in the model in the vicinity of the maximum values of the indices and at the moment when these values are reached. The possibility of using this result as an additional predictor of tornado occurrence is discussed. It confirms the conclusion on the possibility of prediction of tornado-risk situations with the lead time to three days and with the accuracy to several hours in time and to 200 km in space.     

登陆台风“摩羯”(1814)在山东引发龙卷的灾情调查与天气雷达识别

2018年8月13—14日,1814号台风“摩羯”（YAGI）由强热带风暴逐渐减弱成热带低压,在山东省境内造成强降水,并引发了系列龙卷。龙卷发生后,气象部门对龙卷进行了详细的实地灾情调查。通过对6处龙卷路径无人机航拍的高分辨率图像和现场勘察的建筑物损毁、树木折断、庄稼倒伏等状况的综合分析,判断发生在滨州市姜楼镇、东营市盐窝镇的龙卷达到EF2级,其他为EF0/EF1级。上述龙卷都发生在残余低压环流中心移动方向的右前方,且集中在残余低压环流外围偏北段雨带中的小型超级单体内;其中在滨州引发的龙卷距离残余低压环流中心最近,约150 km,在潍坊引发的龙卷距离残余低压环流中心最远,约400 km。这些小型超级单体在雨带中,自南向北或者自东南向西北方向移动,尺度都很小,发展高度较低,强反射率因子核位于风暴的底部,低层反射率因子的南端有入流缺口,呈钩状回波特征;低层径向速度产品有较强的正负速度对。用雷达系统原适配参数值计算表明,在调查的6次龙卷中,仅有1次龙卷发生前算出了中气旋（M）产品,2次算出龙卷涡旋特征（TVS）产品;用修改的适配参数值进行计算,在6次龙卷发生前都算出了M产品,4次算出TVS产品,优化适配参数可提前将弱的M和TVS识别出来,对龙卷的临近预警具有指导作用。     

福建龙卷风的活动特点

分析福建千余年２５次的龙卷风记载，得出如下几点认识：（１）福建的龙卷均在春夏两季，且几率相近；１９４９年以来的１２次龙卷有１１次出现于１３－１８时（占９２％），另一次是上午９时（占８％）。空间分布为：沿海地区有２０次，占８０％，内陆５次，占２０％，且有多发挥地段，（２）龙卷风多出现于低压，高温，高湿点附近，天空以积雨云占多数，地面多有强风相伴，（３）福建１２次龙卷风的诱发系统为：台风（６次，均在７     

1980—2009年我国龙卷事件变化

根据1980—2009年我国龙卷事件的变化特征,初步探讨了20世纪90年代以后龙卷事件显著减少的特征及原因。结果表明,1980—2009年龙卷事件呈现明显减少的趋势,20世纪80年代最多,90年代以后明显减少,尤其是夏季(7—8月),在我国东部地区减少最明显。对龙卷高发时段7—8月06时(UTC)对流有效位能(ECAPE)与深层垂直风切变(S06)以及二者乘积变量(ES)的分析表明:ECAPE和S06是影响龙卷的两个重要因子,ES的高值中心更好地对应于龙卷事件发生的集中区。地面气温的变化会影响ECAPE的变化。1980—2009年,我国华北平原地区7—8月S06明显下降是20世纪80年代以后我国华北地区龙卷事件减少的主要原因。     

双锋面相遇对强龙卷风环境场影响的数值模拟研究

对2009—2016年江苏北部龙卷事件的环境场进行统计与诊断,并对两次典型龙卷过程环境场进行数值模拟,重点探讨近海岸平原地区的江苏北部在春夏季节成为中国强龙卷最高频发生地的特殊性以及环境双锋面系统相遇对龙卷环境场的增强机制。分析结果显示：苏北龙卷发生率占全省58.6%。其中盐城和徐州又是苏北龙卷最高发地区。春夏季节,冷暖干湿气团势力相近,中尺度锋面系统多,易发生双锋面汇集造成局地龙卷强对流。对徐州（2009年）和盐城（2016年）的两次典型龙卷强对流环境场分析显示,徐州龙卷为变形场锋生和海风锋汇合,盐城龙卷为气旋锋面和岸滨锋相遇。WRF模拟结果显示,双锋面系统汇聚以及锋面二级环流相遇,可造成局地水平风速垂直扭转及垂直速度的水平切变,有利于驱动和增强区域正涡度;双锋面二级环流垂直上升支的叠加,可在平坦地区产生强烈的系统性抬升。这将形成有利龙卷类强对流天气发生发展的环境场。而各种常用的强对流指标均具有较强局地性,需要依据局地统计特征进行参考使用。     

江苏省龙卷风灾害风险评价模型研究

在分析江苏省龙卷风气候特征的基础上,建立了以江苏省为例的龙卷风灾害风险性评价模型,确定水域面积、海拔高度、人均国民生产总值、人口密度、龙卷密度和龙卷灾害综合灾度这6个因子作为评估指标,利用层次分析法确定各因子的权重,计算出江苏省各市龙卷风灾害风险度并进行了风险度区划。结果表明,苏州、无锡、南通为龙卷灾害高度风险区,常州、南京为较高风险区,镇江、泰州、徐州、盐城、扬州、连云港为中度风险区,宿迁和淮安为低度风险区。     

冷涡背景下辽宁龙卷气候特征和环境条件

为了研究冷涡与辽宁龙卷的关系,揭示冷涡背景下辽宁龙卷发生的特征,利用1951—2020年辽宁省龙卷观测和灾情数据以及欧洲中期天气预报中心ERA5大气再分析资料,收集整理冷涡背景下辽宁龙卷个例,对比冷涡背景下EF2—4级(EF2+)和EF0—1级(EF1?)龙卷物理量参数的差异.结果表明:(1)冷涡背景下辽宁龙卷主要出现...     

强龙卷超级单体风暴特征分析与预警研究

利用多普勒雷达资料,对发生在安徽的3次强烈龙卷过程进行了分析.重点研究了导致F2～F3级强龙卷的3次超级单体风暴多普勒雷达回波特征及其与强冰雹超级单体风暴的差异.另外,利用安徽省、市、县气象报表、历年气候评价灾情资料(部分来自民政部门的灾情报告),对1960年至今的龙卷天气的时空分布及变化趋势、产生龙卷的环流形势特征进行了分析,结果表明:(1)龙卷主要出现在淮北东部和江淮之间东部地势平坦地区,7月份出现龙卷的概率最高.(2)超级单体龙卷产生在中等大小的对流有效位能和强垂直风切变条件下,同时抬升凝结高度较低.(3)3次F2～F3级龙卷在发生前、发生时在多普勒雷达上都探测到强中气旋和龙卷涡旋特征TVS.与非龙卷超级单体风暴相比,导致强龙卷的中气旋底高明显偏低,基本在1 km以下.同时风暴结构也有所不同,造成龙卷天气的超级单体风暴最大反射率因子与风暴质心高度接近,基本在3 km左右,反射率因子在50～60 dBz.造成强冰雹的超级单体风暴在冰雹产生前,风暴最大反射率因子高于风暴质心的高度;当风暴开始降雹时,最大反射率因子高度开始降低,而风暴质心的高度变化不大,高于最大反射率因子高度,基本保持在5km左右,反射率因子在60～70 dBz.     

东北冷涡背景下一次龙卷过程的观测分析

2012年6月12日在吉林省白城市洮北区发生一次龙卷过程 (简称“612”龙卷),对此次龙卷过程天气形势和雷达资料分析结果表明:龙卷发生在高空冷涡的东南象限、中高空急流北侧、低空急流左侧的对流不稳定区域及地面较暖湿的环境中,大气对流参数计算结果显示龙卷过程低层 (0~1 km) 的垂直风切变较强 (为6.0×10-3s-1),抬升凝结高度较低 (低于1 km),且龙卷发生前对流有效位能较大。同时,龙卷过程超过50 dBZ的强核高度均在4 km以下,为低质心的对流系统,龙卷产生于一条带状回波与一近似团状回波合并加强后的强回波带中,并逐渐演变成“S”型,伴有“V”型缺口,中心最强值达61 dBZ。根据多普勒天气雷达导出产品并结合径向速度图反映出“612”龙卷是发生在以龙卷涡旋特征为主的尺度较小且垂直涡度较大 (约为3.65×10-2~3.83×10-2s-1) 的强对流风暴中,持续时间较短。     

On calculation of wind speed in tornado

A formula is obtained for calculation of wind speed in tornado, as proportional to the speed of convective updraft. Results are presented of wind speed calculation using the formula for 57 tornadoes observed at different time and in different regions of the world. Possibilities are shown of tornado wind speed forecasting taking into account criteria of tornado danger of the Cb clouds.     

基于随机森林的组网雷达龙卷检测算法

近年来我国极端灾害性天气频发,造成了重大人员伤亡和财产损失,随着防灾减灾工作的推进,龙卷等中小尺度强对流灾害性天气的预警预报工作的关注度正逐步提升。现有龙卷检测算法基于对新一代天气雷达基数据在多个仰角和体积扫描中进行阈值判断得到龙卷涡旋特征TVS,在自适应协同观测背景下表现为自适应策略同步较慢,预警预报准确率不高,提前预警时间短。使用机器学习算法结合龙卷在雷达反射率、径向速度和速度谱宽的多重特征能有效提高龙卷识别的准确率和预警时间,能提高组网雷达的协同观测能力。基于随机森林的龙卷检测算法（TDA-RF）,使用CINRAD雷达历史龙卷数据作为训练集,通过随机森林算法对训练集进行分类学习得到龙卷预测模型,使用预测模型对实时雷达数据进行龙卷检测。试验结果表明,TDARF算法能有效识别不同强度的龙卷,较TVS龙卷检测算法能给出龙卷区域的分类概率值,无需对龙卷特征时空连续性进行判断;TDA-RF算法对多个特征进行综合判断具有较好的抗干扰能力,使基于组网雷达的龙卷预警时间最高可达18分钟。     

双三次数值模式与理想Lamb波、龙卷扰动对比模拟分析

通过"双三次曲面拟合—时间步长积分—双三次曲面拟合……",实现成为一种双三次曲面拟合新算法数值模式。它对模式大气作非线性(空间二阶可导)描述,是用数值分析(三次样条/双三次曲面)与计算方法近似求解大气运动非线性偏微分方程组。用Z坐标系高分辨率双三次数值模式,采用原始大气运动方程组和采用欧拉时间积分方案,设置理想扰动,对大气声波Lamb波做数值模拟;采用大气不可压假定,除去声波,对大气重力波龙卷扰动做数值模拟。对比模拟发现:理想Lamb波以声速在水平方向传播,扰动能量频散快,仅能在原地持续数秒钟;理想龙卷扰动则在原地可持续约1 min,且波动内圈(外圈)自下至上始终处于风场辐合(辐散)状态,具冷心结构和气压驻波特征,可因水汽进入扰动与借助凝结潜热释放而得到发展。     

台风山竹(1822)龙卷的双极化相控阵雷达特征

2018年9月17日台风山竹（1822）外围螺旋雨带中发生EF2级龙卷。在高湿度、高不稳定、强垂直风切变的环流背景下,龙卷在台风外围雨带上微型超级单体右后侧钩状回波顶端的弱回波区中发展起来。具有高时空分辨率的广州X波段双极化相控阵雷达,不仅观测到超级单体的发展过程,还呈现出龙卷涡旋演变特征:单体风暴尾端在右后方入流加强作用下,逐渐形成钩状回波形态,此时对流层中低层2~3 km高度附近的中气旋强度率先达到最大,随着旋转强度进一步加强和旋转中心高度逐步下降,低层强旋转特征越来越明显,当低层旋转速度达到峰值（超过21 m·s-1）,旋转直径收缩到1 km范围,地面出现EF2级以上龙卷,旋转速度对区域出现清晰的弱回波龙卷眼区特征。X波段双极化相控阵雷达在龙卷观测中优势显著,弥补了多普勒天气雷达观测的不足。     

东北地区MCC雷达回波特征分析

2005年7月16日在黑龙江省北部地区出现中尺度对流辐合体(MCC),产生了雷暴、冰雹、龙卷、暴雨等强对流天气,尤其是齐齐哈尔北部间隔1小时10分钟发生了2个龙卷。利用雷达、FY-2卫星云图和相关资料,对这次MCC过程进行了分析,并对比高纬度MCC和非MCC强降雨的区别。结果表明:高纬度MCC雷达回波速度场上有明显中气旋,龙卷发生在MCC的发展阶段。物理量分析发现高纬度MCC比非MCC强降雨在水汽条件和动力因子上要求更高。地形在高纬度MCC的形成过程中起到很重要的作用,相同的背景条件下,在山脉的背风坡系统明显加强。     

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58 min、37 min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。     

s－r螺旋度在皖西南强风暴预报中的应用

应用常规探空资料，对皖西南地区强风暴天气的ｓ－ｒ螺旋度进行了计算分析。结果表明。ｓ－ｒ螺旋度作为一个新的诊断量，对皖西南非孤立龙卷、大范围冰雹及距测站５０ｋｍ内的局地龙卷有较好的预报能力。     

s-r螺旋度在皖西南强风暴预报中的应用

应用常规探空资料，对皖西南地区强风暴天气的ｓ－ｒ螺旋度进行了计算分析。结果表明：ｓ－ｒ螺旋度作为一个新的诊断量，对皖西南非孤立龙卷、大范围冰雹及距测站５０ｋｍ内的局地龙卷有较好的预报能力。     

2016年夏季如东一次EF2级龙卷多普勒天气雷达特征分析

利用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、南通多普勒天气雷达资料及GR2analyst分析软件,对2016年7月5日发生在江苏省如东县的一次EF2级超级单体龙卷过程进行特征分析。结果显示：此次龙卷发生在高低空均为一致的西南暖湿气流中,没有明显干冷空气侵入,中低层存在切变、急流,超低空急流,地面有辐合中心;大气具有中等大小的热力不稳定能量、0~1 km强垂直风切变、充足的水汽条件、较低的抬升凝结高度以及较强的辐合上升运动,为此次龙卷过程提供有利的背景条件。当出现连续体扫的中气旋、钩状回波,并且强回波区向移动方向一侧倾斜、垂直剖面存在穹隆结构和有界弱回波区时,在钩状回波处最容易产生龙卷。GRanalyst三维显示中出现的空洞结构,表明超级单体在此处产生强烈涡旋,有利于龙卷的产生;对称的正负速度区中旋转速度持续增大,并且不断向下发展,低仰角探测到紧邻的速度对时,强中气旋也相应出现向下延伸和迅速的收缩,预示着龙卷的发生,为龙卷预报提供一定的指示作用。     

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80 km、160 km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,0~1 km垂直风切变值超过15×10-3 s-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55~60 dBz,强度≥50 dBz强回波发展高度在4 km以下,微型超级单体有水平尺度2~3 km的中气旋,由于速度模糊影响,仅在南海龙卷发生前9 min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30 min监测到入流急流,提前27 min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1 km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。      

2021年黑龙江两次超级单体龙卷过程多尺度特征

2021年6月1日和6月9日黑龙江省哈尔滨尚志市及阿城区和齐齐哈尔梅里斯区分别发生双龙卷事件。利用常规气象观测、多普勒天气雷达等资料对比分析二者的多尺度特征。结果表明:两次龙卷均发生在东北冷涡的东南象限，高空急流出口区左侧，中低层偏南气流有利于暖湿气流输送和垂直运动发展。6月1日和6月9日分别以短时强降水和雷暴大风天气为主，6月1日水汽条件、垂直运动、0~1 km高度垂直风切变和抬升凝结高度更有利于产生强龙卷，且中尺度气旋维持时间更长。干线与地面辐合线为中尺度触发机制。雷暴冷池出流与中尺度暖锋形成的伪冷锋有利于龙卷的发展和维持。龙卷出现在地面伪冷锋与干线交界处的湿区一侧，冷池前沿，龙卷母云为超级单体。暖湿气流产生的入流缺口是钩状回波发展的前兆，中等到高强度的中尺度气旋在3 km高度产生并发展，5~10 min后触地，当钩状回波与中尺度气旋同时出现时龙卷产生。