山东一次台风龙卷过程灾调及环境和天气雷达特征分析

2018年8月19日受台风“温比亚”影响,山东省临沂市遭受龙卷袭击。通过实地灾情调查,给出了该龙卷的影响范围、灾害分布和强度评估等,综合考虑不同标识物和致灾过程,评估本次龙卷强度为EF3级。分析龙卷发生的环境和天气雷达特征,结果表明：龙卷发生在低抬升凝结高度(≤300 m)、强低层垂直风切变(≥18×10^-3s^-1)、强相对风暴螺旋度(≥350 m²/s²)和较低对流有效位能(≤400 J/kg)的有利环境条件下;龙卷超级单体嵌于台风右侧螺旋雨带内,龙卷发生在中气旋与风暴后侧下沉气流区相接一侧,与龙卷涡旋特征位置对应;龙卷及地时中气旋向下延伸加强,同时风暴顶及单体质心迅速下降;若探测到低层中等强度中气旋时应发布龙卷预警,则此次过程的龙卷预警时间提前量为15～20 min。     

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。     

超强台风“圣帕”引发温州类龙卷的特征分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°6h再分析资料、多普勒天气雷达资料及FY-2C卫星TBB资料,分析了2007年8月18日23:10(北京时,下同)～23:20在0709号超强台风"圣帕(Sepat)"外围温州市龙港镇诱生类龙卷。诊断分析表明,类龙卷发生地所处环境特征为高层辐散、低层辐合、从低层一直延展到高层的强烈上升运动、超低空强垂直风切变等;雷达连续跟踪探测到气旋式速度存在由中层向低层发展的现象,该中气旋中伴有明显的相邻方位角速度切变,尽管没有满足龙卷涡旋特征(TVS)的所有指标,但强烈的旋转风在极短时间由高层向低层迅速发展下传,进而产生超级单体龙卷。     

台风“摩羯”与“温比亚”环流中龙卷小尺度涡旋特征及可预警性分析

利用多普勒天气雷达探测资料,结合常规气象观测资料和天气实况及灾情调查,对2018年8月14日台风“摩羯”（1814）和8月19日台风“温比亚”（1818）产生龙卷的环境物理量及龙卷风暴强度结构特征进行了分析,对诱发龙卷和未诱发龙卷的小尺度气旋性涡旋特征进行了对比。结果表明：两次台风减弱低压东北象限是龙卷发生的关键区,低层高湿,强的低层垂直风切变和大的相对风暴螺旋度是关键物理量;龙卷出现时都伴有ΔV＞20.0 m·s-1的小尺度气旋性涡旋,且基本出现在2.0 km高度以下,但并不是所有这种低层小尺度气旋性涡旋都能诱发龙卷;以ΔV＞20.0 m·s-1为阈值,龙卷识别具有较高的命中率,识别准确率为31.8%,空报率为67.4%,漏报率为6.7%;约35.7%的龙卷没有识别时间提前量,半数龙卷几乎没有预警时间提前量。     

台风“摩羯”（1814）的路径特点与预报分析

2018年8月13—16日台风“摩羯”（1814）及其残余低压环流影响山东,造成区域性暴雨或大暴雨。利用常规气象观测资料和区域自动气象站、天气雷达、气象卫星等资料及数值天气预报产品对此过程进行分析,总结了“摩羯”的路径特点。此次台风“摩羯”路径特殊,并出现突变。通过对“摩羯”的路径预报仔细分析,得出台风路径预报着眼点和部分有指示意义的预报指标。环流形势分析是预报台风路径的一个重要前提,大陆高压显著增强是环流形势调整的一个信号,是预报“摩羯”路径的一个关键因素;台风前进方向的对流层温度脊线和500 hPa正涡度轴线对台风未来路径有良好的指示作用。分析结果能够为提高山东台风路径预报的准确率提供参考。     

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Ⅰ:谱宽和速度

为揭示多普勒雷达速度谱宽资料对1522号台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变规律的指示作用,基于常规观测资料、多普勒雷达资料和ECWMF再分析资料,分析3个衍生龙卷的超级单体速度谱宽和中气旋速度演变特征。研究表明,速度谱宽可提前10~30 min预示强对流风暴的变化。根据速度谱宽σ与湍能耗散率ε的关系分析,提出了谱宽变化与超级单体内中气旋和龙卷发生发展关系的概念模型。当对流单体进入新的发展阶段时,谱宽值加大呈增强状态;当对流单体处于维持稳定阶段时,谱宽值减小则呈减弱状态。衍生汕尾海丰水龙卷的中气旋最大切向速度19.5 m/s,属中等强度中气旋。衍生顺德龙卷和番禺龙卷的中气旋最大切向速度＞27 m/s,均属强中气旋。用多普勒雷达中气旋算法识别的中气旋在距离较远（＞80 km）和较近(＜17 km)距离上有漏报现象,人工纠正有利于更正预报结果,更准确地指导防灾减灾。      

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

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。      

“布拉万”台风登陆引发吉林省中部大暴雨天气的分析

本文利用加密站实时观测资料、NCEP再分析资料和白山站多普勒雷达资料对2012年8月28-29日台风"布拉万"登陆后引发的吉林省一次区域暴雨、局部大暴雨天气过程进行初步分析,结果表明:台风"布拉万"在登陆减弱后仍维持深厚暖性结构,携带着充沛的水汽;当大陆冷空气入侵,触发台风能量的释放;强降水落区位于冷空气入侵的西侧,并且中心位置与△θse850-500负值中心位置基本一致;通过经台风中心的纬向涡度场的垂直结构分析发现强降水落区与强涡度分布一致;通过对雷达资料的分析可以得出,在台风暴雨中,低空急流对这次台风暴雨的形成和维持具有重要作用,而逆风区的出现,更是多普勒速度图上识别暴雨的最好判据。     

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。      

台风“莫拉克”登陆过程的闪电活动与雷达回波特征

利用全球闪电定位网WWLLN(World Wide Lightning Location Network)资料和中国气象局热带气旋资料中心最佳路径数据集的台风资料,并结合福建省气象局新一代天气雷达反射率资料以及NCEP/NCAR的再分析格点资料,对台风"莫拉克"在中国台湾和福建两次登陆过程中的闪电活动和雷达回波特征进行了分析。结果表明,闪电多发生在台风的外雨带,中心区域和内雨带闪电数量较少,第一次登陆过程中闪电数量较多,第二次登陆过程中闪电数量较少。6 km高度上,面积较大的回波后侧或外侧观测到闪电发生,在回波形成初期闪电数量较少,在面积和强度较稳定的时期闪电数量增加,并且闪电数量与回波的最大顶高呈正相关。闪电的发生受到台风自身垂直运动和地形抬升的共同影响,500 h Pa上气旋性风场流入垂直上升区后部的陆地出现闪电密集区,并且垂直中心的位置与强度对闪电分布的位置与数量有明显影响。     

单多普勒雷达对一次龙卷过程的观测和分析

本文利用泰州S波段多普勒雷达观测资料和探空、地面资料对2013年7月7日发生在江苏高邮的一次龙卷过程进行分析讨论。此次龙卷过程由超级单体风暴引发,环境分析显示高邮地区低层位于急流辐合区,高层位于急流辐散区,有利于对流发展。龙卷发生前具有强对流不稳定度和中等风切变。雷达回波资料分析显示超级单体在成熟阶段出现明显的钩状回波,有界回波区以及悬垂回波的特征。旋转速度最强时,有龙卷产生,之后超级单体进入消亡过程。底层强垂直风切变和垂直速度不均匀分布,有利于激发龙卷天气的发生或者促进龙卷天气的维持发展。     

1822号台风“山竹”的涡旋Rossby波特征分析

采用WRF中尺度模式对2018年22号台风“山竹”进行高分辨率的数值模拟,在此基础上,分析台风的精细动力结构和雨带特征。分析结果发现,台风“山竹”的眼墙处具有低层辐合流入、高层辐散流出的动力配置;台风眼墙附近存在切向风速的高值区和明显的垂直上升区,并且随着高度逐渐向外侧倾斜,同时该处的雷达回波也较强,对流系统较为深厚。然后利用尺度分离方法得到涡旋罗斯贝(Rossby）波的扰动场,进一步分析了台风“山竹”内部的涡旋Rossby波特征。研究发现：1）1波和2波会同时沿着切向和径向方向传播,2波的振幅明显小于1波;1波和2波的正涡度扰动大值区基本覆盖强的雷达回波区域,同时伴有较强的对流活动。2）垂直方向上,降水区的涡度扰动呈现出上层为正、下层为负的动力配置时,同时散度扰动的垂直方向也有类似配置时,则会加强对流系统的发展,有利于降水的增强。由此可见,1波和2波扰动的上层辐散下层辐合的动力配置会促使对流系统的加强,同时也会对台风降水的强度和分布有一定的作用。     

台风“温比亚”（1818）造成山东极端强降水的成因分析

利用气象卫星、多普勒天气雷达、区域自动气象观测站及常规气象观测资料,结合NCEP/NCAR逐日6 h再分析资料（0.25°×0.25°）,对2018年18号台风“温比亚”及其残骸长时间影响山东引发特大暴雨的成因进行分析发现：1）此次极端降水可分为三个阶段,分别受台风外围螺旋云系、倒槽和变性后温带气旋冷锋影响,其中弱冷空气与台风倒槽相互作用对强降水的产生和维持起到了重要作用。2）“温比亚”缓慢北上过程中,强降水落区从台风东侧逆时针转至其北部倒槽附近,并逐渐远离台风中心,台风强度逐渐减弱。3）冷空气在对流层中层与台风倒槽相互作用,中层冷暖平流增强形成锋区,斜压不稳定能量增强,暖湿空气在锋区附近上升,并与低层倒槽辐合上升运动相配合,引发了倒槽附近特大暴雨的发生。4）此次过程中,低空急流稳定维持,源源不断地将水汽自东海输送至台风倒槽附近,水汽输送集中在800 hPa以下,850 hPa水汽通量辐合强度大于8×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1区域与暴雨落区的形态和位置对应良好。5）对流层中层的弱冷空气和低层的强暖湿气流促进了对流不稳定层结的发展和维持,低层强风速带在鲁中山区迎风坡强迫抬升不断触发中尺度对流系统,在中高层气流引导和地形作用下产生“列车效应”,也是此次过程中局地特大暴雨产生的重要因素。     

影响山东的台风温比亚（1818）中尺度云团“列车效应”特征分析

基于多普勒天气雷达、区域气象观测站、常规观测和NCEP再分析数据等,利用三维雷达拼图技术对2018年第18号台风“温比亚”造成的山东暴雨中尺度特征进行分析。研究表明：台风“温比亚”造成的山东暴雨,不同阶段雨强特征有较大差异,长时间强降雨是造成灾害性暴雨的主要因素;此次台风暴雨雨团具有很强的移动特征,是否形成“列车效应”是造成灾害性暴雨的重要因素;雷达三维拼图数据可以清晰识别和分析暴雨过程中尺度雨团的移动、合并和发展规律,这些对准确监测预报暴雨的发生至关重要。     

2016年山东一次阵风锋触发的强对流天气分析

利用常规观测、区域自动气象站、NCEP/NCAR再分析和雷达回波资料,对2016年6月30日山东一次阵风锋触发的强对流天气进行了分析。结果表明,此次强对流主要发生在高空槽与副热带高压相互作用、山东高低层受一致西南气流影响的环流形势下,阵风锋、地面辐合线和负变压中心所产生的抬升作用及近地面层冷空气的侵入使气温骤降是触发对流的关键因素。低层水汽充沛、湿层厚,属于上干下湿的不稳定层结。强对流发生区域处在假相当位温差（Δθse）和风暴相对螺旋度（storm relative helicity,SRH）的大值中心及其右侧位置。对流有效位能（convective available potential energy,CAPE）、850 hPa与500 hPa之间温差、大风指数、强天气威胁指数等都对此次强对流有较好的指示作用。0 ℃层高度和融化层高度较高是此次过程未出现大冰雹的原因。较强的0～3 km垂直风切变在强对流预报业务中需要注意。此次强对流过程是线状回波带前侧风暴内出现了阵风锋,阵风锋又不断触发雷暴使个别强单体风暴发展加强成为超级单体风暴,具有持续时间较短的中气旋、高悬的强回波、有界弱回波区、风暴顶辐散、窄带回波、径向速度大值区等回波特征。风暴移动速度比风暴承载层平均风速大,缩短了超级单体存在时间。此外,风暴参数与天气的强烈程度密切相关。     

台风\

利用地面观测资料、多普勒雷达资料、中央气象台热带气旋资料、数值模式预报资料以及全球再分析资料等,对北上热带气旋（TC）“巴威”引发的辽宁不同阶段降水特征和强降水形成机制进行分析。结果表明：（1）北上热带气旋“巴威”影响下,辽宁强降水过程分为TC远距离影响、外围螺旋雨带影响和TC本体影响三个阶段;前两个阶段辽宁均产生了对流性强降水,第二阶段对流强度弱于第一阶段,而第三阶段辽宁产生稳定性降水,降水强度偏弱。（2）TC北上过程中为辽宁降水提供持续的水汽和能量输送,前两个阶段均存在干冷空气作用和锋生强迫动力机制：TC输送的暖湿气流与辽宁境内干冷空气相互作用产生较强锋生,通过锋生强迫作用,第一阶段在对流不稳定下激发垂直对流,而第二阶段在湿对称不稳定下形成倾斜对流。TC本体影响阶段,TC强度快速减弱,辽宁位于TC热动力均减弱明显的偏西侧,同时缺乏适当的冷空气而锋生较弱,导致降水偏弱。（3）TC外围螺旋雨带影响时,强降水与850 hPa强锋生区域基本吻合,对TC降水预报具有一定指示作用。

     

台风“山竹”（1822）引发华南暴雨过程机制分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°的FNL再分析资料、CMORPH（CPC MORPHing technique）卫星-地面自动站融合降水数据以及FY-2G卫星反演的TBB（black-body temperature,云顶亮温）对1822号台风“山竹”在华南造成强降水过程进行了分析。结果表明：西北太平洋副热带高压和南亚高压的稳定维持有利于台风残涡持续影响华南地区;低层来自孟加拉湾的低空急流与西北太平洋副热带高压南侧偏东风汇合后建立起一条连接华南的水汽通道;在登陆台风影响下,大气视热源和视水汽汇主要来自于垂直运动释放的凝结潜热;湿位涡诊断分析表明强的水平风垂直切变导致低层大气斜压性增强,出现显著的对流不稳定。     

超级台风‘玛莉亚’的对流爆发特征及与快速加强的关系

利用数值模拟结果,该研究探讨了超级台风‘玛莉亚’的对流爆发(CBs)特征及与快速加强(RI)的关系。发现,(1)切变相对象限的内核CBs表现为由顺切变到逆切变的气旋式旋转,这有利于台风快速加强;(2)CBs的突然增长为即将到来的RI提供了预示性特征信号,同时,台风玛莉亚的RI过程引发剧烈的深对流;(3)自对流层底向上的对流增长角度分析,发现对流爆发与边界层高对流有效位能,次级环流的向上深层发展,增强的动量通量辐合等有关。     

对流层中层中尺度对流涡旋在台风榴莲(2001)生成中的作用——模拟诊断分析

本文基于PSU/NCAR MM5中尺度模式对台风榴莲 (2001) 生成过程成功的数值模拟, 利用模式输出的较高时空分辨率资料, 对台风榴莲生成过程中对流层中层中尺度对流涡旋 (MCV) 的作用进行了诊断分析。结果表明, 中层MCV在台风榴莲生成中的作用有三个重要方面: 第一, 中尺度组织化作用: 伴随中层MCV的垂直次级环流圈, 使得区域内的积云对流热塔趋向于逐步在中心区域集中, 热塔相互之间容易发生相互作用, 通过合并过程有些热塔得到加强, 而有些趋于消亡。同时, 热塔聚集后的群体效应反馈作用又使得中层MCV加强或维持, 进一步促进热塔的合并以及向轴对称化发展; 第二, 存贮效应: 因为中层MCV的生命史比积云对流热塔长, 能够将消亡对流热塔所携带的热量、 水汽、 涡度加以存贮和保留, 使得中层MCV区域向有利于TC生成的方向发展, 最终成为TC环流的 “胚胎”; 第三, 中层MCV与对流层低层的槽 (涡旋) 以及对流热塔之间通过相互作用, 共同实现中低层系统的垂直耦合。