郑艳, 主要从事强对流天气预警及台风预报研究.Email:
利用常规高空地面观测、海南省区域加密自动站、海口多普勒雷达、海口风廓线雷达以及风云2G高分辨可见光云图资料对2016年6月5日海南省文昌市一次EF2级龙卷过程进行分析。结果表明:(1) 这次龙卷过程发生在副热带高压边缘、500 hPa槽前、850 hPa切变线和地面热低压的南侧,是由超级单体引发的;由于海陆风效应而显著增大的0~2 km垂直风切变,较低的抬升凝结高度,随着白天地面太阳辐射加热迅速增大的CAPE值为超级单体风暴的生成提供了有利的环境条件。(2) 超级单体是在东移飑线的东侧,由β中尺度海风锋辐合线和雷暴外流边界触发并加强的,沿着海风锋辐合切变线自东向西传播,与风暴承载层平均风向相反,即后向传播;超级单体具有勾状回波、中高层回波悬垂、中气旋和类似龙卷式涡旋特征(TVS)的小尺度强切变等特征,中层中气旋向低层延伸加强期间龙卷漏斗云生成、触地,小尺度强切变自中层同时向上、向下发展时龙卷达到最强;龙卷发生在勾状回波低层反射率因子最大梯度区域靠近弱回波区域一侧,也是小尺度强切变(类TVS)所在位置;(3) 海风锋辐合线与超级单体的下沉气流外流边界合并,形成位于超级单体南侧的阵风锋,从而形成由东指向西的水平涡管,该水平涡管在钩状回波旁的弱回波区被上升气流扭曲拉伸,形成低层中气旋,超级单体南侧的阵风锋与东移的飑线阵风锋相遇而加强的地面辐合,有助于低层中气旋获得拉伸旋转加速而形成龙卷。
A case study of an EF2 tornado that occurred in Wenchang, Hainan on 5 June 2016 was carried out by using observation data, automatic weather station data, Haikou Doppler radar data, wind profile data and 2G high resolution visible cloud images of Fengyun Meteorological Satellite. The results showed that: (1) This tornado was triggered by a supercell, corresponding to the edge of subtropical high, front of trough at 500 hPa, shear line at 850 hPa and the south side of ground thermal low. The favorable environmental conditions for the developing of the supercell were the significant increase of vertical wind shear in 0-2 km and the lower lifting condensation level, both caused by sea-land breeze, and the quick increase of CAPE with solar radiation heat. (2) Both the meso-β scale convergence line (sea-breeze front) and the outflow boundary of thunderstorm triggered and enhanced the developing of the supercell, which was on the east side of eastward squall line, spreading from east to west along the meso-β scale convergence line, and in contrast to the average wind direction of the storm bearing layer, that is, back-propagating. Some characters of the supercell including hook-shaped echo, high-level echo overhang, meso-cyclone and small scale severely shear (similar with TVS) were observed. The middle meso-cyclone tornado funnel cloud was generated during extension strengthening, touchdown to low level. The tornado reached its strongest stage during the time of the small scale shear developing both upwardly and downwardly from the middle level. Tornado occurred at the maximum gradient area of weak echo reflectivity of low level. (3) The merge of sea breeze front line and sinking air outflow border of supercell, generated the breeze front located in the south of supercell, and finally a horizontal vorticity tube formed from east to west orientation. A upright vorticity tube twisted when the horizontal tube met the updraft near the weak hook-like echo, forming a low-level meso-cyclone. The breeze front located in the south of supercell met with eastward moving gust front, and the boundary layer convergence was enhanced, favoring low-level meso-cyclone to gain the stretch rotating acceleration, and eventually tornado formed.
龙卷是强对流天气最强烈的表现形式,平均直径为100 m左右,是从积雨云内部扩展到地面的猛烈旋转的空气柱,其产生的最大地面风速可达140 m·s-1, 可造成重大的人员伤亡和财产损失(
2004—2015年海南省龙卷过程概况
Tornado survey in Hainan Province in 2004-2015
序号 | 时间 | 地点 | 主要影响系统 | 等级 | 灾情 |
01 | 2004年4月16日 | 海口红旗镇、三门坡镇 | 西风槽 | EF1 | 直径30 cm橡胶树折断, |
02 | 2005年9月27日01:00 | 临高临城镇 | 0518达维 | EF2 | 6人死亡,10多人受伤, |
03 | 2006年8月2日18:40 | 文昌蓬莱镇 | 0606派比安 | EF0 | 损失轻微 |
04 | 2006年9月30日23:20 | 万宁南桥镇、东澳镇 | 0616象神 | EF2 | 1人死亡,12人受伤, |
05 | 2008年5月29日16:40 | 海口三江镇 | 西风槽、西南热低压 | EF2 | 损坏房屋211间, |
06 | 2008年9月24日06:03 | 澄迈桥头镇 | 0814黑格比 | EF1 | 掀翻30间房屋屋顶 |
07 | 2009年3月24日23:00 | 海口三门坡镇 | 切变线、静止锋 | EF0 | 损坏房屋46间,经济 |
08 | 2009年3月29日17:30 | 文昌蓬莱镇 | 切变线、静止锋 | EF1 | 大批橡胶树折断,经济 |
09 | 2009年4月13日15:30 | 文昌公坡镇 | 西风槽 | EF0 | 损坏房屋20间 |
10 | 2009年4月18日05:30 | 海口演丰镇 | 西风槽 | EF0 | 损坏房屋25间 |
11 | 2009年6月23日 | 海口三江镇、云龙镇 | 切变线 | EF0 | 经济损失约125万元 |
12 | 2012年7月27日16:00 | 琼海嘉积镇 | 切变线、西南热低压 | EF0 | 经济损失约10万元 |
13 | 2012年10月27日17:00 | 琼海博鳌镇 | 1223山神 | EF2 | 倒塌损坏房屋10间, |
14 | 2013年4月30日14:45 | 海口东山镇 | 西风槽、静止锋 | EF0 | 损坏房屋20间 |
15 | 2013年9月30日03:50 | 万宁后安镇 | 1321蝴蝶 | EF2 | 2人受伤,房屋倒塌、树木 |
16 | 2014年5月16日15:10 | 澄迈福山镇 | 西风槽、西南热低压 | EF0 | 经济损失约9万元 |
17 | 2014年5月17日16:00 | 澄迈福山镇 | 西风槽、西南热低压 | EF0 | 经济损失约4万元 |
18-1 | 2014年5月20日 | 澄迈仁兴镇 | 切变线 | EF1 | 大批橡胶树折断, |
18-2 | 2014年5月20日 | 文昌东路镇 | 切变线 | EF0 | 3人受伤,损坏房屋11间 |
19 | 2014年8月21日16:00 | 海口大致坡镇 | 切变线 | EF0 | 损失轻微 |
20 | 2014年9月15日21:45 | 澄迈桥头镇 | 1415海鸥 | EF1 | 倒塌房屋15间 |
21 | 2015年5月24日15:30 | 海口大致坡镇 | 西南热低压 | EF0 | 损失轻微 |
2004—2015年海南省龙卷落区
Tornado falling area in Hainan Province, during 2004-2015
利用常规高空地面观测资料、海南省区域加密自动站资料、海口多普勒雷达产品、海口风廓线资料和风云2G高分辨率可见光云图对2016年6月5日海南省文昌市锦山镇和冯坡镇一次强烈龙卷过程的环境背景和多普勒雷达回波、中气旋、类似TVS的小尺度强切变等特征进行研究,以期对热带地区的龙卷预报、监测和预警提供依据和参考。
2016年6月5日15:12—15:27(北京时,下同),海南省文昌市锦山镇和冯坡镇发生龙卷。距离龙卷发生地西南方约1.2 km的鱼塘摄像头全程记录了这次龙卷生成过程(
2016年6月5日海南省文昌市龙卷生成过程录像截屏(a1~a6)、龙卷路径(b)及灾后调查照片(c1, c2)
Video screenshots of tornado in Wenchang, Hainan on 5 June 2016 (a1-a6), tornado path (b) and pictures of its damages (c1, c2)
这次强烈龙卷过程造成文昌市锦山镇和冯坡镇1人死亡、11人受伤,倒塌房屋44间、掀顶250间,农作物损失145.5亩,畜禽死亡2.1万只,直接经济损失约为3185万元。
2016年6月5日08时,500 hPa低涡中心位于华北东部,西风槽自黄河下游伸展至湖南中西部,江西南部到广西西部为一横槽,副热带高压(以下简称副高)控制海南及南海大部海域,海南岛处于副高北缘吹西南风;20时,低涡中心东移至渤海附近,西风槽与横槽合并加深,槽底位于广西南部(22°N附近)。5日08时,850 hPa重庆到广西西部为一近乎南北向的切变线;20时,切变线东移并逐渐演变为准东西向,位于两广南部。5日白天,地面西南热低压中心在四川盆地维持,海南岛处于低压槽控制下。这次龙卷过程发生在副高边缘、500 hPa槽前、850 hPa切变线和地面热低压南侧。
6月5日08时,海口站(距离龙卷发生地50 km)850与500 hPa温度差Δ
5日08时海口站
2016年6月5日08时海口站
对龙卷的研究表明(
海南省区域加密自动站2 min平均风向风速和风云2G高分辨率可见光云图可以显示此次龙卷过程中β中尺度海风锋辐合线的演变及其对雷暴云团的触发作用。6月5日14:00,随着海陆风效应增强,海南岛北部沿海地区转为一致的偏北风;有两条β中尺度海风锋辐合线,一条位于海口西部—儋州东南部一带,为东北—西南向的西北风与偏西风辐合,另一条位于文昌—海口北部沿海地区,为东西向的偏北风与偏南风辐合,龙卷发生地冯坡镇和锦山镇位于东西向辐合切变线附近;在两条β中尺度海风锋辐合线的作用下,在海南岛北部沿海地区激发出对流云带C和对流云团A、B(
2016年6月5日海南省区域加密自动站2 min平均风向风速和同时刻的风云2G高分辨率可见光云图(a, c, d)及15:00海南省区域加密自动站小时极大风向风速(b)
The 2 min average wind direction and wind speed of Hainan automatic weather station network and 2G high resolution visible cloud image of FY satellite (a, c, d) and 1 h class gale wind direction and wind speed of Hainan automatic weather station network at 15:00 BT (b) 5 June 2016
0.5°仰角反射率因子产品显示,6月5日14:00,海南岛西部的澄迈到昌江有多个对流单体生成发展,沿着β中尺度海风锋辐合线逐渐组织成东北—西南向的对流回波带C;与此同时,在海口东北部沿海地区的对流单体快速加强为对流风暴A;14:37,对流风暴A南侧和对流回波带C东侧同时探测到清晰的雷暴外流边界A1和C1,A1向偏南移动,C1向偏东移动,在两条雷暴外流边界交界处附近不断有新生单体生成发展;15:02,东移的对流回波带C与新生单体合并加强为飑线C,强度增大到55 dBz(
这次强烈龙卷过程是由超级单体B引发的,0.5°仰角反射率因子产品监测到超级单体B的演变过程(
2016年6月5日海口多普勒雷达0.5°仰角反射率因子(a, 15:02;b1~b12, 14:19—15:27) 及15:02沿
The 0.5° elevation reflectivity of Haikou Doppler Radar on 5 June 2016 (a, 15:02; b1-b12, 14:19-15:27) and vertical cross-section diagram of Line ab on
特别需要指出的是,如上所述,对流风暴与雷暴外流边界A1相遇迅速加强为超级单体B,与已经存在雷暴的外流边界(阵风锋)相遇可能是此次超级单体风暴在较弱的深层垂直风切变条件下生成的重要原因之一。但其内在的机理并不清楚(
为了进一步揭示超级单体B的结构及其生消过程,沿着
2016年6月5日15:02—15:21海口多普勒雷达1.5°仰角同时刻的反射率因子(a1, a3, a5, a7, 单位:dBz)和平均径向速度(a2, a4, a6, a8, 单位:m·s-1),15:08(b1)和15:15(b2)沿着中气旋切向的平均径向速度垂直剖面图
The 1.5° elevation reflectivity (a1, a3, a5, a7, unit: dBz) and mean radial velocity (a2, a4, a6, a8, unit: m·s-1) of Haikou Doppler Radar at 15:02 BT-15:21 BT June 2016, the vertical cross-section diagram of mean radial velocity along the tangent direction of the meso-cyclone at 15:08 BT (b1) and 15:15 BT (b2) 5 June 2016
沿着
上述分析表明:6月5日文昌的EF2级龙卷过程是由超级单体引发的,龙卷发生地与超级单体勾状回波低层弱回波区反射率因子梯度最大区域相对应,也是雷达探测到的中气旋和类似TVS的小尺度强切变所在位置;超级单体是在东移的飑线东侧,由β中尺度海风锋辐合线和雷暴外流边界触发加强的;超级单体沿着海风锋辐合切变线自东向西传播,即后向传播;龙卷发生在中层中气旋向低层延伸加强过程中。
需要指出,当说到中层中气旋向低层延伸,很可能只是一个表象。注意
2016年6月5日15:12—15:27海南省文昌市冯坡镇和锦山镇出现的EF2级龙卷是海南省有记录以来最强的龙卷过程之一,这次龙卷的生成发展过程有录像全程记录,明确的时间对分析多普勒雷达回波、中气旋和小尺度强切变等特征非常有利。分析结果如下:
(1) 这次龙卷过程发生在副高边缘、500 hPa槽前、850 hPa切变线和地面热低压的南侧;中低层的弱冷平流叠加在地面暖湿空气上,增强了大气层结的条件不稳定性。但较弱的0~6 km垂直风切变似乎并不有利于超级单体风暴的形成。由于海陆风效应而显著增大的0~2 km垂直风切变,很大的CAPE值(4360 J·kg-1)只能部分解释超级单体风暴的形成。沿着海风锋辐合线西移的深厚湿对流与东移飑线阵风锋的相遇似乎是使得该西移深厚湿对流转变为超级单体风暴的重要因素,只是其中的机理并不清楚,有待进一步探讨。
(2) 这次龙卷过程是由超级单体引发的。最终演变为超级单体的雷暴是在飑线东侧,由β中尺度海风锋辐合线所触发,而由西向东移动的雷暴群的外流边界(阵风锋)与该雷暴相遇对其演化为超级单体起到促进作用;超级单体沿着β中尺度最初有海风锋导致的辐合切变线自东向西传播。超级单体具有勾状回波、中高层回波悬垂、中气旋和小尺度强切变(类TVS)等特征。小尺度强切变首先在2.5 km高度出现,然后同时向上和向下伸展,在1.6 km高度强度略有加强,雷达连续两个体扫探测到强切变。龙卷发生在从回波表象上看中层中气旋向低层延伸加强期间,位于勾状回波低层反射率因子最大梯度区域靠近弱回波区域一侧,也是雷达探测到的中气旋中心和类TVS强切变所在位置。
(3) 原来的海风锋辐合线与超级单体主体的下沉气流外流边界合并,形成位于超级单体东西向主体南侧的加强的外流边界(阵风锋),由于力管项的作用,沿着该窄带回波,形成由东指向西的水平涡管,该水平涡管在钩状回波旁的代表上升气流区的弱回波区被上升气流扭曲拉伸,形成低层中气旋,看上去好像是中层中气旋向低层的延伸。此外,这条东西向由超级单体风暴主体内降水下沉气流外流导致的阵风锋与西移的飑线阵风锋相遇,加强了地面附近的辐合,有助于低层中气旋获得拉伸旋转加速而形成龙卷。
值得注意的是,引发这次强烈龙卷的超级单体是自东向西移动的,勾状回波位于其前进方向的左前方,与文献(
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