摘 要： 利用NCEP 1.0°×1.0°再分析资料、多普勒雷达及常规观测等资料, 对池州市的一次水龙卷过程进行分析, 结果表明: (1) 升金湖的水龙卷属于F0级, 是由于高温高湿的低层大气中大量不稳定能量集中释放所产生的; (2) 湖面作为下垫面有利于龙卷的发生, 同时升金湖特殊的地形条件也有利于龙卷的发生; (3) 由于受到西太平洋副热带高压的控制, 大气层结600hPa以下都接近于静风, 导致此次过程中的低层垂直风切变很小, 这一特点与国内外大多数龙卷有所不同; (4) 升金湖水龙卷发生时, 存在反射率因子核迅速下降的现象, 但在速度类雷达产品中都没有发现强对流的特征, 因此应属于非超级单体龙卷。
关键词： 水龙卷; 低层垂直风切变; 反射率因子核;
1、 引言
安徽省池州市东南部以九华山、牯牛降为主体构成南部山区骨架, 是皖南山区的组成部分, 中部为岗冲相间的丘陵区, 西北部沿江地带为洲圩区, 地势低平, 河湖交错。池州市的主要气象灾害是暴雨, 而龙卷极少发生。根据姚叶青等的研究[1], 1960-2009年安徽128次龙卷主要出现在淮河到长江的江淮地区 (不包括大别山区) , 尤其是江淮之间的东部地区;池州市作为龙卷的少发地, 仅在1973年8月1日东至站记录到1次龙卷。
2016年8月6日15时, 在池州市东至县升金湖的湖面上出现了罕见的水龙卷, 更为难得的是有多位村民用手机视频记录到这一现象, 在视频中甚至可以清晰地看到龙卷的双层结构[2]。气象学者对于本地的龙卷研究早已开展[3,4,5,6], 而对于池州市的龙卷研究尚属空白, 加之民众对此次水龙卷事件表示高度的关注, 因此很有必要对此次水龙卷过程开展研究。本文将选取常规观测资料、安庆站多普勒雷达数据、NCEP再分析资料对此次水龙卷过程进行分析。
2、 天气实况
2016年8月6日15时左右, 在池州市东至县升金湖湖面的东南段出现了水龙卷 (图1a) 。水龙卷移动速度缓慢, 在湖面上向偏南方向移动, 累计移动距离在1km左右 (图1b) 。由于水龙卷的路径上及附近几千米范围内无自动气象站, 因此没有地面观测数据。根据视频资料及实地调查, 水龙卷持续的时间在10min左右;水龙卷在各高度层上的直径并不相同, 平均直径不足100m;水龙卷仅对升金湖的部分水箱养殖网造成损坏, 未造成人员伤亡。综上所述, 此次水龙卷应属于F0级。
图1 a.水龙卷视频截图, b.水龙卷移动路径
3、 成因分析
3.1、 天气背景
2016年8月6日08时, 500hPa上伊朗副热带高压和西北太平洋副热带高压分别控制着我国西部地区和我国沿海地区, 池州市处在西太平洋副热带高压边缘, 在两高之间有一低压槽位于华中地区;2016年第5号台风“奥麦斯”位于24.3°N, 147.6°E的西北太平洋上, 离我国大陆尚有2000km以上的距离 (图2a) 。与500hPa的低槽相对应, 在700hPa和850hPa上华中地区都有切变线存在, 但切变线附近的风速并不大, 达不到急流标准 (图2b, 图2c) 。地面图上, 我国中东部的广大地区都处在均压场中 (图2d) 。温度场上, 在陕西和山西交界处有弱冷空气堆, 与两高之间的低涡的位置基本重合。
图2 8月6日08时高度场
3.2、 物理量特征
姚叶青等[1]研究指出, 环境低的抬升凝结高度使得龙卷风暴的底部较低, 有利于地面龙卷的产生;王毅等[3]的研究表明, 龙卷易发生在整层较湿的环境中。从8月6日08时安庆站探空资料 (图3) 可以看出:整层大气都接近饱和, 850hPa的比湿高达15.25g/kg, 地面的相对湿度达到100%, 因而抬升凝结高度 (LCL) 在地面。考虑到水龙卷发生是在15时左右, 再利用NCEP1.0°×1.0°再分析资料做6日14时点 (30°N、117°E) 的探空曲线作对比 (图4) 。14时的露点层结曲线与08时变化不大, 但由于地面气温的日变化, 近地层的相对湿度下降明显, 抬升凝结高度在900hPa附近。综上所述, 本次过程的水汽条件有利于水龙卷的产生。
图3 8月6日08时安庆站探空资料
图4 8月6日14时点 (30°N、117°E) 探空曲线
6日08时大气的不稳定能量十分充足, CAPE值达到3135.8J/kg, 沙氏指数SI=-1.54, K指数36℃, 并且有弱的对流抑制有效位能CIN=10.6J/kg。到14时能量条件变化不大, CAPE值2454J/kg, 沙氏指数SI=-5, K指数35℃, 对流抑制有效位能CIN=9J/kg。对点 (30°N、117°E) 做假相当位温的时间垂直剖面 (图5) 可以看出, 从5日08时到6日08时1000hPa与800hPa之间假相当位温等值线密集, 平均差值在16℃左右, 说明不稳定能量主要集中在800hPa以下的低层大气。6日08时起, 1000hPa与850hPa之间假相当位温等值线变得更加密集, 尤其是925hPa与850hPa之间;在6日20时之后, 等值线又迅速变得稀疏。说明在6日白天低层大气存在一个能量的积累过程, 在6日20时前再将能量大量释放。
图5 点 (30°N、117°E) 假相当位温垂直剖面
但是, 与国内外大多数龙卷不同的是, 此次过程的垂直风切变很小。由于池州市受到西太平洋副热带高压的控制, 600hPa以下接近于静风。6日08时, 尽管925hPa与850hPa的风向相反, 但由于风速仅为1m/s, 因此垂直风切变仅为2.7×10-3 s-1;地面与925hPa间的垂直风切变仅为0.3×10-3 s-1。
3.3、 地形条件
龙卷的发生与下垫面的性质关系很大, 龙卷的发生与地形有很大关系, 即易出现在地形较为平坦的地区, 附近的江河湖泊对龙卷的产生可能也有一定的促进作用, 而山区的地形不利于龙卷的产生[1]。此次水龙卷发生在升金湖的东南段 (图6) , 一方面宽广的湖面为龙卷的发生提供了平坦的下垫面;一方面湖面附近的水汽更充沛;一方面升金湖北面是沿江平原, 南面是丘陵地区, 6日15时沿江地区以偏北风为主, 在升金湖的南岸会形成地形强迫抬升;另一方面, 相对于宽广的湖面, 水龙卷发生处是一个不规则的喇叭口地形, 气流经过此处, 将产生地形辐合。
图6 水龙卷发生地地形
4、 雷达回波特征
水龙卷发生地距离安庆雷达站40km, 距离铜陵雷达站108km。6日14时32分, 一个对流单体在升金湖的东部开始生成, 而在升金湖以南的山区已经有大量的分散性的对流单体在发展东移。该对流单体在发展的同时向南缓慢移动, 于15时00分至15时24分发展至成熟阶段, 并且恰好经过升金湖的东南段。从15时30分开始, 升金湖的对流单体快速消散。
图7 安庆站雷达产品
(a) 15时12分1.5°仰角反射率因子 (b) 14时54分反射率因子垂直剖面 (c) 15时00分反射率因子垂直剖面 (d) 15时12分反射率因子垂直剖面 (e) 15时24分反射率因子垂直剖面 (f) 15时16分回波顶高
从安庆站雷达的1.5°仰角反射率因子图上看, 升金湖上的对流单体回波较小, 与南部山区的回波在形态上无明显区别 (图7a) 。沿着安庆站雷达的径向方向经过龙卷发生地做反射率因子的垂直剖面。在14时54分, 对流单体的反射率因子核心位于4km高度上, 强度达到50dBz, 在2km以下的近地层以及6km以上的对流层中上层, 反射率因子都小于35dBz (图7b) 。仅过了6min左右, 在15时00分, 对流单体的中层发展得非常迅速, 50dBz以上的回波范围扩展到了1~6km的高度范围, 反射率因子核心下降到了3km高度上, 强度增强到55dBz (图7c) 。在15时12分, 反射率因子核心的下降更加明显, 已经下降到了1km高度上, 强度依然维持在55dBz, 同时云顶高度也在不断增加 (图7d) 。到了15时24分, 尽管仍有50dBz以上的回波区, 但是整体的强度有所降低, 对流单体的结构已经开始变得松散, 并且云顶高度也开始下降 (图7e) 。
较为遗憾的是, 从速度类的雷达产品 (包括基本径向速度、中气旋、TVS、相对风暴径向速度) 中, 都没有发现明显的强对流特征, 这可能与此次水龙卷的尺度太小有关。此外, 通过云顶高度的对比可以发现, 水龙卷所在的对流单体的云顶高度达到14km, 明显高于南部山区的普通对流单体。
综合以上分析, 产生此次升金湖水龙卷的对流单体不属于超级单体, 仅是普通的雷暴单体。因此, 该水龙卷应属于非超级单体龙卷。
5、 结论
2016年8月6日发生在池州市东至县升金湖的水龙卷属于F0级, 其主要是由于高温高湿的低层大气中大量不稳定能量集中释放所产生的, 在这其中, 作为下垫面的升金湖水面宽广且平坦, 加之周边特殊的地形条件均有利于此次水龙卷的发生。
升金湖水龙卷发生时, 存在反射率因子核迅速下降的现象, 但在速度类雷达产品中都没有发现强对流的特征, 因此其应属于非超级单体龙卷。值得注意的是, 由于受到西太平洋副热带高压的控制, 池州大气层结600hPa以下都接近于静风, 导致此次过程中的低层垂直风切变很小, 这一特点与国内外大多数龙卷有所不同。
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