2016年6月23日中国盐城超级单体风暴内循环龙卷中气旋的雷达分析

《Remote Sensing》：Radar Analysis of Cyclic Tornadic Mesocyclones Within the 23 June 2016 Yancheng Supercell Storm in China

　　

2016年6月23日，中国江苏省盐城市一次超级单体风暴产生两场龙卷——首场达EF4强度并持续约50 min，次场评定为EF2–EF3并持续约20 min。研究人员利用S波段固定式多普勒天气雷达(CINRAD/WSR-98D)捕获到该超级单体内部存在循环龙卷中气旋(cyclic tornadic mesocyclones)的证据，为中国境内罕见的强循环龙卷风暴个例提供了观测依据。风暴演变过程中识别出三个离散中气旋(mesocyclones)。第一个中气旋的闭合(occlusion)过程持续约42 min且相对较长，旧中气旋关联的亚中气旋强度涡旋(submesocyclone-strength vortex)在钩状回波(hook echo)完成自身包裹后可继续被探测达18 min；相比之下第二个闭合过程演变更快，于18 min内完成，期间新旧中气旋相互绕转。研究发现风暴反射率因子强度与中气旋的闭合及新生过程存在密切耦合关系，中气旋生成的时机可能与反射率因子核(reflectivity core)减弱并向下延伸至近地面有关——第二和第三个中气旋分别约在反射率因子核减弱并降低至近地面后24 min和18 min形成。

《2016年6月23日中国盐城超级单体风暴内循环龙卷中气旋的雷达分析》论文解读

一、研究背景与意义

循环龙卷超级单体(cyclic tornadic supercell)指同一超级单体在其生命史内能连续产生一系列离散中气旋(mesocyclone)及龙卷的过程，通常与最强级别的强对流天气相关联。Burgess(1985)及Adlerman等基于数值模拟提出了中气旋循环的概念模型，认为中气旋闭合(occlusion)过程类似于温带气旋结构，新中气旋在旧中气旋下游后侧下沉气流(rear-flank downdraft, RFD)区生成，旧中气旋向流入区(inflow)后方移动并最终消散。此类现象在北美以外地区（尤其在中国）极为罕见，观测研究匮乏。中国东部地区虽偶有龙卷发生，但环境动力条件较美国不利，EF2以上强龙卷更少。2016年6月23日江苏盐城阜宁—射阳发生的超级单体风暴产生EF4级龙卷，为1977年以来中国最严重的单次龙卷灾害。已有研究(Xue et al., 2016; Zhang et al.; Meng et al.)对该个例气象背景及首个EF4龙卷有所探讨，Meng等曾初步推测两次龙卷间可能存在中气旋闭合，但未系统分析整个超级单体的循环行为。鉴于循环超级单体与中国最强对流灾害密切相关而本地观测稀缺，研究人员对该盐城超级单体完整生命周期展开S波段固定雷达观测分析，详细刻画其中气旋闭合—新生(occlusion-genesis)过程、钩状回波几何演变及其与风暴反射率因子核演化的时间关联，以深化对东亚循环超级单体行为的认识并为业务临近预警提供参考。本文发表于《Remote Sensing》。

二、主要技术方法

研究人员使用距超级单体40–65 km的盐城S波段新一代天气雷达(CINRAD/China New Generation Weather Radar，即WSR-98D)体扫数据，体扫模式VCP-21含0.5°–19.5°共9层仰角，体扫间隔约6 min，最低仰角波束高0.68–1.24 km。雷达数据经退模糊、地物抑制及距离折叠处理后，采用CINRAD系统内嵌算法（同WSR-88D算法）检测中气旋特征(mesocyclone signature)及龙卷涡旋特征(Tornadic Vortex Signature, TVS)——TVS检测设最低方位径向速度差(base DV)阈值25 m·s^?1（1511 LST时临时调至20 m·s^?1），中气旋检测采用高低角动量两套阈值（540 km²·h^?1配7.2 h^?1，及180 km²·h^?1配14.4 h^?1）；为追踪衰减后亚中气旋强度涡旋，部分时次降低角动量阈值至300/100 km²·h^?1或200/90 km²·h^?1。风暴尺度的反射率因子核强度统计通过将雷达数据插值至250 m分辨率三维笛卡尔网格，统计全风暴域内>60 dBZ格点数，并以50 dBZ回波顶高(echo top height)辅助表征。龙卷最大风速由CINRAD低层速度差(Low-Level Delta Velocity, LLDV)扣除由风暴单体追踪得到的风暴移速估算，参照DOW(Doppler On Wheels)与WSR-88D统计经验公式换算。

三、研究结果

3.1 Overview（循环演变概览）

通过1408–1556 LST期间每6 min体扫追踪中气旋及TVS轨迹，研究人员识别出三个循环中气旋：M1（首中气旋，1156 LST初现，1411 LST伴EF4龙卷，1442–1459 LST闭合并衰减，约1500 LST完全消散）；M2（第二中气旋，1436 LST于RFD下游中层初现并加强，1511–1528 LST伴EF2–EF3射阳龙卷，1516–1533 LST闭合并消散）；M3（第三中气旋，约1522 LST于WER区新生，未产龙卷，1556 LST随风暴入海消散）。钩状回波分别于1408、1511、1545 LST三次周期性出现，证实典型循环超级单体特征。

3.2 Transition Between M1 and M2（M1与M2转换阶段）

1436 LST RFD下游3.4°仰角出现新亚中气旋涡旋（后发展为M2）；1442 LST钩状回波开始自我包裹，弱回波区(Weak Echo Region, WER)变窄，M1相对WER向后运动，M2已具中气旋强度。1448 LST M1衰减至亚中气旋强度，钩状回波与主反射率因子核融合难辨，但闭合进程放缓。1448–1459 LST WER重新拓宽，M1滞留于钩状回波根部近WER处，1.5°及2.4°仰角可见主反射率因子核朝M1方向产生缺口（notch），表明上升气流仍部分供给M1——反映此阶段流入/流出短暂再平衡，M1关联的亚中气旋涡旋持续可测至1459 LST（对应Tornado 1约1500 LST终止）。同期0.5°径向速度场持续存在RFD两侧的顺/反气旋涡旋对，RFD回波呈西北—东南向窄卷须状(tendril-shaped echo)，吻合Beck等钩状回波衰减—重建概念模型。1505 LST RFD向南偏移、前侧下沉气流(forward-flank downdraft, FFD)反射率增强，1511 LST新钩状回波完全重建并于射阳产生Tornado 2。结论：首轮闭合较慢，旧中气旋衰减后在上升气流残余供给下可存留约18 min；次轮闭合加快且新旧中气旋互绕。

3.3 Transition Between M2 and M3（M2与M3转换阶段）

1516 LST M2北移至FFD区，新中气旋M3于原M2位置（WER下游RFD后）生成，二者共存并逆时针互绕（平均角速度4.1°·min^?1）。1522–1528 LST M2西移进入FFD与RFD间的"袋状区(pocket)"并衰减为亚中气旋强度，1533 LST消散。钩状回波1522 LST延伸超TVS、1528 LST南北向变形、1533 LST呈反曲钩形(recurved hook shape)、1545 LST重建新钩状回波，吻合French等报道的循环中气旋互绕与反曲钩状回波特征。1528 LST钩状回波前沿出现锤头状("hammerhead")附件回波，径向速度场对应RFD相关顺—反气旋涡旋对（南侧反气旋涡旋因距离折叠仅高层可辨），暗示东移RFD遇入流发生分流。1533 LST"锤头"回波增强并通过东西向高反射率带重新连入主核，径向上对应RFD阵风锋北移与FFD辐合线闭合含M2的袋状区，标志M2闭合完成。结论：第二轮闭合过程中新旧中气旋互绕且反曲钩状回波重现，RFD入流分流形成锤头回波及顺—反涡旋对，最终RFD与FFD辐合切断旧中气旋供给致其消散。

3.4 Cyclic Evolution of Storm Intensity（风暴强度循环演变）

统计全风暴>60 dBZ格点数及50 dBZ回波顶高的时间序列显示，超级单体经历三次明显强度循环，与中气旋生命周期对应——每轮先增强（反射率因子核扩大、回波顶升高）后减弱（核缩小、顶降低）。反射率因子核显著减弱并向下延伸至近地面分别出现在1408–1419 LST、1448–1459 LST及1545–1601 LST。M2约在首次反射率因子核减弱降低后24 min形成，M3约在第二次减弱降低后18 min形成。M3于1556 LST后因风暴入海及低层垂直风切变锐减而消散。结论：风暴尺度反射率因子核的减弱—降低过程对中气旋新生具有时间前兆指示意义，滞后约18–24 min可出现新中气旋。

四、中气旋与TVS统计及风速估计（第4节浓缩）

M1在Tornado 1期间平均最大切变量达61.2×10^?3s^?1，远超江淮地区同类个例均值(14.4×10^?3s^?1)；对应TVS平均最大切变73.1×10^?3s^?1（对比文献均值30.8×10^?3s^?1）。由CINRAD低层速度差(LLDV)扣风暴移速按WSR-88D–DOW经验关系换算，Tornado 1估算最大风速对应EF4级，与灾损调查一致；Tornado 2估算对应EF0–EF2级（个别时刻达EF3受风暴移速不确定影响）。

五、讨论与结论（Summary部分总结翻译）

2016年6月23日江苏盐城超级单体向东移动并产生阜宁EF4与射阳EF2–EF3龙卷，本研究基于S波段CINRAD数据分析其中气旋循环闭合与新生过程。超级单体内识别三个中气旋生命周期，演变符合经典概念模型——旧中气旋转向后方流入区、新中气旋在RFD下游中层发展、钩状回波于闭合期变形。第一轮闭合相对缓慢，钩状回波自包裹后旧中气旋关联的亚中气旋涡旋再存留约18 min，表明有持续流入支撑；第二轮闭合较快且新旧中气旋互绕。风暴强度呈循环演变，反射率因子核演化与中气旋闭合—新生存在时间耦合——新中气旋分别在反射率因子核首次与第二次减弱并向地表降低后约24 min和18 min形成。受单站固定雷达限制（时间/空间分辨率有限、无双多普勒风场反演及偏振参量分析），未来需多站快速扫描偏振雷达深入研究，并对比循环与非循环龙卷风暴环境差异以为业务预警服务。