新一代天气雷达原理与产品应用(2013年集训第六章-龙卷的雷达探测和预警)

新一代天气雷达原理与产品应用预报集训第五讲肖艳姣2013年11月第六章灾害性对流天气的探测和预警龙卷的雷达探测与预警肖艳姣2013年10月龙卷•龙卷风是从对流云中伸展到地面的剧烈旋转的漏斗状云柱，是破坏力极大的小尺度（几十米到几百米）灾害天气。•有的未接地面或未在地面产生灾害性风称为空中漏斗云。有的伸达水面，称为水龙卷。•龙卷漏斗云可有不同的形状，有标准的漏斗状，有呈圆柱状或圆锥状的细长绳索，有呈粗而不稳定的且与地面接触的黑云团，有呈多个漏斗状的。•绝大多数龙卷都是气旋性旋转，极少数是反气旋性旋转。©2005C.Doswell©1999RobertoGiudici龙卷气流结构•龙卷气流结构通常分为5个区，分别为外流区（Ⅰ区）、核心区（Ⅱ区）、角流区（Ⅲ区）、入流区（Ⅳ区）、对流羽（Ⅴ区）；•龙卷漏斗由内层下沉气流（对流云底部向下伸展并逐渐缩小的涡旋漏斗）和外层上升气流（地面向上辐合合并的涡旋气流）双层结构组成。由于龙卷中心附近空气外流，而上空往往有强烈辐散，因此龙卷中心气压很低，可到400hPa。由于龙卷中心气压的剧降，造成水汽的迅速凝结，龙卷才由不可见的空气涡旋变为可见的漏斗云柱。龙卷的形态主要取决于其旋转比（龙卷中上升气流边缘处的切向速度和龙卷内平均上升气流速度之比），旋转比越大，龙卷的尺度越大。•龙卷分为弱龙卷、强龙卷和剧烈龙卷。•弱龙卷外观看起来像一条细绳。约有70%的龙卷是弱龙卷，其旋转风速不大于110MPH（英里/小时）（49.2m/s）。•典型的强龙卷常有一个与旋转上升气流相联系的漏斗状云，旋转速度在110-200MPH（89.4m/s）之间。•Fujita按照龙卷对建筑物、树木和植被的损坏程度把龙卷分为5级，F0-F1：弱龙卷，F2-F3：强龙卷，F4-F5：剧烈龙卷。龙卷分级F0级（18-32m/s）：对烟囱会有一些损害，一些树枝被刮掉，树根浅的树可能被刮倒，指路牌被损坏。（损坏轻微）F1级（33－49m/s）：可以刮掉房屋屋顶的表面，将移动房屋刮离地基或侧翻，正在开动的汽车被推离公路。（损坏中等）F2级（50－69m/s）：框架结构的屋顶被刮掉，移动房屋被摧毁，集装箱卡车侧翻，大树被折断或被连根拔起，轻的物体快速飞到空中。（损坏相当大）F3级（70－92m/s）：屋顶严重损坏，一些结构比较结实的房屋的墙被刮倒，火车被刮翻，森林里大多数树木被连根拔起，汽车被掀离地面并被抛到一定距离以外。（损坏严重）F4级（93－116m/s）：较结实的房屋被夷平，一些房屋部件被抛到一定距离以外，汽车被抛到空中，一些大的物体高速飞入空中。（损坏巨大）F5级（117－142m/s）：非常结实的房屋被推离地基并被带到相当距离之外碎成几块。汽车大小的物体以超过100m/s的速度被抛入空中，会发生难以置信的现象。（难以想象）龙卷灾害图片F1F2F3NWSPhotobyMikeBranickF4F5July13,2004RoanokeILTornadoF4级龙卷的一个例子Roanoke,ILTornadoPath~19:36–19:43UTCRoanoke,ILTornadoPath~19:38–19:44UTCJuly13,2004RoanokeILTornado7/13/200419:41UTCRoanokeILTornadoJuly13,2004RoanokeILTornadoRoanoke,ILTornado~19:427/13/200419:41UTCRoanokeILTornado7/13/200419:41UTCRoanokeILTornadoRoanoke,ILTornado~19:41Roanoke,ILParsonsPlantRoanoke,ILParsonsPlantRoanoke,ILParsonsPlant龙卷外沿的风比其它位置的大。当面对朝向你移动的龙卷时，最强的风在你的左侧。美国每月龙卷平均发生数2004-2008年中国发生的龙卷分布（不完全统计）2004-2008年中国龙卷分布（不完全统计）如何区分龙卷和下击暴流灾害龙卷灾害：树以气旋性旋转方式倒向不同方向下击暴流灾害：树以辐散方式倒下下击暴流灾害2007年7月25日武汉市黄陂区蔡店乡遭下击暴流袭击，千余棵大树被风吹得朝同一个方向倒下或折断龙卷分类•超级单体（中气旋）龙卷•非超级单体（非中气旋）龙卷超级单体龙卷超级单体强龙卷的有利环境条件•超级单体龙卷由超级单体产生，强龙卷多数为超级单体龙卷。•超级单体风暴发生的环境通常为中等到强的CAPE和相对风暴螺旋度（垂直风切变），具有持续的深厚中气旋。然而统计表明只有20%左右中气旋才会产生龙卷。•龙卷与低层（1km以下）中气旋的联系更加紧密，只有低层中气旋的形成，产生龙卷的可能性才会大大增加。低层中气旋可能起源于蒸发冷却的下沉气流与暖湿入流间边界的斜压涡度生成，或者在超级单体附近预先存在的冷热气团边界。F2级以上龙卷的有利环境条件•对于F2级以上的龙卷，通常发生在：1）有强的0-1km垂直风切变；2）有低的抬升凝结高度（高的边界层相对湿度,小的T-Td伸展）环境中。低的抬升凝结高度和0-1km垂直风切变的重要性FromCravenandBrooks(2002)Note:Only1800LSTsoundingsused低层强垂直风切变的重要性•环境垂直风切变产生水平涡度，低层垂直风切变越大，则低层水平涡度越大，随低层入流在上升气流中转换成的垂直涡度也越大，造成的垂直涡度极大值高度与地面之间的向上扰动气压梯度力也大，导致更大的地面到垂直涡度极大值高度之间的上升运动和更强的地面附近的辐合，使得地面附近的背景垂直涡度在涡度方程中的垂直拉伸项的作用下形成更强的低层旋转，导致更强的龙卷。zx•如果大的垂直风切变不是集中在低层而是分布在0-6km的深厚层内，则在扭曲项作用下形成的中气旋的垂直涡度极大值的位置比较高，即使从该高度到地面之间的压力差不变，则由于垂直涡度极大值高度与地面之间的距离较大进而形成的向上扰动气压梯度力较小，造成地面到涡度极大值高度之间的上升速度以及地面附近辐合都较小，不容易形成强的低层旋转，不利于龙卷生成。抬升凝结高度的重要性•有龙卷外场观测表明，龙卷超级单体的下沉气流在地面附近辐散，辐散气流的一部分遇到低层强烈辐合，被重新卷入到低层中气旋内。而龙卷能否形成及其强弱与被卷入的下沉辐散气流的浮力特征有关，正浮力越大越有利于龙卷产生。•抬升凝结高度越低，表明低层相对湿度越大，下层气流中的气块在低层大气被进一步蒸发冷却的可能性就越小，其具有正浮力的可能性就越大，越有利于强龙卷的形成。•较低的边界层相对湿度导致蒸发冷却，下沉出流加强，低层中气旋会被切断，从而大大降低龙卷产生的概率。超级单体龙卷预警•强中气旋•中等以上强度的低层中气旋•TVS龙卷超级单体概念模型•反射率因子只能探测降水（红色区域）•上升气流（黄色）或下沉气流（绿色）的位置需要被推断。•FFD的形成主要是降水拖曳和环境空气被夹卷进入降水区的蒸发冷却造成的，它与暖湿入流的边界为前侧阵风锋。•RFD是由于高空干冷空气进入风暴后侧直冲向地面，雨滴的蒸发加速了这个过程，它与暖湿入流的边界为后侧阵风锋。•龙卷最易产生于上升气流和后侧下沉气流交界面附近靠近上升气流一侧。•多数情况下，与阵风锋联系的中气旋只有一个，但是有时却能以周期式方式产生一系列中气旋，从而产生龙卷族。龙卷超级单体风暴特征基于中气旋的龙卷预警指导超级单体龙卷预警主要建立在探测到强烈中气旋或者扩展到低层距地面1km以内的中等以上强度中气旋的情况下。此时出现龙卷的概率约为40%。与强龙卷相联系的中气旋特征可能在龙卷发生前20-30min出现。业务上通常应考虑三种情形：①如果中气旋能生成龙卷，最有可能在中气旋强度达到最大值期间产生；②如果速度切变最大（最小的半径和最大的旋转速度）的中气旋延伸到最低层的话，通常将会发生严重的龙卷；③如果中气旋的切变在不断加强（旋转速度加大，半径减小）并且—或者明显的旋转向下发展的话，表明这是一个或正在成为一个更加危险的中气旋。对于更远距离的风暴，尽管其中气旋可能已达到垂直延伸标准也很难探测到。龙卷涡旋特征TVS龙卷涡旋特征识别判据•切变判据（最重要）—相邻方位径向速度差ΔV=|Vin|+|Vout|*距离60km时，ΔV≥45m/s*60km≤距离≤100km时，ΔV≥35m/s•垂直伸展—垂直伸展几千英尺（至少2个仰角）*1英尺=0.3048米•持续性—持续至少2个体扫在雷达径向图上有时还能识别一种与龙卷紧密关联的比中气旋尺度小、旋转快的涡旋，在速度图上表现为像素到像素的很大的风切变，称为龙卷涡旋特征TVS。ΔVVinVout一旦出现TVS，说明龙卷接地或即将发生•在100km以外，TVS难以分辨。这是因为雷达波束随距离展宽（回波功率是在抽样体积重求平均，分辨率不够）和抬高（最低雷达波束从TVS靠近地面部分的上面穿过）的原因。•一旦正确探测到TVS，要立即发布龙卷警报。•在中气旋中伴有明显的相邻方位切变（很大的ΔV），尽管没有满足TVS的所有指标，可能是TVS，发布龙卷警报往往是正确的。•TVS探测概率低，大多数龙卷风警报建立在探测到较强的中气旋基础上。•TVS尺度小，往往只是相邻方位，除非离雷达很近。•TVS从中气旋成熟阶段开始发展，常常首先在空中的中气旋中被探测到。•当TVS在低层存在时最重要。当在0.5°仰角中探测到TVS时，常常预示着强的或剧烈的（F2-F5）的龙卷。UnionCity,OKTornado15:45CST龙卷涡旋特征:UnionCity,OKBinger,OKTornadoLow-levelTornadicVortexSignature:Binger,OKMid-levelTornadicVortexSignature:Binger,OKAttica–Harper,KSTornadoAttica–Harper,KSSupercellTVS随高度倾斜龙卷涡旋特征类型•下降的TVS—底部高度随时间下降，50%的下降式的TVSs都和超级单体相联系，能提供更长的预报时间。•非下降的TVS—起源于低层，随时间高度上升（常常是非超级单体龙卷）—同时在各层生成。一个下降式的TVSTrappetal.,19991.Flankingline1.1.2.Dryslotandhook2.2.TCTVSTVSTornado龙卷气旋和TVS标志干槽的钩状回波常常伴随着后侧下沉气流(RFD)。龙卷气旋(TC)是加速的入流进入龙卷的区域，是可见龙卷直径的10倍May3,1999龙卷涡旋特征（TVS）是当雷达波束宽度相对龙卷宽度是大的时候的龙卷气旋。龙卷和强辐合•入流加速–在上升气流核中，强的负压力诱导入流加速。–间接指示涡旋拉伸潜力•低层辐合–更直接地指示涡旋拉伸潜力photographer涡旋拉伸–加速的低层入流和辐合龙卷精细结构车载多普勒雷达观测甚高分辨率资料（64m*17m），观测的龙卷中心离地面高度110m多龙卷涡旋特征（TVSs）多龙卷涡旋特征预示着在低层垂直涡度更高。•TVSs必须有高度连续性，以增加把上升气流连在一起的信心。•为了增加更多的信心，TVSs应该位于以下几个特征内部:—缠绕的钩，后侧下沉气流；—入流槽；—附着阵风锋；—关联到一个中气旋。1999年5月3日（多涡旋龙卷）强大的多涡旋龙卷龙卷警报指导•强的低层拉伸的证据：—强的低层上升气流*有界弱回波区BWER、弱回波区WER、强的低层辐合LLConvergence、入流槽口。*强的低层中气旋/龙卷涡旋特征TVS—有利的环境*强的0-1km的风暴相对螺旋度（SRH）/切变*低的抬升凝结高度(LCL)*足够的对流有效位能（CAPE）*小的对流抑制（CIN）龙卷潜势•最好的龙卷超级单体/多单体模型/趋势：—在相对风暴径向速度图上有紧缩的/加深的中气旋、TVS；云底有极好的低层辐合和/或风暴移进低的凝结抬升高度和/或强的低层切变环境中和边界相互作用。个例分析例子1：2003年7月8日安