2019 年7月1日屏東龍捲風雙偏極化雷達觀測分析 · 2019 年7 月1...

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國家災害防救科技中心災害防救電子報

第 170期，2019/10發行

2019年 7月 1日屏東龍捲風雙偏極化雷達觀測分析

摘要

2019 年 7 月 1 日午後，社群與新聞媒體紛紛報導屏東林邊發生

龍捲風事件，透過社群照片與影片清晰地看見高速旋轉之漏斗狀雲及

其快速移行過程。本研究透過社群攀爬技術收集民眾發布的龍捲風相

關訊息，確認本次龍捲風移動方向與影響的範圍。

氣象局與水利署共同規畫建置的林園雙偏極化雷達，於 2017 年

底正式作業觀測，使得本次龍捲風成為台灣首例由雙偏極化雷達觀測

之陸地龍捲風事件。本研究使用該雷達分析此次事件，確認許多過去

台灣龍捲風未曾發現，並且與美洲大陸由超級胞激發之龍捲風相似的

雙偏極化雷達觀測特徵(例如：龍捲風沙塵特徵、弧形的差異反射率

特徵、柱狀的差異反射率以及比差異相位差)。配合綜觀環境分析，

本次龍捲風事件為「迷你超級胞」所激發，其生命期約 15~20 分鐘。

李宗融 1、廖信豪 1、王安翔 1、林忠義 1、于宜強 1、劉致灝 2

1國家災害防救科技中心氣象組

2國家災害防救科技中心資訊組

2國家災害防救科技中心資訊組

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一、前言

龍捲風為中尺度劇烈天氣的一種，其水平空間尺度小(數十~百公

尺)、生命期短，但因旋轉速度快，所經之處往往會對建築物造成嚴

重的破壞。根據研究顯示，全球最容易發生龍捲風的地區為美國中西

大平原，該地區因位處不同氣團交會處，為超級胞(Supercell)好發區，

進而容易激發龍捲風(Supercell Tornado)，也因為發生頻率高，該地區

甚至有龍捲風走廊(Tornado alley)之稱(Bluestein 1999)。然而，並非僅

有超級胞會激發龍捲風的形成，世界各地仍有許多非超級胞所激發的

龍捲風 (Non-Supercell Tornado)事件。

根據張與劉(2016)研究，過去 18 年(1998-2015)台灣有 103 個龍

捲風事件發生，好發季節為暖季(5-9 月)，發生時間則多落在 11~19

時之間。其中，南部地區(台南、高雄及屏東)發生次數最多佔 41.7%，

其次為東南部地區的 20.4%。台灣發生的龍捲風，多屬非超級胞所激

發的龍捲風，其成因可分為 3 類，分別為介面型(例如：伴隨鋒面、

颮線)、積雲型及颱風激發(劉與張 2004、Liu and Chang 2007)。張與

劉(2016)分析之 2015 年台南新化龍捲風，則是台灣首個被分析確認

由迷你超大胞(Mini supercell)激發之龍捲風個案。

過去的龍捲風事件，往往都是透過新聞揭露後，輔以勘災及氣象

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資料分析方能確認。現今，隨著隨身通訊攝影設備普及及社群媒體發

達，越來越多龍捲風事件(例如 2009年 0420白河龍捲風、2011年 0512

新店龍捲風、2013高雄大樹龍捲風及 2015台南新化龍捲風)，都是透

過即時攝影與社群媒體發布，大幅提升事件確認與通報的時間。

2019 年 7 月 1 日午後，社群媒體與即時新聞紛紛傳出屏東林邊

發生龍捲風事件。透過新聞照片與社群媒體影片，可清楚看到明顯高

速旋轉之漏斗狀雲及快速移動之龍捲風。由於龍捲風的尺度小、移動

快，氣象雷達高時間、空間解析度之觀測特性，就成為觀測分析龍捲

風的利器。2010 年氣象局與水利署規劃在北中南各建置一座Ｃ頻雙

偏極化雷達，以精進低窪區之降雨與淹水預警能力。其中，規劃建置

於高雄林園的雷達，於 2017 年底建置完成並正式上線執行觀測作

業，也使得本次屏東林邊龍捲風為首例由雙偏極化雷達完整觀測之陸

地龍捲風事件。本研究將使用林園雙偏極化雷達(RCKS)觀測資料，

針對此次龍捲風進行雙偏極化觀測參數的特性分析。

二、災情概述與綜觀天氣分析

如前文所述，有賴於通訊攝影設備及社群媒體的發達，使得本次

龍捲風事件訊息很快速地被傳播。為加速對本次事件災情的了解，本

研究使用社群資料攀爬的技術(Liu 2017、劉 2017)，針對社群媒體上

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相關災情訊息進行攀爬、蒐整與定位(圖 1)。根據彙整結果，初步判

定本次龍捲風事件為東南向西北移動(幾乎沿著台 17 線移動)，從民

眾上傳的資料，甚至可以清楚看到漏斗雲著陸(Touch down)的過程。

圖 1. 本研究使用社群資料攀爬的技術(Liu 2017、劉 2017)，針對本次龍捲風社群

災情進行龍捲風移行路徑分析。圖中照片定位點之數字，僅標示攀爬結果之

順序，非事件發生之時序

分析本次龍捲風事件的綜觀環境，當時台灣處在一大低壓帶環境

內，南海及菲律賓東北方海面分別有熱帶性低氣壓及低壓發展中。受

低壓帶環流影響，台灣附近之低層大氣盛行偏南風至東南風。由於中

央山脈之阻擋，低層的偏東南風僅能繞山，而使得台灣海峽及西部平

原轉為吹偏北風，大環境之偏東南風與海峽之偏北風於台灣南部地區

形成一個輻合區(圖 2(a))。進一步分析中高層大氣特性(圖 2(b)~(d))，

850hPa 顯示台灣處在一高相當位溫區域。換言之，低層大氣環境不

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穩定度相當高，配合 500 hPa在台灣上游有一分流區及 200 hPa台灣

南部地區上空的輻散區，整體大氣環境相當有利劇烈對流系統發展。

由 7 月 1 日 14 時至 16 時之雷達回波圖(圖 3)可發現，恆春半島東南

方有線狀對流發展，此線狀對流朝西北方向移動。15 時，原位在屏

東林邊外海的對流系統迅速組織與增強，並隨大環境風向往西北移

動。16 時，此對流系統已移動至高雄地區，研判龍捲風應是此一對

流系統快速增強下所激發形成。

圖 2. 2019 月 7月 1日 14時 NCEP GFS 分析場。(a)1000hPa重力位高度與風場；

(b)850P 相當位溫；(c)500hPa渦度場；(d)200hPa輻散場。

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圖 3. 7月 1 日 14時~16時，每小時一張之整合雷達回波圖。

三、龍捲風雙偏極化雷達觀測特徵分析

1. 勾狀回波與中尺度渦旋特徵

圖 4為 Lemon and Doswell(1979)所提出之超級胞概念模式，超級

胞通常伴隨一股主要的上升氣流(Updraft，圖中粉色 U區域)及兩股下

沉氣流，分別為後側下沉氣流(Rear Flank Downdraft，RFD)及前側下

沉氣流(Forward Flank Downdraft，FFD)，由超級胞激發之龍捲風多發

生在圖中 T的位置(也就是勾狀回波(hook echo)前緣)。這樣的結構，

造就超級胞在雷達觀測上有許多特殊的特徵(Signature)，例如：勾狀

回波、強烈上升氣流造成之弱回波區(Bounded Weak Echo Region，

BWER)及中尺度氣旋等(圖 5)。

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圖 4. Lemon and Doswell(1979)提出之超級胞概念模式(圖摘自Markowski and

Richardson 2011)。

圖 5. 美國利用雷達觀測超級胞之特徵，例如：勾狀回波、中尺度渦旋於徑向風

場之雙極化特徵及弱回波區(BWER)。(圖摘自 Markowski and Richardson

2011)。

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圖 6、7 分別為林園雙偏極化雷達 7 月 1 日 14 時 49 分至 15 時

19 分的回波與徑向風場圖。圖 6 可明顯發現，位在屏東林邊外海之

對流胞逐漸增強與發展，在 15時 04分已經發展出明顯之勾狀回波特

徵，此一特徵約持續至 15時 19分消失。配合徑向風場分析結果，從

14 時 49 分在勾狀回波區域附近，就有一明顯的徑向風場雙極化

(dipole，風場數值呈現一組相對應之正負極值區)特徵，這樣雙極化

特徵就是本次龍捲風存在明顯中尺度渦旋的重要證據。分析本次激發

龍捲風對流系統的回波垂直結構(圖 8)，同樣存在明顯的弱回波區

(BWER)結構特徵。

圖 6. 林園降雨雷達 7月 1日 14時 49分至 15 時 19分，每 7分鐘之雷達回波圖。

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圖 7. 林園降雨雷達 7月 1日 14時 49分至 15 時 19分，每 7分鐘之徑向風場圖。

圖中+字為林園雙偏極化雷達所在位置，黑色圓圈即為風場雙極化(dipole)特

徵，也就是中尺度氣旋所在位置。

圖 8.勾狀回波之垂直結構特徵。

2. 龍捲風沙塵特徵(Tornado Debris Signature，TDS)

雙偏極化雷達，顧名思義就是會發射兩個不同極化方向之電磁

波，進行大氣中粒子(包含水象、冰象或非水象)之觀測。相較於傳統

水平極化雷達，除了回波(Zhh)與徑向風場(Vr)外，還可獲得更多進階

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觀測參數，例如：差異反射率(Diffrential Refletivity，Zdr)、差異相位

差 (Differential Phase，ΦDP)、比差異相位差 (Specific Differential

Phase，KDP)及相關係數 (H-V correlation，ρHV)，可供大氣中水象

粒子之微物理行為特性分析或是定量降雨估計等(陳與張 2006)。

Ryzkov et al.(2002)是首個利用雙極化雷達觀測參數，分析研究超級胞

激發龍捲風附近之雙極化參數特徵。Kumjian and Ryzkov(2007)分析

美洲大陸 18個超級胞個案的雙極化雷達觀測參數特徵，其中 11個超

級胞有形成龍捲風，7個沒有。11個有形成龍捲風的個案，在勾狀回

波附近，都出現相似的雙極化參數特徵，分別是高回波值、低差異反

射率(Zdr)及低相關係數(ρHV)(圖 9)，這些特徵與龍捲風捲起隨機形

狀、大小與高反射率之非水象粒子有關(例如：建物、樹枝等)。因此

這樣雙極化參數特徵，被稱為龍捲風沙塵特徵 (Tornadic Debris

Signature)。

圖 9. 雙偏極化雷達參數之龍捲風沙塵特徵(Kumjian and Ryzkov 2007)。

圖 10 為 7 月 1 日 15 時 04 分林園雙偏極化雷達 9.9 度仰角之回

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波、差異反射率及相關係數觀測圖，同樣可以發現相似 Kumjian and

Ryzkov(2007)所提出之龍捲風沙塵特徵(TDS)。分別是勾狀回波區域

有高回波值(55 dBZ以上)、相對低的差異反射率(約 2-3 dB)及低相關

係數(約 0.85~0.9)。

圖 10. 林園降雨雷達 7月 1日 15時 04分，9.9 度仰角之回波(a)、差異反射率(b)

及相關係數觀測結果。

3. 弧形的差異反射率特徵(Zdr Arc Signature)

在 Kumjian and Ryzkov(2007)研究的 18個超級胞個案，不論是否

有生成龍捲風，在 FFD的南側(或勾狀回波的對側)都有出現一個弧形

的差異反射率大值區(約 4-5 dB)區(圖 11)，其稱之為弧形差異反射率

特徵(Zdr Arc Signature)。而形成這樣特徵的物理過程與強烈的上升與

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下沉氣流導致之水象粒子排序(Size Sorting)過程有關。也就是小的水

象粒子因終端速度小，易被上升或下降氣流帶到較遠處，大粒子因終

端速度大，易停留在原處，導致出現差異反射率(Zdr)大值區的特徵。

分析林園降雨雷達之差異反射率(圖 10(b))，同樣在勾狀回波的對側，

有一差異反射率大值區(約 5~6.5dB)，且同樣呈現的弧形的特徵。

圖 11. (a)弧形的差異反射率特徵(Zdr Arc Signature)發生位置之概念模式.(b)美國

2003 年 5月 10 日超級胞個案之弧形的差異反射率特徵(Kumjian and Ryzkov

2007)。

4. 柱狀的差異反射率以及比差異相位差(Zdr、KDP Columns)

過去許多研究指出，在劇烈的對流系統中，很容易發現柱狀的差

異反射率以及比差異相位差的特徵(Zdr、KDP Columns)，這樣的特徵

的形成主要為強烈上升氣流所導致，且柱狀的發展高度會達到融解層

(Melting Level)以上(Caylor and lllingworth 1987; Conway and Zrnić

1993)。由於，超級胞之結構同樣也具有強烈的上升氣流，因此也易

出現上述特徵。根據 Loney et al. 2002、Kumjian and Ryakov 2007 之

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研究，在超級胞達成熟期時，柱狀會呈現傾斜的特徵，且比差異相位

差柱(KDP Column)會略位在差異反射率柱(Zdr Column)的西側(上風

切處) (圖 12(a)、(b))。

圖 12(c)、(d)為 7 月 1 日 15 時 04 分之差異反射率與比差異相位

差剖面分析。圖中同樣明顯發現差異反射率(Zdr)與比差異相位差

(KDP)的柱狀結構以及柱狀傾斜之特徵，同時也明確發現比差異相位

差柱(KDP Column)位於差異反射率柱(Zdr Column)的西側之特徵。

圖 12. 美國 2003年 5月 10日超級胞龍捲風個案之柱狀差異反射率特徵(a)及柱

狀比差異相位差特徵(b) (Kumjian and Ryzkov 2007)。屏東林邊龍捲風事件之

柱狀差異反射率特徵(c)以及柱狀比差異相位差特徵(d) 。

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四、討論與結論

2019 年 7 月 1 日，台灣處在一個大低壓帶環境內，整體大氣環

境非常不穩定且有利劇烈對流系統的發展。在當日午後 15 時左右，

屏東地區發生龍捲風事件，在當地造成建物、農作受損等災情。本研

究透過社群媒體攀爬與定位技術，初步確定本次龍捲風事件為由東南

向西北方向前進。

氣象局與水利署共同規畫建置的林園雙偏極化雷達，在 2017 年

底開始運轉觀測。由於此龍捲風距離林園雙偏極化雷達相當近(約 30

公里)，使得本次事件有相當完整的觀測，成為台灣首例由雙偏極化

雷達觀測之陸地龍捲風事件。透過林園雙偏極化雷達觀測資料進一步

分析，發現此龍捲風是由一個快速發展的對流胞所激發，且此對流胞

具有明顯的超級胞結構特徵，例如：勾狀回波、中尺度氣旋。從勾狀

回波的發展歷程，研判此龍捲風約維持 15至 20分鐘。進一步分析此

對流胞的雙偏極觀測特徵，發現此對流胞以及其所激發之龍捲風，都

具備與美洲大陸由超級胞激發之龍捲風的相似特徵，例如：龍捲風沙

塵特徵(TDS)、弧形的差異反射率特徵(Zdr Arc Signature)、柱狀的差

異反射率以及比差異相位差(Zdr、KDP Columns)等。

由於超級胞激發之龍捲風，並非過去台灣形成龍捲風之主因。

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2015 台南新化龍捲風才是台灣首個也是唯一一個經由觀測分析確認

由迷你超級胞所激發之龍捲風。所謂之迷你超級胞，就是具有超級胞

之結構，但其空間尺度、生命期都小於超級胞。根據張與劉 2016、

Suzuki et al.2000 之研究，迷你超級胞生成條件有 1.低層有輻合帶，

2.低層可用位能約 200 J/kg，3.風暴移動路徑朝平均風向右方偏移，

4.低層風象隨高度順轉。進一步分析本次事件之生成環境，低層為輻

合區(圖 2(a))，此外，東港探空站上午 8時之可用位能為 491.5 J/kg，

風向隨高度順轉，配合前述相關之雙偏極化參數特徵，可證明此次屏

東林邊龍捲風事件也是由迷你超級胞所激發。

龍捲風事件並非台灣最常見的災害性天氣，但由於其旋轉速度

快，造成之風力破壞並不亞於颱風。本研究利用林園雙偏極化雷達針

對此次屏東林邊龍捲風進行分析，確認許多過去台灣龍捲風未曾發

現，並且與美洲大陸由超級胞激發之龍捲風相似之參數特徵，這些特

徵都是未來可作為龍捲風預警的重要因子。

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參考文獻

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