任兴宇 肖天贵 汤志亚

(成都信息工程大学 大气科学学院，成都 610225)

引 言

龙卷是一种很小尺度的在强烈不稳定大气形势下产生的对流涡旋，具有强度大、突发性强、危害严重等特点。国内学者对于龙卷的研究还处于起步阶段[1-3]。近年来,随着新一代高时空分辨率和速度测量功能的气象雷达的广泛应用,使龙卷的监测和预警能力都有所提高。许多学者利用新一代多普勒雷达详细研究了诱发龙卷风的条件和形成过程，并取得较大进展。俞小鼎等[4-5]对安徽省一次超级单体龙卷进行了分析，探讨了有利于龙卷发生发展的形成机制。郑媛媛等[6]分析了安徽省的龙卷天气过程，总结了龙卷风暴的特征和预警方法，提出超级单体龙卷在强垂直风切变和中等对流有效位能条件下，抬升凝结高度较低，中气旋底高明显偏低。赵蕾等[7]分析了海南一次龙卷过程，发现龙卷发生时的强回波中心顶高和 VIL值会出现骤降，且龙卷发生前上空有热柱源伸展至对流层顶并向东倾斜，倾斜结构表明垂直风切变较大有利于风暴长时间并存或加强。陈爱军等[8]利用多普勒雷达产品对广东一次超级单体龙卷进行特征分析，总结出对流单体合并可能会导致龙卷的发生并且龙卷最容易产生在钩状回波处，气旋性旋转和紧挨着的正负速度对在低层仰角出现时表明产生龙卷的漏斗云已向下伸展至底层，此时发布龙卷预警能争取到大约10 min的预警时间。姚叶青等[9]根据安徽省龙卷发生时的环境条件，总结了龙卷临近预警的着眼点。

江苏是我国龙卷的高发地区，7月的龙卷风活动最强，占年龙卷风总数的40%，其次为6月和8月。对该地区龙卷进行深入研究具有重要意义。江苏龙卷频发最主要的原因是：江苏北部地区地势低洼平坦、江河湖泊水网交织，处于亚热带和暖温带的气候过渡地带，易积聚不稳定能量，空气对流的热力条件和动力条件较好，有助于龙卷风生成。本文利用徐州多普勒雷达数据和常规气象观测资料，分析了超级风暴引起的龙卷风天气过程的天气状况和回波特征，为今后龙卷探测和预警提供参考。

1 龙卷过程及台风“温比亚”概况

1.1 龙卷概况

根据徐州市气象局和江苏省气象局发布的灾情报告来看，江苏地区受”温比亚”台风云系余波影响，18日18时(北京时，下同)对流风暴在徐州铜山区附近产生并逐渐加强形成微型超级单体，于18时48分在刘集镇张集矿附近出现龙卷，龙卷移动路径大约1.3 km， 宽度40～50 m，强度达到EF2级龙卷，持续时间大约为2 min。第二次龙卷于19时46分出现在丰县谢集村附近，强度为EF1—EF2级龙卷，龙卷宽40 m左右，移动路径大约500 m，持续大约1 min。龙卷发生时气象观测站测得该地区最大风速达到30.5 m·s-1(11级大风)。 截至19日02时，造成500余户居民房屋不同程度受损，一人死亡，多人受伤。

1.2 台风温比亚概况

8月15日14时，东海热带低压加强为2018年第18号台风“温比亚”。自生成以来，“温比亚”一直以热带风暴级别的强度稳步向我国华东沿海靠近；16日14时，“温比亚”距离浙江省舟山偏东方约190 km，中心附近最大风力9级(23 m·s-1)。 台风将以15 km·h-1左右的速度向西偏北方向移动，强度逐渐加强，16日10时位于“温比亚”浙江舟山偏东方约220 km的东海海面上，中心附近最大风力有8级(20 m·s-1)，中心最低气压为992 hPa，7级风圈半径50～350 km。17日04时05分前后在上海浦东新区南部沿海登陆，登陆时中心附近最大风力9级(23 m·s-1，热带风暴级)，中心最低气压为985 hPa。8月17日，“温比亚”在江苏逗留了7 h，成为2018年夏季影响江苏的最强台风，它给江苏大部地区带来了一天一夜的狂风暴雨。8月18日台风中心位于信阳到安徽合肥西北部一带，虽然台风整体处于减弱阶段，但仍保持在热带风暴量级以上。徐州台风外围龙卷距离台风中心大约300 km，在有利的地理环境和大气环流背景共同影响下，易在台风外围的徐州地区产生龙卷。

2 天气背景分析

2018年8月18日08时西太平洋副热带高压北抬，徐州地区位于低空槽前，受低层东南急流控制，有明显水汽和热量输向该地区输送。低层盛行自海洋吹向陆地的暖湿气流，300 hPa以上，来自北方的干冷气流向徐州地区输送，从低层到高层水平风的垂直切变大，大气具有明显的层结不稳定。14时苏州北部地区受暖低压控制，湿度大，温度高，大部份地区露点温度为26 ℃，部分地区高达27 ℃，大气不稳定性增强；18时30分微型超级单体中心位于铜山区官桥镇附近，最强回波超过55 dBZ，铜山区的短时强降水和龙卷均由此风暴造成，萧县及西北、北部地区地面有较强的风向和风速辐合，中气旋生成中心位于铜山区北部附近。 此后，气旋逐渐向西北方向发展。

3 环境条件分析

3.1 热力不稳定

8月18日徐州地区低层主要受暖湿的东南低空急流控制，高层转为南风。 08时徐州站的探空资料表明：08时该地区对流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE)值为260 J·kg-1，K指数为38 ℃，沙氏指数是-0.65，表明大气中存在对流不稳定。需要指出的是，铜山区和丰县的龙卷发生时间为18时，徐州08时探空资料不确定能代表龙卷发生时的实际状况，只提供参考。

3.2 垂直风切变

低的抬升凝结高度和较大的低层垂直风切变是利于龙卷发生的两个条件[10-11]。 Thompson, et al[12]分析结果表明：F2级龙卷0～6 km的垂直风切变的平均值为4×10-3s-1，最低值为3×10-3s-1；0～1 km的垂直风切变的平均值为9.5×10-3s-1，最低为5.5×10-3s-1，判断龙卷能否发生很大程度取决于0～1 km的垂直风切变[13]。根据徐州多普勒雷达风廓线产品(图1)，8月18日18—19时，徐州上空由低层的东南风、南风逐渐顺转为高层的西南风，风向风速具有很大变化。据地面观测资料和探空资料，徐州站0～6 km垂直风切变约为2.9×10-3s-1，0～1 km垂直风切变约为8.6×10-3s-1，已经超过可能出现龙卷的阈值[14-16]。可见徐州地区低层具有很强的垂直风切变，非常利于龙卷的形成。

图1 8月18日18—20时徐州多普勒雷达风廓线产品:(a)18时12分—19时12分;(b)19时06分—20时06分Fig.1 Wind profile product of Xuzhou Doppler radar from 18∶12 BST to 20∶06 BST on 18 August:(a)18∶12 BST to 19∶12 BST; (b)19∶06 BST to 20∶06 BST

3.3 水汽条件

徐州站18日08时的抬升凝结高度为966 hPa距离地面高度大约400 m。据相关研究的结论表明低的抬升凝结高度有利于强龙卷的生成[14-15]，此时徐州地区上空较低的抬升凝结高度为龙卷风的产生提供了有利条件。 995、925、850、700、500 hPa 的比湿分别为18.88、17.98、16.25、10.27、5.46 g·kg-1。850～500 hPa假相当位温大于6 ℃，垂直温度递减率≥0.5 ℃/(100 m)。 因此低抬升凝结高度、对流层深厚气层中的低气压和中下层中不稳定层结为龙卷的发生提供了有利的条件。由图2可见，江苏大部分地区均处于高温高湿的环境条件下。

3.4 抬升条件

徐州大部分都是平原为龙卷的发展提供了有利地形条件。并且江苏地区东西方向跨度很大，受海洋影响程度有差异导致其东西部受不同季风气候影响。根据8月18日14时的地面风场分析表明徐州地区存在一条辐合线，为局地的强对流提供了触发机制，为龙卷的发生提供了有利的上升运动条件。

图2 2016年8月18日18时650 hPa(a)、950 hPa(b)相对湿度和温度叠加场(温度单位：K;相对湿度单位：%)Fig.2 Relative humidity and temperature superposition field of (a)650 hPa and (b)950 hPa at 18∶00 BST on Aug. 18, 2016(temperature unit: K; relative humidity unit: %)

4 多普勒雷达资料分析

4.1 反射率因子演变情况

根据多普勒雷达检测到18时21分有对流风暴在徐州市三堡镇附近形成，并以50 km·h-1的速度朝着西北方向移动，在此期间对流风暴两次加强最终形成了微超级单体风暴。在龙卷风形成之前，反射率因子通常具有快速增强的特点，此次过程前后的反射率因子强度均大于50 dBZ，最强回波中心在6 km以下。 18时30分(图3a)，强对流单体随着东南风的深入沿着西北方向延伸，强度继续增强，在18时48分(图3d)达到最强，最大反射率因子为58 dBZ，并出现典型超级单体特征—钩状回波和暖湿气流链接形成入流缺口回波等特征。并且在强回波中心区域，在同一方位的中层高值区位于底层低值区之上，具有明显的雷达回波高值区向低层入流区方向倾斜的现象，其低层强烈的入流对保持对流上升运动的稳定性提供了有利条件。

为了探究超级单体特征，对反射率因子中气旋中心附近做垂直剖面(图4)可见，此微超级单体的发展高度较低，50 dBZ以上的回波主要位于4 km以下，单体垂直伸展高度基本在10 km左右，呈现出明显的低质心的特点。 并且中气旋的伸展高度在2 km左右，平均直径大约3 km。此次徐州龙卷风暴是一种低质心微超级单体，具有水平尺度小，垂直伸展高度较低的特点。

4.2 反射率因子演变情况与中气旋特征

图5 8月18日2.4°仰角平均径向速度：(a)18时48分；(b)18时54分；(c)19时00分；(d)19时06分Fig.5 Storm relative velocity of 2.4°elevation on 18 August at： (a) 18∶48 BST ; (b) 18∶54 BST; (c) 19∶00 BST; (d) 19∶06 BST

根据多普勒雷达产品检测出单体钩状回波在18时48分开始出现中气旋特征(图5)，共持续4次体扫，表1为18时48分—19时06分的G6中气旋的特征量。中气旋与单体风暴移动方向大体都是向西北方向移动，与龙卷移动路径基本吻合。18时48分2.4°仰角风暴速度图明显反映出了气旋性旋转，后侧下沉气流与钩状回波的底层入流区形成了中气旋环流。根据径向速度的垂直剖面，可以清楚地反映出中旋风的垂直尺度较大，结构对称，并且从高层向低层发展。此时G6中气旋距离雷达站29 km，最大正速度为19.5 m·s-1、最大负速度为-18.5 m·s-1。根据中气旋识别标准，G6属于强中气旋，旋转速度(正负速度绝对值之和的平均值)为19 m·s-1，中气旋切变值达到10×10-3s-1，具有较强切变。

中层中气旋首次发现是在 18时48分(图7a)，其旋转速度为24 m·s-1，最强切变高度为2 km，其后的3个体扫中均伴有中气旋，同一时刻对流单体的雷达回波表现出超级单体的特征。 18时54分(图7b)中气旋发展加深，通过对反射率因子的垂直剖面进行观察发现了中高层回波的悬垂结构和低层有界弱回波区垂直伸展高度10 km，回波中心大值区位于在5 km以下，低层高层均出现有界弱回波区悬垂结构表明此时有非常强烈的上升气流，为风暴的发展提供有力的动力条件。

根据徐州多普勒雷达产品可以看出18时36分在2.4°仰角发现对称的正负速度区，低层并没有观察到此现象。18时42分气旋逐渐向低层发展，在1.5°仰角距离雷达298° 29 km处出现对称的正负速度区，最大正负速度分别为25 m·s-1、-26 m·s-1；18时48分根据多普勒雷达产品检测到中气旋特征，转速达到24 m·s-1属于强中气旋，径向尺度在10 km左右，气旋中心距离地面1.5 km，中气旋底高0.9 km并且气旋继续向低处发展此时已经具备龙卷发生的条件；19时06分在0.5°仰角的径向速度产品检测出沿着雷达径向对称的正负速度区，呈现出明显的气旋式环流特征，说明此时 G6中气旋已经发展至最低角度。此时在中气旋环流之中检测出龙卷涡旋特征(Tornado Vortex Signature, TVS)，位于雷达300° 43.5 km处。根据定义，龙卷涡旋特征为沿着雷达方位角方向的两个相邻像素之间的强烈速度切变。根据徐州多普勒雷达数据产品检测到19时06分0.5°仰角出现一组相邻的-26 m·s-1和22 m·s-1的速度对，故产生了 TVS警报。然而根据实际情况指出龙卷发生时间为18时48分，持续时间大约为1～2 min，实际发生龙卷的时间与检测到 TVS时间相差近18 min出现了滞后的现象。根据对以往发生龙卷资料的统计，大约85%发生龙卷前都出现了中气旋，而出现 TVS的龙卷次数仅为50%，因此用中气旋可以作为龙卷的临近预报，而 TVS出现时龙卷可能已经发生了。因此当检测出有强中气旋产生并且向低层迅速发展时应考虑发布龙卷警报以避免龙卷天气带来的损失。

表1 G6中气旋特征量Table 1 Characteristic quantities of mesocyclones G6

5 结论

(1)受”温比亚”台风云系影响，低层暖湿的东南急流对产生龙卷的动力和热力条件起着重要作用。中层来自东北弱冷空气的流入和海洋水汽的影响使大气具有上干下湿的不稳定结构，中低层较强的垂直风切变导致了较强的旋转潜势，高层的辐散为强对流天气的形成和发展提供了动力机制，从而发生了2018年8月18日的龙卷天气。

(2)位势不稳定层结、低层(0～1 km)具有较强的垂直风切变、低的抬升凝结高度和中尺度辐合线为徐州地区上空对流单体的形成和发展提供了非常有利的条件。此次龙卷发生前，风暴持续向西北方向移动，风暴经过两次加强后形成微型超级单体，最终产生龙卷。说明对流单体加强有利于诱发龙卷。当环境条件具有上述特征时，应当考虑龙卷发生的可能性。

(3)受低空东南急流影响导致该地区近地面的垂直风切变增大，形成的近地面的水平涡度大多是朝向龙卷生成地区的低层入流方向，水平涡度在近地面流入过程受上升气流影响逐渐被扭曲为垂直涡度，随后被进一步的拉伸加强形成中层中气旋。此次龙卷发生前18 min在雷达回波图中中气旋有明显的从高层到低层发展的趋势。龙卷发生时，中气旋强度保持稳定但雷达反射率因子略微减弱，低层的入流缺口逐渐消失。此次微型超级单体回波强度高值区域基本低于5 km，属于低质心型对流系统，受此次对流过程影响产生的天气是龙卷和大雨，没有降雹。

(4)龙卷风大多发生于钩状回波处，在低层的入流与后侧下沉气流导致的出流的共同作用下形成了中气旋环流。通过此次多普勒雷达产品检测结果表明，当中气旋的最大切变高度具有明显下降趋势以及其切变值的增加时，中气旋将逐渐加强并向低层发展；当雷达在低层仰角观测到有明显的气旋性旋转并且出现紧挨着的正负速度对时，表明可能导致龙卷风生成的对流云已经向下发展至低层。 此时应及时发出龙卷预警。