2017年內(nèi)蒙古赤峰“8·11”龍卷環(huán)境場及雷達(dá)特征分析

晉亮亮，葛海燕

（赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

龍卷是一種小尺度但破壞力極大的災(zāi)害性天氣，會造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。一般將龍卷分為超級單體龍卷和非超級單體龍卷[1]。超級單體龍卷由超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生，后者與深厚且持續(xù)的中氣旋相聯(lián)系[2-3]，而非超級單體龍卷與非超級單體風(fēng)暴相聯(lián)系，通常與淺薄的、尺度較小的邊界層渦旋有關(guān)[4-5]，能夠產(chǎn)生于各種大氣環(huán)境中。Brown等[6]發(fā)現(xiàn)一個伴隨龍卷的比中氣旋尺度更小的速度場特征，稱為龍卷渦旋特征（Tornadic Vortex Signature，簡稱TVS），在徑向速度圖上表現(xiàn)為像素到像素的很大的風(fēng)切變，此后TVS成為龍卷監(jiān)測和預(yù)警的主要手段。

多年來，國內(nèi)外對龍卷的研究頗多，既有分析產(chǎn)生龍卷的環(huán)境場特征[7-8]，也有探討龍卷發(fā)生時的反射率因子和速度場特征[9-10]。Philip等[11]在研究2003年一次龍卷時認(rèn)為，大尺度環(huán)境支撐深厚的濕對流，近地層的暖鋒、垂直風(fēng)切變和中氣旋則產(chǎn)生了明顯的龍卷現(xiàn)象；王秀明等[12]通過對中國東北地區(qū)龍卷的環(huán)境特征分析，指出東北龍卷多發(fā)生在冷渦的天氣背景下，其環(huán)境特點為：大的環(huán)境溫度直減率，強的垂直風(fēng)切變以及低層較干的環(huán)境。觸發(fā)系統(tǒng)通常為干線及其伴隨的邊界層強輻合。俞小鼎等[13]的分析發(fā)現(xiàn)，超級單體風(fēng)暴反射率因子的主要特征是低層的鉤狀回波，有時是由風(fēng)暴主體向低層入流方向伸出的一個突出物，超級單體龍卷發(fā)生前的環(huán)境往往為中到強的對流不穩(wěn)定能量和中等到強的螺旋度，低層風(fēng)切變適量有較大的氣旋式曲率；張玉潔等[14]指出龍卷產(chǎn)生前，風(fēng)暴的最大反射率因子強度、強回波中心高度、回波頂高持續(xù)增加，垂直累積液態(tài)含水量激增，龍卷發(fā)生前2個體掃，強回波中心高度和垂直累積液態(tài)含水量出現(xiàn)驟降。許薇[15]等指出在不穩(wěn)定區(qū)生成的強對流回波，移入存在中尺度輻合線和強不穩(wěn)定的區(qū)域后，在中尺度輻合線作用下回波進一步加強，小尺度渦旋則觸發(fā)此次龍卷過程。

1 災(zāi)害實況

2017年8月11日14—16時，內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗和翁牛特旗交界地區(qū)發(fā)生龍卷天氣（圖1）。14：28，赤峰市克什克騰旗前進村遭受龍卷襲擊，持續(xù)10 min，龍卷路徑2 km；15：26，八里莊、十里鋪村、五臺山村、山咀子村先后受龍卷襲擊，持續(xù)約15 min，龍卷路徑長度約6 km。整個龍卷天氣過程的EF0+的寬度最大約1 km。此次龍卷災(zāi)害造成5人死亡，58人受傷，轉(zhuǎn)移安置人口1 760人；倒塌房屋360間，損壞房屋1 004間；農(nóng)作物受災(zāi)面積21 208.08 hm2，成災(zāi)面積16 116.37 hm2，絕收面積5 849.32 hm2，直接經(jīng)濟損失10 053.29萬元。

圖1 2017年8月11日14—16時龍卷路徑及影響范圍

2 大尺度環(huán)流特征

從8月11日08時500 hPa形勢場（圖2a）可以看出，在蒙古國東部有冷渦存在，赤峰市西部處于蒙古冷渦的東南象限。從溫度場上看，從內(nèi)蒙古東部到中部與山西中部有明顯的冷溫度槽存在。從850 hPa（圖2b）上可以看出，赤峰市處于低渦的底前部，從溫度場上看，在500 hPa溫度槽的位置上有明顯的溫度脊，上層的溫度槽與下層的溫度脊疊置，有利于對流不穩(wěn)定的建立。另外內(nèi)蒙古中東部偏南地區(qū)850～500 hPa的溫差較大（圖2a），溫差在28～31 ℃之間，這也有利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立。從850 hPa風(fēng)場上可以看出，在華北北部到西北地區(qū)東部形成一條明顯的切變線，切變線東移，系統(tǒng)性抬升可以起到觸發(fā)對流的作用。在切變線右側(cè)的西南氣流有利于水汽和能量向赤峰市輸送。從地面露點線（圖2b）可以分析出在內(nèi)蒙古中部偏南地區(qū)到陜西北部有明顯的露點梯度大值區(qū)，這條干線也是對流系統(tǒng)的觸發(fā)機制?？梢钥闯?，不穩(wěn)定層結(jié)已經(jīng)建立，而低層切變線和地面干線提供了觸發(fā)機制，為龍卷的發(fā)生提供了有利條件。

從赤峰站8月11日08時（BJT）T-lnP圖（圖3）可以看出，低層存在弱逆溫層，逆溫層阻斷了高低空水汽和能量的交換，增加了高低空水汽和溫度的對比，有利于對流的發(fā)生發(fā)展。低層相對濕度較好，主要集中在850 hPa以下，中層以上有干空氣的侵入，這種“喇叭口”的形勢有利于雷暴大風(fēng)天氣的出現(xiàn)。抬升凝結(jié)高度為927 m，研究表明，抬升凝結(jié)高度在1 200 m以上會大大降低龍卷產(chǎn)生的概率。赤峰探空站的海拔為572 m，因此計算了地面到850 hPa的垂直風(fēng)切變表示低層的垂直風(fēng)切變，地面到850 hPa的垂直風(fēng)切變?yōu)?0×10-3s-1，為較強的垂直風(fēng)切變。08時赤峰探空站的對流有效位能為2 082 J/kg，龍卷災(zāi)害發(fā)生在14時以后，因此對08時T-lnP圖進行了訂正，訂正后發(fā)現(xiàn)對流有效位能明顯增大，達(dá)到了3 700 J/kg，較大的對流有效位能會導(dǎo)致更強的對流風(fēng)暴的產(chǎn)生。較大的對流有效位能，較大的低層垂直風(fēng)切變以及較低的抬升凝結(jié)高度是產(chǎn)生超級單體龍卷的先決條件。

圖2 2017年8月11日08時（BJT）500 hPa形勢場和850 hPa與500 hPa溫度差（陰影）

圖3 2017年8月11日08時（BJT）赤峰站T-lnP圖

3 雷達(dá)產(chǎn)品分析

3.1 反射率因子和相對風(fēng)暴徑向速度分析

產(chǎn)生龍卷的對流單體在12：15被雷達(dá)開始跟蹤。此后該單體迅速發(fā)展，到13：32時0.5 °仰角反射率因子產(chǎn)品（圖4a）中可以看出，單體最大反射率因子達(dá)到58 dBZ，低層出現(xiàn)鉤狀回波，弱回波區(qū)以及與之對應(yīng)的前側(cè)V型缺口（FFN），并且在該時次相對風(fēng)暴速度圖出現(xiàn)三維相關(guān)切變（3DC），此時風(fēng)暴單體已經(jīng)具有準(zhǔn)超級單體風(fēng)暴的特征。在接下來的50 min，只有在13：42出現(xiàn)了三維相關(guān)切變。14：25（圖4c，4d）風(fēng)暴單體低層鉤狀回波和前側(cè)V型缺口更加明顯，并觀測到中氣旋，0.5°仰角在此處的高度為2.8 km，中氣旋已經(jīng)達(dá)到較低的高度，其旋轉(zhuǎn)速度為17.5 m/s，達(dá)到中等強度的中氣旋，成為超級單體風(fēng)暴，中氣旋位于低層鉤狀回波的頂端。從反射率因子垂直剖面（圖4e）中可以看出，風(fēng)暴頂高發(fā)展到14 km，最強反射率因子達(dá)到55 dBZ以上，并且發(fā)展到10 km左右，由于距離雷達(dá)較遠(yuǎn)低層的弱回波區(qū)觀察不到，但仍能發(fā)現(xiàn)小范圍的有界弱回波區(qū)。從相對風(fēng)暴徑向速度圖（圖4d）上可以分析出比中氣旋直徑更小的像素與像素之間風(fēng)切變，即龍卷渦旋特征。相鄰方位角之間的速度差達(dá)到了35 m/s，該TVS對應(yīng)的垂直渦度達(dá)到3.5×10-2s-1。從徑向速度剖面（圖4f）可以看出，低層有大范圍的正速度區(qū)，最大速度達(dá)到了17.5 m/s，說明有較強的入流氣流進入風(fēng)暴。在14：28左右前進村龍卷發(fā)生。之后超級單體略有減弱，低層弱回波區(qū)減小，中氣旋消失，龍卷在持續(xù)10 min后消失。

14：40—15：17雖有中氣旋的出現(xiàn)，但在災(zāi)情調(diào)查時，沒有發(fā)現(xiàn)龍卷造成的災(zāi)害，所以在此不做討論。從15：21開始風(fēng)暴單體再次發(fā)展，低層最大反射率因子達(dá)到60 dBZ以上，低層存在鉤狀回波，弱回波區(qū)以及與之對應(yīng)的前側(cè)V字型缺口（FFN），15：21和15：26連續(xù)出現(xiàn)三維相關(guān)切變（圖5a，圖5b），但是三維相關(guān)切變位置對比于13：32發(fā)生了變化，位于強回波的后側(cè)。15：31低層最大反射率因子在60 dBZ以上（圖5c），說明超級單體風(fēng)暴強度維持，并且在風(fēng)暴后側(cè)出現(xiàn)了后側(cè)V型缺口，表明有強的下沉出流氣流存在。該時刻雷達(dá)識別出中氣旋（圖5e），轉(zhuǎn)動速度達(dá)到了18 m/s，此處距離雷達(dá)的距離為120 km，可判斷為中到強的中氣旋，而且出現(xiàn)在雷達(dá)監(jiān)測的最低仰角，高度為2.8 km，該中氣旋已發(fā)展到較低層。另外，可以分析出龍卷渦旋特征，相鄰方位角之間的速度差為36 m/s，其垂直渦度為3.6×10-2s-1。龍卷第二次接地時的時間為15：26左右，早于低層中氣旋出現(xiàn)的時間。從而可以推斷，在遠(yuǎn)距離龍卷預(yù)警時，雷達(dá)識別出低層強的三維相關(guān)切變也可以是預(yù)警指標(biāo)之一。15：36低層最大反射率因子依然在60 dBZ以上（圖5d），低層鉤狀回波，弱回波區(qū)和與之對應(yīng)的前側(cè)V型缺口減弱，但后側(cè)V型缺口依然很明顯。此時雷達(dá)識別出的中氣旋（圖5f），轉(zhuǎn)動速度為15 m/s，較前一體掃略有減弱，仍可達(dá)到中等強度，對應(yīng)著龍卷的持續(xù)階段。15：41雷達(dá)未識別出三維相關(guān)切變和中氣旋，風(fēng)暴結(jié)構(gòu)變得松散，龍卷也減弱消弱。

3.2 風(fēng)暴參數(shù)分析

圖4 8月11日13：32，14：25（BJT）0.5°仰角反射率因子（a、c），相對風(fēng)暴徑向速度（b、d），14：25反射率因子剖面（e）和徑向速度剖面（f）

圖6中雙向黑箭頭為發(fā)生龍卷災(zāi)害的時段，從圖中可以看出在龍卷發(fā)生整個過程中，最大反射率因子的值變化不大，基本在60 dBZ上下變動，但是最大反射率因子的高度變化較大，在1.9～10.3 km變化?；陲L(fēng)暴單體的垂直累積液態(tài)水（VIL）變化幅度也較大，在50～71 kg·m-2，龍卷在前進村第一次接地前2個體掃VIL有明顯的躍增，從54 kg·m-2增加至68 kg·m-2，最高達(dá)到71 kg·m-2，并且在龍卷發(fā)生前后的5個時次VIL都在60 kg·m-2以上。龍卷在在八里莊第二次接地前，同樣也出現(xiàn)了VIL的躍增，從59 kg·m-2增至67 kg·m-2，之后龍卷發(fā)生，在龍卷發(fā)生前后有6個時次＞60 kg·m-2。從回波頂高度可以看出13：27—14：10回波頂高在11 km左右，觀測事實表明：龍卷出現(xiàn)需要雷暴母體的強中心達(dá)到較高高度，但在14：15回波頂高出現(xiàn)躍增，從11 km迅速增加到14 km左右，并且在接下來的4個時次都保持在14 km左右，這個時段前進村出現(xiàn)龍卷，到14：39頂高下降到10.4 km，龍卷消失。而在八里莊等4個村發(fā)生龍卷前，頂高也出現(xiàn)了躍增，從10.1 km增加到13.1 km，并且維持在12.3～13.2 km，持續(xù)了6 h。

3.3 中氣旋參數(shù)分析

圖7是龍卷發(fā)生過程中中氣旋和三維相關(guān)切變的變化情況，黑色雙箭頭表示龍卷發(fā)生的時段。從圖中可以分析出，龍卷在前進村第一次接地時，中氣旋底高2.0 km，頂高4.3 km，切變?yōu)?6×10-3s-1，接下來的一個體掃沒有出現(xiàn)中氣旋或三維相關(guān)切變，第三個體掃時，出現(xiàn)三維相關(guān)切變，對應(yīng)的底高，頂高和切變分別為：2.1 km、5.8 km，15×10-3s-1，隨后龍卷消失。在龍卷第二次接地時，三維相關(guān)切變和中氣旋持續(xù)了4個體掃，底高在2 km左右，頂高在4～6 km，并且在龍卷接地前頂高有下降，切變前三個體掃維持在15×10-3s-1以上，第四個體掃切變有明顯的減小，之后三維相關(guān)切變沒有監(jiān)測到，隨后龍卷減弱消失。由此可以分析出龍卷接地前，對應(yīng)的中氣旋頂高≤6 km，中氣旋頂高和底高之間的距離在2～4 km，中氣旋的切變≥15×10-3s-1。

圖6 8月11日13：27—16：05龍卷風(fēng)暴單體參數(shù)

圖7 8月11日14：10—16：05中氣旋和三維相關(guān)切變參數(shù)

4 結(jié)論

通過對此次龍卷風(fēng)災(zāi)害天氣的環(huán)境場和多普勒雷達(dá)產(chǎn)品相關(guān)特征的分析，得出以下結(jié)論：

（1）此次龍卷災(zāi)害發(fā)生在蒙古冷渦前部，500 hPa溫度槽疊加在850 hPa溫度脊之上以及低層的逆溫層都有利于對流天氣的發(fā)生發(fā)展，其環(huán)境場具有較強的對流不穩(wěn)定性、較大的低層垂直風(fēng)切變和較低的對流凝結(jié)高度。

（2）從雷達(dá)產(chǎn)品分析，兩次龍卷接地是由同一個超級單體風(fēng)暴造成的，低層有明顯的鉤狀回波，弱回波區(qū)及與之對應(yīng)的前側(cè)V型缺口，由于距離＞100 km雷達(dá)未識別出龍卷渦旋特征，但識別出了三維相關(guān)切變和中氣旋，尤其是發(fā)展到低層的中到強等級的中氣旋。但龍卷發(fā)生時中氣旋的位置不同，第一次位于低層鉤狀回波的頂點，第二次位于強回波的后側(cè)。在遠(yuǎn)距離龍卷預(yù)警時，雷達(dá)識別出低層強的三維相關(guān)切變也可以是預(yù)警指標(biāo)之一。

（3）通過對風(fēng)暴參數(shù)的分析，整個龍卷天氣過程中，超級單體風(fēng)暴的最大反射率因子都在60 dBZ左右，在龍卷接地前基于單體的VIL和風(fēng)暴頂高有明顯躍增，VIL增大到60 kg·m-2以上，強回波中心頂高在10 km以上。

（4）龍卷接地前，對應(yīng)的中氣旋頂高不超過6 km，中氣旋頂高和底高之間的距離在2～4 km，中氣旋的切變≥15×10-3s-1。