2017年夏初邵陽一次龍卷天氣過程個(gè)例分析

徐靖宇，周長青，陳 龍，王 強(qiáng)

(1.湖南省氣象臺(tái)，湖南 長沙 410118；2.河南省懷化市氣象臺(tái)，湖南 懷化 418000)

1 引言

龍卷是大氣中最強(qiáng)烈的對(duì)流天氣現(xiàn)象，常發(fā)生于夏季的雷雨天氣時(shí)，可造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。龍卷是一個(gè)平均直徑為100m左右從積雨云內(nèi)部擴(kuò)展到地面的猛烈旋轉(zhuǎn)的空氣柱,其視覺特征是一個(gè)從云底懸掛下來的漏斗云或地面旋轉(zhuǎn)的塵云[1-2]。早在1970年，Donaldson[3]利用多普勒天氣雷達(dá)就已經(jīng)成功觀測到了超級(jí)單體風(fēng)暴中存在的中氣旋；Brown et al[4]發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能伴隨龍卷過程比中氣旋尺度更小的多普勒雷達(dá)速度場渦旋特征，被稱為龍卷渦旋特征(TVS)，中氣旋和TVS兩個(gè)指標(biāo)作為龍卷特征判別的有效指標(biāo)一直得以沿用。俞小鼎等[5]對(duì)2005年7月30日發(fā)生在安徽靈璧的強(qiáng)龍卷過程進(jìn)行了詳細(xì)探討，發(fā)現(xiàn)該龍卷在一個(gè)尺度很大的強(qiáng)降水超級(jí)單體中生成，龍卷出現(xiàn)在該超級(jí)單體中氣旋的中心。姚葉清[6]等對(duì)安徽發(fā)生的6次龍卷過程和冰雹、雷暴大風(fēng)天氣對(duì)比分析得出，龍卷的SRH、濕度條件均高于冰雹、雷雨大風(fēng)，而低的抬升凝結(jié)高度有利于CAPE集中于0 ℃層以下，使上升氣流在中低層得到快速加強(qiáng)，但是產(chǎn)生龍卷的平均CAPE值相對(duì)較小。湖南的本地研究學(xué)者唐小新[7]、廖玉方[8]等分別對(duì)湖南永州、常德龍卷過程進(jìn)行了研究，指出強(qiáng)烈的中氣旋、龍卷渦旋特征(TVS)造成龍卷的產(chǎn)生，并有三體散射特征(TBSS)。湖南是一個(gè)龍卷發(fā)生率僅次于江蘇、安徽的省份，但因龍卷的強(qiáng)局地性且觀測資料有限，湖南本土預(yù)報(bào)員專門針對(duì)龍卷進(jìn)行研究的個(gè)例還是有限，而2017年6月5日湖南邵東縣出現(xiàn)了一次龍卷天氣過程，且?guī)砹艘欢ǖ闹聻?zāi)性，因此本文利用多源觀測資料對(duì)其進(jìn)行分析，以提高湖南龍卷天氣發(fā)生發(fā)展機(jī)理的研究并對(duì)龍卷個(gè)例進(jìn)行有利的補(bǔ)充。

邵陽市屬湘中丘陵地帶，歷史上龍卷天氣出現(xiàn)較多，邵陽、邵東、新邵等地均有發(fā)生。本文選取2017年6月5日發(fā)生在邵陽市邵東縣龍卷天氣過程個(gè)例進(jìn)行分析，利用高空地面資料、加密自動(dòng)站資料、NCEP再分析資料，從層結(jié)不穩(wěn)定條件、動(dòng)力條件、水汽條件、抬升觸發(fā)條件等方面分析有利于本次龍卷過程發(fā)生的環(huán)境條件，并利用邵陽雷達(dá)資料對(duì)龍卷的多普勒雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析，從而提高湖南龍卷及雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展成因的認(rèn)識(shí)以及短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警水平。

2 天氣實(shí)況和災(zāi)情

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及實(shí)況資料，本次強(qiáng)對(duì)流天氣主要分布在湘中偏南地區(qū)。6月5日早上對(duì)流單體開始在懷化西部發(fā)展東移，并在邵陽東部逐漸演變成颮線，給湘中地區(qū)帶來一次區(qū)域性雷暴大風(fēng)天氣并伴有局地短時(shí)強(qiáng)降水，其中邵東縣多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)龍卷天氣。本次天氣過程主要發(fā)生時(shí)段為5日10—14時(shí)，雷暴大風(fēng)主要出現(xiàn)在邵陽、永州、衡陽、株洲等地，從5日08—20時(shí)實(shí)況資料看，國家站共有6站次出現(xiàn)了大風(fēng)實(shí)況記錄，最大風(fēng)速達(dá)到21 m/s。強(qiáng)降水主要集中在湘中偏南一帶，懷化、永州、邵陽、衡陽等地，最大小時(shí)降水量均達(dá)到50 mm以上，其中衡陽市石鼓區(qū)友誼村站(自動(dòng)站)最大小時(shí)雨量達(dá)到72.2 mm。

邵東縣出現(xiàn)龍卷的時(shí)間約在11時(shí)27分開始至11時(shí)55分結(jié)束。邵東位于邵陽市東部27 km處，地處湘中腹地，據(jù)災(zāi)情調(diào)查資料，5日11時(shí)30分，邵東縣兩市塘辦事處巒興、古林、永旺、尋柳、青蘭、大新和周官橋鄉(xiāng)肖家沖村等7個(gè)行政村遭受龍卷襲擊。龍卷發(fā)生地位于111°44′39″E，27°12′28″N附近，受災(zāi)區(qū)域呈西—東向狹窄帶狀，在發(fā)生路徑上受災(zāi)物有明顯的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的倒伏特征。據(jù)當(dāng)?shù)卮迕衩枋觯?日11時(shí)40分許，巒興村首次目擊煙囪般渦旋狀黑云從天而降并且接地，響聲如雷，在其移動(dòng)路徑上造成了多處磚房倒塌，屋頂被掀、樹木倒伏折斷等，7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)近4 000人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積148 hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失1千萬元以上。根據(jù)災(zāi)情分析，對(duì)照龍卷災(zāi)害劃分標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，估算該龍卷屬于F0級(jí)陸龍卷。

3 大氣環(huán)流形勢分析

6月5日08時(shí)500 hPa(圖1a)，貴州西部高空槽逐漸東移，且溫度槽落后于高度槽，低槽逐步發(fā)展；從700 hPa高空填圖(圖1b)和850 hPa高空填圖(圖1c)看，700 hPa湘中一帶有西南急流存在，切變線位于重慶中部—貴州一線，呈南北向分布；850 hPa低值系統(tǒng)位于湘西北，且伴有人字形切變線，而急流位置與700 hPa位置相同，為湘中一帶提供了充足的水汽條件；925 hPa(圖1d)切變線位于湘西北，呈東北西南走向，地面輻合線位于湘中偏南(圖1d藍(lán)色點(diǎn)線 )，11時(shí)、14時(shí)仍穩(wěn)定維持在湘中偏南一帶(圖略)，隨著高空槽東移及切變線南壓，帶動(dòng)地面輻合線緩慢南壓，17時(shí)地面輻合線南壓到湘南(圖略)?？梢?8時(shí)整體高低空系統(tǒng)配置呈現(xiàn)后傾槽的形勢，高空槽東移為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展提供有利的動(dòng)力條件造成了不穩(wěn)定釋放，而地面輻合線提供了觸發(fā)機(jī)制。

懷化站位于邵東縣西北側(cè)，由于邵東縣附近沒有探空站，從系統(tǒng)移動(dòng)路徑上看，懷化站探空在一定程度上可以代表邵東縣的情況。從懷化站探空?qǐng)D(圖2)分析，懷化站上干下濕結(jié)構(gòu)明顯，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生；不穩(wěn)定能量(CAPE)達(dá)到1 316.9 J/kg，且底層有逆溫存在，有利于不穩(wěn)定能量的累積；850 hPa與500 hPa溫差達(dá)到26 ℃，層結(jié)不穩(wěn)定，且K指數(shù)達(dá)到40 °C以上，低層一致的西南風(fēng)，風(fēng)速達(dá)到12 m/s，水汽豐富，均滿足湖南出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣的標(biāo)準(zhǔn)；另外，0 ℃層高度和-20 ℃高度分別為4.7 km和7.9 km，較高的0 ℃和-20 ℃高度在一定程度上不利于冰雹的產(chǎn)生。

圖1 6月5日湖南天氣形勢分析(a.500hPa高度場、溫度場、風(fēng)場；b.700 hPa高度場、風(fēng)場;c.850 hPa高度場、風(fēng)場；d.850 hPa高度場、風(fēng)場和地面輻合線(藍(lán)點(diǎn)線))Fig.1 An Analysis of the Weather Situation in Hunan Province on June 5(a.500 hPa height, temperature, wind;b.850 hPa height,temperature, wind; c. 850 hPa height, wind; d. 850 hPa height, wind and Ground convergence line (blue dot line))

圖2 6月5日08時(shí)懷化站探空?qǐng)DFig.2 Huaihua station sounding chart at 08∶00 on June 5

對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展依賴于大氣的熱力和動(dòng)力條件，從NCEP再分析資料物理量(圖3)看，5日08時(shí)，邵東縣(紫色圓圈所在位置)處在兩干區(qū)之間的濕度大值區(qū)中，且中層的相對(duì)濕度在90%左右，這種中層干濕區(qū)的配置有利于湘中一帶颮線的發(fā)生發(fā)展；0～6 km垂直風(fēng)切變大于22 m/s區(qū)域位于湘西北到湘中地區(qū)，K指數(shù)大于40 ℃的區(qū)域位于湘中以南的地區(qū)，龍卷發(fā)生的區(qū)域位于0～6 km垂直風(fēng)切變與K指數(shù)大值區(qū)交匯的地區(qū)，同時(shí)，該地區(qū)SI指數(shù)<-2，CAPE值在1 200 J/kg左右，且CAPE值梯度變化較大，都為邵東龍卷的發(fā)生提供了較有利的條件。

4 多普勒雷達(dá)特征分析

6月5日受高空地槽東移、中低空急流以及地面輻合線的共同作用，湘中一帶多地出現(xiàn)了強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)天氣，邵東縣受到龍卷襲擊。經(jīng)分析，該龍卷是由超級(jí)單體演化形成，可歸結(jié)為“帶狀回波—強(qiáng)降水超級(jí)單體—弓形回波”3個(gè)階段。08時(shí)02分，湖南西部開始有大片降水回波發(fā)展東移，在降水回波前側(cè)形成了東北—西南向的強(qiáng)回波帶(圖4a)，雨帶北端有中氣旋發(fā)展，中氣旋高度為2.1 km，此中氣旋持續(xù)了4個(gè)體掃并不斷向上向下發(fā)展，而帶狀回波的前側(cè)入流缺口也逐漸明顯，回波形態(tài)發(fā)展為“倒弓形”(圖略)。09時(shí)54分，“倒弓形”回波南端探測到中氣旋(距離雷達(dá)54 km)，高度在4.3°仰角(4.2 km)，垂直渦度為0.8×10-2s-1，而雨帶北端探測到的三維切變(距離雷達(dá)53 km)底高3.2 km，頂高4.2 km，直徑為3.8 km，并逐漸發(fā)展為中氣旋。雨帶進(jìn)一步東移過程中，由于雷達(dá)靜錐區(qū)的存在，回波經(jīng)過雷達(dá)站時(shí)強(qiáng)度和范圍有明顯減弱。

圖3 6月5日14時(shí)物理量指數(shù)分析，紫色圓圈為邵東縣所在位置(a.500 hPa 6 h變溫與相對(duì)濕度；b.0～6 km垂直風(fēng)切變與K指數(shù)；c.SI指數(shù)；d.CAPE)Fig.3 Analysis of physical quantity index at 08∶00 on June 5(a.500 hPa 6 hours temperature and relative humidity;b.0～6 km vertical wind shear and K index; c.SI; d.CAPE. Purple circle is Shaodong)

圖4 6月5日邵陽SA雷達(dá)(a.08時(shí)02分0.5° R;b.09時(shí)54分0.5° R;c.09時(shí)54分4.3° V)Fig.4 Shaoyang SA Radar on 5 June(a. 0.5°R at 08∶02;b.0.5°R at 09∶54;c.4.3°V at 09∶54)

回波通過雷達(dá)站后開始出現(xiàn)分化，東部和東北部的回波合并，與其后部的回波斷裂開來(圖5a)，速度圖上(圖5b)移動(dòng)方向前部存在明顯的輻合區(qū)，可以推測輻合區(qū)形成是由于移動(dòng)方向前側(cè)的上升氣流與后側(cè)干空氣夾卷進(jìn)入輻合區(qū)域后蒸發(fā)冷卻形成的下沉氣流輻合形成?？繓|北部的單體逐漸發(fā)展，從其結(jié)構(gòu)上分析，低層前部具有一個(gè)不明顯的入流缺口，對(duì)應(yīng)強(qiáng)的入流區(qū)(箭頭所指位置)。白色箭頭所指位置為同一地點(diǎn)，回波在6.0°仰角上反射率向東斜升，可以推測其下部存在明顯弱回波區(qū)(WERS)。至此，超級(jí)單體已經(jīng)形成。

圖5 6月5日11時(shí)21分邵陽SA雷達(dá)(a.0.5°R；b.0.5°R；c.6.0°R)Fig.5 Shaoyang SA Radar at 11∶21 5 June(a.0.5°R；b.0.5°R；c.6.0°R)

11時(shí)27分反射率因子圖(圖6a)可見，超級(jí)單體最大回波強(qiáng)度超過55 dBz，在0.5°仰角上可以清晰看到前側(cè)入流缺口(FIN)，在風(fēng)暴相對(duì)徑向速度(SRM)圖上(圖6b)在入流缺口對(duì)應(yīng)處出現(xiàn)了氣旋式輻合，在輻合中心附近，存在直徑約2 km疑似TVS的渦旋(圖中白色箭頭所指區(qū)域)，對(duì)應(yīng)的高度為0.7 km。11時(shí)33分反射率圖(圖6c)可見，北部的超級(jí)單體I0與中間的單體C0合并，并且在風(fēng)暴的兩側(cè)出現(xiàn)明顯的前側(cè)入流缺口(FIN)和后側(cè)入流缺口(RIN)，強(qiáng)烈的前后側(cè)入流使得回波的形態(tài)趨向于S型，而龍卷則發(fā)生在兩個(gè)單體接口附近。從對(duì)應(yīng)時(shí)刻的SRM圖(圖6d)上看，在距離雷達(dá)30 km處可以看到中氣旋和龍卷渦旋特征(TVS)，中氣旋直徑約10 km，在0.7 km高度上比較明顯，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到24m/s。而TVS底高小于0.3 km,頂高為3.5 km左右，表明TVS伸展高度約為3.2 km；最大垂直渦度出現(xiàn)在3.4°仰角(2.4 km)，垂直渦度為9.5×10-2s-1。沿著雷達(dá)徑向?qū)VS特征處反射率因子做垂直剖面，用以查看風(fēng)暴的垂直結(jié)構(gòu)。從反射率剖面圖(圖6e)可見，風(fēng)暴的垂直伸展高度達(dá)到12 km，50 dBz以上回波高度主要集中在9 km以下，沒有明顯的鉤狀回波特征，但是前側(cè)的弱回波區(qū)(WERS)清晰可見。11時(shí)40分，單體I0與C0進(jìn)一步合并，反射率大于55 dBz的面積也有所增大(圖6f)，后側(cè)入流缺口變得清晰，前側(cè)入流缺口則逐漸填塞，SRM圖上(圖6g)，TVS特征依然存在，TVS明顯向底層發(fā)展，最大垂直渦度高度0.9 km，渦度值變?yōu)?.4×10-2s-1，最大旋轉(zhuǎn)速度有所減弱。

根據(jù)災(zāi)情調(diào)查結(jié)果，邵東縣龍卷發(fā)生在11時(shí)40分前后，受龍卷襲擊的區(qū)域位于邵陽雷達(dá)站正東方向30 km附近。結(jié)合災(zāi)情調(diào)查的結(jié)果和受災(zāi)位置與雷達(dá)回波的結(jié)果對(duì)比可以證明，從TVS出現(xiàn)開始(11時(shí)33分)就已經(jīng)形成了龍卷。

在隨后的發(fā)展中，超級(jí)單體前側(cè)入流缺口完全被填塞，在12時(shí)17分左右逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣位夭?，弓形回波持續(xù)到14時(shí)21分左右，在隨后的一段時(shí)間內(nèi)回波逐漸東移北上，與南部不斷生成的分型性對(duì)流回波合并，在湖南中部產(chǎn)生了區(qū)域性雷暴大風(fēng)等對(duì)流性天氣。

5 結(jié)論和討論

本次龍卷天氣過程發(fā)生在500 hPa槽前，850 hPa切變線南側(cè)，700 hPa、850 hPa急流北側(cè)，水汽條件充足，925 hPa切變線位于湘西北，呈東北—西南走向，地面輻合線位于湘中偏南，整體呈現(xiàn)后傾槽的形勢；上干下濕的層結(jié)結(jié)構(gòu)加劇了大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性，CAPE值大于1 200 J/kg，0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?4 m/s且梯度較大，抬升凝結(jié)高度較低，為本次龍卷天氣的發(fā)生、發(fā)展提供有利的條件。

多單體風(fēng)暴向東偏北方向移動(dòng)過程中形成了有組織的颮線系統(tǒng)，且回波移動(dòng)速度逐漸加快，颮線內(nèi)部多個(gè)對(duì)流單體發(fā)展成具有中氣旋特征的超級(jí)單體，為湘中偏南一帶帶來雷暴大風(fēng)天氣，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水。颮線在經(jīng)過邵陽東部時(shí)回波開始斷裂，龍卷發(fā)生在颮線斷裂的區(qū)域，龍卷發(fā)生時(shí)，前后側(cè)入流缺口明顯，且存在深厚的中氣旋，而龍卷發(fā)生在弱回波區(qū)域(后側(cè)入流缺口)前側(cè)前后入流缺口中間的位置，并伴有深厚且底部接地(0.3 km)的中尺度氣旋存在，同時(shí)還伴有明顯的龍卷渦旋特征(TVS)，TVS最大風(fēng)速速達(dá)到31 m/s左右，最大垂直渦度為9.8×10-2s-1。通過對(duì)反射率及徑向速度的雷達(dá)回波特征分析，為本次龍卷及雷暴大風(fēng)天氣的識(shí)別和預(yù)警提供了重要的指示作用。

根據(jù)災(zāi)情調(diào)查資料，從樹木倒伏方向和房屋受損情況上判斷，樹木整體向東倒伏，且大樹有攔腰折斷情況，局部風(fēng)力較強(qiáng)，現(xiàn)場有多處出現(xiàn)了小型的旋轉(zhuǎn)性倒伏狀特征，房屋西側(cè)受風(fēng)面損壞程度相對(duì)較大，說明本次過程為颮線引起的直線型雷暴大風(fēng)環(huán)境下產(chǎn)生的局地龍卷天氣。根據(jù)對(duì)龍卷發(fā)生路徑的調(diào)查以及目擊者描述，結(jié)合天氣實(shí)況及雷達(dá)回波特征分析，本次發(fā)生在邵東縣的大風(fēng)過程與龍卷特征一致。

圖6 6月5日邵陽SA雷達(dá)反射率因子垂直剖面(a.11時(shí)27分0.5°R；b.11時(shí)27分0.5°SRM;c.11時(shí)33分0.5°R;d.11時(shí)33分0.5°SRM；e.11時(shí)33分;f.11時(shí)40分0.5°R；g.11時(shí)40分0.5°SRM)Fig.6 Shaoyang SA Radar on 5 June(a.0.5°R at 11∶27；b.0.5°SRM at 11∶27;c.0.5°R at 11∶33;d.0.5°SRM at 11∶33；e.RHI reflectivity at 11∶33;f.0.5°R at 11∶40；g.0.5°SRM at 11∶40)

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