2017年8月13日東洞庭湖水龍卷特征

楊 偉 方 陽 蔣 帥 袁 泉 林 南

(湖南省岳陽市氣象局， 岳陽 414000)

引 言

龍卷是破壞性強的極端災害性天氣，往往造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。龍卷因其水平尺度小、生消演變迅速，歷來是氣象監(jiān)測難點和預報預警難題。俞小鼎等[1]對安徽無為縣一次強烈龍卷過程進行分析，指出伴隨暴雨的龍卷是由團狀對流系統(tǒng)南端的一個低質(zhì)心超級單體產(chǎn)生。何彩芬等[2]分析浙江臺風前部龍卷的環(huán)境特征，發(fā)現(xiàn)該龍卷發(fā)生在臺風前部風切變區(qū)里，下濕中干、強的垂直風切變及地形條件有利于局地弱龍卷的產(chǎn)生，雷達產(chǎn)品表現(xiàn)為速度場上有相鄰的正負速度中心及強的組合切變值等。王寧等[3]對“612”吉林龍卷分析表明：龍卷發(fā)生在高空冷渦的東南象限，中高空急流北側(cè)、低空急流左側(cè)的對流不穩(wěn)定區(qū)域及地面較暖濕的環(huán)境中，低層垂直風切變較強，抬升凝結(jié)高度低于1 km，且對流有效位能較大，為低質(zhì)心的對流系統(tǒng)。陳元昭等[4]對深圳龍卷分析表明：龍卷發(fā)生在500 hPa槽前、850 hPa切變線南側(cè)以及地面冷鋒的暖區(qū)一側(cè)，上干冷、下暖濕的結(jié)構(gòu)加劇了條件不穩(wěn)定，環(huán)境對流有效位能很大，風垂直切變強，水汽豐富；與之對應的中氣旋旋轉(zhuǎn)速度不斷加大，半徑減小，并向低層發(fā)展。段亞鵬等[5]對“東方之星”翻沉事件調(diào)查分析表明：受下?lián)舯┝髦苯佑绊?，事故點附近的雷雨大風強度陡增，近地面出現(xiàn)狹窄的陣風鋒，風切變明顯。李彩玲等[6]指出當有水平切變和強垂直風切變存在，且雷達回波速度場上有氣旋式輻合，回波強度不低于52 dBZ時，要警惕龍卷風可能發(fā)生。朱君鑒等[7]認為災害性大風的路徑與一系列中氣旋最大風速圈南邊緣移過的路徑一致，龍卷渦旋特征(TVS)產(chǎn)品和龍卷實際出現(xiàn)的位置也在中氣旋的南邊緣。黃先香等[8]對比廣東兩次臺風龍卷發(fā)現(xiàn)低層輻合、高層輻散及中低空強勁東南急流在珠江三角洲疊加是其產(chǎn)生的相似環(huán)境背景，兩個龍卷母體均為微型超級單體，中氣旋都在中低層形成后，向更低層發(fā)展最終導致龍卷，中氣旋和TVS的底高和頂高均很低，第1個龍卷觸地前后中氣旋和TVS的底高和頂高出現(xiàn)突降現(xiàn)象。陳燕等[9]研究江蘇沿海近地層風陣性及臺風對其影響，發(fā)現(xiàn)臺風中心附近受風速、風向快速多變的影響，湍流強度和陣風系數(shù)均遠大于臺風外圍和沒有臺風影響的情況，在6～7級風時出現(xiàn)風陣性的局部峰值區(qū)。高曉梅等[10]對比山東半島兩次海風鋒引起的強對流天氣表明：海風鋒、陣風鋒和地面輻合線是兩次過程的觸發(fā)機制，兩次過程都出現(xiàn)了中氣旋等超級單體回波特征，地形與海風鋒結(jié)合導致的更強抬升在加強對流風暴并演化為超級單體風暴中起關(guān)鍵作用。馮晉勤等[11]對閩西山區(qū)極端降水過程分析表明：高空冷空氣入侵，低空西南急流加強并伴風速輻合，冷暖空氣交匯導致中尺度對流系統(tǒng)加強發(fā)展，邊界層西南氣流在有利的喇叭口地形作用下加強抬升，北上受到山脈阻擋形成小渦旋，西北側(cè)對流單體移入后不斷加強。鄭峰等[12]指出要特別注意與龍卷有密切關(guān)系的低層中氣旋的形成，喇叭口地形輻合抬升，弱冷空氣低層侵入，局地熱源產(chǎn)生劇烈不穩(wěn)定等動力和熱力效應對衍生強龍卷風起重要的增強作用。張勁梅等[13]指出冷空氣南壓和近地面邊界層中小尺度輻合系統(tǒng)為龍卷提供了觸發(fā)機制。徐學義等[14]指出氣流在復雜地形作用下可產(chǎn)生局部小尺度渦旋運動，誘發(fā)小尺度范圍的強切變，從而導致龍卷發(fā)生。朱江山等[15]認為風暴單體間的合并和相互作用可能對龍卷存在激發(fā)作用。李兆慧等[16]指出珠江三角洲喇叭口地形有利于氣流的輻合與局地渦旋的產(chǎn)生，地面風場的輻合中心與龍卷觸地的位置基本一致。

本文分析扁山水龍卷的天氣形勢與地面氣象要素變化特征，并利用離扁山湖心燈塔自動氣象站(簡稱扁山站)僅6.338 km的風雨山岳陽多普勒天氣雷達(簡稱雷達)產(chǎn)品對龍卷過程進行分析研究，揭示其生消演變特征，并與安徽池州市升金湖一次水龍卷過程[17]進行了對比。

1 水龍卷概況及地面氣象要素特征

1.1 水龍卷概況

2017年8月13日東洞庭湖扁山水域發(fā)生了蘑菇狀的水龍卷[18](圖1)，《長江信息報》于8月14日進行了詳細報道。此次水龍卷，大風范圍較大，風向變化劇烈，破壞面較廣，多艘船只受損。

圖1 2017年8月13日東洞庭湖扁山水龍卷Fig.1 Bianshan Waterspout of the East Dongting Lake on 13 Aug 2017

1.2 地面氣象要素特征

根據(jù)自動氣象站資料，2017年8月13日08:44—08:45(北京時，下同)扁山西南方煤炭灣湖心燈塔自動氣象站(簡稱煤炭灣站)氣壓為996.5 hPa(圖2)，08:41—08:45極大風速從2.1 m·s-1增至12.5 m·s-1(圖略)，風向偏南(風向為159°～206°)，08:45—08:46出現(xiàn)0.2 mm的陣性降水。煤炭灣站08:36氣壓為996.4 hPa(圖2)，08:49—08:50氣壓為996.8 hPa，08:51風速為10 m·s-1，風向南偏西。從煤炭灣站風向風速和氣壓演變可知，08:36 —08:51有3個γ中尺度低渦從煤炭灣西側(cè)北上，之后該站氣壓上升，風向順時針旋轉(zhuǎn)，08:57—08:58轉(zhuǎn)為西北風并維持5 m·s-1以上的較大風速，表明低渦北上后有西北路冷空氣南下。

由圖2、圖3可知， 8月13日09:00前扁山站維持東南風，09:00—09:01出現(xiàn)995.8 hPa的較低氣壓，并伴隨風速陣性增大，極大風速達14.3 m·s-1，風向南偏西，從風向演變可知該低壓從扁山站西側(cè)經(jīng)過。09:02氣壓升至996.4 hPa，然后又明顯下降，09:05再次出現(xiàn)995.4 hPa的低氣壓，3 min降壓幅度達1 hPa，極大風速達20.8 m·s-1；09:04—09:05瞬時風向風速從偏東風3.2 m·s-1突變?yōu)楸北蔽黠L14.6 m·s-1；09:05—09:06相對濕度從92%降至91%，氣溫從26.2℃降至26℃，水汽壓從31.3 hPa降至30.6 hPa，露點溫度從24.8℃ 降至24.4℃。從風向演變和目擊者胡海勇等的視頻錄像可知當時龍卷已經(jīng)形成并從扁山站東南側(cè)經(jīng)過。之后該站維持較大的北偏西風，由此可知龍卷形成時正逢西北路較強冷空氣逼近。從降水量變化可知，扁山水龍卷發(fā)生前5 min內(nèi)基本沒有降水發(fā)生，水龍卷發(fā)生后1～2 min有0.2 mm的陣性降水，然后出現(xiàn)了較長時間的降水間歇期，降水過程與08:45—08:46煤炭灣站陣性降水過程基本一致。扁山水龍卷發(fā)生前后能見度劇烈變化，09:05—09:06 從16 km突降到1.5 km，之后迅速好轉(zhuǎn)，達20 km以上。08:50后扁山東北方的岳陽國家氣候觀象臺東北風逐漸增大，極大風速為5～6 m·s-1，09:09前后轉(zhuǎn)為西北風，09:16西北風極大風速達12.5 m·s-1； 08:55穆湖鋪站東北風極大風速為7.7 m·s-1； 09:00扁山東偏北方向的南湖站東偏北風極大風速為6 m·s-1，09:13南偏西風極大風速為12.3 m·s-1； 09:00前后扁山東南方向的風雨山站風速逐漸增大，08:55東風極大風速為8.2 m·s-1，09:05東偏南風極大風速達14.6 m·s-1。水龍卷出現(xiàn)前后附近地區(qū)無冰雹和雷暴記錄。

圖2 2017年8月13日煤炭灣站與扁山站氣壓Fig.2 Pressure of Meitanwan Station and Bianshan Station on 13 Aug 2017

圖3 2017年8月13日扁山站瞬時風向和瞬時風速Fig.3 Instantaneous wind direction and wind velocity at Bianshan Station on 13 Aug 2017

綜上所述，08:35后20 min 內(nèi)煤炭灣站西側(cè)有3個γ中尺度低渦相繼北上，靠近扁山；09:00—09:05 扁山水域西北部冷空氣加強，東北部長江河谷冷空氣加強，東南部來自風雨山方向的東南風加強，北上低渦受到上述3股氣流的氣旋性輻合抬升共同作用，第2個低渦還同時受到前后低渦較大范圍的動力加速、熱力屏障與補給，產(chǎn)生三低渦效應[19-21]，在準靜止鋒上[22]迅速發(fā)展加強，形成水龍卷。水龍卷從扁山站東南側(cè)經(jīng)過時，該站氣壓、風向風速、能見度等均出現(xiàn)了顯著變化，但僅伴隨0.2 mm 的弱陣性降水。由于經(jīng)過扁山站東南側(cè)的水龍卷(第2個低渦)北部與第1個低渦南部風向基本相反，南部與第3個低渦北部風向基本相反，其西部(后部)水平風速受到一定制約；另外扁山站位于水龍卷西北部，同時受西北路冷空氣和3個低渦后部偏北氣流影響，因此水龍卷經(jīng)過時北北西風極大風速為20.8 m·s-1，其他要素變化也不太劇烈。扁山東側(cè)同時受低空偏南急流和3個低渦東部偏南風影響，風速應遠大于扁山站風速[23]。

從扁山站、岳陽站分鐘級風向風速演變以及地物風損情況可推算，此次龍卷風全程約4 km(圖4)，持續(xù)10 min，移速為9.1 m·s-1，屬于F1級。

圖4 東洞庭湖區(qū)氣象站點分布和扁山水龍卷路徑Fig.4 Meteorological stations in the East Dongting Lake and the path of Bianshan Waterspout

2 天氣形勢特征與特殊地形

由2017年8月13日08:00中尺度天氣分析綜合圖(圖5)可知，洞庭湖區(qū)位于200 hPa高空槽前西南急流右側(cè)強輻散區(qū)內(nèi)，500 hPa北支槽與南支槽呈S形彎曲相聯(lián)接，副熱帶高壓呈東北—西南向，控制日本島南部到中南半島，有利于北方冷空氣南下和西南暖濕氣流北上并匯集于洞庭湖區(qū)；700 hPa低壓槽與850 hPa切變線呈東北—西南向，位于黃海中部—湖北中南部—湖南西北部—貴州一帶，洞庭湖西北部上空槽線與切變線上下基本重疊。由高低空風場分布可知，洞庭湖500 hPa以上氣流輻散明顯強烈，500 hPa西南風風速超過16 m·s-1的急流區(qū)在江西北部到上海一帶，東洞庭湖位于急流后部輻散區(qū)內(nèi)；850 hPa切變線南側(cè)風速超過16 m·s-1的西南風急流位于廣西北部—湖南中北部—江西北部一帶，上游懷化站西南風達17 m·s-1，東洞庭湖位于西南急流左前方強輻合區(qū)內(nèi)；925 hPa 湘北鄂南切變輻合帶與700 hPa槽線、850 hPa 切變線上下基本重疊且呈增強趨勢，上游長沙站南偏西風(205°)達13 m·s-1，河南南陽東北風達9 m·s-1；從13日05:00和08:00地面風場演變可知，東北—西南向鋒面大部分呈準靜止狀態(tài)，扁山站為東北風或東南風，湖南中北部地面準靜止鋒呈東北—西南向S形彎曲，位于中低空西南急流下方，湘江中下游河谷地帶的南北向準靜止鋒位于925 hPa低空偏南風急流下方，上述形勢有利于上游鋒面不穩(wěn)定能量從湖南中西部向東洞庭湖區(qū)輻合。這種低空強風切變輻合及高空輻散的垂直配置，為強對流天氣產(chǎn)生提供了充足的動力、熱力與水汽條件，有利于深對流發(fā)展。

由于湘江以東地形西低東高，洞庭湖東部伴有麻布大山等多座東南—西北向山脈，低空西南急流北上時受地形影響，在邊界層往往轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風。洞庭湖南接湘、資、沅、澧四水，水體熱容量巨大，熱島效應顯著，當南方暖濕系統(tǒng)北上洞庭湖時，熱力與水汽條件得到有效補充增強，2017年8月8—9日、12日洞庭湖上游出現(xiàn)了兩次較大范圍暴雨以上強降水過程，水熱條件更加充沛。洞庭湖東部為東北—西南向幕阜山脈,南高北低，北部長江河谷有洪湖等湖泊星羅棋布，東洞庭湖北部為東北—西南向桃花山、七女峰等低山丘崗，當北方冷空氣南下時，受到幕阜山脈、桃花山等山脈阻擋，易形成峽谷效應，往往導致東洞庭湖區(qū)冷空氣勢力增強，濕度增加，風速加大，有利于對流性天氣發(fā)展加強[24]。

圖5 2017年8月13日08:00中尺度天氣分析綜合圖Fig.5 Mesoscale weather analysis map at 0800 BT 13 Aug 2017

3 水龍卷的潛勢分析

龍卷等強對流天氣的產(chǎn)生，不但需要大氣垂直層結(jié)不穩(wěn)定、水汽條件及抬升觸發(fā)機制條件，還需要較大的對流有效位能和垂直風切變。有研究表明，有利于龍卷生成的兩個有利條件分別是較低的抬升凝結(jié)高度和較大的低層(0～1 km)垂直風切變[6-7,14-15]。

3.1 對流有效位能

分析洞庭湖上下游地區(qū)對流有效位能發(fā)現(xiàn)，2017年8月13日08:00懷化站對流有效位能為1844.2 J·kg-1，長沙站為617.7 J·kg-1，郴州站為1949.7 J·kg-1，下游武漢站為299.7 J·kg-1，可見洞庭湖區(qū)正處于對流有效位能增長區(qū)。

由8月13日08:00長沙馬坡嶺站、武漢站探空曲線(圖略)可知，層結(jié)曲線呈明顯狹長條型，中低層以下潮濕并接近飽和，而高層干冷，具有明顯的濕層深厚、上干下濕位勢不穩(wěn)定層結(jié)特征，為強對流發(fā)展提供了垂直不穩(wěn)定條件；另外，長沙馬坡嶺站對流有效位能較大，且伸展高，有利于深對流發(fā)展。

3.2 垂直風切變與抬升凝結(jié)高度

分析8月13日08:00洞庭湖上下游長沙馬坡嶺、武漢等探空站垂直風變化可知：長沙站風向從低空向高空呈順時針旋轉(zhuǎn)，925 hPa南偏西風達13 m·s-1，850 hPa西南風達16 m·s-1，200 hPa為西偏北風9 m·s-1；武漢站1000 hPa為北偏東風1 m·s-1，925 hPa為北偏西風3 m·s-1，850 hPa及700 hPa為西偏南風8 m·s-1，500 hPa以上高度西南風逐漸增大，200 hPa為西南風，風速達22 m·s-1。另外宜昌站850 hPa及700 hPa為東北風，風速為3～4 m·s-1；恩施站925 hPa及700 hPa為西北風，風速為2～3 m·s-1。綜合上述探空資料可知，洞庭湖區(qū)200 hPa 高空有輻散性低槽，500 hPa以上高空風速輻散明顯，中低空洞庭湖南部有西南急流北上、北部有偏北風南下，冷暖氣流輻合形勢明顯。此外，13日08:00長沙站、懷化站和武漢站抬升凝結(jié)高度分別為969.3 m，974 m 和1002 m，均較低。

4 雷達回波特征

4.1 反射率因子

分析岳陽多普勒天氣雷達0.5°仰角反射率因子演變可知：2017年8月13日05:00后，西南—東北向?qū)訝钤坪头e狀云混合帶狀降水回波持續(xù)影響洞庭湖區(qū)，08:30移經(jīng)東洞庭湖的層積混合狀云團右后方開始出現(xiàn)后側(cè)V形槽口，08:42東洞庭湖西部上空云團發(fā)展加強，回波中心最大反射率因子達51 dBZ，雷達西北部30 dBZ以上較強降雨區(qū)后邊界變?yōu)榍逦膸?，呈西北—東南向延伸至南部。08:48 (圖6a)西北部較強雨帶東移，雨帶南段較弱部分經(jīng)過煤炭灣，對應于08:45—08:46煤炭灣站的0.2 mm 降水，雷達東南部150°附近、距離8～9 km處的回波缺口為麻布大山遮擋所致。08:54—09:05西北部較強雨帶后邊界更加清晰，扁山西北部分散性45 dBZ以上強回波在順時針旋轉(zhuǎn)行進的過程中逐漸靠近，09:05(圖6c)南北疊加合并云團45 dBZ以上強回波面積達到最大[25]，最大反射率因子達51 dBZ，扁山東南側(cè)弱雨帶變得十分清晰，相應扁山水龍卷就在此時生成并發(fā)展， 09:06—09:07扁山站發(fā)生0.2 mm降水。分析09：05岳陽多普勒天氣雷達不同方位角反射率因子剖面(圖略)可知，扁山北部強降水云團南端最大反射率因子為49 dBZ，強回波頂高僅0.5 km,為超低質(zhì)心對流系統(tǒng)；扁山東南側(cè)水龍卷處與此相似，但1 km高度以下回波強度較弱。此后疊加合并云團逐漸分離減弱，扁山南部弱雨帶向東北方向移動，09:11在雷達北部仍較為清晰，對應扁山水龍卷登陸影響岳陽城區(qū)，之后逐漸模糊。

圖6 2017年8月13日08:48(a)、09:00(b)、09:05(c)岳陽多普勒天氣雷達0.5°仰角反射率因子Fig.6 Reflectivity of Yueyang Doppler radar with 0.5° elevation at 0848 BT(a), 0900 BT(b) and 0905 BT(c) on 13 Aug 2017

4.2 徑向速度

分析岳陽多普勒天氣雷達0.5°仰角基本徑向速度演變可知：8月13日07:30開始，雷達西偏南部低空風向輻合出現(xiàn)并發(fā)展東移，范圍縮小，呈漏斗狀，雷達西南半部(120°～300°)5～15 m·s-1的西南風入流逐漸增強并向雷達附近低空發(fā)展。08:48(圖7a)在東洞庭湖西部上空、雷達西偏北部6～8 km 輻合區(qū)內(nèi)出現(xiàn)10～15 m·s-1的較強出流，西偏南部10～12 km出現(xiàn)10～20 m·s-1的較強入流，由于入流中心較遠、出流中心較近，表明γ中尺度低渦在移至東洞庭湖上空時得到加強，形成呈氣旋式輻合的中氣旋流場[26]。另外雷達西北部與東北部低空偏北風入流、東部邊界層偏東風入流逐漸發(fā)展，南部出現(xiàn)大范圍5～15 m·s-1的較強偏南風入流，東南部5～10 m·s-1的入流到達邊界層距雷達2 km范圍內(nèi)。08:54雷達南部(175°～200°)、東南部(150°～160°)出現(xiàn)兩條10～15 m·s-1的急流帶，東南部邊界層距雷達2 km附近5～10 m·s-1的較強入流角度與面積達到最大。09:00(圖7b)雷達四周入流范圍進一步擴大、強度增強，輻合區(qū)范圍縮小，輻合出流中心位于扁山附近，入流中心位于扁山西南部，雷達南偏東部低空、麻布大山西側(cè)兩條急流帶靠近，雷達西北邊界層2～3 km處出現(xiàn)兩條(300°,330°～340°)10～15 m·s-1的東南風急流出流，朝向扁山南側(cè)和北北西方向。09:05(圖7c)雷達四周低空入流進一步增強，距離10～12 km范圍內(nèi)基本形成閉合的面積最小的輻合區(qū)；雷達北偏東洪湖方向的長江北岸5～10 m·s-1的較強東北風風速帶增強，西北方向桃花山東南部低空出現(xiàn)兩條準南北向5～10 m·s-1以上較強偏北風風速帶，偏西方向低空大面積5～10 m·s-1較強偏西風風速區(qū)進一步增強，并在扁山西部形成一個整體，東南方向麻布大山西側(cè)低空兩條10～15 m·s-1東南風急流帶合并，并在7～8 km處出現(xiàn)弱出流， 09:05雷達北側(cè)風雨山站東偏南風極大風速達14.6 m·s-1。上述幾條氣流、急流帶共同作用，形成較為強烈的氣旋式輻合流場，扁山附近出現(xiàn)南北向正負速度切變帶，扁山以北距雷達8～9 km處出現(xiàn)傾斜狀10～15 m·s-1緊密相鄰正負速度對，近似龍卷渦旋特征[27],只是強度稍弱。分析09：05岳陽多普勒天氣雷達不同方位角徑向速度垂直剖面(圖略)可知，扁山水域北部最強正負速度對處西北風入流達15 m·s-1，最強水平速度頂高僅1 km，東南風出流為15～22 m·s-1，強速度切變帶上方水平風速小，出現(xiàn)了多處近零速度的白色區(qū)域，而中低空東西兩邊稍遠處風速達10 m·s-1以上，呈現(xiàn)出明顯的漏斗狀特征，說明1 km高度以下以強烈輻合為主，而在1 km高度以上則以強烈氣旋式上升運動和垂直于雷達探測方向的西南風為主，該處可能發(fā)生了龍卷大風；扁山東南側(cè)水龍卷處與此相似，但1 km高度以下速度較小。09:11雷達西北方較強冷空氣發(fā)展東移，南部低空偏南風減弱，輻合區(qū)減弱擴散，雷達北偏西6～8 km仍有較明顯的速度切變，對應影響岳陽城區(qū)的登陸水龍卷；09:17雷達西北部冷空氣進一步發(fā)展東移，東南部偏南風減弱南退，雷達南北低空出現(xiàn)湍流特征?？梢姡S著較強冷空氣東移南壓，偏南風急流減弱，龍卷大風過程逐漸減弱。

分析岳陽多普勒天氣雷達9.9°仰角最大基本徑向速度演變(圖8、表1)可知：8月13日08:31—09:11最大徑向速度入流兩降兩升，出流先降后升，顯示中低空西南急流有間歇或有兩個低壓波動系統(tǒng)過境；08:54—09:11入流驟降急升，出流變化較為平緩，表明有較強γ中尺度低渦從雷達西北部過境。08:42—08:54中低空西南急流風速逐漸增大，入流增速大于出流增速，08:54西南急流入流為31 m·s-1，出流為21 m·s-1，兩者相差高達10 m·s-1，表明扁山水龍卷發(fā)生時位于強風速輻合區(qū)內(nèi)。09:05東洞庭湖中低空為西南急流控制，最大出流為22 m·s-1，最大入流為19 m·s-1，呈現(xiàn)弱輻散特征，另外雷達南偏東部、西北部高空有較為明顯的出流，因此東洞庭湖高空輻散特征明顯。

圖7 2017年8月13日08:48(a)、09:00(b)、09:05(c)岳陽多普勒天氣雷達0.5°仰角徑向速度(圖7c中，黃色橢圓為輻合帶，黃色箭頭為氣流帶走向)Fig.7 Radial velocity of Yueyang Doppler radar with 0.5° elevation at 0848 BT(a), 0900 BT(b) and 0905 BT(c) on 13 Aug 2017(the yellow ellipse is convergence zone and the yellow arrow is the direction of airflow zone in Fig.7c)

數(shù)值模擬研究表明：氣團或單體合并后，合并氣團或單體的浮力和上升速度會明顯增大[15，28-29]。而增大的上升速度可能會對風暴內(nèi)的渦旋產(chǎn)生拉伸作用，使渦旋半徑減小。根據(jù)角動量守恒原理，渦旋的旋轉(zhuǎn)風速相應增大。由圖7可以看到，相比于合并前，單體或氣流帶合并后(09:05)最大正速度和最大負速度之間的距離迅速減小到2個方位庫間的距離。

圖8 2017年8月13日09:05岳陽多普勒天氣雷達9.9°仰角徑向速度Fig.8 Radial velocity of Yueyang Doppler radar with 9.9° elevation at 0905 BT 13 Aug 2017

表1 2017年8月13日岳陽多普勒天氣雷達9.9°仰角最大徑向速度演變(單位：m·s-1)Table 1 Evolution of maximum radial velocity of Yueyang Doppler radar with 9.9° elevation on 13 Aug 2017(unit:m·s-1)

4.3 風廓線

岳陽多普勒天氣雷達風廓線(圖9)顯示，8月13日08:37以前東洞庭湖區(qū)風向從低空向中空呈順時針旋轉(zhuǎn)，西南風風速逐漸增大，13.7 km高度以上風向差異明顯(圖9中顯示為ND)，與圖8中高空輻散氣流相對應。08:48—09:00在0.3 km高度維持南偏西風，風速為6 m·s-1，0.9 km高度以上西南風逐漸增強；0.6 km高度風向風速差異明顯，與08:48在東洞庭湖西部上空出現(xiàn)的中氣旋流場(圖7)相對應，即中氣旋位于0.6 km高度，由于雷達站海拔為158.3 m，東洞庭湖出口城陵磯(七里山)09:00水位漲至26.8 m，因此，中氣旋中心高度距離湖面約為700～750 m。09:05在0.3～0.6 km高度中氣旋和近地面輻合流場發(fā)生疊加，0.9～1.8 km 高度西南風維持。可見邊界層中氣旋和近地面輻合流場上下疊加時形成了扁山水龍卷。

圖9 2017年8月13日08:25—09:22岳陽多普勒天氣雷達風廓線(風羽顏色表示風速均方根誤差)Fig.9 VAD wind profile of Yueyang Doppler radar from 0825 BT to 0922 BT on 13 Aug 2017(the color of barb denotes root mean square error of wind velocity)

4.4 風暴跟蹤信息

分析岳陽多普勒天氣雷達風暴跟蹤信息(圖略)可知，8月13日08:14以后東洞庭湖南部有風暴生成并向東北方向移動，與扁山水龍卷前進方向基本一致，但煤炭灣—扁山—岳陽樓南部城區(qū)一帶未出現(xiàn)與扁山水龍卷相對應的風暴信息，也未出現(xiàn)中氣旋和龍卷式渦旋特征。

對比圖6、圖7和由Lemon等總結(jié)的經(jīng)典超級單體的概念模型[30]，可以看到第1個低渦與扁山水龍卷(第2個低渦)發(fā)生的位置和經(jīng)典超級單體的概念模型龍卷位置基本一致，因此具有經(jīng)典超級單體的特征。

5 水龍卷特征比較

2016年8月6日安徽池州市升金湖發(fā)生了水龍卷[20]，通過比較可知，它與扁山水龍卷有如下相同點：平均直徑不足100 m，持續(xù)時間為10 min；地形輻合條件相似，水汽條件充沛；在華中地區(qū)中低層均有低壓切變線存在，地面天氣圖上可見明顯的輻合中心，且邊界層東南風較強，高空為強輻散流場；由于水龍卷的尺度小，雷達難以發(fā)現(xiàn)明顯的強對流尤其是TVS。兩者的差異見表2。通過與洞庭湖區(qū)歷史上多次龍卷過程比較可知，高空輻散與邊界層輻合疊加產(chǎn)生的強烈抽吸作用對水龍卷產(chǎn)生發(fā)展十分重要。

表2 東洞庭湖扁山水龍卷與安徽升金湖水龍卷特征差異Table 2 Characteristics of Bianshan Waterspout in the East Dongting Lake and the Shengjin Lake Waterspout in Anhui Province

6 結(jié) 論

1) 東亞大槽、副熱帶高壓的適當配置導致冷暖氣流匯聚于東洞庭湖區(qū)，湘中以北地面準靜止鋒呈東北—西南向S形彎曲，有利于不穩(wěn)定能量向東洞庭湖區(qū)輻合集中。東洞庭湖東部的東南—西北向麻布大山等山脈、東北部的西南—東北向長江河谷、北部的西南—東北向桃花山等丘崗地形以及洞庭湖暖濕效應等有利于對流天氣發(fā)展增強。扁山站風速風向、氣壓、能見度等氣象要素變化較為顯著，但僅伴隨0.2 mm的陣性降水。

2) 岳陽多普勒天氣雷達產(chǎn)品顯示扁山水龍卷發(fā)生時中低空、邊界層輻合強烈，高空輻散明顯。扁山水龍卷具有經(jīng)典超級單體的基本特征，但無對應的風暴跟蹤信息等，這可能與垂直上升運動占主導、水龍卷尺度很小、質(zhì)心超低、降水微弱、雷達垂直探測及產(chǎn)品算法局限等有關(guān)。

3) 通過與安徽升金湖水龍卷以及洞庭湖區(qū)歷史上多次龍卷對比發(fā)現(xiàn)，低空強烈氣旋式輻合流場對龍卷生消有重要作用。扁山水龍卷形成時，高空大范圍強烈輻散，中低空深厚低壓切變，邊界層中氣旋與近地面輻合上下疊加共同作用，形成漏斗狀強烈輻合上升流場；3個相繼北上的γ中尺度低渦中的第2個低渦迅速加強發(fā)展并產(chǎn)生劇烈的抬升抽吸作用，形成水龍卷。

致 謝：感謝英國考文垂大學李福嘉博士協(xié)助整理相關(guān)資料。