遼寧營口2019-08-16龍卷過程雙偏振雷達(dá)特征分析

陳海濤，張 晶，姚 文，何曉東，趙 月

(營口市氣象局，遼寧營口 115001)

龍卷是大氣中最強烈的渦旋現(xiàn)象，它是從雷雨云底伸向地面或水面的一種范圍很小而風(fēng)力極大的強風(fēng)渦旋，常發(fā)生于春夏季的雷雨天氣時，具有突發(fā)性強、生命史短、垂直運動強、破壞力大等特征，是強對流天氣最強烈的表現(xiàn)形式之一。馮佳瑋等[1]對中國龍卷時空分布及其環(huán)境物理量特征進(jìn)行研究，表明中國龍卷多發(fā)生于春夏季，午后傍晚較多，江蘇和廣東等平原地區(qū)出現(xiàn)龍卷概率最高。我國南方地區(qū)的龍卷多與臺風(fēng)、高空槽有關(guān)，東北地區(qū)的龍卷多在東北冷渦背景下產(chǎn)生[2-4]。王婷婷等[5]對東北冷渦背景下兩類龍卷形成機制進(jìn)行了對比分析，直接影響系統(tǒng)均為東北冷渦前部的次天氣尺度短波槽或切變線。何建新等[6]對龍卷的雷達(dá)探測研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，表明雷達(dá)探測可以提供高時空分辨率的龍卷和雷暴云體的三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)以及降水分布狀況，可以有效地對龍卷的發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行跟蹤與識別，獲得預(yù)警預(yù)報信號。龍卷常常與冰雹、雷雨大風(fēng)等強對流天氣同時發(fā)生，陳小婷等[7-9]通過個例詳細(xì)分析了關(guān)中和陜北等地的強對流觸發(fā)機制和環(huán)境，張晶等[10-11]對營口冰雹天氣的多個強雷暴進(jìn)行對比，著重分析了強雷暴的雷達(dá)產(chǎn)品特征。

2019年8月16日午后，遼寧中部出現(xiàn)大范圍強對流天氣。其中營口北部和中東部地區(qū)15—19時出現(xiàn)了短時強降水、雷雨大風(fēng)、冰雹和龍卷。大石橋高坎1 h降雨量57.5 mm(圖1a)，多地出現(xiàn)雷雨大風(fēng)，最大瞬時風(fēng)速達(dá)到24.8 m/s(圖1b)。15:30—17:30大石橋高坎、蓋州市區(qū)出現(xiàn)冰雹，老邊區(qū)出現(xiàn)龍卷。距龍卷發(fā)生地點最近的邊城自動氣象站(相距1.7 km)最大瞬時風(fēng)速7.3 m/s(4級)，出現(xiàn)在15:49；附近風(fēng)速最大的自動氣象站為大興自動站，最大瞬時風(fēng)速12.8 m/s(6級)，出現(xiàn)在16:00，自動氣象站未監(jiān)測到達(dá)到龍卷級別的強風(fēng)。龍卷現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查顯示，龍卷觸地時間較短，觸地后總行程1 km左右，其中300 m左右經(jīng)過居民區(qū)，出現(xiàn)樓房屋頂損壞，熱水器被從房頂吹落，樹木折斷等災(zāi)害。

圖1 2019-08-16T15-19營口地區(qū)累積降水(a)和極大風(fēng)速(b)

1 環(huán)流背景分析

8月16日08時，500 hPa上東北地區(qū)受低渦控制，在內(nèi)蒙古東部和北京附近有兩個低渦閉合中心，營口位于北京附近的低渦中心前部，低渦后側(cè)的干冷空氣隨低渦的轉(zhuǎn)動擴散影響營口；700 hPa和850 hPa上低渦中心位于黑龍江南部，營口位于其底后部，在850 hPa上有暖脊影響營口；14時地面圖上營口位于低壓后部，地面溫度較高，營口處于上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)中。

距離營口最近的錦州探空站，16日08時(圖2a)存在一定的不穩(wěn)定能量，CAPE值為42.7 J/kg，16日上午營口天空晴朗，太陽輻射強，近地面大氣增溫顯著，14時營口北部氣溫增至32.5 ℃，用32.5 ℃訂正錦州08時探空圖，CAPE值增大到1 064.2 J/kg(圖略)。水汽方面，925 hPa附近有淺薄的濕層，850～700 hPa、600～500 hPa均有明顯的干層，溫度層結(jié)曲線與露點溫度曲線呈“X”型，為雷暴大風(fēng)型探空曲線。15—16時營口雙偏振雷達(dá)(距離龍卷發(fā)生地13 km左右)的垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品(圖2b)上可以看到，2.7 km以下風(fēng)向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力不大，為弱的暖平流；2.7 km以上風(fēng)向隨高度逆時針旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速從5.2 km的4 m/s急劇增加至8.5 km的18 m/s，風(fēng)向從西風(fēng)逆時針旋轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，冷平流強盛，上冷下暖的風(fēng)場結(jié)構(gòu)有利于不穩(wěn)定能量的增強。

圖2 2019-08-16T08錦州探空站(a)和2019-08-16T15—16營口雙偏振雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品(b)

2 雷達(dá)資料分析

龍卷發(fā)生地距離雷達(dá)中心13 km左右，在0.5°仰角雷達(dá)圖上距海平面高度350 m左右，1.5°仰角距海平面高度590 m左右，2.4°仰角距海平面高度810 m左右。龍卷從云中向下發(fā)展時并未發(fā)生降水，接地時有降水發(fā)生。本文著重對產(chǎn)生龍卷的雷暴單體進(jìn)行分析。

2.1 雷暴單體觸發(fā)機制

對產(chǎn)生龍卷的雷暴單體分析發(fā)現(xiàn)，雷暴單體是由兩條窄帶回波相遇后觸發(fā)生成的。13：00—14：00營口市區(qū)以南二道到柳樹一帶有較寬的帶狀弱回波區(qū)，大石橋以北大洼到海城一帶有零散對流回波；14：00—15：00南北兩塊回波區(qū)逐漸形成兩條明顯的窄帶回波，相向而行，逐漸靠近，窄帶回波從0.5°仰角一直伸展到2.4°仰角，窄帶回波回波強度最強處達(dá)42 dBz(圖3a)；15：01在營口城區(qū)東部兩條窄帶回波最先相遇(圖3b)，在相遇點西側(cè)窄帶回波呈西北—東南向分布，東側(cè)為東—西向分布，拐點上空有回波生成，并迅速發(fā)展，即為產(chǎn)生龍卷的雷暴單體。兩條窄帶回波15：12完全碰并成一條(圖3c)，16：00在這整條窄帶回波上不斷有對流被觸發(fā)(圖3d)。

圖3 2019-08-16 0.5°仰角上窄帶回波發(fā)展情況(a 14：31，b 15：01，c 15：12，d 16：00；紅圈所示位置為龍卷單體開始觸發(fā)的位置；右下角圓點為雷達(dá)站所在位置)

2.2 雷暴單體發(fā)展

分析產(chǎn)生龍卷的雷暴單體發(fā)展情況。15：18回波中心強度達(dá)到42 dBz，之后迅速向上向下發(fā)展；15：24，9.9°～19.5°仰角上回波中心強度達(dá)到50 dBz以上，最強達(dá)到59 dBz；15：30，4.3°～19.5°仰角上回波中心強度均達(dá)到60 dBz以上，最強達(dá)到69 dBz，9.9°～19.5°仰角上出現(xiàn)明顯的旁瓣回波，19.5°仰角上出現(xiàn)明顯的三體散射特征(圖4a)，識別有大面積冰雹(圖4b)，此時冰雹尚未落地，19.9°仰角上可以看到KDP柱(即高層差分相移率的大值區(qū)，圖4c)和ZDR柱(即高層差分反射率的大值區(qū)，圖4d)，均與速度圖上渦旋速度對(詳見下文)位置相對應(yīng)，表示此處有明顯的上升運動，將低層的水汽帶到高層；15：36，大于50 dBz的強回波發(fā)展到1.5°仰角上；15：42和15：47，0.5°～19.5°仰角上，整層強回波均大于60 dBz(圖5)，最強達(dá)到73.5 dBz，從低層到高層強回波中心向南傾斜，9.9°仰角以下能看到明顯的弱回波區(qū)，0.5°～2.4°仰角上有明顯的鉤狀回波。雙偏振雷達(dá)粒子分類產(chǎn)品在0.5°仰角上識別出大面積的冰雹區(qū)域(圖略)，判斷此時冰雹已經(jīng)落地；圖5a中“十”字位置為龍卷發(fā)生的地面位置，該位置在強回波南部邊緣，鉤狀回波附近。15：53以后鉤狀回波特征減弱消失，16：00以后重新與后側(cè)新單體合并加強，一直維持到17：20左右，整個生命史2.5 h左右。

圖6為產(chǎn)生龍卷的雷暴單體特征圖，可以看到單體生成之后迅速加強，15：24—15：47雷暴單體產(chǎn)生大冰雹的概率達(dá)到100%，基于單體的垂直液態(tài)水存在激增的情況，回波中心強度維持在60 dBz以上。15：53以后雷暴單體強度存在減弱又增強的過程，即雷暴單體與后側(cè)新單體重新合并加強。需要說明的是，生成龍卷的位置距離雷達(dá)只有13 km左右，該處在19.9°仰角高度僅有6 km左右，僅達(dá)到一般雷暴的中層高度，受雷達(dá)靜錐區(qū)的影響，雷暴高層的回波情況無法探測到。

圖4 2019-08-16T15：30 19.5°仰角上反射率因子(a)、粒子分類(b)、差分相移率(c)、差分反射率(d)(b中圓圈中紅色部分為識別的冰雹范圍；c中圓圈為KDP柱位置；d中圓圈為ZDR柱位置)

圖5 2019-08-16T15：42不同仰角反射率因子(a 1.5°，b 4.3°，c 9.9°，d 19.5°；圖中白色三角為同一位置；“十”字和雙箭頭為龍卷發(fā)生的地面位置)

圖6 2019-08-16T15：24—16：17龍卷雷暴單體的垂直液態(tài)水含量、最大反射率因子、大冰雹概率特征

2.3 雷暴單體徑向速度

龍卷發(fā)生前，在雷達(dá)徑向速度圖上出現(xiàn)明顯的正負(fù)速度對，位于強反射率因子的右后側(cè)，速度對基本位于雷達(dá)波速方向兩側(cè)，呈對稱分布，呈現(xiàn)氣旋式旋轉(zhuǎn)的特征。表1給出了龍卷發(fā)生前后不同仰角上渦旋速度對隨時間的變化。15：18開始，在19.5°仰角上探測到最早的速度對，分別是-16.0 m/s和3.5 m/s，正負(fù)速度對中心相距1 km左右，距地面高度為5.6 km。15：24渦旋繼續(xù)加強，在19.5°仰角上達(dá)到-20.0 m/s和5.0 m/s，并向下伸展到14.6°仰角上，為-15.5 m/s和5.5 m/s，距地面高度4.4 km。15：30渦旋繼續(xù)向下伸展到3.3°仰角上，距離地面1.1 km。15：36渦旋向下伸展到0.5°仰角上，速度分別為-11.5 m/s和9.5 m/s，距離地面0.37 km。15：42渦旋發(fā)展到最強，其中0.5°仰角上速度達(dá)到-19.5 m/s和10.0 m/s(圖7a)；3.3°仰角上最大，達(dá)到-22.5 m/s和13.0 m/s(圖7b)；0.5°仰角上渦旋中心位于反射率因子鉤狀回波右半部，距離地面0.36 km?，F(xiàn)場目擊表明在該時刻龍卷接地。龍卷發(fā)生地沒有自動氣象站，無法直接監(jiān)測到龍卷觸地時的風(fēng)速。現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查顯示有樓房屋頂損壞、熱水器被從房頂吹落、樹木折斷等，可證明此時龍卷風(fēng)力較強。15：42—15：59，0.5°仰角上在雷暴強回波對應(yīng)區(qū)域可以明顯看到輻散區(qū)(圖7a紅框所示位置)，表明地面大風(fēng)的開始。15：47，0.5°～3.3°仰角上沒有探測到渦旋特征，4.3°～19.5°仰角上速度也明顯減小，正負(fù)速度對中心之間的距離增大，0.5°仰角上輻散區(qū)風(fēng)速明顯增大；15：53渦旋特征消失。

渦旋特征共持續(xù)6個提掃，30 min左右，伸展高度從0.5°仰角延伸到19.9°仰角，距離雷達(dá)站13 km左右，最大轉(zhuǎn)動速度17.8 m/s，為中等強度的中氣旋。

表1 2019-08-16T15營口雙偏振雷達(dá)不同仰角上渦旋速度對隨時間變化 單位：m/s

圖7 2019-08-16T15：42不同仰角徑向速度(a 0.5°，b 3.3°；黃色圓圈為渦旋速度對所在位置，紅色方框為地面大風(fēng)輻散區(qū))

15：18開始，在19.5°仰角上強回波的后側(cè)出現(xiàn)入流區(qū)，入流區(qū)強度逐漸加強并且向下發(fā)展；15：42，14.6°仰角上入流速度最強達(dá)到23.5 m/s，并一直持續(xù)到15：53才開始減弱；15：59消失(圖略)。入流區(qū)的存在使強雷暴得以維持。

2.4 偏振參量對龍卷位置確認(rèn)的輔助分析

從速度圖上可以判斷出龍卷發(fā)生在勾狀回波附近。15：42，0.5°仰角上可以看到勾狀回波，反射率因子較強，達(dá)到50～56 dBz(圖8a)，僅從反射率因子無法判斷龍卷的具體位置， 分析雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品有利于對龍卷發(fā)生位置和影響范圍進(jìn)行確認(rèn)。圖8b、圖8c、圖8d為勾狀回波(圖8a)對應(yīng)的雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品。對應(yīng)勾狀回波的西半部，相關(guān)系數(shù)為0.98～0.99，差分反射率為3～4 dB，差分相移率為0.1～0.2(°)/km，三個雙偏振參量都比較均勻，表明西部主要為雨滴；對應(yīng)勾狀回波東半部，相關(guān)系數(shù)在0.4～0.7之間，差分反射率在-2～0 dB之間，差分相移率產(chǎn)品由于相關(guān)系數(shù)小于0.8不計算為空洞，此時反射率強度不到60 dBz，同時垂直液態(tài)水含量很低，排除冰雹的可能，因此可能與龍卷碎屑有關(guān)。由此可以判斷15：42，0.5°仰角上(距地面360 m左右)龍卷位于勾狀回波東部，影響范圍1 km2左右。

2.5 龍卷的消亡

15：47，回波主體向東北方向移動，遠(yuǎn)離龍卷發(fā)生地。從實地走訪情況判斷，龍卷接地后向南移動，與回波主體移動方向相反。從反射率因子圖上可以看到，15：47有陣風(fēng)鋒從回波主體分離(圖9a、圖9b)，并向南移動，相應(yīng)的地面自動氣象站監(jiān)測到當(dāng)?shù)匾彩瞧憋L(fēng)(圖9c)，龍卷在地面的移動方向可能是受到近地面風(fēng)向的影響。龍卷移動的方向與母云移動的方向相反，很快發(fā)生斷裂，這也是該龍卷維持時間較短的一個原因。

圖8 2019-08-16T15：42 0.5°仰角上反射率因子(a)、相關(guān)系數(shù)(b)、差分反射率(c)、差分相移率(d)(黃色圓圈為鉤狀回波所在位置)

圖9 2019-08-16陣風(fēng)鋒(a 15：47，b 15：53)和極大風(fēng)速(c 15：50)分布(紅圈為龍卷附近的監(jiān)測站，與a、b中圓圈為同一位置)

3 結(jié)論

(1)此次龍卷天氣在低渦的天氣形勢下發(fā)生，高層冷平流與低層暖平流疊加，不穩(wěn)定能量充分，為龍卷的發(fā)生提供了潛勢；溫度層結(jié)曲線與露點溫度曲線整體呈“X”型，有利用雷暴大風(fēng)生成。

(2)雷達(dá)圖上南北兩條窄帶回波相遇成為雷暴的觸發(fā)條件，產(chǎn)生龍卷的雷暴單體發(fā)展迅速，具有高層強回波懸垂、低層弱回波區(qū)、鉤狀回波等強風(fēng)暴特點；徑向速度上表征氣旋式旋轉(zhuǎn)的正負(fù)速度對的發(fā)展變化可以指示龍卷的位置和強度，0.5°仰角上輻散區(qū)可以確定地面大風(fēng)的發(fā)生時間和位置；相關(guān)系數(shù)CC、差分反射率ZDR、差分相移率KDP等偏振量有利于確定龍卷的影響范圍，粒子分類對冰雹落地時間有較好的指示意義。

(3)本次龍卷發(fā)生在距離雷達(dá)13 km處，距離雷達(dá)較近，有利于探測低層速度的變化，識別正負(fù)速度對的位置和強度；但同時靜錐區(qū)的存在又使得龍卷雷暴單體高層的結(jié)構(gòu)無法探測。