一次超級(jí)單體龍卷雙偏振多普勒天氣雷達(dá)分析

項(xiàng)陽 吳林林

(1 安徽省阜陽市氣象局，阜陽 236000； 2 安徽省人工影響天氣辦公室，合肥 230031)

引言

龍卷是風(fēng)速迅猛、破壞力極大的小尺度災(zāi)害天氣，由于目前探測和預(yù)報(bào)手段的限制，觀測這類小尺度對流系統(tǒng)的瞬變信息及預(yù)報(bào)、預(yù)警難度都很大，往往造成人員傷亡和慘重財(cái)產(chǎn)損失[1]。

國內(nèi)外氣象學(xué)者對產(chǎn)生龍卷的天氣成因及對流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)已進(jìn)行了卓有成效的研究[2-3]。隨著我國多普勒天氣雷達(dá)和高密度自動(dòng)氣象站的快速建設(shè)，為監(jiān)測預(yù)警龍卷提供了強(qiáng)有力的支持，俞小鼎等[4-5]使用這些高分辨率觀測資料分析了龍卷的環(huán)境背景和多普勒雷達(dá)反射率因子、速度場等特征。雖然雷達(dá)探測到的中氣旋和龍卷渦旋(TVS)特征在識(shí)別龍卷時(shí)虛警率較高，但依然是目前預(yù)警龍卷的最有效手段。一些研究個(gè)例證明[6-8]，中氣旋產(chǎn)品一般超前于龍卷，如果中等以上強(qiáng)度的中氣旋其底部到地面的距離小于1 km時(shí)，產(chǎn)生龍卷的概率可達(dá)40%以上。當(dāng)中氣旋和TVS同時(shí)被探測到時(shí)，龍卷的發(fā)生概率可提高到50%以上。龍卷發(fā)生時(shí)反射率因子的主要特征是低層的鉤狀回波，有時(shí)由風(fēng)暴主體向低層入流方向伸出的一個(gè)突出物[9]。龍卷出現(xiàn)之前，強(qiáng)風(fēng)暴回波頂高度、最大反射率因子所在高度都激增，而它們的快速下降和龍卷風(fēng)幾乎同時(shí)發(fā)生[10]。龍卷發(fā)生時(shí)中氣旋的底和頂高都降低，最大反射率因子高度也降到和底高一樣高度[11]。龍卷渦旋參數(shù)最強(qiáng)的時(shí)間與龍卷實(shí)際出現(xiàn)的時(shí)間基本吻合[12]。

龍卷碎片(TDS)[13]對確認(rèn)龍卷的發(fā)生和位置非常有用，張建云[14]利用CINRAD/ SA雙偏振雷達(dá)[15]資料，觀測到強(qiáng)龍卷超級(jí)單體鉤狀回波末端處高達(dá)65 dBz的反射率因子，還在X波段雙偏振雷達(dá)上探測到了低的差分反射率和零滯后相關(guān)系數(shù)[16]。

安徽省宿州市地處皖北平原東部，是我國龍卷天氣發(fā)生較為頻繁的地區(qū)之一[17]。雷達(dá)探測發(fā)現(xiàn)，梅雨期龍卷[18]或由梅雨帶南側(cè)的孤立對流單體強(qiáng)烈發(fā)展所致，或由鑲嵌于梅雨雨帶中的對流單體發(fā)展引發(fā)，其尺度小、天氣及其猛烈。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這類龍卷約占安徽龍卷的21%[19]。

蚌埠新升級(jí)雙偏振雷達(dá)(SA)自業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，2020年7月22日首次探測到宿州出現(xiàn)的EF1級(jí)龍卷天氣過程，觀測到維持時(shí)間長并伴隨中氣旋和龍卷渦旋特征的超級(jí)單體風(fēng)暴，TVS持續(xù)102 min，為近年來少見，還觀測到龍卷渦旋碎片特征。因此，有必要對此次龍卷發(fā)生的環(huán)境場條件、雷達(dá)產(chǎn)品資料進(jìn)行梳理，找到與過去研究的一致性和差異，發(fā)現(xiàn)更多可以在業(yè)務(wù)中直接應(yīng)用的信息指標(biāo)和可能提前預(yù)警的線索。

1 龍卷概況

2020年7月22日受梅雨鋒雨帶影響，安徽省宿州市埇橋區(qū)的祁縣鎮(zhèn)、蘆嶺鎮(zhèn)、大澤鄉(xiāng)、大店鎮(zhèn)和靈璧縣的禪堂鄉(xiāng)遭受過境龍卷風(fēng)和暴雨襲擊，造成房屋倒塌、玉米倒伏、林木受損，死亡1人，受傷1人，直接經(jīng)濟(jì)損失1261.5萬元。

根據(jù)實(shí)地勘察、雷達(dá)、地面自動(dòng)氣象站資料分析，此次龍卷是由伴有中氣旋和龍卷渦旋特征的超級(jí)單體風(fēng)暴造成的，低層0.5°基本反射率因子圖上風(fēng)暴右后側(cè)伴有溝狀回波，據(jù)反映18:00左右漏斗云旋轉(zhuǎn)，大量黑色物塊、磚瓦被卷起來，龍卷呈西西南向東東北路徑過境，影響時(shí)間近1 h，全程約70 km，影響寬度0.1～1 km，是安徽省近年來遭受龍卷影響時(shí)間和距離最長的一次。

龍卷發(fā)生地的周邊地區(qū)地面氣象要素觀測空間分辨率在7 km左右，分析氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料可知，影響路徑上無氣象站點(diǎn)，在22日18:00—19:00時(shí)段內(nèi)，周邊氣象站點(diǎn)觀測到了6～9級(jí)風(fēng)，最大的有蘆嶺9級(jí)、婁莊8級(jí)、靈璧8級(jí)(圖1a)，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水，周邊站點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)在20～40 mm/h，整個(gè)過程(22日08:00至23日08:00)累計(jì)降水量(周邊站點(diǎn))：大店69.7 mm、靈璧48.4 mm、禪堂60.6 mm(圖1b)。超級(jí)單體風(fēng)暴呈現(xiàn)鉤狀回波(反射率因子過濾掉20 dBz以下的回波)和伴有中氣旋、TVS期間的移動(dòng)路徑與龍卷的破壞移動(dòng)路徑基本一致(圖2)，并與圖1a中最強(qiáng)風(fēng)速出現(xiàn)的區(qū)域相匹配。

圖1 2020年7月22日18:00—19:00安徽宿州地區(qū)極大風(fēng)風(fēng)場(a)及22日08:00至23日08:00累計(jì)降水量(b) (圖中紅色箭頭為龍卷影響路徑)

安徽省氣象局對祁縣鎮(zhèn)的陳橋村(圖2中A，33.483°N， 117.012°E)和沈寨村(圖2中D，33.461°N， 117.25°E)、大澤鄉(xiāng)的洪廟村(圖2中B，33.498°N， 117.015°E)和劉村(圖2中C，33.499°N， 117.015°E)、靈璧縣禪堂鄉(xiāng)的劉楊村(圖2中F，33.614°N， 117.598°E)和206國道煙汕線(圖2中E，33.463°N， 117.267°E)共6地進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，依據(jù)樹木扭斷、房屋損壞等受損程度和周邊氣象資料綜合分析，判定為強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到EF1龍卷。

圖2 2020年7月22日17:52—18:49蚌埠S波段雙偏振雷達(dá)0.5°仰角龍卷風(fēng)暴單體移動(dòng)路徑上反射率因子 (圖中倒三角形為龍卷渦旋TVS,圓圈為中氣旋，紅色連線為TVS的移動(dòng)路線，A、B、C、D、E、F為勘察地)

2 資料和方法

選用距離災(zāi)害發(fā)生地最近(約63～78 km)的蚌埠S波段雙偏振多普勒雷達(dá)對此次龍卷進(jìn)行分析。本文依據(jù)實(shí)況天氣圖、探空資料和5 min間隔的高密度地面自動(dòng)站及雙偏振雷達(dá)資料分析了產(chǎn)生龍卷的環(huán)境場條件，探討了龍卷超級(jí)單體風(fēng)暴的反射率因子特征，研究了產(chǎn)生龍卷的單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、中氣旋和龍卷渦旋特征(TVS)參數(shù)的演變情況。

風(fēng)暴參數(shù)主要包括：底高、頂高、最大反射率因子/高度(DBZM/HT)、垂直累積液態(tài)水(VIL)。中氣旋參數(shù)有：底高、頂高、伸展厚度、最大切變量/高度(SHR/HT)。TVS參數(shù)有：底高、頂高、三維環(huán)流特征的厚度(Tdpt)、三維環(huán)流特征中最大切變量/高度(Tmxshr/HT)、徑向速度差平均值(Vad)、最低仰角徑向速度差(Vlld)、最大徑向速度差/高度(Vmxd/HT)。

3 環(huán)境場分析

3.1 大氣環(huán)流特征

7月22日08:00，500 hPa圖上安徽省東北部的宿州市受西太副高北側(cè)的槽前西南氣流影響，位于850 hPa暖切變南側(cè)西南急流中；地面圖上，氣旋中心在河南駐馬店附近，冷鋒(東北西南向)從駐馬店伸向湖北襄樊、恩施一線，宿州市處在氣旋的右側(cè)。隨著500 hPa低槽東移，安徽北部地區(qū)轉(zhuǎn)為弱西北氣流，有弱冷空氣侵入，中低層配合有低渦沿穩(wěn)定少動(dòng)的暖切東移，18:00左右地面氣旋到達(dá)江蘇沛縣附近，同時(shí)冷鋒自西向東移過安徽宿州市埇橋區(qū)的祁縣鎮(zhèn)、蘆嶺鎮(zhèn)、大澤鄉(xiāng)、大店鎮(zhèn)和靈璧縣禪堂鄉(xiāng)一帶，出現(xiàn)龍卷和暴雨天氣。

3.2 不穩(wěn)定條件

研究表明[19]，龍卷易發(fā)生在底層暖濕、抬升凝結(jié)高度較低，有較強(qiáng)的中低層垂直風(fēng)切變、中層有冷空氣、大氣不穩(wěn)定的條件下；另外，有些龍卷超級(jí)單體發(fā)生在小的對流有效位能(CAPE)和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變下[20]。表1為宿州災(zāi)害點(diǎn)周邊的3個(gè)探空站(阜陽、徐州、南京)22日08:00和20:00的數(shù)據(jù)資料。南京站(距離災(zāi)害點(diǎn)220 km)CAPE值較大，而徐州(距離災(zāi)害點(diǎn)70 km)和阜陽(距離災(zāi)害點(diǎn)130 km)的CAPE值都較小，這是由于7月21、22日安徽和江蘇的淮河以北地區(qū)有雷暴發(fā)展造成的。3個(gè)探空站的K指數(shù)都較大在33～38 ℃，表明周圍大氣層結(jié)都極為不穩(wěn)定；同時(shí)，中層700 hPa相對于低層比濕有一個(gè)減弱，即有冷空氣入侵[19]。850 hPa比濕在13～16 g·kg-1，近地面層在14～27 g·kg-1， 大氣低層都較為暖濕；抬升凝結(jié)高度較低都在950 hPa以下[12]，低于500 m。實(shí)況還顯示， 在龍卷發(fā)生前幾小時(shí)龍卷發(fā)生地都出現(xiàn)過降水，低層環(huán)境較濕。

表1 2020年7月22日探空參數(shù)

利用距離宿州龍卷發(fā)生地70 km左右的蚌埠雷達(dá)VWP風(fēng)廓線產(chǎn)品分析環(huán)境風(fēng)切變情況，龍卷發(fā)生(18:00)前蚌埠雷達(dá)0～2 km風(fēng)(圖3)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)有暖平流存在，表明近地面大氣層結(jié)較不穩(wěn)定。龍卷發(fā)生期間中低空一直存在西南急流，風(fēng)速在20 m·s-1以上。從高密度地面氣象要素實(shí)況(圖略)可看出，17:40前后蚌埠地面風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，風(fēng)速2 m·s-1，計(jì)算得0～1 km垂直風(fēng)速差為12 m·s-1(表2)，0～6 km垂直風(fēng)速差約為20 m·s-1，大于周厚福[12]統(tǒng)計(jì)的江淮地區(qū)龍卷風(fēng)暴的垂直風(fēng)速差值(0～1 km,≥8.5 m·s-1;0～6 km,≥16.5 m·s-1)，可見在龍卷發(fā)生前0～1 km和0～6 km風(fēng)矢量差都較大；另外，在1.8～3.7 km高度上，17:58前后的風(fēng)速較17:40增大2～4 m·s-1，表明中低空西南急流加強(qiáng)。低層垂直風(fēng)切變的增強(qiáng)，導(dǎo)致氣旋性渦度強(qiáng)烈發(fā)展，為龍卷的發(fā)生提供極為有利的動(dòng)力條件[18]。

圖3 2020年7月22日17:29—18:26蚌埠風(fēng)廓線

表2 7月22日17:40基于蚌埠雷達(dá)的垂直風(fēng)速差

4 龍卷的多普勒雷達(dá)特征

4.1 超級(jí)單體風(fēng)暴特征

受鋒面雨帶東移影響，7月22日17:35雷達(dá)反射率因子圖上顯示大片層積混合降水回波的前沿已經(jīng)移到安徽和江蘇的淮河以北地區(qū)(圖4)，夾雜著有組織的中β對流回波帶，呈東北—西南向位于棗莊、徐州到宿州南部一線，并且雨帶南端的對流回波在東移過程中不斷加強(qiáng)、面積擴(kuò)大，回波強(qiáng)度55～60 dBz(圖4，紅色箭頭所指)，回波頂高15～18 km，回波前沿梯度較大，強(qiáng)風(fēng)暴單體向東北方向移動(dòng)，18:00—19:00造成了安徽宿州部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)龍卷。

圖4 2020年7月22日17:35蚌埠雷達(dá)0.5°仰角基本反射率

17:35在其低層0.5°仰角基本反射率因子圖上，風(fēng)暴的右后側(cè)開始出現(xiàn)入流缺口(圖5a)，17:52風(fēng)暴單體靠近祁縣鎮(zhèn)附近，鉤狀回波(圖5b)逐漸清晰起來，從18:00左右龍卷爆發(fā)到19:00結(jié)束，又出現(xiàn)5個(gè)體掃較為清晰的底層鉤狀回波(≥50 dBz)，分別在17:58、18:03(圖5c)、18:09、18:20、18:32。

17:35單體風(fēng)暴右后側(cè)入流缺口處，從低到高仰角反射率因子向入流一側(cè)傾斜(圖略)，相應(yīng)的雷達(dá)散射截面(RCS)垂直剖面(圖5e)上，反映出低層的弱回波區(qū)和中高層回波懸垂，風(fēng)暴頂位于低層反射率因子高梯度區(qū)之上的多單體強(qiáng)風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征，18 dBz的反射率因子擴(kuò)展到13 km以上，45 dBz以上的強(qiáng)反射率因子區(qū)達(dá)7.5 km，55 dBz的在6 km 以上，該超級(jí)單體風(fēng)暴是一個(gè)高質(zhì)心的系統(tǒng)[21]，對流發(fā)展較為深厚，從自動(dòng)氣象站實(shí)況數(shù)據(jù)知，周圍已經(jīng)出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水天氣；對應(yīng)風(fēng)暴徑向速度圖上，有中氣旋存在(圖5i)，此時(shí)風(fēng)暴距離雷達(dá)81 km，0.5°仰角旋轉(zhuǎn)速度為17.5 m/s，根據(jù)中氣旋判據(jù)[20]判斷為中等強(qiáng)度中氣旋。17:52低層出現(xiàn)鉤狀回波(圖5b)，RCS垂直剖面(圖5f)上，已經(jīng)可辯出清晰的有界弱回波區(qū)和中高層回波懸垂的超級(jí)單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征，對應(yīng)風(fēng)暴徑向速度(圖5j),0.5°仰角旋轉(zhuǎn)速度為16.5 m/s， 風(fēng)暴距離雷達(dá)74 km，仍為中等強(qiáng)度中氣旋。18:03—18:09強(qiáng)回波距離雷達(dá)70 km，旋轉(zhuǎn)速度增強(qiáng)為24～28 m/s，發(fā)展為強(qiáng)中氣旋(圖5k)，在18:00前后埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)陳橋村和沈寨首先出現(xiàn)龍卷天氣，并且45 dBz以上的強(qiáng)反射率因子區(qū)較17:35下降到6 km(圖5c)，55 dBz的強(qiáng)中心高度下降到5 km左右。18:49(圖5d)雖然底層鉤狀回波已經(jīng)不清晰了，但TVS像素到像素的風(fēng)切變較大[20](圖5l)，此時(shí)距離雷達(dá)72 km，速度差值為54 m/s，而且垂直剖面超級(jí)單體風(fēng)暴特征仍然保持(圖5h)，這種超級(jí)單體風(fēng)暴垂直剖面特征從17:52—18:49持續(xù)11個(gè)體掃。

4.2 風(fēng)暴參數(shù)

由風(fēng)暴追蹤信息和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)產(chǎn)品分析單體風(fēng)暴的演變發(fā)現(xiàn)，此次龍卷災(zāi)害主要是由鋒面雨帶南端的超級(jí)單體風(fēng)暴造成的。在雨帶南端，雷達(dá)在整個(gè)過程中先后識(shí)別出2個(gè)對流單體。首先，雷達(dá)在15:18識(shí)別出標(biāo)號(hào)為p1的風(fēng)暴，此風(fēng)暴在18:00前后發(fā)展為龍卷風(fēng)暴，18:00—18:09呈西西南向東東北路徑先后襲擊了祁縣鎮(zhèn)陳橋村和大澤鄉(xiāng)鎮(zhèn)洪廟村、劉村等地(圖2中A、B、C)，p1在18:09后停報(bào)。雷達(dá)在18:03再次識(shí)別出風(fēng)暴b0，b0在18:15前后發(fā)展為龍卷風(fēng)暴，18:15—18:49也呈西西南向東東北路徑先后襲擊了祁縣鎮(zhèn)沈寨村、206國道煙汕線及靈璧縣的禪堂鄉(xiāng)劉楊村等(圖2中D、E、F)。

由p1風(fēng)暴參數(shù)(圖6a)變化知，最大反射率因子和垂直累積液態(tài)水在16:09明顯增強(qiáng)到58 dBz和35 kg·m-2，在龍卷發(fā)生(18:00)前最大反射率因子又增強(qiáng)到61 dBz(17:58)，垂直累積液態(tài)水也增加到51 kg·m-2(17:52)，他們在龍卷爆發(fā)后都有所下降。在16:15風(fēng)暴頂高增強(qiáng)到10 km發(fā)展為強(qiáng)風(fēng)暴，之后變化有起伏；在龍卷發(fā)生前4個(gè)體掃(17:40)，從8.1 km(17:35)躍增到12 km(17:40)，爆發(fā)后略有下降，基本維持在12 km左右，最強(qiáng)達(dá)12.3 km。風(fēng)暴底高在17:35降到1.3 km， 龍卷發(fā)生時(shí)降到1.0 km(雷達(dá)可測的最低高度)。17:46最大反射率因子高度由3.8 km增到17:58的5.6 km，爆發(fā)時(shí)急降到風(fēng)暴底部為1.0 km(18:03、18:09)。

由b0風(fēng)暴的變化(圖6b)知，龍卷爆發(fā)(18:15)前底高就較低，18:03為1.2 km，爆發(fā)期間(18:15—18:49)除18:43為2.5 km外，基本維持在1.0～1.1 km。頂高從6.5 km(18:03)躍增到11.7 km(18:15),期間除18:43降為4.9 km，一般維持在11 km以上。最大反射率因子由53 dBz(18:03)增加到59 dBz(18:15)，爆發(fā)后略有下降；VIL由19 kg·m-2(18:03)急增到49 kg·m-2(18:15)，爆發(fā)后略有下降；最大反射率因子高度也由3.9 km(18:03)急降到1.0 km(18:09)，以后在1.1～4.5 km，與文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果一致，即龍卷發(fā)生時(shí)最大反射率因子高度一般在6 km以下。18:55底高上升到2.2 km，頂高降到8 km以下，最大反射率因子降到55 dBz以下，VIL明顯減弱到17 kg·m-2以下，風(fēng)暴減弱逐漸消失。與劉娟[10]分析的龍卷風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)的特征比較，此次龍卷風(fēng)暴頂高和VIL一直維持高值，沒有明顯下降，可能與此次龍卷維持時(shí)間較長和伴隨暴雨有關(guān)。

圖6 2020年7月22日雷達(dá)風(fēng)暴追蹤信息底高、頂高、垂直累積液態(tài)水(VIL)、 最大反射率因子(DBZM)及其高度(HT)變化：(a)風(fēng)暴p1,(b)風(fēng)暴b0 (底部橫線為龍卷爆發(fā)時(shí)間段,下同)

由上分析知，本次龍卷超級(jí)單體風(fēng)暴參數(shù)平均值如下：頂高為11.6 km，底高為1.0 km，最大反射率因子高度為3.0 km，占風(fēng)暴高度為25.8%(約在風(fēng)暴下部1/4處)，最大反射率因子為58.6 dBz，VIL為45.0 kg·m-2。與周后福[12]統(tǒng)計(jì)的江淮地區(qū)龍卷風(fēng)暴參數(shù)均值(頂高為9.1 km，底高為1.7 km，最大反射率因子高度占風(fēng)暴高度為27.2%，最大反射率因子為54.8 dBz，VIL為25.3 kg·m-2)比較，各項(xiàng)參數(shù)都偏強(qiáng)。

可見，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)暴底高下降到較低，頂高躍增到較高時(shí)，就要引起預(yù)報(bào)員的高度重視，當(dāng)最大反射率因子高度也驟降到風(fēng)暴底部時(shí)，龍卷可能已經(jīng)發(fā)生。

4.3 中氣旋相關(guān)參數(shù)

超級(jí)單體龍卷與持續(xù)深厚的中氣旋密切相關(guān)，超級(jí)單體龍卷的出現(xiàn)和低層中氣旋(1 km以下)的發(fā)展密切相關(guān)，中氣旋延伸到最低層(1 km以下)，龍卷爆發(fā)[22]。

雷達(dá)在龍卷發(fā)生(18:00)前約24 min(4個(gè)體掃)探測到中氣旋。17:18雷達(dá)在鋒面雨帶末端首先識(shí)別出三維相關(guān)切變，下一個(gè)體掃(17:23)識(shí)別出中氣旋，17:29有中斷，然后在17:35—18:09連續(xù)7個(gè)體掃識(shí)別出中氣旋，之后又在18:20識(shí)別出1次中氣旋和18:38識(shí)別出1次三維相關(guān)切變。

分析中氣旋參數(shù)(圖7)變化知，中氣旋底高在龍卷發(fā)生前就較低為1.1 km(17:35)，龍卷發(fā)生時(shí)(18:00)降到0.9 km(雷達(dá)可測的最低高度)。頂高在17:40—17:46有個(gè)急劇升降過程，同時(shí)最大風(fēng)切變量高度也急劇下降，但由于對應(yīng)的最大風(fēng)切變量較小(17:46)，沒有龍卷發(fā)生。頂高在17:46—17:58有急劇升降，提前龍卷2個(gè)體掃由3.6 km(17:46)躍增到8 km(17:52)，爆發(fā)時(shí)驟降到2.2 km(17:58、18:03)。延伸厚度由2.6 km(17:46)拉伸到7 km(17:52)，爆發(fā)時(shí)再快速壓縮到1.2 km(17:58、18:03)。在頂高躍增的同時(shí)，最大切變量也提前2個(gè)體掃先由12×10-3s-1(17:46)增到15×10-3s-1(17:52)，爆發(fā)時(shí)又躍增到32×10-3s-1(18:03)，最強(qiáng)到43×10-3s-1(18:09)。最大切變量高度在龍卷爆發(fā)前變化劇烈，從6.2 km(17:40)急劇降到1 km(17:52)，17:58略有上升，18:03又降到0.9 km(同中氣旋底部高度一致)。

圖7 2020年7月22日雷達(dá)探測中氣旋參數(shù)底高、 頂高、最大切變量(SHR)及其高度(HT)變化

龍卷過程中氣旋各參數(shù)平均值(17:58—18:09)：底高0.9 km，頂高2.2 km，延伸厚度1.3 km，最大風(fēng)切變高度1.3 km，最大風(fēng)切變29.3×10-3s-1。與周后福[12]統(tǒng)計(jì)的江淮地區(qū)超級(jí)單體龍卷中氣旋參數(shù)(底高1.2 km，頂高3.9 km，延伸厚度為2.7 km，最大風(fēng)切變?yōu)?4.4×10-3s-1)比較，中氣旋延伸厚度較淺薄，切變較強(qiáng)烈。

4.4 TVS相關(guān)參數(shù)

一個(gè)可能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(TVS)，在速度圖上表現(xiàn)為像素到像素的很大的風(fēng)切變[20]。雷達(dá)在鋒面雨帶末端從17:18—18:49連續(xù)17個(gè)體掃約102 min識(shí)別出龍卷渦旋特征(TVS)，較龍卷爆發(fā)(18:00)提前了7個(gè)體掃約42 min。

由圖8分析，TVS在17:18底部高度為1.5 km，隨時(shí)間逐漸下降，17:46降為1.2 km，龍卷爆發(fā)時(shí)又降到1.1 km(18:03)，龍卷持續(xù)期間(18:03—18:49)維持在較低值為1.0～1.2 km(雷達(dá)可測的最低高度)。頂高變化波動(dòng)較大，提前龍卷2個(gè)體掃從5.1 km(17:46)向上擴(kuò)展到6.2 km(17:52)，爆發(fā)時(shí)驟降到3.5 km(18:03)；同時(shí)，對應(yīng)最大切變量躍增，徑向速度差(平均值、最大、最低仰角)也相應(yīng)提前1～2個(gè)體掃增大，爆發(fā)時(shí)徑向速度差(平均值、最低仰角)略有降低，最大切變量和最大徑向速度差仍在增加。最大切變量高度提前3個(gè)體掃由6.5 km(17:40)急劇下降到3.9 km(17:46)，爆發(fā)時(shí)繼續(xù)下降到2.4 km(18:03)，18:09又降到1.1 km(和底高一致)，龍卷持續(xù)期間維持在1.0～1.2 km。三維環(huán)流特征的厚度變化也對應(yīng)頂高的變化，在17:46先由3.8 km拉伸到5.0 km(17:52)，然后壓縮到2.1 km(18:03)。龍卷爆發(fā)前頂高雖然有2次躍增，對應(yīng)最大切變量、徑向速度差(平均值、最低仰角、最大)也增大，但由于最大切變量高度較高，所以沒有出現(xiàn)龍卷。17:35雖然最大切變量高度降到1.3 km，但其對應(yīng)的最大切變量、徑向速度差(平均值、最低仰角、最大)值較小，也沒有出現(xiàn)龍卷。在18:09—18:49期間，頂高又有2次快速升降過程，對應(yīng)最大切變量、徑向速度差(平均值、最低仰角、最大)也隨之變動(dòng)，同時(shí)最大切變量高度一直處在TVS底部的較低值，所以龍卷過程維持。18:49后TVS消失，過程基本結(jié)束。

圖8 2020年7月22日雷達(dá)探測龍卷渦旋( TVS)特征參數(shù) 頂高、底高、最大切變量(Tmxshr)及其高度(HT)、徑向速度差 平均值(V ad)、最低仰角徑向速度差 (Vlld)、 最大徑向速度差(Vmxd)變化

此次龍次卷過程TVS的底高為1.1 km、頂高為4.1 km、三維環(huán)流特征的厚度(Tdpt)為3.0 km、最大切變量(Tmxshr)為59.4×10-3s-1、Tmxshr高度為1.6 km、徑向速度差的平均值(Vad)為18.6 m/s、最低仰角徑向速度差(Vlld)為35.8 m/s、最大徑向速度差(Vmxd)為36.7 m/s，與周后福[12]統(tǒng)計(jì)的江淮地區(qū)龍卷風(fēng)暴TVS最強(qiáng)參數(shù)(底高為1.0 km，頂高為4.6 km，Tdpt為4.0 km，Tmxshr為30.8×10-3s-1，Tmxshr高度為2.3 km，Vad為23.9 m/s、Vlld為37.9 m/s、Vmxd為40.0 m/s)比較，此次TVS的延伸厚度較薄，最大切變量較大，最強(qiáng)達(dá)88.2×10-3s-1。

4.5 中氣旋、TVS和龍卷發(fā)生地的位置關(guān)系

劉娟[10]分析一次過程發(fā)現(xiàn)，龍卷風(fēng)位置與TVS位置對應(yīng)，位于TVS的南側(cè)，或在中氣旋最大風(fēng)速圈的南緣。此次過程中實(shí)地考察的6個(gè)災(zāi)害點(diǎn)，18:00前后龍卷襲擊的3個(gè)點(diǎn)(祁縣陳村、大澤鄉(xiāng)的洪廟村和劉村相距較近，圖2中A、B、C處)，位于中氣旋外圈西北部1～3 km處，TVS西北部1～4 km附近。18:15左右襲擊的祁縣的沈寨、206國道煙汕線兩地(相距較近，圖2中D、E處 )，位于中氣旋外圈或TVS南部4 km范圍內(nèi)。18:49左右襲擊的靈璧縣的禪堂鄉(xiāng)劉楊村(圖2中F處 )，位于TVS東北部5 km附近?？梢?，中氣旋和TVS的影響不僅在南側(cè)，在西北和東北方向也有出現(xiàn)。

4.6 龍卷碎片特征

當(dāng)龍卷發(fā)生在雙偏振雷達(dá)附近(大約75 km范圍內(nèi))并對建筑形成嚴(yán)重破壞時(shí)，龍卷碎片(TDS)特征表現(xiàn)為在龍卷鉤狀回波末端處具有非常小的零滯后相關(guān)系數(shù)和差分反射率[16]，反射率因子測值很高[14]。

此次龍卷超級(jí)單體回波距離雷達(dá)站約68～78 km，在18:03、18:09這2個(gè)時(shí)次的TDS特征略明顯。TVS在18:03、18:09距離雷達(dá)約70 km左右，此時(shí)龍卷風(fēng)暴最強(qiáng)，中氣旋、TVS各項(xiàng)參數(shù)基本都達(dá)到最強(qiáng)，最大反射率因子高度和風(fēng)暴底都降到過程最低，維持在1.0 km(雷達(dá)可測的最低高度)。觀測到這2個(gè)時(shí)次的鉤狀回波末端處(TVS附近)的強(qiáng)度(圖9a、e，圖黑色箭頭所指)分別為52 dBz、50 dBz，沒有達(dá)到如張建云[14]所述為60 dBz(尺度約1 km)以上的強(qiáng)回波；徑向速度上有顯著的速度切變特征(圖9b、f)。0.5°零滯后相關(guān)系數(shù)、差分反射率圖上在鉤狀回波末端處(TVS附近)出現(xiàn)一個(gè)1 km范圍(1個(gè)像素)的低值區(qū)(圖9c、g、d、h，箭頭所指處)，零滯后相關(guān)系數(shù)的值分別為0.83、0.78，差分反射率值為-0.11 dB、-0.77 dB。抬高仰角和其他時(shí)次都沒有在鉤狀回波的末端觀測到明顯的零滯后相關(guān)系數(shù)、差分反射率低值區(qū)特征?？赡芘c距離雷達(dá)較遠(yuǎn)、雷達(dá)的分辨率還不夠高，以及龍卷的強(qiáng)度不夠大，或當(dāng)龍卷被雨區(qū)包裹時(shí)，雨滴可能與龍卷卷起的雜物混雜等有關(guān)。

圖9 2020年7月22日18:03、18:09蚌埠雷達(dá)0.5°仰角反射率因子、徑向速度、零滯后相關(guān)系數(shù)、差分反射率 (圖中白色圓圈為中氣旋，倒三角為TVS)

5 結(jié)論與討論

(1)在梅雨期暴雨天氣形勢下，低空急流、暖切、低渦、鋒面以及較低的抬升凝結(jié)高度、較強(qiáng)的中低層垂直風(fēng)切變?yōu)辇埦硖峁┝擞欣沫h(huán)境背景。

(2)龍卷發(fā)生在梅雨鋒南端的超級(jí)單體風(fēng)暴中，低層的右后方出現(xiàn)鉤狀回波。

(3)風(fēng)暴結(jié)構(gòu)參數(shù)、中氣旋、TVS參數(shù)在龍卷過程中的強(qiáng)烈變化，對提前預(yù)警和判斷是否發(fā)生有較好的指示意義。

(4)產(chǎn)生龍卷的單體風(fēng)暴頂高達(dá)11 km以上，最大反射率因子58 dBz、垂直累積液態(tài)水45 kg·m2，龍卷發(fā)生在最大反射率因子高度急降到風(fēng)暴底部之時(shí)，最大反射率因子高度在龍卷維持期間基本處在風(fēng)暴底部的1/4處。

(5)雷達(dá)在龍卷發(fā)生前24 min探測到中氣旋。中氣旋延伸厚度較淺薄，切變強(qiáng)烈。龍卷爆發(fā)時(shí)中氣旋底高和最大切變量高度最低為0.9 km，最大切變量最強(qiáng)時(shí)達(dá)43×10-3s-1。當(dāng)中氣旋頂高躍增、最大切變量高度驟降，底部高度降低時(shí)，預(yù)報(bào)員就要提高警覺，因?yàn)楫?dāng)頂高驟降、最大切變量激增，底高降到1 km以下時(shí)，龍卷可能已經(jīng)發(fā)生。

(6)TVS超前龍卷42 min被探測到，TVS延伸厚度淺薄，最大切變量較大。當(dāng)TVS底高降低，頂高、最大切變量躍增，預(yù)示TVS增強(qiáng)，龍卷發(fā)生時(shí)TVS頂高驟降，最大切變量高度也隨之降到TVS底部。

(7)在底層鉤狀回波末端處觀測到零滯后相關(guān)系數(shù)、差分反射率低值區(qū)的龍卷碎片特征。

(8)此次過程中，龍卷災(zāi)害點(diǎn)不僅出現(xiàn)在位于TVS的南側(cè)或在中氣旋最大風(fēng)速圈的南緣，還在西北部和東北部出現(xiàn)。

由于中氣旋、TVS在監(jiān)測龍卷時(shí)虛警較高，使用時(shí)要綜合考慮龍卷發(fā)生前的各種征兆參數(shù)。此次龍卷的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)參數(shù)、中氣旋和TVS參數(shù)多數(shù)較周厚福[12]統(tǒng)計(jì)的江淮龍卷的高，但災(zāi)害等級(jí)為什么只達(dá)到EF1級(jí)。且蚌埠雷達(dá)在梅雨鋒南端識(shí)別出2個(gè)風(fēng)暴單體，先后發(fā)展為龍卷風(fēng)暴造成災(zāi)害，而為什么從距離災(zāi)害點(diǎn)90 km左右的徐州雙偏振雷達(dá)觀測到是同一風(fēng)暴造成的。這次為什么是雷達(dá)先識(shí)別出TVS后再識(shí)別出中氣旋，這些問題還有待于繼續(xù)探討，只有對有關(guān)龍卷機(jī)理問題進(jìn)行深入細(xì)致的研究和雷達(dá)算法的不斷完善，才能發(fā)掘、提煉出更有意義的龍卷監(jiān)測指標(biāo)。