中國龍卷研究進(jìn)展*

鄭永光 劉菲凡 張恒進(jìn)

1 國家氣象中心，北京 100081 2 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081

提 要： 近年來，中國幾個EF3級以上強(qiáng)龍卷導(dǎo)致了嚴(yán)重人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。龍卷尺度非常小,發(fā)生頻率非常低。中國雖然目前尚不具備業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)龍卷能力，但隨著新一代天氣雷達(dá)及自動氣象站的觀測網(wǎng)、現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模式的發(fā)展，龍卷研究取得了顯著進(jìn)展，對中國龍卷時(shí)空分布?xì)夂蛱卣骱陀欣奶鞖獗尘耙约碍h(huán)境條件已有較為全面的了解，也認(rèn)識到不同天氣背景下有利于龍卷產(chǎn)生的環(huán)境條件不盡相同。龍卷風(fēng)災(zāi)現(xiàn)場調(diào)查流程和分析技術(shù)已經(jīng)較為完備， 2016年江蘇阜寧EF4級龍卷等多個強(qiáng)龍卷都得到了詳細(xì)規(guī)范的現(xiàn)場調(diào)查和分析，為減災(zāi)防災(zāi)提供了重要數(shù)據(jù)。對孕生龍卷的超級單體風(fēng)暴中小尺度特征取得了較為深入的認(rèn)識，如不太強(qiáng)的地面冷池、中氣旋底高通常低于1 km、強(qiáng)度與龍卷強(qiáng)度正相關(guān)、傾斜、龍卷碎片特征、下沉反射率因子核和部分龍卷的多渦旋特征等。使用精細(xì)云模式成功對江蘇阜寧和北京通州龍卷分別進(jìn)行了理想模擬，且使用WRF(Weather Research and Forecasting)模式成功模擬出了2005年臺風(fēng)麥莎對流眼墻中的龍卷尺度渦旋和2016年阜寧龍卷的多渦旋結(jié)構(gòu)。未來，仍然需要在龍卷探測技術(shù)、龍卷對流風(fēng)暴精細(xì)地面要素分布和結(jié)構(gòu)特征、龍卷渦旋和閃電活動特征等方面進(jìn)行深入研究，更需要通過更高時(shí)空分辨率觀測資料分析和極高分辨率的數(shù)值模擬獲取龍卷發(fā)展的關(guān)鍵因素和機(jī)理，從而為提升龍卷的預(yù)報(bào)預(yù)警能力提供更為堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

引 言

龍卷是地球大氣中最為劇烈和最具有破壞性的天氣現(xiàn)象。美國移動多普勒天氣雷達(dá)觀測到距地面32 m高度的龍卷最大風(fēng)速達(dá)到135 m·s-1(Wurman et al，2007)，但直接觀測龍卷風(fēng)速幾乎是不可能的，因此，通常使用不同的級別來估計(jì)龍卷強(qiáng)度。龍卷的基本特征是對流活動導(dǎo)致的從空中向下方伸展的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)空氣柱，其表現(xiàn)為可以觀測到的漏斗云和/或旋轉(zhuǎn)的碎片或沙塵等。美國氣象學(xué)會(AMS)對龍卷的定義作了多次修訂，最近修訂后定義為“從積狀云下垂伸展至地面的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)空氣柱，且經(jīng)?？煽吹铰┒窢钤坪?或地面旋轉(zhuǎn)的碎片/沙塵(1)英文原文為“A rotating column of air, in contact with the surface, pendant from a cumuliform cloud, and often visible as a funnel cloud and/or circulating debris/dust at the ground” 。來源自AMS網(wǎng)站(https:∥glossary.ametsoc.org/wiki/Tornado)。”；中國的《大氣科學(xué)辭典》中給出的龍卷定義為“從積雨云中伸下的猛烈旋轉(zhuǎn)的漏斗狀云柱。它有時(shí)稍伸即隱，有時(shí)懸掛空中或觸及地面?！?(《大氣科學(xué)辭典》編委會,1994)。龍卷通常分為兩類：一類為中氣旋龍卷(也稱為超級單體龍卷)，另一類為非中氣旋龍卷(也稱為非超級單體龍卷)(Davies-Jones et al, 2001；Bluestein, 2013；鄭永光等, 2017)，后者通常弱于前者。美國約有25%的中氣旋能夠產(chǎn)生龍卷(Davies-Jones et al, 2001)。非中氣旋龍卷也通常分為兩類(鄭永光等，2018a；俞小鼎和鄭永光, 2020)：一類出現(xiàn)在颮線或者弓形回波前部的γ中尺度渦旋(又稱為中渦旋)內(nèi)，這類龍卷通常比中氣旋龍卷弱，個別強(qiáng)度可以達(dá)到EF3級；另一類通常出現(xiàn)在地面輻合切變線上，這類輻合切變線上產(chǎn)生的瞬變渦旋遇到積雨云或濃積云中上升氣流垂直拉伸渦度加強(qiáng)而形成龍卷(Wakimoto and Wilson,1989)。Agee and Jones(2009)則將龍卷分為三類，分別為超級單體龍卷、線狀對流龍卷和其他類型龍卷，其他類型龍卷包括陸龍卷(landspout，類似于水龍卷的陸地龍卷)、水龍卷(waterspout)、冷空氣漏斗云(cold air funnel)、陣風(fēng)鋒龍卷(gustnado)、熱帶氣旋眼墻中的中渦旋、反氣旋式次級渦旋等。但Agee(2014)根據(jù)AMS對龍卷的相關(guān)定義，從龍卷分類中剔除了熱帶氣旋眼墻中的中渦旋和陣風(fēng)鋒龍卷。

全球每年僅發(fā)生約2 000個龍卷，發(fā)生概率非常低。美國每年龍卷可超過1 200個(Brooks et al, 2003)，是發(fā)生頻率最高的國家。F4/EF4級及以上等級龍卷發(fā)生頻率極低，美國1950—2011年每年平均發(fā)生約10個這些等級的龍卷；1925年3月18日，美國的一次強(qiáng)龍卷造成了695人死亡(Wurman et al，2007)，是迄今為止導(dǎo)致死亡人數(shù)最多的一次龍卷。

中國龍卷發(fā)生頻率顯著低于美國，每年發(fā)生次數(shù)僅大概為美國的十分之一(范雯杰和俞小鼎，2015)。不過，2015年10月4日“彩虹”臺風(fēng)外圍佛山EF3級龍卷、2016年6月23日江蘇阜寧EF4級龍卷和2019年7月3日遼寧開原EF4級龍卷等強(qiáng)龍卷由于其極大的破壞性，導(dǎo)致了大量人員傷亡和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。在俞小鼎和鄭永光(2020)和鄭永光(2020)的基礎(chǔ)上，本文簡述中國龍卷氣候特征和環(huán)境條件研究進(jìn)展，重點(diǎn)回顧和總結(jié)現(xiàn)場調(diào)查、龍卷中小尺度特征和數(shù)值模擬研究等方面進(jìn)展，并給出未來工作展望。

1 氣候特征

鄭永光(2020)總結(jié)了Yao et al(2015)、范雯杰和俞小鼎(2015)和Chen et al(2018)分別給出的中國龍卷氣候分布；中國每年發(fā)生約100個龍卷；龍卷主要發(fā)生在中國東部和部分中部平坦地區(qū)，其中江蘇尤其是江蘇北部是中國龍卷最多發(fā)的地區(qū)；但強(qiáng)龍卷基本發(fā)生在中國中東部，年均發(fā)生EF1或以上級龍卷14.3次(范雯杰和俞小鼎，2015；Chen et al，2018)。需要指出的是，河北北部和內(nèi)蒙古東南部同遼寧交界附近區(qū)域也有一些龍卷發(fā)生；例如，2017年8月11日內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗和翁牛特旗EF3級龍卷導(dǎo)致5人死亡；青藏高原也有龍卷發(fā)生，但強(qiáng)度弱。中國尚未記錄到EF5級龍卷；根據(jù)范雯杰和俞小鼎(2015)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和近年的龍卷發(fā)生情況，1951—2020年共記錄到7次EF4級龍卷(鄭永光，2020)。

Bai et al(2020)調(diào)查了2006—2018年中國熱帶氣旋(TC)龍卷的發(fā)生情況, 共獲得64次TC龍卷記錄，平均每年約為5次；中國約三分之一的登陸TC有龍卷生成；TC龍卷主要發(fā)生在距熱帶氣旋中心500 km范圍內(nèi)，江蘇和廣東是中國TC龍卷發(fā)生頻次最多的兩個省份；中國的TC龍卷主要生成于TC中心的東北象限，少數(shù)生成于TC中心西側(cè)。中國大多數(shù)TC龍卷生成于強(qiáng)度相對較弱的熱帶氣旋(如熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴)(鄭媛媛等，2015；Bai et al，2020)。不過，中國TC龍卷強(qiáng)度的氣候分布特征還沒有完全厘清，目前記錄到的中國最強(qiáng)TC龍卷強(qiáng)度為EF3級。

通常TC龍卷發(fā)生在登陸TC的外雨帶中。但美國的一些觀測和颶風(fēng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，TC眼墻強(qiáng)烈對流中也存在著尺度約1 km的龍卷尺度渦旋，其移動非常快速(Wu et al，2018)，Agee and Jones(2009)把它們歸類為第三類龍卷(其他類型龍卷)，不過，Agee(2014)把這類渦旋剔除出了龍卷的范疇。Wu et al(2018)使用最高水平分辨率達(dá)37 m的WRF模式加大渦模擬,成功模擬出了2005年臺風(fēng)麥莎(Matsa)眼墻對流內(nèi)邊緣的龍卷尺度渦旋，證明這些渦旋在熱帶氣旋中普遍存在。

圖1 中國(未包括臺灣)2004—2013年143次EF1級以上龍卷分布 [填色為地形，根據(jù)范雯杰和俞小鼎(2015)相應(yīng)圖形改繪]Fig.1 The 143 tornadoes with intensities stronger than EF1 in China in 2004-2013 (color shaded: topography; modified from Fan and Yu, 2015)

2 天氣背景和環(huán)境條件

有利于F2/EF2級及以上中氣旋龍卷的環(huán)境條件不僅需要較大的對流有效位能(CAPE)和強(qiáng)的0～6 km垂直風(fēng)切變(Brooks et al，2003)，還需要較高的0～1 km相對濕度(Doswell Ⅲ and Evans，2003)、較低的抬升凝結(jié)高度和較大的低層(0～1 km)垂直風(fēng)切變(Craven and Brooks, 2004)。基于這些環(huán)境條件特征，Brooks et al(2003)利用美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)再分析資料計(jì)算了全球龍卷年平均日數(shù)分布，從中可以看到，我國東北和廣東這兩個龍卷日數(shù)的高值區(qū)與前文給出的氣候特征具有較好的一致性，但其給出的圖中并沒有體現(xiàn)江蘇這個龍卷多發(fā)區(qū)，這表明江蘇龍卷的環(huán)境條件與其研究所使用的環(huán)境條件存在差異，可能的差異原因下文進(jìn)行分析。

鄭永光(2020)總結(jié)了中國龍卷的天氣背景和環(huán)境條件。雖然多種天氣尺度背景有利龍卷發(fā)生(魏文秀和趙亞民，1995；王東海等，2018)，但梅雨、冷渦和TC是中國發(fā)生較多龍卷的天氣背景，且這三種背景下龍卷發(fā)生條件存在顯著差異(鄭永光，2020)。

梅雨背景下的強(qiáng)龍卷通常具備了中氣旋龍卷所有有利條件，但不同個例的CAPE值差異較大，一些個例CAPE可達(dá)3 000 J·kg-1左右，而有些個例僅超過1 000 J·kg-1(俞小鼎等，2008；鄭媛媛等，2009；鄭永光等，2018b)。不過，需要注意CAPE計(jì)算的代表性問題。江蘇龍卷多發(fā)生在梅雨背景下(吳芳芳等，2013；曾明劍等，2016)，此背景下的大氣垂直減溫率通常小于Brooks et al(2003)計(jì)算龍卷日數(shù)所用數(shù)值(垂直減溫率至少為6.5 ℃·km-1)，這是一個很大的垂直減溫率數(shù)值(鄭永光等，2017)，因此這很可能是Brooks et al(2003)未能展示江蘇是中國龍卷最主要高發(fā)區(qū)的原因。

冷渦背景下強(qiáng)龍卷的環(huán)境條件，除了較差的低層濕度條件和較高的抬升凝結(jié)高度是較不利的條件外(王秀明等，2015；鄭永光等，2020)，其他有利中氣旋龍卷的條件通常都具備；但鄭永光等(2020)指出遼寧開原龍卷發(fā)生前，對流風(fēng)暴的前部先在開原及周邊地區(qū)產(chǎn)生了降水，迅速改善了濕度條件。

如前所述，廣東是中國龍卷的高發(fā)區(qū)之一，也是TC龍卷高發(fā)區(qū)之一，與Brooks et al(2003)所給出的相應(yīng)高發(fā)區(qū)基本一致。但據(jù)2002—2012年廣東62次龍卷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(馮喆，2016)顯示，63%的龍卷發(fā)生在前汛期4—6月，且大部分龍卷并非TC龍卷。因此，雖然廣東龍卷的有利環(huán)境條件尚沒有系統(tǒng)性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)表，但這很可能表明廣東非TC龍卷大多符合Brooks et al(2003)給出的龍卷發(fā)生條件。

TC龍卷的環(huán)境條件除了較弱的CAPE(200～1 000 J·kg-1)外(鄭媛媛等，2015)，其他有利條件也都具備。由于臺風(fēng)背景下龍卷的環(huán)境條件與其他天氣背景存在較明顯差異，因此，龍卷也通常區(qū)分為臺風(fēng)龍卷和非臺風(fēng)龍卷，或者稱為熱帶氣旋龍卷和非熱帶氣旋龍卷。由于TC背景下大氣垂直減溫率也通常較小，如前所述，Brooks et al(2003)使用的環(huán)境條件之一是大的垂直減溫率，因此，其所給出的龍卷分布并不能反映TC龍卷分布。

弱垂直風(fēng)切變的環(huán)境中也會產(chǎn)生超級單體龍卷，這比較罕見。鄭艷等(2017)、王秀明和俞小鼎(2019)分別分析了 2016年6月5日位于熱帶地區(qū)海南文昌的一次EF2級非臺風(fēng)龍卷過程。王秀明和俞小鼎(2019)認(rèn)為其是非典型超級單體龍卷。這次龍卷過程發(fā)生在副熱帶高壓邊緣、500 hPa槽前、850 hPa切變線和地面熱低壓的南側(cè)；雖然0～1 km和0～6 km垂直風(fēng)切變非常弱，但由于海陸風(fēng)效應(yīng)而顯著增大的0～2 km 垂直風(fēng)切變，極高的低層濕度和較低的抬升凝結(jié)高度，非常大的CAPE 值(達(dá)2 900 J·kg-1)為龍卷風(fēng)暴的生成提供了有利的環(huán)境條件。

非中氣旋龍卷大多與颮線或者地面輻合切變線有關(guān)，所以這類非中氣旋龍卷的天氣背景和環(huán)境條件就是有利于出現(xiàn)這些對流風(fēng)暴的背景和條件。刁秀廣等(2014)分析發(fā)生在山東境內(nèi)的6個非超級單體龍卷；這些非超級單體龍卷產(chǎn)生于5次天氣過程，其中4次過程屬于后傾槽結(jié)構(gòu)，1次是西北氣流結(jié)構(gòu)；低層大的濕度和0～1 km垂直風(fēng)切變≥7 m·s-1是這些龍卷發(fā)生的有利條件。吳芳芳等(2019)分析了一次2006年發(fā)生在梅雨鋒上的中尺度對流復(fù)合體，雷達(dá)探測顯示其實(shí)是一條尺度在150～200 km的弓形颮線，該颮線前側(cè)產(chǎn)生了7個非超級單體龍卷；其環(huán)境背景和條件包括：中層在副熱帶高壓西北側(cè)和500 hPa東移的短波槽前，地面位于鋒面氣旋暖區(qū)內(nèi)；有中等到強(qiáng)的對流有效位能、強(qiáng)的深層(0～6 km)和低層(0～1 km)風(fēng)垂直切變。

3 現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查

3.1 概 述

龍卷或者下?lián)舯┝鲗?dǎo)致的強(qiáng)對流風(fēng)災(zāi)具有顯著的多尺度特征(鄭永光等，2016a)，但強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害尺度非常小。雖然我國目前已經(jīng)布設(shè)完成了較為完備的新一代多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)和稠密的區(qū)域自動氣象站網(wǎng)，但仍然難以全面監(jiān)測該類天氣，因此現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查是必要手段，能夠?yàn)榇_定災(zāi)害的成因和強(qiáng)度，提供最重要和最為直接的證據(jù)(鄭永光等，2017；2018a)。

Fujita(1971)提出了Fujita等級以估計(jì)龍卷、臺風(fēng)等的風(fēng)速，現(xiàn)在美國已形成了比較完整規(guī)范的龍卷和下?lián)舯┝魉嘛L(fēng)災(zāi)強(qiáng)度等級和現(xiàn)場調(diào)查體系(Fujita et al,1970;Fujita,1978；1985；Bunting and Smith,1993;Doswell III and Evans,2003;Edwards et al,2013)。Fujita(1981)總結(jié)了強(qiáng)對流風(fēng)暴導(dǎo)致的龍卷大風(fēng)、直線大風(fēng)(2)直線大風(fēng)不同于龍卷大風(fēng)，指的是近地面氣流無明顯曲率，近似為直線。、下?lián)舯┝?3)下?lián)舯┝髦傅氖菑?qiáng)對流天氣系統(tǒng)中產(chǎn)生的局部性強(qiáng)下沉氣流，到達(dá)地面后會產(chǎn)生輻散型或直線型的災(zāi)害性大風(fēng)。按照尺度的不同，下?lián)舯┝鞅环譃槲⑾聯(lián)舯┝骱秃晗聯(lián)舯┝?。所致大風(fēng)共三類災(zāi)害性大風(fēng)的地面流場特征：龍卷災(zāi)害路徑相對狹窄，通常導(dǎo)致輻合旋轉(zhuǎn)性風(fēng)場；而下?lián)舯┝魉麓箫L(fēng)通常是輻散的直線或者曲線型大風(fēng)(圖2a，2b)(鄭永光等，2016a)。

圖2 龍卷(a)和下?lián)舯┝?b)的不同地面流型(Fujita，1985；Doswell Ⅲ，2003)Fig.2 Different surface flow patterns of tornado (a) and downburst (b) (Fujita, 1985; Doswell Ⅲ,2003)

通過災(zāi)害程度來評估風(fēng)速存在較大不確定性，因此需要一定的等級來表征不同物體受災(zāi)程度所指示的風(fēng)速范圍。目前得到較多應(yīng)用的風(fēng)速等級，包括常用的蒲福風(fēng)級，主要應(yīng)用于下?lián)舯┝骱妄埦盹L(fēng)災(zāi)估計(jì)的T等級、F等級和EF等級，以及美國用于颶風(fēng)風(fēng)速估計(jì)的S等級(鄭永光等，2016b)。F等級目前仍是最為廣泛被用來估計(jì)下?lián)舯┝鳌埦淼鹊娘L(fēng)速等級，而EF等級是改進(jìn)的F等級。2019年，中國的龍卷強(qiáng)度等級(姚聃等，2019)正式發(fā)布實(shí)施，其與EF等級具有對應(yīng)關(guān)系。在此行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，2021年5月21日，國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T40243—2021《龍卷風(fēng)強(qiáng)度等級》(中國氣象局，2021)，于2021年12月1日實(shí)施。

20世紀(jì)70年代起，中國已有部分文獻(xiàn)給出了龍卷風(fēng)災(zāi)個例的調(diào)查結(jié)果(如：遼寧丹東市氣象臺，1975；楊起華等，1978；林大強(qiáng)等，1984；刁秀廣等，2014)，但這些調(diào)查工作相對比較簡單，只有時(shí)間、地點(diǎn)、路徑寬度、災(zāi)害損失等部分相關(guān)情況。中國第一次比較規(guī)范的龍卷災(zāi)情調(diào)查是Meng and Yao(2014)對2012年7月21日下午北京特大暴雨期間發(fā)生在通州區(qū)張家灣的超級單體龍卷災(zāi)情的調(diào)查；其后，對2015年6月1日“東方之星”翻沉事件(鄭永光等，2016a)、2015年10月4日“彩虹”臺風(fēng)龍卷(Bai et al，2017)、2016年江蘇阜寧EF4級龍卷(鄭永光等，2016b；Meng et al，2018)、2019年遼寧開原EF4級龍卷(張濤等，2020)等都做了詳細(xì)規(guī)范的現(xiàn)場調(diào)查。其中，Bai et al(2017)的災(zāi)情調(diào)查，分析非常深入、清晰和細(xì)致；除了使用災(zāi)害標(biāo)識物詳細(xì)估計(jì)龍卷強(qiáng)度外，還通過視頻估計(jì)龍卷卷起碎片的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)而估計(jì)龍卷漏斗云附近的近地面風(fēng)速。

3.2 調(diào)查步驟

由龍卷或者下?lián)舯┝鞯人聫?qiáng)風(fēng)災(zāi)害調(diào)查，通常需要如下步驟：(1)利用政府、新聞媒體或者互聯(lián)網(wǎng)等各種信息，初步確定已知災(zāi)情、地點(diǎn)和可能的災(zāi)害發(fā)生時(shí)間。(2)利用雷達(dá)、衛(wèi)星和閃電等觀測資料，確定可能導(dǎo)致災(zāi)害的中尺度天氣系統(tǒng)，初步分析判斷其導(dǎo)致風(fēng)災(zāi)的可能強(qiáng)度和影響區(qū)域。(3)利用地面自動氣象站觀測風(fēng)場和雷達(dá)觀測徑向風(fēng)場，進(jìn)一步綜合判斷明確風(fēng)災(zāi)的可能強(qiáng)度、影響區(qū)域和可能成因，結(jié)合災(zāi)害情況綜合確定現(xiàn)場調(diào)查的大致區(qū)域和調(diào)查路線以及調(diào)查計(jì)劃、分工等。(4)準(zhǔn)備現(xiàn)場調(diào)查所需交通工具和裝備，這些裝備包括智能手機(jī)(具有無線網(wǎng)絡(luò)通信、照相、錄像、百度地圖、指南針、GPS定位等功能)、高清相機(jī)、GPS定位儀(指南針)、充電寶、攜帶多塊電源和高清相機(jī)的無人機(jī)等；目前，無人機(jī)航拍已是現(xiàn)場調(diào)查的必要手段。(5)在現(xiàn)場調(diào)查過程中，除了進(jìn)行相機(jī)和無人機(jī)拍攝、定位、確定照片和樹木等的倒伏方向等重要工作外，還需要向相關(guān)人員調(diào)查和了解災(zāi)害相關(guān)情況、現(xiàn)場監(jiān)控視頻、環(huán)境條件狀況等。(6)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)束后，全面綜合分析氣象資料和現(xiàn)場調(diào)查資料，排除虛假或者不準(zhǔn)確信息，分析風(fēng)災(zāi)成因，形成調(diào)查報(bào)告，給出最終調(diào)查結(jié)果和結(jié)論。

3.3 江蘇阜寧和遼寧開原龍卷調(diào)查

2016年6月23日14：19—15：00左右(北京時(shí)，下同)，江蘇省鹽城市阜寧縣部分地區(qū)出現(xiàn)龍卷和冰雹，距離核心災(zāi)區(qū)6 km的新溝鎮(zhèn)自動站記錄的瞬時(shí)極大風(fēng)速為34.6 m·s-1(風(fēng)力12級)(鄭永光等，2016b)。2019年7月3日下午約17—18時(shí)，遼寧省開原市出現(xiàn)了龍卷、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣；多個龍卷視頻資料、沈陽新一代天氣雷達(dá)和FY-4A衛(wèi)星可見光圖像綜合表明此次龍卷為一個孤立的超級單體龍卷(鄭永光等，2020)。國家氣象中心(中央氣象臺)派出專家會同多個單位專家對這兩次龍卷事件都進(jìn)行了詳細(xì)現(xiàn)場天氣調(diào)查(鄭永光等，2016b；Meng et al，2018；張濤等，2020)。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)江蘇阜寧吳灘中心小學(xué)教師用手機(jī)拍攝的漏斗云視頻(圖3)，從該視頻可以清晰看到旋轉(zhuǎn)的漏斗云和正在空中旋轉(zhuǎn)的被卷到空中的地面物體碎片。結(jié)合該視頻和雷達(dá)徑向速度的中氣旋和龍卷渦旋(TVS)結(jié)構(gòu)(張小玲等，2016；鄭永光等，2018b；Meng et al，2018)，確定本次災(zāi)害由超級單體龍卷造成。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果(鄭永光等，2016b)表明，阜寧龍卷災(zāi)害區(qū)域(圖3a)東西方向長度超過30 km，最大寬度約為4 km，最窄約為500 m。阜寧受災(zāi)區(qū)域大部為農(nóng)村，受災(zāi)房屋多為磚木結(jié)構(gòu)(屋墻為磚砌、屋頂為木材所制梁和檁)，少部分受災(zāi)房屋為水泥磚砌和混凝土預(yù)制樓板結(jié)構(gòu)；受災(zāi)樹木多為楊樹。阜寧災(zāi)區(qū)部分二層房屋的頂層完全被損毀(圖3c)，其為水泥磚砌和混凝土預(yù)制樓板結(jié)構(gòu)，墻體中使用了較細(xì)的鋼筋加固。根據(jù)EF等級，這些災(zāi)害可估計(jì)為EF4級災(zāi)害，對應(yīng)于我國龍卷強(qiáng)度等級的四級。在災(zāi)害現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，被龍卷拋出的400～500 m重為1～2 t 的空集裝箱有明顯的扭轉(zhuǎn)痕跡，這為F4(甚至F5級)級災(zāi)害，但不能用來估計(jì)EF級別。因此，綜合分析判斷2016年江蘇阜寧龍卷最大強(qiáng)度為四級(EF4級)(鄭永光等，2016b)。

遼寧開原龍卷路徑全程(圖3d)長約為14 km，歷時(shí)約30 min，最強(qiáng)達(dá)四級(EF4級)強(qiáng)度(圖3f)(張濤等，2020)。開原龍卷漏斗云于17:15左右在開原市金鉤子鎮(zhèn)金英村北約1 km處開始形成(圖3d)；17:17接地(圖3c)；17:16—17:18，以EF2級強(qiáng)度自北向南方向穿過金英村、農(nóng)田和高速公路；17:23左右，以EF3級進(jìn)入并縱貫開原工業(yè)區(qū)北園，17:33進(jìn)入工業(yè)園南區(qū)，在工業(yè)園南區(qū)中部達(dá)到最強(qiáng)四級(EF4級)強(qiáng)度；最后于17:47左右在瓜臺子村南1.8 km附近區(qū)域消散(圖3d)。龍卷自北向南穿過開原工業(yè)園南區(qū)中部的食堂，其為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的二層小樓，框架由鋼筋水泥的柱體和梁體構(gòu)成，大部折斷倒塌(圖3f)；因此，該處龍卷強(qiáng)度確定為四級(EF4級)。但該次龍卷最強(qiáng)災(zāi)害影響范圍非常小，顯著小于江蘇阜寧四級(EF4級)龍卷。

圖3 2016年江蘇阜寧龍卷災(zāi)害路徑(a),阜寧縣吳灘中心小學(xué)教師手機(jī)拍攝的龍卷 漏斗云視頻截圖(圖中箭頭表示龍卷旋轉(zhuǎn)方向)(b),立新村受災(zāi)二層房屋(c) (鄭永光等，2016b)；2019年遼寧開原龍卷路徑和強(qiáng)度(d),頭寨子村監(jiān)控視頻拍攝 的初始龍卷(e),開原工業(yè)園南區(qū)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)食堂幾乎被夷為平地(f)(張濤等，2020)Fig.3 Damage track (a), tornado tuba cloud photo taken in Wutan Primary School (arrow: the rotation direction) (b) and the two-story house with top-story collapsed in Lixin Village (c) of the 2016 Funing Tornado (Zheng et al，2016b); Tornado track (d), monitoring video in Touzhaizi Village (e), and reinforced concrete frame structure canteen flattened (f) of the 2019 Kaiyuan Tornado (Zhang et al， 2020)

4 中小尺度特征

龍卷尺度非常小，屬于小尺度天氣系統(tǒng)，其直徑通常小于2 km。李峰等(2020)綜述了近20年美國龍卷雷達(dá)探測研究進(jìn)展，給出了雷達(dá)探測技術(shù)進(jìn)步、龍卷對流風(fēng)暴觀測特征和基于雷達(dá)觀測的龍卷發(fā)展機(jī)理研究成果等。但目前，地面觀測網(wǎng)依然很難直接觀測到龍卷本身的地面環(huán)流和其他氣象要素特征(鄭永光等，2017)，業(yè)務(wù)多普勒天氣雷達(dá)也不能直接探測龍卷。

4.1 龍卷風(fēng)暴組織形態(tài)

龍卷可發(fā)生在不同組織形態(tài)的對流系統(tǒng)中。Trapp et al(2005)發(fā)現(xiàn)1998—2000年美國龍卷中79%為單體結(jié)構(gòu)、18%為準(zhǔn)線狀對流系統(tǒng)；Grams et al(2012)則發(fā)現(xiàn)美國2000—2008年龍卷中約70%的EF2級及以上龍卷的對流系統(tǒng)為孤立分散狀組織形態(tài)；準(zhǔn)線狀對流系統(tǒng)產(chǎn)生的龍卷強(qiáng)度通常較弱(Trapp et al，2005)。目前，尚未有研究中國龍卷對流風(fēng)暴組織形態(tài)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，但從已有中國個例研究來看，孤立對流系統(tǒng)組織形態(tài)較多(如2015年“彩虹”臺風(fēng)龍卷、2016江蘇阜寧龍卷、2019遼寧開原龍卷)；也有一些線狀對流組織形態(tài)，如臺風(fēng)螺旋雨帶中的龍卷(鄭媛媛等，2015)和部分非中氣旋龍卷(刁秀廣等，2014；吳芳芳等，2019)等；團(tuán)狀組織形態(tài)龍卷風(fēng)暴也有一些個例，如2003年7月8日安徽無為EF3級龍卷(俞小鼎等，2006b)。

4.2 地面場特征

稠密的地面觀測網(wǎng)雖然依然不可能觀測龍卷環(huán)流本身(鄭永光等，2017)，但能夠觀測到龍卷的外圍渦旋環(huán)流。包澄瀾和趙剛?cè)?1964)分析上海1962年和1963年的3次龍卷過程發(fā)現(xiàn)，地面存在30～40 km大小、持續(xù)約3～4 h的準(zhǔn)靜止的渦旋流場。黎清才和劉可先(1989)指出龍卷發(fā)生在地面中尺度輻合線中，但并非位于最大輻合中心附近；張一平等(2012)分析指出2010年7月17日和19日河南兩次龍卷發(fā)生在地面β中尺度低壓氣旋的東南象限，距氣旋中心約50 km處。王秀明和俞小鼎(2019)分析2016年6月5日海南文昌龍卷發(fā)現(xiàn)，龍卷風(fēng)暴形成于前期風(fēng)暴出流與海風(fēng)鋒相遇的輻合線上，雖然該文沒有指出地面存在小尺度渦旋流場，但從當(dāng)時(shí)的地面觀測能夠分析出該特征。鄭永光等(2018b；2020)指出，在2016年江蘇阜寧EF4級龍卷和2019年遼寧開原EF4級龍卷過程中，地面自動站網(wǎng)也觀測到了龍卷外圍小尺度渦旋環(huán)流，但這并非是龍卷本身的渦旋環(huán)流。2013年7月7日江蘇高郵龍卷的地面流場具有類似特征(曾明劍等，2016)。

臺風(fēng)龍卷同樣發(fā)生在輻合線或氣旋性輻合區(qū)中(鄭媛媛等，2015)。2015年“彩虹”臺風(fēng)順德和番禺龍卷發(fā)生前，在龍卷風(fēng)暴移動方向上就已存在一條地面風(fēng)場輻合線，龍卷移動路徑與地面風(fēng)場輻合線對應(yīng)較好(朱文劍等，2016)，并形成小尺度低渦環(huán)流(李彩玲等，2016；李兆慧等，2017)。黃先香等(2019)分析的1804號臺風(fēng)艾云尼產(chǎn)生的廣州市南沙區(qū)橫瀝鎮(zhèn)和佛山市南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)龍卷，同樣具有類似2015年“彩虹”臺風(fēng)龍卷的地面風(fēng)場特征。

俞小鼎等(2006b)指出環(huán)境大氣抬升凝結(jié)高度越低，表明低層相對濕度越大，下沉氣流中的氣塊在低層大氣被進(jìn)一步蒸發(fā)降溫的可能性就越小，越有利于強(qiáng)龍卷的形成。鄭永光等(2018b；2020)指出2016年江蘇阜寧EF4級龍卷和2019年遼寧開原EF4級龍卷過程，超級單體風(fēng)暴不太強(qiáng)下沉氣流導(dǎo)致的冷出流(溫度差小于4 ℃)是其能夠產(chǎn)生龍卷的重要機(jī)制。

4.3 中氣旋和龍卷渦旋(TVS)特征

早期中國龍卷研究給出了一些龍卷風(fēng)暴的中尺度特征，但這些研究受制于當(dāng)時(shí)的觀測能力，不能給出龍卷風(fēng)暴的更多觀測特征；由于當(dāng)時(shí)沒有徑向速度觀測，以判斷中氣旋或者中渦旋以及TVS等特征難度較大，因此難以判斷其屬于哪類龍卷。包澄瀾和趙剛?cè)?1964)指出上海1962年和1963年的3次龍卷并非發(fā)生在強(qiáng)烈的雷雨云的中心部分，而是在其右后方的邊緣地區(qū)。蔣汝庚(1997)給出了1995年4月19日發(fā)生在廣東番禺洪奇瀝鎮(zhèn)的反氣旋龍卷的衛(wèi)星云圖和常規(guī)天氣雷達(dá)回波，俞小鼎和鄭永光(2020)根據(jù)文中的雷達(dá)回波判斷此次龍卷應(yīng)該是由超級單體產(chǎn)生。劉勇等(1998)給出了1983年9月4日發(fā)生陜西中部咸陽附近的一次龍卷的常規(guī)天氣雷達(dá)反射率因子回波，龍卷出現(xiàn)在颮線尾部的一個明顯的弓形回波中，俞小鼎和鄭永光(2020)判斷其可能由颮線或者弓形回波上的中渦旋發(fā)展而成，不過，也可能是在颮線陣風(fēng)鋒上產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒龍卷。

目前，對非中氣旋龍卷，由于業(yè)務(wù)多普勒天氣雷達(dá)觀測特征不夠顯著，還很難基于業(yè)務(wù)雷達(dá)探測資料做出有效預(yù)警。中氣旋龍卷產(chǎn)生與中氣旋強(qiáng)度和中氣旋底高都相關(guān)，而與中氣旋底高的相關(guān)程度更高，其臨近預(yù)警主要依據(jù)依然是業(yè)務(wù)多普勒天氣雷達(dá)探測到的中氣旋(俞小鼎等，2006a；2012；鄭永光等，2015；2018a)，或者經(jīng)典超級單體存在的鉤狀回波特征(鄭永光等，2018a)等，但如前所述，美國的統(tǒng)計(jì)表明，僅約有25%、甚至更少的雷達(dá)探測到的中氣旋會生成龍卷，但當(dāng)中氣旋底距離地面高度小于1 km時(shí)，龍卷的發(fā)生概率則約為40%(Davies-Jones et al，2001；俞小鼎等，2012；鄭永光等，2018a)。多普勒天氣雷達(dá)有時(shí)能夠探測到的TVS特征是龍卷臨近預(yù)警的另一重要依據(jù)(俞小鼎等，2012；鄭永光等，2018a)。

吳芳芳等(2013)通過普查發(fā)現(xiàn)2005—2009年蘇北地區(qū)共產(chǎn)生了72個超級單體，其中超級單體龍卷13個；雖然樣本不夠多，但作為粗略估計(jì)，蘇北地區(qū)超級單體(中氣旋)產(chǎn)生龍卷的概率約為18.1%(俞小鼎和鄭永光，2020)；這13個龍卷超級單體中，中氣旋最小直徑分布在2.0～4.2 km，其中最小直徑小于3.5 km的占總數(shù)的92%，且77%的超級單體龍卷中氣旋底高低于1 km，鄭媛媛等(2009)、朱文劍等(2016)、張小玲等(2016)對多個龍卷個例的研究也發(fā)現(xiàn)其中氣旋底高在1 km 以下。

多普勒天氣雷達(dá)能夠給出龍卷超級單體的中氣旋或TVS及其強(qiáng)度演變特征。較多研究顯示，產(chǎn)生龍卷的超級單體，通常中層(3～6 km)中氣旋先發(fā)展，然后向下發(fā)展，當(dāng)中氣旋底距離地面高度小于1 km 時(shí)，產(chǎn)生龍卷的可能顯著加大(鄭媛媛等，2009；俞小鼎等，2012)。俞小鼎等(2006b)詳細(xì)和深入地分析了2003年7月8日23：20發(fā)生在安徽無為的一次EF3級龍卷的多普勒天氣雷達(dá)回波特征：產(chǎn)生該強(qiáng)龍卷的對流系統(tǒng)最初位于大片層狀云降水區(qū)中的強(qiáng)對流雨帶，演變成為一個團(tuán)狀的對流系統(tǒng)，龍卷產(chǎn)生在該系統(tǒng)南端的一個超級單體；23：29，雷達(dá)0.5°仰角徑向速度圖像呈現(xiàn)出一個強(qiáng)烈輻合式中氣旋，包裹著一個更小尺度的TVS。俞小鼎等(2008)利用徐州SA型多普勒天氣雷達(dá)資料分析了2005年7月30日11：30安徽靈璧發(fā)生的一次由強(qiáng)降水超級單體導(dǎo)致的EF3級龍卷過程，發(fā)現(xiàn)低層回波形態(tài)層演變?yōu)椤癝”形、中層回波呈現(xiàn)為螺旋型時(shí)可形成龍卷。在龍卷出現(xiàn)前，有一個TVS 出現(xiàn)在中氣旋的中心，龍卷地點(diǎn)上空有很強(qiáng)的風(fēng)暴頂輻散；該強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴到達(dá)最強(qiáng)盛時(shí)，通過其前側(cè)入流槽口和最強(qiáng)回波中心所做的垂直剖面顯示出非常明顯的與低層入流對應(yīng)的弱回波區(qū)和位于其上的強(qiáng)回波懸垂，回波懸垂之內(nèi) 50 dBz的回波擴(kuò)展至9 km以上，呈現(xiàn)出類似于典型雹暴的高質(zhì)心回波結(jié)構(gòu)。鄭媛媛等(2009)對發(fā)生在安徽的3次EF2級以上的超級單體龍卷過程的環(huán)境和多普勒天氣雷達(dá)回波特征進(jìn)行了總結(jié)，并與超級單體強(qiáng)烈雹暴的環(huán)境和多普勒天氣雷達(dá)回波特征做了對比分析。姚葉青等(2012)基于龍卷臨近預(yù)警和安徽6次龍卷的雷達(dá)特征顯示， TVS底部達(dá)到雷達(dá)最低仰角探測高度的中氣旋和隨后的TVS是識別龍卷的主要依據(jù)，龍卷觸地前中氣旋的最大速度差增強(qiáng)，其強(qiáng)度與龍卷強(qiáng)度呈正相關(guān)。鄭永光等(2018b)指出2016年江蘇阜寧龍卷的則為一個β中尺度經(jīng)典超級單體對流風(fēng)暴，具有明顯的鉤狀回波和穹隆結(jié)構(gòu)特征，質(zhì)心高，最大反射率因子超過65 dBz；存在很強(qiáng)的中氣旋和TVS特征，其底高低于1 km，且自下向上并向東北方向傾斜，在高分辨率可見光圖像上能夠看到明顯的旋轉(zhuǎn)特征，后側(cè)入流高度較高(約8 km高度)。Meng et al(2018)則指出2016年江蘇阜寧EF4級龍卷最強(qiáng)盛時(shí)對應(yīng)的低層中氣旋的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)42 m·s-1。產(chǎn)生2019年遼寧開原EF4級中氣旋龍卷的風(fēng)暴為孤立的經(jīng)典超級單體，具有典型的超級單體回波特征；雷達(dá)徑向速度觀測雖然存在一些質(zhì)量問題，但依然可以判斷存在TVS特征，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度超過30 m·s-1(鄭永光等，2020)；但受雷達(dá)徑向速度質(zhì)量的制約，難以分析更多中氣旋和TVS的定量演變特征。

有些中氣旋龍卷個例的超級單體在形成前對流風(fēng)暴內(nèi)部中低層已經(jīng)有中渦旋形成，如2016年江蘇阜寧EF4級龍卷(周海光，2018)和2019年遼寧開原EF4級龍卷的對流風(fēng)暴演變和結(jié)構(gòu)(鄭永光等，2020)；之后，對流風(fēng)暴的中渦旋逐漸加強(qiáng)為中氣旋形成超級單體。

通過一些龍卷個例研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生龍卷的中氣旋在垂直方向具有傾斜的特征。2015年“彩虹”臺風(fēng)龍卷超級單體中氣旋隨高度向西北方向傾斜(李兆慧等，2017)；2016年江蘇阜寧龍卷超級單體中氣旋自下向上并向東北方向傾斜(鄭永光等，2018b；周海光，2018)；2019年遼寧開原EF4級中氣旋龍卷超級單體隨高度呈現(xiàn)出向?qū)α鲗又袑语L(fēng)場下風(fēng)方(東南方向)傾斜的特征(鄭永光等，2020)，這可能是由大氣強(qiáng)垂直風(fēng)切變所致上升氣流傾斜的結(jié)果。2013年美國俄克拉何馬州El Reno龍卷(Bluestein et al,2019)的中氣旋具有隨高度向北傾斜的特征。Yao et al(2018;2019b)和唐嘉蕙等(2019)分別對2016年江蘇阜寧龍卷、2012年北京通州張家灣龍卷、2015年臺風(fēng)彩虹佛山 EF3 級龍卷進(jìn)行模擬，結(jié)果都顯示中氣旋具有隨高度傾斜的特征。

鄭媛媛等(2015)分析和總結(jié)了臺風(fēng)龍卷的雷達(dá)回波特征，指出臺風(fēng)龍卷超級單體風(fēng)暴具有很多與經(jīng)典超級單體一致的特征，其他臺風(fēng)龍卷個例研究也得到了類似結(jié)果，如朱文劍等(2016)、李兆慧等(2017)；但導(dǎo)致臺風(fēng)龍卷的風(fēng)暴屬于微超級單體風(fēng)暴，中氣旋水平尺度為2～4 km；垂直渦度限制在海拔4 km以下；風(fēng)暴單體的質(zhì)心在2 km左右，風(fēng)暴伸展到5～7 km海拔高度(鄭媛媛等，2015)。對2015年“彩虹”臺風(fēng)龍卷，朱文劍等(2016)發(fā)現(xiàn)其中氣旋在快速發(fā)展階段表現(xiàn)出直徑不斷縮小，底高不斷降低，形狀逐漸由橢圓向圓形變化，歸一化切變值不斷增大等特征；李兆慧等(2017)指出在該臺風(fēng)龍卷發(fā)展過程中伴隨著超級單體風(fēng)暴頂和風(fēng)暴底的逐漸下降、單體質(zhì)心和最強(qiáng)回波高度的下降，中氣旋的頂和底也隨之逐漸下降；Zhao et al(2017)發(fā)現(xiàn)，其TVS主要位于距地面1～3 km的高度，中氣旋最大旋轉(zhuǎn)速度達(dá)30 m·s-1。沈樹勤(1990)初步分析了臺風(fēng)龍卷的形成條件，認(rèn)為主要與強(qiáng)對流中的渦度傾斜項(xiàng)有關(guān)，這已被其他研究認(rèn)為是有利于形成中氣旋的重要條件(Davies-Jones，1984)。Zhao et al(2017)使用雙多普勒雷達(dá)反演風(fēng)場揭示了低層水平渦度的垂直方向傾斜與隨之的強(qiáng)上升氣流拉伸是2015年“彩虹”臺風(fēng)龍卷中氣旋加強(qiáng)的主要原因。

王秀明和俞小鼎(2019)認(rèn)為2016年6月5日海南文昌龍卷屬于非典型超級單體龍卷，俞小鼎和鄭永光(2020)指出其是一種混合型龍卷，既具有超級單體龍卷特征，也具有非超級單體龍卷特征。該龍卷在形成過程中，中高層強(qiáng)中氣旋位于6～9 km 高空并向上發(fā)展，龍卷初始渦旋先于龍卷風(fēng)暴出現(xiàn)，且比一般微氣旋尺度大，與其上方深厚且強(qiáng)烈的上升氣流疊置時(shí)，拉伸作用加強(qiáng)了垂直渦度，使得低層中氣旋加強(qiáng)、直徑減小，形成深厚的龍卷渦旋特征，伸展至更高的高度。這與鄭艷等(2017)認(rèn)為中氣旋下降過程中形成龍卷不同。

4.4 龍卷碎片特征(TDS)和下沉反射率因子核(DRC)特征

雙偏振多普勒天氣雷達(dá)在法國、美國等國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用，且美國已有較多關(guān)于使用雙偏振雷達(dá)觀測龍卷的研究(鄭永光等，2018a；李峰等，2020)，中國已經(jīng)開始了新一代天氣雷達(dá)的雙偏振業(yè)務(wù)化升級改造。2018年6月8日，1804號臺風(fēng)艾云尼螺旋雨帶上的佛山市南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)發(fā)生龍卷；在13：54前后，佛山氣象局X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)清楚地觀測到了TDS特征(黃先香等，2019)。TDS特征是指異常小的差分反射率(ZDR)和低的相關(guān)系數(shù)(ρHV)(Ryzhkov et al，2005)，這是因?yàn)辇埦硭碌乃槠叽巛^大、處于米散射區(qū)且有隨機(jī)取向的緣故。從圖4可以看出(黃先香等，2019)，在鉤狀回波區(qū)和龍卷風(fēng)暴渦旋中心位置，探測到低ZDR和低的ρHV特征，ZDR低值區(qū)的值大約為0.5，ρHV低值區(qū)的值為0.73，基本符合 Ryzhkov et al(2005)提出的識別TDS的指標(biāo)量。Zhang et al(2021)分析了2020年6月1日珠江口一次水龍卷的X波段相控陣雙偏振雷達(dá)觀測，發(fā)現(xiàn)該龍卷也具有明顯的TDS特征，但該龍卷位于水面上，不太可能有碎片卷入龍卷中，該TDS特征的形成原因可能與龍卷中的強(qiáng)上升氣流相關(guān)，有待進(jìn)一步分析研究。

圖4 2018年6月8日13:54佛山X波段雷達(dá)1.8°仰角反射率因子(a)、 平均徑向速度(b)、ZDR(c)和ρHV(d) (“+”表示TDS位置；黃先香等，2019)Fig.4 Reflectivity (a), mean radial velocity (b), ZDR (c) and ρHV (d) at 1.8° elevation from the X-band radar at Foshan at 13:54 BT 8 June 2018 (“+” denotes TDS； Huang et al，2019)

王秀明和俞小鼎(2019)指出，在2016年6月5日海南龍卷發(fā)展過程中，15:15，過龍卷渦旋中心的徑向速度剖面顯示，在低層龍卷渦旋特征處，反射率因子圖上從4 km左右高空伸下一狹長的(水平尺度為1～2 km)、強(qiáng)度為45 dBz左右的及地回波；Rasmussen et al(2006)稱之為DRC，并認(rèn)為其有可能是龍卷生成的先兆信號。雖然鄭永光等(2020)沒有給出2019年遼寧開原龍卷的DRC分析，但仔細(xì)分析沈陽雷達(dá)觀測的該龍卷風(fēng)暴反射率因子演變，也能夠看到鉤狀回波形成前具有這種DRC特征。Yao et al(2019b)使用Bryan云模式成功模擬了 2012年7月21日北京通州張家灣龍卷演變過程，也發(fā)現(xiàn)了這種DRC特征。Byko et al(2009)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)DRC三種形成機(jī)制：由于中層氣流“停滯”形成；通過降水形成，這些降水形成在最終與主上升氣流合并的新上升氣流中，例如與上升氣流共同發(fā)生的中氣旋“循環(huán)”過程；沿增強(qiáng)的低層垂直渦度最大值的軸下降形成。

4.5 龍卷渦旋

Agee et al(1976)和 Fujita(1981)發(fā)現(xiàn)龍卷母渦旋中可存在多個抽吸渦旋，Bluestein(2013)給出了龍卷多渦旋結(jié)構(gòu)的詳細(xì)照片和雷達(dá)觀測，還有研究給出了一些龍卷個例的高時(shí)空分辨率雷達(dá)觀測結(jié)果(Wurman，2002；Bluestein et al，2018)。由于中國布設(shè)的業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)觀測分辨率的限制，尚未有文獻(xiàn)給出中國龍卷的多渦旋結(jié)構(gòu)研究，但李兆慧等(2017)、Bai et al(2017)和Zhao et al(2017)都給出了2015年“彩虹”臺風(fēng)龍卷存在雙漏斗云結(jié)構(gòu)的視頻，朱文劍等(2016)發(fā)現(xiàn)該次龍卷的低空還有一條近似水平的管狀云圍繞龍卷的主體渦旋在旋轉(zhuǎn)；Yao et al(2019a)對2018年臺風(fēng)摩羯中的龍卷災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分龍卷存在著多渦旋結(jié)構(gòu)。Yao et al(2018)使用25 m水平分辨率的Bryan云模式CM1成功模擬了2016年江蘇阜寧龍卷，模擬結(jié)果顯示存在雙螺旋狀渦度分布特征，但尚沒有實(shí)測資料來證實(shí)。

4.6 閃電活動特征

中國龍卷風(fēng)暴的閃電活動特征尚缺乏系統(tǒng)性研究。利用閃電VHF輻射源高時(shí)空分辨率的三維觀測資料，張義軍等(2004)分析了美國產(chǎn)生龍卷的超級單體雷暴的閃電VHF輻射源的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴中存在閃電洞(即閃電空白區(qū))或閃電環(huán)(即環(huán)狀閃電空白區(qū))，其與強(qiáng)上升氣流密切相關(guān)，閃電洞的直徑可達(dá)5～6 km, 持續(xù)時(shí)間有時(shí)長達(dá)20多分鐘，且出現(xiàn)在龍卷發(fā)生之前；在這些雷暴中主要以大量正地閃為主，正地閃的發(fā)生頻數(shù)最大可達(dá)6次·min-1，正地閃峰值有時(shí)出現(xiàn)在龍卷風(fēng)發(fā)生之前、有時(shí)在之后。

2016年江蘇阜寧EF4級龍卷發(fā)生時(shí)，14—15時(shí)，龍卷周邊20 km內(nèi)正地閃72次，負(fù)地閃4次，正地閃比例顯著較高(張小玲等，2016)，這可能與該次龍卷過程中伴隨有冰雹天氣相關(guān)，因?yàn)橐延醒芯勘砻鳟a(chǎn)生冰雹天氣對流系統(tǒng)中由于有較多的冰相粒子因而會產(chǎn)生較高比例的正地閃(Carey and Rutledge，1998)。不過，2019年遼寧開原龍卷雖然也有冰雹發(fā)生，但發(fā)生期間僅監(jiān)測到少量地閃，正地閃比例也不顯著；FY-4A LMI(閃電探測儀)觀測到較多的閃電活動，這可能是因?yàn)長MI觀測包含地閃、云閃或者云間閃的緣故(鄭永光等，2020)。2015年“彩虹”臺風(fēng)龍卷則沒有觀測到地閃，2018年“摩羯”臺風(fēng)龍卷也幾乎沒有地閃發(fā)生。

以上給出的研究結(jié)果表明，中國龍卷對流風(fēng)暴產(chǎn)生地閃數(shù)量多少和正負(fù)地閃分布特征可能同樣與風(fēng)暴中的冰相粒子分布密切相關(guān)，但對于張義軍等(2004)分析的美國龍卷風(fēng)暴中的精細(xì)閃電特征，尚未見到針對中國龍卷風(fēng)暴的類似研究。

5 龍卷模擬和機(jī)理研究

數(shù)值模擬是研究龍卷形成、發(fā)展和消亡機(jī)制的必要手段。由于龍卷的形成和消亡的關(guān)鍵分別是近地面大氣垂直渦度的顯著加強(qiáng)和減弱，因此，這些渦度的變化機(jī)理是龍卷數(shù)值模擬研究關(guān)注的重點(diǎn)之一，比如下沉氣流與冷池強(qiáng)度(Snook and Xue，2008；Schultz et al，2014；Mashiko，2016)、DRC(Byko et al，2009；Markowski et al，2018；Yao et al，2019b)、近地面摩擦(Schenkman et al，2012；Roberts et al，2016；Roberts and Xue，2017)等在龍卷生成過程中的作用機(jī)制研究等。

姚聃(2018)總結(jié)了龍卷數(shù)值模擬研究進(jìn)展，指出龍卷數(shù)值模擬主要分為三類：第一類，針對簡化的類龍卷渦旋進(jìn)行模擬，不考慮母體風(fēng)暴；第二類，基于理想化或者實(shí)測探空廓線，以水平均勻初始場來模擬強(qiáng)對流和龍卷過程；第三類，基于再分析資料和資料同化，進(jìn)行接近實(shí)際大氣的模擬。

第一類龍卷模擬采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法。這類模擬高度簡化了龍卷的生成環(huán)境和母體對流風(fēng)暴，僅關(guān)注類龍卷渦旋(tornado-like vortices)的生成和結(jié)構(gòu)，其最主要的局限在于，模擬出的龍卷過程并不是在母體對流風(fēng)暴中生成的(Rotunno,2013;姚聃,2018)。

第二類龍卷模擬雖然基于探空廓線，但使用精細(xì)的云模式進(jìn)行理想模擬，從而可以研究超級單體風(fēng)暴和其中生成的龍卷的精細(xì)化結(jié)構(gòu)和演變過程，這是其他兩類模擬難以做到的。Yao et al(2018; 2019b)使用Bryan云模式分別成功理想模擬了 2016年江蘇阜寧EF4級龍卷和2012年7月21日北京特大暴雨期間通州張家灣EF3級龍卷演變，給出了模擬的這兩次龍卷過程中龍卷渦旋的形成、發(fā)展和消亡過程，其采用的最高水平分辨率分別達(dá)25 m和100 m，都采用均勻下墊面。

對阜寧龍卷模擬結(jié)果顯示，龍卷生成信號首先出現(xiàn)在云底的氣壓擾動場中，然后垂直渦度在強(qiáng)上升氣流的作用下向上和向下發(fā)展；當(dāng)強(qiáng)下沉氣流疊置在最強(qiáng)渦度中心時(shí)龍卷消亡(Yao et al，2018)。對通州張家灣龍卷模擬發(fā)現(xiàn)，龍卷的生成包括三步：中層中氣旋向下發(fā)展、近地面龍卷渦旋向上發(fā)展、漏斗云的向下發(fā)展；當(dāng)強(qiáng)下沉氣流切斷了中層中氣旋和近地面龍卷渦旋時(shí)，龍卷消亡(Yao et al，2019b)。

第三類龍卷模擬可研究實(shí)際環(huán)境中超級單體風(fēng)暴觸發(fā)、演變以及龍卷或者龍卷母體渦旋的形成過程，如Schenkman et al(2012)使用100 m 水平分辨率成功模擬了一個類似于龍卷的渦旋。陳鋒等(2019)對2016年阜寧龍卷模擬發(fā)現(xiàn)，雖然模擬的渦旋在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)上與實(shí)況還有一定差距，但同化雷達(dá)反射率因子和徑向速度后，WRF模式在阜寧附近模擬出了明顯的渦旋結(jié)構(gòu)，且渦旋的發(fā)生發(fā)展過程、路徑、地面小時(shí)極大風(fēng)和降水等模擬，在與實(shí)況一致性方面均明顯高于控制試驗(yàn)；還需指出的是，其研究中使用的WRF模式模擬水平分辨率是3 km，顯著低于Yao et al(2018；2019b)的模擬，并不能模擬阜寧龍卷本身。唐嘉蕙等(2019)使用高分辨率(最高達(dá)48 m)WRF模式模擬出了2015年臺風(fēng)彩虹登陸后螺旋雨帶中廣東佛山強(qiáng)龍卷的類龍卷渦旋；Sun et al(2019)使用49 m水平分辨率WRF模式模擬出了2016年阜寧龍卷的多渦旋結(jié)構(gòu)。

如前所述，Wu et al(2018)用WRF模式成功模擬了2005年位于海上的臺風(fēng)麥莎中的龍卷尺度渦旋。他們使用了7重嵌套網(wǎng)格，最外層水平分辨率為27 km，最內(nèi)層達(dá)37 m；模式層頂為50 hPa，垂直為75層，其中2 km高度以下19層；當(dāng)格點(diǎn)距小于1 km 時(shí)，使用大渦模擬替換邊界層參數(shù)化。Wu et al(2018)沒有給出這些渦旋的形成機(jī)理，但指出它們是強(qiáng)上升/下沉氣流對，具有風(fēng)速、位置和水平尺度驟然躍增的特點(diǎn)。Montgomery et al(2002)認(rèn)為這些渦旋類似龍卷中的抽吸渦旋，其形成機(jī)理與Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定相關(guān)。Wu et al(2018)的工作對龍卷的數(shù)值模擬研究具有很重要的借鑒價(jià)值。

需要說明的是，由于龍卷尺度太小，目前的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)尚不可能預(yù)報(bào)龍卷本身，但水平分辨率達(dá)3 km 左右的對流可分辨數(shù)值模擬或預(yù)報(bào)可以給出龍卷母體渦旋——中氣旋的特征。Kain et al(2008)發(fā)現(xiàn)對流可分辨數(shù)值預(yù)報(bào)的逐小時(shí)最大上升螺旋度(updraft helicity，UH)對中氣旋具有好的預(yù)報(bào)指示意義；曹艷察等(2021)則發(fā)現(xiàn)GRAPES_MESO 3 km 分辨率模式預(yù)報(bào)的UH對中國風(fēng)雹預(yù)報(bào)也有很好的指示意義。

6 結(jié)論和展望

中國龍卷發(fā)生頻率極低且尺度非常小，觀測難度極大，但得益于中國觀測站網(wǎng)、尤其是新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)，以及現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模式等的發(fā)展進(jìn)步，中國龍卷研究取得顯著進(jìn)展?？偨Y(jié)中國龍卷研究發(fā)展歷程，大致可分為兩個階段：約2000年之前的傳統(tǒng)研究階段，約2000年至目前伴隨著新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)布設(shè)的發(fā)展階段。取得的主要成果包括以下幾個方面：

(1)獲得了中國龍卷完整的氣候特征和有利于龍卷發(fā)生的天氣背景以及環(huán)境條件。梅雨、冷渦和TC是中國發(fā)生較多龍卷的天氣背景，但不同背景下的龍卷環(huán)境條件存在較大差異。

(2)建立了較為完整的龍卷等風(fēng)災(zāi)現(xiàn)場調(diào)查流程和分析技術(shù)。對2015年“東方之星”翻沉事件、2015年“彩虹”臺風(fēng)龍卷、2016年江蘇阜寧EF4級龍卷、2019年遼寧開原EF4級龍卷等都作了詳細(xì)規(guī)范的現(xiàn)場調(diào)查和分析。

(3)龍卷對流風(fēng)暴的中小尺度特征研究進(jìn)展明顯，獲得了中國龍卷風(fēng)暴的組織形態(tài)、地面要素場特征、中氣旋和TVS特征以及龍卷渦旋特征等，尤其中氣旋和TVS特征研究成果更為突出：發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)暴的地面冷池通常不太強(qiáng)，產(chǎn)生龍卷的超級單體的中氣旋底高通常低于1 km、強(qiáng)度與龍卷強(qiáng)度正相關(guān)、具有傾斜、TDS和DRC等特征，部分龍卷具有顯著的多渦旋特征等。

(4)使用精細(xì)云模式對龍卷成功進(jìn)行了理想模擬，獲得了龍卷發(fā)生發(fā)展的一些機(jī)理認(rèn)識；使用WRF模式成功模擬了接近實(shí)際大氣的2005年臺風(fēng)麥莎中的龍卷尺度渦旋和2016年阜寧龍卷的多渦旋結(jié)構(gòu)。

中國龍卷研究在多個方面還存在很大不足，需要繼續(xù)努力：

(1)由于中國龍卷發(fā)生頻率極低，且受制于觀測條件，因此歷史龍卷記錄存在不確定性?，F(xiàn)場調(diào)查存在一定的難度和挑戰(zhàn)，氣象業(yè)務(wù)部門人員尚未普遍掌握，也缺乏類似美國的志愿者報(bào)告制度，從而難以對部分龍卷進(jìn)行有效確認(rèn)。因此，需要加強(qiáng)氣象業(yè)務(wù)部門的現(xiàn)場調(diào)查能力和氣象信息員隊(duì)伍建設(shè)，實(shí)現(xiàn)更為可靠的龍卷觀測和調(diào)查，從而建立一個較為完備的中國龍卷數(shù)據(jù)庫(鄭永光，2020)，尤其是EF2級及以上強(qiáng)度的強(qiáng)龍卷數(shù)據(jù)庫。

(2)中國龍卷對流風(fēng)暴的組織形態(tài)、閃電活動和地面要素分布等特征尚未有系統(tǒng)性的研究成果，不同天氣背景(梅雨、冷渦、TC等)下的這些特征研究也存在很大不足。未來，隨著更為密集的地面自動氣象站網(wǎng)、更高分辨率的精細(xì)雷達(dá)觀測和閃電定位系統(tǒng)的發(fā)展，龍卷風(fēng)暴的精細(xì)地面要素分布、細(xì)致結(jié)構(gòu)特征、龍卷渦旋和閃電活動特征等將會有更為深入的認(rèn)識。非中氣旋龍卷由于觀測更為困難，其研究成果更為欠缺(鄭永光，2020)，包括氣候分布、環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)特征和形成機(jī)理認(rèn)識等。

(3)不同天氣背景下，龍卷的環(huán)境條件存在較多差異，即使在類似的有利環(huán)境條件背景下，龍卷的形成概率也是極低的，因此，龍卷形成的關(guān)鍵機(jī)理和因素是什么，還未完全清楚。也就是說，形成龍卷風(fēng)暴的關(guān)鍵物理因子尚未完全清晰，比如梅雨背景下，有利于龍卷的環(huán)境條件通常涵蓋了很大的地理范圍，但通常產(chǎn)生龍卷的數(shù)目只有一個或者幾個，因此，如何判識梅雨龍卷發(fā)生的關(guān)鍵條件？再如，登陸臺風(fēng)的螺旋雨帶中可能會產(chǎn)生很多中氣旋或者中渦旋，但發(fā)展為龍卷數(shù)目通常也僅有一個或者幾個，那么形成臺風(fēng)龍卷的關(guān)鍵條件是什么？此外，現(xiàn)場調(diào)查表明2016年阜寧EF4龍卷的消亡過程是非常突然和短暫的，這種突然消亡的機(jī)制是什么？這些都是未來值得深入研究的方向。未來，通過更高時(shí)空分辨率觀測資料分析和極高分辨率的數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，這些問題會逐步獲得解答。