冷渦背景下一次微型超級(jí)單體龍卷的雷達(dá)特征和物理過(guò)程探究*

袁 潮 李得勤 楊 磊,3 張樂(lè)堅(jiān) 楊文艷

1. 中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，沈陽(yáng)， 110166

2. 遼寧省盤(pán)錦市氣象局，盤(pán)錦， 124010

3. 遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，沈陽(yáng)， 110166

4. 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京， 100081

1 引 言

龍卷是在不穩(wěn)定大氣層結(jié)條件下由于對(duì)流運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的強(qiáng)烈渦旋，呈現(xiàn)為從雷雨云底伸向地面或水面的高速旋轉(zhuǎn)的漏斗狀云柱，最強(qiáng)龍卷的地面極大陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)到125—140 m/s（Davies-Jones，et al，2001）。盡管與美國(guó)相比，中國(guó)的龍卷風(fēng)發(fā)生頻率相對(duì)較低，但EF1及以上級(jí)別龍卷平均每年仍可監(jiān)測(cè)到14.3次（范雯杰等，2015；鄭永光，2020）。東北地區(qū)是中國(guó)龍卷多發(fā)區(qū)之一（魏文秀等，1995；范雯杰等，2015；Yao，et al，2015），由于預(yù)警能力低，歷史上曾多次造成嚴(yán)重的災(zāi)害（才奎志等，2022），因此對(duì)龍卷進(jìn)行研究十分必要。

中國(guó)龍卷主要分布于江淮流域、華南和東北地區(qū)（范雯杰等，2015；Yao，et al，2015）。依照環(huán)流背景可大致分為兩類：熱帶氣旋（TC）龍卷和西風(fēng)帶系統(tǒng)龍卷，其中西風(fēng)帶系統(tǒng)又可分為梅雨和冷渦天氣背景（鄭永光，2020；鄭永光等，2021）。熱帶氣旋龍卷環(huán)境條件表現(xiàn)為較弱的對(duì)流有效位能（CAPE）和強(qiáng)的低層風(fēng)垂直切變，通常出現(xiàn)在熱帶氣旋螺旋雨帶上形成的微型超級(jí)單體中氣旋內(nèi)，中氣旋尺度為2—4 km，伸展高度一般在4 km以下（鄭媛媛等，2015；Bai，et al，2017；Zhao，et al，2017；黃先香等，2019）。西風(fēng)帶系統(tǒng)可提供高對(duì)流有效位能和強(qiáng)低層風(fēng)垂直切變的環(huán)境背景，龍卷生成于經(jīng)典超級(jí)單體（周后福等，2014；Meng，et al，2018；鄭永光等，2020；袁潮等，2021；蔡康龍等，2021）、強(qiáng)降水超級(jí)單體（俞小鼎等，2008）和線狀對(duì)流系統(tǒng)之中（刁秀廣等，2014），同時(shí)也見(jiàn)于微型超級(jí)單體之中（張一平等，2012；戴建華等，2021）。這類微型超級(jí)單體雖然水平和垂直尺度遠(yuǎn)小于典型超級(jí)單體，但同樣可 以 產(chǎn) 生EF0—EF2級(jí) 的 龍 卷（Kennedy，et al，1993）。東北地區(qū)絕大多數(shù)龍卷發(fā)生在冷渦背景下（王秀明等，2015；馮佳瑋等，2017；才奎志等，2022），由于資料所限，以往精細(xì)化觀測(cè)主要是針對(duì)尺度相對(duì)更大的經(jīng)典超級(jí)單體龍卷（鄭永光等，2020；袁潮等，2021；蔡康龍等，2021）。有研究（Davies，2006；Markowski，et al，2000）指出，冷渦系統(tǒng)提供高風(fēng)暴相對(duì)螺旋度（Storm Relative Helicity，SRH）及較低的對(duì)流有效位能環(huán)境背景，利于伴有龍卷的微型超級(jí)單體的產(chǎn)生。

龍卷通常可分為中氣旋龍卷（也稱超級(jí)單體龍卷）和非中氣旋龍卷（或稱非超級(jí)單體龍卷）（Davies-Jones，et al，2001）。研究（Davies-Jones，1984；俞小鼎等，2020；鄭永光等，2020）指出龍卷超級(jí)單體的中氣旋首先形成于對(duì)流層中層（3—6 km），之后向上和向下擴(kuò)展，這使得初期低層的垂直渦度通常較弱，難以依靠上升氣流的拉伸作用形成龍卷強(qiáng)度的渦旋。因此，經(jīng)典理論認(rèn)為低層中氣旋對(duì)龍卷的形成起至關(guān)重要的作用，一種觀點(diǎn)認(rèn)為，超級(jí)單體前側(cè)下沉氣流（Front Flank Downdraft，F(xiàn)FD）和暖濕氣流相遇，低層中氣旋由斜壓力管產(chǎn)生的低層水平渦管在傾側(cè)項(xiàng)的作用下被扭曲而形成（Klemp，et al，1983）；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為低層中氣旋的形成與超級(jí)單體后側(cè)下沉氣流（Rear Flank Downdraft，RFD）的傾斜作用有關(guān)，后側(cè)下沉氣流的溫度低于環(huán)境溫度，因而在斜壓作用下會(huì)形成渦環(huán)，渦環(huán)在后側(cè)陣風(fēng)鋒的冷墊上抬升而迅速拉伸形成渦線弧，并被扭曲為垂直渦度，最終在前側(cè)陣風(fēng)鋒和后側(cè)陣風(fēng)鋒的錮囚點(diǎn)處形成低層中氣旋（Marquis，et al，2012）。由于后側(cè)下沉氣流通常在超級(jí)單體的成熟階段才出現(xiàn)，因此中氣旋龍卷通常也發(fā)生在超級(jí)單體生命史的成熟階段。非超級(jí)單體龍卷可分為兩類，第一類出現(xiàn)在颮線或弓形回波前部的γ中尺度渦旋內(nèi)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為γ中尺度渦旋是準(zhǔn)線狀對(duì)流系統(tǒng)前側(cè)的準(zhǔn)線型冷池出流或后側(cè)下沉氣流形成的水平渦管被降水導(dǎo)致的下沉氣流扭曲而形成的（Trapp，et al，2003），另一種觀點(diǎn)認(rèn)為是強(qiáng)烈發(fā)展的準(zhǔn)線狀對(duì)流系統(tǒng)冷池出流凸起部位的水平渦管被前側(cè)入流中的上升氣流拉伸而形成（Atkins，et al，2009）。第二類非超級(jí)單體龍卷起源于邊界層上的小渦旋，Wakimoto等（1989，以下簡(jiǎn)稱W89）詳細(xì)觀測(cè)并分析了27個(gè)非超級(jí)單體龍卷渦旋，指出非超級(jí)單體龍卷通常生成于近地面不同性質(zhì)氣團(tuán)所形成的邊界層水平風(fēng)切變輻合線上（如陣風(fēng)鋒、海風(fēng)鋒、干線、水平對(duì)流卷等），由于水平切變不穩(wěn)定的作用，地面附近存在直徑小于4 km、方位角切變大于4×10-3s-1的微尺度氣旋。當(dāng)對(duì)流風(fēng)暴移動(dòng)到微尺度氣旋中心上方或者強(qiáng)垂直渦度中心附近有新風(fēng)暴觸發(fā)，低層垂直渦度在對(duì)流系統(tǒng)上升氣流的拉伸作用下迅速增強(qiáng)，從而形成龍卷。

近些年來(lái)隨著新型龍卷探測(cè)雷達(dá)的應(yīng)用，龍卷形成物理過(guò)程的研究領(lǐng)域又有新見(jiàn)解被提出。中氣旋龍卷的經(jīng)典理論強(qiáng)調(diào)了超級(jí)單體后側(cè)下沉氣流對(duì)水平渦管的動(dòng)力作用，暗示龍卷渦旋在垂直方向上“自上而下”的發(fā)展過(guò)程，并在早期的外場(chǎng)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證（Burgess，et al，1975）。之后Trapp等（1999）基于WSR-88D天氣雷達(dá)統(tǒng)計(jì)了53個(gè)龍卷個(gè)例，指出約有一半的龍卷為“自上而下”的發(fā)展過(guò)程，而另外一半為“自下而上”或同時(shí)增強(qiáng)的發(fā)展過(guò)程。French等（2013）基于更先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)研究3個(gè)龍卷個(gè)例時(shí)發(fā)現(xiàn)，龍卷渦旋特征（TVS）最早出現(xiàn)于低層，并逐步擴(kuò)展至中高層。王秀明等（2019）分析海南文昌龍卷時(shí)指出，該龍卷初始渦旋出現(xiàn)在近地面，而中高層中氣旋向上發(fā)展，并稱之為非典型超級(jí)單體龍卷。戴建華等（2021）對(duì)梅雨鋒中尺度渦旋內(nèi)的微型超級(jí)單體龍卷進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出指狀回波“收縮”演變成鉤狀回波，類似“吹吹卷”效應(yīng)的龍卷渦旋形成過(guò)程。針對(duì)以上觀測(cè)事實(shí)的研究，反映出龍卷渦度來(lái)源及形成機(jī)理方面存在新的科學(xué)問(wèn)題，也是對(duì)經(jīng)典理論的重要補(bǔ)充。

由于受到觀測(cè)條件的限制，中國(guó)微型超級(jí)單體龍卷（不包含TC龍卷）的研究很少（鄭永光，2020；戴建華等，2021），尤其對(duì)微型超級(jí)單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的雙偏振參量特征了解有限，限制了對(duì)這類龍卷生消機(jī)理的認(rèn)識(shí)。2019年8月16日，渤海北部沿岸兩條邊界層輻合線的交匯處產(chǎn)生了微型超級(jí)單體龍卷（圖1）。該龍卷穿過(guò)遼寧省營(yíng)口市城區(qū)，造成多人輕傷、樓房屋頂損壞、玻璃被吹破、樹(shù)木折斷等災(zāi)害（圖1b）。根據(jù)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，此次龍卷的增強(qiáng)藤田等級(jí)（WSEC，2006）為 EF1級(jí)，對(duì)應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)（中國(guó)氣象局，2019）。營(yíng)口雙偏振雷達(dá)位于距龍卷約15 km的位置，能有效捕捉到本次龍卷的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，為龍卷研究提供了寶貴的觀測(cè)信息。文中利用多源觀測(cè)資料對(duì)此次過(guò)程的天氣背景、近風(fēng)暴環(huán)境和對(duì)流系統(tǒng)的演變進(jìn)行了分析，并基于營(yíng)口雙偏振雷達(dá)對(duì)龍卷發(fā)生條件、生消演變特征和龍卷風(fēng)暴（微型超級(jí)單體）結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。最后針對(duì)該次過(guò)程，建立了輻合線上微型超級(jí)單體龍卷形成過(guò)程的概念模型，并對(duì)如何在業(yè)務(wù)中提高該類型龍卷的監(jiān)測(cè)、預(yù)警能力進(jìn)行了討論。

2 資 料

龍卷環(huán)境條件及影響系統(tǒng)分析所采用的資料包括常規(guī)地面和高空觀測(cè)、地面加密觀測(cè)、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心研發(fā)的ERA5再分析資料，F(xiàn)Y-4A衛(wèi)星、多普勒雷達(dá)及風(fēng)廓線探測(cè)資料。利用盤(pán)錦風(fēng)廓線雷達(dá)（WPR-PJ，圖1a中紅色方形位置，距離龍卷發(fā)生地約65 km）及地面自動(dòng)氣象站風(fēng)場(chǎng)估計(jì)龍卷發(fā)生地附近局地環(huán)境風(fēng)垂直切變的發(fā)展變化特征。營(yíng)口雙偏振雷達(dá)（CINRAD-YK）位于龍卷路徑中心點(diǎn)東偏南約15 km處（圖1a中紅色棱形位置）。營(yíng)口雷達(dá)在此期間的體積掃描模式為VCP21，掃描 0.5°、1.5°、2.5°、3.3°、4.4°、6.1°、9.9°、14.6°和 19.5°共9個(gè)仰角，體掃周期約6 min。雷達(dá)天線高度171 m，產(chǎn)品分辨率為250 m，15 km范圍內(nèi)的方位角波束寬度為250 m，0.5°仰角雷達(dá)波束在龍卷發(fā)生位置的距地最小距離為320 m。本研究中應(yīng)用的雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品包括水平極化反射率因子（ZH）、多普勒徑向速度（V）、速度譜寬（SW）、差分反射率（ZDR）、相關(guān)系數(shù)（CC）及比差分相移（KDP）。使 用Gibson-Ridge Analyst第2版（GR2Analyst 2.0；http://www.grlevelx.com/gr2analyst_2/）雷 達(dá)產(chǎn)品顯示系統(tǒng)對(duì)包括雙偏振參量的雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行分析。

圖1 （a） 龍卷發(fā)生位置及周邊觀測(cè)站網(wǎng)分布，（b） 龍卷路徑 （圖a中藍(lán)色三角代表龍卷發(fā)生位置，紅色棱形代表營(yíng)口雷達(dá)位置，紅色方形代表盤(pán)錦風(fēng)廓線雷達(dá)位置，黃色圓圈代表地面自動(dòng)氣象站；圖b基于現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查得出，圖b1為龍卷母云，b2為龍卷本體，b3和b4為受災(zāi)示例）Fig. 1 （a） Location of the tornado and the distribution of surrounding observation station network，（b） the path of the tornado （the blue triangle in a represents the location of the tornado，the red diamond represents the location of Yingkou radar，the red square represents the location of Panjin wind profile radar，and the yellow circle represents the AWS；b is based on in situ disaster survey，and the illustration b1 is tornadic parent storm，b2 is the Yingkou tornado，b3 and b4 are disaster examples）

3 天氣背景及環(huán)境條件分析

2019年8月16日14時(shí)（北京時(shí)，下同），500 hPa（圖2a）高空冷渦從貝加爾湖東移南下，在內(nèi)蒙古東部和遼寧分裂成兩個(gè)閉合中心，中心強(qiáng)度均達(dá)到564 dagpm，并存在-12℃冷中心與之相配合。其中南側(cè)的次天氣尺度冷渦進(jìn)入遼寧西部后，向東偏北方向移動(dòng)，營(yíng)口位于冷渦東側(cè)偏南氣流中，冷渦南側(cè)中層相對(duì)濕度較小，相應(yīng)的FY-4A水汽圖上存在明顯干舌（圖2d中白色箭頭），表明冷渦南側(cè)中、高層干空氣自西南向東北侵入冷渦內(nèi)部，進(jìn)一步增強(qiáng)了大氣不穩(wěn)定。850 hPa（圖2c），“利奇馬”殘渦已移出遼寧，營(yíng)口位于“利奇馬”殘渦西側(cè)偏北急流逐漸減弱造成的風(fēng)速輻合區(qū)內(nèi)。另外，值得指出的是“羅莎”臺(tái)風(fēng)進(jìn)入日本海，其北側(cè)偏東風(fēng)向中國(guó)東北地區(qū)輸送水汽，“利奇馬”殘渦西側(cè)的偏北氣流加強(qiáng)至12 m/s，達(dá)到急流強(qiáng)度，營(yíng)口地區(qū)大氣整層可降水量40 mm。從地面形勢(shì)來(lái)看（圖略），遼寧處于弱氣壓場(chǎng)中，營(yíng)口位于熱低壓后部，午后非絕熱加熱導(dǎo)致地面升溫明顯，低層高溫、高濕疊加中層的干冷環(huán)境增強(qiáng)了大氣不穩(wěn)定。剖面圖上（圖2b）同樣可見(jiàn)，冷渦南側(cè)高空有明顯干空氣侵入，中層相對(duì)濕度最小值低于20%，伴隨中層較強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)，干區(qū)沿西南氣流向東北擴(kuò)展，至冷渦前部營(yíng)口地區(qū)上空迅速轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)低層具有較高的相對(duì)濕度，營(yíng)口地區(qū)達(dá)到90%，形成了上干下濕的對(duì)流性不穩(wěn)定層結(jié)。綜上所述，在臺(tái)風(fēng)殘渦和中尺度冷渦環(huán)境背景下，遼寧地區(qū)不穩(wěn)定條件較好，有利于對(duì)流的觸發(fā)和發(fā)展。

圖2 2019年8月16日14時(shí)天氣形勢(shì) （a、b及c基于ERA5再分析資料繪制，D為環(huán)流中心；a中紫等值線為500 hPa位勢(shì)高度（單位：dagpm），紅虛線為500 hPa等溫線 （單位：℃），風(fēng)羽為500 hPa風(fēng)場(chǎng)，色階為500 hPa相對(duì)濕度；b為沿a中黑虛線所作剖面，色階為相對(duì)濕度 ，等值線為垂直速度ω （單位：Pa/s），風(fēng)場(chǎng)為沿剖面經(jīng)向風(fēng)與-10 ω的合成風(fēng) （矢量，單位：m/s），三角代表龍卷發(fā)生地；c中白等值線為850 hPa位勢(shì)高度，風(fēng)羽為850 hPa風(fēng)場(chǎng)，色階為大氣整層可降水量；d為14時(shí)FY-4A水汽圖像，色階為亮溫，白箭頭代表干侵入）Fig. 2 Synoptic situation at 14：00 BT 16 August 2019 （a，b and c are based on the ERA5 reanalysis data，D represents the center of circulation； a. geopotential height （purple contour，unit：dagpm），isotherm （red dashed line，unit：℃），wind field and relative humidity（shaded ） at 500 hPa； b. cross section along the black dashed line in a，the shaded are for relative humidity，contours show the vertical velocity （ω，unit：Pa/s），the wind field is meridional wind along the section synthetic with -10 ω （vector，unit：m/s），and the triangle represents location of the tornado； c. 850 hPa geopotential height （white contour，unit：dagpm），850 hPa wind field and PWV （shaded）； d.water vapor image of FY-4A at 14：00 BT，the shaded are brightness temperature，the white arrow indicates dry invasion）

利用14時(shí)營(yíng)口氣象站地面氣溫和露點(diǎn)訂正探空（圖3a），抬升凝結(jié)高度（LCL）850 m，略高于Rasmussen等（1998）所指出的美國(guó)強(qiáng)龍卷環(huán)境氣候均值（780 m），與已有研究（王秀明等，2015；馮佳瑋等，2017）結(jié)果較為一致。對(duì)流有效位能達(dá)到1400 J/kg，低層溫度直減率接近干絕熱，利于對(duì)流性大風(fēng)的產(chǎn)生。低層800 hPa以下風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有弱的暖平流，800 hPa之上風(fēng)向隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，存在冷平流，進(jìn)一步增強(qiáng)了局地不穩(wěn)定度。由于遼寧中西部地區(qū)中層受減弱東移冷渦控制，根據(jù)營(yíng)口探空（圖3a）及盤(pán)錦風(fēng)廓線雷達(dá)（圖3b）計(jì)算0—6 km風(fēng)切變分別為13和10 m/s，屬于弱深層風(fēng)垂直切變（Markowski，et al，2010），風(fēng)垂直廓線所表現(xiàn)出的弱深層風(fēng)垂直切變條件不利于龍卷超級(jí)單體風(fēng)暴生成，0—1 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度僅30 m2/s2，位于美國(guó)經(jīng)典超級(jí)單體強(qiáng)龍卷環(huán)境參數(shù)氣候概率的第25百分位（33 m2/s2）附近（Rasmussen，2003）。但值得指出的是，營(yíng)口探空（圖3a中風(fēng)垂直廓線）顯示500 hPa至400 hPa風(fēng)速?gòu)?0 m/s急劇增大至20 m/s，即0—7 km風(fēng)垂直切變達(dá)到23 m/s，屬于強(qiáng)深層風(fēng)垂直切變。此外，15時(shí)30分盤(pán)錦風(fēng)廓線資料顯示，受西側(cè)風(fēng)暴群出流影響，1.5 km（3 km）高度附近存在較強(qiáng)偏西風(fēng)（西南風(fēng)），從而造成局地較強(qiáng)的低層風(fēng)垂直切變，消亡階段的雷暴出流也可能對(duì)龍卷附近的中尺度環(huán)境條件產(chǎn)生影響。

圖3 2019年8月16日 （a） 14時(shí)營(yíng)口T-lgp圖，（b） 14—17時(shí)盤(pán)錦風(fēng)廓線 （a基于ERA5再分析資料繪制，并根據(jù)14時(shí)營(yíng)口地面觀測(cè)做了修正，綠色（紅色）實(shí)線代表環(huán)境（露點(diǎn)）溫度 （單位：℃），左下角給出了對(duì)流有效位能和抬升凝結(jié)高度，右側(cè)為各層水平風(fēng)分布）Fig. 3 Yingkou T-lgp diagram at 14：00 BT （a），Panjin wind profile from 14：00 to 17：00 BT （b） 16 August 2019 （ a is based on ERA5 reanalysis data and modified with surface observations at Yingkou station at 14：00 BT；the green （red） solid line represent the ambient （dew poin） temperature （unit：℃）； CAPE and LCL are given in the bottom-left box；horizontal wind barbs are displayed at the right side of each panel）

4 龍卷風(fēng)暴成因及特征分析

4.1 陣風(fēng)鋒與海風(fēng)鋒交匯觸發(fā)龍卷母云風(fēng)暴

受“利奇馬”過(guò)境殘渦影響，遼寧地區(qū)近地面濕度較大，從8月16日上午開(kāi)始太陽(yáng)輻射加熱導(dǎo)致近地面不穩(wěn)定擾動(dòng)增強(qiáng)，F(xiàn)Y-4A可見(jiàn)光云圖（圖4a）上可見(jiàn)遼寧中南部地區(qū)存在水平對(duì)流卷（俞小鼎等，2020）。13時(shí)30分（圖4b），遼寧西部的對(duì)流風(fēng)暴觸發(fā)（簡(jiǎn)稱風(fēng)暴群A），之后快速發(fā)展并緩慢東移，由于高空受冷渦主體控制，風(fēng)速較弱，0—6 km風(fēng)切變小，對(duì)流組織化程度不高，單個(gè)風(fēng)暴的生命期較短。遼寧西部中層干層更加明顯（圖2b），風(fēng)暴群A前側(cè)形成強(qiáng)的冷池出流，可見(jiàn)光云圖（圖4b、c）上可見(jiàn)風(fēng)暴群A快速發(fā)展并向偏東方向移動(dòng)，對(duì)應(yīng)雷達(dá)回波圖（圖5b）上可見(jiàn)前側(cè)明顯的陣風(fēng)鋒。遼寧中部平原水平對(duì)流卷存在合并現(xiàn)象（圖4b），隨之觸發(fā)較弱的對(duì)流（簡(jiǎn)稱風(fēng)暴群B）。14時(shí)30分（圖4c）風(fēng)暴向東南移動(dòng)并趨于消亡，但其南側(cè)出流方向可見(jiàn)較為明顯的弧狀云線（陣風(fēng)鋒），并繼續(xù)向南移動(dòng)，渤海灣北部沿岸形成一條與之近乎平行的海風(fēng)鋒輻合線，在云圖上表現(xiàn)為窄的積云線，雷達(dá)回波圖（圖5b）上同樣可見(jiàn)窄帶回波。之后兩者匯合，15時(shí)40分（圖4d）輻合線上有對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)烈發(fā)展（D為龍卷母云風(fēng)暴）。

14時(shí) （圖5a） 地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料表明，營(yíng)口地區(qū)存在伸向西北方向的暖舌，局地最高氣溫超過(guò)32℃，露點(diǎn)溫度約22℃，表明該地區(qū)較周圍具備更大的對(duì)流有效位能及更低的抬升凝結(jié)高度，營(yíng)口雷達(dá)監(jiān)測(cè)到水平對(duì)流卷，北側(cè)有分散性弱對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展 （圖5a內(nèi)簡(jiǎn)記為STB，對(duì)應(yīng)可見(jiàn)光云圖風(fēng)暴群B）。14時(shí)20分 （圖5b）STB快速消亡，其南側(cè)存在陣風(fēng)鋒輻合線，與上述可見(jiàn)光云圖 （圖4c） 對(duì)應(yīng)較好。輻合線兩側(cè)可見(jiàn)風(fēng)場(chǎng)有較明顯的氣旋性切變，但兩側(cè)溫度梯度并不明顯，陣風(fēng)鋒向西南方向移動(dòng)。值得指出的是，風(fēng)暴并不是在整個(gè)輻合線上連續(xù)排列 （將最低仰角反射率≥40 dBz定義為風(fēng)暴單體范圍），而是在輻合線上發(fā)展成4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的風(fēng)暴單體（圖5e、f）。分析風(fēng)暴A （圖5e、f）的形成，14時(shí)20分開(kāi)始 （圖5b） 遼寧西部地區(qū)受東移冷渦影響，有強(qiáng)風(fēng)暴生成 （圖5b中簡(jiǎn)記為STA，對(duì)應(yīng)可見(jiàn)光云圖風(fēng)暴群A），干空氣夾卷導(dǎo)致的強(qiáng)烈蒸發(fā)在地面形成冷池 （地面天氣圖上顯示附近溫差10℃），其前側(cè)陣風(fēng)鋒與營(yíng)口地區(qū)海風(fēng)鋒相遇，造成對(duì)流風(fēng)暴A強(qiáng)烈發(fā)展。對(duì)流風(fēng)暴B、C、D的發(fā)展則與海風(fēng)鋒密切相關(guān)，14時(shí)20分，渤海北部沿岸有海風(fēng)鋒生成（圖5b、c中雷達(dá)站西—西南側(cè)），沿海觀測(cè)站監(jiān)測(cè)到海風(fēng)逐漸加強(qiáng)，從4 m/s （14時(shí)） 增大至10 m/s。海風(fēng)鋒呈東北—西南向，與STB所產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒近似平行排列，之后向東北方向緩慢推進(jìn)，其西北端率先與陣風(fēng)鋒交匯 （圖5d），導(dǎo)致風(fēng)暴B的觸發(fā)。隨后風(fēng)暴C和風(fēng)暴D （之后產(chǎn)生龍卷的母云風(fēng)暴） 產(chǎn)生于交匯形成的輻合線拐點(diǎn)處，這是由于γ中尺度渦旋在輻合線上產(chǎn)生的階梯狀圖樣（Marquis，et al，2007），其在龍卷生成中的關(guān)鍵作用將在下一節(jié)進(jìn)行詳細(xì)討論。

圖4 FY-4A衛(wèi)星可見(jiàn)光云圖 （a. 10時(shí)30分，箭頭指示水平對(duì)流卷的位置；b. 13時(shí)30分，橢圓圈指示風(fēng)暴群位置；c. 14時(shí)30分，橢圓圈指示風(fēng)暴群位置，箭頭指示雷暴出流邊界及海風(fēng)鋒位置；d. 15時(shí)40分，橢圓圈指示龍卷母云風(fēng)暴位置）Fig. 4 Satellite visible images of FY-4A （the arrows indicate the HCRs at 10：30 BT in a； the circles indicate the storms at 13：30 BT in b； the circle indicate the storm，and the arrows indicate the outflow boundary and sea-breeze at 14：30 BT in c； the circle indicates parent storm of Yingkou tornado at 15：40 BT in d）

4.2 龍卷風(fēng)暴雷達(dá)特征

龍卷發(fā)生在營(yíng)口雷達(dá)以西15 km處，因此可以獲得高分辨率數(shù)據(jù)。15時(shí)36分（圖6a），0.5°仰角首次在地面輻合線的拐點(diǎn)處出現(xiàn)孤立斑點(diǎn)狀回波，最大反射率因子（ZH）為47 dBz，稱為下沉反射率因子核（Descending Reflectivity Core，DRC）（Rasmussen，et al，2006，以下簡(jiǎn)稱為R06）。R06指出下沉反射率因子核是一種與主回波分離的斑點(diǎn)狀回波，之后演變?yōu)殂^狀回波，并提出了3個(gè)客觀條件來(lái)定義下沉反射率因子核：（1）弱回波區(qū)上方回波懸垂位置下墜的增強(qiáng)反射率區(qū)；（2） 沿著從下沉反射率因子核反射率最大值到超級(jí)單體回波核心路徑上，下沉反射率因子核超過(guò)最小反射率至少4 dB；（3）存在于風(fēng)暴上升氣流的右后象限。R06、Kennedy等（2007）及Byko等（2009）利用WSR-88D雷達(dá)觀測(cè)到超級(jí)單體下沉反射率因子核，并指出下沉反射率因子核的形成是由上升氣流區(qū)后側(cè)的水凝物沉積引起的，推斷其有可能作為龍卷生成的先兆或是伴隨特征。本次個(gè)例中，營(yíng)口龍卷監(jiān)測(cè)到的下沉反射率因子核特征符合R06提出的標(biāo)準(zhǔn)，由于東北側(cè)的風(fēng)暴主體回波并未接地（圖6a、c），下沉反射率因子核先于龍卷出現(xiàn)并表現(xiàn)為孤立的斑點(diǎn)狀回波，對(duì)應(yīng)0.5°仰角速度場(chǎng)（圖6b）存在旋轉(zhuǎn)速度9 m/s、直徑0.5 km的微尺度氣旋。0.5°仰角差分反射率（ZDR）和相關(guān)系數(shù)（CC）分別為4.4 dB和0.98（圖略），表明該處主要由相態(tài)一致的大雨滴組成。剖面圖（圖6c）可見(jiàn)下沉反射率因子核從左側(cè)高層懸垂回波位置下降，在2 km 左右高空伸下一狹長(zhǎng)的（水平尺度2—3 km）、ZH為40—50 dBz（圖6c）、CC為0.96—0.98（圖6e）、ZDR為4—5 dB（圖6f）的柱狀回波，與微尺度氣旋相對(duì)應(yīng)（圖6d）。15時(shí)42分，東北側(cè)的風(fēng)暴主體回波下降至近地面，最大反射率因子達(dá)到65 dBz，同時(shí)下沉反射率因子核進(jìn)一步加強(qiáng)，0.5°反射率因子最強(qiáng)達(dá)到59 dBz（圖6g），并仍與主體回波分離。1.5°仰角反射率可見(jiàn)下沉反射率因子核與風(fēng)暴主體回波相連形成鉤狀回波（圖7a），該鉤狀回波垂直方向上擴(kuò)展至3.5 km。

圖6 15時(shí)36分營(yíng)口雷達(dá)0.5°仰角反射率 （a）、徑向速度 （b） 及沿a白色實(shí)線的反射率 （c）、徑向速度 （d）、相關(guān)系數(shù)（e）、差分反射率 （f） 的垂直剖面，15時(shí)42分營(yíng)口雷達(dá)0.5°仰角基本反射率 （g）、相關(guān)系數(shù) （h） （a、b中黑色圓圈代表微尺度氣旋位置，a、g、h中白色方框代表下沉反射率因子核心位置，c中黑色虛線所圍區(qū)域代表下沉反射率因子核位置，c—f中白色虛線所圍區(qū)域代表ZDR柱位置，f中藍(lán)色虛線代表濕球0℃層高度）Fig. 6 Yingkou radar reflectivity （a），radial velocity （b） at 0.5° elevation and profiles of reflectivity （c），radial velocity（d），correlation coefficient （e），differential reflectivity （f） along the solid white line in a at 15：36 BT；Yingkou radar reflectivity （g），correlation coefficient （h） at 0.5° elevation at 15：42 BT （the black circle represents the position of misocyclone in a and b；the white box represents the position of the DRC in a，g，h；the area surrounded by the black dashed line in c represents the position of the DRC；the area surrounded by the white dashed line in c—f represents the position of the ZDR column；and the blue dashed line in f represents the height of the wet bulb 0℃ layer）

15時(shí)42分龍卷風(fēng)暴發(fā)展至最強(qiáng)盛時(shí)段（對(duì)應(yīng)圖1b中插圖b1拍攝到的龍卷風(fēng)暴本體），根據(jù)目擊者記錄，龍卷于2 min后接地。15時(shí)43分1.5°仰角ZH最大值為63 dBz（圖7a），并呈現(xiàn)出鉤狀回波特征，但風(fēng)暴尺度僅為7 km，屬于微型超級(jí)單體（Stumpf，et al，1998）。反射率剖面圖（圖7e）顯示，50 dBz以上強(qiáng)回波高于5 km，低反射率區(qū)域上方存在回波懸垂和有界弱回波區(qū)（Bounded Weak Echo Region，BWER），對(duì)應(yīng)速度譜寬（SW）大值區(qū)（圖略），進(jìn)一步表征該區(qū)域存在強(qiáng)烈上升氣流。受仰角限制，更高處無(wú)法觀測(cè)，沈陽(yáng)雷達(dá)（距龍卷發(fā)生地170 km）回波頂高產(chǎn)品顯示該風(fēng)暴頂高約11 km（圖略）。1.5°仰角速度場(chǎng)（圖7b）顯示鉤狀回波處微尺度氣旋直徑0.5 km，旋轉(zhuǎn)速度增大至15 m/s。以上觀測(cè)事實(shí)說(shuō)明該超級(jí)單體（及伴隨的中氣旋）水平尺度、伸展高度都明顯小于經(jīng)典超級(jí)單體。

圖7 15時(shí)43分營(yíng)口雷達(dá)1.5°仰角反射率 （a）、徑向速度 （b）、相關(guān)系數(shù) （c）、差分反射率 （d） 及對(duì)應(yīng)剖面 （e、f、g、h）（b中黑色圓圈代表微尺度氣旋位置，d中黑色虛線所圍區(qū)域代表ZDR弧位置，e—h中黑色虛線所圍區(qū)域代表龍卷殘片特征位置，藍(lán)色虛線所圍區(qū)域代表低信噪比造成的相關(guān)系數(shù)低值區(qū)，白色虛線所圍區(qū)域代表有界弱回波區(qū)位置）Fig. 7 Yingkou radar reflectivity （a），radial velocity （b），correlation coefficient （c），differential reflectivity （d） at 1.5°elevation and corresponding profiles （e，f，g，h） at 15：43 BT （the black circle represents the position of misocyclone in b，the area surrounded by the black dashed line represents the ZDR arc position in d，the area surrounded by the black dashed line represents the position of TDS ，the area surrounded by the blue dashed line represents the position of low CC value area caused by low signal-to-noise ratio，and the area surrounded by the white dashed line represents the position of BWER in e—h）

Ryzhkov等（2005）在伴有龍卷的超單體中觀測(cè)到鉤狀回波尖端存在明顯的偏振特征，該特征是由于龍卷刮起的房屋、樹(shù)木等地物碎片導(dǎo)致的，稱為龍卷殘片特征，由于龍卷所卷起的殘片具有隨機(jī)取向、不規(guī)則形狀、大尺寸及高介電常數(shù)的特性，Ryzhkov等（2005）定義在S波段雙偏振雷達(dá)上，龍卷殘片表現(xiàn)為高ZH（ZH＞45 dBz）、較低ZDR（接近0 dB）及異常低的CC（CC＜0.8）特征，并伴有明顯的方位角徑向速度切變等雷達(dá)特征。同時(shí)指出輕質(zhì)碎片（例如樹(shù)葉和草）的CC約為 0.70，而較大碎片的存在會(huì)進(jìn)一步降低CC并在反射率因子上呈現(xiàn)異常大值，被稱為碎屑球。15時(shí)42分0.5°仰角（距地320 m）龍卷風(fēng)暴下沉反射率因子核處CC存在明顯的小值區(qū)（圖6h中虛線方框），CC范圍0.32—0.74，對(duì)應(yīng)反射率因子（圖6g）47—51 dBz。15時(shí)43分1.5°仰角（圖7a —d內(nèi)白色虛線方框）同樣可見(jiàn)微尺度氣旋附近CC為0.34—0.65、ZH為44—47 dBz、ZDR為-2.1—1.1 dB，符合Ryzhkov等（2005）對(duì)龍卷殘片特征的客觀判定。但同時(shí)需要指出的是，營(yíng)口龍卷并未出現(xiàn)反射率因子碎屑球，并且更高仰角（圖7e、8a）反射率因子有相對(duì)低值區(qū)，該區(qū)域?qū)?yīng)渦旋中心（圖7f）的強(qiáng)上升氣流區(qū)，強(qiáng)湍流導(dǎo)致較低的信噪比（圖略），其也會(huì)造成CC下降（Schultz，et al，2012）。綜上推斷，3 km以下微尺度氣旋位置存在明顯低CC（0.35—0.65）特征（圖7g），其中0.3—0.6 km高度的低CC（圖7g中黑色虛線所圍區(qū)域）是由龍卷卷起的樹(shù)葉、草及昆蟲(chóng)等輕質(zhì)碎片和強(qiáng)上升氣流引起的低信噪比共同導(dǎo)致；而低信噪比可能是造成0.6—3 km高度的低CC（圖7g中藍(lán)色虛線所圍區(qū)域）的主導(dǎo)因素。

4.4°仰角（圖8c）可見(jiàn)微尺度氣旋位置存在強(qiáng)反射率因子凹陷區(qū)（圖8a），F(xiàn)ujita（1981）稱之為弱回波洞（Weak Echo Hole，WEH），弱回波洞位于龍卷漏斗內(nèi)部核心區(qū)域，是由于水凝物和殘片的離心作用導(dǎo)致的（Dowell，et al，2005）。營(yíng)口龍卷的弱回波洞處ZH為35 dBz（圖8a），CC為 0.39（圖8b），ZDR為0.4 dB（圖8d），速度譜寬為14 m/s（圖8e）。弱回波洞附近存在CC（0.97）和ZDR（4 dB）高值區(qū)域，可能為離心作用導(dǎo)致的分布于外圍的大雨滴。

此外，ZDR產(chǎn)品（圖7d、8d）還顯示微型超級(jí)單體的前側(cè)下沉氣流與低層風(fēng)暴入流一側(cè)相交處存在帶狀的ZDR大值區(qū)，稱之為ZDR弧（Kumjian，et al，2008，以下簡(jiǎn)稱為K08）。ZDR弧對(duì)應(yīng)前側(cè)下沉氣流區(qū)回波梯度最大位置，從近地面延伸至垂直方向2 km，最大值達(dá)到4—5 dB，CC在0.98上下，表明主要由大雨滴構(gòu)成。K08指出在經(jīng)典超級(jí)單體風(fēng)暴中，風(fēng)垂直切變對(duì)不同大小降水粒子的平流差異導(dǎo)致低層入流一側(cè)產(chǎn)生粒子分選效應(yīng)，ZDR弧與低層風(fēng)暴相對(duì)螺旋度有很好的相關(guān)，前文提到本次個(gè)例低層風(fēng)暴相對(duì)螺旋度較小，但邊界層輻合線相交可能加強(qiáng)了近風(fēng)暴環(huán)境的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度，為龍卷形成提供有利條件。圖8d還顯示鉤狀回波前側(cè)存在高ZDR區(qū)域（圖中藍(lán)色圓圈所示），K08中稱其為ZDR盾（ZDRShield）。K08分析指出，前側(cè)下沉氣流區(qū)域冰雹下落過(guò)程融化成雨滴，之后雨滴碰并會(huì)使ZDR增大，從而產(chǎn)生ZDR盾，而雨滴破裂會(huì)起到相反的效果，兩者共同作用產(chǎn)生平衡效應(yīng)。因此，ZDR盾代表冰雹融化產(chǎn)生的風(fēng)暴前側(cè)較大范圍的大雨滴，同時(shí)ZDR盾處顯示大范圍KDP高達(dá)4—6°/km的區(qū)域（圖8f），CC在0.9—0.95（圖8b），也表明ZDR盾處存在大量融化的冰雹。值得指出的是，4.4°（圖8b）及6.1°（圖略）仰角從風(fēng)暴鉤狀回波的入流一側(cè)延伸至北側(cè)頂端，出現(xiàn)CC在0.6上下的較大范圍低值區(qū)（圖8b黃色虛線所圍區(qū)域），伴隨反射率因子大值區(qū)，而ZDR較為雜亂，該區(qū)域是由于龍卷產(chǎn)生的大量碎屑夾卷平流或是非均勻波束充塞所致，還有待進(jìn)一步研究。

圖8 15時(shí)45分營(yíng)口雷達(dá)4.4°仰角反射率因子 （a），相關(guān)系數(shù) （b），徑向速度 （c），差分反射率 （d），速度譜寬 （e） 及比差分相移 （f）（黑色圓圈代表微尺度氣旋位置，白色虛線所圍區(qū)域代表ZDR弧位置，藍(lán)色虛線所圍區(qū)域代表ZDR盾位置，黃色虛線所圍區(qū)域代表相關(guān)系數(shù)低值區(qū)）Fig. 8 Yingkou radar reflectivity （a），correlation coefficient （b），radial velocity （c），differential reflectivity （d），spectrum width （e） and specific differential phase （f） at 4.4° elevation at 15：45 BT （the black circle represents the position of the misocyclone，the area surrounded by the white （blue） dashed line represents the position of the ZDR arc （ZDR shield），and the area surrounded by the yellow dashed line represents the low value area of CC）

5 龍卷形成過(guò)程討論

5.1 龍卷渦旋形成

15時(shí)（圖5d）陣風(fēng)鋒與海風(fēng)鋒在渤海灣北部沿岸相遇，15時(shí)18分（圖9a）兩條輻合線合并，回波強(qiáng)度略有增強(qiáng)，并且前文提到的輻合線西側(cè)海風(fēng)明顯加強(qiáng)，沿邊界方向風(fēng)速加大導(dǎo)致切變進(jìn)一步加強(qiáng)，從而在輻合線前沿產(chǎn)生強(qiáng)氣旋式渦度和更強(qiáng)的輻合，水平切變不穩(wěn)定導(dǎo)致γ中尺度渦旋形成。對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)（圖9b）上，在輻合線上可見(jiàn)兩個(gè)相對(duì)較大的γ中尺度渦旋，其中位于東南側(cè)的即為產(chǎn)生營(yíng)口龍卷的初始渦旋（簡(jiǎn)稱初始渦旋A），直徑4.2 km，旋轉(zhuǎn)速度5 m/s，西北側(cè)初始渦旋（簡(jiǎn)稱初始渦旋B）直徑更大（約8 km），旋轉(zhuǎn)速度與初始渦旋A接近。反射率產(chǎn)品上（圖9a、c），垂直渦度的最大值與雷達(dá)反射率大值區(qū)位置重疊，γ中尺度渦旋邊界被旋轉(zhuǎn)中心周圍的環(huán)流影響而扭曲，兩渦旋在輻合線上呈階梯狀排列。15時(shí)25分（圖9d）初始渦旋A（B）直徑收縮至2.6 km（4.5 km），旋轉(zhuǎn)速度無(wú)明顯變化。Lee等（2000）研究指出輻合線上的γ中尺度渦旋可以增強(qiáng)局地輻合和濕度條件，事實(shí)上本研究中在γ中尺度渦旋處確實(shí)有相對(duì)孤立的強(qiáng)風(fēng)暴觸發(fā)（圖5f中風(fēng)暴C及風(fēng)暴D）。

圖9 營(yíng)口雷達(dá)0.5°仰角15時(shí)18分 （a）、15時(shí)24分 （c） 反射率及15時(shí)19分 （b）、15時(shí)25分 （d） 徑向速度 （圓圈代表初始渦旋位置）Fig. 9 Yingkou radar reflectivity at 15：18 BT （a），15：24 BT （c） and radial velocity at 15：19 BT （b），15：25 BT （d） at 0.5°elevation （the circles represent the position of initial vortex）

龍卷風(fēng)暴于15時(shí)24分在營(yíng)口地區(qū)生成，向北偏東方向移動(dòng)，移速較小。此時(shí)，差分反射率剖面圖上可見(jiàn)明顯的ZDR柱，3 dB高于5 km，寬度約為1—3 km（圖略），需要說(shuō)明的是，由于CC＜0.9的區(qū)域不計(jì)算KDP，本次過(guò)程中未能觀測(cè)到與ZDR柱相伴的KDP柱。15時(shí)36分ZDR柱進(jìn)一步增強(qiáng)，5 dB高于5.5 km（圖6f），而對(duì)應(yīng)渦旋直徑進(jìn)一步收縮（圖6b、d）。探空結(jié)果顯示0℃高度為3.8 km，濕球0℃層高度為3.6 km，研究（Kumjian，et al，2014）指出，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)可能與降水粒子的再循環(huán)過(guò)程有關(guān)，對(duì)流初始階段降水粒子在下落的過(guò)程由上升與下沉氣流的邊界處重新夾卷進(jìn)入上升氣流區(qū)，與其他較小降水粒子通過(guò)碰并作用快速增長(zhǎng)為大降水粒子，因此ZDR柱可以很好表征上升運(yùn)動(dòng)位置和強(qiáng)度。初始渦旋A（圖9）在強(qiáng)烈發(fā)展風(fēng)暴上升氣流的拉伸作用下直徑迅速減小，產(chǎn)生低層微尺度氣旋。

綜上所述，水平切變不穩(wěn)定導(dǎo)致在兩條相遇輻合線上有γ中尺度渦旋形成，低層接近干絕熱遞減率的大氣不穩(wěn)定層結(jié)條件下，對(duì)流觸發(fā)導(dǎo)致迅速發(fā)展的垂直加速度與預(yù)先存在邊界層垂直渦度大值區(qū)并置，有界弱回波區(qū)和ZDR柱提供了進(jìn)一步的證據(jù)，表明通過(guò)沿邊界層輻合線拉伸預(yù)先存在的γ中尺度渦旋（圖9中龍卷初始渦旋A）形成微尺度氣旋。

5.2 龍卷生成及消亡過(guò)程

為探究龍卷的生成過(guò)程，圖10給出在垂直方向上龍卷渦旋旋轉(zhuǎn)速度、渦旋直徑隨時(shí)間的變化規(guī)律。15時(shí)18分地面輻合線拐點(diǎn)處有γ中尺度渦旋生成（圖9a），旋轉(zhuǎn)速度8—10 m/s，直徑3—4 km，垂直伸展高度2 km，同時(shí)19.5°仰角（距地5.5 km）存在氣旋式旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度10 m/s，并伴有較強(qiáng)的輻散（圖略），表明存在強(qiáng)上升氣流。15時(shí)24分在垂直拉伸作用下，微尺度氣旋在距地1 km高度上直徑明顯收縮（約1.5—1.8 km），旋轉(zhuǎn)速度也略有加強(qiáng)。15時(shí)30分至42分，微尺度氣旋尺度進(jìn)一步減小，直徑約0.8—1 km（與圖1b中插圖b1龍卷母體渦旋尺度大致相當(dāng)），厚度增加，旋轉(zhuǎn)速度無(wú)明顯變化。15時(shí)42分（龍卷觸地前2 min），旋轉(zhuǎn)速度顯著增大，最強(qiáng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到18 m/s，出現(xiàn)在15時(shí)45分3.3°仰角（距地面1 km），達(dá)到中等強(qiáng)度中氣旋標(biāo)準(zhǔn)（圖6d），并伴隨類龍卷渦旋特征（TVS）結(jié)構(gòu)（相鄰方位角切變值達(dá)到36 m/s）。其他仰角速度場(chǎng)未出現(xiàn)相鄰方位角的速度對(duì)，推斷其可能與本次龍卷的直徑較小有關(guān)（災(zāi)情調(diào)查顯示龍卷觸地部分主體直徑不足10 m，但缺少空中龍卷直徑照片記錄）。微型超級(jí)單體龍卷形成前期（龍卷觸地前8—20 min）垂直渦度的快速增加主要依靠拉伸作用導(dǎo)致的微尺度氣旋直徑收縮，并伴隨垂直伸展高度上升增大，而龍卷臨近觸地期間（觸地前0—8 min）微尺度氣旋直徑幾乎未發(fā)生變化（0.7— 0.8 km），垂直渦度增加源于旋轉(zhuǎn)速度的增強(qiáng)。綜上可見(jiàn)，微型超級(jí)單體龍卷形成過(guò)程與微尺度氣旋尺度、厚度及旋轉(zhuǎn)速度密切相關(guān)，龍卷形成初期表現(xiàn)為微尺度氣旋直徑的減小及厚度的增加，臨近時(shí)刻表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)速度迅速增大，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到最大、直徑達(dá)到最小時(shí)龍卷產(chǎn)生。

圖10 15時(shí)18—52分龍卷渦旋的演變 （圓柱顏色表示不同的仰角，大小表示渦旋直徑，叉號(hào)和圓圈表示旋轉(zhuǎn)速度，灰色陰影區(qū)域代表龍卷及地時(shí)段）Fig. 10 Time—height evolution of the tornado vortex from 15：18 BT to 15：52 BT （cylinder colors （size） indicate elevation（vortex diameter），cross and circles indicate rotational velocity，and the gray shaded area represents the time of the tornado reaching the ground）

龍卷生成后伴隨輻合線向南移動(dòng)（圖1b），而風(fēng)暴主體向東北方向移動(dòng)（圖11a、b），15時(shí)48分（圖11d）可見(jiàn)輻合線上的微尺度氣旋與主體風(fēng)暴脫離并迅速減弱（圖11a、d中黑色圓圈，簡(jiǎn)稱龍卷殘余渦旋），龍卷殘余渦旋附近CC低于0.6（圖略），表明其并非由降水粒子構(gòu)成，而鉤狀回波處并無(wú)中氣旋相配合。圖10顯示15時(shí)48分龍卷殘余渦旋高度較前期明顯降低，渦旋強(qiáng)度隨高度略有增大，最強(qiáng)旋轉(zhuǎn)速度8 m/s，距離地面0.8 km，而此時(shí)龍卷也已經(jīng)消亡。低層（0.8 km以下）輻合線上存在龍卷殘余渦旋，鉤狀回波位置未見(jiàn)旋轉(zhuǎn)環(huán)流，而3.3°仰角（圖11b、e）輻合線處回波較弱，龍卷殘余渦旋難以分辨，鉤狀回波處可見(jiàn)弱的氣旋性環(huán)流，并且隨高度增加中層中氣旋強(qiáng)度明顯加強(qiáng)（圖11f），同時(shí)伴隨反射率核心向上收縮并與地面脫離（圖11c）。中層中氣旋所導(dǎo)致的中心氣壓下降可在其下方產(chǎn)生垂直向上的擾動(dòng)氣壓梯度力，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)上升氣流，推斷中層中氣旋與微尺度氣旋分離使得上升氣流的拉伸作用減弱，從而導(dǎo)致龍卷的快速消亡。

圖11 營(yíng)口雷達(dá)基本反射率 （a. 15時(shí)47分0.5°仰角，b. 15時(shí)50分3.3°仰角，c. 沿a、b中白線的剖面） 及徑向速度 （d. 15時(shí)48 分0.5°仰角，e. 15時(shí)50分 3.3°仰角，f. 沿d、e中白線的剖面） （a、d中黑色圓圈代表0.5°仰角龍卷殘余渦旋位置，對(duì)應(yīng)剖面圖中藍(lán)色三角位置，b、e中白色圓圈代表3.3°仰角渦旋位置，c、f中白色虛線所圍區(qū)域代表中層中氣旋位置）Fig. 11 Yingkou radar reflectivity at 15：47 BT at 0.5° elevation （a），at 15：50 BT at 3.3° elevation （b），cross section along the white line in a，b （c） and radial velocity at 15：48 BT at 0.5° elevation （d），at 15：50 BT at 3.3° elevation （e），cross section along the white line in d，e （f） （the black circles represent the position of tornado residual vortex at 0.5° elevation in a and d，corresponding to the blue triangle in the cross section，the white circles represent the position of vortex at 3.3° elevation in b and e，and the area surrounded by the white dashed line represents the position of the middle-level mesocyclone in c and f）

此次龍卷在一定程度上異于經(jīng)典超級(jí)單體龍卷的生成機(jī)制，總結(jié)營(yíng)口龍卷形成過(guò)程的概念模型（圖12）：冷渦提供了弱的深層風(fēng)垂直切變及低層強(qiáng)熱力不穩(wěn)定環(huán)境背景。近地面，處于消亡階段的雷暴出流形成的陣風(fēng)鋒與渤海灣北部沿岸海風(fēng)鋒交匯，在水平切變不穩(wěn)定作用下形成階梯狀排列的γ中尺度渦旋，同時(shí)輻合線相交加強(qiáng)了抬升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致龍卷母云風(fēng)暴觸發(fā)并強(qiáng)烈發(fā)展。在強(qiáng)上升氣流的拉伸作用下，近地面形成微尺度氣旋，渦度隨高度減?。▓D10）預(yù)示低層環(huán)流造成更強(qiáng)的近地面擾動(dòng)低壓，并導(dǎo)致下沉氣流，預(yù)先存在的邊界層輻合線提供了與經(jīng)典超級(jí)單體相類似的低層渦度及熱力條件，之后在龍卷風(fēng)暴前側(cè)下沉氣流與后側(cè)下沉氣流的錮囚點(diǎn)形成龍卷。

圖12 龍卷形成過(guò)程概念模型 （a. 發(fā)展階段，b. 生成階段）Fig. 12 The conception model of tornadogenesis （a. development stage，b. mature stage）

6 結(jié)論與討論

對(duì)2019年8月16日遼寧營(yíng)口龍卷的環(huán)境條件及雷達(dá)觀測(cè)進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

此次龍卷發(fā)生于東北冷渦主體環(huán)流內(nèi)，高空存在弱冷平流，干侵入特征明顯。低層“利奇馬”殘渦后部偏北氣流與遼寧西部次天氣尺度冷渦共同影響，環(huán)境條件表現(xiàn)為中等偏弱的對(duì)流有效位能、近地面強(qiáng)熱力不穩(wěn)定及高濕度條件、弱深層（0—6 km）和低層（0—1 km）風(fēng)垂直切變，天氣尺度環(huán)境背景展示的動(dòng)力條件并不利于超級(jí)單體強(qiáng)風(fēng)暴的生成。前期遼寧中南部存在大范圍的水平對(duì)流卷，是對(duì)流初生的關(guān)鍵系統(tǒng)，已生成的對(duì)流風(fēng)暴可以改變風(fēng)暴附近的中尺度環(huán)境條件，處于消亡階段雷暴的陣風(fēng)鋒與渤海北部沿岸的海風(fēng)鋒在營(yíng)口地區(qū)匯合，觸發(fā)龍卷母云風(fēng)暴。

龍卷母云風(fēng)暴在多普勒雷達(dá)上表現(xiàn)為微型超級(jí)單體，具有與經(jīng)典超級(jí)單體相似的結(jié)構(gòu)（鉤狀回波、有界弱回波區(qū)、中氣旋、回波懸垂、弱回波洞）。龍卷發(fā)生前可見(jiàn)明顯下沉反射率核心特征，龍卷渦旋為微尺度氣旋，由沿邊界層輻合線拉伸預(yù)先存在的γ中尺度渦旋形成，最強(qiáng)時(shí)刻達(dá)到中等強(qiáng)度中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，并出現(xiàn)類龍卷渦旋特征結(jié)構(gòu)。同時(shí)營(yíng)口雷達(dá)的雙偏振參量為龍卷的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了更多有用信息，例如龍卷殘片特征、ZDR弧、ZDR柱等結(jié)構(gòu)。微尺度氣旋的最大旋轉(zhuǎn)速度伴隨最小直徑對(duì)應(yīng)龍卷生成時(shí)刻，而中層中氣旋與輻合線上的微尺度氣旋分離是導(dǎo)致龍卷消亡的原因。

值得指出的是，此次龍卷與W89提出的非超級(jí)單體龍卷形成機(jī)制有所不同，主要區(qū)別在于非超級(jí)單體龍卷地面初始渦旋的尺度更?。ㄍǔＰ∮? km）且強(qiáng)度更強(qiáng)，產(chǎn)生于風(fēng)暴的發(fā)展階段，無(wú)下沉氣流，通常具有較平坦的云底（Marwitz，et al，1972），是邊界層輻合線上由水平切變不穩(wěn)定導(dǎo)致的低層渦旋在強(qiáng)上升氣流的拉伸作用下加深發(fā)展的結(jié)果。而本次龍卷渦旋并非由上升氣流拉伸的證據(jù)是母云云底有明顯的漏斗云而并非平坦，同時(shí)在龍卷生成前，微尺度氣旋位于整個(gè)ZDR柱內(nèi)部，而龍卷生成階段，鉤狀回波頂端附近低層并非完全位于ZDR柱內(nèi)，龍卷形成可能與微尺度氣旋擾動(dòng)低壓產(chǎn)生的下沉氣流有關(guān)。雖然與經(jīng)典超級(jí)單體龍卷位于前側(cè)下沉氣流和后側(cè)下沉氣流錮囚在鉤狀回波頂部相類似，然而本個(gè)例中邊界層輻合線先于風(fēng)暴出現(xiàn)，且中層中氣旋相對(duì)較弱，可能并不足以產(chǎn)生足夠強(qiáng)的后側(cè)下沉氣流，錮囚邊界并不是超級(jí)單體下沉出流交匯的結(jié)果。與經(jīng)典超級(jí)單體龍卷低層中氣旋形成機(jī)制也存在差異，本次龍卷形成更傾向于是近地面γ中尺度渦旋拉伸產(chǎn)生微尺度氣旋并與中層中氣旋相耦合的結(jié)果，這與王秀明等（2019）研究的海南文昌龍卷、W89中7月7日龍卷個(gè)例以及Wilson（1986）第4個(gè)龍卷個(gè)例的形成機(jī)制有相似之處。

綜上所述，微型超級(jí)單體類似的結(jié)構(gòu)特征在尺度和強(qiáng)度上均不及經(jīng)典超級(jí)單體，但其依然能夠產(chǎn)

生一定強(qiáng)度的龍卷，因此需要預(yù)報(bào)員能夠預(yù)測(cè)微型超級(jí)單體發(fā)生的環(huán)境背景（如弱風(fēng)切變、中等對(duì)流有效位能、低層強(qiáng)熱力不穩(wěn)定及大的相對(duì)濕度），同時(shí)進(jìn)行更加精細(xì)的雷達(dá)資料分析和客觀算法的開(kāi)發(fā)（目前多普勒天氣雷達(dá)的自動(dòng)算法并不能識(shí)別出營(yíng)口龍卷的中氣旋）。雖然很難基于現(xiàn)有中氣旋或龍卷殘片特征標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這種龍卷進(jìn)行監(jiān)測(cè)和提前預(yù)警，但目前業(yè)務(wù)觀測(cè)系統(tǒng)可以相對(duì)容易識(shí)別邊界層輻合線，從而預(yù)見(jiàn)龍卷可能發(fā)生的區(qū)域。例如對(duì)流并不是沿著邊界層輻合線的整個(gè)長(zhǎng)度發(fā)展，而是在水平切變不穩(wěn)定的作用下γ中尺度渦旋在輻合線的某些位置生成，從而增強(qiáng)其附近輻合上升運(yùn)動(dòng)，這在兩條邊界層輻合線交叉點(diǎn)處尤為明顯（Wilson，et al，1992）。切變大值區(qū)（強(qiáng)風(fēng)區(qū)）尤其是雷達(dá)上階梯狀拐點(diǎn)不穩(wěn)定區(qū)出現(xiàn)低仰角的大速度對(duì)時(shí)，預(yù)示低層微尺度氣旋生成。如果該預(yù)先存在的渦旋與對(duì)流風(fēng)暴（尤其是超級(jí)單體風(fēng)暴）的上升氣流疊加，則可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦旋甚至龍卷，即使沒(méi)有龍卷，這些預(yù)先存在的與邊界層輻合線相關(guān)的渦旋也可能是對(duì)流快速發(fā)展的有利位置。因此，預(yù)報(bào)員在對(duì)流發(fā)展之前應(yīng)特別注意有利環(huán)境背景下邊界層輻合線的旋轉(zhuǎn)特征。