蘇州一次EF3級龍卷的雙偏振雷達特征分析

朱皓清 杜美芳 王輝 陸鑫海

摘要 利用再分析資料、探空資料和雙偏振雷達資料分析了2021年5月14日發(fā)生在江蘇蘇州的EF3級龍卷。研究發(fā)現(xiàn)，龍卷發(fā)生在江淮準(zhǔn)靜止鋒南側(cè)的暖區(qū)內(nèi)，龍卷發(fā)生前蘇州地區(qū)有較強的大氣不穩(wěn)定、較低的抬升凝結(jié)高度和較強的垂直風(fēng)切變。龍卷風(fēng)暴經(jīng)過2次風(fēng)暴合并進入成熟期，成熟的龍卷風(fēng)暴具有典型超級單體的鉤狀回波和強中氣旋特征，并伴有龍卷渦旋特征（TVS）。風(fēng)暴合并產(chǎn)生的強垂直風(fēng)切變導(dǎo)致風(fēng)暴內(nèi)降水分布存在明顯的分界線，差分反射率（ZDR）和差分傳播相位常數(shù)（KDP）大值中心發(fā)生分離。KDP中心位于前側(cè)下沉區(qū)（FFD），以數(shù)濃度較高的小雨滴降水為主；ZDR中心位于前側(cè)陣風(fēng)鋒（FFGF）附近，以大雨滴降水為主，大雨滴形成的弱冷池有利于龍卷的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞 龍卷風(fēng)暴；雙偏振雷達；差分反射率；差分相位差；相關(guān)系數(shù)

中圖分類號：P412.25文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）04–0089-04

龍卷時空尺度小，突發(fā)性強，外觀上呈現(xiàn)為雷暴云底伸展出來并到達地面的狹長漏斗云，中心最大風(fēng)速可超過140 m/s，是對流風(fēng)暴產(chǎn)生的最猛烈的天氣，常伴隨雷暴、冰雹和暴雨等強天氣，往往造成重大的財產(chǎn)損失和人員傷亡。

多普勒雷達是目前龍卷監(jiān)測和研究的重要手段。研究表明，強龍卷一般發(fā)生在超級單體中，多普勒雷達可識別出典型的鉤狀回波和中氣旋特征，以及比中氣旋尺度更小的龍卷渦旋特征（TVS）[1]。趙海軍[2]通過實地災(zāi)情調(diào)查，分析龍卷發(fā)生的環(huán)境和天氣雷達特征。劉紅亞等[3]利用天氣圖資料和雙偏振雷達資料，分析了一次長生命史冰雹強風(fēng)暴形態(tài)的時間演變和雙偏振特征。

雙偏振雷達由20世紀(jì)70年代的雙偏振理論研發(fā)產(chǎn)生，雙偏振雷達可以額外獲得差分反射率（ZDR）、差分傳播相位常數(shù)、零滯后相關(guān)系數(shù)（CC）等參量，對龍卷的識別和探測具有重要作用。研究表明，龍卷卷起的雜物碎片在雙偏振雷達上表現(xiàn)為高水平反射率、低ZDR和異常低的CC，即龍卷碎片特征，可以有效判斷龍卷是否觸地[4]。項陽等[5]發(fā)現(xiàn)在梅雨期暴雨天氣形勢下，較低的抬升凝結(jié)高度，較強的中低層垂直風(fēng)切變?yōu)辇埦硖峁┝擞欣沫h(huán)境背景。

2021年5月14日18：50～19：05（北京時間，下同），江蘇省蘇州市發(fā)生一次EF3級龍卷，共造成1人死亡21人受傷。龍卷過程被上海青浦站雙偏振雷達捕捉，考慮目前國內(nèi)使用雙偏振雷達研究龍卷的較少。因此，通過常規(guī)觀測資料和雙偏振雷達觀測，分析了此次龍卷過程發(fā)生前的天氣形勢、龍卷風(fēng)暴雷達回波演變特征和龍卷風(fēng)暴降水粒子特征，希望為龍卷預(yù)報預(yù)警和研究提供有益參考。

1 天氣形勢分析

圖1a顯示2021年5月14日08：00，東北冷渦強度較強，槽后冷空氣影響中高緯地區(qū)。在30°N存在兩段高空急流，蘇州分別位于東西兩段急流的入口區(qū)右側(cè)和出口區(qū)左側(cè)，高層存在明顯的輻散（圖1a）。低層850 hPa西南急流增強，切變系統(tǒng)略微北抬至江淮地區(qū)，江南和江漢地區(qū)處于高溫高濕的環(huán)境下，且有較好的動力抬升條件（圖1b）。因此，在鋒面南側(cè)的暖區(qū)內(nèi)，低層大氣高溫高濕，高層有冷空氣影響，大氣具有很強的不穩(wěn)定性，低空急流和切變線的輻合抬升配合高空急流的輻散作用，產(chǎn)生大量分散性對流降水。上海寶山站14日20：00探空資料顯示（圖1c），整層大氣高濕，LCL位于995 hPa，CAPE達1 162 J/kg，而CIN只有219 J/kg，大氣具有很強的不穩(wěn)定性，且低層0～1 km和0～6 km垂直風(fēng)切變分別增長至7 m/s和22 m/s。較強的大氣不穩(wěn)定性、較低的LCL和較大的垂直風(fēng)切變，有利于龍卷和龍卷風(fēng)暴的產(chǎn)生。

2 龍卷風(fēng)暴雷達回波演變

雷達觀測資料顯示，龍卷對流單體于15：50生成，向東偏北移動并增強，至17：00龍卷對流單體反射率強度超過65 dBz（圖2a）。2個弱對流單體A和B先后在龍卷對流單體西南側(cè)生成，并向東偏北緩慢移動。17：20龍卷對流單體與單體A合并后強度增強，最大反射率超過70 dBz，并出現(xiàn)鉤狀回波，伴隨一個較弱的氣旋式切變（圖2b）。

18：12龍卷風(fēng)暴與單體B合并（圖2c），龍卷風(fēng)暴結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，后側(cè)下沉氣流（RFD）和氣旋式切變減弱，導(dǎo)致鉤狀回波特征消失（圖2d）。10 min后龍卷風(fēng)暴結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)束，前側(cè)下沉氣流（FFD）迅速增強（圖2e），鉤狀回波重新出現(xiàn)，伴隨中等強度中氣旋，中氣旋的旋轉(zhuǎn)速度約18 m/s，直徑約8 km（圖2i）。18：36龍卷風(fēng)暴RFD降水增強（圖2f），導(dǎo)致地面出流和中氣旋強度進一步增強，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度約22 m/s，為強中氣旋（圖2j），龍卷風(fēng)暴進入成熟階段，呈典型的超級單體特征（圖2f）。

18：48在低層1.5°仰角觀測到TVS特征，TVS位于龍卷風(fēng)暴鉤狀回波頂端（圖2g），TVS中心旋轉(zhuǎn)速度超過30 m/s（圖2k），約2 min后觀測到龍卷發(fā)生。19：06龍卷風(fēng)暴仍呈超級單體特征（圖2h），雷達上可以觀測到TVS，中心旋轉(zhuǎn)速度減弱至20 m/s（圖2l），但在下一個體掃中沒有觀測到TVS，說明龍卷過程基本結(jié)束，與肉眼觀測龍卷云柱離開地面的時間基本一致。

整個龍卷過程持續(xù)約15 min，一般在龍卷發(fā)生前5～10 min可以觀測到TVS，但受雷達時間分辨率的影響，此次過程在龍卷發(fā)生前2 min才觀測到TVS。2次風(fēng)暴合并后龍卷風(fēng)暴的強度均有不同程度的增強，且第二次風(fēng)暴合并后龍卷風(fēng)暴進入成熟階段并產(chǎn)生龍卷，說明風(fēng)暴合并對龍卷的發(fā)生有較大影響。

3 雙偏振參數(shù)特征分析

選取2個典型時刻，對比龍卷風(fēng)暴與單體B合并前后云微物理變化，討論風(fēng)暴合并對龍卷風(fēng)暴的影響。

在17：54，龍卷風(fēng)暴與單體B合并前，整個龍卷風(fēng)暴的ZDR回波均較強，強度超過5 dB（圖3a1）；FFD區(qū)域ZDR超過3 dB的回波向上伸展3～4 km（圖3b1），說明風(fēng)暴內(nèi)降水粒子基本為扁平狀。KDP回波顯示（圖3c1），KDP強回波集中在FFD區(qū)域，呈帶狀分布，強度超過6 deg/km，大值中心靠近龍卷風(fēng)暴前側(cè)陣風(fēng)鋒（FFGF）附近，說明此處具有大量液態(tài)水，降水較強。而CC回波顯示（圖3e1），整個龍卷風(fēng)暴內(nèi)CC基本接近1，降水為單一相態(tài)。綜合分析，龍卷風(fēng)暴與單體B合并前，龍卷風(fēng)暴主體以大雨滴降水為主。此外，沿著FFGF存在1條帶狀的CC低值區(qū)（圖3e1），垂直方向上CC低值區(qū)向上延伸約4 km，在2 km高度達到最低（圖3f1）。CC的異常低值與強上升氣流有關(guān)，強上升氣流將雨滴帶入高層，低層降水較少，導(dǎo)致雷達接收到的信號較弱，與有界弱回波區(qū)的形成類似。

到18：48，即龍卷發(fā)生前2 min，從ZDR圖（圖3a2）上可以清楚看到1條沿著FFGF的弧形大值帶，強度超過4 dB，說明該區(qū)域內(nèi)降水粒子呈扁平形狀，而FFD和RFD區(qū)域ZDR較小，1～2 dB，降水粒子接近球形。與ZDR不同，KDP大值中心位于FFD區(qū)域，回波強度超過4 deg/km，區(qū)域內(nèi)存在大量液態(tài)水，而FFGF附近KDP較小（圖3c2）。低層CC在強上升氣流區(qū)仍存在異常低值（圖3b2和d2），但其余區(qū)域CC值接近1（圖3e2和f2），說明風(fēng)暴降水仍為單一液態(tài)降水。綜合分析，風(fēng)暴主體區(qū)域的降水為小雨滴，同時區(qū)域內(nèi)液態(tài)水含量較大，說明雨滴數(shù)濃度十分高；而FFGF附近主要為大雨滴降水，且雨滴數(shù)濃度較低。

對比上述2個時刻的雙偏振參量，值得注意的是，龍卷發(fā)生時風(fēng)暴的降水質(zhì)心存在明顯下降（圖3d1和d2），且龍卷風(fēng)暴與單體B合并前，ZDR和KDP大值中心接近重合（圖3a1和c1），風(fēng)暴整體以大雨滴降水為主；而龍卷發(fā)生時，ZDR和KDP大值中心分別位于FFGF和FFD區(qū)域，存在明顯的分離（圖3a2和c2），與某學(xué)者[5]在非超級單體龍卷風(fēng)暴中的發(fā)現(xiàn)類似。這說明龍卷風(fēng)暴與單體B合并后，單體B的切向風(fēng)增大了龍卷風(fēng)暴附近的垂直風(fēng)切變，強垂直風(fēng)切變使小雨滴粒子更容易被帶到風(fēng)暴結(jié)構(gòu)更深的FFD區(qū)域內(nèi)，而質(zhì)量較大的大雨滴留在FFGF附近。

賀曉露等[6]通過分析S波段雙偏振雷達資料和常規(guī)觀測資料發(fā)現(xiàn)，在有利于天氣背景作用下，超級單體發(fā)展過程中，觀測到前側(cè)“V”形入流缺口、中氣旋、弱回波穹隆、懸垂回波、鉤狀回波等特征，且風(fēng)暴頂高度、風(fēng)暴質(zhì)心高度、最大水平反射率因子高度和垂直累積液態(tài)含水量等風(fēng)暴參數(shù)均呈先升后降趨勢。在此次龍卷過程中，龍卷風(fēng)暴與單體A合并后，龍卷風(fēng)暴強度雖然增強，但由于單體A強度和切向風(fēng)較弱，對龍卷風(fēng)暴的垂直風(fēng)切變貢獻較小，龍卷風(fēng)暴內(nèi)ZDR和KDP未存在明顯分離，導(dǎo)致RFD區(qū)域內(nèi)仍存在較強的降水（圖3c1），形成的強冷池不利于龍卷產(chǎn)生。而與單體B合并后，龍卷風(fēng)暴內(nèi)風(fēng)切變增強，強風(fēng)切變一方面可以扭轉(zhuǎn)水平渦度使之成為垂直渦度，觸發(fā)龍卷；另一方面使ZDR和KDP中心產(chǎn)生明顯的分離，風(fēng)暴降水集中在FFD區(qū)域，而RFD區(qū)域降水較弱（圖3c2），RFD區(qū)域的弱冷池形成的地面出流和環(huán)境入流接近平衡，也有利于龍卷的發(fā)生和維持。

4 結(jié)論與討論

利用再分析資料、探空資料和雙偏振雷達資料分析了2021年5月14日蘇州EF3級龍卷發(fā)生前后的環(huán)境場，探究產(chǎn)生蘇州龍卷的環(huán)境特征，以及蘇州龍卷風(fēng)暴的發(fā)展演變過程。結(jié)果表明：

（1）蘇州龍卷發(fā)生在準(zhǔn)靜止鋒南側(cè)暖區(qū)內(nèi)，龍卷發(fā)生前大氣的不穩(wěn)定性很強，LCL很低，低層垂直風(fēng)切變較大，有利于龍卷和龍卷風(fēng)暴的產(chǎn)生。

（2）蘇州龍卷風(fēng)暴進入成熟期前經(jīng)歷了2次風(fēng)暴合并，風(fēng)暴合并增強了龍卷風(fēng)暴強度和風(fēng)暴內(nèi)垂直風(fēng)切變，成熟的龍卷風(fēng)暴具有典型的鉤狀回波和中氣旋特征，龍卷過程持續(xù)約15 min，龍卷發(fā)生前2 min在低層觀測到TVS特征。

（3）龍卷風(fēng)暴進入成熟期前，龍卷風(fēng)暴整體以大雨滴降水為主；風(fēng)暴進入成熟期后，ZDR和KDP中心分離，風(fēng)暴降水分布存在明顯的分界線，F(xiàn)FGF附近存在一條弧形ZDR大值帶，該區(qū)域內(nèi)以數(shù)濃度較低的大雨滴降水為主，KDP中心位于FFD區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)為小雨滴降水且數(shù)濃度較高，而RFD區(qū)域降水相對較弱，RFD形成的弱冷池有利于龍卷的產(chǎn)生和維持。

參考文獻

[1] 陳海濤，張晶，姚文，等.遼寧營口2019-08-16龍卷過程雙偏振雷達特征分析[J].陜西氣象，2020（6）：9-14.

[2] 趙海軍.山東一次臺風(fēng)龍卷過程災(zāi)調(diào)及環(huán)境和天氣雷達特征分析[J].熱帶氣象學(xué)報，2022，38（3）：343-352.

[3] 劉紅亞，楊引明，張晶，等.一次冰雹天氣的WSR-88D雙偏振雷達特征分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2020，43（2）：1-10.

[4] 郭澤勇，張弘豪，胡勝，等.華南一次非中氣旋海面龍卷的大氣條件和雷達特征分析[J].熱帶氣象學(xué)報，2021，37（4）： 541-555.

[5] 項陽，吳林林.一次超級單體龍卷雙偏振多普勒天氣雷達分析[J].氣象科技， 2021，49（4）：579-588.

[6] 賀曉露，楊濤，李格，等.鄂北一次超級對流單體的雙偏振雷達特征分析[J].氣象科技，2021，49（6）：913-922.

責(zé)任編輯：黃艷飛

AbstractThis paper analyzes the EF3 tornado in Suzhou， Jiangsu Province on May 14， 2021， using reanalysis data， radiosonde data and bipolar radar data. The study found that the tornado occurred in the warm zone on the south side of the Jianghuai quasi-static front. Before the tornado， there were strong atmospheric instability， low uplift condensation height and strong vertical wind shear in Suzhou. After two storms merging， the tornado enters the mature period. The mature tornado has the characteristics of hook echo of typical supercell， strong mesocyclone， and tornado vortex （TVS）. The strong vertical wind shear caused by storm merging leads to the clear boundary of precipitation distribution in the storm， and the centers of large values of differential reflectivity （ZDR） and differential propagation phase constant （KDP） were separated. The KDP center was located in the front subsiding zone （FFD）， and mainly consists of small raindrops with high concentration; The ZDR center was located near the front gust front （FFGF）， which was dominated by heavy raindrops. The weak cold pool formed by heavy raindrops was conducive to the generation of tornadoes.

Key words Tornado; Ddual polarization radar; Differential reflectivity; Differential phase difference; Correlation coefficient

作者簡介 朱皓清（1996—），男，江蘇啟東人，助理工程師，主要從事強對流等中小尺度天氣研究工作。