內(nèi)蒙古一次強(qiáng)龍卷天氣的中尺度特征分析

王學(xué)強(qiáng)，李曉坤，李林惠，蘇 亮，孫岳飛，張桂蓮，姜學(xué)恭

（1.錫林郭勒盟氣象局，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

龍卷是對流云產(chǎn)生的破壞力極大的小尺度災(zāi)害性天氣，其直徑一般為幾米到幾百米，具有突發(fā)性強(qiáng)、生命史短、尺度小等特點，預(yù)報與預(yù)警難度較大。一般將龍卷分為超級單體龍卷和非超級單體龍卷[1]。研究表明[2-4]，鉤狀回波、有界弱回波區(qū)（BWER）、徑向速度場的中氣旋、龍卷渦旋特征（TVS）等雷達(dá)產(chǎn)品特征對龍卷的出現(xiàn)具有十分重要的指示意義。俞小鼎等[5]對2005 年7 月30 日發(fā)生在安徽北部的一次強(qiáng)龍卷天氣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大的低層垂直風(fēng)切變、低的抬升凝結(jié)高度和地面陣風(fēng)鋒是F2 級以上的強(qiáng)龍卷產(chǎn)生的先決條件。王秀明等[6]研究發(fā)現(xiàn)，干線及其伴隨的強(qiáng)邊界層輻合是東北地區(qū)龍卷的觸發(fā)機(jī)制。近年來，許多學(xué)者對龍卷從不同方面進(jìn)行了研究[7-19]。張楠等[20]對2018 年8 月13 日發(fā)生在天津靜海地區(qū)的EF3級強(qiáng)龍卷過程進(jìn)行深入分析得出，強(qiáng)龍卷發(fā)生在線狀對流中，且引發(fā)龍卷的對流風(fēng)暴不具備超級單體風(fēng)暴典型特征。徐玥等[21]對黑龍江省一次伴有龍卷的暖區(qū)暴雨成因進(jìn)行分析得出，地面輻合線和地形抬升是對流的觸發(fā)機(jī)制，高空急流與低層輻合耦合促使對流快速發(fā)展增強(qiáng)。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地處中國北部，面積為118.3 萬km2，東西長約2 400 km，南北寬約1 700 km，由于面積較大，布設(shè)的雷達(dá)站網(wǎng)稀疏，監(jiān)測到的龍卷個例較少，所以對內(nèi)蒙古龍卷研究的學(xué)者非常少，但目前隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是新一代多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測站網(wǎng)的增多，越來越多的學(xué)者對內(nèi)蒙古的龍卷進(jìn)行了研究，烏文奇等[22]對2009 年7 月16 日內(nèi)蒙古通遼市遭受雷電、龍卷風(fēng)、冰雹襲擊的天氣過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)龍卷發(fā)生在同一對流云帶中兩個對流云團(tuán)合并處的強(qiáng)對流云團(tuán)中。嚴(yán)華等[23]對內(nèi)蒙古通遼市科左后旗甘鎮(zhèn)一次龍卷風(fēng)進(jìn)行分析，指出龍卷天氣的發(fā)生不僅依賴于熱力作用，動力條件也起著重要作用。劉媛媛[24]討論了現(xiàn)有氣象條件下，在科爾沁沙地南源和西遼沖擊平原交錯地帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對龍卷的有效措施。晉亮亮等[25]對2017 年內(nèi)蒙古赤峰“8·11”龍卷環(huán)境場及雷達(dá)特征進(jìn)行分析，表明環(huán)境背景場有利于出現(xiàn)龍卷天氣，雷達(dá)沒有識別龍卷渦旋特征，但識別出三維相關(guān)切變和中氣旋，且中氣旋達(dá)到了中到強(qiáng)等級的中氣旋，龍卷接地前，對應(yīng)的中氣旋頂高≤6 km，切變≥15×10-3s-1。郭魯彥等[26]對2016 年9 月內(nèi)蒙古通遼市一次龍卷過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)龍卷發(fā)生在高空槽前、中高層急流北側(cè)、低空急流左側(cè)和地面氣旋暖區(qū)一側(cè)，是由超級單體引發(fā)的。內(nèi)蒙古錫林郭勒盟屬于高平原地區(qū)，面積較大，布設(shè)的雷達(dá)站網(wǎng)更是稀疏，監(jiān)測到的龍卷個例甚少，近2 年發(fā)生過兩次龍卷，但由于雷達(dá)離觀測距離太遠(yuǎn)，對龍卷在雷達(dá)方面的認(rèn)知和了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹。本文針對2021 年6月25 日發(fā)生在內(nèi)蒙古太仆寺旗強(qiáng)龍卷過程的中尺度特征進(jìn)行分析，為今后錫林郭勒盟地區(qū)龍卷預(yù)報和預(yù)警提供參考。

1 天氣實況及災(zāi)情

2021 年6 月25 日14：10—14：40，錫林郭勒盟太仆寺旗千斤溝鎮(zhèn)建國村和馬坊子村出現(xiàn)三級強(qiáng)龍卷災(zāi)害性天氣，并伴有短時強(qiáng)降水、冰雹、雷電等強(qiáng)對流天氣。災(zāi)害天氣出現(xiàn)期間，千斤溝鎮(zhèn)建國村14—16 時降水量為31.6 mm，14—15 時小時降水量達(dá)26.0 mm，并伴有冰雹（雞蛋大，目擊者）。龍卷于6 月25 日14：10 左右生成于太仆寺旗千斤溝馬坊子村西馬坊北側(cè)，移動途經(jīng)東馬坊子、建國村大營子，14：40 消亡于建國村三級地東南2 km，路徑全程13 km，受災(zāi)寬度50～200 m。龍卷移動途經(jīng)地造成人員傷亡，房屋倒塌損毀，樹木擼頂、折斷、拔起，車輛及農(nóng)機(jī)翻滾移位，加油站受損等災(zāi)害，共造成6人死亡，14 人受傷，46 戶98 人受災(zāi)，房屋倒塌146間。通過專家實地調(diào)查，結(jié)合雷達(dá)、自動站等氣象資料分析認(rèn)定，此次龍卷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)龍卷（三級）級別（圖1）。

2 強(qiáng)龍卷發(fā)生的天氣尺度背景

由2021 年6 月25 日08 時的高空形勢場可知，200 hPa 內(nèi)蒙古西部—河套—渤海一帶存在一支明顯風(fēng)速＞30 m/s 的高空急流，錫林郭勒盟地區(qū)位于急流軸的出口區(qū)左側(cè)，處于強(qiáng)迫輻散區(qū)，正渦度增大，高層抽吸作用明顯。500 hPa 錫林郭勒盟地區(qū)位于高空槽控制當(dāng)中，并存在明顯的冷溫度槽。700 hPa 高空槽加深，形成冷渦，太仆寺旗處于低渦后部西北氣流中。850 hPa 錫林郭勒盟位于高空槽前西南氣流中，并處于暖溫度脊中。高空槽前傾結(jié)構(gòu)明顯，上層的溫度槽與下層的溫度脊疊置，構(gòu)成上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。從25 日08 和14 時海平面氣壓場可知，錫林郭勒盟地區(qū)一直處于低壓帶中，地面的輻合有利于上升運動加強(qiáng)。

3 龍卷發(fā)生地探空資料分析

采用NCEP 格點資料內(nèi)插到站點方法計算龍卷發(fā)生地的探空資料，從龍卷發(fā)生地建國村站（115.5°E 、41.8°N）6 月25 日08 和14 時T-lnP 圖（圖2）可知，中低層相對濕度較好，水汽主要集中在700 hPa 以下，中層以上有干冷空氣侵入，抬升凝結(jié)高度在500 m 以下。據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)生F2 級以上龍卷的平均抬升凝結(jié)高度為981 m，我國東北F2 級以上龍卷平均抬升凝結(jié)高度為800 m[26]。建國村探空站的海拔為1 384 m，地面接近850 hPa，因此用850～750 hPa 的垂直風(fēng)切變表示低層的垂直風(fēng)切變，14 時地面到750 hPa 的垂直風(fēng)切變?yōu)?2×10-3s-1，850～400 hPa 垂直風(fēng)切變?yōu)?0×10-3s-1，為較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。25 日08 時建國村探空站的對流有效位能CAPE值為1 505.9 J/kg，14 時CAPE 值增大到2 324.8 J/kg（圖2）。充沛的低層水汽、低的抬升凝結(jié)高度及大的對流有效位能和強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變是產(chǎn)生超級單體龍卷的有利條件。

圖2 2021 年6 月25 日建國村站T-lnP（a 為08 時，b 為14 時；黑色實線為狀態(tài)曲線，紅色實線為溫度層結(jié)曲線，綠色實線為露點層結(jié)曲線，紅色區(qū)域為對流有效位能）

4 強(qiáng)龍卷發(fā)生的中尺度物理量條件

4.1 動力條件

沿41.8°N 對龍卷中心垂直速度、散度和風(fēng)場作垂直剖面，由于龍卷發(fā)生地建國村站海拔較高，地面接近850 hPa。由圖3a 可知，龍卷發(fā)生前，25日08 時龍卷中心的散度場整層為輻散結(jié)構(gòu)，主要以下沉氣流為主，高空西北風(fēng)較強(qiáng)。隨著時間連續(xù)演變，14 時（圖3b），龍卷發(fā)生地850～700 hPa 為負(fù)速度，有較強(qiáng)的上升運動，700 hPa 以上為正速度，并存在一個正的大值中心，中心值達(dá)到1.2 hPa/s；700 hPa以下為負(fù)散度區(qū)，存在一個負(fù)的大值中心，中心值達(dá)到-9×10-5s-1，700 hPa 以上為正散度區(qū)，存在一個正的大值中心，中心值達(dá)到9×10-5s-1，這種高層輻散、低層輻合的散度場非常有利于上升運動的加強(qiáng)和維持。

圖3 2021 年6 月25 日龍卷中心沿41.8 °N 對垂直速度、散度及風(fēng)場作垂直剖面（a 為08 時，b 為14 時；▲代表龍卷發(fā)生地，陰影部分為垂直速度，灰色部分為地形區(qū)域，等值線為散度場）

4.2 不穩(wěn)定條件分析

25 日08 時龍卷中心850 與500 hPa 溫度差為24 ℃，14 時溫度差明顯增加，達(dá)32～34 ℃。CAPE 值08—14 時逐漸增大，14 時龍卷中心達(dá)到1 600～2 400 J/kg，K 指數(shù)增大到32～36 ℃，不穩(wěn)定條件較好，有利于強(qiáng)對流天氣的產(chǎn)生。

4.3 水汽條件

沿6 月25 日14 時龍卷中心（115.5°E 、41.8°N）風(fēng)場和比濕作垂直剖面，800 hPa 以下比濕達(dá)到10～14 g/kg，600 hPa 以上比溫<4 g/kg，大氣層結(jié)為上干下濕的結(jié)構(gòu)。從風(fēng)場來看，龍卷發(fā)生區(qū)域存在強(qiáng)的高低空垂直風(fēng)切變。即充沛的低層水汽和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變是非常有利于強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)的發(fā)展和維持。

4.4 抬升觸發(fā)條件

對14—15 時逐5 min 加密自動站觀測資料分析（圖4），本次龍卷過程中，地面存在明顯的中尺度輻合線，自西向東移動，輻合較強(qiáng)。同時在中尺度輻合線附近伴有露點鋒，存在明顯干線。龍卷發(fā)生前，地面干線位于錫林郭勒盟西南部至河北西部一帶，干線兩側(cè)溫度露點差為14～16 ℃。干線西側(cè)露點溫度為1～8 ℃，為顯著干區(qū)，干線東側(cè)露點溫度在18 ℃左右，有明顯的濕區(qū)，干線與中尺度輻合線共同作用下觸發(fā)強(qiáng)對流天氣，由于高空西北風(fēng)較強(qiáng)，對流風(fēng)暴平流到濕區(qū)一側(cè)強(qiáng)烈發(fā)展，產(chǎn)生龍卷天氣。

圖4 2021 年6 月25 日14—15 時（BT）錫林郭勒盟地區(qū)地面輻合線和干線（代表地面輻合線，代表干線，黑色矩形框代表龍卷發(fā)生地）

5 雷達(dá)資料分析

由14：06 0.5°仰角的基本反射率因子（圖5a）可知，太仆寺旗偏東方向上空明顯存在一超級單體回波F0，中心強(qiáng)度達(dá)到60 dBZ 以上，呈鉤狀回波結(jié)構(gòu)，具有“V”型缺口，旁瓣回波、低層弱回波區(qū)的特征。由14：12 不同仰角鼠標(biāo)聯(lián)動所指向的同一位置（圖5b～5e）可知，存在懸垂回波，說明有大冰雹天氣。疊加風(fēng)暴追蹤信息表可以看到強(qiáng)回波中心向東南方向移動，同時在太仆寺旗上空H1 回波加強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)到60 dBZ 以上，F(xiàn)0 與H1 相互作用，發(fā)展增強(qiáng)。14：24 強(qiáng)回波H1 的60 dBZ 強(qiáng)度區(qū)域增大，旁瓣回波明顯，說明此時超級單體發(fā)展最強(qiáng)盛。由14：24 的組合反射率因子可知，太仆寺旗偏東方向上回波非常強(qiáng)，沿H1 最強(qiáng)回波中心作徑向剖面（圖5f、5g）可知，強(qiáng)回波高度達(dá)到4 km 左右，有利于冰雹的產(chǎn)生。14：30 F0 與H1 強(qiáng)中心開始減弱，但F0的“V”型缺口仍然存在，H1 的旁瓣回波明顯，說明強(qiáng)天氣仍在持續(xù)，此時太仆寺旗南側(cè)新生一回波B2，疊加風(fēng)暴追蹤信息表可以看到B2 回波中心向東移動，14：36 風(fēng)暴單體F0 與H1 強(qiáng)中心明顯減弱，為55 dBZ，太仆寺旗南側(cè)新生的回波B2 卻在發(fā)展加強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)到60 dBZ 以上，14：42 風(fēng)暴單體F0 與H1 消散，B2 回波發(fā)展東移，強(qiáng)中心位于太仆寺旗與河北省交界，“V”型缺口特征清晰，14：48“V”型缺口移出太仆寺旗境內(nèi)，影響該區(qū)域的強(qiáng)對流天氣結(jié)束。

圖5 2021 年6 月25 日張家口雷達(dá)不同仰角基本反射率因子產(chǎn)品（a～e）、14：24 雷達(dá)組合反射率因子（f）和沿圖5f 中黑色粗線進(jìn)行RHI 掃描的雷達(dá)反射率因子（g）（?代表不同仰角的同一位置）

由0.5°仰角的基本徑向速度（圖6a、6b）可知，太仆寺旗東側(cè)存在明顯的輻合區(qū)，最大正負(fù)中心速度對均達(dá)到15 m/s，并且持續(xù)至少2 個體掃。14：24輻合區(qū)向東南方向移動，氣旋式輻合進(jìn)一步加強(qiáng)，水平范圍為5 km 左右，且維持2 個體掃。14：42 正負(fù)速度對位于太仆寺旗與河北交界，輻合強(qiáng)度減弱，僅僅存在氣旋式旋轉(zhuǎn)，說明龍卷天氣趨于結(jié)束。14：48氣旋式輻合加強(qiáng)，但中心區(qū)移出太仆寺旗，影響該區(qū)域的強(qiáng)對流天氣結(jié)束。

圖6 2021 年6 月25 日張家口雷達(dá)0.5°仰角的基本徑向速度產(chǎn)品（a 為14：06，b 為14：12）

由風(fēng)暴參數(shù)分析（圖7）可知，龍卷生成前，F(xiàn)0和B2 最大反射率因子變化不大，但F0 最大反射率因子較強(qiáng)，一直維持在60 dBZ 左右，B2 最大反射率因子較弱，在40 dBZ 左右波動，H1 最大反射率因子處于一個增加的過程，從40 dBZ 增加到60 dBZ。對應(yīng)最大反射率因子高度，龍卷發(fā)生前，F(xiàn)0 最大反射率因子高度較低，在1.3～1.5 km，H1 整體呈波動下降的趨勢，14：00 時最低，為1.2 km，B2 明顯增加，在14：06 最高，為5.2 km。從回波頂高來看，3 個風(fēng)暴單體都呈波動上升趨勢，F(xiàn)0 和B2 在14：06 達(dá)到最高，但F0 的回波頂高明顯高于B2，H1 在14：00達(dá)到最高，為10.3 km。由VIL 可知，F(xiàn)0 在龍卷發(fā)生前5 個時次有明顯的躍增，VIL 從35 kg·m-2增加至78 kg·m-2，H1 為先增加后減小，在13：48 達(dá)到最大，為65 kg·m-2，B2 在龍卷發(fā)生前一直非常小，在0～1 kg·m-2。

圖7 2021 年6 月25 日（BT）F0 風(fēng)暴單體參數(shù)（a）、H1 風(fēng)暴單體參數(shù)（b）、B2 風(fēng)暴單體參數(shù)（c）（雙紅豎線之間為龍卷維持階段，雙紅豎線左側(cè)為龍卷生成前階段，雙紅豎線右側(cè)為龍卷消散階段）

龍卷維持階段，F(xiàn)0 和H1 最大反射率因子一直在60 dBZ 上下變動，B2 明顯增加，在14：36 達(dá)到最大，為62 dBZ。對應(yīng)最大反射率因子高度，F(xiàn)0 變化較大，14：24—14：30 有明顯的躍增，從1.4 km 增加到8.8 km，龍卷的最大災(zāi)害也是發(fā)生在這一明顯躍增時段里，H1 的最大反射率因子的高度很低，一直處于1.2 km 左右，說明H1 產(chǎn)生龍卷的概率很小，B2 變化較大，在1.2～6.2 km，14：36 達(dá)到最高，此時強(qiáng)回波中心已經(jīng)移出太仆寺旗境內(nèi)。由回波頂高可知，F(xiàn)0 一直維持在12 km 左右，說明在龍卷發(fā)生過程中對流發(fā)展非常旺盛，H1 回波頂高在14：24 之前一直維持在10 km 左右，之后減弱，說明14：30 之后H1 對流風(fēng)暴開始減弱消散，B2 回波頂高一直在增加，14：30 之后回波頂高維持在11 km 左右。由VIL可知，F(xiàn)0 在此階段一直維持在65 kg·m-2左右，H1從40 kg·m-2增加至62 kg·m-2，14：18 達(dá)到最高，之后迅速減小，B2一直處于增大的過程，14：40 達(dá)到最大，為63 kg·m-2。

龍卷消散階段，F(xiàn)0 的4 個參數(shù)因子仍然維持較強(qiáng)，H1 的4 個參數(shù)因子減弱至0，B2 的4 個參數(shù)因子都是在龍卷發(fā)生過程結(jié)束后達(dá)到最強(qiáng)，此時強(qiáng)回波已經(jīng)移出太仆寺旗境內(nèi)，最強(qiáng)回波位于河北沽源一帶。

通過對F0、H1、B2 3 個風(fēng)暴參數(shù)在不同階段變化的分析發(fā)現(xiàn)，龍卷發(fā)生前基于單體的垂直累積液態(tài)水有明顯的躍增，在龍卷維持中回波頂高、最大反射率因子及其高度都非常大。綜合考慮此次龍卷天氣過程與3 個超級單體風(fēng)暴相關(guān)，主要由F0 風(fēng)暴單體造成的。

6 結(jié)論

（1）龍卷發(fā)生在東北冷渦背景下，出現(xiàn)在低層西南氣流中，且高層溫度槽與下層溫度脊配合，有利于對流天氣的發(fā)生發(fā)展。地面干線和輻合線是此次龍卷天氣的觸發(fā)機(jī)制。較強(qiáng)的對流不穩(wěn)定性、較大的低層垂直風(fēng)切變和較低的對流凝結(jié)高度是龍卷維持和發(fā)展的有利環(huán)境條件。

（2）雷達(dá)回波資料分析顯示超級單體出現(xiàn)明顯的鉤狀回波、“V”型缺口、低層弱回波區(qū)或有界弱回波區(qū)、回波懸垂、旁瓣回波的特征。雷達(dá)距離龍卷發(fā)生地超過100 km，未識別出龍卷渦旋特征，但速度圖上存在明顯的氣旋式輻合區(qū)。

（3）此次龍卷天氣過程與3 個超級單體風(fēng)暴相關(guān)，主要由F0 風(fēng)暴單體造成的。龍卷發(fā)生前基于單體的垂直累積液態(tài)水有明顯的躍增，在龍卷維持中回波頂高、最大反射率因子及其高度都非常大。