黃河三角洲一次非中氣旋龍卷觀測(cè)分析

谷山青，王鳳嬌，魏振東，劉莉莉

摘要：利用區(qū)域氣象觀測(cè)站、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）第五代大氣再分析數(shù)據(jù)集（ECMWF Reanalysis v5，ERA5）、風(fēng)廓線組網(wǎng)產(chǎn)品、S波段新一代天氣雷達(dá)（S-band Doppler weather radar in China New Generation Weather Radar Network，CINRAD/SA）和X波段相控陣天氣雷達(dá)（X-band phased array weather radar，XPAR）等資料，對(duì)2021年8月10日發(fā)生在黃河三角洲的3個(gè)EF0—EF1級(jí)非中氣旋龍卷過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明：（1）此次龍卷天氣發(fā)生在高空干冷西北氣流、低層橫槽前暖脊和地面倒槽渦旋背景下，強(qiáng)烈的對(duì)流不穩(wěn)定、0～6 km深厚層垂直風(fēng)切變、大的低層濕度和接近1 000 m的抬升凝結(jié)高度，是此次弱非中氣旋龍卷生成的有利環(huán)境條件；不利的條件是0～1 km低層垂直風(fēng)切變非常弱。（2）海風(fēng)鋒、陣風(fēng)鋒觸發(fā)對(duì)流，橫槽分裂南下使上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)；龍卷風(fēng)暴影響時(shí)，臨近區(qū)域氣象觀測(cè)站要素表現(xiàn)出明顯變化，但風(fēng)場(chǎng)的輻散特征表明觀測(cè)站附近的大風(fēng)還與風(fēng)暴下沉氣流有關(guān)。（3）龍卷母風(fēng)暴為多單體合并、后向傳播型風(fēng)暴，雙龍卷的形成與單體合并發(fā)展有關(guān)；雷暴下沉氣流形成的陣風(fēng)鋒（出流邊界）與海風(fēng)鋒合并使氣旋性小尺度渦旋加強(qiáng)，當(dāng)該小尺度氣旋遇到經(jīng)單體合并后發(fā)展加強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，從而激發(fā)了第3個(gè)龍卷。（4）CINRAD/SA只觀測(cè)到氣旋性渦旋和風(fēng)暴頂輻散；XPAR在雙龍卷期間觀測(cè)到強(qiáng)切變和龍卷碎片特征，相關(guān)系數(shù)低值區(qū)明顯。

關(guān)鍵詞：龍卷；非中氣旋；渦旋；海風(fēng)鋒；合并

中圖分類號(hào)：P445.1;P458.3? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：2096-3599（2023）03-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.03.007

Observation and analysis of a non-mesocyclone tornado in the Yellow River Delta

GU Shanqing 1，2， WANG Fengjiao2， WEI Zhendong2， LIU Lili2

（1. Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong， Jinan 250031， China; 2. Binzhou Meteorological Bureau， Binzhou 256600， China）

Abstract： Based on the data of regional meteorological stations， ECMWF （European Centre for Medium-Range Weather Forecasts） Reanalysis v5 （ERA5）， wind profile network products， S-band Doppler weather radar in China New Generation Weather Radar Network （CINRAD/SA）， and X-band phased array weather radar （XPAR）， three EF0–EF1 non-mesocyclone tornadoes that occurred in the Yellow River Delta on 10 August 2021 are analyzed in detail. The results are as follows. （1） The tornado process occurs under the background of upper-level dry and cold northwest flow， warm ridge in front of low-level transversal trough， and surface inverted trough vortex. Strong convective instability， vertical wind shear in the 0–6 km deep layer， low-level large humidity， and a lifting condensation height of nearly 1 000 m are favorable environmental conditions for the formation of the weak non-mesocyclone tornadoes. The unfavorable condition is that the vertical wind shear in the 0–1 km is very weak. （2） The sea breeze front and gust front trigger convections， and the transversal trough splits and moves southward to strengthen the ascending motion. When the tornado storm affects the area， the observation elements of the nearby meteorological stations show obvious changes， but the divergence of the wind field shows that the high wind is relevant to the downdraft throughout the storm. （3） The parent storm of tornado is the type of multiple-cell merging and backward propagation storm， and the formation of double tornados is related to the development of cell merging. The gust front （outflow boundary） formed by the downdraft of the thunderstorm merges with the sea breeze front， which strengthens the cyclonic small-scale vortex. When the small-scale cyclone encounters the ascending motion strengthened by cell merging， the rotational motion is further enhanced， thus triggering the third tornado. （4） Only cyclonic vortices and storm-top divergence are observed by CINRAD/SA; XPAR observes strong shear and tornadic debris signature during the double tornadoes， and the low-value area of correlation coefficient is obvious.

Keywords：? tornado; non-mesocyclone; vortex; sea breeze front; merging

引言

龍卷是最激烈的強(qiáng)對(duì)流天氣，雖然尺度小、影響范圍不大，卻因爆發(fā)激烈、生消演變迅速、造成生命財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重而備受社會(huì)關(guān)注。龍卷分為中氣旋龍卷（或者稱為超級(jí)單體龍卷）和非中氣旋龍卷（或者稱為非超級(jí)單體龍卷）[1]。中氣旋龍卷通常與中氣旋相聯(lián)系，持續(xù)的中氣旋在0～1 km垂直風(fēng)切變較大和抬升凝結(jié)高度較低的環(huán)境下很容易誘發(fā)龍卷[2]；非中氣旋龍卷與非超級(jí)單體風(fēng)暴相聯(lián)系，通常與淺薄的、尺度較小的低層渦旋氣流有關(guān)[3–4]。近二十多年來，隨著我國(guó)多普勒雷達(dá)的布網(wǎng)探測(cè)，部分地區(qū)獲得了許多龍卷觀測(cè)資料，取得了許多龍卷研究成果[5–14]，如：龍卷多發(fā)生在梅雨、冷渦和熱帶氣旋的背景下，較強(qiáng)龍卷需要大于1 000 J·kg–1的對(duì)流有效位能（convective available potential energy，CAPE），大于12 m·s–1的0～1 km垂直風(fēng)切變（vertical wind shear，VWS）和小于1 000 m的抬升凝結(jié)高度（lifting condensation level，LCL）等；對(duì)孕生龍卷的超級(jí)單體風(fēng)暴中小尺度特征取得了較為深入的認(rèn)識(shí)，如中氣旋底高通常低于1 km、中氣旋強(qiáng)度與龍卷強(qiáng)度正相關(guān)等，以及雙偏振雷達(dá)的龍卷碎片特征等。研究還表明龍卷的生成與風(fēng)暴單體的合并、風(fēng)暴之間的相互作用有關(guān)[15–16]。但研究多集中于中氣旋龍卷，由于非中氣旋龍卷個(gè)例較少[17]，研究尚不多。刁秀廣等[4]、吳芳芳等[18]、郭澤勇等[19]分析發(fā)現(xiàn)非中氣旋龍卷可發(fā)生于后傾槽前、熱帶氣旋、西北氣流的背景下，需要12 g·kg–1以上的低層比濕、7 m·s–1以上的0～1 km垂直風(fēng)切變、中等以上CAPE值的環(huán)境中；鄭永光等[20]、俞小鼎等[21]認(rèn)為非中氣旋龍卷常出現(xiàn)在颮線、弓形回波前部的中尺度渦旋（又稱為中渦旋）內(nèi)或在地面輻合線上。

山東北部沿海地區(qū)地處黃河三角洲腹地，北臨渤海，強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā)，近年來也多次出現(xiàn)龍卷。例如2018年8月14日在臺(tái)風(fēng)“摩羯”背景下生成多個(gè)龍卷[22]，2021年8月10日又出現(xiàn)3個(gè)弱龍卷，值得高度關(guān)注、分析研究。本文利用多種觀測(cè)資料和數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)2021年8月10日發(fā)生在渤海之濱的EF0—EF1級(jí)龍卷進(jìn)行分析，以期為該地區(qū)龍卷的預(yù)報(bào)、預(yù)警提供些許參考依據(jù)。

1 資料介紹

（1）地面區(qū)域自動(dòng)站（以下簡(jiǎn)稱“區(qū)域站”）資料，時(shí)間分辨率為5 min，主要的氣象要素有降水、風(fēng)向風(fēng)速、露點(diǎn)溫度、氣溫、氣壓等，該資料用于分析龍卷發(fā)生地附近地面中尺度環(huán)境情況，濱化鹽場(chǎng)站是距離龍卷發(fā)生地最近的區(qū)域站。沿海附近區(qū)域站分布情況如圖1所示。

（2）歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5高空再分析資料，時(shí)間間隔為1 h，分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向分層40層，該資料用于分析龍卷發(fā)生的高空物理量環(huán)境背景。

（3）濱州S波段新一代天氣雷達(dá)（S-band Doppler weather radar in China New Generation Weather Radar Network，CINRAD/SA）和X波段相控陣天氣雷達(dá)（X-band phased array weather radar，XPAR）資料用于分析龍卷發(fā)生前后強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的回波結(jié)構(gòu)、徑向速度特征及雙偏振特征。CINRAD/SA距離龍卷發(fā)生地約78 km，最低探測(cè)高度約1 km，徑向最高分辨率為250 m。XPAR距離龍卷發(fā)生地約43 km、最低探測(cè)高度約0.8 km，徑向最高分辨率為30 m， 其一維相控陣天線采用電掃描方式，能夠達(dá)到0～30°仰角連續(xù)無間斷探測(cè)，探測(cè)精度較高。表1為兩部雷達(dá)的主要參數(shù)對(duì)比。

2 地面天氣實(shí)況及其分析

2021年8月10日14：30—15：15（北京時(shí)，下同）沾化區(qū)北部的濱化鹽場(chǎng)附近出現(xiàn)龍卷。據(jù)目擊者敘述，該強(qiáng)對(duì)流過程共出現(xiàn)3個(gè)龍卷。14：35前后在濱化鹽場(chǎng)四工區(qū)和套爾河對(duì)岸的東風(fēng)港生成龍卷A、B，15：12前后消失；15：05前后龍卷C在雙龍卷A、B西南側(cè)約1 km處生成，15：15前后消失（圖2）；龍卷發(fā)生區(qū)域出現(xiàn)小雨、未出現(xiàn)冰雹，龍卷母風(fēng)暴東部及東南部回波強(qiáng)度較大的區(qū)域出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水和雨夾雹。15：02濱化鹽場(chǎng)站（位于龍卷B發(fā)生地東北方向約4 km處）觀測(cè)到24.3 m·s–1（9級(jí)）極大風(fēng)速。經(jīng)災(zāi)情調(diào)查，龍卷A、B屬于EF1級(jí)，襲掃之處有電線被刮斷、電線桿傾倒、塑苫鹽池苫布損壞，影響路徑長(zhǎng)度為5.6～6.0 km；龍卷C屬于EF0級(jí)，維持時(shí)間短、強(qiáng)度弱，影響路徑長(zhǎng)度約2.0 km。移動(dòng)路徑詳見圖2b，龍卷A、B同時(shí)生成，開始時(shí)相向而行相遇于P點(diǎn)，之后一起向西南方向移動(dòng)至M點(diǎn)時(shí)，龍卷C生成。

區(qū)域站觀測(cè)資料顯示，8月10日上午無棣、沾化和河口地區(qū)持續(xù)為弱偏西風(fēng)，13：00以后這地區(qū)沿海附近逐漸轉(zhuǎn)為向岸風(fēng)，13：30沿海附近已形成一條明顯的海風(fēng)鋒，無棣、沾化沿海（海風(fēng)鋒西北段）的風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的氣旋性渦旋（圖3a）；海風(fēng)鋒形成后緩慢向內(nèi)陸推進(jìn)，14：40氣旋性渦旋更加明顯，龍卷A、B發(fā)生于海風(fēng)鋒前氣旋性渦旋風(fēng)場(chǎng)的東南側(cè)（圖3b）；15：00海風(fēng)鋒繼續(xù)向內(nèi)陸推進(jìn)，龍卷C發(fā)生于海風(fēng)鋒后的偏東風(fēng)和西南風(fēng)之間的氣旋性切變處（圖3c）。這與鄭永光[1]、張一平[23]得出的龍卷形成于中小尺度渦旋（氣旋）東南象限的結(jié)論一致。隨著海風(fēng)鋒向內(nèi)陸持續(xù)推進(jìn)，無棣北部的氣旋性環(huán)流一直維持到16：00以后才減弱消失（圖3d）。

分析距離龍卷最近的3個(gè)區(qū)域站的氣象要素變化情況。14：20—15：10濱化鹽場(chǎng)站、新戶站和濱海站都經(jīng)歷了氣溫和氣壓先降后升、風(fēng)向突變、風(fēng)速加大等變化。其中，濱化鹽場(chǎng)站氣象要素變化最為劇烈：14：35—14：40西南風(fēng)突變?yōu)闁|南風(fēng)（氣旋式轉(zhuǎn)變）；14：40—14：45氣溫驟降3.2 ℃，15：10僅回升了0.4 ℃；14：50開始風(fēng)力快速增大，15：00前后風(fēng)力陡增2 min后出現(xiàn)9級(jí)（24.3 m·s–1）大風(fēng)；14：40—15：10露點(diǎn)溫度先升后降、氣壓先突降后突升（變化幅度不大），15：00前后開始出現(xiàn)弱降水（15：00—15：50降水量為7.9 mm）。張勁梅等[24]研究總結(jié)得出，龍卷過境時(shí)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)氣壓迅速下降后突升、氣溫先陡降再緩升、風(fēng)向氣旋式轉(zhuǎn)變。這與濱化鹽場(chǎng)站氣象要素的變化特征相似，但3站風(fēng)向表現(xiàn)為向外輻散（圖3c），推斷濱化鹽場(chǎng)站的9級(jí)大風(fēng)還可能與龍卷母風(fēng)暴下沉氣流有關(guān)。

3 環(huán)境背景分析

3.1 高空、地面形勢(shì)分析

2021年8月10日08時(shí)，500 hPa、700 hPa魯北—冀南一帶主要受西北氣流控制，850 hPa在天津到陜西北部存在橫槽，橫槽前有一暖脊控制京津冀南部到魯西北西部。地面圖上，冀魯附近有倒槽配合，龍卷發(fā)生地附近處于倒槽南側(cè)。高層干冷空氣疊加在低層暖濕空氣上，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為強(qiáng)對(duì)流提供了有利的熱力條件。

風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)周期不超過6 min，垂直分辨率為幾十米到幾百米，是除常規(guī)探空外高空風(fēng)資料的最直接來源和補(bǔ)充[25]。8月10日14時(shí)風(fēng)廓線資料表明，河北、山東西部3 000 m以上為一致的西北風(fēng)，1 500 m附近橫槽位于天津南，這與前文所述08時(shí)高空環(huán)流形勢(shì)吻合（圖略）。分析1 500 m風(fēng)場(chǎng)變化發(fā)現(xiàn)，14：06—14：24位于黃驊的風(fēng)向由偏西逐漸順轉(zhuǎn)為北風(fēng)或東北，15：30轉(zhuǎn)為西南；14：54以前東營(yíng)的風(fēng)向持續(xù)為西到西北，15：00—15：30逐漸逆轉(zhuǎn)為西到西南。600 m、900 m兩層風(fēng)向的變化與1 500 m類似。由此可以推斷14：24—14：54之間，600～1 500 m附近有橫槽分裂南下影響無棣、沾化，有干冷空氣侵入，且將近維持到15：30。

3.2 關(guān)鍵物理量分析

利用ERA5高空再分析資料計(jì)算了龍卷發(fā)生地附近14時(shí)的各主要物理量，并繪制了探空曲線圖（圖4）。計(jì)算得出，龍卷發(fā)生前該地區(qū)CAPE高達(dá)3 032.1 J·kg–1，K指數(shù)約30 ℃，假相當(dāng)位溫直減率約13 K，溫度直減率約28 ℃，表明有相當(dāng)強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定。0～1 km低層垂直風(fēng)切變約1.1 m·s–1（非常弱），0～3 km垂直風(fēng)切變約8.2 m·s–1，0～6 km垂直風(fēng)切變約16.7 m·s–1，這種結(jié)果表明大的垂直風(fēng)切變并不集中在低層，而主要集中在0～3 km甚至0～6 km這樣的深厚層中，這不利于EF2級(jí)以上強(qiáng)龍卷的產(chǎn)生。

龍卷發(fā)生地上空低層（0～1 km）平均比濕約為13.9 g·kg–1，中層（1～2.5 km）平均比濕約為7.9 g·kg–1，表明近地面層水汽十分豐富，中層存在相對(duì)干冷空氣，下沉氣塊蒸發(fā)冷卻作用小，不易形成強(qiáng)烈下曳氣流。Thompson等[26]統(tǒng)計(jì)的EF2級(jí)以上強(qiáng)龍卷的平均LCL為981 m，弱龍卷為1 179 m，此次龍卷過程的LCL約為1 094.3 m，接近統(tǒng)計(jì)平均值。

綜上，雖然0～1 km低層垂直風(fēng)切變非常弱，但0～6 km深層垂直風(fēng)切變達(dá)到中等強(qiáng)度，低層（0～1 km）絕對(duì)濕度較大，LCL接近弱龍卷發(fā)生時(shí)的統(tǒng)計(jì)平均值，且CAPE非常大，為EF0—EF1級(jí)弱龍卷風(fēng)暴的生成提供了有利環(huán)境條件。

4 CINRAD/SA雷達(dá)回波特征分析

4.1 龍卷風(fēng)暴的演變

8月10日下午渤海南岸地區(qū)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)度相對(duì)較弱，面積較小。圖5給出了此次非中氣旋龍卷母風(fēng)暴組合反射率因子產(chǎn)品（CR38），徑向分辨率為1°×1 km，探測(cè)范圍為230 km。14：01開始有4個(gè)對(duì)流單體在海風(fēng)鋒附近生成，14：07海風(fēng)鋒南段上2個(gè)單體首次合并發(fā)展形成風(fēng)暴A，位于海風(fēng)鋒北段的單體B、C也略有發(fā)展（圖5a），14：18單體B、C之間的海風(fēng)鋒上又新生單體D（圖5b），14：30時(shí)單體B已完全并入風(fēng)暴A（圖5c），約5 min后龍卷A、B形成。14：36—14：42單體C、D緩慢發(fā)展，風(fēng)暴A穩(wěn)定少動(dòng)，雙龍卷維持（圖5d、e）。14：48前后單體D并入風(fēng)暴A，14：54前后新生單體E、F，15：00—15：06單體E、F與風(fēng)暴A合并，致使風(fēng)暴A再次發(fā)展并于15：05前后激發(fā)龍卷C（圖5f、g）。15：00前后地面出現(xiàn)弱降水，隨著風(fēng)暴A中下沉氣流的出現(xiàn)和出流邊界的移出，龍卷快速減弱，龍卷A、B于15：12，龍卷C于15：15消失（圖5h、i）。從龍卷生成前到其消亡的整個(gè)階段，龍卷母風(fēng)暴始終以風(fēng)暴A為主，該母體風(fēng)暴是多個(gè)單體合并，后向傳播的結(jié)果[15]，這種孤立分散的單體結(jié)構(gòu)對(duì)流更易生成龍卷[27]。風(fēng)暴A自生成后先后有4個(gè)單體（B、C、D、E）在其上風(fēng)方的海風(fēng)鋒附近生成并入，有1個(gè)單體（F）從其東南側(cè)生成并入。對(duì)流單體的并入促使風(fēng)暴A不斷發(fā)展且移動(dòng)緩慢，同時(shí)風(fēng)暴高層云砧隨承載層氣流向東南方向伸展，風(fēng)暴高層云砧中還有單體新生、合并，逐漸形成西北—東南向帶狀回波（圖5i）。

4.2 龍卷母風(fēng)暴結(jié)構(gòu)演變分析

Wakimoto[28]等認(rèn)為非超級(jí)單體龍卷生命史分為3個(gè)階段：生成階段、成熟階段和消亡階段。下面分階段詳細(xì)分析14：07—15：30風(fēng)暴A的結(jié)構(gòu)，每個(gè)體掃時(shí)間的風(fēng)暴屬性詳見表2。

14：07—14：24為龍卷A、B的生成階段，也是風(fēng)暴A持續(xù)發(fā)展的階段。最大反射率因子Zmax由53 dBZ增大到64 dBZ，風(fēng)暴底高h(yuǎn)base下降至1 km以下（實(shí)際底高很可能低于雷達(dá)最低探測(cè)高度而無法被探測(cè)到）、風(fēng)暴頂高h(yuǎn)top維持在8.2～8.4 km，基于單體的垂直累積液態(tài)水含量（cell based vertically integrated liquid，C-VIL）由14 kg·m–2快速升至59 kg·m–2。14：24前后單體 B開始與風(fēng)暴A合并，0.5°反射率因子在龍卷發(fā)生地附近出現(xiàn)“入流缺口”特征，同時(shí)強(qiáng)回波從低到高向南傾斜疊加于低層弱回波之上，說明該處存在較強(qiáng)上升氣流，龍卷即將進(jìn)入成熟階段。

14：30—15：00為龍卷A、B的成熟階段。14：30前后單體B完全并入風(fēng)暴A，風(fēng)暴母體開始迅猛發(fā)展，Zmax增至64 dBZ，60 dBZ以上強(qiáng)回波面積大幅增加，垂直高度伸展到7 km，最大反射率因子高度hz（max）上升至4.7 km。此后，強(qiáng)回波核開始下降、htop不斷抬升。14：36前后風(fēng)暴A發(fā)展至最強(qiáng)盛階段，htop迅速上升到13.2 km以上，同時(shí)C-VIL躍增至64 kg·m–2，hz（max）下降至3.5 km。龍卷A、B大約發(fā)生在14：35前后，即單體B與風(fēng)暴A合并后5 min，此時(shí)母風(fēng)暴正處于迅猛發(fā)展且強(qiáng)回波核開始下降的階段。該階段，龍卷母風(fēng)暴A的Zmax維持在62～64 dBZ，每逢風(fēng)暴A略有減弱，強(qiáng)回波核高度略有下降的時(shí)候，便會(huì)有單體與之合并，使母風(fēng)暴在下一個(gè)體掃時(shí)又略有加強(qiáng)，如此往復(fù)2個(gè)周期，風(fēng)暴A的結(jié)構(gòu)大體處于相對(duì)平衡狀態(tài)，有利于龍卷的長(zhǎng)時(shí)間維持。14：54前后在風(fēng)暴A的上、下游分別有單體E、F新生，之后連續(xù)2個(gè)體掃時(shí)間內(nèi)，單體E、F、C先后與風(fēng)暴A合并。這一特征可能是龍卷A、B持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的原因之一，單體生消合并的詳細(xì)情況詳見表2。

15：00—15：18為龍卷A、B的減弱和消亡階段，同時(shí)也是龍卷C的快速生消階段。14：48前后風(fēng)暴A低層西南邊緣開始出現(xiàn)朝西南方向移動(dòng)的弱出流邊界，由前文地面實(shí)況分析可知，14：50前后這股下沉氣流的出流影響了新戶站、濱化鹽場(chǎng)站、濱海站。研究表明[29]，降水形成渦旋內(nèi)的下沉氣流，使得龍卷減弱。15：00前后，龍卷附近的濱化鹽場(chǎng)站出現(xiàn)降水，龍卷A、B開始減弱，但單體E、F與風(fēng)暴A的快速合并使龍卷母風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)沒有遭到嚴(yán)重破壞。15：00—15：06單體C的并入對(duì)短時(shí)內(nèi)維持風(fēng)暴A的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有正貢獻(xiàn)，而風(fēng)暴下沉氣流出流的北段向西北方向推進(jìn)時(shí)與海風(fēng)鋒疊加，使早已存在于這一地區(qū)的氣旋性環(huán)流加強(qiáng)；同時(shí)下沉氣流又與暖濕偏西氣流相遇交匯，產(chǎn)生輻合上升運(yùn)動(dòng)（形成窄帶回波，即陣風(fēng)鋒），將地面加強(qiáng)的氣旋性渦旋抬升，最終于15：05前后在龍卷A、B的西南側(cè)約1 km處形成龍卷C。由此可見，龍卷C出現(xiàn)在風(fēng)暴A后側(cè)下沉氣流出流與邊界層偏西暖濕氣流相遇的陣風(fēng)鋒中，這與刁秀廣等[30]、高曉梅等[31]的研究結(jié)果相似。隨著出流邊界的出現(xiàn)和逐漸遠(yuǎn)離，風(fēng)暴A的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，15：12以后風(fēng)暴A快速減弱，風(fēng)暴頂高和VIL隨之持續(xù)下降，龍卷A、B于15：12前后消失，龍卷C維持約10 min后也很快減弱消失。

4.3 龍卷母風(fēng)暴低層徑向速度分析

選擇低層徑向速度進(jìn)行分析，主要使用了平均徑向速度產(chǎn)品（V26）和相對(duì)風(fēng)暴平均徑向速度產(chǎn)品（storm relative velocity map，SRM）。V26產(chǎn)品分辨率為1°×0.5 km、探測(cè)范圍115 km，SRM產(chǎn)品的分辨率為1°×0.25 km、探測(cè)范圍230 km。圖6是濱州2021年8月10日CINRAD/SA 0.5°、1.5°、6.0°分別在14：24、14：36、15：06、15：12四個(gè)時(shí)刻的平均徑向速度產(chǎn)品，圖中藍(lán)色圓圈表示氣旋式輻合環(huán)流，其中，0.5°和1.5°氣旋式輻合中心高度分別約為1.1 km、2.5 km，6.0°輻散中心高度約為8.4 km。

2021年8月10日14：07在風(fēng)暴A形成后不久，濱州CINRAD/SA徑向速度圖上就呈現(xiàn)出低層輻合、高層輻散的特征。14：24—15：18龍卷發(fā)生前后，低層（0.5°～2.4°）徑向速度圖上，龍卷發(fā)生地附近一直維持有明顯的氣旋式輻合，低層各層相鄰方位像素到像素的正負(fù)速度差均小于15 m·s-1；同時(shí)高層（6.0°）徑向速度圖上持續(xù)表現(xiàn)為輻散，14：30以后風(fēng)暴頂輻散逐漸增強(qiáng)，15：00前后達(dá)到最強(qiáng)，15：06以后輻散逐漸減弱（圖略）。在整個(gè)龍卷觀測(cè)過程中，既沒有識(shí)別出中氣旋，也沒有識(shí)別出龍卷渦旋特征。對(duì)比V26和SRM產(chǎn)品，徑向速度的變化特征大體一致，龍卷在徑向速度圖上沒有表現(xiàn)出強(qiáng)切變，在徑向速度和相對(duì)風(fēng)暴徑向速度中均沒有探測(cè)到典型特征。

5 XPAR雷達(dá)回波特征分析

5.1 風(fēng)暴發(fā)展最強(qiáng)盛階段的反射率因子特征

濱州XPAR獲取一個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)約需2 min，具有遠(yuǎn)高于CINRAD/SA的時(shí)間和空間分辨率，對(duì)于探測(cè)風(fēng)暴單體的細(xì)微結(jié)構(gòu)和快速變化具有明顯優(yōu)越性，它較完整地探測(cè)到了此次非超級(jí)單體風(fēng)暴的垂直結(jié)構(gòu)和演變過程。XPAR探測(cè)到的風(fēng)暴演變情況與CINRAD/SA相似，在母風(fēng)暴向東南方向發(fā)展的過程中，同樣探測(cè)到多個(gè)單體的陸續(xù)新生和與母風(fēng)暴合并的過程。不同的是，單體新生和合并的狀態(tài)及時(shí)刻較CINRAD/SA更清晰、更具體。XPAR識(shí)別的單體D的新生時(shí)刻較CINRAD/SA早125 s，識(shí)別單體E、F的新生時(shí)刻較CINRAD/SA早48 s；XPAR識(shí)別的新生單體與母風(fēng)暴合并的時(shí)刻較CINRAD/SA早49 s或晚93 s、99 s、101 s。XPAR最早在14：22前后0.9°出現(xiàn)“入流缺口”，較CINRAD/SA早113 s。

圖7給出了2021年8月10日CINRAD/SA 0.5°和XPAR 0.9°分別在14：36和14：35的反射率因子產(chǎn)品及線段AB和線段CD兩處的垂直剖面產(chǎn)品，兩雷達(dá)使用的色標(biāo)相同，其中XPAR的反射率因子產(chǎn)品（Z）分辨率為1°×30 m、探測(cè)范圍為60 km。在發(fā)射功率相同的情況下，短波長(zhǎng)雷達(dá)對(duì)弱回波的探測(cè)能力要強(qiáng)于長(zhǎng)波長(zhǎng)雷達(dá)。雖然XPAR的波長(zhǎng)較CINRAD/SA短，但其發(fā)射功率卻遠(yuǎn)低于CINRAD/SA，所以XPAR對(duì)弱回波的探測(cè)能力十分有限，它的觀測(cè)圖像上基本沒有小于15 dBZ的弱回波，也無法探測(cè)到窄帶回波（出流邊界）。為了方便對(duì)比，本文設(shè)置CINRAD/SA R19產(chǎn)品僅顯示20 dBZ以上強(qiáng)度（圖7a1）。XPAR的回波圖像能夠更精細(xì)地反映雷達(dá)回波的形態(tài)（圖7b1）。由于強(qiáng)回波對(duì)XPAR的衰減遠(yuǎn)大于CINRAD/SA，其反射率因子的強(qiáng)度及強(qiáng)回波面積均較CINRAD/SA偏?。▓D7a2、b2）。兩雷達(dá)都探測(cè)到了在AB和CD交點(diǎn)附近低層弱回波上空疊加了45 dBZ以上強(qiáng)回波，高反射率因子從低到高向入流一側(cè)（南略偏西方向）傾斜，形成回波懸垂（圖7a3、b3），說明此處存在較強(qiáng)上升氣流，有“入流缺口”特征。

5.2 徑向速度特征

選擇XPAR中低層（0.9°和2.7°仰角）徑向速度產(chǎn)品進(jìn)行分析，產(chǎn)品分辨率為1°×30 m、探測(cè)范圍為60 km，最大不模糊速度為20 m·s-1，本研究個(gè)例徑向速度圖中未識(shí)別出明顯的速度模糊。龍卷發(fā)生地附近，XPAR的波束展寬約為730 m，CINRAD/SA約為1 300 m。

本文將同一仰角上最大正負(fù)速度絕對(duì)值之和定義為氣旋式環(huán)流的切變值，以區(qū)別于龍卷渦旋識(shí)別算法中的相鄰方位角的徑向速度切變值。XPAR在整個(gè)觀測(cè)過程中同樣既沒有識(shí)別出中氣旋也沒有識(shí)別出龍卷渦旋特征，但觀測(cè)到較強(qiáng)切變，且正負(fù)速度中心直徑均小于3 km。14：08龍卷發(fā)生地附近0.9°徑向速度開始出現(xiàn)氣旋式流場(chǎng)，14：22低層氣旋開始顯著發(fā)展起來，0.9°最大正速度約14.5 m·s-1，最大負(fù)速度約19 m·s-1，最大切變值33.5 m·s-1，但這種較強(qiáng)烈的切變僅出現(xiàn)在0.9°，對(duì)應(yīng)低層小渦旋遇到上升氣流后旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。14：22—15：00中低層始終有氣旋式環(huán)流，其中14：39前后切變達(dá)到最強(qiáng)，0.9°最大負(fù)速度中心約–18 m·s-1，最大正速度中心約17.5 m·s-1，最大切變值35.5 m·s-1，最大正負(fù)速度中心直徑約1 km。對(duì)應(yīng)2.7°仰角的切變值也達(dá)到最大值29 m·s-1。而CINRAD/SA觀測(cè)到的最大切變出現(xiàn)時(shí)間為14：36，最大切變值約為15 m·s-1，明顯小于XPAR的觀測(cè)結(jié)果。因波束展寬導(dǎo)致的抽樣體積內(nèi)的平滑作用，會(huì)使速度的絕對(duì)值減小。CINRAD/SA的這種平滑作用較XPAR明顯，故而最大切變值也較之明顯偏小。另外，風(fēng)暴發(fā)展迅速、采樣時(shí)間不同也是原因之一。圖8給出了XPAR 14：39中低層徑向速度的徑向和切向剖面產(chǎn)品。

由以上分析可見，此次非中氣旋龍卷和尺度更小的“小尺度氣旋”密切相關(guān)，XPAR在探測(cè)小尺度天氣系統(tǒng)時(shí)仍較CINRAD/SA有明顯優(yōu)勢(shì)。波束展寬、距離雷達(dá)站較遠(yuǎn)、氣旋式旋轉(zhuǎn)太淺薄等可能是造成兩部雷達(dá)均未探測(cè)到中氣旋和龍卷渦旋特征的原因之一。

5.3 雙偏振特征

選擇14：35—14：45期間7個(gè)體掃的低層反射率因子、徑向速度及雙偏振特征進(jìn)行分析。圖9是2021年8月10日14：39徑向速度切變最強(qiáng)時(shí)濱州XPAR 0.9°水平極化反射率因子（ZH）、差分反射率（ZDR）、徑向速度（V）、相關(guān)系數(shù)（CC）產(chǎn)品。

風(fēng)暴低層龍卷發(fā)生地附近ZH一般在45 dBZ以下，基本對(duì)應(yīng)大的ZDR和偏小的CC。ZDR在2～5 dB之間，CC在0.1～0.9之間。由此推斷，龍卷發(fā)生地附近約800 m高度存在密度較小的大滴雨滴和被龍卷風(fēng)卷離地面的非氣象目標(biāo)物。龍卷碎片特征（tornadic debris signature，TDS）是龍卷卷到空中的雜物碎片產(chǎn)生的高反射率因子ZH、低差分反射率ZDR和異常低的相關(guān)系數(shù)CC的雙偏振雷達(dá)探測(cè)特征[32–33]，TDS可以幫助確認(rèn)龍卷的發(fā)生和位置。在這次龍卷過程中CC低值的TDS特征非常清楚，ZDR低值的特征不明顯。14：35—14：45是徑向速度切變發(fā)展最強(qiáng)的時(shí)期，徑向速度切變最大的區(qū)域?qū)?yīng)著CC的小值區(qū)域。

6 結(jié)論與討論

利用多種觀測(cè)資料，對(duì)2021年8月10日下午發(fā)生在渤海之濱的3個(gè)弱的非中氣旋龍卷進(jìn)行了分析，主要有以下結(jié)論：

（1）這次龍卷過程發(fā)生的大氣環(huán)流特點(diǎn)為：高空被西北氣流控制，干冷空氣疊加在低層橫槽前暖脊上，地面上有倒槽和氣旋性渦旋配合；海風(fēng)鋒、陣風(fēng)鋒觸發(fā)對(duì)流，分裂南下的橫槽使上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)；極強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定能量，中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變集中在0～6 km深厚層，大的比濕（13.9 g·kg–1）主要位于低層（0～1 km），接近統(tǒng)計(jì)平均值的LCL（約1 094.3 m），構(gòu)成了龍卷風(fēng)暴產(chǎn)生的有利環(huán)境條件。不利的條件是低層（0～1 km）垂直風(fēng)切變非常弱。

（2）龍卷母體風(fēng)暴原地少動(dòng)，由多個(gè)沿海風(fēng)鋒發(fā)展移動(dòng)的單體合并而成，為后向傳播型風(fēng)暴；雙龍卷的形成與單體的合并發(fā)展有關(guān)，出現(xiàn)在單體合并后的5 min內(nèi)。雷暴下沉氣流形成的陣風(fēng)鋒（出流邊界）疊加海風(fēng)鋒向西北移動(dòng)，使氣旋性小尺度渦旋加強(qiáng)；當(dāng)該小尺度氣旋遇到經(jīng)單體合并后發(fā)展加強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，從而觸發(fā)了第三個(gè)龍卷；降水的出現(xiàn)和出流邊界的遠(yuǎn)離造成龍卷風(fēng)暴的減弱，促使龍卷消亡。

（3）CINRAD/SA只觀測(cè)到低層的氣旋性旋轉(zhuǎn)和風(fēng)暴頂輻散，沒有觀測(cè)到中氣旋和龍卷渦旋特征。XPAR也沒有觀測(cè)到中氣旋和龍卷渦旋特征，只觀測(cè)到了強(qiáng)切變。波束展寬、距離雷達(dá)站較遠(yuǎn)、氣旋式旋轉(zhuǎn)太淺薄等可能是造成兩部雷達(dá)未探測(cè)到中氣旋、龍卷渦旋特征等典型特征的原因之一。

（4）風(fēng)暴低層龍卷發(fā)生地附近ZH一般在45 dBZ以下，基本對(duì)應(yīng)大的ZDR和偏小的CC。由此推斷，龍卷發(fā)生地附近低層存在密度較小的大滴雨滴和被龍卷風(fēng)卷離地面的非氣象目標(biāo)物。XPAR觀測(cè)到龍卷渦旋碎片特征，ZDR低值不明顯，CC低值區(qū)明顯。

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[32]張建云，張持岸，葛元，等.1522號(hào)臺(tái)風(fēng)外圍佛山強(qiáng)龍卷X波段雙偏振多普勒雷達(dá)反射率因子特征[J].氣象科技，2018，46（1）：163-169.

[33]刁秀廣.2020年5月17日和6月1日山東強(qiáng)冰雹風(fēng)暴雙極化特征分析[J].海洋氣象學(xué)報(bào)，2021，41（1）：68-81.