2017年夏初邵阳一次龙卷天气过程个例分析

2018-05-25徐靖宇周长青

中低纬山地气象 2018年2期

徐靖宇，周长青，陈龙，王强

(1.湖南省气象台，湖南长沙 410118；2.河南省怀化市气象台，湖南怀化 418000)

1 引言

龙卷是大气中最强烈的对流天气现象，常发生于夏季的雷雨天气时，可造成重大的人员伤亡和财产损失。龙卷是一个平均直径为100m左右从积雨云内部扩展到地面的猛烈旋转的空气柱,其视觉特征是一个从云底悬挂下来的漏斗云或地面旋转的尘云[1-2]。早在1970年，Donaldson[3]利用多普勒天气雷达就已经成功观测到了超级单体风暴中存在的中气旋；Brown et al[4]发现了一个可能伴随龙卷过程比中气旋尺度更小的多普勒雷达速度场涡旋特征，被称为龙卷涡旋特征(TVS)，中气旋和TVS两个指标作为龙卷特征判别的有效指标一直得以沿用。俞小鼎等[5]对2005年7月30日发生在安徽灵璧的强龙卷过程进行了详细探讨，发现该龙卷在一个尺度很大的强降水超级单体中生成，龙卷出现在该超级单体中气旋的中心。姚叶清[6]等对安徽发生的6次龙卷过程和冰雹、雷暴大风天气对比分析得出，龙卷的SRH、湿度条件均高于冰雹、雷雨大风，而低的抬升凝结高度有利于CAPE集中于0 ℃层以下，使上升气流在中低层得到快速加强，但是产生龙卷的平均CAPE值相对较小。湖南的本地研究学者唐小新[7]、廖玉方[8]等分别对湖南永州、常德龙卷过程进行了研究，指出强烈的中气旋、龙卷涡旋特征(TVS)造成龙卷的产生，并有三体散射特征(TBSS)。湖南是一个龙卷发生率仅次于江苏、安徽的省份，但因龙卷的强局地性且观测资料有限，湖南本土预报员专门针对龙卷进行研究的个例还是有限，而2017年6月5日湖南邵东县出现了一次龙卷天气过程，且带来了一定的致灾性，因此本文利用多源观测资料对其进行分析，以提高湖南龙卷天气发生发展机理的研究并对龙卷个例进行有利的补充。

邵阳市属湘中丘陵地带，历史上龙卷天气出现较多，邵阳、邵东、新邵等地均有发生。本文选取2017年6月5日发生在邵阳市邵东县龙卷天气过程个例进行分析，利用高空地面资料、加密自动站资料、NCEP再分析资料，从层结不稳定条件、动力条件、水汽条件、抬升触发条件等方面分析有利于本次龙卷过程发生的环境条件，并利用邵阳雷达资料对龙卷的多普勒雷达回波特征进行分析，从而提高湖南龙卷及雷暴大风等强对流天气发生发展成因的认识以及短时临近预报预警水平。

2 天气实况和灾情

根据现场调查及实况资料，本次强对流天气主要分布在湘中偏南地区。6月5日早上对流单体开始在怀化西部发展东移，并在邵阳东部逐渐演变成飑线，给湘中地区带来一次区域性雷暴大风天气并伴有局地短时强降水，其中邵东县多个乡镇出现龙卷天气。本次天气过程主要发生时段为5日10—14时，雷暴大风主要出现在邵阳、永州、衡阳、株洲等地，从5日08—20时实况资料看，国家站共有6站次出现了大风实况记录，最大风速达到21 m/s。强降水主要集中在湘中偏南一带，怀化、永州、邵阳、衡阳等地，最大小时降水量均达到50 mm以上，其中衡阳市石鼓区友谊村站(自动站)最大小时雨量达到72.2 mm。

邵东县出现龙卷的时间约在11时27分开始至11时55分结束。邵东位于邵阳市东部27 km处，地处湘中腹地，据灾情调查资料，5日11时30分，邵东县两市塘办事处峦兴、古林、永旺、寻柳、青兰、大新和周官桥乡肖家冲村等7个行政村遭受龙卷袭击。龙卷发生地位于111°44′39″E，27°12′28″N附近，受灾区域呈西—东向狭窄带状，在发生路径上受灾物有明显的逆时针旋转的倒伏特征。据当地村民描述，5日11时40分许，峦兴村首次目击烟囱般涡旋状黑云从天而降并且接地，响声如雷，在其移动路径上造成了多处砖房倒塌，屋顶被掀、树木倒伏折断等，7个乡镇近4 000人受灾，农作物受灾面积148 hm2，直接经济损失1千万元以上。根据灾情分析，对照龙卷灾害划分标准[9-10]，估算该龙卷属于F0级陆龙卷。

3 大气环流形势分析

6月5日08时500 hPa(图1a)，贵州西部高空槽逐渐东移，且温度槽落后于高度槽，低槽逐步发展；从700 hPa高空填图(图1b)和850 hPa高空填图(图1c)看，700 hPa湘中一带有西南急流存在，切变线位于重庆中部—贵州一线，呈南北向分布；850 hPa低值系统位于湘西北，且伴有人字形切变线，而急流位置与700 hPa位置相同，为湘中一带提供了充足的水汽条件；925 hPa(图1d)切变线位于湘西北，呈东北西南走向，地面辐合线位于湘中偏南(图1d蓝色点线 )，11时、14时仍稳定维持在湘中偏南一带(图略)，随着高空槽东移及切变线南压，带动地面辐合线缓慢南压，17时地面辐合线南压到湘南(图略)。可见08时整体高低空系统配置呈现后倾槽的形势，高空槽东移为强对流的发生、发展提供有利的动力条件造成了不稳定释放，而地面辐合线提供了触发机制。

怀化站位于邵东县西北侧，由于邵东县附近没有探空站，从系统移动路径上看，怀化站探空在一定程度上可以代表邵东县的情况。从怀化站探空图(图2)分析，怀化站上干下湿结构明显，有利于强对流天气的发生；不稳定能量(CAPE)达到1 316.9 J/kg，且底层有逆温存在，有利于不稳定能量的累积；850 hPa与500 hPa温差达到26 ℃，层结不稳定，且K指数达到40 °C以上，低层一致的西南风，风速达到12 m/s，水汽丰富，均满足湖南出现雷暴大风天气的标准；另外，0 ℃层高度和-20 ℃高度分别为4.7 km和7.9 km，较高的0 ℃和-20 ℃高度在一定程度上不利于冰雹的产生。

图1 6月5日湖南天气形势分析(a.500hPa高度场、温度场、风场；b.700 hPa高度场、风场;c.850 hPa高度场、风场；d.850 hPa高度场、风场和地面辐合线(蓝点线))Fig.1 An Analysis of the Weather Situation in Hunan Province on June 5(a.500 hPa height, temperature, wind;b.850 hPa height,temperature, wind; c. 850 hPa height, wind; d. 850 hPa height, wind and Ground convergence line (blue dot line))

图2 6月5日08时怀化站探空图Fig.2 Huaihua station sounding chart at 08∶00 on June 5

对流风暴的发展依赖于大气的热力和动力条件，从NCEP再分析资料物理量(图3)看，5日08时，邵东县(紫色圆圈所在位置)处在两干区之间的湿度大值区中，且中层的相对湿度在90%左右，这种中层干湿区的配置有利于湘中一带飑线的发生发展；0～6 km垂直风切变大于22 m/s区域位于湘西北到湘中地区，K指数大于40 ℃的区域位于湘中以南的地区，龙卷发生的区域位于0～6 km垂直风切变与K指数大值区交汇的地区，同时，该地区SI指数<-2，CAPE值在1 200 J/kg左右，且CAPE值梯度变化较大，都为邵东龙卷的发生提供了较有利的条件。

4 多普勒雷达特征分析

6月5日受高空地槽东移、中低空急流以及地面辐合线的共同作用，湘中一带多地出现了强降水和雷暴大风天气，邵东县受到龙卷袭击。经分析，该龙卷是由超级单体演化形成，可归结为“带状回波—强降水超级单体—弓形回波”3个阶段。08时02分，湖南西部开始有大片降水回波发展东移，在降水回波前侧形成了东北—西南向的强回波带(图4a)，雨带北端有中气旋发展，中气旋高度为2.1 km，此中气旋持续了4个体扫并不断向上向下发展，而带状回波的前侧入流缺口也逐渐明显，回波形态发展为“倒弓形”(图略)。09时54分，“倒弓形”回波南端探测到中气旋(距离雷达54 km)，高度在4.3°仰角(4.2 km)，垂直涡度为0.8×10-2s-1，而雨带北端探测到的三维切变(距离雷达53 km)底高3.2 km，顶高4.2 km，直径为3.8 km，并逐渐发展为中气旋。雨带进一步东移过程中，由于雷达静锥区的存在，回波经过雷达站时强度和范围有明显减弱。

图3 6月5日14时物理量指数分析，紫色圆圈为邵东县所在位置(a.500 hPa 6 h变温与相对湿度；b.0～6 km垂直风切变与K指数；c.SI指数；d.CAPE)Fig.3 Analysis of physical quantity index at 08∶00 on June 5(a.500 hPa 6 hours temperature and relative humidity;b.0～6 km vertical wind shear and K index; c.SI; d.CAPE. Purple circle is Shaodong)

图4 6月5日邵阳SA雷达(a.08时02分0.5° R;b.09时54分0.5° R;c.09时54分4.3° V)Fig.4 Shaoyang SA Radar on 5 June(a. 0.5°R at 08∶02;b.0.5°R at 09∶54;c.4.3°V at 09∶54)

回波通过雷达站后开始出现分化，东部和东北部的回波合并，与其后部的回波断裂开来(图5a)，速度图上(图5b)移动方向前部存在明显的辐合区，可以推测辐合区形成是由于移动方向前侧的上升气流与后侧干空气夹卷进入辐合区域后蒸发冷却形成的下沉气流辐合形成。靠东北部的单体逐渐发展，从其结构上分析，低层前部具有一个不明显的入流缺口，对应强的入流区(箭头所指位置)。白色箭头所指位置为同一地点，回波在6.0°仰角上反射率向东斜升，可以推测其下部存在明显弱回波区(WERS)。至此，超级单体已经形成。

图5 6月5日11时21分邵阳SA雷达(a.0.5°R；b.0.5°R；c.6.0°R)Fig.5 Shaoyang SA Radar at 11∶21 5 June(a.0.5°R；b.0.5°R；c.6.0°R)

11时27分反射率因子图(图6a)可见，超级单体最大回波强度超过55 dBz，在0.5°仰角上可以清晰看到前侧入流缺口(FIN)，在风暴相对径向速度(SRM)图上(图6b)在入流缺口对应处出现了气旋式辐合，在辐合中心附近，存在直径约2 km疑似TVS的涡旋(图中白色箭头所指区域)，对应的高度为0.7 km。11时33分反射率图(图6c)可见，北部的超级单体I0与中间的单体C0合并，并且在风暴的两侧出现明显的前侧入流缺口(FIN)和后侧入流缺口(RIN)，强烈的前后侧入流使得回波的形态趋向于S型，而龙卷则发生在两个单体接口附近。从对应时刻的SRM图(图6d)上看，在距离雷达30 km处可以看到中气旋和龙卷涡旋特征(TVS)，中气旋直径约10 km，在0.7 km高度上比较明显，旋转速度达到24m/s。而TVS底高小于0.3 km,顶高为3.5 km左右，表明TVS伸展高度约为3.2 km；最大垂直涡度出现在3.4°仰角(2.4 km)，垂直涡度为9.5×10-2s-1。沿着雷达径向对TVS特征处反射率因子做垂直剖面，用以查看风暴的垂直结构。从反射率剖面图(图6e)可见，风暴的垂直伸展高度达到12 km，50 dBz以上回波高度主要集中在9 km以下，没有明显的钩状回波特征，但是前侧的弱回波区(WERS)清晰可见。11时40分，单体I0与C0进一步合并，反射率大于55 dBz的面积也有所增大(图6f)，后侧入流缺口变得清晰，前侧入流缺口则逐渐填塞，SRM图上(图6g)，TVS特征依然存在，TVS明显向底层发展，最大垂直涡度高度0.9 km，涡度值变为5.4×10-2s-1，最大旋转速度有所减弱。

根据灾情调查结果，邵东县龙卷发生在11时40分前后，受龙卷袭击的区域位于邵阳雷达站正东方向30 km附近。结合灾情调查的结果和受灾位置与雷达回波的结果对比可以证明，从TVS出现开始(11时33分)就已经形成了龙卷。

在随后的发展中，超级单体前侧入流缺口完全被填塞，在12时17分左右逐渐转变为弓形回波，弓形回波持续到14时21分左右，在随后的一段时间内回波逐渐东移北上，与南部不断生成的分型性对流回波合并，在湖南中部产生了区域性雷暴大风等对流性天气。

5 结论和讨论

本次龙卷天气过程发生在500 hPa槽前，850 hPa切变线南侧，700 hPa、850 hPa急流北侧，水汽条件充足，925 hPa切变线位于湘西北，呈东北—西南走向，地面辐合线位于湘中偏南，整体呈现后倾槽的形势；上干下湿的层结结构加剧了大气层结的不稳定性，CAPE值大于1 200 J/kg，0～6 km垂直风切变为24 m/s且梯度较大，抬升凝结高度较低，为本次龙卷天气的发生、发展提供有利的条件。

多单体风暴向东偏北方向移动过程中形成了有组织的飑线系统，且回波移动速度逐渐加快，飑线内部多个对流单体发展成具有中气旋特征的超级单体，为湘中偏南一带带来雷暴大风天气，并伴有短时强降水。飑线在经过邵阳东部时回波开始断裂，龙卷发生在飑线断裂的区域，龙卷发生时，前后侧入流缺口明显，且存在深厚的中气旋，而龙卷发生在弱回波区域(后侧入流缺口)前侧前后入流缺口中间的位置，并伴有深厚且底部接地(0.3 km)的中尺度气旋存在，同时还伴有明显的龙卷涡旋特征(TVS)，TVS最大风速速达到31 m/s左右，最大垂直涡度为9.8×10-2s-1。通过对反射率及径向速度的雷达回波特征分析，为本次龙卷及雷暴大风天气的识别和预警提供了重要的指示作用。

根据灾情调查资料，从树木倒伏方向和房屋受损情况上判断，树木整体向东倒伏，且大树有拦腰折断情况，局部风力较强，现场有多处出现了小型的旋转性倒伏状特征，房屋西侧受风面损坏程度相对较大，说明本次过程为飑线引起的直线型雷暴大风环境下产生的局地龙卷天气。根据对龙卷发生路径的调查以及目击者描述，结合天气实况及雷达回波特征分析，本次发生在邵东县的大风过程与龙卷特征一致。

图6 6月5日邵阳SA雷达反射率因子垂直剖面(a.11时27分0.5°R；b.11时27分0.5°SRM;c.11时33分0.5°R;d.11时33分0.5°SRM；e.11时33分;f.11时40分0.5°R；g.11时40分0.5°SRM)Fig.6 Shaoyang SA Radar on 5 June(a.0.5°R at 11∶27；b.0.5°SRM at 11∶27;c.0.5°R at 11∶33;d.0.5°SRM at 11∶33；e.RHI reflectivity at 11∶33;f.0.5°R at 11∶40；g.0.5°SRM at 11∶40)

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