辽宁营口2019-08-16龙卷过程双偏振雷达特征分析

陈海涛，张 晶，姚 文，何晓东，赵 月

(营口市气象局，辽宁营口 115001)

龙卷是大气中最强烈的涡旋现象，它是从雷雨云底伸向地面或水面的一种范围很小而风力极大的强风涡旋，常发生于春夏季的雷雨天气时，具有突发性强、生命史短、垂直运动强、破坏力大等特征，是强对流天气最强烈的表现形式之一。冯佳玮等[1]对中国龙卷时空分布及其环境物理量特征进行研究，表明中国龙卷多发生于春夏季，午后傍晚较多，江苏和广东等平原地区出现龙卷概率最高。我国南方地区的龙卷多与台风、高空槽有关，东北地区的龙卷多在东北冷涡背景下产生[2-4]。王婷婷等[5]对东北冷涡背景下两类龙卷形成机制进行了对比分析，直接影响系统均为东北冷涡前部的次天气尺度短波槽或切变线。何建新等[6]对龙卷的雷达探测研究进展进行了总结，表明雷达探测可以提供高时空分辨率的龙卷和雷暴云体的三维风场结构以及降水分布状况，可以有效地对龙卷的发生发展过程进行跟踪与识别，获得预警预报信号。龙卷常常与冰雹、雷雨大风等强对流天气同时发生，陈小婷等[7-9]通过个例详细分析了关中和陕北等地的强对流触发机制和环境，张晶等[10-11]对营口冰雹天气的多个强雷暴进行对比，着重分析了强雷暴的雷达产品特征。

2019年8月16日午后，辽宁中部出现大范围强对流天气。其中营口北部和中东部地区15—19时出现了短时强降水、雷雨大风、冰雹和龙卷。大石桥高坎1 h降雨量57.5 mm(图1a)，多地出现雷雨大风，最大瞬时风速达到24.8 m/s(图1b)。15:30—17:30大石桥高坎、盖州市区出现冰雹，老边区出现龙卷。距龙卷发生地点最近的边城自动气象站(相距1.7 km)最大瞬时风速7.3 m/s(4级)，出现在15:49；附近风速最大的自动气象站为大兴自动站，最大瞬时风速12.8 m/s(6级)，出现在16:00，自动气象站未监测到达到龙卷级别的强风。龙卷现场灾害调查显示，龙卷触地时间较短，触地后总行程1 km左右，其中300 m左右经过居民区，出现楼房屋顶损坏，热水器被从房顶吹落，树木折断等灾害。

图1 2019-08-16T15-19营口地区累积降水(a)和极大风速(b)

1 环流背景分析

8月16日08时，500 hPa上东北地区受低涡控制，在内蒙古东部和北京附近有两个低涡闭合中心，营口位于北京附近的低涡中心前部，低涡后侧的干冷空气随低涡的转动扩散影响营口；700 hPa和850 hPa上低涡中心位于黑龙江南部，营口位于其底后部，在850 hPa上有暖脊影响营口；14时地面图上营口位于低压后部，地面温度较高，营口处于上冷下暖的不稳定层结中。

距离营口最近的锦州探空站，16日08时(图2a)存在一定的不稳定能量，CAPE值为42.7 J/kg，16日上午营口天空晴朗，太阳辐射强，近地面大气增温显著，14时营口北部气温增至32.5 ℃，用32.5 ℃订正锦州08时探空图，CAPE值增大到1 064.2 J/kg(图略)。水汽方面，925 hPa附近有浅薄的湿层，850～700 hPa、600～500 hPa均有明显的干层，温度层结曲线与露点温度曲线呈“X”型，为雷暴大风型探空曲线。15—16时营口双偏振雷达(距离龙卷发生地13 km左右)的垂直风廓线产品(图2b)上可以看到，2.7 km以下风向随高度顺时针旋转，风力不大，为弱的暖平流；2.7 km以上风向随高度逆时针旋转，风速从5.2 km的4 m/s急剧增加至8.5 km的18 m/s，风向从西风逆时针旋转为偏南风，冷平流强盛，上冷下暖的风场结构有利于不稳定能量的增强。

图2 2019-08-16T08锦州探空站(a)和2019-08-16T15—16营口双偏振雷达风廓线产品(b)

2 雷达资料分析

龙卷发生地距离雷达中心13 km左右，在0.5°仰角雷达图上距海平面高度350 m左右，1.5°仰角距海平面高度590 m左右，2.4°仰角距海平面高度810 m左右。龙卷从云中向下发展时并未发生降水，接地时有降水发生。本文着重对产生龙卷的雷暴单体进行分析。

2.1 雷暴单体触发机制

对产生龙卷的雷暴单体分析发现，雷暴单体是由两条窄带回波相遇后触发生成的。13：00—14：00营口市区以南二道到柳树一带有较宽的带状弱回波区，大石桥以北大洼到海城一带有零散对流回波；14：00—15：00南北两块回波区逐渐形成两条明显的窄带回波，相向而行，逐渐靠近，窄带回波从0.5°仰角一直伸展到2.4°仰角，窄带回波回波强度最强处达42 dBz(图3a)；15：01在营口城区东部两条窄带回波最先相遇(图3b)，在相遇点西侧窄带回波呈西北—东南向分布，东侧为东—西向分布，拐点上空有回波生成，并迅速发展，即为产生龙卷的雷暴单体。两条窄带回波15：12完全碰并成一条(图3c)，16：00在这整条窄带回波上不断有对流被触发(图3d)。

图3 2019-08-16 0.5°仰角上窄带回波发展情况(a 14：31，b 15：01，c 15：12，d 16：00；红圈所示位置为龙卷单体开始触发的位置；右下角圆点为雷达站所在位置)

2.2 雷暴单体发展

分析产生龙卷的雷暴单体发展情况。15：18回波中心强度达到42 dBz，之后迅速向上向下发展；15：24，9.9°～19.5°仰角上回波中心强度达到50 dBz以上，最强达到59 dBz；15：30，4.3°～19.5°仰角上回波中心强度均达到60 dBz以上，最强达到69 dBz，9.9°～19.5°仰角上出现明显的旁瓣回波，19.5°仰角上出现明显的三体散射特征(图4a)，识别有大面积冰雹(图4b)，此时冰雹尚未落地，19.9°仰角上可以看到KDP柱(即高层差分相移率的大值区，图4c)和ZDR柱(即高层差分反射率的大值区，图4d)，均与速度图上涡旋速度对(详见下文)位置相对应，表示此处有明显的上升运动，将低层的水汽带到高层；15：36，大于50 dBz的强回波发展到1.5°仰角上；15：42和15：47，0.5°～19.5°仰角上，整层强回波均大于60 dBz(图5)，最强达到73.5 dBz，从低层到高层强回波中心向南倾斜，9.9°仰角以下能看到明显的弱回波区，0.5°～2.4°仰角上有明显的钩状回波。双偏振雷达粒子分类产品在0.5°仰角上识别出大面积的冰雹区域(图略)，判断此时冰雹已经落地；图5a中“十”字位置为龙卷发生的地面位置，该位置在强回波南部边缘，钩状回波附近。15：53以后钩状回波特征减弱消失，16：00以后重新与后侧新单体合并加强，一直维持到17：20左右，整个生命史2.5 h左右。

图6为产生龙卷的雷暴单体特征图，可以看到单体生成之后迅速加强，15：24—15：47雷暴单体产生大冰雹的概率达到100%，基于单体的垂直液态水存在激增的情况，回波中心强度维持在60 dBz以上。15：53以后雷暴单体强度存在减弱又增强的过程，即雷暴单体与后侧新单体重新合并加强。需要说明的是，生成龙卷的位置距离雷达只有13 km左右，该处在19.9°仰角高度仅有6 km左右，仅达到一般雷暴的中层高度，受雷达静锥区的影响，雷暴高层的回波情况无法探测到。

图4 2019-08-16T15：30 19.5°仰角上反射率因子(a)、粒子分类(b)、差分相移率(c)、差分反射率(d)(b中圆圈中红色部分为识别的冰雹范围；c中圆圈为KDP柱位置；d中圆圈为ZDR柱位置)

图5 2019-08-16T15：42不同仰角反射率因子(a 1.5°，b 4.3°，c 9.9°，d 19.5°；图中白色三角为同一位置；“十”字和双箭头为龙卷发生的地面位置)

图6 2019-08-16T15：24—16：17龙卷雷暴单体的垂直液态水含量、最大反射率因子、大冰雹概率特征

2.3 雷暴单体径向速度

龙卷发生前，在雷达径向速度图上出现明显的正负速度对，位于强反射率因子的右后侧，速度对基本位于雷达波速方向两侧，呈对称分布，呈现气旋式旋转的特征。表1给出了龙卷发生前后不同仰角上涡旋速度对随时间的变化。15：18开始，在19.5°仰角上探测到最早的速度对，分别是-16.0 m/s和3.5 m/s，正负速度对中心相距1 km左右，距地面高度为5.6 km。15：24涡旋继续加强，在19.5°仰角上达到-20.0 m/s和5.0 m/s，并向下伸展到14.6°仰角上，为-15.5 m/s和5.5 m/s，距地面高度4.4 km。15：30涡旋继续向下伸展到3.3°仰角上，距离地面1.1 km。15：36涡旋向下伸展到0.5°仰角上，速度分别为-11.5 m/s和9.5 m/s，距离地面0.37 km。15：42涡旋发展到最强，其中0.5°仰角上速度达到-19.5 m/s和10.0 m/s(图7a)；3.3°仰角上最大，达到-22.5 m/s和13.0 m/s(图7b)；0.5°仰角上涡旋中心位于反射率因子钩状回波右半部，距离地面0.36 km。现场目击表明在该时刻龙卷接地。龙卷发生地没有自动气象站，无法直接监测到龙卷触地时的风速。现场灾害调查显示有楼房屋顶损坏、热水器被从房顶吹落、树木折断等，可证明此时龙卷风力较强。15：42—15：59，0.5°仰角上在雷暴强回波对应区域可以明显看到辐散区(图7a红框所示位置)，表明地面大风的开始。15：47，0.5°～3.3°仰角上没有探测到涡旋特征，4.3°～19.5°仰角上速度也明显减小，正负速度对中心之间的距离增大，0.5°仰角上辐散区风速明显增大；15：53涡旋特征消失。

涡旋特征共持续6个提扫，30 min左右，伸展高度从0.5°仰角延伸到19.9°仰角，距离雷达站13 km左右，最大转动速度17.8 m/s，为中等强度的中气旋。

表1 2019-08-16T15营口双偏振雷达不同仰角上涡旋速度对随时间变化 单位：m/s

图7 2019-08-16T15：42不同仰角径向速度(a 0.5°，b 3.3°；黄色圆圈为涡旋速度对所在位置，红色方框为地面大风辐散区)

15：18开始，在19.5°仰角上强回波的后侧出现入流区，入流区强度逐渐加强并且向下发展；15：42，14.6°仰角上入流速度最强达到23.5 m/s，并一直持续到15：53才开始减弱；15：59消失(图略)。入流区的存在使强雷暴得以维持。

2.4 偏振参量对龙卷位置确认的辅助分析

从速度图上可以判断出龙卷发生在勾状回波附近。15：42，0.5°仰角上可以看到勾状回波，反射率因子较强，达到50～56 dBz(图8a)，仅从反射率因子无法判断龙卷的具体位置， 分析双偏振雷达产品有利于对龙卷发生位置和影响范围进行确认。图8b、图8c、图8d为勾状回波(图8a)对应的双偏振雷达产品。对应勾状回波的西半部，相关系数为0.98～0.99，差分反射率为3～4 dB，差分相移率为0.1～0.2(°)/km，三个双偏振参量都比较均匀，表明西部主要为雨滴；对应勾状回波东半部，相关系数在0.4～0.7之间，差分反射率在-2～0 dB之间，差分相移率产品由于相关系数小于0.8不计算为空洞，此时反射率强度不到60 dBz，同时垂直液态水含量很低，排除冰雹的可能，因此可能与龙卷碎屑有关。由此可以判断15：42，0.5°仰角上(距地面360 m左右)龙卷位于勾状回波东部，影响范围1 km2左右。

2.5 龙卷的消亡

15：47，回波主体向东北方向移动，远离龙卷发生地。从实地走访情况判断，龙卷接地后向南移动，与回波主体移动方向相反。从反射率因子图上可以看到，15：47有阵风锋从回波主体分离(图9a、图9b)，并向南移动，相应的地面自动气象站监测到当地也是偏北风(图9c)，龙卷在地面的移动方向可能是受到近地面风向的影响。龙卷移动的方向与母云移动的方向相反，很快发生断裂，这也是该龙卷维持时间较短的一个原因。

图8 2019-08-16T15：42 0.5°仰角上反射率因子(a)、相关系数(b)、差分反射率(c)、差分相移率(d)(黄色圆圈为钩状回波所在位置)

图9 2019-08-16阵风锋(a 15：47，b 15：53)和极大风速(c 15：50)分布(红圈为龙卷附近的监测站，与a、b中圆圈为同一位置)

3 结论

(1)此次龙卷天气在低涡的天气形势下发生，高层冷平流与低层暖平流叠加，不稳定能量充分，为龙卷的发生提供了潜势；温度层结曲线与露点温度曲线整体呈“X”型，有利用雷暴大风生成。

(2)雷达图上南北两条窄带回波相遇成为雷暴的触发条件，产生龙卷的雷暴单体发展迅速，具有高层强回波悬垂、低层弱回波区、钩状回波等强风暴特点；径向速度上表征气旋式旋转的正负速度对的发展变化可以指示龙卷的位置和强度，0.5°仰角上辐散区可以确定地面大风的发生时间和位置；相关系数CC、差分反射率ZDR、差分相移率KDP等偏振量有利于确定龙卷的影响范围，粒子分类对冰雹落地时间有较好的指示意义。

(3)本次龙卷发生在距离雷达13 km处，距离雷达较近，有利于探测低层速度的变化，识别正负速度对的位置和强度；但同时静锥区的存在又使得龙卷雷暴单体高层的结构无法探测。