2017年内蒙古赤峰“8·11”龙卷环境场及雷达特征分析

晋亮亮，葛海燕

（赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024000）

龙卷是一种小尺度但破坏力极大的灾害性天气，会造成大量的人员伤亡和财产损失。一般将龙卷分为超级单体龙卷和非超级单体龙卷[1]。超级单体龙卷由超级单体风暴产生，后者与深厚且持续的中气旋相联系[2-3]，而非超级单体龙卷与非超级单体风暴相联系，通常与浅薄的、尺度较小的边界层涡旋有关[4-5]，能够产生于各种大气环境中。Brown等[6]发现一个伴随龙卷的比中气旋尺度更小的速度场特征，称为龙卷涡旋特征（Tornadic Vortex Signature，简称TVS），在径向速度图上表现为像素到像素的很大的风切变，此后TVS成为龙卷监测和预警的主要手段。

多年来，国内外对龙卷的研究颇多，既有分析产生龙卷的环境场特征[7-8]，也有探讨龙卷发生时的反射率因子和速度场特征[9-10]。Philip等[11]在研究2003年一次龙卷时认为，大尺度环境支撑深厚的湿对流，近地层的暖锋、垂直风切变和中气旋则产生了明显的龙卷现象；王秀明等[12]通过对中国东北地区龙卷的环境特征分析，指出东北龙卷多发生在冷涡的天气背景下，其环境特点为：大的环境温度直减率，强的垂直风切变以及低层较干的环境。触发系统通常为干线及其伴随的边界层强辐合。俞小鼎等[13]的分析发现，超级单体风暴反射率因子的主要特征是低层的钩状回波，有时是由风暴主体向低层入流方向伸出的一个突出物，超级单体龙卷发生前的环境往往为中到强的对流不稳定能量和中等到强的螺旋度，低层风切变适量有较大的气旋式曲率；张玉洁等[14]指出龙卷产生前，风暴的最大反射率因子强度、强回波中心高度、回波顶高持续增加，垂直累积液态含水量激增，龙卷发生前2个体扫，强回波中心高度和垂直累积液态含水量出现骤降。许薇[15]等指出在不稳定区生成的强对流回波，移入存在中尺度辐合线和强不稳定的区域后，在中尺度辐合线作用下回波进一步加强，小尺度涡旋则触发此次龙卷过程。

1 灾害实况

2017年8月11日14—16时，内蒙古赤峰市克什克腾旗和翁牛特旗交界地区发生龙卷天气（图1）。14：28，赤峰市克什克腾旗前进村遭受龙卷袭击，持续10 min，龙卷路径2 km；15：26，八里庄、十里铺村、五台山村、山咀子村先后受龙卷袭击，持续约15 min，龙卷路径长度约6 km。整个龙卷天气过程的EF0+的宽度最大约1 km。此次龙卷灾害造成5人死亡，58人受伤，转移安置人口1 760人；倒塌房屋360间，损坏房屋1 004间；农作物受灾面积21 208.08 hm2，成灾面积16 116.37 hm2，绝收面积5 849.32 hm2，直接经济损失10 053.29万元。

图1 2017年8月11日14—16时龙卷路径及影响范围

2 大尺度环流特征

从8月11日08时500 hPa形势场（图2a）可以看出，在蒙古国东部有冷涡存在，赤峰市西部处于蒙古冷涡的东南象限。从温度场上看，从内蒙古东部到中部与山西中部有明显的冷温度槽存在。从850 hPa（图2b）上可以看出，赤峰市处于低涡的底前部，从温度场上看，在500 hPa温度槽的位置上有明显的温度脊，上层的温度槽与下层的温度脊叠置，有利于对流不稳定的建立。另外内蒙古中东部偏南地区850～500 hPa的温差较大（图2a），温差在28～31 ℃之间，这也有利于不稳定层结的建立。从850 hPa风场上可以看出，在华北北部到西北地区东部形成一条明显的切变线，切变线东移，系统性抬升可以起到触发对流的作用。在切变线右侧的西南气流有利于水汽和能量向赤峰市输送。从地面露点线（图2b）可以分析出在内蒙古中部偏南地区到陕西北部有明显的露点梯度大值区，这条干线也是对流系统的触发机制。可以看出，不稳定层结已经建立，而低层切变线和地面干线提供了触发机制，为龙卷的发生提供了有利条件。

从赤峰站8月11日08时（BJT）T-lnP图（图3）可以看出，低层存在弱逆温层，逆温层阻断了高低空水汽和能量的交换，增加了高低空水汽和温度的对比，有利于对流的发生发展。低层相对湿度较好，主要集中在850 hPa以下，中层以上有干空气的侵入，这种“喇叭口”的形势有利于雷暴大风天气的出现。抬升凝结高度为927 m，研究表明，抬升凝结高度在1 200 m以上会大大降低龙卷产生的概率。赤峰探空站的海拔为572 m，因此计算了地面到850 hPa的垂直风切变表示低层的垂直风切变，地面到850 hPa的垂直风切变为10×10-3s-1，为较强的垂直风切变。08时赤峰探空站的对流有效位能为2 082 J/kg，龙卷灾害发生在14时以后，因此对08时T-lnP图进行了订正，订正后发现对流有效位能明显增大，达到了3 700 J/kg，较大的对流有效位能会导致更强的对流风暴的产生。较大的对流有效位能，较大的低层垂直风切变以及较低的抬升凝结高度是产生超级单体龙卷的先决条件。

图2 2017年8月11日08时（BJT）500 hPa形势场和850 hPa与500 hPa温度差（阴影）

图3 2017年8月11日08时（BJT）赤峰站T-lnP图

3 雷达产品分析

3.1 反射率因子和相对风暴径向速度分析

产生龙卷的对流单体在12：15被雷达开始跟踪。此后该单体迅速发展，到13：32时0.5 °仰角反射率因子产品（图4a）中可以看出，单体最大反射率因子达到58 dBZ，低层出现钩状回波，弱回波区以及与之对应的前侧V型缺口（FFN），并且在该时次相对风暴速度图出现三维相关切变（3DC），此时风暴单体已经具有准超级单体风暴的特征。在接下来的50 min，只有在13：42出现了三维相关切变。14：25（图4c，4d）风暴单体低层钩状回波和前侧V型缺口更加明显，并观测到中气旋，0.5°仰角在此处的高度为2.8 km，中气旋已经达到较低的高度，其旋转速度为17.5 m/s，达到中等强度的中气旋，成为超级单体风暴，中气旋位于低层钩状回波的顶端。从反射率因子垂直剖面（图4e）中可以看出，风暴顶高发展到14 km，最强反射率因子达到55 dBZ以上，并且发展到10 km左右，由于距离雷达较远低层的弱回波区观察不到，但仍能发现小范围的有界弱回波区。从相对风暴径向速度图（图4d）上可以分析出比中气旋直径更小的像素与像素之间风切变，即龙卷涡旋特征。相邻方位角之间的速度差达到了35 m/s，该TVS对应的垂直涡度达到3.5×10-2s-1。从径向速度剖面（图4f）可以看出，低层有大范围的正速度区，最大速度达到了17.5 m/s，说明有较强的入流气流进入风暴。在14：28左右前进村龙卷发生。之后超级单体略有减弱，低层弱回波区减小，中气旋消失，龙卷在持续10 min后消失。

14：40—15：17虽有中气旋的出现，但在灾情调查时，没有发现龙卷造成的灾害，所以在此不做讨论。从15：21开始风暴单体再次发展，低层最大反射率因子达到60 dBZ以上，低层存在钩状回波，弱回波区以及与之对应的前侧V字型缺口（FFN），15：21和15：26连续出现三维相关切变（图5a，图5b），但是三维相关切变位置对比于13：32发生了变化，位于强回波的后侧。15：31低层最大反射率因子在60 dBZ以上（图5c），说明超级单体风暴强度维持，并且在风暴后侧出现了后侧V型缺口，表明有强的下沉出流气流存在。该时刻雷达识别出中气旋（图5e），转动速度达到了18 m/s，此处距离雷达的距离为120 km，可判断为中到强的中气旋，而且出现在雷达监测的最低仰角，高度为2.8 km，该中气旋已发展到较低层。另外，可以分析出龙卷涡旋特征，相邻方位角之间的速度差为36 m/s，其垂直涡度为3.6×10-2s-1。龙卷第二次接地时的时间为15：26左右，早于低层中气旋出现的时间。从而可以推断，在远距离龙卷预警时，雷达识别出低层强的三维相关切变也可以是预警指标之一。15：36低层最大反射率因子依然在60 dBZ以上（图5d），低层钩状回波，弱回波区和与之对应的前侧V型缺口减弱，但后侧V型缺口依然很明显。此时雷达识别出的中气旋（图5f），转动速度为15 m/s，较前一体扫略有减弱，仍可达到中等强度，对应着龙卷的持续阶段。15：41雷达未识别出三维相关切变和中气旋，风暴结构变得松散，龙卷也减弱消弱。

3.2 风暴参数分析

图4 8月11日13：32，14：25（BJT）0.5°仰角反射率因子（a、c），相对风暴径向速度（b、d），14：25反射率因子剖面（e）和径向速度剖面（f）

图6中双向黑箭头为发生龙卷灾害的时段，从图中可以看出在龙卷发生整个过程中，最大反射率因子的值变化不大，基本在60 dBZ上下变动，但是最大反射率因子的高度变化较大，在1.9～10.3 km变化。基于风暴单体的垂直累积液态水（VIL）变化幅度也较大，在50～71 kg·m-2，龙卷在前进村第一次接地前2个体扫VIL有明显的跃增，从54 kg·m-2增加至68 kg·m-2，最高达到71 kg·m-2，并且在龙卷发生前后的5个时次VIL都在60 kg·m-2以上。龙卷在在八里庄第二次接地前，同样也出现了VIL的跃增，从59 kg·m-2增至67 kg·m-2，之后龙卷发生，在龙卷发生前后有6个时次＞60 kg·m-2。从回波顶高度可以看出13：27—14：10回波顶高在11 km左右，观测事实表明：龙卷出现需要雷暴母体的强中心达到较高高度，但在14：15回波顶高出现跃增，从11 km迅速增加到14 km左右，并且在接下来的4个时次都保持在14 km左右，这个时段前进村出现龙卷，到14：39顶高下降到10.4 km，龙卷消失。而在八里庄等4个村发生龙卷前，顶高也出现了跃增，从10.1 km增加到13.1 km，并且维持在12.3～13.2 km，持续了6 h。

3.3 中气旋参数分析

图7是龙卷发生过程中中气旋和三维相关切变的变化情况，黑色双箭头表示龙卷发生的时段。从图中可以分析出，龙卷在前进村第一次接地时，中气旋底高2.0 km，顶高4.3 km，切变为16×10-3s-1，接下来的一个体扫没有出现中气旋或三维相关切变，第三个体扫时，出现三维相关切变，对应的底高，顶高和切变分别为：2.1 km、5.8 km，15×10-3s-1，随后龙卷消失。在龙卷第二次接地时，三维相关切变和中气旋持续了4个体扫，底高在2 km左右，顶高在4～6 km，并且在龙卷接地前顶高有下降，切变前三个体扫维持在15×10-3s-1以上，第四个体扫切变有明显的减小，之后三维相关切变没有监测到，随后龙卷减弱消失。由此可以分析出龙卷接地前，对应的中气旋顶高≤6 km，中气旋顶高和底高之间的距离在2～4 km，中气旋的切变≥15×10-3s-1。

图6 8月11日13：27—16：05龙卷风暴单体参数

图7 8月11日14：10—16：05中气旋和三维相关切变参数

4 结论

通过对此次龙卷风灾害天气的环境场和多普勒雷达产品相关特征的分析，得出以下结论：

（1）此次龙卷灾害发生在蒙古冷涡前部，500 hPa温度槽叠加在850 hPa温度脊之上以及低层的逆温层都有利于对流天气的发生发展，其环境场具有较强的对流不稳定性、较大的低层垂直风切变和较低的对流凝结高度。

（2）从雷达产品分析，两次龙卷接地是由同一个超级单体风暴造成的，低层有明显的钩状回波，弱回波区及与之对应的前侧V型缺口，由于距离＞100 km雷达未识别出龙卷涡旋特征，但识别出了三维相关切变和中气旋，尤其是发展到低层的中到强等级的中气旋。但龙卷发生时中气旋的位置不同，第一次位于低层钩状回波的顶点，第二次位于强回波的后侧。在远距离龙卷预警时，雷达识别出低层强的三维相关切变也可以是预警指标之一。

（3）通过对风暴参数的分析，整个龙卷天气过程中，超级单体风暴的最大反射率因子都在60 dBZ左右，在龙卷接地前基于单体的VIL和风暴顶高有明显跃增，VIL增大到60 kg·m-2以上，强回波中心顶高在10 km以上。

（4）龙卷接地前，对应的中气旋顶高不超过6 km，中气旋顶高和底高之间的距离在2～4 km，中气旋的切变≥15×10-3s-1。