2019年7月3日辽宁开原伴随EF4级强龙卷的超级单体风暴分析

耿世波 才奎志 王瀛 周福然 肖光梁 黄海亮 柴晓玲

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166； 2.辽宁省气象灾害监测预警中心，辽宁 沈阳 110166；3.锦州市气象台，辽宁 锦州 121000； 4.沈阳市气象台，辽宁 沈阳 100168)

引言

龙卷风是从积雨云向下伸展的具有“超低压”旋转性的空气柱，是破坏力极强的天气现象之一。超级单体风暴在1962年由Browning[1]提出，并发现超级单体风暴的雷达探测回波存在弱回波区(WER)或有界弱回波(BWER)，低层存在有钩状回波等重要特征。后来，Marwitz[2]把它作为一种新型的对流风暴。Edwards等[3]总结得出，发展猛烈的龙卷大多由超级单体风暴产生，Browning和其团队[4-6]首次系统地描述了超级单体风暴同时伴有龙卷的基本结构特征。随着多普勒天气观测雷达在科研和业务上得到广泛应用，Ray等[7]通过天气雷达观测资料总结形成超级单体风暴中伴有龙卷的经典理论：初始在中层有涡旋的垂直发展、随后在低层形成涡旋、进而在地面形成龙卷[8-10]。利用经典理论可以完美解释“自上而下”型龙卷的形成机制，但Trapp等[11-12]通过数值模拟和统计，发现“自下而上”型龙卷在美国也存在。

随着新一代天气雷达广泛布网之后，中国学者利用天气雷达回波资料，对多地发生的龙卷天气个例进行了总结和分析[13-15]。其中王秀明等[16]和才奎志等[17]分别对发生于东北和辽宁近十年的龙卷个例的环境特征进行了总结，得出一些龙卷环境指标。王婷婷等[18]对2015年发生于通榆县两次龙卷过程进行了对比分析，得出两次过程分别是超级单体龙卷和非超级单体龙卷。

2019年7月3日辽宁开原突发龙卷风，是一次比较清晰记录到的EF4级龙卷风天气发展过程，且有着各个时段较完整的录像视频和目击灾情记录。从视频看，该龙卷17：15发生于开原市北部约1.0 km金钩子镇金英村，空中漏斗云向下方逐渐探出；17：17观测到上方的漏斗云与地面上的气流合拢，并在金沟子镇金英村北侧和鲜屯南侧之间空旷地区接地，形成巨大的龙卷风，随后向南部的开原市区移动；17：23开原城区西南隅的铁西工业园区遭遇龙卷直接袭击，为龙卷发展最强盛时期；17:47前后在开原市南部中固镇消散。据统计，此次龙卷天气过程破坏力极大，共造成6人死亡，190余人受伤，开原市工业园区财产损失严重。开原国家气象观测站在17：25—17：37观测到龙卷，同时伴有冰雹。根据Fujita[19]龙卷分级标准，经相关专家[20]评估这次龙卷的强度等级为EF4级。针对此龙卷过程，郑永光等[21]认为风暴发展前形成的合适冷池有助于本次龙卷的形成。袁潮等[22]认为风暴发生前的超低空急流对于风暴的发生发展起着关键作用，但针对本次龙卷的中气旋精细结构特征及其形成机理仍需进一步分析。因此，本文将采用多种观测资料对此次超级单体风暴伴有EF4强龙卷的多普勒雷达回波特征和其形成机理进一步探讨，以期为该类龙卷天气预报预警提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用资料主要包括沈阳CINRAD-SA多普勒天气雷达观测资料、地面自动气象站观测资料、沈阳风廓线雷达观测资料、辽宁GPSMET观测资料、通辽与长春探空观测资料以及ERA5再分析资料，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°，经过插值后空间分辨率为0.125°×0.125°。

1.2 研究方法

本文除了利用常规观测资料对环境条件和超级单体演变进行分析，还利用ERA5再分析资料，通过对有关物理量诊断，对此次超级单体风暴可能的中气旋起源、超级单体风暴演变机制等进行探讨。

涡度在z坐标系的表达式为

(1)

式(1)中，前两项为水平涡度，第三项为垂直涡度，对于水平风随高度变化(切变)剧烈的中小尺度天气系统，水平涡度作用非常重要。

窦慧敏等[23]分析水平涡度与垂直运动具有如下关系

(2)

上面式(1)中，

(3)

(4)

(5)

当水平涡度矢量作逆时针旋转时，式(5)左侧数值为正，右侧ω<0有上升运动；反之水平涡度矢量作顺时针旋转时，左侧数值为负，右侧ω>0有下沉运动。这样分析水平涡度矢量与垂直涡度矢量转换，探讨超级单体风暴可能的中气旋起源。

在p坐标系，位涡(Potential Vorticity，P V)可表示为

(6)

Wu等[24]分析位涡异常与气旋移动关系，本文将用位涡分析超级单体发展及演变过程。

2 结果分析

2.1 天气形势和环境条件分析

从天气形势背景分析，7月3日08：00，500 hPa中国东北地区受冷涡控制，辽宁东北部位于短波槽后的西北气流下沉区，这符合王秀明等[16]统计东北龙卷大多发生在冷祸南侧短波槽中的特征。在850 hPa层上，从辽宁锦州到吉林长春有西北风与西南风切变，200 hPa层急流轴穿过辽宁的东北部地区，且正处于急流出口的左侧，低层强辐合和高层强辐散正好叠加，这也是丁一汇等[25]描述的强上升运动区配置，有利于单体风暴的发生与发展。

陶诗言[26]指出，不稳定大气层结、上干下湿水汽垂直分布和强垂直风切变是发生强风暴关键条件。沈阳风廓线雷达显示(图1a):17:00，1500 m高度以下为西南风、以上为西到西北风，低层暖平流明显。08:00探空显示(图略)，850—500 hPa温度差大值中心位于辽宁东北部和吉林西部，700 hPa以下温度露点差(t-td)平均在2.4 ℃，随后t-td逐渐增大，500 hPa的t-td接近40 ℃，因此，辽宁东北部中低层存在明显的暖湿而高层冷干的大气层结。丁一汇等[25]指出，“低层暖湿高层冷干”为不稳定气层，而且在风暴发展阶段；Davies-Jones[27]发现，卷入干空气会使雨滴在下沉气流强烈蒸发冷却，利于在下沉气流与暖湿入流边界生成斜压涡旋，进一步增强中气旋发生和促进风暴的发展。Brooks和Craven[28]通过多次观测实验也表明，低层(0—1 km)垂直方向风切变大和抬升凝结高度低的环境条件，也有利于发生强龙卷发生。08：00长春探空显示，当时环境大气抬升凝结高度为930 m偏低，从沈阳风廓线雷达看，17:00，0—1 km的风矢量差值为10 m·s-1，这比王秀明等[16]对东北龙卷发生时的统计值略偏低，但0—6 km的风矢量差值为20 m·s-1在其统计值的范围内。因此，从次天气尺度及中尺度环境条件来看，环境条件是有利于强对流风暴发生和发展。

天气尺度和中尺度环境条件对于对流风暴的发生发展有明示作用，但其触发的条件主要受小尺度环境的影响。在龙卷发生前(图略)，14:00在辽宁北部与内蒙古交界处地面存在明显的干线，沿干线有小尺度积云生成；16:00在辽宁东北部区域出现了地面辐合线，且在13:00—16:00出现3 h负变压-1.8 hPa(图1b)，地面干线汇合流场形成地面辐合线在17:15产生湿对流并发展成为对流风暴。这与王秀明等[16]统计东北地区龙卷风触发机制结论一致。在低层西南急流作用下，辽宁东北部大气迅速增湿，明显看出15:30—16:30的1 h大气可降水汽(PWV)值迅速增加，开原国家气象站PWV增幅最大，1 h增加11 mm(图1c)。产生龙卷前的对流风暴在16:30开始出现了降水，超级单体风暴爆发前后(图1b)17:00—18:00地面露点温度从19 ℃下降到16 ℃，温度29 ℃下降到19 ℃，地面极大风速在17：51达最大(图1d),为23 m·s-1。地面大气近乎饱和形成冷池，以开原上游的长春站，用龙卷即将发生时17:00的温度和露点订正08:00长春的探空图，订正后对流有效位能(CAPE)值3500 J·kg-1，对流有效位能显著超过王秀明等[16]统计的东北龙卷发生时对应的值。综上所述，辽宁省开原市超级单体风暴是在小尺度的边界层辐合线附近触发，在强的热力不稳定和冷池的环境条件下，加速风暴单体内斜压涡度生成进而发展为伴有龙卷天气的超级单体风暴。

图a一个风向杆为4 m·s-1

2.2 超级单体演变的雷达回波分析

选取沈阳雷达站资料对此次超级单体风暴伴有龙卷过程进行分析。需要说明的是，沈阳雷达距离此次过程发生和发展地开原市约75 km。雷达探测能力有一定的限制，但仍可以捕捉到超级单体风暴的一些重要特征信息。

由沈阳雷达0.5 °回波图像(图2)可知，16：24大片的层状云和积云混合降水回波夹裹着3个对流单体风暴(分别编号A、B、C)进入开原北部，这时3个单体风暴刚开始发展，回波强度普遍小于35 dBz，16:36(图2b)，对流单体进入开原北部地区并产生降水，A、C单体风暴迅速增强，发展最强的C单体风暴中心强度为55 dBz。随后3个单体风暴继续发展并向东南方向移动，16:54(图2c),A单体风暴中心强度55 dBz，此时C单体风暴中心强度发展到65 dBz，不过C单体风暴后续向东南方向移动，它不是造成此次龙卷过程的单体风暴。因A单体风暴南下分量大于东移分量向东南移动，造成龙卷过程的A单体风暴继续发展。17:00(图2d)中心强度发展到65 dBz，回波已经进入开原城区，在中层(2.4°仰角、高度3900 m)，出现了明显的正负速度对，其中最大负速度约为-31 m·s-1;最大正速度约为29 m·s-1，旋转速度为30 m·s-1(图3)，达到强中气旋标准[29]；17:12龙卷发生前5 min，在强回波带左侧的弱回波对应着后侧下沉气流区(RFD)，50 dBz强回波离地面9 km，强单体回波主体向东南倾斜，并向偏南方向移动。17:15，目击者观测到上方的漏斗云正在向下发展，17：17，进一步观测到漏斗云与地面上的气流合拢；17:18，雷达回波低层(0.5 °仰角)出现钩状回波特征，龙卷发生地开原市金钩子镇位于钩状回波边缘，并且这时低层(0.5°仰角)也首次出现了正负速度对，最大负速度约为-31 m·s-1，最大正速度约为27 m·s-1，旋转速度为28 m·s-1，也达到强中气旋标准，对应的垂直涡度估计为7 s-1。按照偶极子结构从上到下出现的顺序，判断此次龙卷涡旋的形成过程属于“自上而下”I型，此时，探测从2.4°仰角向下伸展到0.5°仰角，中气旋已经逐渐形成为一个非常深厚的强中气旋，在强烈上升气流拉伸作用下产生龙卷式涡旋特征TVS，这与郑永光等[21]分析此次龙卷过程正负偶极子先后出现的顺序是一致的，但袁潮等[22]分析是首先在低仰角发现了中气旋。17:24，龙卷发展最为强盛，从雷达回波垂直剖面可以明显看出，与强上升气流对应，低层有界弱回波区和位于其上的回波悬垂区等一系列超级单体风暴的典型结构特征[30]。从08：00长春的探空看，0 ℃层和-20 ℃层的高度分别为3.5 km和6.8 km，高于50 dBz的强回波发展到8.5 km高度，符合Witt等[31]统计出的大冰雹生长高度。实际在开原市区也观测到大冰雹。同时也发现，强于50 dBz回波呈现出高质心雹暴结构，与无龙卷的超级单体风暴常表现出的低质心非雹暴结构[32]形成明显对比。17：45以后，虽然龙卷已经减弱消失，但对流风暴的正负偶极子速度对特征一直维持到18:18，这表明具有高度组织化的超级单体风暴，其耗散滞后于龙卷消亡。

A、B、C分别为3个对流单体风暴；虚线为超级单体风暴发展轨迹，实线为剖面位置，圆形标记为龙卷发生位置

图3 超级单体风暴生成前17：00在0.5 °(a)、1.5 °(b)、2.4 °(c)和生成后17：18在0.5 °(d)、1.5 °(e)、2.4 °(f)仰角径向速度

2.3 龙卷风发生机制分析

上一节针对2019年7月3日在辽宁省开原市发生的超级单体风暴伴有EF4强龙卷多普勒雷达特征进行了详细的描述，揭示出一些具有高度组织的超级单体风暴的结构及其演变特点。下面主要对该“自上而下”型龙卷的中气旋起源以及超级单体风暴演变机制问题进行分析。需要指出的是，ERA5再分析资料的时空分辨率不足以捕捉到龙卷小尺度发生发展的重要信息，但仍可以揭示超级单体风暴生消演变等重要的环境特征信息。

图4为1000 hPa高度上位涡及水平流场随时间演变。16:00(图4a)在开原国家气象站(124.03°E、42.53°N)东北部为偏西风和西南风，开原站处于西北风的负位涡区，低层水平涡度矢量为顺时针旋转，但在其上游北部存在地面辐合线区域，低层水平涡度矢量为逆时针旋转(图5a)，有正位涡区与其对应，随着低空急流增强，地面干线的汇合流场形成地面辐合线向东南移动；17：00开原东北部低层有暖湿的西南风和偏南风交汇，水平涡度逆时针旋转矢量场与正位涡均向东南方向推移，这时开原站位于正位涡的边缘(图4b)，龙卷发生地水平涡度也由顺时针旋转转变为逆时针旋转(图5b)，形成强烈的辐合抬升运动(图6)，触发对流风暴，15:30—16:30辽宁东北部大气迅速增湿、低层不稳定能量迅速积累，不稳定能量由底层传递到高层风暴母云体内，转换为风暴上升运动动力。通过沈阳风廓线雷达计算，这时，沈阳0—1 km的风矢量差值为10 m·s-1，由于超低空急流在辽宁东北部已建立，开原地区0—1 km的风切变预计会更大。Davies-Jones[27]曾指出，强垂直风切变对龙卷的形成有重要作用。对流抬升使得与风切变关联的水平涡度矢量发生倾斜，进而转化为对流风暴中垂直涡度，对流风暴中的强上升运动使得顺流涡度倾斜拉伸，从而在雷达2.4°仰角首先出现中气旋。低层水平涡度逆时针旋转矢量越大转换成垂直涡度越大，进而中低层垂直涡度与地面之间扰动的气压梯度越大，反馈到对流风暴是具有更强的上升运动。这时在强风暴后侧下沉气流(RFD)导致地面出现明显降温并形成了冷池(图略)。郑永光等[21]分析合适的冷池形成斜压涡度，且将中低层的涡度“压低”。因此，17：15，观测到漏斗云向下发展，随后17:18在雷达0.5 °仰角出现中气旋。风暴在继续向南移动的过程中，从18：00(图6c和d)发现这时西到西北风的下沉气流促使低层温湿度条件发生变化，环境干燥空气夹卷造成水滴蒸发和冷却能力加强，开原站17:00—18:00之间1 h降温达到10 ℃过强的冷池，在提高冷池强度的模拟试验发现[33]，强盛的冷池对龙卷涡旋发展造成负反馈，它会直接切断中气旋的强入流，造成低层的垂直涡度强度的减弱，导致在17:45左右龙卷减弱消散。

填色为位涡，单位为PVU；箭头为水平风场，单位为 m·s-1；菱形标记为龙卷发生位置

流线单位为10-3 m·s-1·Pa-1；菱形标记为龙卷发生位置

填色为垂直涡度，单位为s-1；等值线为垂直速度，单位m·s-1；箭头为水平风场，单位为m·s-1；菱形标记为龙卷发生位置

Lilly[34-35]指出，强的对流风暴具有螺旋度高的特点，相对高的螺旋度可以阻碍风暴能量耗散。由龙卷爆发前后风暴相对螺旋度(HSR)的变化(图7)可以看出，17：00超级单体风暴生成时处在HSR为190—200 m2·s-2的高值区(图7a)，已超过国外总结得出的产生龙卷中值180 m2·s-2[36]，这种大的HSR使风暴单体能从环境中获得更多的能量，且能长时间维持风暴运动，17：45以后，龙卷虽然已经减弱消失，但具有正负偶极子速度对的超级单体风暴特征却一直维持到18:18。

填色为风暴相对螺旋度，单位为m2·s-2；菱形标记为龙卷发生位置

3 结论与讨论

(1)本次龙卷过程发生于200 hPa急流出口的左侧，500 hPa冷涡南侧短波槽槽后干冷下沉气流区，850 hPa有西北风和西南风切变，低层强辐合和高层强辐散的动力抬升区，在龙卷发生前，低层西南急流增强，大气迅速增湿，不稳定能量积聚，在地面干线汇合流场形成的地面辐合线触发了对流单体风暴，风暴在强热力不稳定条件下发展为超级单体风暴并伴有龙卷风。

(2)龙卷发生前期，低层暖湿高层冷干和抬升凝结高度低，CAPE值异常偏大，加剧大气层结不稳定，诊断计算龙卷即将发生时风暴HSR和对流有效位能与王秀明等[16]东北F2级以上龙卷统计均值相比较明显偏高，0—1 km风矢量差值略偏低，但0—6 km风矢量差值适中。风暴爆发时，HSR值超过国外总结的发生龙卷中值，中气旋最强时的旋转速度达到强中气旋标准。

(3)多普勒雷达回波显示，龙卷发生于低层钩状回波附近，在龙卷发展最强盛时期，呈现出有界回波、回波悬垂、中气旋等经典超级单体风暴特征，同时具有龙卷特征的高质心雹暴结构。径向速度显示，龙卷发生前17 min，在2.4 °仰角首先出现中气旋结构，随后向下发展，龙卷发生后1 min，在0.5°仰角达到强中气旋标准并出现TVS结构，属于“自上而下”I型龙卷。

(4)通过计算涡度方程，龙卷可能的形成机制为，边界层辐合线汇合流场产生了水平涡管，在垂直速度场抬高下转变为垂直涡管，对流风暴中的较大上升运动促进顺流涡度向下倾斜并拉伸产生了中气旋，风暴RFD形成的合适冷池将中低层的涡度“压低”并形成龙卷风。在风暴继续向南方向移动过程中，强冷池切断了中气旋的入流，龙卷减弱消散。由于超级单体风暴具有较大的HSR致使在龙卷消失后，其中气旋的特征没有随之消失，而是又持续了约30 min。

综上所述，龙卷风时空尺度小，现有资料和技术对其预报预警依然难度很大，短期预报应着眼于大尺度环流背景下、次天气尺度系统扰动上的潜势预报，虽然新一代天气雷达在我国业务观测布网已经多年，但是雷达布网在时空上的分辨率还不能满足龙卷监测预警业务，对于龙卷这种小尺度的天气系统，需要更精细资料对其分析。

值得一提的是，随着手机和摄像机的广泛使用，有了首次观测和记录龙卷完整的生消形态。因此，除了要继续提升包括龙卷等极端强对流天气监测能力，包括地面自动气象站、气象探空站、风廓线雷达、新一代天气雷达等的布局优化，如何整合民间观测资源，第一时间发现与捕捉龙卷风也很重要。