内蒙古一次强龙卷天气的中尺度特征分析

2023-09-07王学强李晓坤李林惠孙岳飞张桂莲姜学恭

沙漠与绿洲气象 2023年4期

王学强，李晓坤，李林惠，苏亮，孙岳飞，张桂莲，姜学恭

（1.锡林郭勒盟气象局，内蒙古锡林浩特 026000；2.内蒙古自治区气象局，内蒙古呼和浩特 010051；3.内蒙古自治区气象台，内蒙古呼和浩特 010051）

龙卷是对流云产生的破坏力极大的小尺度灾害性天气，其直径一般为几米到几百米，具有突发性强、生命史短、尺度小等特点，预报与预警难度较大。一般将龙卷分为超级单体龙卷和非超级单体龙卷[1]。研究表明[2-4]，钩状回波、有界弱回波区（BWER）、径向速度场的中气旋、龙卷涡旋特征（TVS）等雷达产品特征对龙卷的出现具有十分重要的指示意义。俞小鼎等[5]对2005 年7 月30 日发生在安徽北部的一次强龙卷天气进行分析，发现大的低层垂直风切变、低的抬升凝结高度和地面阵风锋是F2 级以上的强龙卷产生的先决条件。王秀明等[6]研究发现，干线及其伴随的强边界层辐合是东北地区龙卷的触发机制。近年来，许多学者对龙卷从不同方面进行了研究[7-19]。张楠等[20]对2018 年8 月13 日发生在天津静海地区的EF3级强龙卷过程进行深入分析得出，强龙卷发生在线状对流中，且引发龙卷的对流风暴不具备超级单体风暴典型特征。徐玥等[21]对黑龙江省一次伴有龙卷的暖区暴雨成因进行分析得出，地面辐合线和地形抬升是对流的触发机制，高空急流与低层辐合耦合促使对流快速发展增强。

内蒙古自治区地处中国北部，面积为118.3 万km2，东西长约2 400 km，南北宽约1 700 km，由于面积较大，布设的雷达站网稀疏，监测到的龙卷个例较少，所以对内蒙古龙卷研究的学者非常少，但目前随着科学技术的发展，特别是新一代多普勒天气雷达监测站网的增多，越来越多的学者对内蒙古的龙卷进行了研究，乌文奇等[22]对2009 年7 月16 日内蒙古通辽市遭受雷电、龙卷风、冰雹袭击的天气过程进行分析，发现龙卷发生在同一对流云带中两个对流云团合并处的强对流云团中。严华等[23]对内蒙古通辽市科左后旗甘镇一次龙卷风进行分析，指出龙卷天气的发生不仅依赖于热力作用，动力条件也起着重要作用。刘媛媛[24]讨论了现有气象条件下，在科尔沁沙地南源和西辽冲击平原交错地带农业生产应对龙卷的有效措施。晋亮亮等[25]对2017 年内蒙古赤峰“8·11”龙卷环境场及雷达特征进行分析，表明环境背景场有利于出现龙卷天气，雷达没有识别龙卷涡旋特征，但识别出三维相关切变和中气旋，且中气旋达到了中到强等级的中气旋，龙卷接地前，对应的中气旋顶高≤6 km，切变≥15×10-3s-1。郭鲁彦等[26]对2016 年9 月内蒙古通辽市一次龙卷过程进行了分析，发现龙卷发生在高空槽前、中高层急流北侧、低空急流左侧和地面气旋暖区一侧，是由超级单体引发的。内蒙古锡林郭勒盟属于高平原地区，面积较大，布设的雷达站网更是稀疏，监测到的龙卷个例甚少，近2 年发生过两次龙卷，但由于雷达离观测距离太远，对龙卷在雷达方面的认知和了解远远低于短时强降水、雷暴大风和冰雹。本文针对2021 年6月25 日发生在内蒙古太仆寺旗强龙卷过程的中尺度特征进行分析，为今后锡林郭勒盟地区龙卷预报和预警提供参考。

1 天气实况及灾情

2021 年6 月25 日14：10—14：40，锡林郭勒盟太仆寺旗千斤沟镇建国村和马坊子村出现三级强龙卷灾害性天气，并伴有短时强降水、冰雹、雷电等强对流天气。灾害天气出现期间，千斤沟镇建国村14—16 时降水量为31.6 mm，14—15 时小时降水量达26.0 mm，并伴有冰雹（鸡蛋大，目击者）。龙卷于6 月25 日14：10 左右生成于太仆寺旗千斤沟马坊子村西马坊北侧，移动途经东马坊子、建国村大营子，14：40 消亡于建国村三级地东南2 km，路径全程13 km，受灾宽度50～200 m。龙卷移动途经地造成人员伤亡，房屋倒塌损毁，树木撸顶、折断、拔起，车辆及农机翻滚移位，加油站受损等灾害，共造成6人死亡，14 人受伤，46 户98 人受灾，房屋倒塌146间。通过专家实地调查，结合雷达、自动站等气象资料分析认定，此次龙卷风强度达到强龙卷（三级）级别（图1）。

2 强龙卷发生的天气尺度背景

由2021 年6 月25 日08 时的高空形势场可知，200 hPa 内蒙古西部—河套—渤海一带存在一支明显风速＞30 m/s 的高空急流，锡林郭勒盟地区位于急流轴的出口区左侧，处于强迫辐散区，正涡度增大，高层抽吸作用明显。500 hPa 锡林郭勒盟地区位于高空槽控制当中，并存在明显的冷温度槽。700 hPa 高空槽加深，形成冷涡，太仆寺旗处于低涡后部西北气流中。850 hPa 锡林郭勒盟位于高空槽前西南气流中，并处于暖温度脊中。高空槽前倾结构明显，上层的温度槽与下层的温度脊叠置，构成上冷下暖的不稳定层结，有利于强对流天气的发生。从25 日08 和14 时海平面气压场可知，锡林郭勒盟地区一直处于低压带中，地面的辐合有利于上升运动加强。

3 龙卷发生地探空资料分析

采用NCEP 格点资料内插到站点方法计算龙卷发生地的探空资料，从龙卷发生地建国村站（115.5°E 、41.8°N）6 月25 日08 和14 时T-lnP 图（图2）可知，中低层相对湿度较好，水汽主要集中在700 hPa 以下，中层以上有干冷空气侵入，抬升凝结高度在500 m 以下。据统计，产生F2 级以上龙卷的平均抬升凝结高度为981 m，我国东北F2 级以上龙卷平均抬升凝结高度为800 m[26]。建国村探空站的海拔为1 384 m，地面接近850 hPa，因此用850～750 hPa 的垂直风切变表示低层的垂直风切变，14 时地面到750 hPa 的垂直风切变为12×10-3s-1，850～400 hPa 垂直风切变为20×10-3s-1，为较强的垂直风切变。25 日08 时建国村探空站的对流有效位能CAPE值为1 505.9 J/kg，14 时CAPE 值增大到2 324.8 J/kg（图2）。充沛的低层水汽、低的抬升凝结高度及大的对流有效位能和强的低层垂直风切变是产生超级单体龙卷的有利条件。

图2 2021 年6 月25 日建国村站T-lnP（a 为08 时，b 为14 时；黑色实线为状态曲线，红色实线为温度层结曲线，绿色实线为露点层结曲线，红色区域为对流有效位能）

4 强龙卷发生的中尺度物理量条件

4.1 动力条件

沿41.8°N 对龙卷中心垂直速度、散度和风场作垂直剖面，由于龙卷发生地建国村站海拔较高，地面接近850 hPa。由图3a 可知，龙卷发生前，25日08 时龙卷中心的散度场整层为辐散结构，主要以下沉气流为主，高空西北风较强。随着时间连续演变，14 时（图3b），龙卷发生地850～700 hPa 为负速度，有较强的上升运动，700 hPa 以上为正速度，并存在一个正的大值中心，中心值达到1.2 hPa/s；700 hPa以下为负散度区，存在一个负的大值中心，中心值达到-9×10-5s-1，700 hPa 以上为正散度区，存在一个正的大值中心，中心值达到9×10-5s-1，这种高层辐散、低层辐合的散度场非常有利于上升运动的加强和维持。

图3 2021 年6 月25 日龙卷中心沿41.8 °N 对垂直速度、散度及风场作垂直剖面（a 为08 时，b 为14 时；▲代表龙卷发生地，阴影部分为垂直速度，灰色部分为地形区域，等值线为散度场）

4.2 不稳定条件分析

25 日08 时龙卷中心850 与500 hPa 温度差为24 ℃，14 时温度差明显增加，达32～34 ℃。CAPE 值08—14 时逐渐增大，14 时龙卷中心达到1 600～2 400 J/kg，K 指数增大到32～36 ℃，不稳定条件较好，有利于强对流天气的产生。

4.3 水汽条件

沿6 月25 日14 时龙卷中心（115.5°E 、41.8°N）风场和比湿作垂直剖面，800 hPa 以下比湿达到10～14 g/kg，600 hPa 以上比温<4 g/kg，大气层结为上干下湿的结构。从风场来看，龙卷发生区域存在强的高低空垂直风切变。即充沛的低层水汽和强的垂直风切变是非常有利于强风暴系统的发展和维持。

4.4 抬升触发条件

对14—15 时逐5 min 加密自动站观测资料分析（图4），本次龙卷过程中，地面存在明显的中尺度辐合线，自西向东移动，辐合较强。同时在中尺度辐合线附近伴有露点锋，存在明显干线。龙卷发生前，地面干线位于锡林郭勒盟西南部至河北西部一带，干线两侧温度露点差为14～16 ℃。干线西侧露点温度为1～8 ℃，为显著干区，干线东侧露点温度在18 ℃左右，有明显的湿区，干线与中尺度辐合线共同作用下触发强对流天气，由于高空西北风较强，对流风暴平流到湿区一侧强烈发展，产生龙卷天气。

图4 2021 年6 月25 日14—15 时（BT）锡林郭勒盟地区地面辐合线和干线（代表地面辐合线，代表干线，黑色矩形框代表龙卷发生地）

5 雷达资料分析

由14：06 0.5°仰角的基本反射率因子（图5a）可知，太仆寺旗偏东方向上空明显存在一超级单体回波F0，中心强度达到60 dBZ 以上，呈钩状回波结构，具有“V”型缺口，旁瓣回波、低层弱回波区的特征。由14：12 不同仰角鼠标联动所指向的同一位置（图5b～5e）可知，存在悬垂回波，说明有大冰雹天气。叠加风暴追踪信息表可以看到强回波中心向东南方向移动，同时在太仆寺旗上空H1 回波加强，中心强度达到60 dBZ 以上，F0 与H1 相互作用，发展增强。14：24 强回波H1 的60 dBZ 强度区域增大，旁瓣回波明显，说明此时超级单体发展最强盛。由14：24 的组合反射率因子可知，太仆寺旗偏东方向上回波非常强，沿H1 最强回波中心作径向剖面（图5f、5g）可知，强回波高度达到4 km 左右，有利于冰雹的产生。14：30 F0 与H1 强中心开始减弱，但F0的“V”型缺口仍然存在，H1 的旁瓣回波明显，说明强天气仍在持续，此时太仆寺旗南侧新生一回波B2，叠加风暴追踪信息表可以看到B2 回波中心向东移动，14：36 风暴单体F0 与H1 强中心明显减弱，为55 dBZ，太仆寺旗南侧新生的回波B2 却在发展加强，中心强度达到60 dBZ 以上，14：42 风暴单体F0 与H1 消散，B2 回波发展东移，强中心位于太仆寺旗与河北省交界，“V”型缺口特征清晰，14：48“V”型缺口移出太仆寺旗境内，影响该区域的强对流天气结束。

图5 2021 年6 月25 日张家口雷达不同仰角基本反射率因子产品（a～e）、14：24 雷达组合反射率因子（f）和沿图5f 中黑色粗线进行RHI 扫描的雷达反射率因子（g）（⇨代表不同仰角的同一位置）

由0.5°仰角的基本径向速度（图6a、6b）可知，太仆寺旗东侧存在明显的辐合区，最大正负中心速度对均达到15 m/s，并且持续至少2 个体扫。14：24辐合区向东南方向移动，气旋式辐合进一步加强，水平范围为5 km 左右，且维持2 个体扫。14：42 正负速度对位于太仆寺旗与河北交界，辐合强度减弱，仅仅存在气旋式旋转，说明龙卷天气趋于结束。14：48气旋式辐合加强，但中心区移出太仆寺旗，影响该区域的强对流天气结束。

图6 2021 年6 月25 日张家口雷达0.5°仰角的基本径向速度产品（a 为14：06，b 为14：12）

由风暴参数分析（图7）可知，龙卷生成前，F0和B2 最大反射率因子变化不大，但F0 最大反射率因子较强，一直维持在60 dBZ 左右，B2 最大反射率因子较弱，在40 dBZ 左右波动，H1 最大反射率因子处于一个增加的过程，从40 dBZ 增加到60 dBZ。对应最大反射率因子高度，龙卷发生前，F0 最大反射率因子高度较低，在1.3～1.5 km，H1 整体呈波动下降的趋势，14：00 时最低，为1.2 km，B2 明显增加，在14：06 最高，为5.2 km。从回波顶高来看，3 个风暴单体都呈波动上升趋势，F0 和B2 在14：06 达到最高，但F0 的回波顶高明显高于B2，H1 在14：00达到最高，为10.3 km。由VIL 可知，F0 在龙卷发生前5 个时次有明显的跃增，VIL 从35 kg·m-2增加至78 kg·m-2，H1 为先增加后减小，在13：48 达到最大，为65 kg·m-2，B2 在龙卷发生前一直非常小，在0～1 kg·m-2。

图7 2021 年6 月25 日（BT）F0 风暴单体参数（a）、H1 风暴单体参数（b）、B2 风暴单体参数（c）（双红竖线之间为龙卷维持阶段，双红竖线左侧为龙卷生成前阶段，双红竖线右侧为龙卷消散阶段）

龙卷维持阶段，F0 和H1 最大反射率因子一直在60 dBZ 上下变动，B2 明显增加，在14：36 达到最大，为62 dBZ。对应最大反射率因子高度，F0 变化较大，14：24—14：30 有明显的跃增，从1.4 km 增加到8.8 km，龙卷的最大灾害也是发生在这一明显跃增时段里，H1 的最大反射率因子的高度很低，一直处于1.2 km 左右，说明H1 产生龙卷的概率很小，B2 变化较大，在1.2～6.2 km，14：36 达到最高，此时强回波中心已经移出太仆寺旗境内。由回波顶高可知，F0 一直维持在12 km 左右，说明在龙卷发生过程中对流发展非常旺盛，H1 回波顶高在14：24 之前一直维持在10 km 左右，之后减弱，说明14：30 之后H1 对流风暴开始减弱消散，B2 回波顶高一直在增加，14：30 之后回波顶高维持在11 km 左右。由VIL可知，F0 在此阶段一直维持在65 kg·m-2左右，H1从40 kg·m-2增加至62 kg·m-2，14：18 达到最高，之后迅速减小，B2一直处于增大的过程，14：40 达到最大，为63 kg·m-2。

龙卷消散阶段，F0 的4 个参数因子仍然维持较强，H1 的4 个参数因子减弱至0，B2 的4 个参数因子都是在龙卷发生过程结束后达到最强，此时强回波已经移出太仆寺旗境内，最强回波位于河北沽源一带。

通过对F0、H1、B2 3 个风暴参数在不同阶段变化的分析发现，龙卷发生前基于单体的垂直累积液态水有明显的跃增，在龙卷维持中回波顶高、最大反射率因子及其高度都非常大。综合考虑此次龙卷天气过程与3 个超级单体风暴相关，主要由F0 风暴单体造成的。