項陽 吳林林

(1 安徽省阜陽市氣象局，阜陽 236000； 2 安徽省人工影響天氣辦公室，合肥 230031)

引言

龍卷是風(fēng)速迅猛、破壞力極大的小尺度災(zāi)害天氣，由于目前探測和預(yù)報手段的限制，觀測這類小尺度對流系統(tǒng)的瞬變信息及預(yù)報、預(yù)警難度都很大，往往造成人員傷亡和慘重財產(chǎn)損失[1]。

國內(nèi)外氣象學(xué)者對產(chǎn)生龍卷的天氣成因及對流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)已進(jìn)行了卓有成效的研究[2-3]。隨著我國多普勒天氣雷達(dá)和高密度自動氣象站的快速建設(shè)，為監(jiān)測預(yù)警龍卷提供了強(qiáng)有力的支持，俞小鼎等[4-5]使用這些高分辨率觀測資料分析了龍卷的環(huán)境背景和多普勒雷達(dá)反射率因子、速度場等特征。雖然雷達(dá)探測到的中氣旋和龍卷渦旋(TVS)特征在識別龍卷時虛警率較高，但依然是目前預(yù)警龍卷的最有效手段。一些研究個例證明[6-8]，中氣旋產(chǎn)品一般超前于龍卷，如果中等以上強(qiáng)度的中氣旋其底部到地面的距離小于1 km時，產(chǎn)生龍卷的概率可達(dá)40%以上。當(dāng)中氣旋和TVS同時被探測到時，龍卷的發(fā)生概率可提高到50%以上。龍卷發(fā)生時反射率因子的主要特征是低層的鉤狀回波，有時由風(fēng)暴主體向低層入流方向伸出的一個突出物[9]。龍卷出現(xiàn)之前，強(qiáng)風(fēng)暴回波頂高度、最大反射率因子所在高度都激增，而它們的快速下降和龍卷風(fēng)幾乎同時發(fā)生[10]。龍卷發(fā)生時中氣旋的底和頂高都降低，最大反射率因子高度也降到和底高一樣高度[11]。龍卷渦旋參數(shù)最強(qiáng)的時間與龍卷實際出現(xiàn)的時間基本吻合[12]。

龍卷碎片(TDS)[13]對確認(rèn)龍卷的發(fā)生和位置非常有用，張建云[14]利用CINRAD/ SA雙偏振雷達(dá)[15]資料，觀測到強(qiáng)龍卷超級單體鉤狀回波末端處高達(dá)65 dBz的反射率因子，還在X波段雙偏振雷達(dá)上探測到了低的差分反射率和零滯后相關(guān)系數(shù)[16]。

安徽省宿州市地處皖北平原東部，是我國龍卷天氣發(fā)生較為頻繁的地區(qū)之一[17]。雷達(dá)探測發(fā)現(xiàn)，梅雨期龍卷[18]或由梅雨帶南側(cè)的孤立對流單體強(qiáng)烈發(fā)展所致，或由鑲嵌于梅雨雨帶中的對流單體發(fā)展引發(fā)，其尺度小、天氣及其猛烈。據(jù)不完全統(tǒng)計，這類龍卷約占安徽龍卷的21%[19]。

蚌埠新升級雙偏振雷達(dá)(SA)自業(yè)務(wù)運行以來，2020年7月22日首次探測到宿州出現(xiàn)的EF1級龍卷天氣過程，觀測到維持時間長并伴隨中氣旋和龍卷渦旋特征的超級單體風(fēng)暴，TVS持續(xù)102 min，為近年來少見，還觀測到龍卷渦旋碎片特征。因此，有必要對此次龍卷發(fā)生的環(huán)境場條件、雷達(dá)產(chǎn)品資料進(jìn)行梳理，找到與過去研究的一致性和差異，發(fā)現(xiàn)更多可以在業(yè)務(wù)中直接應(yīng)用的信息指標(biāo)和可能提前預(yù)警的線索。

1 龍卷概況

2020年7月22日受梅雨鋒雨帶影響，安徽省宿州市埇橋區(qū)的祁縣鎮(zhèn)、蘆嶺鎮(zhèn)、大澤鄉(xiāng)、大店鎮(zhèn)和靈璧縣的禪堂鄉(xiāng)遭受過境龍卷風(fēng)和暴雨襲擊，造成房屋倒塌、玉米倒伏、林木受損，死亡1人，受傷1人，直接經(jīng)濟(jì)損失1261.5萬元。

根據(jù)實地勘察、雷達(dá)、地面自動氣象站資料分析，此次龍卷是由伴有中氣旋和龍卷渦旋特征的超級單體風(fēng)暴造成的，低層0.5°基本反射率因子圖上風(fēng)暴右后側(cè)伴有溝狀回波，據(jù)反映18:00左右漏斗云旋轉(zhuǎn)，大量黑色物塊、磚瓦被卷起來，龍卷呈西西南向東東北路徑過境，影響時間近1 h，全程約70 km，影響寬度0.1～1 km，是安徽省近年來遭受龍卷影響時間和距離最長的一次。

龍卷發(fā)生地的周邊地區(qū)地面氣象要素觀測空間分辨率在7 km左右，分析氣象站點數(shù)據(jù)資料可知，影響路徑上無氣象站點，在22日18:00—19:00時段內(nèi)，周邊氣象站點觀測到了6～9級風(fēng)，最大的有蘆嶺9級、婁莊8級、靈璧8級(圖1a)，并伴有短時強(qiáng)降水，周邊站點小時雨強(qiáng)在20～40 mm/h，整個過程(22日08:00至23日08:00)累計降水量(周邊站點)：大店69.7 mm、靈璧48.4 mm、禪堂60.6 mm(圖1b)。超級單體風(fēng)暴呈現(xiàn)鉤狀回波(反射率因子過濾掉20 dBz以下的回波)和伴有中氣旋、TVS期間的移動路徑與龍卷的破壞移動路徑基本一致(圖2)，并與圖1a中最強(qiáng)風(fēng)速出現(xiàn)的區(qū)域相匹配。

圖1 2020年7月22日18:00—19:00安徽宿州地區(qū)極大風(fēng)風(fēng)場(a)及22日08:00至23日08:00累計降水量(b) (圖中紅色箭頭為龍卷影響路徑)

安徽省氣象局對祁縣鎮(zhèn)的陳橋村(圖2中A，33.483°N， 117.012°E)和沈寨村(圖2中D，33.461°N， 117.25°E)、大澤鄉(xiāng)的洪廟村(圖2中B，33.498°N， 117.015°E)和劉村(圖2中C，33.499°N， 117.015°E)、靈璧縣禪堂鄉(xiāng)的劉楊村(圖2中F，33.614°N， 117.598°E)和206國道煙汕線(圖2中E，33.463°N， 117.267°E)共6地進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，依據(jù)樹木扭斷、房屋損壞等受損程度和周邊氣象資料綜合分析，判定為強(qiáng)度等級達(dá)到EF1龍卷。

圖2 2020年7月22日17:52—18:49蚌埠S波段雙偏振雷達(dá)0.5°仰角龍卷風(fēng)暴單體移動路徑上反射率因子 (圖中倒三角形為龍卷渦旋TVS,圓圈為中氣旋，紅色連線為TVS的移動路線，A、B、C、D、E、F為勘察地)

2 資料和方法

選用距離災(zāi)害發(fā)生地最近(約63～78 km)的蚌埠S波段雙偏振多普勒雷達(dá)對此次龍卷進(jìn)行分析。本文依據(jù)實況天氣圖、探空資料和5 min間隔的高密度地面自動站及雙偏振雷達(dá)資料分析了產(chǎn)生龍卷的環(huán)境場條件，探討了龍卷超級單體風(fēng)暴的反射率因子特征，研究了產(chǎn)生龍卷的單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、中氣旋和龍卷渦旋特征(TVS)參數(shù)的演變情況。

風(fēng)暴參數(shù)主要包括：底高、頂高、最大反射率因子/高度(DBZM/HT)、垂直累積液態(tài)水(VIL)。中氣旋參數(shù)有：底高、頂高、伸展厚度、最大切變量/高度(SHR/HT)。TVS參數(shù)有：底高、頂高、三維環(huán)流特征的厚度(Tdpt)、三維環(huán)流特征中最大切變量/高度(Tmxshr/HT)、徑向速度差平均值(Vad)、最低仰角徑向速度差(Vlld)、最大徑向速度差/高度(Vmxd/HT)。

3 環(huán)境場分析

3.1 大氣環(huán)流特征

7月22日08:00，500 hPa圖上安徽省東北部的宿州市受西太副高北側(cè)的槽前西南氣流影響，位于850 hPa暖切變南側(cè)西南急流中；地面圖上，氣旋中心在河南駐馬店附近，冷鋒(東北西南向)從駐馬店伸向湖北襄樊、恩施一線，宿州市處在氣旋的右側(cè)。隨著500 hPa低槽東移，安徽北部地區(qū)轉(zhuǎn)為弱西北氣流，有弱冷空氣侵入，中低層配合有低渦沿穩(wěn)定少動的暖切東移，18:00左右地面氣旋到達(dá)江蘇沛縣附近，同時冷鋒自西向東移過安徽宿州市埇橋區(qū)的祁縣鎮(zhèn)、蘆嶺鎮(zhèn)、大澤鄉(xiāng)、大店鎮(zhèn)和靈璧縣禪堂鄉(xiāng)一帶，出現(xiàn)龍卷和暴雨天氣。

3.2 不穩(wěn)定條件

研究表明[19]，龍卷易發(fā)生在底層暖濕、抬升凝結(jié)高度較低，有較強(qiáng)的中低層垂直風(fēng)切變、中層有冷空氣、大氣不穩(wěn)定的條件下；另外，有些龍卷超級單體發(fā)生在小的對流有效位能(CAPE)和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變下[20]。表1為宿州災(zāi)害點周邊的3個探空站(阜陽、徐州、南京)22日08:00和20:00的數(shù)據(jù)資料。南京站(距離災(zāi)害點220 km)CAPE值較大，而徐州(距離災(zāi)害點70 km)和阜陽(距離災(zāi)害點130 km)的CAPE值都較小，這是由于7月21、22日安徽和江蘇的淮河以北地區(qū)有雷暴發(fā)展造成的。3個探空站的K指數(shù)都較大在33～38 ℃，表明周圍大氣層結(jié)都極為不穩(wěn)定；同時，中層700 hPa相對于低層比濕有一個減弱，即有冷空氣入侵[19]。850 hPa比濕在13～16 g·kg-1，近地面層在14～27 g·kg-1， 大氣低層都較為暖濕；抬升凝結(jié)高度較低都在950 hPa以下[12]，低于500 m。實況還顯示， 在龍卷發(fā)生前幾小時龍卷發(fā)生地都出現(xiàn)過降水，低層環(huán)境較濕。

表1 2020年7月22日探空參數(shù)

利用距離宿州龍卷發(fā)生地70 km左右的蚌埠雷達(dá)VWP風(fēng)廓線產(chǎn)品分析環(huán)境風(fēng)切變情況，龍卷發(fā)生(18:00)前蚌埠雷達(dá)0～2 km風(fēng)(圖3)隨高度順時針旋轉(zhuǎn)有暖平流存在，表明近地面大氣層結(jié)較不穩(wěn)定。龍卷發(fā)生期間中低空一直存在西南急流，風(fēng)速在20 m·s-1以上。從高密度地面氣象要素實況(圖略)可看出，17:40前后蚌埠地面風(fēng)向為偏南風(fēng)，風(fēng)速2 m·s-1，計算得0～1 km垂直風(fēng)速差為12 m·s-1(表2)，0～6 km垂直風(fēng)速差約為20 m·s-1，大于周厚福[12]統(tǒng)計的江淮地區(qū)龍卷風(fēng)暴的垂直風(fēng)速差值(0～1 km,≥8.5 m·s-1;0～6 km,≥16.5 m·s-1)，可見在龍卷發(fā)生前0～1 km和0～6 km風(fēng)矢量差都較大；另外，在1.8～3.7 km高度上，17:58前后的風(fēng)速較17:40增大2～4 m·s-1，表明中低空西南急流加強(qiáng)。低層垂直風(fēng)切變的增強(qiáng)，導(dǎo)致氣旋性渦度強(qiáng)烈發(fā)展，為龍卷的發(fā)生提供極為有利的動力條件[18]。

圖3 2020年7月22日17:29—18:26蚌埠風(fēng)廓線

表2 7月22日17:40基于蚌埠雷達(dá)的垂直風(fēng)速差

4 龍卷的多普勒雷達(dá)特征

4.1 超級單體風(fēng)暴特征

受鋒面雨帶東移影響，7月22日17:35雷達(dá)反射率因子圖上顯示大片層積混合降水回波的前沿已經(jīng)移到安徽和江蘇的淮河以北地區(qū)(圖4)，夾雜著有組織的中β對流回波帶，呈東北—西南向位于棗莊、徐州到宿州南部一線，并且雨帶南端的對流回波在東移過程中不斷加強(qiáng)、面積擴(kuò)大，回波強(qiáng)度55～60 dBz(圖4，紅色箭頭所指)，回波頂高15～18 km，回波前沿梯度較大，強(qiáng)風(fēng)暴單體向東北方向移動，18:00—19:00造成了安徽宿州部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)龍卷。

圖4 2020年7月22日17:35蚌埠雷達(dá)0.5°仰角基本反射率

17:35在其低層0.5°仰角基本反射率因子圖上，風(fēng)暴的右后側(cè)開始出現(xiàn)入流缺口(圖5a)，17:52風(fēng)暴單體靠近祁縣鎮(zhèn)附近，鉤狀回波(圖5b)逐漸清晰起來，從18:00左右龍卷爆發(fā)到19:00結(jié)束，又出現(xiàn)5個體掃較為清晰的底層鉤狀回波(≥50 dBz)，分別在17:58、18:03(圖5c)、18:09、18:20、18:32。

17:35單體風(fēng)暴右后側(cè)入流缺口處，從低到高仰角反射率因子向入流一側(cè)傾斜(圖略)，相應(yīng)的雷達(dá)散射截面(RCS)垂直剖面(圖5e)上，反映出低層的弱回波區(qū)和中高層回波懸垂，風(fēng)暴頂位于低層反射率因子高梯度區(qū)之上的多單體強(qiáng)風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征，18 dBz的反射率因子擴(kuò)展到13 km以上，45 dBz以上的強(qiáng)反射率因子區(qū)達(dá)7.5 km，55 dBz的在6 km 以上，該超級單體風(fēng)暴是一個高質(zhì)心的系統(tǒng)[21]，對流發(fā)展較為深厚，從自動氣象站實況數(shù)據(jù)知，周圍已經(jīng)出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、短時強(qiáng)降水天氣；對應(yīng)風(fēng)暴徑向速度圖上，有中氣旋存在(圖5i)，此時風(fēng)暴距離雷達(dá)81 km，0.5°仰角旋轉(zhuǎn)速度為17.5 m/s，根據(jù)中氣旋判據(jù)[20]判斷為中等強(qiáng)度中氣旋。17:52低層出現(xiàn)鉤狀回波(圖5b)，RCS垂直剖面(圖5f)上，已經(jīng)可辯出清晰的有界弱回波區(qū)和中高層回波懸垂的超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征，對應(yīng)風(fēng)暴徑向速度(圖5j),0.5°仰角旋轉(zhuǎn)速度為16.5 m/s， 風(fēng)暴距離雷達(dá)74 km，仍為中等強(qiáng)度中氣旋。18:03—18:09強(qiáng)回波距離雷達(dá)70 km，旋轉(zhuǎn)速度增強(qiáng)為24～28 m/s，發(fā)展為強(qiáng)中氣旋(圖5k)，在18:00前后埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)陳橋村和沈寨首先出現(xiàn)龍卷天氣，并且45 dBz以上的強(qiáng)反射率因子區(qū)較17:35下降到6 km(圖5c)，55 dBz的強(qiáng)中心高度下降到5 km左右。18:49(圖5d)雖然底層鉤狀回波已經(jīng)不清晰了，但TVS像素到像素的風(fēng)切變較大[20](圖5l)，此時距離雷達(dá)72 km，速度差值為54 m/s，而且垂直剖面超級單體風(fēng)暴特征仍然保持(圖5h)，這種超級單體風(fēng)暴垂直剖面特征從17:52—18:49持續(xù)11個體掃。

4.2 風(fēng)暴參數(shù)

由風(fēng)暴追蹤信息和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)產(chǎn)品分析單體風(fēng)暴的演變發(fā)現(xiàn)，此次龍卷災(zāi)害主要是由鋒面雨帶南端的超級單體風(fēng)暴造成的。在雨帶南端，雷達(dá)在整個過程中先后識別出2個對流單體。首先，雷達(dá)在15:18識別出標(biāo)號為p1的風(fēng)暴，此風(fēng)暴在18:00前后發(fā)展為龍卷風(fēng)暴，18:00—18:09呈西西南向東東北路徑先后襲擊了祁縣鎮(zhèn)陳橋村和大澤鄉(xiāng)鎮(zhèn)洪廟村、劉村等地(圖2中A、B、C)，p1在18:09后停報。雷達(dá)在18:03再次識別出風(fēng)暴b0，b0在18:15前后發(fā)展為龍卷風(fēng)暴，18:15—18:49也呈西西南向東東北路徑先后襲擊了祁縣鎮(zhèn)沈寨村、206國道煙汕線及靈璧縣的禪堂鄉(xiāng)劉楊村等(圖2中D、E、F)。

由p1風(fēng)暴參數(shù)(圖6a)變化知，最大反射率因子和垂直累積液態(tài)水在16:09明顯增強(qiáng)到58 dBz和35 kg·m-2，在龍卷發(fā)生(18:00)前最大反射率因子又增強(qiáng)到61 dBz(17:58)，垂直累積液態(tài)水也增加到51 kg·m-2(17:52)，他們在龍卷爆發(fā)后都有所下降。在16:15風(fēng)暴頂高增強(qiáng)到10 km發(fā)展為強(qiáng)風(fēng)暴，之后變化有起伏；在龍卷發(fā)生前4個體掃(17:40)，從8.1 km(17:35)躍增到12 km(17:40)，爆發(fā)后略有下降，基本維持在12 km左右，最強(qiáng)達(dá)12.3 km。風(fēng)暴底高在17:35降到1.3 km， 龍卷發(fā)生時降到1.0 km(雷達(dá)可測的最低高度)。17:46最大反射率因子高度由3.8 km增到17:58的5.6 km，爆發(fā)時急降到風(fēng)暴底部為1.0 km(18:03、18:09)。

由b0風(fēng)暴的變化(圖6b)知，龍卷爆發(fā)(18:15)前底高就較低，18:03為1.2 km，爆發(fā)期間(18:15—18:49)除18:43為2.5 km外，基本維持在1.0～1.1 km。頂高從6.5 km(18:03)躍增到11.7 km(18:15),期間除18:43降為4.9 km，一般維持在11 km以上。最大反射率因子由53 dBz(18:03)增加到59 dBz(18:15)，爆發(fā)后略有下降；VIL由19 kg·m-2(18:03)急增到49 kg·m-2(18:15)，爆發(fā)后略有下降；最大反射率因子高度也由3.9 km(18:03)急降到1.0 km(18:09)，以后在1.1～4.5 km，與文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果一致，即龍卷發(fā)生時最大反射率因子高度一般在6 km以下。18:55底高上升到2.2 km，頂高降到8 km以下，最大反射率因子降到55 dBz以下，VIL明顯減弱到17 kg·m-2以下，風(fēng)暴減弱逐漸消失。與劉娟[10]分析的龍卷風(fēng)暴爆發(fā)時的特征比較，此次龍卷風(fēng)暴頂高和VIL一直維持高值，沒有明顯下降，可能與此次龍卷維持時間較長和伴隨暴雨有關(guān)。

圖6 2020年7月22日雷達(dá)風(fēng)暴追蹤信息底高、頂高、垂直累積液態(tài)水(VIL)、 最大反射率因子(DBZM)及其高度(HT)變化：(a)風(fēng)暴p1,(b)風(fēng)暴b0 (底部橫線為龍卷爆發(fā)時間段,下同)

由上分析知，本次龍卷超級單體風(fēng)暴參數(shù)平均值如下：頂高為11.6 km，底高為1.0 km，最大反射率因子高度為3.0 km，占風(fēng)暴高度為25.8%(約在風(fēng)暴下部1/4處)，最大反射率因子為58.6 dBz，VIL為45.0 kg·m-2。與周后福[12]統(tǒng)計的江淮地區(qū)龍卷風(fēng)暴參數(shù)均值(頂高為9.1 km，底高為1.7 km，最大反射率因子高度占風(fēng)暴高度為27.2%，最大反射率因子為54.8 dBz，VIL為25.3 kg·m-2)比較，各項參數(shù)都偏強(qiáng)。

可見，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)暴底高下降到較低，頂高躍增到較高時，就要引起預(yù)報員的高度重視，當(dāng)最大反射率因子高度也驟降到風(fēng)暴底部時，龍卷可能已經(jīng)發(fā)生。

4.3 中氣旋相關(guān)參數(shù)

超級單體龍卷與持續(xù)深厚的中氣旋密切相關(guān)，超級單體龍卷的出現(xiàn)和低層中氣旋(1 km以下)的發(fā)展密切相關(guān)，中氣旋延伸到最低層(1 km以下)，龍卷爆發(fā)[22]。

雷達(dá)在龍卷發(fā)生(18:00)前約24 min(4個體掃)探測到中氣旋。17:18雷達(dá)在鋒面雨帶末端首先識別出三維相關(guān)切變，下一個體掃(17:23)識別出中氣旋，17:29有中斷，然后在17:35—18:09連續(xù)7個體掃識別出中氣旋，之后又在18:20識別出1次中氣旋和18:38識別出1次三維相關(guān)切變。

分析中氣旋參數(shù)(圖7)變化知，中氣旋底高在龍卷發(fā)生前就較低為1.1 km(17:35)，龍卷發(fā)生時(18:00)降到0.9 km(雷達(dá)可測的最低高度)。頂高在17:40—17:46有個急劇升降過程，同時最大風(fēng)切變量高度也急劇下降，但由于對應(yīng)的最大風(fēng)切變量較小(17:46)，沒有龍卷發(fā)生。頂高在17:46—17:58有急劇升降，提前龍卷2個體掃由3.6 km(17:46)躍增到8 km(17:52)，爆發(fā)時驟降到2.2 km(17:58、18:03)。延伸厚度由2.6 km(17:46)拉伸到7 km(17:52)，爆發(fā)時再快速壓縮到1.2 km(17:58、18:03)。在頂高躍增的同時，最大切變量也提前2個體掃先由12×10-3s-1(17:46)增到15×10-3s-1(17:52)，爆發(fā)時又躍增到32×10-3s-1(18:03)，最強(qiáng)到43×10-3s-1(18:09)。最大切變量高度在龍卷爆發(fā)前變化劇烈，從6.2 km(17:40)急劇降到1 km(17:52)，17:58略有上升，18:03又降到0.9 km(同中氣旋底部高度一致)。

圖7 2020年7月22日雷達(dá)探測中氣旋參數(shù)底高、 頂高、最大切變量(SHR)及其高度(HT)變化

龍卷過程中氣旋各參數(shù)平均值(17:58—18:09)：底高0.9 km，頂高2.2 km，延伸厚度1.3 km，最大風(fēng)切變高度1.3 km，最大風(fēng)切變29.3×10-3s-1。與周后福[12]統(tǒng)計的江淮地區(qū)超級單體龍卷中氣旋參數(shù)(底高1.2 km，頂高3.9 km，延伸厚度為2.7 km，最大風(fēng)切變?yōu)?4.4×10-3s-1)比較，中氣旋延伸厚度較淺薄，切變較強(qiáng)烈。

4.4 TVS相關(guān)參數(shù)

一個可能伴隨龍卷的比中氣旋尺度更小的速度場特征，稱為龍卷渦旋特征(TVS)，在速度圖上表現(xiàn)為像素到像素的很大的風(fēng)切變[20]。雷達(dá)在鋒面雨帶末端從17:18—18:49連續(xù)17個體掃約102 min識別出龍卷渦旋特征(TVS)，較龍卷爆發(fā)(18:00)提前了7個體掃約42 min。

由圖8分析，TVS在17:18底部高度為1.5 km，隨時間逐漸下降，17:46降為1.2 km，龍卷爆發(fā)時又降到1.1 km(18:03)，龍卷持續(xù)期間(18:03—18:49)維持在較低值為1.0～1.2 km(雷達(dá)可測的最低高度)。頂高變化波動較大，提前龍卷2個體掃從5.1 km(17:46)向上擴(kuò)展到6.2 km(17:52)，爆發(fā)時驟降到3.5 km(18:03)；同時，對應(yīng)最大切變量躍增，徑向速度差(平均值、最大、最低仰角)也相應(yīng)提前1～2個體掃增大，爆發(fā)時徑向速度差(平均值、最低仰角)略有降低，最大切變量和最大徑向速度差仍在增加。最大切變量高度提前3個體掃由6.5 km(17:40)急劇下降到3.9 km(17:46)，爆發(fā)時繼續(xù)下降到2.4 km(18:03)，18:09又降到1.1 km(和底高一致)，龍卷持續(xù)期間維持在1.0～1.2 km。三維環(huán)流特征的厚度變化也對應(yīng)頂高的變化，在17:46先由3.8 km拉伸到5.0 km(17:52)，然后壓縮到2.1 km(18:03)。龍卷爆發(fā)前頂高雖然有2次躍增，對應(yīng)最大切變量、徑向速度差(平均值、最低仰角、最大)也增大，但由于最大切變量高度較高，所以沒有出現(xiàn)龍卷。17:35雖然最大切變量高度降到1.3 km，但其對應(yīng)的最大切變量、徑向速度差(平均值、最低仰角、最大)值較小，也沒有出現(xiàn)龍卷。在18:09—18:49期間，頂高又有2次快速升降過程，對應(yīng)最大切變量、徑向速度差(平均值、最低仰角、最大)也隨之變動，同時最大切變量高度一直處在TVS底部的較低值，所以龍卷過程維持。18:49后TVS消失，過程基本結(jié)束。

圖8 2020年7月22日雷達(dá)探測龍卷渦旋( TVS)特征參數(shù) 頂高、底高、最大切變量(Tmxshr)及其高度(HT)、徑向速度差 平均值(V ad)、最低仰角徑向速度差 (Vlld)、 最大徑向速度差(Vmxd)變化

此次龍次卷過程TVS的底高為1.1 km、頂高為4.1 km、三維環(huán)流特征的厚度(Tdpt)為3.0 km、最大切變量(Tmxshr)為59.4×10-3s-1、Tmxshr高度為1.6 km、徑向速度差的平均值(Vad)為18.6 m/s、最低仰角徑向速度差(Vlld)為35.8 m/s、最大徑向速度差(Vmxd)為36.7 m/s，與周后福[12]統(tǒng)計的江淮地區(qū)龍卷風(fēng)暴TVS最強(qiáng)參數(shù)(底高為1.0 km，頂高為4.6 km，Tdpt為4.0 km，Tmxshr為30.8×10-3s-1，Tmxshr高度為2.3 km，Vad為23.9 m/s、Vlld為37.9 m/s、Vmxd為40.0 m/s)比較，此次TVS的延伸厚度較薄，最大切變量較大，最強(qiáng)達(dá)88.2×10-3s-1。

4.5 中氣旋、TVS和龍卷發(fā)生地的位置關(guān)系

劉娟[10]分析一次過程發(fā)現(xiàn)，龍卷風(fēng)位置與TVS位置對應(yīng)，位于TVS的南側(cè)，或在中氣旋最大風(fēng)速圈的南緣。此次過程中實地考察的6個災(zāi)害點，18:00前后龍卷襲擊的3個點(祁縣陳村、大澤鄉(xiāng)的洪廟村和劉村相距較近，圖2中A、B、C處)，位于中氣旋外圈西北部1～3 km處，TVS西北部1～4 km附近。18:15左右襲擊的祁縣的沈寨、206國道煙汕線兩地(相距較近，圖2中D、E處 )，位于中氣旋外圈或TVS南部4 km范圍內(nèi)。18:49左右襲擊的靈璧縣的禪堂鄉(xiāng)劉楊村(圖2中F處 )，位于TVS東北部5 km附近?？梢姡袣庑蚑VS的影響不僅在南側(cè)，在西北和東北方向也有出現(xiàn)。

4.6 龍卷碎片特征

當(dāng)龍卷發(fā)生在雙偏振雷達(dá)附近(大約75 km范圍內(nèi))并對建筑形成嚴(yán)重破壞時，龍卷碎片(TDS)特征表現(xiàn)為在龍卷鉤狀回波末端處具有非常小的零滯后相關(guān)系數(shù)和差分反射率[16]，反射率因子測值很高[14]。

此次龍卷超級單體回波距離雷達(dá)站約68～78 km，在18:03、18:09這2個時次的TDS特征略明顯。TVS在18:03、18:09距離雷達(dá)約70 km左右，此時龍卷風(fēng)暴最強(qiáng)，中氣旋、TVS各項參數(shù)基本都達(dá)到最強(qiáng)，最大反射率因子高度和風(fēng)暴底都降到過程最低，維持在1.0 km(雷達(dá)可測的最低高度)。觀測到這2個時次的鉤狀回波末端處(TVS附近)的強(qiáng)度(圖9a、e，圖黑色箭頭所指)分別為52 dBz、50 dBz，沒有達(dá)到如張建云[14]所述為60 dBz(尺度約1 km)以上的強(qiáng)回波；徑向速度上有顯著的速度切變特征(圖9b、f)。0.5°零滯后相關(guān)系數(shù)、差分反射率圖上在鉤狀回波末端處(TVS附近)出現(xiàn)一個1 km范圍(1個像素)的低值區(qū)(圖9c、g、d、h，箭頭所指處)，零滯后相關(guān)系數(shù)的值分別為0.83、0.78，差分反射率值為-0.11 dB、-0.77 dB。抬高仰角和其他時次都沒有在鉤狀回波的末端觀測到明顯的零滯后相關(guān)系數(shù)、差分反射率低值區(qū)特征?？赡芘c距離雷達(dá)較遠(yuǎn)、雷達(dá)的分辨率還不夠高，以及龍卷的強(qiáng)度不夠大，或當(dāng)龍卷被雨區(qū)包裹時，雨滴可能與龍卷卷起的雜物混雜等有關(guān)。

圖9 2020年7月22日18:03、18:09蚌埠雷達(dá)0.5°仰角反射率因子、徑向速度、零滯后相關(guān)系數(shù)、差分反射率 (圖中白色圓圈為中氣旋，倒三角為TVS)

5 結(jié)論與討論

(1)在梅雨期暴雨天氣形勢下，低空急流、暖切、低渦、鋒面以及較低的抬升凝結(jié)高度、較強(qiáng)的中低層垂直風(fēng)切變?yōu)辇埦硖峁┝擞欣沫h(huán)境背景。

(2)龍卷發(fā)生在梅雨鋒南端的超級單體風(fēng)暴中，低層的右后方出現(xiàn)鉤狀回波。

(3)風(fēng)暴結(jié)構(gòu)參數(shù)、中氣旋、TVS參數(shù)在龍卷過程中的強(qiáng)烈變化，對提前預(yù)警和判斷是否發(fā)生有較好的指示意義。

(4)產(chǎn)生龍卷的單體風(fēng)暴頂高達(dá)11 km以上，最大反射率因子58 dBz、垂直累積液態(tài)水45 kg·m2，龍卷發(fā)生在最大反射率因子高度急降到風(fēng)暴底部之時，最大反射率因子高度在龍卷維持期間基本處在風(fēng)暴底部的1/4處。

(5)雷達(dá)在龍卷發(fā)生前24 min探測到中氣旋。中氣旋延伸厚度較淺薄，切變強(qiáng)烈。龍卷爆發(fā)時中氣旋底高和最大切變量高度最低為0.9 km，最大切變量最強(qiáng)時達(dá)43×10-3s-1。當(dāng)中氣旋頂高躍增、最大切變量高度驟降，底部高度降低時，預(yù)報員就要提高警覺，因為當(dāng)頂高驟降、最大切變量激增，底高降到1 km以下時，龍卷可能已經(jīng)發(fā)生。

(6)TVS超前龍卷42 min被探測到，TVS延伸厚度淺薄，最大切變量較大。當(dāng)TVS底高降低，頂高、最大切變量躍增，預(yù)示TVS增強(qiáng)，龍卷發(fā)生時TVS頂高驟降，最大切變量高度也隨之降到TVS底部。

(7)在底層鉤狀回波末端處觀測到零滯后相關(guān)系數(shù)、差分反射率低值區(qū)的龍卷碎片特征。

(8)此次過程中，龍卷災(zāi)害點不僅出現(xiàn)在位于TVS的南側(cè)或在中氣旋最大風(fēng)速圈的南緣，還在西北部和東北部出現(xiàn)。

由于中氣旋、TVS在監(jiān)測龍卷時虛警較高，使用時要綜合考慮龍卷發(fā)生前的各種征兆參數(shù)。此次龍卷的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)參數(shù)、中氣旋和TVS參數(shù)多數(shù)較周厚福[12]統(tǒng)計的江淮龍卷的高，但災(zāi)害等級為什么只達(dá)到EF1級。且蚌埠雷達(dá)在梅雨鋒南端識別出2個風(fēng)暴單體，先后發(fā)展為龍卷風(fēng)暴造成災(zāi)害，而為什么從距離災(zāi)害點90 km左右的徐州雙偏振雷達(dá)觀測到是同一風(fēng)暴造成的。這次為什么是雷達(dá)先識別出TVS后再識別出中氣旋，這些問題還有待于繼續(xù)探討，只有對有關(guān)龍卷機(jī)理問題進(jìn)行深入細(xì)致的研究和雷達(dá)算法的不斷完善，才能發(fā)掘、提煉出更有意義的龍卷監(jiān)測指標(biāo)。