李彩玲，楊波，姚聃，方翀，彭斯琪，何秋蕊，黃先香,，蔡康龍,，吳翠紅，黃小彥，何兵

(1.佛山市龍卷風(fēng)研究中心/佛山市氣象局，佛山528000；2.國(guó)家氣象中心，北京100081；3.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；4.武漢中心氣象臺(tái)，武漢430074；5.武漢市蔡甸區(qū)氣象局，武漢430074)

引 言

2021年4月中旬以來(lái)，我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)出現(xiàn)了多次雷暴大風(fēng)、龍卷等災(zāi)害性大風(fēng)天氣過程，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。如：4月30日江蘇省淮安、南通和蘇州等地出現(xiàn)13~15級(jí)的極端大風(fēng)，造成江蘇省13人死亡；5月10日湖北省武漢市出現(xiàn)10級(jí)以上大風(fēng)，造成2人死亡；5月14日傍晚到夜間蘇州和武漢兩地先后出現(xiàn)龍卷等極端大風(fēng)災(zāi)害，共造成14人死亡，引起網(wǎng)絡(luò)媒體的大量轉(zhuǎn)發(fā)和關(guān)注。其中武漢的對(duì)流大風(fēng)災(zāi)害由于發(fā)生在夜間，且伴隨強(qiáng)降雨、冰雹等多種強(qiáng)對(duì)流天氣同時(shí)發(fā)生，沒有有效的視頻資料佐證引起大風(fēng)災(zāi)害的風(fēng)災(zāi)類型，需通過現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查和氣象監(jiān)測(cè)資料綜合分析風(fēng)災(zāi)類型和強(qiáng)度。

Fujita和Wakimoto(1981)總結(jié)了強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴導(dǎo)致的3類災(zāi)害性大風(fēng)包括：龍卷大風(fēng)、孤立的下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)和系列下?lián)舯┝魅簩?dǎo)致的區(qū)域性大風(fēng)。龍卷大風(fēng)路徑一般相對(duì)比較狹窄，通常是高度輻合的旋轉(zhuǎn)性風(fēng)場(chǎng)；而孤立下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)和系列下?lián)舯┝魅捍箫L(fēng)是有明顯輻散特征的直線型大風(fēng)。前2類對(duì)流性大風(fēng)通?？臻g尺度小，影響時(shí)間短，但造成的災(zāi)害強(qiáng)，卻很少能直接被氣象觀測(cè)站觀測(cè)到，因此對(duì)龍卷等致災(zāi)雷暴大風(fēng)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行災(zāi)情調(diào)查，確定風(fēng)災(zāi)類型和風(fēng)災(zāi)等級(jí)對(duì)促進(jìn)龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣的研究有重要意義。

近年來(lái)我國(guó)相關(guān)學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)多次龍卷等致災(zāi)雷暴大風(fēng)開展了大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，如：2012年7月21日北京一次龍卷過程(Meng and Yao，2014)，2015年6月1日引起“東方之星”客輪翻沉事件的強(qiáng)下?lián)舯┝鬟^程(Meng et al.，2016；鄭永光等，2016a)，2016年6月23日江蘇阜寧EF4級(jí)龍卷(鄭永光等，2016b；Meng et al.，2018)，2019年3月21日廣西臨桂EF2級(jí)下?lián)舯┝鳌?月13日廣東湛江徐聞EF3級(jí)龍卷過程、7月3日遼寧開原EF4級(jí)龍卷過程等(黃先香等，2021；李彩玲等，2021；蔡康龍等，2021；張濤等，2020；鄭永光等，2020；植江玲等，2020)。佛山市龍卷風(fēng)研究中心從2015年臺(tái)風(fēng)“彩虹”外圍龍卷后開始開展全國(guó)龍卷等致災(zāi)雷暴大風(fēng)的災(zāi)情調(diào)查工作，截止2021年6月，已參與了全國(guó)54次龍卷等致災(zāi)雷暴大風(fēng)的災(zāi)情調(diào)查工作，確認(rèn)了44個(gè)龍卷天氣過程，給出了2018—2020年逐年中國(guó)龍卷活動(dòng)情況綜述(朱文劍等，2016；Bai et al.，2017；李兆慧等，2017；黃先香等，2019；李彩玲等，2016，2020；蔡康龍等，2021)。黃大鵬等(2016)對(duì)1984—2013年近30 a中國(guó)龍卷風(fēng)災(zāi)害特征進(jìn)行了研究，并指出我國(guó)龍卷災(zāi)害的總體演變趨勢(shì)和空間分布特征。以上現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查和分析工作，促進(jìn)了我國(guó)風(fēng)災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的研究進(jìn)展(鄭永光等，2018；俞小鼎和鄭永光，2020；晉亮亮和葛海，2021)。

龍卷等致災(zāi)大風(fēng)發(fā)生后，往往造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，引發(fā)社會(huì)廣泛關(guān)注。2021年5月14日武漢致災(zāi)大風(fēng)過程，是在沒有有效視頻資料和實(shí)況風(fēng)速探測(cè)的情況下發(fā)生，如何快速通過現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查和雷達(dá)監(jiān)測(cè)判斷風(fēng)災(zāi)類型和風(fēng)速等級(jí)等尤其重要，也是進(jìn)行下一步形成機(jī)理和預(yù)報(bào)預(yù)警研究工作的基礎(chǔ)。由于已有其它論文重點(diǎn)分析本次龍卷過程的環(huán)境條件，本文將根據(jù)詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查并結(jié)合雷達(dá)觀測(cè)資料，分析致災(zāi)大風(fēng)的調(diào)查結(jié)果，總結(jié)災(zāi)情調(diào)查流程以及提出龍卷災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的災(zāi)情特點(diǎn)，為龍卷等致災(zāi)大風(fēng)更進(jìn)一步的研究和防災(zāi)減災(zāi)決策提供基礎(chǔ)資料和參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 調(diào)查方法

基于現(xiàn)有的龍卷災(zāi)害調(diào)查技術(shù)規(guī)范(GB/T 34301-2017)，結(jié)合災(zāi)情調(diào)查實(shí)踐，龍卷等致災(zāi)雷暴大風(fēng)災(zāi)情調(diào)查流程主要包括災(zāi)調(diào)準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)調(diào)和災(zāi)調(diào)分析三個(gè)步驟。

災(zāi)調(diào)準(zhǔn)備包括：通過網(wǎng)絡(luò)媒體、當(dāng)?shù)貧庀蟛块T、官方通報(bào)等渠道獲取風(fēng)災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、大致災(zāi)情和傷亡程度等，以確定致災(zāi)天氣過程發(fā)生的時(shí)間、移動(dòng)路徑、影響范圍以及受災(zāi)最嚴(yán)重的地點(diǎn)(準(zhǔn)確到村居)，并依此確定調(diào)查的具體行程、大致航拍和走訪路線。同時(shí)，收集各種氣象觀測(cè)資料，特別是雷達(dá)資料、周邊自動(dòng)站資料(包括氣壓、平均風(fēng)、極大瞬時(shí)風(fēng)速等)，獲得風(fēng)災(zāi)發(fā)生地附近氣象要素的變化，以輔助判斷風(fēng)災(zāi)類型和強(qiáng)度。

現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)調(diào)以無(wú)人機(jī)航拍、測(cè)量數(shù)據(jù)和走訪群眾等三種方式相結(jié)合，包括：升空無(wú)人機(jī)航拍初步了解受災(zāi)路徑和受災(zāi)最嚴(yán)重點(diǎn)；走訪目擊者了解風(fēng)災(zāi)影響的情況，了解當(dāng)時(shí)是否觀察到可見的漏斗云，龍卷漏斗云觸地的時(shí)間、持續(xù)的時(shí)間、移動(dòng)方向、大小、高度、天空狀況等，是否聽見火車呼嘯般的轟鳴聲，是否伴有強(qiáng)降水、冰雹等天氣現(xiàn)象，以及各類天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的先后順序等；近距離拍攝地面各災(zāi)情指示物的倒伏情況，用指南針記錄倒伏方向，并用卷尺測(cè)量倒伏樹木的直徑，查看調(diào)閱附近監(jiān)控?cái)z像頭等，并根據(jù)災(zāi)情指示物倒伏方向的變化尋找龍卷風(fēng)的渦旋中心，再次升空無(wú)人機(jī)沿著受災(zāi)中心附近拍攝俯視、遠(yuǎn)視、路徑跟蹤等視頻。

災(zāi)調(diào)分析包括：當(dāng)天整理航拍視頻和調(diào)研情況，對(duì)風(fēng)災(zāi)路徑和強(qiáng)度有初步判斷，如果航拍較好地覆蓋了該次龍卷的破壞路徑，可根據(jù)災(zāi)情指示物的等級(jí)分布繪制龍卷強(qiáng)度等值線，并與調(diào)研組會(huì)商討論，存在疑惑或遺漏及時(shí)補(bǔ)充航拍。完成調(diào)研后，與調(diào)研組經(jīng)過多次討論會(huì)商，最后確認(rèn)風(fēng)災(zāi)類型、路徑、強(qiáng)度等信息，分類歸入風(fēng)災(zāi)數(shù)據(jù)集。

調(diào)查工具包括無(wú)人機(jī)、智能手機(jī)、相機(jī)、錄音筆、GBS定位儀、激光測(cè)距儀、軟卷尺等。

1.2 定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)際上通用的龍卷定級(jí)一般采用美國(guó)的EF等級(jí)來(lái)判定龍卷風(fēng)級(jí)別(McDonald and Mehta，2006)，其主要思路是根據(jù)28種以建筑物為主(輔之以電線桿手機(jī)塔輸電塔和樹木等)的標(biāo)識(shí)物受損程度判斷龍卷的風(fēng)速范圍和等級(jí)。中國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《龍卷強(qiáng)度等級(jí)》QX/T 478-2019(以下簡(jiǎn)稱行標(biāo))于2019年8月1日開始實(shí)施，該行標(biāo)是基于美國(guó)EF等級(jí)、結(jié)合我國(guó)龍卷災(zāi)害特點(diǎn)制定的，主要是以龍卷發(fā)生時(shí)近地面陣風(fēng)風(fēng)速最大值為指標(biāo)，將龍卷強(qiáng)度分為四個(gè)等級(jí)。其中，一級(jí)龍卷為弱龍卷，對(duì)應(yīng)EF0及以下；二級(jí)龍卷為中等龍卷，對(duì)應(yīng)EF1；三級(jí)龍卷為強(qiáng)龍卷，對(duì)應(yīng)EF2和EF3；四級(jí)龍卷為超強(qiáng)龍卷，對(duì)應(yīng)EF4和EF5?！洱埦盹L(fēng)強(qiáng)度等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 40243-2021)已于2021年5月21日發(fā)布，將于2021年12月1日實(shí)施。本文將結(jié)合EF等級(jí)和龍卷強(qiáng)度等級(jí)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兩套標(biāo)準(zhǔn)對(duì)龍卷過程進(jìn)行定級(jí)并討論。

2 調(diào)查結(jié)果和龍卷判識(shí)

2021年5月14日20∶40左右(北京時(shí)，下同)，湖北省武漢市蔡甸區(qū)千子山附近出現(xiàn)嚴(yán)重大風(fēng)災(zāi)害。截至5月18日15∶00，共造成10人死亡，230人受傷，倒塌房屋130戶504間，嚴(yán)重?fù)p壞381戶1 039間，多處房屋、工棚、建筑塔吊倒塌、大量樹木折斷或連根拔起，造成了嚴(yán)重災(zāi)情。在獲得武漢大風(fēng)災(zāi)害報(bào)告后，5月15—17日佛山市龍卷風(fēng)研究中心立即派出專家會(huì)同國(guó)家氣象中心、湖北省氣象局、中國(guó)氣象科學(xué)研究院等單位專家組成調(diào)查組(以下簡(jiǎn)稱調(diào)查組)對(duì)該次災(zāi)害過程進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，其中佛山市龍卷風(fēng)研究中心5月16—17日對(duì)風(fēng)災(zāi)全路徑進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查和無(wú)人機(jī)航拍，共走訪災(zāi)情點(diǎn)12個(gè)(圖1中①—○12)，進(jìn)行航拍14次，獲取航拍視頻39個(gè)和航拍照片226張，手機(jī)近距離拍攝照片約500張，并對(duì)風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重段千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地到鳳亭路口進(jìn)行了三維實(shí)景航拍。5月18—27日調(diào)研組經(jīng)多次討論后，一致認(rèn)為5月14日武漢市蔡甸區(qū)一帶的大風(fēng)災(zāi)害為龍卷風(fēng)造成。

圖1所示為本次龍卷風(fēng)路徑及受災(zāi)綜合圖。由于龍卷過程發(fā)生在夜間，且同時(shí)伴隨有強(qiáng)降雨、冰雹等多災(zāi)種發(fā)生，龍卷災(zāi)害沿途多處監(jiān)控?cái)z像頭已損壞，調(diào)研期間僅獲得2個(gè)視頻(圖1中②和⑨處)，②為手機(jī)拍攝的大風(fēng)卷起雜物的視頻，時(shí)間為20∶34，⑨為軍山街道城市管理中心監(jiān)控，拍攝到風(fēng)向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和圍墻倒塌，時(shí)間為20∶46，兩地距離約10.2 km，可推斷龍卷移動(dòng)速度約為51 km·h-1。圖1可見，根據(jù)總破壞路徑長(zhǎng)度和風(fēng)暴平均移動(dòng)速度推算(文后分析)，20∶33—20∶54龍卷自西向東方向移動(dòng)，在金堆湖以東0.5 km處接地，途徑友愛村、新集村、祝家村、千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地、鳳亭路口/同濟(jì)現(xiàn)代醫(yī)藥科技產(chǎn)業(yè)園、川江池公園等，由于無(wú)直接龍卷本體視頻佐證風(fēng)災(zāi)類型，以下通過現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害指示物破壞特征和武漢雷達(dá)探測(cè)特征對(duì)龍卷進(jìn)行識(shí)別判斷。

圖1 2021年5月14日武漢龍卷路徑及強(qiáng)度分布Fig.1 Path and intensity of the Wuhan tornado on 14 May 2021

國(guó)外(Fujita，1985；Bunting and Smith，1993；Do?swell，2003)以及國(guó)內(nèi)多次龍卷和下?lián)舯┝鳜F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明：龍卷地面災(zāi)情特征通常表現(xiàn)為破壞路徑狹長(zhǎng)，破壞長(zhǎng)度與最大寬度之比(縱橫比)大，破壞帶中有明顯輻合狀倒伏，地面淺色破壞條跡，受災(zāi)指示物有扭曲等特征；而下?lián)舯┝髟斐善茐膮^(qū)域一般比較寬，縱橫比小，破壞點(diǎn)多并可能呈現(xiàn)不連續(xù)的片狀，樹木倒伏方向則是明顯輻散等特征。

2.1 風(fēng)災(zāi)路徑長(zhǎng)、縱橫比大

圖1為2021年5月14日武漢龍卷路徑及強(qiáng)度圖，從中可見，本次風(fēng)災(zāi)路徑長(zhǎng)為17.95 km，最大寬度1 km，平均寬度約0.8 km，縱橫比為11。2015—2021年期間，佛山市龍卷風(fēng)研究中心參與了國(guó)內(nèi)54次龍卷和下?lián)舯┝鞯戎聻?zāi)雷暴大風(fēng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)調(diào)研信息的完整度，共確認(rèn)EF2級(jí)及以上強(qiáng)龍卷22個(gè)，平均縱橫比36.1，EF0—EF1級(jí)弱龍卷和中等強(qiáng)度龍卷14個(gè)，平均縱橫比13.2，2019年3月21日桂林強(qiáng)下?lián)舯┝骺v橫比＜1?？梢婟埦淼目v橫比大都＞10，龍卷強(qiáng)度等級(jí)一般與龍卷路徑長(zhǎng)度、最大寬度和縱橫比成正相關(guān)。本次風(fēng)災(zāi)路徑狹長(zhǎng)，縱橫比大，是典型的龍卷地面災(zāi)情特征。

2.2 受災(zāi)指示物呈輻合狀倒伏、有龍卷路徑條跡

圖2為新集村樹木和房屋倒伏情況，圖3為千子山星空陵園到千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地受災(zāi)指示物倒伏情況。由圖可見，風(fēng)災(zāi)路徑上(黑色箭頭)，大部分樹木和建筑物向東北和東南方向倒伏(白色箭頭)，向路徑中心輻合。風(fēng)災(zāi)路徑自西向東移動(dòng)，前進(jìn)方向的右側(cè)(也就是南側(cè))，受災(zāi)指示物向東北、東北偏北方向倒伏，前進(jìn)方向的左側(cè)(也就是北側(cè))，受災(zāi)指示物向東南、東南偏東方向倒伏為主，樹木倒伏、建筑物及其他受災(zāi)物損毀倒伏向中心路徑呈輻合狀，符合龍卷破壞流型特征。且從圖2可見，風(fēng)災(zāi)路徑右側(cè)，房子倒塌嚴(yán)重程度、屋頂吹毀磚瓦以及樹木倒伏等災(zāi)損比風(fēng)災(zāi)路徑左側(cè)嚴(yán)重，圖中紅色方框內(nèi)是兩層磚木結(jié)構(gòu)房子，位于新集村圖1中④處，二層頂層完全倒塌，水泥預(yù)制板吹倒，一層靠近東南側(cè)的外墻從低處倒塌，造成1人死亡。藍(lán)色方框內(nèi)為風(fēng)暴移動(dòng)的迎風(fēng)方向，可見迎風(fēng)方向?yàn)?zāi)損程度比房屋的背風(fēng)方向嚴(yán)重。圖3中，風(fēng)災(zāi)中心經(jīng)過陵園南側(cè)向偏東方向移動(dòng)，路徑左側(cè)千子山星陵園主要為樹木倒伏和折斷，墓碑向東南方向倒伏，也有部分墓碑在中部折斷，路徑右側(cè)，在建工地鋼結(jié)構(gòu)搭建廠房屋頂被吹毀，屋頂鐵皮被吹到一百多米外。圖3b、c為圖3a中B、C位置的詳細(xì)圖，從中可見，倒伏的塔吊和吹翻的汽車，向中間輻合。圖3a中B所在的區(qū)域，有活動(dòng)板房被拔離地面，繞過工地圍欄，整體吹到30 m遠(yuǎn)并坍塌，造成1名工人死亡，有一聯(lián)通通訊塔倒塌，有一建筑塔吊倒塌等，因路徑南側(cè)相對(duì)空曠，無(wú)明顯工棚房屋樹木等可判斷強(qiáng)度的受災(zāi)指示物，此處難以判斷風(fēng)災(zāi)路徑左右兩側(cè)災(zāi)損強(qiáng)度差異。

圖2 無(wú)人機(jī)航拍新集村樹木和房屋倒伏情況及龍卷軌跡(白色箭頭為受災(zāi)指示物倒伏方向,黑色箭頭為龍卷風(fēng)路徑,紅色框?yàn)槁窂接覀?cè)受災(zāi)嚴(yán)重點(diǎn),藍(lán)色框?yàn)橛L(fēng)方向受災(zāi)嚴(yán)重點(diǎn))Fig.2 Tornado damage and track of trees and houses falling in the Xinji village(The white arrow is the direction of the fallen trees or houses,black arrow line is the path and direction of tornado movement,the red box is the disaster severity on the right side of the path,and the blue box is a severe disaster in the direction of the wind).

圖3 千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地附近受災(zāi)指示物損毀情況及龍卷軌跡(a)及圖3a中B、C位置的詳細(xì)圖(b-c)(白色箭頭為受災(zāi)指示物倒伏方向,黑色箭頭為龍卷風(fēng)路徑,黑色橢圓見圖3b,紅色橢圓見圖3c)Fig.3(a)Tornado damage and track of trees or other indicator in the Qianzishan circular Economy Industrial Park project and the(b-c)detailed diagram of positions b and c in Figure 3A(The white arrow is the direction of the fallen trees or other indicator,the black arrow is the path and direction of tornado movement,and the black ellipse is shown in Fig.3b.The red ellipse is shown in Fig.3c).

這些風(fēng)災(zāi)路徑中心左右兩側(cè)的災(zāi)損差異，類似于美國(guó)一些龍卷風(fēng)(Davies-Jones，1978；Alexander and Wurman，2005)和我國(guó)廣東佛山、廣東湛江、江蘇阜寧、遼寧開原等地龍卷災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研結(jié)果，是由于龍卷移動(dòng)方向右側(cè)疊加風(fēng)暴移動(dòng)速度，造成右側(cè)災(zāi)損比左側(cè)嚴(yán)重。說(shuō)明本次龍卷自西向東快速移動(dòng)時(shí)，由于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，南側(cè)疊加了風(fēng)暴的移動(dòng)速度，西到西南風(fēng)較強(qiáng)，北風(fēng)減去了風(fēng)暴移動(dòng)速度，因此南北側(cè)災(zāi)損存在差異。

龍卷風(fēng)破壞條跡表現(xiàn)為航拍上可辨別的龍卷漏斗云觸地造成的細(xì)長(zhǎng)破壞痕跡，并不是所有龍卷都會(huì)留下明顯的破壞帶，這與龍卷經(jīng)過的下墊面相關(guān)，其中玉米田和草地從航拍畫面更容易判別龍卷路徑條跡(蔡康龍等，2020)。本次龍卷大部分下墊面為樹林、水塘、水稻田、工業(yè)廠房、農(nóng)村等，下墊面較為復(fù)雜，全路徑上僅在千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地以東到鳳亭路口草地和泥地有較短距離龍卷?xiàng)l跡(圖4)。

圖4 無(wú)人機(jī)航拍千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地到鳳亭南路的破壞條跡Fig.4 Drone aerial photographs of the destruction of the Qianzishan circular Economy Industrial Park project to Fengting South Road.

2.3 受災(zāi)指示物呈扭曲、擼頂和拋射狀

受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)可見，多處樹木被扭折或扭斷(圖1中②)、塔吊和聯(lián)通信號(hào)塔扭折倒塌(圖1中⑥、⑦)，新集村、千子山陵園(圖5a)等大量樹木被擼頂；出現(xiàn)大量拋射物，汽車被逆時(shí)針吹翻拋出十幾米遠(yuǎn)(圖3c)，千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地和風(fēng)亭南路附近多個(gè)工棚建筑鐵皮被卡在樹上，拋射距離最遠(yuǎn)超100 m，部分呈扭曲狀；千子山產(chǎn)業(yè)園一工棚被拔起并越過旁邊的工棚被拋射了20 m左右(圖5b)。以上特征，符合龍卷破壞特征。

圖5 受災(zāi)指示物扭曲和擼頂(a)以及工棚被拔起被拋射(b)示意圖Fig.5(a)The disaster indicator twists and tops,and(b)the shed was pulled up and projected.

2.4 其他目擊證詞及視頻佐證

位于新集村、祝家村以及川江池公園等目擊者描述：大風(fēng)旋轉(zhuǎn)、由南風(fēng)轉(zhuǎn)北風(fēng)，有轟隆火車聲，自西向東移動(dòng)等，另外在軍山街道城市管理中心位于風(fēng)暴主路徑略偏南地方，該處獲取的監(jiān)控視頻雖沒拍攝到龍卷主體，但能拍攝到風(fēng)向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的特征(圖1⑨)。以上特征符合龍卷過境特征。

3 龍卷強(qiáng)度

從現(xiàn)場(chǎng)破壞強(qiáng)度和雷達(dá)探測(cè)特征判斷，龍卷經(jīng)歷了觸地初生、加強(qiáng)成熟和跳躍減弱三個(gè)階段，如表1所示。

表1 2021年5月14日武漢龍卷破壞災(zāi)情的詳細(xì)等級(jí)表Table1 Details of the rating of damage in Wuhan tornado on 14 May 2021.

3.1 觸地初生階段

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)航拍和走訪群眾判斷，龍卷在金堆湖東側(cè)觸地，航拍視頻可見金堆湖西側(cè)的小山包上樹木沒災(zāi)損痕跡，金堆湖東側(cè)以水稻田為主，水稻田田埂的草和小樹有倒伏，略大一點(diǎn)的樹木沒有倒伏，說(shuō)明此時(shí)龍卷強(qiáng)度較弱，判斷強(qiáng)度在行標(biāo)一級(jí)(EF0)(圖1起點(diǎn)處)，對(duì)應(yīng)陣風(fēng)風(fēng)速最大值Vmax≤38 m·s-1；龍卷東移到友愛村(圖1中②—③)，此時(shí)龍卷有所加強(qiáng)，造成門窗損毀、屋頂嚴(yán)重受損，樹林里大面積松樹在低處扭斷，混凝土電線桿折斷，多處一層農(nóng)村房屋整體倒坍(圖1中③)，兩層民房頂層外墻倒塌，考慮是農(nóng)村房屋，相對(duì)抗風(fēng)能力比鋼筋混凝土墻體抗風(fēng)能力弱，因此此處符合行標(biāo)三級(jí)(EF2)，對(duì)應(yīng)49 m·s-1＜Vmax≤60 m·s-1。

3.2 加強(qiáng)成熟階段

龍卷繼續(xù)向東移動(dòng)影響新集村、祝家村、千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地及風(fēng)亭南路附近時(shí)，造成嚴(yán)重破壞，此時(shí)對(duì)應(yīng)地面破壞情況、破壞直徑及雷達(dá)監(jiān)測(cè)的超級(jí)單體風(fēng)暴強(qiáng)度等，均達(dá)到最強(qiáng)盛階段。

新集村和祝家村(圖1中④和⑤)造成多處農(nóng)村房子被完全摧毀，兩層的民房二層完全倒塌、水泥預(yù)制板吹倒，一層外墻倒塌，樹林里大部分樹被折斷、樹木枝干有被剝落和擼頂?shù)默F(xiàn)象，此處達(dá)到行標(biāo)三級(jí)(EF2—EF3)，對(duì)應(yīng)60 m·s-1＜Vmax≤74 m·s-1。

千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地到鳳亭南路一帶是全路徑破壞程度最嚴(yán)重的地方，千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地造成大量樹木折斷(樟樹最大直徑60 cm)，一工地塔吊倒塌(圖1中⑥)，數(shù)十米高的聯(lián)通鐵塔基站倒塌(圖1中⑦)，數(shù)十個(gè)工棚被掀翻，產(chǎn)生較大飛射物，汽車被拋出30多米遠(yuǎn)距離(圖3c、圖5b)，板房越過工地圍欄被拋出30多米遠(yuǎn)距離(圖5a)，此處造成1人死亡；鳳亭路口/同濟(jì)現(xiàn)代醫(yī)藥科技產(chǎn)業(yè)園多個(gè)工棚倒塌、共有4個(gè)建筑吊塔倒塌(圖1中⑧)。綜合評(píng)估這一帶風(fēng)速?gòu)?qiáng)度達(dá)到行標(biāo)三級(jí)，EF3級(jí)高端，對(duì)應(yīng)49 m·s-1＜Vmax≤74 m·s-1。另外，此處龍卷路徑北側(cè)為千子山星空陵園，多處墓碑石碑向東南到偏南方向倒伏，也有多處石碑被攔腰折斷，可見風(fēng)速之強(qiáng)盛，但因目前的定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中沒有針對(duì)類似的災(zāi)害指示物的定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，只能依靠周邊的災(zāi)害指示物定級(jí)。

3.3 跳躍減弱階段

龍卷繼續(xù)東移影響軍山街道城管中心時(shí)，強(qiáng)度明顯減弱或此處處于龍卷南側(cè)邊緣影響，造成了廣告牌倒伏、圍墻倒塌(圖1中⑩)，混凝土電線桿折斷等災(zāi)害。圖1中⑩—○1之間航拍沒有找到明顯的破壞痕跡，猜測(cè)此階段龍卷處于跳躍前進(jìn)，漏斗云減弱后回收到空中，對(duì)地面沒造成明顯破壞。災(zāi)情點(diǎn)○1位于川江池公園，有大面積的小樹被連根拔起或倒伏，呈現(xiàn)輻合狀，且有目擊者稱看到漏斗狀龍卷向東邊移去，災(zāi)情點(diǎn)○1符合行標(biāo)二級(jí)(EF1)，38 m·s-1＜Vmax≤49 m·s-1。災(zāi)情點(diǎn)○12處小軍山社區(qū)只有小范圍的小樹倒伏后，繼續(xù)往東航拍就沒發(fā)現(xiàn)破壞痕跡，推測(cè)龍卷在此地減弱消失。

4 雷達(dá)探測(cè)特征與龍卷預(yù)警探討

圖6a、b分別為武漢雷達(dá)站≥45 dBz反射率因子疊加龍卷風(fēng)路徑圖、≥45 dBz反射率因子三維結(jié)構(gòu)演變圖(東南向西北方向視覺)，圖6c為徑向速度圖識(shí)別的中氣旋、龍卷渦旋(TVS)隨時(shí)間演變疊加龍卷風(fēng)路徑圖。5月14日20∶00—21∶00，超級(jí)單體風(fēng)暴自西向東影響武漢市蔡甸區(qū)(圖6a)，移動(dòng)速度約50 km·h-1，與前述現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取的時(shí)間評(píng)估龍卷風(fēng)移動(dòng)的平均速度相當(dāng)，超級(jí)單體風(fēng)暴分為發(fā)展期(20∶00—20∶24)、成熟期(20∶30—20∶42)和減弱期(20∶48—20∶54)三個(gè)階段。

發(fā)展期：20∶00—20∶24，超級(jí)單體風(fēng)暴快速發(fā)展加強(qiáng)，最大反射率因子加強(qiáng)到60 dBz，開始出現(xiàn)鉤狀回波結(jié)構(gòu)，由圖6b1可見，有界弱回波區(qū)(BWER)明顯，此時(shí)上升氣流非常強(qiáng)盛，強(qiáng)回波主體加強(qiáng)擴(kuò)大，并向西北方向傾斜，強(qiáng)回波發(fā)展到13 km左右，伴有強(qiáng)中氣旋，中氣旋平均直徑5~6 km，平均底高1.58 km，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度由17 m·s-1增強(qiáng)為22.5 m·s-1，20∶06第一次識(shí)別出TVS，TVS底高900 m，頂高4.8 km，最大速度差50.5 m·s-1，20∶12—20∶18雷達(dá)沒有識(shí)別出TVS(圖6b2)，20∶24后連續(xù)36 min識(shí)別出TVS。20∶24，此時(shí)地面還沒出現(xiàn)災(zāi)情，超級(jí)單體風(fēng)暴東南側(cè)鉤狀回波頂有強(qiáng)的反射率因子核(De?scending reflectivity cores，DRC)下垂(圖6b3)。成熟期:20∶30—20∶42風(fēng)暴體達(dá)到最大，強(qiáng)回波發(fā)展高度接近15 km，最強(qiáng)反射率因子65 dBz以上，鉤狀回波、入流缺口特征更明顯，中氣旋結(jié)構(gòu)緊縮，平均直徑縮小到4.6 km，中氣旋底高迅速下降到300—400 m，旋轉(zhuǎn)速度加強(qiáng)為28 m·s-1，TVS進(jìn)一步加強(qiáng)，底高下降到600 m，頂高下降到2.9 km，最大速度差增強(qiáng)到53.6 m·s-1。20∶30(圖6b4)DRC接近地面，20∶36(圖6b5)DRC已經(jīng)伸展到地面，因此DRC是在20∶30—20∶36之間下垂伸展到地面，與調(diào)研中獲取的風(fēng)災(zāi)最早出現(xiàn)在20∶33前后時(shí)間吻合，20∶42(圖6b6)DRC直徑最大，位于圖6a4鉤狀回波頂端反射率因子最強(qiáng)處(白色圓圈)，與風(fēng)災(zāi)災(zāi)情最嚴(yán)重的千子山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目工地位置吻合。減弱期20∶48—20∶54超級(jí)單體風(fēng)暴迅速減弱，反射率因子強(qiáng)度下降到60 dBz以下，中氣旋減弱消失，圖6b7—b8可見DRC直徑迅速減小，TVS最大速度差減弱為19 m·s-1。

圖6c為雷達(dá)算法識(shí)別出的中氣旋和TVS經(jīng)人工判斷訂正后的演變趨勢(shì)，可見中氣旋、TVS路徑與風(fēng)災(zāi)路徑走向一致，風(fēng)災(zāi)路徑位于中氣旋和TVS南側(cè)，靠近中氣旋速度對(duì)徑向速度入流一側(cè)。以上分析可判斷，雷達(dá)探測(cè)到本次龍卷過程是由超級(jí)單體風(fēng)暴自西向東移動(dòng)引起，龍卷移動(dòng)路徑與中氣旋、TVS路徑一致，龍卷發(fā)生在超級(jí)單體中氣旋和TVS路徑南側(cè)。超級(jí)單體中氣旋和TVS加強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)速度、最強(qiáng)切變加大以及頂高底高下降時(shí)，龍卷觸地引起地面災(zāi)害，中氣旋、TVS達(dá)到最強(qiáng)階段對(duì)應(yīng)地面災(zāi)情最嚴(yán)重。另外，超級(jí)單體風(fēng)暴DRC下垂與龍卷觸地有關(guān)，DRC下垂伸展到地面時(shí)龍卷發(fā)生，DRC直徑演變和龍卷強(qiáng)度呈正相關(guān)，直徑越大，地面破壞強(qiáng)度越強(qiáng)，直徑縮小，地面破壞強(qiáng)度減弱，DRC縮小，龍卷減弱消失；龍卷發(fā)生在反射率因子鉤狀回波頂端強(qiáng)反射率因子附近。

圖6 2021年5月14日20∶24—20∶54不同時(shí)次(a1∶20∶24,a2∶20∶30,a3∶20∶36,a4∶20∶42,a5∶20∶48,a6∶20∶54)武漢雷達(dá)≥45 dBz反射率因子疊加龍卷風(fēng)路徑圖,不同時(shí)次(b1∶20∶12,b2∶20∶18,b3∶20∶24,b4∶20∶30,b5∶20∶36,b6∶20∶42,b7∶20∶48,b8∶20∶54)≥45dBz反射率因子三維結(jié)構(gòu)演變圖以及20∶24—21∶00武漢雷達(dá)中氣旋和TVS演變疊加龍卷風(fēng)路徑圖(c)Fig.6 Wuhan radar reflectivity≥45 dBz and tornado path at different time(a1∶20∶24,a2∶20∶30,a3∶20∶36,a4∶20∶42,a5∶20∶48,a6∶20∶54),and≥45 dBz 3D structure at different time(b1∶20∶12,b2∶20∶18,b3∶20∶24,b4∶20∶30,b5∶20∶36,b6∶20∶42,b7∶20∶48,b8∶20∶54)and(c)the evolution of M&TVS in Wuhan radar superimposed tornado path map from 20∶24 to 21∶00 on 14 May 2021.

武漢中心氣象臺(tái)在監(jiān)測(cè)到超級(jí)單體風(fēng)暴中氣旋和TVS的演變特征后，于5月14日20∶49發(fā)布大風(fēng)橙色預(yù)警信號(hào)：“預(yù)計(jì)未來(lái)3 h，武漢地區(qū)有10~12級(jí)雷暴大風(fēng)，雨量40~70 mm，并伴有雷電、冰雹、可能有龍卷，請(qǐng)注意防范”，在大風(fēng)預(yù)警信號(hào)中提出了有龍卷的風(fēng)險(xiǎn)提醒，雖然此時(shí)龍卷已經(jīng)在進(jìn)行中，但對(duì)于下游仍然是有效的預(yù)警。龍卷發(fā)生時(shí)，中氣旋平均旋轉(zhuǎn)速度在28 m·s-1，中氣旋和TVS的底高均很低，在600 m以下，因此對(duì)于超級(jí)單體龍卷，通過雷達(dá)探測(cè)到超級(jí)單體的鉤狀回波結(jié)構(gòu)、中氣旋和TVS加強(qiáng)及向低層發(fā)展的演變特征，可考慮發(fā)布龍卷風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警。

5 結(jié)論與討論

本文通過詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查和雷達(dá)探測(cè)資料，綜合分析確定2021年5月14日發(fā)生在武漢市蔡甸區(qū)千子山附近的大風(fēng)災(zāi)害為龍卷風(fēng)造成，主要結(jié)論如下：

(1)風(fēng)災(zāi)路徑長(zhǎng)、縱橫比大，災(zāi)情指示物有明顯輻合狀倒伏，有扭曲、拋射等特征，草地和泥地有淺色破壞條跡，是識(shí)別龍卷災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的典型特征。龍卷經(jīng)歷了觸地初生、加強(qiáng)成熟和跳躍減弱三個(gè)階段，成熟階段強(qiáng)度為行標(biāo)三級(jí)高端(EF3)，在此區(qū)域造成重大人員傷亡。

(2)龍卷路徑位于雷達(dá)探測(cè)的中氣旋和TVS路徑的南側(cè)，反射率因子鉤狀回波頂端強(qiáng)反射率因子處。超級(jí)單體中氣旋和TVS加強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)速度、最強(qiáng)切變加大以及頂高底高下降時(shí)，龍卷觸地引起地面災(zāi)害，中氣旋、TVS達(dá)到最強(qiáng)階段對(duì)應(yīng)地面災(zāi)情最嚴(yán)重。當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)在監(jiān)測(cè)到超級(jí)單體風(fēng)暴中氣旋和TVS的演變特征后及時(shí)在大風(fēng)預(yù)警信號(hào)中提出了有龍卷的風(fēng)險(xiǎn)提醒，是龍卷預(yù)警業(yè)務(wù)的很好嘗試。

(3)本次龍卷造成10人遇難，230人受傷，其中有7人由于工棚倒塌或連同工棚被卷走后遇難?？梢?，致災(zāi)重的主要原因除了龍卷在此階段強(qiáng)度強(qiáng)，這種簡(jiǎn)易工棚對(duì)EF3級(jí)龍卷幾乎沒有任何抵抗力有關(guān)外，還跟龍卷發(fā)生在夜間，工人都在工棚里休息，多災(zāi)種同時(shí)發(fā)生，增大了致災(zāi)性等因素有關(guān)。

我國(guó)現(xiàn)行的龍卷強(qiáng)度等級(jí)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)建筑物類、構(gòu)筑物類和樹木類的倒塌受損情況定級(jí)，災(zāi)害描述較為簡(jiǎn)單，在實(shí)際操作中由于下墊面復(fù)雜性影響，使得龍卷強(qiáng)度估計(jì)存在一定不確定性和個(gè)人主觀性，2021年12月1日起將執(zhí)行的龍卷風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步細(xì)化不同災(zāi)害指示物的災(zāi)損程度和對(duì)應(yīng)風(fēng)速范圍，這將為龍卷風(fēng)強(qiáng)度定級(jí)提供更合適通用的標(biāo)準(zhǔn)。

致謝：國(guó)家氣象中心、中國(guó)氣象科學(xué)研究院、湖北省氣象局、武漢市氣象局、蔡甸區(qū)氣象局對(duì)本次龍卷災(zāi)害調(diào)查提供了支持和幫助，中國(guó)氣象局干部培訓(xùn)學(xué)院俞小鼎教授對(duì)本文提供了指導(dǎo)，廣西師范大學(xué)氣象愛好者徐縱橫對(duì)本次龍卷災(zāi)害調(diào)查提供了網(wǎng)絡(luò)視頻及相關(guān)信息，一并致謝！