耿世波 才奎志 王瀛 周福然 肖光梁 黃海亮 柴曉玲

(1.中國(guó)氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166； 2.遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，遼寧 沈陽 110166；3.錦州市氣象臺(tái)，遼寧 錦州 121000； 4.沈陽市氣象臺(tái)，遼寧 沈陽 100168)

引言

龍卷風(fēng)是從積雨云向下伸展的具有“超低壓”旋轉(zhuǎn)性的空氣柱，是破壞力極強(qiáng)的天氣現(xiàn)象之一。超級(jí)單體風(fēng)暴在1962年由Browning[1]提出，并發(fā)現(xiàn)超級(jí)單體風(fēng)暴的雷達(dá)探測(cè)回波存在弱回波區(qū)(WER)或有界弱回波(BWER)，低層存在有鉤狀回波等重要特征。后來，Marwitz[2]把它作為一種新型的對(duì)流風(fēng)暴。Edwards等[3]總結(jié)得出，發(fā)展猛烈的龍卷大多由超級(jí)單體風(fēng)暴產(chǎn)生，Browning和其團(tuán)隊(duì)[4-6]首次系統(tǒng)地描述了超級(jí)單體風(fēng)暴同時(shí)伴有龍卷的基本結(jié)構(gòu)特征。隨著多普勒天氣觀測(cè)雷達(dá)在科研和業(yè)務(wù)上得到廣泛應(yīng)用，Ray等[7]通過天氣雷達(dá)觀測(cè)資料總結(jié)形成超級(jí)單體風(fēng)暴中伴有龍卷的經(jīng)典理論：初始在中層有渦旋的垂直發(fā)展、隨后在低層形成渦旋、進(jìn)而在地面形成龍卷[8-10]。利用經(jīng)典理論可以完美解釋“自上而下”型龍卷的形成機(jī)制，但Trapp等[11-12]通過數(shù)值模擬和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)“自下而上”型龍卷在美國(guó)也存在。

隨著新一代天氣雷達(dá)廣泛布網(wǎng)之后，中國(guó)學(xué)者利用天氣雷達(dá)回波資料，對(duì)多地發(fā)生的龍卷天氣個(gè)例進(jìn)行了總結(jié)和分析[13-15]。其中王秀明等[16]和才奎志等[17]分別對(duì)發(fā)生于東北和遼寧近十年的龍卷個(gè)例的環(huán)境特征進(jìn)行了總結(jié)，得出一些龍卷環(huán)境指標(biāo)。王婷婷等[18]對(duì)2015年發(fā)生于通榆縣兩次龍卷過程進(jìn)行了對(duì)比分析，得出兩次過程分別是超級(jí)單體龍卷和非超級(jí)單體龍卷。

2019年7月3日遼寧開原突發(fā)龍卷風(fēng)，是一次比較清晰記錄到的EF4級(jí)龍卷風(fēng)天氣發(fā)展過程，且有著各個(gè)時(shí)段較完整的錄像視頻和目擊災(zāi)情記錄。從視頻看，該龍卷17：15發(fā)生于開原市北部約1.0 km金鉤子鎮(zhèn)金英村，空中漏斗云向下方逐漸探出；17：17觀測(cè)到上方的漏斗云與地面上的氣流合攏，并在金溝子鎮(zhèn)金英村北側(cè)和鮮屯南側(cè)之間空曠地區(qū)接地，形成巨大的龍卷風(fēng)，隨后向南部的開原市區(qū)移動(dòng)；17：23開原城區(qū)西南隅的鐵西工業(yè)園區(qū)遭遇龍卷直接襲擊，為龍卷發(fā)展最強(qiáng)盛時(shí)期；17:47前后在開原市南部中固鎮(zhèn)消散。據(jù)統(tǒng)計(jì)，此次龍卷天氣過程破壞力極大，共造成6人死亡，190余人受傷，開原市工業(yè)園區(qū)財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重。開原國(guó)家氣象觀測(cè)站在17：25—17：37觀測(cè)到龍卷，同時(shí)伴有冰雹。根據(jù)Fujita[19]龍卷分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)相關(guān)專家[20]評(píng)估這次龍卷的強(qiáng)度等級(jí)為EF4級(jí)。針對(duì)此龍卷過程，鄭永光等[21]認(rèn)為風(fēng)暴發(fā)展前形成的合適冷池有助于本次龍卷的形成。袁潮等[22]認(rèn)為風(fēng)暴發(fā)生前的超低空急流對(duì)于風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展起著關(guān)鍵作用，但針對(duì)本次龍卷的中氣旋精細(xì)結(jié)構(gòu)特征及其形成機(jī)理仍需進(jìn)一步分析。因此，本文將采用多種觀測(cè)資料對(duì)此次超級(jí)單體風(fēng)暴伴有EF4強(qiáng)龍卷的多普勒雷達(dá)回波特征和其形成機(jī)理進(jìn)一步探討，以期為該類龍卷天氣預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用資料主要包括沈陽CINRAD-SA多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)資料、地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料、沈陽風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)資料、遼寧GPSMET觀測(cè)資料、通遼與長(zhǎng)春探空觀測(cè)資料以及ERA5再分析資料，時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°，經(jīng)過插值后空間分辨率為0.125°×0.125°。

1.2 研究方法

本文除了利用常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)環(huán)境條件和超級(jí)單體演變進(jìn)行分析，還利用ERA5再分析資料，通過對(duì)有關(guān)物理量診斷，對(duì)此次超級(jí)單體風(fēng)暴可能的中氣旋起源、超級(jí)單體風(fēng)暴演變機(jī)制等進(jìn)行探討。

渦度在z坐標(biāo)系的表達(dá)式為

(1)

式(1)中，前兩項(xiàng)為水平渦度，第三項(xiàng)為垂直渦度，對(duì)于水平風(fēng)隨高度變化(切變)劇烈的中小尺度天氣系統(tǒng)，水平渦度作用非常重要。

竇慧敏等[23]分析水平渦度與垂直運(yùn)動(dòng)具有如下關(guān)系

(2)

上面式(1)中，

(3)

(4)

(5)

當(dāng)水平渦度矢量作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，式(5)左側(cè)數(shù)值為正，右側(cè)ω<0有上升運(yùn)動(dòng)；反之水平渦度矢量作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，左側(cè)數(shù)值為負(fù)，右側(cè)ω>0有下沉運(yùn)動(dòng)。這樣分析水平渦度矢量與垂直渦度矢量轉(zhuǎn)換，探討超級(jí)單體風(fēng)暴可能的中氣旋起源。

在p坐標(biāo)系，位渦(Potential Vorticity，P V)可表示為

(6)

Wu等[24]分析位渦異常與氣旋移動(dòng)關(guān)系，本文將用位渦分析超級(jí)單體發(fā)展及演變過程。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣形勢(shì)和環(huán)境條件分析

從天氣形勢(shì)背景分析，7月3日08：00，500 hPa中國(guó)東北地區(qū)受冷渦控制，遼寧東北部位于短波槽后的西北氣流下沉區(qū)，這符合王秀明等[16]統(tǒng)計(jì)東北龍卷大多發(fā)生在冷禍南側(cè)短波槽中的特征。在850 hPa層上，從遼寧錦州到吉林長(zhǎng)春有西北風(fēng)與西南風(fēng)切變，200 hPa層急流軸穿過遼寧的東北部地區(qū)，且正處于急流出口的左側(cè)，低層強(qiáng)輻合和高層強(qiáng)輻散正好疊加，這也是丁一匯等[25]描述的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)配置，有利于單體風(fēng)暴的發(fā)生與發(fā)展。

陶詩言[26]指出，不穩(wěn)定大氣層結(jié)、上干下濕水汽垂直分布和強(qiáng)垂直風(fēng)切變是發(fā)生強(qiáng)風(fēng)暴關(guān)鍵條件。沈陽風(fēng)廓線雷達(dá)顯示(圖1a):17:00，1500 m高度以下為西南風(fēng)、以上為西到西北風(fēng)，低層暖平流明顯。08:00探空顯示(圖略)，850—500 hPa溫度差大值中心位于遼寧東北部和吉林西部，700 hPa以下溫度露點(diǎn)差(t-td)平均在2.4 ℃，隨后t-td逐漸增大，500 hPa的t-td接近40 ℃，因此，遼寧東北部中低層存在明顯的暖濕而高層冷干的大氣層結(jié)。丁一匯等[25]指出，“低層暖濕高層冷干”為不穩(wěn)定氣層，而且在風(fēng)暴發(fā)展階段；Davies-Jones[27]發(fā)現(xiàn)，卷入干空氣會(huì)使雨滴在下沉氣流強(qiáng)烈蒸發(fā)冷卻，利于在下沉氣流與暖濕入流邊界生成斜壓渦旋，進(jìn)一步增強(qiáng)中氣旋發(fā)生和促進(jìn)風(fēng)暴的發(fā)展。Brooks和Craven[28]通過多次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)也表明，低層(0—1 km)垂直方向風(fēng)切變大和抬升凝結(jié)高度低的環(huán)境條件，也有利于發(fā)生強(qiáng)龍卷發(fā)生。08：00長(zhǎng)春探空顯示，當(dāng)時(shí)環(huán)境大氣抬升凝結(jié)高度為930 m偏低，從沈陽風(fēng)廓線雷達(dá)看，17:00，0—1 km的風(fēng)矢量差值為10 m·s-1，這比王秀明等[16]對(duì)東北龍卷發(fā)生時(shí)的統(tǒng)計(jì)值略偏低，但0—6 km的風(fēng)矢量差值為20 m·s-1在其統(tǒng)計(jì)值的范圍內(nèi)。因此，從次天氣尺度及中尺度環(huán)境條件來看，環(huán)境條件是有利于強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生和發(fā)展。

天氣尺度和中尺度環(huán)境條件對(duì)于對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展有明示作用，但其觸發(fā)的條件主要受小尺度環(huán)境的影響。在龍卷發(fā)生前(圖略)，14:00在遼寧北部與內(nèi)蒙古交界處地面存在明顯的干線，沿干線有小尺度積云生成；16:00在遼寧東北部區(qū)域出現(xiàn)了地面輻合線，且在13:00—16:00出現(xiàn)3 h負(fù)變壓-1.8 hPa(圖1b)，地面干線匯合流場(chǎng)形成地面輻合線在17:15產(chǎn)生濕對(duì)流并發(fā)展成為對(duì)流風(fēng)暴。這與王秀明等[16]統(tǒng)計(jì)東北地區(qū)龍卷風(fēng)觸發(fā)機(jī)制結(jié)論一致。在低層西南急流作用下，遼寧東北部大氣迅速增濕，明顯看出15:30—16:30的1 h大氣可降水汽(PWV)值迅速增加，開原國(guó)家氣象站PWV增幅最大，1 h增加11 mm(圖1c)。產(chǎn)生龍卷前的對(duì)流風(fēng)暴在16:30開始出現(xiàn)了降水，超級(jí)單體風(fēng)暴爆發(fā)前后(圖1b)17:00—18:00地面露點(diǎn)溫度從19 ℃下降到16 ℃，溫度29 ℃下降到19 ℃，地面極大風(fēng)速在17：51達(dá)最大(圖1d),為23 m·s-1。地面大氣近乎飽和形成冷池，以開原上游的長(zhǎng)春站，用龍卷即將發(fā)生時(shí)17:00的溫度和露點(diǎn)訂正08:00長(zhǎng)春的探空?qǐng)D，訂正后對(duì)流有效位能(CAPE)值3500 J·kg-1，對(duì)流有效位能顯著超過王秀明等[16]統(tǒng)計(jì)的東北龍卷發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的值。綜上所述，遼寧省開原市超級(jí)單體風(fēng)暴是在小尺度的邊界層輻合線附近觸發(fā)，在強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定和冷池的環(huán)境條件下，加速風(fēng)暴單體內(nèi)斜壓渦度生成進(jìn)而發(fā)展為伴有龍卷天氣的超級(jí)單體風(fēng)暴。

圖a一個(gè)風(fēng)向桿為4 m·s-1

2.2 超級(jí)單體演變的雷達(dá)回波分析

選取沈陽雷達(dá)站資料對(duì)此次超級(jí)單體風(fēng)暴伴有龍卷過程進(jìn)行分析。需要說明的是，沈陽雷達(dá)距離此次過程發(fā)生和發(fā)展地開原市約75 km。雷達(dá)探測(cè)能力有一定的限制，但仍可以捕捉到超級(jí)單體風(fēng)暴的一些重要特征信息。

由沈陽雷達(dá)0.5 °回波圖像(圖2)可知，16：24大片的層狀云和積云混合降水回波夾裹著3個(gè)對(duì)流單體風(fēng)暴(分別編號(hào)A、B、C)進(jìn)入開原北部，這時(shí)3個(gè)單體風(fēng)暴剛開始發(fā)展，回波強(qiáng)度普遍小于35 dBz，16:36(圖2b)，對(duì)流單體進(jìn)入開原北部地區(qū)并產(chǎn)生降水，A、C單體風(fēng)暴迅速增強(qiáng)，發(fā)展最強(qiáng)的C單體風(fēng)暴中心強(qiáng)度為55 dBz。隨后3個(gè)單體風(fēng)暴繼續(xù)發(fā)展并向東南方向移動(dòng)，16:54(圖2c),A單體風(fēng)暴中心強(qiáng)度55 dBz，此時(shí)C單體風(fēng)暴中心強(qiáng)度發(fā)展到65 dBz，不過C單體風(fēng)暴后續(xù)向東南方向移動(dòng)，它不是造成此次龍卷過程的單體風(fēng)暴。因A單體風(fēng)暴南下分量大于東移分量向東南移動(dòng)，造成龍卷過程的A單體風(fēng)暴繼續(xù)發(fā)展。17:00(圖2d)中心強(qiáng)度發(fā)展到65 dBz，回波已經(jīng)進(jìn)入開原城區(qū)，在中層(2.4°仰角、高度3900 m)，出現(xiàn)了明顯的正負(fù)速度對(duì)，其中最大負(fù)速度約為-31 m·s-1;最大正速度約為29 m·s-1，旋轉(zhuǎn)速度為30 m·s-1(圖3)，達(dá)到強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)[29]；17:12龍卷發(fā)生前5 min，在強(qiáng)回波帶左側(cè)的弱回波對(duì)應(yīng)著后側(cè)下沉氣流區(qū)(RFD)，50 dBz強(qiáng)回波離地面9 km，強(qiáng)單體回波主體向東南傾斜，并向偏南方向移動(dòng)。17:15，目擊者觀測(cè)到上方的漏斗云正在向下發(fā)展，17：17，進(jìn)一步觀測(cè)到漏斗云與地面上的氣流合攏；17:18，雷達(dá)回波低層(0.5 °仰角)出現(xiàn)鉤狀回波特征，龍卷發(fā)生地開原市金鉤子鎮(zhèn)位于鉤狀回波邊緣，并且這時(shí)低層(0.5°仰角)也首次出現(xiàn)了正負(fù)速度對(duì)，最大負(fù)速度約為-31 m·s-1，最大正速度約為27 m·s-1，旋轉(zhuǎn)速度為28 m·s-1，也達(dá)到強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的垂直渦度估計(jì)為7 s-1。按照偶極子結(jié)構(gòu)從上到下出現(xiàn)的順序，判斷此次龍卷渦旋的形成過程屬于“自上而下”I型，此時(shí)，探測(cè)從2.4°仰角向下伸展到0.5°仰角，中氣旋已經(jīng)逐漸形成為一個(gè)非常深厚的強(qiáng)中氣旋，在強(qiáng)烈上升氣流拉伸作用下產(chǎn)生龍卷式渦旋特征TVS，這與鄭永光等[21]分析此次龍卷過程正負(fù)偶極子先后出現(xiàn)的順序是一致的，但袁潮等[22]分析是首先在低仰角發(fā)現(xiàn)了中氣旋。17:24，龍卷發(fā)展最為強(qiáng)盛，從雷達(dá)回波垂直剖面可以明顯看出，與強(qiáng)上升氣流對(duì)應(yīng)，低層有界弱回波區(qū)和位于其上的回波懸垂區(qū)等一系列超級(jí)單體風(fēng)暴的典型結(jié)構(gòu)特征[30]。從08：00長(zhǎng)春的探空看，0 ℃層和-20 ℃層的高度分別為3.5 km和6.8 km，高于50 dBz的強(qiáng)回波發(fā)展到8.5 km高度，符合Witt等[31]統(tǒng)計(jì)出的大冰雹生長(zhǎng)高度。實(shí)際在開原市區(qū)也觀測(cè)到大冰雹。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)于50 dBz回波呈現(xiàn)出高質(zhì)心雹暴結(jié)構(gòu)，與無龍卷的超級(jí)單體風(fēng)暴常表現(xiàn)出的低質(zhì)心非雹暴結(jié)構(gòu)[32]形成明顯對(duì)比。17：45以后，雖然龍卷已經(jīng)減弱消失，但對(duì)流風(fēng)暴的正負(fù)偶極子速度對(duì)特征一直維持到18:18，這表明具有高度組織化的超級(jí)單體風(fēng)暴，其耗散滯后于龍卷消亡。

A、B、C分別為3個(gè)對(duì)流單體風(fēng)暴；虛線為超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)展軌跡，實(shí)線為剖面位置，圓形標(biāo)記為龍卷發(fā)生位置

圖3 超級(jí)單體風(fēng)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)仰角徑向速度

2.3 龍卷風(fēng)發(fā)生機(jī)制分析

上一節(jié)針對(duì)2019年7月3日在遼寧省開原市發(fā)生的超級(jí)單體風(fēng)暴伴有EF4強(qiáng)龍卷多普勒雷達(dá)特征進(jìn)行了詳細(xì)的描述，揭示出一些具有高度組織的超級(jí)單體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)及其演變特點(diǎn)。下面主要對(duì)該“自上而下”型龍卷的中氣旋起源以及超級(jí)單體風(fēng)暴演變機(jī)制問題進(jìn)行分析。需要指出的是，ERA5再分析資料的時(shí)空分辨率不足以捕捉到龍卷小尺度發(fā)生發(fā)展的重要信息，但仍可以揭示超級(jí)單體風(fēng)暴生消演變等重要的環(huán)境特征信息。

圖4為1000 hPa高度上位渦及水平流場(chǎng)隨時(shí)間演變。16:00(圖4a)在開原國(guó)家氣象站(124.03°E、42.53°N)東北部為偏西風(fēng)和西南風(fēng)，開原站處于西北風(fēng)的負(fù)位渦區(qū)，低層水平渦度矢量為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但在其上游北部存在地面輻合線區(qū)域，低層水平渦度矢量為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(圖5a)，有正位渦區(qū)與其對(duì)應(yīng)，隨著低空急流增強(qiáng)，地面干線的匯合流場(chǎng)形成地面輻合線向東南移動(dòng)；17：00開原東北部低層有暖濕的西南風(fēng)和偏南風(fēng)交匯，水平渦度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)矢量場(chǎng)與正位渦均向東南方向推移，這時(shí)開原站位于正位渦的邊緣(圖4b)，龍卷發(fā)生地水平渦度也由順時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)(圖5b)，形成強(qiáng)烈的輻合抬升運(yùn)動(dòng)(圖6)，觸發(fā)對(duì)流風(fēng)暴，15:30—16:30遼寧東北部大氣迅速增濕、低層不穩(wěn)定能量迅速積累，不穩(wěn)定能量由底層傳遞到高層風(fēng)暴母云體內(nèi)，轉(zhuǎn)換為風(fēng)暴上升運(yùn)動(dòng)動(dòng)力。通過沈陽風(fēng)廓線雷達(dá)計(jì)算，這時(shí)，沈陽0—1 km的風(fēng)矢量差值為10 m·s-1，由于超低空急流在遼寧東北部已建立，開原地區(qū)0—1 km的風(fēng)切變預(yù)計(jì)會(huì)更大。Davies-Jones[27]曾指出，強(qiáng)垂直風(fēng)切變對(duì)龍卷的形成有重要作用。對(duì)流抬升使得與風(fēng)切變關(guān)聯(lián)的水平渦度矢量發(fā)生傾斜，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為對(duì)流風(fēng)暴中垂直渦度，對(duì)流風(fēng)暴中的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)使得順流渦度傾斜拉伸，從而在雷達(dá)2.4°仰角首先出現(xiàn)中氣旋。低層水平渦度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)矢量越大轉(zhuǎn)換成垂直渦度越大，進(jìn)而中低層垂直渦度與地面之間擾動(dòng)的氣壓梯度越大，反饋到對(duì)流風(fēng)暴是具有更強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。這時(shí)在強(qiáng)風(fēng)暴后側(cè)下沉氣流(RFD)導(dǎo)致地面出現(xiàn)明顯降溫并形成了冷池(圖略)。鄭永光等[21]分析合適的冷池形成斜壓渦度，且將中低層的渦度“壓低”。因此，17：15，觀測(cè)到漏斗云向下發(fā)展，隨后17:18在雷達(dá)0.5 °仰角出現(xiàn)中氣旋。風(fēng)暴在繼續(xù)向南移動(dòng)的過程中，從18：00(圖6c和d)發(fā)現(xiàn)這時(shí)西到西北風(fēng)的下沉氣流促使低層溫濕度條件發(fā)生變化，環(huán)境干燥空氣夾卷造成水滴蒸發(fā)和冷卻能力加強(qiáng)，開原站17:00—18:00之間1 h降溫達(dá)到10 ℃過強(qiáng)的冷池，在提高冷池強(qiáng)度的模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[33]，強(qiáng)盛的冷池對(duì)龍卷渦旋發(fā)展造成負(fù)反饋，它會(huì)直接切斷中氣旋的強(qiáng)入流，造成低層的垂直渦度強(qiáng)度的減弱，導(dǎo)致在17:45左右龍卷減弱消散。

填色為位渦，單位為PVU；箭頭為水平風(fēng)場(chǎng)，單位為 m·s-1；菱形標(biāo)記為龍卷發(fā)生位置

流線單位為10-3 m·s-1·Pa-1；菱形標(biāo)記為龍卷發(fā)生位置

填色為垂直渦度，單位為s-1；等值線為垂直速度，單位m·s-1；箭頭為水平風(fēng)場(chǎng)，單位為m·s-1；菱形標(biāo)記為龍卷發(fā)生位置

Lilly[34-35]指出，強(qiáng)的對(duì)流風(fēng)暴具有螺旋度高的特點(diǎn)，相對(duì)高的螺旋度可以阻礙風(fēng)暴能量耗散。由龍卷爆發(fā)前后風(fēng)暴相對(duì)螺旋度(HSR)的變化(圖7)可以看出，17：00超級(jí)單體風(fēng)暴生成時(shí)處在HSR為190—200 m2·s-2的高值區(qū)(圖7a)，已超過國(guó)外總結(jié)得出的產(chǎn)生龍卷中值180 m2·s-2[36]，這種大的HSR使風(fēng)暴單體能從環(huán)境中獲得更多的能量，且能長(zhǎng)時(shí)間維持風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)，17：45以后，龍卷雖然已經(jīng)減弱消失，但具有正負(fù)偶極子速度對(duì)的超級(jí)單體風(fēng)暴特征卻一直維持到18:18。

填色為風(fēng)暴相對(duì)螺旋度，單位為m2·s-2；菱形標(biāo)記為龍卷發(fā)生位置

3 結(jié)論與討論

(1)本次龍卷過程發(fā)生于200 hPa急流出口的左側(cè)，500 hPa冷渦南側(cè)短波槽槽后干冷下沉氣流區(qū)，850 hPa有西北風(fēng)和西南風(fēng)切變，低層強(qiáng)輻合和高層強(qiáng)輻散的動(dòng)力抬升區(qū)，在龍卷發(fā)生前，低層西南急流增強(qiáng)，大氣迅速增濕，不穩(wěn)定能量積聚，在地面干線匯合流場(chǎng)形成的地面輻合線觸發(fā)了對(duì)流單體風(fēng)暴，風(fēng)暴在強(qiáng)熱力不穩(wěn)定條件下發(fā)展為超級(jí)單體風(fēng)暴并伴有龍卷風(fēng)。

(2)龍卷發(fā)生前期，低層暖濕高層冷干和抬升凝結(jié)高度低，CAPE值異常偏大，加劇大氣層結(jié)不穩(wěn)定，診斷計(jì)算龍卷即將發(fā)生時(shí)風(fēng)暴HSR和對(duì)流有效位能與王秀明等[16]東北F2級(jí)以上龍卷統(tǒng)計(jì)均值相比較明顯偏高，0—1 km風(fēng)矢量差值略偏低，但0—6 km風(fēng)矢量差值適中。風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)，HSR值超過國(guó)外總結(jié)的發(fā)生龍卷中值，中氣旋最強(qiáng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。

(3)多普勒雷達(dá)回波顯示，龍卷發(fā)生于低層鉤狀回波附近，在龍卷發(fā)展最強(qiáng)盛時(shí)期，呈現(xiàn)出有界回波、回波懸垂、中氣旋等經(jīng)典超級(jí)單體風(fēng)暴特征，同時(shí)具有龍卷特征的高質(zhì)心雹暴結(jié)構(gòu)。徑向速度顯示，龍卷發(fā)生前17 min，在2.4 °仰角首先出現(xiàn)中氣旋結(jié)構(gòu)，隨后向下發(fā)展，龍卷發(fā)生后1 min，在0.5°仰角達(dá)到強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)并出現(xiàn)TVS結(jié)構(gòu)，屬于“自上而下”I型龍卷。

(4)通過計(jì)算渦度方程，龍卷可能的形成機(jī)制為，邊界層輻合線匯合流場(chǎng)產(chǎn)生了水平渦管，在垂直速度場(chǎng)抬高下轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睖u管，對(duì)流風(fēng)暴中的較大上升運(yùn)動(dòng)促進(jìn)順流渦度向下傾斜并拉伸產(chǎn)生了中氣旋，風(fēng)暴RFD形成的合適冷池將中低層的渦度“壓低”并形成龍卷風(fēng)。在風(fēng)暴繼續(xù)向南方向移動(dòng)過程中，強(qiáng)冷池切斷了中氣旋的入流，龍卷減弱消散。由于超級(jí)單體風(fēng)暴具有較大的HSR致使在龍卷消失后，其中氣旋的特征沒有隨之消失，而是又持續(xù)了約30 min。

綜上所述，龍卷風(fēng)時(shí)空尺度小，現(xiàn)有資料和技術(shù)對(duì)其預(yù)報(bào)預(yù)警依然難度很大，短期預(yù)報(bào)應(yīng)著眼于大尺度環(huán)流背景下、次天氣尺度系統(tǒng)擾動(dòng)上的潛勢(shì)預(yù)報(bào)，雖然新一代天氣雷達(dá)在我國(guó)業(yè)務(wù)觀測(cè)布網(wǎng)已經(jīng)多年，但是雷達(dá)布網(wǎng)在時(shí)空上的分辨率還不能滿足龍卷監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)，對(duì)于龍卷這種小尺度的天氣系統(tǒng)，需要更精細(xì)資料對(duì)其分析。

值得一提的是，隨著手機(jī)和攝像機(jī)的廣泛使用，有了首次觀測(cè)和記錄龍卷完整的生消形態(tài)。因此，除了要繼續(xù)提升包括龍卷等極端強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)能力，包括地面自動(dòng)氣象站、氣象探空站、風(fēng)廓線雷達(dá)、新一代天氣雷達(dá)等的布局優(yōu)化，如何整合民間觀測(cè)資源，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)與捕捉龍卷風(fēng)也很重要。