2019年4月13日廣東徐聞強龍卷天氣分析*

黃先香 俞小鼎 炎利軍 蔡康龍 植江玲 王碩甫

1 廣東省佛山市氣象局/佛山市龍卷風(fēng)研究中心，佛山 528315 2 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081 3 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081

提 要： 利用常規(guī)高空地面觀測、廣東省區(qū)域加密自動站、湛江多普勒雷達以及FY-4A高分辨可見光云圖等資料對2019年4月13日廣東省湛江市徐聞縣EF3級強龍卷過程進行分析。結(jié)果表明：強龍卷發(fā)生在低緯地區(qū)海岸帶附近，路徑長約16 km，歷經(jīng)“三次陸上、兩次海上”的復(fù)雜過程，持續(xù)約36 min。產(chǎn)生龍卷超級單體的中尺度對流系統(tǒng)出現(xiàn)在地面暖低壓槽前、中低層顯著西南氣流和偏南急流匯合處；環(huán)境條件表現(xiàn)為強的垂直風(fēng)切變、低的抬升凝結(jié)高度、大的風(fēng)暴相對螺旋度和能量螺旋度，地面存在觸發(fā)對流的中尺度輻合線和小尺度渦旋。龍卷罕見地經(jīng)過徐聞縣和安鎮(zhèn)政府自動站，該站受到龍卷渦旋不同部位影響，風(fēng)向隨時間呈順轉(zhuǎn)—逆轉(zhuǎn)—順轉(zhuǎn)的變化特征，并測到15級強風(fēng)；氣壓和氣溫陡降，平均氣壓、平均氣溫最大降幅分別為2.6 hPa·(5 min)-1、1.7 ℃·(5 min)-1。龍卷發(fā)生在一個主要伴隨正地閃、高質(zhì)心的超級單體風(fēng)暴中，鉤狀回波和回波懸垂特征明顯，并伴有低層強中氣旋和龍卷渦旋特征；中氣旋強度和頂高呈反位相變化，3次(2次)強度峰值(谷值)和3次(2次)頂高谷值(峰值)正好與龍卷3次(2次)陸上(入海)活動時間對應(yīng)，龍卷在陸地上(海面上)時，中氣旋較強(較弱)、頂高較低(較高)。龍卷出現(xiàn)在鉤狀回波頂端、β中尺度對流系統(tǒng)上風(fēng)側(cè)TBB梯度最大處、水汽羽之下和中氣旋底高低于500 m期間。

引 言

龍卷是對流云產(chǎn)生的破壞力極強的小尺度災(zāi)害天氣，能在短時間內(nèi)造成重大生命財產(chǎn)損失(俞小鼎等,2006a；范雯杰和俞小鼎,2015)。雖然我國龍卷發(fā)生概率比較低，年均發(fā)生次數(shù)不及美國十分之一，但龍卷易發(fā)生在江淮流域、珠三角、雷州半島、海南、東北和華北等人口稠密的地區(qū)，往往會導(dǎo)致較為嚴(yán)重的人員傷亡。如：2015年10月4日珠三角EF3級龍卷導(dǎo)致7人死亡、214人受傷(朱文劍等,2016)，2016年6月23日江蘇鹽城EF4級龍卷導(dǎo)致99人死亡、846人受傷(鄭永光等,2018a；張小玲等,2016)。近年來接連發(fā)生的幾次強龍卷災(zāi)害事件引起了政府和社會對龍卷的高度關(guān)注，龍卷的研究也越來越受到重視。

國內(nèi)外有關(guān)龍卷的研究成果已有不少。龍卷通常分為兩類，一類為超級單體龍卷(中氣旋龍卷)，另一類為非超級單體龍卷(非中氣旋龍卷)(俞小鼎等,2006a；Wakimoto and Wilson,1989；Markowski and Richardson,2010)。超級單體龍卷(中氣旋龍卷)往往強度較強，F(xiàn)2級以上的災(zāi)害性龍卷絕大多數(shù)由超級單體龍卷產(chǎn)生(Agee and Jones,2009)。從天氣形勢和影響天氣系統(tǒng)來看，我國龍卷主要可以分為兩大類，一類是臺風(fēng)龍卷，發(fā)生在臺風(fēng)天氣背景下，如2015年10月4日臺風(fēng)彩虹外圍廣東佛山和廣州龍卷(朱文劍等,2016)；另一類是西風(fēng)帶系統(tǒng)龍卷，發(fā)生在高空槽、低渦、切變線等天氣背景下，如 2016年6月23日江蘇鹽城龍卷(鄭永光等,2018b；張小玲等,2016)，還有極少數(shù)是發(fā)生在其他天氣系統(tǒng)下的龍卷，如熱帶地區(qū)由海風(fēng)鋒觸發(fā)產(chǎn)生的龍卷(鄭艷等,2017)。不少學(xué)者對西風(fēng)帶超級單體龍卷分析(張小玲等,2016；俞小鼎等,2006b;2008;2012；鄭永光等,2017；鄭媛媛等,2009；姚葉青等,2012；趙瑞金等,2010；劉娟等,2009)，發(fā)現(xiàn)大氣處于顯著條件不穩(wěn)定層結(jié)、強的深層垂直風(fēng)切變、較大的低層垂直風(fēng)切變和較低的抬升凝結(jié)高度有利于西風(fēng)帶超級單體龍卷的產(chǎn)生；鉤狀回波是超級單體龍卷的雷達反射率因子典型特征，龍卷發(fā)生在強烈發(fā)展、底部很低的中氣旋中，有時候伴有龍卷渦旋特征(TVS)。而臺風(fēng)背景下產(chǎn)生的超級單體龍卷的環(huán)境大氣對流有效位能(CAPE)一般較小，臺風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴屬于微型超級單體風(fēng)暴，其與西風(fēng)帶超級單體龍卷風(fēng)暴有很多相似特征，但臺風(fēng)龍卷微型超級單體風(fēng)暴的中氣旋尺度較小、伸展高度較低(鄭媛媛等,2015；朱文劍等,2016；黃先香等,2018a；2018b；李兆慧等,2017；王炳赟等,2018a；2018b；李彩玲等,2016)。非超級單體龍卷通常由地面輻合切變線上的中小尺度渦旋和快速發(fā)展對流風(fēng)暴中的強上升氣流共同作用形成(Wakimoto and Wilson,1989；Pryor,2015；鄭永光等,2018a)，具有較強的水平風(fēng)切變和垂直渦度，但垂直風(fēng)切變一般較弱(Wakimoto and Wilson,1989；鄭永光等,2018b)。錢維宏等(2017)和吳俞等(2015)還開展了龍卷天氣過程的動力特征和局地地形作用的數(shù)值模擬分析。

雖然國內(nèi)外對龍卷做了大量研究，但由于龍卷生消迅速、影響范圍小、發(fā)生概率低等特點，對龍卷的監(jiān)測和預(yù)警難度極大。龍卷研究依然是中小尺度災(zāi)害天氣領(lǐng)域的難點。

廣東是華南龍卷比較高發(fā)的省份之一，根據(jù)影響天氣系統(tǒng)主要分為臺風(fēng)龍卷和西風(fēng)帶龍卷；從龍卷落區(qū)看，臺風(fēng)龍卷集中在珠三角的佛山、廣州一帶，西風(fēng)帶龍卷則主要發(fā)生在湛江的雷州、徐聞和珠三角的佛山、廣州等地。目前對低緯度臺風(fēng)龍卷(朱文劍等,2016；李兆慧等,2017；王炳赟等,2018a；2018b；黃先香等,2019a；2019b；2019c)和中緯度西風(fēng)帶龍卷(張小玲等,2016；俞小鼎等,2006b；2008；2012；鄭永光等,2017；Meng and Yao,2014；鄭媛媛等,2009；姚葉青等,2012；趙瑞金等,2010；劉娟等,2009)的研究較多、認識較深入。陳愛軍等(2015)、王沛霖(1996)和陳元昭等(2016)對珠三角西風(fēng)帶龍卷的環(huán)境背景及雷達回波特征進行了分析，但目前對低緯度海岸帶附近的西風(fēng)帶龍卷，尤其是EF2級以上強烈龍卷過境地面測站的分析還較少、認識還不夠。2019年4月13日下午，受高空短波槽和西南急流影響，廣東省湛江市徐聞縣出現(xiàn)強龍卷天氣，龍卷罕見地經(jīng)過當(dāng)?shù)貧庀笞詣诱荆炻効h和安鎮(zhèn)政府自動站觀測到50.7 m·s-1(15級)的極強陣風(fēng)，而以往幾乎沒有地面氣象觀測儀器直接記錄到龍卷(鄭永光等,2016)。按照我國重大強對流天氣的定義：直徑≥5 cm冰雹、或≥32 m·s-1陣風(fēng)、或EF2級(陣風(fēng)可達50 m·s-1以上)及以上級別龍卷、或1 h 雨量≥80 mm或3 h雨量≥180 mm的短時強降水(鄭永光等,2017)，本次湛江徐聞龍卷屬于重大強對流天氣。利用常規(guī)高空地面氣象觀測、廣東省區(qū)域加密地面氣象自動站、閃電定位儀、湛江S波段多普勒天氣雷達和FY-4A高分辨率可見光云圖等資料，對此次強烈龍卷發(fā)生的環(huán)境條件、自動站與雷達觀測的中小尺度特征等進行分析，以期進一步加深對低緯度熱帶地區(qū)西風(fēng)帶龍卷的認識，從而提高對此類龍卷的監(jiān)測、預(yù)警能力。

1 龍卷實況及災(zāi)情

2019年4月13日下午，湛江市徐聞縣和安鎮(zhèn)出現(xiàn)強對流風(fēng)災(zāi)過程，造成1人死亡、5人受傷。和安鎮(zhèn)政府自動站14:11錄得最大陣風(fēng)為50.7 m·s-1(15級)，另外，14:36和安鎮(zhèn)東南方的錦和鎮(zhèn)出現(xiàn)32.9 m·s-1(12級)的大風(fēng)。經(jīng)湛江市氣象局和佛山市龍卷風(fēng)研究中心對災(zāi)害現(xiàn)場沿線的勘查取證、無人機航拍、走訪目擊者、影像資料收集等方式，再結(jié)合湛江多普勒天氣雷達等多種氣象數(shù)據(jù)綜合分析研判，確認此次風(fēng)災(zāi)為龍卷造成。龍卷最早于14:00前后在冬松島觸地；之后向東南偏南方向移動，先后影響金雞村、和安鎮(zhèn)政府、和安中心小學(xué)、陳家村等地，14:12前后和安鎮(zhèn)政府附近市民拍到了龍卷視頻(圖1a左側(cè)截圖)；14:18后龍卷移入海面；14:35前后龍卷影響錦和鎮(zhèn)，錦和鎮(zhèn)外羅碼頭的視頻監(jiān)控記錄到龍卷低層渦旋由海面登陸的過程(圖1a右側(cè)截圖)，14:36距離外羅碼頭約600 m的錦和鎮(zhèn)文化站自動站錄得了12級陣風(fēng)。龍卷路徑經(jīng)歷了“三次陸上、兩次海上”的過程，長約16 km，持續(xù)時間約36 min，平均移動速度為27 km·h-1。其中，龍卷在和安鎮(zhèn)的破壞最明顯，受災(zāi)最嚴(yán)重的地方位于和安鎮(zhèn)政府附近，最大破壞寬度達220 m，破壞長度約3.2 km(圖1b)。龍卷造成部分房子頂樓外墻倒塌、直徑達30 cm的榕樹和苦楝樹被連根拔起、直徑達97 cm的細葉欖仁樹被折斷、多處金屬路燈桿被扭曲和多處水泥電線桿被折斷。按照美國2007年官方采用的EF等級風(fēng)速評估標(biāo)準(zhǔn)(McDonald et al,2006)，由于現(xiàn)場災(zāi)害標(biāo)識物(DI)水泥電線桿(DI24)的災(zāi)害等級(DOD)達到了第五等級(DOD5),水泥電線桿折斷對應(yīng)的風(fēng)速期望值是61.69 m·s-1，得出此次徐聞龍卷強度為EF3級，對應(yīng)我國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《龍卷強度等級》(中國氣象局，2019)中的三級，屬于強龍卷。另外，有重量在2 t 以上的集裝箱(體積為2.2 m×1.7 m×1.6 m)被龍卷卷起、越過1.5 m的矮墻被拋出約35 m遠。按照Fujita(1971)有關(guān)這種大的飛射物的風(fēng)速估計可達F4級。需要說明的是，F(xiàn)等級中的飛射物指標(biāo)在EF等級中已不再使用。對照范雯杰和俞小鼎(2015)統(tǒng)計的華南強龍卷情況可知，無論是F等級還是EF等級估計本次龍卷強度，本次過程都是1961年以來華南最強西風(fēng)帶龍卷。

圖1 2019年4月13日徐聞龍卷路徑及照片(a)和受災(zāi)圖片(b)(圖1a中黑實/虛線為有/無災(zāi)路徑；圖1b中黃虛線為圖1a中AB段的放大路徑)Fig.1 The Xuwen tornado track and photos (a) and damage pictures (b) on 13 April 2019(Black solid /black dashed line in Fig.1a is the path with /without disaster; yellow dashed line in Fig.1b is the enlarged path of the AB segment in Fig.1a)

2 天氣背景和環(huán)境場特征

2.1 天氣背景場

從2019年4月13日08時的高空形勢(圖2a)可以看到，500 hPa中緯度有西風(fēng)槽東移至華中一帶，有利于槽后西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下，影響江南、華南地區(qū)；中低緯高原東側(cè)有短波槽東移下滑，副熱帶高壓(以下簡稱副高)呈帶狀控制海南及南海大部海域，588 dagpm位于20°N附近，雷州半島處于副高北緣和短波槽前偏西氣流中；850 hPa從北部灣到兩廣交界處存在一支風(fēng)速為14 m·s-1的強西南急流，另有一支顯著西南氣流從海南島吹向雷州半島一帶，為強對流的發(fā)生提供了充足的水汽和不穩(wěn)定能量；同時925 hPa一支風(fēng)速為12 m·s-1的超低空偏南急流從海南島吹向雷州半島，徐聞處于超低空急流左前方的氣旋性切變渦度區(qū)，有正渦度平流，對強對流天氣的發(fā)生有利；高空200 hPa海南北部到徐聞一帶處于明顯風(fēng)場分流區(qū)(圖略)，高層的輻散“抽吸”作用有利于低層上升運動發(fā)展；受地面冷空氣影響，雷州半島13日早晨最低氣溫下降了0.7～3.0℃，13日白天冷高壓主體減弱東移，氣壓場形勢東高西低，等壓線呈東南—西北向，雷州半島處于高壓脊后和暖低壓槽前，高溫高濕，水汽充足(圖2b)。分析13日08時850與500 hPa溫度差(ΔT=T850-T500)可知，海口站ΔT達25℃，具有明顯的條件不穩(wěn)定；白天海南島和徐聞地面氣溫持續(xù)升至30℃以上，露點溫度在26℃以上，進一步增大了徐聞上空的溫度垂直遞減率，使原已不穩(wěn)定的垂直層結(jié)變得更加不穩(wěn)定，為此次強對流天氣的發(fā)生提供了非常有利的不穩(wěn)定條件。另外，雷州半島到海南一帶存在一條東北—西南向的地面風(fēng)向風(fēng)速輻合線，為強對流天氣發(fā)生提供了有利的動力抬升條件，是此次強天氣過程的重要觸發(fā)系統(tǒng)。

龍卷產(chǎn)生于一個超級單體風(fēng)暴中，超級單體源自于雷州北部一些零散塊狀對流單體的合并加強。閃電監(jiān)測顯示，13:30—14:00閃電密度陡增，表明中尺度對流系統(tǒng)處于強烈發(fā)展階段；對比14:12與14:06的地閃分布可以看出，在徐聞和安鎮(zhèn)地面觀測到強烈大風(fēng)的14:11，正地閃比例明顯增加(圖2c、2d)，這與阜寧龍卷閃電活動特征相似(張小玲等,2016)。從葵花8號衛(wèi)星紅外圖像可以看到，當(dāng)日下午廣東茂名、雷州灣一帶共有兩個中尺度對流系統(tǒng)(MCS)發(fā)展。13:00導(dǎo)致徐聞龍卷的孤立對流云團在雷州北部發(fā)展(圖略)，之后對流系統(tǒng)在由雷州北部向東南方向移動過程中不斷增強；14:10紅外云圖(圖2e)顯示，-52℃的云頂黑體溫度(TBB)東西方向空間尺度達到了約130 km，為橢圓形的β中尺度對流系統(tǒng)(MβCS)，和安鎮(zhèn)一帶的TBB降低到-72℃以下，表明對流發(fā)展非常旺盛；云團云型表現(xiàn)為東西走向，有明顯的長軸，上風(fēng)邊界整齊，下風(fēng)有卷云砧，表明有強的風(fēng)速垂直切變，有利于雷暴龍卷生成。在FY-4A高分辨率可見光圖像上(圖2f)，雷州半島東側(cè)的橢圓形β中尺度對流云團云體亮白，云團上風(fēng)側(cè)TBB梯度大值區(qū)云頂紋理粗糙，上沖云頂特征明顯，表明有深對流。龍卷發(fā)生在TBB冷云區(qū)、MβCS上風(fēng)側(cè)TBB梯度最大處。水汽圖上表現(xiàn)為一條水汽帶，能看到清晰的水汽羽，龍卷出現(xiàn)在水汽羽之下(圖略)。

圖2 2019年4月13日08:00形勢綜合圖(a)，14:00地面形勢圖(b)，14:06(c)和14:12(d)華南雷達組合反射率拼圖疊加地閃分布，14:10葵花8號衛(wèi)星紅外圖像(e)和14:15 FY-4A可見光圖像(f)(Δ對應(yīng)龍卷發(fā)生地，“+”為正地閃，“-”為負地閃)Fig.2 The comprehensive synoptic chart at 08:00 BT (a), surface map at 14:00 BT (b), radar reflectivity mosaic images with cloud-ground lightning flashes in South China at 14:06 BT (c) and 14:12 BT (d) and Hamawari-8 satellite infrared image at 14:10 BT (e) and FY-4A visible cloud image at 14:15 BT (f) 13 April 2019(Δ stands for tornado， “+” and “-” denote positive and negative flashes respectively)

2.2 環(huán)境條件特征

強龍卷需要有超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生的環(huán)境條件，有利于超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生的環(huán)境條件是較大的CAPE和強的深層(0～6 km)垂直風(fēng)切變(鄭永光等,2017；Brooks et al,2003)。4月13日08時，徐聞周邊兩個探空站北海(距龍卷發(fā)生地167 km)、海口(距龍卷發(fā)生地66 km)的T-lnp圖(圖3)分析顯示，中低層為西南偏西氣流，近地層為弱東南風(fēng)，風(fēng)向隨高度均呈現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)特征。垂直風(fēng)切變較大，0～6 km垂直風(fēng)矢量差(VWS0～6 km)為17.0～18.0 m·s-1；CAPE分別為1 190、1 944 J·kg-1；抬升凝結(jié)高度(LCL)很低，分別為270、193 m。北海站600 hPa以下溫度露點差很小，基本處于或接近飽和狀態(tài)；海口站濕層比較淺薄，850 hPa附近存在淺薄逆溫層；但兩者600 hPa以上都存在明顯的干層，有利于地面大風(fēng)的出現(xiàn)。由于北海、海口距離龍卷發(fā)生地和安鎮(zhèn)有一定距離，用14時徐聞和安鎮(zhèn)自動站的地面溫度(28.9℃)和露點溫度(27.8℃)，計算自地面抬升的氣塊，相應(yīng)的CAPE值分別為4 808、4 940 J·kg-1，呈現(xiàn)出強的條件不穩(wěn)定(圖略)。湛江多普勒天氣雷達(距徐聞和安鎮(zhèn)約50 km)的VWP風(fēng)廓線產(chǎn)品顯示,13日 13:48最強垂直風(fēng)切變出現(xiàn)在0.3～6.7 km，由0.3 km處10 m·s-1的東南風(fēng)轉(zhuǎn)為6.7 km處20 m·s-1的西風(fēng)，對應(yīng)的風(fēng)矢量差值為27 m·s-1, 相應(yīng)垂直風(fēng)切變值為4.2×10-3s-1,為強的深層垂直風(fēng)切變。因此，當(dāng)時的CAPE、深層垂直風(fēng)切變等條件有利于超級單體風(fēng)暴生成。

以往研究指出，有利于F2/EF2級以上強龍卷生成的兩個有利條件分別是低的LCL和較大的0～1 km低層垂直風(fēng)切變(Evans and Doswell,2002；俞小鼎等,2012)。在徐聞龍卷發(fā)生當(dāng)日(13日)08時,北海、陽江和海口三個探空站的LCL分別為270、30和193 m，表明粵西及周邊地區(qū)的抬升凝結(jié)高度都很低。用13日08時北海、海口探空站計算的0～1 km垂直風(fēng)矢量差(VWS0～1 km)為7.5～8.0 m·s-1，而13日13:54湛江雷達VWP風(fēng)廓線顯示0.3～1.5 km的風(fēng)矢量差值為13.0 m·s-1,對應(yīng)的垂直風(fēng)切變值為10.8×10-3s-1，是一個相對比較大的低層垂直風(fēng)切變值。因此，當(dāng)時的LCL和0～1 km低層垂直風(fēng)切變環(huán)境條件也是有利于強龍卷的發(fā)生。

圖3 2019年4月13日08時北海站(a)和海口站(b)探空圖Fig.3 Soundings at Beihai (a) and Haikou (b) stations at 08:00 BT 13 April 2019

以上分析表明，此次徐聞強對流事件的大氣環(huán)境條件既滿足了深厚濕對流所需的水汽、抬升和不穩(wěn)定條件，也滿足了超級單體風(fēng)暴形成所需的較大CAPE、強的深層Shear0～6 km條件，還滿足了低的LCL、較大的低層Shear0～1 km、較大的EHI條件，因此此次強對流事件的環(huán)境條件非常有利于產(chǎn)生F2/EF2或以上超級單體龍卷。需要指出的是，湛江雷達站、海口和北海探空站距離此次強對流超級單體風(fēng)暴形成和發(fā)展的地點有50～167 km的距離，并不能完全代表超級單體發(fā)生地的天氣條件，但有很大的參考價值。

3 地面自動氣象站觀測

進一步分析4月13日下午廣東加密地面自動氣象站資料可見，在龍卷發(fā)生前，徐聞縣和安鎮(zhèn)位于暖濕舌內(nèi)，地面溫度在29～30 ℃，地面露點溫度在28 ℃左右，一支東南暖濕氣流從海上經(jīng)下洋鎮(zhèn)向錦和鎮(zhèn)、和安鎮(zhèn)一帶輸送。早在龍卷發(fā)生前的13:00，和安鎮(zhèn)北側(cè)的東里鎮(zhèn)、調(diào)風(fēng)鎮(zhèn)、英利鎮(zhèn)到下橋鎮(zhèn)一帶存在一條東北—西南向的地面風(fēng)向風(fēng)速輻合線(圖略)；13:25調(diào)風(fēng)鎮(zhèn)附近開始有小尺度渦旋生成，13:35小尺度渦旋兩側(cè)的東北偏北風(fēng)和東南風(fēng)加大，小尺度渦旋加強(圖4a、4b)；之后，地面輻合線和小尺度渦旋南壓影響和安鎮(zhèn)，14:00—14:15可以清楚地看到和安鎮(zhèn)政府站風(fēng)向先順轉(zhuǎn)、后逆轉(zhuǎn)、再順轉(zhuǎn)的變化過程(圖4c～4f)，龍卷發(fā)生時(14:12前后)該站2 min平均風(fēng)風(fēng)速突增，由14:10的4.9 m·s-1突增到14:15的10.8 m·s-1，14:11該站的3 s瞬時風(fēng)還錄得了50.7 m·s-1(15級)的極大偏北陣風(fēng)。之后，小尺度渦旋繼續(xù)南壓影響錦和鎮(zhèn)，14:30—14:40錦和鎮(zhèn)同樣出現(xiàn)風(fēng)向順轉(zhuǎn)和風(fēng)速加大過程(圖略)，14:36錦和鎮(zhèn)文化站自動站的3 s瞬時風(fēng)錄得32.9 m·s-1(12級)的強烈東南風(fēng)。因此，從時間對應(yīng)關(guān)系看，地面輻合線和小尺度渦旋的出現(xiàn)超前于龍卷，這表明地面輻合線和小尺度渦旋是有利于龍卷觸發(fā)和發(fā)展的重要中小尺度天氣系統(tǒng)。

為了更清楚地了解龍卷影響前后地面溫、壓、風(fēng)等氣象要素的變化，下面選取距離龍卷路徑最近的六要素自動站點進行分析。徐聞和安鎮(zhèn)政府自動氣象站(圖5a)距離龍卷路徑邊緣不足2 m(圖5c)。氣壓變化顯示，在13:40前氣壓已經(jīng)小幅下降，渦旋影響期間氣壓出現(xiàn)兩次明顯降/升過程：13:45—13:50 由1 006.0 hPa降至1 005.5 hPa，14:00—14:05 出現(xiàn)明顯升壓，由1 005.6 hPa升至1 006.7 hPa，14:10再降至1 006.2 hPa，14:20再躍升至1 007.3 hPa，5 min內(nèi)平均氣壓最大降幅/升幅為0.5/1.2 hPa；而14:11本站3 s瞬時氣壓錄得最低值(1 002.1 hPa)，1 min內(nèi)瞬時氣壓降幅達4.1 hPa，說明此時本站距離龍卷中心最近。需要說明的是，廣東自動站的2 min平均氣壓是每5 min給出一個觀測值，3 s瞬時氣壓是每小時給出一個極值，5 min平均氣壓降幅和1 min瞬時氣壓降幅雖然表述類似，但計算過程并不一樣。風(fēng)向在13:45前為一致的東南風(fēng)，13:50—14:05出現(xiàn)順轉(zhuǎn)，由東南風(fēng)依次轉(zhuǎn)為東南偏南、偏南和西北風(fēng)，14:05—14:10逆轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，14:15再順轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，表明龍卷經(jīng)過和安鎮(zhèn)政府站，該站受到龍卷渦旋不同部位的影響；14:15—14:25維持偏北風(fēng)，之后風(fēng)向逐漸恢復(fù)到渦旋影響之前的東到東南風(fēng)，表明渦旋遠離該站。2 min平均風(fēng)速在14:10前為3～5 m·s-1，14:10前后風(fēng)速突增，由14:05的3.4 m·s-1突增至14:10 的7.7 m·s-1；同時10 min平均風(fēng)速也由14:10的4.9 m·s-1突增到14:15的10.8 m·s-1，14:20再增至11.9 m·s-1，之后風(fēng)速明顯減小；14:11該站的3 s瞬時風(fēng)還錄得了50.7 m·s-1(15級)的極大偏北風(fēng)。從5 min累積雨量變化可見，龍卷發(fā)生前，地面沒有降水發(fā)生；龍卷發(fā)生時(14:12前后)伴隨明顯降水，5 min累積雨量超過2.5 mm；14:25前后降雨達到最強，5 min降雨量達10 mm以上；強降雨持續(xù)到14:30以后；由此推測龍卷位于母體風(fēng)暴前側(cè)。氣溫在龍卷發(fā)生前維持在29℃左右；龍卷發(fā)生時氣溫明顯下降，14:05—14:10由29.1℃降至27.6℃，14:15再降至25.9℃，5 min內(nèi)平均氣溫最大降幅達1.7℃；14:30因強降雨氣溫再降至24.5℃；14:50起氣溫逐漸上升，17:00氣溫升至龍卷發(fā)生前的水平(28.6℃)。

錦和鎮(zhèn)文化站自動站(圖5b)距離龍卷路徑約600 m。其氣壓在14:35—14:40出現(xiàn)陡降，由1 007.6 hPa降至1 005.0 hPa，5 min內(nèi)平均氣壓下降2.6 hPa；14:36本站3 s瞬時氣壓錄得最低值1 004.7 hPa，1 min內(nèi)瞬時氣壓下降2.9 hPa；降壓非常顯著，說明此時本站距離龍卷中心最近。風(fēng)向14:30前為一致東南風(fēng)，14:30—14:40出現(xiàn)順轉(zhuǎn)，由東南風(fēng)依次轉(zhuǎn)為西南、偏北風(fēng)。風(fēng)速在14:35前后突增，2 min平均風(fēng)速由14:30的3.3 m·s-1突增至8.6 m·s-1，10 min平均風(fēng)速由14:35的6.2 m·s-1增至14:40的10.5 m·s-1；而14:36該站的3 s瞬時風(fēng)還記錄到32.9 m·s-1(12級)的極大東南風(fēng)。氣溫也在14:35前后明顯下降，5 min內(nèi)平均氣溫降幅為1.1 ℃。14:40后由于斷電導(dǎo)致各要素缺測。

4 雷達觀測特征

廣東湛江多普勒雷達顯示，13:30低層反射率因子的鉤狀回波和入流缺口還不明顯，但徑向速度圖上在 2.4°～4.3°仰角已出現(xiàn)渦旋，對應(yīng)高度為1.9～3.1 km，尺度為6～7 km，位于雷州東南部的東里鎮(zhèn)北部上空，之后渦旋向上向下發(fā)展(圖略)。13:42對流單體發(fā)展為超級單體風(fēng)暴，低層最強反射率因子為52 dBz，出現(xiàn)明顯的鉤狀回波和入流缺口，雷達開始自動識別出低層中氣旋，0.5°仰角上中氣旋旋轉(zhuǎn)速度為15.0 m·s-1，底高約0.5 km，1.5°仰角上中氣旋旋轉(zhuǎn)速度為17.5 m·s-1，達到中等強度中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，底高約1.2 km(圖略)。13:54超級單體風(fēng)暴中氣旋移入徐聞和安鎮(zhèn)北側(cè)的冬松島附近，強度明顯加強，0.5°仰角上中氣旋旋轉(zhuǎn)速度增強至21.0 m·s-1，接近強中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，底高維持在0.5 km，直徑縮小至2.8 km，1.5°仰角上出現(xiàn)強中氣旋(旋轉(zhuǎn)速度為23.5 m·s-1)和TVS(切變值為47 m·s-1)，底高約1.3 km(圖略)。14:00超級單體風(fēng)暴中氣旋影響冬松島，0.5°、1.5°仰角均出現(xiàn)類TVS(切變值為42 m·s-1，尺度約1.5 km)，其位置與龍卷實際發(fā)生位置重合(圖6a)。14:12前后超級單體風(fēng)暴中氣旋影響和安鎮(zhèn)(圖6b)，中氣旋強度略有減弱，旋轉(zhuǎn)速度為17.5 m·s-1，底高約0.4 km，直徑約4.5 km 。14:30—14:36超級單體風(fēng)暴東南移動影響錦和鎮(zhèn)(圖6c、6d)。龍卷出現(xiàn)在鉤狀回波頂端附近。14:42起風(fēng)暴組織結(jié)構(gòu)明顯減弱(圖略)，中氣旋消失。

圖4 2019年4月13日13:25(a)，13:35(b)，14:00(c)，14:05(d)，14:10(e)和14:15(f)湛江區(qū)域自動站2 min平均風(fēng)場和露點溫度(虛線為地面風(fēng)場輻合線，紅圈為小尺度渦旋)Fig.4 The 2 min average wind fields and dew point temperature of Zhanjiang AWS at (a) 13:25 BT, (b) 13:35 BT, (c) 14:00 BT, (d) 14:05 BT, (e) 14:10 BT and (f) 14:15 BT 13 April 2019(Dashed line stands for convergence line, and red circle stands for the small scale vortex)

圖5 2019年4月13日徐聞和安鎮(zhèn)(a)和錦和鎮(zhèn)自動氣象站(b)13:20—14:50的溫度、氣壓、2 min平均水平風(fēng)速、2 min平均風(fēng)向(風(fēng)向桿)、累積降雨量逐5 min演變(柱狀，單位： mm)，以及06—24時的3 s極大風(fēng)速(紅虛線，單位： m·s-1)和3 s最低氣壓(黑虛線，單位： hPa)逐時演變；和安鎮(zhèn)站點位置(c)Fig.5 Temperature, pressure, 2 min averaged horizontal wind speed and wind direction (barb), and 5 min accumulated rainfall (bar, unit: mm) at Hean Town (a) and Jinhe Town (b) automatic weather stations in Xuwen County from 13:20 BT to 14:50 BT,as well as 3 s instantaneous wind maximum (red dotted line, unit: m·s-1) and 3 s minimum pressure (black dotted line, unit: hPa) from 06:00 BT to 24:00 BT 13 April 2019; the position of Hean Station (c)

圖7是從雷達業(yè)務(wù)PUP產(chǎn)品提取的徐聞龍卷相關(guān)中氣旋特征演變圖。可見，中氣旋強度和頂高呈反位相變化，中氣旋強度先后在13:54—14:00、14:12—14:18、14:30出現(xiàn)3次峰值，中氣旋頂高則在14:00、14:12、14:30出現(xiàn)3次谷值；中氣旋3次強度峰值和3次頂高谷值與龍卷3次陸上活動層中氣旋最強時間一致。表明，龍卷所處環(huán)境的下墊面不同，其中氣旋強度和頂高是有較為明顯變化的，龍卷在陸上時對應(yīng)中氣旋強度更強、頂高更低，在海上時中氣旋強度減弱、頂高增高。更確定的結(jié)論還需要通過更多相似個例歸納證實和高分辨率的數(shù)值模式進行深入研究。

圖6 2019年4月13日14:00(a)、14:12(b)、14:30(c)、14:36(d)湛江雷達0.5°仰角反射率因子(a1,b1,c1,d1)、0.5°仰角徑向速度(a2,b2,c2,d2)、1.5°仰角徑向速度(a3,b3,c3,d3)(白圈對應(yīng)中氣旋，黑圈對應(yīng)TVS或類TVS，Δ為龍卷發(fā)生地，14:30龍卷在海上無定位信息)Fig.6 The 0.5° elevation reflectivity (a1, b1, c1, d1), 0.5° elevation radial velocity (a2, b2, c2, d2) and the 1.5° elevation radial velocity (a3, b3, c3, d3) of Zhanjiang Radar at 14:00 BT (a), at 14:12 BT (b), at 14:30 BT (c), at 14:36 BT (d) on 13 April 2019(Triangle represents tornado, white circle represents mesocyclone, black circle indicates TVS or similar TVS. At 14:30, there was no position because tornado was on the sea)

圖7 2019年4月13日湛江雷達識別的中氣旋特征時間演變Fig．7 Temporal evolution of mesocyclones detected by Zhanjiang Radar on 13 April 2019

時間相對應(yīng)；另外，在14:06、14:24，中氣旋的2次強度谷值和2次頂高峰值則與龍卷2次入海時間相對應(yīng)；中氣旋底高大部分時間維持在400～500 m，幾乎接近地面，表明中氣旋觸地的可能性比較大。此外，13:54—14:00，湛江雷達上還探測到TVS，TVS在13:54達到最強，切變?yōu)?1×10-3s-1，與低

為進一步揭示龍卷母體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)，圖8給出了沿入流缺口和強回波區(qū)的反射率因子與徑向速度垂直剖面(位置如圖6中線段所示)。從反射率因子垂直剖面(圖8a、8b)可以看出明顯的與低層暖濕入流相聯(lián)系的弱回波區(qū)和位于其上的懸垂回波，表明存在強上升氣流。俞小鼎等(2012)指出，強的上升氣流有利于冰雹形成，如果50 dBz以上的強回波擴展到-20 ℃等溫線以上，強冰雹形成的可能性很大。本次過程探空顯示0 ℃層和-20 ℃層高度分別為4.9和8.3 km，圖8b顯示對流風(fēng)暴整體發(fā)展高度可達15 km，50 dBz的回波一直擴展到9 km高度，表現(xiàn)為高質(zhì)心的雹暴結(jié)構(gòu)，但并沒有收到降雹的目擊報告，這可能與0 ℃層高度較高有關(guān)。從相應(yīng)徑向垂直剖面(圖8c、8d)可以看到中氣旋從0.5°仰角一直擴展到6.0°仰角(也就是從0.5 km擴展到5.5 km)，直徑達6～8 km，是一個比較深厚、水平尺度較大的中氣旋。

圖8 2019年4月13日14:12(a,c)，14:30(b,d)湛江雷達反射率因子(a，b)和平均徑向速度(c，d)垂直剖面(剖面位置分別如圖6中相應(yīng)時刻白線所示)Fig.8 The cross-section of reflectivity (a, b) and mean radial velocity (c, d) of Zhanjiang Radar along the hook echo at 14:12 BT (a, c) and 14:30 BT (b, d) 13 April 2019(The locations of the cross-section are shown by the white solid lines in Fig.6 respectively)

5 結(jié)論與討論

本文采用現(xiàn)場調(diào)查和相關(guān)氣象綜合探測資料，對2019年4月13日下午廣東徐聞強龍卷的天氣背景和中尺度特征等進行了分析，主要結(jié)論如下：

(1)龍卷發(fā)生在海岸帶附近，路徑歷經(jīng)“三次陸上、兩次海上”的復(fù)雜過程，長度約16 km，持續(xù)時間約36 min，平均移動速度為27 km·h-1，最大破壞寬度約220 m，強度達到EF3級，對應(yīng)我國行標(biāo)三級，屬于強龍卷。本次龍卷也是自1961年以來華南記錄的最強西風(fēng)帶龍卷。

(2)龍卷發(fā)生在廣東前汛期有利于強對流發(fā)生的天氣形勢下，中低空強西南氣流與偏南急流交匯、低層輻合及高層輻散、地面暖低壓槽前的高溫高濕不穩(wěn)定氣層是此次龍卷發(fā)生的有利天氣背景；大氣具有強的條件不穩(wěn)定、低的LCL、強的深層Shear0～6 km和強的低空Shear0～1 km、大的風(fēng)暴相對螺旋度和能量螺旋度等有利于龍卷超級單體風(fēng)暴發(fā)生的環(huán)境條件；地面中尺度輻合線和小尺度渦旋是有利于龍卷發(fā)生的重要中小尺度系統(tǒng)。

(3)龍卷罕見地經(jīng)過當(dāng)?shù)刈詣诱荆桶叉?zhèn)政府與錦和鎮(zhèn)文化站自動站先后測到50.7 m·s-1(15級)、32.9 m·s-1(12級)的極強陣風(fēng)。位于龍卷渦旋附近的和安鎮(zhèn)政府自動站受到龍卷渦旋不同部位的影響，風(fēng)向隨時間出現(xiàn)順轉(zhuǎn)—逆轉(zhuǎn)—順轉(zhuǎn)的變化特征，而位于龍卷路徑右側(cè)的錦和鎮(zhèn)文化站自動站風(fēng)向發(fā)生順時針轉(zhuǎn)變；龍卷影響時，還伴隨氣壓陡降和氣溫急降等變化特征，平均氣壓、瞬時氣壓最大降幅分別為2.6 hPa·(5 min)-1、4.1 hPa·min-1，平均氣溫最大降幅達1.7 ℃·(5 min)-1。

(4) 衛(wèi)星紅外圖像上，導(dǎo)致龍卷的對流系統(tǒng)為一個近似橢圓形的β中尺度對流系統(tǒng)(MβCS)，對應(yīng)高分辨率可見光圖像上存在明顯上沖云頂特征，龍卷發(fā)生在MβCS上風(fēng)側(cè)TBB梯度最大處、水汽羽之下。雷達觀測資料表明，產(chǎn)生龍卷的對流風(fēng)暴為一個β中尺度經(jīng)典超級單體風(fēng)暴，具有明顯的鉤狀回波和穹隆結(jié)構(gòu)特征，質(zhì)心高，主要伴隨正地閃，龍卷出現(xiàn)在鉤狀回波頂端附近；低層出現(xiàn)強中氣旋和TVS，最大旋轉(zhuǎn)速度約24 m·s-1，底高低于500 m，中氣旋3次強度峰值和3次頂高谷值與龍卷3次陸上活動時間相對應(yīng)，而其2次強度谷值和2次頂高峰值與龍卷2次入海時間相對應(yīng)。

值得注意的是，本次龍卷發(fā)生地是位于新寮島西北側(cè)的海灣區(qū)域，這與龍卷相對高發(fā)的珠江三角洲灣區(qū)、海南文昌市灣區(qū)等地形有些類似，在這些向東到東南呈“喇叭形”開口的三角洲地區(qū)，強的偏東風(fēng)或東南風(fēng)由于地表摩擦和地形特點，容易產(chǎn)生低層風(fēng)的強垂直切變、水平輻合和氣旋式旋轉(zhuǎn)。吳俞等(2015)曾針對瓊海市博鰲鎮(zhèn)三角洲地形，采用1 km 模式同化徑向速度模擬計算由10 m風(fēng)旋轉(zhuǎn)分量得到垂直渦度，證實局地的三角洲地形有利于局地垂直渦度的增加。我國大陸海岸線長1.8萬km，大大小小的三角洲地形眾多，但并非每一個三角洲都會有龍卷發(fā)生。三角洲地形如何對龍卷母體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和演變產(chǎn)生影響，還需要用高分辨率數(shù)值模式做深入分析。

致 謝：感謝湛江市氣象局郭湘平、黃曉梅，徐聞縣氣象局張新新，佛山市氣象局陳志芳、何秋蕊，南京信息工程大學(xué)陳渭民教授以及廣東省生態(tài)氣象中心鄧玉嬌博士提供的支持和幫助。