2017年內蒙古赤峰“8·11”龍卷環境場及雷達特征分析

晉亮亮，葛海燕

（赤峰市氣象局，內蒙古 赤峰 024000）

龍卷是一種小尺度但破壞力極大的災害性天氣，會造成大量的人員傷亡和財產損失。一般將龍卷分為超級單體龍卷和非超級單體龍卷[1]。超級單體龍卷由超級單體風暴產生，后者與深厚且持續的中氣旋相聯系[2-3]，而非超級單體龍卷與非超級單體風暴相聯系，通常與淺薄的、尺度較小的邊界層渦旋有關[4-5]，能夠產生于各種大氣環境中。Brown等[6]發現一個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（Tornadic Vortex Signature，簡稱TVS），在徑向速度圖上表現為像素到像素的很大的風切變，此后TVS成為龍卷監測和預警的主要手段。

多年來，國內外對龍卷的研究頗多，既有分析產生龍卷的環境場特征[7-8]，也有探討龍卷發生時的反射率因子和速度場特征[9-10]。Philip等[11]在研究2003年一次龍卷時認為，大尺度環境支撐深厚的濕對流，近地層的暖鋒、垂直風切變和中氣旋則產生了明顯的龍卷現象；王秀明等[12]通過對中國東北地區龍卷的環境特征分析，指出東北龍卷多發生在冷渦的天氣背景下，其環境特點為：大的環境溫度直減率，強的垂直風切變以及低層較干的環境。觸發系統通常為干線及其伴隨的邊界層強輻合。俞小鼎等[13]的分析發現，超級單體風暴反射率因子的主要特征是低層的鉤狀回波，有時是由風暴主體向低層入流方向伸出的一個突出物，超級單體龍卷發生前的環境往往為中到強的對流不穩定能量和中等到強的螺旋度，低層風切變適量有較大的氣旋式曲率；張玉潔等[14]指出龍卷產生前，風暴的最大反射率因子強度、強回波中心高度、回波頂高持續增加，垂直累積液態含水量激增，龍卷發生前2個體掃，強回波中心高度和垂直累積液態含水量出現驟降。許薇[15]等指出在不穩定區生成的強對流回波，移入存在中尺度輻合線和強不穩定的區域后，在中尺度輻合線作用下回波進一步加強，小尺度渦旋則觸發此次龍卷過程。

1 災害實況

2017年8月11日14—16時，內蒙古赤峰市克什克騰旗和翁牛特旗交界地區發生龍卷天氣（圖1）。14：28，赤峰市克什克騰旗前進村遭受龍卷襲擊，持續10 min，龍卷路徑2 km；15：26，八里莊、十里鋪村、五臺山村、山咀子村先后受龍卷襲擊，持續約15 min，龍卷路徑長度約6 km。整個龍卷天氣過程的EF0+的寬度最大約1 km。此次龍卷災害造成5人死亡，58人受傷，轉移安置人口1 760人；倒塌房屋360間，損壞房屋1 004間；農作物受災面積21 208.08 hm2，成災面積16 116.37 hm2，絕收面積5 849.32 hm2，直接經濟損失10 053.29萬元。

圖1 2017年8月11日14—16時龍卷路徑及影響范圍

2 大尺度環流特征

從8月11日08時500 hPa形勢場（圖2a）可以看出，在蒙古國東部有冷渦存在，赤峰市西部處于蒙古冷渦的東南象限。從溫度場上看，從內蒙古東部到中部與山西中部有明顯的冷溫度槽存在。從850 hPa（圖2b）上可以看出，赤峰市處于低渦的底前部，從溫度場上看，在500 hPa溫度槽的位置上有明顯的溫度脊，上層的溫度槽與下層的溫度脊疊置，有利于對流不穩定的建立。另外內蒙古中東部偏南地區850～500 hPa的溫差較大（圖2a），溫差在28～31 ℃之間，這也有利于不穩定層結的建立。從850 hPa風場上可以看出，在華北北部到西北地區東部形成一條明顯的切變線，切變線東移，系統性抬升可以起到觸發對流的作用。在切變線右側的西南氣流有利于水汽和能量向赤峰市輸送。從地面露點線（圖2b）可以分析出在內蒙古中部偏南地區到陜西北部有明顯的露點梯度大值區，這條干線也是對流系統的觸發機制。可以看出，不穩定層結已經建立，而低層切變線和地面干線提供了觸發機制，為龍卷的發生提供了有利條件。

從赤峰站8月11日08時（BJT）T-lnP圖（圖3）可以看出，低層存在弱逆溫層，逆溫層阻斷了高低空水汽和能量的交換，增加了高低空水汽和溫度的對比，有利于對流的發生發展。低層相對濕度較好，主要集中在850 hPa以下，中層以上有干空氣的侵入，這種“喇叭口”的形勢有利于雷暴大風天氣的出現。抬升凝結高度為927 m，研究表明，抬升凝結高度在1 200 m以上會大大降低龍卷產生的概率。赤峰探空站的海拔為572 m，因此計算了地面到850 hPa的垂直風切變表示低層的垂直風切變，地面到850 hPa的垂直風切變為10×10-3s-1，為較強的垂直風切變。08時赤峰探空站的對流有效位能為2 082 J/kg，龍卷災害發生在14時以后，因此對08時T-lnP圖進行了訂正，訂正后發現對流有效位能明顯增大，達到了3 700 J/kg，較大的對流有效位能會導致更強的對流風暴的產生。較大的對流有效位能，較大的低層垂直風切變以及較低的抬升凝結高度是產生超級單體龍卷的先決條件。

圖2 2017年8月11日08時（BJT）500 hPa形勢場和850 hPa與500 hPa溫度差（陰影）

圖3 2017年8月11日08時（BJT）赤峰站T-lnP圖

3 雷達產品分析

3.1 反射率因子和相對風暴徑向速度分析

產生龍卷的對流單體在12：15被雷達開始跟蹤。此后該單體迅速發展，到13：32時0.5 °仰角反射率因子產品（圖4a）中可以看出，單體最大反射率因子達到58 dBZ，低層出現鉤狀回波，弱回波區以及與之對應的前側V型缺口（FFN），并且在該時次相對風暴速度圖出現三維相關切變（3DC），此時風暴單體已經具有準超級單體風暴的特征。在接下來的50 min，只有在13：42出現了三維相關切變。14：25（圖4c，4d）風暴單體低層鉤狀回波和前側V型缺口更加明顯，并觀測到中氣旋，0.5°仰角在此處的高度為2.8 km，中氣旋已經達到較低的高度，其旋轉速度為17.5 m/s，達到中等強度的中氣旋，成為超級單體風暴，中氣旋位于低層鉤狀回波的頂端。從反射率因子垂直剖面（圖4e）中可以看出，風暴頂高發展到14 km，最強反射率因子達到55 dBZ以上，并且發展到10 km左右，由于距離雷達較遠低層的弱回波區觀察不到，但仍能發現小范圍的有界弱回波區。從相對風暴徑向速度圖（圖4d）上可以分析出比中氣旋直徑更小的像素與像素之間風切變，即龍卷渦旋特征。相鄰方位角之間的速度差達到了35 m/s，該TVS對應的垂直渦度達到3.5×10-2s-1。從徑向速度剖面（圖4f）可以看出，低層有大范圍的正速度區，最大速度達到了17.5 m/s，說明有較強的入流氣流進入風暴。在14：28左右前進村龍卷發生。之后超級單體略有減弱，低層弱回波區減小，中氣旋消失，龍卷在持續10 min后消失。

14：40—15：17雖有中氣旋的出現，但在災情調查時，沒有發現龍卷造成的災害，所以在此不做討論。從15：21開始風暴單體再次發展，低層最大反射率因子達到60 dBZ以上，低層存在鉤狀回波，弱回波區以及與之對應的前側V字型缺口（FFN），15：21和15：26連續出現三維相關切變（圖5a，圖5b），但是三維相關切變位置對比于13：32發生了變化，位于強回波的后側。15：31低層最大反射率因子在60 dBZ以上（圖5c），說明超級單體風暴強度維持，并且在風暴后側出現了后側V型缺口，表明有強的下沉出流氣流存在。該時刻雷達識別出中氣旋（圖5e），轉動速度達到了18 m/s，此處距離雷達的距離為120 km，可判斷為中到強的中氣旋，而且出現在雷達監測的最低仰角，高度為2.8 km，該中氣旋已發展到較低層。另外，可以分析出龍卷渦旋特征，相鄰方位角之間的速度差為36 m/s，其垂直渦度為3.6×10-2s-1。龍卷第二次接地時的時間為15：26左右，早于低層中氣旋出現的時間。從而可以推斷，在遠距離龍卷預警時，雷達識別出低層強的三維相關切變也可以是預警指標之一。15：36低層最大反射率因子依然在60 dBZ以上（圖5d），低層鉤狀回波，弱回波區和與之對應的前側V型缺口減弱，但后側V型缺口依然很明顯。此時雷達識別出的中氣旋（圖5f），轉動速度為15 m/s，較前一體掃略有減弱，仍可達到中等強度，對應著龍卷的持續階段。15：41雷達未識別出三維相關切變和中氣旋，風暴結構變得松散，龍卷也減弱消弱。

3.2 風暴參數分析

圖4 8月11日13：32，14：25（BJT）0.5°仰角反射率因子（a、c），相對風暴徑向速度（b、d），14：25反射率因子剖面（e）和徑向速度剖面（f）

圖6中雙向黑箭頭為發生龍卷災害的時段，從圖中可以看出在龍卷發生整個過程中，最大反射率因子的值變化不大，基本在60 dBZ上下變動，但是最大反射率因子的高度變化較大，在1.9～10.3 km變化。基于風暴單體的垂直累積液態水（VIL）變化幅度也較大，在50～71 kg·m-2，龍卷在前進村第一次接地前2個體掃VIL有明顯的躍增，從54 kg·m-2增加至68 kg·m-2，最高達到71 kg·m-2，并且在龍卷發生前后的5個時次VIL都在60 kg·m-2以上。龍卷在在八里莊第二次接地前，同樣也出現了VIL的躍增，從59 kg·m-2增至67 kg·m-2，之后龍卷發生，在龍卷發生前后有6個時次＞60 kg·m-2。從回波頂高度可以看出13：27—14：10回波頂高在11 km左右，觀測事實表明：龍卷出現需要雷暴母體的強中心達到較高高度，但在14：15回波頂高出現躍增，從11 km迅速增加到14 km左右，并且在接下來的4個時次都保持在14 km左右，這個時段前進村出現龍卷，到14：39頂高下降到10.4 km，龍卷消失。而在八里莊等4個村發生龍卷前，頂高也出現了躍增，從10.1 km增加到13.1 km，并且維持在12.3～13.2 km，持續了6 h。

3.3 中氣旋參數分析

圖7是龍卷發生過程中中氣旋和三維相關切變的變化情況，黑色雙箭頭表示龍卷發生的時段。從圖中可以分析出，龍卷在前進村第一次接地時，中氣旋底高2.0 km，頂高4.3 km，切變為16×10-3s-1，接下來的一個體掃沒有出現中氣旋或三維相關切變，第三個體掃時，出現三維相關切變，對應的底高，頂高和切變分別為：2.1 km、5.8 km，15×10-3s-1，隨后龍卷消失。在龍卷第二次接地時，三維相關切變和中氣旋持續了4個體掃，底高在2 km左右，頂高在4～6 km，并且在龍卷接地前頂高有下降，切變前三個體掃維持在15×10-3s-1以上，第四個體掃切變有明顯的減小，之后三維相關切變沒有監測到，隨后龍卷減弱消失。由此可以分析出龍卷接地前，對應的中氣旋頂高≤6 km，中氣旋頂高和底高之間的距離在2～4 km，中氣旋的切變≥15×10-3s-1。

圖6 8月11日13：27—16：05龍卷風暴單體參數

圖7 8月11日14：10—16：05中氣旋和三維相關切變參數

4 結論

通過對此次龍卷風災害天氣的環境場和多普勒雷達產品相關特征的分析，得出以下結論：

（1）此次龍卷災害發生在蒙古冷渦前部，500 hPa溫度槽疊加在850 hPa溫度脊之上以及低層的逆溫層都有利于對流天氣的發生發展，其環境場具有較強的對流不穩定性、較大的低層垂直風切變和較低的對流凝結高度。

（2）從雷達產品分析，兩次龍卷接地是由同一個超級單體風暴造成的，低層有明顯的鉤狀回波，弱回波區及與之對應的前側V型缺口，由于距離＞100 km雷達未識別出龍卷渦旋特征，但識別出了三維相關切變和中氣旋，尤其是發展到低層的中到強等級的中氣旋。但龍卷發生時中氣旋的位置不同，第一次位于低層鉤狀回波的頂點，第二次位于強回波的后側。在遠距離龍卷預警時，雷達識別出低層強的三維相關切變也可以是預警指標之一。

（3）通過對風暴參數的分析，整個龍卷天氣過程中，超級單體風暴的最大反射率因子都在60 dBZ左右，在龍卷接地前基于單體的VIL和風暴頂高有明顯躍增，VIL增大到60 kg·m-2以上，強回波中心頂高在10 km以上。

（4）龍卷接地前，對應的中氣旋頂高不超過6 km，中氣旋頂高和底高之間的距離在2～4 km，中氣旋的切變≥15×10-3s-1。