山東一次臺風龍卷過程災調及環境和天氣雷達特征分析

趙海軍

(臨沂市氣象局，山東 臨沂276004)

1 引 言

龍卷是從積狀云下垂伸展至地面的強烈旋轉空氣柱，通常（并不總是）可觀察到漏斗狀云和（或）地面旋轉的碎片或沙塵[1]，由于龍卷的尺度小、生命史短，觀測到龍卷中最強風速及風場分布的可能性極低。1973年美國國家強風暴實驗室（NSSL）觀測到龍卷時，發現了與之相關的雷達探測特征，定義為龍卷渦旋特征（Tornado Vortex Signature，簡稱TVS）。由于雷達探測的局限性，很難直接用雷達觀測來估計地面風速并得到龍卷的強度，全面評估龍卷致災性，需要綜合考慮風力等級、持續時間和災害分布等多種因素。龍卷事件的系統準確描述能有效提升預報預警技巧，實地災害調查是評估強風事件的主要手段。

1971年Fujita提出了Fujita等級標準（Fujita Scale，簡稱F級）來評估龍卷風速，美國國家氣象局（NWS）很快采用了F級來評估龍卷事件，2007年開始NWS全面啟用EF等級標準（Enhanced Fujita Scale，簡稱EF級）來評估龍卷等強風事件[2-4]。我國目前實行2021年5月21日發布的《龍卷風強度等級》(GB/T 40243-2021)標準，結合我國龍卷災害特點將龍卷強度分為四個等級，與EF等級存在以下對應關系：弱對應EF0及其以下；中對應EF1；強對應EF2、EF3；超強對應EF4、EF5[5]。

近年來隨著新媒體快速發展，更多的龍卷和強風事件被記錄，引發公眾關注，相關研究隨之增多。Meng等[6-7]通過實地調查，對北京2012年7月21日特大暴雨過程中的龍卷和2015年6月1日“東方之星”客輪翻沉事件進行了風速等級評估；鄭永光等[8]基于實地調查對2016年6月23日江蘇鹽城阜寧龍卷事件進行了多尺度風場特征分析和風速等級評估；朱文劍等[9]對1522號臺風“彩虹”外圍螺旋雨帶中發生在廣州和佛山的兩次龍卷天氣進行了現場災情調查和雷達觀測資料綜合分析；Bai等[10-11]對1522號臺風“彩虹”外圍螺旋雨帶造成佛山龍卷的過程進行了現場調查；刁秀廣等[12]對比分析了臺風“摩羯”與“溫比亞”環流中龍卷小尺度渦旋特征及可預警性，趙海軍等[13]將“溫比亞”在黃淮流域誘發龍卷的背景與珠江三角洲地區臺風龍卷發生背景進行了對比，其中包含本次龍卷過程。

此外，國內有許多基于多種觀測資料分析龍卷發生環境和雷達特征的研究成果，指出強的低層垂直風切變、低的抬升凝結高度有利于強龍卷的產生，龍卷的臨近預警主要基于雷達探測到中氣旋或TVS[14-22]；范雯杰等[23]對1961—2010年50年間中國強龍卷災害特征進行了統計分析，指出龍卷路徑的長度在統計意義上與強度成正比，但對于單獨的龍卷而言，并不盡然；俞小鼎等[24]對2002—2016年間共214個龍卷時空分布情況和關鍵參數特征進行了分析，此外還有一些針對龍卷區域特征方面的研究[25-31]。總體來看，近年來對龍卷發生環境和雷達特征的研究工作開展較多，也有部分龍卷災害調查方面的研究，大多針對具有目擊者或有效視頻或圖片記錄的龍卷事件。

在實際工作中，存在許多缺少目擊者或有效視頻記錄的強風過程，如造成嚴重災害引起高度關注，則可能開展相關調查和研究，因此也有一定比例的中小尺度災害性強風過程缺少有效調查或評定而導致相關記錄缺失，從而可能影響對類似事件的分析和研究。如2018年8月19日夜間發生在山東省臨沂市河東區湯頭鎮賈官莊村的強風事件，由于事發鄉下雨夜，影響范圍主要為田地，居民住戶很少，造成3人重傷，倘若龍卷路徑偏西500 m，將影響到人口居住密集的村莊，災害嚴重程度將難以想象。臨沂市氣象局通過雷達監測判斷湯頭附近可能發生龍卷，20日上午立即組織人員進行了實地調查，但現場已經開展救災和自救工作，到20日下午，許多標識物已經被清理，沒有來得及開展有效的無人機勘測。

本文旨在通過實地調查，綜合考慮建筑物結構、植被、風向風速變化、飛射物襲擊和致災過程的復雜性，結合多普勒雷達觀測資料，在缺少漏斗云目擊者和視頻證明的情況下，確認這是一次龍卷事件，綜合評估湯頭龍卷等級，分析2018年8月19日湯頭龍卷發生發展的環境和雷達特征，為盡可能準確評估和分析類似事件提供參考。

2 實地調查及評估

湯頭龍卷發生在農村，夜間沒有路燈和視頻監控，缺乏漏斗云的目擊者和視頻記錄。調查人員通過實地拍攝，與其他機構相關人員聯合開展災害調查，詳細記錄災害路徑及周邊受災細節，系統分析風向、風速及可能的影響，以盡可能客觀評估龍卷強度和災害分布。由于標識物及受災程度差異和致災過程的復雜性，強度評估必然存在一定的主觀性。

2.1 災害調查概述

龍卷襲擊了賈官莊村東南部，受災房屋多為磚木結構，少部分為水泥磚砌結構，受災樹木多為楊樹，農作物為玉米，電桿為鋼筋混凝土材質。造成地面災害影響范圍大致是118.560 3°E，35.287 8°N～118.561 4°E，35.298 6°N，長度約1.2 km，最寬處120 m，最窄處50 m，移動路徑由紅色實線標出，前期移向北略偏東，后期幾乎沿正北方向移動。

沿災害路徑，調查區域分為6處，S1處為龍卷初始接地位置所在區域，S6處為龍卷影響結束區域，S2～S5處為龍卷路徑中受災明顯區域。黑色箭頭為根據農作物和樹木倒伏方向推斷的大致風向，藍、紫、棕和黑色虛線分別為評估的EF0、EF1、EF2和EF3等級范圍。地面調查顯示，風場是向內或輻合的，部分地區有明顯旋轉特征（圖1）。

圖1 2018年8月19日湯頭龍卷災害調查評估綜合圖 紅色實線為龍卷路徑，藍色標記為起點和終點，黑色框為調查區域（S1～S6），黑色箭頭是實地調查中DI倒伏方向，藍、紫、棕、黑色虛線分別為EF0、EF1、EF2、EF3區域。地圖比例見左下角，圓圈內箭頭方向為正北（下同）。

2.2 龍卷強度評估

龍卷接地起點附近S1區域，玉米成片倒伏，果實與葉片完整，幾乎沒有被剝落的痕跡，倒伏方向呈明顯輻合狀，具有氣旋式旋轉特征，該區域長約120 m（圖2a），評估等級為弱，對應EF0，再往北被剝落的痕跡增多。

起點區域北側150～300 m的S2區域，玉米呈輻合狀倒伏，略有氣旋式旋轉，玉米棒和葉被剝落的情況越往北越嚴重（圖2b），中等強度，對應EF1級。

終點附近S6區域，路徑兩側一些較高樹木的高處樹枝被折斷或彎曲，但矮小樹木受災較輕，農房屋頂幾乎完好（圖2c），等級為弱，對應EF0級。

S3區域位于龍卷路徑的起點附近及北側，其東西向道路南側的農房正面玻璃并未損毀（圖2d），但是該農房背面屋頂瓦片被掀飛半數以上（圖2e），應評估為中等強度，EF1級。道路北側的農房屋頂被徹底掀飛，但墻壁完好（圖2f），據房屋主人描述，玻璃突然破碎，隨一聲巨響屋頂被掀飛，由此推斷北側農房可能遭受了完全不同的破壞過程：即龍卷影響南側房屋后，氣流攜帶具有較大破壞力的飛射物（瓦片），輕易擊碎了北側農房的門窗或玻璃。根據伯努利效應，當流體速度加快時，物體與流體接觸界面上的壓力會減小，反之壓力會增大。一旦強風進入建筑，氣流在接近墻壁和屋頂時被迫減速，導致內部加壓，屋頂承受的向上抬升力和內墻承受的向外壓力增大，導致屋頂和內墻損毀。玻璃破碎后強風進入建筑物，會利用建筑物弱點引發損壞，實際風可能比最大災害程度所指示的風速低。龍卷氣流攜帶飛射物擊碎玻璃而導致房屋內部升壓，造成屋頂結構大部分被破壞，屋頂被掀飛，應評估為強龍卷，對應EF2級。

S4區域受災最嚴重，且受災過程最為復雜。南北向道路左側的農房屋頂被徹底掀飛，木梁結構和墻壁完好（圖2g），與S3區域受災過程相似，評估為強龍卷，對應EF2級。道路右側農房完全倒塌，沒有墻壁留存，屋內三人重傷。農房北側約50 m范圍內的玉米棒和葉幾乎全部被剝離，許多秸稈開裂（圖2h）。一輛汽車嚴重受損，除前擋風玻璃外，其它玻璃全部粉碎，汽車頂部和尾部遭受強烈撞擊而變形，車身遍布劃痕（圖2i）。據村民描述的車輛原停放位置（南北向道路左側）和災后位置，車輛位移至少30 m，存在被風卷起撞擊到墻壁或地面的可能性。該區域有多根電桿被折斷，電桿長度12 m，稍端直徑190 mm，內含24根直徑6 mm的鋼筋（圖2l）。考慮區域受災情況應評估為強龍卷，對應EF3級。

S5區域中，左側變電房二層的鐵門變形扭曲，鐵皮材質的屋頂被掀飛（圖2j），可能與遭受飛射物襲擊變形有關，考慮破壞過程，評估為EF2級。有多棵大樹倒伏或折斷，其中一棵直徑約34 cm的楊樹被折斷倒向西到西北（圖2k），評估為中等強度，對應EF1級。

圖2 2018年8月19日湯頭龍卷詳細調查 所選區域或標識物在文中描述，黃色箭頭為依據調查情況判斷的風向。

范雯杰等[23]對1961—2010年間發生在中國并有記錄的165次EF2或以上級強龍卷統計分析，僅有33次有詳細路徑信息，其中路徑最短的EF3級強龍卷發生在1969年4月8日江蘇漣水，長度為2 km，寬度為0.1 km。

本次過程具有路徑短、生命史短的特點，龍卷路徑大多在野外，但其對途中僅有的幾幢農房造成了嚴重的破壞，其中一間完全損毀。綜合考慮建筑物結構、植被、風向風速變化、飛射物襲擊和致災過程的復雜性，本次龍卷強度評估為強龍卷，對應EF3級。

2.3 發生時間推斷及其它

據圖2f房主描述，龍卷發生在新聞聯播后中央氣象臺天氣預報剛好結束時（19:36），終止時間依據龍卷路徑終點向南約80 m的受災房屋戶主描述：停電后聽到房子一聲巨響（電桿砸在房頂上），他用手機第一時間報警，記錄的報警時間為19:40，根據上述信息及房屋在路徑中的位置，結合雷達顯示的中氣旋和TVS等信息，推斷龍卷發生在19:35—19:40。

湯頭龍卷發生在相對開闊的野外，穿過區域多為農田，從圖1可見，若龍卷路徑再偏西500 m左右，將穿過大量民房，可能帶來嚴重傷亡。

本文采用EF級對龍卷過程進行評級，與通過實地調查對2012年北京7.21極端暴雨事件中的通州龍卷以及2015年6月1日“東方之星”客輪翻沉事件進行的風速等級評估的方法相似[6-8]。另外受多種因素所限，未開展航拍，通過調查小組在地面多次往返勘測，在沒有目擊者和視頻證明的條件下，判定了強風事件成因，在充分考慮標識物、下墊面、致災過程等情況下開展了強度評估并繪制了災情圖。

3 天氣形勢及環境場分析

3.1 天氣形勢分析

2018年8月19日08:00，西太平洋副熱帶高壓（簡稱“副高”）脊線維持在34°N附近，西伸至120°E附近，西風槽位于內蒙中部，“溫比亞”沿副熱帶高壓邊緣西南氣流緩慢北上并逐漸轉向，中心位于河南周口境內（熱帶風暴級）。利用ERA5再分析資料進一步分析龍卷發生的環境場，19:00，500 hPa上副熱帶高壓脊線位于33°N附近，西風槽東移至華北中部（圖3a），引導中緯度冷空氣與臺風環流相接，地面圖上“溫比亞”中心位于山東菏澤境內，龍卷發生地（圖中標注“T”的位置，下同）處于臺風東北象限，受東南氣流影響，風速輻合明顯（圖3b）。

圖3 2018年8月19日19時500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）及風場（風矢，單位：m/s）（a），海平面氣壓場（等值線，單位：hPa）及風場（風矢，單位：m/s）（b）

8月19日08:00，徐州站和青島站探空觀測的抬升凝結高度分別為170 m和332 m，20:00徐州站和青島站探空觀測的抬升凝結高度分別為170 m和456 m，基于再分析資料計算顯示，19:00，臺風中心北側抬升凝結高度較低，龍卷發生地附近抬升凝結高度低于250 m（圖略），低于美國南部龍卷走廊產生強龍卷的平均抬升凝結高度[11]。

3.2 環境場分析

19:00，低層和深層垂直風切變的大值區主要分布在臺風環流的東北象限，其中山東境內1 000~925 hPa垂直風切變大于10×10-3s-1，臨沂地區達18×10-3s-1以上（圖4a），強的低層垂直風切變和風切變隨高度順轉加強了風暴的旋轉潛勢[32-33]。

取風暴承載層為850~400 hPa，風暴移速為承載層平均風速的75%，移向向右偏轉40°，結果顯示臨沂0~3 km的相對風暴螺旋度達350 m2/s2以上（圖4b），與Davies-Jones等[34]給出的指標建議相符。

臨沂周邊對流有效位能約為400 J/kg（圖4c），與其他強風類對流過程相比明顯偏低，為一次低對流有效位能、高相對風暴螺旋度環境下產生的龍卷風暴過程[35]，龍卷發生于對流有效位能快速下降和相對風暴螺旋度維持在較高數值的階段。

19日17:00，能量螺旋度指數大值區與臺風中心右側的線狀狹長螺旋雨帶對應較好，之后在徐州新沂數值達1.6以上，而龍卷發生地附近數值達1.0以上。之后線狀對流多單體風暴后側不斷新生風暴，新生單體從徐州新沂附近向北移動，19:00進入臨沂郯城后加強為超級單體，穿過河東區時引發了一次EF3級龍卷事件（圖4d）。

圖4 2018年8月19日 a.19:00 1 000~925 hPa垂直風切變；b.0~3 km風暴相對螺旋度；c.對流有效位能；d.能量螺旋度指數。

以上分析表明，受臺風右側南風急流影響，臨沂地區水汽充足，龍卷發生在低抬升凝結高度（≤300 m）、強低層垂直風切變（≥18×10-3s-1）、強相對風暴螺旋度（≥350 m2/s2）和較低對流有效位能（≤400 J/kg）的有利環境條件下[35]。

4 多普勒天氣雷達觀測資料分析

龍卷發生在臨沂雷達站東北方位約15 km處，雷達近距離監測到如鉤狀回波、低層強中氣旋和TVS等超級單體龍卷風暴特征，同時受雷達體積掃描局限，無法探測近距離風暴的中上部，因此在分析中參考了連云港雷達數據。圖5的產品中，反射率因子和平均徑向速度產品的徑向分辨率分別為1 km和0.25 km。

4.1 超級單體回波特征

由圖5a可見，19:05，山東中南部有兩條南北向線性多單體風暴北移，具有后向傳播特征，北上造成湯頭龍卷的超級單體風暴位于雷達東南偏南方位約15 km處，其低層最大反射率因子強度達55 dBZ；2.4°~4.3°仰角識別出中氣旋（圖中圓圈處，下同），3.4°仰角上旋轉速度達18.5 m/s（圖5b，顯示范圍為圖5a中方框所選范圍，下同）。

19:11，中氣旋向上伸展至9.9°仰角，最大旋轉速度18.5 m/s，位于4.3°仰角（圖略）。19:17，風暴質心右后方低層出現鉤狀回波特征（圖中箭頭指向處，下同），低層鉤狀回波上方為反射率因子大值區，中低層的鉤狀回波隨高度呈現向北傾斜的特征（圖5c、圖5d）；該時刻中氣旋向上伸展至14.6°仰角，向下至最低仰角，垂直結構呈現隨高度向北傾斜的特征，其中最大旋轉速度18.5 m/s，位于6.0°仰角（圖5e）。從風暴向北移動和移動方向前側更為寬廣的形態來看，中氣旋位于風暴移動方向的右后側，靠近后側下沉氣流區附近，與鉤狀回波位置對應。

19:23，鉤狀回波和中氣旋隨高度向北傾斜的特征依然存在，1.5°~9.9°仰角觀測到強中氣旋，旋轉速度均為20 m/s（圖5f），19.9°仰角為強輻散，速度差35 m/s（圖略）。

19:29，低層鉤狀回波特征明顯（圖5g），強中氣旋下降至最低仰角，相鄰距離庫之間最大速度差為24 m/s（圖5h），3.4°仰角上旋轉速度26.5 m/s，為監測到的最強值（圖5i）；同時中氣旋頂部下降至9.9°仰角，14.6°仰角及以上為輻散風場，速度差≥26 m/s（圖略）。

19:35，龍卷發生在風暴右后側下沉氣流區與鉤狀回波相接處附近（圖5j），該區域為入流急流造成的強烈上升氣流與風暴右后側下沉氣流形成的垂直速度水平梯度大值區，上述特征與超級單體動力學理論成果一致[32]；6.0°及以下仰角均觀測到強中氣旋，其中2.4°~6.0°仰角旋轉速度達26.5 m/s，2.4°和3.4°仰角上相鄰距離庫之間最大速度差46 m/s（圖5k），中氣旋頂部持續下降，9.9°仰角及以上為輻散風場，速度差≥30 m/s（圖略）。

19:41，最低3個仰角仍可識別出強中氣旋，其中1.5°仰角上旋轉速度達23.5 m/s（圖5l），但是中氣旋的旋轉速度、頂部高度、中上部輻散強度都較龍卷發生前下降，表明風暴中上升氣流受到抑制，風暴已開始減弱，并趨于消亡（圖略）。

圖5 2018年8月19日臨沂雷達產品 圖中標注：體掃時間、反射率因子R和平均徑向速度V、仰角。

湯頭龍卷發生時風暴頂及單體質心迅速下降，與1522號臺風“彩虹”外圍螺旋云帶造成廣東佛山EF3級強龍卷事件的特征相似[9-11]。連云港雷達資料顯示該超級單體的風暴頂高達10～11 km，高于鄭媛媛等統計的臺風龍卷風暴頂高度普遍為5～7 km的特征[15]。

4.2 中氣旋及龍卷渦旋特征

圖6為本次過程中臨沂雷達觀測的中氣旋垂直伸展高度、旋轉速度最大值及其所在高度，如多個仰角相同，則標注最低仰角對應高度。

圖6 2018年8月19日臨沂雷達中氣旋垂直伸展（單位：km）和旋轉速度（單位：m/s）

誘發龍卷的中氣旋主要位于風暴的中低層，初始位置約1.5 km，隨對流發展，旋轉速度增強至20 m/s以上，頂部最高伸展至3.5 km附近，底部下降至最低仰角（1 km以內）；龍卷發生時中氣旋明顯下降，底部降至最低仰角（0.4 km），頂部降至2 km以下，低層相鄰距離庫最大風速差達46 m/s，TVS特征明顯。

19:05，風暴中低層監測到中氣旋特征，1.5 km高度附近旋轉速度最快，達18.5 m/s；之后中氣旋在垂直方向上迅速伸展，19:17，中氣旋垂直伸展達3 km，最低仰角（高度0.4 km）監測到中等強度中氣旋；19:23，強中氣旋已下降到0.6 km高度；19:29，旋轉速度加強至26.5 m/s（高度1.0 km），最低仰角觀測到強中氣旋（高度0.4 km），中氣旋頂部開始下降；19:35，0.4~1.9 km高度內旋轉速度均達20 m/s以上，0.9~1.9 km高度上旋轉速度達26.5 m/s，單體質心和中氣旋頂高均快速下降；19:41，中氣旋頂部降至1.5 km高度，旋轉減弱；19:47，僅在0.6 km高度識別出弱中氣旋，之后風暴消亡。

綜上所述，本次過程中龍卷發生前20~30 min，距地面1.5 km附近已出現中等強度中氣旋，龍卷發生前15~20 min，中等強度中氣旋下降到距離地面0.4 km高度；龍卷發生前10~15 min，雷達監測到強中氣旋，且已下降到0.6 km高度；龍卷發生前5 min左右，強中氣旋下降到最低仰角（高度0.4 km），相鄰距離庫之間最大速度差≥20 m/s，出現TVS特征。一般而言，臺風外圍龍卷的中氣旋高度較低，結合業務實際，識別出中等強度中氣旋時應及時發布預警，可能的預警提前量為15~20 min。

5 結論與討論

2018年8月19日，受臺風“溫比亞”影響，山東省臨沂市出現強風事件。通過與其他機構相關人員聯合開展實地調查，判斷事件成因，并分析湯頭龍卷發生的環境和天氣雷達特征，得出以下主要結論。

（1）通過實地調查，詳細記錄了災害路徑及周邊受災細節，系統分析風向、風速及可能的影響，綜合考慮建筑物結構、植被、風向風速變化、飛射物襲擊和致災過程的復雜性，并結合多普勒雷達觀測資料分析，確定是超級單體強龍卷(對應EF3級)事件。受多種標識物及受災程度差異和致災過程復雜性的影響，強度評估必然存在一定的主觀性。

（2）這次短生命史強龍卷的超級單體嵌于臺風右后側螺旋雨帶內；基于實地調查，評估龍卷路徑上的標識物受災程度和強度等級，繪制了詳細的災害分布情況；龍卷發生在19:35—19:40，移向偏北，受災路徑長度1.2 km，最大受災寬度120 m。

（3）臨沂位于副熱帶高壓邊緣，受臺風東北象限顯著南風急流影響，強低層垂直風切變和風切變隨高度順轉的環境條件加強了風暴的旋轉潛勢，有利于出現超級單體和強烈龍卷。

（4）超級單體風暴質心右后方鉤狀回波特征明顯，龍卷發生在低層中氣旋向下延伸加強期間，及地時風暴頂及單體質心迅速下降；發生位置在中氣旋與后側下沉氣流區相接一側，與雷達探測到的TVS所在位置相對應。若探測到低層中等強度中氣旋時應發布龍卷預警，則此次過程的龍卷預警時間提前量為15～20 min。

由中小尺度系統造成的局地性災害性天氣在目前和今后很長一段時間都將是預報預警服務工作的重點和難點，為便于對此類型天氣的研究和分析，有必要強化較為完善和細致的災害調查工作，盡可能補充和完善相關記錄。目前乃至將來，分析多普勒雷達觀測資料和實地調查仍是在目擊者和視頻記錄缺乏的情況下，推斷強風事件成因的重要方法，是記錄和估算與特定災害相關風速重要細節的必要方法。建議強對流天氣多發地區的省級甚至市級臺站組建和培訓災情調查團隊，強化災情調查工作，為盡可能準確評估和分析類似事件提供參考。

致 謝：特別感謝在本次龍卷事件等級評估和環境分析過程中，北京大學孟智勇教授、上海中心氣象臺漆梁波首席預報員和山東省氣象臺刁秀廣首席預報員給予的指導和幫助。