內蒙古一次強龍卷天氣的中尺度特征分析

王學強，李曉坤，李林惠，蘇 亮，孫岳飛，張桂蓮，姜學恭

（1.錫林郭勒盟氣象局，內蒙古 錫林浩特 026000；2.內蒙古自治區氣象局，內蒙古 呼和浩特 010051；3.內蒙古自治區氣象臺，內蒙古 呼和浩特 010051）

龍卷是對流云產生的破壞力極大的小尺度災害性天氣，其直徑一般為幾米到幾百米，具有突發性強、生命史短、尺度小等特點，預報與預警難度較大。一般將龍卷分為超級單體龍卷和非超級單體龍卷[1]。研究表明[2-4]，鉤狀回波、有界弱回波區（BWER）、徑向速度場的中氣旋、龍卷渦旋特征（TVS）等雷達產品特征對龍卷的出現具有十分重要的指示意義。俞小鼎等[5]對2005 年7 月30 日發生在安徽北部的一次強龍卷天氣進行分析，發現大的低層垂直風切變、低的抬升凝結高度和地面陣風鋒是F2 級以上的強龍卷產生的先決條件。王秀明等[6]研究發現，干線及其伴隨的強邊界層輻合是東北地區龍卷的觸發機制。近年來，許多學者對龍卷從不同方面進行了研究[7-19]。張楠等[20]對2018 年8 月13 日發生在天津靜海地區的EF3級強龍卷過程進行深入分析得出，強龍卷發生在線狀對流中，且引發龍卷的對流風暴不具備超級單體風暴典型特征。徐玥等[21]對黑龍江省一次伴有龍卷的暖區暴雨成因進行分析得出，地面輻合線和地形抬升是對流的觸發機制，高空急流與低層輻合耦合促使對流快速發展增強。

內蒙古自治區地處中國北部，面積為118.3 萬km2，東西長約2 400 km，南北寬約1 700 km，由于面積較大，布設的雷達站網稀疏，監測到的龍卷個例較少，所以對內蒙古龍卷研究的學者非常少，但目前隨著科學技術的發展，特別是新一代多普勒天氣雷達監測站網的增多，越來越多的學者對內蒙古的龍卷進行了研究，烏文奇等[22]對2009 年7 月16 日內蒙古通遼市遭受雷電、龍卷風、冰雹襲擊的天氣過程進行分析，發現龍卷發生在同一對流云帶中兩個對流云團合并處的強對流云團中。嚴華等[23]對內蒙古通遼市科左后旗甘鎮一次龍卷風進行分析，指出龍卷天氣的發生不僅依賴于熱力作用，動力條件也起著重要作用。劉媛媛[24]討論了現有氣象條件下，在科爾沁沙地南源和西遼沖擊平原交錯地帶農業生產應對龍卷的有效措施。晉亮亮等[25]對2017 年內蒙古赤峰“8·11”龍卷環境場及雷達特征進行分析，表明環境背景場有利于出現龍卷天氣，雷達沒有識別龍卷渦旋特征，但識別出三維相關切變和中氣旋，且中氣旋達到了中到強等級的中氣旋，龍卷接地前，對應的中氣旋頂高≤6 km，切變≥15×10-3s-1。郭魯彥等[26]對2016 年9 月內蒙古通遼市一次龍卷過程進行了分析，發現龍卷發生在高空槽前、中高層急流北側、低空急流左側和地面氣旋暖區一側，是由超級單體引發的。內蒙古錫林郭勒盟屬于高平原地區，面積較大，布設的雷達站網更是稀疏，監測到的龍卷個例甚少，近2 年發生過兩次龍卷，但由于雷達離觀測距離太遠，對龍卷在雷達方面的認知和了解遠遠低于短時強降水、雷暴大風和冰雹。本文針對2021 年6月25 日發生在內蒙古太仆寺旗強龍卷過程的中尺度特征進行分析，為今后錫林郭勒盟地區龍卷預報和預警提供參考。

1 天氣實況及災情

2021 年6 月25 日14：10—14：40，錫林郭勒盟太仆寺旗千斤溝鎮建國村和馬坊子村出現三級強龍卷災害性天氣，并伴有短時強降水、冰雹、雷電等強對流天氣。災害天氣出現期間，千斤溝鎮建國村14—16 時降水量為31.6 mm，14—15 時小時降水量達26.0 mm，并伴有冰雹（雞蛋大，目擊者）。龍卷于6 月25 日14：10 左右生成于太仆寺旗千斤溝馬坊子村西馬坊北側，移動途經東馬坊子、建國村大營子，14：40 消亡于建國村三級地東南2 km，路徑全程13 km，受災寬度50～200 m。龍卷移動途經地造成人員傷亡，房屋倒塌損毀，樹木擼頂、折斷、拔起，車輛及農機翻滾移位，加油站受損等災害，共造成6人死亡，14 人受傷，46 戶98 人受災，房屋倒塌146間。通過專家實地調查，結合雷達、自動站等氣象資料分析認定，此次龍卷風強度達到強龍卷（三級）級別（圖1）。

2 強龍卷發生的天氣尺度背景

由2021 年6 月25 日08 時的高空形勢場可知，200 hPa 內蒙古西部—河套—渤海一帶存在一支明顯風速＞30 m/s 的高空急流，錫林郭勒盟地區位于急流軸的出口區左側，處于強迫輻散區，正渦度增大，高層抽吸作用明顯。500 hPa 錫林郭勒盟地區位于高空槽控制當中，并存在明顯的冷溫度槽。700 hPa 高空槽加深，形成冷渦，太仆寺旗處于低渦后部西北氣流中。850 hPa 錫林郭勒盟位于高空槽前西南氣流中，并處于暖溫度脊中。高空槽前傾結構明顯，上層的溫度槽與下層的溫度脊疊置，構成上冷下暖的不穩定層結，有利于強對流天氣的發生。從25 日08 和14 時海平面氣壓場可知，錫林郭勒盟地區一直處于低壓帶中，地面的輻合有利于上升運動加強。

3 龍卷發生地探空資料分析

采用NCEP 格點資料內插到站點方法計算龍卷發生地的探空資料，從龍卷發生地建國村站（115.5°E 、41.8°N）6 月25 日08 和14 時T-lnP 圖（圖2）可知，中低層相對濕度較好，水汽主要集中在700 hPa 以下，中層以上有干冷空氣侵入，抬升凝結高度在500 m 以下。據統計，產生F2 級以上龍卷的平均抬升凝結高度為981 m，我國東北F2 級以上龍卷平均抬升凝結高度為800 m[26]。建國村探空站的海拔為1 384 m，地面接近850 hPa，因此用850～750 hPa 的垂直風切變表示低層的垂直風切變，14 時地面到750 hPa 的垂直風切變為12×10-3s-1，850～400 hPa 垂直風切變為20×10-3s-1，為較強的垂直風切變。25 日08 時建國村探空站的對流有效位能CAPE值為1 505.9 J/kg，14 時CAPE 值增大到2 324.8 J/kg（圖2）。充沛的低層水汽、低的抬升凝結高度及大的對流有效位能和強的低層垂直風切變是產生超級單體龍卷的有利條件。

圖2 2021 年6 月25 日建國村站T-lnP（a 為08 時，b 為14 時；黑色實線為狀態曲線，紅色實線為溫度層結曲線，綠色實線為露點層結曲線，紅色區域為對流有效位能）

4 強龍卷發生的中尺度物理量條件

4.1 動力條件

沿41.8°N 對龍卷中心垂直速度、散度和風場作垂直剖面，由于龍卷發生地建國村站海拔較高，地面接近850 hPa。由圖3a 可知，龍卷發生前，25日08 時龍卷中心的散度場整層為輻散結構，主要以下沉氣流為主，高空西北風較強。隨著時間連續演變，14 時（圖3b），龍卷發生地850～700 hPa 為負速度，有較強的上升運動，700 hPa 以上為正速度，并存在一個正的大值中心，中心值達到1.2 hPa/s；700 hPa以下為負散度區，存在一個負的大值中心，中心值達到-9×10-5s-1，700 hPa 以上為正散度區，存在一個正的大值中心，中心值達到9×10-5s-1，這種高層輻散、低層輻合的散度場非常有利于上升運動的加強和維持。

圖3 2021 年6 月25 日龍卷中心沿41.8 °N 對垂直速度、散度及風場作垂直剖面（a 為08 時，b 為14 時；▲代表龍卷發生地，陰影部分為垂直速度，灰色部分為地形區域，等值線為散度場）

4.2 不穩定條件分析

25 日08 時龍卷中心850 與500 hPa 溫度差為24 ℃，14 時溫度差明顯增加，達32～34 ℃。CAPE 值08—14 時逐漸增大，14 時龍卷中心達到1 600～2 400 J/kg，K 指數增大到32～36 ℃，不穩定條件較好，有利于強對流天氣的產生。

4.3 水汽條件

沿6 月25 日14 時龍卷中心（115.5°E 、41.8°N）風場和比濕作垂直剖面，800 hPa 以下比濕達到10～14 g/kg，600 hPa 以上比溫<4 g/kg，大氣層結為上干下濕的結構。從風場來看，龍卷發生區域存在強的高低空垂直風切變。即充沛的低層水汽和強的垂直風切變是非常有利于強風暴系統的發展和維持。

4.4 抬升觸發條件

對14—15 時逐5 min 加密自動站觀測資料分析（圖4），本次龍卷過程中，地面存在明顯的中尺度輻合線，自西向東移動，輻合較強。同時在中尺度輻合線附近伴有露點鋒，存在明顯干線。龍卷發生前，地面干線位于錫林郭勒盟西南部至河北西部一帶，干線兩側溫度露點差為14～16 ℃。干線西側露點溫度為1～8 ℃，為顯著干區，干線東側露點溫度在18 ℃左右，有明顯的濕區，干線與中尺度輻合線共同作用下觸發強對流天氣，由于高空西北風較強，對流風暴平流到濕區一側強烈發展，產生龍卷天氣。

圖4 2021 年6 月25 日14—15 時（BT）錫林郭勒盟地區地面輻合線和干線（代表地面輻合線，代表干線，黑色矩形框代表龍卷發生地）

5 雷達資料分析

由14：06 0.5°仰角的基本反射率因子（圖5a）可知，太仆寺旗偏東方向上空明顯存在一超級單體回波F0，中心強度達到60 dBZ 以上，呈鉤狀回波結構，具有“V”型缺口，旁瓣回波、低層弱回波區的特征。由14：12 不同仰角鼠標聯動所指向的同一位置（圖5b～5e）可知，存在懸垂回波，說明有大冰雹天氣。疊加風暴追蹤信息表可以看到強回波中心向東南方向移動，同時在太仆寺旗上空H1 回波加強，中心強度達到60 dBZ 以上，F0 與H1 相互作用，發展增強。14：24 強回波H1 的60 dBZ 強度區域增大，旁瓣回波明顯，說明此時超級單體發展最強盛。由14：24 的組合反射率因子可知，太仆寺旗偏東方向上回波非常強，沿H1 最強回波中心作徑向剖面（圖5f、5g）可知，強回波高度達到4 km 左右，有利于冰雹的產生。14：30 F0 與H1 強中心開始減弱，但F0的“V”型缺口仍然存在，H1 的旁瓣回波明顯，說明強天氣仍在持續，此時太仆寺旗南側新生一回波B2，疊加風暴追蹤信息表可以看到B2 回波中心向東移動，14：36 風暴單體F0 與H1 強中心明顯減弱，為55 dBZ，太仆寺旗南側新生的回波B2 卻在發展加強，中心強度達到60 dBZ 以上，14：42 風暴單體F0 與H1 消散，B2 回波發展東移，強中心位于太仆寺旗與河北省交界，“V”型缺口特征清晰，14：48“V”型缺口移出太仆寺旗境內，影響該區域的強對流天氣結束。

圖5 2021 年6 月25 日張家口雷達不同仰角基本反射率因子產品（a～e）、14：24 雷達組合反射率因子（f）和沿圖5f 中黑色粗線進行RHI 掃描的雷達反射率因子（g）（?代表不同仰角的同一位置）

由0.5°仰角的基本徑向速度（圖6a、6b）可知，太仆寺旗東側存在明顯的輻合區，最大正負中心速度對均達到15 m/s，并且持續至少2 個體掃。14：24輻合區向東南方向移動，氣旋式輻合進一步加強，水平范圍為5 km 左右，且維持2 個體掃。14：42 正負速度對位于太仆寺旗與河北交界，輻合強度減弱，僅僅存在氣旋式旋轉，說明龍卷天氣趨于結束。14：48氣旋式輻合加強，但中心區移出太仆寺旗，影響該區域的強對流天氣結束。

圖6 2021 年6 月25 日張家口雷達0.5°仰角的基本徑向速度產品（a 為14：06，b 為14：12）

由風暴參數分析（圖7）可知，龍卷生成前，F0和B2 最大反射率因子變化不大，但F0 最大反射率因子較強，一直維持在60 dBZ 左右，B2 最大反射率因子較弱，在40 dBZ 左右波動，H1 最大反射率因子處于一個增加的過程，從40 dBZ 增加到60 dBZ。對應最大反射率因子高度，龍卷發生前，F0 最大反射率因子高度較低，在1.3～1.5 km，H1 整體呈波動下降的趨勢，14：00 時最低，為1.2 km，B2 明顯增加，在14：06 最高，為5.2 km。從回波頂高來看，3 個風暴單體都呈波動上升趨勢，F0 和B2 在14：06 達到最高，但F0 的回波頂高明顯高于B2，H1 在14：00達到最高，為10.3 km。由VIL 可知，F0 在龍卷發生前5 個時次有明顯的躍增，VIL 從35 kg·m-2增加至78 kg·m-2，H1 為先增加后減小，在13：48 達到最大，為65 kg·m-2，B2 在龍卷發生前一直非常小，在0～1 kg·m-2。

圖7 2021 年6 月25 日（BT）F0 風暴單體參數（a）、H1 風暴單體參數（b）、B2 風暴單體參數（c）（雙紅豎線之間為龍卷維持階段，雙紅豎線左側為龍卷生成前階段，雙紅豎線右側為龍卷消散階段）

龍卷維持階段，F0 和H1 最大反射率因子一直在60 dBZ 上下變動，B2 明顯增加，在14：36 達到最大，為62 dBZ。對應最大反射率因子高度，F0 變化較大，14：24—14：30 有明顯的躍增，從1.4 km 增加到8.8 km，龍卷的最大災害也是發生在這一明顯躍增時段里，H1 的最大反射率因子的高度很低，一直處于1.2 km 左右，說明H1 產生龍卷的概率很小，B2 變化較大，在1.2～6.2 km，14：36 達到最高，此時強回波中心已經移出太仆寺旗境內。由回波頂高可知，F0 一直維持在12 km 左右，說明在龍卷發生過程中對流發展非常旺盛，H1 回波頂高在14：24 之前一直維持在10 km 左右，之后減弱，說明14：30 之后H1 對流風暴開始減弱消散，B2 回波頂高一直在增加，14：30 之后回波頂高維持在11 km 左右。由VIL可知，F0 在此階段一直維持在65 kg·m-2左右，H1從40 kg·m-2增加至62 kg·m-2，14：18 達到最高，之后迅速減小，B2一直處于增大的過程，14：40 達到最大，為63 kg·m-2。

龍卷消散階段，F0 的4 個參數因子仍然維持較強，H1 的4 個參數因子減弱至0，B2 的4 個參數因子都是在龍卷發生過程結束后達到最強，此時強回波已經移出太仆寺旗境內，最強回波位于河北沽源一帶。

通過對F0、H1、B2 3 個風暴參數在不同階段變化的分析發現，龍卷發生前基于單體的垂直累積液態水有明顯的躍增，在龍卷維持中回波頂高、最大反射率因子及其高度都非常大。綜合考慮此次龍卷天氣過程與3 個超級單體風暴相關，主要由F0 風暴單體造成的。

6 結論

（1）龍卷發生在東北冷渦背景下，出現在低層西南氣流中，且高層溫度槽與下層溫度脊配合，有利于對流天氣的發生發展。地面干線和輻合線是此次龍卷天氣的觸發機制。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是龍卷維持和發展的有利環境條件。

（2）雷達回波資料分析顯示超級單體出現明顯的鉤狀回波、“V”型缺口、低層弱回波區或有界弱回波區、回波懸垂、旁瓣回波的特征。雷達距離龍卷發生地超過100 km，未識別出龍卷渦旋特征，但速度圖上存在明顯的氣旋式輻合區。

（3）此次龍卷天氣過程與3 個超級單體風暴相關，主要由F0 風暴單體造成的。龍卷發生前基于單體的垂直累積液態水有明顯的躍增，在龍卷維持中回波頂高、最大反射率因子及其高度都非常大。