2021, Vol. 37
2. 湖南宜通华盛科技有限公司, 湖南 长沙 410000;
3. 相控阵阵列天气雷达联合实验室，上海 200030;
4. 上海市崇明区气象局，上海 202150;
5. 上海气象信息与技术支持中心，上海 200030
2. Hunan Eastone Washon Technology Co., Ltd., Changsha 410000, China;
3. Joint Laboratory of Phased Array Weather Radar, Shanghai Meteorological Service and Hunan Eastone Washon Technology Co., Ltd., Shanghai 200030, China;
4. Meteorological Bureau of Chongming District, Shanghai 202150, China;
5. Shanghai Meteorological Information and Technical Support Center, Shanghai 200030, China
龙卷是大气中最强烈的涡旋现象，是一种范围很小但风力极大的强风涡旋，一般表现为从雷雨云底伸向地面或水面的“漏斗”云，其最强风速可以超过140 m/s[1]。中国的龙卷往往发生在台风外围[2-3]、高空冷涡[4]或梅雨锋[5]等天气背景下，一些强龙卷往往出现在高对流有效位能和强低层垂直风切变的环境中[6]，与国外类似[7-9]。导致龙卷的对流系统包括标准超级单体风暴[10-17]、台风外围螺旋雨带上的微型超级单体[2, 18-21]和强降水带上的强降水型超级单体等[6, 22-24]，也有部分龙卷出现在中尺度对流系统(MCS)的弓形回波上[25-26]。
一些研究[27-29] 将龙卷分为中气旋(mesocyclone)龙卷和非中气旋龙卷两大类。中气旋龙卷的母体包括孤立超级单体、线状对流上的超级单体、较小尺度的“迷你”超级单体[30]。非中气旋龙卷分为两类，第一类出现在飑线或者弓形回波前部的γ中尺度涡旋(mesovortex)内，该γ中尺度涡旋形成机制与超级单体中气旋不同[31]。Weisman等[32]认为线状对流线端涡旋(直径5~10 km)是环境水平涡度被进入风暴的上升运动与相邻弓形回波部分下沉气流共同作用下倾斜而形成的，但是当线端涡旋尺度达到数十公里时，其涡度则来源于沿阵风锋水平浮力梯度产生的横向水平涡度被对流系统尺度上升气流垂直倾斜形成的。第二类非中气旋或非超级单体龙卷往往来源于较小或较弱的涡旋，这些涡旋通常出现在准静止或者移动缓慢的地面辐合切变线上，这类龙卷通常较弱，以EF0为主、少数可达EF1级。郑艳等[16]和王秀明等[33]对海南文昌的一次由β中尺度海风锋辐合线和雷暴外流边界触发的超级单体龙卷进行了研究，王秀明等[33]发现当低层初始涡旋与其上方深厚且强烈的上升气流叠置时，拉伸作用加强了垂直涡度致龙卷形成，虽该龙卷母体具有超级单体龙卷特征(6~9 km高度有强中气旋)，但因龙卷涡旋不是由中高层中气旋加强下降形成，而是由低层涡旋在强上升气流中拉伸收缩形成的，因此认为其形成过程更接近非中气旋龙卷，并进一步探讨了中层强中气旋为低层涡旋拉伸形成强龙卷提供持续上升气流的可能机制。
针对龙卷形成机制，Lemon等[34]给出了经典超级单体龙卷生成的三维概念模型，超级单体龙卷往往形成在上升运动(中气旋)与后侧下沉气流之间。基于之前的研究，Markowski等[9]进一步对龙卷形成的机理进行了综述和探讨，特别对垂直涡度的来源进行了分类，一类是在具有较大的垂直风切变环境中，其中一种是水平涡管仅仅被上升运动抬升倾斜就有可能在中层形成垂直涡度，第二种是在下沉运动和上升运动的共同作用下，水平涡管在近地面附近就有可能转换成垂直涡管[35]；另外一类是大气环境中在近地面原来就存在垂直涡管，通过水平辐合和上升运动的拉伸下，垂直涡管进一步拉伸加强[36]。在辐合切变线上生成的第二种非超级单体龙卷，就是由于瞬变涡旋遇到积雨云或浓积云中上升气流垂直拉伸涡度加强而形成龙卷[9, 33, 37]。上述几种方式都可能是龙卷形成的涡度来源。
中气旋是雷达气象学的一个概念，一般指多普勒天气雷达径向速度上直径2~10 km风暴尺度的旋转特征，满足有关切变、垂直伸展厚度和持续时间的特定标准。但由于其定义是在S波段多普勒天气雷达观测基础上建立的，对更小尺度的涡旋只能用龙卷涡旋特征(TVS)来识别[38]。当雷达波束宽度大于或等于龙卷风的涡核时，TVS仅仅是多普勒雷达扫描到的龙卷胚胎或完全发展龙卷的“低分辨”图像；当龙卷靠近雷达时可能会被多个雷达波束探测到，从而获取类似中气旋的“龙卷涡旋特征”，而非TVS[39]。Trapp等[40]将TVS分成两种模态：模态I为下降型TVS，龙卷形成于“环境”(如中气旋)垂直涡度和/或径向辐合在高空更强时(近地面环境垂直涡度不为零)，中气旋垂直涡度增强为空中的龙卷涡旋，并通过“动态管道效应”(DPE)[41]继续向下发展到达地面[40]。DPE可提供水平辐合来增大在更低高度上的垂直涡度，在多普勒雷达上表现为下降TVS或典型的TVS。模态II为非下降TVS，出现在环境垂直涡度和水平辐合度随高度变化不大或环境垂直涡度在近地面最大并随高度减小时[40]，水平辐合会导致近地垂直涡度加大，在低层观测到TVS。Trapp等[36]发现52%的TVS是从中层(2~7 km)向下发展到达地面的，而48%是从近地面出现并向上生长的、或几乎同时出现在2~3 km厚度上(最大TVS出现在1 km或更低的高度上)。
针对龙卷母体雷暴的尺度，一些研究[30, 42-45]发现很多在水平和垂直方向上均远小于典型超级单体的“迷你”(或微型)单体也具有相同的属性，包括钩状回波、弱回波区(WER)、有界弱回波区(BWER)和中气旋等，本质而言这些风暴是经典超级单体的微型版本，有较低的回波顶高，被称为“迷你超级单体”或“低顶超级单体”。迷你超级单体也可以产生类似于典型超级龙卷的龙卷风，大多数龙卷风强度为弱到中度(EF0~EF2)，少量达到EF3级。类似于典型超级单体，龙卷的形成与低层气旋式辐合、相对暖一些的后侧下沉气流和斜压条件导致水平涡管斜升入上升运动等有关。另外，“迷你”超级单体中的龙卷形成还与中气旋的下沉、低层最大切变速度、中气旋内切变增大等有关。由于“迷你”超级单体及其伴随的“中气旋”水平尺度小、发展高度低，常规业务雷达(S波段) 不能探测到其精细结构，识别出的中气旋的径向速度可能低于实际值，产生龙卷的中气旋往往被确定为弱或者中等强度的，甚至被业务雷达所遗漏。针对尺度小的龙卷，新的探测手段如X波段双偏振多普勒天气雷达可以捕捉到龙卷碎片特征TDS[3]，傅佩玲等[46]用X波段双偏振相控阵雷达对一次台风外围螺旋雨带上微型超级单体的EF2级龙卷过程进行了分析。总体而言，中国“迷你”或“微型”超级单体龙卷(下文“迷你”超级单体统一为“微型”超级单体)的研究并不多见，限制了对这类龙卷结构特征和形成机理的认识。
在上海地区，近70年来龙卷总体呈现减少的趋势，1954—1990年上海的龙卷年平均日数达2.4天，龙卷与锋面相关的占55.1%，其中静止锋占23.6%[47]，1991—2000年和2001—2005年龙卷年均日数分别减少到1.2天和1.8天[48]，2005年以来上海地区龙卷更为少见。另外，1954—2000年上海地区55.6% 的龙卷为F0和F1级，F4级占4.4%[48]。2020年7月6日，长江口的江苏太仓浏河和上海崇明港沿镇、向化镇和陈家镇出现了多个EF0~EF1级龙卷。龙卷致崇明部分地区房屋受损、树木和田间作物倒伏。该次长江口区的系列龙卷过程发生在梅雨季中，其环境背景主要特征有哪些？静止锋上伴有涡状对流的中尺度对流系统是如何产生的？“微型”超级单体及其伴随龙卷的结构特征是怎样的？龙卷的演变过程和关键形成机制有哪些？本文对该次过程的天气背景、近风暴环境和中尺度对流系统的演变进行了分析，重点选用上海X波段相控阵天气雷达对陈家镇龙卷的发生、发展、演变过程、超级单体结构进行了研究，并探讨了龙卷形成的可能原因；最后针对该次过程，建立了龙卷在中尺度涡旋上的位置分布及龙卷涡旋形成的概念模型，并对如何进一步认识更小尺度的“微型”超级单体的结构特征和形成机理进行了讨论。
2 过程简介与灾情调查2020年7月6日，受到静止锋上中尺度涡旋发展产生的中尺度对流系统影响，长江口地区出现了短时强降水、雷雨大风，崇明长江农场雨强达138.5 mm/(6 h)，崇启大桥沪苏收费站雨强达131.8 mm/(6 h)，阵风方面，阵风堡镇风速最大值为25.3 m/s，沥江生态园风速最大值为21.3 m/s，分别在江苏太仓浏河和上海崇明港沿镇(图 1a~1d，见下页)、向化镇和陈家镇(图 1e~1f)有多个龙卷目击报告，其中港沿镇龙卷是崇明首个有清晰影像记录资料的龙卷(图 1b)。视频分析和灾情调查表明：龙卷漏斗涡旋呈倒三角状，地面明显致灾踪迹的水平尺度在10~15 m。10:26—10:56(北京时间，下同)间，龙卷致崇明部分地区房屋受损、树木和田间作物倒伏，陈家镇裕西村一住户辅房坍塌(图 1f)，致一人受伤。现场调查结合雷达资料分析，崇明港沿镇龙卷主要发生在10:26—10:32间，路径长度约1.4 km(图 1a)，陈家镇龙卷发生在10:38—10:56间，从八滧村经陈西村和晨光村到裕西村等一线，路径长度约8.0 km(图 1e)。经目击报告、现场灾情调查和多源资料等综合分析，崇明三个龙卷为EF0~EF1级。
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图 1 2020年7月6日上海崇明港沿镇和陈家镇龙卷路径、龙卷目击视频(崇明港沿镇石材店庄志强拍摄)和灾情等 a. 港沿镇龙卷路径；b. 漏斗云视频抓屏(来自网络，已在现场与发布者确认)；c~d. 港沿镇龙卷灾情；e~f. 陈家镇龙卷路径和灾情。 |
采用常规天气资料、南汇WSR-88D双偏振天气雷达和青浦CINRAD多普勒天气雷达对龙卷发生的天气背景、近风暴环境和中尺度对流系统的演变进行了分析，选用上海X波段相控阵天气雷达网(图 2)的崇明陈家镇ETWS-X01(单偏振有源)相控阵数字多波束子阵雷达对陈家镇龙卷的发生、发展、演变过程、母体超级单体结构进行了分析。
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图 2 上海相控阵阵列天气雷达网分布图 |
随着相控阵雷达技术的发展[49-50]，高分辨相控阵雷达资料[51]被用于各类强天气的监测分析中，在风场反演中也展现了时空一致性更强的优势[52]。傅佩玲等[46]用高时空分辨率的X波段相控阵雷达资料揭示了龙卷涡旋演变特征，探测到清晰的龙卷弱回波眼区，弥补了常规天气雷达观测的不足。ETWS-X01子阵雷达为宜通华盛相控阵数字多波束雷达[50, 52-54]，表 1给出了其部分技术参数，如30 s观测更新、30 m距离库和1.6 °波宽，仰角覆盖0 °~90 °，探测距离45 km，相对于常规S波段业务雷达(如WSR-88D和CINRAD)6分钟的观测频次、最高为19.5 °的9个扫描仰角和250 m的距离库长度，该相控阵雷达可以获得更广的覆盖仰角和更高的时、空分辨精度，对尺度小、变化快的近距离对流系统监测优势显著。
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表 1 上海相控阵阵列天气雷达子阵的相关技术指标 |
2020年7月6日长江口系列龙卷过程发生在梅雨期间，08:00天气形势综合分析显示长三角地区位于200 hPa高空分流区、500 hPa东移西风槽前(图 3a)，高空的辐散和高空槽前的正涡度平流使得该地区存在系统性的上升运动，低空700~ 925 hPa低层均存在来自江南北部的西南风急流，与长江以北的西北气流形成明显的风向切变和强的风速辐合；长江中下游地区维持了一条西南西-东北东方向的静止锋，静止锋上有一低压中心位于苏南常州附近。高空槽前的涡度平流配合低层风速和风向的切变，以及700 hPa上江淮地区有干空气向长江中下游地区扩散，为静止锋上的中尺度对流系统发展提供了环境条件。
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图 3 2020年7月6日08:00天气形势综合分析图(a，包括500 hPa等高线和槽线，850 hPa填图，200 hPa、500 hPa、700 hPa和850 hPa的急流(分别为紫色、蓝色、褐色和红色线)，700 hPa干线(黄色加短标曲线)、地面锋面等)和09:36华东雷达拼图(b) |
当日09:36的华东雷达拼图(反射率因子，图 3b)显示湖北、安徽南部、江苏南部、浙江北部到上海为带状的静止锋雨带，在江苏南部到上海北部一带有逗点状中尺度对流系统正在发展，该中尺度对流系统就是导致长江口系列龙卷的对流系统。
4.2 龙卷潜势上海地区23.6%的龙卷日出现在梅雨期[47]，曾明剑等[5]发现梅雨期江淮地区龙卷易发生于潮湿不稳定的大气环境中。7月6日08:00宝山探空显示(图 4a)长江口区对流有效位能为277 J/kg，抬升凝结高度(LCL)接近地面，均为龙卷发生提供了较好的潜势条件。垂直风切变是深厚对流发展的关键因素[55-56]，强的低层垂直风切变为龙卷的产生提供了涡度来源[6-8]，宝山探空0~1 km低层风矢量差达12 m/s(垂直风切变12 ×10-3 s-1)，也是龙卷潜势的重要条件之一。在梅雨期，曾明剑等[5]发现龙卷发生前伴随有气旋性涡度的强烈发展，尤以中低层气旋性涡度发展较为显著，边界层内强的垂直风切变对气旋性涡度的迅速增强具有重要作用。另外，风暴相对螺旋度(storm relative helicity，SRH)表征了垂直风切变产生的水平涡度多大程度上能够沿着风暴流入方向进入风暴内部并转换成垂直涡度的能力[57-60]，常被用于判断中气旋和龙卷的潜势，美国强风暴实验室(NSSL)用0~3 km风暴相对螺旋度定义龙卷等级，150~299 m2/s2为弱龙卷、150~449 m2/s2为强龙卷和大于450 m2/s2为极强龙卷[61]。08:00宝山探空显示0~3 km风暴相对螺旋度(SRH)为78.3 m2/s2，低于美国弱龙卷的标准，甚至低于上海地区强对流过程的阈值90 m2/s2[59]。
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图 4 2020年7月6日08:00宝山探空分析图(a)和采用陈家镇相控阵子阵雷达垂直风反演产品(VWP)修订后的宝山探空分析图(b)；陈家镇子阵雷达获取的10:33—10:53的VWP水平风垂直分布时间序列图(c) |
崇明陈家镇相控阵子阵雷达反演的垂直风廓线(VWP)监测到陈家镇龙卷发生前后0~2 km高度上水平风的变化(图 4c)，10:41龙卷发生前后0~ 1 km间的风矢量差达21.5 m/s，低层垂直风切变显著加强，从而更加有利于水平涡管的形成与加强。当采用相控阵雷达VWP产品订正08:00宝山探空后(图 4b)，0~1 km垂直风切变从12×10-3 s-1增加到21.5 ×10-3 s-1，远远高于周后福等[13]用雷达反演VWP风场获取的江淮地区龙卷近风暴环境的0~1 km垂直风切变(6×10-3~12 ×10-3 s-1)，也远高于国内外其他地区龙卷过程[4, 7, 26, 62] (11×10-3~15 ×10-3 s-1)。另外，订正后0~3 km风暴相对螺旋度从08:00的78.3 m2/s2显著增大到10:41的448.9 m2/s2，龙卷发生前后接近极强龙卷环境[61]。鉴于本次过程中龙卷母体单体的35 dBZ以上的强回波区高度低于4 km，近风暴环境的0~1 km和0~2 km高度上的风暴相对螺旋度也分别达到了139.2 m2/s2和341.8 m2/s2，可见，相对于08:00，当中尺度涡旋靠近时，环境风垂直切变明显加大，其产生的水平涡度可能因上升运动沿风暴入流方向进入风暴内部并转换垂直涡度的能力也显著增大[59-61, 63]。
5 龙卷过程演变 5.1 中尺度对流系统青浦雷达图监测到了中尺度对流系统的发生发展过程。在07:30前后，随着低空急流的加强和干空气的卷入，静止锋回波带上、无锡附近有一对流云团不断发展，径向辐合不断加强(图略)；08: 23前后在2.4 km高度上有中气旋出现并分别向上、向下发展，对流单体逐渐演变成为一个超级单体，08:40前后中气旋已经在最低仰角上出现(图 5a、图 5i)，其直径在6~8 km，在此过程中其后侧下沉运动(RFD)不断发展，超级单体继续加强、演变成为一弓状回波(bow echo)(图 5b)并伴有中层径向辐合(MARC)(图 5j)。另外，随着西北方向的干冷空气进一步卷入，弓状回波北端的中尺度涡旋不断发展(图 5b)，涡旋状回波开始出现空心结构(图 5c)，而原来的中气旋直径从6~8 km迅速减小到09:38前后的3~4 km(图略)，并在09:44前后在径向速度图上出现龙卷涡旋特征(TVS)(图 5k)，导致江苏太仓浏河中燕村附近出现龙卷(网上报道和私人通讯)。
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图 5 青浦雷达2020年7月6日08:41(a, i)、09:15(b, j)、09:44(c, k)、10:01(d, l)、10:12(e, m)、10:23(f, n)、10:40(g，o)及10:51 (h, p)的0.5 °仰角的反射率因子(a~h)和径向速度(i~p) 其中09:44、10:23和10:40反射率因子图上“T1”、“T2”、“T3”和“T4”标记分别对应江苏太仓浏河中燕村及上海崇明港沿镇、陈家镇和向化镇龙卷目击报告位置。 |
弓状回波北部的中尺度涡旋出现后，逐渐形成为一个“逗点状”对流系统，北部的中尺度涡旋自西向东从江苏太仓进入长江江面后，其中心出现了一个直径为8~10 km的“空心”弱回波区(图 5d~5h)，表明干空气已卷入涡旋中心。伴随该“空心”弱回波区的径向速度则出现了一个直径在15~ 20 km的γ中尺度涡旋[31]，最后，该中尺度涡旋擦过崇明岛东部进入长江口东部江面。另外，该“逗点状”对流系统南部的弓状回波向东到东南方向影响了上海大部地区，导致大范围的短时强降水和直线大风。
5.2 系列龙卷“逗点状”对流系统北端的γ中尺度涡旋(图 5d~5h为反射率因子、图 5l~5p为径向速度)所经过的太仓浏河和崇明港沿镇、向化镇、陈家镇出现了多次龙卷目击报告，这些目击地点和对应时间均表明与该中尺度涡旋关联。其中，浏河龙卷发生在该中尺度涡旋中心附近具有中气旋的超级单体上，青浦CINRAD雷达在其出现的09:45前后监测到TVS(图 5k)。发生在崇明港沿镇和陈家镇的龙卷却出现在中尺度涡旋的东北象限上，分别发生在10:30(图 5f之后)和10:40前后(图 5g)。
图 6为南汇WSR-88D双偏振多普勒天气雷达0.5 °仰角的10:27反射率因子(港沿镇龙卷发生前后)和10:39(陈家镇龙卷发生前后)的反射率因子、径向速度、谱宽、Zdr、Kdp和CC。其中，白色“T1”、“T2”、“T3”和“T4”分别对应江苏太仓浏河和上海崇明港沿镇、陈家镇和向化镇龙卷目击报告位置，图 6a中的黑色虚线+箭头为中尺度涡旋中心的移动轨迹示意。崇明陈家镇龙卷发生前后(10:39)的南汇WSR-88D双偏振多普勒天气雷达图上，发现该龙卷(“T3”标记)目击点附近有强反射率(图 6b)、高SW、Zdr、Kdp和较低的CC(图 6c~6g)等特征。
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图 6 2020年7月6日产生系列龙卷的“逗点状”对流系统所对应的南汇双偏振雷达0.5 °仰角产品 a. 10:27反射率因子(港沿镇龙卷发生前后)；b~g. 10:39(陈家镇龙卷发生前后)的反射率因子、径向速度、谱宽、Zdr(差分反射率)、φdp(差与相移率)和CC(相关系数)。其中，白色“T1”、“T2”、“T3”和“T4”分别对应江苏太仓浏河和上海崇明港沿镇、向化镇和陈家镇龙卷目击报告位置，黑色虚线+箭头为中尺度涡旋中心的移动轨迹示意。 |
图 7为2020年7月6日10:41上海南汇WSR- 88D多普勒天气雷达0.5 °仰角的反射率因子(图 7a)和径向速度(图 7c)与上海陈家镇ETWS-X01相控阵雷达子阵探测到对应时刻的5.6 °仰角的反射率因子(图 7b)和径向速度(图 7d)。左侧图里褐色方框包含的区域与右侧图包含的区域对应。可见，陈家镇龙卷发生在中尺度涡旋中心的东北一侧、降水回波的后缘(图 7a)，即涡旋中心附近来自涡旋西北侧的干空气卷入涡旋中心时与涡旋东侧东南急流相遇的位置，类似于锢囚锋的形成过程。这个γ中尺度涡旋直径在15~20 km(图 7c)，比中气旋(2~10 km)大[31]。另外，相控阵雷达可以清晰地识别出龙卷涡旋中心的龙卷空洞、强正负速度对等典型龙卷标记特征(图 7b和图 7d中黑色和红色点划圆圈)。由于陈家镇龙卷距离陈家镇相控阵雷达子阵的距离在3~6 km，其切向分辨率也可以达到80~160 m(1.6 °的波瓣宽度)。因此，该次过程中，相控阵雷达凭借其高时空分辨率可获取更多(30 s更新)、更精细(切向80~160 m、径向30 m分辨率)的信息，具备了捕捉更低高度、更小尺度对流单体精细结构的能力。
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图 7 2020年7月6日10:41上海南汇WSR-88D多普勒天气雷达0.5 °仰角的反射率因子(a)和径向速度(c)；上海陈家镇ETWS-X01相控阵雷达子阵探测到对应时刻的5.6 °仰角的反射率因子(b)和径向速度(d) a、c图里褐色方框包含的区域与b、d图包含的区域对应，黑色和红色点划圆圈分别标记了微型超级单体钩状回波及对应的空洞回波(b)和小尺度涡旋速度对(d)的区域。 |
ETWS-X01崇明陈家镇子阵雷达对陈家镇龙卷的形成过程进行了间隔30 s的观测，图 8为该龙卷和母体超级单体10:36—10:45逐分钟的1.4 °仰角反射率因子图(左侧两列)和径向速度产品图(右侧两列)。10:42前后陈家镇龙卷最近时距该子阵雷达仅2.7 km(图 8m和图 8o)。形成龙卷的母体超级单体类似标准龙卷超级单体，但其水平尺度在4~7 km(35 dBZ顶高低于4 km)，均远小于后者，也远小于国外的迷你超级单体相关报道[30, 42]。另外，其钩状回波的长度达3 km左右，相对母体尺度，钩状回波的比例(图 8a和图 8b)远大于标准超级单体。龙卷涡旋形成初期距母体超级单体约3 km(图 8d和图 8g)，水平涡管从地面随着西南急流向东北方向倾斜与母体超级单体相连(图 8b和图 8e)，随着不断加强发展，龙卷逐渐向母体超级单体靠近(图 8f和图 8i)，最后合并在一起(图 8m和图 8n)。
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图 8 上海相控阵雷达网陈家镇子阵雷达探测到的陈家镇龙卷1分钟间隔的演变图(10:36—10:45)：1.4 °仰角的反射率因子(a~b，e~f，i~j，m~n和q~r)和径向速度产品图(c~d，g~h，k~l，o~p和s~t) 图中白(蓝)色箭头所指为指状(钩状)回波的位置，径向速度图上的红色点划圆圈中心为小尺度涡旋的速度对。图 8r中给出了5 km的距离标尺。 |
在涡旋靠近母体的过程中，一个类似超级单体中气旋特征的正负“速度对”在发展，其强度不断加强(图 8g~8h、图 8k~8l和图 8o~8p)。与传统的中气旋(mesocyclone)类似，该速度对与反射率因子上的指状和钩状回波位置一致，随着钩状回波的出现，速度对明显加强。显然，按照图 8r中给出的0~5 km的距离标尺，整个所谓的“微型”超级单体水平尺度为4~7 km，用于标识该“微型”超级单体旋转上升运动区的速度对或“微型”中气旋的水平尺度也远远小于标准中气旋2~10 km直径范围。
5.3.3 龙卷涡旋结构与演变针对产生龙卷的陈家镇“微型”超级单体，用陈家镇子阵雷达对该“微型中气旋”在发生、发展初期和中期阶段(10:34—10:53)进行了结构分析，图 9显示了与“微型”中气旋有关的径向速度“速度对”在不同仰角(0.0 °~23.9 °)上的旋转速度(图 9a)、涡旋核区直径(图 9b)和水平风切变(图 9c)的演变情况。
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图 9 陈家镇龙卷发生中前期(10:34—10:53)不同仰角(0.0 °~23.91 °)上的旋转速度(a，单位m/s)、涡旋直径(b，单位m)、水平风切变值(c，单位: 10-3 s-1)10:34开始速度对距离雷达站约8.5 km，之后逐渐靠近，10:40—10:53期间距离雷达站4~6 km。 |
这里的“速度对”，是指一对涡旋所对应的最大流出(流入)速度，值得注意的是，在单体移动较快的某些时刻，最大流出(流入)速度可能会接近0 m/s，甚至出现符号相反的情形。按照兰金组合涡旋模型，这里涡旋核区直径简单取速度对上最大流出、最大流入速度间的距离，旋转速度为最大流出速度和最大流入速度之差的二分之一，而水平风切变为最大流出速度与最大流入速度之差除以核区的直径。按照单体距离的远近，S波段WSR-88D多普勒天气雷达的中气旋算法识别的最低旋转速度为19.0~22.5 m/s，龙卷涡旋特征TVS识别的阈值为水平风切变值(下文简称切变值)超过20×10-3 s-1。
10:34前后在低仰角上(高度250~600 m)，陈家镇龙卷母体单体开始出现表征涡旋的径向速度速度对(图 9a)，旋转速度到达18 m/s以上(黄色色标)的区域出现在仰角(4~5 °)上，期间的部分层次的旋转速度达到20~23 m/s，核区直径在800~ 2 000 m(图 9b)，对应的切变值为20×10-3~40×10-3 s-1之间(图 9c)，达到TVS的定义阈值，可见涡旋先从低层开始出现。10:37涡旋速度对继续向上发展，10:37:30达到15.47°仰角(对应位置高度约1 500 m)，半分钟后低层0~500 m高度的涡旋直径减小到400~600 m，表征旋转强度的切变值升高到50×10-3~75 ×10-3 s-1，远超过TVS的阈值20× 10-3 s-1，涡旋从低层开始向上发展了。
10:39—10:40涡旋最高达到23.91 °仰角(对应位置高度约2 000 m)，地面到600 m高度间的部分旋转速度达到了23~26 m/s(图 9a)，涡旋核区直径稳定在500~700 m(图 9b)，切变值达60×10-3~ 80 ×10-3 s-1(图 9c)。明显的变化出现在10:40以后的2~3分钟里，尽管涡旋顶高略有下降，但是地面到1 500 m高度间的旋转速度维持在21.0~26.5 m/s，涡旋尺度收缩到400~600 m且向上伸展到了1 500 m高度，短时间达到2 000 m高度(10:41: 30)，涡旋切变加强到80×10-3 ~120×10-3 s-1。这期间，表明涡旋区有明显的拉伸发展，指状回波已经快速收缩演变成钩状回波，且出现了涡旋空洞(图 7b、图 8j和图 8m)。
相对于10:36—10:42(图 8)钩状回波不断向微型超级单体主体靠近并收拢，10:43开始，钩状回波几乎与主体部分合并(图 8n)。尽管此时涡旋的旋转速度逐渐减小到20 m/s以下、顶高也短暂降到1 300 m高度以下(图 9a)，但是值得注意的是，涡旋核区直径始终维持在300~500 m(图 9b)，持续旋转的涡旋伴随着超级单体继续向东北方向移动，切变值略有降低。紧接着，10:44收缩后的涡旋又开始拉伸，最高高度回到2 000 m左右，而涡旋上部的核区直径突然收缩变小，仅仅为120~ 300 m，切变值超过150×10-3 s-1(图 9c)，最大甚至达到300×10-3 s-1以上。
10:46，收缩后的涡旋开始快速向下传播，其中近地面的涡旋核区直径仅仅为200 m左右(图 9b)，切变值达到了150×10-3 s-1(图 9c)。这次收缩后的涡旋向下伸展接地，龙卷涡旋结构更为清晰。之后，尽管旋转速度从10:44之前的普遍在20 m/s以上，转变成仅有几个层次超过20 m/s，但由于涡旋核区直径较之前明显下降达到80~200 m，对应的切变值还是较10:44之前明显升高，普遍超过200×10-3 s-1(图 9c)，达到极高的水平。该微型超级单体继续向北偏东方向移动，龙卷导致3分钟后(10:49前后)裕西村辅房倒塌。最后，10:56以后遇弓形回波西侧冷空气后，龙卷速度对特征逐渐消失(图略)。
总体而言，该微型超级单体水平和垂直尺度均远小于其他文献里提及的迷你或微型超级单体，其类似超级单体“中气旋”的涡旋尺度一般在200~2 000 m，属于小尺度涡旋，明显小于由S波段雷达观测到的“迷你”超级单体平均2 km左右的中气旋直径[42]，最大径向速度所在高度仅仅达到500~1 000 m，远低于其他一些迷你超级单体的3.0~4.5 km[42]。
6 龙卷成因分析与概念模型从环境条件综合分析表明，本次系列龙卷过程发生发展于静止锋上形成的具有弓状结构的“逗点”状中尺度对流系统上，极低的抬升凝结高度和极强的低层垂直风切变为龙卷形成提供了环境条件。当“逗点状”对流系统北部的涡旋明显发展时，来自西北、偏西和西南方向的干空气下沉并卷入其中，西南(相对)干急流汇入并加强了东南急流，激发了“微型”超级单体。
6.1 “大涡”套“小涡”的分布模型本次过程的龙卷类似第一类非中气旋龙卷，出现弓形回波北部的γ中尺度涡旋(mesovortex) 中[31]。根据该次过程中各个龙卷的位置分布，图 10为中尺度涡旋上系列龙卷母体“微型”超级单体(LH-浏河，GYZ-港沿镇，CJZ-陈家镇)在具有空洞涡旋和弓形回波组成的中尺度对流系统上的位置分布，褐色箭头代表超级单体的移动方向。太仓浏河龙卷位于中气旋涡旋中心附近、崇明港沿镇和崇明陈家镇龙卷则位于中尺度涡旋空心区边缘东北象限上更小尺度的微型超级单体里，整体上表现为大涡旋中有小涡旋、大超级单体中有“微型”超级单体的组织特征。一些研究表明，有时单个小尺度的涡旋可能来源于两级涡旋的多涡结构，在大的涡旋上有多个更小尺度的次级涡旋因圆柱切变不稳定而形成[64]。
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图 10 本次过程γ中尺度涡旋上系列龙卷分布概念模型示意图 褐色箭头代表超级单体的移动方向 LH-江苏太仓浏河，GYZ-上海崇明港沿镇，CJZ-上海崇明陈家镇。 |
另外，相对于自西向东移动的γ中尺度涡旋及伴随其一起东移的太仓浏河龙卷母体超级单体，港沿镇龙卷路径(图 1a)为自南向北，最后在跃马村出现了回旋后减弱，陈家镇龙卷自八滧村向东北偏东方向移动(图 1e)，均与该γ中尺度涡旋自西向东的移动路径明显不同。
6.2 指状回波收缩演变成钩状回波指状回波是超级单体的主要特征之一[65-66]。结合天气背景和地面观测(图略)分析，图 11a给出了陈家镇“微型”超级单体发展过程中，后侧入流干急流(蓝色点流线)和东南暖湿急流(褐色点流线)汇合加强并形成气旋性弯曲的示意图，该东南急流被超级单体阻挡，呈现气旋式的旋转汇入超级单体指状回波区域，加强了指状回波向钩状回波的发展演变，也是龙卷涡旋形成过程的主要涡度来源之一。另一方面，不断增强的东南急流还加强了超级单体的上升运动。按照图 8反射率因子图显示，陈家镇龙卷母体上指状回波不断向母体主体部分靠近，逐渐演变成钩状，图 11b刻画了陈家镇龙卷母体微型超级单体上指状回波“收缩”演变成钩状的类似“吹吹卷”效应的示意图。
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图 11 陈家镇龙卷形成的概念模型图 a. 微型超级单体发展加强过程中，后侧入流干急流(蓝色点流线)和东南暖湿急流(褐色点流线)汇合加强并形成气旋性弯曲；b. 指状回波“收缩”演变成钩状回波、龙卷涡旋形成的过程，类似“吹吹卷”效应的示意图。 |
对2020年7月6日长江口系列龙卷的天气背景、中尺度系统和近风暴环境进行了分析，用相控阵雷达高时空分辨率资料对其中陈家镇龙卷的形成过程和母体超级单体结构进行了研究。过程发生在梅雨期高空强辐散区、中低层西南风急流的强风速辐合及其与西北气流形成的强切变背景下，静止锋上发展形成了具有“逗点状”和弓形回波特征的中尺度对流系统(MCS)，极低的抬升凝结高度和极强的低层垂直风切变为龙卷形成提供了环境条件；随着干空气卷入，“逗点状”对流系统北部涡旋明显发展，西南干急流与东南湿急流激发形成微型超级单体，0~1 km低层垂直风切变显著加强。
用高分辨率(30 m距离库、30秒体扫描)的ETWS-X01相控阵阵列天气雷达对陈家镇龙卷的发生、发展过程及母体超级单体结构进行了分析。该龙卷位于中尺度涡旋东北象限上更小的微型超级单体中，最近距雷达不足3 km；其母体超级单体形似标准超级单体，但其水平尺度仅4~7 km、强度35 dBZ以上的回波顶高低于4 km；龙卷涡旋具有反射率空洞、强正负速度对、高谱宽等典型龙卷标记特征。龙卷涡旋形成初期距母体超级单体约3 km，随着西南急流加强，水平涡管从地面向东北方向倾斜与母体超级单体相连，龙卷涡旋逐渐向母体超级单体靠近，并合并在一起，期间，龙卷涡旋不断加强。正、负径向速度对结构及其演变过程揭示涡旋源于近地面，发展后其高度最高达到2.0 km；龙卷接地前2~3分钟，收缩拉伸的龙卷涡旋又呈现出从上向下接地的过程，并进一步导致之后3分钟裕西村辅房倒塌灾情。相控阵雷达观测到龙卷发生前后0~1 km低层垂直风切变显著加强，更有利于水平涡管的形成与加强，一旦遇到上升运动和下沉运动，就可能导致涡管的拉伸与加强。
针对该次过程，建立了中尺度涡旋上系列龙卷位置分布的概念模型，整体上表现为大涡旋中有小涡旋、大超级单体中有“微型”超级单体的组织特征，与Kennedy等[30]研究类似；针对陈家镇龙卷的微型超级单体形成发展过程，建立了后侧入流干急流和东南暖湿急流汇合加强并形成气旋性弯曲及指状回波“收缩”演变成钩状的“吹吹卷”效应等超级单体加强和龙卷形成的概念模型。
根据陈家镇龙卷及其母体微型超级单体的结构特征和演变情况，是否可以进行如下的推理：指状回波包围区域内加强了的上升运动与指状回波外围(西南侧)的下沉运动分别作用于低空垂直风切变形成的水平涡管上，使得指状回波区的水平涡管转为倾斜向上，并在此后的上升运动中不断拉伸，涡度迅速加大，导致了龙卷涡旋的发展。因此，低层垂直风切变形成的水平涡管被后侧入流的下沉运动和前侧入流的上升运动共同作用，逐渐转为垂直涡管，最终拉伸形成了龙卷[31]。如果从10:44之后的收缩后涡旋向下传播的演变情况而言，又具备类似TVS从上向下传播的特征[40]。因此，对该低矮、微型超级单体的龙卷形成机制还有待于进一步深入研究。
本次天气过程的中尺度对流系统北部涡旋中出现了系列龙卷，南侧的弓状回波产生了大范围的直线大风。龙卷的母体单体水平尺度小(4~7 km)、高度低(35 dBZ回波顶高低于4 km)、生命史短(不足30分钟，龙卷出现时间不到15分钟)，在S波段常规业务雷达上不能分辨其结构特征、更无法通过径向速度对识别其涡旋特征。如果仅仅依据S波段多普勒天气雷达的观测而言，本次过程的龙卷发生在弓形回波γ中尺度涡旋(mesovortex)内，可以被认为属于非中气旋龙卷的一种[31]。借助高时空分辨相控阵雷达近距离的观测，却发现该龙卷母体风暴具备超级单体的一些典型特征，如指状回波向钩状回波的演变、“微型”中气旋的速度对、龙卷涡旋空洞等，为进一步认识龙卷的类型、揭示龙卷形成机理提供了好的研究素材。因此，相控阵雷达的覆盖仰角广、时空分辨精度高，对尺度小、变化快的近距离对流系统监测优势显著，针对这类中尺度对流系统上龙卷的监测分析中，多波段雷达的协同与互补取得了明显效益。
该微型超级单体尺度也远小于其他文献里提及的迷你或微型超级单体，其“中气旋”尺度一般在200~2 000 m，明显小于由S波段雷达观测到的“迷你”超级单体平均2 km左右的中气旋直径[42]，最大径向速度所在高度仅仅达到0.5~1.0 km，远低于其他一些迷你超级单体的3.0~4.5 km[42]。因此，本研究更为重要的一个意义是，由于探测精度所限，以前一些被认为是非中气旋龙卷的母体雷暴，并不能排除也和这次陈家镇龙卷一样具有可能被S波段大雷达所忽略的类超级单体特征，也对雷达气象学者提出了新的疑问：所谓的非中气旋龙卷是真的没有中气旋特征吗？如何定义直径小于2 km的小尺度涡旋？显然，它们的形成与发展与龙卷的直接关系还有待于进一步研究探索。
致谢: 感谢崇明港沿镇石材店庄志强拍摄的龙卷视频和现场验证，感谢气象爱好者徐纵横提供的江苏龙卷灾情信息。| [1] |
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