1 引言

龙卷是小概率事件，尺度小、生命史短。近年来随着探测手段提升、灾害调查开展和自媒体发展，更多的龙卷事件被记录，利用多种观测资料分析龙卷发生环境和雷达特征的研究成果迭出。范雯杰等^[1]统计了近50年中国强龙卷灾害分布的时空特征，分析表明我国龙卷高发区域为江淮流域、华南和黄淮流域等地区；王东海等^[2]总结了我国龙卷的发生特征和研究成果，指出长江三角洲至黄淮地区的龙卷多发生于副高边缘的区域性暴雨过程中，而华南地区强龙卷超半数发生在台风外围环流中；郑永光等^[3-4]对我国龙卷研究现状进行了综合性分析；徐芬等^[5]分析了江苏13年间龙卷的发生规律，指出约27%的龙卷发生在台风影响下。

俞小鼎等^[6-9]详细介绍了龙卷等强对流天气的多普勒雷达探测和预警技术；许多针对个例的研究指出龙卷通常发生在强低层垂直风切变和低抬升凝结高度的环境条件下^[10-18]，上述研究对做好龙卷潜势预报具有重要意义。台风影响阶段，水汽充沛、抬升凝结高度低、低层垂直风切变较大，具备产生超级单体或龙卷的条件^{[8-9, 19-25]}。白兰强等^[19]通过调查2006—2018年中国台风龙卷的发生情况，指出约三分之一登陆热带气旋至少生成一个龙卷，多发生在热带气旋临近登陆或登陆后36 h内的午后, 集中于距热带气旋中心500 km范围内；郑媛媛等^[20]提出我国东部沿海地区台风龙卷比例约占龙卷总数的20%，并分析了我国沿海及近海地区10次台风龙卷过程的发生环境特征；黄先香等^[23-25]分析了珠江三角洲地区台风龙卷的活动特征及环境条件，建立了该地区台风龙卷的天气概念模型和预报预警指标，并在2018年成功预警2次台风龙卷。

2018年有多个台风接连登陆并影响华东地区，在黄淮流域引发一系列龙卷事件^{[19, 26-27]}，其中第18号台风“温比亚” 8月18日在江苏徐州引发2个龙卷，8月19日在山东临沂引发1个龙卷。基于雷达特征和灾害调查分析判定山东临沂龙卷为EF3级，江苏徐州的2次龙卷均为EF2级^[26-27]。由于以往黄淮流域台风龙卷样本较少，且台风影响时关注度主要集中于暴雨和持续性大风，有关黄淮流域台风龙卷活动特征和环境条件的相关研究甚少，该地区的台风龙卷研究进展和预报预警工作与珠江三角洲地区存在较大差距。本文使用常规观测资料和ERA5再分析资料（水平分辨率0.25 °×0.25 °，时间间隔1 h），重点诊断分析3次龙卷发生前后的台风结构和环境特征变化规律，旨在研究北上台风减弱过程中龙卷的发生潜势，为台风龙卷的监测预警提供参考。

2 天气实况 2.1 龙卷发生情况

2018年第18号台风“温比亚”于8月17日04: 05（北京时，下同）在上海浦东新区南部沿海登陆，登陆时为热带风暴级，之后穿过江苏、安徽、河南、山东进入渤海。“温比亚” 18日在徐州引发2个龙卷，19日在临沂引发1个龙卷，编号W1的龙卷有视频记录，W2和W3发生在农村且时间更晚，是基于实地灾情调查和天气雷达识别的龙卷事件。结合已发表论文关于这三次龙卷事件的灾害调查和等级评估，发生在徐州的2个龙卷其受灾最重的标识物显示为EF2级，发生在临沂汤头镇贾家官庄村的龙卷为EF3级^[26]。

2.2 天气形势分析

2018年8月18日18:00，500 hPa西太平洋副热带高压（以下简称“副高”）脊线位于35 °N附近，副高呈块状；地面风场上“温比亚”环流中心位于河南驻马店（热带低压级）。受副高边缘南风气流引导，沿北略偏西方向移动，在徐州先后引发龙卷W1和W2，如图中标识，发生地均位于台风中心的东北象限（图 1a）。2018年8月19日19:00，500 hPa副高脊线位于33 °N附近，西风槽进一步东移至华北中部，引导中纬度冷空气与热带气旋登陆后的低压环流相接，地面风场可见“温比亚”中心位于山东菏泽境内（热带低压级），沿北略偏东方向移动，在山东临沂诱发龙卷W3，发生地位于台风中心的东北象限（图 1b）。

三次龙卷均发生在台风登陆24 h后的傍晚，发生地位于台风中心的东北象限，也是台风移动方向的右前侧，距台风中心200~300 km，与白兰强等^[19]基于国内的统计结果和相关国际研究较为一致，且范围和位置更为集中。

台风在黄淮流域诱发龙卷次数较少，与黄先香等^[23]对我国台风龙卷发生频次最高的珠江三角洲地区台风龙卷过程（包含2次强龙卷（1522号“彩虹”龙卷和0606号“派比安”龙卷）和6次弱龙卷（0508号“天鹰”龙卷、0817号“海高思”龙卷、1306号“温比亚”龙卷、1309号“飞燕”龙卷、1311号“尤特”龙卷和1415号“海鸥”龙卷））的环境条件对比，发现珠江三角洲地区龙卷均发生在台风登陆后24 h内，多数位于台风中心的东北象限300~550 km范围；1818号“温比亚”在黄淮流域诱发的3次龙卷均发生在台风登陆24 h后的台风中心东北象限，发生地距台风中心200~300 km。

2.3 加密观测资料分析

为进一步探讨在较大范围相似的环境下，龙卷发生在江苏徐州和山东临沂的可能原因，对龙卷发生前后逐5 min地面加密气象观测资料进行分析。

18日18:25，W1龙卷发生地西南侧约40 km范围内存在一条长20~30 km的中尺度辐合线（图 2a）；18:35，龙卷发生地相邻东北侧一个站点为南风，东南侧一个站点为北风，可能与雷暴下沉气流造成的地面辐散有关，其中偏北风气流与中尺度辐合线相接，形成一个近似闭合结构的中尺度气旋，尺度为15~20 km（图 2b）；18:45，龙卷发生在该中小尺度系统北侧（图 2c）。

18日19:25，加密观测资料显示W2发生地位于地面中尺度辐合线北侧（图 2d）；19:35，龙卷发生地西南侧站点为偏南风，南侧站点为西北风（图 2e），气旋式辐合加强；19:45，龙卷发生在地面强烈气旋式切变处（图 2f）。

19日19:15，龙卷发生地相邻位置南侧约40 km处存在中β尺度辐合系统，为西南风与偏东风构成的气流汇合区（图 2g）；19:25，中β尺度辐合系统辐合加强，形成一个尺度约20 km的风场呈现闭合的中尺度气旋（图 2h），19:36龙卷发生。

地面加密气象观测资料分析与黄先香等^[23]对珠江三角洲地区龙卷分析的结论一致，即地面中小尺度系统是有利于龙卷发生的重要中小尺度系统。两个地区龙卷的发生均与地面中小尺度气旋或辐合线的活动密切相关，台风“温比亚”诱发的三次龙卷事件均表现为龙卷发生前20 min左右，地面上风方一侧存在尺度为20~40 km的中β尺度辐合系统，随后地面中小尺度气旋或辐合线辐合加强，收缩至15~20 km的中γ尺度辐合系统时，龙卷即将或已经产生。

3 对流环境分析 3.1 抬升凝结高度

探空观测显示，2018年8月18日08时和20时，徐州站抬升凝结高度分别为302 m和426 m，8月19日08时徐州站和青岛站抬升凝结高度分别为170 m和332 m，20时徐州站和青岛站抬升凝结高度分别为170 m和456 m。均低于美国南部龙卷走廊产生强龙卷的平均抬升凝结高度^{[9, 18]}。

18日18时和19时，抬升凝结高度较低的区域主要分布在台风中心附近、台风中心左侧和右前侧，W1和W2龙卷发生地附近抬升凝结高度低于300 m（图 3a、3b）。19日19时，台风中心北侧的抬升凝结高度较低，W3龙卷发生地附近抬升凝结高度低于250 m（图 3c）。依据最近格点计算的3次龙卷发生地附近抬升凝结高度变化趋势得出，在龙卷发生前6 h呈现持续下降的趋势，在龙卷发生0~1 h下降至300 m以下（图 3d）。

3.2 垂直风切变

龙卷发生地附近1 000~925 hPa垂直风切变在龙卷发生前1~2 h呈上升趋势，发生前1 h均≥ 18×10^-3 s^-1（图 4a）。1 000~850 hPa垂直风切变在龙卷发生前1~2 h为上升趋势，发生时刻为峰值阶段，均≥8×10^-3 s^-1，其中W3龙卷数值更高（图 4b）。1 000~700 hPa垂直风切变在龙卷发生前后变化较小，约4×10^-3 s^-1（图 4c）。1 000~500 hPa垂直风切变稳定维持在2.2×10^-3 s^-1以上，W3龙卷发生前1~2 h增至3×10^-3 s^-1以上（图 4d）。另外850~300 hPa垂直风切变在3次龙卷发生前1~2 h均表现为上升趋势，达2×10^-3 s^-1以上（图略）。

18日18时，1 000~925 hPa垂直风切变大值区主要分布在台风环流北侧，1 000~500 hPa垂直风切变大值区主要分布在台风环流东北象限、台风外围环流与副热带西风急流相接处（图 5a）；19时环境场变化较小（图略），W1和W2龙卷发生在台风环流东北象限1 000~925 hPa垂直风切变≥ 18×10^-3 s^-1和1 000~500 hPa垂直风切变≥2.2×10^-3 s^-1区域。19日19时，1 000~925 hPa和1 000~500 hPa垂直风切变大值区均位于台风中心的东北象限，W3龙卷发生地附近分别达18 × 10^-3 s^-1和3×10^-3 s^-1以上（图 5b）。

在龙卷发生前1~2 h，低层垂直风切变和深层垂直风切变均呈上升趋势，低层垂直风切变在龙卷发生时刻处于峰值阶段，1 000~925 hPa垂直风切变≥18×10^-3 s^-1，1 000~850 hPa垂直风切变≥8× 10^-3 s^-1，1 000~500 hPa垂直风切变≥2.2×10^-3 s^-1。中等强度的深层垂直风切变有利于强风暴或长生命史风暴的生成，强的低层垂直风切变和风切变随高度顺转加强了风暴的旋转潜势，增加了产生龙卷的概率^[8-9]。

3.3 风暴相对螺旋度

风暴相对螺旋度在衡量风暴旋转潜势时具有明确意义，其大小取决于沿相对风暴气流流线方向的水平涡度，即取决于低层垂直风切变的强度、方向及风暴的移动^[8-9]。美国学者基于大量统计研究，给出使用0~3 km积分的风暴相对螺旋度来判识超级单体风暴弱、中、强中气旋的建议，对应风暴相对螺旋度数值分别为150~299、300~449和＞450 m²/s^2[28-30]。

本文取850~300 hPa间平均风速的75% 为风暴移速，850~300 hPa间平均风向右偏40 °为风暴移向，计算分析0~3 km积分的风暴相对螺旋度，发现其水平分布与低层垂直风切变分布相似。18日18时W1发生地附近风暴相对螺旋度≥250 m²/s²（图 6a），19时台风东北象限数值略有增大，W2发生地附近增至250 m²/s²以上（图 6b）。19日19时，W3发生地附近风暴相对螺旋度≥300 m²/s²（图 6c）。3次龙卷发生前1 h风暴相对螺旋度均为上升阶段且≥230 m²/s²，汤头龙卷发生时达323 m²/s²，为W3龙卷发生前后的峰值阶段（图 6d）。强的风暴相对螺旋度与龙卷发生地对应较好，与对流发展后上升气流导致水平涡管发生倾斜，造成垂直涡度增长，诱发中气旋龙卷有关^[8-9]。

3.4 对流有效位能

据观测和研究表明，强中气旋常与风暴相对螺旋度大值有关，同时风暴相对螺旋度和造成强烈旋转上升气流的对流有效位能也存在密切关系，当对流有效位能减小（增大）而风暴相对螺旋度增大（减小）时，有利于剧烈龙卷的发展^[8-9]。

受台风影响，山东持续出现强降水天气，降水区域大气整层接近饱和，对流有效位能数值相其他强风类对流过程偏低。3次龙卷发生前后对流有效位能的变化趋势较为一致，表现为龙卷发生前2~6 h对流有效位能迅速增长，前2~3 h为峰值阶段，达600~1 600 J/kg，该阶段对流有效位能的大值区多位于台风中心的东南侧或南侧，中心值均≥2 000 J/kg。3次龙卷发生地附近的对流有效位能中等偏弱，但仍为台风中心东北象限对流有效位能的大值区，W1和W2龙卷发生地附近对流有效位能≥1 000 J/kg（图 7a，图 7b），W3龙卷发生地附近对流有效位能≥600 J/kg（图 7c）。预报预警业务中应关注台风东北象限对流有效位能大值区域发生强烈天气的可能。在龙卷发生前1~2 h，随对流触发，不稳定能量释放，对流有效位能下降，在龙卷发生时刻及发生后仅为50~250 J/kg (图 7d)，对应阶段风暴相对螺旋度上升并维持在230~350 m²/s²之间，与以往研究中在低对流有效位能和高风暴相对螺旋度环境下同样可能产生龙卷风暴的结论一致^[8-9]。

3.5 能量螺旋度指数

能量螺旋度指数（无量纲数）能有效反映强对流天气发生时，对流有效位能释放减少和风暴相对螺旋度之间的平衡特征，其值等于风暴相对螺旋度和对流有效位能的乘积再除以160 000。相关统计研究指出，能量螺旋度指数越大，发生强天气的可能性越大^[28-30]。

在龙卷发生前2~3 h，能量螺旋度指数大值区主要分布在台风中心右侧，造成3次龙卷的风暴初生位置处于台风中心右侧200~300 km处的螺旋度指数大值区。

18日16时能量螺旋度指数大值区中心位于安徽北部，最大值≥4.0，龙卷发生地附近约2.4（图 8a），17时能量螺旋度指数大值区与台风中心右侧螺旋雨带对应较好，最大值≥2.4，龙卷发生地附近能量螺旋度指数约为1.4（图 8b），W1和W2龙卷的风暴初生位置均处于能量螺旋度指数大值区中心附近。19日17时，能量螺旋度指数大值区与台风中心右侧的狭长线状风暴相对应，最大值≥1.6，龙卷发生地附近数值约为1.2（图 8c），螺旋雨带后侧徐州新沂附近不断有风暴新生，19时进入临沂郯城后加强为超级单体，穿过河东区时引发一次EF3级龙卷。

本次过程中风暴相对螺旋度的变化幅度较对流有效位能的变化幅度小许多，能量螺旋度指数也具有和对流有效位能几乎相同的变化趋势。3次龙卷过程发生地附近能量螺旋度指数在龙卷发生前2~3 h上升至峰值阶段，为1.1~2.8，在龙卷发生前1~2 h随对流发生发展，龙卷发生地附近的能量螺旋度指数迅速下降至0.1~0.7（图 8d）。

3.6 环境参数对比

通过对比相同站点、相同时段基于常规探空观测和ERA5再分析资料计算的物理量，以更好地分析“温比亚”外围3次龙卷过程与珠江三角洲地区的台风龙卷环境参数的区别。根据龙卷发生的时间和地点，W1、W2龙卷均发生在18日傍晚徐州境内，选取18日08时、20时徐州站探空资料计算徐州境内龙卷发生时的环境条件；W3龙卷发生地位于青岛和徐州之间，根据台风位置，选取19日08时徐州和19日20时青岛站探空资料来估算W3龙卷发生地附近可能的环境参数。

将ERA5再分析资料计算的结果与常规探空观测计算的结果相对比（表 2），基于ERA5再分析资料计算的抬升凝结高度偏低，风暴相对螺旋度、低层垂直风切变较为一致，部分时刻较常规探空观测计算的结果略低；深层垂直风切变强度相当，08时较常规探空观测偏低、20时偏高；对流有效位能均为中等偏弱程度，具体数值与探空计算的结果有明显差异，可能与不同资料在温湿垂直分布上的差异导致的计算值差异有关。

综合分析基于ERA5再分析资料计算的龙卷发生地附近和代表探空站计算的环境参数结果，发现201818号“温比亚”台风龙卷和黄先香等^[23]统计分析的珠江三角洲地区龙卷，均发生在低抬升凝结高度（≤600 m）、强低层垂直风切变（≥13.2× 10^-3 s^-1）、高的风暴相对螺旋度（≥100 m²/s²）和相对弱的对流有效位能环境下。总体而言“温比亚”龙卷过程低层垂直风切变略强（≥14.9×10^-3 s^-1），而珠江三角洲地区台风诱发强龙卷过程的深层垂直风切变更强（≥4.2×10^-3 s^-1）。

进一步探讨龙卷可能发生的区域，发现三次龙卷事件均发生在台风中心东北象限200~300 km，处于近地面和低层东到东南急流靠近东北气流一侧。将有利于超级单体龙卷产生的动力条件叠置，可见3次龙卷发生于台风中心东北象限1 000~925 hPa垂直风切变≥18 × 10^-3 s^-1、1 000~500 hPa垂直风切变≥2.2×10^-3 s^-1和风暴相对螺旋度≥250 m²/s²的区域；W1和W2龙卷发生在对应区域内（水平尺度约80 km）北侧（图 9a），W3龙卷发生在对应区域（水平尺度约30 km）中心（图 9b）。

综上所述，建议在实际业务工作中，加强对台风东北象限风暴相对螺旋度和低层垂直风切变大值区内对流活动的监测，着重分析上述区域地面加密观测或天气雷达探测到的中小尺度系统，监测新生风暴的结构和发展，如天气雷达在低仰角识别出中等强度及以上中气旋时，应及时发布龙卷预警。

4 结论

本文利用常规观测资料结合ERA5高分辨率再分析资料，对2018年第18号台风“温比亚”登陆减弱的热带低压环流在其外围造成三次龙卷的环境背景进行分析，总结凝练龙卷发生前后的关键环境参数特征，与黄先香等^[23]对我国台风龙卷发生频次最高的珠江三角洲地区台风龙卷过程分析结果相对比，以期对台风北上过程中在中纬度地区引发龙卷的预报预警提供参考。

(1) 台风造成黄淮地区和珠江三角洲地区龙卷的发生既有共性特点，也具有一定差异。2018年第18号台风“温比亚”造成的三次龙卷事件均发生于台风登陆24 h后的傍晚，发生地位于台风中心东北象限，也是台风移动方向的右前侧，距台风中心200~300 km。珠江三角洲地区台风龙卷均发生在台风登陆后24 h内，多数位于台风中心的东北象限300~550 km范围。

(2) 地面中小尺度系统是有利于龙卷发生的重要中小尺度系统，两个地区龙卷的发生均与地面中小尺度气旋或辐合线密切相关。“温比亚”诱发的三次龙卷事件均表现为龙卷发生前20 min左右，地面上风方一侧存在尺度为20~40 km的中β尺度辐合系统，随地面中小尺度气旋或辐合线辐合至15~20 km尺度时，龙卷即将或已经产生。

(3) 利用ERA5再分析资料和探空观测资料计算并对比了“温比亚”在黄淮地区诱发三次龙卷的关键环境参数特征，发现基于ERA5再分析资料计算的抬升凝结高度偏低，风暴相对螺旋度、低层垂直风切变较为一致，部分时刻较常规探空观测计算的结果略低，深层垂直风切变强度相当，对流有效位能差异较大，但均为中等偏弱水平。三次龙卷发生于台风东北象限风暴相对螺旋度≥200 m²/s²、低层垂直风切变≥13×10^-3 s^-1叠置区内。

(4) 与基于探空计算的珠江三角洲地区台风龙卷环境特征相对比，两个地区的台风龙卷均发生在低抬升凝结高度（≤600 m）、强低层垂直风切变（≥13.2×10^-3 s^-1）、高的风暴相对螺旋度（≥100 m²/s²）和相对弱的对流有效位能环境下。总体而言“温比亚”龙卷过程低层垂直风切变略强（≥ 14.9×10^-3 s^-1），而珠江三角洲地区台风诱发强龙卷过程的深层垂直风切变更强（≥4.2×10^-3 s^-1）。

在关注大尺度环境背景场的同时，加强对台风东北象限风暴相对螺旋度和低层垂直风切变大值区内对流活动的监测，高度关注该区域地面加密观测或天气雷达探测到的中小尺度系统，跟踪分析新生风暴的结构和发展。如天气雷达在低仰角识别出中等强度及以上中气旋时应发布龙卷预警。此外黄淮地区的台风龙卷样本较少，相关结论还需要在今后工作中进一步研究和完善。