2021, Vol. 37
2. 中国气象局交通气象重点开发实验室，江苏 南京 210009;
3. 南京气象科技创新研究院，江苏 南京 210009
2. Key Laboratory of Transportation Meteorology, CMA, Nanjing 210009, China;
3. Nanjing Joint Institute for Atmospheric Sciences, Nanjing 210009, China
龙卷是一种破坏性极强的灾害性天气，由于尺度小、生消快、突发性强，常规的观测资料往往很难监测到，预报预警难度大，可造成严重的人员伤亡和财产损失。美国在龙卷探测和研究方面取得了许多成果，提出了“中气旋” [1-2]及龙卷涡旋特征（TVS）[3]的概念，并指出，当中气旋和TVS同时被探测到时，发生龙卷的概率明显提高[4]。Brooks等[5]研究了有利于龙卷发生的环境条件，找出了影响龙卷产生的关键因子包括对流有效位能（CAPE）、深层及低层垂直风切变、抬升凝结高度（LCL）、风暴相对螺旋度（SRH）等。这些研究成果为龙卷的监测预警提供了可能。
随着中国新一代多普勒天气雷达探测资料的应用，越来越多的龙卷观测事实被捕捉到，我国气象学者围绕龙卷也开展了一系列研究工作。俞小鼎等[6-7]分别对2003年7月8日和2005年7月30日发生在安徽的造成重大人员伤亡的两次F3级龙卷进行了详细的分析；姚叶青等[8]对上述两次强烈龙卷的天气背景和雷达回波特征进行了对比分析；郑媛媛等[9]分析了2003—2007年发生在安徽3次强龙卷过程的环境条件和雷达特征。周后福等[10]、刘娟等[11]通过对发生在江苏和安徽超级单体龙卷过程的分析，也指出了类似的雷达特征。这些研究工作加深了对我国龙卷发生的有利环境条件和雷达特征认识。围绕典型龙卷个例分析方面，吴海英等[12]对2007年7月3日发生于安徽天长、江苏高邮和盐城的龙卷天气的诱发原因进行了研究，认为当存在有较强的风垂直切变时，中尺度涡度方程中的倾斜项是造成中尺度扰动涡度变化的主要贡献者，是该龙卷天气产生的重要原因之一。蒋义芳等[13]对2008年08号台风“凤凰”前部龙卷的环境场和雷达回波进行了分析，提出了在业务工作中对龙卷预警的参考指标。吴芳芳等[14]对2006年8月6日发生在盐城的由强降水超级单体风暴导致的F2级龙卷和伴随的大暴雨进行了分析。
随着龙卷个例的积累，针对性的龙卷统计分析工作也得到了开展，郑媛媛等[15]对10次台风龙卷过程的环境背景和其中F2~F3级以上龙卷过程的回波结构演变特征进行了详细分析。曾明剑等[16]对近十年江苏省梅雨期（6—7月）11个典型龙卷天气的环境特征进行了合成分析，并提炼了对流参数特征值，提供了梅雨期龙卷发生潜在可能性的环境特征。
本文通过对2020年7月22日发生在江苏淮北地区一次龙卷事件的深入分析，加深对龙卷天气过程的认识，从而提高龙卷临近预报预警能力，为未来开展龙卷预警业务提供参考。
2 天气实况2020年7月22日，江苏北部徐州、宿迁、淮安、连云港、盐城五市自西向东出现了大范围暴雨天气，最大小时雨强超过70 mm，部分地区伴随有8级以上的雷暴大风（图 1），夜间21：30（北京时，下同）起，对流风暴加强为超级单体风暴，形成龙卷风，在21:48、22：01和22：40左右先后袭击了沭阳、灌南和响水县的部分村镇（图 2）。经现场灾情调查，龙卷所经之处，大片树木齐腰折断，电线杆被吹倒，屋顶被掀翻，部分房屋损坏严重，此次龙卷过程共造成1人死亡，21人受伤，经济损失严重。经现场灾调，可确定江苏淮北龙卷等级EF2~EF3级[17]。
|
图 1 2020年7月22日08时—23日08时江苏强对流天气监测图 |
|
图 2 2020年7月22日苏北龙卷灾害路径 |
研究表明，我国龙卷最易发生的三类天气条件分别是典型的暴雨天气背景、台风和冷涡背景[18-19]，此次龙卷过程正是伴随大范围暴雨天气产生的。
2020年长江中下游地区入梅偏早，梅雨期偏长，7月下旬仍处于梅雨期中，7月22日08时（图略），西太平洋副热带高压（简称副高）北抬，河套地区有高空槽东移，江苏北部地区处于副高西北侧及高空槽前旺盛的西南气流当中，850 hPa东北-西南向的切变线自河南西南部向淮河入海口伸展，切变线南侧急流发展强烈，强度达到22 m/ s，22日白天苏北地区持续降雨。至22日20时，随着高空槽东移加强，500 hPa上在华北地区形成低涡，涡后有冷空气向南入侵，低涡中心在500 hPa、700 hPa和850 hPa位置接近，随高度略向东倾斜，高空锋面陡峭，冷暖空气交汇在苏皖北部地区，大气层结不稳定度持续增强。低层切变线和低空急流维持，辐合增强，位于850 hPa低空急流左前侧的安徽北部和江苏北部正好位于200 hPa高空急流入口区的右后侧及分流区附近（图 3）。高层辐散、中低层低涡切变发展伴随急流增强，形成了非常有利于暴雨天气发生的环流背景。前期持续性降水、中层冷空气入侵，层结不稳定度加强，为龙卷的发生提供了潮湿的不稳定环境。20时，地面上黄淮和长江中下游地区处于低压带中，低压中心位于苏鲁交界处，并存在明显的温度梯度，江苏北部地区露点高达24~25 ℃，温度露点差为0 ℃，地面空气呈饱和状态，龙卷发生在低压南侧的暖区当中。
|
图 3 2020年7月22日20时天气形势 |
苏北地区龙卷特别是EF2级以上强龙卷的超级单体通常对应高的对流有效位能（CAPE）、低的抬升凝结高度（LCL）和较大的低层垂直风切变[20]。
由于徐州站探空受降水污染，分析了射阳站和南京站7月22日20时的探空（图 4），CAPE值分别为380.5 J/kg和6 860.5 J/kg，在龙卷发生前层结不稳定度大，南京站不稳定能量十分充沛，非常有利于龙卷的发生。22日20时，射阳站和南京站的抬升凝结高度分别为1 004 hPa（约为海拔高度83.25 m）和992.8 hPa（约为海拔高度97.5 m），表明整个江苏地区抬升凝结高度普遍很低，较低的抬升凝结高度有利于水汽迅速凝结，导致深厚湿对流的触发；低层925 hPa的比湿较大，分别为15 g/kg和16 g/kg，大气低层较大的湿度有利于对流风暴的下沉气流不会太强，从而有利于近地面垂直涡度的增强形成龙卷[21]。
|
图 4 7月22日20时温度对数压力图 a. 射阳站；b. 南京站。 |
从龙卷发生地西南部南京探空以及距龙卷发生地较近的射阳探空计算的垂直风切变来看，射阳深层（0~6 km）和低层（0~1 km）垂直风速矢量差分别为22.7 m/s和12.7 m/s，徐州分别为21.5 m/s和11.5 m/s，该数值属于强垂直风切变，有利于超级单体龙卷的产生。EF2级以上龙卷通常发生在强垂直风切变环境下，10 m/s以上高的0~1 km风切变更有利于强龙卷的产生[22]。强的垂直风切变会增加对流风暴内部气流的强度，促进对流进一步发展，十分有利于产生龙卷形成与发展所需的涡度增长。
由此可见，7月22日江苏地区抬升凝结高度低，低层（0~1 km）垂直风切变大，有利于龙卷的发生。
3.3 地面中尺度分析 3.3.1 地面流场演变图 5为江苏地面自动站资料显示的在龙卷发生前的流场及散度场信息。22日17时（图略），江苏西北部及与山东交界处地面流场已形成闭合的气旋性环流，有地面中尺度低压东移，在地面低压的前部有一条中尺度辐合线，在辐合线附近对流回波加强，对流单体沿着辐合线发展东移。从龙卷发生前的地面流场和散度场上来看，21:30、22: 00和22:30（图 5），龙卷发生地附近有局地小尺度气旋性涡旋形成，伴随有地面辐合中心，沿着地面辐合线向偏东方向移动，雷达回波上显示（图略）移经此处的对流性回波迅速发展，相继在沭阳、灌南和响水的部分村镇发生了龙卷。
|
图 5 21:30（a）、22:00（b）和22:30（c）地面流场(黑色流线)及散度场（填色，单位: s-1） |
分析距龙卷发生地最近的沭阳、灌南和响水的自动站资料（间隔10 min）看出，龙卷发生前后沭阳、灌南和响水站的风向、风速、气压、降水均出现了明显变化。沭阳站位于首个龙卷发生地的上游西侧，灌南和响水站分别位于第二、第三个龙卷发生地的西南侧和东北侧，龙卷发生地与测站位置如图 6所示。从图 7a、7c、7e的风向风速随时间的变化可以看出，在龙卷发生前超级单体风暴经过测站附近时，沭阳站于21:20，灌南站22:01，响水站22:30前后均出现了风速突增，风向也有东南风向西到西北风的突变。图 7b、7d、7f显示了气压和降水随时间的变化，沭阳站20：40和21：40、灌南站21:50均存在气压下降，响水站自18:40气压持续下降，在22:40下降至999.7 hPa。气压的下降有利于局地气旋性涡度的增强，促进移经该处的对流风暴进一步发展，并导致强的对流降水。沭阳站集中降水时段出现在21:00—21:20，峰值降水量21:00—21:10 17.3 mm；灌南站22:10—22:20为降水集中时段，峰值降水量7.1 mm，出现在22: 00—22:10；响水站降水集中时段在22:40—23:00，峰值降水22 mm，出现在22:40—22:50。
|
图 6 龙卷发生地与观测站点相对位置示意图 |
|
图 7 2021年7月22日18—23时沭阳（a、b）、灌南（c、d）和响水（e、f）风向（橘色实线，单位：°）、风速（蓝色实线，单位：m/s）及气压（蓝色实线，单位：hPa）、降水（柱状，单位：mm） |
龙卷可分为超级单体龙卷和非超级单体龙卷，大多数EF2级以上的龙卷为超级单体龙卷[5, 8, 17, 23]，此次江苏淮北龙卷过程也属于超级单体龙卷。宿迁、淮安、连云港、盐城多部新一代多普勒天气雷达监测到了这次龙卷天气过程，以下利用多普勒天气雷达观测资料对龙卷单体特征进行分析。
4.1 雷达回波演变及特征华东雷达组合反射率因子拼图显示，7月22日降水期间，回波可分为两个阶段，第一阶段为持续降水阶段，在22日白天，安徽和江苏北部有成片降水区发展，在大片层状云降水回波内镶嵌着不规则对流回波。第二阶段对流性增强，17：00，随着地面中尺度低压的发展东移，在中尺度低压前部的辐合线（图略）附近，安徽北部—江苏西北部—山东南部一线有一条回波强度超过45 dBZ，长度为120 km左右的对流回波带形成并向偏东方向移动（图 8），雨带中心强度在50~55 dBZ。此后3小时，此对流回波带强度维持，对流发展旺盛，20:30后，回波带的尾端在宿迁境内进一步加强，强度达60~65 dBZ，20:45，此加强的对流风暴在低层出现后侧入流缺口，逐渐向“S”型演变，表明后侧下沉气流已经迅速加强，内部风场中伴有明显的旋转特征—中气旋，风暴发展为超级单体，但此时龙卷尚未形成。21：45，强对流回波带尾端的超级单体移至宿迁沭阳县东部与连云港灌云县交界处，风暴前侧具有一个宽大的入流缺口，对应强低层入流区，“S”型旋转结构更为清晰（图 9），表现出强降水超级单体典型特征；从该时刻超级单体垂直剖面（图略）可以看出，对流风暴发展旺盛，风暴顶可达18 km，强回波中心高悬，大于55 dBZ的核心高度达到了9 km，并呈现出回波悬垂和有界弱回波区的结构特征，表明低层有很强的偏南气流入流与强盛的上升气流，与之对应的风暴内部风场中伴有深厚的中气旋和TVS特征，在入流缺口北侧降水区内，速度场上探测到具有一定伸展厚度的紧邻正负速度对，此时在沭阳县沂涛镇出现了龙卷天气。之后，该超级单体风暴继续向偏东方向移动，组合反射率拼图上显示雨带北部逐渐消散，雨带变短增宽，尾端的超级单体进一步发展加强，形成外形呈椭圆的强回波，21:47-22:15，连续6个体扫回波强度超过60 dBZ（2.4°），最强时反射率因子达65 dBZ以上，但在低层的反射率因子图上，该超级单体一直维持“S”型结构，途径灌南县李集镇、响水县小尖镇，在上述地区接连导致龙卷，在22:01和22:40龙卷发生时刻，风暴低层前侧入流缺口清晰，相应的速度场上在入流缺口顶端有一对强烈旋转的速度对，盐城雷达0.5°仰角正速度还出现了模糊，为30 m/s，负速度为-8 m/s，正速度明显大于负速度，呈明显的不对称结构。随后，超级单体的前侧和后侧入流逐渐填塞，23日00时移入海上后逐渐减弱。
|
图 8 华东组合反射率因子拼图 a. 17:00；b. 21:00；c. 21:48；d. 22:00；e. 22:12；f. 22:42。 |
|
图 9 a1. 21:45宿迁雷达0.5°反射率因子；a2. 21:45宿迁雷达0.5°径向速度；b1. 22:00淮安雷达0.5°径向速度；b2. 22:00淮安雷达0.5°径向速度；c1. 22:38盐城雷达0.5°反射率因子；c2. 22:38盐城雷达0.5°径向速度。 |
该对流风暴是在一条狭长的对流雨带上发展起来的，在对流雨带移动过程中，北部逐渐较弱消散，雨带变短增宽，尾端增强，21:00前后发展为超级单体风暴，且一直维持强盛的对流结构，00时后逐渐减弱，生命史为3 h左右，龙卷发生在低层反射率因子呈“S”形回波阶段。
4.2 中气旋和龙卷涡旋特征演变中气旋是龙卷预警的重要指标，研究表明，当监测到中气旋并伴随龙卷涡旋特征，且中气旋底高小于1 km时，发生龙卷的概率显著增加[5, 24]。而当监测到中气旋的同时伴随有龙卷涡旋特征，则发生龙卷的概率从15%提高到50%以上[3]。
此次系列龙卷过程是由同一个超级单体风暴产生的。在强对流回波带上对流单体发展旺盛，20:45，位于沭阳中部的对流单体快速发展增强，宿迁雷达首次探测到中气旋，中气旋底高仅0.3 km，距离宿迁雷达34 km，最大转动速度出现在1.5 °仰角（2.6 km），切变值达到10×10-3 s-1。20: 57，沭阳北部的强对流单体出现一个正负速度对，所在高度为1.3 km，切变值达46×10-3 s-1，雷达首次识别为TVS，但该强对流单体并未产生龙卷，此时，对流活跃，对流回波带上有若干个发展旺盛的超级单体。从宿迁雷达不同仰角的反射率因子来看，产生龙卷的对流风暴发展高度更高，反射率因子更强（图略）。在产生龙卷的超级单体风暴中伴有多个中气旋的发展，至龙卷发生前，宿迁雷达观测到的中气旋一直维持，切变值维持在10×10-3 s-1左右。21:39，位于超级单体前侧入流缺口北部的中气旋顶高和底高明显下降，底高降低至1 km，维持了两个体扫，强度也明显增强，21:45切变值达28×10-3 s-1，最大切变值降至0.5°仰角（1 km），在21:39和21:45，中气旋中心出现了龙卷涡旋特征（TVS），对应的切变值增强至40×10-3 s-1，这表明对流风暴内部风场中小尺度涡旋强烈旋转，导致了龙卷天气。
从淮安雷达监测到的中气旋演变可以看出（表 1），中气旋强度持续偏强，一直维持在30×10-3 s-1左右，21:08—21:43期间，中气旋底高在1.2~1.5 km，由于探测到的中气旋距雷达较远（> 80 km），实际中气旋底高可能在1 km以下，表明中气旋触地的可能性较大，21:49，沭阳龙卷发生之后，中气旋底高有所升高（4.6 km），直径也突然增大，达14 km，至灌南龙卷发生时底高迅速下探，直径也显著减小；中气旋顶高则大部分时间保持在6~8 km，是一个较深厚的水平尺度较大的强烈中气旋。此外，20:39—21:43，淮安雷达上还探测到TVS，强度维持在60×10-3 s-1以上（表 2）。从盐城雷达提取的响水龙卷相关中气旋特征也可以看到持续偏低的中气旋底高和持续偏强的中气旋和TVS切变值。
|
表 1 7月22日淮安、盐城中气旋特征 |
|
|
表 2 7月22日淮安、盐城TVS特征 |
此次系列龙卷过程的超级单体中伴随有多个中气旋发展，中气旋首先从1.5 °高度出现，然后向上和向下发展，后侧出现入流缺口，并在发展过程中前侧入流变得明显，低层回波演变为“S”型，在伴随着强降水的超级单体中伴随持久深厚的中气旋，龙卷发生在“S”型回波阶段，在首个龙卷出现前，雷达上探测到TVS特征，其对应的切变值为40×10-3 s-1。
5 结论本文对2020年7月22日江苏淮北地区EF2~EF3级龙卷事件发生的天气背景和中尺度特征进行了详细分析。
（1）2020年7月22日江苏淮北龙卷天气过程发生在梅雨期有利于强降水发生的天气背景下，高层辐散、中低层低涡切变发展伴随急流增强，形成了非常有利于暴雨天气发生的环流背景，龙卷发生在地面低压南侧温湿梯度大值区。
（2）前期持续性降水、加之中层冷空气入侵，大气层结不稳定进一步发展，为龙卷的发生提供了潮湿不稳定的环境。0~1 km强垂直风切变以及中低层较强的动力抬升条件，构成龙卷风暴形成发展的动力环境。此次过程中，低的抬升凝结高度和大的低层垂直风切变有利于超级单体风暴的发展并产生EF2级以上强龙卷。
（3）龙卷对流风暴在地面辐合线附近形成并进一步发展增强，在龙卷发生地附近有局地小尺度涡旋形成，伴随有地面辐合中心沿着地面辐合线向偏东方向移动。龙卷发生前后地面自动站出现风速突增，风向突变、气压下降并伴有短时强降水。
（4）此次龙卷对流风暴是在一条狭长的对流雨带上发展起来的，在对流雨带移动过程中，北部逐渐减弱消散，雨带变短增宽，尾端增强，逐渐发展为超级单体风暴，且一直维持强盛的对流结构，超级单体生命史达3 h左右，在其东移过程中伴有深厚的中气旋和TVS特征。
（5）龙卷发生在低层反射率因子回波呈“S”形回波阶段，雷达监测显示，风暴中的气旋性涡旋最早在中层2.6 km处形成，之后在垂直方向上逐渐拉伸发展，至21:45，气旋性涡旋底部发展至1 km左右, 龙卷形成。TVS底高维持在1 km左右，强度维持在60×10-3 s-1左右。当中气旋底高较低且切变值持续较强时，结合地面中尺度系统演变为龙卷有效临近预警提供了可能。
| [1] |
BROOKS E M. The tornado cyclone[J]. Qeatherwise, 1949, 2(2): 32-33. |
| [2] |
FUJITA T T. Analytical mesometeorology: Areview[J]. MeteorMonogr, 1963, 5(27): 77-125. |
| [3] |
BROWN R A, LEMON L, BURGESS D W. Tornado detection by pulsed Doppler radar[J]. Mon Wea Rev, 1978, 106(1): 29-38. DOI:10.1175/1520-0493(1978)106<0029:TDBPDR>2.0.CO;2 |
| [4] |
DOSWELL C A. Severe convective storms : An overview[J]. Meteor Monogr, 2001, 50: 1-26. DOI:10.1175/0065-9401-28.50.1 |
| [5] |
BROOKS H E, LEE J W, CRAVEN J P. The spatial distribution of severe thunderstorm and tornado environments from global reanalysis data[J]. Mon Wea Rev, 2013, 147(6): 2045-2066. |
| [6] |
俞小鼎, 郑媛媛, 张爱民, 等. 安徽一次强烈龙卷的多普勒天气雷达分析[J]. 高原气象, 2006(5): 914-924. DOI:10.3321/j.issn:1000-0534.2006.05.020 |
| [7] |
俞小鼎, 郑媛媛, 廖玉芳, 等. 一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究[J]. 大气科学, 2008(3): 508-522. DOI:10.3878/j.issn.1006-9895.2008.03.08 |
| [8] |
姚叶青, 俞小鼎, 郝莹, 等. 两次强龙卷过程的环境背景场和多普勒雷达资料的对比分析[J]. 热带气象学报, 2007, 22(5): 483-490. DOI:10.3969/j.issn.1004-4965.2007.05.009 |
| [9] |
郑媛媛, 朱红芳, 方翔, 等. 强龙卷超级单体风暴特征分析与预警研究[J]. 高原气象, 2009, 28(3): 617-625. |
| [10] |
周后福, 刁秀广, 夏文梅, 等. 江淮地区龙卷超级单体风暴及其环境参数分析[J]. 气象学报, 2014, 72(2): 306-317. |
| [11] |
刘娟, 朱君鉴, 魏德斌, 等. 070703天长超级单体龙卷的多普勒雷达典型特征[J]. 气象, 2009, 35(10): 32-39. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2009.10.004 |
| [12] |
吴海英, 沈树勤, 蒋义芳, 等. 龙卷诱发原因的实例分析[J]. 气象科学, 2009, 29(03): 335-341. DOI:10.3969/j.issn.1009-0827.2009.03.009 |
| [13] |
蒋义芳, 吴海英, 沈树勤, 等. 0808号台风凤凰前部龙卷的环境场和雷达回波分析[J]. 气象, 2009, 35(4): 68-75. |
| [14] |
吴芳芳, 俞小鼎, 王慧, 等. 一次强降水超级单体风暴多普勒天气雷达特征[J]. 大气科学学报, 2010, 33(3): 285-298. DOI:10.3969/j.issn.1674-7097.2010.03.004 |
| [15] |
郑媛媛, 张备, 王啸华, 等. 台风龙卷的环境背景和雷达回波结构分析[J]. 气象, 2015, 41(8): 942-952. |
| [16] |
曾明剑, 吴海英, 王晓峰, 等. 梅雨期龙卷环境条件与典型龙卷对流风暴结构特征分析[J]. 气象, 2016, 42(3): 280-293. |
| [17] |
FUJITA T T. Tornadoes and downburst in the context of general planetary scales[J]. Mon Wea Rev, 1981, 38: 1 511-1 534. |
| [18] |
姚叶青, 郝莹, 张义军, 等. 安徽龙卷发生的环境条件和临近预警[J]. 高原气象, 2012, 31(6): 1 721-1 730. |
| [19] |
王秀明, 俞小鼎, 周小刚. 中国东北龙卷研究: 环境特征分析[J]. 气象学报, 2015, 73(3): 425-441. |
| [20] |
吴芳芳, 俞小鼎, 张志刚, 等. 苏北地区超级单体风暴环境条件与雷达回波特征[J]. 气象学报, 2013, 71(2): 209-227. |
| [21] |
DOSWELL Ⅲ C A, EVANS J S. Proximity sounding analysis for derechos and supercells: an assessment of similarities and differences[J]. Atmos Res, 2003, 67-68: 117-133. DOI:10.1016/S0169-8095(03)00047-4 |
| [22] |
CRAVEN J P, BROOKS H E. Baseline climatology of sounding derived parameters associated with deep moist convection[J]. Natl Wea Dig, 2004, 28: 13-24. |
| [23] |
郑媛媛, 俞小鼎, 方翀, 等. 一次典型超级单体风暴的多普勒天气雷达观测分析[J]. 气象学报, 2004, 62(3): 317-328. DOI:10.3321/j.issn:0577-6619.2004.03.006 |
| [24] |
DAVID JOUNES R, TRAPP R J, BLUESTEIN H B. Tornadoes and tornadic storms // Severe Convective Storms[J]. Meteor Monogr, 2001, (50): 167-221.
|