龙卷是一种生命史短、尺度小，但破坏力极强的天气系统，具有局地性和突发性等特点，往往带来严重的人员伤亡和财产损失，尤其在人口稠密地区影响更甚^[1-3]。美国是世界上龙卷最多发的国家，年均有1 000个以上龙卷形成，同时也在龙卷研究上取得了大量成果：Donaldson^[4]在多普勒雷达中发现了中气旋特征，Davies-Jones等^[5]指出低层中气旋对龙卷的发生有更大的指示意义，Brown等^[6]发现龙卷涡旋特征(TVS)，Trapp研究表明当中等强度以上的中气旋底部到地面的距离 < 1 km时，产生龙卷的概率可达40% 以上^[7]。随着新一代天气雷达网建立，国内对于龙卷的相关研究也逐渐增多：俞小鼎等^[8]、郑媛媛等^[9]和姚叶青等^[10]总结安徽等地多次龙卷天气过程发现，大的低层垂直风切变、低的抬升凝结高度和地面阵风锋的存在有利于强龙卷的产生，强龙卷发生前及发生时，多普勒雷达通常都探测到中气旋和TVS。同时，大量研究表明，钩状回波、有界弱回波区(BWER)、中气旋、龙卷涡旋特征(TVS)等雷达回波特征及其发展情况是龙卷发生的重要指示特征^[11-14]。

华南地区是中国龙卷的高发地之一^[15-16]，而广东又是华南龙卷比较高发的省份，黄先香等^[17]分析指出，从影响天气系统划分广东龙卷主要分为台风外围龙卷(以下简称台风龙卷)和西风带系统龙卷。由于广东人口密度大，经济产值高，龙卷灾害特别是台风龙卷灾害尤为严重，如：2006年的“派比安”台风龙卷和2015年的“彩虹”台风龙卷，给广东珠三角地区造成了重大人员伤亡和经济损失^{[12, 18]}。目前对于广东珠三角区域的台风龙卷分析已有不少^{[12, 18-23]}，对珠三角台风龙卷的活动位置及其发生的有利环境已有了较为清晰的成果。黄先香等^[20]研究指出，珠三角台风龙卷主要发生在台风移动路径的右侧(即台风中心的东北象限)，且珠三角台风龙卷均出现在台风登陆以后；小的对流有效位能CAPE、大的垂直风切变和大风暴相对螺旋度等是珠三角台风龙卷发生的有利环境条件；并建立了较为有效的珠三角台风龙卷预警方法和流程，并依据该预警流程成功开展了2次台风龙卷预警试验^{[19, 22, 24]}。但对于粤西区域台风龙卷的分析还比较少^[25]，粤西区域台风龙卷是否符合珠三角区域台风龙卷的统计特征？还需要开展更多个例的基础研究。

2008年8月6日，湛江市遂溪县界炮镇、北坡镇以及港门镇先后遭系列龙卷袭击，造成比较严重的财产和经济损失，本文采用探空资料、ERA5 0.25 °×0.25 °再分析资料及雷达资料等对龙卷发生环境条件、风暴演变及结构等进行分析，为广东粤西区域的台风龙卷监测预警提供依据与参考。

2008年8月6日16:30—18:00，湛江市遂溪县界炮镇、港门镇以及北坡镇先后遭受系列龙卷袭击，导致5个村委会受灾，其中损坏房屋131间(图 1)，农作物受损面积1 300多亩，围墙倒塌50多米，直接经济损失300多万元，没有人员伤亡。根据“增强的藤田级别” (EF-Scale)龙卷定强标准^[26]可以判断此次龙卷灾害强度为EF1级，属于弱龙卷。

图 1

图 1 龙卷破坏现场图片

2008年第9号热带风暴“北冕”于8月5日08: 00在南海东北部海面生成并向偏西北方向移动；6日05:00加强为强热带风暴，16:00在下川岛登陆，登陆时中心附近最大风力10级(28 m/s)，中心最低气压978 hPa，19:45在阳西县溪头镇沿海地区再次登陆，23:00减弱为热带风暴。遂溪系列龙卷发生在6日16:30—18:00之间，距离“北冕”登陆下川岛后0.5~2.0 h之间，此时“北冕”位于下川岛西侧的南海北部海面，强度为强热带风暴级，龙卷出现在台风中心的偏西象限和台风移动路径正前侧的气压梯度最大处及地面风场辐合区，距离台风中心约290 km。这与珠三角台风龙卷均出现在台风移动路径右侧和台风中心偏东象限存在明显差异^[20]。

图 2

图 2 0809号台风“北冕”路径(橙色实线)和2008年8月6日14时(北京时，下同)海平面气压场(阴影和等值线，单位：hPa)与风场(单位：m/s) ▲为龙卷发生地。

8月6日08:00，500 hPa西太平洋副热带高压(以下简称副高)主体偏东偏北，588 dagpm线控制华东沿海到朝鲜半岛及日本岛区域，强热带风暴“北冕”位于香港南面约157 km的南海北部海面，华南大部受“北冕”外围环流影响；500 hPa、700 hPa、850 hPa、925 hPa雷州半岛处于“北冕”西侧强劲东北偏北急流中，阳江站东北偏北风风速分别为18 m/s、18 m/s、22 m/s、18 m/s，各层东北偏北急流轴的位置非常接近、呈气旋式弯曲，上、下叠加在雷州半岛附近；雷州半岛中部一带925 hPa (图 3a)和地面均存在一条东西向的中尺度辐合线(图 3b)；200 hPa处于明显的风场辐散区(图 3a)；遂溪位于急流轴左前侧的低层正切变涡度区和低层辐合区，14:00—20:00，随着强热带风暴“北冕”西移，低层的正涡度和辐合区进一步增强(图 3c、图 3d)。本次系列龙卷过程发生在低层辐合、高层辐散及中低空东北偏北急流交汇处，与发生在东南急流中的珠三角台风龙卷存在明显差异^[20]。

图 3

图 3 2008年8月6日环流形势 a. 08:00高空形势综合图；b. 17:00地面形势；c. 14:00 500 hPa环流形势+850 hPa涡度(填色)；d. 20:00 500 hPa环流形势+850 hPa涡度(填色)。

进一步分析龙卷形成与地形的关系发现，界炮镇和北坡镇龙卷的起始发生地界炮镇地处九洲江入海口，恰好位于北部湾东北角伸向陆地的“喇叭口”海湾的内侧，附近为安铺港；而另一个龙卷的起始发生地港门镇位于界炮镇南面约20 km处、处于“喇叭口”海湾的南侧海岸边，总体上界炮镇、北坡镇和港门镇位于同一个三角洲地区。以往的研究表明，三角洲地形对龙卷的生成有一定的促进作用：2012年10月27日强台风“山神”外围螺旋雨带中的超级单体在琼海市博鳌镇东海村和北山村诱发龙卷，龙卷发生地处于向东开口的三角洲区域，龙卷发生时自动站为东北东风^[27]；2019年4月13日超级单体在湛江市徐闻县冬松岛诱发龙卷，龙卷发生地处于向东到东南开口的三角洲，龙卷发生时自动站为强的东南风^[28]；2015年10月4日强台风“彩虹”外围螺旋雨带中的微型超级单体在广州番禺和佛山顺德诱发龙卷，龙卷发生地同样处于向东南开口的珠江三角洲，龙卷发生时地面为强盛东南风^[18]。上述研究表明，在这些向东到东南呈“喇叭形”开口的三角洲地区，强的偏东风或东南风由于地表摩擦和地形特点，容易产生低层风的强垂直切变、水平辐合和气旋式旋转。结合本次龙卷发生时的地面形势图(图 3b)可见，强盛的偏西北气流沿着向西开口的“喇叭形”海湾吹向处于三角洲附近的界炮镇、北坡镇和港门镇时，由于海上摩擦力较小，而陆地粗糙度较大，这种“喇叭口”型的三角洲海陆分布不仅使得低层风向可能发生明显的气旋式旋转辐合，而且从海上到湾区所存在的风速差异也可能使低空的垂直风切变加大，促进局地强对流风暴的发展和龙卷的生成。以上分析仅是通过有限个例分析得出三角洲地形通过对风场的影响来促进强对流风暴的局地发展进而触发龙卷，但三角洲地形如何对龙卷母体风暴的发生发展及其结构、演变产生影响，还有待于用高分辨率数值模式深入分析。

综上所述，低层辐合、高层辐散及中低层急流叠加环流形势为强天气的发生提供了有利的大尺度环流背景，遂溪北部河流入海口形成的三角洲地区“喇叭口”地形，使得台风西侧的偏西北气流在此处汇聚抬升，配合低层的辐合线等中小尺度系统，为龙卷的发生发展提供很好的动力和抬升触发条件。

判断龙卷潜势的几个重要环境参数主要有：对流有效位能CAPE、对流抑制CIN、抬升凝结高度LCL、垂直风切变和风暴相对螺旋度SRH等。下面用探空资料和ERA5 0.25 °×0.25 °再分析资料计算了本次龙卷天气发生前后的关键环境物理量参数。

图 4给出了2008年8月6日08:00龙卷发生地周边上游探空站北海和阳江站的探空曲线。对流有效位能呈现狭长形，整个对流层相对湿度都很大，基本处于饱和状态，位于东面的阳江站由于受到降雨的影响，CAPE较小，约140 J/kg，而西面的北海站CAPE接近1 700 J/kg，达到中等大小，呈现出明显的对流不稳定；抬升凝结高度很低，在500 m左右；对流抑制CIN较大，60 J/kg左右(表 1)，有利于深厚湿对流的发生。

图 4

图 4 2008年8月6日08时阳江(a)及北海(b)站T-lnP图

表 1

表 1 2008年8月6日08时北海和阳江站探空站环境参数 环境参数 CAPE/(J/kg) CIN/(J/kg) LCL/m Wsr0~6 km/(m/s) Wsr0~1 km/(m/s) SRH/(m2/s2) 北海 1 679 59 523 12.2 10.5 83 阳江 138 64 500 15.9 12.0 235

表 1 2008年8月6日08时北海和阳江站探空站环境参数

龙卷等强天气的产生与抬升凝结高度及垂直风切变特别是低层的垂直风切变密切相关。从表 1还可以看到，0~6 km垂直风切变Wsr_{0~6 km}在12 ~15.9 m/s之间，属于中等0~6 km深层垂直风切变；0~1 km的垂直风切变Wsr_{0~1 km}在10.5~12.0 m/s之间，属于较强的低层垂直风切变；用临近的16:32湛江雷达风廓线VWP资料计算0~1 km的垂直风切变达15.7 m/s，属于强的低层垂直风切变。另外，风暴相对螺旋度SRH较大，在83~235 m²/s²之间。所以，环境条件较有利于超级单体风暴的产生。

对比珠三角台风龙卷发生的环境特征^[20]发现，此次湛江龙卷与珠三角台风龙卷均发生在低的LCL和较大的垂直风切变特别是较大的低层垂直风切变及较大SRH环境下；但不同的是，珠三角台风龙卷的CAPE值普遍很小，在100~1 000 J/kg之间，且CIN很小，在10~50 J/kg之间，而此次湛江龙卷的CAPE和CIN较大，更接近西风带系统超级单体龙卷的环境特征^[14]。

ERA5 0.25 °×0.25 °再分析资料具有每6 h一次规则格点的高时空分辨率，不仅可以展示探空没有观测的14:00环境物理量的分布，还可以展示物理量在粤西整个区域内的空间分布情况。下面用ERA5的0.25 °×0.25 °再分析资料分析了临近龙卷发生前后的热力、动力等物理量的诊断。

图 5给出了湛江龙卷6日14—20时对流层低层850 hPa水汽通量散度、850 hPa和700 hPa$\partial \theta_{\mathrm{se}} /\partial p$的分布图。6日14—20时，随着台风西行，有大量水汽向湛江地区输送和积聚，20时雷州半岛龙卷发生地附近位于水汽通量散度强辐合中心，中心值达80×10^-5g/(cm²·hPa·s)(图 5a、图 5b)，为龙卷等强天气的发生提供了充足的低层水汽。另外，6日14—20时，雷州半岛地区对流不稳定逐渐发展，14时850 hPa上，华南处于对流不稳定区中(图 5c)，20时700 hPa上，龙卷发生地附近处于强的对流不稳定中心，值为8 K/hPa(图 5d)，为龙卷的发生发展提供了有利的不稳定条件。

图 5

图 5 2008年8月6日14—20时850 hPa水汽通量(填色，单位：g/(cm·hPa·s))和水汽通量散度(等值线，单位：10-5g/(cm2·hPa·s))(a，b)及850 hPa、700 hPa$\partial \theta_{\mathrm{se}} / \partial p$(单位：K/hPa)(c，d) a、c. 14时；b、d. 20时。

图 6a、6b、6c分别为8月6日14—20时沿110 ° E散度、垂直速度及涡度场的垂直剖面图。从散度场可以看到，6日14时，龙卷发生地上空(21 °N附近)600~925 hPa之间为气流辐合，对流层低层925 hPa以下仍为气流弱辐散(图 6a₁)；之后，气流辐合区逐渐向对流层底层伸展且辐合强度明显增强，20时，700 hPa以下为强烈辐合，辐合中心位于925 hPa附近，达10×10^-5 s^-1，700 hPa以上则为气流辐散，辐散中心位于200 hPa附近，为6×10^-5 s^-1 (图 6a₂)。低层强辐合、中高层强辐散的配置有利于垂直上升运动的发展。对应垂直速度场的垂直剖面可以看到，6日14时，龙卷发生地上空(21 °N附近)925 hPa以上为强上升运动区，中心在600 hPa附近，为1.0 Pa/s，但对流层低层925 hPa以下仍为弱下沉运动区(图 6b₁)；之后，对应低层的气流辐合区增强，底层也逐渐转为强烈上升运动，20时，龙卷发生地上空(21 °N附近)整层呈现出强上升运动，中心位于850~700 hPa之间，达1.5 Pa/s (图 6b₂)。对比发现，散度场、垂直速度场有较好的对应关系，龙卷发生地附近低层强辐合、中高层强辐散的配置及整层强垂直上升运动在14—20时之间达到最强，为强对流的发生发展提供了很好的动力条件。从涡度场看，6日14时，正涡度中心位于21 °N附近，向上伸展至200 hPa附近，850~400 hPa达最强，最大中心值为9×10^-5 s^-1(图 6c₁)；14—20时，湛江地区正涡度场进一步增强、且强正涡度中心向低层伸展，20时强正涡度延伸至地面，850 hPa正涡度达最强，中心值达16×10^-5 s^-1，且低层正涡度区与中高层正涡度区相贯通，形成了一个略向北倾斜的地面到200 hPa的垂直正涡度柱(图 6c₂)。对应垂直速度场的分布来看，这一正涡度柱是与一强烈上升运动区(图 6b₂)相配合的。Davies^[29]和Rotunno等^[30]研究指出，超级单体中气旋的产生是由于环境风的垂直切变产生水平涡度，当水平涡度随入流进入强烈上升气流中会被逐渐扭转为垂直涡度，在强烈上升气流中垂直涡度被进一步拉伸加强，进而形成中气旋，最终导致龙卷涡旋的产生，而且低层的水平涡度场越强，在上升气流中转换成的垂直涡度也越强，从而越有利于龙卷的发生。因此，较为深厚的正涡度区为龙卷涡旋的生成发展提供了有利的环境背景条件。

图 6

图 6 2008年8月6日14—20时散度(a，单位：10-5 s-1)、垂直速度(b，单位：Pa/s)和涡度(c，单位：10-5 s-1)沿110 °E的垂直剖面

湛江多普勒雷达0.5 °仰角反射率因子产品显示，2008年8月6日下午，粤西受0809号强热带风暴“北冕”外围大范围螺旋雨带覆盖。16:08，湛江廉江西南部有对流风暴发展(标识为单体A)，此时反射率因子较弱，为45 dBZ左右，对应径向速度上无明显速度对(图略)。16:14，对流风暴加强，最大反射率因子为50 dBZ，对流单体A前、后侧均有存在入流缺口(图 7a₁)，对应后侧入流缺口处0.5 °仰角径向速度图上出现气旋性旋转的速度对，旋转速度约为13 m/s，距离雷达约85 km，底高约1.3 km(图 7b₁)，1.5 °及以上仰角速度图上无明显速度对(图略)。16:32，对流单体A南移进入遂溪界炮镇(图 7a₂)，速度对旋转速度略有减弱(图 7b₂)。16:38，对流单体A继续南移，速度对旋转速度增强至15 m/s，底高降至1.1 km，距离雷达约76 km(图 7b₃)，其核区直径(最大流入速度和最大流出速度之间距离) 约4 km，垂直涡度约为0.015 s^-1。16:44，对流单体强度A略有减弱(图 7a₄)，低层径向速度图上速度对旋转速度维持在15 m/s，其核区直径紧缩至1.5 km，垂直涡度增大至0.04 s^-1；并自动识别出TVS，切变值约为28 m/s，底高约1.0 km，距离雷达约73 km(图 7b₄)，界炮镇龙卷发生在16:44前后，位于TVS附近；随后对流单体A继续南移逐渐进入北坡镇，TVS消失。19 min后即17:03，对流单体A再次加强，最大反射率因子为55 dBZ(图 7a₅)，径向速度图上再次探测到TVS，切变值为28 m /s，其垂直涡度约为0.09 s^-1，底高约0.98 km，距离雷达约69 km(图 7b₅)，导致了北坡镇龙卷的发生；之后对流单体A继续南移，中气旋结构被破坏。另外，从17:03的雷达观测还可以看到，在对流单体A的最西北侧还有另一新生对流单体发展(标识为单体B)(图 7a₅)，最强反射率因子为54 dBZ，对应径向速度图上没有明显速度对(图 7b₅)。17:21，对流单体B南移影响港门镇北部，强回波范围明显增大，逐渐发展为微型超级单体风暴，其前、后侧均出现入流缺口(图 7a₆)，对应后侧入流缺口处径向速度上出现明显气旋性速度对，旋转速度约12 m/s，底高约1.2 km，距离雷达约84 km(图 7b₆)。17:33—17:39，对流单体B继续南移，速度对强度明显加强，连续两个体扫雷达自动识别出中气旋(图 7b₇、图 7b₈)，旋转速度为15~18 m/s，底高约1.2 km，距离雷达约80 km，中气旋直径约3.5 km，垂直涡度约为0.02 s^-1，中气旋比较深厚，向上伸展至6.6 km(图略)。17:51，对流单体B继续南移，后侧入流缺口更加明显(图 7a₉)，中气旋旋转速度维持在18 m/s，其核区直径(最大流入速度和最大流出速度之间距离)紧缩至1.5 km，垂直涡度增大至0.048 s^-1，且中心出现像素到像素的切变(图 7c)，切变值约36 m/s，导致港门镇龙卷的发生；由于中气旋及像素到像素的切变仅向上伸展至1.5 °仰角，该时刻雷达未能自动识别出中气旋及TVS。微型超级单体风暴B和中气旋一直持续到18:03前后，之后对流单体B继续南移减弱，中气旋结构被破坏(图略)。

图 7

图 7 2008年8月6日16:14—17:51湛江雷达0.5 °反射率因子(a)和径向速度图(b)及图b9的放大图(c) 黑三角形为龙卷触地位置，黑圈为中气旋，蓝圈为TVS，白圈为雷达识别的中气旋，白倒三角形为雷达识别的TVS。

综合以上分析，界炮镇、北坡镇龙卷为同一个对流风暴产生，港门镇龙卷为另一个微型超级单体产生，界炮镇、北坡镇、港门镇龙卷发生时均对应有TVS，且龙卷均出现在TVS附近。说明台风外围螺旋雨带中的龙卷具有跳跃性和反复触地的特征，并且可能有多个龙卷出现。

为了进一步揭示龙卷母体风暴的结构，分别分析北坡镇龙卷、港门镇龙卷触地时刻(17:03、17: 51)风暴的垂直剖面(沿图 8a中的白线)和三维结构(沿图 8a中的白方框)。发现两个龙卷母体风暴单体均存在较明显的回波悬垂与弱回波区，表明低层有较强的西北气流入流，北坡镇龙卷母体风暴发展高度不高，回波顶高在7 km以下，40 dBZ以上强回波高度在5 km以下(图 8b₁)，属于低质心的对流风暴，而港门镇龙卷母体风暴整体发展高度可达15 km以上，40 dBZ以上强回波在14 km以上(图 8b₂)，属于高质心的对流风暴，并呈现出较明显的钩状回波特征。回波三维结构更清晰显示，两个龙卷母体风暴均向西北方向倾斜(图 8c₁、图 8c₂)。

图 8

图 8 2008年8月6日17:03和17:51湛江雷达0.5 °反射率因子(a)、回波沿图a中白色实线垂直剖面(b)及沿图a中白色方框内的三维结构(c)

以往研究表明，台风龙卷母体风暴多呈现出低质心特征^{[14, 20]}，但在强的垂直风切变环境中，可出现非超级单体风暴或超级单体和非超级单体混合型风暴^[31]。此次过程，界炮镇与北坡镇龙卷母体风暴的质心高度和强回波高度较低，具有热带对流回波的特征；该风暴发展及演变过程中，径向速度图上，没有出现严格意义上的中气旋，雷达也未自动识别出中气旋，仅有两个体扫识别出TVS，该龙卷母体风暴更接近非超级单体风暴或类超级单体风暴特征。而港门镇龙卷母体风暴在发展过程中，径向速度图上出现中气旋，雷达在17:33、17: 39有自动识别出中气旋，且具有明显钩状回波、有界弱回波区、明显回波悬垂等特征，因此该龙卷母体风暴具有西风带超级单体风暴或大陆性超级单体风暴特征，所以其质心高度和强回波高度较高。两个龙卷母体风暴的不同属性造成各自的发展高度不同，这也增加了龙卷监测预警的复杂性。

利用常规气象观测、ERA5再分析资料、湛江多普勒天气雷达等资料，分析了2008年8月6日发生在台风“北冕”外围环流中的湛江市遂溪县系列龙卷的环境场特征和雷达观测等特征，主要结论如下。

(1) 此次龙卷过程发生时，台风中心位于下川岛西侧的南海北部海面，强度维持在强热带风暴级，系列龙卷出现在台风“北冕”前进方向正前侧和台风中心的偏西象限，距离台风中心约290 km，强度为EF1级，属于弱龙卷。

(2) 产生本次系列龙卷的超级单体风暴出现在台风“北冕”中心西侧的强偏北急流中，与均发生在台风中心偏东侧东南急流中的广东珠三角台风外围龙卷存在明显差异，但同样具有低层辐合、高层辐散、充足低层水汽等典型台风外围龙卷环流形势特征，龙卷发生在偏北急流轴左前侧的低层正切变涡度区和低层辐合区。遂溪北部河流入海口形成的三角洲“喇叭口”地形，不仅使得台风西侧的偏西北气流在此处汇聚抬升，产生气旋式旋转的辐合气流，而且由于海、陆的风速差异可能使低空的垂直风切变加大，配合低层的辐合线等中小尺度系统，为龙卷的发生发展提供很好的动力和抬升触发条件。

(3) 低的抬升凝结高度、强的低空0~1 km垂直风切变和较大的风暴相对螺旋度等环境条件有利于本次龙卷母体风暴的发生发展。对大气的热力及动力条件等诊断分析表明，龙卷发生地附近处于低层强水汽辐合和对流不稳定区，散度场、涡度场及垂直速度场有较好的对应关系，低层强辐合、中高层强辐散及深厚的正涡度柱和整层强垂直上升运动及喇叭口地形配合为龙卷的发生发展提供了很好的动力条件。

(4) 雷达观测分析表明，3处龙卷致灾点由两个不同的龙卷导致。其中界炮镇龙卷和北坡镇龙卷为同一个低质心的对流风暴产生，属于同一个龙卷，而港门镇龙卷由另一个高质心的微型超级单体风暴产生，两个龙卷母体风暴在垂直结构上均向西北方向倾斜。界炮镇、北坡镇龙卷和港门镇龙卷均出现在母体风暴低层后侧入流缺口处，速度图上对应有低层中等强度中气旋和TVS，TVS具有跳跃性、与龙卷几乎同时出现，对龙卷预警没有提前量，中等强度中气旋较龙卷触地有约3个体扫的提前量，可以作为龙卷预警指标。