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龙卷为雷暴云底伸展至地面的漏斗云，是一种小尺度强烈的旋转风，其直径几十米到几百米，生命期几分钟到几小时，破坏力极强，但国内外对其预报预警水平很低[1-5]。大量研究表明，龙卷主要发生在线状对流系统和超级单体中。在中国龙卷高发区之一的苏皖平原，龙卷常发生于梅雨期雨带和台风螺旋雨带中，在这两种天气系统中，除了水汽、不稳定能量、触发机制等普通雷暴所需条件外，还有较低的抬升凝结高度、较大的对流有效位能、垂直风切变(尤其是0~1 km的垂直风切变)和较小的对流抑制能量的有效配置有利于龙卷的产生[6-11]。江苏对苏皖平原地区梅雨期龙卷进行了观测分析，表明其常发生于地面中尺度气旋右侧附近，对流层低层低涡右下方和低空急流左后侧之间的区域，与台风龙卷发生位置有较大区别[12-14]。
龙卷时空尺度较小，尤其是发生在夜间或伴随大片雨区时的龙卷，常规地面观测站的观测能力不足，对其观测和认定较为困难。多普勒雷达观测范围大、观测时间和空间分辨率高，对龙卷观测和预警有一定的指示作用[15-16]。近年来，随着双偏振雷达在沿海地区的安装部署，广东、上海等地对热带气旋龙卷的研究逐渐增多，统计显示1/3登陆的热带气旋伴随龙卷生成，且龙卷常发生于热带气旋中心的东北象限500 km以内[17-18]。安徽2018年开始对阜阳、蚌埠等雷达进行了双偏振雷达改装，不仅能探测到强风暴更精细的反射率因子、速度场等结构，而且还能提供三个基本产品：零阶滞后相关系数(ρhv(0)，以下简称CC)、差分反射率(简称ZDR)、差分相移率(简称KDP)产品。当双偏振雷达探测到龙卷碎片特征(简称TDS)时，则可以确认地面龙卷的发生[19-21]。2020年安徽省遭遇罕见超长梅雨，期间7月22日安徽省宿州市埇桥区祁县镇遭受龙卷袭击。蚌埠双偏振雷达距离龙卷约70 km，探测到了这次梅雨期龙卷过程，本文能够在之前研究的基础上，分析观测到的龙卷新特征，增强对龙卷的精密探测能力，提升对龙卷的短时临近预警水平，加强灾害性天气防灾减灾能力。
2 资料与方法本文所用资料包括: 2020年7月22日08:00—20:00(北京时间，下同)安徽省地面自动观测站常规观测资料，时间分辨率5 min；蚌埠和阜阳站双偏振雷达资料，时间分辨率平均约6 min，空间分辨率1 °×250 m；阜阳和徐州站探空资料，时间分辨率为12 h；以及欧洲中心(ECMWF)再分析资料，空间分辨率为0.25 °×0.25 °。使用常规观测资料介绍龙卷实况，再利用天气学分析方法分析此次超级单体龙卷风暴产生的天气背景，最后探讨龙卷发生时双偏振雷达观测特征量，为双偏振雷达监测龙卷积累经验。
3 天气实况2020年7月22日17:50左右，安徽省宿州市埇桥区祁县镇出现龙卷天气，龙卷自西向东方向移动，移动路径全长约60 km，持续时间近1小时，导致沿途多个乡镇受灾。蚌埠双偏振雷达捕捉到此次龙卷过程(图 1a)，其中气旋产品和龙卷涡旋特征(简称TVS)产品与龙卷实际发生时间和发生位置基本吻合。龙卷破坏性极强，破坏范围长度长但宽度较窄。安徽省气象局通过现场调查和气象资料分析发现(图 1b)，龙卷路径途径玉米地，留下清晰的痕迹；移动路径右侧杨木林大片被刮倒或扭断，倒伏方向不规则，而左侧杨木林受影响较小；居民区有铁皮棚顶脱落，判定此次灾害为龙卷气象灾害，强度为EF2级。此次龙卷过程伴随短时强降水，多个站点雨强超过20 mm/h，最强为宿州市西二铺乡，雨强达46 mm/h。由于此次龙卷经过地区多为野外农田地区，并未直接经过地面观测站，芦岭站距离龙卷路径最近，极大风速为22.9 m/s。
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图 1 龙卷路径示意图(a)和龙卷路径航拍(b) |
此次龙卷过程发生于梅雨期，7月22日08时高空环流(图 2a)显示，500 hPa高度场上副热带高压控制我国华南地区，西伸脊点在广西北部，西北界位于沿长江一带。5 840 gpm线经过安徽省淮北地区，与5 880 gpm线距离较近，导致500 hPa安徽省淮北地区风速较大。阜阳站探空资料显示500 hPa风速达40 m/s，500 hPa风速达到此数值为历史罕见(再分析资料和雷达反演速度为24 m/s)。检查前后时次阜阳探空站500 hPa风速均超过26 m/s，而22日20时下游地区射阳站500 hPa风速达到30 m/s(图略)，可以判定该时次阜阳站探空500 hPa风速很强。850 hPa在河南中部有低涡，暖式切变线位于安徽北部和山东南部，冷式切变线从河南南部延伸至湖北北部。低涡和切变线南侧有西南急流，急流轴与副高边界基本重合，中心最大风速超过22 m/s，低空急流为安徽北部地区输送能量和水汽，并为强对流天气提供抬升动力。925 hPa水汽条件非常好，安徽北部地区比湿达18 g/kg，上游地区比湿超过20 g/kg。图 2b为此次梅雨期龙卷背景概念模型，龙卷初生地在超低空急流和高空急流交界的西北象限，位于冷锋、暖锋和高空急流围成的三角形区域内，其与美国大龙卷风暴爆发天气条件概念模型非常相似[22]。同时也位于地面气旋右侧附近，对流层低层低涡右下方和低空急流出口区左前侧区域，与我国梅雨期龙卷发生概念模型相似[13-14]。
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图 2 7月22日08时环流分析500 hPa高度场、850 hPa风场和925 hPa比湿场(a)和龙卷背景场概念模型(b) |
22日08时阜阳站探空资料(图 3a)显示，地面为东南风，低空迅速转为偏南风，风随高度顺时针旋转；底层风速较大，925 hPa偏南风风速达22 m/s，上游地区安庆站和武汉站925 hPa温度均为27 ℃，下游地区徐州站925 hPa温度约为20 ℃，暖平流显著，形成平流逆温。此时地面温度为24 ℃，逆温层顶高度约950 hPa，温度为27 ℃，有助于当日能量积攒。低空湿度较大，925 hPa以下露点温度均大于20 ℃，抬升凝结高度(LCL)仅为158 m，非常有利于触发强对流天气。当日08时阜阳站上空CAPE仅157 J/kg，大气不稳定能量较弱；但K指数达到35.5 ℃，表明对流层中下层的高低空温差大，并且水汽条件较好。使用14时温度、气压和露点对其订正(图 3b)，CAPE显著增强达到2 243 J/kg，此时安徽北部地区热力条件、水汽条件和动力条件均有利于强对流产生。
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图 3 22日08时阜阳站探空(a)、14时地面温度订正的阜阳站探空(b)、阜阳雷达VWP风场(c)和蚌埠雷达VWP风场(d) |
垂直风切变的大小与形成风暴的强弱密切相关，对于龙卷风暴来说，垂直风切变非常重要，尤其是底层0~1 km的垂直风切变，一般要超过10 m/s[5-6, 23]。22日08时阜阳站探空显示，0~6 km垂直风切变高达39 m/s，0~1 km垂直风切变达到24 m/s。阜阳雷达站风廓线资料(图 3c)显示08时近地面为东南风，风速为12 m/s，1 km附近转为西南风，风速为20 m/s，0~1 km垂直风切变为18 m/s，0~6 km垂直风切变为26 m/s。蚌埠雷达站风廓线资料(图 3d)显示，22日08时0~1 km垂直风切变为15 m/s，午后近地面风场顺时针转为偏南风，而1.5~2.7 km高度上的西南风逐渐增强，0~1 km垂直风切变维持于10~15 m/s。探空资料和雷达风廓线资料均显示，22日安徽北部地区垂直风切变异常偏大，是此次龙卷过程环流场最明显的特征。
5 双偏振雷达产品分析 5.1 龙卷碎片特征(TDS)分析22日17:50左右龙卷被当地居民观测到，随后在17:58蚌埠双偏振雷达产品中也有一些龙卷特征。0.5 °仰角基本反射率因子图中(图 4a)有明显的钩状回波，最强反射率因子为57 dBZ。龙卷发生于钩状回波头部，与TVS位置接近，该处反射率因子为50 dBZ。对比不同仰角反射率因子，发现反射率因子强回波带有明显的前倾，有回波悬垂。TVS上空3.3 °仰角处的反射率因子已经低于45 dBZ。此时超级单体45 dBZ最高伸展高度约为7 km，与冰雹、雷暴大风或者西风带孤立超级单体龙卷相比，此次龙卷风暴的伸展高度并不高。径向速度图(图 4c)中，识别出中气旋旋转速度为21 m/s，接近强中气旋级别。17:58雷达识别出的TVS位于中气旋内部西侧，其相邻速度分别为15.5 m/s和-19.5 ms/，龙卷切变速度达35 m/s，TVS距离雷达约70 km，0.5 °仰角的波束中心距离地面约1 km，距离地面较近。抬高雷达仰角(图 4d)发现，TVS随着高度向东倾斜，切变速度超过38 m/s。
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图 4 2020年7月22日17:58蚌埠雷达基本反射率因子(a.0.5 °仰角，实线为0.5 °仰角反射率因子45 dBZ和50 dBZ等值线，三角形标识为0.5 °仰角上TVS位置，黑色圆圈为中气旋位置，下同；b.1.5 °仰角)和径向速度图(c.0.5 °仰角; d.1.5 °仰角) |
除了反射率因子和径向速度产品，双偏振雷达还能提供CC、ZDR和KDP产品，当龙卷漏斗云生成并及地后，能将杂物碎片卷到空中，碎片运动方向随机，形状不规则，并有较大的尺寸和高介电常数，能够产生高反射率因子(ZHH)，低的ZDR和异常低的CC，这些特征统称龙卷碎片特征(TDS)[17-18]。
图 5a为17:58时0.5 °仰角ZDR产品，TVS附近ZDR值较低，处于0 dB附近，而周边ZDR值则大多高于0.5 dB，形成ZDR相对较低的区域；钩状回波反射率因子前侧有数值超过2 dB的ZDR高值弧，对应于钩状回波前侧的强上升气流。1.5 °仰角上，ZDR高值区向钩状回波头部倾斜，ZDR高值中心位于钩状回波的弱回波区上空，表明钩状回波弱回波区附近有倾斜的强烈上升气流。图 5c为0.5 °仰角CC产品，TVS附近CC值异常偏低，TVS对应的相邻像素点CC值仅有0.7，远小于正常的大气水凝物粒子所对应的CC值。而1.5 °仰角CC产品中，TVS东侧也有个CC异常低值区，中心值低于0.9，龙卷碎片可能被卷到高空2 km以上从而出现TDS特征，也表明此次龙卷强度较强。并且该CC异常低值区持续时间较长，18:15时仍然存在CC低值中心(表 1)。
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图 5 2020年7月22日17:58蚌埠雷达ZDR产品(a.0.5 °仰角；b.1.5 °仰角)、CC产品(c.0.5 °仰角；d.1.5 °仰角)和KDP产品(e.0.5 °仰角；f.1.5 °仰角) |
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表 1 蚌埠双偏振雷达龙卷特征量 |
图 5e和5f为底层2个仰角的KDP产品，该时刻KDP大值区与强反射率因子基本保持一致，钩状回波头部区域KDP值不高，大多低于1 °/km，而尾部区域KDP值较高，大值中心超过3.1 °/km。TVS附近CC值异常偏低导致KDP产品较为缺测。KDP大值区与此次龙卷过程中伴随的强降水区域比较匹配，其对于强降水有较好的指示作用，但对龙卷天气指示意义较弱。对比0.5 °仰角KDP产品和ZDR产品发现，超级单体中反射率因子值均较高，但ZDR产品和KDP产品的高值区并不一致，分别位于钩状回波前部和后部，表明钩状回波内部水凝物粒子大小、形状、数量并不一致，其内部物理过程等仍需要进一步研究。
5.2 龙卷过程中双偏振雷达观测分析17:35时0.5 °仰角的反射率因子产品观测到钩状回波(图 6a1)，中心最强反射率因子超过55 dBZ。钩状回波头部附近出现中气旋(图 6a2)，速度对呈气旋式辐合状，旋转速度为17.5 m/s，距离雷达约82 km，直径约为4 km(表 1)，中气旋底高约1.1 km，属于中等强度中气旋。17:58之前中气旋强度变化不大，但直径逐渐增大，底高逐渐降低(表 1)。钩状回波前侧ZDR值明显偏大(图 6a3)，形成ZDR高值弧，中心最强超过4 dB，此时钩状回波前部存在强烈上升气流，ZDR高值弧的范围和强度一直持续到17:52。CC值均较大，超过0.97(图 6a4)，表明大气中粒子基本为水凝物粒子。随后，强回波逐渐向东偏北移动，钩状回波特征越来越显著，到17:58时强回波区呈现出经典的超级单体钩状回波(图 6c1)。中气旋旋转速度突然增大，直径开始减小，底高降低到0.9 km，并且TVS切变速度突然增强至35 m/s。ZDR弧的强度和范围明显缩小(图 6c3)，ZDR高值中心强度为1.5~2.0 dB，即发生龙卷时ZDR弧中心值降低。CC产品在钩状回波头部区域出现低于0.7的低值区(图 6c4)，此时地面已有目击者在钩状回波头部附近观测到龙卷。18:09时钩状回波头部与主体距离拉近并相连(图 6d1)，TVS出现在钩状回波头部(图 6d2)，与弱回波区接近。中气旋旋转速度达到24.5 m/s，达到强中气旋级别，水平直径缩小到4 km，0.5 °仰角的中气旋直径减小；TVS切变速度为37 m/s，达到峰值，位置靠近中气旋中心。钩状回波头部和弱回波区之间有ZDR值低于0 dB的低值中心(图 6d3)，CC值也低于0.85(图 6d4)，其产生的原因可能是龙卷旋转较强，有强烈的惯性离心力；同时周边上升气流较强，空中有水凝物粒子并伴有地面卷起的杂物；而龙卷中心可能有下沉气流，与周边强上升气流相互影响，导致龙卷范围内水平运动和垂直运动非常复杂，从而出现ZDR和CC低值中心。超级单体回波持续到18:20，之后中气旋和TVS的切变速度逐渐减弱，CC值恢复到0.97以上(图 6e1~6e4)，表明龙卷碎片在空中持续时间较长，可能达到22 min。
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图 6 2020年7月22日17:35—18:20蚌埠雷达0.5 °仰角反射率因子(a1~e1)、径向速度(a2~e2)、ZDR(a3~e3)和CC(a4~e4)产品 |
为了进一步研究龙卷超级单体的结构及其生消过程，在图 6反射率因子钩状回波附近沿AB红线，对反射率因子产品、ZDR产品和CC产品做垂直剖面(图 7)。反射率因子剖面图显示(图 7a1~7e1)，此次龙卷超级单体风暴在钩状回波附近发展高度不高，45 dBZ以上的强回波伸展高度基本都在7 km以下，呈现出低质心的特点。在龙卷发生前(图 7a1、7b1)，反射率因子剖面图有明显的回波悬垂结构；悬垂结构中3~5 km高度上的ZDR值较大(图 7a2、7b2)，中心值超过2.5 dB，上升运动显著；CC值则基本在0.95以上(图 7a3、7b3)，以水凝物粒子为主。17:58时，龙卷发生在图中黑色圆圈处(图 7c1)，位于钩状回波头部强反射率因子区域；此处ZDR值较小(图 7c2)，介于0.5~0.8 dB之间，而钩状回波弱回波区对应的ZDR值较大，中心值达到2.5 dB，表明龙卷发生时，垂直方向上的强上升区与龙卷发生地并不重叠，强上升区介于龙卷与钩状回波本体之间；CC值也较小(图 7c3)，低值区位于2 km左右，表明龙卷碎片可能出现在2 km的高度上，也说明此次龙卷强度较强。18:09时龙卷位于钩状回波前侧反射率因子梯度大值区(图 7d1)，距离弱回波区更近，并且与ZDR值、CC值的低值区距离更近(图 7d2、7d3)；此时中气旋直径与17:58相比显著缩小(表 1)，0.5 °和1.5 °仰角上的TVS的倾斜度降低。即龙卷刚发生时，龙卷与强上升气流之间有一定的距离，而随着龙卷持续，中气旋直径缩小，龙卷与强上升气流之间的距离逐渐缩小。到18:20时，强回波伸展高度降低到5 km以下(图 7e1)，ZDR产品和CC产品剖面图中龙卷碎片特征消失，龙卷可能减弱并逐渐消亡。
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图 7 2020年7月22日17:35—18:20蚌埠雷达反射率因子(a1~e1)、ZDR(a2~e2)和Cc(a3~e3)产品沿图 6反射率因子图中AB红线的剖面 |
通过对2020年7月22日安徽省宿州市龙卷的现场灾情调查，并利用地面区域自动气象站、探空资料、欧洲中心再分析资料、蚌埠和阜阳站S波段双偏振雷达资料，分析此次超级单体龙卷风暴的天气背景条件，并探讨龙卷发生时双偏振雷达观测特征。
(1) 龙卷于17:50之后触地，有目击者观测到龙卷漏斗云，17:58分观测到TDS，随后自西向东方向移动，移动路径全长约60 km，持续时间近1小时，强度为EF2级，并伴随短时强降水过程。
(2) 龙卷发生于梅雨期，在地面锋面和高空急流围成的区域内，位于超低空急流和高空急流交界的西北象限。探空显示，底层湿度较大，抬升凝结高度为158 m，K指数为35.5 ℃，CAPE值为2 243 J/kg，各项指数均有利于强对流天气产生。而环境风速强，0~1 km和0~6 km垂直风切变异常偏大，是此次过程大气环流背景场中最明显的特征。
(3) 蚌埠雷达站距离龙卷发生地约70 km，最低仰角波束中心高度约1 km，对龙卷过程进行了较完整的观测。雷达探测到超级单体钩状回波，中心反射率因子超过55 dBZ，但伸展高度偏低，45 dBZ伸展高度约7 km；35 m/s的TVS位于中气旋内部西侧，中气旋底高为0.9 km。当龙卷发生于钩状回波的头部时，中气旋和TVS突然增强，直径缩小，底高降低；随后TVS向中气旋中心靠近，即钩状回波头部反射率因子梯度大值区。
(4) 龙卷发生前，钩状回波前侧有超过2 dB的ZDR弧，中心最强超过4 dB，并随高度向前倾斜，斜上升气流显著。龙卷发生时，钩状回波前侧ZDR高值弧的强度和范围逐渐缩小。TVS附近ZDR偏低，维持于0 dB附近；CC异常偏低，仅有0.7；TDS伸展高度超过2 km。
此次过程中，ZDR和KDP产品的高值区分别位于钩状回波前部和后部，表明钩状回波内部水凝物粒子大小、形状、数量分布较为复杂。其中KDP对于强降水有较好的指示作用，对龙卷的指示意义较弱。目前，国内使用业务运行中的双偏振雷达对龙卷的观测研究尚少，本文使用蚌埠双偏振雷达业务运行后观测到的资料，对此次龙卷过程进行了观测和初步探讨。由于双偏振雷达观测到的是大气中实际存在的粒子，对龙卷的识别和判定有一定优势，尤其是夜间或是郊区缺少地面观测站的地区，双偏振雷达观测优势更加显著。
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