2022, Vol. 42
2. 日照市气象局，山东 日照 276800;
3. 山东省人民政府人工影响天气办公室，山东 济南 250031;
4. 山东省气象台，山东 济南 250031;
5. 莒县气象局，山东 莒县 276500;
6. 山东省气象科学研究所，山东 济南 250031
2. Rizhao Meteorological Bureau, Rizhao 276800, China;
3. Weather Modification Office of Shandong Province, Jinan 250031, China;
4. Shandong Meteorological Observatory, Jinan 250031, China;
5. Juxian Meteorological Bureau, Juxian 276500, China;
6. Shandong Institute of Meteorological Sciences, Jinan 250031, China
龙卷是破坏力极强并伴有猛烈旋转的小尺度涡旋，多发生在超级单体风暴中，常与冰雹、短时强降水一起发生。因龙卷尺度小、局地性强、持续时间短，目前的探测手段和预报技术很难观测到其瞬变信息和做出较为准确的预报、预警，因此龙卷极易造成重大财产损失和人员伤亡[1]。
国内外很多专家[2]对龙卷进行了专项研究。薛德强和杨成芳[3]对山东50年的龙卷气候特征进行了分析，指出山东龙卷存在明显的季节特征，多发生在夏季(占74.3%)，午后到傍晚是龙卷发生的主要时段，龙卷持续时间较短，多数龙卷仅仅维持几分到十几分钟。俞小鼎等[4]利用雷达反射率因子、速度场以及环流背景场对产生龙卷的特征进行了分析，指出中气旋一般超前于龙卷，如果中气旋达到中等强度以上且底部到地面距离小于1 km，就容易产生龙卷，当中等强度以上的中气旋和龙卷涡旋特征(tornadic vortex signature, TVS)同时被探测，产生龙卷的概率将达到50%以上。郑媛媛等[5-6]研究表明，小型超级单体风暴中存在发展高度较高的中气旋且风暴质心位于风暴的下部时易发生龙卷。朱君鉴等[7]、项阳和吴林林[8]指出，龙卷发生前，小型超级单体风暴出现中气旋顶高跃增、最大切变量高度骤降现象，龙卷发生时，中气旋顶高骤降、风暴低层反射率因子呈钩状回波特征且风暴南侧具有明显的入流缺口。刁秀广等[9]对台风“温比亚”和“摩羯”环流中的龙卷小尺度涡旋特征进行了研究，指出大的相对风暴螺旋度、强的低层垂直风切变和低层高湿是两次台风环流中发生龙卷的关键物理量。周淑玲等[10]从天气学角度入手，指出较低的正涡度中心对龙卷的发生具有一定的指示意义。
2019年8月16日下午，日照西北部出现多个对流单体，经过数次合并后形成超级单体风暴，诱发龙卷，并伴有小冰雹和短时强降水天气，龙卷引发日照近海海域的沉船事件，造成了多人伤亡和重大经济损失。本文利用常规观测资料、地面区域自动气象观测站(以下简称“区域站”)5 min间隔的高时间分辨率资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料，分析了此次龙卷天气发生发展的中尺度天气系统、环境条件；使用与距沉船地最近的连云港(相距75 km左右)多普勒天气雷达资料并结合青岛、临沂(相距95 km左右)多普勒天气雷达资料，探讨了造成沉船事件的超级单体风暴的结构、中气旋(用“M”表示)、龙卷涡旋特征等参数的演变情况，以期积累预报经验，为日照龙卷的预报预警提供参考依据。
1 龙卷概况及灾情2019年8月16日17:00—18:10(北京时，下同)，受强对流天气影响，日照的东港区、开发区部分乡镇遭受大风、短时强降水和冰雹袭击，造成船舶倾覆、房屋倒塌、玉米倒伏、树木受损等灾害，其中东港区的南湖镇、日照街道和开发区的奎山街道、北京路街道的部分地区及日照近海海域遭受龙卷袭击，造成天津航道局在日照港石臼港区南作业区的一艘河北籍船舶倾覆，船上9人有7人遇难，2人失联。分析日照区域站和商船监测的极大风速(图 1a)可知，17:00—18:00东港区的南湖镇、日照街道、石臼街道和开发区的奎山街道、北京路街道出现8级以上大风，其中日照港区域站18时监测到极大风速为34.6 m ·s-1(12级)，17:50—18:05，日照近海多艘商船先后监测到50 m ·s-1(15级)以上的极大风速(商船数据来源于日照市海上搜救中心)。据区域站1 h降水资料(图 1b)，17:00—18:00，东港区的西湖镇、南湖镇、日照街道、石臼街道和开发区的奎山街道、北京路街道出现20 mm以上的短时强降水，最大出现在奎山镇，为45.6 mm。
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图 1 2019年8月16日17—18时日照极大风场(a，红色箭头为龙卷影响路径，色阶表示风速)和1 h降水量(b，色阶表示降水量) Fig.1 Extreme wind field (a, red arrow for impact path of tornado, color scale for wind speed) in Rizhao from 17:00 BST to 18:00 BST 16 August 2019 and 1-h precipitation (b, color scale for precipitation) |
分析雷达资料、区域站资料发现，此次龙卷是由地面γ中尺度涡旋触发的超级单体风暴造成的，单体所经区域的地面风场上具有明显的气旋式旋转，在风暴移动方向右前侧的低层强反射率因子具有入流缺口和钩状回波等特征。据调查，16日17:40—18:00是地面龙卷发生的主要时段，龙卷自西北向东南方向移动，全程约20 km，影响宽度为0.1~0.5 km。根据房屋损坏、树木扭断的程度，并结合雷达回波特征、周边区域站和船舶观测站监测到的资料以及视频资料，判定该龙卷的强度等级为EF2级[11]。
2 天气背景特征 2.1 天气形势2019年8月16日08时，500 hPa图(图 2a)上，新疆到贝加尔湖有强盛的高压脊，高压脊前存在明显的东北冷涡，温度槽略微落后于高度槽，南北向的高空槽自冷涡经鲁中伸到江苏西部，高空槽在东移过程中略有发展，其后侧的西北气流引导冷空气源源不断扩散南下，导致日照中高层较冷。700 hPa图(图 2b)上，东北冷涡强度有所减弱，但由风场来看，气旋式环流仍然较为明显，高空槽自冷涡伸向河套中东部，槽后较大的西北风与等温线近似垂直，冷平流较强，该层高空槽落后于500 hPa高空槽，前倾结构较为明显。850 hPa(图 2c)显示，偏北气流与偏西气流交汇于35°N附近，形成一条近乎东西向的切变线，切变线南侧的西到西南暖湿气流源源不断地向鲁南输送水汽和不稳定能量，同时有t≥22 ℃的暖脊伸向日照。925 hPa(图 2d)切变线也位于35°N附近，但是切变线明显东伸，东段已经伸到日照北部。由形势场来看，日照整层大气呈现明显的上冷、下暖湿配置，易产生龙卷等强对流天气[12-16]。
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图 2 2019年8月16日08时高空形势(a. 500 hPa，b. 700 hPa，c. 850 hPa，d. 925 hPa)、16日20时—17日08时船舶倾覆地的上空风和温度平流时序图(e)以及17:02—18:02临沂雷达风廓线产品(f) Fig.2 Synoptic chart at 500 hPa (a), 700 hPa (b), 850 hPa (c), and 925 hPa (d) at 08:00 BST 16, time sequence diagram (e) of wind and temperature advection over the capsizing place from 20:00 BST 16 to 08:00 BST 17, and wind profile (f) from Linyi radar from 17:02 BST to 18:02 BST 16 August 2019 |
图 2e是利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料绘制的15日20时—17日08时翻船地上空的风和温度平流时序图。分析图 2e发现，16日08时，700 hPa以下，风向随高度顺时针旋转有暖平流，700 hPa以上，风向随高度逆时针旋转有冷平流，表明该地区上空存在上冷下暖的不稳定形势。14时，暖平流自地面上升到500~400 hPa之间，500 hPa之上转为冷平流；进一步分析发现，14时较08时，事发地上空整层风速加大，高层冷平流和低层暖平流均有所增强，尤其是高空的冷平流增强更为明显，导致上下层的差动温度平流增大、不稳定性增强。20时，高空冷平流明显减弱，暖平流仅存在于850 hPa以下且强度减小，上下层的差动温度平流明显减弱。
由地面实况图和雷达图(图略)对比发现，产生龙卷的中尺度辐合线影响临沂雷达站和日照龙卷发生地的时间基本一致，因此，可以利用临沂雷达站的风廓线产品分析龙卷发生地上空的环境风演变情况。图 2f是17:02—18:02临沂雷达的风廓线产品，分析发现，龙卷发生前，0~6 km风随高度顺时针旋转有暖平流存在，6 km以上风随高度逆时针旋转，存在冷平流，上冷下暖的形势较为明显，表明大气较不稳定。龙卷发生后(17:38之后)，近地面层风向转为西北风，1.2 km以下风随高度逆时针旋转，表明近地面有冷空气侵入，冷空气触发不稳定能量释放，产生较强的上升运动。分析高密度地面观测资料(图略)可以看出，17:30，临沂地面吹西南风，风速为3 m ·s-1，结合临沂雷达风廓线资料，计算出临沂上空0~6 km垂直风速差为17 m ·s-1，达到周后福等[17]统计的江淮地区龙卷风暴0~6 km的垂直风速度差(Δv≥16.5 m ·s-1)的要求。另外，在3.7~4.9 km高度上，17:50的风较17:30增大2~4 m ·s-1，表明中低空偏西急流加强，中低空垂直切变加大，导致气旋性涡度发展，为龙卷的产生、加强提供了有利的动力条件。
2.2 地面中尺度系统发展演变利用区域站5 min高时间分辨率观测资料，分析了影响龙卷天气的地面β中尺度辐合线的演变，重点分析产生此次龙卷的地面γ中尺度涡旋的生成、发展、演变过程。分析过程中，由于龙卷尺度较小，区域站布局相对稀疏，造成个别时次的地面γ中尺度涡旋在风场上表现得并不是特别完整，为此，结合雷达资料对γ中尺度涡旋进行定位。图 3为地面β中尺度辐合线和γ中尺度涡旋的演变过程，可以看出，16:00，地面β中尺度辐合线移到日照西北部，辐合线上出现γ中尺度涡旋，γ中尺度涡旋在向东南方向移动过程中逐渐加强、环流逐步完整。16:30，地面γ中尺度涡旋在风场上表现为较完整的气旋式环流。17:00，涡旋上的风速明显加大，辐合更加明显，地面γ中尺度气旋式环流非常完整。17:30，地面γ中尺度涡旋到达日照东南部，气旋式辐合达到最强，在此涡旋的触发下，不稳定能量迅速释放，产生强烈的上升运动，地面β中尺度辐合线上产生的多个单体合并成超级单体风暴，强风暴在东移过程中继续加强，17:40，日照开始出现龙卷天气。17:45左右，地面γ中尺度涡旋东移入海，之后龙卷开始影响日照近海海域，造成极端大风和船舶倾覆事件。19:00，地面β中尺度辐合线东移入海，此次强对流天气结束。
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图 3 2019年8月16日地面系统演变(虚线为地面β中尺度辐合线，“©”为γ中尺度涡旋) Fig.3 Evolution of surface system on 16 August 2019 (dot-dash line for meso-β scale convergence line on the ground, ©for meso-γ scale vortex) |
研究[17-20]表明，龙卷多产生在中层有冷空气侵入的不稳定大气中，其产生与较大的对流有效位能(convective available potential energy，CAPE)、较强的中低层垂直风切变(用“SHR”表示)和较低的抬升凝结高度(lifting condensation level，LCL)以及较暖湿的低层等密切相关。表 1为距龙卷发生地最近的青岛高空站16日08时的探空参数，根据曹钢锋等[21]统计，如果某地区850 hPa与500 hPa温度差Δt≥28 ℃，该地区产生强对流天气的可能性非常大，从表中可以看出，距离日照最近的青岛高空站探测到的Δt高达29 ℃。干暖盖指数(dry and warm lid strength，简记为Ls)是逆温层顶处的最大饱和湿球位温与地面至500 hPa气层中的湿球位温的平均值之差，此时青岛探空站的Ls为-38.4 ℃，干暖盖较强，有利于不稳定能量的积累和水汽的积聚[22]。表中的CAPE值是根据当日青岛站观测到的最高气温进行订正后的数值，订正后的CAPE值高达1 761.8 J ·kg-1，表明午后发生雷暴的可能性较大。根据廖晓农等[23]的研究，地面发生雷暴大风等强对流天气时，下沉对流有效位能(downdraft convective available potential energy，DCAPE) 较大，一般大于600 J ·kg-1，16日08时，青岛站的DCAPE值达到1 075.3 J ·kg-1，远远大于600 J ·kg-1。0~3 km的SHR达13.6 m ·s-1，0~6 km的SHR仅为14.2 m ·s-1，大的垂直风切变主要出现在中低层。925 hPa以下比湿超过10 g ·kg-1，990 hPa更是达到16 g ·kg-1，700 hPa减弱到3 g ·kg-1，表明近地面层较湿。LCL高度为933 hPa，高度较低，低于500 m，有利于龙卷产生[17]。以上分析表明，8月16日08时，日照附近上空Δt、CAPE、DCAPE、中低层SHR较大，LCL较低，近地面层较湿，Ls较强。
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表 1 2019年8月16日青岛探空站探空参数 Table 1 Sounding parameters from Qingdao Station on 16 August 2019 |
受地面β中尺度辐合线影响，16:00前后，有多个对流单体移到日照西北部，单体在向东偏南移动的过程中逐渐合并加强。为避免地物杂波等影响，选取距离龙卷发生地最近的连云港雷达3.4°仰角的反射率因子产品(图 4)来分析风暴单体的合并、增长过程。16:43(图 4a)，在莒县的北部、五莲县的中部有C1、C2两个发展较为成熟的风暴单体，同时，莒县中东部的风暴单体C3开始发展。之后，风暴单体快速东移，不断加强的风暴单体C3与开始减弱的单体C1逐渐靠拢，单体C2在东移过程中强度变化不大但反射率因子在50 dBZ以上的面积略有增大(图 4b)。17:16(图 4c)，单体C1迅速南落并与单体C3合并成单体C4，回波迅速增强，最大反射率因子达到70 dBZ，不断减弱的单体C2与新生成的单体C4到达东港区的北部，两单体的外边界已经重合。继续加强的单体C4移动明显快于逐渐减弱的单体C2，两单体在东移过程中逐渐靠拢，17:34(图 4d)，两个单体中心已经非常接近，50 dBZ以上回波面积迅速扩大。17:46(图 4e)，单体C2、C4中心合并成为成熟的超级单体C，单体C位于北京路街道，距离船舶倾覆地不到10 km。17:50后单体C入海，强度开始减弱。
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图 4 2019年8月16日连云港雷达3.4°仰角反射率因子(色阶；a. 16:43:28，b. 16:55:10，c. 17:16:02，d. 17:34:56，e. 17:46:40) Fig.4 Reflectivity at 3.4° elevation from Lianyungang radar on 16 August 2019 (color scale; a. 16:43:28 BST, b. 16:55:10 BST, c. 17:16:02 BST, d. 17:34:56 BST, e. 17:46:40 BST) |
龙卷是发生在较低高度的天气现象，因此低仰角的雷达资料更能揭示其回波特征。因17:58连云港雷达低层反射率因子缺测，为了更准确地揭示龙卷发生阶段低层回波强度的变化和龙卷最强时刻低层回波特征，对临沂雷达0.5°仰角的反射率因子产品进行分析。17:38(图略)，单体位于东港区的日照街道，最强回波为63 dBZ，回波右前侧出现弱的入流缺口和钩状回波。随着时间推移，回波略有增强，钩状回波变化并不明显，但入流缺口更加清晰。17:50，最强回波达65 dBZ。18:02(图 5，龙卷最强时刻)，最强回波减弱为59 dBZ，此时回波右前侧的钩状回波特征和入流缺口非常明显，表明此时风暴低层右前侧的上升气流非常强烈，对应着风暴低层左后方的强反射率因子区为强下沉气流区。下一个体扫，钩状回波和入流缺口消失，回波开始减弱，强天气逐渐结束。
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图 5 2019年8月16日18:02临沂雷达0.5°仰角反射率因子(色阶) Fig.5 Reflectivity (color scale) at 0.5° elevation from Linyi radar at 18:02 BST 16 August 2019 |
图 6是龙卷涡旋移动路径图，17:34之前连云港雷达缺少2个体扫资料，故无法探测单体风暴在该时段是否出现TVS，为更准确地显示TVS生成时间以及生成后的移动路径，图 6中17:34之前采用的是青岛雷达的资料。从图上可以看出，TVS最初出现于17:18，17:18—17:34，此时段单体并没有明显的合并，风暴移动主要以平流为主，在承载层气流的引导下，风暴快速向东偏南方向移动。17:34—17:46，此时段对流单体不断合并，传播在风暴的移动中作用增大，在传播和平流的共同作用下，风暴单体和TVS转向东南方向移动。17:52单体完全合并，TVS出现在船舶倾覆地偏东方向不到1 km的海上，此后，风暴单体在承载层的平均气流引导下缓慢向东偏南移动。17:58移到船舶倾覆地偏东约5 km处，下一个体扫TVS消失，龙卷过程基本结束。由分析可以看出，在整个风暴演变过程中，受传播和引导气流的影响，风暴的移动方向多次发生变化；首次探测到TVS(17:18)较地面龙卷发生(17:40)提前3个体扫，因此，此次地面龙卷具有一定的可预报性。
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图 6 TVS移动路径(白色倒三角为TVS) Fig.6 TVS moving path (white inverted triangle for TVS) |
为更准确地反映船舶倾覆时的低层气流结构特征，选用距离船舶倾覆地更近的连云港低仰角的雷达径向速度产品来分析龙卷致船倾覆时的低层气流特征。图 7是退速度模糊之后连云港雷达0.5°仰角的径向速度产品，图上叠加了中气旋(白色圆圈)产品和TVS(白色倒三角)产品。17:52(图 7a)，船舶倾覆地西侧出现一对相距10 km左右、气旋式旋转的正负速度对，退速度模糊后，最大出流速度为17.5 m ·s-1，最大入流速度达-32.5 m ·s-1，转动速度为25.0 m ·s-1，此时风暴距离雷达约75 km，根据中气旋判别标准[11]，该气旋判断为强中气旋。在强中气旋内部，识别出一个比强中气旋更小的旋转非常快的小尺度涡旋，表现为像素到像素的很大的风切变，相邻方位角的最大入流速度高达-32.5 m ·s-1，最大出流速度为7.0 m ·s-1，速度差(differential velocity，DV)达39.5 m ·s-1，呈现出明显的龙卷涡旋特征[11]，TVS距离翻船位置不到1 km，之后TVS向东偏南方向移动；17:58(图 7b)(此时刻约为地面龙卷最强时刻)，超级单体风暴中的最大出流速度为27.0 m ·s-1，退模糊速度后的最大入流速度为-37.0 m ·s-1，转动速度高达32.0 m ·s-1，强中气旋进一步加强。强中气旋内部速度相差最大的两个相邻方位角之间的最大入流速度为-37.0 m ·s-1，最大出流速度为0.5 m ·s-1，DV达到37.5 m ·s-1，TVS较上个时次略有减弱，此时TVS位于船舶倾覆地偏东约5 km。18:04(图略)，中气旋特征仍然较为明显，但是TVS特征已消失。
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图 7 连云港雷达0.5°仰角退模糊后的径向速度(a. 17:52，b. 17:58；白色圆圈为中气旋，白色倒三角为TVS，色阶为径向速度) Fig.7 Radar radial velocity (color scale) dealiasing at 0.5° elevation from Lianyungang radar at 17:52 BST (a) and 17:58 BST (b) (white circle for mesocyclone, white inverted triangle for TVS) |
日照超级单体风暴自形成到消亡，历时约2 h。图 8为旺盛阶段(16:51—18:02)临沂雷达探测到的日照超级单体风暴参数演变图，由图可以看出，此时段，风暴持续较强，平均最大反射率因子(用“DBZM”表示)为65.3 dBZ，最强达到68 dBZ。风暴顶高度(用“TOP”表示)平均为9.5 km，17:02，风暴顶突然跃增至12.3 km，持续两个体扫后骤降至9.0 km左右的高度，17:56，回波顶高再次突然下降至8.0 km高度附近。基于单体的垂直累积液态水含量(cell-based vertically integrated liquid，C-VIL)变化较大，17:08达到最大值，为80 kg ·m-2，17:14—17:44基本维持在60 kg ·m-2，之后线性下降，18:02突然下降到35 kg ·m-2。强中心高度(用“HT”表示)在17:08达到最高的7.9 km，之后波动性下降；17:38，HT快速下降至2.7 km左右，表明强天气已经出现在较低高度。之后HT一直维持较低高度；18:02(龙卷最强时刻)，HT突然下降至1.5 km左右，此高度是雷达在此地测到的最低高度。以上分析发现，风暴旺盛阶段，DBZM一直维持较大的数值，在龙卷发生前，出现C-VIL骤增、HT和TOP突然升高的现象，当地面产生龙卷，尤其是龙卷最猛烈期间，则呈现出C-VIL骤降、HT和TOP突然降低的特点。
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图 8 日照超级单体风暴参数演变 Fig.8 Evolution of parameters of supercell storm in Rizhao |
图 9为退模糊速度后临沂雷达探测到的龙卷风暴中气旋参数图，可以看出，整个龙卷过程中，中气旋顶部(用“M-TOP”表示)较高，高度在6.3 km以上。TVS出现前期(17:20—17:26)，中气旋底部(用“M-BASE”表示)距地面约3.6 km以上，M-TOP高度为6.3 km左右，中气旋厚度仅为2.7 km左右，较为浅薄，强中心(用“M-HGT”表示)出现在中气旋顶部且较弱。TVS出现中期(17:32—17:38)，M-BASE高度呈下降趋势，中气旋厚度开始增加，M-HGT和M-BASE重合。TVS出现后期即地面龙卷发生时段(17:44—18:02)，中气旋厚度超过5 km，已发展为深厚的中气旋，M-BASE快速下降到临沂雷达在中气旋处所能探测的最低高度(1.4~1.5 km)；M-HGT高度从17:38的3.8 km骤降到17:44的1.4 km左右，并且M-HGT与M-BASE基本重合，同时最大风切变(用“M-SHEAR”表示)迅速增大到约20×10-3 s-1。18:08之后，M-BASE和M-SHEAR所在高度迅速升高，气旋厚度变薄，龙卷逐渐消失。综上所述，在地面龙卷发生前，中气旋较薄，M-BASE高度较高，最大M-SHEAR较小且所在高度较高，M-HGT位置随时间变化较大，在M-BASE或M-TOP处都有可能出现；地面龙卷发生后，中气旋较为深厚，M-BASE迅速下降，最大M-SHEAR骤增且所在的高度迅速下降，M-HGT和M-BASE的高度非常接近，多数时间重合。
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图 9 龙卷风暴的中气旋参数演变(黑线下端为中气旋底部高度M-BASE，黑线上端为中气旋顶部高度M-TOP) Fig.9 Evolution of parameters of mesocyclone in tornado storm (lower end of black line for base of mesocyclone M-BASE, upper end of black line for top of mesocyclone M-TOP) |
(1) 东北冷涡和地面辐合线是此次龙卷天气的主要影响系统，地面辐合线和其上的γ中尺度涡旋在显著深厚湿对流潜势下触发对流，初生对流单体在较大的CAPE和较强的0~3 km垂直风切变的条件下演变成超级单体，在较强的中低层垂直风切变、较低的LCL和较暖湿的低层环境下，超级单体风暴中的强中气旋导致龙卷的产生。
(2) 影响此次龙卷风暴移动的因子在不同时段有所不同。前期风暴移动以平流为主；风暴单体合并过程中，传播对风暴的移动作用增大，风暴移动受传播和平流的共同作用；单体完全合并后，风暴的移动主要受平流影响。
(3) 龙卷出现前，强中气旋厚度较薄，M-BASE和M-TOP高度较高，最大M-SHEAR较小且所在高度较高。龙卷发生后，强中气旋的厚度变厚，旋转增强，最大转动速度高达32 m ·s-1；M-HGT和M-BASE高度骤降且位置基本重合；最大M-SHEAR跃增后维持较高数值且所在的高度迅速下降；低层回波的右前侧出现钩状回波特征和入流缺口。
(4) 雷达识别出龙卷涡旋特征(TVS)较地面发生龙卷提前3个体扫，对提前判断龙卷的发生和预警有较好的指示意义。地面龙卷发生后，像素到像素之间的最大速度差达到-39.5 m ·s-1，具有明显的龙卷涡旋特征(TVS)。
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