2025, Vol. 45
2. 山东省气象台，山东 济南 250031
2. Shandong Meteorological Observatory, Jinan 250031, China
龙卷是一种小尺度的强烈对流涡旋，生命史很短，破坏力巨大，可造成严重的人员伤亡和财产损失。中国每年有50~100个龙卷发生[1]，主要分布在东部和部分中部平坦地区，强龙卷基本发生在中东部地区[2]。随着互联网和多媒体技术的提高以及智能手机的广泛使用，可以监测到更多的龙卷事件，引起了气象业务部门和科研单位的关注和重视。前人开展了对龙卷的气候特征[3-6]、环境条件[7-9]、精细结构[10-11]、演变特征[12-13]、预报预警[14-15]、形成机理[16-18]、产生灾害[19-20]、灾情调查[21-22]等多方面的研究，获得了一些有价值的研究成果。取得的共识是：最易产生龙卷的3类天气背景为梅雨、台风和冷涡[23]，有利于EF2级及以上中气旋龙卷的环境条件不仅需要较大的对流有效位能(convective available potential energy，CAPE)和强的0~6 km垂直风切变，还需要较高的0~1 km相对湿度、较低的抬升凝结高度(lifting condensation level，LCL)和较强的低层(0~1 km)垂直风切变[2]。产生龙卷的对流风暴组织形态有孤立、线状和团状对流系统。产生龙卷的超级单体中气旋底高通常低于1 km，强度与龙卷强度正相关，具有倾斜、龙卷碎片特征(tornadic debris signature，TDS)和下沉反射率因子核(downdraft reflectivity core，DRC)等特征，部分龙卷具有显著的多涡旋特征[2]。在此基础上，多地开展了龙卷的监测和预警准业务实验，并成功发布了多次龙卷预警[1, 15]，实现了中国龙卷预警的历史性突破[24]。
近几年，山东群发龙卷过程主要是在台风和气旋2种天气背景下产生的。2018年8月13—14日，台风“摩羯”在江苏和山东造成12个龙卷，其中山东有10个[14]。2021年7月11—13日，在黄淮气旋背景下出现9个以上龙卷，其中山东至少有5个[25]。除上述群发龙卷过程外，山东还陆续出现多次龙卷[26-28]。研究[10]表明，2021年7月11日，高唐龙卷位于地面气旋东北方向约200 km处，龙卷维持期间，中气旋最大切变平均值达51×10-3 s-1，龙卷涡旋特征(tornadic vortex signature，TVS)最低层的速度差平均值为37.5 m ·s-1。对台风背景下龙卷风暴的分析[14]表明，龙卷首个体扫时间低层都具有较大的速度差，但是单纯从风暴参数上无法区别龙卷风暴和非龙卷风暴，显著气旋性涡旋对应的风暴诱发龙卷的概率仅有21.6%，并且50%左右的龙卷没有预警时间提前量。
2024年7月5日下午—夜间，山东多地出现龙卷，以下简称为“24 ·7”龙卷。文中重点对此次群发龙卷过程的环境条件和雷达参量特征等进行分析，总结气旋背景下群发龙卷的中小尺度特征，以期对今后的龙卷监测、预报预警工作提供参考。
1 资料和方法使用的实况资料包括高空和地面常规气象观测资料、郑州和平阴风廓线雷达以及濮阳和济宁多普勒天气雷达等多源观测资料。另外，使用欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析资料(数据下载网址为 https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/home)，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h。
濮阳和济宁多普勒天气雷达数据使用中国气象局气象探测中心和华云敏视达雷达(北京)有限公司联合出版的RPG Version 2.1.1.Beta-ROSE RPG 2349(Build 18934/19811)进行回放。回放基数据时，采用速度退模糊、点杂波过滤等对径向速度进行质量控制，采用系统缺省参数计算中气旋、TVS的特征参量。当计算的中气旋位置、最大切变高度明显不合理时，适当修改中气旋算法中的适配参数，并结合不同仰角径向速度产品进行对照检查，最终确定中气旋的特征参量。TVS判识标准为距离雷达100 km范围内、10 km高度以下、最大速度差36 m ·s-1以上、最低层风速差25 m ·s-1以上、厚度1.5 km以上。第4节分析中气旋和TVS参量时，分别使用060号和061号产品的字符产品。
2 龙卷实况2024年7月5日下午—夜间，山东自西向东出现大范围强对流天气，中西部地区出现大到暴雨局部大暴雨，并伴有短时强降水、雷暴大风和龙卷等强对流天气。14—21时(北京时，下同)，经初步调查，菏泽、济宁、淄博、泰安、济南等地至少出现9个龙卷(表 1)。为方便描述，以下根据龙卷出现的时间顺序进行编号，例如第1个龙卷简称“1号龙卷”。根据GB/T 40243—2021《龙卷风强度等级》[29]划分，此次群发龙卷过程中，6个龙卷强度为“强”，2个为“中”，1个为“弱”，对应“改进型藤田级数”(Enhanced Fujita Scale，EF Scale)[21, 29-30]为4个EF3级、2个EF2级、2个EF1级和1个EF0级。路径长度平均为9.1 km，超过10 km的龙卷有4个，6号龙卷路径最长达20.6 km。路径最大宽度平均为444.4 m，超过500 m的龙卷有4个，4号龙卷路径最大宽度高达1 000 m。1—6号龙卷强度均为“强”，主要影响菏泽市东明县、鄄城县、郓城县以及济宁市梁山县、淄博市沂源县和泰安市宁阳县。1号龙卷于14:20—14:40出现在菏泽市东明县，9号龙卷于20:40左右出现在淄博市沂源县，1号和9号龙卷出现时间间隔为6 h 20 min，直线距离约为287 km。加密自动气象观测站监测到极大风10级的有10站，11级4站，12级以上2站。最大阵风风速为38.9 m ·s-1(风力达13级)，于15:11出现在菏泽市鄄城县临濮站；次大阵风风速为34.3 m ·s-1(风力为12级)，于16:24出现在菏泽市郓城县程屯站。最大小时降水量(107.9 mm)出现在淄博市博山区池上站；菏泽境内最大小时降水量为97.9 mm，于18:00出现在菏泽市安兴镇。
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表 1 2024年7月5日山东龙卷实况 Table 1 Information of 9 tornadoes in Shandong on 5 July 2024 |
7月5日12时，500 hPa(图 1a)中纬度高空槽位于陕西东部—四川东部一线，槽前相对湿度大于95%，山东受高空槽与副热带高压(以下简称“副高”)之间强盛的西南气流控制，重庆—河南北部风速均大于20 m ·s-1，郑州附近风速高达26 m ·s-1。同时可以发现，河北—山东中西部地区存在冷温度槽，说明500 hPa已经有冷空气侵入山东中西部地区。700 hPa(图略)与500 hPa相似，陕西—四川一带也是低槽区，不同的是在陕西南部—河南北部有一条纬向切变线，切变线南侧为西南风低空急流(low level jet，LLJ)，最大风速出现在湖北境内，高达24 m ·s-1，有利于水汽在河南北部辐合，并顺着西南气流向鲁西南一带输送。850 hPa(图 1b)切变线位于河南北部—陕西南部，西南风LLJ从华南一直伸到鲁南地区，湖北—河南南部风速均达20 m ·s-1，菏泽东明正处于LLJ顶端风向和风速辐合区内，冷暖锋的交汇点。河南北部—鲁西南一带处于200 hPa分流区(图略)，有利于从南方输送过来的暖湿空气在鲁西南一带辐合上升。由此可见，鲁西南处于旺盛的西南气流控制中，500 hPa入侵的冷空气叠加在低层暖湿空气上，形成不稳定的大气层结，在LLJ顶端切变线附近，200 hPa高层辐散的抽吸作用下，有利于暖湿空气在鲁西南辐合上升。此时带状降水回波主要位于500 hPa槽前，在河南北部带状降水回波前沿，即700 hPa纬向切变线和850 hPa经向切变线交叉区域、850 hPa LLJ顶端出现一些强的对流单体，最大雷达反射率因子已达50 dBZ(图略)。
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图 1 2024年7月5日12时高空天气形势场、14时海平面气压和10—20时气旋与龙卷动态图以及10—22时气旋中心最低海平面气压和1 h变压时序图 Fig.1 Upper-air synoptic situation at 12:00 BJT, SLP at 14:00 BJT dynamic diagram of cyclone and tornado from 10:00 BJT to 20:00 BJT, time series of the lowest SLP from 10:00 BJT to 22:00 BJT 5 July 2024 and 1-h pressure change at the cyclone center a、b中蓝色等值线——位势高度(单位为dagpm)，红色虚等值线——温度(单位为℃)，色阶——相对湿度(单位为%)，风矢——水平风场(风速单位为m·s-1)，红色圆点——东明站，棕红色曲线——槽线，红色“N”——暖中心，蓝色“L”——冷中心；b中空心箭头线——850hPa低空急流；c中黑色等值线——海平面气压(单位为hPa)，绿色圆点——龙卷位置(其上黑色数字为龙卷序号)，红色“D”——逐小时(10——20时)气旋中心位置(红色数字为时间，18——20时气旋内部有2个中心，红色“18-1”表示18时北侧气旋中心，“18-2”表示18时南侧新生气旋中心，以此类推)，蓝色“G”——高压中心。 |
08时，河北、河南至湖北处于低压带中，中心最低海平面气压(sea-level pressure，SLP)999.0 hPa位于湖北与河南交界处。在LLJ和日变化的共同作用下，河南境内SLP逐渐下降，10时在河南中部形成新的低压中心(图 1c)，中心最低SLP为999.1 hPa，文中所指气旋均指河南新生的低压中心。气旋生成后向东北方向移动，强度迅速增强，12—13时1 h变压均高达-1.1 hPa(图 1d)。14时，气旋中心最低SLP为996.0 hPa(位于河南尉氏站)，1号龙卷出现在气旋顶端东南风与东北风之间的辐合线上，位于气旋中心51°方向77 km处。14时之后，气旋向东北方向移动，2—5号龙卷均发生在气旋顶端辐合线后部东北风气流内，距离气旋中心52~120 km，方位为27°~63°。18时，气旋中心向东北移动的同时，低压带南部又形成新的辐合中心，为区别二者，在图 1c中“18-1”表示18时北侧气旋中心，“18-2”表示18时南侧新生气旋中心，以此类推。6—7号龙卷分别发生在气旋西侧、北侧的偏北气流内，8—9号龙卷发生在南部气旋中心东北侧的东南风气流中。9个龙卷相对气旋中心的方向有8个位于东北方向，只有1个位于西北方向，平均方位为77°，平均距离为62 km。由此可以看出，龙卷主要发生在气旋顶端东北方向62 km辐合线附近或者辐合线后侧的东北风气流附近。
3.2 环境参量7月5日08时，位于东明上游的郑州站(图 2a、表 2)CAPE高达1 647.9 J ·kg-1，对流抑制能量(convective inhibition，CIN)只有0.1 J ·kg-1，抬升指数(lifted index，LI)为-4.28 ℃，非常有利于当天出现强对流天气。850 hPa西南风风速为11.9 m ·s-1，K指数高达38.6 ℃，暖云层厚度为4 476.7 m，对流层内整层湿，且CAPE呈狭长型，为典型的强降水类型。0~6 km和0~3 km风切变分别为18.1 m ·s-1、8.0 m ·s-1，为中等强度[31]，有利于对流风暴的组织化发展。08时，中国东部地区LCL均低于900 hPa(图 2b)，郑州站LCL为968 hPa(279.5 m)，0~1 km风切变为8.6 m ·s-1，出现龙卷的潜势较大。
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图 2 2024年7月5日08时郑州t-lnp图、抬升凝结高度、郑州站和平阴站风廓线雷达风场图 Fig.2 The t-lnp diagram in Zhengzhou, LCL, and wind field diagrams of wind profile radars in Zhengzhou and Pingyin at 08:00 BJT 5 July 2024 a中风矢——风场（风速单位为m·s-1），绿色实线——露点曲线，蓝色实线——层结曲线，棕色实线——状态曲线，橙色区域——对流有效位能；b中填值——抬升凝结高度（单位为hPa），风矢——850hPa水平风场（风速单位为m·s-1），红色圆点——东明站；c、d中风矢——风场，色阶——风速，单位为m·s-1。 |
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表 2 2024年7月5日08时郑州站环境参量 Table 2 Environmental parameters at Zhengzhou meteorological station at 08:00 BJT 5 July 2024 |
由郑州站风廓线雷达数据的演变(图 2c)可见，12:00，对流层中下层均为南到西南风，12~16 m ·s-1的风速区(以下简记为“关键风速区”)主要集中在1 000~1 200 m高度，10~12 m ·s-1的风速区(以下简记为“大风速区”)主要集中在900 m高度。12:42，关键风速区底高快速下降至800 m，同时大风速区底高降至700 m，700 m以下的风速也随之增大。13:06，大风速区底高降至近地面，维持24 min后底高回升至500 m左右，直到14:36底高一直维持在500 m高度，之后底高上升。其间关键风速区底高维持在800~1 000 m，1 000 m风速稳定在16 m ·s-1，说明在此期间0~1 km垂直风切变快速增大，上升运动增强，地面气压快速下降。由13:00的1 h变压可以看出，郑州站周边300 km范围内1 h变压均大于-1 hPa，最大1 h变压出现在武陟站，高达-2.1 hPa，气旋强度快速增强。14:36后，大风速区底高快速上升至900 m，同时关键风速区厚度变薄，底高上升至1 100 m，1 000 m高度以下风速降至10 m ·s-1以下，郑州上空LLJ减弱。14:54，500 m风向由西南西转为西北西，郑州转入气旋后部。由平阴站风廓线雷达数据演变(图 2d)发现，该站关键风速区和大风速区底高从14:00开始快速下降，14:30大风速区底高降至900 m左右高度，直到16:18底高在近地面到1 000 m之间波动，期间关键风速区底高稳定在1 600 m。平阴站位于东明站东北方向160 km左右，郑州站位于东明站西南方向145 km左右，2站1 000 m以下维持大风速区时间分别为13:00—14:30、14:30—16:18，简单按照内插的原则推测，东明站1 000 m以下维持大风速区时间为13:43—15:13。东明站出现龙卷的时间为14:20—14:40，即1 000 m以下风速达10~12 m ·s-1约37 min后出现龙卷。当然，仅用这单一的指标不能武断地预报龙卷，由郑州站和平阴站风廓线雷达的垂直风场可以发现，对流层整层的风速均较大，因此无论是低层、中层还是深层垂直风切变均足够大，具备产生超级单体的潜势是前提条件。
3.3 三支气流此次龙卷母体是强降水超级单体，由雷达回波的演变发现，造成龙卷的超级单体主要位于主降水带的前沿。比如造成1—4号龙卷的长寿命超级单体，13:30加强为超级单体时位于主降水回波带的东南方向。该超级单体向东北方向移动的过程中，虽然与周边新生单体合并，与主降水带和位于其西南方向的多单体风暴的距离慢慢缩短，但三者的主体没有合并，超级单体在空间上一直保持着相对独立，其东北到东南方向均没有降水回波。17:00该超级单体进入东平后，其尾部与南侧风暴合并，北侧也逐渐与主降水回波带合并，降水回波逐步演变为线状对流带，但是在线状对流的前沿仍然不断有中气旋形成。直至21时线状对流进入潍坊境内后，中气旋特征逐渐减弱。该超级单体从13:30持续到17:00，生命史达3.5 h，是什么原因导致该超级单体能维持这么长时间呢？
由14:30地面风场与气温和露点的分布(图 3)可见，东明站位于气旋东北侧。在东明站西侧和西北侧分别有1个低温、低露点中心，二者分别是天气尺度系统的冷空气入侵以及降水形成的冷中心，由二者流向东明的为干冷气流。在东明站的东北和西南方向分别有1个高露点中心，分别是气旋东北侧偏东气流输送来自黄海的湿空气以及降水形成的湿中心，这2个高湿中心的温度远高于西北侧的冷空气，因此流向东明的是暖湿空气。在东明站的东南方向分别有1个高温、低露点中心，是在气旋东侧偏南气流控制下升温造成的，因此流向东明的是干暖空气。Bai等[32]指出，珠江三角洲附近3种气团的交汇点形成1个增强的辐合区，当低层的西风动量冷涌接近该区域时，在中低层形成强烈的旋转上升气流。此次龙卷过程中，3种不同性质的气流同时汇聚在东明站(气旋的东北象限)，一方面有利于触发雷暴新生，另一方面有利于汇聚点处涡旋加强、气压降低，这可能是该超级单体生命史超长的原因之一。实况(图 1d)表明，10:00气旋在河南生成后，中心SLP快速下降，12:00、13:00、16:00、17:00这4个时次的1 h变压均超过1 hPa，有利于低层辐合上升运动的快速增强。
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图 3 2024年7月5日14:30地面形势场和济宁雷达0.5°仰角反射率因子 Fig.3 Surface synoptic situation and reflectivity at 0.5° elevation of Jining radar at 14:30 BJT 5 July 2024 黑色等值线——2m气温，单位为℃；红色等值线——2m露点，单位为℃；色阶——雷达反射率因子，单位为dBZ；风矢——10m风场，风速单位为m·s-1；蓝色“G”——高露点中心；红色“D”——低露点中心；蓝色“L”——冷中心；黑色圆点——东明站；黑色箭头——干冷气流；红色箭头——干暖气流；绿色箭头——暖湿气流。 |
由雷达回波的演变发现此次群发龙卷主要是由强降水超级单体造成的，而且1—4号龙卷是由同一个超级单体造成的，该超级单体在其生命史中与其他单体曾发生过合并，回波合并可以使回波强度增强、生命史延长[33-35]。本节重点分析该超级单体造成4个龙卷过程中，中气旋和TVS参量的变化特征。
4.1 1号龙卷(东明)造成1—4号龙卷的超级单体初始回波于11:52在河南开封生成，发展迅速，12:04强中心已经高达50 dBZ，12:21东南侧呈现入流缺口特征，称其为单体A。单体A快速向东北方向移动，不断与周边新生单体合并，范围扩大，形成多单体风暴B。13:30(图 4a)多单体风暴B东南侧入流缺口处形成中气旋，称其为超级单体C(以下简称“超单C”)，超单C南侧有新单体生成，分别称其为单体B、单体C。同时中气旋附近识别出TVS，该TVS距离东明县城36.9 km。此时中气旋的底高为2.1 km，顶高为5.6 km，最大切变10×10-3 s-1位于5.6 km高度(图 5)。同时刻TVS的底高为1.1 km，顶高为5.0 km，厚度为3.9 km，最大切变33.2×10-3 s-1位于2.1 km高度(图 6)。超单C向东北方向移动的同时，单体B和单体C快速发展，并逐渐与超单C合并增强。14:10超单C已进入东明境内，尾部形成明显的钩状回波(图 4b)，中气旋和TVS的强度明显增强，底高下降(图 5和图 6)。14:21，超单C尾部仍具有明显的钩状特征，TVS紧帖着中气旋位于钩上(图 4c)，东明出现龙卷。超单C的尾部一直保持着明显的钩状特征向东北方向移动，14:44(图 4d)移出东明进入菏泽市区。
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图 4 濮阳雷达1.5°仰角反射率因子(1号龙卷雷达回波特征) Fig.4 Reflectivity at 1.5° elevation of Puyang radar (radar echo characteristics of No.1 tornado) 色阶——雷达反射率因子，单位为dBZ；白色圆圈——中气旋；白色倒三角形——TVS；蓝色椭圆圈——单体；红色椭圆圈——超单C。 |
该中气旋自13:30生成后逐渐向东北方向移动，14:04进入菏泽市东明县境内，14:44离开东明进入菏泽市区，在东明境内维持40 min。由其演变趋势(图 5)可见，13:35，中气旋底高快速下降至0.9 km，同时顶高快速上升至7.3 km。13:41，其最大切变由10×10-3 s-1增长到12×10-3 s-1，高度由4.1 km快速下降至2.0 km。由对应TVS的演变(图 6)可以发现，13:30—13:35，底高维持在1.1 km，顶高由5.0 km升至5.8 km，最大切变的高度由2.1 km下降至1.1 km，这是雷达最低仰角探测的最低高度，不排除1.1 km以下具有更大切变的可能。13:41，最大切变由13:35的30.5×10-3 s-1增长到46.2×10-3 s-1。可见，中气旋和TVS生成后的前3个体扫，强度是增强的。13:47—13:58，中气旋底高虽仍在缓慢下降，但最大切变减小且高度上升，整体呈减弱趋势，此阶段无TVS。14:04，中气旋进入东明县，最大切变再次增强，高度快速下降至2.7 km，再次出现的TVS底高只有0.9 km(雷达最低仰角的最低探测高度)，最大切变高达47.4×10-3 s-1，位于3.0 km高度，最低层风速差为18 m ·s-1。14:10，中气旋底高下降至最低层0.8 km高度，最大切变增长至16×10-3 s-1；同时TVS继续增强，最低层风速差增大到19 m ·s-1，最大切变31.7×10-3 s-1也位于最低层0.9 km高度，这可能是即将产生龙卷的信号。14:21，中气旋最大切变由13×10-3 s-1跃增至20×10-3 s-1，底高维持在最低层高度0.7 km(图 5)；同时刻TVS最大切变突增至70.4×10-3 s-1，且高度降至最低层高度0.8 km(图 6)，东明出现1号龙卷。可见，中气旋底高降至1.0 km以下，最大切变增至20×10-3 s-1以上，且TVS 1.0 km以下切变增至70×10-3 s-1(风速差增至35 m ·s-1)以上出现1号龙卷。14:21—14:32，东明龙卷持续期间，中气旋底高为0.6 km，厚度为6.3~6.6 km，最大切变为20×10-3~53×10-3 s-1，最大切变高度为0.6~2.6 km；TVS底高为0.8 km，厚度为3.5~3.7 km，最大切变为69.2×10-3~106.7×10-3 s-1，最大切变高度为0.8~1.7 km，最低层风速差为13~49 m ·s-1。14:38，中气旋明显减弱，底高升至1.4 km，最大切变降至17×10-3 s-1；同时TVS也处于减弱趋势，最大切变突降至58.6×10-3 s-1，但高度仍维持在1.6 km，最低层风速差降至15 m ·s-1，而底高仍为0.7 km，此后1号龙卷消失。1号龙卷存活期间，14:32中气旋和TVS强度最强，这与灾调时市民反映见到龙卷的时间和龙卷视频的时间吻合。可见，1号龙卷出现时，中气旋最大切变为53×10-3 s-1，高度为0.6 km，同时TVS最大切变值为106.7×10-3 s-1，位于雷达探测的最低高度为0.8 km，最低层风速差达49 m ·s-1。
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图 5 2024年7月5日1—4号龙卷母体风暴中气旋参数 Fig.5 Mesocyclone parameters of the parent storms of No.1-4 tornadoes on 5 July 2024 (注：13:30—15:35为河南濮阳雷达数据，15:42—17:04为山东济宁雷达数据) |
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图 6 2024年7月5日1—4号龙卷母体风暴TVS参数 Fig.6 TVS parameters of the parent storms of No.1-4 tornadoes on 5 July 2024 (注：13:30—15:35为河南濮阳雷达数据，15:42—17:04为山东济宁雷达数据，无数据的时刻表示没有识别到TVS) |
超单C在鄄城境内一直保持尾部钩状回波特征，与东明相似，不再赘述。14:50—14:55，中气旋位于菏泽市区，最大切变为16×10-3~19×10-3 s-1，高度维持在1.4~2.2 km，底高为0.5~1.4 km(图 5)，无TVS(图 6)。15:01，中气旋进入鄄城，强度维持；再次监测到TVS，底高为0.7 km，最低层风速差为18 m ·s-1，最大切变值57.7×10-3 s-1位于1.6 km高度。15:07，中气旋底高维持在0.6 km，最大切变突增至49×10-3 s-1，高度位于3.0 km；TVS快速增强，底高依然为0.7 km，最低层风速差突增至32 m ·s-1，最大切变在2.4 km高度突增至100.9×10-3 s-1，即0.7~2.4 km高度切变均很强，这可能是即将出现龙卷的信号。15:12，中气旋强度维持，TVS最低层风速差增大到37 m ·s-1，15:10—15:20，鄄城出现2号龙卷。可见2号龙卷出现前1~2个体扫，中气旋底高降至0.6 km，3.0 km高度最大切变突增至49×10-3 s-1，同时TVS底高为0.7 km，厚度为3.5~3.7 km，最低层风速差和最大切变分别突增至32 m ·s-1和100.9×10-3 s-1。
4.3 3号龙卷(郓城)2号龙卷结束后，尽管15:35中气旋和TVS均有加强的趋势，但只维持了一个体扫，没有出现龙卷。15:42—16:08，中气旋强度无明显增强。15:42—15:57，TVS强度缓慢增强。16:03，TVS最低层风速差增大至24 m ·s-1，最大切变虽只有51×10-3 s-1，但高度由1.8 km突降至0.8 km。16:08，中气旋最大切变突增至47×10-3 s-1，TVS最低层风速差突增至48 m ·s-1，1个体扫增大1倍，最大切变突增至103.5×10-3 s-1，且位于最低层0.8 km高度，预示着龙卷即将出现。实况表明，16:10—16:25，郓城出现3号龙卷。16:13，中气旋和TVS最强，中气旋径向和方位角直径分别缩至2.8 km和2.1 km，最大切变62×10-3 s-1位于0.8 km高度；TVS最低层风速差高达54 m ·s-1，最大切变120.6×10-3 s-1位于2.6 km高度。可见，在3号龙卷出现前2个体扫，中气旋没有明显增强的趋势，但TVS在前2个体扫呈现最低层风速差增大，前1个体扫呈现最低层风速差和最大切变快速增大1倍的特征，分别高达48 m ·s-1和103.5×10-3 s-1。3号龙卷存活期间，中气旋径向直径小于3 km，TVS最低层风速差为17~54 m ·s-1，最大切变为58×10-3~120.6×10-3 s-1，最大切变高度为1.6~2.6 km。
4.4 4号龙卷(梁山)3号龙卷减弱后，中气旋最大切变没有明显下降(图 5)；TVS除最大切变略有下降外，其他参数无明显变化(图 6)。与3号龙卷相似，在4号龙卷出现前1个体扫，中气旋和TVS最大切变分别由20×10-3 s-1跃增至67×10-3 s-1以及由51.8×10-3 s-1跃增至132.6×10-3 s-1。由于TVS其他参数一直维持较强水平，故4号龙卷与3号龙卷之间时间间隔较短，只间隔了15 min，16:40—17:00，梁山出现4号龙卷。4号龙卷存活期间，中气旋最大切变高度位于0.6~1.6 km，最大切变在23×10-3~79×10-3 s-1范围内波动；TVS最低层风速差为20~53 m ·s-1，最大切变及其所在高度分别为73.3×10-3~158.4×10-3 s-1和0.7~2.5 km。
综上所述，造成1—4号龙卷的超级单体呈现典型的钩状回波特征，1号龙卷出现前中气旋底高持续下降，当底高降至雷达探测的最低层高度0.8 km，最大切变增至20×10-3 s-1时，出现1号龙卷。1—4号龙卷持续期间，中气旋底高位于雷达探测的最低高度，最大切变及其所在高度分别为14×10-3~79×10-3 s-1和0.6~2.6 km。共性特征是中气旋底高位于雷达探测的最低高度，最大切变及其所在高度至少有1个体扫超过41×10-3 s-1和低于2.5 km高度，龙卷出现时，均呈现出最大切变跃增且高度下降的特征。与中气旋相似，在1号龙卷出现前，TVS呈现最大切变持续上升、最低层风速差波动增大的特点。当最低层风速差由15 m ·s-1跃升至35 m ·s-1、最大切变70.4×10-3 s-1所在高度降至雷达探测最低层时，出现1号龙卷。1—4号龙卷期间，TVS最大切变及其所在高度分别为58×10-3~158.4×10-3 s-1和0.7~2.6 km，最低层风速差为13~54 m ·s-1。共性特征是TVS底高维持在雷达探测最低层高度，最低层风速差和最大切变至少有1个体扫分别超过37 m ·s-1和82×10-3 s-1，同时最大切变高度低于2.5 km。第1个龙卷出现前，最大切变波动式上升，跃增与龙卷同时出现，后3个龙卷出现前1个体扫均呈现跃增1倍的特征。龙卷结束时，TVS最大切变和最低层风速差分别降至53×10-3 s-1和24 m ·s-1以下。当TVS最低层风速差超过20 m ·s-1，如果最大切变小于60×10-3 s-1，仍不能出现龙卷，反之亦然，因此这2个指标同时使用可能对龙卷预警有效。当TVS最大切变跃增至100×10-3 s-1以上，且高度降至2.5 km以下，预示着龙卷即将发生。
5 龙卷探测识别经验和思考 5.1 龙卷探测识别经验由第4节的分析表明，龙卷发生前和发生时中气旋和TVS的特征不尽相同。当1个龙卷结束之后，是否还将再次出现龙卷，也是预报中的难点。通过对第4节的分析结果进一步提炼，发现此次群发龙卷过程具有以下特征：(1)雷达探测到多个中气旋和TVS，龙卷倾向于出现在回波带的前沿相对独立的单体。当单体与回波带主体合并后，中气旋强度减弱，不易出现龙卷。(2)龙卷出现之前，中气旋的底高较高。当中气旋底高降至1 km以下，最大切变升至20×10-3 s-1以上时，可能出现龙卷。(3)当TVS的强度增强，最大切变增至70×10-3 s-1以上，且位于2.5 km以下高度，或者最大切变高度降至最低层，最低层风速差增至35 m ·s-1，可能出现龙卷。当TVS的最大切变跃增到100×10-3 s-1以上，且高度降至2.5 km以下，或者最低层风速差跃增到35 m ·s-1以上，预示着龙卷即将发生。(4)1个龙卷结束后，如果中气旋和TVS的强度均无明显减弱，当二者的最大切变再次增强到(2)和(3)的标准时，可能将再次出现龙卷。(5)如果中气旋和TVS的强度有增强到(2)和(3)的趋势，但只维持1个体扫，可能不会出现龙卷。(6)虽然龙卷出现时中气旋直径有缩小的趋势，但中气旋直径缩小并不代表龙卷的发生，反之亦然，二者之间没有明确的对应关系。(7)1号龙卷中气旋和TVS最大切变的跃增与龙卷同时出现，2—4号龙卷跃增提前1个体扫。(8)龙卷出现时，中气旋和TVS 2.5 km高度以下各层切变均较大。(9)分析中气旋和TVS底高的变化时，需关注是否是由于TVS与雷达距离的变化而造成的。
5.2 龙卷探测识别思考近几年中国多地出现龙卷事件，造成严重的财产损失和人员伤亡[16, 19, 36]。2023年，中国气象局应急减灾与公共服务司下发《龙卷应急服务导则(试行)》[37]，制定了各级气象部门龙卷应急服务的职责分工。山东省气象台组织精干力量，加强对山东龙卷气候特征、环境条件、形成机理和灾情调查等方面的研究，提高了对易发龙卷的天气形势、环境参量、雷达回波等特征的认识。上述分析表明，此次过程从天气形势上具备产生龙卷的潜势，但一方面数值模式预报的气旋生成位置和移动路径与实况有较大偏差，这在一定程度上会影响预报结论，另一方面短期时效更侧重天气尺度系统的分析和形成龙卷的环境条件，因此在短期时效难以确定龙卷出现的具体时间和地点。在短时临近阶段，尽管造成龙卷的风暴从雷达回波上具有钩状回波、中气旋、TVS等特征，但此次龙卷过程发生在强降水过程中，雷达识别出了多个中气旋和TVS，然而只有少部分TVS造成了龙卷。第4节的分析表明，虽然出现龙卷时，中气旋和TVS的雷达参量具备一定的特征，但这只是必要条件，而不是充要条件，如果据此预警龙卷将造成很高的空报。目前监测龙卷最好的手段是雷达，但只有约25%、甚至更少雷达探测到的中气旋会发展为龙卷，非超级单体龙卷的探测更加困难[23]。根据此次龙卷过程分析并结合之前的研究，发现龙卷预警还存在以下难点：(1)有的龙卷过程雷达特征不明显，有的过程虽雷达特征明显但实况没有龙卷，总结龙卷预警指标难度大。(2)雷达监测到龙卷特征到出现龙卷的时间提前量有限，提前发布预警的难度大。(3)本地没有雷达的测站，外地雷达数据落地具有一定的时间滞后性，无法在第一时间监测到龙卷特征。(4)确认龙卷实况有难度。龙卷确认依据首选视频，其次依赖灾后现场调查并结合雷达数据分析。由于龙卷尺度小，生命史短，能够及时拍到并获得视频难度较大。自媒体信息鱼龙混杂，确认信息是否准确需要先进技术和现场调查等工作，这不仅需要时间，同时需要人员和技术等的支持。(5)地面灾害调查是一门专业性、系统化、技术性较高的工作[38-40]，目前能从事相关工作的人员较少。
龙卷是小概率事件，目前无论是监测还是预警都不能满足社会需求。随着AI在龙卷识别领域的应用，在一定程度上能提高监测预警的准确率[41]。加强对龙卷案例的复盘总结，尤其是群发龙卷和强龙卷天气过程，积累经验，是提高短期潜势预报、临近预警能力的有效方法。通过对此次群发龙卷过程分析发现，有的时次中国气象局新一代天气雷达业务软件(ROSE)计算的中气旋最大切变高度较高，没有表现出最大切变高度下降的特征。但通过人工对比发现，其实从最低仰角到中层，最大切变值均较大，而ROSE是通过数值对比选取了切变最大值所在高度，无法反映中气旋多层切变均较大的特征。对于此种情况，可以通过主观分析，确定中气旋最大切变高度下降的趋势，从而判断发生龙卷的可能性，当2.5 km高度以下各层切变均较大时易出现龙卷。值班预报员在发现可能出现龙卷的特征时，要果断决策，快速响应，及时发布预警。对于此次多中气旋、多TVS的过程，对流系统前沿相对独立中气旋单体和TVS更易产生龙卷，混杂在大片降水回波内的中气旋和TVS不易造成龙卷。
6 结论与讨论“24 ·7”龙卷过程是温带气旋背景下产生的一次典型超级单体群发龙卷天气过程，通过分析发现具有以下特点：
(1) 天气尺度环境条件为群发龙卷提供了有利的环境条件，强烈的LLJ提供了充足的水汽，不稳定的大气层结、中等强度的垂直风切变、低的抬升凝结高度为龙卷提供了有利的环境条件。LLJ底高下降，1 000 m以下风速为10~12 m ·s-1，37 min后东明出现1号龙卷。
(2) 气旋在河南中部快速加强，3支不同性质的气流汇聚于气旋东北象限，既有利于雷暴新生，又造成汇聚点涡旋加强、气压降低。龙卷主要发生在气旋东北方向62 km辐合线附近或者辐合线后侧的东北风气流里。
(3) 造成1—4号龙卷的超级单体呈现典型的钩状回波特征，1号龙卷出现前中气旋底高持续下降，最大切变呈波动式增长的特点。1—4号龙卷期间，中气旋底高位于雷达探测的最低高度，最大切变及其所在高度至少有1个体扫分别超过41×10-3 s-1和低于2.5 km，直径最小可达2.1 km。
(4) 与中气旋相似，在1号龙卷出现前，TVS呈现底高持续下降、最大切变持续上升、最低层风速差波动增大的特点。1—4号龙卷期间，TVS底高维持在雷达探测的最低高度，最低层风速差和最大切变至少有1个体扫分别达37 m ·s-1和82×10-3 s-1，同时最大切变高度低于2.5 km。当TVS最大切变跃增至100×10-3 s-1以上，且高度降至2.5 km以下时，预示龙卷即将发生。
(5) 当雷达探测到多个中气旋和TVS，龙卷倾向于出现在回波带的前沿。1个龙卷结束后，如果中气旋和TVS的强度均没有明显减弱，当二者的最大切变分别增强到20×10-3 s-1和70×10-3 s-1以上，或者TVS最低层风速差超过35 m ·s-1时，预示将再次出现龙卷。
此次群发龙卷过程是温带气旋背景下产生的，由3.3节的分析表明，3支气流的汇聚有利于超级单体的产生。此种现象在2020年5月17日飑线天气过程中也曾出现，3支不同性质的气流汇聚促成飑线内包裹着中气旋。山东三面环海，来自海上的气流水汽充沛，3支气流汇聚的情况时有发生。后续可以通过更多的案例来验证3支气流在超级单体形成中的重要作用。
致谢：感谢国家气象中心、中国气象局气象干部培训学院、山东省气象台、山东省气象服务中心、菏泽市气象局、济南市气象局、淄博市气象局、济宁市气象局、泰安市气象局及东明、鄄城、郓城、梁山、东平、沂源、宁阳县气象局等单位及专家对龙卷灾害调查提供的支持和帮助。感谢正高级工程师刁秀广给予的指导。
| [1] |
孟智勇, 张福青, 罗德海, 等. 新中国成立70年来的中国大气科学研究: 天气篇[J]. 中国科学: 地球科学, 2019, 49(12): 1875-1918. |
| [2] |
郑永光, 刘菲凡, 张恒进. 中国龙卷研究进展[J]. 气象, 2021, 47(11): 1319-1335. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2021.11.002 |
| [3] |
范雯杰, 俞小鼎. 中国龙卷的时空分布特征[J]. 气象, 2015, 41(7): 793-805. |
| [4] |
CHEN J Y, CAI X H, WANG H Y, et al. Tornado climatology of China[J]. Int J Climatol, 2018, 38(5): 2478-2489. DOI:10.1002/joc.5369 |
| [5] |
俞小鼎, 赵娟, 范雯杰. 中国龙卷的时空分布与关键环境参数特征[J]. 热带气象学报, 2021, 37(5/6): 681-692. |
| [6] |
徐芬, 郑媛媛, 孙康远. 江苏龙卷时空分布及风暴形态特征[J]. 气象, 2021, 47(5): 517-528. |
| [7] |
王坚红, 纪晓涵, 王群, 等. 双锋面相遇对强龙卷风环境场影响的数值模拟研究[J]. 大气科学学报, 2021, 44(5): 782-794. |
| [8] |
赵海军, 潘玲, 曹张驰, 等. "温比亚"引发3次龙卷的环境特征分析[J]. 热带气象学报, 2021, 37(5/6): 748-758. |
| [9] |
白华, 袁潮, 潘晓, 等. 辽宁省温带气旋龙卷的环境参数特征[J]. 应用气象学报, 2023, 34(1): 104-116. |
| [10] |
黄秀韶, 朱君鉴, 刁秀广, 等. 山东高唐EF3级龙卷S波段双偏振雷达探测特征[J]. 气象科技, 2023, 51(3): 397-408. |
| [11] |
吕雪芹, 霍亚, 曾瑛. 相控阵天气雷达监测预警龙卷风的过程剖析[J]. 热带气象学报, 2024, 40(1): 33-39. |
| [12] |
王磊, 王啸华, 李杨, 等. 2020年江苏高邮EF2级龙卷多尺度特征分析和预警思考[J]. 气象, 2023, 49(3): 291-303. |
| [13] |
植江玲, 白兰强, 黄先香, 等. 2022年6月19日广东佛山龙卷的双极化相控阵雷达特征[J]. 热带气象学报, 2024, 40(2): 297-312. |
| [14] |
刁秀广, 孟宪贵, 张立, 等. 台风"摩羯"与"温比亚"环流中龙卷小尺度涡旋特征及可预警性分析[J]. 海洋气象学报, 2019, 39(3): 19-28. DOI:10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2019.03.003 |
| [15] |
黄先香, 伍志方, 炎利军, 等. 珠江三角洲台风龙卷预警技术与2018年两次龙卷预警试验[J]. 气象科技, 2020, 48(1): 88-96. |
| [16] |
唐佳佳, 唐晓文, 徐芬, 等. "0612"高邮龙卷母体风暴演变特征分析及龙卷形成机理初探[J]. 热带气象学报, 2021, 37(5/6): 824-835. |
| [17] |
周玥滢, 方娟. 热带气旋发展增强过程中龙卷尺度涡旋活动特征[J]. 南京大学学报(自然科学), 2024, 60(2): 230-243. |
| [18] |
徐敬涵, 冉令坤, 炎利军, 等. 台风"山竹"外围强龙卷的结构和机理分析[J]. 大气科学, 2024, 48(3): 843-858. |
| [19] |
李彩玲, 谭浩波, 蔡康龙, 等. 2016—2020年中国龙卷过程和灾情特征[J]. 热带气象学报, 2021, 37(5/6): 733-747. |
| [20] |
褚红星, 李兆明, 何珊, 等. 11次龙卷个例的网络信息与灾情调查结果对比分析[J]. 气象科技进展, 2023, 13(3): 63-65. |
| [21] |
朱君鉴, 蔡康龙, 龚佃利, 等. 登陆台风"摩羯"(1814)在山东引发龙卷的灾情调查与天气雷达识别[J]. 海洋气象学报, 2019, 39(4): 21-34. DOI:10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2019.04.003 |
| [22] |
植江玲, 蔡康龙, 黄先香, 等. 两类不同风灾个例的灾情调查与观测对比分析[J]. 暴雨灾害, 2020, 39(4): 418-426. |
| [23] |
郑永光, 蓝渝, 曹艳察, 等. 2019年7月3日辽宁开原EF4级强龙卷形成条件、演变特征和机理[J]. 气象, 2020, 46(5): 589-602. |
| [24] |
姚聃. 龙卷预报预警体系建设: 气象现代化的前沿挑战[J]. 气象科技进展, 2020, 10(6): 19-22. |
| [25] |
植江玲, 黄先香, 白兰强, 等. 2021年中国龙卷活动及灾情特征[J]. 气象科技进展, 2022, 12(1): 26-36. |
| [26] |
周淑玲, 闫景鹏, 丛美环. 11月初北黄海一次海龙卷风暴的中尺度特征分析[J]. 海洋气象学报, 2020, 40(4): 42-51. DOI:10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2020.04.005 |
| [27] |
于怀征, 龚佃利, 朱君鉴, 等. 日照一次EF2级龙卷的环境场及雷达特征[J]. 海洋气象学报, 2022, 42(3): 38-47. DOI:10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2022.03.004 |
| [28] |
谷山青, 王凤娇, 魏振东, 等. 黄河三角洲一次非中气旋龙卷观测分析[J]. 海洋气象学报, 2023, 43(3): 59-70. DOI:10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.03.006 |
| [29] |
中国气象科学研究院, 国家气象中心, 佛山市龙卷风研究中心. 龙卷风强度等级: GB/T 40243—2021[S]. 北京: 中国标准出版社, 2021.
|
| [30] |
EDWARDS R, LADUE J G, FERREE J T, et al. Tornado intensity estimation: past, present, and future[J]. Bull Amer Meteor Soc, 2013, 94(5): 641-653. |
| [31] |
俞小鼎, 王秀明, 李万莉, 等. 雷暴与强对流临近预报[M]. 北京: 气象出版社, 2020: 224, 58.
|
| [32] |
BAI L Q, YAO D, MENG Z Y, et al. Influence of irregular coastlines on a tornadic mesovortex in the Pearl River Delta during the monsoon season. Part I: pre-storm environment and storm evolution[J]. Adv Atmos Sci, 2024, 41(6): 1115-1131. |
| [33] |
侯淑梅, 闵锦忠, 刁秀广, 等. 飑线发展过程中回波合并的特征分析[J]. 大气科学学报, 2018, 41(3): 367-376. |
| [34] |
侯淑梅, 闵锦忠, 王改利, 等. 传播运动在对流风暴合并过程中的作用[J]. 大气科学学报, 2020, 43(2): 347-357. |
| [35] |
侯淑梅, 周成, 韩永清, 等. 山东省线状中尺度对流系统与多单体风暴的合并特征[J]. 海洋气象学报, 2020, 40(1): 57-65. DOI:10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2020.01.006 |
| [36] |
张桂莲, 李一平, 江靖, 等. 多个超级单体风暴诱发的EF3级强龙卷特征分析[J]. 气象, 2023, 49(11): 1315-1327. |
| [37] |
中国气象局应急减灾与公共服务司. 龙卷应急服务导则(试行)[Z]//减灾司关于印发《龙卷应急服务导则(试行)》的通知. 中国气象局应急减灾与公共服务司, 2023.
|
| [38] |
MENG Z Y, YAO D, BAI L Q, et al. Wind estimation around the shipwreck of Oriental Star based on field damage surveys and radar observations[J]. Chin Sci Bull, 2016, 61(4): 330-337. |
| [39] |
MENG Z Y, BAI L Q, ZHANG M R, et al. The deadliest tornado (EF4) in the past 40 years in China[J]. Wea Forecasting, 2018, 33(3): 693-713. |
| [40] |
BAI L Q, MENG Z Y, HUANG L, et al. An integrated damage, visual, and radar analysis of the 2015 Foshan, Guangdong, EF3 tornado in China produced by the landfalling Typhoon Mujigae (2015)[J]. Bull Amer Meteor Soc, 2017, 98(12): 2619-2640. |
| [41] |
曾强宇, 卿智鹏, 陈亚军, 等. 基于随机森林的组网雷达龙卷检测算法[J]. 热带气象学报, 2023, 39(6): 825-837. |