2025, Vol. 45
2. 宁波市气象台，浙江 宁波 315012
2. Ningbo Meteorological Observatory, Ningbo 315012, China
龙卷是一种小尺度局地突发强对流天气，在世界范围内频繁发生，经过居住地区时往往会造成严重的人员伤亡和财产损失[1-3]。中国是龙卷较为频发的国家，1961—2010年记录到165次强龙卷，含EF2级145次、EF3级16次、EF4级4次，年均3.3次，强龙卷主要分布在中国江淮地区、两湖平原、华南地区、东北地区和华北地区东南部等平原地区，具有局地频发的特征[4-5]。
随着气象探测能力的不断增强以及数值模式的不断发展，学者们从天气背景、环境条件、中尺度触发机制及雷达回波特征等方面对龙卷开展了较多研究。美国较早开展对龙卷的研究，结果表明龙卷往往发生在较大的低层环境风切变、较高水汽含量、较强不稳定度和垂直运动环境中[6-7]。美国强天气中心根据超级单体龙卷产生的环境条件将对流有效位能(convective available potential energy，CAPE)、抬升凝结高度、垂直风切变(SHR)和风暴相对螺旋度(storm relative helicity，SRH)等参数结合成龙卷的综合参数用于龙卷天气预警[8-10]。Trapp等[11]对1998—2000年发生在美国的龙卷进行统计，发现79%的龙卷为单体结构，18%为准线状对流，3%为其他对流结构，且准线状对流下产生的龙卷通常较弱。中国龙卷和美国龙卷在环境特征、天气背景上存在一定差异，Zhou等[12]比较了中国和美国龙卷高发地区的龙卷频率和龙卷季节时间上的差异及相关环境特征，发现美国在短时间内发生多次龙卷的可能性要高得多，这可能是美国记录的龙卷数量比中国多的主要原因，且与单个运动学或热力学参数相比，显著龙卷综合参数与龙卷活动的相关性更好。王秀明等[13]采用常规地面和高空观测、卫星资料、美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)资料等对东北地区龙卷的环境特征进行统计分析，发现东北龙卷发生的主要环境特点为环境气温垂直递减率大、高低空风垂直切变强、低层较干以及中等的有效位能环境。郑永光等[14]利用多源观测和再分析资料分析了2019年辽宁开原龙卷的天气形势、环境条件、对流触发和龙卷形成及消亡，其采用NCEP的气候预报系统再分析资料对龙卷环境条件进行分析，表明开原龙卷是在对流层中下层相对湿度低、抬升凝结高度较高的不利环境条件但其他都较有利条件下发生的。于怀征等[15]对2019年8月16日发生在日照一次龙卷天气过程的天气形势和环境物理量进行了分析，结果表明地面β中尺度辐合线和高空冷涡是此次龙卷发生的主要影响系统，较湿的近地面层、较低的抬升凝结高度为龙卷的发生提供了有利的环境条件。目前，多采用再分析资料对龙卷发生的环境特征进行分析，虽然能一定程度上反映龙卷发生时的环境条件，但是由于时空分辨率较低，不能显示龙卷发生发展过程中大气环境特征变化。
文中利用地面常规观测和雷达观测资料以及中国气象局气象探测中心高时空分辨率的实况产品，对尚志龙卷的发生发展过程、中小尺度特征、天气背景和环境特征等展开综合分析，旨在为未来精细化实况分析产品在龙卷等强对流监测预警中的应用以及为东北地区观测站网布局优化提供参考。
1 龙卷天气实况和资料与方法 1.1 龙卷实况2021年6月1日17—18时，黑龙江尚志遭受龙卷和冰雹强对流天气。尚志市帽儿山镇、乌吉密乡、河东乡和长寿乡等区域受到不同程度灾害。受灾区域的树木成片倒伏，电力设施和房屋损伤，且造成1人抢救无效死亡，18人受伤，初步估计经济损失为512万元[16]。尚志龙卷具有生命史长和移动路径长的特征。中国气象局派出的灾害调查组确定尚志龙卷生命史为17：15—18：10，路径全长为51 km，最大风力为17级，尚志龙卷强度达强龙卷级别(相当于美国EF3级)[16]。
1.2 资料与方法由于龙卷为小尺度灾害性天气，时间尺度较短，空间尺度很小，现有观测网对龙卷监测难度较大。图 1为尚志附近各种观测设备的分布情况，主要包括多普勒天气雷达4台、探空观测站1个、闪电定位仪7个、国家级地面气象观测站29个、区域气象观测站168个、区域非考核气象观测站292个，该区域内尚未建设风廓线雷达。离尚志龙卷发生区域最近，为哈尔滨C波段雷达，径向分辨率为250 m，在2 km高度以上能覆盖尚志龙卷区域且遮盖较少，在一定程度上能够反映龙卷发生过程中小尺度特征的演变。基于尚志附近的站网分布情况，主要采用地面自动气象观测站、哈尔滨雷达和多源融合分析场资料[17]对尚志龙卷进行分析。
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图 1 尚志附近观测站点分布 Fig.1 Distribution of observing sites near Shangzhi |
采用空间和时间多尺度分析同化系统(Space and Time Multiscale Analysis System，STMAS)进行多源融合分析[18-19]，该系统以GRAPES-3 km预报场为背景场，融合了地面观测资料、探空资料、风廓线雷达和天气雷达等数据，空间分辨率为600 m，时间分辨率为10 min，垂直方向为21层。地面分析要素主要包括2 m气温、2 m湿度、10 m风场、地面气压和1 h累计降水量等，三维分析要素主要包括气温、比湿、U风、V风、位势高度等，指数产品主要包括CAPE、对流抑制能(convective inhibition，CIN)、对流凝结高度、抬升指数、K指数等，该资料具有较高的时空分辨率。
2 环境特征分析和天气背景 2.1 影响系统东北地区龙卷主要发生在东北冷涡背景下，2021年6月1日尚志龙卷也是发生在东北冷涡背景下。由2021年6月1日15时和17时基于实况分析场的环流背景(图 2)可以看出，尚志位于东北冷涡东南侧(图 2b)位势高度的大梯度区，500 hPa西南急流出口区的附近有利于强对流发展，且500 hPa温度场上有东伸的冷池，高层存在干区。尚志龙卷发生在850 hPa低涡东南侧(图 2d)，龙卷发生时位于西风和偏南风的切变附近有利于对流性天气发生；并且尚志位于850 hPa东伸的暖脊中，低层的东侧为西南急流提供了暖湿气流的输入，低层的西侧为偏西气流输送带的干暖气流，两侧的湿度梯度较大。500 hPa冷槽和850 hPa暖脊叠加导致温度垂直递减率较高，有利于大气层结不稳定的建立，龙卷发生在低层湿度梯度区偏暖湿一侧。由15时、17时500 hPa(图 2a、b)和850 hPa(图 2c、d)高空形势场的演变可以看到，东北冷涡东移南压，500 hPa上尚志为负变压，龙卷发生前2 h500 hPa温度由-20 ℃下降到-22 ℃，而850 hPa温度变化不大，说明垂直温减率增大；15时尚志更加靠近西风和偏南风的切变，东西两侧露点差也更大，17时相对于15时比湿由8 g ·kg-1下降到5 g ·kg-1左右。
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图 2 2021年6月1日15时和17时基于实况分析场的环流背景 Fig.2 Atmospheric circulation background based on real-time analysis field at 15:00 BJT and 17:00 BJT 1 June 2021 黑色等值线——位势高度，单位为dagpm；红色等值线——温度，单位为℃；色阶——比湿，单位为g·kg-1；红色圆点——尚志所在位置。 |
CAPE表征了大气深厚暖湿对流发生发展的潜势，往往CAPE越大，深厚的湿对流越容易产生。表 1展示了实况分析场2021年6月1日15：30—18：00龙卷路径附近(西侧：127.4°E、45.20°N，中点：127.7°E、45.25°N，东侧：128.0°E、45.30°N)CAPE值随时间的变化。由CAPE变化情况看，15:30，3个位置的CAPE为520~560 J ·kg-1。16:00，龙卷西侧位置CAPE减小至100 J ·kg-1以下，中点位置升高至940 J ·kg-1左右，此时西侧有分散性对流发展，西侧能量有所释放，所以CAPE有所减小。17:00，西侧和中点位置CAPE减小为50 J ·kg-1以下，而东侧则上升至900 J ·kg-1以上，在高层引导气流的影响下向东北方向移动并伴随多个对流单体合并，而龙卷发生于17:15。18:00，西侧和中点的CAPE增加至150 J ·kg-1左右，东侧降低到80 J ·kg-1左右，此时龙卷接近尾声。此次龙卷过程龙卷路径3个点均出现前期CAPE升高，随后迅速降低，龙卷移出后又有所增加，龙卷位置均为CAPE梯度大值区。
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表 1 龙卷路径CAPE、SHR6、SHR3、SHR1演变情况 Table 1 Evolution of CAPE, SHR6, SHR3 and SHR1 on the tornado path |
垂直风切变越大，发生龙卷概率越大[20-21]。通过0~6 km垂直风切变(简记为“SHR6”)、0~3 km垂直风切变(简记为“SHR3”)和0~1 km垂直风切变(简记为“SHR1”)随时间的变化情况(表 1)可以看到，3个点SHR6大部分时次都在18 m ·s-1以上，并且龙卷发生发展过程中垂直风切变持续增大，18：30最高增大至30 m ·s-1以上，平均增幅在10 m ·s-1以上。由SHR3和SHR1来看，龙卷发生均呈现增大的趋势，龙卷过程中3个位置几乎所有时次SHR3均保持在15 m ·s-1以上，SHR1保持在9 m ·s-1以上。
由2021年6月1日16时和17时实况分析场0~3 km风暴相对螺旋度(简记为“SRH3”)和0~1 km风暴相对螺旋度(简记为“SRH1”)分布(图 3)可以看到，虽然龙卷路径上SRH3和SRH1并不存在大值区，但龙卷路径的东南侧SRH3最高可超过200 m2 ·s-2，SRH1也超过100 m2 ·s-2。由于冷涡本身的气旋式旋转特征，其SRH通常较大，为龙卷发生提供了有利的SRH背景环境。龙卷发生在SRH大值的西北侧，为低层大风速核的左侧，这可能是由于急流出口区左侧为气旋性辐合，伴随低层抬升运动，有利于对流的触发，同时急流轴左侧具有明显的气旋性切变涡度，可能为伴随旋转的强风暴提供一定的初始涡度贡献[22]。
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图 3 2021年6月1日16时和17时0~3 km、0~1 km风暴相对螺旋度分布 Fig.3 Distribution of SRH3 and SRH1 at 16:00 BJT and 17:00 BJT 1 June 2021 色阶——风暴相对螺旋度，单位为m2·s-2；红色椭圆——龙卷路径区域附近。 |
由2021年6月1日16时和17时实况分析场850 hPa与500 hPa温差分布(图 4)可以看到，龙卷西部地区的温差较大，这主要是因为高层存在冷池，偏西风将干冷空气卷入，低层存在暖脊，偏南急流输入暖湿气流使垂直气温梯度增加。16—17时，垂直递减率高值区出现东扩区域，龙卷发生附近850 hPa与500 hPa温差呈增大趋势，17时温差在32 ℃以上，垂直减温率(约7 ℃ ·km-1)较大，有利于龙卷的触发。
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图 4 2021年6月1日16时和17时实况分析场500 hPa与850 hPa温差分布 Fig.4 Real-time analysis field of temperature difference between 500 hPa and 850 hPa at 16:00 BJT and 17:00 BJT 1 June 2021 色阶——500 hPa与850hPa温差单位为℃；红色椭圆——龙卷路径区域附近。 |
图 5为2021年6月1日17：40—18：10天衡天衍综合气象观测质量控制与产品业务系统的地面风场和雷达回波分布，黑色实线为龙卷的路径。观测资料显示此次龙卷附近的气象观测站极大风观测均为7级及以下，尚志本站极大风速为11.9 m ·s-1(风力为6级，图 5a中红色点所在位置)，长寿站极大风速为15.2 m ·s-1(风力为7级，图 5a中黑色点所在位置)，河东站极大风速为12 m ·s-1(风力为6级，图 5a中蓝色点所在位置)，长寿站离此次龙卷路径最近，其观测到风力最大(7级风)，但是仍然小于现场调查确定的EF3级龙卷的风速范围下限(60 m ·s-1)。17：40(图 5a)，雷达回波东移，此时长寿站(站号为H0352)风速为7.3 m ·s-1，风向为西南风(210°)，17:45该站风速为7.5 m ·s-1，风向逆转为东南风(140°)，17：50(图 5b)风速增大为9.2 m ·s-1，风向逆转为偏东风，17:55风速陡增为15.2 m ·s-1，风向突变为西北风(296°)，18：00(图 5c)雷达回波继续东移并增强，出现60 dBZ以上的回波，长寿站风速保持在15.2 m ·s-1，风向保持为西北风，18：10(图 5d)风速减小，风向以偏西风为主。由此来看，长寿站在17:40—17:55风向持续性逆转，17:50—17:55风速突增，风向出现150°逆转，此时龙卷外围气流可能经过长寿站。虽然地面站未观测到龙卷级别的大风，但是从地面风场的变化中仍然能看出一定的对流特征和风场突变特征。
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图 5 天衡天衍系统地面风场和雷达回波 Fig.5 Ground wind field and radar echo from Tianheng Tianyan system 黑色实线——龙卷路径；黑色圆点——长寿站；风矢——风场，风速单位为m·s-1；a中红色圆点——尚志本站，蓝色圆点——河东站。 |
利用哈尔滨新一代多普勒天气雷达对尚志附近的龙卷单体进行了分析。2021年6月1日16：00有分散性对流单体发展，在高层引导气流的影响下向东北方向移动并伴随多个对流单体合并。图 6为6月1日17：15哈尔滨雷达反射率因子和径向速度产品。17：15，哈尔滨雷达0.5°仰角反射率因子产品显示在距雷达85 km、方位167°处存在钩状回波(图 6a)。由钩状回波附近的垂直剖面图(图 6b，沿图 6a白线做剖面)可以看出，在钩状回波处存在明显的有界弱回波区，高度在2 km左右，这揭示出此区域存在强上升气流，穹隆发展，上升气流区的悬垂结构明显。由退模糊后0.5°仰角径向速度(图 6c)可以看出，在钩状回波附近最大正径向速度为47 m ·s-1(约1.3 km高度)，最大负径向速度为-17 m ·s-1，存在气旋式结构。
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图 6 2021年6月1日17：15哈尔滨雷达观测产品 Fig.6 Observing product of Harbin radar at 17:15 BJT 1 June 2021 a中白色线段——沿此线做雷达垂直剖面；a、b中色阶——雷达反射率因子，单位为dBZ；c中黄色圆圈——钩状回波附近，色阶一径向速度，单位为m·s-1。 |
17：15—17：20，雷达回波强度很快增大至62 dBZ，且自西向东快速移动，至17：31最大回波强度开始减弱至55 dBZ，强回波的范围进一步减小。17：48，回波强度再次快速加强，17：54，强度为55 dBZ的回波更加密实，且可以看到在方位145°、距雷达91 km处第2次形成较明显的钩状回波，并且剖面上同样出现悬垂结构。17：59，最大雷达反射率因子达60 dBZ，之后回波逐渐减弱。
中气旋顶高、最大切变高度快速上升和下降的过程对应着小尺度涡旋的增强，最大切变值骤降对应着龙卷能量的快速释放[23]。图 7为2021年6月1日17：09—17：59中气旋参数演变情况，由中气旋识别参数来看，中气旋底高在龙卷发生前降低为1.1 km(17:09)，龙卷发生时(17:15)底高维持在1.1 km左右，这可能与雷达最低探测高度有关。顶高在17:09—17:26保持在5.5 km左右，17:31—17:48出现明显下降，随后又再次显著升高，最高升至7.9 km(17:54)。中气旋高度在龙卷发生后由2.6 km降至1.2 km(17:26)，后期总体维持在1.2 km左右。径向直径在龙卷发生时出现显著收缩情况，由7.6 km减小至1.4 km(17:15)，之后表现出一定的波动。伴随着中气旋直径缩放的同时，切变量也出现明显波动，先由46×10-3 s-1(17:09)降至16×10-3 s-1(17:37)，之后又快速跃增到43×10-3 s-1(17:43)，17:59再次降至28×10-3 s-1。结合雷达回波看，17:26雷达回波强(62 dBZ)，此时顶高、切变和径向直径均较大，龙卷强度较强。17:31—17:37雷达回波减弱，径向直径和切变均减小为龙卷过程中的极小值，中气旋特征减弱，而顶高减弱表现出一定的滞后性(17:43—17:48顶高减弱为极小值)。17:43—17:48雷达回波逐渐增强，钩状回波再次出现，径向直径和切变均明显增大，而顶高增强继续滞后1个体扫左右(17:54顶高增大到峰值)。
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图 7 2021年6月1日17:09—17:59中气旋参数演变过程 Fig.7 Evolution of mesocyclone parameters from 17:09 BJT to 17:59 BJT 1 June 2021 |
由2021年6月1日17:09—17:59龙卷涡旋特征(tornadic vortex signature，TVS)参数演变情况(图 8)可以看到，TVS在17:09底部高度为1.3 km，龙卷发生后随时间略有抬高，17:59升至1.5 km，龙卷持续期间维持在1.4 km左右。顶高变化波动相对较明显，17:09为5.7 km，龙卷发生后快速上升至7.1 km(17:15)，17:31—17:37雷达回波减弱，顶高则在17:26开始呈现减弱趋势，17:37—17:48空心钩状回波再次出现，顶高增大，17:48顶高达到峰值。TVS厚度变化与顶高的变化较为一致，17:09为4.3 km，龙卷发生时快速拉伸到5.8 km(17:15)，随后保持与顶高变化较为一致的波动状态。由最大切变来看，17:26雷达回波增强为62 dBZ，龙卷强度较强，最大切变量达到峰值，17:31—17:37雷达回波减弱，最大切变减小，17:37起雷达回波增强，最大切变则在17:43开始增大，与顶高和厚度相比，最大切变落后于顶高和厚度约1个体扫的时间。龙卷发生前期，最大切变高度处于较低位置(1~3 km)，17:48此高度出现明显升高，在3~6 km。整体上看，龙卷发生时伴随TVS顶高和厚度呈现波动式拉升收缩状态，随之最大切变表现为波动增强减弱，TVS顶高和厚度振荡相位相比最大切变超前约1个体扫的时间。
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图 8 2021年6月1日17:09—17:59龙卷涡旋特征参数演变过程 Fig.8 Evolution of TVS parameters from 17:09 BJT to 17:59 BJT 1 June 2021 |
龙卷报警产品(用户报警产品；user alarm product，UAM)是基于新一代天气雷达业务软件(ROSE)的龙卷涡旋特征识别产品(61号)，利用多普勒径向速度资料，计算其低层仰角的方位速度差、低空垂直切变、环流速度、龙卷碎片特征(tornadic debris signature，TDS)等9个特征参量属性，利用模糊逻辑法识别龙卷可能发生位置和发生概率等信息。由UAM来看，17：03开始报警，发生龙卷概率为78%(图 9a)，之后发生龙卷的概率快速增大，17:15概率达到99%(图 9b)，此时对应第1次钩状回波出现，17:20概率增大为100%，之后维持此概率至18:05，此时应是龙卷发生最强的时段。图 9c给出整个过程UAM识别的TVS移动路径，与灾调龙卷实况路径较为接近。UAM给出的提前量为12 min，此次过程UAM具有一定的提前量，对于龙卷预警发布具有较好参考价值。
4 结论与讨论对2021年6月1日黑龙江尚志的EF3级龙卷发生时地面风场、地面温湿、雷达等观测资料进行综合分析，并基于高时空分辨率的中国气象局气象探测中心实况分析场对龙卷的天气背景和环境特征进行了分析，得到以下主要结论：
(1) 由实况分析场看，尚志龙卷发生在东北冷涡东南侧，500 hPa位势高度的大梯度区，西南急流出口区域，500 hPa存在东伸的冷池，龙卷发生前500 hPa急流增强使垂直风切变增大，负变温使垂直递减率增大。龙卷发生在850hPa西风和偏南风的切变区域附近，低层的东侧为西南急流提供了暖湿气流的输入，低层的西侧为偏西气流输送带的干暖气流，两侧的湿度梯度较大。高空冷槽和低层暖脊叠加，并且偏西风将干冷空气卷入使温度垂直递减率增大，有利于不稳定层结的建立。
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图 9 2021年6月1日哈尔滨雷达0.5°仰角基本反射率因子叠加龙卷报警产品 Fig.9 Base reflectivity of Harbin radar at 0.5° elevation and tornado alarm product on 1 June 2021 a、b中色阶——雷达反射率因子，单位为dBZ；红色圆圈——龙卷报警产品的高概率区域；红色圆圈中的数值——龙卷发生概率；黄色箭头线——移动方向。 |
(2) 高时空分辨率的实况分析场能够较好反映龙卷发生的环境特征，且相对其他模式资料能够呈现龙卷发生过程中环境特征的演变。龙卷发生前CAPE升高，随后迅速降低，龙卷移出后又有所增加，龙卷位置为CAPE梯度大值区；龙卷发生发展过程中垂直风切变持续增大，SHR6的平均增幅在10 m ·s-1以上，大部分时次SHR6保持在18 m ·s-1以上，SHR3保持在15 m ·s-1以上，SHR1保持在9 m ·s-1以上；龙卷路径上SRH3和SRH1并不存在大值区，而龙卷路径的东南侧SRH3和SRH1均较高，龙卷发生于SRH大值的西北侧，冷涡本身的气旋式旋转特征为龙卷发生提供了有利的风暴相对螺旋度背景环境；850 hPa与500 hPa温差在32 ℃以上且垂直减温率较大，有利于不稳定层结的建立。整体上看，实况分析资料能够呈现出龙卷发生移动环境场的精细变化。
(3) 雷达显示在高层引导气流的影响下，多个单体向东北方向移动并合并逐渐发展为超级单体，出现3次钩状回波，穹隆结构加强，垂直剖面上出现明显的悬垂结构，低层风速存在明显辐合，高层辐散。
(4) 中气旋参数显示，径向直径在龙卷发生时显著收缩，龙卷期间中气旋径向直径和切变表现为随回波增大(减小)同频增大(减小)趋势，而顶高变化滞后1个体扫左右。龙卷涡旋特征参数演变显示，TVS底高维持在1.4 km左右，TVS顶高和厚度呈现随雷达回波增强(减弱)而增大(减小)趋势，TVS最大切变落后顶高1个体扫左右。TVS龙卷报警产品提前12 min提出龙卷概率为78%，随后迅速增大到100%并维持至18:05，对此次龙卷有较好的预警作用。
根据多源观测资料和高时空分辨率的格点实况资料对2021年6月1日尚志龙卷的过程进行了研究，期望为多源观测资料和未来精细化实况分析产品在龙卷等强对流监测预警中的应用提供参考。但由于观测资料时空分辨率有限，而实况分析产品存在一定时间滞后性，所以仍然需要优化气象观测系统布局，哈尔滨东部地区地面观测站较为稀疏，需适当增加地面观测站数量；雷达观测虽然能够覆盖此次龙卷路径，但是由于距离较远，低层的雷达覆盖率较低，需要增加X波段雷达从而弥补低层盲区的探测。雷达的龙卷预警产品对此次过程有较好的指示意义，但仍存在空报率过高的问题，需要进一步完善相应的算法。此外，需要通过更高分辨率的数值模拟分析，对龙卷发生发展的机理进行全面研究。
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