遼寧開原強龍卷的衛(wèi)星云圖和雷達回波演變特征分析

賈旭軒 李得勤 馮呈呈 張立鵬

(1.大連市氣象臺，遼寧 大連 116001；2.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166)

引言

龍卷是一種伴隨著高速旋轉漏斗狀云柱的強風渦旋，也是最猛烈的強對流天氣，其產(chǎn)生的最大地面風速可達140 m·s-1，破壞力巨大，經(jīng)過之處造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。美國由于龍卷頻發(fā)，相關研究也比較早，在20世紀60—70年代，一些研究人員就開始結合地面觀測數(shù)據(jù)、龍卷圖片以及龍卷災情對龍卷展開了大量研究工作[1-2]。為了更好地研究龍卷，科研工作者設計了大量的觀測設備，1996年成功地觀測到了龍卷內(nèi)部的溫、壓、風、濕數(shù)據(jù)[3]，對龍卷鉤狀回波和內(nèi)部熱力動力結構有了進一步的認識。

中國也是受龍卷影響較多的國家之一。隨著中國新一代多普勒天氣雷達完成布網(wǎng),對中、小尺度強對流天氣預報預警技術方面的研究提供了有力支撐，龍卷的研究有了較大的進展，深入分析了龍卷的活動規(guī)律、天氣尺度背景、中小尺度對流系統(tǒng)的特征[4-5]。從空間分布來看，龍卷主要發(fā)生在中國東北、東部沿海和南部(海南、廣東、廣西和云南)等地。中國東北地區(qū)的龍卷多發(fā)生在東北冷渦背景下，直接影響系統(tǒng)為冷渦南側次天氣尺度短波槽，且常出現(xiàn)在槽區(qū)或前傾槽后；較之夏季中國江淮流域和華南龍卷，中國東北龍卷環(huán)境溫度直減率較大；低層水汽含量及濕層厚度與江淮及華南龍卷相比顯著偏低[6-7]。俞小鼎等[8]應用合肥新一代多普勒天氣雷達對2003年7月8日安徽省無為市的龍卷進行了分析，提出雷達反射率因子呈現(xiàn)出超級單體的特征：低層弱回波區(qū)和中高層回波懸垂結構，這也是中國第一次探測到龍卷過程中多普勒天氣雷達回波的演變情況。此后，有氣象工作者[9-12]對中國出現(xiàn)的龍卷進行了分析。孫繼松等[13]提出了對流風暴的組織結構和強弱及單體生存時間的關鍵因子是垂直風切變，強的垂直風切變破壞了雷暴的自毀機制，使對流得以較長時間地維持和發(fā)展，在對流風暴的形成、傳播和分裂過程中起關鍵作用。張小玲等[14]對2016年6月23日發(fā)生在梅雨期地面暖鋒南側的罕見EF4級阜寧龍卷進行了天氣學分析。EF4級的龍卷比較罕見，即便在龍卷高發(fā)地美國發(fā)生概率也極低，僅占1%，但67%的人員死亡由這類龍卷造成[15-17]。開原強龍卷是遼寧記錄到的第一個EF4級龍卷，觀測資料均比較完整。本文分析了開原強龍卷衛(wèi)星云圖、雷達回波的演變過程，為氣象工作者進一步了解和研究開原強龍卷提供參考。

1 資料與方法

使用2019年7月3日16:00—18:00的氣象資料， 歐洲中期天氣預報中心再分析資料，空間格距為0.125°×0.125°，時間間隔為1 h。地面加密觀測資料，時間間隔為5 min。沈陽SC天氣雷達資料，時間間隔為6 min?？?號(Himawari-8)衛(wèi)星資料，水平分辨率為1 km，時間間隔為10 min。利用再分析資料和地面自動站觀測資料，從天氣學角度分析了開原龍卷發(fā)生的大氣環(huán)流形勢、地面要素變化及大氣層結特征。使用葵花8號衛(wèi)星資料和沈陽天氣雷達數(shù)據(jù)分析了開原龍卷發(fā)生期間衛(wèi)星云圖和雷達回波的演變特征。

2 結果分析

2.1 龍卷概況

2019年7月3日遼寧北部、吉林部分地區(qū)受東北冷渦影響出現(xiàn)強對流天氣，遼寧鐵嶺開原遭受龍卷災害，造成6人死亡、190多人受傷。張濤等[18]調(diào)查確認開原龍卷于7月3日17:15在鐵嶺開原市金鉤子鎮(zhèn)金英村北約1 km處形成，向南移動,先后影響了金英村、開原工業(yè)區(qū)北園(近距離擦過開原亨泰精細化工廠儲物罐)、“馨萱蘭苑”小區(qū)、義和村、“尚品銘城”小區(qū)、開原工業(yè)園南區(qū)、瓜臺子村，擦過榆樹堡村，17:47左右消散(圖1)。全程約14 km，歷時約30 min，移動速度約40 km·h-1，觸地毀損寬度200—400 m，嚴重毀損寬度50—100 m。由于開原強龍卷的直徑遠小于開原地區(qū)自動氣象觀測站的間隔距離，所以在龍卷發(fā)生期間沒有觀測到較大的地面風。中國在2019年8月1日頒布了氣象行業(yè)標準《龍卷強度等級》(QX/T 478—2019)，用于龍卷強度的判定，在標準中提供了美國EF-Scale等級與中國龍卷強度等級的對應關系。根據(jù)標準開原龍卷為最強等級、中國標準四級(相當于美國EF4級)。

圖1 2019年7月3日遼寧省開原龍卷移動路徑示意圖及部分點的受災時間

2.2 天氣背景分析

2019年7月3日開原強龍卷天氣過程的大尺度影響系統(tǒng)是東北冷渦。3日17:00，500 hPa東北冷渦中心位于黑龍江中部地區(qū)(圖2a)，龍卷發(fā)生地位于冷渦底部。在850 hPa高度上，龍卷發(fā)生地為偏西風、暖平流，吉林西部為偏北風、冷平流，暖舌向偏東方向伸至冷渦底后部下方(圖2b)，切變線位于內(nèi)蒙古與遼寧交界至吉林中部。遼寧北部處于冷、暖平流交匯處，500 hPa冷渦后部向下的冷空氣覆蓋在850 hPa暖平流上，形成了低層暖高層冷的配置結構。強烈的冷暖交匯,在遼寧北部形成了強烈不穩(wěn)定區(qū)域。

圖a黑色實線為位勢高度，單位為dagpm，填色為水汽云圖;圖b黑色實線為溫度，單位為℃，●為龍卷發(fā)生地

將2019年7月3日開原強龍卷的路徑與5 min地面氣象自動觀測風、溫度、降水分布疊加后發(fā)現(xiàn)，龍卷出現(xiàn)之前，16:00龍卷初生地附近大部分觀測站溫度均為29—30 ℃。16:30龍卷初生地東側出現(xiàn)弱降水，溫度降至27—28 ℃，東西兩側形成了2 ℃的溫度差。17:00初生地東側開原金溝子(L7556)氣象觀測站30 min降水9 mm，溫度降至24 ℃，開原老城鎮(zhèn)(L7561)30 min降水0.1 mm，溫度降至26 ℃，分別比初生地西側開原八寶(L7563)溫度低，存在3—5 ℃的溫度差。在17:15龍卷生成時(圖3a)，開原金溝子(L7556)15 min降水2 mm，溫度降至23 ℃，開原老城鎮(zhèn)(L7561)15 min降水0.2 mm，溫度降至24 ℃，分別比初生地西側開原八寶(L7563)溫度低，溫差6—7 ℃。龍卷強度達到EF4級時，17:35(圖3b)龍卷移動路徑東側開原清河張湘(L7593)35 min降水20 mm，溫度19 ℃，西側開原業(yè)民鎮(zhèn)(L7569)無降水，溫度30 ℃，兩側溫度差11 ℃，比初生時大5 ℃。龍卷消失后其移動路徑西側也開始出現(xiàn)降水，溫度下降，兩側溫度差減小。從溫度和降水的變化過程可以看到，龍卷發(fā)生前東西兩側地面溫度差約為2—5 ℃。龍卷生成后，強降水主要出現(xiàn)在龍卷移動路徑的東側，在下沉氣流的作用下，東側存在明顯的地面冷池，東西兩側溫度差最大達11 ℃。鄭永光等[19]指出開原強龍卷期間的地面冷池，在初生階段，是有利于龍卷形成的近地面機制，消亡階段，溫差超過7 ℃，冷池抑制了近地面垂直渦度維持。張晰瑩等[9]也提到過龍卷初生時地面溫度梯度大的分布特征。地面冷池所產(chǎn)生的斜壓區(qū)域?qū)埦砩捎兄匾绊慬20-22]。由于地面自動氣象觀測站間隔距離較大，龍卷路徑位于觀測站間隙處，地面風場并未監(jiān)測到大風，龍卷路徑兩側附近觀測站風速均在10 m·s-1以下(圖3)。

圖中帶●的黑色實線為龍卷移動路徑，點上方標值為累積降水，下方標值為溫度，一個風羽為4 m·s-1

探空圖是分析大氣層結的重要工具，Thompson等[23]統(tǒng)計分析美國龍卷風數(shù)據(jù)后，得到產(chǎn)生強龍卷0—6 km垂直風切變?yōu)?8—31 m·s-1，0—1 km垂直風切變?yōu)?.5—15.5 m·s-1，抬升凝結高度為751—1322 m，對流有效位能(CAPE)為1084—3646 J·kg-1，風暴相對螺旋度(SRH)為60—282 m2·s-2。根據(jù)ERA5再分析資料，計算了2019年7月3日17:00開原龍卷初生地的大氣層結特征值，如圖4所示，大氣層結處于不穩(wěn)定狀態(tài)，0—6 km垂直風切變?yōu)?2.8 m·s-1，0—1 km垂直風切變?yōu)?.6 m·s-1，抬升凝結高度為922 m，CAPE為2321 J·kg-1，0—1 km SRH為103.2 m2·s-2，各物理量參數(shù)均滿足Thompson等總結的美國強龍卷指標。與2016年6月23日江蘇阜寧EF4級龍卷相比[14]，0—1 km風切變和阜寧的8 m·s-1相近，0—6 km風切變比阜寧的27 m·s-1弱，抬升凝結高度大于阜寧的240 m。

圖4 2019年7月3日17:00龍卷初生地探空圖

2.3 衛(wèi)星云圖演變特征

在可見光云圖上，2019年7月3日龍卷生成前，開原市北部強對流天氣活動頻繁，云團自東向西呈直線排列(圖5a)，對流云團C的西側有多個新生的中γ對流云團，東側的對流云團正處于發(fā)展階段。16:50對流云團C和其東側的云團都增強，云團C面積增大，東側云團出現(xiàn)上沖云頂(圖5b)。對流云團C繼續(xù)增強出現(xiàn)上沖云頂(圖5c)，邊界更加清晰，其東側云團減弱，上沖云頂消失。此時龍卷還沒有形成，對流云團C正處于發(fā)展階段。

圖5 2019年7月3日16:40(a)、16:50(b)、17:00(c)葵花8可見光云圖

2019年7月3日17:10對流云團C進一步增強，上沖云頂存在明顯的陰影，云砧呈現(xiàn)出偏心結構向南伸展，其西側有新生成的中γ對流云團D1、D2(圖6a)。圖6b中對流云團C的云砧結構緊湊，水平尺度增大，其西側D1、D2云團逐漸靠近云團C。下一時次(圖6c)對流云團C的上沖云頂陰影區(qū)更加明顯。17:40(圖6d)對流云團C的云砧面積增大，其西側D1匯入云團C中，但云團C的上沖云頂陰影區(qū)比前一次減小。17:50(圖6e)對流云團C的上沖云頂陰影區(qū)增大，其西側D2云團靠近云團C，云砧的邊界開始變模糊。18:00(圖6f)對流云團C的上沖云頂陰影區(qū)消失，云砧結構變松散。

圖6 2019年7月3日17:10(a)、17:20(b)、17:30(c)、17:40(d)、17:50(e)、18:00(f)葵花8號可見光云圖

從可見光圖像能夠看出，龍卷生成時，對流云團云砧的水平尺度明顯增大，西側中γ尺度云團開始靠近對流云團C主體云系。發(fā)展階段，對流云團發(fā)展最為劇烈的時期，上沖云頂?shù)年幱皡^(qū)明顯，結構緊湊，西側有中γ尺度云團匯入。消失階段，對流云團云砧結構首先變得松散，水平尺度變化不大。消失階段雖然也有云團靠近，但云團C的結構松散，云砧邊界模糊。

水汽圖像上色調(diào)淺白的區(qū)域為對流層上部的濕區(qū)，黑色的區(qū)域為大氣中的干區(qū)。水汽圖像上的干濕邊界特征，對天氣系統(tǒng)的發(fā)展與否有明顯的指示意義。2019年7月3日17:30水汽云圖可見(圖2a)，開原強龍卷是一個典型的冷渦云型，呈氣旋性彎曲，尾部水汽圖像最白亮。冷渦中心位于吉林中部與黑龍江交界處，吉林中西部、黑龍江西部為干區(qū)，有干空氣入侵，龍卷發(fā)生地形成了明顯的水平梯度濕度場。500 hPa冷渦前呈疏散狀，有利于強對流云高空輻散抽吸作用以及大氣的垂直運動。垂直結構上，850—500 hPa的比濕從9 g·kg-1減小到1 g·kg-1說明存在著下濕上干的垂直結構。從水汽通道(6.2 μm)與紅外通道(10.4 μm)上沖云頂亮溫變化上可以看出(圖7)，兩個通道亮溫的變化與可見光圖像上沖云頂?shù)淖兓恢?，當出現(xiàn)上沖云頂，亮溫降低；上沖云頂消失，亮溫也開始升高[24]。17:40亮溫升高，上沖云頂減弱，此時龍卷進入消亡階段，17:50亮溫降低，上沖云頂增強，這與圖6d、圖6e中上沖云頂陰影區(qū)變化一致。

圖7 2019年7月3日17—18時開原龍卷上沖云頂亮溫時間變化

2.4 雷達回波演變特征

2.4.1 反射率因子

通過比較對流風暴高、中、低層反射率因子的結構，可判斷該對流風暴是屬于強風暴還是非強風暴，而超級單體風暴與其他強風暴的本質(zhì)區(qū)別在于超級單體風暴含有一個持久深厚的中氣旋[25-26]。利用沈陽SC型多普勒天氣雷達資料分析開原強龍卷的雷達回波演變特征。2019年7月3日16:00在遼寧昌圖縣南部地區(qū)出現(xiàn)對流單體并不斷加強，形成多單體對流風暴。16:27(圖8a)在多單體風暴移動方向的右后方出現(xiàn)了新單體(單體C)，回波中心初始高度8 km，最大反射率因子40 dBz，與普通對流單體初始回波高度1 km左右形成了鮮明的對比。該回波初始高度與脈沖風暴比較類似，但從后期發(fā)展來看，該回波持續(xù)時間比脈沖風暴長，并最終出現(xiàn)了龍卷。16:32—16:38單體C繼續(xù)增強，各層均出現(xiàn)大于40 dBz的回波。16:49單體C低層反射率因子大值區(qū)位于中心，從反射率因子核心向各個方向的反射率因子梯度大致相同(圖8b)，剖面圖上(圖9a)中、低層強回波區(qū)位置幾乎重合，回波頂位于低層回波最強區(qū)域之上，此時單體C為多單體非強風暴。

圖a為3.4°仰角，圖b至圖l為0.5°仰角，圖b、圖c、圖e、圖j紅色直線為圖9剖面位置

圖9 2019年7月3日16:49(a)、17:06(b)、17:17(c)和17:44(d)雷達反射率因子剖面

17:06和17:11(圖8c和圖8d)0.5°仰角單體C反射率因子梯度大值區(qū)出現(xiàn)偏心結構，西側回波梯度大于東側。17:06垂直剖面圖上(圖9b)，回波大值中心逐漸向上發(fā)展，55 dBz以上的回波大值區(qū)在6 km處向低層入流側和弱回波區(qū)彎曲，回波頂部出現(xiàn)尖刺狀突出，此時單體C為多單體強風暴。

17:17，0.5°仰角雷達反射率因子圖上出現(xiàn)了鉤狀回波(圖8e)，單體C的剖面圖上(圖9c)，回波頂向西移過低層反射率因子的高梯度區(qū)，位于有界弱回波區(qū)之上，有回波懸垂特征，此時單體C為超級單體風暴，多單體風暴中其他的單體都已減弱。17:22在龍卷超級單體C后側出現(xiàn)弱單體D(圖8f)，強度為40 dBz，高度為5 km。17:27(圖8g)單體D回波強度達到47 dBz，高度降低到3 km。17:33—17:44(圖8h、圖8i和圖8j)單體D與龍卷超級單體C合并，使得單體C增強。Lee等[27]研究指出，對流單體的合并對強對流的發(fā)展起著重要的作用。17:44單體C垂直剖面上(圖9d),中層回波懸垂反射率因子大于60 dBz，明顯比17:17回波懸垂強度大。17:39在單體C的西側又生成單體E，高度約5 km，強度42 dBz，并逐漸增強。17:50單體C在低層依然維持鉤狀回波(圖8k)，單體E發(fā)展成為非強單體風暴，回波頂高5 km。17:55，0.5°仰角反射率因子鉤狀回波特征消失，單體E與單體C合并(圖8l)。18:01強回波中心高度降低，減弱后向南移動(圖略)。

綜上所述，2019年7月3日開原龍卷是典型的超級單體龍卷，在龍卷發(fā)展的過程中，單體合并起到了重要作用。17:55雖然也發(fā)生了單體合并，但此時龍卷已消散，合并僅使得單體C的回波強度增強，最終回波繼續(xù)減弱消失。因此單體不同的發(fā)展階段，合并后風暴發(fā)展也不同。

2.4.2 徑向速度

大部分中氣旋都伴有大風、冰雹、龍卷等強對流天氣，但并不是每一個出現(xiàn)中氣旋的風暴都與冰雹等強對流天氣對應，要將中氣旋與強對流天氣的發(fā)生相對應，需要滿足中氣旋時間持續(xù)性的條件[28]。方翀和鄭媛媛[29]研究指出，持續(xù)時間在3個體掃以上的中氣旋與龍卷有很好的對應關系。開原強龍卷發(fā)生期間，中氣旋的持續(xù)時間遠遠大于3個體掃。16:38在1.5°仰角徑向速度圖上出現(xiàn)中氣旋，高度3 km，正速度為30 m·s-1，負速度為-15.5 m·s-1，旋轉速度為22.75 m·s-1，距離雷達87 km，該中氣旋為強中氣旋[25]，此時其他仰角無中氣旋特征。16:54中氣旋向上發(fā)展，2.4°仰角出現(xiàn)中氣旋，高度達到4 km。17:11，0.5°仰角上出現(xiàn)中氣旋，高度1 km，低層出現(xiàn)渦旋。龍卷發(fā)生期間，對流風暴的中氣旋特征一直維持。單體合并后，17:44龍卷距離雷達75 km，0.5°仰角中氣旋正速度為26 m·s-1，負速度為-29 m·s-1，旋轉速度為27.5 m·s-1(圖10a)；1.5°仰角中氣旋正速度為30 m·s-1，負速度為-29 m·s-1，旋轉速度為29.5 m·s-1(圖10b)，都屬于強中氣旋。開原強龍卷發(fā)生期間，風暴的中氣旋特征一直維持，龍卷消失后，風暴的中氣旋特征還維持一段時間。

圖10 2019年7月3日17:44 0.5°仰角(a)和 1.5°仰角(b)雷達徑向速度

3 結論與討論

(1)2019年7月3日這次強龍卷過程受東北冷渦的影響，發(fā)生地開原位于冷渦底部，低層850 hPa有明顯的暖濕氣流，冷渦底部的干侵入與低層暖平流形成了下濕上干的不穩(wěn)定層結。0—6 km有22.8 m·s-1、0—1 km有7.6 m·s-1強垂直風切變。地面風場為西南氣流，有利于近地面層水汽向開原地區(qū)輸送。

(2)龍卷出現(xiàn)前，遼寧北部大氣層結不穩(wěn)定，不斷有中尺度強對流天氣發(fā)生， 2019年7月3日16:00—17:00龍卷初生地東西兩側有2—5 ℃的溫度差；龍卷生成后，強降水出現(xiàn)在龍卷移動路徑東側，下沉氣流造成地面明顯降溫，最低溫度19 ℃，與西側溫差最大達11 ℃。

(3)開原龍卷發(fā)生階段是對流單體云團發(fā)展最為劇烈的時期。龍卷生成時，云砧水平尺度明顯增大，云頂升高，亮溫降低。強龍卷階段，云砧褶皺加深，龍卷西側新生成中γ尺度單體云團匯入龍卷云系。

(4)遼寧地區(qū)的龍卷多出現(xiàn)在沿海地區(qū)和遼河平原[30]，此次開原強龍卷發(fā)生地正位于遼河平原北部內(nèi)陸地區(qū)。此次強龍卷天氣過程中，對流風暴的中氣旋特征持續(xù)時間較長，2019年7月3日16:38出現(xiàn)，17:47龍卷消散后，中氣旋特征持續(xù)了一段時間后才消失。結合雷達反射率因子的演變特征，開原龍卷對流風暴經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：16:27—16:49為多單體非強風暴；16:54—17:11為多單體強風暴；17:17—17:50為超級單體風暴，開原強龍卷為超級單體風暴。從中氣旋的演變特征可見，16:38—17:06在3 km高度出現(xiàn)強中氣旋，隨后向上發(fā)展，17:11向下伸展到低層1 km，旋轉在對流風暴西側引起強烈持續(xù)低層入流，在其作用下，風暴移動方向的右后側首先出現(xiàn)了指狀回波[31]，隨著對流單體發(fā)展為超級單體，出現(xiàn)鉤狀回波。超級單體階段，對流單體合并對開原強龍卷風暴的發(fā)展起了重要的作用，開原強龍卷的最強等級就出現(xiàn)在單體合并時。

(致謝：感謝國家氣象中心朱文劍高級工程師在雷達資料處理方面給予的指導和幫助)