王 寧王婷婷張 碩慕秀香楊秀峰

1）（吉林省氣象臺，長春130062）2）（吉林省長春市氣象局，長春130051）

東北冷渦背景下一次龍卷過程的觀測分析

王 寧1）*王婷婷1）張 碩1）慕秀香1）楊秀峰2）

1）（吉林省氣象臺，長春130062）2）（吉林省長春市氣象局，長春130051）

2012年6月12日在吉林省白城市洮北區(qū)發(fā)生一次龍卷過程（簡稱“612”龍卷），對此次龍卷過程天氣形勢和雷達資料分析結(jié)果表明：龍卷發(fā)生在高空冷渦的東南象限、中高空急流北側(cè)、低空急流左側(cè)的對流不穩(wěn)定區(qū)域及地面較暖濕的環(huán)境中，大氣對流參數(shù)計算結(jié)果顯示龍卷過程低層（0～1 km）的垂直風(fēng)切變較強（為6.0×10－3s－1），抬升凝結(jié)高度較低（低于1 km），且龍卷發(fā)生前對流有效位能較大。同時，龍卷過程超過50 dBZ的強核高度均在4 km以下，為低質(zhì)心的對流系統(tǒng)，龍卷產(chǎn)生于一條帶狀回波與一近似團狀回波合并加強后的強回波帶中，并逐漸演變成“S”型，伴有“V”型缺口，中心最強值達61 dBZ。根據(jù)多普勒天氣雷達導(dǎo)出產(chǎn)品并結(jié)合徑向速度圖反映出“612”龍卷是發(fā)生在以龍卷渦旋特征為主的尺度較小且垂直渦度較大（約為3.65×10－2～3.83×10－2s－1）的強對流風(fēng)暴中，持續(xù)時間較短。

龍卷；大氣對流參數(shù)；多普勒天氣雷達；龍卷渦旋特征

引 言

龍卷是從雷暴云向下伸展并接觸下墊面高速旋轉(zhuǎn)的漏斗狀云柱，常與雷雨大風(fēng)、短時強降水或冰雹等相伴出現(xiàn)，是強對流天氣最強烈的表現(xiàn)形式之一。由于龍卷屬于小尺度渦旋，具有突發(fā)性強、生命史短、變化急劇、垂直運動強等重要特征，即使采用加密觀測資料，也難以捕捉到，預(yù)報難度大，常造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此一直是廣大氣象工作者關(guān)注和研究的重點之一。比較而言，我國東部地區(qū)多發(fā)龍卷，俞小鼎等［1］、鄭媛媛等［2］、姚葉青等［3］對安徽幾次較典型龍卷進行了深入分析，得到一些有應(yīng)用價值的預(yù)報預(yù)警指標；何彩芬等［4］、蔣義芳等［5］對臺風(fēng)前部龍卷的環(huán)境場和多普勒天氣雷達產(chǎn)品進行分析，認為龍卷一般發(fā)生在臺風(fēng)前部的風(fēng)切變區(qū)，這里極不穩(wěn)定的大氣層結(jié)、低空較強的垂直風(fēng)切變及地形條件為龍卷提供了有利的熱力和動力條件，同時伴有鉤狀回波、弱回波區(qū)和后側(cè)入流缺口以及強回波質(zhì)心高度驟降等特征出現(xiàn)。在北方，龍卷發(fā)生的概率相對較低，張晰瑩等［6］對東北地區(qū)中尺度對流云團引發(fā)的龍卷等強對流天氣進行分析，認為龍卷發(fā)生在中尺度對流云團的發(fā)展階段，速度場存在明顯的中氣旋，金巍等［7］對遼寧一次由超級單體引發(fā)的龍卷過程從大尺度環(huán)流背景和雷達回波特征等方面進行了探討。此外，還有氣象學(xué)者從龍卷的誘發(fā)原因、維持和加強機制、數(shù)值模擬等方面［8-16］開展相關(guān)研究，結(jié)果表明：低層垂直風(fēng)切變很大且抬升凝結(jié)高度較低，有利于強龍卷的產(chǎn)生［17-18］；觀測到強中氣旋時，發(fā)生龍卷的平均概率約為20%；在觀測到中氣旋的基礎(chǔ)上探測到龍卷渦旋特征，則發(fā)生龍卷的概率提高到50%以上［19-20］。

2012年初夏，吉林省白城地區(qū)遭受到百年不遇的龍卷襲擊，本文利用MICAPS資料、探空資料、區(qū)域加密觀測資料及多普勒天氣雷達產(chǎn)品等對這次龍卷過程的大尺度環(huán)流背景、形成龍卷的物理條件及雷達回波特征等方面進行詳細分析，以期為龍卷的監(jiān)測和預(yù)報提供參考，做到及早預(yù)警，減輕災(zāi)害造成的損失。

1 天氣實況

受高空冷渦影響，2012年6月12日16：20（北京時，下同），吉林省白城市洮北區(qū)遭受龍卷風(fēng)襲擊（簡稱“612”龍卷），瞬間風(fēng)力達23.4 m·s－1，風(fēng)區(qū)直徑超過1 km，共持續(xù)10 min，漏斗狀結(jié)構(gòu)特征明顯，并伴有雷陣雨，局地出現(xiàn)短時雷雨大風(fēng)或冰雹天氣（圖1）。

據(jù)當?shù)孛裾块T統(tǒng)計，“612”龍卷共造成32人受傷，1312間房屋受損嚴重，1020 hm2作物成災(zāi)，其中60 hm2作物絕收，受災(zāi)人口3210人，直接經(jīng)濟損失1090萬元。根據(jù)Fujita龍卷劃分等級及現(xiàn)場的受災(zāi)情況判斷，此次龍卷過程為F1級以下的弱龍卷。

圖1 2012年“612”龍卷實況（a）及受災(zāi)現(xiàn)場（b）Fig.1 The live（a）and the disaster scene（b）of“612”tornado in 2012

圖2給出距龍卷發(fā)生地20 km的白城自動氣象站地面氣象要素的變化曲線。由圖2可以看到，龍卷發(fā)生時，風(fēng)速及氣溫出現(xiàn)突變，即風(fēng)速突增、氣溫陡降，白城站極大風(fēng)速達到 23.4 m·s－1，16：00—17：00白城站氣溫由18.2℃下降到15.9℃，1 h降溫幅度超過2℃（圖2a），同時氣壓先降后升，并伴有陣性降水，龍卷過后，氣壓陡升，幾小時內(nèi)從979.6 hPa迅速回升至983 hPa，升幅為0.85 hPa／h，類似于颮線過境，并伴有一些陣性降水（圖2b）。

圖2 2012年6月12日09：00—20：00白城站氣溫和極大風(fēng)速（a）、降水量和氣壓（b）Fig.2 Air temperature and max wind speed（a），rainfall and air pressure（b）variations at Baicheng Station from 0900 BT to 2000 BT on 12 June 2012

2 大尺度環(huán)流特征

此次龍卷過程的影響系統(tǒng)為高空冷渦，龍卷發(fā)生當日08：00 500 hPa冷渦處于成熟階段，顯著降溫區(qū)從西北部入侵吉林省，溫度槽與高空槽基本重合或略有偏東，冷渦中心強度較強，在560 dagpm以下，500 hPa以西北急流為主，風(fēng)速為20～28 m·s－1，中心最強可達32 m·s－1；200 hPa西風(fēng)急流帶明顯偏南，風(fēng)速一般為40～44 m·s－1，中心最強可達64～68 m·s－1；對應(yīng)850 hPa有高空槽或切變存在，溫壓場斜壓性較強，暖脊穿過吉林省中部，溫度露點差低于3℃的濕區(qū)位于西北部，中西部850 hPa與500 hPa溫度差一般為28～32℃，大氣上冷下暖，形成不穩(wěn)定層結(jié)，極有利于強對流天氣的產(chǎn)生。龍卷（淺藍色圓點處）發(fā)生在高空冷渦的東南象限、200～500 hPa急流北側(cè)、850 hPa低空急流左側(cè)的對流不穩(wěn)定區(qū)域中（圖3a）。對應(yīng)地面圖上，2012年6月12日14：00，地面為一低壓倒槽，龍卷（淺藍色圓點處）發(fā)生在倒槽頂部暖式切變線北側(cè)、露點溫度大值區(qū)西側(cè)；龍卷發(fā)生時伴有雷陣雨天氣，白城站溫度露點差由4～5℃迅速下降至2℃，地面空氣基本呈飽和狀態(tài)，這種低層暖濕的環(huán)境場極有利于龍卷天氣的發(fā)生（圖3b）。

圖3 2012年6月12日綜合分析圖（a）6月12日08：00高空圖，（b）6月12日14：00地面圖Fig.3 Comprehensive analysis graghs on 12 June 2012（a）high gragh at 0800 BT 12 June 2012，（b）surface gragh at 1400 BT 12 June 2012

3 龍卷過程大氣對流參數(shù)特征

選取離龍卷發(fā)生地較近的上游探空站（索倫站）作為代表站，計算大氣對流有效位能、垂直風(fēng)切變和抬升凝結(jié)高度，分析龍卷發(fā)生前的大氣狀況。2012年6月12日08：00索倫站K指數(shù)為30℃?！?12”龍卷發(fā)生前1天，由于已經(jīng)出現(xiàn)雷雨、短時大風(fēng)和冰雹等強對流天氣而導(dǎo)致能量釋放，所以索倫站對流有效位能較小，為374 J·kg－1?！?12”龍卷發(fā)生前，索倫站0～6 km和0～1 km的垂直風(fēng)切變分別為1.3×10－3s－1和6.0×10－3s－1，即此次龍卷過程0～1 km垂直風(fēng)切變比較強。Thompson等［21］分析了龍卷多種對流參數(shù)的統(tǒng)計值，認為0～1 km垂直風(fēng)切變對判斷龍卷更為有效，當0～1 km垂直風(fēng)切變平均值為9.5×10－3s－1、下限為5.5×10－3s－1時更有利于F2級以上龍卷的產(chǎn)生?！?12”龍卷發(fā)生時，低層的垂直風(fēng)切變已達到國外統(tǒng)計出現(xiàn)強龍卷的下限。另外，此次龍卷的抬升凝結(jié)高度為926 m，小于1000 m，即龍卷產(chǎn)生于較大的對流有效位能、較強的低層垂直風(fēng)切變和較低的抬升凝結(jié)高度環(huán)境之中［］。

4 雷達回波特征

4.1 回波強度演變特征

由圖4可知，2012年6月12日下午在白城南部開始出現(xiàn)絮狀回波，并緩慢向北移動，期間有一些分散的對流單體不斷合并，15：45在白城西部30 km處形成一條近似南北方向的強回波帶（圖4a），回波帶長約60 km，寬約10 km，有多個強對流單體縱向排列，中心強度約為53 dBZ，同時在白城東南方向16 km處有一近似團狀的強回波，中心強度約為51 d BZ，不斷移向白城站，并與西部的帶狀回波逐漸靠近；16：16兩個對流系統(tǒng)合并形成強回波帶（圖4b），強回波帶在北移過程中緩慢轉(zhuǎn)為東西向，并且逐漸演變成“S”型，說明風(fēng)暴內(nèi)氣旋性旋轉(zhuǎn)特別強，中心強度增至54 d BZ，在強回波帶后方開始出現(xiàn)“V”型缺口；16：27回波帶對流組織化進一步加強（圖4c），中心強度加強至61 dBZ，其后面的“V”型缺口也有所北抬，此時白城市觀測到龍卷；16：42強回波帶繼續(xù)北移，強度有所減弱（圖4d）。

圖4 2012年6月12日白城站雷達1.5°仰角回波強度（a）15：45，（b）16：16，（c）16：27，（d）16：42Fig.4 Reflectivity of Baicheng radar of 1.5°on 12 June 2012（a）1545 BT，（b）1616 BT，（c）1627 BT，（d）1642 BT

由此可知，“612”龍卷產(chǎn)生于一條帶狀回波與一近似團狀回波合并加強后的強回波帶中，并逐漸演變成“S”型，最大回波強度達61 dBZ。

過強回波中心做垂直剖面可知，此次龍卷天氣強回波高度較低，超過45 dBZ的強核高度均位于6 km高度以下，超過50 dBZ的強核高度均低于4 km，屬于低質(zhì)心的對流系統(tǒng)，與冰雹天氣強回波高度有明顯不同（圖5）。

圖5 2012年6月12日16：27過強回波中心的垂直剖面（A：方位角為310.4°，距白城站29.0 km；B：方位角為23.9°，距白城站4.4 km）Fig.5 The vertical profile along the strong echo center at 1627 BT 12 June 2012（A：position of 310.4°，29.0 km away from Baicheng Station；B：position of 23.9°，4.4 km away from Baicheng Station）

4.2 雷達導(dǎo)出產(chǎn)品綜合分析

在多普勒天氣雷達導(dǎo)出產(chǎn)品中，中氣旋識別、龍卷渦旋特征、風(fēng)暴內(nèi)部結(jié)構(gòu)等是龍卷形成的重要標志。尤其是中氣旋識別對龍卷預(yù)警有重要的應(yīng)用價值。1978年Brown等［19］在研究強風(fēng)暴的雷達資料中，發(fā)現(xiàn)了一個可能伴隨龍卷過程的比中氣旋尺度更小的多普勒天氣雷達速度場渦旋特征，它們被稱為龍卷渦旋特征（tornadic vortex signature，簡稱TVS）。龍卷渦旋特征表現(xiàn)為徑向速度圖上沿方位角方向兩個相鄰像素之間的強烈速度切變，其尺度通常在2 km以下。

圖6 2012年6月12日龍卷渦旋特征 （a）15：14，（b）15：45，（c）16：01，（d）16：06Fig.6 Tornadic vortex signature on 12 June 2012 （a）1514 BT，（b）1545 BT，（c）1601 BT，（d）1606 BT

分析此次龍卷發(fā)生時的雷達導(dǎo)出產(chǎn)品可知，“612”龍卷發(fā)生時，雷達始終未識別出中氣旋，但15：14開始在白城西南約20 km處識別出一個龍卷渦旋特征（R6）（圖6a），并不斷向北移動，共持續(xù)了6個體掃（圖6b），15：55對應(yīng)徑向速度圖上的同一地點可探測到正負速度對，最大正速度和最小負速度分別為15.6 m·s－1和－22.7 m·s－1，正負速度對相距約2 km，經(jīng)計算［22］可得垂直渦度為3.83×10－2s－1。16：01在白城站西側(cè)20 km處又識別出新的龍卷渦旋特征（A9）（圖6c），維持兩個體掃（圖6d），對應(yīng)徑向速度圖上16：16探測到最大正速度和最小負速度分別為15.1 m·s－1和－21.4 m·s－1，相距約2 km，垂直渦度達到3.65×10－2s－1。先后觀測到較強的龍卷渦旋特征較龍卷發(fā)生時間提前約25 min和4 min，對預(yù)警有一定指示作用，但其位置較龍卷發(fā)生地點略偏西偏南。由此可見，“6.12”龍卷天氣是發(fā)生在以龍卷渦旋特征為主的尺度較小且垂直渦度較大的強對流風(fēng)暴中，強度較強，持續(xù)時間較短。

5 結(jié)論與討論

1）“612”龍卷發(fā)生時表現(xiàn)為風(fēng)速突增，氣溫陡降，同時氣壓先降后升，漏斗狀結(jié)構(gòu)特征明顯并伴有對流性降水，龍卷過后，氣壓陡升，類似于颮線過境。

2）龍卷發(fā)生是天氣尺度、中尺度和小尺度對流風(fēng)暴系統(tǒng)間相互作用的結(jié)果。高、低空急流的最佳配置、上冷下暖的位勢不穩(wěn)定層結(jié)及較強的垂直風(fēng)切變?yōu)辇埦戆l(fā)生提供了有利的環(huán)境條件，地面氣旋性輻合的加強及切變線的形成也是誘發(fā)龍卷的重要因素。

3）在有渦源存在的環(huán)境中，雷達回波的不斷合并發(fā)展加強、“S”型結(jié)構(gòu)的演變及“V”型缺口特征的同時出現(xiàn)增加了龍卷發(fā)生的可能性。利用多普勒天氣雷達導(dǎo)出產(chǎn)品并結(jié)合徑向速度圖，在龍卷發(fā)生前幾分鐘至幾十分鐘，可提前探測到龍卷渦旋特征，有利于龍卷預(yù)警。

與其他強對流天氣相比，龍卷發(fā)生屬于小概率事件。本文主要從觀測角度分析“612”龍卷特征，即龍卷發(fā)生時，抬升凝結(jié)高度較低（為926 m），0～1 km 垂直風(fēng)切變較強（為6.0×10－3s－1），低層垂直風(fēng)切變已達到國外統(tǒng)計出現(xiàn)強龍卷的下限，回波強度較強（達61 d BZ）且垂直渦度較大（約為3.65×10－2～3.83×10－2s－1）。今后還要從龍卷形成的機理、結(jié)論的普遍適用性及預(yù)報因子閾值的確定等方面進行深入探討。

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Observation of a Tornado in the Circulation Background of Northeast Cold Vortex

Wang Ning1）Wang Tingting1）Zhang Shuo1）Mu Xiuxiang1）Yang Xiufeng2）

1）（Jilin Provincial Meteorological Observatory，Changchun130062）
2）（Changchun Meteorological Bureau of Jilin Province，Changchun130051）

The synoptic situation and Doppler radar data of the tornado process of Taobei District of Baicheng city in Jilin Province on 12 June 2012（referred as“612”tornado）are analyzed，results are as follows.The tornado process occurrs in the southeast quadrant of the upper cold vortex，and in the convective unstable region of the north of the upper-level jet and the left of the low-level jet，also，in a relatively warm and humid environment of the surface systems.The caculation of atmospheric convective parameters shows that strong vertical wind shear（no less than 6.0×10－3s－1）occurs at low layer（0－1 km）and relatively low lifting condensation level（no more than 1 km）exists in the tornado process，and the convective available potential energy is large before the tornado occurs.As for the radar echo characteristics，the height of the strong core（no less than 50 dBZ）is below 4 km in the tornado event，making it a low centroid convective system.The tornado occurs in the strong echo zones where a banded echo with an approximate nodular echo join together，and it gradually evolves into an“S”type with“V”type gap，and the echo of the strongest center value reaches 61 d BZ.Using the Doppler radar derived products and the radial velocity map，tornado vortex signature（TVS）could be detected，indicating that“612”tornado occurs in strong convective storm with smaller-scale TVSand larger vertical vorticity（about 3.65×10－2s－1－3.83×10－2s－1），having short duration.TVS could be identified in advance before the tornado，so it is very useful for estimation and prediction of tornados.

tornado；atmospheric convective parameter；Doppler weather radar；tornado vortex signature（TVS）

王寧，王婷婷，張碩，等.東北冷渦背景下一次龍卷過程的觀測分析.應(yīng)用氣象學(xué)報，2014，25（4）：463-469.

2013-09-23收到，2014-03-03收到再改稿。

公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201006006），中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室開放課題（201109）

*email：wangningwell＠126.com