2017年夏初邵陽一次龍卷天氣過程個例分析

徐靖宇，周長青，陳 龍，王 強

(1.湖南省氣象臺，湖南 長沙 410118；2.河南省懷化市氣象臺，湖南 懷化 418000)

1 引言

龍卷是大氣中最強烈的對流天氣現象，常發生于夏季的雷雨天氣時，可造成重大的人員傷亡和財產損失。龍卷是一個平均直徑為100m左右從積雨云內部擴展到地面的猛烈旋轉的空氣柱,其視覺特征是一個從云底懸掛下來的漏斗云或地面旋轉的塵云[1-2]。早在1970年，Donaldson[3]利用多普勒天氣雷達就已經成功觀測到了超級單體風暴中存在的中氣旋；Brown et al[4]發現了一個可能伴隨龍卷過程比中氣旋尺度更小的多普勒雷達速度場渦旋特征，被稱為龍卷渦旋特征(TVS)，中氣旋和TVS兩個指標作為龍卷特征判別的有效指標一直得以沿用。俞小鼎等[5]對2005年7月30日發生在安徽靈璧的強龍卷過程進行了詳細探討，發現該龍卷在一個尺度很大的強降水超級單體中生成，龍卷出現在該超級單體中氣旋的中心。姚葉清[6]等對安徽發生的6次龍卷過程和冰雹、雷暴大風天氣對比分析得出，龍卷的SRH、濕度條件均高于冰雹、雷雨大風，而低的抬升凝結高度有利于CAPE集中于0 ℃層以下，使上升氣流在中低層得到快速加強，但是產生龍卷的平均CAPE值相對較小。湖南的本地研究學者唐小新[7]、廖玉方[8]等分別對湖南永州、常德龍卷過程進行了研究，指出強烈的中氣旋、龍卷渦旋特征(TVS)造成龍卷的產生，并有三體散射特征(TBSS)。湖南是一個龍卷發生率僅次于江蘇、安徽的省份，但因龍卷的強局地性且觀測資料有限，湖南本土預報員專門針對龍卷進行研究的個例還是有限，而2017年6月5日湖南邵東縣出現了一次龍卷天氣過程，且帶來了一定的致災性，因此本文利用多源觀測資料對其進行分析，以提高湖南龍卷天氣發生發展機理的研究并對龍卷個例進行有利的補充。

邵陽市屬湘中丘陵地帶，歷史上龍卷天氣出現較多，邵陽、邵東、新邵等地均有發生。本文選取2017年6月5日發生在邵陽市邵東縣龍卷天氣過程個例進行分析，利用高空地面資料、加密自動站資料、NCEP再分析資料，從層結不穩定條件、動力條件、水汽條件、抬升觸發條件等方面分析有利于本次龍卷過程發生的環境條件，并利用邵陽雷達資料對龍卷的多普勒雷達回波特征進行分析，從而提高湖南龍卷及雷暴大風等強對流天氣發生發展成因的認識以及短時臨近預報預警水平。

2 天氣實況和災情

根據現場調查及實況資料，本次強對流天氣主要分布在湘中偏南地區。6月5日早上對流單體開始在懷化西部發展東移，并在邵陽東部逐漸演變成颮線，給湘中地區帶來一次區域性雷暴大風天氣并伴有局地短時強降水，其中邵東縣多個鄉鎮出現龍卷天氣。本次天氣過程主要發生時段為5日10—14時，雷暴大風主要出現在邵陽、永州、衡陽、株洲等地，從5日08—20時實況資料看，國家站共有6站次出現了大風實況記錄，最大風速達到21 m/s。強降水主要集中在湘中偏南一帶，懷化、永州、邵陽、衡陽等地，最大小時降水量均達到50 mm以上，其中衡陽市石鼓區友誼村站(自動站)最大小時雨量達到72.2 mm。

邵東縣出現龍卷的時間約在11時27分開始至11時55分結束。邵東位于邵陽市東部27 km處，地處湘中腹地，據災情調查資料，5日11時30分，邵東縣兩市塘辦事處巒興、古林、永旺、尋柳、青蘭、大新和周官橋鄉肖家沖村等7個行政村遭受龍卷襲擊。龍卷發生地位于111°44′39″E，27°12′28″N附近，受災區域呈西—東向狹窄帶狀，在發生路徑上受災物有明顯的逆時針旋轉的倒伏特征。據當地村民描述，5日11時40分許，巒興村首次目擊煙囪般渦旋狀黑云從天而降并且接地，響聲如雷，在其移動路徑上造成了多處磚房倒塌，屋頂被掀、樹木倒伏折斷等，7個鄉鎮近4 000人受災，農作物受災面積148 hm2，直接經濟損失1千萬元以上。根據災情分析，對照龍卷災害劃分標準[9-10]，估算該龍卷屬于F0級陸龍卷。

3 大氣環流形勢分析

6月5日08時500 hPa(圖1a)，貴州西部高空槽逐漸東移，且溫度槽落后于高度槽，低槽逐步發展；從700 hPa高空填圖(圖1b)和850 hPa高空填圖(圖1c)看，700 hPa湘中一帶有西南急流存在，切變線位于重慶中部—貴州一線，呈南北向分布；850 hPa低值系統位于湘西北，且伴有人字形切變線，而急流位置與700 hPa位置相同，為湘中一帶提供了充足的水汽條件；925 hPa(圖1d)切變線位于湘西北，呈東北西南走向，地面輻合線位于湘中偏南(圖1d藍色點線 )，11時、14時仍穩定維持在湘中偏南一帶(圖略)，隨著高空槽東移及切變線南壓，帶動地面輻合線緩慢南壓，17時地面輻合線南壓到湘南(圖略)。可見08時整體高低空系統配置呈現后傾槽的形勢，高空槽東移為強對流的發生、發展提供有利的動力條件造成了不穩定釋放，而地面輻合線提供了觸發機制。

懷化站位于邵東縣西北側，由于邵東縣附近沒有探空站，從系統移動路徑上看，懷化站探空在一定程度上可以代表邵東縣的情況。從懷化站探空圖(圖2)分析，懷化站上干下濕結構明顯，有利于強對流天氣的發生；不穩定能量(CAPE)達到1 316.9 J/kg，且底層有逆溫存在，有利于不穩定能量的累積；850 hPa與500 hPa溫差達到26 ℃，層結不穩定，且K指數達到40 °C以上，低層一致的西南風，風速達到12 m/s，水汽豐富，均滿足湖南出現雷暴大風天氣的標準；另外，0 ℃層高度和-20 ℃高度分別為4.7 km和7.9 km，較高的0 ℃和-20 ℃高度在一定程度上不利于冰雹的產生。

圖1 6月5日湖南天氣形勢分析(a.500hPa高度場、溫度場、風場；b.700 hPa高度場、風場;c.850 hPa高度場、風場；d.850 hPa高度場、風場和地面輻合線(藍點線))Fig.1 An Analysis of the Weather Situation in Hunan Province on June 5(a.500 hPa height, temperature, wind;b.850 hPa height,temperature, wind; c. 850 hPa height, wind; d. 850 hPa height, wind and Ground convergence line (blue dot line))

圖2 6月5日08時懷化站探空圖Fig.2 Huaihua station sounding chart at 08∶00 on June 5

對流風暴的發展依賴于大氣的熱力和動力條件，從NCEP再分析資料物理量(圖3)看，5日08時，邵東縣(紫色圓圈所在位置)處在兩干區之間的濕度大值區中，且中層的相對濕度在90%左右，這種中層干濕區的配置有利于湘中一帶颮線的發生發展；0～6 km垂直風切變大于22 m/s區域位于湘西北到湘中地區，K指數大于40 ℃的區域位于湘中以南的地區，龍卷發生的區域位于0～6 km垂直風切變與K指數大值區交匯的地區，同時，該地區SI指數<-2，CAPE值在1 200 J/kg左右，且CAPE值梯度變化較大，都為邵東龍卷的發生提供了較有利的條件。

4 多普勒雷達特征分析

6月5日受高空地槽東移、中低空急流以及地面輻合線的共同作用，湘中一帶多地出現了強降水和雷暴大風天氣，邵東縣受到龍卷襲擊。經分析，該龍卷是由超級單體演化形成，可歸結為“帶狀回波—強降水超級單體—弓形回波”3個階段。08時02分，湖南西部開始有大片降水回波發展東移，在降水回波前側形成了東北—西南向的強回波帶(圖4a)，雨帶北端有中氣旋發展，中氣旋高度為2.1 km，此中氣旋持續了4個體掃并不斷向上向下發展，而帶狀回波的前側入流缺口也逐漸明顯，回波形態發展為“倒弓形”(圖略)。09時54分，“倒弓形”回波南端探測到中氣旋(距離雷達54 km)，高度在4.3°仰角(4.2 km)，垂直渦度為0.8×10-2s-1，而雨帶北端探測到的三維切變(距離雷達53 km)底高3.2 km，頂高4.2 km，直徑為3.8 km，并逐漸發展為中氣旋。雨帶進一步東移過程中，由于雷達靜錐區的存在，回波經過雷達站時強度和范圍有明顯減弱。

圖3 6月5日14時物理量指數分析，紫色圓圈為邵東縣所在位置(a.500 hPa 6 h變溫與相對濕度；b.0～6 km垂直風切變與K指數；c.SI指數；d.CAPE)Fig.3 Analysis of physical quantity index at 08∶00 on June 5(a.500 hPa 6 hours temperature and relative humidity;b.0～6 km vertical wind shear and K index; c.SI; d.CAPE. Purple circle is Shaodong)

圖4 6月5日邵陽SA雷達(a.08時02分0.5° R;b.09時54分0.5° R;c.09時54分4.3° V)Fig.4 Shaoyang SA Radar on 5 June(a. 0.5°R at 08∶02;b.0.5°R at 09∶54;c.4.3°V at 09∶54)

回波通過雷達站后開始出現分化，東部和東北部的回波合并，與其后部的回波斷裂開來(圖5a)，速度圖上(圖5b)移動方向前部存在明顯的輻合區，可以推測輻合區形成是由于移動方向前側的上升氣流與后側干空氣夾卷進入輻合區域后蒸發冷卻形成的下沉氣流輻合形成。靠東北部的單體逐漸發展，從其結構上分析，低層前部具有一個不明顯的入流缺口，對應強的入流區(箭頭所指位置)。白色箭頭所指位置為同一地點，回波在6.0°仰角上反射率向東斜升，可以推測其下部存在明顯弱回波區(WERS)。至此，超級單體已經形成。

圖5 6月5日11時21分邵陽SA雷達(a.0.5°R；b.0.5°R；c.6.0°R)Fig.5 Shaoyang SA Radar at 11∶21 5 June(a.0.5°R；b.0.5°R；c.6.0°R)

11時27分反射率因子圖(圖6a)可見，超級單體最大回波強度超過55 dBz，在0.5°仰角上可以清晰看到前側入流缺口(FIN)，在風暴相對徑向速度(SRM)圖上(圖6b)在入流缺口對應處出現了氣旋式輻合，在輻合中心附近，存在直徑約2 km疑似TVS的渦旋(圖中白色箭頭所指區域)，對應的高度為0.7 km。11時33分反射率圖(圖6c)可見，北部的超級單體I0與中間的單體C0合并，并且在風暴的兩側出現明顯的前側入流缺口(FIN)和后側入流缺口(RIN)，強烈的前后側入流使得回波的形態趨向于S型，而龍卷則發生在兩個單體接口附近。從對應時刻的SRM圖(圖6d)上看，在距離雷達30 km處可以看到中氣旋和龍卷渦旋特征(TVS)，中氣旋直徑約10 km，在0.7 km高度上比較明顯，旋轉速度達到24m/s。而TVS底高小于0.3 km,頂高為3.5 km左右，表明TVS伸展高度約為3.2 km；最大垂直渦度出現在3.4°仰角(2.4 km)，垂直渦度為9.5×10-2s-1。沿著雷達徑向對TVS特征處反射率因子做垂直剖面，用以查看風暴的垂直結構。從反射率剖面圖(圖6e)可見，風暴的垂直伸展高度達到12 km，50 dBz以上回波高度主要集中在9 km以下，沒有明顯的鉤狀回波特征，但是前側的弱回波區(WERS)清晰可見。11時40分，單體I0與C0進一步合并，反射率大于55 dBz的面積也有所增大(圖6f)，后側入流缺口變得清晰，前側入流缺口則逐漸填塞，SRM圖上(圖6g)，TVS特征依然存在，TVS明顯向底層發展，最大垂直渦度高度0.9 km，渦度值變為5.4×10-2s-1，最大旋轉速度有所減弱。

根據災情調查結果，邵東縣龍卷發生在11時40分前后，受龍卷襲擊的區域位于邵陽雷達站正東方向30 km附近。結合災情調查的結果和受災位置與雷達回波的結果對比可以證明，從TVS出現開始(11時33分)就已經形成了龍卷。

在隨后的發展中，超級單體前側入流缺口完全被填塞，在12時17分左右逐漸轉變為弓形回波，弓形回波持續到14時21分左右，在隨后的一段時間內回波逐漸東移北上，與南部不斷生成的分型性對流回波合并，在湖南中部產生了區域性雷暴大風等對流性天氣。

5 結論和討論

本次龍卷天氣過程發生在500 hPa槽前，850 hPa切變線南側，700 hPa、850 hPa急流北側，水汽條件充足，925 hPa切變線位于湘西北，呈東北—西南走向，地面輻合線位于湘中偏南，整體呈現后傾槽的形勢；上干下濕的層結結構加劇了大氣層結的不穩定性，CAPE值大于1 200 J/kg，0～6 km垂直風切變為24 m/s且梯度較大，抬升凝結高度較低，為本次龍卷天氣的發生、發展提供有利的條件。

多單體風暴向東偏北方向移動過程中形成了有組織的颮線系統，且回波移動速度逐漸加快，颮線內部多個對流單體發展成具有中氣旋特征的超級單體，為湘中偏南一帶帶來雷暴大風天氣，并伴有短時強降水。颮線在經過邵陽東部時回波開始斷裂，龍卷發生在颮線斷裂的區域，龍卷發生時，前后側入流缺口明顯，且存在深厚的中氣旋，而龍卷發生在弱回波區域(后側入流缺口)前側前后入流缺口中間的位置，并伴有深厚且底部接地(0.3 km)的中尺度氣旋存在，同時還伴有明顯的龍卷渦旋特征(TVS)，TVS最大風速速達到31 m/s左右，最大垂直渦度為9.8×10-2s-1。通過對反射率及徑向速度的雷達回波特征分析，為本次龍卷及雷暴大風天氣的識別和預警提供了重要的指示作用。

根據災情調查資料，從樹木倒伏方向和房屋受損情況上判斷，樹木整體向東倒伏，且大樹有攔腰折斷情況，局部風力較強，現場有多處出現了小型的旋轉性倒伏狀特征，房屋西側受風面損壞程度相對較大，說明本次過程為颮線引起的直線型雷暴大風環境下產生的局地龍卷天氣。根據對龍卷發生路徑的調查以及目擊者描述，結合天氣實況及雷達回波特征分析，本次發生在邵東縣的大風過程與龍卷特征一致。

圖6 6月5日邵陽SA雷達反射率因子垂直剖面(a.11時27分0.5°R；b.11時27分0.5°SRM;c.11時33分0.5°R;d.11時33分0.5°SRM；e.11時33分;f.11時40分0.5°R；g.11時40分0.5°SRM)Fig.6 Shaoyang SA Radar on 5 June(a.0.5°R at 11∶27；b.0.5°SRM at 11∶27;c.0.5°R at 11∶33;d.0.5°SRM at 11∶33；e.RHI reflectivity at 11∶33;f.0.5°R at 11∶40；g.0.5°SRM at 11∶40)

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