遼寧營口2019-08-16龍卷過程雙偏振雷達特征分析

陳海濤，張 晶，姚 文，何曉東，趙 月

(營口市氣象局，遼寧營口 115001)

龍卷是大氣中最強烈的渦旋現象，它是從雷雨云底伸向地面或水面的一種范圍很小而風力極大的強風渦旋，常發生于春夏季的雷雨天氣時，具有突發性強、生命史短、垂直運動強、破壞力大等特征，是強對流天氣最強烈的表現形式之一。馮佳瑋等[1]對中國龍卷時空分布及其環境物理量特征進行研究，表明中國龍卷多發生于春夏季，午后傍晚較多，江蘇和廣東等平原地區出現龍卷概率最高。我國南方地區的龍卷多與臺風、高空槽有關，東北地區的龍卷多在東北冷渦背景下產生[2-4]。王婷婷等[5]對東北冷渦背景下兩類龍卷形成機制進行了對比分析，直接影響系統均為東北冷渦前部的次天氣尺度短波槽或切變線。何建新等[6]對龍卷的雷達探測研究進展進行了總結，表明雷達探測可以提供高時空分辨率的龍卷和雷暴云體的三維風場結構以及降水分布狀況，可以有效地對龍卷的發生發展過程進行跟蹤與識別，獲得預警預報信號。龍卷常常與冰雹、雷雨大風等強對流天氣同時發生，陳小婷等[7-9]通過個例詳細分析了關中和陜北等地的強對流觸發機制和環境，張晶等[10-11]對營口冰雹天氣的多個強雷暴進行對比，著重分析了強雷暴的雷達產品特征。

2019年8月16日午后，遼寧中部出現大范圍強對流天氣。其中營口北部和中東部地區15—19時出現了短時強降水、雷雨大風、冰雹和龍卷。大石橋高坎1 h降雨量57.5 mm(圖1a)，多地出現雷雨大風，最大瞬時風速達到24.8 m/s(圖1b)。15:30—17:30大石橋高坎、蓋州市區出現冰雹，老邊區出現龍卷。距龍卷發生地點最近的邊城自動氣象站(相距1.7 km)最大瞬時風速7.3 m/s(4級)，出現在15:49；附近風速最大的自動氣象站為大興自動站，最大瞬時風速12.8 m/s(6級)，出現在16:00，自動氣象站未監測到達到龍卷級別的強風。龍卷現場災害調查顯示，龍卷觸地時間較短，觸地后總行程1 km左右，其中300 m左右經過居民區，出現樓房屋頂損壞，熱水器被從房頂吹落，樹木折斷等災害。

圖1 2019-08-16T15-19營口地區累積降水(a)和極大風速(b)

1 環流背景分析

8月16日08時，500 hPa上東北地區受低渦控制，在內蒙古東部和北京附近有兩個低渦閉合中心，營口位于北京附近的低渦中心前部，低渦后側的干冷空氣隨低渦的轉動擴散影響營口；700 hPa和850 hPa上低渦中心位于黑龍江南部，營口位于其底后部，在850 hPa上有暖脊影響營口；14時地面圖上營口位于低壓后部，地面溫度較高，營口處于上冷下暖的不穩定層結中。

距離營口最近的錦州探空站，16日08時(圖2a)存在一定的不穩定能量，CAPE值為42.7 J/kg，16日上午營口天空晴朗，太陽輻射強，近地面大氣增溫顯著，14時營口北部氣溫增至32.5 ℃，用32.5 ℃訂正錦州08時探空圖，CAPE值增大到1 064.2 J/kg(圖略)。水汽方面，925 hPa附近有淺薄的濕層，850～700 hPa、600～500 hPa均有明顯的干層，溫度層結曲線與露點溫度曲線呈“X”型，為雷暴大風型探空曲線。15—16時營口雙偏振雷達(距離龍卷發生地13 km左右)的垂直風廓線產品(圖2b)上可以看到，2.7 km以下風向隨高度順時針旋轉，風力不大，為弱的暖平流；2.7 km以上風向隨高度逆時針旋轉，風速從5.2 km的4 m/s急劇增加至8.5 km的18 m/s，風向從西風逆時針旋轉為偏南風，冷平流強盛，上冷下暖的風場結構有利于不穩定能量的增強。

圖2 2019-08-16T08錦州探空站(a)和2019-08-16T15—16營口雙偏振雷達風廓線產品(b)

2 雷達資料分析

龍卷發生地距離雷達中心13 km左右，在0.5°仰角雷達圖上距海平面高度350 m左右，1.5°仰角距海平面高度590 m左右，2.4°仰角距海平面高度810 m左右。龍卷從云中向下發展時并未發生降水，接地時有降水發生。本文著重對產生龍卷的雷暴單體進行分析。

2.1 雷暴單體觸發機制

對產生龍卷的雷暴單體分析發現，雷暴單體是由兩條窄帶回波相遇后觸發生成的。13：00—14：00營口市區以南二道到柳樹一帶有較寬的帶狀弱回波區，大石橋以北大洼到海城一帶有零散對流回波；14：00—15：00南北兩塊回波區逐漸形成兩條明顯的窄帶回波，相向而行，逐漸靠近，窄帶回波從0.5°仰角一直伸展到2.4°仰角，窄帶回波回波強度最強處達42 dBz(圖3a)；15：01在營口城區東部兩條窄帶回波最先相遇(圖3b)，在相遇點西側窄帶回波呈西北—東南向分布，東側為東—西向分布，拐點上空有回波生成，并迅速發展，即為產生龍卷的雷暴單體。兩條窄帶回波15：12完全碰并成一條(圖3c)，16：00在這整條窄帶回波上不斷有對流被觸發(圖3d)。

圖3 2019-08-16 0.5°仰角上窄帶回波發展情況(a 14：31，b 15：01，c 15：12，d 16：00；紅圈所示位置為龍卷單體開始觸發的位置；右下角圓點為雷達站所在位置)

2.2 雷暴單體發展

分析產生龍卷的雷暴單體發展情況。15：18回波中心強度達到42 dBz，之后迅速向上向下發展；15：24，9.9°～19.5°仰角上回波中心強度達到50 dBz以上，最強達到59 dBz；15：30，4.3°～19.5°仰角上回波中心強度均達到60 dBz以上，最強達到69 dBz，9.9°～19.5°仰角上出現明顯的旁瓣回波，19.5°仰角上出現明顯的三體散射特征(圖4a)，識別有大面積冰雹(圖4b)，此時冰雹尚未落地，19.9°仰角上可以看到KDP柱(即高層差分相移率的大值區，圖4c)和ZDR柱(即高層差分反射率的大值區，圖4d)，均與速度圖上渦旋速度對(詳見下文)位置相對應，表示此處有明顯的上升運動，將低層的水汽帶到高層；15：36，大于50 dBz的強回波發展到1.5°仰角上；15：42和15：47，0.5°～19.5°仰角上，整層強回波均大于60 dBz(圖5)，最強達到73.5 dBz，從低層到高層強回波中心向南傾斜，9.9°仰角以下能看到明顯的弱回波區，0.5°～2.4°仰角上有明顯的鉤狀回波。雙偏振雷達粒子分類產品在0.5°仰角上識別出大面積的冰雹區域(圖略)，判斷此時冰雹已經落地；圖5a中“十”字位置為龍卷發生的地面位置，該位置在強回波南部邊緣，鉤狀回波附近。15：53以后鉤狀回波特征減弱消失，16：00以后重新與后側新單體合并加強，一直維持到17：20左右，整個生命史2.5 h左右。

圖6為產生龍卷的雷暴單體特征圖，可以看到單體生成之后迅速加強，15：24—15：47雷暴單體產生大冰雹的概率達到100%，基于單體的垂直液態水存在激增的情況，回波中心強度維持在60 dBz以上。15：53以后雷暴單體強度存在減弱又增強的過程，即雷暴單體與后側新單體重新合并加強。需要說明的是，生成龍卷的位置距離雷達只有13 km左右，該處在19.9°仰角高度僅有6 km左右，僅達到一般雷暴的中層高度，受雷達靜錐區的影響，雷暴高層的回波情況無法探測到。

圖4 2019-08-16T15：30 19.5°仰角上反射率因子(a)、粒子分類(b)、差分相移率(c)、差分反射率(d)(b中圓圈中紅色部分為識別的冰雹范圍；c中圓圈為KDP柱位置；d中圓圈為ZDR柱位置)

圖5 2019-08-16T15：42不同仰角反射率因子(a 1.5°，b 4.3°，c 9.9°，d 19.5°；圖中白色三角為同一位置；“十”字和雙箭頭為龍卷發生的地面位置)

圖6 2019-08-16T15：24—16：17龍卷雷暴單體的垂直液態水含量、最大反射率因子、大冰雹概率特征

2.3 雷暴單體徑向速度

龍卷發生前，在雷達徑向速度圖上出現明顯的正負速度對，位于強反射率因子的右后側，速度對基本位于雷達波速方向兩側，呈對稱分布，呈現氣旋式旋轉的特征。表1給出了龍卷發生前后不同仰角上渦旋速度對隨時間的變化。15：18開始，在19.5°仰角上探測到最早的速度對，分別是-16.0 m/s和3.5 m/s，正負速度對中心相距1 km左右，距地面高度為5.6 km。15：24渦旋繼續加強，在19.5°仰角上達到-20.0 m/s和5.0 m/s，并向下伸展到14.6°仰角上，為-15.5 m/s和5.5 m/s，距地面高度4.4 km。15：30渦旋繼續向下伸展到3.3°仰角上，距離地面1.1 km。15：36渦旋向下伸展到0.5°仰角上，速度分別為-11.5 m/s和9.5 m/s，距離地面0.37 km。15：42渦旋發展到最強，其中0.5°仰角上速度達到-19.5 m/s和10.0 m/s(圖7a)；3.3°仰角上最大，達到-22.5 m/s和13.0 m/s(圖7b)；0.5°仰角上渦旋中心位于反射率因子鉤狀回波右半部，距離地面0.36 km。現場目擊表明在該時刻龍卷接地。龍卷發生地沒有自動氣象站，無法直接監測到龍卷觸地時的風速。現場災害調查顯示有樓房屋頂損壞、熱水器被從房頂吹落、樹木折斷等，可證明此時龍卷風力較強。15：42—15：59，0.5°仰角上在雷暴強回波對應區域可以明顯看到輻散區(圖7a紅框所示位置)，表明地面大風的開始。15：47，0.5°～3.3°仰角上沒有探測到渦旋特征，4.3°～19.5°仰角上速度也明顯減小，正負速度對中心之間的距離增大，0.5°仰角上輻散區風速明顯增大；15：53渦旋特征消失。

渦旋特征共持續6個提掃，30 min左右，伸展高度從0.5°仰角延伸到19.9°仰角，距離雷達站13 km左右，最大轉動速度17.8 m/s，為中等強度的中氣旋。

表1 2019-08-16T15營口雙偏振雷達不同仰角上渦旋速度對隨時間變化 單位：m/s

圖7 2019-08-16T15：42不同仰角徑向速度(a 0.5°，b 3.3°；黃色圓圈為渦旋速度對所在位置，紅色方框為地面大風輻散區)

15：18開始，在19.5°仰角上強回波的后側出現入流區，入流區強度逐漸加強并且向下發展；15：42，14.6°仰角上入流速度最強達到23.5 m/s，并一直持續到15：53才開始減弱；15：59消失(圖略)。入流區的存在使強雷暴得以維持。

2.4 偏振參量對龍卷位置確認的輔助分析

從速度圖上可以判斷出龍卷發生在勾狀回波附近。15：42，0.5°仰角上可以看到勾狀回波，反射率因子較強，達到50～56 dBz(圖8a)，僅從反射率因子無法判斷龍卷的具體位置， 分析雙偏振雷達產品有利于對龍卷發生位置和影響范圍進行確認。圖8b、圖8c、圖8d為勾狀回波(圖8a)對應的雙偏振雷達產品。對應勾狀回波的西半部，相關系數為0.98～0.99，差分反射率為3～4 dB，差分相移率為0.1～0.2(°)/km，三個雙偏振參量都比較均勻，表明西部主要為雨滴；對應勾狀回波東半部，相關系數在0.4～0.7之間，差分反射率在-2～0 dB之間，差分相移率產品由于相關系數小于0.8不計算為空洞，此時反射率強度不到60 dBz，同時垂直液態水含量很低，排除冰雹的可能，因此可能與龍卷碎屑有關。由此可以判斷15：42，0.5°仰角上(距地面360 m左右)龍卷位于勾狀回波東部，影響范圍1 km2左右。

2.5 龍卷的消亡

15：47，回波主體向東北方向移動，遠離龍卷發生地。從實地走訪情況判斷，龍卷接地后向南移動，與回波主體移動方向相反。從反射率因子圖上可以看到，15：47有陣風鋒從回波主體分離(圖9a、圖9b)，并向南移動，相應的地面自動氣象站監測到當地也是偏北風(圖9c)，龍卷在地面的移動方向可能是受到近地面風向的影響。龍卷移動的方向與母云移動的方向相反，很快發生斷裂，這也是該龍卷維持時間較短的一個原因。

圖8 2019-08-16T15：42 0.5°仰角上反射率因子(a)、相關系數(b)、差分反射率(c)、差分相移率(d)(黃色圓圈為鉤狀回波所在位置)

圖9 2019-08-16陣風鋒(a 15：47，b 15：53)和極大風速(c 15：50)分布(紅圈為龍卷附近的監測站，與a、b中圓圈為同一位置)

3 結論

(1)此次龍卷天氣在低渦的天氣形勢下發生，高層冷平流與低層暖平流疊加，不穩定能量充分，為龍卷的發生提供了潛勢；溫度層結曲線與露點溫度曲線整體呈“X”型，有利用雷暴大風生成。

(2)雷達圖上南北兩條窄帶回波相遇成為雷暴的觸發條件，產生龍卷的雷暴單體發展迅速，具有高層強回波懸垂、低層弱回波區、鉤狀回波等強風暴特點；徑向速度上表征氣旋式旋轉的正負速度對的發展變化可以指示龍卷的位置和強度，0.5°仰角上輻散區可以確定地面大風的發生時間和位置；相關系數CC、差分反射率ZDR、差分相移率KDP等偏振量有利于確定龍卷的影響范圍，粒子分類對冰雹落地時間有較好的指示意義。

(3)本次龍卷發生在距離雷達13 km處，距離雷達較近，有利于探測低層速度的變化，識別正負速度對的位置和強度；但同時靜錐區的存在又使得龍卷雷暴單體高層的結構無法探測。