黃河三角洲一次非中氣旋龍卷觀測分析

谷山青，王鳳嬌，魏振東，劉莉莉

摘要：利用區域氣象觀測站、歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）第五代大氣再分析數據集（ECMWF Reanalysis v5，ERA5）、風廓線組網產品、S波段新一代天氣雷達（S-band Doppler weather radar in China New Generation Weather Radar Network，CINRAD/SA）和X波段相控陣天氣雷達（X-band phased array weather radar，XPAR）等資料，對2021年8月10日發生在黃河三角洲的3個EF0—EF1級非中氣旋龍卷過程進行了詳細分析。結果表明：（1）此次龍卷天氣發生在高空干冷西北氣流、低層橫槽前暖脊和地面倒槽渦旋背景下，強烈的對流不穩定、0～6 km深厚層垂直風切變、大的低層濕度和接近1 000 m的抬升凝結高度，是此次弱非中氣旋龍卷生成的有利環境條件；不利的條件是0～1 km低層垂直風切變非常弱。（2）海風鋒、陣風鋒觸發對流，橫槽分裂南下使上升運動加強；龍卷風暴影響時，臨近區域氣象觀測站要素表現出明顯變化，但風場的輻散特征表明觀測站附近的大風還與風暴下沉氣流有關。（3）龍卷母風暴為多單體合并、后向傳播型風暴，雙龍卷的形成與單體合并發展有關；雷暴下沉氣流形成的陣風鋒（出流邊界）與海風鋒合并使氣旋性小尺度渦旋加強，當該小尺度氣旋遇到經單體合并后發展加強的上升運動時，旋轉運動進一步增強，從而激發了第3個龍卷。（4）CINRAD/SA只觀測到氣旋性渦旋和風暴頂輻散；XPAR在雙龍卷期間觀測到強切變和龍卷碎片特征，相關系數低值區明顯。

關鍵詞：龍卷；非中氣旋；渦旋；海風鋒；合并

中圖分類號：P445.1;P458.3? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：2096-3599（2023）03-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.03.007

Observation and analysis of a non-mesocyclone tornado in the Yellow River Delta

GU Shanqing 1，2， WANG Fengjiao2， WEI Zhendong2， LIU Lili2

（1. Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong， Jinan 250031， China; 2. Binzhou Meteorological Bureau， Binzhou 256600， China）

Abstract： Based on the data of regional meteorological stations， ECMWF （European Centre for Medium-Range Weather Forecasts） Reanalysis v5 （ERA5）， wind profile network products， S-band Doppler weather radar in China New Generation Weather Radar Network （CINRAD/SA）， and X-band phased array weather radar （XPAR）， three EF0–EF1 non-mesocyclone tornadoes that occurred in the Yellow River Delta on 10 August 2021 are analyzed in detail. The results are as follows. （1） The tornado process occurs under the background of upper-level dry and cold northwest flow， warm ridge in front of low-level transversal trough， and surface inverted trough vortex. Strong convective instability， vertical wind shear in the 0–6 km deep layer， low-level large humidity， and a lifting condensation height of nearly 1 000 m are favorable environmental conditions for the formation of the weak non-mesocyclone tornadoes. The unfavorable condition is that the vertical wind shear in the 0–1 km is very weak. （2） The sea breeze front and gust front trigger convections， and the transversal trough splits and moves southward to strengthen the ascending motion. When the tornado storm affects the area， the observation elements of the nearby meteorological stations show obvious changes， but the divergence of the wind field shows that the high wind is relevant to the downdraft throughout the storm. （3） The parent storm of tornado is the type of multiple-cell merging and backward propagation storm， and the formation of double tornados is related to the development of cell merging. The gust front （outflow boundary） formed by the downdraft of the thunderstorm merges with the sea breeze front， which strengthens the cyclonic small-scale vortex. When the small-scale cyclone encounters the ascending motion strengthened by cell merging， the rotational motion is further enhanced， thus triggering the third tornado. （4） Only cyclonic vortices and storm-top divergence are observed by CINRAD/SA; XPAR observes strong shear and tornadic debris signature during the double tornadoes， and the low-value area of correlation coefficient is obvious.

Keywords：? tornado; non-mesocyclone; vortex; sea breeze front; merging

引言

龍卷是最激烈的強對流天氣，雖然尺度小、影響范圍不大，卻因爆發激烈、生消演變迅速、造成生命財產損失嚴重而備受社會關注。龍卷分為中氣旋龍卷（或者稱為超級單體龍卷）和非中氣旋龍卷（或者稱為非超級單體龍卷）[1]。中氣旋龍卷通常與中氣旋相聯系，持續的中氣旋在0～1 km垂直風切變較大和抬升凝結高度較低的環境下很容易誘發龍卷[2]；非中氣旋龍卷與非超級單體風暴相聯系，通常與淺薄的、尺度較小的低層渦旋氣流有關[3–4]。近二十多年來，隨著我國多普勒雷達的布網探測，部分地區獲得了許多龍卷觀測資料，取得了許多龍卷研究成果[5–14]，如：龍卷多發生在梅雨、冷渦和熱帶氣旋的背景下，較強龍卷需要大于1 000 J·kg–1的對流有效位能（convective available potential energy，CAPE），大于12 m·s–1的0～1 km垂直風切變（vertical wind shear，VWS）和小于1 000 m的抬升凝結高度（lifting condensation level，LCL）等；對孕生龍卷的超級單體風暴中小尺度特征取得了較為深入的認識，如中氣旋底高通常低于1 km、中氣旋強度與龍卷強度正相關等，以及雙偏振雷達的龍卷碎片特征等。研究還表明龍卷的生成與風暴單體的合并、風暴之間的相互作用有關[15–16]。但研究多集中于中氣旋龍卷，由于非中氣旋龍卷個例較少[17]，研究尚不多。刁秀廣等[4]、吳芳芳等[18]、郭澤勇等[19]分析發現非中氣旋龍卷可發生于后傾槽前、熱帶氣旋、西北氣流的背景下，需要12 g·kg–1以上的低層比濕、7 m·s–1以上的0～1 km垂直風切變、中等以上CAPE值的環境中；鄭永光等[20]、俞小鼎等[21]認為非中氣旋龍卷常出現在颮線、弓形回波前部的中尺度渦旋（又稱為中渦旋）內或在地面輻合線上。

山東北部沿海地區地處黃河三角洲腹地，北臨渤海，強對流天氣多發，近年來也多次出現龍卷。例如2018年8月14日在臺風“摩羯”背景下生成多個龍卷[22]，2021年8月10日又出現3個弱龍卷，值得高度關注、分析研究。本文利用多種觀測資料和數據產品對2021年8月10日發生在渤海之濱的EF0—EF1級龍卷進行分析，以期為該地區龍卷的預報、預警提供些許參考依據。

1 資料介紹

（1）地面區域自動站（以下簡稱“區域站”）資料，時間分辨率為5 min，主要的氣象要素有降水、風向風速、露點溫度、氣溫、氣壓等，該資料用于分析龍卷發生地附近地面中尺度環境情況，濱化鹽場站是距離龍卷發生地最近的區域站。沿海附近區域站分布情況如圖1所示。

（2）歐洲中期天氣預報中心ERA5高空再分析資料，時間間隔為1 h，分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向分層40層，該資料用于分析龍卷發生的高空物理量環境背景。

（3）濱州S波段新一代天氣雷達（S-band Doppler weather radar in China New Generation Weather Radar Network，CINRAD/SA）和X波段相控陣天氣雷達（X-band phased array weather radar，XPAR）資料用于分析龍卷發生前后強對流風暴的回波結構、徑向速度特征及雙偏振特征。CINRAD/SA距離龍卷發生地約78 km，最低探測高度約1 km，徑向最高分辨率為250 m。XPAR距離龍卷發生地約43 km、最低探測高度約0.8 km，徑向最高分辨率為30 m， 其一維相控陣天線采用電掃描方式，能夠達到0～30°仰角連續無間斷探測，探測精度較高。表1為兩部雷達的主要參數對比。

2 地面天氣實況及其分析

2021年8月10日14：30—15：15（北京時，下同）沾化區北部的濱化鹽場附近出現龍卷。據目擊者敘述，該強對流過程共出現3個龍卷。14：35前后在濱化鹽場四工區和套爾河對岸的東風港生成龍卷A、B，15：12前后消失；15：05前后龍卷C在雙龍卷A、B西南側約1 km處生成，15：15前后消失（圖2）；龍卷發生區域出現小雨、未出現冰雹，龍卷母風暴東部及東南部回波強度較大的區域出現短時強降水和雨夾雹。15：02濱化鹽場站（位于龍卷B發生地東北方向約4 km處）觀測到24.3 m·s–1（9級）極大風速。經災情調查，龍卷A、B屬于EF1級，襲掃之處有電線被刮斷、電線桿傾倒、塑苫鹽池苫布損壞，影響路徑長度為5.6～6.0 km；龍卷C屬于EF0級，維持時間短、強度弱，影響路徑長度約2.0 km。移動路徑詳見圖2b，龍卷A、B同時生成，開始時相向而行相遇于P點，之后一起向西南方向移動至M點時，龍卷C生成。

區域站觀測資料顯示，8月10日上午無棣、沾化和河口地區持續為弱偏西風，13：00以后這地區沿海附近逐漸轉為向岸風，13：30沿海附近已形成一條明顯的海風鋒，無棣、沾化沿海（海風鋒西北段）的風場呈現明顯的氣旋性渦旋（圖3a）；海風鋒形成后緩慢向內陸推進，14：40氣旋性渦旋更加明顯，龍卷A、B發生于海風鋒前氣旋性渦旋風場的東南側（圖3b）；15：00海風鋒繼續向內陸推進，龍卷C發生于海風鋒后的偏東風和西南風之間的氣旋性切變處（圖3c）。這與鄭永光[1]、張一平[23]得出的龍卷形成于中小尺度渦旋（氣旋）東南象限的結論一致。隨著海風鋒向內陸持續推進，無棣北部的氣旋性環流一直維持到16：00以后才減弱消失（圖3d）。

分析距離龍卷最近的3個區域站的氣象要素變化情況。14：20—15：10濱化鹽場站、新戶站和濱海站都經歷了氣溫和氣壓先降后升、風向突變、風速加大等變化。其中，濱化鹽場站氣象要素變化最為劇烈：14：35—14：40西南風突變為東南風（氣旋式轉變）；14：40—14：45氣溫驟降3.2 ℃，15：10僅回升了0.4 ℃；14：50開始風力快速增大，15：00前后風力陡增2 min后出現9級（24.3 m·s–1）大風；14：40—15：10露點溫度先升后降、氣壓先突降后突升（變化幅度不大），15：00前后開始出現弱降水（15：00—15：50降水量為7.9 mm）。張勁梅等[24]研究總結得出，龍卷過境時會出現短時氣壓迅速下降后突升、氣溫先陡降再緩升、風向氣旋式轉變。這與濱化鹽場站氣象要素的變化特征相似，但3站風向表現為向外輻散（圖3c），推斷濱化鹽場站的9級大風還可能與龍卷母風暴下沉氣流有關。

3 環境背景分析

3.1 高空、地面形勢分析

2021年8月10日08時，500 hPa、700 hPa魯北—冀南一帶主要受西北氣流控制，850 hPa在天津到陜西北部存在橫槽，橫槽前有一暖脊控制京津冀南部到魯西北西部。地面圖上，冀魯附近有倒槽配合，龍卷發生地附近處于倒槽南側。高層干冷空氣疊加在低層暖濕空氣上，大氣層結處于不穩定狀態，為強對流提供了有利的熱力條件。

風廓線雷達的探測周期不超過6 min，垂直分辨率為幾十米到幾百米，是除常規探空外高空風資料的最直接來源和補充[25]。8月10日14時風廓線資料表明，河北、山東西部3 000 m以上為一致的西北風，1 500 m附近橫槽位于天津南，這與前文所述08時高空環流形勢吻合（圖略）。分析1 500 m風場變化發現，14：06—14：24位于黃驊的風向由偏西逐漸順轉為北風或東北，15：30轉為西南；14：54以前東營的風向持續為西到西北，15：00—15：30逐漸逆轉為西到西南。600 m、900 m兩層風向的變化與1 500 m類似。由此可以推斷14：24—14：54之間，600～1 500 m附近有橫槽分裂南下影響無棣、沾化，有干冷空氣侵入，且將近維持到15：30。

3.2 關鍵物理量分析

利用ERA5高空再分析資料計算了龍卷發生地附近14時的各主要物理量，并繪制了探空曲線圖（圖4）。計算得出，龍卷發生前該地區CAPE高達3 032.1 J·kg–1，K指數約30 ℃，假相當位溫直減率約13 K，溫度直減率約28 ℃，表明有相當強的熱力不穩定。0～1 km低層垂直風切變約1.1 m·s–1（非常弱），0～3 km垂直風切變約8.2 m·s–1，0～6 km垂直風切變約16.7 m·s–1，這種結果表明大的垂直風切變并不集中在低層，而主要集中在0～3 km甚至0～6 km這樣的深厚層中，這不利于EF2級以上強龍卷的產生。

龍卷發生地上空低層（0～1 km）平均比濕約為13.9 g·kg–1，中層（1～2.5 km）平均比濕約為7.9 g·kg–1，表明近地面層水汽十分豐富，中層存在相對干冷空氣，下沉氣塊蒸發冷卻作用小，不易形成強烈下曳氣流。Thompson等[26]統計的EF2級以上強龍卷的平均LCL為981 m，弱龍卷為1 179 m，此次龍卷過程的LCL約為1 094.3 m，接近統計平均值。

綜上，雖然0～1 km低層垂直風切變非常弱，但0～6 km深層垂直風切變達到中等強度，低層（0～1 km）絕對濕度較大，LCL接近弱龍卷發生時的統計平均值，且CAPE非常大，為EF0—EF1級弱龍卷風暴的生成提供了有利環境條件。

4 CINRAD/SA雷達回波特征分析

4.1 龍卷風暴的演變

8月10日下午渤海南岸地區強對流風暴強度相對較弱，面積較小。圖5給出了此次非中氣旋龍卷母風暴組合反射率因子產品（CR38），徑向分辨率為1°×1 km，探測范圍為230 km。14：01開始有4個對流單體在海風鋒附近生成，14：07海風鋒南段上2個單體首次合并發展形成風暴A，位于海風鋒北段的單體B、C也略有發展（圖5a），14：18單體B、C之間的海風鋒上又新生單體D（圖5b），14：30時單體B已完全并入風暴A（圖5c），約5 min后龍卷A、B形成。14：36—14：42單體C、D緩慢發展，風暴A穩定少動，雙龍卷維持（圖5d、e）。14：48前后單體D并入風暴A，14：54前后新生單體E、F，15：00—15：06單體E、F與風暴A合并，致使風暴A再次發展并于15：05前后激發龍卷C（圖5f、g）。15：00前后地面出現弱降水，隨著風暴A中下沉氣流的出現和出流邊界的移出，龍卷快速減弱，龍卷A、B于15：12，龍卷C于15：15消失（圖5h、i）。從龍卷生成前到其消亡的整個階段，龍卷母風暴始終以風暴A為主，該母體風暴是多個單體合并，后向傳播的結果[15]，這種孤立分散的單體結構對流更易生成龍卷[27]。風暴A自生成后先后有4個單體（B、C、D、E）在其上風方的海風鋒附近生成并入，有1個單體（F）從其東南側生成并入。對流單體的并入促使風暴A不斷發展且移動緩慢，同時風暴高層云砧隨承載層氣流向東南方向伸展，風暴高層云砧中還有單體新生、合并，逐漸形成西北—東南向帶狀回波（圖5i）。

4.2 龍卷母風暴結構演變分析

Wakimoto[28]等認為非超級單體龍卷生命史分為3個階段：生成階段、成熟階段和消亡階段。下面分階段詳細分析14：07—15：30風暴A的結構，每個體掃時間的風暴屬性詳見表2。

14：07—14：24為龍卷A、B的生成階段，也是風暴A持續發展的階段。最大反射率因子Zmax由53 dBZ增大到64 dBZ，風暴底高hbase下降至1 km以下（實際底高很可能低于雷達最低探測高度而無法被探測到）、風暴頂高htop維持在8.2～8.4 km，基于單體的垂直累積液態水含量（cell based vertically integrated liquid，C-VIL）由14 kg·m–2快速升至59 kg·m–2。14：24前后單體 B開始與風暴A合并，0.5°反射率因子在龍卷發生地附近出現“入流缺口”特征，同時強回波從低到高向南傾斜疊加于低層弱回波之上，說明該處存在較強上升氣流，龍卷即將進入成熟階段。

14：30—15：00為龍卷A、B的成熟階段。14：30前后單體B完全并入風暴A，風暴母體開始迅猛發展，Zmax增至64 dBZ，60 dBZ以上強回波面積大幅增加，垂直高度伸展到7 km，最大反射率因子高度hz（max）上升至4.7 km。此后，強回波核開始下降、htop不斷抬升。14：36前后風暴A發展至最強盛階段，htop迅速上升到13.2 km以上，同時C-VIL躍增至64 kg·m–2，hz（max）下降至3.5 km。龍卷A、B大約發生在14：35前后，即單體B與風暴A合并后5 min，此時母風暴正處于迅猛發展且強回波核開始下降的階段。該階段，龍卷母風暴A的Zmax維持在62～64 dBZ，每逢風暴A略有減弱，強回波核高度略有下降的時候，便會有單體與之合并，使母風暴在下一個體掃時又略有加強，如此往復2個周期，風暴A的結構大體處于相對平衡狀態，有利于龍卷的長時間維持。14：54前后在風暴A的上、下游分別有單體E、F新生，之后連續2個體掃時間內，單體E、F、C先后與風暴A合并。這一特征可能是龍卷A、B持續時間較長的原因之一，單體生消合并的詳細情況詳見表2。

15：00—15：18為龍卷A、B的減弱和消亡階段，同時也是龍卷C的快速生消階段。14：48前后風暴A低層西南邊緣開始出現朝西南方向移動的弱出流邊界，由前文地面實況分析可知，14：50前后這股下沉氣流的出流影響了新戶站、濱化鹽場站、濱海站。研究表明[29]，降水形成渦旋內的下沉氣流，使得龍卷減弱。15：00前后，龍卷附近的濱化鹽場站出現降水，龍卷A、B開始減弱，但單體E、F與風暴A的快速合并使龍卷母風暴的結構沒有遭到嚴重破壞。15：00—15：06單體C的并入對短時內維持風暴A的穩定結構有正貢獻，而風暴下沉氣流出流的北段向西北方向推進時與海風鋒疊加，使早已存在于這一地區的氣旋性環流加強；同時下沉氣流又與暖濕偏西氣流相遇交匯，產生輻合上升運動（形成窄帶回波，即陣風鋒），將地面加強的氣旋性渦旋抬升，最終于15：05前后在龍卷A、B的西南側約1 km處形成龍卷C。由此可見，龍卷C出現在風暴A后側下沉氣流出流與邊界層偏西暖濕氣流相遇的陣風鋒中，這與刁秀廣等[30]、高曉梅等[31]的研究結果相似。隨著出流邊界的出現和逐漸遠離，風暴A的穩定結構遭到破壞，15：12以后風暴A快速減弱，風暴頂高和VIL隨之持續下降，龍卷A、B于15：12前后消失，龍卷C維持約10 min后也很快減弱消失。

4.3 龍卷母風暴低層徑向速度分析

選擇低層徑向速度進行分析，主要使用了平均徑向速度產品（V26）和相對風暴平均徑向速度產品（storm relative velocity map，SRM）。V26產品分辨率為1°×0.5 km、探測范圍115 km，SRM產品的分辨率為1°×0.25 km、探測范圍230 km。圖6是濱州2021年8月10日CINRAD/SA 0.5°、1.5°、6.0°分別在14：24、14：36、15：06、15：12四個時刻的平均徑向速度產品，圖中藍色圓圈表示氣旋式輻合環流，其中，0.5°和1.5°氣旋式輻合中心高度分別約為1.1 km、2.5 km，6.0°輻散中心高度約為8.4 km。

2021年8月10日14：07在風暴A形成后不久，濱州CINRAD/SA徑向速度圖上就呈現出低層輻合、高層輻散的特征。14：24—15：18龍卷發生前后，低層（0.5°～2.4°）徑向速度圖上，龍卷發生地附近一直維持有明顯的氣旋式輻合，低層各層相鄰方位像素到像素的正負速度差均小于15 m·s-1；同時高層（6.0°）徑向速度圖上持續表現為輻散，14：30以后風暴頂輻散逐漸增強，15：00前后達到最強，15：06以后輻散逐漸減弱（圖略）。在整個龍卷觀測過程中，既沒有識別出中氣旋，也沒有識別出龍卷渦旋特征。對比V26和SRM產品，徑向速度的變化特征大體一致，龍卷在徑向速度圖上沒有表現出強切變，在徑向速度和相對風暴徑向速度中均沒有探測到典型特征。

5 XPAR雷達回波特征分析

5.1 風暴發展最強盛階段的反射率因子特征

濱州XPAR獲取一個探測數據約需2 min，具有遠高于CINRAD/SA的時間和空間分辨率，對于探測風暴單體的細微結構和快速變化具有明顯優越性，它較完整地探測到了此次非超級單體風暴的垂直結構和演變過程。XPAR探測到的風暴演變情況與CINRAD/SA相似，在母風暴向東南方向發展的過程中，同樣探測到多個單體的陸續新生和與母風暴合并的過程。不同的是，單體新生和合并的狀態及時刻較CINRAD/SA更清晰、更具體。XPAR識別的單體D的新生時刻較CINRAD/SA早125 s，識別單體E、F的新生時刻較CINRAD/SA早48 s；XPAR識別的新生單體與母風暴合并的時刻較CINRAD/SA早49 s或晚93 s、99 s、101 s。XPAR最早在14：22前后0.9°出現“入流缺口”，較CINRAD/SA早113 s。

圖7給出了2021年8月10日CINRAD/SA 0.5°和XPAR 0.9°分別在14：36和14：35的反射率因子產品及線段AB和線段CD兩處的垂直剖面產品，兩雷達使用的色標相同，其中XPAR的反射率因子產品（Z）分辨率為1°×30 m、探測范圍為60 km。在發射功率相同的情況下，短波長雷達對弱回波的探測能力要強于長波長雷達。雖然XPAR的波長較CINRAD/SA短，但其發射功率卻遠低于CINRAD/SA，所以XPAR對弱回波的探測能力十分有限，它的觀測圖像上基本沒有小于15 dBZ的弱回波，也無法探測到窄帶回波（出流邊界）。為了方便對比，本文設置CINRAD/SA R19產品僅顯示20 dBZ以上強度（圖7a1）。XPAR的回波圖像能夠更精細地反映雷達回波的形態（圖7b1）。由于強回波對XPAR的衰減遠大于CINRAD/SA，其反射率因子的強度及強回波面積均較CINRAD/SA偏小（圖7a2、b2）。兩雷達都探測到了在AB和CD交點附近低層弱回波上空疊加了45 dBZ以上強回波，高反射率因子從低到高向入流一側（南略偏西方向）傾斜，形成回波懸垂（圖7a3、b3），說明此處存在較強上升氣流，有“入流缺口”特征。

5.2 徑向速度特征

選擇XPAR中低層（0.9°和2.7°仰角）徑向速度產品進行分析，產品分辨率為1°×30 m、探測范圍為60 km，最大不模糊速度為20 m·s-1，本研究個例徑向速度圖中未識別出明顯的速度模糊。龍卷發生地附近，XPAR的波束展寬約為730 m，CINRAD/SA約為1 300 m。

本文將同一仰角上最大正負速度絕對值之和定義為氣旋式環流的切變值，以區別于龍卷渦旋識別算法中的相鄰方位角的徑向速度切變值。XPAR在整個觀測過程中同樣既沒有識別出中氣旋也沒有識別出龍卷渦旋特征，但觀測到較強切變，且正負速度中心直徑均小于3 km。14：08龍卷發生地附近0.9°徑向速度開始出現氣旋式流場，14：22低層氣旋開始顯著發展起來，0.9°最大正速度約14.5 m·s-1，最大負速度約19 m·s-1，最大切變值33.5 m·s-1，但這種較強烈的切變僅出現在0.9°，對應低層小渦旋遇到上升氣流后旋轉運動加強。14：22—15：00中低層始終有氣旋式環流，其中14：39前后切變達到最強，0.9°最大負速度中心約–18 m·s-1，最大正速度中心約17.5 m·s-1，最大切變值35.5 m·s-1，最大正負速度中心直徑約1 km。對應2.7°仰角的切變值也達到最大值29 m·s-1。而CINRAD/SA觀測到的最大切變出現時間為14：36，最大切變值約為15 m·s-1，明顯小于XPAR的觀測結果。因波束展寬導致的抽樣體積內的平滑作用，會使速度的絕對值減小。CINRAD/SA的這種平滑作用較XPAR明顯，故而最大切變值也較之明顯偏小。另外，風暴發展迅速、采樣時間不同也是原因之一。圖8給出了XPAR 14：39中低層徑向速度的徑向和切向剖面產品。

由以上分析可見，此次非中氣旋龍卷和尺度更小的“小尺度氣旋”密切相關，XPAR在探測小尺度天氣系統時仍較CINRAD/SA有明顯優勢。波束展寬、距離雷達站較遠、氣旋式旋轉太淺薄等可能是造成兩部雷達均未探測到中氣旋和龍卷渦旋特征的原因之一。

5.3 雙偏振特征

選擇14：35—14：45期間7個體掃的低層反射率因子、徑向速度及雙偏振特征進行分析。圖9是2021年8月10日14：39徑向速度切變最強時濱州XPAR 0.9°水平極化反射率因子（ZH）、差分反射率（ZDR）、徑向速度（V）、相關系數（CC）產品。

風暴低層龍卷發生地附近ZH一般在45 dBZ以下，基本對應大的ZDR和偏小的CC。ZDR在2～5 dB之間，CC在0.1～0.9之間。由此推斷，龍卷發生地附近約800 m高度存在密度較小的大滴雨滴和被龍卷風卷離地面的非氣象目標物。龍卷碎片特征（tornadic debris signature，TDS）是龍卷卷到空中的雜物碎片產生的高反射率因子ZH、低差分反射率ZDR和異常低的相關系數CC的雙偏振雷達探測特征[32–33]，TDS可以幫助確認龍卷的發生和位置。在這次龍卷過程中CC低值的TDS特征非常清楚，ZDR低值的特征不明顯。14：35—14：45是徑向速度切變發展最強的時期，徑向速度切變最大的區域對應著CC的小值區域。

6 結論與討論

利用多種觀測資料，對2021年8月10日下午發生在渤海之濱的3個弱的非中氣旋龍卷進行了分析，主要有以下結論：

（1）這次龍卷過程發生的大氣環流特點為：高空被西北氣流控制，干冷空氣疊加在低層橫槽前暖脊上，地面上有倒槽和氣旋性渦旋配合；海風鋒、陣風鋒觸發對流，分裂南下的橫槽使上升運動加強；極強的對流不穩定能量，中等強度的垂直風切變集中在0～6 km深厚層，大的比濕（13.9 g·kg–1）主要位于低層（0～1 km），接近統計平均值的LCL（約1 094.3 m），構成了龍卷風暴產生的有利環境條件。不利的條件是低層（0～1 km）垂直風切變非常弱。

（2）龍卷母體風暴原地少動，由多個沿海風鋒發展移動的單體合并而成，為后向傳播型風暴；雙龍卷的形成與單體的合并發展有關，出現在單體合并后的5 min內。雷暴下沉氣流形成的陣風鋒（出流邊界）疊加海風鋒向西北移動，使氣旋性小尺度渦旋加強；當該小尺度氣旋遇到經單體合并后發展加強的上升運動時，旋轉運動進一步增強，從而觸發了第三個龍卷；降水的出現和出流邊界的遠離造成龍卷風暴的減弱，促使龍卷消亡。

（3）CINRAD/SA只觀測到低層的氣旋性旋轉和風暴頂輻散，沒有觀測到中氣旋和龍卷渦旋特征。XPAR也沒有觀測到中氣旋和龍卷渦旋特征，只觀測到了強切變。波束展寬、距離雷達站較遠、氣旋式旋轉太淺薄等可能是造成兩部雷達未探測到中氣旋、龍卷渦旋特征等典型特征的原因之一。

（4）風暴低層龍卷發生地附近ZH一般在45 dBZ以下，基本對應大的ZDR和偏小的CC。由此推斷，龍卷發生地附近低層存在密度較小的大滴雨滴和被龍卷風卷離地面的非氣象目標物。XPAR觀測到龍卷渦旋碎片特征，ZDR低值不明顯，CC低值區明顯。

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