2022年5月14日黑龍江五常龍卷天氣分析

付洪泰 王一達(dá) 趙廣娜 劉宇飛 袁穎穎 曹蕾

收稿日期：2023-12-10

基金項(xiàng)目：哈爾濱市雷暴大風(fēng)天氣特征分析及應(yīng)用資助項(xiàng)目（HQ2020017）。

作者簡(jiǎn)介：付洪泰（1990—），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，主要研究方向?yàn)橹行〕叨葰庀髮W(xué)。#通信作者：趙廣娜，女，黑龍江佳木斯人，主要研究方向?yàn)闉?zāi)害性天氣預(yù)報(bào)，E-mail：zsjytt@163.com。

摘 要：采用多種觀測(cè)資料，分析了2022年5月14日黑龍江五常EF1級(jí)龍卷發(fā)生的天氣形勢(shì)、環(huán)境條件及生成機(jī)制。結(jié)果表明：五常龍卷發(fā)生在東北冷渦中心環(huán)流的東北側(cè)，上空均為偏北或西北氣流，低層濕度低，垂直風(fēng)切變小。但在大的CAPE值環(huán)境下，對(duì)流風(fēng)暴首先在濕的下墊面產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)下山和地面輻合線的加強(qiáng)，移至干線露點(diǎn)梯度最強(qiáng)處，在其上空強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的作用下，近地面的垂直渦度強(qiáng)烈加強(qiáng)，形成龍卷。

關(guān)鍵詞：非超級(jí)單體龍卷；干線；地面輻合線

中圖分類號(hào)：P445 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

龍卷是由雷暴云伸展至地面的漏斗狀云產(chǎn)生的強(qiáng)烈旋風(fēng)，是對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的最猛烈的天氣現(xiàn)象，其最大風(fēng)速可超過(guò)140 m/s。龍卷生消迅速，常與其他強(qiáng)對(duì)流天氣相伴出現(xiàn)，可造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)

損失[1-2]。

在龍卷的監(jiān)測(cè)和預(yù)警方面，先后發(fā)現(xiàn)了中氣旋、龍卷渦旋特征，并將龍卷分類為中氣旋龍卷和非中氣旋龍卷。非中氣旋龍卷通常分為兩類：一類出現(xiàn)在弓形回波前部或者颮線的γ中尺度渦旋內(nèi)；另一類通常出現(xiàn)在邊界層輻合切變線上。目前，關(guān)于龍卷的研究多集中于臺(tái)風(fēng)龍卷、梅雨期龍卷、強(qiáng)中氣旋龍卷等，對(duì)于東北冷渦背景下“強(qiáng)”級(jí)以下的龍卷少有關(guān)注。

此次五常龍卷正是發(fā)生在東北冷渦背景下的非超級(jí)單體龍卷。從大尺度環(huán)流背景、環(huán)境特征及龍卷生成機(jī)制等方面對(duì)“5·14”龍卷進(jìn)行分析，為此類天氣的預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料來(lái)源與天氣實(shí)況

采用的數(shù)據(jù)包括高空觀測(cè)資料、地面加密觀測(cè)資料、風(fēng)云4A衛(wèi)星資料及多普勒雷達(dá)資料。由于“5·14”龍卷過(guò)程發(fā)生在午后，無(wú)法直接采用常規(guī)時(shí)次的探空資料，因此以上游哈爾濱站08：00探空資料為基礎(chǔ)，以龍卷發(fā)生前13：00五常站的地面氣溫和露點(diǎn)訂正。

2022年5月14日13：45，五常市衛(wèi)國(guó)鄉(xiāng)保家村十二戶屯、福利屯遭遇龍卷風(fēng)，大風(fēng)持續(xù)約十幾分鐘，龍卷自北向南移動(dòng)，接地路徑長(zhǎng)度約2.0 km（圖1），經(jīng)過(guò)之處多數(shù)房屋屋頂被掀去，2棵大樹(shù)被連根拔起，受災(zāi)人口47人，損壞房屋35戶37間，育秧大棚10棟，共造成經(jīng)濟(jì)損失約77.8萬(wàn)元。經(jīng)實(shí)地調(diào)查和分析，確定該龍卷強(qiáng)度達(dá)到我國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)，屬于弱到中等強(qiáng)度龍卷，相當(dāng)于美國(guó)的EF1級(jí)（以下簡(jiǎn)稱“5·14”龍卷）。

由于發(fā)生地距離測(cè)站較遠(yuǎn)，沒(méi)有觀測(cè)到中尺度系統(tǒng)造成的氣象要素劇烈變化等特征，僅志廣站（距離龍卷發(fā)生地東南方向約10 km）風(fēng)向有90°偏轉(zhuǎn)。龍卷發(fā)生前有降水產(chǎn)生，雨量最大為五常龍鳳山鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量站（距離龍卷發(fā)生地東南方向約25 km）6.2 mm。

2 天氣背景分析

2.1 環(huán)流背景

此次“5·14”龍卷發(fā)生在冷渦東北側(cè)，冷渦處于減弱階段。14日08：00 500 hPa上西伯利亞大陸為寬廣深厚的脊，引導(dǎo)冷空氣南下，北太平洋到鄂海為強(qiáng)大的暖脊，形成東阻。黑龍江省位于冷渦后部。

同時(shí)，“5·14”龍卷過(guò)程發(fā)生前后均無(wú)急流存在，僅在500 hPa上12 h的風(fēng)速增幅達(dá)到了12 m/s，低空風(fēng)速變化不大。上空均為偏北或西北氣流，500 hPa、700 hPa在黑龍江西南部有冷空氣中心，中低層有暖脊從黑龍江東部伸向中南部，形成了上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)。上游齊齊哈爾和索倫探空站500 hPa上溫度露點(diǎn)差達(dá)到了12 ℃，存在干區(qū)。

地面上的龍卷發(fā)生地處于高低壓過(guò)渡帶，09：45從方正東部至五常就有輻合線存在，12：00輻合線上的西南風(fēng)風(fēng)速有明顯增大，衛(wèi)國(guó)站的風(fēng)速由11：00的6 m/s增大至10 m/s，代表本地低空暖濕氣流的增強(qiáng)，這股氣流一方面加強(qiáng)了地面輻合線的強(qiáng)度，另一方面輸送了水汽和暖空氣，同時(shí)也加大了低層垂直風(fēng)切變。

13：35地面風(fēng)場(chǎng)形成了明顯的中尺度渦旋，龍卷發(fā)生地上游的平山（H0283）和玉泉（H0284）氣壓為980 hPa，

比周圍測(cè)站低5 hPa左右，可確定該地有一個(gè)中尺度氣旋存在，龍卷發(fā)生地位于地面中尺度氣旋的西南側(cè)。

2.2 探空特征

一般龍卷發(fā)生需要較大的CAPE和強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變，還需要較高的0～1 km的相對(duì)濕度、較低的LCL和較大的低層垂直風(fēng)切變[3]。

08：00哈爾濱探空曲線顯示，哈爾濱上空大氣無(wú)明顯的濕層，CAPE為24.6 J/kg，CIN為0，LCL為989.8 m，

露點(diǎn)為3 ℃，低層至中層有淺薄的不穩(wěn)定層結(jié)，0～1 km風(fēng)垂直切變?yōu)?.7 m/s，0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?.2 m/s。隨著高空冷渦的東移，20：00探空曲線為下開(kāi)口狀，CAPE升至54 J/kg，CIN升至142.5 J/kg，中層的淺薄不穩(wěn)定層結(jié)消失，LCL抬升至1 598.7 m，露點(diǎn)為1 ℃，0～1 km風(fēng)垂直切變?yōu)?.5 m/s，0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?7.7 m/s，深層垂直風(fēng)切變有明顯增大。

利用未受對(duì)流風(fēng)暴影響的下游五常站13：00的地面資料來(lái)訂正哈爾濱站08：00探空，五常站CAPE和LCL分別為1 248.5 J/kg和1 539.27 m，0～1 km垂直風(fēng)切變?yōu)? m/s。有研究表明，對(duì)于非龍卷超級(jí)單體的CAPE峰值頻率區(qū)間位于1 500～2 500 J/kg；LCL峰值頻率區(qū)間為1 250～1 500 m；0～6 km垂直風(fēng)切變主要位于15～30 m/s，低層風(fēng)垂直切變多在10 m/s以上。這也是“5·14”龍卷特征不典型的特征之一，低層和深層垂直風(fēng)切變小，但其CAPE和LCL滿足生成條件。

2.3 地面干線

從地面露點(diǎn)的變化趨勢(shì)上看（圖3），從早上08：00開(kāi)始，500 hPa下沉的干空氣向西延伸，同時(shí)吉林省有大面積的降水，干空氣與來(lái)自吉林的暖濕氣流之間逐漸形成干線，10：00五常站與雙城站之間的露點(diǎn)差異已經(jīng)達(dá)到了6.7 ℃，之后干線向東北方向延伸，14：00用未受降水影響的榆樹(shù)大嶺站E1322和五常站54080的露點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，梯度達(dá)到了25 ℃/100 km，干線長(zhǎng)度達(dá)到了118 km左右。龍卷發(fā)生時(shí)的露點(diǎn)無(wú)法獲得，但13：00地面加密觀測(cè)站兩站之間的露點(diǎn)梯度是

25 ℃/100 km，龍卷發(fā)生地很有可能會(huì)大于該數(shù)值。

地面輻合線

“5·14”龍卷發(fā)生當(dāng)天13：00的地面氣溫和露點(diǎn)分別只有12和6 ℃左右，干線的露點(diǎn)梯度從5月到8月呈增大趨勢(shì)，范圍為9.6～15 ℃/100 km。在5月份的黑龍江出現(xiàn)如此強(qiáng)的干線較為少見(jiàn)。

對(duì)流云團(tuán)起于西泉眼水庫(kù)附近，在龍卷形成之前五常有弱降水，同時(shí)龍卷經(jīng)過(guò)寬闊水田，在一定程度上改善了低層濕度條件。下山的對(duì)流與干線處的上升運(yùn)動(dòng)疊加，垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)的一側(cè)水平渦度很容易轉(zhuǎn)換為垂直渦度，并在一定的條件下拉伸加強(qiáng)，形成龍卷。

2.3 雷達(dá)觀測(cè)特征

回波首先在10：58產(chǎn)生于西泉眼水庫(kù)附近，向東南

偏東方向移動(dòng)，移動(dòng)速度為12～15 km/h，中心強(qiáng)度在35～40 dBz。12：16下山顯著加強(qiáng)。南下經(jīng)過(guò)牤牛河后，移至地面輻合線上繼續(xù)發(fā)展，上升氣流疊加在地面渦度之上，使渦管迅速伸長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)加快，12：38對(duì)流強(qiáng)度達(dá)到50 dBz，在1.5°速度場(chǎng)上可識(shí)別出速度對(duì)，正負(fù)速度中心分別為15和-5 m/s，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為10 m/s。

13：18對(duì)流發(fā)展旺盛，回波達(dá)到55 dBz以上，強(qiáng)中心高度6 km左右，回波頂高9 km，強(qiáng)回波面積增大，回波由低到高向南傾斜，低仰角可見(jiàn)弱回波區(qū)，有一定的懸垂結(jié)構(gòu)。13：24龍卷的最高VIL值達(dá)到了30 kg/m2，13：29之后強(qiáng)中心開(kāi)始下降，此時(shí)龍卷很可能已經(jīng)形成，比現(xiàn)場(chǎng)目擊的時(shí)間要早。

3 結(jié)論

2022年5月14日五常龍卷雖然屬于中等強(qiáng)度的龍卷，但是能在弱垂直風(fēng)切變和低露點(diǎn)的環(huán)境下發(fā)展，引起了廣泛關(guān)注。應(yīng)用多種資料分析了該龍卷發(fā)生發(fā)展的環(huán)流背景、環(huán)境條件和生消機(jī)制，得出以下結(jié)論。

（1）本次龍卷發(fā)生在東北冷渦中心環(huán)流的東北側(cè)，冷渦處于減弱階段，上空為偏北或西北氣流，500 hPa 12 h的風(fēng)速增幅達(dá)到了12 m/s，低層風(fēng)速變化不大，探空特征不具備龍卷天氣發(fā)生的有利條件，但經(jīng)過(guò)訂正，CAPE、LCL和CIN滿足龍卷生成條件。地面上有輻合線和干線存在，該干線露點(diǎn)梯度最強(qiáng)達(dá)到了

25 ℃/100 km，強(qiáng)干線是本次龍卷生成的重要條件。

（2）本次龍卷發(fā)生的不利條件是低層環(huán)境濕度低和0～1 km垂直風(fēng)切變太小，但對(duì)流云團(tuán)起于水庫(kù)附近，在龍卷形成之前有弱降水，同時(shí)龍卷經(jīng)過(guò)大面積水田，這都在一定程度上改善了低層濕度條件。地面西南風(fēng)有明顯增大，也改善了龍卷生成的風(fēng)切變環(huán)境。

（3）形成五常龍卷的直接對(duì)流系統(tǒng)是一孤立的對(duì)流云，不具有超級(jí)單體的中氣旋等回波特征，僅觀測(cè)到弱的速度對(duì)，旋轉(zhuǎn)速度大概在10 m/s。VIL值最高只有30 kg/m2。

參考文獻(xiàn)

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