于懷征，龔佃利，朱君鑒，陸桂榮，吳炫，王鳳梅，盧緒蘭，萬克利

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250031；2.日照市氣象局，山東 日照 276800；3.山東省人民政府人工影響天氣辦公室，山東 濟(jì)南 250031；4.山東省氣象臺，山東 濟(jì)南 250031；5.莒縣氣象局，山東 莒縣 276500；6.山東省氣象科學(xué)研究所，山東 濟(jì)南 250031)

引言

龍卷是破壞力極強(qiáng)并伴有猛烈旋轉(zhuǎn)的小尺度渦旋，多發(fā)生在超級單體風(fēng)暴中，常與冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水一起發(fā)生。因龍卷尺度小、局地性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短，目前的探測手段和預(yù)報(bào)技術(shù)很難觀測到其瞬變信息和做出較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)、預(yù)警，因此龍卷極易造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。

國內(nèi)外很多專家[2]對龍卷進(jìn)行了專項(xiàng)研究。薛德強(qiáng)和楊成芳[3]對山東50年的龍卷氣候特征進(jìn)行了分析，指出山東龍卷存在明顯的季節(jié)特征，多發(fā)生在夏季(占74.3%)，午后到傍晚是龍卷發(fā)生的主要時(shí)段，龍卷持續(xù)時(shí)間較短，多數(shù)龍卷僅僅維持幾分到十幾分鐘。俞小鼎等[4]利用雷達(dá)反射率因子、速度場以及環(huán)流背景場對產(chǎn)生龍卷的特征進(jìn)行了分析，指出中氣旋一般超前于龍卷，如果中氣旋達(dá)到中等強(qiáng)度以上且底部到地面距離小于1 km，就容易產(chǎn)生龍卷，當(dāng)中等強(qiáng)度以上的中氣旋和龍卷渦旋特征(tornadic vortex signature, TVS)同時(shí)被探測，產(chǎn)生龍卷的概率將達(dá)到50%以上。鄭媛媛等[5-6]研究表明，小型超級單體風(fēng)暴中存在發(fā)展高度較高的中氣旋且風(fēng)暴質(zhì)心位于風(fēng)暴的下部時(shí)易發(fā)生龍卷。朱君鑒等[7]、項(xiàng)陽和吳林林[8]指出，龍卷發(fā)生前，小型超級單體風(fēng)暴出現(xiàn)中氣旋頂高躍增、最大切變量高度驟降現(xiàn)象，龍卷發(fā)生時(shí)，中氣旋頂高驟降、風(fēng)暴低層反射率因子呈鉤狀回波特征且風(fēng)暴南側(cè)具有明顯的入流缺口。刁秀廣等[9]對臺風(fēng)“溫比亞”和“摩羯”環(huán)流中的龍卷小尺度渦旋特征進(jìn)行了研究，指出大的相對風(fēng)暴螺旋度、強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變和低層高濕是兩次臺風(fēng)環(huán)流中發(fā)生龍卷的關(guān)鍵物理量。周淑玲等[10]從天氣學(xué)角度入手，指出較低的正渦度中心對龍卷的發(fā)生具有一定的指示意義。

2019年8月16日下午，日照西北部出現(xiàn)多個(gè)對流單體，經(jīng)過數(shù)次合并后形成超級單體風(fēng)暴，誘發(fā)龍卷，并伴有小冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水天氣，龍卷引發(fā)日照近海海域的沉船事件，造成了多人傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。本文利用常規(guī)觀測資料、地面區(qū)域自動(dòng)氣象觀測站(以下簡稱“區(qū)域站”)5 min間隔的高時(shí)間分辨率資料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料，分析了此次龍卷天氣發(fā)生發(fā)展的中尺度天氣系統(tǒng)、環(huán)境條件；使用與距沉船地最近的連云港(相距75 km左右)多普勒天氣雷達(dá)資料并結(jié)合青島、臨沂(相距95 km左右)多普勒天氣雷達(dá)資料，探討了造成沉船事件的超級單體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)、中氣旋(用“M”表示)、龍卷渦旋特征等參數(shù)的演變情況，以期積累預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，為日照龍卷的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考依據(jù)。

1 龍卷概況及災(zāi)情

2019年8月16日17:00—18:10(北京時(shí)，下同)，受強(qiáng)對流天氣影響，日照的東港區(qū)、開發(fā)區(qū)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹襲擊，造成船舶傾覆、房屋倒塌、玉米倒伏、樹木受損等災(zāi)害，其中東港區(qū)的南湖鎮(zhèn)、日照街道和開發(fā)區(qū)的奎山街道、北京路街道的部分地區(qū)及日照近海海域遭受龍卷襲擊，造成天津航道局在日照港石臼港區(qū)南作業(yè)區(qū)的一艘河北籍船舶傾覆，船上9人有7人遇難，2人失聯(lián)。分析日照區(qū)域站和商船監(jiān)測的極大風(fēng)速(圖1a)可知，17:00—18:00東港區(qū)的南湖鎮(zhèn)、日照街道、石臼街道和開發(fā)區(qū)的奎山街道、北京路街道出現(xiàn)8級以上大風(fēng)，其中日照港區(qū)域站18時(shí)監(jiān)測到極大風(fēng)速為34.6 m·s-1(12級)，17:50—18:05，日照近海多艘商船先后監(jiān)測到50 m·s-1(15級)以上的極大風(fēng)速(商船數(shù)據(jù)來源于日照市海上搜救中心)。據(jù)區(qū)域站1 h降水資料(圖1b)，17:00—18:00，東港區(qū)的西湖鎮(zhèn)、南湖鎮(zhèn)、日照街道、石臼街道和開發(fā)區(qū)的奎山街道、北京路街道出現(xiàn)20 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降水，最大出現(xiàn)在奎山鎮(zhèn)，為45.6 mm。

圖1 2019年8月16日17—18時(shí)日照極大風(fēng)場(a，紅色箭頭為龍卷影響路徑，色階表示風(fēng)速)和1 h降水量(b，色階表示降水量)Fig.1 Extreme wind field (a， red arrow for impact path of tornado, color scale for wind speed) in Rizhao from 17:00 BST to 18:00 BST 16 August 2019 and 1-h precipitation (b, color scale for precipitation)

分析雷達(dá)資料、區(qū)域站資料發(fā)現(xiàn)，此次龍卷是由地面γ中尺度渦旋觸發(fā)的超級單體風(fēng)暴造成的，單體所經(jīng)區(qū)域的地面風(fēng)場上具有明顯的氣旋式旋轉(zhuǎn)，在風(fēng)暴移動(dòng)方向右前側(cè)的低層強(qiáng)反射率因子具有入流缺口和鉤狀回波等特征。據(jù)調(diào)查，16日17:40—18:00是地面龍卷發(fā)生的主要時(shí)段，龍卷自西北向東南方向移動(dòng)，全程約20 km，影響寬度為0.1～0.5 km。根據(jù)房屋損壞、樹木扭斷的程度，并結(jié)合雷達(dá)回波特征、周邊區(qū)域站和船舶觀測站監(jiān)測到的資料以及視頻資料，判定該龍卷的強(qiáng)度等級為EF2級[11]。

2 天氣背景特征

2.1 天氣形勢

2019年8月16日08時(shí)，500 hPa圖(圖2a)上，新疆到貝加爾湖有強(qiáng)盛的高壓脊，高壓脊前存在明顯的東北冷渦，溫度槽略微落后于高度槽，南北向的高空槽自冷渦經(jīng)魯中伸到江蘇西部，高空槽在東移過程中略有發(fā)展，其后側(cè)的西北氣流引導(dǎo)冷空氣源源不斷擴(kuò)散南下，導(dǎo)致日照中高層較冷。700 hPa圖(圖2b)上，東北冷渦強(qiáng)度有所減弱，但由風(fēng)場來看，氣旋式環(huán)流仍然較為明顯，高空槽自冷渦伸向河套中東部，槽后較大的西北風(fēng)與等溫線近似垂直，冷平流較強(qiáng)，該層高空槽落后于500 hPa高空槽，前傾結(jié)構(gòu)較為明顯。850 hPa(圖2c)顯示，偏北氣流與偏西氣流交匯于35°N附近，形成一條近乎東西向的切變線，切變線南側(cè)的西到西南暖濕氣流源源不斷地向魯南輸送水汽和不穩(wěn)定能量，同時(shí)有t≥22 ℃的暖脊伸向日照。925 hPa(圖2d)切變線也位于35°N附近，但是切變線明顯東伸，東段已經(jīng)伸到日照北部。由形勢場來看，日照整層大氣呈現(xiàn)明顯的上冷、下暖濕配置，易產(chǎn)生龍卷等強(qiáng)對流天氣[12-16]。

圖2 2019年8月16日08時(shí)高空形勢(a. 500 hPa， b. 700 hPa， c. 850 hPa， d. 925 hPa)、16日20時(shí)—17日08時(shí)船舶傾覆地的上空風(fēng)和溫度平流時(shí)序圖(e)以及17:02—18:02臨沂雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品(f)Fig.2 Synoptic chart at 500 hPa (a), 700 hPa (b), 850 hPa (c), and 925 hPa (d) at 08:00 BST 16, time sequence diagram (e) of wind and temperature advection over the capsizing place from 20:00 BST 16 to 08:00 BST 17, and wind profile (f) from Linyi radar from 17:02 BST to 18:02 BST 16 August 2019

圖2e是利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料繪制的15日20時(shí)—17日08時(shí)翻船地上空的風(fēng)和溫度平流時(shí)序圖。分析圖2e發(fā)現(xiàn)，16日08時(shí)，700 hPa以下，風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)有暖平流，700 hPa以上，風(fēng)向隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)有冷平流，表明該地區(qū)上空存在上冷下暖的不穩(wěn)定形勢。14時(shí)，暖平流自地面上升到500～400 hPa之間，500 hPa之上轉(zhuǎn)為冷平流；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，14時(shí)較08時(shí)，事發(fā)地上空整層風(fēng)速加大，高層冷平流和低層暖平流均有所增強(qiáng)，尤其是高空的冷平流增強(qiáng)更為明顯，導(dǎo)致上下層的差動(dòng)溫度平流增大、不穩(wěn)定性增強(qiáng)。20時(shí)，高空冷平流明顯減弱，暖平流僅存在于850 hPa以下且強(qiáng)度減小，上下層的差動(dòng)溫度平流明顯減弱。

由地面實(shí)況圖和雷達(dá)圖(圖略)對比發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生龍卷的中尺度輻合線影響臨沂雷達(dá)站和日照龍卷發(fā)生地的時(shí)間基本一致，因此，可以利用臨沂雷達(dá)站的風(fēng)廓線產(chǎn)品分析龍卷發(fā)生地上空的環(huán)境風(fēng)演變情況。圖2f是17:02—18:02臨沂雷達(dá)的風(fēng)廓線產(chǎn)品，分析發(fā)現(xiàn)，龍卷發(fā)生前，0～6 km風(fēng)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)有暖平流存在，6 km以上風(fēng)隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，存在冷平流，上冷下暖的形勢較為明顯，表明大氣較不穩(wěn)定。龍卷發(fā)生后(17:38之后)，近地面層風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，1.2 km以下風(fēng)隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表明近地面有冷空氣侵入，冷空氣觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。分析高密度地面觀測資料(圖略)可以看出，17:30，臨沂地面吹西南風(fēng)，風(fēng)速為3 m·s-1，結(jié)合臨沂雷達(dá)風(fēng)廓線資料，計(jì)算出臨沂上空0～6 km垂直風(fēng)速差為17 m·s-1，達(dá)到周后福等[17]統(tǒng)計(jì)的江淮地區(qū)龍卷風(fēng)暴0～6 km的垂直風(fēng)速度差(Δv≥16.5 m·s-1)的要求。另外，在3.7～4.9 km高度上，17:50的風(fēng)較17:30增大2～4 m·s-1，表明中低空偏西急流加強(qiáng)，中低空垂直切變加大，導(dǎo)致氣旋性渦度發(fā)展，為龍卷的產(chǎn)生、加強(qiáng)提供了有利的動(dòng)力條件。

2.2 地面中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變

利用區(qū)域站5 min高時(shí)間分辨率觀測資料，分析了影響龍卷天氣的地面β中尺度輻合線的演變，重點(diǎn)分析產(chǎn)生此次龍卷的地面γ中尺度渦旋的生成、發(fā)展、演變過程。分析過程中，由于龍卷尺度較小，區(qū)域站布局相對稀疏，造成個(gè)別時(shí)次的地面γ中尺度渦旋在風(fēng)場上表現(xiàn)得并不是特別完整，為此，結(jié)合雷達(dá)資料對γ中尺度渦旋進(jìn)行定位。圖3為地面β中尺度輻合線和γ中尺度渦旋的演變過程，可以看出，16:00，地面β中尺度輻合線移到日照西北部，輻合線上出現(xiàn)γ中尺度渦旋，γ中尺度渦旋在向東南方向移動(dòng)過程中逐漸加強(qiáng)、環(huán)流逐步完整。16:30，地面γ中尺度渦旋在風(fēng)場上表現(xiàn)為較完整的氣旋式環(huán)流。17:00，渦旋上的風(fēng)速明顯加大，輻合更加明顯，地面γ中尺度氣旋式環(huán)流非常完整。17:30，地面γ中尺度渦旋到達(dá)日照東南部，氣旋式輻合達(dá)到最強(qiáng)，在此渦旋的觸發(fā)下，不穩(wěn)定能量迅速釋放，產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，地面β中尺度輻合線上產(chǎn)生的多個(gè)單體合并成超級單體風(fēng)暴，強(qiáng)風(fēng)暴在東移過程中繼續(xù)加強(qiáng)，17:40，日照開始出現(xiàn)龍卷天氣。17:45左右，地面γ中尺度渦旋東移入海，之后龍卷開始影響日照近海海域，造成極端大風(fēng)和船舶傾覆事件。19:00，地面β中尺度輻合線東移入海，此次強(qiáng)對流天氣結(jié)束。

圖3 2019年8月16日地面系統(tǒng)演變(虛線為地面β中尺度輻合線，“”為γ中尺度渦旋)Fig.3 Evolution of surface system on 16 August 2019 (dot-dash line for meso-β scale convergence line on the ground, for meso-γ scale vortex)

2.3 環(huán)境參量分析

研究[17-20]表明，龍卷多產(chǎn)生在中層有冷空氣侵入的不穩(wěn)定大氣中，其產(chǎn)生與較大的對流有效位能(convective available potential energy，CAPE)、較強(qiáng)的中低層垂直風(fēng)切變(用“SHR”表示)和較低的抬升凝結(jié)高度(lifting condensation level，LCL)以及較暖濕的低層等密切相關(guān)。表1為距龍卷發(fā)生地最近的青島高空站16日08時(shí)的探空參數(shù)，根據(jù)曹鋼鋒等[21]統(tǒng)計(jì)，如果某地區(qū)850 hPa與500 hPa溫度差Δt≥28 ℃，該地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣的可能性非常大，從表中可以看出，距離日照最近的青島高空站探測到的Δt高達(dá)29 ℃。干暖蓋指數(shù)(dry and warm lid strength，簡記為Ls)是逆溫層頂處的最大飽和濕球位溫與地面至500 hPa氣層中的濕球位溫的平均值之差，此時(shí)青島探空站的Ls為-38.4 ℃，干暖蓋較強(qiáng)，有利于不穩(wěn)定能量的積累和水汽的積聚[22]。表中的CAPE值是根據(jù)當(dāng)日青島站觀測到的最高氣溫進(jìn)行訂正后的數(shù)值，訂正后的CAPE值高達(dá)1 761.8 J·kg-1，表明午后發(fā)生雷暴的可能性較大。根據(jù)廖曉農(nóng)等[23]的研究，地面發(fā)生雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣時(shí)，下沉對流有效位能(downdraft convective available potential energy，DCAPE)較大，一般大于600 J·kg-1，16日08時(shí)，青島站的DCAPE值達(dá)到1 075.3 J·kg-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于600 J·kg-1。0～3 km的SHR達(dá)13.6 m·s-1，0～6 km的SHR僅為14.2 m·s-1，大的垂直風(fēng)切變主要出現(xiàn)在中低層。925 hPa以下比濕超過10 g·kg-1，990 hPa更是達(dá)到16 g·kg-1，700 hPa減弱到3 g·kg-1，表明近地面層較濕。LCL高度為933 hPa，高度較低，低于500 m，有利于龍卷產(chǎn)生[17]。以上分析表明，8月16日08時(shí)，日照附近上空Δt、CAPE、DCAPE、中低層SHR較大，LCL較低，近地面層較濕，Ls較強(qiáng)。

表1 2019年8月16日青島探空站探空參數(shù)Table 1 Sounding parameters from Qingdao Station on 16 August 2019

3 龍卷的雷達(dá)特征分析

3.1 風(fēng)暴單體演變與低層回波特征

受地面β中尺度輻合線影響，16:00前后，有多個(gè)對流單體移到日照西北部，單體在向東偏南移動(dòng)的過程中逐漸合并加強(qiáng)。為避免地物雜波等影響，選取距離龍卷發(fā)生地最近的連云港雷達(dá)3.4°仰角的反射率因子產(chǎn)品(圖4)來分析風(fēng)暴單體的合并、增長過程。16:43(圖4a)，在莒縣的北部、五蓮縣的中部有C1、C2兩個(gè)發(fā)展較為成熟的風(fēng)暴單體，同時(shí)，莒縣中東部的風(fēng)暴單體C3開始發(fā)展。之后，風(fēng)暴單體快速東移，不斷加強(qiáng)的風(fēng)暴單體C3與開始減弱的單體C1逐漸靠攏，單體C2在東移過程中強(qiáng)度變化不大但反射率因子在50 dBZ以上的面積略有增大(圖4b)。17:16(圖4c)，單體C1迅速南落并與單體C3合并成單體C4，回波迅速增強(qiáng)，最大反射率因子達(dá)到70 dBZ，不斷減弱的單體C2與新生成的單體C4到達(dá)東港區(qū)的北部，兩單體的外邊界已經(jīng)重合。繼續(xù)加強(qiáng)的單體C4移動(dòng)明顯快于逐漸減弱的單體C2，兩單體在東移過程中逐漸靠攏，17:34(圖4d)，兩個(gè)單體中心已經(jīng)非常接近，50 dBZ以上回波面積迅速擴(kuò)大。17:46(圖4e)，單體C2、C4中心合并成為成熟的超級單體C，單體C位于北京路街道，距離船舶傾覆地不到10 km。17:50后單體C入海，強(qiáng)度開始減弱。

圖4 2019年8月16日連云港雷達(dá)3.4°仰角反射率因子(色階；a. 16:43:28， b. 16:55:10， c. 17:16:02， d. 17:34:56， e. 17:46:40)Fig.4 Reflectivity at 3.4° elevation from Lianyungang radar on 16 August 2019 (color scale; a. 16:43:28 BST, b. 16:55:10 BST, c. 17:16:02 BST, d. 17:34:56 BST, e. 17:46:40 BST)

龍卷是發(fā)生在較低高度的天氣現(xiàn)象，因此低仰角的雷達(dá)資料更能揭示其回波特征。因17:58連云港雷達(dá)低層反射率因子缺測，為了更準(zhǔn)確地揭示龍卷發(fā)生階段低層回波強(qiáng)度的變化和龍卷最強(qiáng)時(shí)刻低層回波特征，對臨沂雷達(dá)0.5°仰角的反射率因子產(chǎn)品進(jìn)行分析。17:38(圖略)，單體位于東港區(qū)的日照街道，最強(qiáng)回波為63 dBZ，回波右前側(cè)出現(xiàn)弱的入流缺口和鉤狀回波。隨著時(shí)間推移，回波略有增強(qiáng)，鉤狀回波變化并不明顯，但入流缺口更加清晰。17:50，最強(qiáng)回波達(dá)65 dBZ。18:02(圖5，龍卷最強(qiáng)時(shí)刻)，最強(qiáng)回波減弱為59 dBZ，此時(shí)回波右前側(cè)的鉤狀回波特征和入流缺口非常明顯，表明此時(shí)風(fēng)暴低層右前側(cè)的上升氣流非常強(qiáng)烈，對應(yīng)著風(fēng)暴低層左后方的強(qiáng)反射率因子區(qū)為強(qiáng)下沉氣流區(qū)。下一個(gè)體掃，鉤狀回波和入流缺口消失，回波開始減弱，強(qiáng)天氣逐漸結(jié)束。

圖5 2019年8月16日18:02臨沂雷達(dá)0.5°仰角反射率因子(色階)Fig.5 Reflectivity (color scale) at 0.5° elevation from Linyi radar at 18:02 BST 16 August 2019

3.2 龍卷渦旋移動(dòng)及低層氣流結(jié)構(gòu)

圖6是龍卷渦旋移動(dòng)路徑圖，17:34之前連云港雷達(dá)缺少2個(gè)體掃資料，故無法探測單體風(fēng)暴在該時(shí)段是否出現(xiàn)TVS，為更準(zhǔn)確地顯示TVS生成時(shí)間以及生成后的移動(dòng)路徑，圖6中17:34之前采用的是青島雷達(dá)的資料。從圖上可以看出，TVS最初出現(xiàn)于17:18，17:18—17:34，此時(shí)段單體并沒有明顯的合并，風(fēng)暴移動(dòng)主要以平流為主，在承載層氣流的引導(dǎo)下，風(fēng)暴快速向東偏南方向移動(dòng)。17:34—17:46，此時(shí)段對流單體不斷合并，傳播在風(fēng)暴的移動(dòng)中作用增大，在傳播和平流的共同作用下，風(fēng)暴單體和TVS轉(zhuǎn)向東南方向移動(dòng)。17:52單體完全合并，TVS出現(xiàn)在船舶傾覆地偏東方向不到1 km的海上，此后，風(fēng)暴單體在承載層的平均氣流引導(dǎo)下緩慢向東偏南移動(dòng)。17:58移到船舶傾覆地偏東約5 km處，下一個(gè)體掃TVS消失，龍卷過程基本結(jié)束。由分析可以看出，在整個(gè)風(fēng)暴演變過程中，受傳播和引導(dǎo)氣流的影響，風(fēng)暴的移動(dòng)方向多次發(fā)生變化；首次探測到TVS(17:18)較地面龍卷發(fā)生(17:40)提前3個(gè)體掃，因此，此次地面龍卷具有一定的可預(yù)報(bào)性。

圖6 TVS移動(dòng)路徑(白色倒三角為TVS)Fig.6 TVS moving path (white inverted triangle for TVS)

為更準(zhǔn)確地反映船舶傾覆時(shí)的低層氣流結(jié)構(gòu)特征，選用距離船舶傾覆地更近的連云港低仰角的雷達(dá)徑向速度產(chǎn)品來分析龍卷致船傾覆時(shí)的低層氣流特征。圖7是退速度模糊之后連云港雷達(dá)0.5°仰角的徑向速度產(chǎn)品，圖上疊加了中氣旋(白色圓圈)產(chǎn)品和TVS(白色倒三角)產(chǎn)品。17:52(圖7a)，船舶傾覆地西側(cè)出現(xiàn)一對相距10 km左右、氣旋式旋轉(zhuǎn)的正負(fù)速度對，退速度模糊后，最大出流速度為17.5 m·s-1，最大入流速度達(dá)-32.5 m·s-1，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為25.0 m·s-1，此時(shí)風(fēng)暴距離雷達(dá)約75 km，根據(jù)中氣旋判別標(biāo)準(zhǔn)[11]，該氣旋判斷為強(qiáng)中氣旋。在強(qiáng)中氣旋內(nèi)部，識別出一個(gè)比強(qiáng)中氣旋更小的旋轉(zhuǎn)非?？斓男〕叨葴u旋，表現(xiàn)為像素到像素的很大的風(fēng)切變，相鄰方位角的最大入流速度高達(dá)-32.5 m·s-1，最大出流速度為7.0 m·s-1，速度差(differential velocity，DV)達(dá)39.5 m·s-1，呈現(xiàn)出明顯的龍卷渦旋特征[11]，TVS距離翻船位置不到1 km，之后TVS向東偏南方向移動(dòng)；17:58(圖7b)(此時(shí)刻約為地面龍卷最強(qiáng)時(shí)刻)，超級單體風(fēng)暴中的最大出流速度為27.0 m·s-1，退模糊速度后的最大入流速度為-37.0 m·s-1，轉(zhuǎn)動(dòng)速度高達(dá)32.0 m·s-1，強(qiáng)中氣旋進(jìn)一步加強(qiáng)。強(qiáng)中氣旋內(nèi)部速度相差最大的兩個(gè)相鄰方位角之間的最大入流速度為-37.0 m·s-1，最大出流速度為0.5 m·s-1，DV達(dá)到37.5 m·s-1，TVS較上個(gè)時(shí)次略有減弱，此時(shí)TVS位于船舶傾覆地偏東約5 km。18:04(圖略)，中氣旋特征仍然較為明顯，但是TVS特征已消失。

圖7 連云港雷達(dá) 0.5°仰角退模糊后的徑向速度(a. 17:52， b. 17:58；白色圓圈為中氣旋，白色倒三角為TVS，色階為徑向速度)Fig.7 Radar radial velocity (color scale) dealiasing at 0.5° elevation from Lianyungang radar at 17:52 BST (a) and 17:58 BST (b) (white circle for mesocyclone, white inverted triangle for TVS)

3.3 風(fēng)暴參數(shù)演變特征

日照超級單體風(fēng)暴自形成到消亡，歷時(shí)約2 h。圖8為旺盛階段(16:51—18:02)臨沂雷達(dá)探測到的日照超級單體風(fēng)暴參數(shù)演變圖，由圖可以看出，此時(shí)段，風(fēng)暴持續(xù)較強(qiáng)，平均最大反射率因子(用“DBZM”表示)為65.3 dBZ，最強(qiáng)達(dá)到68 dBZ。風(fēng)暴頂高度(用“TOP”表示)平均為9.5 km，17:02，風(fēng)暴頂突然躍增至12.3 km，持續(xù)兩個(gè)體掃后驟降至9.0 km左右的高度，17:56，回波頂高再次突然下降至8.0 km高度附近。基于單體的垂直累積液態(tài)水含量(cell-based vertically integrated liquid，C-VIL)變化較大，17:08達(dá)到最大值，為80 kg·m-2，17:14—17:44基本維持在60 kg·m-2，之后線性下降，18:02突然下降到35 kg·m-2。強(qiáng)中心高度(用“HT”表示)在17:08達(dá)到最高的7.9 km，之后波動(dòng)性下降；17:38，HT快速下降至2.7 km左右，表明強(qiáng)天氣已經(jīng)出現(xiàn)在較低高度。之后HT一直維持較低高度；18:02(龍卷最強(qiáng)時(shí)刻)，HT突然下降至1.5 km左右，此高度是雷達(dá)在此地測到的最低高度。以上分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴旺盛階段，DBZM一直維持較大的數(shù)值，在龍卷發(fā)生前，出現(xiàn)C-VIL驟增、HT和TOP突然升高的現(xiàn)象，當(dāng)?shù)孛娈a(chǎn)生龍卷，尤其是龍卷最猛烈期間，則呈現(xiàn)出C-VIL驟降、HT和TOP突然降低的特點(diǎn)。

圖8 日照超級單體風(fēng)暴參數(shù)演變Fig.8 Evolution of parameters of supercell storm in Rizhao

3.4 中氣旋參數(shù)演變特征

圖9為退模糊速度后臨沂雷達(dá)探測到的龍卷風(fēng)暴中氣旋參數(shù)圖，可以看出，整個(gè)龍卷過程中，中氣旋頂部(用“M-TOP”表示)較高，高度在6.3 km以上。TVS出現(xiàn)前期(17:20—17:26)，中氣旋底部(用“M-BASE”表示)距地面約3.6 km以上，M-TOP高度為6.3 km左右，中氣旋厚度僅為2.7 km左右，較為淺薄，強(qiáng)中心(用“M-HGT”表示)出現(xiàn)在中氣旋頂部且較弱。TVS出現(xiàn)中期(17:32—17:38)，M-BASE高度呈下降趨勢，中氣旋厚度開始增加，M-HGT和M-BASE重合。TVS出現(xiàn)后期即地面龍卷發(fā)生時(shí)段(17:44—18:02)，中氣旋厚度超過5 km，已發(fā)展為深厚的中氣旋，M-BASE快速下降到臨沂雷達(dá)在中氣旋處所能探測的最低高度(1.4～1.5 km)；M-HGT高度從17:38的3.8 km驟降到17:44的1.4 km左右，并且M-HGT與M-BASE基本重合，同時(shí)最大風(fēng)切變(用“M-SHEAR”表示)迅速增大到約20×10-3s-1。18:08之后，M-BASE和M-SHEAR所在高度迅速升高，氣旋厚度變薄，龍卷逐漸消失。綜上所述，在地面龍卷發(fā)生前，中氣旋較薄，M-BASE高度較高，最大M-SHEAR較小且所在高度較高，M-HGT位置隨時(shí)間變化較大，在M-BASE或M-TOP處都有可能出現(xiàn)；地面龍卷發(fā)生后，中氣旋較為深厚，M-BASE迅速下降，最大M-SHEAR驟增且所在的高度迅速下降，M-HGT和M-BASE的高度非常接近，多數(shù)時(shí)間重合。

圖9 龍卷風(fēng)暴的中氣旋參數(shù)演變(黑線下端為中氣旋底部高度M-BASE，黑線上端為中氣旋頂部高度M-TOP)Fig.9 Evolution of parameters of mesocyclone in tornado storm (lower end of black line for base of mesocyclone M-BASE, upper end of black line for top of mesocyclone M-TOP)

4 結(jié)論

(1)東北冷渦和地面輻合線是此次龍卷天氣的主要影響系統(tǒng)，地面輻合線和其上的γ中尺度渦旋在顯著深厚濕對流潛勢下觸發(fā)對流，初生對流單體在較大的CAPE和較強(qiáng)的0～3 km垂直風(fēng)切變的條件下演變成超級單體，在較強(qiáng)的中低層垂直風(fēng)切變、較低的LCL和較暖濕的低層環(huán)境下，超級單體風(fēng)暴中的強(qiáng)中氣旋導(dǎo)致龍卷的產(chǎn)生。

(2)影響此次龍卷風(fēng)暴移動(dòng)的因子在不同時(shí)段有所不同。前期風(fēng)暴移動(dòng)以平流為主；風(fēng)暴單體合并過程中，傳播對風(fēng)暴的移動(dòng)作用增大，風(fēng)暴移動(dòng)受傳播和平流的共同作用；單體完全合并后，風(fēng)暴的移動(dòng)主要受平流影響。

(3)龍卷出現(xiàn)前，強(qiáng)中氣旋厚度較薄，M-BASE和M-TOP高度較高，最大M-SHEAR較小且所在高度較高。龍卷發(fā)生后，強(qiáng)中氣旋的厚度變厚，旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)，最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度高達(dá)32 m·s-1；M-HGT和M-BASE高度驟降且位置基本重合；最大M-SHEAR躍增后維持較高數(shù)值且所在的高度迅速下降；低層回波的右前側(cè)出現(xiàn)鉤狀回波特征和入流缺口。

(4)雷達(dá)識別出龍卷渦旋特征(TVS)較地面發(fā)生龍卷提前3個(gè)體掃，對提前判斷龍卷的發(fā)生和預(yù)警有較好的指示意義。地面龍卷發(fā)生后，像素到像素之間的最大速度差達(dá)到-39.5 m·s-1，具有明顯的龍卷渦旋特征(TVS)。