Plateau Meteorology

Plateau Meteorology >

2021 , Vol. 40 >Issue 2: 384 - 393

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00061

Environmental Background and Formative Mechanisms of a Tornado Occurred in Kaiyuan on 3 July 2019

  • Chao YUAN , 1, 2 ,
  • Shigong WANG , 1 ,
  • Xiangyi MA 2 ,
  • Lei YANG 3 ,
  • Linan CHEN 4
Expand
  • 1. College of Atmospheric Sciences，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，Sichuan，China
  • 2. Panjin Meteorological Bureau，Panjin 124010，Liaoning，China
  • 3. Liaoning Meteorological Disaster Warning Center，Shenyang 110166，Liaoning，China
  • 4. Liaoyuan Meteorological Bureau，Liaoyuan 136200，Jilin，China

Received date: 2020-04-03

  Revised date: 2020-07-29

  Online published: 2021-04-28

Fold

Highlights

In this study， an EF4 scale tornado occurred in Kaiyuan on 3 July 2019 was investigated through several high spatio-temporal resolution observations.The results show that： （1） The tornado was under the southwest side of a cold vortex over Northeast China， a sub-synoptic scale transverse trough at low level was a destabilizing mechanism for convection development， while the encounter of the convergence line that originated from a dry line and a mesoscale pseudo cold front was the trigger mechanism of the tornado storm.（2） The rapid increase of thermal and dynamic instability are caused by the comprehensive effects of ultra low level jet， high level dry airflow and solar radiation heating.The large value of CAPE， relative humidity at low-level， vertical wind shear and storm relative helicity （SRH） are conducive to the formation of the tornadic storm.（3） The tornado was generated at the edge of a typical hook-shape supercell echo.Cyclone rotations first appeared in the lower layers， and the development of the tornado was associated with the mid-lower cyclones and significantly adjacent azimuthal velocity shear.A weak echo hole （WEH） could be found above the center of tornado in 3-D image of the radar reflectivity.（4） The ultra low level jet enhanced the transport of horizontal vorticity.The mesoscale cyclonic circulation formed by the meeting of the two convergence lines provided an initial source of vertical vorticity for the tornado.The tornado was generated by the contraction of vertical vorticity under the stretching of the updraft.

Cite this article

Chao YUAN , Shigong WANG , Xiangyi MA , Lei YANG , Linan CHEN . Environmental Background and Formative Mechanisms of a Tornado Occurred in Kaiyuan on 3 July 2019[J]. Plateau Meteorology, 2021 , 40(2) : 384 -393 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00061

1 引言

龙卷作为局地强对流最猛烈的一种形式， 具有突发性强、 强度大、 生命史短等特点， 其产生的地面强风可造成重大的人员伤亡和财产损失（Davies-Jones et al， 2001）。全球每年发生2000多个龙卷， 其中有一半以上发生在美国（郑永光等， 2016）， 虽然我国龙卷发生概率较低， F2级（Fujita， 1971）以上的强龙卷的年发生概率仅2~3次（范雯杰和俞小鼎， 2015）， 但往往能造成较重灾害（俞小鼎等， 2008； 张小玲等， 2016）。
为更加深入地认识龙卷并做出有效的预警， 国内外气象学者对龙卷产生的环境背景及物理机制做了大量研究工作。龙卷生成与地形及海陆分布存在一定联系， Brooks et al（2003）统计发现在大地形以东， 并且南面临海的区域是龙卷的多发区。龙卷的大尺度天气背景同样具有明显特征， Giordano and Fritsch（2009）研究发现高低空急流耦合及地面高温高湿区是龙卷的易发区。
20世纪70年代开始， 随着多普勒天气雷达在研究中的使用， 其逐渐成为龙卷监测预警的重要手段。起初Wilson（1986）根据龙卷在多普勒雷达上的特征， 将其分为超级单体龙卷和非超级单体龙卷， 而后研究发现部分超级单体中的龙卷发生机制与非超级单体龙卷类似， 目前更趋向于将龙卷分为中气旋龙卷和非中气旋龙卷（Davies-Jones et al， 2001）。大量观测证实， 绝大多数F2级以上的灾害性龙卷是中气旋龙卷， Davies-Jones（1984）研究发现， 相比于中层中气旋， 低层中气旋对龙卷的形成更具指示意义。较大的对流有效位能和强的0~6 km垂直风切变是超级单体风暴产生的有利环境条件（Brooks et al， 2003）， 而对于中气旋龙卷， 还需要有较低的抬升凝结高度和较大的低层（0~1 km）垂直风切变（Craven and Brooks， 2004）。同时有研究指出（Doswell and Evans， 2003； Schultz et al， 2014）， 较大的0~1 km相对湿度可以作为判别F2以上强龙卷的重要环境参数。Grams et al（2012）通过对美国中气旋龙卷个例统计， 得到影响龙卷生成的能量、 水汽及垂直风切变等关键环境参数阈值， 并提出显著龙卷的对流指数概念（简称STP）用以判识EF2级以上中气旋龙卷。
我国幅员辽阔， 龙卷的环流背景及环境参数体现出明显的地域差异， 统计发现（范雯杰和俞小鼎， 2015）强龙卷主要发生在东部平原、 华南、 东北等地势平坦的地区。绝大多数东北龙卷发生在冷涡背景下， 冷涡后部短波槽为直接影响系统， 表现出环境温度直减率大， 高低空垂直风切强而低层相对较干的特点（王秀明等， 2015）。华南地区F2级以上强龙卷主要发生在台风外围云带中， 台风前进方向东北侧的强低空急流带来充沛的水汽和强低空垂直风切变， 是龙卷生成的有利条件， 此外华南地区经常出现非热带气旋龙卷， 但多为F0级弱龙卷（郑艳等， 2017）。江淮平原地区， 冷涡后部龙卷和台风外围龙卷均有出现（郑媛媛等， 2015； 徐小红等， 2018）， 梅雨期低层水汽充沛， 龙卷常常出现在典型的暴雨天气形势中（曾明剑等， 2016）。新一代多普勒天气雷达布网之后， 国内对于龙卷风暴（尤其针对超级单体龙卷风暴）的结构特征和风暴参数演变的研究逐渐增多， 大量研究表明（俞小鼎等， 2008； 姚叶青等， 2012； 张琳娜等， 2015； 张小玲等， 2016； 王秀明和俞小鼎， 2019）， 钩状回波、 有界弱回波区（BWER）、 径向速度场的中气旋、 龙卷涡旋特征（TVS）等结构及其变化特征对龙卷的出现具有十分重要的指示意义。
本文拟就2019年开原龙卷的环境背景及雷达特征进行分析， 以期找到东北地区冷涡背景下龙卷天气的典型特征， 并尝试为龙卷预报、 监测和预警提炼出有价值的信息。

2 天气实况及资料处理方法

2019年7月3日下午， 辽宁省开原市发生罕见的龙卷事件， 造成6人死亡， 190余人受伤， 直接经济损失超过10亿元。17:15（北京时， 下同）龙卷发生于开原市金钩子镇金英村北约0.5 km， 穿过开原市区， 至17:45前后在中固镇清水沟子村北约1.5 km消散， 全程直线距离约14 km， 明显损毁宽度200~350 m， 严重损毁宽度50~80 m（图1）， 开原国家气象观测站（距离龙卷中心最近距离为2 km左右）在17:25 -17:37观测到龙卷， 17:46气象站测得的最大瞬时风速为23.0 m·s-1（9级）。国家气象中心、 中国气象科学研究院及辽宁省气象局专家经过现场调查（张涛等， 2020）， 评估此次龙卷为EF4级（Wind Science and Engineering Center， 2004）猛烈龙卷（阵风风速74~90 m·s-1）， 对应我国最新《龙卷强度等级》（中国气象局， 2019）标准为4级超强龙卷。1961年以来我国有记录的EF4级以上龙卷仅有5次， 此次也是辽宁省首次记录到EF4级龙卷事件（范雯杰和俞小鼎， 2015）。
图1 龙卷路径示意图

Fig.1 The path of the tornado

龙卷分析所采用的资料包括常规地面高空观测、 地面加密观测、 NCEP 1°×1°再分析资料、 风云4A卫星、 多普勒雷达及风廓线资料。沈阳风廓线雷达结合地面自动站风场可以有效估计龙卷发生地附近局地环境风垂直切变及其发展变化特征。基于GR2Analysist雷达产品显示系统， 利用沈阳和辽源多普勒天气雷达反射率因子和径向速度等产品对龙卷风暴结构进行分析。文中使用的地图基于中国气象局向国家测绘地理信息局购买的审图号为GS（2017）3320号的标准地图制作， 底图无修改。

3 天气背景分析

3.1　环流背景及天气形势配置

此次过程为典型的东北冷涡背景下的龙卷天气。3日08:00（龙卷发生前）开原地区500 hPa高空为槽后西北气流控制［图2（a）］， 垂直于高空槽的剖面图［图2（c）］可见槽后高空有明显干气流下沉， 而槽前低层为偏南暖湿气流伴随较强的上升运动。通辽站08:00探空（龙卷发生地西北180 km， 图略）显示在600 hPa附近存在明显干层， T-Td达30 ℃， 其下层存在弱的下沉逆温， 近地面存在辐射逆温， 逆温层的存在有利于不稳定能量的积累。低层850 hPa在冷涡后部存在短波扰动， 该短波槽尺度约400 km， 属于次天气尺度系统， 高低层系统明显前倾， 地面受蒙古气旋前部热低压控制。
图2 2019年7月3日天气形势及对流条件（a, b）、 垂直剖面（c）及风廓线雷达观测（d）

（a）和（b）由实况探空资料绘制, 桔色实线为代表T 850-500≥28 ℃区域, 绿色阴影表示850 hPa比湿≥8 g·kg-1区域, 桔色阴影表示500 hPa T-Td≥20 ℃区域, 蓝色箭头表示500 hPa急流, 灰色箭头表示925 hPa急流; （c）为14:00沿图（a）中粉色虚线作的剖面, 由NCEP再分析资料绘制, 图中填色为相对湿度(单位: %), 等值线为垂直速度ω (单位: Pa·s-1), 风场为沿剖面径向风与-10·ω的合成风（矢量, 单位: m·s-1）; （d）为沈阳风廓线雷达观测(单位: m·s-1)

Fig.2 Synoptic situation and enbironmental conditions(a, b)、 spatial section(c) and time-height wind profiles(d).Fig.2(a) and (b) are based on atmospheric sounding data, the orange solid line represents the T 850-500 ≥28 ℃ area, the green shade indicates the 850 hPa specific humidity ≥ 8 g·kg-1 area, the orange shade indicates the 500 hPa T-Td ≥20 ℃ area； The blue arrow indicates the 500 hPa jet, and the gray arrow indicates 925 hPa jet.Fig.2(c) is spatial section along the pink dotted line in Fig.2(a), and based on the NCEP reanalysis data, relative humidity(color, unit: %), vertical speed (contour, unit: Pa·s-1), radial wind (vctor,unit: m·s-1)； Fig.2(d) is the time-height wind profiles from Shenyang wind profiler from 16:00 to 17:00 (unit: m·s-1)

分析天气系统的发展演变， 3日08:00 -20:00冷涡系统减弱东移， 高空槽后平流较弱， 表现为干空气平流， 对应500 hPa上游干区（图2中桔色阴影500 hPa T-Td≥20 ℃）东移， 同时伴随不稳定区（图2桔色线条代表T 850-500 ≥ 28 ℃）向东扩展。低层东北地区湿度条件一般， 850 hPa比湿最大为8~10 g·kg-1， 与美国龙卷相比明显偏低（Grams et al， 2012）。20:00辽河平原地区存在一支东北-西南向超低空急流（事实上在3日下午已经建立）， 急流轴顶端位于开原地区， 该急流对龙卷风暴的形成至关重要， 将在下一节详细讨论。3日14:00前后卫星水汽云图上（图略）可见一条从冷涡东北部逆时针旋转至槽后的暗带， 这支动量集中的下沉气流代表高空的干侵入， 干舌不断向东南推进， 在其顶端触发龙卷母云风暴。

3.2　环境参数特征及其变化分析

3.2.1　温湿参量

龙卷作为深厚湿对流， 它的产生除需满足雷暴发生最基本的三要素之外， 通常还需要更强的不稳定层结及低层丰富的水汽条件（Brooks et al， 2003）。
对于温度层结的变化， 前文提到主要表现为高空干平流， 除“干暖盖”及加强位势不稳定作用， 夹卷进风暴内的干空气导致下沉气流强烈蒸发冷却， 有利于加强下沉气流与暖湿入流间的斜压涡度（Davies-Jones， 1984）。分析水汽条件可知， 龙卷发生前环境大气的低层湿度条件较差， 主要表现为湿层相对浅薄， 925 hPa高度比湿已降至8 g·kg-1， 这在一定程度上体现出东北冷涡龙卷的共性特征（王秀明等， 2015）。16:30开原地区湿度条件迅速改变， 表现为近地面辽宁中部地区存在一狭长的湿舌（图略）， 开原位于湿舌顶部露点梯度大值区。GPS水汽监测显示（图略）， 15:30 -16:30开原地区大气可降水量出现明显的跃增现象， 增幅达到11 mm·h-1。由此可见， 在环境大气湿度较差的天气背景下， 中小尺度系统能够造成局地水汽辐合抬升， 使低层湿度迅速增大。同时低层增湿也导致开原地区抬升凝结高度降至880 m附近， 与王秀明等（2015）研究结果较为一致。
CAPE是表征孤立对流系统发生潜势最常用的物理参量。08:00开原上游通辽站及20:00下游丹东站探空（图略）显示， CAPE分别为408 J·kg-1和1126 J·kg-1， NCEP再分析资料计算的14:00开原探空， CAPE为3117 J·kg-1， 利用14:00开原站地面温度和露点订正08:00通辽站探空， CAPE达到3800 J·kg-1， 均远大于王秀明等（2015）统计东北F2龙卷的平均CAPE值（1500 J·kg-1）。

3.2.2　动力参量

CAPE是代表热力不稳定度的重要参量， 强垂直风切变表征对流发展的动力不稳定机制， 两者对强对流天气的产生起到关键作用（Brooks et al， 2003）， 而低层（0~1 km）垂直风切变是F2级以上强龙卷生成的有利条件。沈阳风廓线仪显示［图2（d）］， 0~6 km垂直风切变为20 m·s-1， 0~1 km垂直风切变10 m·s-1， 较王秀明等（2015）统计东北F2以上龙卷的深层和低层垂直风切变略小。
Brandes et al（1988）提出风暴相对螺旋度的概念， 其反应了输入到对流风暴体内的环境涡度， 用于估算垂直风切变环境中风暴运动所产生的旋转潜势， 对龙卷具有较好的预报效果。中尺度系统能对局地风场产生相当大的影响， 精确计算风暴相对螺旋度难度很大， 本文利用17:10沈阳风廓线雷达及开原地区地面加密自动站风场近似计算， 开原地区的0~3 km风暴相对螺旋度数值为164 m2·s-2， 与Rasmussen and Blanchard（1998）统计的美国中气旋龙卷平均风暴相对螺旋度（180 m2·s-2）较为接近。

3.2.3　超低空急流的形成及对风暴发展的作用

沈阳［图2（d）］和盘锦（位于开原西南方向200 km， 图略）的风廓线雷达显示， 龙卷发生前， 辽河平原上空750~950 m存在一支超低空西南急流， 最大风速12 m·s-1。低层逆温与超低空急流的形成关系密切， 而实况锦州站（同样位于辽河平原）08:00及20:00探空图显示， 700 m附近确实存在较强的逆温， 逆温层的存在导致湍流混合作用减弱， 边界层气流动量耗散减弱， 气流加速超过地转平衡而变成超地转。同时海陆热力差异及地形的狭管效应可能对超低空急流加强和维持起到一定作用。超低空急流一方面造成局地湿度及CAPE的增大， 另一方面增强低层的垂直风切变和风暴相对螺旋度， 使环境大气存在较强的旋转潜势。同时， 垂直风切变矢量随高度强烈的顺转， 动力诱发的垂直气压梯度力使风暴右侧上升气流加强（Rotunno et al， 1982）， 龙卷风暴移动方向偏向高空引导气流的右侧。

4 龙卷风暴特征及成因分析

4.1　干线与雷暴出流作用下龙卷风暴的形成

冷涡后部西北气流越过高原干绝热下沉增温， 14:00在辽宁与内蒙古交界处地面存在明显的干线［图3（a）］， 相邻两站点（相距15~20 km）露点相差10 ℃， 风场上表现为西南风与西北风的辐合。可见光云图上， 沿干线有小尺度积云或浓积云生成， 随后积云逐渐脱离干线向东南移动， 但由于高空下沉气流的抑制， 强度并未发展。
图3 2019年7月3日FY-4A可见光云图

（a）中数字和风羽分别为地面自动站观测露点温度（单位: ℃）和风场（单位: m·s-1）, 圆弧线为干线; （b）中虚线为地面辐合线, “+”为标注龙卷发生位置

Fig.3 FY-4A visible light cloud image on 3 July 2019.In Fig.3(a), the data and the barb are respectively the dew point temperature (unit: ℃) and wind field (unit: m·s-1) observed by the ground automatic station, the arc line is the trunk line； In Fig.3(b), The dotted line is the ground convergence line, "+" marks the location of the tornado

16:00云图［图3（b）］可见东北部存在强风暴， 该地区低层湿度条件较差， 干空气夹卷导致的强烈蒸发在地面形成冷池（地面图显示附近温差10 ℃）， 其西南侧外围冷出流形成弧状积云线并向西推进， 在地面表现为一条中尺度伪冷锋， 17:10［图4（a）］， 伪冷锋与干线激发出的地面辐合线相遇， 造成对流强烈发展。地面要素融合产品风场分析［图4（b）］， 开原地区流场存在明显的气旋性环流， 东侧强辐合中心对应中尺度伪冷锋， 西北侧强辐合中心对应干线激发出的地面辐合线。西北暖干气流、 西南暖湿气流及东侧干冷气流在开原地区汇合， 地面散度辐合中心合并加强， 两条辐合线交点处触发龙卷母云。
图4 2019年7月3日地面自动站观测温度（填色, 单位: ℃）和风场（风羽, 单位: m·s-1）（a）与多源气象数据格点实况融合产品地面风场(矢量, 单位: m·s-1)和散度场（彩色区, 单位: ×10-4 s-1）（b）

（a）中黑色圆弧线为干线, 黑色点划线为地面辐合线, 蓝色线为伪冷锋; （b）中“+”为龙卷发生位置

Fig.4 Observed temperature (color area, unit: ℃) and wind field (barb, unit: m·s-1) at the ground automatic station (a), and the surface wind (vector, unit: m·s-1) and divergence field (color area, unit: ×10-4 s-1) of the product of live fusion with multi-source meteorological data grid field (b) on 3 July 2019.In Fig.4(a), the black arc line is the dry line, the black dotted line is the ground convergence line, and the blue line is the pseudo cold front； In Fig.4(b), the "+" is the location of the tornado

雷达反射率因子产品显示（图略）， 7月3日16:00在吉林省辽源市有风暴强烈发展并沿高空引导气流向东南方向移动， 16:21风暴减弱， 其西侧30 km的辽宁西丰县有强风暴发展并同样向东南方向移动， 之后旧雷暴单体消亡， 西侧继续触发新强风暴。可见对流风暴在东南移动过程中， 减弱的旧雷暴干冷出流与环境西南暖湿气流相遇， 约20 min在旧雷暴西侧30 km附近有新强风暴生成， 整体表现为东东北-西西南走向的线状对流带。地面加密自动站显示（图略）， 开原东北部地区湿度条件较差， 抬升凝结高度高， 不利于龙卷生成， 更有利于辐散性雷暴大风产生。前文提到开原地区位于地面湿舌顶部， 环境条件更加有利于龙卷产生， 且两条边界层辐合线在此相遇， 17:00触发龙卷风暴。

4.2　超级单体龙卷风暴特征

17:29（也是龙卷发展最强时段）0.5°仰角风暴呈现经典超级单体结构［图5（a）］， 其移动方向右后侧具有典型钩状回波特征， 低层强西南入流形成明显的前侧入流缺口（Front Inflow Notch， FIN）， 入流一侧回波梯度大， 东侧的强回波核超过70 dBz， 为强下沉气流区， 龙卷生成于钩状回波边缘、 强回波梯度左侧的上升气流中。垂直剖面图［图5（b）］可见， 强回波随高度向西南暖湿入流一侧倾斜， 表明前侧西南入流很强， 对流发展旺盛， 50 dBz以上强回波高度达到8 km， 呈现出低层的有界弱回波区和中高层的悬垂回波结构， 右侧为强反射率因子回波墙， 风暴顶位于低层反射率因子高梯度区之上。三维立体图像显示［图5（c）］， 龙卷中心上方存在强回波的凹陷区， Fujita（1981）称之为弱回波洞（Weak Echo Hole， WEH）， 是超级单体钩状回波内龙卷特有特征， 龙卷漏斗位于WEH内部， 由于龙卷漏斗上大下小的结构， WEH随高度向外扩展， 但由于雷达分辨率的限制到低层难以分辨。同时刻高分辨率可见光云图［图5（d）］同样观测到龙卷风暴的上冲云顶中心存在暗影区， 这表明龙卷可能呈现出类似台风的空心结构。
图5 2019年7月3日沈阳雷达反射率因子（a~c）与17:30 FY-4A高分辨率可见光云图（d）

(a)为17:29雷达0.5°仰角反射率因子, 红色小方框对应图5（c）中WEH位置; (b)为沿图5（a）中直线A-B的垂直剖面; (c)为（a）中红色小方框区域内的俯视图

Fig.5 Shenyang radar reflectivity factor (a~c) and 17:30 FY-4A high-resolution visible light cloud image (d) on 3 July 2019.Fig.5 (a) is the 17:29 radar reflectivity factor of 0.5° elevation angle, the small red box corresponds to the WEH position in Fig.5 (c)； Fig.5 (b) is the vertical section along the line AB in Fig.5 (a)； Fig.5 (c) is the top view image of the small red box area

4.3　龙卷形成机理探究

4.3.1　中气旋形成及演变特征

辽源雷达位于龙卷发生地东偏北方向90 km， 0.5°仰角（距地约1.5 km）雷达径向速度场显示17:12风暴后侧尖顶处存在气旋式旋转结构（图略）， 涡旋的尺度仅3 km左右， 在高仰角速度场上无明显的气旋式旋转结构， 表明龙卷发生前地面辐合线汇合区域， 在低层首先生成弱的气旋式环流。辐合线汇合所产生的边界层强上升气流使得气块达到自由对流高度时有很强的初速度， 从而减小气块与周围环境的湍流混合作用， 提高CAPE向气块动能的转化效率， 使上升速度进一步增强。17:18反射率因子三维立体图［图6（c）］显示龙卷母云体存在深厚的有界弱回波区（BWER）结构， BWER上方反射率因子核心强度达到60 dBz以上， 高度到达9 km， 其表征了龙卷上升气流的强度和伸展高度（Burgess and Lemon， 1990）。同时刻0.5°仰角速度场［图6（b）］气旋式旋转速度为10 m·s-1， 垂直剖面图上［图6（d）］弱切变随着高度的增加强度有所加强， 至6 km附近旋转速度为16 m·s-1， 接近中等强度中气旋标准， 旋转结构整体向南倾斜。推测形成这种倾斜结构中气旋的原因是： 动量垂直输送使风暴内部风速趋于均匀化， 在南侧相对入流处产生正动压， 北侧相对出流出产生负动压， 高低层动压梯度产生向上加速度， 垂直速度极大值以下的高度， 由水平涡度扭曲形成的垂直涡度在上升气流的进一步拉伸作用下旋转加强， 产生中层中气旋。
图6 2019年7月3日17:18辽源雷达0.5°仰角反射率因子（a）和45 dBz以上回波反射率因子三维立体图（c）和0.5°仰角径向速度（b）及其沿直线AB的垂直剖面图（d）

（a）、 （b）中红色小方框对应（c）中BWER的位置

Fig.6 The reflectivity factor of 0.5° elevation angle (a) and the three-dimensional view of the echo reflectivity factor above 45 dBz (c), and the radial velocity of 0.5° elevation angle (b) with the vertical section along the line AB (d) at 17:18 on 3 July 2019.The red box in Fig.6(a) and (b) corresponds to the position of BWER in Fig.6(c)

17:23（图略）低层中气旋进一步加强， 0.5°仰角旋转速度为18.5 m·s-1， 1.5°仰角（距地约3 km）旋转速度为20.5 m·s-1， 接近强中气旋标准， 并且存在明显的相邻方位角切变， 速度切变分别为16.3 m·s-1和18.1 m·s-1。17:29［图7（a）］切变进一步加强至19.1 m·s-1， 径向到径向的切变在强烈上升气流的拉伸作用下呈现类TVS结构， 图7（b）显示中气旋厚度进一步增加， 而倾斜程度较之前明显减小。
图7 2019年7月3日17:29辽源雷达0.5 °径向速度（a）及其沿图7（a）中直线AB的垂直剖面（b）

Fig.7 The radar radial velocity at 0.5 ° elevation (a) and the vertical section along the line AB (b) at Liaoyuan at 17:29 on 3 July 2019

4.3.2　龙卷形成机理探究

边界层辐合线交汇产生的强辐合抬升、 龙卷母云体内气块正浮力以及中高层中气旋强迫的动力性气压梯度力三者共同产生强烈的上升运动。而风暴中的下沉气流同样对中气旋龙卷的生成起到至关重要的作用（Davies-Jones et al， 2001； Schultz et al， 2014）。雷暴冷出流与环境暖湿入流间强斜压性使近地面的水平涡度加强， 在涡度倾侧和拉伸作用下转换为垂直涡度（Davies-Jones et al， 2001）， 但如果冷出流的温度过低， 负浮力将抑制垂直上升气流而不利于近地面的垂直涡度的加强， 故冷出流与环境之间形成的温度差异需要有一个平衡点（sweet spot）， 地面加密自动站显示17:30龙卷风暴与其西南侧环境大气地面温度相差4 ℃， 这与Schultz et al（2014）研究结果一致。风暴继续向南移动过程中， 西南暖湿入流减弱， 低层湿度条件变差， 环境干空气夹卷造成蒸发冷却加强， 前侧下沉气流与环境之间温差不断加大， 18:00温差达到10 ℃， 龙卷减弱消散， 同时地面产生较强的辐散性大风。
Lemon and Doswell（1979）基于雷达、 飞机仪器观测及人工观测等多种手段， 提出超级单体龙卷风暴结构的概念模型。Hamill et al（2012）通过对美国中部地区龙卷天气背景分析， 指出在干线、 暖锋以及干线与暖锋形成的锢囚锋三种天气尺度边界线上龙卷风暴产生的概念模型。本文以不同尺度系统共同作用为切入点， 提出东北地区龙卷形成的一种概念模型（图8）： 东北冷涡背景下， 高空干侵入造成环境大气强垂直不稳定， 边界层超低空西南急流增强了低层水平涡度和风暴相对螺旋度。近地面， 中层干空气下沉形成的暖干气流、 旧雷暴高压冷池形成的干冷出流及来自渤海的西南暖湿气流三股气流交汇， 在近地层形成气旋式流场。辐合线相交加强了抬升运动， 触发龙卷母云风暴强烈发展， 地面中尺度气旋性环流为龙卷提供初始的垂直涡度来源， 有利于龙卷形成或迅速加强。值得指出的是， Wakimoto and Wilson（1989）提出的非超级单体龙卷概念模型及王秀明和俞小鼎（2019）提出的非典型超级单体龙卷概念模型中， 同样指出这种地面气旋性环流的重要性。在强上升气流的拉伸及水平涡度的扭转共同作用下， 龙卷产生于强上升和下沉气流过渡带的上升气流一侧。
图8 龙卷形成物理过程概念模型

Fig.8 The conception model of tornado genesis

5 结论与讨论

本文对2019年7月3日辽宁开原罕见的EF4级龙卷环境背景及中尺度特征进行分析， 并尝试分析龙卷发生的可能物理机制， 得到以下主要结论：
（1） 此次龙卷发生在东北冷涡天气背景之下， 前期“干暖盖”有利于对流能量的积累， 随着高空冷涡后部干舌向东南入侵及超低空急流的建立， 配合冷涡后部晴空区午后地面非绝热加热作用， 开原地区层结不稳定增强， 次天气尺度短波槽有利于对流抑制的减小。强风暴冷出流形成的中尺度伪冷锋与干线激发出的辐合线汇合在开原地区形成中尺度气旋性环流， 触发龙卷母云风暴。
（2） 前期环境大气湿度较差， 而临近龙卷时段， 大气可降水量跃增及近地面湿舌建立均表明开原地区局地湿度迅速增大。超低空急流加强低层的垂直风切变和风暴相对螺旋度， 同时也对局地水汽辐合抬升及CAPE增大起到关键作用。与东北F2级以上龙卷统计均值相比， 垂直风切变及风暴相对螺旋度较为接近， 而CAPE明显偏大。
（3） 多普勒雷达呈现出经典超级单体龙卷特征， 龙卷生成于钩状回波边缘， 强回波梯度西侧的上升气流中。径向速度场显示， 龙卷发生前， 弱气旋式旋转首先在低仰角出现， 之后逐渐加强， 垂直方向向南倾斜， 在中层达到中气旋标准。发展到最强时刻， 低层达到中气旋标准并出现类TVS结构， 龙卷中心上方存在强回波的凹陷区（WEH）， 同时刻可见光云图也呈现出类似台风的空心结构。
（4） 通常认为经典中气旋龙卷的形成源于水平涡度扭转作用， 业务上表现为雷达速度场中层中气旋向下扩展。本次龙卷发生前在地面先出现中尺度气旋性环流， 雷达上气旋式旋转也首先在低仰角出现， 为龙卷提供初始的垂直涡度来源。故推测除水平涡度的扭转机制外， 近地面初始涡旋叠加强上升气流拉伸作用也对龙卷形成和加强起到至关重要的作用。
综上所述， 基于实况探空资料预报东北冷涡背景下龙卷的难度极大， 短期预报应着眼点于大尺度环流背景下的次天气尺度系统扰动上， 超低空急流是龙卷形成的关键因子。短时临近预报应重点关注低层湿度的显著变化及地面辐合线汇合。此外， 由于东北地区业务雷达布局及探测能力的限制， 雷达探测到低层中等强度中气旋的时间为17:23， 较龙卷生成晚5 min， 按照现有业务标准很难对此次龙卷做出提前预警。本次龙卷生成前5 min地面风场及雷达径向速度场最低仰角均出现气旋式环流， 对应区域BWER上方反射率因子核心强度超过60 dBz， 高度到达9 km， 其能否作为龙卷的预警指标还有待进一步研究。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
Brandes E A， Daviesjones R P， Johnson B C， 1988.Streamwise vorticity effects on supercell morphology and persistence［J］.Journal of the Atmospheric Sciences， 45（6）： 947-963.

Brooks H E， Lee J W， Craven J P， 2003.The spatial distribution of severe thunderstorm and tornado environments from global reanalysis data［J］.Atmospheric Research， 67（3）： 73-94.

Burgess D W， Lemon L R， 1990.Severe Thunderstorm Detection by Radar［C］//Atlas D.Radar in Meteorology.Boston， MA： American Meteorological Society， 619-647.

Craven J P， Brooks H E， 2004.Baseline climatology of sounding derived parameters associated with deep， moist convection［J］.National Weather Digest， 28（1）： 13-24.

Davies-Jones R， 1984.Streamwise vorticity： the origin of updraft rotation in supercell storms［J］.Journal of the Atmospheric Sciences， 41（20）： 2991-3006.

Davies-Jones R， Trapp R J， Bluestein H B， 2001.Tornadoes and tornadic storms［J］.Meteorological Monographs， 28（50）： 167-221.

Doswell， C A， Evans J S， 2003.Proximity sounding analysis for derechos and supercells： An assessment of similarities and differences［J］.Atmospheric Research， 67（3）： 117-133.

Fujita T T， 1971.Proposed characterization of tornadoes and hurricanes by area and intensity［D］.Chicago： The University of Chicago.

Fujita T T， 1981.Tornadoes and downbursts in the context of generalized planetary scales［J］.Journal of Atmospheric Sciences， 38（8）： 1511-1534.

Giordano L A， Fritsch J M， 2009.Strong tornadoes and flash-flood-producing rainstorms during the warm season in the mid-Atlantic region［J］.Weather & Forecasting， 6（4）： 38-38.

Grams J S， Thompson R L， Snively D V， et al， 2012.A climatology and comparison of parameters for significant tornado events in the United States［J］.Weather & Forecasting， 27（1）： 106-123.

Hamill T M， Schneider R S， Brooks H E， et al， 2012.The May 2003 extended tornado outbreak.［J］.Bulletin of the American Meteorological Society， 86（4）： 531-542.

Lemon L R， Doswell III C A， 1979.Severe thunderstorm evolution and mesocyclone structure as related to tornadogenesis［J］.Monthly Weather Review， 107（9）： 1184-1197.

Rasmussen E N， Blanchard D O， 1998.A baseline climatology of sounding-derived supercell and tornado forecast parameters［J］.Weather & Forecasting， 13（4）： 1148-1164.

Rotunno R， Klemp J B， 1982.The Influence of the Shear-Induced Pressure Gradient on Thunderstorm Motion［J］.Monthly Weather Review， 110（2）： 136-151.

Schultz D M， Richardson Y P， Markowski P M， et al， 2014.Tornadoes in the Central United States and the ''Clash of Air Masses''［J］.Bulletin of the American Meteorological Society， 95（11）： 1704-1712.

Wakimoto R M， Wilson J W， 1989.Non-supercell tornadoes［J］.Monthly Weather Review， 117（6）： 1113-1140.

Wilson J W， 1986.Tornado genesis by Nonprecipitation induced wind shear lines［J］.Monthly Weather Review， 114（2）： 270-284.

Wind Science and Engineering Center， 2004.A recommendation for an enhance Fujita scale （EF-scale） ［EB/OL］.Wind Science and Engineering Center Rep， Texas Tech University， Lubbock， TX.http： //www.spc.noaa.gov/faq/tornado/ef-tuu.pdf.

范雯杰， 俞小鼎， 2015.中国龙卷的时空分布特征［J］.气象， 41（7）： 793-805.

王秀明， 俞小鼎， 2019.热带一次致灾龙卷形成物理过程研究［J］.气象学报， 77（3）： 387-404.

王秀明， 俞小鼎， 周小刚， 2015.中国东北龙卷研究： 环境特征分析［J］.气象学报， 73（3）： 425-441.

徐小红， 余兴， 朱延年， 等， 2018.6·23龙卷FY-2G卫星云微物理特征分析［J］.高原气象， 37（6）： 1737-1748.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00041.

姚叶青， 郝莹， 张义军， 等， 2012.安徽龙卷发生的环境条件和临近预警［J］.高原气象， 31（6）： 1721-1730.

俞小鼎， 郑媛媛， 廖玉芳， 等， 2008.一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究［J］.大气科学， 32（3）： 508-522.

曾明剑， 吴海英， 王晓峰， 等， 2016.梅雨期龙卷环境条件与典型龙卷对流风暴结构特征分析［J］.气象， 42（3）： 280-293.

张琳娜， 郭锐， 何娜， 等， 2015.“7·21”北京特大暴雨过程龙卷形成可能性探究［J］.高原气象， 34（4）： 1074-1083.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2014.00025.

张涛， 关良， 郑永光， 等， 2020.2019年7月3日辽宁开原龙卷灾害现场调查及其所揭示的龙卷演变过程［J］.气象， 46（5）： 603-617.

张小玲， 杨波， 朱文剑， 等， 2016.2016年6月23日江苏阜宁EF4级龙卷天气分析［J］.气象， 42（11）： 1304-1314.

郑艳， 俞小鼎， 任福民， 等， 2017.海南一次超级单体引发的强烈龙卷过程观测分析［J］.气象， 43（6）： 675-685.

郑永光， 朱文剑， 姚聃， 等， 2016.风速等级标准与2016年6月23日阜宁龙卷强度估计［J］.气象， 42（11）： 1289-1303.

郑媛媛， 张备， 王啸华， 等， 2015.台风龙卷的环境背景和雷达回波结构分析［J］.气象， 41（8）： 942-952.

中国气象局， 2019.龙卷强度等级： QX/T 478-2019［S］.北京： 中国气象出版社： 1-4.

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