2021年黑龙江两次超级单体龙卷过程多尺度特征

徐 玥 邵美荣 唐 凯 张礼宝* 杜 静 王永超

1)(黑龙江省气象台， 哈尔滨 150030)2)(黑龙江省哈尔滨市气象局， 哈尔滨 150080)3)(黑龙江省齐齐哈尔市气象台， 齐齐哈尔 161006)

引 言

龙卷是一种破坏力极强的小尺度灾害性天气系统，表现为伴随高速旋转漏斗云的强风涡旋，通常产生大风灾害并伴有短时强降水和冰雹天气，可在短时间内造成重大人员伤亡和财产损失。美国是发生龙卷最多的国家，20世纪40年代开始规模化的龙卷观测，藤田哲也等人对龙卷特征和龙卷等级的描述一直沿用至今[1-2]。大量个例分析及数值试验使人们对龙卷形成的环境特征和三维结构的研究逐渐深入，发现后侧下沉气流在龙卷生成和消亡过程中起重要作用[3-6]；Trapp等[7-8]研究发现，龙卷涡旋存在由地面向上发展的现象，从而建立上升型龙卷模型；Markowski等[9]和Nowotarski等[10]的模拟结果显示，超级单体冷池所产生的斜压区域对龙卷生成有重要影响。

我国每年都发生龙卷，相关研究集中在龙卷发生的环境条件。范雯杰等[11]和魏文秀等[12]统计表明:龙卷易发生在地形平坦、下垫面均匀、水汽充沛的大平原以及台风外围影响地区。高守亭等[13]认为较平坦地带如果辐合线及能量极值线上出现较大的浮力旋度，则会产生涡旋，涡旋引起速度变化并形成垂直运动，加强旋转区垂直运动，导致极小范围的涡旋柱，即出现龙卷。

郑永光[14]发现我国发生较多龙卷的天气背景是梅雨、热带气旋和冷涡。周晓敏等[15]和张玉洁等[16]认为梅雨天气背景下龙卷发生在中等偏强的对流有效位能、较好的低层湿度以及强的低层垂直风切变条件下。徐芬等[17]研究显示，盛夏位于副热带高压边缘的江苏地区为龙卷高发区，超过50%的龙卷产生于镶嵌在多单体风暴系统中的超级单体中气旋。周海光[18]利用双多普勒雷达反演三维风场，揭示了超级单体形成前对流风暴内部的中低层中尺度气旋已经形成，中尺度气旋伴随超级单体的生成、发展和强化各个阶段。姚叶青等[19]发现龙卷中低层比湿、垂直风切变和风暴相对螺旋度是冰雹、雷雨大风的2～3倍。

珠江三角洲龙卷多为热带气旋产生。王沛霖[20]认为，深厚气层中气压低、风速大、层结不稳定、低层高温高湿和中下层不稳定均有利于珠江三角洲春季龙卷的发生。针对珠江三角洲台风龙卷的活动特征及环境条件等分析发现，强龙卷均发生在登陆台风的东北象限，对流有效位能较小、对流抑制与抬升凝结高度低、垂直风切变强和风暴相对螺旋度大；雷达回波上存在强中气旋和龙卷涡旋特征，且中气旋在中低层形成后向更低层发展，导致龙卷发生，这对龙卷预警有指导意义[21-24]。

我国南方龙卷多发的主要原因是暖湿条件好，无明显干冷空气侵入[25-26]。冯佳玮等[27]和王秀明等[28]研究认为，冷涡背景下低层湿度条件较差不利于强龙卷产生。朱红蕊等[29]和齐道日娜等[30]认为，低层暖湿气流输送和冷暖空气相互作用是强对流产生的有利条件。研究发现，东北地区龙卷风暴主要由干线及其伴随的强边界层辐合触发，环境温度直减率较大，高低空垂直风切变较强和低层环境场较干[31-32]。2019年辽宁开原EF4级龙卷是东北冷涡影响下少见的强龙卷过程，深入研究揭示了东北冷涡背景下强龙卷发生的天气形势、环境条件、对流触发、对流风暴演变特征和龙卷的形成与消亡机制[33-36]，对于研究东北冷涡龙卷有重要参考价值。

2021年黑龙江省龙卷过程频发，成为当年黑龙江省主要气象灾害之一。2021年6月1日黑龙江省哈尔滨尚志市遭受EF3级强龙卷袭击，造成1人死亡，这是有灾情调查以来黑龙江省观测到的生命史最长、强度最强的龙卷。6月9日齐齐哈尔梅里斯区出现EF2级龙卷，由于主要出现在农区，未造成较大伤亡。本文利用常规气象观测、多普勒天气雷达等资料分析两次强龙卷过程的环境条件和雷达特征，加深对龙卷发生条件、对流特征和物理机理的认知。

1 天气过程概况

2021年6月上旬，黑龙江接连发生两次EF2级以上的双龙卷事件，分别出现在6月1日哈尔滨尚志市(EF3级)及阿城区(EF2级)(简称“6·1”龙卷)和6月9日齐齐哈尔梅里斯区的北部(EF2级)及南部(EF2级)(简称“6·9”龙卷)(图1、图2)。

2021年6月1日17:00—18:00(北京时，下同)“6·1”龙卷发生，其南部尚志市EF3级龙卷自西向东先后经过帽儿山镇、乌吉密乡、河东乡和长寿乡，生命史约55 min(17:15—18:10)，路径长约51 km。龙卷造成1人死亡，18人受伤，部分厂房、冷库、农田受损，高铁护栏损毁。其中带有变压器的双杆钢筋水泥电线杆折断表明，此次龙卷最大强度等级达到强龙卷级别(气象行业标准三级，相当于美国的EF3级)。北部阿城区EF2级龙卷生命史约15 min(16:55—17:10)，路径长约5 km，60 cm厚的砖混结构房屋墙体倒塌表明，龙卷强度达到强龙卷级别(气象行业标准三级，相当于美国的EF2级)(图1)。

2021年6月9日16:00—17:00齐齐哈尔梅里斯区出现双龙卷。北部龙卷路径长约14.5 km，生命史约18 min(16:01—16:19)；南部龙卷在长胜村触地，向东先后经过红旗村和雅尔塞村，在富裕县西部结束，生命史约57 min(15:50—16:47)，路径长约39 km。龙卷途经地主要为农田，仅造成部分房屋、院落和大棚损毁，直径20 cm树木被拦腰吹断表明龙卷强度达到强龙卷级别(气象行业标准三级，相当于美国的EF2级)(图1)。

图1 2021年“6·1”龙卷和“6·9”龙卷的移动路径Fig.1 Tracks of “6·1” Tornado and “6·9” Tornado in 2021

两次双龙卷事件发生时的强对流天气类型不同，2021年6月1日以短时强降水为主，2021年6月9日以风雹为主。“6·1”龙卷发生时，哈尔滨周边市县最大雨强为33.5 mm·h-1，极大风速为18.4 m·s-1，龙卷经过长寿乡时极大风速为15.2 m·s-1，风向逆时针快速旋转。“6·9”龙卷发生时，其北部甘南县极大风速为23.7 m·s-1，最大雨强为16.7 mm·h-1，并伴有大冰雹。在“6·1”龙卷移动路径上观测到风速为58.3 m·s-1的最大瞬时大风，“6·9”龙卷过程中出现直径为3 cm的冰雹。

两次强龙卷事件均表现为南北两个龙卷(相距20～25 km)同时出现，北部龙卷持续时间短、强度弱，南部龙卷持续时间长、强度大。“6·1”龙卷出现在半山区，“6·9”龙卷出现在松嫩平原。

图2 2021年“6·1”龙卷和“6·9”龙卷照片Fig.2 Pictures of “6·1” Tornado and “6·9” Tornado in 2021

2 天气尺度环流背景

2.1 环流形势

2021年5—6月东亚中高纬度地区高度场偏低，有利于冷空气南下，在低层暖湿平流和地面辐射升温的共同作用下，极易形成不稳定的大气层结，产生强对流天气。

6月1日东北地区为西低东高的环流形势(图3)。08:00冷涡中心位于贝加尔湖，呈扁平状，横槽向东延伸至黑龙江省中部，黑龙江省东部为暖高脊控制。龙卷位于冷涡前部靠近暖高脊一侧，距冷涡中心约700 km。20:00 500 hPa的冷槽经过，伴随8℃降温。850 hPa上，龙卷处于暖脊中，温度变化不明显；东部低空西南急流输送暖湿空气北上，西部为偏西风输送的干暖平流，干湿梯度较大，温度露点差增加8℃。龙卷发生前(14:00—17:00)500 hPa降温为2℃，850 hPa以干平流为主，相对湿度由90%降至50%，比湿下降2 g·kg-1。大气层结不稳定的建立以高层冷平流导致的温度垂直递减率增加为主，20:00 850 hPa和500 hPa温差超过31℃。

龙卷处于高空急流出口区左侧、低空急流前部、暖式切变线南侧。低层辐合与高层辐散区耦合，动力抬升条件好。925 hPa和850 hPa急流风速分别为15 m·s-1和14 m·s-1。地面上，龙卷出现在低压槽尾部，风向为西南风到偏东风气旋式旋转。低空急流提供了较好的低层垂直风切变及其前部的气旋性切变，同时将渤海水汽向北输送。17:00地面比湿为10 g·kg-1，露点为13℃，龙卷发生前露点无显著变化，龙卷发生在湿舌内，龙卷发生后露点快速下降。20:00地面为冷涡后部干空气控制。

6月9日环流形势与6月1日接近(图3)。冷涡为圆形，龙卷出现在冷涡前部向东南伸展的短波槽上，距冷涡中心约400 km。500 hPa冷平流较弱，干平流显著，温度露点差升幅达14℃。850 hPa上冷涡前部向北伸展的暖干空气使齐齐哈尔增温4℃，温度露点差增加7℃，850 hPa和500 hPa温差达30℃。龙卷发生前，500 hPa温度无显著变化，850 hPa升温3℃，相对湿度由80%降至40%，比湿由8 g·kg-1降至5 g·kg-1。低层冷空气强迫促使前部暖脊发展导致温度垂直递减率增加，大气不稳定增强。

200 hPa高空急流左侧气旋性涡度逐渐增强，500 hPa处于西南风急流轴上，风速为27 m·s-1。随着冷涡南部急流东移，850 hPa西南风风速由6 m·s-1增至14 m·s-1，925 hPa达到15 m·s-1，低层垂直风切变增大。地面上，龙卷出现在低压槽前暖区中，14:00地面比湿为14 g·kg-1，露点为18℃。“6·9”龙卷发生前地面比湿高于“6·1”龙卷，但相对湿度小。

综上所述，两次双龙卷的环流背景十分相似。龙卷位于东北冷涡的东南象限，槽前暖湿区内，冷槽后干输送明显。高空急流出口区左侧有利于垂直上升运动加强[37]。中低层以偏南气流为主，925 hPa风速最大可达15 m·s-1，低层垂直风切变较大。地面伴有辐合线和干线。高比湿区与相对湿度大值区对应，冷涡后部干空气的移入促使干线增强，龙卷发生在干线侵入过程中，这与东北龙卷多由干线触发的特征吻合[28]。

两次双龙卷过程不稳定增强的原因不同。平流条件不同：6月1日为高层冷平流强迫，6月9日为低层暖平流强迫。水汽条件不同：6月1日为深厚湿区配合低空急流的暖湿输送，为雷暴的发展提供充沛的水汽，850 hPa比湿为6～8 g·kg-1；6月9日水汽输送较差，主要为局地水汽辐合，850 hPa比湿约为10 g·kg-1。抬升条件不同：6月1日低层辐合抬升较强，垂直运动区深厚，6月9日垂直上升运动集中在850 hPa至700 hPa，上升速度偏小。探空层结不同：6月1日和6月9日分别为典型的短时强降水和风雹探空层结。

探空曲线显示两次过程的干湿垂直结构和对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)明显不同，但层结不稳定性均较大，具有较好的动力抬升条件，可触发较强的对流天气。同时，两次过程均伴有强的垂直风切变，有利于超级单体风暴的产生和维持，从而产生龙卷天气。

图3 2021年“6·1”龙卷和“6·9”龙卷的500 hPa高度场(蓝色等值线，单位：dagpm)、850 hPa温度场(红色等值线，单位：℃)、850 hPa风场(风羽)和850 hPa相对湿度(填色)分布(红点为龙卷位置)Fig.3 The geopotential height(the blue contour,unit:dagpm) at 500 hPa,the air temperature(the red contour,unit:℃),wind(the barb) and the relative humidity(the shaded) at 850 hPa for “6·1” Tornado and “6·9” Tornado in 2021(the red spot denotes the tornado location)

2.2 对流条件

超级单体通常出现在CAPE较大和0～6 km高度垂直风切变较强条件下，强龙卷的产生还需要较低抬升凝结高度(lifting condensation level,LCL)、较强0～1 km高度垂直风切变。东北冷涡背景下，高低空温湿平流变化显著，导致08:00和20:00探空曲线差异明显。利用龙卷发生前后地面温度和露点订正探空，可大概估算龙卷发生前后的对流条件。

6月1日08:00哈尔滨探空曲线(图略)显示，地面至400 hPa高度为深厚湿层，CAPE为100 J·kg-1，LCL为310 m，露点为0.6℃，是典型强降水条件。16:00低层暖干气团移入哈尔滨。20:00探空曲线为下开口状，CAPE降至15 J·kg-1，LCL抬升至1780 m，对流条件不利于出现龙卷。

6月1日尚志地面最高气温和露点均出现在16:00(龙卷出现前1 h)，此时哈尔滨位于地面干线后部，大气层结与20:00相近。利用16:00尚志和哈尔滨地面资料分别订正08:00和20:00探空(表1)，尚志CAPE和LCL分别为429 J·kg-1和770 m，哈尔滨分别为490 J·kg-1和1500 m；对流抑制能量(convection inhibition,CIN)均为0。低层干平流输送抬升LCL，近地面湿区内LCL较低，有利于龙卷发生。

6月9日08:00齐齐哈尔探空(图略)显示上干下湿，700～400 hPa为干区，近地面有逆温层，CAPE为130 J·kg-1，LCL为480 m，是典型风雹条件。20:00低层干平流入侵，探空曲线呈X型，CAPE增至940 J·kg-1，LCL上升到1400 m。龙卷发生时(16:00)地面气温和露点最高，订正后08:00 探空的CAPE达到2500 J·kg-1，LCL为1100 m。龙卷发生后(18:00)地面露点和相对湿度快速下降，订正后20:00探空的CAPE和LCL分别为480 J·kg-1和1800 m(表1)，不利于龙卷发生。

两次过程中龙卷发生前后低层相对湿度降低，CAPE和LCL增加。王秀明等[28]认为，东北地区龙卷的CAPE一般大于或接近1000 J·kg-1，小于3000 J·kg-1；冯佳玮等[27]统计表明，东北地区龙卷CAPE均值为158 J·kg-1。“6·1”龙卷的订正CAPE明显小于“6·9”龙卷，但若以14：00哈尔滨地面资料订正08：00探空，CAPE仍可达810 J·kg-1。

研究表明：LCL大于1200 m时龙卷发生的概率明显降低，低于900 m时龙卷发生概率增加[38]。本文两次龙卷过程的LCL订正前后均低于1200 m，“6·1”龙卷低于900 m，接近东北地区EF2级以上龙卷的平均值800 m[28]。

表1 2021年“6·1”龙卷、“6·9”龙卷订正前后探空参数Table 1 Sounding parameters before and after correction for “6·1” Tornado and “6·9” Tornado

两次龙卷过程均存在强烈垂直风切变，近地面风向随高度增加快速顺转。“6·1”龙卷0～1 km高度风速切变(12.5 m·s-1)较“6·9”龙卷(10 m·s-1)偏大，“6·9”龙卷0～6 km高度风速切变超过33 m·s-1，均达到东北冷涡龙卷垂直风切变平均值[28]。研究表明，美国EF2级以上的强龙卷0～1 km 高度风切变为15 m·s-1，0～6 km高度风切变为25 m·s-1，LCL在750～1000 m[38]。本文两次强龙卷的LCL与美国EF2级相当，但垂直风切变略低。

龙卷发生前，风暴相对螺旋度均超过超级单体风暴的最低值150 m2·s-2[39]，08:00接近300 m2·s-2，有利于超级单体形成。由于冷涡本身的气旋式旋转特征，其风暴相对螺旋度通常较大，这为龙卷发生提供了有利的风暴相对螺旋度背景环境，地面中尺度辐合线的气旋式旋转促进龙卷发生。

整体看，除“6·1”龙卷具有略低的CAPE外，两次龙卷的LCL、垂直风切变和风暴相对螺旋度均达到东北地区龙卷统计的物理量标准，“6·1”龙卷的LCL更低、低层垂直风切变更大，弥补了CAPE的不足。值得注意的是，合适的CAPE，LCL和垂直风切变是龙卷产生的重要条件，但并非同时达到特定阈值才能产生龙卷，只要三者相互配合就有可能产生龙卷。

CAPE较低的龙卷在黑龙江省并不少见。统计表明：2006年6月2日齐齐哈尔超级单体龙卷发生临近时刻订正CAPE为142 J·kg-1,2010年5月5日绥化超级单体龙卷发生临近时刻订正CAPE为110 J·kg-1。受大气探测时空精度的限制，不能准确得到龙卷发生前其上空的大气垂直结构，现有CAPE订正方法会低估冷暖平流对CAPE的作用，如对流层中层为冷平流，低层为暖湿平流，则午后实际CAPE比订正值偏大。因此，订正CAPE是估算值，实际值可能更大。

其他环境物理量表明：环境参数均有利于超级单体的发展，6月1日环境参数相对温和，但龙卷强度更大，6月9日更有利于出现以风雹(龙卷)为主的强对流天气[40]。

3 中尺度干线与冷池的相互作用

东北冷涡龙卷雷暴一般由边界层辐合线触发，辐合线两侧温差不明显但露点差异明显，常表现为干线[28]，干线湿侧有利于对流发生[41]。本文两次龙卷过程产生前，辐合线前部为暖湿气流，后部有显著的干空气输送，辐合线与干线相伴出现。

2021年6月1日午后，850 hPa暖平流与地面辐射升温促使地面暖锋加强北上，暖锋触发第1条线状对流系统。中尺度干线位于暖锋后，相邻两站(距离50～60 km)露点相差7℃，强度不及辽宁省开原龙卷[35]。干线上西南风与偏南风辐合触发雷暴，形成第2条对流带，“6·1”龙卷母云位于该对流带最南端，生成时间较晚。中尺度干线和辐合线是触发龙卷雷暴的主要原因。15:00对流带内雷暴下沉气流在地面形成小尺度冷池。16:00干线加速北推，与地面干线伴随的中层干空气叠加在低层湿区之上，中层干空气夹卷导致强烈蒸发，强下沉气流促使地面冷池增强，冷池南侧出流与向北伸展的暖锋增加地面温度梯度，形成与干线近乎垂直的伪冷锋。伪冷锋加速对其前部暖空气的抬升作用，干线触发的超级单体风暴在冷池强抬升作用下上升速度增强。17:00(龙卷发生时)辐合线上风速增至10 m·s-1，辐合线和伪冷锋均增强。此时地面中尺度要素分布：北部为干线与冷池形成的干冷气流，西南部为干线与暖脊形成的干暖气流，东南部为湿区。龙卷出现在冷池中尺度伪冷锋与干线交汇区东部的湿区中，更靠近冷池一侧(图4)。地面冷池持续发展并向东南扩散促使伪冷锋增强，其两侧的热力差异有利于龙卷的维持。18:00龙卷结束，地面转为冷锋后干冷空气控制。

“6·9”龙卷触发机制与“6·1”龙卷相同。干线平行于大兴安岭山脉，暖平流在山前形成较强的温度水平梯度和上坡风，地形抬升作用导致迎风坡触发对流。此时，地面露点梯度大，并伴有中尺度气旋性辐合。14:00雷暴冷池出流自山坡向平原扩散，与北推暖舌间的温度梯度增大，伪冷锋加强，气旋性辐合环流更加明显，且持续时间较长。同时，暖区内干线东移，湿度梯度达到最强。15:00伪冷锋与干线在中尺度气旋式环流内相交。气旋式辐合环流东北部为湿冷气流，西南部为干暖气流，东南部为暖湿气流(图4)。龙卷出现在湿区内冷池出流前部。与“6·1”龙卷不同的是，“6·9”龙卷干线未深入冷池内部，但龙卷位于干线气旋性曲率最大处的前部，表明该处干线向东推进较快。

总体上，两次龙卷过程均出现在伪冷锋与干线交界处冷湿区一侧的冷池前部。冷涡自带的干湿分界线形成干线，为中尺度环境特征。雷暴产生局地小尺度冷池出流，与周围环境形成显著温度梯度区。当冷暖分界线与干湿分界线相交时，冷池向暖气团推进过程中，有利于暖空气抬升，增强上升运动，有利于龙卷发生。

伪冷锋和干线强度变化表明：6月1日15:00—16:00露点梯度由0.1 ℃·km-1增加至0.17 ℃·km-1，16:00—17:00温度梯度由0.05 ℃·km-1增加至0.08 ℃·km-1；6月9日15:00—16:00露点梯度由0.09 ℃·km-1增至0.14℃·km-1，温度梯度由0.06 ℃·km-1增至0.14 ℃·km-1。可见，“6·1”龙卷的干线比伪冷锋强，而“6·9”龙卷相反。

图4 2021年“6·1”龙卷和“6·9”龙卷地面中尺度特征(蓝色实线为冷池，红色实线为中尺度暖锋，黑色实线为露点温度)Fig.4 Surface mesoscale characteristics of “6·1” Tornado and “6·9” Tornado(the blue line denotes the cool pool,the red line denotes the mesoscale warm front,the black line denotes the dew point temperature)

4 龙卷的超级单体结构

两次强龙卷过程均出现南北两个龙卷，以下对持续时间较长的龙卷超级单体雷达回波结构进行分析。

4.1 “6·1”龙卷

哈尔滨雷达显示，2021年6月1日15:00哈尔滨附近超级单体发展，回波顶高为10 km，最大反射率因子为63 dBZ，伴有三体散射长钉和V型缺口，地面出现小冰雹和雷暴大风，是导致地面冷池出流的主要雷暴。16:13可见“6·1”龙卷母云在大青山地形作用下发展；16:46—17:03雷暴东移进入西泉眼水库并快速发展，回波顶高为10 km，大于60 dBZ 的反射率因子质心低于3 km，为典型超级单体。水库的暖湿效应有利于对流天气发展增强[42]。17:09雷暴移出水库后强度下降，低层南风暖湿入流增强，出现入流缺口。17:15入流加强形成钩形回波，入流区上部回波悬垂，有界弱回波区高为1.2 km，此时龙卷触地。17:26雷暴达到最强，回波前倾， 大于61 dBZ 的反射率因子质心由3 km高度降至地面，钩状回波呈空心状，速度图上为深厚的中气旋，此时龙卷强度最大。17:31回波减弱，钩状回波、中气旋和回波悬垂特征均不明显。17:37—17:43空心钩状回波再次出现，表明暖湿入流加强，入流径向速度也表现为先减小再增大。17:54—17:59为典型钩状回波，18:05钩形减弱，18:11钩形消失，龙卷结束。

龙卷发生在超级单体右后侧的弱回波区或钩状回波顶部，龙卷与钩状回波几乎同时出现。分析表明：龙卷雷暴在移动过程中强质心反复生消，质心降低或接地后钩状回波的形态发生变化，分别表现为粗钩形(17:15，17:20，17:26)、空心状(17:37，17:43)、经典钩形(17:54，17:59)(图5)。值得注意的是，当钩形回波不明显时，南侧入流缺口始终存在，表明低层暖湿入流始终维持。

由于龙卷雷暴距雷达较远，距离库较宽，径向速度连续性稍差，因此存在明显的径向速度跳跃。总体上，龙卷发生时小尺度正负速度区有一定连续性，尤其在1.4°仰角上较明显，可由此判断中尺度气旋。由于正负速度中心的具体值不确定，因此旋转速度(正、负速度对差值的一半)强度仍不精确。观测表明：径向速度跳跃区常位于弱回波区或入流缺口区，或出现在每次质心下降(以下沉气流为主)到新的高悬质心生成(以上升气流为主)之间的上升与下沉气流的调整期。此时难以判断中尺度气旋，也不考虑龙卷涡旋特征(characteristics of tornado vortex,TVS)。本文所指中尺度气旋均具有清晰中尺度气旋特征。

中尺度气旋发展分为4个阶段。第1阶段：入流急流发展。中尺度气旋出现前， 1.4°仰角(16:35，探测高度约为3 km)径向速度图上首先出现偏南风入流急流，16:41入流急流向下伸展至1.2 km 高度。此时雷暴处于新生阶段，中低层为深厚的风速辐合区，2.4°仰角径向速度图上为风向辐散，雷暴在辐合区前侧发展，雷暴右后侧的急流区对应为入流缺口，随后入流区面积不断扩大。第2阶段：强中尺度气旋发展阶段。16:58的1.4°仰角径向速度图上首次出现明显的中尺度气旋。17:03中尺度气旋向下扩展，估测旋转速度为20 m·s-1，为中等强度中尺度气旋，中心随高度向后倾斜，此时雷暴强度最大。17:09雷暴质心接地，0.5°仰角径向速度图上雷暴出流径向速度继续增强，出入流速度差减小，中尺度气旋结构趋于对称。17:15的0.5°仰角径向速度图上最大正速度和最小负速度分别为21 m·s-1和-23.5 m·s-1，速度中心相距2 km，中尺度气旋结构对称，为强中尺度气旋，造成水泥电线杆倒塌。第3阶段：中尺度气旋波动阶段。中尺度气旋仍为中等强度，但入流速度减弱，以出流速度为主，出入流间距离逐渐增大。17:26和17:48为深厚强中尺度气旋，转动速度为21～23 m·s-1，出入流速度中心相距2～4 km。18:05—18:11龙卷即将结束，中尺度气旋强度少变，但速度中心距离增大至7 km，导致0.5°仰角径向速度图上垂直涡度(转动速度/正负速度中心距离)由14×10-3～17×10-3s-1快速减弱至6×10-3～8×10-3s-1。第4阶段：中尺度气旋消失。18:16后1.4°仰角径向速度图上以出流为主，中尺度气旋发展受到抑制，迅速减弱，龙卷结束。

由于龙卷雷暴距离雷达较远，中尺度气旋在0.5° 和1.4°仰角径向速度图上较明显。中尺度气旋首先在3 km高度发展，与傅佩玲等[43]的研究结果一致，1～2个体扫后高度下降。本文估算中尺度气旋旋转强度主要为中等到强，高层为弱到中等强度。

图5 2021年6月1日16:58—17:54哈尔滨雷达“6·1”龙卷的0.5°仰角反射率因子和径向速度演变(黄色箭头代表入流，蓝色箭头代表出流)Fig.5 Evolution of reflectivity and radial velocity at 0.5° elevation of Harbin radar for “6·1” Tornado during 1658-1754 BT on 1 Jun 2021(the yellow arrow denotes inflow,the blue arrow denotes outflow)

4.2 “6·9”龙卷

2021年6月9日午后，雷暴在大兴安岭东麓发展，并向东北方向移动，且向南传播。13:00进入齐齐哈尔，北部雷暴先发展为超级单体，南部新生单体快速生消合并，15:00发展成3个超级单体，由北向南依次处于成熟阶段(雷暴Ⅰ)、发展阶段(雷暴Ⅱ)和新生阶段(雷暴Ⅲ)，雷暴Ⅱ和雷暴Ⅲ为龙卷母云，其中雷暴Ⅲ产生的龙卷持续时间更长(图略)。

雷暴Ⅰ垂直伸展达15 km高度，强反射率因子为64 dBZ，高度为3～6 km，伴有三体散射长钉、回波悬垂、有界弱回波区和中气旋，为典型大冰雹回波。15:32雷暴Ⅰ质心下降，回波减弱消散。此时，雷暴Ⅱ顶高在12 km高度，质心低于3 km高度，出现钩形回波并持续至16:01。16:00—16:30雷暴Ⅱ处于消散期，回波顶高维持在9 km高度，质心强度和高度均显著下降，钩状回波不明显。灾情调查表明，齐齐哈尔北部龙卷出现在雷暴Ⅱ减弱时段。

雷暴Ⅰ和雷暴Ⅱ相继减弱过程中，雷暴Ⅲ发展增强。雷暴Ⅲ距离齐齐哈尔雷达17～33 km，最大探测高度约为5 km，大于60 dBZ的反射率因子低于3 km高度，质心下降特征不明显，但可见回波悬垂和有界弱回波。15:44雷暴右后侧入流增强，受地物污染影响，0.5°～1.5°仰角(300 m高度)入流区为鸟状钩状回波，6.0°～9.9°仰角(1.8～3 km高度)钩形明显，此时龙卷漏斗云接地。16:30—16:47中层入流减弱，但900 m高度入流区增强。龙卷主要出现在钩形回波内部弱回波区。

钩状回波出现前，低层辐合，3 km高度为气旋式辐合，5 km高度为气旋式辐散。15:32中尺度气旋在3 km高度产生，正负速度中心分别为5.5 m·s-1和-26.5 m·s-1，转动速度为16 m·s-1，属于弱中尺度气旋。15:44气旋式辐合下降至地面，正负速度中心分别为11 m·s-1和-13 m·s-1，为弱中尺度气旋。16:19中尺度气旋垂直伸展至6 km，转动速度增至22～24 m·s-1，为强中尺度气旋；16:24地面中尺度气旋转动速度达25 m·s-1，6 km 高度以上为辐散，此时龙卷强度最强(图略)。从龙卷接地到龙卷最强，出入流速度中心距离由6 km降至5.5 km，1.4°仰角垂直涡度由4×10-3s-1增至7×10-3s-1。16:30—16:47转动速度从中层开始减弱，1.5～3.3 km高度降为中等强度。但1 km高度以下旋转速度在16:42达到最大(图6)，此时出流和入流速度出现速度模糊，分别达到-32.5 m·s-1和25.5 m·s-1，出入流速度中心距离为3.5 km，1.4° 仰角垂直涡度增至9×10-3s-1。16:47中尺度气旋出入流均快速减弱。16:53低层中气旋和钩形回波均消失，龙卷结束。

结合径向速度与质心高度变化可知，中层入流急流促使龙卷雷暴发展形成高反射率因子质心，此时雷暴内以上升气流为主；强质心下降在雷暴内形成下沉气流，在低层产生雷暴出流；雷暴内部上升与下沉气流共存，低层出流与入流共同作用生成中尺度气旋。另外，龙卷出现在地面湿度快速降低前，边界层相对湿度较低易导致蒸发冷却，下沉出流加强，促使低层中尺度气旋被切断，不利于龙卷等强对流的维持。

图6 2021年6月9日16:42齐齐哈尔雷达的“6·9”龙卷超级单体和不同仰角的中尺度气旋(环圈内为速度模糊，黄色箭头代表入流，蓝色箭头代表出流)Fig.6 Multiple supercell and mesocyclones at different elevations of Qiqihar radar for “6·9” Tornado at 1642 BT 9 Jun 2021(the circle denotes velocity ambiguity，the yellow arrow denotes inflow,the blue arrow denotes outflow)

“6·1”龙卷雷暴出流首先出现在入流急流的西北部，面积小、强度弱，与入流形成辐合式中尺度气旋，质心接地时出流面积逐渐增大，旋转速度增强，出流与入流逐渐沿雷达径向对称排列，径向速度绝对值接近，中尺度气旋发展到最强；当雷暴出流持续增大，出流面积超过入流并逐渐包围入流急流，中尺度气旋强度减弱，此时为辐散式中尺度气旋，其结构特征表现为雷暴冷池外流切断低层暖湿气流输送，从而减弱中尺度气旋的入流。但较强的垂直风切变使得中层暖湿气流输送不间断，中尺度气旋再次加强，这是“6·1”龙卷持续时间长达55 min的主要原因。

“6·9”龙卷中尺度气旋的发展阶段也是以低层雷暴出流的发展加强为主。当低层出流达到最强后，中层中尺度气旋减弱，且缺少持续暖湿气流输送，低层中尺度气旋减弱消失，龙卷雷暴快速坍塌，导致强龙卷中气旋持续时间短。

4.3 中尺度气旋特征

“6·1”龙卷距离哈尔滨雷达中心约为100 km，最低探测高度约为1 km，“6·9”龙卷距离齐齐哈尔雷达约20 km，最大探测高度约为8 km，由于雷达探测的局限性，探测得到两次超级单体龙卷的垂直结构不完整，自动识别的中尺度气旋和TVS产品也相差较大。

哈尔滨雷达自动识别的中尺度气旋数量多，若以此作为龙卷的预报指标，虚警率高。“6·1”龙卷的中尺度气旋底高稳定在1.2 km高度左右(图7)，这与雷达最低探测高度有关，在龙卷即将结束时(18:05和18:11)中尺度气旋底高上升至1.5 km高度。中尺度气旋顶高在龙卷发生前1～2个体扫(17:03—17:09)，由2.6 km 高度快速上升至5.6 km 高度，龙卷首次接地时(17:15)顶高达7 km高度(图7)，雷暴顶高为12 km，中尺度气旋垂直伸展高度超过雷暴的一半。17:31—17:59中尺度气旋顶高稳定在2.6 km高度，此时雷暴处于减弱阶段，中尺度气旋处于前倾雷暴的后部，雷暴垂直伸展高度低。

图7 “6·1”龙卷和“6·9”龙卷的中尺度气旋底高、顶高及垂直积分液态水含量Fig.7 Base and top heights of mesocyclones and vertical integrated liquid water content for “6·1” Tornado and “6·9” Tornado

齐齐哈尔雷达在“6·9”龙卷发生前后仅识别出5个中尺度气旋。底高低于1.1 km，顶高为2.2～8.8 km，顶高和底高变化较大。16:01底高仅为300 m，16:24和16:42底高在600～800 m，中尺度气旋底高较低有利于出现龙卷，配合环境条件可以预报龙卷的发生。

垂直积分液态水含量(vertical integrated liquid water content,VIL)变化不仅与中尺度气旋顶高变化趋势一致，而且与雷暴强度匹配。“6·9”龙卷VIL高于40 kg·m-2，并出现快速下降，这对大冰雹和破坏性雷暴大风的预报有指示意义。“6·1”龙卷VIL小于40 kg·m-2，17:20—17:26 VIL由40 kg·m-2降至26 kg·m-2，出现小冰雹和雷暴大风。

哈尔滨雷达在“6·1”龙卷超级单体附近未识别出TVS，“6·9”龙卷超级单体雷暴周边出现多个TVS，但距离超级单体较远，与龙卷匹配度较差，未进行分析。

5 结 论

通过对比两次超级单体强龙卷过程多尺度特征，得到以下结论：

1) 天气尺度上，两次龙卷均位于东北冷涡的东南象限。2021年6月1日和6月9日大气不稳定分别与高层冷平流和低层暖平流有关，“6·1”龙卷出现时低空急流暖湿输送和辐合抬升较“6·9”龙卷更明显，深厚的湿层、较低的抬升凝结高度和较大的0～1 km高度垂直风切变有利于强龙卷的产生。

2) 龙卷雷暴的中尺度触发机制均为干线与地面辐合线，雷暴冷池出流与中尺度暖锋形成的伪冷锋有利于龙卷的发展和维持。龙卷出现在伪冷锋与干线交界处，湿区一侧，冷池前沿。在龙卷出现前，伪冷锋与露点锋强度均增强。

3) 龙卷母云经过水库、湿地等水体时快速发展为典型超级单体。龙卷出现在超级单体右后侧入流缺口或钩状回波顶端。入流缺口表明暖湿入流加强是钩状回波发展的前兆。当钩状回波与中尺度气旋同时出现时，龙卷发生。中层持续的暖湿入流是3 km 高度中尺度气旋得以维持及龙卷持续时间较长的主要原因。

4) 中等到高强度的中尺度气旋在3 km高度开始发展，5～10 min后下降至近地面。低层中尺度气旋的发展与暖湿入流和雷暴下沉出流紧密相关。初始时，入流强、出流弱，随着雷暴内下沉气流的增强，出流逐渐占据主导地位。龙卷最强时，中气旋结构对称，出入流速度相当，垂直发展深厚。龙卷减弱时，中尺度气旋底高抬升。