冷涡背景下一次微型超级单体龙卷的雷达特征和物理过程探究*

袁 潮 李得勤 杨 磊,3 张乐坚 杨文艳

1. 中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳， 110166

2. 辽宁省盘锦市气象局，盘锦， 124010

3. 辽宁省气象灾害监测预警中心，沈阳， 110166

4. 中国气象局气象探测中心，北京， 100081

1 引 言

龙卷是在不稳定大气层结条件下由于对流运动而产生的强烈涡旋，呈现为从雷雨云底伸向地面或水面的高速旋转的漏斗状云柱，最强龙卷的地面极大阵风风速达到125—140 m/s（Davies-Jones，et al，2001）。尽管与美国相比，中国的龙卷风发生频率相对较低，但EF1及以上级别龙卷平均每年仍可监测到14.3次（范雯杰等，2015；郑永光，2020）。东北地区是中国龙卷多发区之一（魏文秀等，1995；范雯杰等，2015；Yao，et al，2015），由于预警能力低，历史上曾多次造成严重的灾害（才奎志等，2022），因此对龙卷进行研究十分必要。

中国龙卷主要分布于江淮流域、华南和东北地区（范雯杰等，2015；Yao，et al，2015）。依照环流背景可大致分为两类：热带气旋（TC）龙卷和西风带系统龙卷，其中西风带系统又可分为梅雨和冷涡天气背景（郑永光，2020；郑永光等，2021）。热带气旋龙卷环境条件表现为较弱的对流有效位能（CAPE）和强的低层风垂直切变，通常出现在热带气旋螺旋雨带上形成的微型超级单体中气旋内，中气旋尺度为2—4 km，伸展高度一般在4 km以下（郑媛媛等，2015；Bai，et al，2017；Zhao，et al，2017；黄先香等，2019）。西风带系统可提供高对流有效位能和强低层风垂直切变的环境背景，龙卷生成于经典超级单体（周后福等，2014；Meng，et al，2018；郑永光等，2020；袁潮等，2021；蔡康龙等，2021）、强降水超级单体（俞小鼎等，2008）和线状对流系统之中（刁秀广等，2014），同时也见于微型超级单体之中（张一平等，2012；戴建华等，2021）。这类微型超级单体虽然水平和垂直尺度远小于典型超级单体，但同样可 以 产 生EF0—EF2级 的 龙 卷（Kennedy，et al，1993）。东北地区绝大多数龙卷发生在冷涡背景下（王秀明等，2015；冯佳玮等，2017；才奎志等，2022），由于资料所限，以往精细化观测主要是针对尺度相对更大的经典超级单体龙卷（郑永光等，2020；袁潮等，2021；蔡康龙等，2021）。有研究（Davies，2006；Markowski，et al，2000）指出，冷涡系统提供高风暴相对螺旋度（Storm Relative Helicity，SRH）及较低的对流有效位能环境背景，利于伴有龙卷的微型超级单体的产生。

龙卷通常可分为中气旋龙卷（也称超级单体龙卷）和非中气旋龙卷（或称非超级单体龙卷）（Davies-Jones，et al，2001）。研究（Davies-Jones，1984；俞小鼎等，2020；郑永光等，2020）指出龙卷超级单体的中气旋首先形成于对流层中层（3—6 km），之后向上和向下扩展，这使得初期低层的垂直涡度通常较弱，难以依靠上升气流的拉伸作用形成龙卷强度的涡旋。因此，经典理论认为低层中气旋对龙卷的形成起至关重要的作用，一种观点认为，超级单体前侧下沉气流（Front Flank Downdraft，FFD）和暖湿气流相遇，低层中气旋由斜压力管产生的低层水平涡管在倾侧项的作用下被扭曲而形成（Klemp，et al，1983）；另一种观点认为低层中气旋的形成与超级单体后侧下沉气流（Rear Flank Downdraft，RFD）的倾斜作用有关，后侧下沉气流的温度低于环境温度，因而在斜压作用下会形成涡环，涡环在后侧阵风锋的冷垫上抬升而迅速拉伸形成涡线弧，并被扭曲为垂直涡度，最终在前侧阵风锋和后侧阵风锋的锢囚点处形成低层中气旋（Marquis，et al，2012）。由于后侧下沉气流通常在超级单体的成熟阶段才出现，因此中气旋龙卷通常也发生在超级单体生命史的成熟阶段。非超级单体龙卷可分为两类，第一类出现在飑线或弓形回波前部的γ中尺度涡旋内，一种观点认为γ中尺度涡旋是准线状对流系统前侧的准线型冷池出流或后侧下沉气流形成的水平涡管被降水导致的下沉气流扭曲而形成的（Trapp，et al，2003），另一种观点认为是强烈发展的准线状对流系统冷池出流凸起部位的水平涡管被前侧入流中的上升气流拉伸而形成（Atkins，et al，2009）。第二类非超级单体龙卷起源于边界层上的小涡旋，Wakimoto等（1989，以下简称W89）详细观测并分析了27个非超级单体龙卷涡旋，指出非超级单体龙卷通常生成于近地面不同性质气团所形成的边界层水平风切变辐合线上（如阵风锋、海风锋、干线、水平对流卷等），由于水平切变不稳定的作用，地面附近存在直径小于4 km、方位角切变大于4×10-3s-1的微尺度气旋。当对流风暴移动到微尺度气旋中心上方或者强垂直涡度中心附近有新风暴触发，低层垂直涡度在对流系统上升气流的拉伸作用下迅速增强，从而形成龙卷。

近些年来随着新型龙卷探测雷达的应用，龙卷形成物理过程的研究领域又有新见解被提出。中气旋龙卷的经典理论强调了超级单体后侧下沉气流对水平涡管的动力作用，暗示龙卷涡旋在垂直方向上“自上而下”的发展过程，并在早期的外场试验中得到了验证（Burgess，et al，1975）。之后Trapp等（1999）基于WSR-88D天气雷达统计了53个龙卷个例，指出约有一半的龙卷为“自上而下”的发展过程，而另外一半为“自下而上”或同时增强的发展过程。French等（2013）基于更先进的相控阵雷达研究3个龙卷个例时发现，龙卷涡旋特征（TVS）最早出现于低层，并逐步扩展至中高层。王秀明等（2019）分析海南文昌龙卷时指出，该龙卷初始涡旋出现在近地面，而中高层中气旋向上发展，并称之为非典型超级单体龙卷。戴建华等（2021）对梅雨锋中尺度涡旋内的微型超级单体龙卷进行了详细分析，提出指状回波“收缩”演变成钩状回波，类似“吹吹卷”效应的龙卷涡旋形成过程。针对以上观测事实的研究，反映出龙卷涡度来源及形成机理方面存在新的科学问题，也是对经典理论的重要补充。

由于受到观测条件的限制，中国微型超级单体龙卷（不包含TC龙卷）的研究很少（郑永光，2020；戴建华等，2021），尤其对微型超级单体风暴结构的双偏振参量特征了解有限，限制了对这类龙卷生消机理的认识。2019年8月16日，渤海北部沿岸两条边界层辐合线的交汇处产生了微型超级单体龙卷（图1）。该龙卷穿过辽宁省营口市城区，造成多人轻伤、楼房屋顶损坏、玻璃被吹破、树木折断等灾害（图1b）。根据灾害调查结果，此次龙卷的增强藤田等级（WSEC，2006）为 EF1级，对应行业标准2级（中国气象局，2019）。营口双偏振雷达位于距龙卷约15 km的位置，能有效捕捉到本次龙卷的发生、发展过程，为龙卷研究提供了宝贵的观测信息。文中利用多源观测资料对此次过程的天气背景、近风暴环境和对流系统的演变进行了分析，并基于营口双偏振雷达对龙卷发生条件、生消演变特征和龙卷风暴（微型超级单体）结构进行了研究。最后针对该次过程，建立了辐合线上微型超级单体龙卷形成过程的概念模型，并对如何在业务中提高该类型龙卷的监测、预警能力进行了讨论。

2 资 料

龙卷环境条件及影响系统分析所采用的资料包括常规地面和高空观测、地面加密观测、欧洲中期天气预报中心研发的ERA5再分析资料，FY-4A卫星、多普勒雷达及风廓线探测资料。利用盘锦风廓线雷达（WPR-PJ，图1a中红色方形位置，距离龙卷发生地约65 km）及地面自动气象站风场估计龙卷发生地附近局地环境风垂直切变的发展变化特征。营口双偏振雷达（CINRAD-YK）位于龙卷路径中心点东偏南约15 km处（图1a中红色棱形位置）。营口雷达在此期间的体积扫描模式为VCP21，扫描 0.5°、1.5°、2.5°、3.3°、4.4°、6.1°、9.9°、14.6°和 19.5°共9个仰角，体扫周期约6 min。雷达天线高度171 m，产品分辨率为250 m，15 km范围内的方位角波束宽度为250 m，0.5°仰角雷达波束在龙卷发生位置的距地最小距离为320 m。本研究中应用的双偏振雷达产品包括水平极化反射率因子（ZH）、多普勒径向速度（V）、速度谱宽（SW）、差分反射率（ZDR）、相关系数（CC）及比差分相移（KDP）。使 用Gibson-Ridge Analyst第2版（GR2Analyst 2.0；http://www.grlevelx.com/gr2analyst_2/）雷 达产品显示系统对包括双偏振参量的雷达数据产品进行分析。

图1 （a） 龙卷发生位置及周边观测站网分布，（b） 龙卷路径 （图a中蓝色三角代表龙卷发生位置，红色棱形代表营口雷达位置，红色方形代表盘锦风廓线雷达位置，黄色圆圈代表地面自动气象站；图b基于现场灾情调查得出，图b1为龙卷母云，b2为龙卷本体，b3和b4为受灾示例）Fig. 1 （a） Location of the tornado and the distribution of surrounding observation station network，（b） the path of the tornado （the blue triangle in a represents the location of the tornado，the red diamond represents the location of Yingkou radar，the red square represents the location of Panjin wind profile radar，and the yellow circle represents the AWS；b is based on in situ disaster survey，and the illustration b1 is tornadic parent storm，b2 is the Yingkou tornado，b3 and b4 are disaster examples）

3 天气背景及环境条件分析

2019年8月16日14时（北京时，下同），500 hPa（图2a）高空冷涡从贝加尔湖东移南下，在内蒙古东部和辽宁分裂成两个闭合中心，中心强度均达到564 dagpm，并存在-12℃冷中心与之相配合。其中南侧的次天气尺度冷涡进入辽宁西部后，向东偏北方向移动，营口位于冷涡东侧偏南气流中，冷涡南侧中层相对湿度较小，相应的FY-4A水汽图上存在明显干舌（图2d中白色箭头），表明冷涡南侧中、高层干空气自西南向东北侵入冷涡内部，进一步增强了大气不稳定。850 hPa（图2c），“利奇马”残涡已移出辽宁，营口位于“利奇马”残涡西侧偏北急流逐渐减弱造成的风速辐合区内。另外，值得指出的是“罗莎”台风进入日本海，其北侧偏东风向中国东北地区输送水汽，“利奇马”残涡西侧的偏北气流加强至12 m/s，达到急流强度，营口地区大气整层可降水量40 mm。从地面形势来看（图略），辽宁处于弱气压场中，营口位于热低压后部，午后非绝热加热导致地面升温明显，低层高温、高湿叠加中层的干冷环境增强了大气不稳定。剖面图上（图2b）同样可见，冷涡南侧高空有明显干空气侵入，中层相对湿度最小值低于20%，伴随中层较强下沉运动，干区沿西南气流向东北扩展，至冷涡前部营口地区上空迅速转为上升运动，同时低层具有较高的相对湿度，营口地区达到90%，形成了上干下湿的对流性不稳定层结。综上所述，在台风残涡和中尺度冷涡环境背景下，辽宁地区不稳定条件较好，有利于对流的触发和发展。

图2 2019年8月16日14时天气形势 （a、b及c基于ERA5再分析资料绘制，D为环流中心；a中紫等值线为500 hPa位势高度（单位：dagpm），红虚线为500 hPa等温线 （单位：℃），风羽为500 hPa风场，色阶为500 hPa相对湿度；b为沿a中黑虚线所作剖面，色阶为相对湿度 ，等值线为垂直速度ω （单位：Pa/s），风场为沿剖面经向风与-10 ω的合成风 （矢量，单位：m/s），三角代表龙卷发生地；c中白等值线为850 hPa位势高度，风羽为850 hPa风场，色阶为大气整层可降水量；d为14时FY-4A水汽图像，色阶为亮温，白箭头代表干侵入）Fig. 2 Synoptic situation at 14：00 BT 16 August 2019 （a，b and c are based on the ERA5 reanalysis data，D represents the center of circulation； a. geopotential height （purple contour，unit：dagpm），isotherm （red dashed line，unit：℃），wind field and relative humidity（shaded ） at 500 hPa； b. cross section along the black dashed line in a，the shaded are for relative humidity，contours show the vertical velocity （ω，unit：Pa/s），the wind field is meridional wind along the section synthetic with -10 ω （vector，unit：m/s），and the triangle represents location of the tornado； c. 850 hPa geopotential height （white contour，unit：dagpm），850 hPa wind field and PWV （shaded）； d.water vapor image of FY-4A at 14：00 BT，the shaded are brightness temperature，the white arrow indicates dry invasion）

利用14时营口气象站地面气温和露点订正探空（图3a），抬升凝结高度（LCL）850 m，略高于Rasmussen等（1998）所指出的美国强龙卷环境气候均值（780 m），与已有研究（王秀明等，2015；冯佳玮等，2017）结果较为一致。对流有效位能达到1400 J/kg，低层温度直减率接近干绝热，利于对流性大风的产生。低层800 hPa以下风向随高度顺时针旋转，有弱的暖平流，800 hPa之上风向随高度逆时针旋转，存在冷平流，进一步增强了局地不稳定度。由于辽宁中西部地区中层受减弱东移冷涡控制，根据营口探空（图3a）及盘锦风廓线雷达（图3b）计算0—6 km风切变分别为13和10 m/s，属于弱深层风垂直切变（Markowski，et al，2010），风垂直廓线所表现出的弱深层风垂直切变条件不利于龙卷超级单体风暴生成，0—1 km风暴相对螺旋度仅30 m2/s2，位于美国经典超级单体强龙卷环境参数气候概率的第25百分位（33 m2/s2）附近（Rasmussen，2003）。但值得指出的是，营口探空（图3a中风垂直廓线）显示500 hPa至400 hPa风速从10 m/s急剧增大至20 m/s，即0—7 km风垂直切变达到23 m/s，属于强深层风垂直切变。此外，15时30分盘锦风廓线资料显示，受西侧风暴群出流影响，1.5 km（3 km）高度附近存在较强偏西风（西南风），从而造成局地较强的低层风垂直切变，消亡阶段的雷暴出流也可能对龙卷附近的中尺度环境条件产生影响。

图3 2019年8月16日 （a） 14时营口T-lgp图，（b） 14—17时盘锦风廓线 （a基于ERA5再分析资料绘制，并根据14时营口地面观测做了修正，绿色（红色）实线代表环境（露点）温度 （单位：℃），左下角给出了对流有效位能和抬升凝结高度，右侧为各层水平风分布）Fig. 3 Yingkou T-lgp diagram at 14：00 BT （a），Panjin wind profile from 14：00 to 17：00 BT （b） 16 August 2019 （ a is based on ERA5 reanalysis data and modified with surface observations at Yingkou station at 14：00 BT；the green （red） solid line represent the ambient （dew poin） temperature （unit：℃）； CAPE and LCL are given in the bottom-left box；horizontal wind barbs are displayed at the right side of each panel）

4 龙卷风暴成因及特征分析

4.1 阵风锋与海风锋交汇触发龙卷母云风暴

受“利奇马”过境残涡影响，辽宁地区近地面湿度较大，从8月16日上午开始太阳辐射加热导致近地面不稳定扰动增强，FY-4A可见光云图（图4a）上可见辽宁中南部地区存在水平对流卷（俞小鼎等，2020）。13时30分（图4b），辽宁西部的对流风暴触发（简称风暴群A），之后快速发展并缓慢东移，由于高空受冷涡主体控制，风速较弱，0—6 km风切变小，对流组织化程度不高，单个风暴的生命期较短。辽宁西部中层干层更加明显（图2b），风暴群A前侧形成强的冷池出流，可见光云图（图4b、c）上可见风暴群A快速发展并向偏东方向移动，对应雷达回波图（图5b）上可见前侧明显的阵风锋。辽宁中部平原水平对流卷存在合并现象（图4b），随之触发较弱的对流（简称风暴群B）。14时30分（图4c）风暴向东南移动并趋于消亡，但其南侧出流方向可见较为明显的弧状云线（阵风锋），并继续向南移动，渤海湾北部沿岸形成一条与之近乎平行的海风锋辐合线，在云图上表现为窄的积云线，雷达回波图（图5b）上同样可见窄带回波。之后两者汇合，15时40分（图4d）辐合线上有对流风暴强烈发展（D为龙卷母云风暴）。

14时 （图5a） 地面自动气象站观测资料表明，营口地区存在伸向西北方向的暖舌，局地最高气温超过32℃，露点温度约22℃，表明该地区较周围具备更大的对流有效位能及更低的抬升凝结高度，营口雷达监测到水平对流卷，北侧有分散性弱对流系统发展 （图5a内简记为STB，对应可见光云图风暴群B）。14时20分 （图5b）STB快速消亡，其南侧存在阵风锋辐合线，与上述可见光云图 （图4c） 对应较好。辐合线两侧可见风场有较明显的气旋性切变，但两侧温度梯度并不明显，阵风锋向西南方向移动。值得指出的是，风暴并不是在整个辐合线上连续排列 （将最低仰角反射率≥40 dBz定义为风暴单体范围），而是在辐合线上发展成4个相对独立的风暴单体（图5e、f）。分析风暴A （图5e、f）的形成，14时20分开始 （图5b） 辽宁西部地区受东移冷涡影响，有强风暴生成 （图5b中简记为STA，对应可见光云图风暴群A），干空气夹卷导致的强烈蒸发在地面形成冷池 （地面天气图上显示附近温差10℃），其前侧阵风锋与营口地区海风锋相遇，造成对流风暴A强烈发展。对流风暴B、C、D的发展则与海风锋密切相关，14时20分，渤海北部沿岸有海风锋生成（图5b、c中雷达站西—西南侧），沿海观测站监测到海风逐渐加强，从4 m/s （14时） 增大至10 m/s。海风锋呈东北—西南向，与STB所产生的阵风锋近似平行排列，之后向东北方向缓慢推进，其西北端率先与阵风锋交汇 （图5d），导致风暴B的触发。随后风暴C和风暴D （之后产生龙卷的母云风暴） 产生于交汇形成的辐合线拐点处，这是由于γ中尺度涡旋在辐合线上产生的阶梯状图样（Marquis，et al，2007），其在龙卷生成中的关键作用将在下一节进行详细讨论。

图4 FY-4A卫星可见光云图 （a. 10时30分，箭头指示水平对流卷的位置；b. 13时30分，椭圆圈指示风暴群位置；c. 14时30分，椭圆圈指示风暴群位置，箭头指示雷暴出流边界及海风锋位置；d. 15时40分，椭圆圈指示龙卷母云风暴位置）Fig. 4 Satellite visible images of FY-4A （the arrows indicate the HCRs at 10：30 BT in a； the circles indicate the storms at 13：30 BT in b； the circle indicate the storm，and the arrows indicate the outflow boundary and sea-breeze at 14：30 BT in c； the circle indicates parent storm of Yingkou tornado at 15：40 BT in d）

4.2 龙卷风暴雷达特征

龙卷发生在营口雷达以西15 km处，因此可以获得高分辨率数据。15时36分（图6a），0.5°仰角首次在地面辐合线的拐点处出现孤立斑点状回波，最大反射率因子（ZH）为47 dBz，称为下沉反射率因子核（Descending Reflectivity Core，DRC）（Rasmussen，et al，2006，以下简称为R06）。R06指出下沉反射率因子核是一种与主回波分离的斑点状回波，之后演变为钩状回波，并提出了3个客观条件来定义下沉反射率因子核：（1）弱回波区上方回波悬垂位置下坠的增强反射率区；（2） 沿着从下沉反射率因子核反射率最大值到超级单体回波核心路径上，下沉反射率因子核超过最小反射率至少4 dB；（3）存在于风暴上升气流的右后象限。R06、Kennedy等（2007）及Byko等（2009）利用WSR-88D雷达观测到超级单体下沉反射率因子核，并指出下沉反射率因子核的形成是由上升气流区后侧的水凝物沉积引起的，推断其有可能作为龙卷生成的先兆或是伴随特征。本次个例中，营口龙卷监测到的下沉反射率因子核特征符合R06提出的标准，由于东北侧的风暴主体回波并未接地（图6a、c），下沉反射率因子核先于龙卷出现并表现为孤立的斑点状回波，对应0.5°仰角速度场（图6b）存在旋转速度9 m/s、直径0.5 km的微尺度气旋。0.5°仰角差分反射率（ZDR）和相关系数（CC）分别为4.4 dB和0.98（图略），表明该处主要由相态一致的大雨滴组成。剖面图（图6c）可见下沉反射率因子核从左侧高层悬垂回波位置下降，在2 km 左右高空伸下一狭长的（水平尺度2—3 km）、ZH为40—50 dBz（图6c）、CC为0.96—0.98（图6e）、ZDR为4—5 dB（图6f）的柱状回波，与微尺度气旋相对应（图6d）。15时42分，东北侧的风暴主体回波下降至近地面，最大反射率因子达到65 dBz，同时下沉反射率因子核进一步加强，0.5°反射率因子最强达到59 dBz（图6g），并仍与主体回波分离。1.5°仰角反射率可见下沉反射率因子核与风暴主体回波相连形成钩状回波（图7a），该钩状回波垂直方向上扩展至3.5 km。

图6 15时36分营口雷达0.5°仰角反射率 （a）、径向速度 （b） 及沿a白色实线的反射率 （c）、径向速度 （d）、相关系数（e）、差分反射率 （f） 的垂直剖面，15时42分营口雷达0.5°仰角基本反射率 （g）、相关系数 （h） （a、b中黑色圆圈代表微尺度气旋位置，a、g、h中白色方框代表下沉反射率因子核心位置，c中黑色虚线所围区域代表下沉反射率因子核位置，c—f中白色虚线所围区域代表ZDR柱位置，f中蓝色虚线代表湿球0℃层高度）Fig. 6 Yingkou radar reflectivity （a），radial velocity （b） at 0.5° elevation and profiles of reflectivity （c），radial velocity（d），correlation coefficient （e），differential reflectivity （f） along the solid white line in a at 15：36 BT；Yingkou radar reflectivity （g），correlation coefficient （h） at 0.5° elevation at 15：42 BT （the black circle represents the position of misocyclone in a and b；the white box represents the position of the DRC in a，g，h；the area surrounded by the black dashed line in c represents the position of the DRC；the area surrounded by the white dashed line in c—f represents the position of the ZDR column；and the blue dashed line in f represents the height of the wet bulb 0℃ layer）

15时42分龙卷风暴发展至最强盛时段（对应图1b中插图b1拍摄到的龙卷风暴本体），根据目击者记录，龙卷于2 min后接地。15时43分1.5°仰角ZH最大值为63 dBz（图7a），并呈现出钩状回波特征，但风暴尺度仅为7 km，属于微型超级单体（Stumpf，et al，1998）。反射率剖面图（图7e）显示，50 dBz以上强回波高于5 km，低反射率区域上方存在回波悬垂和有界弱回波区（Bounded Weak Echo Region，BWER），对应速度谱宽（SW）大值区（图略），进一步表征该区域存在强烈上升气流。受仰角限制，更高处无法观测，沈阳雷达（距龙卷发生地170 km）回波顶高产品显示该风暴顶高约11 km（图略）。1.5°仰角速度场（图7b）显示钩状回波处微尺度气旋直径0.5 km，旋转速度增大至15 m/s。以上观测事实说明该超级单体（及伴随的中气旋）水平尺度、伸展高度都明显小于经典超级单体。

图7 15时43分营口雷达1.5°仰角反射率 （a）、径向速度 （b）、相关系数 （c）、差分反射率 （d） 及对应剖面 （e、f、g、h）（b中黑色圆圈代表微尺度气旋位置，d中黑色虚线所围区域代表ZDR弧位置，e—h中黑色虚线所围区域代表龙卷残片特征位置，蓝色虚线所围区域代表低信噪比造成的相关系数低值区，白色虚线所围区域代表有界弱回波区位置）Fig. 7 Yingkou radar reflectivity （a），radial velocity （b），correlation coefficient （c），differential reflectivity （d） at 1.5°elevation and corresponding profiles （e，f，g，h） at 15：43 BT （the black circle represents the position of misocyclone in b，the area surrounded by the black dashed line represents the ZDR arc position in d，the area surrounded by the black dashed line represents the position of TDS ，the area surrounded by the blue dashed line represents the position of low CC value area caused by low signal-to-noise ratio，and the area surrounded by the white dashed line represents the position of BWER in e—h）

Ryzhkov等（2005）在伴有龙卷的超单体中观测到钩状回波尖端存在明显的偏振特征，该特征是由于龙卷刮起的房屋、树木等地物碎片导致的，称为龙卷残片特征，由于龙卷所卷起的残片具有随机取向、不规则形状、大尺寸及高介电常数的特性，Ryzhkov等（2005）定义在S波段双偏振雷达上，龙卷残片表现为高ZH（ZH＞45 dBz）、较低ZDR（接近0 dB）及异常低的CC（CC＜0.8）特征，并伴有明显的方位角径向速度切变等雷达特征。同时指出轻质碎片（例如树叶和草）的CC约为 0.70，而较大碎片的存在会进一步降低CC并在反射率因子上呈现异常大值，被称为碎屑球。15时42分0.5°仰角（距地320 m）龙卷风暴下沉反射率因子核处CC存在明显的小值区（图6h中虚线方框），CC范围0.32—0.74，对应反射率因子（图6g）47—51 dBz。15时43分1.5°仰角（图7a —d内白色虚线方框）同样可见微尺度气旋附近CC为0.34—0.65、ZH为44—47 dBz、ZDR为-2.1—1.1 dB，符合Ryzhkov等（2005）对龙卷残片特征的客观判定。但同时需要指出的是，营口龙卷并未出现反射率因子碎屑球，并且更高仰角（图7e、8a）反射率因子有相对低值区，该区域对应涡旋中心（图7f）的强上升气流区，强湍流导致较低的信噪比（图略），其也会造成CC下降（Schultz，et al，2012）。综上推断，3 km以下微尺度气旋位置存在明显低CC（0.35—0.65）特征（图7g），其中0.3—0.6 km高度的低CC（图7g中黑色虚线所围区域）是由龙卷卷起的树叶、草及昆虫等轻质碎片和强上升气流引起的低信噪比共同导致；而低信噪比可能是造成0.6—3 km高度的低CC（图7g中蓝色虚线所围区域）的主导因素。

4.4°仰角（图8c）可见微尺度气旋位置存在强反射率因子凹陷区（图8a），Fujita（1981）称之为弱回波洞（Weak Echo Hole，WEH），弱回波洞位于龙卷漏斗内部核心区域，是由于水凝物和残片的离心作用导致的（Dowell，et al，2005）。营口龙卷的弱回波洞处ZH为35 dBz（图8a），CC为 0.39（图8b），ZDR为0.4 dB（图8d），速度谱宽为14 m/s（图8e）。弱回波洞附近存在CC（0.97）和ZDR（4 dB）高值区域，可能为离心作用导致的分布于外围的大雨滴。

此外，ZDR产品（图7d、8d）还显示微型超级单体的前侧下沉气流与低层风暴入流一侧相交处存在带状的ZDR大值区，称之为ZDR弧（Kumjian，et al，2008，以下简称为K08）。ZDR弧对应前侧下沉气流区回波梯度最大位置，从近地面延伸至垂直方向2 km，最大值达到4—5 dB，CC在0.98上下，表明主要由大雨滴构成。K08指出在经典超级单体风暴中，风垂直切变对不同大小降水粒子的平流差异导致低层入流一侧产生粒子分选效应，ZDR弧与低层风暴相对螺旋度有很好的相关，前文提到本次个例低层风暴相对螺旋度较小，但边界层辐合线相交可能加强了近风暴环境的风暴相对螺旋度，为龙卷形成提供有利条件。图8d还显示钩状回波前侧存在高ZDR区域（图中蓝色圆圈所示），K08中称其为ZDR盾（ZDRShield）。K08分析指出，前侧下沉气流区域冰雹下落过程融化成雨滴，之后雨滴碰并会使ZDR增大，从而产生ZDR盾，而雨滴破裂会起到相反的效果，两者共同作用产生平衡效应。因此，ZDR盾代表冰雹融化产生的风暴前侧较大范围的大雨滴，同时ZDR盾处显示大范围KDP高达4—6°/km的区域（图8f），CC在0.9—0.95（图8b），也表明ZDR盾处存在大量融化的冰雹。值得指出的是，4.4°（图8b）及6.1°（图略）仰角从风暴钩状回波的入流一侧延伸至北侧顶端，出现CC在0.6上下的较大范围低值区（图8b黄色虚线所围区域），伴随反射率因子大值区，而ZDR较为杂乱，该区域是由于龙卷产生的大量碎屑夹卷平流或是非均匀波束充塞所致，还有待进一步研究。

图8 15时45分营口雷达4.4°仰角反射率因子 （a），相关系数 （b），径向速度 （c），差分反射率 （d），速度谱宽 （e） 及比差分相移 （f）（黑色圆圈代表微尺度气旋位置，白色虚线所围区域代表ZDR弧位置，蓝色虚线所围区域代表ZDR盾位置，黄色虚线所围区域代表相关系数低值区）Fig. 8 Yingkou radar reflectivity （a），correlation coefficient （b），radial velocity （c），differential reflectivity （d），spectrum width （e） and specific differential phase （f） at 4.4° elevation at 15：45 BT （the black circle represents the position of the misocyclone，the area surrounded by the white （blue） dashed line represents the position of the ZDR arc （ZDR shield），and the area surrounded by the yellow dashed line represents the low value area of CC）

5 龙卷形成过程讨论

5.1 龙卷涡旋形成

15时（图5d）阵风锋与海风锋在渤海湾北部沿岸相遇，15时18分（图9a）两条辐合线合并，回波强度略有增强，并且前文提到的辐合线西侧海风明显加强，沿边界方向风速加大导致切变进一步加强，从而在辐合线前沿产生强气旋式涡度和更强的辐合，水平切变不稳定导致γ中尺度涡旋形成。对应速度场（图9b）上，在辐合线上可见两个相对较大的γ中尺度涡旋，其中位于东南侧的即为产生营口龙卷的初始涡旋（简称初始涡旋A），直径4.2 km，旋转速度5 m/s，西北侧初始涡旋（简称初始涡旋B）直径更大（约8 km），旋转速度与初始涡旋A接近。反射率产品上（图9a、c），垂直涡度的最大值与雷达反射率大值区位置重叠，γ中尺度涡旋边界被旋转中心周围的环流影响而扭曲，两涡旋在辐合线上呈阶梯状排列。15时25分（图9d）初始涡旋A（B）直径收缩至2.6 km（4.5 km），旋转速度无明显变化。Lee等（2000）研究指出辐合线上的γ中尺度涡旋可以增强局地辐合和湿度条件，事实上本研究中在γ中尺度涡旋处确实有相对孤立的强风暴触发（图5f中风暴C及风暴D）。

图9 营口雷达0.5°仰角15时18分 （a）、15时24分 （c） 反射率及15时19分 （b）、15时25分 （d） 径向速度 （圆圈代表初始涡旋位置）Fig. 9 Yingkou radar reflectivity at 15：18 BT （a），15：24 BT （c） and radial velocity at 15：19 BT （b），15：25 BT （d） at 0.5°elevation （the circles represent the position of initial vortex）

龙卷风暴于15时24分在营口地区生成，向北偏东方向移动，移速较小。此时，差分反射率剖面图上可见明显的ZDR柱，3 dB高于5 km，宽度约为1—3 km（图略），需要说明的是，由于CC＜0.9的区域不计算KDP，本次过程中未能观测到与ZDR柱相伴的KDP柱。15时36分ZDR柱进一步增强，5 dB高于5.5 km（图6f），而对应涡旋直径进一步收缩（图6b、d）。探空结果显示0℃高度为3.8 km，湿球0℃层高度为3.6 km，研究（Kumjian，et al，2014）指出，强上升运动可能与降水粒子的再循环过程有关，对流初始阶段降水粒子在下落的过程由上升与下沉气流的边界处重新夹卷进入上升气流区，与其他较小降水粒子通过碰并作用快速增长为大降水粒子，因此ZDR柱可以很好表征上升运动位置和强度。初始涡旋A（图9）在强烈发展风暴上升气流的拉伸作用下直径迅速减小，产生低层微尺度气旋。

综上所述，水平切变不稳定导致在两条相遇辐合线上有γ中尺度涡旋形成，低层接近干绝热递减率的大气不稳定层结条件下，对流触发导致迅速发展的垂直加速度与预先存在边界层垂直涡度大值区并置，有界弱回波区和ZDR柱提供了进一步的证据，表明通过沿边界层辐合线拉伸预先存在的γ中尺度涡旋（图9中龙卷初始涡旋A）形成微尺度气旋。

5.2 龙卷生成及消亡过程

为探究龙卷的生成过程，图10给出在垂直方向上龙卷涡旋旋转速度、涡旋直径随时间的变化规律。15时18分地面辐合线拐点处有γ中尺度涡旋生成（图9a），旋转速度8—10 m/s，直径3—4 km，垂直伸展高度2 km，同时19.5°仰角（距地5.5 km）存在气旋式旋转，旋转速度10 m/s，并伴有较强的辐散（图略），表明存在强上升气流。15时24分在垂直拉伸作用下，微尺度气旋在距地1 km高度上直径明显收缩（约1.5—1.8 km），旋转速度也略有加强。15时30分至42分，微尺度气旋尺度进一步减小，直径约0.8—1 km（与图1b中插图b1龙卷母体涡旋尺度大致相当），厚度增加，旋转速度无明显变化。15时42分（龙卷触地前2 min），旋转速度显著增大，最强旋转速度达到18 m/s，出现在15时45分3.3°仰角（距地面1 km），达到中等强度中气旋标准（图6d），并伴随类龙卷涡旋特征（TVS）结构（相邻方位角切变值达到36 m/s）。其他仰角速度场未出现相邻方位角的速度对，推断其可能与本次龙卷的直径较小有关（灾情调查显示龙卷触地部分主体直径不足10 m，但缺少空中龙卷直径照片记录）。微型超级单体龙卷形成前期（龙卷触地前8—20 min）垂直涡度的快速增加主要依靠拉伸作用导致的微尺度气旋直径收缩，并伴随垂直伸展高度上升增大，而龙卷临近触地期间（触地前0—8 min）微尺度气旋直径几乎未发生变化（0.7— 0.8 km），垂直涡度增加源于旋转速度的增强。综上可见，微型超级单体龙卷形成过程与微尺度气旋尺度、厚度及旋转速度密切相关，龙卷形成初期表现为微尺度气旋直径的减小及厚度的增加，临近时刻表现为旋转速度迅速增大，当旋转速度达到最大、直径达到最小时龙卷产生。

图10 15时18—52分龙卷涡旋的演变 （圆柱颜色表示不同的仰角，大小表示涡旋直径，叉号和圆圈表示旋转速度，灰色阴影区域代表龙卷及地时段）Fig. 10 Time—height evolution of the tornado vortex from 15：18 BT to 15：52 BT （cylinder colors （size） indicate elevation（vortex diameter），cross and circles indicate rotational velocity，and the gray shaded area represents the time of the tornado reaching the ground）

龙卷生成后伴随辐合线向南移动（图1b），而风暴主体向东北方向移动（图11a、b），15时48分（图11d）可见辐合线上的微尺度气旋与主体风暴脱离并迅速减弱（图11a、d中黑色圆圈，简称龙卷残余涡旋），龙卷残余涡旋附近CC低于0.6（图略），表明其并非由降水粒子构成，而钩状回波处并无中气旋相配合。图10显示15时48分龙卷残余涡旋高度较前期明显降低，涡旋强度随高度略有增大，最强旋转速度8 m/s，距离地面0.8 km，而此时龙卷也已经消亡。低层（0.8 km以下）辐合线上存在龙卷残余涡旋，钩状回波位置未见旋转环流，而3.3°仰角（图11b、e）辐合线处回波较弱，龙卷残余涡旋难以分辨，钩状回波处可见弱的气旋性环流，并且随高度增加中层中气旋强度明显加强（图11f），同时伴随反射率核心向上收缩并与地面脱离（图11c）。中层中气旋所导致的中心气压下降可在其下方产生垂直向上的扰动气压梯度力，进而产生强上升气流，推断中层中气旋与微尺度气旋分离使得上升气流的拉伸作用减弱，从而导致龙卷的快速消亡。

图11 营口雷达基本反射率 （a. 15时47分0.5°仰角，b. 15时50分3.3°仰角，c. 沿a、b中白线的剖面） 及径向速度 （d. 15时48 分0.5°仰角，e. 15时50分 3.3°仰角，f. 沿d、e中白线的剖面） （a、d中黑色圆圈代表0.5°仰角龙卷残余涡旋位置，对应剖面图中蓝色三角位置，b、e中白色圆圈代表3.3°仰角涡旋位置，c、f中白色虚线所围区域代表中层中气旋位置）Fig. 11 Yingkou radar reflectivity at 15：47 BT at 0.5° elevation （a），at 15：50 BT at 3.3° elevation （b），cross section along the white line in a，b （c） and radial velocity at 15：48 BT at 0.5° elevation （d），at 15：50 BT at 3.3° elevation （e），cross section along the white line in d，e （f） （the black circles represent the position of tornado residual vortex at 0.5° elevation in a and d，corresponding to the blue triangle in the cross section，the white circles represent the position of vortex at 3.3° elevation in b and e，and the area surrounded by the white dashed line represents the position of the middle-level mesocyclone in c and f）

此次龙卷在一定程度上异于经典超级单体龙卷的生成机制，总结营口龙卷形成过程的概念模型（图12）：冷涡提供了弱的深层风垂直切变及低层强热力不稳定环境背景。近地面，处于消亡阶段的雷暴出流形成的阵风锋与渤海湾北部沿岸海风锋交汇，在水平切变不稳定作用下形成阶梯状排列的γ中尺度涡旋，同时辐合线相交加强了抬升运动，导致龙卷母云风暴触发并强烈发展。在强上升气流的拉伸作用下，近地面形成微尺度气旋，涡度随高度减小（图10）预示低层环流造成更强的近地面扰动低压，并导致下沉气流，预先存在的边界层辐合线提供了与经典超级单体相类似的低层涡度及热力条件，之后在龙卷风暴前侧下沉气流与后侧下沉气流的锢囚点形成龙卷。

图12 龙卷形成过程概念模型 （a. 发展阶段，b. 生成阶段）Fig. 12 The conception model of tornadogenesis （a. development stage，b. mature stage）

6 结论与讨论

对2019年8月16日辽宁营口龙卷的环境条件及雷达观测进行分析，得到以下主要结论：

此次龙卷发生于东北冷涡主体环流内，高空存在弱冷平流，干侵入特征明显。低层“利奇马”残涡后部偏北气流与辽宁西部次天气尺度冷涡共同影响，环境条件表现为中等偏弱的对流有效位能、近地面强热力不稳定及高湿度条件、弱深层（0—6 km）和低层（0—1 km）风垂直切变，天气尺度环境背景展示的动力条件并不利于超级单体强风暴的生成。前期辽宁中南部存在大范围的水平对流卷，是对流初生的关键系统，已生成的对流风暴可以改变风暴附近的中尺度环境条件，处于消亡阶段雷暴的阵风锋与渤海北部沿岸的海风锋在营口地区汇合，触发龙卷母云风暴。

龙卷母云风暴在多普勒雷达上表现为微型超级单体，具有与经典超级单体相似的结构（钩状回波、有界弱回波区、中气旋、回波悬垂、弱回波洞）。龙卷发生前可见明显下沉反射率核心特征，龙卷涡旋为微尺度气旋，由沿边界层辐合线拉伸预先存在的γ中尺度涡旋形成，最强时刻达到中等强度中气旋标准，并出现类龙卷涡旋特征结构。同时营口雷达的双偏振参量为龙卷的监测预警提供了更多有用信息，例如龙卷残片特征、ZDR弧、ZDR柱等结构。微尺度气旋的最大旋转速度伴随最小直径对应龙卷生成时刻，而中层中气旋与辐合线上的微尺度气旋分离是导致龙卷消亡的原因。

值得指出的是，此次龙卷与W89提出的非超级单体龙卷形成机制有所不同，主要区别在于非超级单体龙卷地面初始涡旋的尺度更小（通常小于2 km）且强度更强，产生于风暴的发展阶段，无下沉气流，通常具有较平坦的云底（Marwitz，et al，1972），是边界层辐合线上由水平切变不稳定导致的低层涡旋在强上升气流的拉伸作用下加深发展的结果。而本次龙卷涡旋并非由上升气流拉伸的证据是母云云底有明显的漏斗云而并非平坦，同时在龙卷生成前，微尺度气旋位于整个ZDR柱内部，而龙卷生成阶段，钩状回波顶端附近低层并非完全位于ZDR柱内，龙卷形成可能与微尺度气旋扰动低压产生的下沉气流有关。虽然与经典超级单体龙卷位于前侧下沉气流和后侧下沉气流锢囚在钩状回波顶部相类似，然而本个例中边界层辐合线先于风暴出现，且中层中气旋相对较弱，可能并不足以产生足够强的后侧下沉气流，锢囚边界并不是超级单体下沉出流交汇的结果。与经典超级单体龙卷低层中气旋形成机制也存在差异，本次龙卷形成更倾向于是近地面γ中尺度涡旋拉伸产生微尺度气旋并与中层中气旋相耦合的结果，这与王秀明等（2019）研究的海南文昌龙卷、W89中7月7日龙卷个例以及Wilson（1986）第4个龙卷个例的形成机制有相似之处。

综上所述，微型超级单体类似的结构特征在尺度和强度上均不及经典超级单体，但其依然能够产

生一定强度的龙卷，因此需要预报员能够预测微型超级单体发生的环境背景（如弱风切变、中等对流有效位能、低层强热力不稳定及大的相对湿度），同时进行更加精细的雷达资料分析和客观算法的开发（目前多普勒天气雷达的自动算法并不能识别出营口龙卷的中气旋）。虽然很难基于现有中气旋或龙卷残片特征标准对这种龙卷进行监测和提前预警，但目前业务观测系统可以相对容易识别边界层辐合线，从而预见龙卷可能发生的区域。例如对流并不是沿着边界层辐合线的整个长度发展，而是在水平切变不稳定的作用下γ中尺度涡旋在辐合线的某些位置生成，从而增强其附近辐合上升运动，这在两条边界层辐合线交叉点处尤为明显（Wilson，et al，1992）。切变大值区（强风区）尤其是雷达上阶梯状拐点不稳定区出现低仰角的大速度对时，预示低层微尺度气旋生成。如果该预先存在的涡旋与对流风暴（尤其是超级单体风暴）的上升气流叠加，则可能会产生强烈的涡旋甚至龙卷，即使没有龙卷，这些预先存在的与边界层辐合线相关的涡旋也可能是对流快速发展的有利位置。因此，预报员在对流发展之前应特别注意有利环境背景下边界层辐合线的旋转特征。