苏州一次EF3级龙卷的双偏振雷达特征分析

朱皓清 杜美芳 王辉 陆鑫海

摘要 利用再分析资料、探空资料和双偏振雷达资料分析了2021年5月14日发生在江苏苏州的EF3级龙卷。研究发现，龙卷发生在江淮准静止锋南侧的暖区内，龙卷发生前苏州地区有较强的大气不稳定、较低的抬升凝结高度和较强的垂直风切变。龙卷风暴经过2次风暴合并进入成熟期，成熟的龙卷风暴具有典型超级单体的钩状回波和强中气旋特征，并伴有龙卷涡旋特征（TVS）。风暴合并产生的强垂直风切变导致风暴内降水分布存在明显的分界线，差分反射率（ZDR）和差分传播相位常数（KDP）大值中心发生分离。KDP中心位于前侧下沉区（FFD），以数浓度较高的小雨滴降水为主；ZDR中心位于前侧阵风锋（FFGF）附近，以大雨滴降水为主，大雨滴形成的弱冷池有利于龙卷的产生。

关键词 龙卷风暴；双偏振雷达；差分反射率；差分相位差；相关系数

中图分类号：P412.25文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）04–0089-04

龙卷时空尺度小，突发性强，外观上呈现为雷暴云底伸展出来并到达地面的狭长漏斗云，中心最大风速可超过140 m/s，是对流风暴产生的最猛烈的天气，常伴随雷暴、冰雹和暴雨等强天气，往往造成重大的财产损失和人员伤亡。

多普勒雷达是目前龙卷监测和研究的重要手段。研究表明，强龙卷一般发生在超级单体中，多普勒雷达可识别出典型的钩状回波和中气旋特征，以及比中气旋尺度更小的龙卷涡旋特征（TVS）[1]。赵海军[2]通过实地灾情调查，分析龙卷发生的环境和天气雷达特征。刘红亚等[3]利用天气图资料和双偏振雷达资料，分析了一次长生命史冰雹强风暴形态的时间演变和双偏振特征。

双偏振雷达由20世纪70年代的双偏振理论研发产生，双偏振雷达可以额外获得差分反射率（ZDR）、差分传播相位常数、零滞后相关系数（CC）等参量，对龙卷的识别和探测具有重要作用。研究表明，龙卷卷起的杂物碎片在双偏振雷达上表现为高水平反射率、低ZDR和异常低的CC，即龙卷碎片特征，可以有效判断龙卷是否触地[4]。项阳等[5]发现在梅雨期暴雨天气形势下，较低的抬升凝结高度，较强的中低层垂直风切变为龙卷提供了有利的环境背景。

2021年5月14日18：50～19：05（北京时间，下同），江苏省苏州市发生一次EF3级龙卷，共造成1人死亡21人受伤。龙卷过程被上海青浦站双偏振雷达捕捉，考虑目前国内使用双偏振雷达研究龙卷的较少。因此，通过常规观测资料和双偏振雷达观测，分析了此次龙卷过程发生前的天气形势、龙卷风暴雷达回波演变特征和龙卷风暴降水粒子特征，希望为龙卷预报预警和研究提供有益参考。

1 天气形势分析

图1a显示2021年5月14日08：00，东北冷涡强度较强，槽后冷空气影响中高纬地区。在30°N存在两段高空急流，苏州分别位于东西两段急流的入口区右侧和出口区左侧，高层存在明显的辐散（图1a）。低层850 hPa西南急流增强，切变系统略微北抬至江淮地区，江南和江汉地区处于高温高湿的环境下，且有较好的动力抬升条件（图1b）。因此，在锋面南侧的暖区内，低层大气高温高湿，高层有冷空气影响，大气具有很强的不稳定性，低空急流和切变线的辐合抬升配合高空急流的辐散作用，产生大量分散性对流降水。上海宝山站14日20：00探空资料显示（图1c），整层大气高湿，LCL位于995 hPa，CAPE达1 162 J/kg，而CIN只有219 J/kg，大气具有很强的不稳定性，且低层0～1 km和0～6 km垂直风切变分别增长至7 m/s和22 m/s。较强的大气不稳定性、较低的LCL和较大的垂直风切变，有利于龙卷和龙卷风暴的产生。

2 龙卷风暴雷达回波演变

雷达观测资料显示，龙卷对流单体于15：50生成，向东偏北移动并增强，至17：00龙卷对流单体反射率强度超过65 dBz（图2a）。2个弱对流单体A和B先后在龙卷对流单体西南侧生成，并向东偏北缓慢移动。17：20龙卷对流单体与单体A合并后强度增强，最大反射率超过70 dBz，并出现钩状回波，伴随一个较弱的气旋式切变（图2b）。

18：12龙卷风暴与单体B合并（图2c），龙卷风暴结构进行调整，后侧下沉气流（RFD）和气旋式切变减弱，导致钩状回波特征消失（图2d）。10 min后龙卷风暴结构调整结束，前侧下沉气流（FFD）迅速增强（图2e），钩状回波重新出现，伴随中等强度中气旋，中气旋的旋转速度约18 m/s，直径约8 km（图2i）。18：36龙卷风暴RFD降水增强（图2f），导致地面出流和中气旋强度进一步增强，中气旋旋转速度约22 m/s，为强中气旋（图2j），龙卷风暴进入成熟阶段，呈典型的超级单体特征（图2f）。

18：48在低层1.5°仰角观测到TVS特征，TVS位于龙卷风暴钩状回波顶端（图2g），TVS中心旋转速度超过30 m/s（图2k），約2 min后观测到龙卷发生。19：06龙卷风暴仍呈超级单体特征（图2h），雷达上可以观测到TVS，中心旋转速度减弱至20 m/s（图2l），但在下一个体扫中没有观测到TVS，说明龙卷过程基本结束，与肉眼观测龙卷云柱离开地面的时间基本一致。

整个龙卷过程持续约15 min，一般在龙卷发生前5～10 min可以观测到TVS，但受雷达时间分辨率的影响，此次过程在龙卷发生前2 min才观测到TVS。2次风暴合并后龙卷风暴的强度均有不同程度的增强，且第二次风暴合并后龙卷风暴进入成熟阶段并产生龙卷，说明风暴合并对龙卷的发生有较大影响。

3 双偏振参数特征分析

选取2个典型时刻，对比龙卷风暴与单体B合并前后云微物理变化，讨论风暴合并对龙卷风暴的影响。

在17：54，龙卷风暴与单体B合并前，整个龙卷风暴的ZDR回波均较强，强度超过5 dB（图3a1）；FFD区域ZDR超过3 dB的回波向上伸展3～4 km（图3b1），说明风暴内降水粒子基本为扁平状。KDP回波显示（图3c1），KDP强回波集中在FFD区域，呈带状分布，强度超过6 deg/km，大值中心靠近龙卷风暴前侧阵风锋（FFGF）附近，说明此处具有大量液态水，降水较强。而CC回波显示（图3e1），整个龙卷风暴内CC基本接近1，降水为单一相态。综合分析，龙卷风暴与单体B合并前，龙卷风暴主体以大雨滴降水为主。此外，沿着FFGF存在1条带状的CC低值区（图3e1），垂直方向上CC低值区向上延伸约4 km，在2 km高度达到最低（图3f1）。CC的异常低值与强上升气流有关，强上升气流将雨滴带入高层，低层降水较少，导致雷达接收到的信号较弱，与有界弱回波区的形成类似。

到18：48，即龙卷发生前2 min，从ZDR图（图3a2）上可以清楚看到1条沿着FFGF的弧形大值带，强度超过4 dB，说明该区域内降水粒子呈扁平形状，而FFD和RFD区域ZDR较小，1～2 dB，降水粒子接近球形。与ZDR不同，KDP大值中心位于FFD区域，回波强度超过4 deg/km，区域内存在大量液态水，而FFGF附近KDP较小（图3c2）。低层CC在强上升气流区仍存在异常低值（图3b2和d2），但其余区域CC值接近1（图3e2和f2），说明风暴降水仍为单一液态降水。综合分析，风暴主体区域的降水为小雨滴，同时区域内液态水含量较大，说明雨滴数浓度十分高；而FFGF附近主要为大雨滴降水，且雨滴数浓度较低。

对比上述2个时刻的双偏振参量，值得注意的是，龙卷发生时风暴的降水质心存在明显下降（图3d1和d2），且龙卷风暴与单体B合并前，ZDR和KDP大值中心接近重合（图3a1和c1），风暴整体以大雨滴降水为主；而龙卷发生时，ZDR和KDP大值中心分别位于FFGF和FFD区域，存在明显的分离（图3a2和c2），与某学者[5]在非超级单体龙卷风暴中的发现类似。这说明龙卷风暴与单体B合并后，单体B的切向风增大了龙卷风暴附近的垂直风切变，强垂直风切变使小雨滴粒子更容易被带到风暴结构更深的FFD区域内，而质量较大的大雨滴留在FFGF附近。

贺晓露等[6]通过分析S波段双偏振雷达资料和常规观测资料发现，在有利于天气背景作用下，超级单体发展过程中，观测到前侧“V”形入流缺口、中气旋、弱回波穹隆、悬垂回波、钩状回波等特征，且风暴顶高度、风暴质心高度、最大水平反射率因子高度和垂直累积液态含水量等风暴参数均呈先升后降趋势。在此次龙卷过程中，龙卷风暴与单体A合并后，龙卷风暴强度虽然增强，但由于单体A强度和切向风较弱，对龙卷风暴的垂直风切变贡献较小，龙卷风暴内ZDR和KDP未存在明显分离，导致RFD区域内仍存在较强的降水（图3c1），形成的强冷池不利于龙卷产生。而与单体B合并后，龙卷风暴内风切变增强，强风切变一方面可以扭转水平涡度使之成为垂直涡度，触发龙卷；另一方面使ZDR和KDP中心产生明显的分离，风暴降水集中在FFD区域，而RFD区域降水较弱（图3c2），RFD区域的弱冷池形成的地面出流和环境入流接近平衡，也有利于龙卷的发生和维持。

4 结论与讨论

利用再分析资料、探空资料和双偏振雷达资料分析了2021年5月14日苏州EF3级龙卷发生前后的环境场，探究产生苏州龙卷的环境特征，以及苏州龙卷风暴的发展演变过程。结果表明：

（1）苏州龙卷发生在准静止锋南侧暖区内，龙卷发生前大气的不稳定性很强，LCL很低，低层垂直风切变较大，有利于龙卷和龙卷风暴的产生。

（2）苏州龙卷风暴进入成熟期前经历了2次风暴合并，风暴合并增强了龙卷风暴强度和风暴内垂直风切变，成熟的龙卷风暴具有典型的钩状回波和中气旋特征，龙卷过程持续约15 min，龙卷发生前2 min在低层观测到TVS特征。

（3）龙卷风暴进入成熟期前，龙卷风暴整体以大雨滴降水为主；风暴进入成熟期后，ZDR和KDP中心分离，风暴降水分布存在明显的分界线，FFGF附近存在一条弧形ZDR大值带，该区域内以数浓度较低的大雨滴降水为主，KDP中心位于FFD区域，该区域内为小雨滴降水且数浓度较高，而RFD区域降水相对较弱，RFD形成的弱冷池有利于龙卷的产生和维持。

参考文献

[1] 陈海涛，张晶，姚文，等.辽宁营口2019-08-16龙卷过程双偏振雷达特征分析[J].陕西气象，2020（6）：9-14.

[2] 赵海军.山东一次台风龙卷过程灾调及环境和天气雷达特征分析[J].热带气象学报，2022，38（3）：343-352.

[3] 刘红亚，杨引明，张晶，等.一次冰雹天气的WSR-88D双偏振雷达特征分析[J].气象与环境科学，2020，43（2）：1-10.

[4] 郭泽勇，张弘豪，胡胜，等.华南一次非中气旋海面龙卷的大气条件和雷达特征分析[J].热带气象学报，2021，37（4）： 541-555.

[5] 项阳，吴林林.一次超级单体龙卷双偏振多普勒天气雷达分析[J].气象科技， 2021，49（4）：579-588.

[6] 贺晓露，杨涛，李格，等.鄂北一次超级对流单体的双偏振雷达特征分析[J].气象科技，2021，49（6）：913-922.

责任编辑：黄艳飞

AbstractThis paper analyzes the EF3 tornado in Suzhou， Jiangsu Province on May 14， 2021， using reanalysis data， radiosonde data and bipolar radar data. The study found that the tornado occurred in the warm zone on the south side of the Jianghuai quasi-static front. Before the tornado， there were strong atmospheric instability， low uplift condensation height and strong vertical wind shear in Suzhou. After two storms merging， the tornado enters the mature period. The mature tornado has the characteristics of hook echo of typical supercell， strong mesocyclone， and tornado vortex （TVS）. The strong vertical wind shear caused by storm merging leads to the clear boundary of precipitation distribution in the storm， and the centers of large values of differential reflectivity （ZDR） and differential propagation phase constant （KDP） were separated. The KDP center was located in the front subsiding zone （FFD）， and mainly consists of small raindrops with high concentration; The ZDR center was located near the front gust front （FFGF）， which was dominated by heavy raindrops. The weak cold pool formed by heavy raindrops was conducive to the generation of tornadoes.

Key words Tornado; Ddual polarization radar; Differential reflectivity; Differential phase difference; Correlation coefficient

作者簡介 朱皓清（1996—），男，江苏启东人，助理工程师，主要从事强对流等中小尺度天气研究工作。