2021年7月21日保定清苑龙卷雷达观测和环境条件分析

王福侠,俞小鼎，薛学武，裴宇杰，杨吕玉慈，王宗敏，郭志强，朱刚，王玉虹

(1.河北省气象台，河北 石家庄 050021；2.中国气象局气象干部培训学院，北京 100081；3.河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄 050021；4.河北省人工影响天气中心，河北石家庄 050021；5.保定市气象局，河北 保定 071000)

1 引 言

龙卷具有突发性强、破坏力大、发生概率低的特点，很难观测和预报。随着新一代多普勒天气雷达网的建设和业务化，获得了一些龙卷的多普勒天气雷达观测资料，中国气象工作者近几年也做了大量研究工作。

中国龙卷主要发生在中国东半部的相对平坦地区，包括东北平原、华北平原、黄淮和江淮平原、江汉及两湖平原、华南珠江三角洲及沿海地区，EF2 级及以上强龙卷主要分布在江淮地区、两湖平原、华南地区、东北地区和华北东南部地区，其中江苏是中国龙卷发生频次最高的地区[1-2]。我国容易出现龙卷的天气系统主要有西风带系统和热带气旋两大类[3-14]通过国内大量龙卷个例环境条件的分析一致认为，有利于EF2 级及以上强龙卷的环境条件是需要一定的CAPE（不低于1 000 J/kg）、强的0～6 km 垂直风切变（15 m/s 以上），还需要较高的0～1 km 相对湿度、较低的抬升凝结高度（≤1 200 m）和较大的0～1 km 垂直风切变（≥8 m/s）[1，3-8，15-16]。热带气旋环境下的龙卷风暴多属于微型超级单体风暴，对流有效位能较弱，很多达不到1 000 J/kg[10，15，17]，有些台风龙卷0～6 km垂直风切变很小[10]。东北龙卷都是西风带的冷涡系统造成的，高低空垂直风切变强，0～1 km 垂直风切变大于10 m/s，0～6 km 垂直风切变大于24 m/s，CAPE 大于或接近1 000 J/kg，与热带气旋龙卷略有不同，对流层中低层存在干层，相对湿度较低，抬升凝结高度较高[13，18]。

龙卷大多由超级单体风暴造成，具备超级单体风暴特征，中国造成龙卷的超级单体回波强度一般不是很大，最大反射率因子多在50～60 dBZ，风暴质心高度较低，中气旋高度较低，除了中层中气旋外，边界层内的低层中气旋（1 km 以下）对龙卷的生成更为重要[12，16-17，19-21]。美国26%的中气旋产生了龙卷，超级单体底高低于1 km 的中气旋产生龙卷的概率为40%，而高于1 km 的仅有15%[22]。苏北地区中气旋产生龙卷的概率为17%，远低于美国[19]。有些龙卷的中气旋直径较小，多在4 km 以内，属于微型超级单体[16，19，23]。龙卷涡旋特征TVS作为龙卷的主要雷达回波特征之一并不是所有龙卷个例中都能观测到，这可能与龙卷尺度小，距离雷达远有关[10，24]，而有些在距离雷达较近的情况下也没有观测到龙卷涡旋特征[11，23，25]，因此预警龙卷主要依靠底高较低的中等以上中气旋，而TVS 特征的出现可以增加预警龙卷的把握和信心[15]。

X 波段相控阵双偏振多普勒天气雷达的径向分辨率很高，在观测龙卷等小尺度对流方面有一定优势[26]，在1804号台风“艾云尼”佛山大沥龙卷、1522 号台风“彩虹”佛山龙卷和1822 号台风“山竹”佛山三水龙卷中都观测到了清晰的龙卷碎片特征TDS[11，27-29]，另外在1522号台风“彩虹”佛山龙卷和1822号台风“山竹”佛山水龙卷中还观测到了钩状回波的更精细结构，在钩状回波强辐合处有清晰的弱回波眼区。

华北是龙卷出现频率较低的地区，根据2005年后中国气象局编辑出版的《灾害年鉴》和互联网等途径统计河北2005—2019 年15 年间出现EF1级以上龙卷4 次。2021 年7 月21 日15—16 时（北京时间，下同）河北省保定市清苑区东闾村遭遇短时强降水和龙卷等强对流天气。河北省气象台选派专家在第一时间进行了详细的灾害调查，这在河北尚数首次。石家庄新乐SA 型双偏振多普勒天气雷达（以下简称SA 雷达）和雄安新区安新东白庄X 波段相控阵双偏振多普勒天气雷达（以下简称X 雷达）完整监测到孕育龙卷的低层中气旋生成全过程。利用常规观测资料、探空资料、地面区域站加密资料、ERA5再分析资料以及SA雷达、X 雷达资料分析这次龙卷过程的环境条件和雷达回波特征，探索龙卷发生的原因，为龙卷预警提供线索。

2 龙卷灾情调查实况及强度定级

2021年7月21 日下午15时30分左右，保定市清苑区部分地区出现强风天气，持续时间约30 分钟，其中东闾乡东闾村遭遇龙卷风，受灾较为严重。据清苑区应急局统计这次龙卷风造成东闾村102户受灾，受灾群众362人，农房受损67户共202间，车间受损48 间，受伤人员6 人，死亡2 人，经济损失约606 万。东闾村因瞬时强风和龙卷风导致3 条电力线路故障停电，东闾村14 个台区停电，倒杆32 基（其中高压8 基，低压24 基），断线44 处（高压9处，低压35处），高压变台倒塌3处。

从X 波段雷达分析龙卷穿越东闾村时间为15时43分—16时05分，和村民描述龙卷风时间基本一致，结合现场灾调情况确定此次龙卷开始时间为15 时43 分，结束时间为16 时05 分，历时22 分钟。从东闾村东南角（115.570 0 °E，38.626 6 °N）开始，沿西北路径穿过东闾村南部，到村庄西边界转向西南方向移动，在村庄的西南角（115.489 0 °E，38.679 5 °N）减弱消失，影响了东闾村南半部区域。根据无人机航拍影像测算，龙卷全程长约2.5 km，宽约300 m 。

本次灾情调查先用无人机确定灾害范围后，在终点和起点附近进行了人工摸排，中间部分（约全程三分之一）由于积水严重，未能到达现场，为了更详细确认灾情及树木倒伏情况，用无人机在300 m高空拍照后再拼接。

从图1可以看出以龙卷路径为中心，两侧树木和庄稼向中心倒伏，呈现明显的辐合形态。龙卷正好从图1e 中这片院落中心穿过，树木倒伏呈现明显气旋式辐合，院落北半部树木从东北向西南或从西北向东南方向倒伏，院落南部树木由西向东或由西南向东北倒伏（图1e 中红色箭头表示树木倒伏方向）。图1f 位置破坏最严重，3 间连排厂房彩钢屋顶全部掀翻，2 间厂房墙体全部倒塌，造成2 人死亡。图1i 中二楼屋顶彩钢及钢架全部刮掉，图1a 中半个屋顶钢架和彩钢被卷起，图1g 屋顶彩钢几乎全部刮走，只剩钢架，旁边屋顶彩钢瓦片也全部坍塌，图1c 和图1d 屋顶彩钢瓦片几乎全部损坏。图1h 中广告牌从根部折断。灾调人员到达现场时吹倒的电线杆和树木大部分已被清理，只拍摄到少量灾损证据，被吹断的电线杆直径为13 cm（图1j）、16 cm、21 cm，大片玉米倒伏，小片树木倒伏，有些树木拦腰折断，树木直径14～17 cm 不等（图1b、1k、1l）。根据以上灾情对照龙卷EF等级标准定为EF2级。

图1 2021年7月21日保定市清苑区东闾村龙卷灾害路径（白色实线）和破坏带（红色实线包围的红色阴影）

3 天气背景和环境条件

3.1 天气背景

从2021年7月21日14时ERA5再分析资料可以看出，500 hPa 副热带高压位于东北、黄海到日本岛一带，台风“烟花”位于台湾岛以东洋面上，热带低压“查帕卡”位于广东南部，陕西北部有一低涡，低涡中心向东在山西北部、河北中西部形成偏南风和东南风间的东西向切变，切变位于石家庄、保定上空（图2a）。700 hPa 从河南北部到河北中部有急流，急流顶端位于保定东部和北京南部，和“烟花”北侧的偏东急流形成一条贯通的水汽输送通道（图2b），850 hPa 在河北西南部为东南风急流，急流顶端在石家庄南部，“烟花”西北侧的东南风在保定东部有风速辐合（图2c），925 hPa东南风和东北风在河北中南部形成南北向切变，保定东部位于切变中（图2d）。地面在河北中南部有倒槽，倒槽内东南风和东北风形成南北向辐合线，辐合线比925 hPa 切变线略偏东（图略）。保定东部925 hPa 以下低层南北向切变和辐合与中层500 hPa 东西向切变叠加，中层700 hPa 急流顶端和850 hPa 风速辐合也位于这个区域，有利于辐合上升运动形成，中层急流输送的暖湿空气，加强了不稳定，有利于强对流的生成和发展。

图2 2021年7月21日14时500 hPa（a）、700 hPa（b）、850 hPa（c）、925 hPa（d）高度场（蓝线，单位：dagpm）、风场（风矢，单位：m/s）和低空急流（阴影，单位：m/s）

3.2 环境条件

探空站观测通常能代表站点周围100～200 km 范围的大气状态，邢台、北京是距此次龙卷发生地（保定市清苑区东闾村）最近的2个探空站，东闾村距离邢台站约200 km ，距离北京站约160 km（图3）。21 日在河北中南部出现区域性暴雨过程，邢台站和保定站24 小时降水分别为114.6 mm和140.9 mm，而北京站只有2.3 mm，因此邢台站探空与保定环境更接近。邢台探空湿层相对深厚，抬升凝结高度为141 m，CAPE 很小，仅为12.1 J/kg，0～6 km 垂直风切变为9 m/s，0～3 km 垂直风切变为16 m/s，0～1 km 垂直风切变为12 m/s。21 日05—08 时邢台站开始降雨，3 小时降雨量为3.0 mm，保定站上午为间歇性小雨，到14时6小时降水量为3.2 mm，这时造成东闾村龙卷的对流还没有生成。保定测站位于清苑区，在东闾村西北方向，距离东闾村约10 km。利用ERA5（0.25 °×0.25 °）再分析资料制作保定站14 时的探空（图4），抬升凝结高度为316.1 m，CAPE 为1 680.3 J/kg，0～6 km 垂直风切变为7 m/s，0～3 km 垂直风切变为17.1 m/s，0～1 km 垂直风切变为7.1 m/s，0～1 km 风暴相对螺旋度为40.0 m2/s2，低于郑媛媛、冯佳伟统计[4，10]的龙卷风暴相对螺旋度，0～3 km 风暴相对螺旋度为177.1 m2/s2。因此保定环境条件有利于EF2 级以上龙卷产生[15，30]。7 月21 日河北西南部出现区域性大暴雨过程，保定中西部出现暴雨，东闾村雨量计堵塞，数据不可信，在其西侧最近的2个雨量站出现大暴雨，降水主要集中在15—18 时，保定为137.3 mm，张登镇为126.2 mm，最大小时雨强为87.8 mm，这两站的大暴雨主要受龙卷超级单体风暴母体和另一个多单体风暴造成，从回波推断东闾村在龙卷发生期间没有强降水，龙卷发生第二天灾调时东闾村积水应该是龙卷后的另一个多单体风暴造成。因此可以推断龙卷发生在强降水的边缘，与河南区域暴雨中的两次龙卷环境条件[6]对比，保定龙卷对流有效位能更大，0～1 km垂直风切变略小。

图3 龙卷发生地东闾村和最近探空站（红色）以及雷达观测站（黑色）分布图

图4 利用ERA5再分析资料构建保定2021年7月21日14时探空

4 雷达回波演变及特征

在保定市清苑区东闾村的附近有2 部雷达。石家庄新乐SA 型双偏振多普勒天气雷达在东闾村西南方向，距离约83 km，雄安新区安新东白庄X 波段相控阵双偏振多普勒天气雷达在东闾村东北方向，距离约38 km，两部雷达和东闾村三点近似位于一条直线上（图3）。

4.1 SA雷达回波演变及特征

4.1.1 中气旋和超级单体演变特征

15 时24 分1.5 °仰角基本反射率图上（图5a）在雷达的东北象限有一西北东南向的带状多单体风暴，带状多单体风暴向北略偏西方向移动，蓝色方框内多单体风暴在1.5°仰角相对风暴径向速度图上已经观测到了γ 中尺度气旋（图5b），15 时30分发展成超级单体风暴，随后超级单体风暴形成龙卷，由于尺度非常小，为了研究超级单体风暴及龙卷的发展演变过程，重点分析蓝色方框内的多单体风暴发展成超级单体风暴后的特征。

15时30分0 .5 °（图6b1）和2.4 °仰角相对风暴径向速度图上观测到中气旋特征，1.5 °相对风暴径向速度图上观测到TVS 特征（图6c1黑色箭头处）。15 时36 分0.5 °（图6b2）和2.4 °仰角都观测到中气旋特征，0.5 °仰角中气旋直径减小，1.5 °仰角（图6c2）TVS 特征演变成中气旋特征，旋转减弱。15 时42 分1.5 °（图6c3）和2.4 °仰角仍然观测到中气旋特征，0.5 °仰角（图6b3）旋转加强，观测到TVS 特征，龙卷位于钩状回波顶端。15 时48 分1.5 °（图6c4）和2.4 °仰角仍具备中气旋特征，0.5 °仰角（图6b4）TVS 特征消失演变为中气旋，但旋转速度加大到最大为13.5 m/s，3.3 °和4.3 °仰角也观测到中气旋特征，中气旋向上发展。16时0.5 °（图6b5）、1.5 °仰角（图6c5）、3.3 °和4.3 °仰角仍观测到中气旋特征，0.5 °仰角中气旋旋转速度仍较大为13.3 m/s。16时06分0.5 °和1.5 °仰角仍能观测到中气旋特征，但其他仰角中气旋特征消失。15 时42 分0.5 °仰角旋转最强，较强旋转一直延续到16时。因此，超级单体风暴从15 时30 分一直持续到16 时06 分，0.5 °仰角中气旋直径都在4.3 km 以下，属于微型超级单体风暴。

图6 石家庄新乐SA双偏振雷达0.5 °仰角基本反射率（a）、风暴相对径向速度（b）和1.5 °仰角风暴相对径向速度（c）（1、2、3、4、5分别是：15时30分、15时36分、15时42分、15时48分和16时00分，图中黑色圆圈代表中气旋）

多单体风暴发展成超级单体风暴后，连续5个体扫在0.5 °仰角都观测到了弱回波区（图6a1、6a2、6a3、6a4中黑色箭头，15 时54 分图略），连续4 个体扫观测到了钩状回波（图6a2、6a3、6a4中白色箭头，15时54分图略）。

4.1.2 超级单体风暴参数演变特征

超级单体风暴的最大反射率因子为57～59 dBZ，变化不大，风暴顶高在6.7～9.9 km 之间，最大反射率因子高度在3.8～5.2 km 之间（图7）。从15 时30 分—15 时42 分，0.5 °仰角中气旋旋转加强，最大反射率因子高度较高为5.1～5.2 km，15时48分0.5 °仰角中气旋旋转减弱，同时最大反射率因子高度迅速下降到3.8 km，15 时30 分—15时48 分风暴顶高持续增高，15 时48 分最高，15 时54 分风暴顶高下降到9.1 km，较0.5 °仰角中气旋减弱滞后了6 分钟。在超级单体形成前的6 分钟，最大反射率因子高度和风暴顶高都急剧增长，说明多单体在迅速发展，在超级单体减弱为多单体前6 分钟，风暴顶高迅速下降，最大反射率因子高度在超级单体减弱为多单体前12分钟就迅速下降（图7），说明风暴顶高和最大反射率因子高度和低层中气旋的变化基本同步。

图7 石家庄新乐雷达探测的风暴参数演变（粉色曲线为最大反射率因子，单位：dBZ；红色曲线为最大反射率所在高度，单位：km；黑色曲线为单体顶高，单位：km；蓝色曲线为单体底高，单位：km）

4.2 X雷达回波演变特征

保定安新东白庄X 波段相控阵双偏振雷达，径向分辨率为30 m，方位分辨率为1.6 °，超级单体风暴位于安新东白庄雷达站西南侧约38 km处，方位分辨率约为106 0 m，0 °、1.5 °和3 °仰角距离地面高度约0.46 km、1.39 km和2.34 km。

4.2.1 超级单体和中气旋演变特征

从15 时23 分1.5 °仰角基本反射率（图8a）可以看出多单体风暴呈南北向带状分布。15 时29分0 °仰角基本反射率（图8b）观测到钩状回波，钩状回波一直持续到16 时03 分（图8b、8d、8e、8g、8i、8k），16时08分钩状回波消失（图8l）。

图8 2021年7月21日安新东白庄X波段雷达基本反射率（a、b、d、e、g、i、k、l，时间分别为15时23分、29分、35分、38分、44分、58分，16时03分、08分，a为1.5 °仰角，其他均为0 °仰角）和0 °仰角基本速度（c、f、h、j，时间分别为15时29分、38分、44分、58分）（图中黑圆圈为中气旋，红色线AB为图10和图11中剖面位置，A距离雷达32 km，B距离雷达42 km，蓝色线段长度表示径向距离3 km）

15 时30 分在1.5 °、3 °和4.5 °仰角上观测到中气旋特征(图10)，多单体风暴发展为超级单体风暴。15 时38 分中气旋向上发展，除1.5 °、3 °和4.5 °仰角上观测到中气旋特征外，6 °仰角也观测到中气旋特征(图10)，同时在0 °仰角（图8jf）观测到中气旋特征，1 km 以下的低层中气旋生成。15时44 分0 °仰角（图8h）中气旋旋转速度达到最大为14 m/s，1 km 以下的低层中气旋旋转加强，1.5 °～6 °仰角中气旋特征依然存在。15 时58 分0 °仰角（图8j）中气旋旋转速度为11 m/s，有所减弱，1.5 °～9 °仰角都观测中气旋特征，中气旋高度向上伸展（图10）。16 时01 分在0 °、1.5 °和3 °仰角依然能观测到中气旋特征。16 时03 分无论哪个仰角都观测不到中气旋特征。

超级单体风暴从15 时30 分开始持续到16 时01 分，15 时38 分—16 时01 分0 °仰角观测到中气旋，0 °仰角中气旋直径多在4.3 km 以下，15 时38分、44 分和58 分（图8f、8h、8j）中气旋直径小于3.3 km，中气旋位于钩状回波顶端弱回波区处。

从X波段雷达的立体动画（图略）中可见15时43 分钩状回波到达东闾村东南角，16 时05 分离开东闾村西南角。超级单体风暴母体从东闾村西侧邻村（张登镇的全昆村、清凉城村和西王庄村）穿过，这些村庄没有龙卷灾情报告。结合SA 雷达TVS 特征位置，可以断定龙卷就在钩状回波顶端中气旋内。

X 波段雷达径向分辨率非常高，探测更精细。在超级单体形成之前以及超级单体形成后，在0 °仰角（图8c、8f、8h、8j）可以看到清楚的速度辐合线，辐合线在中气旋的南侧和钩状回波及其以南区域。

为了分析中气旋南侧辐合线的厚度，选择15时51 分30 秒0 °、1.5 °和3 °仰角基本反射率和基本径向速度进行分析，3个仰角都可以看到清楚的钩状回波（图9a1～9a3），钩状回波位于超级单体移动方向的右后侧。在0 °、1.5 °仰角和3 °仰角（图9b1～9b3）可以看到清楚的中气旋，中气旋位于钩状回波顶端的弱回波区中（图9a1～9a3），旋转速度分别为13.5 m/s、12.5 m/s 和13.5 m/s，直径分别为4.2 km，3.2 km 和3.2 km。在中气旋的南侧和钩状回波及其以南区域有非常清楚的速度辐合（图9b1～9b3），辐合线的高度约为2.3 km。证实了沿龙卷路径地面是辐合的流场[31。在3 °仰角（图9b3）中气旋的右侧还有一速度对（图9b3中黑色箭头），正负速度中心速度值分别为15 m/s，-5 m/s，旋转速度为10 m/s，在文献中没有发现这种情况，还需要进一步研究。

图9 2021年7月21日15时51分30秒安新东白庄站X波段雷达不同仰角基本反射率（a1：0.0 °；a2：1.5°；a3：3.0 °）和基本径向速度（b1：0.0°；b2：1.5°；b3：3.0°） 黑圆圈代表中气旋，黑色虚代表辐合线，蓝色线段长度表示径向距离3 km。

4.2.2 SA雷达和X雷达中气旋探测对比

由于造成龙卷的超级单体风暴属于微型超级单体，其含有的中气旋直径较小，而俞小鼎等[32]引用的美国NWS（国家气象局）中气旋判断标准，是根据美国平均中气旋直径6.5 km 给出的强、中等和弱中气旋判断标准，并不适合判断微型中气旋的强弱。中气旋对应的垂直涡度的量级为10-2s-1，因此也常常称10-2s-1为一个中气旋单位，Davies-Jones[33]认为，只有中气旋对应的垂直涡度达到或超过0.5 个中气旋单位，才能称为中气旋。俞小鼎等[34]研究的中国140多个超级单体风暴中，超级单体风暴成熟阶段中气旋最强时对应的垂直涡度峰值区间为1.0～1.5个中气旋单位，90%以上的成熟中气旋其垂直涡度位于0.5～3 个中气旋单位区间。因此，本文采用中气旋对应的垂直涡度大小判断中气旋的强度。

从图10 可以看出，X 雷达最早在15 时28 分3 °仰角观测到中气旋，SA 雷达最早在15 时24 分1.5 °仰角观测到中气旋，之后旋转同时向上、向下发展，在15时30分X雷达和SA雷达都有3个仰角观测中气旋，X 雷达观测的持续深厚的中气旋持续到16 时01 分，而SA 雷达观测到的中气旋持续到了16 时06 分，因此，观测到的超级单体风暴的起止时间和发展时间两部雷达基本一致。

图10 2021年7月21日15时24分—16时06分石家庄新乐雷达和安新东白庄雷达探测的中气旋垂直涡度（黑圈红阴影：安新东白庄X波段雷达；黑圈蓝阴影：石家庄新乐SA波段雷达）

对比中气旋的垂直结构（图10），SA雷达在15时48分—16时中气旋发展到5 km以上，几乎同时X雷达也观测到了5km以上的中气旋。

从中气旋垂直涡度大小来看（图10），15 时30分—16 时06 分超级单体阶段，除了15 时30 分1.5 °仰角和15 时42 分0.5 °仰角SA 雷达探测到TVS特征垂直涡度超过2个中气旋单位外，其他时次两部雷达探测结果均小于2个中气旋单位，大部分时次为1～2 个中气旋单位，超级单体初期SA雷达探测的中气旋略偏强，超级单体后期X 雷达探测的中气旋略偏强。SA 雷达最低仰角（0.5 °仰角）和X 雷达最低仰角（0 °仰角）探测到中气旋最强涡度分别在15时42分和44分，基本一致。

X 雷达1.5 °仰角和SA 雷达0.5 °仰角高度接近，两部雷达在东闾村方位分辨率相差约400 m，差别不大，探测到中气旋直径基本一致，多在4.3 km以下。

与SA 雷达相比，X 雷达在龙卷出现前5 分钟直到龙卷结束，持续观测到了1 km 以下的中气旋，垂直涡度多超过1个中气旋单位，15时44分和15 时53 分30 秒最强达到1.8 个中气旋单位（图10），对于龙卷预警发布有很好的指示意义。

4.2.3 龙卷及超级单体风暴内气流演变

龙卷位于X 雷达西南方向（图3），超级单体风暴为西北东南走向（图8、9），移动方向和走向基本一致。靠近X 雷达一侧为东侧，远离一侧为西侧。为了分析龙卷及超级单体风暴体内部气流结构，沿X雷达径向从A（东）到B（西）（图8）穿过钩状回波顶端及超级单体风暴作剖面。

15 时23 分，中气旋还没有生成，多单体风暴距离X 雷达站约38 km，回波已经接地，强回波中心高度在2～4 km 之间（图11a1），在风暴低层（2 km 以下）观测到朝向雷达的负速度（与环境风相反），这表明风暴后侧开始出现下沉气流，下沉气流出流和东侧的地面东北风形成辐合，在中层（2～5 km）距离雷达约37 km 处风速辐合，38 km 处风速辐散，可以推断风暴内部（0～5 km）东侧为辐合上升气流，西侧为辐散下沉气流（图11b1）。在风暴东侧距离雷达约35～36 km 的单体还未接地，35 dBZ以上回波在2～5 km之间（图11a1）。

15 时28 分在3 °仰角已观测到中气旋（图10）。15 时29 分，多单体风暴加强，强回波中心达到55 dBZ，风暴东侧单体（图8b 中钩状回波）仍未接地，35～40 dBZ 回波向下伸展到高1 km 处（图11a2）。38 km 附近风暴低层（2 km 以下）负速度区向东延伸到距离雷达37 km 附近，负速度加大，风暴内部中低层（0～5 km）东侧依然为辐合上升气流，西侧为辐散下沉气流，受其影响张登镇（图13）15时25分风向从东北风转为西北风，15时30分仍为西北风，风速加大，风向的突变也证明出现了下沉气流出流。风暴东侧单体（距离雷达35～36 km）的西侧1～5 km 高度出现明显的辐散风场，辐散下沉出流和东北风入流在单体东侧（距离雷达约35 km）形成明显辐合（图11b2和图8c)，辐合伸展到约4 km高度（图11b2），有利于上升运动发展。

15 时35 分，钩状回波发展加强，已经接地（图11a3），距离雷达约35 km，接地位置正是15 时29分风暴东侧单体中低层的强辐合区（图11b2）。此时多单体风暴已经加强为超级单体风暴，在0 °仰角还没有观测到中气旋。超级单体风暴母体和钩状回波有各自的强回波中心，是相对独立的（图11a3）。超级单体风暴母体回波强度减弱（图11a3），母体风暴内东侧依然为辐合上升气流、西侧辐散下沉气流，后侧出流范围加大，钩状回波低层的强辐合迅速减弱，但在中层西侧存在明显辐散下沉气流（图11b3）。

15 时38 分，0 °仰角已经观测到中气旋特征，旋转速度12 m/s（图8），垂直涡度达到次大为1.5个中气旋单位（图10），中气旋位于钩状回波顶端，此时钩状回波位于东闾村南约800 m 田地里，并未发现灾情。超级单体风暴母体和钩状回波强度加强（图11a4）。超级单体风暴母体内以辐散下沉气流为主，仅在低层（2～4 km）还有上升气流。超级单体风暴低层（2 km 以下）出流速度加大，向东扩展到35 km 处钩状回波内，和地面东北风形成辐合，钩状回波内西侧地面以上5 km 形成风向辐合，中层（3～5 km）向着雷达速度（负速度）达到10 m/s

以上，辐合比低层更强，钩状回波内西侧为辐合上升气流，同时在东侧已经出现辐散下沉气流（图11b4）。

15 时44 分，超级单体风暴母体和钩状回波中心回波强度加大（图12a1），超级单体风暴母体内均为辐散风场，以下沉气流为主，钩状回波接地面积加大，低层（2 km 以下）负速度加大，1 km 以下最大负速度超过15 m/s，钩状回波内低层辐合达到最强，剖面位置经过中气旋负速度中心，0 °仰角中气旋旋转速度达到最大，垂直涡度达到最大为1.8 个中气旋单位（图10），钩状回波内西侧为辐合上升气流，钩状回波东侧仍有相对较弱的辐散下沉气流（图12b1）。此时，龙卷刚形成进入东闾村，造成农户彩钢屋顶一半掀翻卷起（图1a）。15 时53分30秒0 °仰角中气旋再次达到最强，造成工厂内彩钢屋顶全部掀翻，墙体倒坍，致死2人（图1f）。

图12 同图11，但时间为2021年7月21日15时44分、15时58分、16时03分、16时08分

15 时58 分，超级单体风暴母体内为辐散风场，以下沉气流为主，在其东侧距离雷达约37 km处低层出现辐合上升气流（图12b2），钩状回波接地面积减小（图12a2），其西侧仍为辐合上升气流，东侧仍有相对较弱的辐散下沉气流，低层1 km 以下辐合仍然很强，与44分相比，中层的辐合明显减弱，低层辐合略减弱（图12b2），垂直涡度也减小为1.4 个中气旋单位。此时，龙卷已经到了东闾村西部，造成二楼屋顶彩钢及钢架全部刮掉（图1i）。

16时03分，钩状回波仍接地（图12a3），仅在低层有辐合上升气流，母体风暴内没有明显的辐合、辐散（图12b3）。16 时08 分，钩状回波低层风向辐合消失转为风速辐散，上升气流转为下沉气流（图12b4），钩状回波接地部分迅速减弱（图12a4）。

5 龙卷低层中气旋形成机理讨论

低层中气旋的形成机制目前不是很清楚。美国的风暴追踪者发现产生龙卷的超级单体，在龙卷生成前，总是先产生后侧下沉气流，然后才产生龙卷，有些学者认为低层中气旋的生成后侧下沉气流起主要作用[35-38]。由于后侧下沉气流温度低于环境温度，将形成一个涡环，该涡环随着后侧下沉气流下降并逐渐扩大，阵风锋前侧暖湿气流沿着阵风锋冷垫抬升，在后侧阵风锋附近水平涡管被拉伸，形成“涡线弧”，两条阵风锋锢囚点附近的垂直涡度为气旋式涡度，最终形成低层中气旋，要形成龙卷并维持，还需要后侧阵风锋附近的低层强辐合区位于适当位置，和中层强上升气流向上垂直拉伸，使得低层中气旋的垂直涡度在短时间内迅速加强[15，38]。

东闾村区域站由于故障没有数据，张登镇位于东闾村西侧约4 km，石桥乡和河桥乡位于东闾村北侧约9 km，是距离东闾村最近的三个区域站，龙卷母体在东闾村西侧张登镇上空，东闾村所在区域地面为东北风，三个区域站可以代表东闾村周边环境。东闾村龙卷过程，中层中气旋15 时28 分首先出现在2.3 km 高度，8 分钟后向上发展到4.2 km（图10），这时超级单体后侧已经出现下沉气流（图11b2、11b3），张登镇15 时20 分之前为东北风，15 时25 分转为西北风，风向突变说明出现下沉气流出流，西北风一直持续到15时55分，说明这段时间一直存在下沉气流。由于张登镇区域站距离龙卷约4 km，位于龙卷母体强回波边缘位置，因此在龙卷影响前后风速变化不大。从逐5 分钟区域站降水和气温（图13）来看，张登镇15时25分后降水加强，到15 时40 分5 分钟降水达到8.6 mm，气温下降到24.7 ℃，河桥乡和石桥乡降水很弱，气温为26.9 ℃和26.3 ℃，因此张登镇低于周围环境气温约2 ℃，因此东闾村位于暖区，而张登镇处于相对冷区，暖湿东北入流在冷出流上抬升，再叠加地面的辐合上升，15时38分形成低层中气旋。需要指出，实际观测中看到的中层先有中气旋，然后低层才有中气旋，给人的感觉是中层中气旋向下扩展了，而从理论分析发现[15]中层中气旋形成后不存在向下扩展到地面附近的机制，因此低层中气旋是独立生成，而不是中层中气旋向下扩展形成的[35-38]。

图13 2021年7月21日15时—16时10分东闾村周边区域站逐5分钟降水柱状图、气温曲线图和张登镇瞬时风向风速

在低层中气旋形成6 分钟后，15 时44 分(图12b1)低层的辐合达到最强，低层中气旋迅速加强形成龙卷，龙卷形成后，低层强辐合一直存在（图9b1、图12b2），东闾村龙卷风持续。

上述观测结果部分符合美国学者提出的低层中气旋形成以及低层中气旋迅速加强为龙卷的机理。

6 结 论

（1）龙卷全长约2.5 km，宽约300 m，历时22分钟。根据灾情评定为EF2 级。造成龙卷的风暴属于微型超级单体风暴，其环境湿层相对深厚，抬升凝结高度为316.1 m，CAPE 达到1 680.3 J/kg，0～6 km 风矢量差为7 m/s，0～3 km 风矢量差为17.1 m/s，0～1 km 风矢量差为7.1 m/s，对流层低层垂直风切变较大，与热带气旋环境下的微型超级单体龙卷相比，垂直风切变基本一致，但CAPE偏强。

（2）SA 雷达和X 雷达观测到的1 km 以上中气旋起止时间、强度、伸展高度和演变趋势基本一致。但X 雷达在龙卷发生前5 分钟就观测到1 km以下的中气旋，一直持续到龙卷结束，对发布龙卷预警有很好的指示意义。

（3）X 雷达完整观测到超级单体母体和钩状回波内气流的精细结构和演变。X 雷达清晰地观测到钩状回波顶点附近有清晰的辐合线，从钩状回波触地之前一直持续到龙卷结束，辐合线的伸展高度在2 km 以上，此观测事实验证了沿龙卷路径地面是辐合流场的结论。

（4）X 雷达观测到在1 km 以下低层中气旋形成之前，超级单体母体先出现后侧下沉气流，后侧下沉气流温度低于环境温度形成涡环，前侧暖湿气流沿冷垫抬升，在1 km 以上中气旋的下方形成低层中气旋，以上观测事实验证了美国学者提出的低层中气旋的形成机理以及后侧下沉气流在低层中气旋形成中的重要作用。

（5）在龙卷形成前X雷达观测到1 km以下低层中气旋，6 分钟后观测低层辐合达到最强，这时龙卷刚形成，龙卷维持期间低层强辐合一直存在，这些观测结果部分符合美国学者提出低层中气旋还需要低层强辐合以及中层强上升气流的向上垂直拉升，龙卷才能形成的机理。