2021年7月21日保定清苑龍卷雷達觀測和環境條件分析

王福俠,俞小鼎，薛學武，裴宇杰，楊呂玉慈，王宗敏，郭志強，朱剛，王玉虹

(1.河北省氣象臺，河北 石家莊 050021；2.中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；3.河北省氣象與生態環境重點實驗室，河北 石家莊 050021；4.河北省人工影響天氣中心，河北石家莊 050021；5.保定市氣象局，河北 保定 071000)

1 引 言

龍卷具有突發性強、破壞力大、發生概率低的特點，很難觀測和預報。隨著新一代多普勒天氣雷達網的建設和業務化，獲得了一些龍卷的多普勒天氣雷達觀測資料，中國氣象工作者近幾年也做了大量研究工作。

中國龍卷主要發生在中國東半部的相對平坦地區，包括東北平原、華北平原、黃淮和江淮平原、江漢及兩湖平原、華南珠江三角洲及沿海地區，EF2 級及以上強龍卷主要分布在江淮地區、兩湖平原、華南地區、東北地區和華北東南部地區，其中江蘇是中國龍卷發生頻次最高的地區[1-2]。我國容易出現龍卷的天氣系統主要有西風帶系統和熱帶氣旋兩大類[3-14]通過國內大量龍卷個例環境條件的分析一致認為，有利于EF2 級及以上強龍卷的環境條件是需要一定的CAPE（不低于1 000 J/kg）、強的0～6 km 垂直風切變（15 m/s 以上），還需要較高的0～1 km 相對濕度、較低的抬升凝結高度（≤1 200 m）和較大的0～1 km 垂直風切變（≥8 m/s）[1，3-8，15-16]。熱帶氣旋環境下的龍卷風暴多屬于微型超級單體風暴，對流有效位能較弱，很多達不到1 000 J/kg[10，15，17]，有些臺風龍卷0～6 km垂直風切變很小[10]。東北龍卷都是西風帶的冷渦系統造成的，高低空垂直風切變強，0～1 km 垂直風切變大于10 m/s，0～6 km 垂直風切變大于24 m/s，CAPE 大于或接近1 000 J/kg，與熱帶氣旋龍卷略有不同，對流層中低層存在干層，相對濕度較低，抬升凝結高度較高[13，18]。

龍卷大多由超級單體風暴造成，具備超級單體風暴特征，中國造成龍卷的超級單體回波強度一般不是很大，最大反射率因子多在50～60 dBZ，風暴質心高度較低，中氣旋高度較低，除了中層中氣旋外，邊界層內的低層中氣旋（1 km 以下）對龍卷的生成更為重要[12，16-17，19-21]。美國26%的中氣旋產生了龍卷，超級單體底高低于1 km 的中氣旋產生龍卷的概率為40%，而高于1 km 的僅有15%[22]。蘇北地區中氣旋產生龍卷的概率為17%，遠低于美國[19]。有些龍卷的中氣旋直徑較小，多在4 km 以內，屬于微型超級單體[16，19，23]。龍卷渦旋特征TVS作為龍卷的主要雷達回波特征之一并不是所有龍卷個例中都能觀測到，這可能與龍卷尺度小，距離雷達遠有關[10，24]，而有些在距離雷達較近的情況下也沒有觀測到龍卷渦旋特征[11，23，25]，因此預警龍卷主要依靠底高較低的中等以上中氣旋，而TVS 特征的出現可以增加預警龍卷的把握和信心[15]。

X 波段相控陣雙偏振多普勒天氣雷達的徑向分辨率很高，在觀測龍卷等小尺度對流方面有一定優勢[26]，在1804號臺風“艾云尼”佛山大瀝龍卷、1522 號臺風“彩虹”佛山龍卷和1822 號臺風“山竹”佛山三水龍卷中都觀測到了清晰的龍卷碎片特征TDS[11，27-29]，另外在1522號臺風“彩虹”佛山龍卷和1822號臺風“山竹”佛山水龍卷中還觀測到了鉤狀回波的更精細結構，在鉤狀回波強輻合處有清晰的弱回波眼區。

華北是龍卷出現頻率較低的地區，根據2005年后中國氣象局編輯出版的《災害年鑒》和互聯網等途徑統計河北2005—2019 年15 年間出現EF1級以上龍卷4 次。2021 年7 月21 日15—16 時（北京時間，下同）河北省保定市清苑區東閭村遭遇短時強降水和龍卷等強對流天氣。河北省氣象臺選派專家在第一時間進行了詳細的災害調查，這在河北尚數首次。石家莊新樂SA 型雙偏振多普勒天氣雷達（以下簡稱SA 雷達）和雄安新區安新東白莊X 波段相控陣雙偏振多普勒天氣雷達（以下簡稱X 雷達）完整監測到孕育龍卷的低層中氣旋生成全過程。利用常規觀測資料、探空資料、地面區域站加密資料、ERA5再分析資料以及SA雷達、X 雷達資料分析這次龍卷過程的環境條件和雷達回波特征，探索龍卷發生的原因，為龍卷預警提供線索。

2 龍卷災情調查實況及強度定級

2021年7月21 日下午15時30分左右，保定市清苑區部分地區出現強風天氣，持續時間約30 分鐘，其中東閭鄉東閭村遭遇龍卷風，受災較為嚴重。據清苑區應急局統計這次龍卷風造成東閭村102戶受災，受災群眾362人，農房受損67戶共202間，車間受損48 間，受傷人員6 人，死亡2 人，經濟損失約606 萬。東閭村因瞬時強風和龍卷風導致3 條電力線路故障停電，東閭村14 個臺區停電，倒桿32 基（其中高壓8 基，低壓24 基），斷線44 處（高壓9處，低壓35處），高壓變臺倒塌3處。

從X 波段雷達分析龍卷穿越東閭村時間為15時43分—16時05分，和村民描述龍卷風時間基本一致，結合現場災調情況確定此次龍卷開始時間為15 時43 分，結束時間為16 時05 分，歷時22 分鐘。從東閭村東南角（115.570 0 °E，38.626 6 °N）開始，沿西北路徑穿過東閭村南部，到村莊西邊界轉向西南方向移動，在村莊的西南角（115.489 0 °E，38.679 5 °N）減弱消失，影響了東閭村南半部區域。根據無人機航拍影像測算，龍卷全程長約2.5 km，寬約300 m 。

本次災情調查先用無人機確定災害范圍后，在終點和起點附近進行了人工摸排，中間部分（約全程三分之一）由于積水嚴重，未能到達現場，為了更詳細確認災情及樹木倒伏情況，用無人機在300 m高空拍照后再拼接。

從圖1可以看出以龍卷路徑為中心，兩側樹木和莊稼向中心倒伏，呈現明顯的輻合形態。龍卷正好從圖1e 中這片院落中心穿過，樹木倒伏呈現明顯氣旋式輻合，院落北半部樹木從東北向西南或從西北向東南方向倒伏，院落南部樹木由西向東或由西南向東北倒伏（圖1e 中紅色箭頭表示樹木倒伏方向）。圖1f 位置破壞最嚴重，3 間連排廠房彩鋼屋頂全部掀翻，2 間廠房墻體全部倒塌，造成2 人死亡。圖1i 中二樓屋頂彩鋼及鋼架全部刮掉，圖1a 中半個屋頂鋼架和彩鋼被卷起，圖1g 屋頂彩鋼幾乎全部刮走，只剩鋼架，旁邊屋頂彩鋼瓦片也全部坍塌，圖1c 和圖1d 屋頂彩鋼瓦片幾乎全部損壞。圖1h 中廣告牌從根部折斷。災調人員到達現場時吹倒的電線桿和樹木大部分已被清理，只拍攝到少量災損證據，被吹斷的電線桿直徑為13 cm（圖1j）、16 cm、21 cm，大片玉米倒伏，小片樹木倒伏，有些樹木攔腰折斷，樹木直徑14～17 cm 不等（圖1b、1k、1l）。根據以上災情對照龍卷EF等級標準定為EF2級。

圖1 2021年7月21日保定市清苑區東閭村龍卷災害路徑（白色實線）和破壞帶（紅色實線包圍的紅色陰影）

3 天氣背景和環境條件

3.1 天氣背景

從2021年7月21日14時ERA5再分析資料可以看出，500 hPa 副熱帶高壓位于東北、黃海到日本島一帶，臺風“煙花”位于臺灣島以東洋面上，熱帶低壓“查帕卡”位于廣東南部，陜西北部有一低渦，低渦中心向東在山西北部、河北中西部形成偏南風和東南風間的東西向切變，切變位于石家莊、保定上空（圖2a）。700 hPa 從河南北部到河北中部有急流，急流頂端位于保定東部和北京南部，和“煙花”北側的偏東急流形成一條貫通的水汽輸送通道（圖2b），850 hPa 在河北西南部為東南風急流，急流頂端在石家莊南部，“煙花”西北側的東南風在保定東部有風速輻合（圖2c），925 hPa東南風和東北風在河北中南部形成南北向切變，保定東部位于切變中（圖2d）。地面在河北中南部有倒槽，倒槽內東南風和東北風形成南北向輻合線，輻合線比925 hPa 切變線略偏東（圖略）。保定東部925 hPa 以下低層南北向切變和輻合與中層500 hPa 東西向切變疊加，中層700 hPa 急流頂端和850 hPa 風速輻合也位于這個區域，有利于輻合上升運動形成，中層急流輸送的暖濕空氣，加強了不穩定，有利于強對流的生成和發展。

圖2 2021年7月21日14時500 hPa（a）、700 hPa（b）、850 hPa（c）、925 hPa（d）高度場（藍線，單位：dagpm）、風場（風矢，單位：m/s）和低空急流（陰影，單位：m/s）

3.2 環境條件

探空站觀測通常能代表站點周圍100～200 km 范圍的大氣狀態，邢臺、北京是距此次龍卷發生地（保定市清苑區東閭村）最近的2個探空站，東閭村距離邢臺站約200 km ，距離北京站約160 km（圖3）。21 日在河北中南部出現區域性暴雨過程，邢臺站和保定站24 小時降水分別為114.6 mm和140.9 mm，而北京站只有2.3 mm，因此邢臺站探空與保定環境更接近。邢臺探空濕層相對深厚，抬升凝結高度為141 m，CAPE 很小，僅為12.1 J/kg，0～6 km 垂直風切變為9 m/s，0～3 km 垂直風切變為16 m/s，0～1 km 垂直風切變為12 m/s。21 日05—08 時邢臺站開始降雨，3 小時降雨量為3.0 mm，保定站上午為間歇性小雨，到14時6小時降水量為3.2 mm，這時造成東閭村龍卷的對流還沒有生成。保定測站位于清苑區，在東閭村西北方向，距離東閭村約10 km。利用ERA5（0.25 °×0.25 °）再分析資料制作保定站14 時的探空（圖4），抬升凝結高度為316.1 m，CAPE 為1 680.3 J/kg，0～6 km 垂直風切變為7 m/s，0～3 km 垂直風切變為17.1 m/s，0～1 km 垂直風切變為7.1 m/s，0～1 km 風暴相對螺旋度為40.0 m2/s2，低于鄭媛媛、馮佳偉統計[4，10]的龍卷風暴相對螺旋度，0～3 km 風暴相對螺旋度為177.1 m2/s2。因此保定環境條件有利于EF2 級以上龍卷產生[15，30]。7 月21 日河北西南部出現區域性大暴雨過程，保定中西部出現暴雨，東閭村雨量計堵塞，數據不可信，在其西側最近的2個雨量站出現大暴雨，降水主要集中在15—18 時，保定為137.3 mm，張登鎮為126.2 mm，最大小時雨強為87.8 mm，這兩站的大暴雨主要受龍卷超級單體風暴母體和另一個多單體風暴造成，從回波推斷東閭村在龍卷發生期間沒有強降水，龍卷發生第二天災調時東閭村積水應該是龍卷后的另一個多單體風暴造成。因此可以推斷龍卷發生在強降水的邊緣，與河南區域暴雨中的兩次龍卷環境條件[6]對比，保定龍卷對流有效位能更大，0～1 km垂直風切變略小。

圖3 龍卷發生地東閭村和最近探空站（紅色）以及雷達觀測站（黑色）分布圖

圖4 利用ERA5再分析資料構建保定2021年7月21日14時探空

4 雷達回波演變及特征

在保定市清苑區東閭村的附近有2 部雷達。石家莊新樂SA 型雙偏振多普勒天氣雷達在東閭村西南方向，距離約83 km，雄安新區安新東白莊X 波段相控陣雙偏振多普勒天氣雷達在東閭村東北方向，距離約38 km，兩部雷達和東閭村三點近似位于一條直線上（圖3）。

4.1 SA雷達回波演變及特征

4.1.1 中氣旋和超級單體演變特征

15 時24 分1.5 °仰角基本反射率圖上（圖5a）在雷達的東北象限有一西北東南向的帶狀多單體風暴，帶狀多單體風暴向北略偏西方向移動，藍色方框內多單體風暴在1.5°仰角相對風暴徑向速度圖上已經觀測到了γ 中尺度氣旋（圖5b），15 時30分發展成超級單體風暴，隨后超級單體風暴形成龍卷，由于尺度非常小，為了研究超級單體風暴及龍卷的發展演變過程，重點分析藍色方框內的多單體風暴發展成超級單體風暴后的特征。

15時30分0 .5 °（圖6b1）和2.4 °仰角相對風暴徑向速度圖上觀測到中氣旋特征，1.5 °相對風暴徑向速度圖上觀測到TVS 特征（圖6c1黑色箭頭處）。15 時36 分0.5 °（圖6b2）和2.4 °仰角都觀測到中氣旋特征，0.5 °仰角中氣旋直徑減小，1.5 °仰角（圖6c2）TVS 特征演變成中氣旋特征，旋轉減弱。15 時42 分1.5 °（圖6c3）和2.4 °仰角仍然觀測到中氣旋特征，0.5 °仰角（圖6b3）旋轉加強，觀測到TVS 特征，龍卷位于鉤狀回波頂端。15 時48 分1.5 °（圖6c4）和2.4 °仰角仍具備中氣旋特征，0.5 °仰角（圖6b4）TVS 特征消失演變為中氣旋，但旋轉速度加大到最大為13.5 m/s，3.3 °和4.3 °仰角也觀測到中氣旋特征，中氣旋向上發展。16時0.5 °（圖6b5）、1.5 °仰角（圖6c5）、3.3 °和4.3 °仰角仍觀測到中氣旋特征，0.5 °仰角中氣旋旋轉速度仍較大為13.3 m/s。16時06分0.5 °和1.5 °仰角仍能觀測到中氣旋特征，但其他仰角中氣旋特征消失。15 時42 分0.5 °仰角旋轉最強，較強旋轉一直延續到16時。因此，超級單體風暴從15 時30 分一直持續到16 時06 分，0.5 °仰角中氣旋直徑都在4.3 km 以下，屬于微型超級單體風暴。

圖6 石家莊新樂SA雙偏振雷達0.5 °仰角基本反射率（a）、風暴相對徑向速度（b）和1.5 °仰角風暴相對徑向速度（c）（1、2、3、4、5分別是：15時30分、15時36分、15時42分、15時48分和16時00分，圖中黑色圓圈代表中氣旋）

多單體風暴發展成超級單體風暴后，連續5個體掃在0.5 °仰角都觀測到了弱回波區（圖6a1、6a2、6a3、6a4中黑色箭頭，15 時54 分圖略），連續4 個體掃觀測到了鉤狀回波（圖6a2、6a3、6a4中白色箭頭，15時54分圖略）。

4.1.2 超級單體風暴參數演變特征

超級單體風暴的最大反射率因子為57～59 dBZ，變化不大，風暴頂高在6.7～9.9 km 之間，最大反射率因子高度在3.8～5.2 km 之間（圖7）。從15 時30 分—15 時42 分，0.5 °仰角中氣旋旋轉加強，最大反射率因子高度較高為5.1～5.2 km，15時48分0.5 °仰角中氣旋旋轉減弱，同時最大反射率因子高度迅速下降到3.8 km，15 時30 分—15時48 分風暴頂高持續增高，15 時48 分最高，15 時54 分風暴頂高下降到9.1 km，較0.5 °仰角中氣旋減弱滯后了6 分鐘。在超級單體形成前的6 分鐘，最大反射率因子高度和風暴頂高都急劇增長，說明多單體在迅速發展，在超級單體減弱為多單體前6 分鐘，風暴頂高迅速下降，最大反射率因子高度在超級單體減弱為多單體前12分鐘就迅速下降（圖7），說明風暴頂高和最大反射率因子高度和低層中氣旋的變化基本同步。

圖7 石家莊新樂雷達探測的風暴參數演變（粉色曲線為最大反射率因子，單位：dBZ；紅色曲線為最大反射率所在高度，單位：km；黑色曲線為單體頂高，單位：km；藍色曲線為單體底高，單位：km）

4.2 X雷達回波演變特征

保定安新東白莊X 波段相控陣雙偏振雷達，徑向分辨率為30 m，方位分辨率為1.6 °，超級單體風暴位于安新東白莊雷達站西南側約38 km處，方位分辨率約為106 0 m，0 °、1.5 °和3 °仰角距離地面高度約0.46 km、1.39 km和2.34 km。

4.2.1 超級單體和中氣旋演變特征

從15 時23 分1.5 °仰角基本反射率（圖8a）可以看出多單體風暴呈南北向帶狀分布。15 時29分0 °仰角基本反射率（圖8b）觀測到鉤狀回波，鉤狀回波一直持續到16 時03 分（圖8b、8d、8e、8g、8i、8k），16時08分鉤狀回波消失（圖8l）。

圖8 2021年7月21日安新東白莊X波段雷達基本反射率（a、b、d、e、g、i、k、l，時間分別為15時23分、29分、35分、38分、44分、58分，16時03分、08分，a為1.5 °仰角，其他均為0 °仰角）和0 °仰角基本速度（c、f、h、j，時間分別為15時29分、38分、44分、58分）（圖中黑圓圈為中氣旋，紅色線AB為圖10和圖11中剖面位置，A距離雷達32 km，B距離雷達42 km，藍色線段長度表示徑向距離3 km）

15 時30 分在1.5 °、3 °和4.5 °仰角上觀測到中氣旋特征(圖10)，多單體風暴發展為超級單體風暴。15 時38 分中氣旋向上發展，除1.5 °、3 °和4.5 °仰角上觀測到中氣旋特征外，6 °仰角也觀測到中氣旋特征(圖10)，同時在0 °仰角（圖8jf）觀測到中氣旋特征，1 km 以下的低層中氣旋生成。15時44 分0 °仰角（圖8h）中氣旋旋轉速度達到最大為14 m/s，1 km 以下的低層中氣旋旋轉加強，1.5 °～6 °仰角中氣旋特征依然存在。15 時58 分0 °仰角（圖8j）中氣旋旋轉速度為11 m/s，有所減弱，1.5 °～9 °仰角都觀測中氣旋特征，中氣旋高度向上伸展（圖10）。16 時01 分在0 °、1.5 °和3 °仰角依然能觀測到中氣旋特征。16 時03 分無論哪個仰角都觀測不到中氣旋特征。

超級單體風暴從15 時30 分開始持續到16 時01 分，15 時38 分—16 時01 分0 °仰角觀測到中氣旋，0 °仰角中氣旋直徑多在4.3 km 以下，15 時38分、44 分和58 分（圖8f、8h、8j）中氣旋直徑小于3.3 km，中氣旋位于鉤狀回波頂端弱回波區處。

從X波段雷達的立體動畫（圖略）中可見15時43 分鉤狀回波到達東閭村東南角，16 時05 分離開東閭村西南角。超級單體風暴母體從東閭村西側鄰村（張登鎮的全昆村、清涼城村和西王莊村）穿過，這些村莊沒有龍卷災情報告。結合SA 雷達TVS 特征位置，可以斷定龍卷就在鉤狀回波頂端中氣旋內。

X 波段雷達徑向分辨率非常高，探測更精細。在超級單體形成之前以及超級單體形成后，在0 °仰角（圖8c、8f、8h、8j）可以看到清楚的速度輻合線，輻合線在中氣旋的南側和鉤狀回波及其以南區域。

為了分析中氣旋南側輻合線的厚度，選擇15時51 分30 秒0 °、1.5 °和3 °仰角基本反射率和基本徑向速度進行分析，3個仰角都可以看到清楚的鉤狀回波（圖9a1～9a3），鉤狀回波位于超級單體移動方向的右后側。在0 °、1.5 °仰角和3 °仰角（圖9b1～9b3）可以看到清楚的中氣旋，中氣旋位于鉤狀回波頂端的弱回波區中（圖9a1～9a3），旋轉速度分別為13.5 m/s、12.5 m/s 和13.5 m/s，直徑分別為4.2 km，3.2 km 和3.2 km。在中氣旋的南側和鉤狀回波及其以南區域有非常清楚的速度輻合（圖9b1～9b3），輻合線的高度約為2.3 km。證實了沿龍卷路徑地面是輻合的流場[31。在3 °仰角（圖9b3）中氣旋的右側還有一速度對（圖9b3中黑色箭頭），正負速度中心速度值分別為15 m/s，-5 m/s，旋轉速度為10 m/s，在文獻中沒有發現這種情況，還需要進一步研究。

圖9 2021年7月21日15時51分30秒安新東白莊站X波段雷達不同仰角基本反射率（a1：0.0 °；a2：1.5°；a3：3.0 °）和基本徑向速度（b1：0.0°；b2：1.5°；b3：3.0°） 黑圓圈代表中氣旋，黑色虛代表輻合線，藍色線段長度表示徑向距離3 km。

4.2.2 SA雷達和X雷達中氣旋探測對比

由于造成龍卷的超級單體風暴屬于微型超級單體，其含有的中氣旋直徑較小，而俞小鼎等[32]引用的美國NWS（國家氣象局）中氣旋判斷標準，是根據美國平均中氣旋直徑6.5 km 給出的強、中等和弱中氣旋判斷標準，并不適合判斷微型中氣旋的強弱。中氣旋對應的垂直渦度的量級為10-2s-1，因此也常常稱10-2s-1為一個中氣旋單位，Davies-Jones[33]認為，只有中氣旋對應的垂直渦度達到或超過0.5 個中氣旋單位，才能稱為中氣旋。俞小鼎等[34]研究的中國140多個超級單體風暴中，超級單體風暴成熟階段中氣旋最強時對應的垂直渦度峰值區間為1.0～1.5個中氣旋單位，90%以上的成熟中氣旋其垂直渦度位于0.5～3 個中氣旋單位區間。因此，本文采用中氣旋對應的垂直渦度大小判斷中氣旋的強度。

從圖10 可以看出，X 雷達最早在15 時28 分3 °仰角觀測到中氣旋，SA 雷達最早在15 時24 分1.5 °仰角觀測到中氣旋，之后旋轉同時向上、向下發展，在15時30分X雷達和SA雷達都有3個仰角觀測中氣旋，X 雷達觀測的持續深厚的中氣旋持續到16 時01 分，而SA 雷達觀測到的中氣旋持續到了16 時06 分，因此，觀測到的超級單體風暴的起止時間和發展時間兩部雷達基本一致。

圖10 2021年7月21日15時24分—16時06分石家莊新樂雷達和安新東白莊雷達探測的中氣旋垂直渦度（黑圈紅陰影：安新東白莊X波段雷達；黑圈藍陰影：石家莊新樂SA波段雷達）

對比中氣旋的垂直結構（圖10），SA雷達在15時48分—16時中氣旋發展到5 km以上，幾乎同時X雷達也觀測到了5km以上的中氣旋。

從中氣旋垂直渦度大小來看（圖10），15 時30分—16 時06 分超級單體階段，除了15 時30 分1.5 °仰角和15 時42 分0.5 °仰角SA 雷達探測到TVS特征垂直渦度超過2個中氣旋單位外，其他時次兩部雷達探測結果均小于2個中氣旋單位，大部分時次為1～2 個中氣旋單位，超級單體初期SA雷達探測的中氣旋略偏強，超級單體后期X 雷達探測的中氣旋略偏強。SA 雷達最低仰角（0.5 °仰角）和X 雷達最低仰角（0 °仰角）探測到中氣旋最強渦度分別在15時42分和44分，基本一致。

X 雷達1.5 °仰角和SA 雷達0.5 °仰角高度接近，兩部雷達在東閭村方位分辨率相差約400 m，差別不大，探測到中氣旋直徑基本一致，多在4.3 km以下。

與SA 雷達相比，X 雷達在龍卷出現前5 分鐘直到龍卷結束，持續觀測到了1 km 以下的中氣旋，垂直渦度多超過1個中氣旋單位，15時44分和15 時53 分30 秒最強達到1.8 個中氣旋單位（圖10），對于龍卷預警發布有很好的指示意義。

4.2.3 龍卷及超級單體風暴內氣流演變

龍卷位于X 雷達西南方向（圖3），超級單體風暴為西北東南走向（圖8、9），移動方向和走向基本一致?？拷黊 雷達一側為東側，遠離一側為西側。為了分析龍卷及超級單體風暴體內部氣流結構，沿X雷達徑向從A（東）到B（西）（圖8）穿過鉤狀回波頂端及超級單體風暴作剖面。

15 時23 分，中氣旋還沒有生成，多單體風暴距離X 雷達站約38 km，回波已經接地，強回波中心高度在2～4 km 之間（圖11a1），在風暴低層（2 km 以下）觀測到朝向雷達的負速度（與環境風相反），這表明風暴后側開始出現下沉氣流，下沉氣流出流和東側的地面東北風形成輻合，在中層（2～5 km）距離雷達約37 km 處風速輻合，38 km 處風速輻散，可以推斷風暴內部（0～5 km）東側為輻合上升氣流，西側為輻散下沉氣流（圖11b1）。在風暴東側距離雷達約35～36 km 的單體還未接地，35 dBZ以上回波在2～5 km之間（圖11a1）。

15 時28 分在3 °仰角已觀測到中氣旋（圖10）。15 時29 分，多單體風暴加強，強回波中心達到55 dBZ，風暴東側單體（圖8b 中鉤狀回波）仍未接地，35～40 dBZ 回波向下伸展到高1 km 處（圖11a2）。38 km 附近風暴低層（2 km 以下）負速度區向東延伸到距離雷達37 km 附近，負速度加大，風暴內部中低層（0～5 km）東側依然為輻合上升氣流，西側為輻散下沉氣流，受其影響張登鎮（圖13）15時25分風向從東北風轉為西北風，15時30分仍為西北風，風速加大，風向的突變也證明出現了下沉氣流出流。風暴東側單體（距離雷達35～36 km）的西側1～5 km 高度出現明顯的輻散風場，輻散下沉出流和東北風入流在單體東側（距離雷達約35 km）形成明顯輻合（圖11b2和圖8c)，輻合伸展到約4 km高度（圖11b2），有利于上升運動發展。

15 時35 分，鉤狀回波發展加強，已經接地（圖11a3），距離雷達約35 km，接地位置正是15 時29分風暴東側單體中低層的強輻合區（圖11b2）。此時多單體風暴已經加強為超級單體風暴，在0 °仰角還沒有觀測到中氣旋。超級單體風暴母體和鉤狀回波有各自的強回波中心，是相對獨立的（圖11a3）。超級單體風暴母體回波強度減弱（圖11a3），母體風暴內東側依然為輻合上升氣流、西側輻散下沉氣流，后側出流范圍加大，鉤狀回波低層的強輻合迅速減弱，但在中層西側存在明顯輻散下沉氣流（圖11b3）。

15 時38 分，0 °仰角已經觀測到中氣旋特征，旋轉速度12 m/s（圖8），垂直渦度達到次大為1.5個中氣旋單位（圖10），中氣旋位于鉤狀回波頂端，此時鉤狀回波位于東閭村南約800 m 田地里，并未發現災情。超級單體風暴母體和鉤狀回波強度加強（圖11a4）。超級單體風暴母體內以輻散下沉氣流為主，僅在低層（2～4 km）還有上升氣流。超級單體風暴低層（2 km 以下）出流速度加大，向東擴展到35 km 處鉤狀回波內，和地面東北風形成輻合，鉤狀回波內西側地面以上5 km 形成風向輻合，中層（3～5 km）向著雷達速度（負速度）達到10 m/s

以上，輻合比低層更強，鉤狀回波內西側為輻合上升氣流，同時在東側已經出現輻散下沉氣流（圖11b4）。

15 時44 分，超級單體風暴母體和鉤狀回波中心回波強度加大（圖12a1），超級單體風暴母體內均為輻散風場，以下沉氣流為主，鉤狀回波接地面積加大，低層（2 km 以下）負速度加大，1 km 以下最大負速度超過15 m/s，鉤狀回波內低層輻合達到最強，剖面位置經過中氣旋負速度中心，0 °仰角中氣旋旋轉速度達到最大，垂直渦度達到最大為1.8 個中氣旋單位（圖10），鉤狀回波內西側為輻合上升氣流，鉤狀回波東側仍有相對較弱的輻散下沉氣流（圖12b1）。此時，龍卷剛形成進入東閭村，造成農戶彩鋼屋頂一半掀翻卷起（圖1a）。15 時53分30秒0 °仰角中氣旋再次達到最強，造成工廠內彩鋼屋頂全部掀翻，墻體倒坍，致死2人（圖1f）。

圖12 同圖11，但時間為2021年7月21日15時44分、15時58分、16時03分、16時08分

15 時58 分，超級單體風暴母體內為輻散風場，以下沉氣流為主，在其東側距離雷達約37 km處低層出現輻合上升氣流（圖12b2），鉤狀回波接地面積減?。▓D12a2），其西側仍為輻合上升氣流，東側仍有相對較弱的輻散下沉氣流，低層1 km 以下輻合仍然很強，與44分相比，中層的輻合明顯減弱，低層輻合略減弱（圖12b2），垂直渦度也減小為1.4 個中氣旋單位。此時，龍卷已經到了東閭村西部，造成二樓屋頂彩鋼及鋼架全部刮掉（圖1i）。

16時03分，鉤狀回波仍接地（圖12a3），僅在低層有輻合上升氣流，母體風暴內沒有明顯的輻合、輻散（圖12b3）。16 時08 分，鉤狀回波低層風向輻合消失轉為風速輻散，上升氣流轉為下沉氣流（圖12b4），鉤狀回波接地部分迅速減弱（圖12a4）。

5 龍卷低層中氣旋形成機理討論

低層中氣旋的形成機制目前不是很清楚。美國的風暴追蹤者發現產生龍卷的超級單體，在龍卷生成前，總是先產生后側下沉氣流，然后才產生龍卷，有些學者認為低層中氣旋的生成后側下沉氣流起主要作用[35-38]。由于后側下沉氣流溫度低于環境溫度，將形成一個渦環，該渦環隨著后側下沉氣流下降并逐漸擴大，陣風鋒前側暖濕氣流沿著陣風鋒冷墊抬升，在后側陣風鋒附近水平渦管被拉伸，形成“渦線弧”，兩條陣風鋒錮囚點附近的垂直渦度為氣旋式渦度，最終形成低層中氣旋，要形成龍卷并維持，還需要后側陣風鋒附近的低層強輻合區位于適當位置，和中層強上升氣流向上垂直拉伸，使得低層中氣旋的垂直渦度在短時間內迅速加強[15，38]。

東閭村區域站由于故障沒有數據，張登鎮位于東閭村西側約4 km，石橋鄉和河橋鄉位于東閭村北側約9 km，是距離東閭村最近的三個區域站，龍卷母體在東閭村西側張登鎮上空，東閭村所在區域地面為東北風，三個區域站可以代表東閭村周邊環境。東閭村龍卷過程，中層中氣旋15 時28 分首先出現在2.3 km 高度，8 分鐘后向上發展到4.2 km（圖10），這時超級單體后側已經出現下沉氣流（圖11b2、11b3），張登鎮15 時20 分之前為東北風，15 時25 分轉為西北風，風向突變說明出現下沉氣流出流，西北風一直持續到15時55分，說明這段時間一直存在下沉氣流。由于張登鎮區域站距離龍卷約4 km，位于龍卷母體強回波邊緣位置，因此在龍卷影響前后風速變化不大。從逐5 分鐘區域站降水和氣溫（圖13）來看，張登鎮15時25分后降水加強，到15 時40 分5 分鐘降水達到8.6 mm，氣溫下降到24.7 ℃，河橋鄉和石橋鄉降水很弱，氣溫為26.9 ℃和26.3 ℃，因此張登鎮低于周圍環境氣溫約2 ℃，因此東閭村位于暖區，而張登鎮處于相對冷區，暖濕東北入流在冷出流上抬升，再疊加地面的輻合上升，15時38分形成低層中氣旋。需要指出，實際觀測中看到的中層先有中氣旋，然后低層才有中氣旋，給人的感覺是中層中氣旋向下擴展了，而從理論分析發現[15]中層中氣旋形成后不存在向下擴展到地面附近的機制，因此低層中氣旋是獨立生成，而不是中層中氣旋向下擴展形成的[35-38]。

圖13 2021年7月21日15時—16時10分東閭村周邊區域站逐5分鐘降水柱狀圖、氣溫曲線圖和張登鎮瞬時風向風速

在低層中氣旋形成6 分鐘后，15 時44 分(圖12b1)低層的輻合達到最強，低層中氣旋迅速加強形成龍卷，龍卷形成后，低層強輻合一直存在（圖9b1、圖12b2），東閭村龍卷風持續。

上述觀測結果部分符合美國學者提出的低層中氣旋形成以及低層中氣旋迅速加強為龍卷的機理。

6 結 論

（1）龍卷全長約2.5 km，寬約300 m，歷時22分鐘。根據災情評定為EF2 級。造成龍卷的風暴屬于微型超級單體風暴，其環境濕層相對深厚，抬升凝結高度為316.1 m，CAPE 達到1 680.3 J/kg，0～6 km 風矢量差為7 m/s，0～3 km 風矢量差為17.1 m/s，0～1 km 風矢量差為7.1 m/s，對流層低層垂直風切變較大，與熱帶氣旋環境下的微型超級單體龍卷相比，垂直風切變基本一致，但CAPE偏強。

（2）SA 雷達和X 雷達觀測到的1 km 以上中氣旋起止時間、強度、伸展高度和演變趨勢基本一致。但X 雷達在龍卷發生前5 分鐘就觀測到1 km以下的中氣旋，一直持續到龍卷結束，對發布龍卷預警有很好的指示意義。

（3）X 雷達完整觀測到超級單體母體和鉤狀回波內氣流的精細結構和演變。X 雷達清晰地觀測到鉤狀回波頂點附近有清晰的輻合線，從鉤狀回波觸地之前一直持續到龍卷結束，輻合線的伸展高度在2 km 以上，此觀測事實驗證了沿龍卷路徑地面是輻合流場的結論。

（4）X 雷達觀測到在1 km 以下低層中氣旋形成之前，超級單體母體先出現后側下沉氣流，后側下沉氣流溫度低于環境溫度形成渦環，前側暖濕氣流沿冷墊抬升，在1 km 以上中氣旋的下方形成低層中氣旋，以上觀測事實驗證了美國學者提出的低層中氣旋的形成機理以及后側下沉氣流在低層中氣旋形成中的重要作用。

（5）在龍卷形成前X雷達觀測到1 km以下低層中氣旋，6 分鐘后觀測低層輻合達到最強，這時龍卷剛形成，龍卷維持期間低層強輻合一直存在，這些觀測結果部分符合美國學者提出低層中氣旋還需要低層強輻合以及中層強上升氣流的向上垂直拉升，龍卷才能形成的機理。