引言

龙卷风和雷暴大风是两类产生巨大灾害的中小尺度强对流天气。龙卷风是从对流云中伸展到地面的剧烈旋转的漏斗状云柱，是破坏力极大的小尺度(几十米到几百米)灾害天气。而雷暴大风是强风暴或与飑线、强锋面有关的带状对流中处于成熟阶段的单体中的下沉气流(在地面产生≥18 m·s^-1辐散性大风的强下沉气流称为下击暴流)在近地面处向水平方向扩散形成的辐散性的阵风(> 17.2 m·s^-1)，偶尔雷暴大风也会由很强的低层入流产生。

研究龙卷风和雷暴大风发生的环境和多普勒雷达特征有助于提前预警这两类灾害天气(俞小鼎等，2020；郑永光，2020)。国内外很多学者通过分析龙卷个例的环境背景场和雷达资料发现，龙卷过程多发生在较大的对流有效位能、较强的低层垂直风切变和低的抬升凝结高度的环境条件下，且龙卷发生地附近都有低层边界(冷锋或雷暴外流边界等) (Brooks et al，2003；Craven and Brooks, 2004；姚叶青等，2007；王秀明等，2015)。龙卷超级单体风暴在雷达上能监测到较为明显的钩状回波、回波悬垂和低层中等强度以上的中气旋甚至尺度更小的龙卷涡旋特征(Tornado Vortex Signature, TVS) (Desrochers et al., 1992; Burgess et al., 1993；李婉仪等，2020)，而非龙卷超级单体的回波形态和强度不尽相同，但是能观测到风暴顶的激增和低层径向速度上的小尺度涡旋(刁秀广等，2014；朱义青等，2020)。在雷暴大风的发生环境和特征方面，廖晓农等(2009)发现北京地区绝大多数雷暴大风的环境背景都具有对流层中层存在明显干层的特征，方翀等(2017)发现华北平原的雷暴大风多发生在有较大的垂直风切变环境中，刘希文等(2018)和李彩玲等(2021)通过分析其他地区的雷暴大风个例也发现了相似的环境特征。由成熟雷暴中的强下沉气流产生的雷暴大风在低仰角径向速度场上表现为小尺度径向辐散特征(雷达径向上的正负速度对)或大风核区(因外部环境因子影响和离散的小尺度下沉气流叠加引起的非对称性出流) (Fujita，1979；Wilson and Schreiber, 1986；Potts，1989)。弓状回波也是一种在较大范围内产生较强下击暴流的回波形态(Fujita，1979；崔讲学等，2007；吴翠红等，2012)。Roberts和Wilson (1989)使用单个和多个多普勒天气雷达研究了一些云内下击暴流发生的先兆，他们确定了在下击暴流(初始地面出流)发生前2~6 min普遍出现的4个主要特征：1) 下降的反射率因子核；2) 云底附近或之上高度增加的径向辐合；3) 沿风暴边缘腐蚀的反射率因子(反射率因子槽口)；4) 绕垂直轴的旋转。国内很多学者通过下击暴流个例分析也证实了这些先兆特征的存在(王珏等，2009；刘希文等，2018；张弛等，2019；李彩玲等，2021)。

这些研究表明产生龙卷和雷暴大风的对流系统在大气环境背景和雷达回波上有一些相似的特征，而龙卷天气的发生概率比雷暴大风天气要小得多，在不常发生龙卷的地区难以快速确定可能发生哪种灾害性天气，因此对这两种天气的环境背景和雷达特征进行对比分析，有助于快速识别这两种天气。2021年5月10日和14日，湖北武汉先后发生了雷暴大风和龙卷天气过程。本文利用常规探空和武汉多普勒天气雷达资料，对这2次过程的环境条件、多普勒雷达回波特征和雷达衍生参量进行了对比分析，为预报预警这两类大风天气提供参考。

1 天气实况及资料

2021年5月10日下午，湖北省东部地区发生了大范围雷暴大风和短时强降水天气，11—18时(北京时，下同)累计降水≥50 mm的区域站有114个，其中最大小时降水99.6 mm (城市学院站，14—15时)，≥100 mm的区域站有3个，最大累计降水为121.1mm (城市学院站)，小时极大风风速≥17.2 m × s^-1的有236站次，最大值为44.9 m × s^-1(二七长江大桥站，14:40)，黄石、鄂州等地还出现了冰雹(图 1 a)。5月14日晚，湖北省东部地区再次发生强对流天气，其中武汉市蔡甸区奓山街出现了EF3级龙卷风，根据灾情调查分析，龙卷风出现时段为20:33—20:54 (图 1中所示)，伴有鸡蛋大的冰雹，距离龙卷风路径最近的奓山观测站极大风速23.9 m·s^-1 (距离龙卷位置3.68 km，20∶39)，20—21时降水28.2 mm (图 1b)，两次天气过程均造成了人员伤亡和大量财产损失。从图 1中可以看出，两次过程灾害最强的地点均在武汉，都产生了强烈的大风，但是伴随的其它天气又显著不同，本文利用武汉常规探空、逐小时区域站和武汉雷达资料(包括基数据和PUP产品)对这两次对流性大风过程的环境背景和多普勒雷达特征进行分析。PUP中的基本径向速度、中气旋和TVS产品都基于未退模糊的速度数据生成。

2 天气背景

图 2为两次过程天气背景分析、探空和强对流天气发生前地面要素分析图，图中可以看出5月10日08时湖北主要受川东低槽和中低层低涡东部暖切变的影响，湖北位于暖切变顶部的偏南气流中；700 hPa冷切变位于河南，850 hPa冷平流由河南进入湖北(图 2a)。5月14日20时，湖北主要受高空槽和中低层西南暖湿气流影响，500 hPa浅槽位于四川盆地，湖北受850 hPa低涡东部西南气流控制，湖北中东部位于风速辐合区(图 2b)。

从逐小时地面观测来看，5月10日下午在湖北东部有3支主要的气流：①从山东经河南沿汉江河谷而下的较冷偏北气流(图 2e中绿色箭头)；②由雷暴产生的，自湖南北部吹向江汉平原的冷性西南气流(图 2e中蓝色箭头)；③江西北部沿长江向西的暖性偏东气流(图 2e中紫色箭头)。3支气流在江汉平原北部交汇形成辐合区。14时湖南北部的雷暴冷出流向北推进，在湖北中东部形成两条辐合线，一条位于荆门北部，一条位于咸宁北部-武汉西部(图 2e绿色双实线)。15时湖北中东部基本上为雷暴高压控制，辐合线北推到湖北东部边界处(图略)。5月14日晚上湖北位于地面暖低压倒槽顶部，湖北东部同样有3支气流：①从襄阳吹向江汉平原的较冷西北气流(图 2f中绿色箭头)；②从湖南北部吹向江汉平原的暖性东南气流(图 2f中紫色箭头)；③由雷暴产生的，从黄冈吹向江汉平原的较冷东北气流(图 2f中蓝色箭头)。3支气流在武汉西南部形成辐合区，辐合区一直维持到21时。从5月14日21∶00—21∶30逐5分钟的地面风观测来看，蔡甸区一直有小尺度气旋性辐合存在，而且在21:25风速增大到6 m·s^-1(图略)。

探空图上两次过程发生前的湿度和垂直风廓线差异明显。5月10日武汉上空925—500 hPa有明显的干层存在，而14日则整层湿度均较大；10日的水平风垂直切变显著小于14日的，特别是在1.5 km高度以下，14日的风向随高度剧烈顺转约150°，风速激增6 m·s^-1 (图 2c，d)。

表 1给出了使用常规探空数据计算的一些常用强对流物理量，包括对流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE)、下沉对流有效位能(Downdraft Convective Available Potential Energyy, DCAPE)、大风指数(Wind Indexy, WI)、抬升凝结高度(Lifting Condensation Levely, LCL)、垂直风切变(DV)、850 hPa和500 hPa的假相当位温差(△θ_se850-500)、能量螺旋度(Energy Helicity Indexy, EHI)、强天气威胁指数(SWEAT)等。其中EHI是由CAPE和风暴相对螺旋度(Storm Relative Helicityy, SRH)组成的无量纲数，反映CAPE和SRH之间的相互平衡特征，其数值越大，表示发生强对流天气的潜在可能性越大。SWEAT是美国应用于龙卷和强雷暴天气预报的一个无量纲物理量，研究表明，其值大于400时可能发生龙卷(刘健文等，2005)。从表 1中可以看到两次过程的WI和LCL差异不大；10日的DCAPE值显著大于14日的，除此之外，DV、CAPE、△θ_se850-500、SWEAT和EHI都明显比14日的小，特别是SWEAT和EHI。

3 多普勒雷达特征

武汉S波段多普勒天气雷达能够提供反射率(R)、径向速度(V)、垂直累计液态含水量(Vertically Integrated Liquid water, VIL)、垂直风廓线(Vertical Wind Profile, VWP)、中气旋(Mesocyclone, M)、龙卷涡旋特征(Tornado Vortex Signature, TVS)等基本和衍生产品，用于强对流天气的监测和识别(俞小鼎等，2006)。因为武汉雷达0.5°仰角受雷达站附近建筑影响，在其南部区域有多方位遮挡，这两次天气过程的对流系统主要发生在雷达站西南，故本文选取1.5°仰角的基本产品进行分析。

3.1 反射率因子演变

从反射率因子的演变来看，从5月10日上午开始，湖南北部有混合性降水回波向湖北境内移动，11时，降水回波主体进入江汉平原，对流性降水回波在回波带前部，后侧是大范围层状云降水。12时，该回波带继续向北偏东方向移动，咸宁西南有新生对流向东北方向移动。13时，该对流带后部的层状云与主体位于天门等地的对流带层状云部分相连接成为一条较长的回波带，其前部和武汉东南有多个对流新生，受南风气流影响，对流单体多以北偏东方向移动(图 3b箭头所示)。14时，武汉西南部形成一条西北-东南向的对流回波带，回波带上不同回波团的移动方向略有差别(图 3c箭头所示)，回波带则向东北方向移动，鄂州等地则是有多个对流单体发展，移动过程中与周围新生单体合并，形成较大回波团。到14∶30，雷达站西南方向的回波带向东北方向移动过程中与带前新生对流合并，地面降水加强，低层反射率因子上看不到出流边界(图 3d)。45 dBz回波高度达到7 km，没有明显倾斜，由于灾害发生时回波经过雷达站，故没有观测到降回波质心突降的现象。回波带继续向东北方向移动，其东南端不断有新生对流并入，使得对流带呈弓状(图 3e，f)。

5月14日下午，湖北东南部有大量对流单体发展，向东北方向移动。18时在潜江、天门一带有多个对流发展，向东北方向移动(图 3g)。移动过程中南部单体加强，北部的单体略有减弱，两者逐渐合并，20时左右发展成为较大的单体(图 3i)，20∶18单体东南出现回波缺口和窄带回波，到20∶24低层反射率因子呈现明显的钩状，钩状头部可以看到清楚的向外延伸的窄带回波(图 3j)。超级单体向东偏北方向移动，21时低层反射率图上钩状结构不明显(图 3k)，22时直至移到黄冈境内减弱消散。

3.2 径向速度特征

图 4给出了两次过程武汉雷达1.5°仰角径向速度图的演变。由图可见，5月10日13时左右，咸宁附近的对流回波内为朝向雷达的速度大值区并且出现了速度模糊(图略)，与中低层的西南急流对应。14时回波连成带状后，其后侧呈现大范围的朝向雷达的速度，也出现了速度模糊(图 4a)。14∶30，回波经过雷达站，大风核位于雷达站(图 4b)。当回波带离开雷达站后，径向速度场表现为远离雷达的大值区(图 4c)。结合地面大风的逐时分布来看，武汉地区的大范围大风与低层大风核的移动路径一致(图略)。

5月14日19时(图略)仙桃附近回波的径向速度场受距离折叠(紫色区域)影响，只能看到朝向雷达的速度，20时单体回波内能清楚地看到气旋式辐合(图 4d)，20∶06雷达系统识别到TVS。20∶30能看到明显的中气旋，雷达系统识别到TVS (图 4e)。单体内气旋式辐合一直维持，有时能识别到TVS，21时后速度场上气旋式辐合特征逐渐减弱，此时仍识别到TVS，之后再未识别到中气旋和TVS。表 2给出雷达系统在单体中识别到中气旋和TVS的时段和相关参量，其中，M、3DC和UNC分别表示中气旋、三维相关切变和非相关切变。中气旋和TVS产品的参量值变化很大，尤其是顶高、切变和最强切变高度等，部分时次切变值很小，高度较高，结合识别产品的位置和径向速度发现，使用未经退模糊的速度数据和雷达站附近波束阻挡形成的奇异值均会导致速度差计算失误，从而影响到切变以及高度的计算，所以尽管系统多次识别到中气旋和TVS，但其准确性需要进行修正。

3.3 下击暴流和TVS 3.3.1 低层大风核和辐散

3.2节分析了5月10日影响武汉的对流系统由西南侧的湖南向北推进的对流带和东部本地新生对流合并形成，由于多个对流单体的强下沉气流出流叠加和西南急流的共同影响，在径向速度场上表现为低层大风核。但是，在对流带前侧也有一些相对孤立的对流单体产生了强下沉气流，表现为低层的小尺度径向辐散特征。图 5给出了5月10日14∶12武汉雷达1.5°仰角的基本反射率、径向速度和单体剖面图。本节以后使用的径向速度资料均经过退模糊处理(肖艳姣等，2012)。

从图 5a可以看到14:12武汉西南侧有大片对流回波，在其前侧、武汉东南部和雷达站有大量对流单体，与之对应的径向速度场分别表现为大范围大风核区(图 5b红色椭圆内)和分散性的辐散区域(图 5b黄色椭圆内)。径向速度叠加14∶12—14∶18区域站17 m·s^-1以上的极大风(图 5b黄色风杆)可以看到雷达50 km范围内，地面大风分布在两个区域，一个是雷达站西南侧的大风核区，一个是在雷达站附近。雷达站附近的单体的径向速度场呈明显辐散特征，对应地面产生下击暴流(14∶14，蔡甸，20.1 m·s^-1)，而雷达站东南侧的辐散区在该时段未观测到地面大风。分别沿虚线A、B做垂直剖面(图 5a₁、a₂、b₁、b₂)，分析该处单体结构特征。从图 5a₁可以看到径向上有排列着4个对流单体(由于回波相互连接，以45 dBz反射率作为核心区分，图 5a₁矩形所示)。单体1发展较强，但是受雷达探测影响无法观测到风暴顶，50 dBz以上回波伸展到5—6 km高度，在单体低层有明显的辐合(图 5a₂矩形1)。单体2中心强度较单体1略弱，50 dBz回波发展高度基本上在0 ℃层高度以下，单体底部为大风核区形成的速度辐合，高层有辐散(图 5a₂矩形2)。单体3的径向速度上表现为低层是大风核区后部的速度辐散区，中层有辐合，高层为辐散(图 5a₂矩形3)，由于低层已经出现辐散，上升运动减弱，回波强度较弱，发展高度不高(图 5a₁矩形3)。单体4内中低层均为朝向雷达的速度，无明显辐合、辐散，高层表现为辐散(图 5a₂矩形4)，没有辐合上升，单体将减弱。

沿线段B的垂直剖面可以看到两个相对孤立的单体，与线段A上的单体相比，强度较强，回波发展高度较高，其中单体5的50 dBz以上回波发展到将近-20°层高度，最大反射率因子达到60 dBz(图 5b₁矩形5)，径向速度图上单体低层靠近雷达一侧表现为入流，远离雷达一侧表现为出流，中高层是辐合，风暴顶为辐散(图 5b₂矩形5)，说明单体处于发展旺盛阶段，单体低层的辐散气流正产生下击暴流。单体6内反射率因子核位于中低层(图 5b₁矩形6)，对应位置径向速度上表现为强辐合(图 5b₂矩形6)。

5月10日多个对流单体的剖面显示，对流发展较高，强回波中心主要在0 ℃层高度以下，回波体没有明显的倾斜，单体中层有径向辐合，高层辐散，这些与产生强降水的单体特征一致，有部分对流单体低层有明显的径向速度辐散，这与下击暴流的产生密切相关。

3.3.2 超级单体龙卷涡旋特征

5月14日的龙卷天气由超级单体产生，图 6给出了14日20∶06—21∶00单体反射率和径向速度图(速度图显示反射率图中橙色矩形内放大部分)。20∶06— 20∶18单体的中部逐渐向内凹，速度图上受距离折叠影响只能观察到单体东北侧有强辐合，20∶24起反射率图上能观测到钩状回波，钩状回波的后部和前侧分别为下沉气流区和上升气流区。速度图上对应钩状回波处有正负速度对形成的中气旋，放大该处径向速度图能看到相邻方位的很大风切变(图 6b₅箭头所示)，直到21∶00单体钩状结构消失，回波强度减弱，但速度场上的气旋式辐合仍然存在。沿图 6a₅虚线段C做剖面得到图 6c₁，c₂，可以看到钩状回波壁处回波最强，65 dBz回波高度发展到-20 ℃层高度以上，同时回波梯度也大，钩状回波上部是强回波悬垂(图 6c₁)。在其回波壁对应是伸展到12 km以上的强辐合区，在辐合区的底部有小的正速度(远离雷达，向外)区伸入负速度(朝向雷达，向里)区，像素之间很大的风切变(图 6c₂箭头所示)，说明低层有强烈辐合，最大相邻速度切变达到712.9×10^-4 s^-1。龙卷风的生成与超级单体钩状后部的下沉气流密切相关，因为在该下沉气流周围会形成水平涡环，随着前侧局部强上升气流斜升形成一对垂直涡偶，在强辐合拉伸作用下，形成龙卷风。

本文选取超级单体相对成熟的时段，在单体识别的基础上计算了超级单体内的径向速度切变(肖艳姣，2018；肖艳姣等，2021)，由于14日龙卷过程伴随有大冰雹，同时计算了VIL和强冰雹指数(Strong Hail Index：SHI)(肖艳姣等，2021)随时间的变化，图 7给出这些参量随时间的变化。从图中可以看到14日19:42以后VIL和SHI都是先增加后减小的趋势，出现峰值的时间基本一致，略早于龙卷发生时间(图 7a)，由于没有降雹的具体时间，故无法确定达到峰值的时间与降雹之间的关系。中气旋旋转速度也呈现先增加后减小的趋势，但是峰值时间略晚于龙卷发生时间(图 7b深蓝色线)，中气旋顶高波动较大，但是底高在20∶12时降到1 km左右，20∶30降到1km以下，与龙卷发生时间基本一致，结合旋转速度的变化，表明该中气旋转速增大的同时向下伸展，可能有龙卷发生。最大相邻速度切变在龙卷发生之前呈缓慢上升趋势(图 7c深蓝色线)，20∶36达到峰值后开始下降，最大切变所在高度波动很大，但在20∶30时降到1 km以下，然后维持在1 km左右波动，大的切变维持在较低的高度也意味着可能有龙卷发生。

4 径向速度衍生产品

研究表明环境垂直风切变对风暴的形成、组织结构有重要的影响，从第2节的探空分析中可以看到，这两次过程都发生在垂直风切变较大的环境中，14日龙卷过程的垂直风切变要远大于10日的过程，但是10日的环境探空是08时的，过程发生在午后，代表性较差。基于质控后的武汉雷达径向速度数据，采用分层VVP (Volume Velocity Processing)方法反演了垂直风廓线(肖艳姣等，2016)(图 8)。分层VVP方法在雷达周围降水回波分布不均匀的情况下也能提供有效的垂直风廓线，而业务雷达系统中采用的VAD方法却会因通不过对称性检查而给出“ND”标识。从图 8a中可以看到5月10日13—14时，武汉附近中低层以偏南风为主，风速不大，14时后低层开始逐渐转西南风，15时回波经过武汉后，中高层是西南急流，低层从西南风转为偏西北风。从图 8b可看出5月14日19—22时武汉附近低层为偏东南风，中高层为西南风，低层的风向随高度明显顺转，风速随高度显著增加，这样的环境风更有利于超级单体的产生。

利用上述反演产品计算了这两次对流大风过程的0—1 km、0—6 km高度的垂直风切变DV (单位: m·s^-1)和0—1 km、0—3 km高度的风暴相对螺旋度SRH (单位: m·²s^-2)(刘健文等，2005；王丽荣等，2006)。

5月10日SRH均随时间由正值转为负值，反映了随着回波带向雷达站推进，暖平流逐渐减弱转变成冷平流的过程。0—1 km DV在强回波带经过雷达站前略有减小，0—6 km DV则出现大幅减小(图 9a)，出现这种现象是因为随着雷暴高压向雷达站靠近，其外缘的出流导致雷达站附近低层的南风增大。

与10日相比，14日的0—1 km、0—3 km的SRH和DV均要大得多，龙卷过程发生前，SRH和DV都呈现增大趋势(图 9b)，这说明环境中气流的伸展和旋转程度在加强，有利于龙卷的形成。

5 结论

(1) 2021年5月两次在武汉区域产生强烈对流性大风的过程均是发生在具有高不稳定能量、低抬升凝结高度和强垂直风切变的环境里，地面均有多支中尺度气流形成辐合。10日中层的干冷空气和降水粒子的融化和蒸发等相变是强下沉气流发动产生雷暴大风的主要原因，并在低层形成冷性雷暴高压。14日的水平风垂直切变明显大于10日的，特别是在低层，风向随高度剧烈顺转，风速随高度显著增加，有利于超级单体的发生；在龙卷发生前半小时蔡甸区一直存在小尺度气旋性辐合且有增强的趋势，这增加了低层涡旋向上拉伸的潜力，有利于龙卷风的发生。

(2) 两次过程发生前的对流物理量值都比较大，但有些量的差异显著，预示着不同类型的强对流天气。10日的DCAPE显著高于14日的，有利于雷暴大风天气发生；14日的EHI和中低层的DV等物理量显著高于10日的，有利于超级单体龙卷的发生。分析基于径向速度基数据反演的VWP计算得到的DV和SRH，发现在10日回波带经过雷达站前受雷暴出流影响出现DV减小、SRH由正变负的现象，而14日龙卷发生前二者都呈现增大趋势。

(3) 在雷达观测上，10日是由多单体合并形成强回波带，由于多个单体的出流叠加和西南急流的共同影响，径向速度上表现为低层大风核；而在对流带前侧也有一些相对孤立的对流单体产生了下击暴流，表现为低层小尺度径向辐散特征。14日的龙卷超级单体具有典型的钩状回波、有界弱回波区、强中气旋和TVS等特征。

(4) 雷达系统提供的中气旋和TVS产品对强对流天气有指示作用，但是需要根据参量信息和径向速度具体分析，以免造成误判，对雷达数据进行速度退模糊处理后的自动识别可以一定程度上减小这样的误差。

(5) 这两次过程的对流参量、SRH和DV的变化趋势以及雷达特征差异明显，可以应用于对流性大风和龙卷风天气的识别和预警，但是仍需要通过大量个例综合分析提炼出具体预警指标。