引言

2021年4月中旬以来，我国长江中下游地区出现了多次雷暴大风、龙卷等灾害性大风天气过程，造成重大人员伤亡和财产损失。如：4月30日江苏省淮安、南通和苏州等地出现13~15级的极端大风，造成江苏省13人死亡；5月10日湖北省武汉市出现10级以上大风，造成2人死亡；5月14日傍晚到夜间苏州和武汉两地先后出现龙卷等极端大风灾害，共造成14人死亡，引起网络媒体的大量转发和关注。其中武汉的对流大风灾害由于发生在夜间，且伴随强降雨、冰雹等多种强对流天气同时发生，没有有效的视频资料佐证引起大风灾害的风灾类型，需通过现场灾情调查和气象监测资料综合分析风灾类型和强度。

Fujita和Wakimoto (1981)总结了强对流风暴导致的3类灾害性大风包括：龙卷大风、孤立的下击暴流大风和系列下击暴流群导致的区域性大风。龙卷大风路径一般相对比较狭窄，通常是高度辐合的旋转性风场；而孤立下击暴流大风和系列下击暴流群大风是有明显辐散特征的直线型大风。前2类对流性大风通常空间尺度小，影响时间短，但造成的灾害强，却很少能直接被气象观测站观测到，因此对龙卷等致灾雷暴大风灾害现场进行灾情调查，确定风灾类型和风灾等级对促进龙卷等强对流天气的研究有重要意义。

近年来我国相关学者对国内多次龙卷等致灾雷暴大风开展了大量的现场调查研究，如：2012年7月21日北京一次龙卷过程(Meng and Yao, 2014)，2015年6月1日引起“东方之星”客轮翻沉事件的强下击暴流过程(Meng et al., 2016；郑永光等，2016a)，2016年6月23日江苏阜宁EF4级龙卷(郑永光等，2016b；Meng et al., 2018)，2019年3月21日广西临桂EF2级下击暴流、4月13日广东湛江徐闻EF3级龙卷过程、7月3日辽宁开原EF4级龙卷过程等(黄先香等，2021；李彩玲等，2021；蔡康龙等，2021；张涛等，2020；郑永光等，2020；植江玲等，2020)。佛山市龙卷风研究中心从2015年台风“彩虹”外围龙卷后开始开展全国龙卷等致灾雷暴大风的灾情调查工作，截止2021年6月，已参与了全国54次龙卷等致灾雷暴大风的灾情调查工作，确认了44个龙卷天气过程，给出了2018—2020年逐年中国龙卷活动情况综述(朱文剑等，2016；Bai et al., 2017；李兆慧等，2017；黄先香等，2019；李彩玲等, 2016, 2020；蔡康龙等，2021)。黄大鹏等(2016)对1984— 2013年近30 a中国龙卷风灾害特征进行了研究，并指出我国龙卷灾害的总体演变趋势和空间分布特征。以上现场灾情调查和分析工作，促进了我国风灾现场调查的研究进展(郑永光等，2018；俞小鼎和郑永光，2020；晋亮亮和葛海，2021)。

龙卷等致灾大风发生后，往往造成重大人员伤亡和财产损失，引发社会广泛关注。2021年5月14日武汉致灾大风过程，是在没有有效视频资料和实况风速探测的情况下发生，如何快速通过现场灾情调查和雷达监测判断风灾类型和风速等级等尤其重要，也是进行下一步形成机理和预报预警研究工作的基础。由于已有其它论文重点分析本次龙卷过程的环境条件，本文将根据详细的现场灾情调查并结合雷达观测资料，分析致灾大风的调查结果，总结灾情调查流程以及提出龙卷灾害现场的灾情特点，为龙卷等致灾大风更进一步的研究和防灾减灾决策提供基础资料和参考依据。

1 现场调查和定级标准 1.1 调查方法

基于现有的龙卷灾害调查技术规范(GB/T 34301-2017)，结合灾情调查实践，龙卷等致灾雷暴大风灾情调查流程主要包括灾调准备、现场灾调和灾调分析三个步骤。

灾调准备包括：通过网络媒体、当地气象部门、官方通报等渠道获取风灾发生的时间、地点、大致灾情和伤亡程度等，以确定致灾天气过程发生的时间、移动路径、影响范围以及受灾最严重的地点(准确到村居)，并依此确定调查的具体行程、大致航拍和走访路线。同时，收集各种气象观测资料，特别是雷达资料、周边自动站资料(包括气压、平均风、极大瞬时风速等)，获得风灾发生地附近气象要素的变化，以辅助判断风灾类型和强度。

现场灾调以无人机航拍、测量数据和走访群众等三种方式相结合，包括：升空无人机航拍初步了解受灾路径和受灾最严重点；走访目击者了解风灾影响的情况，了解当时是否观察到可见的漏斗云，龙卷漏斗云触地的时间、持续的时间、移动方向、大小、高度、天空状况等，是否听见火车呼啸般的轰鸣声，是否伴有强降水、冰雹等天气现象，以及各类天气现象出现的先后顺序等；近距离拍摄地面各灾情指示物的倒伏情况，用指南针记录倒伏方向，并用卷尺测量倒伏树木的直径，查看调阅附近监控摄像头等，并根据灾情指示物倒伏方向的变化寻找龙卷风的涡旋中心，再次升空无人机沿着受灾中心附近拍摄俯视、远视、路径跟踪等视频。

灾调分析包括：当天整理航拍视频和调研情况，对风灾路径和强度有初步判断，如果航拍较好地覆盖了该次龙卷的破坏路径，可根据灾情指示物的等级分布绘制龙卷强度等值线，并与调研组会商讨论，存在疑惑或遗漏及时补充航拍。完成调研后，与调研组经过多次讨论会商，最后确认风灾类型、路径、强度等信息，分类归入风灾数据集。

调查工具包括无人机、智能手机、相机、录音笔、GPS定位仪、激光测距仪、软卷尺等。

1.2 定级标准

目前国际上通用的龙卷定级一般采用美国的EF等级来判定龙卷风级别(McDonald and Mehta, 2006)，其主要思路是根据28种以建筑物为主(辅之以电线杆手机塔输电塔和树木等)的标识物受损程度判断龙卷的风速范围和等级。中国气象行业标准《龙卷强度等级》QX/T 478-2019 (以下简称行标)于2019年8月1日开始实施，该行标是基于美国EF等级、结合我国龙卷灾害特点制定的，主要是以龙卷发生时近地面阵风风速最大值为指标，将龙卷强度分为四个等级。其中，一级龙卷为弱龙卷，对应EF0及以下；二级龙卷为中等龙卷，对应EF1；三级龙卷为强龙卷，对应EF2和EF3；四级龙卷为超强龙卷，对应EF4和EF5。《龙卷风强度等级》国家标准(GB/T 40243-2021)已于2021年5月21日发布，将于2021年12月1日实施。本文将结合EF等级和龙卷强度等级行业标准两套标准对龙卷过程进行定级并讨论。

2 调查结果和龙卷判识

2021年5月14日20∶40左右(北京时，下同)，湖北省武汉市蔡甸区千子山附近出现严重大风灾害。截至5月18日15∶00，共造成10人死亡，230人受伤，倒塌房屋130户504间，严重损坏381户1 039间，多处房屋、工棚、建筑塔吊倒塌、大量树木折断或连根拔起，造成了严重灾情。在获得武汉大风灾害报告后，5月15—17日佛山市龙卷风研究中心立即派出专家会同国家气象中心、湖北省气象局、中国气象科学研究院等单位专家组成调查组(以下简称调查组)对该次灾害过程进行了详细的现场调查，其中佛山市龙卷风研究中心5月16—17日对风灾全路径进行了详细的调查和无人机航拍，共走访灾情点12个(图 1中①—⑫)，进行航拍14次，获取航拍视频39个和航拍照片226张，手机近距离拍摄照片约500张，并对风灾最严重段千子山循环经济产业园项目工地到凤亭路口进行了三维实景航拍。5月18—27日调研组经多次讨论后，一致认为5月14日武汉市蔡甸区一带的大风灾害为龙卷风造成。

图 1所示为本次龙卷风路径及受灾综合图。由于龙卷过程发生在夜间，且同时伴随有强降雨、冰雹等多灾种发生，龙卷灾害沿途多处监控摄像头已损坏，调研期间仅获得2个视频(图 1中②和⑨处)，②为手机拍摄的大风卷起杂物的视频，时间为20∶34，⑨为军山街道城市管理中心监控，拍摄到风向逆时针旋转和围墙倒塌，时间为20∶46，两地距离约10.2 km，可推断龙卷移动速度约为51 km·h^-1。图 1可见，根据总破坏路径长度和风暴平均移动速度推算(文后分析)，20∶33—20∶54龙卷自西向东方向移动，在金堆湖以东0.5 km处接地，途径友爱村、新集村、祝家村、千子山循环经济产业园项目工地、凤亭路口/同济现代医药科技产业园、川江池公园等，由于无直接龙卷本体视频佐证风灾类型，以下通过现场灾害指示物破坏特征和武汉雷达探测特征对龙卷进行识别判断。

国外(fujita，1985；bunting and smith, 1993；doswell，2003)以及国内多次龙卷和下击暴流现场调研表明：龙卷地面灾情特征通常表现为破坏路径狭长，破坏长度与最大宽度之比(纵横比)大，破坏带中有明显辐合状倒伏，地面浅色破坏条迹，受灾指示物有扭曲等特征；而下击暴流造成破坏区域一般比较宽，纵横比小，破坏点多并可能呈现不连续的片状，树木倒伏方向则是明显辐散等特征。

2.1 风灾路径长、纵横比大

图 1为2021年5月14日武汉龙卷路径及强度图，从中可见，本次风灾路径长为17.95 km，最大宽度1 km，平均宽度约0.8 km，纵横比为11。2015—2021年期间，佛山市龙卷风研究中心参与了国内54次龙卷和下击暴流等致灾雷暴大风的现场调研，根据调研信息的完整度，共确认EF2级及以上强龙卷22个，平均纵横比36.1，EF0—EF1级弱龙卷和中等强度龙卷14个，平均纵横比13.2，2019年3月21日桂林强下击暴流纵横比＜1。可见龙卷的纵横比大都＞10，龙卷强度等级一般与龙卷路径长度、最大宽度和纵横比成正相关。本次风灾路径狭长，纵横比大，是典型的龙卷地面灾情特征。

2.2 受灾指示物呈辐合状倒伏、有龙卷路径条迹

图 2为新集村树木和房屋倒伏情况，图 3为千子山星空陵园到千子山循环经济产业园项目工地受灾指示物倒伏情况。由图可见，风灾路径上(黑色箭头)，大部分树木和建筑物向东北和东南方向倒伏(白色箭头)，向路径中心辐合。风灾路径自西向东移动，前进方向的右侧(也就是南侧)，受灾指示物向东北、东北偏北方向倒伏，前进方向的左侧(也就是北侧)，受灾指示物向东南、东南偏东方向倒伏为主，树木倒伏、建筑物及其他受灾物损毁倒伏向中心路径呈辐合状，符合龙卷破坏流型特征。且从图 2可见，风灾路径右侧，房子倒塌严重程度、屋顶吹毁砖瓦以及树木倒伏等灾损比风灾路径左侧严重，图中红色方框内是两层砖木结构房子，位于新集村图 1中④处，二层顶层完全倒塌，水泥预制板吹倒，一层靠近东南侧的外墙从低处倒塌，造成1人死亡。蓝色方框内为风暴移动的迎风方向，可见迎风方向灾损程度比房屋的背风方向严重。图 3中，风灾中心经过陵园南侧向偏东方向移动，路径左侧千子山星陵园主要为树木倒伏和折断，墓碑向东南方向倒伏，也有部分墓碑在中部折断，路径右侧，在建工地钢结构搭建厂房屋顶被吹毁，屋顶铁皮被吹到一百多米外。图 3b、c为图 3a中B、C位置的详细图，从中可见，倒伏的塔吊和吹翻的汽车，向中间辐合。图 3a中B所在的区域，有活动板房被拔离地面，绕过工地围栏，整体吹到30 m远并坍塌，造成1名工人死亡，有一联通通讯塔倒塌，有一建筑塔吊倒塌等，因路径南侧相对空旷，无明显工棚房屋树木等可判断强度的受灾指示物，此处难以判断风灾路径左右两侧灾损强度差异。

这些风灾路径中心左右两侧的灾损差异，类似于美国一些龙卷风(Davies-Jones，1978；Alexander and Wurman, 2005)和我国广东佛山、广东湛江、江苏阜宁、辽宁开原等地龙卷灾害现场的调研结果，是由于龙卷移动方向右侧叠加风暴移动速度，造成右侧灾损比左侧严重。说明本次龙卷自西向东快速移动时，由于逆时针旋转，南侧叠加了风暴的移动速度，西到西南风较强，北风减去了风暴移动速度，因此南北侧灾损存在差异。

龙卷风破坏条迹表现为航拍上可辨别的龙卷漏斗云触地造成的细长破坏痕迹，并不是所有龙卷都会留下明显的破坏带，这与龙卷经过的下垫面相关，其中玉米田和草地从航拍画面更容易判别龙卷路径条迹(蔡康龙等，2020)。本次龙卷大部分下垫面为树林、水塘、水稻田、工业厂房、农村等，下垫面较为复杂，全路径上仅在千子山循环经济产业园项目工地以东到凤亭路口草地和泥地有较短距离龙卷条迹(图 4)。

2.3 受灾指示物呈扭曲、撸顶和抛射状

受灾现场可见，多处树木被扭折或扭断(图 1中②)、塔吊和联通信号塔扭折倒塌(图 1中⑥、⑦)，新集村、千子山陵园(图 5a)等大量树木被撸顶；出现大量抛射物，汽车被逆时针吹翻抛出十几米远(图 3c)，千子山循环经济产业园项目工地和风亭南路附近多个工棚建筑铁皮被卡在树上，抛射距离最远超100 m，部分呈扭曲状；千子山产业园一工棚被拔起并越过旁边的工棚被抛射了20 m左右(图 5b)。以上特征，符合龙卷破坏特征。

2.4 其他目击证词及视频佐证

位于新集村、祝家村以及川江池公园等目击者描述：大风旋转、由南风转北风，有轰隆火车声，自西向东移动等，另外在军山街道城市管理中心位于风暴主路径略偏南地方，该处获取的监控视频虽没拍摄到龙卷主体，但能拍摄到风向逆时针旋转的特征(图 1⑨)。以上特征符合龙卷过境特征。

3 龙卷强度

从现场破坏强度和雷达探测特征判断，龙卷经历了触地初生、加强成熟和跳跃减弱三个阶段，如表 1所示。

3.1 触地初生阶段

根据现场航拍和走访群众判断，龙卷在金堆湖东侧触地，航拍视频可见金堆湖西侧的小山包上树木没灾损痕迹，金堆湖东侧以水稻田为主，水稻田田埂的草和小树有倒伏，略大一点的树木没有倒伏，说明此时龙卷强度较弱，判断强度在行标一级(EF0) (图 1起点处)，对应阵风风速最大值V_max ≤38 m·s^-1；龙卷东移到友爱村(图 1中②—③)，此时龙卷有所加强，造成门窗损毁、屋顶严重受损，树林里大面积松树在低处扭断，混凝土电线杆折断，多处一层农村房屋整体倒坍(图 1中③)，两层民房顶层外墙倒塌，考虑是农村房屋，相对抗风能力比钢筋混凝土墙体抗风能力弱，因此此处符合行标三级(EF2)，对应49 m·s^-1＜V_max≤60 m·s^-1。

3.2 加强成熟阶段

龙卷继续向东移动影响新集村、祝家村、千子山循环经济产业园项目工地及风亭南路附近时，造成严重破坏，此时对应地面破坏情况、破坏直径及雷达监测的超级单体风暴强度等，均达到最强盛阶段。

新集村和祝家村(图 1中④和⑤)造成多处农村房子被完全摧毁，两层的民房二层完全倒塌、水泥预制板吹倒，一层外墙倒塌，树林里大部分树被折断、树木枝干有被剥落和撸顶的现象，此处达到行标三级(EF2—EF3)，对应60 m·s^-1＜V_max≤74 m·s^-1。

千子山循环经济产业园项目工地到凤亭南路一带是全路径破坏程度最严重的地方，千子山循环经济产业园项目工地造成大量树木折断(樟树最大直径60 cm)，一工地塔吊倒塌(图 1中⑥)，数十米高的联通铁塔基站倒塌(图 1中⑦)，数十个工棚被掀翻，产生较大飞射物，汽车被抛出30多米远距离(图 3c、图 5b)，板房越过工地围栏被抛出30多米远距离(图 5a)，此处造成1人死亡；凤亭路口/同济现代医药科技产业园多个工棚倒塌、共有4个建筑吊塔倒塌(图 1中⑧)。综合评估这一带风速强度达到行标三级，EF3级高端，对应49 m·s^-1＜V_max≤74 m·s^-1。另外，此处龙卷路径北侧为千子山星空陵园，多处墓碑石碑向东南到偏南方向倒伏，也有多处石碑被拦腰折断，可见风速之强盛，但因目前的定级标准中没有针对类似的灾害指示物的定级标准，只能依靠周边的灾害指示物定级。

3.3 跳跃减弱阶段

龙卷继续东移影响军山街道城管中心时，强度明显减弱或此处处于龙卷南侧边缘影响，造成了广告牌倒伏、围墙倒塌(图 1中⑩)，混凝土电线杆折断等灾害。图 1中⑩—⑪之间航拍没有找到明显的破坏痕迹，猜测此阶段龙卷处于跳跃前进，漏斗云减弱后回收到空中，对地面没造成明显破坏。灾情点⑪位于川江池公园，有大面积的小树被连根拔起或倒伏，呈现辐合状，且有目击者称看到漏斗状龙卷向东边移去，灾情点符合行标二级(EF1)，38 m·s^-1＜V_max≤49 m·s^-1。灾情点处小军山社区只有小范围的小树倒伏后，继续往东航拍就没发现破坏痕迹，推测龙卷在此地减弱消失。

4 雷达探测特征与龙卷预警探讨

图 6a、b分别为武汉雷达站≥45 dBz反射率因子叠加龙卷风路径图、≥45 dBz反射率因子三维结构演变图(东南向西北方向视觉)，图 6c为径向速度图识别的中气旋、龙卷涡旋(TVS)随时间演变叠加龙卷风路径图。5月14日20∶00—21∶00，超级单体风暴自西向东影响武汉市蔡甸区(图 6a)，移动速度约50 km·h^-1，与前述现场调研获取的时间评估龙卷风移动的平均速度相当，超级单体风暴分为发展期(20∶00—20∶24)、成熟期(20∶30—20∶42)和减弱期(20∶48—20∶54)三个阶段。

发展期：20∶00—20∶24，超级单体风暴快速发展加强，最大反射率因子加强到60 dBz，开始出现钩状回波结构，由图 6b₁可见，有界弱回波区(BWER)明显，此时上升气流非常强盛，强回波主体加强扩大，并向西北方向倾斜，强回波发展到13 km左右，伴有强中气旋，中气旋平均直径5~6 km，平均底高1.58 km，中气旋旋转速度由17 m·s^-1增强为22.5 m·s^-1，20∶06第一次识别出TVS，TVS底高900 m，顶高4.8 km，最大速度差50.5 m·s^-1，20∶12—20∶18雷达没有识别出TVS (图 6b₂)，20∶24后连续36 min识别出TVS。20∶24，此时地面还没出现灾情，超级单体风暴东南侧钩状回波顶有强的反射率因子核(Descending reflectivity cores，DRC)下垂(图 6b₃)。成熟期: 20∶30—20∶42风暴体达到最大，强回波发展高度接近中获取的风灾最早出现在20∶33前后时间吻合，20∶42 (图 6b₆) DRC直径最大，位于图 6a₄钩状回波顶端反射率因子最强处(白色圆圈)，与风灾灾情最严重的千子山循环经济产业园项目工地位置吻合。减弱期20∶48— 20∶54超级单体风暴迅速减弱，反射率因子强度下降到15 km，最强反射率因子65 dBz以上，钩状回波、入流缺口特征更明显，中气旋结构紧缩，平均直径缩小到4.6 km，中气旋底高迅速下降到300—400 m，旋转速度加强为28 m·s^-1，TVS进一步加强，底高下降到600 m，顶高下降到2.9 km，最大速度差增强到53.6 m·s^-1。20∶30 (图 6b₄) DRC接近地面，20∶36 (图 6b₅) DRC已经伸展到地面，因此DRC是在20∶30—20∶36之间下垂伸展到地面，与调研60 dBz以下，中气旋减弱消失，图 6b₇—b₈可见DRC直径迅速减小，TVS最大速度差减弱为19 m·s^-1。

图 6c为雷达算法识别出的中气旋和TVS经人工判断订正后的演变趋势，可见中气旋、TVS路径与风灾路径走向一致，风灾路径位于中气旋和TVS南侧，靠近中气旋速度对径向速度入流一侧。以上分析可判断，雷达探测到本次龙卷过程是由超级单体风暴自西向东移动引起，龙卷移动路径与中气旋、TVS路径一致，龙卷发生在超级单体中气旋和TVS路径南侧。超级单体中气旋和TVS加强，旋转速度、最强切变加大以及顶高底高下降时，龙卷触地引起地面灾害，中气旋、TVS达到最强阶段对应地面灾情最严重。另外，超级单体风暴DRC下垂与龙卷触地有关，DRC下垂伸展到地面时龙卷发生，DRC直径演变和龙卷强度呈正相关，直径越大，地面破坏强度越强，直径缩小，地面破坏强度减弱，DRC缩小，龙卷减弱消失；龙卷发生在反射率因子钩状回波顶端强反射率因子附近。

武汉中心气象台在监测到超级单体风暴中气旋和TVS的演变特征后，于5月14日20∶49发布大风橙色预警信号：“预计未来3 h，武汉地区有10~12级雷暴大风，雨量40~70 mm，并伴有雷电、冰雹、可能有龙卷，请注意防范”，在大风预警信号中提出了有龙卷的风险提醒，虽然此时龙卷已经在进行中，但对于下游仍然是有效的预警。龙卷发生时，中气旋平均旋转速度在28 m·s^-1，中气旋和TVS的底高均很低，在600 m以下，因此对于超级单体龙卷，通过雷达探测到超级单体的钩状回波结构、中气旋和TVS加强及向低层发展的演变特征，可考虑发布龙卷风险的预警。

5 结论与讨论

本文通过详细的现场灾情调查和雷达探测资料，综合分析确定2021年5月14日发生在武汉市蔡甸区千子山附近的大风灾害为龙卷风造成，主要结论如下：

(1) 风灾路径长、纵横比大，灾情指示物有明显辐合状倒伏，有扭曲、抛射等特征，草地和泥地有浅色破坏条迹，是识别龙卷灾害现场的典型特征。龙卷经历了触地初生、加强成熟和跳跃减弱三个阶段，成熟阶段强度为行标三级高端(EF3)，在此区域造成重大人员伤亡。

(2) 龙卷路径位于雷达探测的中气旋和TVS路径的南侧，反射率因子钩状回波顶端强反射率因子处。超级单体中气旋和TVS加强，旋转速度、最强切变加大以及顶高底高下降时，龙卷触地引起地面灾害，中气旋、TVS达到最强阶段对应地面灾情最严重。当地气象台在监测到超级单体风暴中气旋和TVS的演变特征后及时在大风预警信号中提出了有龙卷的风险提醒，是龙卷预警业务的很好尝试。

(3) 本次龙卷造成10人遇难，230人受伤，其中有7人由于工棚倒塌或连同工棚被卷走后遇难。可见，致灾重的主要原因除了龙卷在此阶段强度强，这种简易工棚对EF3级龙卷几乎没有任何抵抗力有关外，还跟龙卷发生在夜间，工人都在工棚里休息，多灾种同时发生，增大了致灾性等因素有关。

我国现行的龙卷强度等级行业标准主要根据建筑物类、构筑物类和树木类的倒塌受损情况定级，灾害描述较为简单，在实际操作中由于下垫面复杂性影响，使得龙卷强度估计存在一定不确定性和个人主观性，2021年12月1日起将执行的龙卷风强度等级国家标准将进一步细化不同灾害指示物的灾损程度和对应风速范围，这将为龙卷风强度定级提供更合适通用的标准。

致谢：国家气象中心、中国气象科学研究院、湖北省气象局、武汉市气象局、蔡甸区气象局对本次龙卷灾害调查提供了支持和帮助，中国气象局干部培训学院俞小鼎教授对本文提供了指导，广西师范大学气象爱好者徐纵横对本次龙卷灾害调查提供了网络视频及相关信息，一并致谢！