龙卷是一种非常强烈的天气现象，属于小尺度天气系统。具有局地性、突发性和能量高度集中的特点，强龙卷发生时往往造成重大人员伤亡和财产损失。多普勒天气雷达除了可以测量降水回波强度外，还可以测量降水粒子径向速度，从而可以识别出中小尺度气旋、反气旋、辐合、辐散特征，是探测和预警龙卷强有力的工具。Donaldson(1970)首次利用多普勒天气雷达观测到了超级单体中的“中气旋”(Brook，1949；Fujita，1963)。美国国家强风暴实验室利用多普勒天气雷达资料，发现第一个可能伴随龙卷过程的比中气旋尺度更小的多普勒雷达速度场涡旋——龙卷涡旋特征(TVS)。国际上很多专家对龙卷做过研究(Przybylinski et al，1990；Rasmussen et al，1994； Ziegler et al，2001)，由于探测手段的限制，在新一代天气雷达网建立之前，中国气象工作者对龙卷的研究极少(蒋汝庚，1997；魏文秀等，1995)，随着中国新一代天气雷达布网建设和业务化应用，获取了大量高时空分辨率的雷达资料，捕捉到了多个小尺度龙卷灾害天气过程，中国气象工作者近几年也做了一些研究。俞小鼎等(2008)对发生在安徽北部的伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴的环境条件进行了分析，认为强降水超级单体产生在中等大小的对流有效位能和较大的深层垂直风切变条件下，同时抬升凝结高度很低，边界层内的低层垂直风切变很大，地面存在阵风锋，中等程度的对流有效位能值和大的深层(925和500 hPa)垂直风切变有利于超级单体的产生，而大的低层垂直风切变、低的抬升凝结高度和地面阵风锋的存在有利于F2级以上强龙卷的产生。超级单体的演化可以归结为“带状回波-典型强降水超级单体-弓形回波”3个阶段，龙卷出现在超级单体S形回波阶段。俞小鼎等(2006a)利用多普勒天气雷达 资料对安徽无为县的一次强烈龙卷过程进行了分析，结果表明，伴随暴雨的龙卷是由团状对流系统南端的一个低质心超级单体产生，并对此次龙卷的生成机制进行了探讨。郑媛媛等(2009)研究了3次超级单体强龙卷风暴多普勒雷达回波特征及其与强冰雹超级单体的差异，并对龙卷天气的时空分布、变化趋势、以及产生龙卷的环流形势进行了分析。何彩芬等(2006)分析了宁波市一次台风前部龙卷发生发展的环境特征和雷达回波特征，认为下湿中干、强的垂直风切变及地形条件等有利于局地弱龙卷的产生，并用反射率、剖面产品综合分析了该风暴的三维结构。姚叶青等(2007)对两次强龙卷过程分析认为地面较为暖湿，低层垂直风切变较大，两次龙卷虽然回波形态、强度和高度各异，但都存在强的中气旋，雷达超前于龙卷发生约30 min识别出中气旋。

2010年7月17—19日河南连续出现了大范围的区域暴雨、大暴雨天气过程。7月17日在河南自南阳至商丘的一条东北—西南向暴雨带的东南侧夏邑县、虞城县20个乡镇上百个村庄遭遇龙卷风袭击。这次龙卷是近几年中国出现范围大、持续时间长的一次龙卷过程，因龙卷发生在下午，所幸没有造成很大的人员伤亡，但两县仍有2人死亡，32人受伤，10余万人受灾。夏邑县歧河乡胡店村几乎找不到一间完好的房子。根据房屋损害、树木折损程度以及重物推移距离和目击者描述，按照Fujita(1981)龙卷风等级标准，可确定商丘东部龙卷等级至少达到了F2级。7月19日在一条自南阳西部经平顶山到豫北地区的一条东北—西南区域暴雨—大暴雨带的东侧，许昌长葛南席镇出现龙卷，拐子张、张子店两个村受灾，根据房屋、树木受损程度和目击者描述，此龙卷为F1级龙卷(表 1)。17日和虞城、夏邑相邻的安徽亳州、砀山也遭受龙卷风袭击。图 1是两次龙卷发生的时间(北京时，下同)和地点，这两次龙卷是河南新一代天气雷达(主要涉及郑州SA和商丘SB多普勒天气雷达)业务运行以来首次完整探测到的龙卷过程，区域暴雨过程中河南出现如此强的龙卷实属罕见，因此，很有必要对两次龙卷事件发生的天气形势、雷达等探测到的高时空分辨率资料进行详细分析，以期找出暴雨过程中龙卷风发生的环境场和雷达回波特征以及提前预警的线索，探索龙卷发生的机理。

图 1 两次龙卷发生的时间和地点(红圈)(红色D表示地面低压中心轨迹)Fig. 1 Time(BT: Beijing Time) and location(red circle)of the two tornadoes occurrence

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2010年7月17日08时(图 2a)，河南位于200 hPa青藏高压脊北侧和高空急流入口区右后侧的强辐散区中，500 hPa低槽位于河套地区东部，河南位于副热带高压(副高)和大陆高压之间的低值区，受槽后冷空气及副高西北侧和槽前西南暖湿气流共同影响，东北—西南向的切变线自河南西南部伸向黄河入海口，温度槽和显著降温区位于河套地区。850 hPa商丘附近有一低涡，自商丘伸向青岛有一东西向暖切变线，伸向恩施有一东北—西南向冷式切变线，河南南部比湿达14 g/kg。700、850 hPa低空急流自两广地区经湖南、湖北伸向河南东部，河南东部位于低空急流出口区左前侧。20时(图略)副高和大陆高压原地少动，强度加强，河套东部低槽加深，低层低涡、切变线和低空急流维持。18日20时(图略)，500 hPa副高北进，河套东部低槽收缩，冷槽在河套西部发展，低空急流略向西移动。 19日08时(图 2b)河南位于200 hPa急流入口区右后侧辐散区，500 hPa山西南部生成一切断低涡，河南受低涡后部冷空气和低涡槽前及副高边缘西南暖湿空气共 同影响，低空急流头部伸向许昌附近，中低层低涡、切变线位置略向西北方向移动，影响河南中西部、北部等大部分地区。由以上分析可见，17—19日河南处于较稳定的大尺度形势下，高空强辐散，中、低空有低涡、切变线强辐合，低空急流向河南输送大量水汽和不稳定能量。这是河南出现区域暴雨、大暴雨非常有利的形势，实况是河南连续3 d出现区域暴雨天气。暴雨带、大暴雨带和图 1(红色D为根据逐时地面加密自动站资料风场、气压场确定的地面低压中心位置和移动方向)低压中心位置吻合，呈东北—西南向，分布于低压中心两侧附近，两次龙卷发生前地面图上(图 2c、d)均有β中尺度低压，龙卷均发生在地面低压中心东南方向约50 km处，地面温度大都在24—27℃，露点高达22—26℃，温度露点差大都在1—2℃，地面空气基本呈饱和状态。

图 2 2010年7月17和19日高空地面综合分析图 (a. 17日08时高空，b. 19日08时高空，c. 17日17时高空，d. 19日05时高空; )Fig. 2 Comprehensive analysis graphs on 17 and 19 July 2010 (a. comprehensive analysis graphs fro the high-altitude at 08:00 BT 17 July 2010，b. comprehensive analysis graphs fro the high-altitude at 08:00 BT 19 July 2010，a. comprehensive analysis graphs fro the high-altitude at 17:00 BT 17 July 2010，d. comprehensive analysis graphs fro the high-altitude at 05:00 BT 19 July 2010; )

图选项

从距龙卷发生地最近的夏邑和许昌自动站资料(间隔10 min，两自动站点未受龙卷风袭击)看，龙卷发生前后夏邑、许昌两站风向、风速、气压、降水均有明显变化，气温没有明显下降。 从图 3a和c两站风向、风速随时间的变化可以看出，17日18时30分和19日05时30分前后均出现了风速突增和风向突变，从图 3b、d气压和降水随时间的变化看，17日20时30分和19日05时30分前后均有气压显著下降，最低分别降至997.4和994.4 hPa，集中降水时段分别出现在17日18时30分和05时50分前后，峰值降水分别为17日18时20—30分降水量17.0 mm，19日05时30—40分降水量9.5 mm。以上说明两次龙卷发生前后龙卷发生地附近观测站存在明显气压下降和强的对流降水。而强飑线过境前后除风向突变、风速突增外，同时伴有气压涌升和气温骤降。从以上精细化资料分析可以看出，区域暴雨过程中龙卷发生前后各气象要素变化和强对流飑线过程有明显区别。

图 3 2010年7月17日14—24时夏邑(a)风向、风速和(b)气压、降水，2010年7月19日00—09时许昌(c)风向、风速和(d)气压、降水Fig. 3(a)Temporal variations of the wind direction and speed at the Xiayi station at 14:00 BT to 24:00 BT 17 July 2010，(b)Temporal variations of the pressure and distribution at the Xiayi station at 14:00 BT to 24:00 BT 17 July 2010，(c)Temporal variations of the wind direction and speed at the Xuchang station at 00:00 BT to 09:00 BT 19 July 2010，and (d)Temporal variations of the pressure and distribution at the Xuchang station at 14:00 BT to 20:00 BT 19 July 2010

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7月17日发生在虞城、夏邑的龙卷距商丘雷达站约40—70 km，19日长葛龙卷距郑州雷达站60—70 km。郑州、商丘两部新一代多普勒天气雷达完整地监测到了这两次暴雨和龙卷天气过程，以下着重分析两部新一代多普勒天气雷达对龙卷过程的探测资料。 4.1 雷达回波演变及特征

从商丘雷达基本反射率因子图上看，16时30分在大片混合降水回波中有清晰可见的低涡螺旋雨带，其东南侧位于柘城、鹿邑到郸城的螺旋回波带强度达48—53 dBz。随着低涡和地面气旋向东北移动，该强回波带也向东北方向移动，先后经过了亳州、虞城、夏邑，而后经苏皖北部移向山东，螺旋雨带路经之地均出现了暴雨，其中，低涡东南侧的强螺旋雨带在亳州、夏邑、虞城、砀山发展旺盛，实况表明这些地方都出现了雷暴，平均径向速度图上显示螺旋雨带经过的地方出现了多个γ中尺度气旋，亳州、虞城、夏邑等地出现龙卷时都伴有中气旋和龙卷涡旋特征(TVS)，图 4是17日17时50分雷达产品，图 4a基本反射率因子图上显示了螺旋雨带特征，其上叠加了中气旋和TVS，图 4b为沿图 4a中白线做的垂直剖面，从剖面图上可见48—53 dBz的强回波伸至6 km，顶高9 km以上，并有倾斜悬垂结构，其下面为弱回波区，白色箭头所指处说明强雨带回波东南侧低层有很强的上升气流。图 4d平均径向速度图上，有明显的正负速度对，此γ中尺度气旋对龙卷的产生有很好的指示意义。图 4c为龙卷发生时段的垂直风廓线(地面为东南风2—4 m/s)，从地面到1.5 km风速明显加大，1.2—2.1 km有16 m/s的偏南风速层，说明低层有强的垂直风切变。

图 4 2010年7月17日17时50分商丘雷达产品(a. 1.5°基本反射率因子R19，b. 反射率因子剖面，c.垂直风廓线，d.1.5°平均径向速度V27)Fig. 4 Radar products from the Shangqiu station at 17:50 BT 17 July 2010(a. 1.5 ° reflectivity factor product R19，b. reflectivity profile，c. vertical wind profile，d. 1.5 °average radial velocity V27)

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从郑州雷达资料看，19日长葛东部龙卷发生时和17日商丘东部出现龙卷雷达回波有很多相似之处。从05时33分雷达产品看(图 5)，一条东北—西南向螺旋雨带自尉氏经长葛、许昌伸向平顶山(图 5a)，强度48—53 dBz，垂直剖面显示53 dBz强回波伸至6 km，回波顶高12 km，呈倾斜悬垂结构(图 5b)，其下面为弱回波区，说明雨带东南侧低层上升气流也很强，垂直风廓线(图 5c)05时30分在1.2—2.1 km高度为偏南风12 m/s，0—1.2 km风速明显加大(地面为2—4 m/s东南风)，说明低层有较强垂直风切变。图 5d平均径向速度图上，有明显的正负速度对，气旋性涡旋强度达到了中气旋和TVS标准，对出现龙卷有很好的指示意义。

图 5 2010年7月19日05时33分郑州雷达产品(a. 1.5°基本反射率因子R19，b. 反射率剖面，c. 垂直风廓线，d. 1.5°平均径向速度V27)Fig. 5 As in Fig. 4 but for Zhengzhou at 05:33 BT 19 July 2010

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从以上两次龙卷发生时的雷达资料可以看出，基本反射率因子图上都有自涡旋中心以顺时针方向旋转的β中尺度螺旋雨带，而螺旋雨带系统随低涡逆时针向低涡中心运动。此雨带长100—150 km，宽20—30 km，雷达回波强度50 dBz左右，龙卷发生在低涡东南支螺旋雨带中部向东凸起的强回波处，该处基本反射率因子剖面显示低层有很强的上升气流弱回波区和倾斜悬垂结构，50 dBz强回波高达6 km，顶高9—12 km，具有明显的对流云特征。速度图上龙卷发生处有中气旋、TVS。按照具有持续深厚中气旋的超级单体的定义，两次龙卷都是由螺旋雨带上的微型超级单体(Burgess et al，1995)造成的。 4.2 中气旋和龙卷涡旋特征分析

中气旋是超级单体风暴的径向速度场特征，观测到中气旋90％以上的情况出现强烈天气，其中只有20％的情况出现龙卷，一般情况只要观测到中气旋就可发布强天气警报，只有观测到中等以上强度的中气旋才发布龙卷预警。F2级以上的强龙卷绝大多数是由超级单体产生，而超级单体与持续深厚的中气旋密切相关(俞小鼎等，2006b)。中气旋匹配参数包括中气旋底高、顶高，中气旋中心所在方位和距离，最强切变及相应高度，切变为负最大速度绝对值与正最大速度绝对值之和除以二者之间的距离。龙卷涡旋特征(TVS)是在雷达径向速度图上识别出的一种与龙卷紧密关联的比中气旋尺度小而旋转快的涡旋，速度图上表现为像素到像素的很大的风切变。TVS切变是指相邻方位角径向速度的方位切变值，即气流最大内流速度和最大外流速度之差除以二者相隔的距离。本文分析产生龙卷的两次超级单体风暴在基本反射率因子上和经典超级单体明显不同，但在速度图上都有中气旋和TVS。4.2.1 中气旋和龙卷涡旋特征演变

图 6a和b是两次龙卷过程主要时段商丘、郑州雷达探测到的中气旋和TVS产品随时间(为清楚见，间隔12 min)变化的集中显示。16时01—32分鹿邑出现三维相关切变，16时26分开始出现中气旋，中气旋提前于亳州、虞城、夏邑龙卷发生约1 h出现，TVS 16时56分最早出现在亳州，17时38分中气旋和TVS出现在虞城南部，此时在虞城县黄冢乡王楼集村、徐楼村、刘楼村及界沟镇贾庄村、邢营村受灾严重。17时56分中气旋和TVS出现在夏邑南部，伴随中气旋和TVS出现，夏邑县马头镇等地相继遭受龙卷风袭击，受灾严重。从图 6a可以看出，17日的中气旋和TVS有两条路径，一条是17时02分自亳州、鹿邑交界处经虞城南部18时20分到达夏邑西部，历时约1.5 h，另一条是18时38分夏邑东南部再次出现中气旋和TVS，随后向东北方向移动。

图 6(a)2010年7月17日17时02分—18时56分商丘和(b)2010年7月19日04时50分—05时51分郑州雷达中气旋(圆圈)和TVS(兰色倒三角)Fig. 6(a)Mesocyclone(circle) and TVS(blue upside down triangle)from the Shangqiu radar from 17:02 to 18:56 BT 17 July 2010，and (b)Mesocyclone(circle) and TVS(blue upside down triangle)from the Zhengzhou radar from 04:50 to 05:51 BT 19 July 2010

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19日04时26分涡旋带状回波上在许昌出现三维相关切变，04时50分—05时51分中气旋持续10个体扫(图 6b)，04时56分出现了龙卷涡旋特征，05时27—45分在许昌、长葛交界处出现TVS并持续4个体扫，和灾情发生时间地点吻合，目击者称，05时30分前后在长葛东部出现龙卷。

从以上两次龙卷雷达回波分析可知，TVS几乎没有预警龙卷时效(即TVS几乎与龙卷同时出现，很可能是龙卷涡旋在速度图上的一种反映)，但中气旋可提前0.5—1.0 h出现，这对估计和预警龙卷很有意义。两次暴雨过程中中气旋和TVS均有移动性、持续性、系列性的特点，因此，加强新一代天气雷达产品特别是平均径向速度产品、中气旋、龙卷涡旋特征的跟踪和监测，并根据其移动和演变外推是延长预警时效的有效途径。4.2.2 中气旋、龙卷涡旋特征值分析

为了进一步分析两次龙卷中气旋和TVS特征，用中气旋、TVS匹配产品资料(单位已换算)分析了中气旋和TVS的主要特征值(表 2、3)。 从中气旋和TVS对比来看，中气旋和TVS底的高度一般都在1 km以下，TVS底和中气旋底高度相当或略低一些，TVS 顶的高度一般在2—4 km，中气旋顶高一般2—3 km，平均来看，TVS顶高于中气旋顶1 km左右，中气旋最大切变一般在(1.0—4.0)×10^-2 s^-1，TVS最大切变值一般(2.0—5.0)×10^-2 s^-1，TVS 平均切变值比中气旋切变值约大一倍，最大切变值高度TVS比中气旋低，TVS最大切变值在1 km以下，平均0.8—0.9 km，中气旋最大切变值出现高度在1 km以上，平均1.4—2.0 km。17日龙卷为F2级强龙卷，两次过程无论是中气旋还是TVS，17日特征底的高度都比19日低，特征顶高度也比19日低，最大切变值17日比19日大一倍，可见出现在低层大的切变更容易造成严重的龙卷灾害。

虞城南部龙卷发生地距商丘在60 km以内，可以用更高分辨率的径向速度考察中气旋和TVS结构，图 7是17时50分0.5—2.4°仰角高分辨率(250 m)的平均径向速度(V₂₅)，其上γ中气旋特征非常清晰，1.5°仰角速度图上朝向雷达的负速度达到模糊，为-31 m/s，离开雷达的正速度为18 m/s，朝向雷达的速度明显大于离开雷达的速度，呈不对称结构。由于多普勒天气雷达只能测量径向速度，所以，沿着雷达径向或者和距离圈相切方向的速度图的垂直剖面才有意义。从沿图 7b中切向的垂直剖面上看，该中气旋发生在低层1.5 km以下，-31 m/s的负速度模糊和1.5°仰角显示一致(图 7d)。对两次过程的其他多个中气旋做剖面分析，旋转最明显的一层总是负速度明显大于正速度，具有明显的不对称结构。其原因在于导致龙卷的微型超级单体以很快的速度大致向着雷达方向移动。

图 7 商丘雷达17时50分(a)0.5°、(b)1.5°、(c)2.4°仰角平均径向速度V25及(d)沿雷达切向(图b中白线)剖面Fig. 7 The average radial velocity V25 at(a)0.5°，(b)1.5°，(c)2.4° and (d)the cross section of the velocity along the white line in Fig. 7(b)at 17:50 BT

图选项

对流天气都发生在不稳定的大气层结中，影响对流产生和组织结构最大的两个环境因素是大气垂直稳定度(浮力)和垂直风切变。对流有效位能指有可能转换为动能的位能，表示在自由对流高度与平衡高度之间，气块可从正浮力做功而获得的能量。K指数也是大气层结稳定度参数之一，在暴雨过程中有很好的指示意义。 SWEAT指数由850 hPa露点项、500和850 hPa切变项、风速项等组成，在美国发生龙卷的临界值为400，发生强雷暴的临界值为300。最近的一些研究结果(Brooks et al，2002；Evans et al，2002)表明，强的低层垂直风切变和低的抬升凝结高度是非常有利于F2级以上强龙卷发生的环境。

表 4为17日商丘东部龙卷相近的两探空站和用14时地面温度和露点订正探空资料计算的物理量。可以看出对流有效位能值都在1000 J/kg以上，K指数≥36℃，SWEAT指数在20时达到400左右，0—2 km垂直 风切变和0—6 km相当，超过15 m/s，切变值达到0.8×10^-2s^-1，而抬升凝结高度很低，均在300 m以下。以上物理量参数说明豫东、苏皖北部大气环境场非常有利于出现F2级以上强龙卷灾害天气。19日龙卷发生的环境场和17日结果一致，19日抬升凝结高度更低，基本在150 m，0—6 km垂直风切变比17日大(16—24 m/s)，对流有效位能、K指数、SWEAT指数比17日小，可见19日热力条件比17日差，这与17—18日河南东部连续出现区域暴雨部分能量释放有关。随着降水天气系统向西推进，19日动力上升环境持续，不稳定层结再建，使19日河南中西部北部出现区域暴雨和局地龙卷。

一般强对流风暴发生在低层暖湿、上层干冷的不稳定层结中。本文分析的两次龙卷发生在区域大范围暴雨过程，湿层深厚，中低层水汽充足，700、850 hPa分别有比湿大值区。用NCEP资料计算的17日14时850 hPa比湿(图 8a)，在河南东南部有一水汽大值带，商丘附近有15.5 g/kg的大值中心，同样，19日02时850 hPa比湿图(图 8b)上，河南许昌附近也有15.5 g/kg的大值中心，根据经验，850 hPa比湿等于12 g/kg为河南出现区域暴雨的水汽阈值，这两次伴有龙卷的区域暴雨过程850 hPa比湿达到了15.5 g/kg，说明了两次过程有非常充分的水汽条件。

图 8 2010年7月17日14时(a)和19日02时(b)850 hPa比湿(g/kg)Fig. 8 850 hPa specific humidity at(a)14：00 BT 17 July and (b)02：00 BT 19 July 2010(g/kg)

图选项

从简化的垂直涡度方程(略)可知垂直涡度主要由两项组成，一项是在水平分布不均匀的垂直速度场的作用下水平涡度被扭转为垂直涡度，另一项是涡旋在随高度逐渐加强的上升气流中被垂直拉伸而涡旋加快(俞小鼎等，2008)，目前，对于超级单体风暴中产生中气旋比较一致的观点是：环境垂直风切变产生水平涡度，沿着对流单体低层入流方向的水平涡度分量在随着低层入流转变为上升气流中被逐步扭曲为垂直涡度，随后垂直涡度在上升运动的垂直拉伸下进一步加强为中气旋(Davies-Jones，1984; Rotunno et al，1985)。上述分析中850 hPa有偏南风低空急流，两次龙卷都发生在低空急流头左前侧，此处除了有较强的曲率和切变垂直涡度外，还有很强的低层水平涡度(地面为2—4 m/s的东南风)。垂直风廓线(图 4c、5c)1.5 km高度偏南风速在16—18 m/s，垂直风切变矢量差为15 m/s，切变值为1.0×10^-2 s^-1，达到了中气旋涡度的量级，水平涡度的方向基本由东指向西，在低层入流(东东南)方向上有很大的分量。本过程从大尺度到中尺度都存在很强的次级环流，中低层较强的正涡度区也是龙卷生成的重要背景条件。低空辐合、高层辐散，中层副高边缘西南气流、低层低涡切变和急流、地面中尺度气旋低压、强的负变压中心(≤-2.0 hPa)都 表明有强的上升运动。当低层入流逐渐转为上升气流时相应的水平涡度被扭转为垂直涡度，随着上升气流拉伸，形成中气旋，在上升气流的进一步拉伸作用下，旋转加强可形成尺度更小的气旋，以上是水平涡 度扭转为垂直涡度的可能性分析。另外，两次龙卷均出现在区域暴雨、大暴雨过程中，水汽条件非常充足，抬升凝结高度很低(300 m以下)，表明云底高度非常低，当有强的垂直涡度集中时很容易影响到地面，这也是发生龙卷并出现严重灾害的一个重要原因。

本文分析的两次龙卷都发生在低涡东南侧螺旋雨带上(较高仰角)或雨带东侧(低仰角)，对发生龙卷的中气旋和正负速度对连线方向(和径向垂直)做反射率因子和径向速度垂直剖面(图 9)，可见螺旋带状强降水回波对流特征明显，回波带东侧低层有弱回波区，说明存在强的入流上升气流，径向速度剖面图上黄线左侧的离开雷达的正速度是由强回波带西侧的强降水下曳气流造成的，目击者和乡镇雨量数据表明龙卷发生前西侧均出现了强暴雨，黄线东侧有朝向雷达的负速度区，负速度区明显大于正速度区，有时甚至达到速度模糊(图 7d)。Lemon等(1979)关于龙卷超级单体概念模型中指出，龙卷最容易发生在上升气流和后侧下沉气流交界面附近靠近上升气流一侧，虽然视觉上螺旋雨带上出现龙卷的微型超级单体和经典龙卷超级单体有很大的不同，但发生龙卷的机理有相似之处，强降水下曳气流的作用非常重要。在螺旋雨带的南部降水强度比较弱，下沉拖曳作用也弱；螺旋雨带靠近涡旋中心的部分降水比较强，但低层不存在通畅的入流，两处上升和下沉气流没有很好配合，而在螺旋雨带中部强降水回波东侧凸起处很容易出现匹配的强上升和强下沉气流，使得雷达径向速度图上出现离开和朝向雷达的速度对(白色双箭头)在上升气流一侧(基本反射率因子剖面白色单箭头处)形成，此处是龙卷容易发生的关键区域，应予以高度关注。另外经典超级单体龙卷的形成一般存在环境垂直涡度的集中、中气旋加强、中气旋集中、中气旋下降的过程，本文区域暴雨中出现的中气旋则只局限于低层(一般2—4 km，底高＜0.5 km)，并在低层持续移动，这也是二者的显著区别。

图 9 17日17时44分(a1、a2)和19日05时33分(b1、b2)沿中气旋正负速度对连线(切向)的基本反射率因子(a1、b1)、径向速度对应剖面(a2、b2)Fig. 9 Cross sections of the radial velocity(a2，b2) and the reflectivity factor(a1，b1)along the connections of the positive and negative pair in the mesocyclone(tangential)at 17:44 BT 17(a1，a2) and 05:33 BT 19(b1，b2)

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通过分析两次龙卷过程的大尺度环流背景、龙卷产生的环境条件和多普勒雷达产品可得出如下结论：

(1)两次龙卷发生的大尺度天气背景是：龙卷过程均发生在副高边缘西南气流影响河南出现区域暴雨和大暴雨过程中，高层为青藏高压脊北侧和高空急流入口区右后侧强辐散区，中低层有低涡、切变线、低空急流，龙卷发生在地面β中低压气旋中心东南象限，距气旋中心约50 km处。

(2)F2级龙卷发生的环境场特征：对流有效位能大于1000 J/kg，大气层结不稳定，K指数大于36℃，发生强龙卷的SWEAT指数在400左右，0—1.5 km垂直风矢量切变大，达15 m/s，而抬升凝结高度很低，在0—300 m。

(3)自动站资料分析结果为：龙卷发生前后风速突增，风向突变、气压显著下降并伴有对流性强降水。

(4)从雷达资料看两次龙卷均发生在低涡东南侧的β中尺度螺旋雨带上，该回波带强度50 dBz左右，顶高9—12 km，龙卷是由该回波带上的微型超级单体造成的，垂直剖面上低层有明显的弱回波上升气流区，螺旋雨带中部向东凸起的强降水下沉气流和上升入流交界处的上升气流一侧是龙卷易出现的关键区域。γ中尺度气旋在速度图上先后经历了三维相关切变、中气旋、龙卷涡旋特征的演变过程，中气旋朝向雷达的速度明显大于离开雷达的速度，具有不对称结构，中气旋提前于龙卷发生0.5—1.0 h出现，这对估计和预警龙卷很有意义。

两次龙卷中气旋和龙卷涡旋特征底的高度都在1 km以下，TVS底和中气旋底高度相当或略低一些，F2级龙卷底高＜0.5 km，TVS顶的高度一般在2—4 km，中气旋顶高一般2—3 km，中气旋最大切变一般在(1.0—4.0)×10^-2s^-1，TVS最大切变值一般在(2.0—5.0)×10^-2s^-1，最大切变高度平均出现在0.8—0.9 km，F2级龙卷最大切变高度一般在0.5 km。就F1和F2两次龙卷过程比较看，F2龙卷特征底和顶的高度都低于F1龙卷，最大切变值F2龙卷比F1龙卷大一倍，出现在低层大的切变更容易造成严重的龙卷灾害。Trapp等(2005)的统计发现，出现中气旋的超级单体风暴产生龙卷的概率是20%左右，但如果中气旋底高在1 km以下，则产生龙卷概率超过40%，底高越低，龙卷概率越大。本文两次龙卷产生前中气旋底高很低，因此产生龙卷概率大，可以以相对大的把握发布龙卷警报。

经典超级单体龙卷一般发生在钩状回波后侧下沉气流和上升气流交界处，本文分析的两次龙卷发生在暴雨螺旋雨带中部强回波向东凸起的强降水下沉气流和上升气流交界处。和经典超级单体龙卷相比，暴雨回波的强度不是特别强，梯度不大，对流发展的高度也没有经典龙卷超级单体旺盛，单从基本反射率因子难以估计和判断发生龙卷。和暴雨相伴的龙卷预警思路和经典超级单体有明显不同，应提前分析发生龙卷的环境场，对可能发生龙卷区域的潜势要有充分估计，考虑螺旋暴雨带上龙卷有可能的系列性、移动性、持续性特点，短期临近预报日常业务工作中应加强新一代雷达产品特别是平均径向速度、中气旋、龙卷涡旋特征的跟踪和监测，根据其演变外推预警可延长预警时效。