2019, Vol. 77
中国气象学会主办。
文章信息
- 王秀明, 俞小鼎. 2019.
- WANG Xiuming, YU Xiaoding. 2019.
- 热带一次致灾龙卷形成物理过程研究
- A study on the physical process involved in the genesis of a severe tropical tornado
- 气象学报, 77(3): 387-404.
- Acta Meteorologica Sinica, 77(3): 387-404.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2019.031
文章历史
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2018-02-24 收稿
2018-12-05改回
龙卷是最猛烈的对流天气现象，产生的最大地面风速可达125—140 m/s(Davies-Jones, et al, 2001)，龙卷在中国发生频率不高，年均EF2级以上的龙卷3.3次(范雯杰等，2015)，但由于预警能力低、人口密度大，常造成重大人员伤亡(俞小鼎等, 2006b, 2008；Meng, et al, 2014；张小玲等，2016；郑艳等，2017；李兆慧等，2017；Bai, et al, 2017)。
Trapp等(1997)根据龙卷涡旋或龙卷胚胎初始产生的位置及尺度将龙卷分为中气旋龙卷和非中气旋龙卷。Markowski等(2010)建议，当超级单体风暴通过强烈垂直运动扭转环境水平涡度而产生中气旋及龙卷时称为中气旋龙卷，当地面附近预先存在小涡旋，近地层辐合或积云上升气流拉伸小涡旋形成龙卷时称为非中气旋龙卷。具有中气旋的超级单体也会通过类似非超级单体龙卷的形成机制来产生龙卷(Markowski, et al，2010；郑永光等，2017)，不过龙卷不出现在中气旋内部，而是出现在其后侧下沉气流出流与环境低层暖湿气流相遇的阵风锋上。基于中层强中气旋的龙卷业务预警指标仅能预警中气旋龙卷。实际上中空强中气旋本身尚不足以形成及地的龙卷。研究(Wicker, et al, 1995；Wurman, et al, 2012；Markowski, et al, 2003)表明超级单体后侧下沉气流的作用是不可或缺的。French等(2013)基于更高时空分辨率的车载雷达和相控阵雷达观测资料研究表明，龙卷涡旋特征大多从低层开始出现向上发展，中层中气旋下降形成龙卷的情况反而很少。观测研究(Markowski et al, 2002, 2009)表明，低层中气旋多产生于超级单体后侧与下沉气流相关的风暴出流边界上，Straka(2007)、Markowski等(2009)认为，热力边界产生的水平涡度形成涡线拱(vortex line arches)是龙卷初始涡旋的来源。最近的数值模拟研究(Schenkman, et al, 2014; Roberts, et al, 2017)表明，低层摩擦产生的水平涡度扭转在龙卷形成过程中起主导作用。多普勒雷达首次记录的非中气旋龙卷发生在美国科罗拉多东部(Wilson，1986)。Wakimoto等(1989)在观测研究的基础上给出了非中气旋龙卷生成过程。非中气旋龙卷产生前地面附近存在水平尺度4 km以下的微气旋(Trapp, et al, 1997；Markowski, et al, 2010)，低层强辐合拉伸已经存在的微气旋，垂直涡度快速(15 min以内)集中，辐合常常由随后叠加在微气旋之上的对流风暴产生，也可由海风锋、出流边界等中尺度系统形成。低层微气旋常在具有较大水平风切变和垂直涡度的出流边界附近产生(Lee, et al, 1997)。
中国多普勒天气雷达亦监测到了不少非超级单体龙卷(周宏伟等，2011；刁秀广等，2014)，大多为飑线附近的EF2级以下的龙卷。龙卷生成观测研究依赖外场试验(Rasmussen, et al, 1994; Wurman, et al, 2012)，受资料限制，中国对龙卷形成物理过程的观测研究几乎没有，主要研究集中在中纬度超级单体龙卷环境及龙卷风暴雷达特征方面(俞小鼎等, 2006b, 2008；姚叶青等，2012；张一平等，2012；吴芳芳等，2013；王秀明等，2015；张小玲等，2016)以及台风外围龙卷环境及雷达特征结构研究(何彩芬等，2006；蒋义芳等，2009；郑媛媛等，2015；Bai, et al, 2017)，2012年以来开展了龙卷灾情调查研究(Meng, et al, 2014；郑永光等, 2016, 2018；Bai, et al, 2017；李兆慧等, 2017)。俞小鼎等(2006b, 2008)曾试图对两次中纬度超级单体龙卷形成过程进行讨论，但由于两次龙卷风暴距离雷达均为90 km，距地1.5 km以下的雷达资料无法获取，实际上无法基于观测资料分析龙卷形成的物理过程。海南龙卷相对较多，2004—2015年共发生22次龙卷，但EF2级龙卷仅4次，且4次均为热带气旋外围雨带上的龙卷，非热带气旋外围雨带下的龙卷多为EF0级弱龙卷(郑艳等，2017)。
2016年6月5日15时12—27分(北京时，下同)，海南东北部的文昌出现了EF2级强龙卷，造成1人死亡11人受伤。这次过程有近距离的视频记录，郑艳等(2017)给出了视频监测的低层尘卷云与龙卷漏斗云结合形成致灾龙卷的过程。符式红等(2018)研究表明，龙卷发生环境参量与中高纬度超级单体龙卷不同，主要差异是环境风弱、环境风垂直切变弱。基于龙卷发生时雷达监测到了低层中气旋，郑艳等(2017)认为这是一次超级单体引发的强龙卷过程，但0—6 km弱的环境风垂直切变并不利于超级单体中气旋形成；海风锋和阵风锋很可能是超级单体形成的重要因素，但其形成物理过程有待研究；郑艳等(2017)曾提到龙卷在中层中气旋向低层延伸加强过程中形成很可能只是表象，产生龙卷的中气旋很可能是相对独立产生的低层中气旋，可见与龙卷有关的中气旋究竟是相对独立产生的低层中气旋还是中层中气旋的向下发展并不清楚，龙卷涡旋形成的物理过程有待进一步分析。对于热带地区超级单体龙卷过程研究相对较少，因而此次热带弱的大尺度强迫下的EF2级龙卷及其相关中气旋形成物理过程有待进一步研究。
2 资料与方法为了分析龙卷风暴结构以及龙卷涡旋(包括10 km以下的龙卷初始涡旋、中气旋和龙卷涡旋特征等龙卷形成过程中的小尺度涡旋)形成物理过程，采用GR2Analysist和CINRAD雷达产品显示系统分析海口多普勒天气雷达反射率因子和径向速度产品，反射率因子误差为2 dBz，径向速度误差为1 m/s；结合雷达反射率因子的窄带回波和海南10 min间隔的地面自动气象站观测资料分析海风锋辐合线及阵风锋，通过CRESSMAN插值将地面自动气象站风场插值到0.25 km分辨率网格，定量分析边界层辐合强度；结合海口雷达风廓线和多普勒天气雷达垂直风廓线产品估计龙卷发生地附近局地环境风垂直切变。Burgess等(1990)研究表明，“弱回波区”上方反射率因子核高度可大致代表最强上升气流高度，回波越强表明上升气流越强。基于雷达反射率因子产品识别的弱回波区估计风暴最强垂直速度高度。为了定量估计垂直速度，基于多普勒雷达径向速度上的小尺度辐合速度对，根据连续方程计算上升气流值，进而由涡度方程散度项时间积分(Davies-Johns, et al，2001)计算涡度增幅；小尺度涡旋采用(包括中气旋和龙卷涡度特征)以Zrnic'等(1985)提出的探测算法为基础的CINRAD-SA多普勒天气雷达中气旋探测算法(俞小鼎等，2006a)。
3 龙卷风暴成因及其结构特征分析 3.1 阵风锋与海风锋相互作用下龙卷风暴的形成2016年6月5日13时23分开始海南文昌地区景心角和抱虎山附近的沿海有雷暴在窄带回波上新生(郑艳等，2017)。与窄带回波对应，地面加密资料显示13时30分文昌东北部沿海东北风由2 m/s增至4 m/s，与岛内偏南风形成辐合(图 1a)，并向岛内缓慢推进，此时沿海站与岛内温差3℃。窄带回波即海风锋辐合线，雷暴由其触发。雷暴触发后(13时23分—14时12分)沿环境西南风向东移至海上并逐渐减弱。由于环境气流弱(符式红等，2018)，风暴移速在4 m/s以下。14时12分后不断有新生积云在老的雷暴单体西侧沿着海风锋辐合线发展，使得风暴转而向西移动并强烈发展，形成多单体风暴(简称文昌多单体风暴)，图 2给出了海风锋辐合线(图 2中窄带回波处)使得文昌多单体风暴掉头向西传播的清晰图像。风暴由东移减弱到西移发展，决定因素是加强的海风锋：14时10分海南东北角形成散度为1.8×10-4 s-1的地面辐合中心，辐合区向东伸至景心角及其以东海面，辐合线两侧的风显著增大(图 1b)，加强的海风锋辐合线散度从13时30分至14时30分由0.8×10-4 s-1增至2×10-4 s-1。
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| 图 1 2016年6月5日地面自动气象站监测的10 m高度2 min平均风(风矢)及散度(等值线，单位：10-5 s-1) (a. 13时30分，b. 14时10分，c. 14时50分，d. 15时10分；龙卷天气符号标注龙卷位置，红色字母“HK”和“WC”分别标注海口雷达站和文昌市) Fig. 1 2 min average winds (barbed arrow) at 10 m detected by AWS and divergence (contour, unit: 10-5 s-1) (a. 13:30 BT, b. 14:10 BT, c. 14:50 BT, d. 15:10 BT; The red tornado symbol indicates the tornado location; "WC" and "HK" denote Haikou radar station and Wenchang) |
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| 图 2 2016年6月5日沿海风锋辐合线传播的文昌多单体风暴反射率因子立体图像 (a. 14时37分，b. 14时44分) Fig. 2 The Wenchang multicellular storm propagating along the sea-breeze front and the 3D reflectivity images at 5 June 2016 (a. 14:37 BT, b. 14:44 BT) |
13时开始海口沿海的偏北风逐渐增大，13—14时海风由3 m/s增至6 m/s，与内陆偏南风形成明显的海风锋辐合线(简称“海口海风锋”)，13时30分(图 1a)地面图上可见1.5×10-4 s-1辐合中心，14时开始雷暴在海口海风锋上新生并快速发展(以下简称海口风暴)，14时37分(图 3a)海口风暴位于雷达站正东25 km处，径向速度图上距地300 m高度监测到了21 m/s的阵风，14时50分地面监测到10.3 m/s的风暴出流(图 1c)，与之对应反射率因子图上风暴东南侧10 km左右可见与风暴出流对应的呈弧形的窄带回波(图 3a红色虚线)。海口风暴稳定少动且逐渐减弱而阵风锋继续向东推进(图 3)。13时30分—14时50分，文昌南部偏南风由2 m/s增至6 m/s，反射率因子图上可见与南风向北推进对应的东北—西南向窄带回波(图 3a红色虚线)，该窄带回波东段与海南东北角的海风锋辐合线重合，文昌多单体风暴位于其东端。两条窄带回波相向移动并于14时50分相遇(图 3c)，相遇后辐合显著加强，14时30分—15时地面散度由2.0×10-4 s-1增至3.5×10-4 s-1，14时50分后很可能有文昌多单体风暴出流的影响。强辐合使得文昌多单体风暴西端单体强烈发展，14时56分西段最强单体回波强度55 dBz，6 min后即超过65 dBz(图 4c，单体A)，同时单体A西侧出现了一个更强的具有弱回波区结构的对流单体(单体B，此即龙卷母云体)。15时08分龙卷母云体西侧两条窄带回波相遇的强辐合线上还有两单体新生(图 4c、d)，实际上15时02分在辐合线上空单体A西侧5—8 km高度有东北—西南向的积云线，15时08分新生的3个对流单体均是在此积云线上发展起来的。
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| 图 3 016年6月5日海口风暴阵风锋与加强的海风锋相遇使得文昌多单体风暴向西传播，海口雷达1.4°仰角反射率因子 (a. 14时37分，b. 14时44分，c. 14时50分，d. 14分56分；粗虚线标记窄带回波) Fig. 3 The tornadic storm propagating westward under the influence of enhanced sea-breeze and its intersection with outflows from the Haikou storm, and radar reflectivity from the Haikou radar at 1.4° elevation at 5 June 2016 (a. 14:37 BT, b.14:44 BT, c.14:50 BT, d.14:56 BT) |
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| 图 4 文昌风暴反射率因子垂直剖面 (a.弱海风锋辐合13时54分，b.强海风锋辐合14时37分，c.强海风锋辐合上出流边界相遇触发龙卷母云体15时08分，d.龙卷母云体强烈发展15时15分) Fig. 4 Cross sections of the Wenchang storm reflectivity under different PBL convergence conditions (a. weak sea-breeze at 13:54 BT, b. strong sea-breeze at 14:37 BT, c. 15:08 BT when the tornadic parent storm initiated by the intersection of outflows along the strong sea-breeze front, d. 15:15 BT when the tornadic parent storm fiercely developed) |
文昌东北角海风锋辐合线上最初触发雷暴其反射率因子核强度55 dBz，高度仅4 km，为一般单体(图 4a)，此时地面有风向辐合，散度在1.0×10-4 s-1以下。14时12分后在增强的海风锋辐合线上形成的文昌多单体风暴反射率因子核高度升至6 km左右(图 4b)。龙卷发生前3 min(15时08分，图 4c)，当海口风暴出流与文昌多单体风暴出流在海风锋辐合线上相遇时，反射率因子核高度达9 km且超过65 dBz，此即龙卷母云体。龙卷强烈发生时(15时15分，图 4d)，龙卷母云体出现了深厚的有界弱回波区结构。上述风暴反射率因子核强度和高度演变表明，随着边界层辐合抬升的增强，风暴最强上升气流伸展高度不断升高，上升气流强度显著增强。上述雷暴发生最临近时刻，地面站气温为34—36℃，露点27—28℃，且雷暴发生在40 km范围内，自由大气处在同一暖湿气团中，即在同样的环境热力条件下，决定风暴内上升气流强度和深厚程度的关键因素是边界辐合抬升强度。
海口SA型多普勒天气雷达站距离龙卷仅50 km，全程监测了龙卷风暴演变过程，在龙卷发生过程中还观测到了与之相伴的、与龙卷母云体分离的及地反射率因子核及深厚的龙卷涡旋特征(图 5)。15时15分，过龙卷涡旋中心的径向速度剖面(图 5a)可见，3 km以下越接近地面涡旋越强，且恰好在低层龙卷涡旋特征处，反射率因子图上从4 km左右高空伸下一狭长的(水平尺度1—2 km)、强度45 dBz左右的及地回波，Rasmussen等(2006)称之为下沉反射率因子核，并认为其有可能是龙卷生成的先兆信号。Byko等(2009)通过车载雷达和高分辨率数值模拟研究认为，这种因低层涡旋加强而产生的下沉反射率因子核，是由低层龙卷涡旋扰动低压产生的向下的气压梯度导致的，下沉反射率因子核是龙卷涡旋的副产品而非其加强的先兆特征。本例中在龙卷维持阶段，下沉反射率因子核更加清晰(图 5f)，由于龙卷卷起了大量的水沫，下沉反射率因子核有可能是龙卷漏斗云回波。
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| 图 5 2016年6月5日15时15分(a—c)和21分(d—f)沿0.5°仰角龙卷涡旋中心 (图c、f中白色实线从“K”至“J”，每个马赛克格约0.9 km)的径向速度(a、d)和反射率因子(b、e)垂直剖面(a、b中橙色倒三角为龙卷发生地，f中绿色空心倒三角为龙卷涡旋特征，实心三角为冰雹指数) Fig. 5 Cross sections of radial velocity (a, d) and reflectivity (b, e) across the tornado vortex center at 0.5° elevation (along the white line from "K" to "J" at Fig. 5c and 5f) at 15:15 BT (a-c) and 15:21 BT (d-f) 5 June 2016 (The solid orange inverted triangles denote the locations of the tornado, the green inverted triangles denote TVS, the green solid triangles show the hail index) |
综上，在高空引导气流较弱的环流背景下，增强的海风锋辐合线使得文昌风暴掉头向西形成多单体风暴。海口雷暴的阵风锋与增强的海风锋辐合线相遇使得文昌多单体风暴强烈发展并在其西侧辐合线上触发多个对流单体，当文昌多单体风暴的出流边界与海口风暴出流边界在海风锋辐合线上相遇时，风暴迅猛发展形成龙卷母云体。龙卷发生时雷达监测到了深厚的龙卷涡旋特征(TVS)和下沉反射率因子核。海风锋辐合线、风暴阵风锋等中尺度边界是龙卷母云体形成发展的关键因素。当然，海南大气层结极其不稳定是前提条件，14时海口订正探空(抬升海口0—1 km混合层气块)对流有效位能约1500 J/kg，抬升地面气块的对流有效位能为2900 J/kg(符式红等，2018)，实际上类似的浮力不稳定状况在海南夏季午后很常见，比如龙卷发生的次日对流有效位能达4000 J/kg，而类似龙卷母云体般强盛的对流单体却并不多见。
3.2 非典型超级单体龙卷形成过程分析图 6—9给出了龙卷风暴结构演变过程。龙卷发生前10 min(15时02分)，龙卷母云体尚未生成，此时最强单体为文昌多单体风暴最西段的单体A(图 6中标记为“A”)。龙卷母云体于15时08分(龙卷发生前4 min)生成，在6 min内(15时02—08分)发展成具有中高层中气旋和弱回波区结构的超级单体强风暴(图 7中单体B)，15时15分(龙卷发生时)龙卷母云体发展到最强盛阶段，回波强度增强、高层具有强中气旋(图 8)，15时21分(龙卷持续时)龙卷母云体弱回波区结构在6.0°仰角的雷达图上消失，高层旋转显著减弱，龙卷母云体与其西侧辐合线上积云连成一线(图 9)。
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| 图 6 海口雷达15时02分6.0°仰角反射率因子(a)及9.9°(b)、0.5°(c)、6.0°(d)仰角径向速度 Fig. 6 Radar reflectivity at 6.0° elevation (a) and radial velocities at 9.9° elevation (b), 0.5° elevation (c), 6.0° elevation (d) at 15:02 BT from Haikou radar |
在龙卷母云体生成前(15时02分)，文昌多单体风暴西端最强单体(图 6中A单体)内6 km高度以上有中气旋(图 6d)，其10 km高度旋转速度(速度差除以2)达19 m/s，旋转速度随高度降低明显减弱(图 10a)。实际上14时56分单体A就已经出现中气旋，最强旋转速度为13 m/s，出现在6 km高度，文昌多单体风暴内还有一单体有高层涡旋。龙卷母云体生成后，其旋转速度达24 m/s，为强中气旋，强中气旋维持2个体扫，且中气旋核高度随着反射率因子核升高而升高(图 10a)。一般情况下，超级单体中气旋出现在3—4 km高度(Trapp, et al, 1997；French, et al, 2013)，6—10 km的中高层中气旋在超级单体风暴中并不多见。从图 10可见龙卷形成发展时(15时02—15分)龙卷母云体内的中高层中气旋向上发展而非向下伸展，并且随着中高层中气旋减弱，龙卷风暴减弱，表明中高层中气旋未下降形成龙卷，但对龙卷形成有影响。
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| 图 10 2016年6月5日14时56分—15时27分不同仰角的龙卷发生地附近强对流单体内及边界层小尺度涡旋的旋转速度(a)、直径(b)和垂直涡度/切变(c) (14时56分和15时02分追踪单体A(图 6)的涡旋，15时08—27分追踪单体B(图 7)的涡旋) Fig. 10 Rotational velocity (a), velocity couplet diameter (b) and azimuthal shear (c) of the small-scale rotation pattern near the tornado at different elevations from 14:56 BT to 15:27 BT 5 June 2016 observed by the Haikou radar |
海口雷达监测到了距地600 m左右的龙卷涡旋演变过程。雷达监测的距地1 km以下低层强烈涡旋出现时间与视频监测到龙卷强烈发展时段同步，雷达监测的小涡旋从15时08—27分，涡旋移动了3.7 km，移向东南，与目击报告及灾情调查基本一致。龙卷生成前(15时08分，图 7a)，雷达监测到了中等强度中气旋，旋转速度18 m/s，涡度值为10×10-3 s-1(图 10)，而6 min前以辐合为主，涡旋尚不清晰(图 6a)。15时15分视频监测龙卷强烈发展时，雷达监测到龙卷涡旋特征(图 7b)，速度差约42 m/s，直径0.9 km，6 min内垂直涡度增加了5倍，龙卷持续时段0.5°仰角小尺度涡旋维持，垂直涡度维持1.0×10-2 s-1量级。15时27分其旋转速度已显著下降，同时0.5°仰角以上已无中气旋和龙卷涡旋特征。15时08分有上下两个中气旋，从旋转速度随高度的分布(图 10a)可看到中高层中气旋旋转速度从6.0°仰角向下减弱，低层中气旋从0.5°仰角向上减弱，在3.4°仰角旋转最弱，涡旋环流不完整。龙卷发生时中高层中气旋加强升高，低层中气旋加强、直径减小，形成深厚的龙卷涡旋特征。与郑艳等(2017)基于中气旋产品认为中气旋下降过程中龙卷形成不同，龙卷初始涡旋先在近地层出现，龙卷形成过程中向上发展加强，这与French等(2013)的研究类似。
15时08分低层中气旋涡旋位于龙卷母云体弱回波区中心以东3—4 km处，弱回波区未覆盖低层中气旋(图 7)，表明风暴强上升气流与低层涡旋未重合。龙卷发生时(图 8)，0.5°仰角的龙卷涡旋特征位于6.0°仰角弱回波区，表明风暴强上升气流位于低层龙卷涡旋上方。由剖面(图 11)可见，15时15分龙卷母云体65 dBz的强回波位于9 km高度，最强回波位于6 km高度弱回波区正上方，根据Burgess等(1990)可大致推测风暴内最强上升气流位于6—9 km高度的弱回波区，高层弱回波区和强中气旋中心下方是深厚的龙卷涡旋特征。龙卷维持阶段(15时21分，图 11c、d)龙卷涡旋特征上方弱回波区高度降至4 km以下，表明上升气流高度及强度显著下降，但龙卷涡旋特征上方依然为风暴上升气流区。龙卷接近衰亡时(15时27分，图 11e、f)弱回波区降至2 km以下且与龙卷涡旋特征分离，龙卷涡旋仅限于近地层且旋转速度显著减弱。上述弱回波区高度及其与低层龙卷涡旋的配置关系表明，低层龙卷涡旋上空为强上升气流而非下沉气流；当风暴深厚且强的上升气流核位于龙卷涡旋上方时，龙卷涡旋强烈发展，随着上升气流中心与低层龙卷涡旋分离，龙卷衰亡。
图 12给出了两股出流相遇处弱切变加强成低层中等强度中气旋的过程。14时50分海口风暴产生的浅薄(约1 km)出流向东推进(图 12a低层红色速度区)。文昌多单体风暴于14时25分出现50 dBz以上强回波后开始出现向西的下沉出流，14时50分近地层的出流仍弱且浅薄，仅在0.5°仰角出现了7.5 m/s以上的出流。随着风暴发展，14时56分下沉出流加强增厚，出现了两处超过7.5 m/s的向西出流(图 12b，低层绿色区域)，此时海口风暴出流继续向东略偏南方向伸展，两股风暴出流边界相遇形成辐合。海口风暴向东的出流在南侧，文昌多单体风暴向西的出流前沿在北侧，二者南北相距10 km左右，形成辐合式切变，辐合占主导，切变较弱。3.1节分析表明此时海风锋辐合线与海口风暴出流相遇(图 3c)，辐合显著增强，15时02分文昌多单体风暴西段单体A因低层增强的辐合而显著增强，由图 12c可见文昌多单体风暴出流亦显著增强。两股强出流中心相遇辐合抬升，辐合层增强增厚，15时08分两股出流相遇处形成了低层中等强度的中气旋(图 12d，白色椭圆圈)。
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| 图 12 两股出流相遇后形成低层中气旋的径向速度(7.5 m/s等速度面)立体图像 (a. 14时50分，b. 14时56分，c. 15时02分，d. 15时08分；白色椭圆(虚线)标注中气旋位置，蓝色虚线为14时50分海口风暴出流前沿，白色带箭头虚线标注两股风暴出流) Fig. 12 The low level mesocylone formed by the intersection of two outflows, and 3D radial velocity isosurface (7.5 m/s) images (a.14:50 BT, b.14:56 BT, c.15:02 BT, d. 15:08 BT; The white circle (dotted line) denotes the location of the mesocyclone, the blue dashed line indicates the front edge of the outflow from the Haikou storm at 14:50 BT, and the white dotted lines with arrows indicate the two outflows) |
下面讨论低层龙卷涡旋形成物理过程。15时02分两股出流在0.5°仰角形成辐合式旋转(图 6a、12c)，相对深厚(2 km)的强辐合叠加在低层浅薄涡旋之上(图 13)。强烈的辐合抬升使得浅薄涡旋拉伸发展。2 km以下的辐合值约为2.7×10-3 s-1，由连续方程估计可在2 km高度产生5.4 m/s上升速度，由涡度方程散度项时间积分，垂直涡度可在6 min内由4.4×10-3 s-1增至11.7×10-3 s-1，而15时08分0.5°仰角中气旋涡度为10.1×10-3 s-1，表明辐合拉伸作用能够解释低层中气旋的垂直涡度增量。15时08分中气旋附近(图 13d实心三角标注处)低层仍有浅薄的辐合，其散度约为4×10-3 s-1(由于风速变化较大存在不确定性)，15时08—15分低层中气旋加强为龙卷涡旋特征其涡度由10.1×10-3 s-1增至46.5×10-3 s-1，理论上要求其散度大于4.2×10-3 s-1。可见理论上拉伸作用(散度项)能够解释低层中尺度辐合式旋转加强为中气旋以及进一步加强为龙卷涡旋特征的涡度增长。从地面10 min风场计算的地面散度亦表明低层辐合在15时10分前后最强(图 1d)。龙卷发生地处于3股气流的汇合中心：海口风暴6 m/s西北风出流，文昌风暴6.4 m/s偏东风出流，此外还有文昌中南部4—6 m/s环境南风，东西两股风暴出流均较10 min前增大2 m/s，由地面加密观测风场计算的辐合中心值为0.35×10-3 s-1，龙卷维持阶段(15时20分)辐合中心值为0.3×10-3 s-1，强辐合维持，而龙卷结束后(15时30分)辐合中心值迅速降至0.15×10-3 s-1。此外，由3.2节可知，当风暴内强上升气流与低层中气旋位置重合时龙卷涡旋强烈发展，也表明风暴强上升气流的拉伸作用对龙卷涡旋的形成非常重要。15时02分低层辐合速度对东侧还有一辐合速度对位于3—6 km高度(图 13b蓝色椭圆标注)，由连续方程估计其垂直速度为8—9 m/s (表 1)，为单体A的上升气流，根据辐合层顶高度估计最强上升气流在6 km高度上，与6 km高度以上的强中气旋及强回波对应。由辐合估计15时08分龙卷母云体内最强垂直速度可达23 m/s(图 13d蓝色椭圆)。
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| 图 13 强上升气流的拉伸下低层浅薄涡旋发展成中气旋，1.5°仰角径向速度(a、c)和沿图a、c中白色实线的径向速度剖面(b、d) (a、b. 15时02分，c、d. 15时08分，图b、d中蓝色椭圆标注风暴内辐合；图d中白色实心三角标注低层中气旋位置) Fig. 13 The shallow vortex growing up to mesocyclone by the stretching of strong updrafts, radial velocities at 1.5°elevation (a, c) and cross sections of radial velocity along the white line from B to E (b, d) at 15:02 BT (a, b) and 15:08 BT (c, d) (The blue circles in (b, d) indicate the convergence of storm; the white triangle in (d) denotes the location of the low level mesocyclone) |
| 时间(高度：km) | 切变(m/s) | 直径(km) | 厚度(km) | 散度(10-3 s-1) | 垂直速度(m/s) |
| 15时02分(1—2) | 24.5 | 9 | 2.0 | 2.7 | 5.4 |
| 15时02分(3—6) | 19.0 | 7 | 3.0 | 2.7 | 8.1 |
| 15时08分(0.6) | 19.0 | 5 | — | 3.8 | |
| 15时08分(2—4.5) | 25.0 | 4 | 2.5 | 6.3 | 15.6 |
| 15时08分(4.5—8.5) | 11.0 | 6 | 4.0 | 1.8 | 7.3 |
| 注：垂直速度指假设辐合层底速度为0，根据连续方程诊断的辐合层顶垂直速度。 | |||||
综上：龙卷中气旋在低层1 km以下的浅薄气旋式切变上形成，气旋式切变由两股风暴的出流形成，出流的强辐合抬升作用使得弱切变发展成低层中等强度的中气旋，龙卷母云体深厚强烈上升运动叠置在中气旋上，更强烈的辐合拉伸作用使得低层中气旋快速发展成龙卷涡旋特征。值得一提的是，一般超级单体龙卷预警标准为低层中等强度中气旋或中层强中气旋，而15时08分存档的雷达数据雷达起始探测时间为15时08分，结束时间为15时14分，龙卷形成时间为15时12分前后，9.9°仰角探测到强中气旋的时间为15时19分43秒(业务中极少关注如此高的中气旋)，比龙卷发生时间晚，0.5°仰角探测到低层中等强度中气旋的时间为15时09分26秒，比龙卷发生时间仅提早2 min，即使不考虑数据传输时间，按照业务上根据中气旋标准来预警此次龙卷几乎是不可能的。
4.2 中高层中气旋作用及成因讨论上文分析表明，龙卷初始涡旋是低层涡旋，龙卷形成时中高层中气旋加强且最强旋转高度上升，龙卷涡旋位于风暴强上升气流区，可以排除中高层中气旋直接下降形成龙卷涡旋的可能性。但3 km以上的龙卷涡旋特征很可能与中高层强中气旋有关。15时15分0.5°仰角出现龙卷涡旋特征的同时，2.4°—6.0°亦出现了龙卷涡旋特征，且15时21分龙卷涡旋特征旋转速度进一步加强。由于环境0—6 km风垂直切变弱，15时08分前文昌多单体风暴和龙卷母云体6 km以下中层旋转不明显(图 10a)。由图 7d可见15时08分，6.0°和4.3°仰角有弱的径向到径向的切变，旋转速度分别为14和12 m/s，这有可能是中层龙卷涡旋特征的“胚胎”，径向到径向的切变在强烈上升气流的拉伸作用下有可能加强为龙卷涡旋特征。数值试验和理论研究(Klemp, 1987)表明，强而稳定的中气旋使得其中心气压下降，从而形成垂直方向的扰动气压梯度力，进而产生强上升气流，使得超级单体维持、传播。因此中高层强中气旋对龙卷涡旋的作用有可能是增强了6—9 km高度的上升气流，上升气流的拉伸作用使得其下涡旋加强。此时中高层中气旋覆盖了其下方的低层中气旋或龙卷涡旋特征。
龙卷母云体具有中高层强中气旋，且在其形成前文昌多单体风暴中曾出现中高层中气旋(图 10)，而风暴内3—7 km的中气旋通常由环境水平涡度扭转而来，这需要强的环境水平风垂直切变和与之高度匹配的风暴强上升气流，如果中气旋持续还需要相对大的风暴相对螺旋度。上文分析表明龙卷母云体强上升气流高度在6 km以上，表明强上升条件具备。龙卷母云体内强上升气流发展异常快，可能的原因为：(1)边界层深厚的强辐合，两阵风锋相遇在海风锋辐合线上，风暴起始抬升速度在2 km高度可达5.4 m/s，而5日海口订正探空的自由对流高度恰为距地高度2 km，低层强辐合抬升能快速触发雷暴且初始上升速度达5 m/s以上；(2)环境大气层结极不稳定，用龙卷发生地附近的地面温度露点订正海口08时探空，对流有效位能2900 J/kg，且平衡高度在200 hPa以上。符式红等(2018)的龙卷环境研究表明，此次龙卷环境风显著偏弱，风垂直切变弱，0—6 km风垂直切变小于2×10-3 s-1。弱环境风垂直切变无法解释中高层强中气旋的形成，有可能存在局地较强的风垂直切变。龙卷母云体发生前(15时前)由海口雷达风廓线(图 14)和多普勒天气雷达垂直风廓线产品(图略)可知整层为西南风，6 km为10—12 m/s，3 km约为6 m/s。考虑到文昌多单体西端的强单体以及龙卷母云体以沿着辐合线西移为主，相对风暴的入流在其西侧的可能性较大。由海口风廓线(图 14)，中气旋出现前距地高度0.5 km处出现了8 m/s北风(可能与海口风暴出流有关)，据此计算的0—6 km风垂直切变为3×10-3 s-1，风暴相对螺旋度(0—3 km)约160 m2/s2，或可解释中高层强中气旋的形成。
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| 图 14 2016年6月5日13时12分—17时54分海口风廓线雷达水平风垂直廓线 (色阶表示水平风速) Fig. 14 The Haikou radar wind profiles from 13:12 BT to 17:54 BT on 5 June 2016 (Horizontal wind speeds are shaded) |
基于海口多普勒天气雷达观测和高时空分辨率的地面加密资料等对海南一次EF2级以上的致灾龙卷风暴及龙卷涡旋的形成物理过程分析表明：
龙卷初始涡旋出现在低层，龙卷形成的主要物理过程是强上升气流对低层小尺度涡旋的拉伸作用。图 15给出了此次龙卷形成过程的概念模型，产生龙卷的低层中气旋在两个对流风暴的出流相遇处形成，两股主出流南北略错位在近地层形成浅薄的气旋式切变，低层辐合使得低层浅薄切变发展成中等强度的中气旋；当龙卷母云体强且深厚的上升气流及其中高层中气旋位于低层中气旋上方时，强烈上升气流的拉伸作用使得中气旋发展成深厚的龙卷涡旋特征。上升气流的拉伸作用是龙卷形成的主要物理过程：低层浅薄气旋式切变加强为中气旋的上升气流主要由相遇的风暴出流边界辐合抬升造成；使得低层中气旋加强为龙卷的深厚且强烈的上升气流除了边界层辐合抬升外，主要由正浮力产生龙卷母云体内强上升气流，另外还可能有中高层强中气旋强迫的垂直扰动气压梯度力产生的上升运动。
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| 图 15 龙卷形成物理过程概念模型 Fig. 15 The conception model of torandogenesis |
龙卷母云体具有中高层强中气旋，位于6—9 km高度，龙卷涡旋位于风暴强上升气流区，龙卷涡旋不是由中高层中气旋加强下降形成，而是由低层涡旋收缩加强形成。产生龙卷的初始浅薄涡旋先于龙卷母云体形成，龙卷初始涡旋的形成与龙卷母云体无关，此次龙卷形成物理过程显然不同于一般中气旋龙卷；龙卷在具有中高层中气旋的龙卷母云体下方的低层浅薄涡旋上发展起来，先形成直径5—6 km的中气旋，随后发展成伸展至6—7 km高度的龙卷涡旋特征，而一般非中气旋龙卷低层微气旋直径在4 km以下且仅限于距地面2 km以下高度，因此，也不同于一般非中气旋龙卷。产生龙卷的低层涡旋位于强上升气流区，龙卷由上升气流拉伸作用形成，其形成物理过程更接近非中气旋龙卷形成的物理过程。但龙卷形成过程中上下均有中气旋，具有中高层中气旋的超级单体风暴对深厚龙卷涡旋特征的形成不可或缺，从这个意义上说，倾向于将此次龙卷定性为非典型中气旋龙卷(或非典型超级单体龙卷)。受观测资料限制龙卷形成物理过程至今尚无定论，强龙卷常与强的中层中气旋相伴很可能是因为龙卷形成过程中需要强中气旋强迫的强而稳定的上升气流，但中层中气旋通过动力作用产生的准稳定维持的强上升气流的拉伸作用是否在一般中气旋龙卷的形成过程中普遍存在目前尚不可知，也不排除此次龙卷形成过程并非不典型而是现有研究尚未认识到。
加强的海风锋的辐合抬升作用和风暴出流边界等边界层的辐合抬升作用在此次龙卷风暴的形成过程中起决定性作用。海风锋触发了海口风暴和文昌东北角的雷暴。海风锋在沿海触发雷暴在海南是常见现象，此次过程不同之处为加强的海风锋辐合线使得原本随着环境引导气流东移入海衰亡的雷暴掉头沿海风锋辐合线向西传播形成文昌多单体强风暴。两股风暴出流在海风锋辐合线相遇的强抬升触发了龙卷母云体，使得龙卷母云体在6 min内发展成具有“有界弱回波区”、中气旋和65 dBz强回波的超级单体风暴。相遇的出流边界形成的涡旋是龙卷涡旋的最初来源。龙卷风暴形成过程分析表明，当大尺度系统强迫不明显时，在同样不稳定的环境热力条件下，决定风暴内上升气流强度的关键因素是边界层中尺度辐合抬升强度及厚度。
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