引言

2018年6月8日广东省佛山市南海区大沥镇和2016年8月18日广东省湛江市雷州县分别遭受了龙卷和微下击暴流导致的强风袭击，并造成较为严重的灾情，通过灾情调查，估计两次过程的地面最大风速均达12级左右，但是由于天气系统的时空尺度小，周围的气象自动观测站都没有能直接观测到天气过程，附近气象自动站录得最大瞬时风速仅为9.0 m·s^-1和13.2 m·s^-1。由于观测手段所限，灾害现场调查仍然是分析龙卷和下击暴流等中小尺度强风天气过程的风力和精细分布的重要手段。Fujita等(1970)开创性的开展了风灾调查工作，根据破坏程度和风速的对应关系，将龙卷分成6个等级，F0到F5级，即“藤田级别”或F等级。2000年起，美国得克萨斯技术大学联合多部门对F等级进行修订，调整F等级各个级别对应的风速，采用28类灾害标识物（DI），每一类标识物有多个灾害等级(DoD)，即“增强藤田级别”或EF等级(McDonald and Mehta, 2006)。目前EF等级已被美国、法国和加拿大等各国广泛使用并进行修订(郑永光等，2018)。美国是龙卷发生频率最高的国家(范雯杰和俞小鼎，2015)，较早开展对龙卷和下击暴流等风灾调查工作，目前已形成了较为完善规范化的调查体系(Frelich and Ostuno, 2012；Edwards et al., 2013；Atkins et al., 2014)。目前我国对龙卷和下击暴流的研究多是关于其气候特征、环境条件和雷达特征等方面。许薇等(2012)、张劲梅和莫伟强(2013)对广东两次龙卷过程的天气背景和环境条件等方面进行分析，总结出一系列有利于龙卷发生的环境参数。近年来我国也逐步开展了风灾调查工作。Meng和Yao (2014)对2012年7月21日北京一次龙卷灾害进行了详细的调查，并对其环境条件和雷达回波特征进行了分析。郑永光等(2016)根据2015年6月1日“东方之星”客轮翻沉事件的现场调查，分析大风天气原因和大气运动的多尺度性。朱文剑等(2016)对2015年10月4日台风“彩虹”外围龙卷进行灾情调查，分析了龙卷的强度和路径等。黄大鹏等(2016)统计了中国近30 a的龙卷灾害特征，指出龙卷灾害次数和经济损失在地域上表现为东多西少，时间上为夏季多，春季次之。但相比于美国等国家，我国的风灾调查分析工作存在很多不足，目前多使用F等级和EF等级标准。此外，在华南地区的暖季，由于能量充足、水汽充沛，龙卷和下击暴流发生时常常伴随着短时强降水等强对流天气现象，环境条件存在许多相似特征，国内外对台风龙卷和下击暴流的成因和机理分别有一定的研究，但是针对相似环境中两类不同风灾个例的对比却较为少见，本文希望通过灾害现场调查结合多普勒天气雷达和常规观测等资料，根据龙卷和下击暴流导致风灾的不同特征，分析天气类型和大气运动的多尺度性，依据F等级和EF等级标准对风力强度进行估计，并对两种风灾类型的环境条件和雷达回波特征进行对比分析，以期进一步加深对龙卷和下击暴流等极端强对流天气的认识，为龙卷和下击暴流等中小尺度天气系统的灾害调查、监测和预报预警提供参考。

1 资料与方法

采用的资料包括现场灾情调查、走访目击者和目击者提供的视频、常规探测资料、地面气象自动站资料以及多普勒天气雷达资料。南海X波段多普勒天气雷达距离分辨率为75 m，每1 min完成一次体扫，只有1.8°仰角，雷达距离风灾点约为15 km，高分辨率雷达对于探测近距离的中小尺度强对流天气具有很强的优势。湛江S波段多普勒天气雷达距离分辨率为500 m，雷达每6 min完成一次体扫，包括0.5°~19.5°共9个仰角，雷达距离风灾点约为90 km。佛山市气象局对雷州风灾点的现场调查采用了无人机航拍技术，由于南海风灾点地处禁飞区，没能使用无人机航拍。龙卷和下击暴流导致的风灾强度估计采用F等级和EF等级强度分类标准。

2 灾情调查 2.1 南海龙卷灾情调查 2.1.1 龙卷强度

2018年6月8日14:03(北京时，下同)，佛山市南海区大沥镇被强风袭击，受灾点地势平坦，周边相对空旷开阔。风灾点主要集中在2个区域，萱琳铝业装饰材料店附近和五金城，约2 000 m²的铁皮顶被掀(图 1a)，六处铁皮屋被风损(图 1b)，铁皮飞散到周围，部分铁皮被卷起吹落到百米之外，导致多辆汽车被砸损。从F等级标准来看，活动房屋被掀，对应F1等级，属于中等强度破坏。需要指出的是，图 1中的房屋为钢架结构，比美国木质结构的房屋更结实，但又不如美国水泥及砖头砌成的房屋结实。再根据EF等级标准，使得铁制的屋顶或墙体铁板被吹飞的3 s平均风速下限为34.9 m·s^-1，对应为EF0级，上限为53.6 m·s^-1，对应为EF2级，期望值42.5 m·s^-1，对应EF1级，因此判断龙卷强度为EF1级。

2.1.2 风灾现场特征

龙卷定义为从积状云向下垂并延伸到地面强烈旋转的空气柱，常常可以观测到漏斗云或地面旋转的碎片/沙尘。通过走访目击者获取了龙卷视频，视频时长只有5 s，由于雨强非常大，天空背景灰暗，造成视频较为模糊，通过后期增强曝光度和对比度处理视频，对视频素材分解成1秒钟24帧图片，再对图片进行研判。从视频截图可以看到黑色的漏斗云，铁皮屋顶被强风卷起到空中呈气旋式旋转，随时间散开下落(图 2a-d)。根据视频绘制了被大风吹起的铁皮在空中的运动轨迹示意图(图 2e)，铁皮被龙卷涡旋裹挟在空中呈气旋式旋转，向东北方向移动。

此外，通过采访4位目击者和对受灾现场进行拍摄分析，给判断龙卷和确定路径提供了依据(图 3)。目击者1描述，在萱琳铝业装饰材料店上空，一个旋转的东西突然出现，纸皮、木板等被卷到空中并朝自己的方向移动过来，目击者1与萱琳铝业装饰材料店之间相隔约250 m，两者中间隔着一条马路，没有障碍物。萱琳铝业装饰材料店西南侧即移动路径上游无龙卷破坏痕迹，由此判断龙卷的漏斗云是在萱琳铝业装饰材料店附近的屋顶触地，然后移向五金城。目击者2描述，很多石棉瓦被卷起到空中旋转，还掀起了部分屋顶。目击者3描述，一个“黑团”在五金城的上空，像一个“天井”的样子，铁皮被卷入空中旋转。目击者4描述，钢梁被卷起并掉下，风吹的声音很大。目击者1与2的描述相互印证了龙卷的触地点位置，此时龙卷卷起的为轻质物体，强度还很弱；目击者3的位置离龙卷的移动路径非常近，根据其描述的外形酷似“天井”的“黑团”乌云以及4位目击者都提到了地面上的杂物被卷起在空中旋转这个共同的现象，因此综合几位目击者的描述可知该黑团是龙卷漏斗云，从萱琳铝业装饰材料店移向五金城过程中，龙卷强度增强；在五金城强度达到最强阶段，钢梁等被卷起吹飞。根据Fujita (1981)总结的龙卷、下击暴流和直线型大风三种灾害性大风的特点可知，龙卷是强烈辐合的气旋式旋转风场，路径较为狭窄。通过采访目击者以及此次风灾中被卷起物体在空中呈气旋式旋转、破坏区域呈狭长形，符合龙卷大风致灾路径特点。龙卷影响时间约30 s，移动路径约380 m，影响时间和移动路径都非常短，可见其时空尺度明显小于典型的龙卷尺度，路径长度接近1975年广东连平的一次强龙卷造成的灾害路径长度200 m (范雯杰和俞小鼎，2015)。

2.2 雷州下击暴流灾情调查 2.2.1 风速等级

2016年8月18日02:00—03:00，广东省湛江市雷州县遭受大风袭击，受灾地处雷州西部，地势平坦，西侧靠着北部湾。通过现场勘查受灾点、走访目击者等方式，发现雷州县的包金村、官长村、苏家村、豪郎村和迈特村五个村都受到了大风袭击，其中迈特村受灾程度最为严重，大片桉树林出现倒伏，部分房顶被掀翻，多条铁柱子被风吹弯(图 4a)，直径超过10 cm的龙眼树树干被风折断倒挂在房顶(图 4b)。按照F风速等级标准，大树被折断或屋顶被刮走，属于F2级。从EF等级标准来看，使得硬木树干折断的3 s平均阵风风速期望值为33.1 m·s^-1，为EF0级；使得铁柱子弯曲或折断的3 s平均阵风风速的期望值61 m·s^-1，接近EF3级下限，考虑到铁柱子的直径较小和铁皮厚度很薄，因此估计最强风力为EF2级。

2.2.2 风灾现场特征

通过航拍发现大片甘蔗和桉树林折断，受灾面积大，风灾点呈不连续的片状，风灾路径长度长、宽度大，大部分倒伏林木方向较一致，辐散性朝东南方向，距离最远的两处受灾点相距12 km。下击暴流导致的灾害性大风是强对流系统的下沉气流形成的，水平尺度可达1 400 km，当下沉大风区的水平尺度小于4 km、持续时间2~5 min时，称为微下击暴流，其带来的大风通常为高度辐散的直线或曲线型。大部分灾点的树木倒伏呈辐散的直线型(图 5)，水平尺度都小于4 km，判断受灾点受到了微下击暴流导致的灾害性大风袭击。

与典型下击暴流带来的高度辐散直线或曲线型大风导致的树木倒向不同，还发现了有些灾点的树木倒向呈辐散和辐合交替分布的现象(图 6a)。根据Fujita(1978)此前在一次风灾调查中得到的多个微下击暴流发生时的地面风场分布，距离相邻的不同微下击暴流的地面辐散流场对吹会形成辐合流场，从而形成辐散和辐合交替分布的现象。与Fujita的调查结果类似，此处受灾点树木倒伏也呈辐散和辐合交替分布，推断该处受灾点同时发生了多个相邻的微下击暴流，图 6a为相邻的3个微下击暴流条迹，每个微下击暴流条迹的水平宽度约为30 m。而Fujita此前给的个例中，每个微下击暴流的水平宽度约为几百米，远大于此次微下击暴流条迹的水平宽度。可见虽然不同个例都存在多个微下击暴流造成的辐散与辐合交替分布的流场，但尺度差异大，反映了下击暴流中下沉气流的多尺度性。由于湛江S波段雷达的径向速度产品的水平分辨率为500 m，远大于此次微下击暴流条迹水平尺度，雷达0.5°仰角的速度场上观测到了一个直径约为5 km的辐散性中气旋，并没有直接探测到该系统。可见现场灾调能在一定程度上弥补自动站和雷达等观测设备的局限性。调查还发现倒伏的树木在路径上不是连续分布的，各个受灾点之间呈跳跃式分布。图 6b所示，沿着风灾路径，一片倒伏的树林的下游的树木却完好无损，受灾点在空间上不连续，这种现象在多处受灾点均有体现。同时从天气过程的地面观测来看，附近的纪家镇政府气象自动站探测到最大风力仅为13.2 m·s^-1 (6级)，这与现场灾调估计的多个灾点的最强风力在12级以上相差甚远，可见下击暴流导致的强风具有空间不连续的分布和尺度微小的特点，同时也体现了时间上尺度微小的特征。Fujita (1986)指出天气扰动的水平尺度为40~4 000 m时，其持续时间仅为1~30 min。由于下击暴流导致的强风持续时间非常短，只有几分钟，甚至几十秒，因此每一股短时间维持的强风造成树木倒伏表现为不连续的片状分布。

3 两次强风过程的环流背景与环境参数对比 3.1 环流背景对比

佛山市南海区大沥镇龙卷发生在2018年6月8日14:03前后，距离台风“艾云尼”登陆阳江已有17.5 h，此时“艾云尼”中心位于肇庆市高要区禄步镇，强度为热带风暴级，龙卷发生地距离台风中心偏东方向约84 km，即“艾云尼”前进方向的右前侧，龙卷处于台风7级风圈内，属于台风环流内部龙卷（图 7a）。2016年8月18日2:00雷州微下击暴流发生时台风“电母”还未登陆，“电母”中心位于南海北部海面上，台风中心距离风灾点约为280 km，远超过台风6级风圈半径，即在台风外围(图 7b)。从两次过程的高空和地面综合形势图来看，2018年6月8日08:00 (图 7c)，西太平洋副热带高压（以下简称副高）主体偏东，脊线偏北，华南东部沿海处于副高西侧边缘，佛山处于高压环流西侧与“艾云尼”东侧之间强劲的偏南风急流中，500—925 hPa各层偏南到东南风急流在珠江三角洲附近汇聚，高层200 hPa上珠江口附近为分流区，有利于高层辐散，地面上广东中部为一条东北西南向的辐合线。2016年8月17日20:00 (图 7d)，500 hPa上副高主体位于海上，雷州半岛中低层受台风外围强劲的东北气流影响，500—925 hPa各层东北风急流在雷州半岛附近汇合，地面上有一条东西向的辐合线穿过雷州半岛中部，高层200 hPa上粤西到北部湾一带为气流分流区，对应为高空辐散区。综上所述，两次过程都发生在高层辐散、低层辐合和中低空急流汇合的环流背景下，但龙卷发生在台风内部环流，距离较近，而微下击暴流发生在台风外围，距离较远。

3.2 环境参数对比

选取两次过程上游距离最近的香港和阳江探空站资料进行分析(图 8)。2018年6月8日14:00香港和2016年8月17日20:00阳江的对流有效位能分别为1 694 J·kg^-1和368 J·kg^-1。由于下击暴流发生前阳江已经产生降水，部分对流有效位能被释放了。香港的温湿探空曲线形态表现为整个对流层相对湿度都很大，基本处于饱和状态，而阳江的表现为上干下湿。香港和阳江的温度廓线显示500—850 hPa温差分别为23 ℃和21 ℃，而最接近温度廓线的假绝热曲线的500—850 hPa温差分别为21 ℃和20 ℃，表明两次过程的环境都为弱的条件不稳定。香港和阳江站的对流抑制能量都非常小，分别为2.1 J·kg^-1和12.7 J·kg^-1(表 1)，主要是因为地面湿度大、抬升凝结高度和自由对流高度低造成对流抑制能量小。对流抑制能量小时表明稳定层很薄，低层大气非常不稳定，极易触发深厚湿对流天气。香港和阳江的0—6 km风垂直切变分别是2.5×10^-3 s^-1和0.8×10^-3 s^-1，0—1 km风垂直切变分别是13.1×10^-3 s^-1和1.9×10^-3 s^-1。对比两次过程的环境参数发现大气环境都为弱的条件不稳定，对流抑制能量小和抬升凝结高度低。但两个过程的动力条件差别较大，尤其是龙卷过程的低层0—1 km的风垂直切变明显大得多，根据Thompsonn等(2000)、Craven和Brooks (2004)对龙卷的对流参数统计值可知，产生强龙卷的0—1 km以及0—6 km风垂直切变下限为5.5×10^-3 s^-1和3×10^-3 s^-1，强的0—1 km低层风垂直切变是产生龙卷的重要动力条件(Weisman和Klemp, 1982; McCaul, 1991)，可见两次过程的0—6 km风垂直切变都没达到统计值的下限，而龙卷过程0—1 km风垂直切变远超过统计下限值，表明低层风垂直切变很强。

4 雷达回波特征

2018年6月8日13:35，在距离南海雷达东南方向约21 km处有微超级单体发展并向东北移动，反射率因子最大值为53 dBz，速度图上有速度对发展，旋转速度仅为11 m·s^-1，13:36—13:50微超级单体风暴向东北方向移向南海区大沥镇，速度对的旋转速度略有加大(图略)。图 9a—c是南海雷达0.5°仰角反射率因子产品，13:52微超级单体移近南海大沥镇南部，此时风暴单体具有明显的钩状回波和入流缺口回波特征，在钩状回波顶端的反射率因子最强，强度达到55 dBz，13:55微超级单体移入大沥镇，位于南海雷达东南方向约16 km处，钩状回波和入流缺口特征变得更为明显，14:02微超级单体移近大沥镇沥东社区的博美五金城附近，最强反射率因子增大到60 dBz，钩状回波特征变得不明显。图 9d—f是和图 9a—c同时刻的0.5°仰角平均径向速度对比图。13:52，速度图上中气旋的旋转速度加大至12 m·s^-1左右，中气旋的底高为600 m，直径为3 km，13:55，中气旋旋转速度继续加大至16 m·s^-1，达到中等强度中气旋，底高为600 m，直径为2.7 km，14:02，中气旋底高降低到500 m，尺度缩至最小1.6 km，强度维持。可见临近龙卷发生时中气旋强度增大、尺度迅速减小、底高降到最低，从时间对应上看，中气旋提前于龙卷出现约30 min。14:05后超级单体的反射率因子和径向速度明显减弱，此时龙卷也消失了。根据国内的一些研究，在龙卷频发地区，雷达探测到出现中等强度以上中气旋且向下伸展到1 km左右或以下时，可作为龙卷预警发布的重要参考指标(俞小鼎等，2008；郑媛媛等，2015；黄先香等，2018)。此次产生龙卷的微超级单体风暴质心低，中气旋的底高远低于1 km，探测中等强度以上中气旋且旋转速度迅速增大和直径快速收缩时，对应着龙卷发生，为龙卷的预报预警提供了一定的指示作用。

产生2016年8月18日微下击暴流的风暴母体是在1608号台风“电母”的外围螺旋雨带中形成的，距离湛江雷达约为90 km。02:00—02:54 (图略)，风暴单体随着螺旋雨带中自北向南移动。03:00 (图略)，风暴单体已经发展到成熟阶段，0.5°仰角的基本反射率因子图上回波中心强度达到55 dBz，导致强风灾害的对流单体为一个长轴约为28 km的椭圆状对流系统，其大小符合Orlansiki定义的β中尺度。沿着低层入流方向对单体做垂直剖面。02:30 (图 10a)，单体处于发展加强阶段，垂直伸展高度较低，基本在9 km以下，强回波中心在3 km高度，低层有弱回波区。03:00(图 10b)，回波发展高度超过10 km，强度明显增大，但强回波中心向下发展触地。02:00—02:18(图略)，0.5°仰角上强回波中心对应速度图上有一正负速度对，旋转速度约为10 m·s^-1。02:24 (图略)，速度图上首次探测到中气旋，旋转速度为15 m·s^-1，为中等强度中气旋，底高为1.5 km，直径3 km，表现为辐散性气旋。03:00(图略)，中气旋旋转速度增大为20 m·s^-1，为强中气旋，正负速度中心具有非对称性，为辐散性气旋，中气旋底高为1.7 km，直径增大至4.8 km，大小符合Orlansiki定义的γ中尺度，但是从现场调查发现多处倒伏树木的水平尺度仅为几十米，属于水平尺度不足4 km的微下击暴流条迹，可见此次强对流天气过程的多尺度性。02:30速度垂直剖面图上(图 10c)，中层3—4 km高度上出现了明显的中层径向速度辐合，正负速度差大于40 m·s^-1，是指示下击暴流典型的雷达观测特征。03:00 (图 10d)，正负速度中心也向下伸展触地，近地层风场呈现辐散特征，正负速度中心差值达到34 m·s^-1。03:06后单体移入海上。

对比分析两次过程的雷达回波特征，均伴有中气旋，不同的是形成龙卷的微超级单体有典型的钩状回波特征，速度图上低层有中等强度中气旋，中气旋底高较低，为0.5 km，龙卷出现前中气旋底高降低，直径缩小，中气旋尺度和伸展高度较下击暴流过程的小得多；导致下击暴流的为一椭圆形的β中尺度的风暴单体，无钩状回波特征，伴有强中气旋，但中气旋为辐散性气旋，且底高较高，直径达到5 km，垂直剖面图上存在中层径向速度辐合、强反射率因子核心下降的特征。

5 结论与讨论

本文通过现场调查、多普勒天气雷达和常规观测等资料，对比分析了佛山南海龙卷和湛江雷州微下击暴流导致的强风灾害特点、环境条件和雷达特征，得到以下主要结论：

(1) 根据目击者描述和拍摄视频，铁皮和杂物被卷进漏斗云在空中旋转，运动轨迹呈气旋式旋转降落，风灾路径狭窄，判断南海风灾点出现了龙卷，龙卷强度为F1级和EF1级。雷州风灾点树木倒伏表现为直线型或辐散状直线，水平尺度小于4 km，为微下击暴流所致，风速等级达F2级和EF2级，一些灾点的树木倒伏呈辐散和辐合交替分布的现象，表明有多个微下击暴流条迹发生的可能，成片倒伏的树木沿路径呈不连续分布，反映出此次微下击暴流导致的下沉气流在时间和空间上的多尺度性和尺度微小的特征。

(2) 两次过程都发生在高层辐散、低层辐合以及中低空急流汇合有利的环流背景下，但龙卷发生在台风环流内部，下击暴流发生在台风中心正前方，处于台风外围。环境参数表现为弱的条件不稳定、对流抑制能量小和抬升凝结高度低，但低层垂直风切变差异大，龙卷过程的环境0—1 km的风垂直切变强，下击暴流过程的0—1 km的风垂直切变弱。

(3) 产生龙卷和下击暴流的风暴母体均探测到中气旋，但形成龙卷的微超级单体具有明显钩状回波特征，速度图上低层伴有中等强度中气旋，中气旋底高很低，龙卷出现前中气旋底高降低，直径缩小，中气旋尺度较下击暴流过程的小得多；形成下击暴流的单体为一椭圆形的β中尺度的风暴单体，低层存在强中气旋，为辐散性气旋，底高较高，直径逐渐增大，垂直剖面图上存在中层径向速度辐合、强反射率因子核心下降的特征。

虽然EF等级已经有28类灾害标识物并对应多个灾害等级，但是中国的建筑物结构、树木种类等灾害标识物的特征与美国存在一定差异，比如美国的房屋多为木质结构，而中国的房屋多为钢筋混凝土，还有一些如水泥电线杆等灾害标识物没被列入EF等级。因此，我国迫切需要根据本国国情修订及制定一套完善的风速估计等级标准。此外，由于根据灾情程度来判断风速大小具有个人主观性，因此未来对风速等级评估标准的发展方向，应该使其更客观、准确及一致性。