山东高唐EF3级龙卷S波段双偏振雷达探测特征.pdf

Jun.2023METEORAECHNOLOGY3972023年6 月第51卷第3期Vol.51,No.3象技科山东高唐EF3级龙卷S波段双偏振雷达探测特征黄秀韶1，2朱君鉴刁秀广1,3龚佃利1.43*（1山东省气象防灾减灾重点实验室，济南2 50 0 31；2 山东省气象科学研究所，济南2 50 0 31；3山东省气象台，济南2 50 0 31；4山东省人工影响天气办公室，济南2 50 0 31）摘要禾利用济南CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的探测数据，结合龙卷实地调查资料，对2 0 2 1年7 月11日发生在山东聊城高唐的一次EF3级龙卷风暴的雷达回波演变过程、龙卷风暴单体的结构及龙卷风暴的中气旋（M）、龙卷涡旋特征（TVS）和龙卷碎片特征（TDS)进行分析。结果表明：龙卷发生在高空冷涡及地面气旋共同作用天气形势下，龙卷位于地面气旋中心东偏北方向约2 0 0 km处；螺旋状对流云带中2 个较强对流单体合并发展，演变成超级单体风暴，其后部下沉气流较强，与强的人流共同作用，诱发了强龙卷。风暴中中气旋的顶高大多在57 km之间；龙卷发生前中气旋最大切变平均值为19X10-3s-1，龙卷维持期间，中气旋最大切变平均值达到5110-3s-1。高唐龙卷涡旋底层双偏振参量主要特征是大的水平极化反射率因子，小的甚至负的差分反射率ZDR，小的相关系数Cc；T D S时间及空间特征是，底层Cc都小于0.7,Cc低值区的面积在龙卷生成后随时间明显增大，Cc值底层最小，随高度逐渐增大；Cc低值区的面积低层和顶层较大，中间层较小；龙卷生成后TDS最大高度随时间逐渐增高，龙卷最强时TDS最高达到4.8 km，之后逐渐降低；龙卷消散后，1.5以上TDS的特征很快消失，0.5仰角TDS特征继续维持了大约11min。关键词龙卷；龙卷涡旋特征（TVS)；龙卷碎片特征（TDS)中图分类号：P412.25D0I:10.19517/j.1671-6345.20220415文献标识码：A引言龙卷碎片特征（Tornadic Debris Signature，TDS），是指龙卷将地面上的杂物碎片等非气象目标物卷到空中，由于这些杂物碎片形状不规则，尺寸又很大，介电常数很高，在空中排列方向杂乱，因此双偏振雷达探测时，会产生高反射率因子ZHH，低的差分反射率ZDR，和异常低的零滞后相关系数Cc等特征。自从1999年Ryzhkov等11用S波段双偏振雷达在超级单体钩状回波的末端处探测到龙卷碎片特征TDS之后，后续的许多探测研究表明，C波段和X波段双偏振雷达同样能探测到TDS。T D S在龙卷监测预警业务中非常有用，尤其在龙卷被雨区包围，或者龙卷发生在夜间，视觉无法确认龙卷是否已经在地面生成的情况下，TDS可以帮助确认龙卷的发生和位置。随着双偏振雷达探测到TDS个例的增多，对TDS的特性研究2-5 也在不断增加。TDS特征最常见在超级单体风暴中探测到，中尺度对流涡旋，或者准线性对流系统产生的龙卷中也会出现6-7 。TDS不但在EF3级（EF：En h a n c e d Fj u i t a s c a l e)以上的强龙卷中可以出现，在EFO级龙卷也能探测到7因为地面杂物碎片被龙卷带到空中，常常不会很高，因此龙卷距离雷达较远时不会探测到TDS，但Schultz等7 曾经在12 0 km远处，约3km高度探测到TDS。能探测到TDS的高度一般随龙卷的强度而增高，有报告称TDS能达到12.5kmL2.8。TDS不会在龙卷生成之前出现，因此对于龙卷预警没有提前时间。事实上，TDS通常出现在第一次龙卷报告之后，但对于风暴移动下游地区龙卷的预警是有意义的。TDS对确认龙卷的发生和定位非常有用，在业务应用中也有局限性，Schultz等9 曾经http:/气象科技山东省自然科学基金项目（ZR2020MD053）、山东省气象局重点课题（2 0 2 1sdqxz09）共同资助作者简介：黄秀韶，男，196 4年生，高级工程师，主要从事期刊编辑和天气雷达应用工作，Email：8 6 10 96 6 53q q.c o m收稿日期：2 0 2 2 年9 月30 日；定稿日期：2 0 2 3年3月2 8 日*通信作者，Email:398象第51卷技科观测到TDS，但没有造成灾害，这或许是因为先前的龙卷在空中留下的碎片的残留，或者是因为龙卷很弱，只卷起了较轻的杂物，不足以造成灾害。由于离心力的作用，杂物会被向外抛出，TDS的范围通常比龙卷的范围大。龙卷消亡之后，TDS还会维持一段时间，有时龙卷碎片会被传送到很远的地方10 1Ryzhkov等最初定义TDS，要满足5项判据：反射率因子ZHH45dBz；零滞后相关系数Cc0.8;差分反射率ZDR0.5dB;伴有有界弱回波区（BWER）；明显的龙卷涡旋特征（TVS）。但在业务中使用固定的雷达参数的阈值并不合适，比如Bunkers等111对7 次龙卷分析结果，ZHH在517 2 d Bz 之间。ZpR的值也会因为数据质量下降而变化，比如在差分反射率衰减严重时7.12 ；在有降水粒子进入龙卷涡旋时，ZpR会变得远大于0 dB13-14，而在米散射存在时，ZDR会小于0 dB151。当气象目标物进人龙卷涡旋时，Cc的值也会比TDS典型值高16，而大冰进人涡旋时，低的Cc又会低到与TDS混淆17 国内学者利用多普勒天气雷达数据，对龙卷做了很多研究17-32。因为龙卷发生的频次较低，加上双偏振雷达投入业务应用时间不长，探测到的TDS次数不多，2 0 15年10 月4日广东省佛山市台风“彩虹”外围的龙卷17 ，2 0 19年8 月2 9日发生在海南屯昌县和詹州市的龙卷也探测到了TDS26。2 0 2 1年7 月11日发生在山东省高唐县的龙卷地处平原地区，距离济南双偏振雷达50 6 0 km，雷达探测到比以上个例更为细致的TDS特征。1高唐龙卷灾情实况和实地调查结果2021年7 月11日2 0:0 0 2 1：0 0，山东聊城的在平县西部和高唐县西部部分区域遭受暴风雨极端恶劣天气，房屋受损严重，树木折断、农作物倒伏不计其数，部分基础设施受损，交通、通信、电力中断。高唐县清平镇和四十里铺镇受灾最为严重，清平镇区域站2 0：46 出现2 3.7 ms-1极大风速，三十里铺镇区域站2 0：57 出现2 0.7 ms-1极大风速并伴有短时强降雨。根据山东省气象台、山东省气候中心、山东省气象服务中心、聊城市气象局和高唐县气象局联合调查组的调查报告，山东省聊城市高唐县城西部严重灾情为龙卷所致，最强阶段达到EF3，龙卷影响时段为2 0：37 一2 0:58。此次强天气造成2 人死亡、多人受伤及严重的经济损失。根据调查组用无人机航拍和现场勘察情况综合分析，受灾情况如图1所示。东侧沿街房西侧东侧小周集厂房三土里铺#三十里铺东侧西侧清平林场东侧西侧东侧南段平镇清平北侧东侧南段高唐与在平交界处图1现场调查的龙卷灾害路径（红色折线为龙卷移动轨迹，黄色空心箭头为龙卷移动方向，两侧为当地灾情照片，红色箭头为对应位置）399黄秀韶等：山东高唐EF3级龙卷S波段双偏振雷达探测特征第3 期清平镇东侧南北向街道两侧受损严重。马路西侧有线杆倒伏，房屋玻璃破损。东侧南段有直径30cm左右杨树折断或倒伏，砖瓦结构房顶受损。北端有加油站顶部和瓦房顶受损，远处有大树折断或倒伏。影响宽度（东西）约150 2 0 0 m，街道长度约6 0 0 m。龙卷强度达到EF2级。清平林场主要灾情是树木折断、倒伏。直径30cm以上树木倒伏或折断不计其数。东西宽度约300m，南北长度约10 0 0 m。倒伏主要特征，东西范围约30 0 m，几乎以中间为分界线，东侧树木向偏西方向倒伏，西侧树木向偏东方向倒伏，也存在小范围的树木倒伏不一致现象。树木倒伏或折断特征符合龙卷灾害特征。这里也是这次龙卷灾害最重的地段，林场内有砖木结构房屋夷为平地，龙卷强度达到EF3级。三十里铺街道两侧房屋受损严重。街道两侧沿街房（多为2 层以下）玻璃全部受损，房顶（瓦结构）受损，部分线杆折断。两侧多家厂房受损严重，墙体塌，房顶钢梁扭曲，房顶（铁皮）不知所踪。东西宽度约2 0 0 m，南北长度约10 0 0 m。龙卷强度达到EF2级。山东省气象局灾情调查组根据地面灾情实况调查，结合雷达径向速度特征，依据国家标准GB/T40243一2 0 2 1（2 0 2 1年12 月1日实施），综合分析推断，此次龙卷强度等级为“强”（EF23级）。2天气形势与环境物理量图2 a、b、c 分别是2 0 2 1年7 月11日2 0：0 0500hPa、8 50 h Pa 和地面形势。可以看出，50 0 hPa冷涡基本位于陕西一山西一河北一带，8 50 hPa低涡略有南偏，地面低压中心基本位于河北与河南交界区域。龙卷地点位于邢台探空站与章丘探空站之间，位于8 50 hPa西南风与东南风切变线的北侧，地面气旋中心位于东偏北方向约2 0 0 km处。地面基本为南风，8 50 50 0 hPa基本为东南风环流，风向逆时针旋转，风速先增后减。50 0 2 0 0 hPa风向由东南风转为偏西风，风向顺转，风速随高度增大。40N邢台章丘(b)(c)济南雷达站a580-0000853514858430105110115120E105110115120E105110115120E图22021年7 月11日2 0：0 0 50 0 hPa(a），8 50 h Pa(b）高度场（单位：dagpm）和地面形势（c，单位：hPa）表1是7 月11日2 0：0 0 邢台和章丘探空计算的环境物理量。龙卷地点位于两个探空站之间，距离章丘探空站约130 km，距离邢台探空站约150 km，龙卷地点区域上空具有大的K指数和大的整层比湿积分IQ、小的最大抬升指数BLI和小的8 50 hPa与500hPa温差t，利于强降水天气出现。中等强度对流有效位能CAPE（小于章丘站而大于邢台站），较低的抬升凝结高度LCL（低于章丘站而高于邢台站）。邢台探空0 1km垂直风切变SHR较大，章丘探空0 6 km、0 3k m 和0 1kmSHR都较小，两站SHR代表性较差；济南双偏振雷达风廓线产品（VWP)在2 0:0 0 前后，3km高度为2 4ms-1表12021年7 月11日2 0：0 0 邢台和章丘探空物理量参数K/tBLICAPESHR/(X10-3s-1)IQLCL日期时次Jkg-106km03km01kmgkg-1m邢台2021-07-1120:0035/20-1.27602.672.0156307184章丘2021-07-1120:0037/287.221630.672.3348931000注：K为K指数，t为8 50 hPa与50 0 hPa温差，BLI为最大抬升指数，CAPE为对流有效位能，SHR为垂直风切变，IQ为整层比湿积分，LCL为抬升凝结高度。400象第51卷技科左右南风，1km高度为18 ms-1左右南偏东风，因此推断，在龙卷发生期间0 1km和0 3km垂直风切变较强（龙卷地点距离雷达站556 0 km）。3龙卷的雷达探测特征本研究使用的是济南双偏振天气雷达的探测资料，该雷达型号为CINRAD/SA-D，2 0 19年6 月投人业务运行，该雷达较之先前的CINRAD/SA增加了双偏振探测功能，2 30 km范围内雷达探测反射率因子、径向速度、各项双偏振参数的径向分辨率为250m，分辨率比CINRAD/SA有很大提高，更有利于风暴结构的探测和研究。雷达具有在线自动标校功能。2 0 2 2 年7 月11一12 日山东省气旋强降水全过程，雷达工作状态稳定，各项工作参数正常。经仔细检查，反射率因子、径向速度等基本产品准确可信。双偏振参数具有较好的时间和空间（从低仰角到高仰角）连续性。3.1龙卷发生和移动济南双偏振雷达位于德州市齐河县境内，全天24h运行，工作频率2 8 30 MHz，2 0 2 1年7 月11日运行扫描模式为VCP21D，每个体扫完成9个仰角的扫描（0.5、1.5、2.4、3.4、4.3、6.0、9.914.5、19.5）。除了提供基本反射率因子、平均径向速度、速度谱宽等基本产品和导出产品外，还输出差分反射率（ZDR）、零滞后相关系数（Cc）、差分传播相移率（Kpp）等双偏振探测参数。图3是2 0 2 1年7 月11日2 0：47 济南雷达0.5反射率因子产品（图中滤去了小于2 5dBz以下的部分）。图3a中，红色大L为2 0:0 0 地面气旋中心的位置，位于河北与河南交界处，高唐龙卷发生位置与气旋中心的距离大约2 0 0 km，气旋向东偏北方向移动（红色空心箭头所示）。在气旋中心的前方有螺旋云带（沿图中棕色虚线排列），白色方框内风暴单体发展最强，最大反射率因子达到6 2 dBz（2 0：36），回波顶高达到17.4km（2 0：47，图略），雷达的风暴追踪产品（STI)显示，该风暴单体向北偏东方向（方位212)移动，移动速度13m/s，这次龙卷是由这个风暴单体引发的。龙卷位置与气旋中心位置关系与登陆台风引发的龙卷、龙卷位置与台风（或者残留涡旋)中心的相对位置类似18-191，龙卷发生在气旋中心20:59:26(b)(b1)(a)20:47:5420:53:39(b2)家阳酒平林场汤20:4754(b3)K505352303948586(b4)20:42:08(ZaP)K成就28020:36:22(b5)图32021年7 月11日2 0：47 济南雷达0.5仰角反射率因子（a，大于2 5dBz的部分），5个时次的TVS产品位置和雷达探测到的龙卷涡旋特征（b1b 5)与TVS对应的反射率因子（大于40 dBz的部分）（注：距离圈上数据为距雷达原点距离，单位：km；径向间隔30）401黄秀韶等：山东高唐EF3级龙卷S波段双偏振雷达探测特征第3 期移动方向的右前方。图3b是雷达系统计算出的5个时次（2 0：36 2 0：59）的TVS产品的位置，TVS经过的路径与灾情调查的路经一致。图3b1b 5是2 0：36 2 0：59间5个时次0.5反射率因子（图中滤去了小于40 dBz以下的部分），5个时次TVS都位于超级单体后部钩状回波处。3.2龙卷发生前风暴单体的合并情况图4是2 0：0 12 0:2 4济南雷达4.3反射率因子（图4ala 5）和反射率因子垂直剖面（图4blb5），图4ala 5中滤去了反射率因子小于45dBz的部分。2 0：0 1在低层仰角（0.5 2.4），风暴单体A和B小于45dBz的反射率是连成一片的，但在4.3仰角以上呈分离状态，实际上单体A和B对应于2 股上升气流，在风暴相对径向速度产品（SRM)是对应2 个气旋性涡旋（图略）。图4b1b 5是通过2个风暴单体的垂直剖面，面的位置对应图4ala 5中白线的位置。图4al（2 0:0 1)中，风暴单体A和B强核为分离状态，图4a2（2 0:0 7)中，风暴单体A和B中间出现连接带，从剖面图上可见连接带出现在大约46 k m 高度，在之后的2 个时次（图4a3a 4)，剖面图上看风暴没有明显的增强，到图4a5时次，可见，2个强中心完成合并，这时风暴迅速增强，45dBz的强中心达到10 km以上，55dBz的强中心达到7 km以上（图4b5）。这从单体的风暴趋势产品（图5）也得到印证。图5为风暴单体DO的风暴趋势产品，DO是图4中的风暴单体B，雷达系统的风暴追踪产品（STI)给出的ID号为D0。从图5a中看到，2 0：0 1一2 0：13风暴强中心合并之前，风暴没有明显的发展，甚至在20:01和2 0：0 7 风暴的强中心高度还稍微下降，而在2 0：19，风暴顶由7 km增高到11km，最大反射率因子由57 dBz增强至59dBz，2 0:2 4最大反射率中心高度由2 0:13的3km增高到7 km。还可以看到，2 0：36 开始，风暴的强中心高度迅速下降，说明风暴内下沉气流强度进一步加强，强的下沉气流与风暴前部上升气流共同作用，导致龙卷涡旋强度的加强，从而12 min之后导致清平林场更加严重的破坏，龙卷强度达到EF3级。3.3中气旋（M）产品特征CINRAD/SA-D雷达系统产品生成软件RPG中配备了中气旋算法（MDA）和龙卷涡旋特征算法（T D A）。图6 是风暴单体DO的中气旋参数，蓝线(a1)(b1)OB(62)(a2)(a3),(b3)(CS)28/:238-1(a4)(b4)242B(b5)(a5)CS2DA:2图42021年7 月11日济南雷达5个时次（2 0：0 1，20:07,20:13,20:19,20:24)4.3仰角反射率因子（ala5，滤去小于45dBz的部分）和反射率因子垂直剖面(blb 5)（注：距离圈上数据为距雷达原点距离，单位：km；径向间隔30）是中气旋底高，红线是中气旋顶高，橘黄线是中气旋最大切变，绿线是中气旋最大切变高度。从2 0：0 7 一21：16，除了2 0：19一个时次，中气旋的底都在雷达的最低仰角探测到，都在1km以下；中气旋的顶高大多在57 km之间，2 0：2 4风暴刚刚完成合并，中402象第51卷技科TOP-BASE/DBZMHT/CENTHT(b)POSH/POHName:62(a)(SS)20100FRange:230km1680RDA:Z9531Site:JiNanZ9531Lal:36/42/50N60Lon:116/42/50EHgt:107m40Task:VCP21D20Date:2021/07111Time:20:53:3920:120:1920:3629:5328:0120:19 29:3620:53CellID:DOAzimuth:294degTIMETIMERange:57km(c)CELLBASEDVIL(d)RAKISUNREFLECTIVITY168888060604020:0120:074020:132820:192020:2420:3020:3620:91 20:1929:3620:5320:0120:1920:3620:5320:42TIMETIME20:47图5风暴单体DO的风暴趋势产品：（a）各个体扫时次风暴单体顶和底的高度（红色竖线上端和下端），最大反射率的高度（红色竖线黄点），质心的高度（红色竖线蓝点）；（b)冰雷指数；（c)基于风暴单体的垂直液态含水量VIL；（d)风暴单体的最大反射率因子一中气旋底一中气旋顶一最大切变高度一最大切变8807706543601-Se-01/42110020:0720:1320:1920:2420:3020:36 20:4220:4720:5320:5921:05 21:1121:16图6风暴单体DO的中气旋参数（图下方黑色线段为龙卷维持时段）气旋的顶高降低到最低（2 km），中气旋的最大切变值也较低（这与王俊等2 8 曾经探测到2 个风暴单体合并增强之前有短暂的减弱相类似），之后迅速上升到6 km；中气旋的最大切变，龙卷发生之前比较小，龙卷快要发生时，2 0:2 42 0:36，从18 10-3s-1迅速增大到5410-3s-1，龙卷最强时达到5910-3s-1，之后逐渐下降，2 0:59仍然保持40 10-3s-1,21:09之后降低到2 0 10-3s-1。在龙卷维持的5个时次，切变都维持在40 10-3s-1以上。与周后福等2 9 统计分析的结果比较，高唐龙卷发生前的切变值（平均值1910-3s-1）略高于其统计值（14X10-3s-1），在龙卷维持期间，切变值（5110-3s-1)远高于其统计值。龙卷刚刚发生不久（2 0：42，因为雷达完成一个体扫要6 min，这个时间可能要更早），最大切变值所在高度降低至雷达探测的最低仰角，高度约0.6 km，龙卷维持期间保持在较低的高度，2 km以下。3.4龙卷涡旋（TVS）产品特征图7 是济南雷达2 0：2 4、2 0:30、2 0：36 和2 0：420.5仰角反射率因子（图7 ad）和径向速度（图7 eh），叠加了TVS产品（白色倒三角，紫色虚线指向的位置），TVS位置对应的雷达波束中心高度在0.90.7 k m。从径向速度（图7 eh)可以看到，TVS南侧的负速度的面积不断增大，负速度的最大值（绝对值）不断增大，4个时次的最大负速度的值分别是一15.5、一2 1.5、一19.0 和一2 4.0 m/s。伴随着TVS南侧负速度的增大，北侧的正速度也在增大，雷达计算出的4个时次TVS产品最底层的速度差DV分别是39、2 8、2 9和46 m/s。图7 a（2 0：2 4）有2 个白色倒三角符号，左侧的是ETVS（最底层在仰角1.5上），这个ETVS是从前一个时次移动过来，接近中间位置的是初生的TVS,这个TVS是由于风暴的2 股上升气流合并（参看图4)之后新生的涡旋，推测由于上升气流的增强，使得涡旋被垂直拉伸，涡旋进一步增强，TVS的北侧出现人流缺口（图7b、c）。根据灾情调查，龙卷初生在2 0：37 左右，大约在图7 c时次40 s之后。3.5雷达双偏振参量特征图8 是2 0：42 2 0：59济南双偏振雷达探测参数，因为0.5地物噪声较大，因此反射率因子采用0.5仰角数据，其他参数采用1.5仰角数据。图中自左至右（图8 ald 1)分别是0.5反射率因子Z、1.5径向速度V、1.5相关系数Cc、1.5差分反射率ZpR，自上至下（图8 ala 4)是不同时间的参数，因为龙卷自南向北移动，因此以时间倒序排列，图al、a2、a 3、a 4时间分别是2 0:59、2 0：53、2 0 47、2 0：42。图中径向速度从图b4b 1，每个时次紫色圆圈内都有非常清楚的正负速度对，这是龙卷对应的涡旋，雷达系统龙卷涡旋特征算法（TDA）都计算出龙卷涡旋特征产品（TVS）。在同一时次其他3个双偏振参数的图中的紫色圆圈位置与径向速度图的紫色圆圈是同一位置。2 0：42（图8 b4）龙卷涡旋中心位于雷达的西方（2 7 2，44km），可以看到低层反射率因子的后部呈现钩状回波的形态，钩状回波北侧的弱回波区，对应径向速度正速度区（偏东风），为风暴的低层人流缺口，龙卷涡旋的南侧，对应径向速度负速度403黄秀韶等：山东高唐EF3级龙卷S波段双偏振雷达探测特征第3 期20:2420:3020:3620:42(a)(b)(c）(d)ETVS反射率因子2(e)(f)(h)27TVS20TVSTV15ETVS-10径向速度2027RF图72021年7 月11日济南雷达0.5反射率因子和径向速度（注：雷达产品图经过放大处理）反射率因子径向速度相关系数差分反射率0.5Z1.5V1.5C。1.5ZDR(a1)(b1)(c1)(d1)20:59(a2)(b2)(c2)(d2)20:53(a3)(b3)(c3)(d3)20:47(a4)(b4)(c4)(d4)20:42图82021年7 月11日2 0：42 2 0：59济南双偏振雷达0.5仰角反射率因子Z(ala 4）、1.5仰角径向速度V(b1b 4）、1.5仰角相关系数Cc（c l c 4）和1.5仰角差分反射率ZpR（d l d 4)（注：雷达产品图经过放大处理）404象第51卷技科区（偏西风），为风暴的下沉气流区。随着下沉气流的加强，这个负速度区到2 0：53（图8 b2）、2 0：59（图8b1)分裂成2 个负速度区，形成2 个正负速度对，西侧的速度对，尺度小，正负速度差大，是减弱后即将消散的龙卷。相应的，反射率因子图中最南端的钩状回波也逐渐从风暴主体上被切断，龙卷随之消散。在4个时次的相关系数图上，对应龙卷位置，Cc的值明显低于其周围的Cc值，2 0：53（图8 b2），Cc 的最低值降到0.6 5；在有降水粒子进入龙卷涡旋内时，龙卷位置的ZDR的值降低不很明显，图8 dld 3，紫色圆圈的中心可以看到很小的范围有ZDR的低值，20：53（图8 d2）、2 0：59（图8 d1）龙卷位置有几个距离库ZDR出现负值。4高高唐龙卷的TDS特征4.1低层TDS特征图9 是2 0 2 1年7 月11日2 0：47：54放大了的济南双偏振雷达0.5反射率因子（图9a）、径向速度（图9b）、相关系数（图9c）、差分反射率（图9d），图中双箭头指向各个参数图同一位置。图9a中，双箭头指向的位置反射率因子值最大，达到6 0 dBz，在其径向的上游方向和下游方向各有2 个距离库，反射率因子值大于55dBz，明显高于周围的值，尺度仅仅1km左右，而在1.5仰角平面上，这位置的反射率只有46 dBz左右，0.5仰角上高反射率因子值是由于龙卷将地面的杂物卷起到空中而导致的，因2953129230712124754Z0119Z953120210712124754ZPP0127(b)at=278.0degE-0.560gRng57.14.kmHigt-0.78umyabp-60净放：6 40A2278.8000BPng-57.34.8m14gt-0.78lmyalue-13.553120210711124754ZCC1600210711124754ZDELL58(d)Ar-278.8dgti0.3dmgpng-57.14khota0.784mVslue-0.0625图92021年7 月11日2 0：47 济南双偏振雷达0.5反射率因子（a）、径向速度（b）、相关系数（c）、差分反射率（d)（注：雷达产品图经过放大处理；双箭头位置信息产品图中自动生成）为较大的杂物只能上升到比较低的高度，因此1.5仰角上就看不到这一反射率的大值区；图9b中双箭头指向正负速度对的中心（红色箭头所指）略微偏南的位置，这是因为CINRAD/SA-D的扫描模式VCP21D在0.5仰角要扫描2 次，第1次以10 2 4Hz的脉冲重复频率扫描获取46 0 km半径内的反射率因子，第2 次以32 2 Hz的脉冲重复频率扫描获取150km半径内的径向速度，这样探测径向速度的时间就滞后了大约2 7 S，这时龙卷已经跟随风暴向北移动了一小段距离；图9c中双箭头指向Cc的最低值0.35，在其周围大约2 km范围内，Cc的值都低于0.7;图9d中双箭头指向ZpR的最低值0.0 6 dB,在其西侧的距离库，ZDR的值为一0.8 dB;这里Cc和ZDR的值明显低于其周围的值，是因为龙卷将地面的非气象目标物卷到空中，雷达探测到的双偏振参数特征，是典型的龙卷TDS特征4.2TDS的空间特征因为雨滴进人龙卷涡旋内会导致ZDR值的增大，相比之下，相关系数Cc具有更好地识别非气象目标物的能力，在这次龙卷过程中，龙卷涡旋内ZDR减小的特征也不很明显，因此用Cc来分析龙卷的TDS特征。在判别TDS的判据中，最初Ryzhkov等11提出Cc值低于0.8，之后随着TDS样本数增加，研究者曾经提出过好几种标准，其中美国预警决策培训部（Warning Decision Training Branch，WDTB)提出只要有强烈的小涡旋伴随，Cc值达到0.95就够了。图10 是2 0：42:0 8 2 1:10:57 济南双偏振雷达0.5 4.3仰角探测到的相关系数值，为了分析方便，图中已将Cc值大于0.94的部分滤除，只保留Cc小于0.94的部分，这些Cc低值区的位置都与龙卷涡旋特征（TVS)的位置对应。图10 ae分别是仰角0.51.5、2.4、3.3、4.3的龙卷位置对应的Cc低值区的参数，各仰角上Cc低值区中心位置的高度分别为0.8、1.8、2.7、3.6、4.8 k m。因为龙卷的移动速度很快，而CIN-RAD/SA-D雷达完成一个体扫需要大约6 min，雷达从0.5开始扫描，在较高仰角扫描探测时，龙卷已经向前移动了一段距离。为了分析各个仰角因为时间延时龙卷移动的情况，在图10 a中每个时次Cc低值区位置的右侧用白色标出了该时次体扫开始的标称时间（每个体扫资料标出的时间），因为每个体扫的开始的方位角取决于上个体扫结束时的方位角，405黄秀韶等：山东高唐EF3级龙卷S波段双偏振雷达探测特征第3 期(a)0.5/0.8km(b)1.5/1.8km(c)2.4%/2.7km(d)3.3/3.6km(e)4.3/4.8km21:10:0721:02:2620:59:2620:332056:2f20:51:5720:55:522051:2720:53:3920:51:0320:50:5420:4Z:54-2048:5620:48:02858.80.9220:42:088.920:42:32图102021年7 月11日2 0：42:0 8 2 1：10：57 济南双偏振雷达0.5a）、1.5（b）、2.4（c）、3.3（d）、4.3（e)Cc 参数（红色箭头为龙卷移动路经，白色虚线箭头为龙卷消散后残留涡旋移动轨迹，白色虚线相连的是同一体扫各个仰角上Cc的图像）并且雷达在各个仰角扫描所花费的时间不同（比如雷达在0.5和1.5要扫描2 次，各用时约55s，在2.4和3.3各用时36 s），图10 中Cc低值区右侧红色标注的时间是根据雷达记录的每根扫描线的时间表查出的经过Cc低值区中心位置的扫描线的时间。分析图10，可以看到，在同一个体扫，随着探测仰角抬高，因为龙卷随风暴向北移动，Cc低值区位置逐渐向北移动。比如2 0：47：54开始的体扫，0.5开始扫描时Cc低值区位于清平林场以南，而扫描到4.3时（2 0：51:2 7），Cc低值区的中心已经移动到三十里铺的西偏北位置（与下一个体扫0.5探测到的Cc低值区的位置接近，这说明龙卷随高度向北只有很小的倾斜）。4.2.1低层TDS特征随时间的变化在0.5仰角平面上（图10 a）5个时次Cc值大多数在0.7 0.8 之间，Cc的最低值2 0:36:2 2 为0.7，20:42:08为0.6,2 0:47:54为0.35,2 0:5339 为0.4，20：59：2 6 为0.33，Cc最低值都小于0.7。0.5仰角平面Cc低值区的面积在龙卷生成后随时间明显增大。4.2.2Cc低值区能识别的最大高度在龙卷刚刚生成的2 个时次（12 min)Cc的低值区只在0.5仰角探测到，因为雷达探测仰角稀疏，无法精确地探测到Cc低值区的最大高度，可以推知Cc低值区的高度在0.8 1.8 km之间，这里近似将最后（最高）一个仰角探测到的Cc高度近似为TDS的高度。2 0：50：56（图10 e）Cc 低值区达到最高高度4.8km，这是这次龙卷Cc低值区达到的最大高度，其后Cc低值区的最高高度下降到3.6 km（图10 d)（曾经有报道TDS最高能上升到12.5km22-231）。20：50:56 龙卷移动到清平林场和三十里铺之间，根据灾情调查，这里是龙卷灾害最严重的地方，清平林场成片的大树被折断，龙卷灾害的宽度达到最宽（30 0 m）。有研究认为龙卷越强TDS达到的高度越高，龙卷灾害的宽度也最宽2 44.2.3Cc低值区随高度的变化图10 中，0.5的Cc值都小于0.7，最小为0.4，还有一个距离库为0.6；1.5仰角平面上，Cc值都小于0.9，最小为0.6 5；2.4的Cc值都小于0.8 5，最小为0.7 33.3的Cc值都小于0.9，最小为0.8 9，4.3只有一个时次出现Cc低值区，Cc值小于0.93，最小为0.8 4。研究认为Cc值随高度增大是因为体积较大的杂物只能上升到较低的高度，而小的沙粒和尘埃可以上升到较高的高度2 4。Cc低值区的值低层最小，随高度逐渐增大。另一个特征，同一体扫，如2 0：47：54开始的体扫，Cc低值区的面积最底层0.5大，高层4.3面积大，而中间1.52.43.3面积相对小。在之后的2个时次2 0：53：39和2 0：59：2 6，同样是最底层0.5和顶层3.3Cc低值区面积最大，中间较小。低层面积大是因为较大的杂物在近地面，不能达到很高的高度。高层面积大是离心力的作用，使杂物扩散到更大的范围。高层Cc值小是因为较小406象第51卷技科的杂物才能达到高层。在所有的Cc低值区，比地面调查龙卷灾害的宽度（面积）要大得多，这是因为龙卷涡旋的离心力将杂物抛出而形成，而高层Cc低值区面积大是因为龙卷涡旋的离心力增大而造成2 4。Cc低值区的面积随高度先减小，然后再增大。4.3Cc低值区随时间的变化特征定性分析Cc低值区的Cc值，在几个体扫时次，各个仰角扫描面上大致保持不变。Cc值0.5在0.7 0.8之间，1.5在0.8 0.9 之间，2.4在0.8 50.92之间，3.3在0.90.92 之间，4.3只有一个时间出现Cc低值区，在0.8 50.92 之间。从图10 a看到，0.5仰角平面Cc低值区的面积在龙卷生成时比较小，之后随时间逐渐增大，在1.5到3.3仰角，Cc低值区的面积也同样随时间逐渐增大。现场调查结果综合分析，龙卷开始影响高唐县时间约2 0：37，位置在在平县和高唐县交界处，图10 a中2 0：42:32 在在平县和高唐县交界处，大约800m高度仰角出现Cc值在0.7 0.8 之间，宽度1 km(4个距离库)左右。TDS一般出现在第一次龙卷报告之后30 s241，但由于CINRAD/SA体扫间隔时间为6 min，因此只在下一次体扫2 0：42：32 才探测到 TDS。根据现场调查结果龙卷2 0：58 之后消散，图10中2 0:59：2 6 时次，3.3仰角仍然探测到Cc低值区，而且面积很大，2 1：0 5：12 时次，只在1.5仰角探测到面积很小的Cc低值区，到2 1：10：57 时次，只在0.5探测到Cc低值区，这时龙卷碎片由空中逐渐下沉的过程2 5。从龙卷消散到Cc低值区在0.5消散,TDS维持了大约13min。5结论（1)2 0 2 1年7 月11日高唐龙卷发生在高空冷涡及地面气旋共同作用形势下，湿层深厚，抬升凝结高度较低，中等强度对流有效位能，低层具有大的垂直风切变。龙卷位于地面气旋中心东偏北方向约200km处，由气旋中心东侧螺旋状对流云带曲率较大部位的超级单体风暴诱发，属于超级单体龙卷。（2)龙卷发生36 min前，风暴发生了一次明显单体合并过程，导致风暴强烈发展，成为超级单体风暴。风暴单体合并后，中气旋短时间减弱，然后迅速增强。龙卷发生时中气旋的底部较低，在1km以下；中气旋的顶高大多在57 km之间；龙卷发生前中气旋最大切变平均值1910-3s-1，龙卷维持期间，中气旋最大切变很强，平均值达到5110-3s-1(3)高唐龙卷低层表现为强的水平极化反射率因子，小的甚至是负的差分反射率，小的相关系数。TDS时间演变和空间分布特征在Cc产品上表现最为明显：最低仰角平面（高度约0.7 km)Cc值多在0.70.8 之间，Cc最小值为0.33,Cc低值区的面积随龙卷强度发展明显增大；Cc底层最小，随高度逐渐增大，Cc低值区的面积低层和顶层较大，中间层较小；龙卷生成后TDS最大高度随时间逐渐增高，龙卷最强时TDS最高达到4.8 km，之后逐渐降低；龙卷消散后，1.5以上TDS的特征很快消失，0.5仰角TDS特征继续维持了大约11min。参考文献1Ryzhkov A V,Schuur T J,Burgess D W.Polarimetric torna-dodetectionJJ.JApplMeteor，2 0 0 5，44(5):557-57 0.2Lemon L R,Van Den Broeke C A,Payne C,et al.Dual-polar-imetric Doppler radar debris signature characteristics of a long-track EF-5 tornado C/OLJ/National Weather Association36th Annual Meeting.Birmingham,AL:National WeatherAssociation.(2011)2022-07-11.https:/www.nwas.org/meetings/nwa2011/presentations/NWA2011-9.3.zip.3Stelten S,Wolf R.Investigating the effect of la