引言

2019年7月3日约17—18时(北京时，下同)，辽宁省铁岭的开原市发生了一次强龙卷过程(简称开原龙卷)，最终导致7人死亡(第7人为后期抢救无效去世)、190余人受伤、9 900余人受灾、大量基础设施损毁，造成了严重的社会和经济影响。

近年来，我国有多个强龙卷造成了严重的人员伤亡和社会经济损失，比如2015年“彩虹”台风龙卷(朱文剑等，2016)、2016年6月23日江苏阜宁EF4级龙卷(Xue et al, 2016；张小玲等，2016；郑永光等，2016b)等，其中又以阜宁龙卷造成的损失最为严重。与之前龙卷过程不同的是，此次龙卷过程有大量的目击者和当地交警部门的视频或者照片等证据，并且开原市气象局(距离龙卷路径最近约2 km)工作人员也对其进行了观测和记录。

由于雷暴大风和龙卷等极端强对流天气、尤其是极端大风的时空尺度非常小，目前我国的气象业务观测体系仍然难以对其全面监测(郑永光等，2016a；2016b；2017；2018)，现场天气调查依然是分析和确认这些灾害性大风天气及其所致灾害精细分布最重要的直接手段，从而确定其具体发生时间和地点、灾情、灾害路径长度和宽度、风向等，并根据风速等级标准估计风速和判断风灾强度(郑永光等，2016a；2016b；2018)。

Fujita(1971)最早提出了Fujita等级来估计龙卷、热带气旋等的风速，目前美国已形成了比较完整规范的龙卷和下击暴流所致风灾强度等级和现场调查体系(Fujita, 1971；1974；1978；Bunting and Smith, 1993;Doswell III, 2003;Doswell III et al, 2009;Frelich and Ostuno, 2012;Edwards et al, 2013;Atkins et al, 2014)。我国也逐步建立起风灾现场调查体系，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“东方之星”客轮翻沉事件(Meng et al，2016；郑永光等，2016a)、2015年10月4日“彩虹”台风龙卷(朱文剑等，2016)、2016年6月23日江苏阜宁EF4级龙卷(Xue et al, 2016；郑永光等，2016b)等的详细调查结果；佛山市龙卷风研究中心还给出了2018年中国龙卷活动情况(黄先香等，2019)等。

目前较多应用的风速等级(郑永光等，2016b)包括常用的蒲福风级、主要应用于下击暴流和龙卷风灾估计的T等级(Meaden, 2004;Meaden et al, 2007)、F等级和EF等级(Wind Science and Engineering Center, 2004)以及美国用于飓风风速估计的S等级。这些风速等级都不是我国制定的。目前，中国气象科学研究院和国家气象中心共同完成了中华人民共和国气象行业标准——龙卷强度等级(中国气象局，2019)，已于2019年4月28日发布，8月1日实施；该龙卷强度等级共分四个等级，四级最强，与美国EF等级存在如下对应关系：一级对应EF0级及其以下；二级对应EF1级；三级对应EF2和EF3级；四级对应EF4和EF5级。

东北地区虽然龙卷发生频率要少于江淮、广东等地，但也是我国的龙卷多发区之一(范雯杰和俞小鼎，2015)；东北地区有详细记录的龙卷个例非常罕见，因此非常值得对此次开原龙卷过程的现场调查结果和龙卷发生发展演变过程进行详细分析，获取其时空分布和强度，为更进一步的研究工作提供基础资料和参考依据。

1 概况

开原龙卷发生在东北冷涡西南侧槽后，由一个孤立超级单体造成(郑永光等，2020)。龙卷发生后，国家气象中心立即派出专家会同中国气象科学研究院、辽宁省气象局相关部门、南京大学和佛山市龙卷风研究中心人员共同进行了现场调查。现场调查方式为近距离观察、测量、拍照取证建筑、植被等受损情形，利用无人机拍摄俯视、远视、路径跟踪等视频，分别测量路径上严重受损宽度和明显受损宽度，询问龙卷目击人员或灾情现场相关人员。调查工具主要有量尺、相机、无人机、手机地理信息软件等。

综合灾情现场、监控视频、停电情况等信息分析：开原龙卷漏斗云17:15左右在开原市金钩子镇金英村北约1 km处开始形成，17:17接地；17:16—17:18以EF2级强度自北向南方向穿过金英村，此后过清水河经约2.5 km平坦农田，从许富路与京哈高速交叉口附近向东穿过高速；17:23左右，以EF3级进入并纵贯开原工业区北园，期间近距离擦过中国石油化工集团开原油库储油罐，其后10 min自北向南以至少EF2级强度先后穿过“天成郡·馨萱兰苑”小区、义和村、“尚品铭城”小区进入工业园南区(由开原气象局所拍龙卷视频时间确定此时约为17:33)，在工业园南区中部达到最强强度，中国龙卷强度等级的四级(相当于美国的EF4级)；其后穿越工业园南区后擦过榆树堡村东侧，以EF3级强度扫过瓜台子村西部；最后在瓜台子村南1.8 km、清水沟子村北200 m附近区域消散；根据龙卷到工业园南区的时间和其移动速度，推测龙卷的消散时间约为17:47左右(图 1)。

龙卷路径全程长约14 km，郊区穿行两个村庄，擦过一个村庄，城区路径主要在开原市西部人员相对稀少地区，穿行两个小区一个城中村，擦过一个小区，历时约30 min，评估在17:33前后龙卷路径8 km处的开原工业园南区内达到最强的EF4级强度。大部分路径的明显毁损宽度约200~400 m，严重毁损宽度一般在50~100 m；显著小于2016年江苏阜宁EF4级龙卷的最大达4 km的灾害路径宽度(郑永光等，2016b)。

2 龙卷演变、强度和灾情分析 2.1 金英村北侧龙卷形成

据开原交警大队提供的头寨子村监控视频(图 2)，上部漏斗云明显下探时间是17:15:50左右(图 2a)，下部黄色尘卷出现时间是17:16:36左右(图 2b)，两者开始相接而形成视觉上完整柱状时间是17:17:07左右(图 2c)；金英村停电时间在17:16；龙卷对地面造成最初损毁的位置在金英村以北1 km处(图 3)，龙卷从该处到达金英村至少需要1~2 min。综合以上信息分析，龙卷涡旋生成时间早于上部漏斗云与下部尘卷相接的时间17:17，此时龙卷已经加强。黄色尘卷向上发展是龙卷涡旋将金英村碎屑和黄土上卷的结果，龙卷涡旋形成的时间在更早的漏斗云下探出云体的17:15左右，由于当时龙卷下垫面为低矮植被的田野，没有足够多的黄色卷起碎屑物，因此在监控视频上未见近地面黄色尘卷柱。这是中国的龙卷研究中极为罕见的视频资料，虽然2015年“彩虹”台风龙卷也有较多视频资料，但并未观测到龙卷的形成过程(朱文剑等，2016)。

根据灾情分析，龙卷在金英村的强度至少为EF2级。金英村存在大量院墙倒塌，大树折断，民居房顶损毁(图 3，图 4)。龙卷在金英村内由北向南穿行约750 m，明显毁损宽度约300~400 m，严重毁损宽度约60~90 m(图 3)，调查发现龙卷造成该村居民1人身亡。

2.2 快速增强：清河穿越点至京哈高速穿越点

龙卷过金英村后进入清河水面(宽约180 m)，再向南至京哈高速穿越点之间途径约2.5 km的空旷农田，在靠近穿越点的龙卷路径外围100 m处有硬木大树折断(图 5)，强度为EF2级，推测此时龙卷中心附近已达到强度EF3级。加之，在过京哈高速公路后立即造成了至少EF3级灾情，推测在此过程中龙卷明显增强。

2.3 首度加强为EF3：京哈高速穿越口东

龙卷在许富路与京哈高速公路交叉口附近自西北向东南穿越京哈高速公路进入开原城区。据目击者描述当时京哈高速公路上有两辆大货车被吹翻下高速。根据高速东侧道路两侧损毁程度可确定龙卷强度达EF3级，最严重损毁宽度约30~40 m。开原工业园北区最西北角钢架厂房倒塌，但未发现有监控视频拍摄到龙卷进入工业园过程，根据工业园断电时间推测龙卷进入工业园北区大约在17:23。龙卷从金英村北至工业园区约4 km，历时约6 min，推测其前期移动速度为40 km·h^-1左右，比平均移速(约30 km·h^-1)明显偏快。需要说明的是断电也可由外部输电设备损毁导致，因此断电时间与龙卷影响时间可能存在差异，由此推断的龙卷速度会有误差。综合几个节点的分析，龙卷移动速度介于20~40 km·h^-1，但表现出生命史前期在旷野中移动较快、进入北工业园的中期后明显变慢的特点。

根据钢架厂房全部倒塌、钢架扭曲(图 6a，6b)及硬木大树树皮剥落树叶剥光、树干扭曲情况(图 6c，6d)，此处龙卷强度至少达EF3级。这类EF3级的灾害在2016年江苏阜宁EF4级龙卷现场调查中有多处类似灾情(郑永光等，2016b)。

2.4 重创与幸运：工业园北区

工业园北区多家重型机械工厂严重损毁，开原起重机工程机械厂、开原矿山起重机械部件厂等的大型钢架厂房几乎被夷为平地，钢架全部垮塌和扭曲，钢柱底座6根2 cm直径钢筋断裂拔起(图 7a, 7b, 7c)，因此，龙卷强度至少达EF3级。这类EF3级的灾害同样在阜宁EF4级龙卷现场调查中发现多处类似灾情(郑永光等，2016b)。

龙卷从中国石油化工集团开原油库储油罐西侧擦过南行，储油罐离龙卷最近距离仅100 m(图 7d)，幸运的是龙卷并没有显著影响到储油罐, 也没有影响到位于其南侧的开原亨泰精细化工厂。

2.5 强度减弱：居民小区间隔着城中村

龙卷经过开原工业园北区后袭击的第一个小区是“天成郡·馨萱兰苑”，该小区由25栋坚固的钢筋混凝土框架结构高楼紧邻组成，楼层大多在10~20层，楼间距离南北一般不到30 m，东西甚至不到10 m。由于高楼抗风能力强，小区的密集高楼对龙卷强度有削弱作用，但楼间缝隙又存在狭管效应，因而小区内龙卷强度定级存在疑点和困难。从龙卷中心经过的楼房窗户玻璃全毁，墙皮脱落，楼间有大树折断等灾情可判定龙卷强度至少为EF2级(图 8)。

天成郡·馨萱兰苑小区南侧的马路后是城中村义和村，义和村三面被密集高楼小区包围，其东面是瑞福居，南面是尚品铭城。周围林立的高楼一定程度上消弱了龙卷，但由于正处于龙卷路径上，义和村仍然受到了严重破坏，存在电杆、树木折断以及民居等损毁情况(图 9)。另据当地村民讲述，该村有一村民被卷出30多米身亡。综合灾情可确定义和村龙卷强度至少为EF2~EF3级。

龙卷过义和村南马路后进入尚品铭城小区，这是龙卷经过的最大、最密和最后的小区。小区南北长约560 m，东西宽约250 m，由58栋坚固的10层左右钢筋混凝土框架结构高楼组成，各楼东西相距仅数米，南北相距20 m左右。小区内玻璃被毁坏，轻物高空飞舞扎进墙面，硬木大树折断，院墙全倒(图 10)，可确定强度为EF2至EF3级，但从小区内小汽车被卷飞的情况可以确定为F3或EF3级强度(图 10)。

从目击者录制的龙卷从天成郡·馨萱兰苑小区纵贯义和村到达尚品铭城小区北部的全过程视频来看，视频中龙卷较清晰准确的两个位置相距600 m，其移动历时100 s，可推算龙卷在此路段的移动速度约为22 km·h^-1，较其生命史前期明显偏慢。

2.6 最强阶段：工业园南区

龙卷经过尚品铭城小区后进入了开原工业园南区的大片空旷地带。没有了密集高楼的摩擦消弱作用，此后进入生命史中后期的龙卷强度得以快速发展并进一步增强。龙卷进入旷野500 m后，到达了本次龙卷灾调的关键地点建筑——斯麦特电梯有限公司(原天翔钢厂)的食堂及其南侧办公室(图 11)，此两处建筑均为钢筋混凝土框架结构房屋。

分析食堂灾前的顶视和平视照片(图 12a，12b)以及灾后受损情况(图 12c, 12d和图 13)后可知：食堂为钢筋混凝土框架结构的二层小楼，分为中心内部和外围两部分，食堂中心主体部分东西宽约41 m，南北宽约25 m，根据食堂各部位建筑倒伏情况的照片(图 13)，龙卷风自北向南穿过主体正中，整个食堂大部被夷为平地，仅东西两面站立少量立柱。食堂框架由钢筋水泥的柱体和梁体构成，大部折断倒塌，柱体粗细不同，一般内有4~9根钢筋，钢筋直径约15~25 mm不等，水泥柱体直径约20~40 cm不等(图 12c, 12d)。类似灾害可在如2013年5月美国俄克拉何马州Moore发生的龙卷(Burgess et al, 2014)、2016年江苏阜宁EF4级龙卷(郑永光等，2016b)中见到。

因此，根据此处建筑结构及损毁情况，该处龙卷强度确定为EF4级。

2.7 维持至少EF3级：工业园南区的南部

龙卷穿过斯麦特电梯有限公司南面道路后，继续南行纵贯工业园南区的南部各厂区，在经过标准化工业厂房(图 14)后向东南方向穿越西环路，到达旧车拆车厂南侧小树林(图 15)。

从标准化工业厂房内的损毁差异情况以及其东侧树木倒伏的方向，可以清晰看出龙卷中心的路径。龙卷经过之处厂房全毁，钢架全倒并扭曲，50 cm直径硬木大树折断，龙卷外围厂房严重损毁但钢架并未倒塌(图 15)。经测量，受损最重的厂房框架由1 cm厚、50 cm宽钢板的制成(图 16)。

从西环路穿越点到小树林的灾情来看(图 15)，西环路东侧有大型货车倾覆和移位，西环路沿线40~50 cm直径电线杆全部折断倒地(图中大量电线杆已被重新架好)，处于龙卷中心外围约50~60 m的旧车拆车厂内厂房全毁。

旧车拆车厂南面小树林附近灾情(图 17)可见其厂南墙(约30 cm厚水泥砖墙)全部倒塌，旧车拆车厂内大型货车倾覆并翻滚出墙。此处严重损毁宽度为30~50 m，明显损毁宽度为300 m左右。

综合上述灾情，可评估标准化工业厂房至小树林路段的龙卷强度至少为EF3级。

2.8 最后阶段—从EF3到消散：瓜台子村

龙卷自旧车拆车厂南面小树林开始向南离开城区，重新进入农田，但已进入其生命史的末期。龙卷先重新向西略折回西环路以西，再向南从榆树堡村(该村未出现严重灾情)东面擦过，在经过约2.4 km的农田后到达受灾的最南部村庄——瓜台子村(图 18)。

龙卷自北向南从瓜台子村西部穿过。龙卷路径中心外围有50 cm直径大树被连根拔起或折断，路径中心区域大树树叶全被吹光、树干折断或被连根拔起(图 19)。

路径上有砖混厚水泥墙的二层民居严重受损(图 20)，其整块钢筋水泥屋顶(厚度为10~15 cm)被掀飞至30 m外，其院墙、拖拉机库全部倒塌。其一个半米见方的水泥砖混院墙门柱全部倒塌，另一个严重受损。院内菜地里，粗约1~2 cm的茄子和辣椒茎杆被从近地面根部处整齐削光，幸运的是屋主当时并不在家。综合整个瓜台子村的灾情，评估龙卷在该村的强度维持EF3级。

龙卷从瓜台子村西南部继续南行进入农田，据目击村民讲述，龙卷在经过瓜台子村南面小山包后不久消失。无人机航拍的地面植被损毁轨迹在清水沟子村北约200 m处水塘附近消失(图 21)。清水沟子村未有灾情报道，至此龙卷消亡，龙卷从EF3级到消散经过的路径总计1.8 km左右。

2.9 龙卷全路径灾情强度小结

表 1给出了龙卷路径上各代表地点的时间、强度以及定强依据。表中所给时间主要依据监控视频以及停电时间等信息综合推测(未标注下划线的时间)，部分时间根据速度估算，必然会存在一些误差(标注下划线的时间)。

3 讨论

结合视频和灾情照片资料，本文主要集中于本次开原龙卷的灾情本身及与周边下垫面状况的分析。视频资料分析不仅能反映龙卷生成的过程，还可以揭示龙卷尺度上风力、风向变化的一些特点和规律，这有待进一步的分析研究，有助于理解龙卷灾害机制和发生发展机理，也对未来的龙卷灾调有极大的帮助。下一步工作计划围绕视频与灾调现场的相互关系展开，更进一步的工作将分析中尺度气象要素背景场对龙卷演变的影响。

本次开原龙卷的最大强度达到中国龙卷强度等级的四级(EF4级)，但最强的灾害影响范围尺度非常小，只有一个地点，显著小于美国的EF4级龙卷个例，如2013年5月美国俄克拉何马州Moore发生的龙卷，EF4级灾害长度达10 km以上、最大宽度达500 m左右(Burgess et al, 2014)；也显著小于2016年江苏阜宁EF4级龙卷，其导致阜宁多座水泥砖砌和混凝土预制楼板结构二层房屋顶层完全被毁，达到EF4级强度(郑永光等，2016b)。灾害路径宽度也同样小于前述这些龙卷的相应宽度：本次龙卷灾害路径最大宽度仅约为400 m，而2013年5月Moore龙卷的最大宽度约为1.7 km(Burgess et al, 2014)，而阜宁龙卷更达4 km左右(郑永光等，2016b)。

对于龙卷中心经过的水稻、玉米及蔬菜等兼具各种低矮植被的损毁情况差异较大，且有时并不显著，远不如房屋、树木、墙体、电线杆、车辆等损毁情况显眼。此类损毁程度其与龙卷强度之间的关系，存在一定的认识空白。影响龙卷强度变化的不仅是路径上的下垫面粗糙度，应该还与外围周边一定范围内的下垫面粗糙度有关。因此，除了龙卷强度本身的因素外，下垫面状况的复杂性，也就是下垫面的建筑结构和植被等不同灾害标识物之间的差异(郑永光等，2016b)，也必然使得该龙卷的强度估计存在一定的不确定性。

本次开原龙卷造成死亡7人，190余人受伤，大量厂房和村庄民居全毁的严重灾情。但考虑到其在村庄和城区穿行的距离接近7 km，强度至少在EF3级以上的事实，开原龙卷并没有造成更严重灾情，以下部分因素至关重要：1)龙卷所经地面大部以厂区、旷野为主。2)龙卷所经的居民小区多为钢混框架楼房, 抗风能力强，且多存在入住率较低的情况。龙卷所经的村庄影响房屋总体数量不多，且很多户居民外出未归。3)开原龙卷对流风暴为晴空背景下发展的一个孤立超级单体(郑永光等，2020)，龙卷来临前虽有一些降水但没有大范围的云层覆盖和降雨发生，发生时段在日落之前，因此能见度极佳，龙卷早在远处就已清晰可辨，对民众来说有较足够的预警提醒时间。4)龙卷袭击厂区的时间正值下班以后，原本在厂房中工作的大多数人员已经或正在离开厂房。5)厂区内不少受损严重的厂房因停工或本身作为仓库等原因当时并无工作人员。

本次开原龙卷是一次强龙卷中心穿行城市密集坚固高楼组成的居民小区的过程，这类情况在国内较为罕见，开原龙卷又穿行城中村、工业园厂房和旷野等不同下垫面，产生了大量复杂灾情信息；从资料的完整性看，除基本的气象观测资料外，开原龙卷的目击和视频资料极为丰富，并且这些视频资料可以与下垫面和相关灾情匹配；此外，由于开原龙卷具有发生时间在日间和天气背景为晴空下的超级单体这两个特点，因而目击和视频中的背景能见度很高，龙卷主体结构清晰度极高。综合这些因素，开原龙卷具有较高的进一步研究价值。

最后，值得注意的是，从部分龙卷相关的视频可以看出，很多公众仍然缺乏对龙卷及其危害的认知。例如从头寨子村监控视频中的一名群众(图 2d中左下角穿蓝衣者)的行为分析，其先是缓慢行走，然后发现了龙卷，但抬头在看了几秒后表现得无动于衷，继续低头缓慢踱步，完全一副对龙卷视而不见的状态。而事实上龙卷如果移向偏西20°~30°的话，就将在大约10 min左右到达他所处的位置。另外一些视频显示出拍摄者在龙卷逼近甚至到达时并未及时躲避龙卷路径，而仅仅依赖于身处的建筑物来庇护。如果当时建筑物不能抵抗龙卷风，则造成的灾情难以估量。这些都表明，未来仍然需要加大应对龙卷等灾害性天气的科普力度。

4 结论

本文详细分析总结了整个开原龙卷现场调查结果，给出了其路径、强度和灾情演变，获得了其生命史，得到如下一些结论。

(1) 开原龙卷自北向南行进约14 km，生命史从17:17—17:47，历时约30 min，其速度在进城前较快进城后变慢；在其生命史的中后期同时位于空旷地区的开原工业园南区中部时达到最强强度，为中国龙卷强度等级四级(相当于EF4级)，但该强度的灾害分布范围很小，只位于这一个地点。

(2) 钢筋混凝土框架结构的居民小区楼房能在至少EF3级强度的龙卷风袭击后保持主体结构完好，外墙完好，但玻璃全损，房顶明显损毁。此外，该类楼房密集的居民小区可将至少EF3级龙卷的灾害损失强度减弱为EF2级左右。

(3) 在被龙卷中心袭击后，钢筋混凝土框架结构的部分高层厂房其非承重砖混外墙被破坏出大洞，远不如居民小区楼房坚固。这表明强龙卷下此类建筑物内靠近外墙的区域仍是极不安全的。

(4) 大型钢架厂房对龙卷灾害的防御能力远差于居民小区，面对EF3级龙卷几乎没有任何抵抗力。处于EF3级龙卷中心的钢架厂房会被完全摧毁框架全部倒塌扭曲，龙卷中心外围几十米处的类似厂房顶墙全毁，但框架整体基本完好。

致谢：特别感谢辽宁省气象局、广东省佛山市龙卷风研究中心等单位对现场调查的大力支持。感谢南京大学薛明教授和赵坤教授、中国气象局气象干部培训学院俞小鼎教授、中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室梁旭东研究员和孙继松研究员以及姚聃博士、江苏省气象科学研究所郑媛媛研究员、上海中心气象台戴建华研究员、广东省气象台伍志方研究员等给予的大力指导和支持。