2020, Vol. 46 
2. 广东省佛山市龙卷风研究中心, 佛山 528000
2. Foshan Tornado Research Center of Guangdong Province, Foshan 528000
龙卷是最猛烈的大气对流现象，是一种伴随着猛烈旋转的、由雷暴云底伸展到地面的漏斗状小尺度涡旋，直径一般从几十米到几百米，影响范围虽小，但破坏力极大(Bates，1968；Fujita，1971；Brown et al，1978；Doswell Ⅲ，2001；Davies-Jones et al, 2001)，可造成严重人员伤亡和损失。龙卷包括超级单体龙卷和非超级单体龙卷(Browning and Foote, 1976；Fujita，1987)。超级单体龙卷由超级单体风暴产生，通常与中气旋相联系。Fujita(1963)首次提出中气旋的概念，即在速度图上表现为沿方位角方向相隔不远的正负速度对，其尺度通常小于10 km。在0~1 km风切变较大和抬升凝结高度较低的环境下，持续的中气旋容易诱发龙卷发生(Ray et al，1975；Lemon and Doswell Ⅲ，1979；Moller et al，1994；Doswell Ⅲ and Burgess，1993；Craven and Brooks, 2004)。国内学者也分析表明典型的超级单体龙卷一般都发生在强垂直风切变环境下，强烈的垂直不稳定、较低的抬升凝结高度、中高层强垂直风切变都有利于强龙卷的发生，并对其中尺度特征进行了大量的研究(俞小鼎等，2008；陈永林，2000；郑媛媛等，2009；吴芳芳等，2012；张小玲等，2016；周海光，2018；周后福等，2014；李兆慧等，2017; 黄先香等，2019a；2019b)。超级单体具有勾状回波、中高层回波悬垂、中气旋和类似龙卷式涡旋特征(TVS)的小尺度强切变等特征(郑艳等，2017)。但是，并非所有引发龙卷的对流风暴都具备超级单体风暴典型特征，此类龙卷通常与非超级单体风暴相联系，Wakimoto and Wilson(1989)将其生命史分为三个阶段，一是生成阶段，小涡旋首先在云底下方辐合边界的切变区得以发展，随着上升气流的发展，涡旋沿切变带移动；二是成熟阶段，小涡旋由上升气流拉伸时，旋转运动得到进一步发展；三是消亡阶段，降水形成下落，诱发涡旋内下沉气流，使得龙卷减弱，其发生发展与浅薄的、尺度较小的低层涡旋气流有关(Bruce and Robert, 1997)，且与边界层辐合切变线密切相关(郑媛媛等，2004)，为了提升其预报预警能力，刁秀广等(2014)对山东境内6个非超级单体龙卷风暴特征进行分析表明，低层大的湿度和0~1 km垂直风切变≥7 m·s-1是非超级单体龙卷发生的有利条件，单体的迅猛发展，特别是风暴顶部迅速增高，对非超级单体龙卷的预警有一定的指示意义。徐学义等(2014)通过对山东境内三次非超级单体龙卷风暴研究发现，低层湿度大、低层明显的垂直风切变和有利的地形是三次非超级单体龙卷发生的有利条件，上升气流的加强和复杂的地形是诱发小尺度强切变的主因。由于非超级单体可以产生在各种利于对流风暴产生的环境下(马中元等，2011；周宏伟等，2011)，有的发生在弱的风垂直切变环境条件，而有的则发生在强的风垂直切变条件下(俞小鼎等，2006a)，因此对该类龙卷的预警非常困难。
2018年8月13日17:30天津静海地区发生EF3级强龙卷。该过程属于发生在线状对流中的强龙卷，且引发龙卷的对流风暴不具备超级单体风暴典型特征(具体分析详见正文)，Gallus et al(2008)和Duda and Gallus(2010)的研究指出，美国大平原及密西西比河上游和中游的龙卷有35%是准线状对流。徐学义等(2014)和刁秀广等(2014)研究的非超级单体龙卷风暴中有多个也发生在线状对流中，但其研究多集中在龙卷发生的环境条件以及临近预警指标，然而龙卷是一个多尺度的复杂系统，其中包含从数十米到数十千米的多种尺度结构，对于发生在线状对流中的强龙卷的多尺度机制目前尚无比较系统的分析。因此本文综合利用NECP再分析资料、地面观测资料、多普勒雷达资料、风廓线雷达资料、FY-4可见光云图资料、VDRAS资料对2018年8月13日17:30发生在静海地区的线状对流中强龙卷过程进行多尺度机制研究，以期增强对龙卷对流模态多样性的理解。
1 资料介绍(1) 美国大气环境中心(NCEP)提供的全球分析资料(final operational global analysis，以下简称为“FNL”资料)，时间间隔为6 h(00、06、12和18 UTC)，水平分辨率为1°×1°，垂直方向分层31层，该资料用于分析龙卷发生的环流背景。
(2) 地面观测资料：采用加密观测资料，时间分辨率为1 h，要素包括降水、风、露点温度、气温等，该资料用于分析龙卷发生的近地面层中尺度环境，距离龙卷发生地最近的测站(静海站)位置已在图 1中标明。
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图 1 2018年8月13日EF3级龙卷发生地和相关测站位置分布 (叉号：龙卷发生地位置，实心圆：静海风廓线位置，空心圆：静海观测站位置，三角：塘沽雷达位置，小圆点：天津自动气象站) Fig. 1 Location distribution of EF3 tornado occurrence on 13 August 2018 and related stations (fork: location of tornado, solid circle: location of wind profile in Jinghai, hollow circle: location of Jinghai Observatory, triangle: position of Tanggu Radar, dot: location of Tianjin automatic weather stations) |
(3) 雷达资料：风廓线雷达位于天津静海观测站，其位置如图 1所示，该资料用于分析天津静海上空的风场随时间变化；塘沽S波段多普勒雷达位置如图 1所示，该资料用于分析龙卷发生地的回波特征和径向速度特征。
(4) FY-4A可见光云图资料：来源于国家卫星气象中心官网(http://www.nsmc.org.cn/NSMC/Home/Index.html)，该资料用于分析龙卷发生前对流云的演变。
(5) Variational Doppler Radar Analysis System (VDRAS)资料：该系统为北京城市气象研究院研发，通过快速刷新四维同化技术和三维数值云模式，实时同化京津冀地区多部新一代天气雷达资料(反射率因子和径向速度)，同时融合京津冀区域5 min地面自动站观测资料和BJ-RUC v2.0数值模式结果，分析输出低层的动力场和热力场，以及与之相关的解释应用产品。其中，系统的三维云模式采用考虑温度冷却影响的暖雨参数化方案，该资料为非静力模式输出资料。该系统资料水平分辨率为5 km，同化京津冀6部雷达资料：范围为550 km×550 km，覆盖京津冀大部分地区，垂直分辨率为400 m，时间分辨率为18 min，该资料可用于分析龙卷母体涡旋发生地上空的动力、热力结构。
2 天气实况2018年8月13日17：30左右，天津静海地区出现龙卷风天气，龙卷过后有局地短时强降水、短时大风天气，龙卷破坏力极强，所到之处使农作物倒伏、房屋倒塌、水泥钢筋电线杆折断、汽车被卷起，致使静海区部分乡镇厂房、民房、农业等遭受损坏。龙卷移动路线为静海区静海镇的魏家庄村—北五里村—西五里村到梁头镇，自东北向西南移动。路径长度为5 km左右，宽度几米至百米以上，致灾过程持续时间大约为15 min。8月14日，国家气象中心、中国气象科学研究院、天津市气象局、天津市静海区气象局等4个单位的专家对此次龙卷过程进行现场勘查和灾情调查，依据多普勒天气雷达资料及现场灾情调查结果，现场专家鉴定此次过程最强等级为EF3级龙卷。根据天津自动站统计特征(图 2a)，8月13日17—18时，在天津龙卷发生地以北地区出现了局地以短时强降水为主的强对流天气，同时伴随闪电活动。从距离龙卷发生地最近的静海观测站(具体位置见图 1)要素的逐分钟演变(图 2b)来看，16:53—17:03相对湿度迅速上升，从50%上升到64%，随后缓慢上升，17:30(龙卷发生时)上升至69%，在龙卷发生后，仍呈缓慢上升态势，17:53达到最大，为73%。地面气压在17:01时开始下降，于17:30(龙卷发生时)降到最低，从1 003.2 hPa下降到1 002.5 hPa，下降幅度仅为0.7 hPa，逐分钟风场在龙卷发生后两次达到峰值，分别为4.2 m·s-1(17:34)和4.5 m·s-1(17:42)，虽然静海观测站距离龙卷发生地仅为4 km，但从其探测到的气压降幅以及风力大小来看，静海观测站只能分析出龙卷发生时要素变化趋势，并未能真正探测到龙卷过程中的要素变化特征，因此仍需要综合其他多种观测资料进行分析。
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图 2 2018年8月13日(a)17:00—18:00天津强对流天气业务监测图；(b)16:30—18:10天津静海观测站气压、气温、相对湿度、分钟平均风速逐分钟演变 (“+”：正闪，“-”：负闪，实心圆：发生≥20 mm·h-1的短时强降水，叉号：龙卷发生地位置) Fig. 2 (a) Operational monitoring map of strong convective weather in North China in 17:00-18:00 BT 13 August 2018, (b) air pressure, air temperature, relative humidity and minutely mean wind speed at Jinghai Observatory evolving with time from 16:30 BT to 18:10 BT 13 August 2018 (In Fig. 2a, lightning activities are represented by '+' and '-', solid cirecle represents short-time heavy precipitation ≥20 mm·h-1, fork is the location of tornado occurrence) |
典型的暴雨天气背景，台风和冷涡背景是我国龙卷最易发生的三类天气条件(姚叶青等，2012；王秀明等，2015)。2018年8月13日正值华北主汛期，13日14时，500 hPa上(图 3a)，副热带高压(以下简称副高)脊线在37°N左右，天津地区位于副高西北侧，受西南气流控制，有利于水汽输送，且此时正值台风摩羯北上，在850 hPa上(图 3b)与副高相互作用形成东南急流，风速最大达到18 m·s-1，与副高西北侧的西南气流在华北东部交汇，在200 hPa上(图 3c)，天津位于急流入口区，为明显的风速辐散区，低层辐合、高层辐散，且具有充足的水汽供应，是华北地区典型暴雨过程天气形势。
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图 3 2018年8月13日14时(a)500 hPa，(b)850 hPa位势高度场(等值线，单位：dagpm)、风场(风羽)，(c)200 hPa风速(填色，单位：m·s-1)、风场(风羽)，(d)北京探空图 (图 3a~3c基于NCEP再分析资料绘制，图 3d基于北京探空观测资料绘制) Fig. 3 Geopotential height field (contour, unit: dagpm) and wind field (barb) at (a) 500 hPa and (b) 850 hPa, (c) wind speed (colored, unit: m·s-1) and wind field (barb) at 200 hPa, (d) Beijing sounding at 14:00 BT 13 August 2018 (Figs. 3a-3c based on NCEP reanalysis data and Fig. 3d based on Beijing sounding data) |
探空站观测通常能代表站点周围100~200 km范围的大气状态。根据距离天津120 km的北京站8月13日14时探空分析(图 3d)，在龙卷发生前，大气处于较强的条件性不稳定状态，CAPE值达到1 832 J·kg-1，对流抑制能量仅为0.8 J·kg-1，自由对流高度和抬升凝结高度都很低，分别为945.5、970.7 hPa。0~1.5和0~6 km垂直切变分别为8、15 m·s-1，吴芳芳等(2013)的统计研究表明，苏北产生龙卷，特别是F2级以上强龙卷对应的0~1 km风切变为6~19 m·s-1，89%的龙卷发生前环境探空CAPE达到1 300 J·kg-1及以上。由此可见，8月13日静海附近满足龙卷发生的环境条件，但对于强龙卷，其低层的垂直风切变条件还相对较弱。
4 对流系统演变特征分析 4.1 径向速度特征在我国有不少EF2级以上的龙卷具有超级单体风暴的雷达气象学特征(郑媛媛等，2009；俞小鼎等，2006b；姚叶青等，2012)，Brown et al(1978)对超级单体风暴概念进行了修正，强调超级单体是具有深厚中气旋的对流单体。超级单体龙卷通常在雷达上能观测到中气旋，有时还能在雷达径向速度上观测到比中气旋更小、旋转更快的TVS，此次产生龙卷的对流单体是否具有这样的特征，本文将利用多普勒雷达径向速度资料进行诊断分析。
通过对塘沽雷达(距离龙卷发生地71.9 km)径向速度图进行分析发现，在17:30和17:36两个体扫时间可探测到中涡旋(图 4)。龙卷发生时(17:30)，在0.5°仰角径向速度图(图 4a)上可以看出，在龙卷发生地上空(约1.1 km高度)可探测到中涡旋，具有速度切变，相邻像素点的正负速度差为15 m·s-1，在1.5°仰角(约2.4 km高度)径向速度图(图 4c)上也可探测到中涡旋，具有较强的切变特征，相邻方位角的速度差达到22 m·s-1，PUP产品在速度切变区可以识别出TVS，最大速度差位于2.4 km高度，TVS的伸展厚度为4.7 km(表 1)。17:36，0.5°仰角的径向速度图上(图 4b)，龙卷发生地上空(约1.1 km高度)可探测到中涡旋，具有强切变特征，相邻方位角的速度差达到25 m·s-1，在1.5°仰角(约2.4 km高度)径向速度图(图 4d)上也可探测到中涡旋，具备速度切变，相邻方位角的速度差减小为15 m·s-1。在PUP产品中可以识别出TVS，最大速度差位于1.1 km高度，TVS的伸展厚度增加至4.9 km(表 1)。综上所述，在17:30—17:36，中涡旋相邻方位角的最大速度差在增大，从22 m·s-1增加到25 m·s-1，而最大速度差的高度在降低，从2.4 km下降到1.1 km，说明中涡旋在旋转加强的基础上，旋转中心在下降，而伸展厚度在加大。此次过程虽然存在中涡旋，但距离龙卷发生地相对较近的天津塘沽雷达(图 4)和河北沧州雷达(图略)在整个过程中探测到的中涡旋均未达到中气旋标准，说明该次龙卷风暴不具有超级单体风暴典型特征(俞小鼎等，2006a)，那么此次过程的回波形态具有怎样的特征？如何不断发展加强并形成龙卷？
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图 4 2018年8月13日天津塘沽多普勒雷达(a, b)0.5°仰角，(c，d)1.5°仰角 (a, c)17:30和(b, d)17:36径向速度 (红色圆圈：速度切变区位置) Fig. 4 Radial velocity maps of (a, b) 0.5° and (c, d) 1.5° elevations at (a, c) 17:30 BT, (b, d) 17:36 BT 13 August 2018 based on Tanggu Dopplor Radar (red circle: position of velocity shear zone) |
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表 1 PUP识别出的TVS特征参数 Table 1 TVS characteristic parameters identified by PUP |
Grams et al(2012)在对美国强龙卷进行统计研究时，将产生EF2级以上的龙卷的对流模态分为三类：第一类为相对独立的单体聚集成圆形或椭圆形的离散单体，最大回波可达50 dBz以上；第二类为主轴长度超过100 km并且至少是短轴三倍且有共同前导边界以串联方式移动的准线状对流；第三类为多个单体聚集成团并且难以区分是非连续的还是线状的簇类对流，其40 dBz以上回波区域范围至少为2 500 km2。如图 5所示，此次天津静海EF3级强龙卷是发生在第二类准线状对流中。8月13日17:00 (图 5a)，在天津的中部地区和沧州地区各有一线状对流发展，并且两个线状对流发展在同一条直线上，但两支对流之间的静海区并没有对流发展。随后，在两支对流连线上，开始有回波发展，并逐渐增强，17:30(图 5b)，南北两支线状对流相连，形成一条线状对流，此时龙卷发生。
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图 5 2018年8月13日塘沽雷达(a)17:12，(b)17:30组合反射率(填色)和(c)17:12，(d)17:18，(e)17:24，(f)17:30沿龙卷发生地反射率纬向剖面(填色) (图 5a，5b中“×”代表龙卷发生地位置，蓝线代表剖面位置；图 5c~5f中蓝线代表龙卷发生地位置) Fig. 5 Tanggu Radar composite reflectivity (colored, unit: dBz) at (a) 17:12 BT, (b) 17:30 BT and zonal cross-sections of reflectivity (colored) along tornado at (c) 17:12 BT, (d) 17:18 BT, (e) 17:24 BT and (f) 17:30 BT 13 August 2018 (In Figs. 5a, 5b, '×' represents the location of tornado occurrence, blue line represents the section position; in Figs. 5c-5f, blue lines represent the location of tornado occurrence) |
为研究线状对流合并过程中的垂直结构，沿龙卷发生地(图 5a、5b中蓝线)做反射率因子纬向剖面(图 5c~5f)，17:00 (图略)，龙卷发生地还没有降水回波形成，17:12(图 5c)，在龙卷发生地上空南北均有回波生成，中心强度均在25 dBz以上，南侧回波高度在6~7 km左右，且回波并未接地，北侧回波质心较低，在3 km左右，17:18(图 5d)，龙卷发生地南侧的回波向北移动，与北侧回波合并，中心达到40 dBz，且中心高度在6 km以上，此时回波主体仍在龙卷发生地北侧，17:24(图 5e)，中心达到55 dBz以上，且中心高度仍维持在6 km，有所南移，但回波中心仍位于龙卷发生地北侧，发生地上空大于45 dBz的回波还在3 km以上，由于龙卷发生前强盛上升气流发展的影响，发生地上空具备一定的悬垂特征；17:30(图 5f)，45 dBz以上的强回波接地，强回波中心下降到4~5 km，此时龙卷生成。综上可以看出，两个线状对流通过连线上局地生成的对流系统的发展加强促使了线状对流的合并，其强回波接地时间与龙卷的发生时间有较好的对应关系。
4.3 回波顶高从雷达回波顶高产品中可以看出，在17:12之前(图 6a)，龙卷发生地附近回波发展基本在5 km以下，17:18(图 6b)，回波高度发展到8 km，到了17:24(龙卷发生前6 min)，如图 6c所示，龙卷发生地的回波高度达到12~14 km，但回波顶高中心并不在龙卷发生地上空，而在其北侧10 km左右，回波顶高达到18 km，说明引发龙卷的对流云在强的垂直风切变下具有一定的倾斜结构。同时，在回波顶高中心(18 km)的相邻像素点的回波顶高仅有8 km，在水平方向4 km之内，回波顶相差10 km，说明对流的发展在水平方向的分布极其不均匀，同时这也说明对流云团所对应的上升气流强度在空间上也呈不均匀分布，且具有较大的水平梯度。
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图 6 2018年8月13日(a)17:12，(b)17:18，(c)17:24，(d)17:30塘沽雷达回波顶高产品(填色) (双箭头代表龙卷发生地所在位置) Fig. 6 The height of echo top (colored) of Tanggu Radar at (a) 17:12 BT, (b) 17:18 BT, (c) 17:24 BT and (d) 17:30 BT 13 August 2018 (double arrow: the location of the tornado) |
从雷达回波图上来看，在龙卷发生前，17:00前后在龙卷的发生地(两条线性对流中间)并没有明显的对流生成。从FY-4A可见光云图上来看，在17:00(图略)，在两条线状对流之间，虽然其对流发展强度尚不如两条线状对流，但是可以看出已有暗影出现，说明对流已经有所发展。到17:15(图 7)，在可见光云图上两条线状对流已经相连，对流云团右侧的暗影也连接在一起，说明此时，龙卷发生地的对流已经发展旺盛，而从17:18的雷达回波(图略)来看，两条线状对流之间对流已经有所发展，但两条线状对流还没有相连，由此可以说明，应用FY-4A高时空分辨率云图分析对流天气的发展具有一定的提前量，具备一定的预报预警价值。
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图 7 2018年8月13日17:15的FY-4A卫星可见光云图 (红色“×”代表龙卷发生地位置) Fig. 7 Visible channel of FY-4A satellite at 17:15 BT 13 August 2018 (Red '×' represents the location of tornado occurrence) |
同时，从FY-4A可见光云图(图 7)上也可以看出，在17:15之后虽然对流云团及其对应的暗影已经连为一体，但在整个线状对流中，存在多个上冲云顶，说明在线状对流中各单体的发展并不均匀，所对应的上升气流强度在空间上也呈不均匀分布。
5 龙卷物理机制研究 5.1 辐合旋转流场的建立线状对流北侧雷暴产生的降水粒子在下沉过程中蒸发冷却，17:00在近地面形成冷中心(冷池)(图 8a)，强密度梯度增强了雷暴出流，如图 9a所示，17:10在北段线状对流区地面上存在三个辐散中心，辐散中心C向南辐散的气流与东南风形成边界层辐合线，在天津西侧，偏北气流与东南风也形成一条边界层辐合线，分别位于两条边界层辐合线北侧和西侧的偏北风和前方入流的偏东风构成了中低压的辐合旋转流场。
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图 8 2018年8月13日(a)17:00, (b)17:30地面自动气象站2 m温度分布 Fig. 8 The 2 m temperature observed by automatic weather stations at (a) 17:00 BT and (b) 17:30 BT 13 August 2018 |
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图 9 2018年8月13日(a)17:10加密自动气象站风场(流线，单位：m·s-1)、0~1 km风速差值(填色，单位：m·s-1)的空间分布，(b)16:30—17:30静海风廓线探测风场(风向杆，单位：m·s-1)和风垂直切变(填色，单位：10-3s-1)的时间-高度剖面，(c)17:00基于VDRAS资料沿39°N的散度(等值线，单位：10-5s-1)和垂直速度(填色，单位：m·s-1)的纬向-高度剖面 (图 9a中地面为加密自动气象站资料，1 km高度选择VDRAS风场资料，蓝色线代表辐合线，红色圆圈代表辐散中心位置；图 9b中红色箭头代表龙卷发生时间；图 9c中蓝色线代表龙卷发生位置) Fig. 9 (a)Wind field (stream, unit: m·s-1) of automatic weather station, difference of 0-1 km wind speed(colored, unit: m·s-1) at 17:10 BT 13; (b) time-height cross-section of wind field (barb, unit: m·s-1) and vertical shear of horizontal wind (colored, unit: 10-3s-1) based on wind profiler in Jinghai from 16:30 BT to 17:30 BT 13; (c) cross-sections of divergence (contour, unit: 10-5s-1) and vertical speed (colored, unit: m·s-1) along 39°N based on VDRAS data at 17:00 BT 13 August 2018 (in Fig. 9a, surface data from automatic weather stations and the VDRAS data at 1 km height, blue line: convergence line, red circle: divergence center position; in Fig. 9b, red arrow: the occurrence time of tornado; in Fig. 9c, blue line: the location of tornado) |
前文中已经基于探空资料对低层风垂直切变条件进行了分析，但由于探空站空间分布较稀疏，北京探空距离龙卷发生地有一定的距离，难以较好地反映风垂直切变的真实情况。本文利用地面加密自动站资料和VDRAS在1 km高度风场资料，计算了龙卷发生及周边地区0~1 km垂直风切变。如图 9a所示，在龙卷发生地静海前期并未发生降水天气过程，低层强劲的东南风与1 km高度的西风形成了切变中心，地面和1 km高度风矢量差为7 m·s-1，相当于风垂直切变达到7×10-3s-1。为了在垂直方向上获取低层更为精细的垂直切变信息，本文还利用静海风廓线资料(垂直方向为60 m间隔，时间分辨率为3 min)计算垂直方向上各层的切变值。如图 9b所示水平风的垂直切变中心在180 m高度，达到90×10-3s-1，折合成每千米的切变量可以达到90 m·s-1，在边界层形成强劲的水平涡管。北侧线状对流雷暴产生的降水粒子在下沉过程中蒸发冷却，在近地面形成冷中心(冷池)(图 8a)，强密度梯度增强了雷暴出流，如图 9a所示，在北段线状对流区存在三个辐散中心，辐散中心C向南辐散的气流与东南风形成辐合抬升，沿39°N(辐合线约在39°N附近)做散度和垂直速度的垂直剖面(图 9c)，在雷暴出流和东南风交汇区域1 000 m以下为辐合，上层为辐散区，辐散中心中心位于2 000 m高度，由此在地面到3 km高度为上升运动，并存在四个上升运动中心，上升运动中心的垂直速度均在0.1 m·s-1以上，这个上升运动的诊断数值虽然不能代表真实的对流系统内部由于热力和动力作用造成的垂直运动的程度，但至少在一定程度上说明了辐合线上存在较大的上升运动，且上升运动在辐合线上分布并不均匀(在FY-4A可见光云图和雷达回波顶高的分析中也得到相类似的结论)，在强降水的作用下，近地面冷池范围不断扩大(图 8b)，其产生的雷暴出流推动辐合线不断南压，当辐合线与静海的水平风的垂直切变中心(水平涡管)相遇时，水平分布不均的上升运动会使水平涡管倾斜，导致垂直涡度的增加，同时从图 9c还可以看出，上升运动中心发生在1 500 m高度，那么从地面到1 500 m高度垂直上升速度逐渐增大，说明低层垂直涡管形成后存在垂直方向上的拉伸，气旋尺度减小，根据角动量守恒，旋转加速，导致龙卷母体涡旋的发生。通过上述分析发现，虽然线状对流龙卷在对流模态上与超级单体龙卷不同，但二者母体涡旋的生成物理机理相同。
6 结 论综合以上分析，得到以下结论：
(1) 在龙卷发生前，其发生地低层辐合、高层辐散，且具有充足的水汽供应，是华北地区典型暴雨过程天气形势。
(2) 龙卷发生前，CAPE值达1 832 J·kg-1，对流抑制能量仅为0.8 J·kg-1，自由对流高度和抬升凝结高度都很低，分别为945.5、970.7 hPa。0~1.5 km垂直风切变为8 m·s-1，0~6 km垂直切变为15 m·s-1，具备龙卷发生的环境条件。
(3) 此次过程是一次发生在线状对流中的EF3级强龙卷，具备TVS特征，龙卷形成后，在中涡旋不断加强的基础上，旋转中心在不断下降，且TVS的伸展厚度在不断增大，但中涡旋的强度并未达到中气旋标准，说明引发龙卷的对流风暴不具备超级单体风暴典型特征。两个线状对流通过连线上新单体的发生发展促使了线状对流的合并，其强回波接地时间与龙卷的发生时间有较好的对应关系。
(4) 引发龙卷的线状对流上存在多个上冲云顶，且回波顶高空间分布极其不均匀(在相邻像素点可相差10 km)，说明对流云团所对应的上升气流强度在空间上也呈不均匀分布，且具有较大的水平梯度。
(5) 在龙卷发生前20 min，分别位于两条边界层辐合线北侧和西侧的偏北风和前方入流的偏东风构成了中低压的辐合旋转流场。雷暴出流与龙卷发生地的局地垂直切变中心(90×10-3s-1)相遇，水平涡管倾斜，垂直涡度增加，且涡管在垂直方向上被拉伸，根据角动量守恒，旋转加强导致龙卷母体涡旋的发生发展，由此可见，线状对流龙卷虽然在对流模态上与超级单体龙卷不同，但龙卷母体涡旋的形成发展机制是一致的。
致谢：感谢北京城市气象研究院陈明轩博士为本研究提供基于BJ-ANC系统VDRAS技术的雷达变分分析数据。
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