1. 引言
龙卷这类灾害性天气通常具有极强风速、极低气压、突发性强等特点，能给广大群众带来巨大的生命财产损失[1]。倘若龙卷事件出现在机场区域，将给露天作业的地勤人员带来生命危险，对停场飞机以及机场各类高精度设施设备带来毁灭性破坏，从而导致机场正常运行遭受严重影响。
因此，进一步对我国龙卷风结构进行有效探测并开展短临预警，以及通过环境场分析开展潜释短期预报具有较大意义[2]。本文基于深圳机场在2024年8月12日遭遇到的一次水龙卷过程，从业务预报的角度开展复盘讨论，并针对龙卷预报技术提出一些启示。
2. 研究资料
本文采用的广东省雷达拼图、香港地区探空图由深圳市气象局提供；相控阵雷达图、垂直风廓线图、广东省地面自动站由广东省气象局提供；民航中南气象中心提供EC数值模式产品；民航深圳空管站提供民航机场天气报告(METAR和SPECI)。
3. 龙卷事件过程回顾
2024年8月12日凌晨05时23分起，深圳机场出现了持续3小时12分钟的中到强雷雨天气，过程降水量71.8 mm，并在06时29分至06时35分之间，于机场西侧海域距离机场跑道5公里处，出现了接地水龙卷，如图1所示。该水龙卷自西南向东北方向移动，但在靠近机场过程中，强度逐步减弱并消散，未造成人员伤亡和机场设施破坏。
本次水龙卷过程为深圳机场建设开航30年以来的首次记载，并通过机场天气报告的形式(龙卷代码：FC)参与到世界民航气象情报交换，同时也是自珠海机场2014年8月5日记载水龙卷后，时隔10年再一次在中国区域中的机场范围内记录到龙卷影响事件。
此外，由于水龙卷过程多发于海上，因此不同于陆龙卷能开展事后评估，确定龙卷等级，本次水龙卷过程无法确定EF强度。同时水龙卷灾害性破坏主要在沿海地区，非人口密集地带，因此市民群众及业务科研等对此类型龙卷记载和业务研究较少，可参考性较弱。但由于深圳机场正处于海岸线区域，水龙卷对机场的设施设备破坏仍不可忽视。
Figure1. The photo of water tornado taken in Shenzhen Airport at 06:29
图1. 06时29分深圳机场实拍水龙卷
回顾前一日短期潜势预报，气象产品未提及发生龙卷风的可能性。在短临预警中，重点关注列车效应下的雷雨天气保障，对龙卷风的发生和靠近未发布预警提醒，属于极端天气现象的漏报事件，反映出业务值班人员未能有效利用各种方式对龙卷风特征进行识别。
4. 短临雷达特征
4.1. 雷达反射率
从龙卷影响时段的雷达反射率来看，如图2(a)的广东省雷达拼图中，深圳机场受东北西南向的窄带状雷达回波覆盖，为侧向排列的多单体风暴。回波中心强度可达55 dbz，但受限于雷达拼图分辨率超过1公里，未能找到龙卷雷达回波特征。在深圳市求雨坛S波段多普勒雷达中心西南侧15公里处有疑似钩状回波，但由于空间分辨率为250米，仍无法有效判别。
然而，从图2(b)空间分辨率仅30米的求雨坛X波段相控阵雷达可确认，该回波属于典型的龙卷钩状回波，同时钩状回波处于有界弱回波区的右侧。从相控阵雷达上看，该水龙卷位于雷达西南向11~14公里处，距深圳机场仅5公里，钩内回波反射率强度不足35 dbz，反映出该水龙卷相对于陆龙卷[3]，水平尺度偏小，为百米级别，强度偏弱，且非超级单体风暴形成，因此较难利用多普勒天气雷达识别，同时基于多普勒雷达的深圳市临近预报决策支持平台也无中气旋告警。
对于业务值班员，今后需多收集国内外龙卷案例，加强相控阵雷达使用培训。在业务短临系统建设中，还需升级天气雷达资料来源，即以相控阵雷达为基础，同时引入AI图像识别等新技术，从雷达回波特征的角度升级龙卷风的识别算法。
注：该图基于自然资源部标准底图服务网站下载的审图号为GS(2024)0568号的标准地图制作，底图无修改。
Figure 2. (a) Guangdong radar puzzle at 06:30; (b) Shenzhen Qiuyutan X-band phased array radar at 06:23; the black triangle is the location of Shenzhen airport, and the black circle is the tornado hook echo feature
图2. (a) 06时30分广东省雷达拼图；(b) 6时23分深圳求雨坛X波段相控阵雷达；黑色三角为深圳机场位置，黑色圆圈为龙卷钩状回波特征
4.2. 雷达径向速度
龙卷通常在雷达径向速度图具有显著的中气旋特征，如图3(a)的S波段多普勒雷达所示，在钩状回波钩内，存在一组正负速度对。其中，0630PKT最强时刻的正负速度均为18 m/s，即旋转速度为18 m/s，随后逐渐减弱消失。此外，正负速度均仅存在1~2像素，同样也反映出本次水龙卷具有尺度小，强度弱的特征。
注：该图基于自然资源部标准底图服务网站下载的审图号为GS(2024)0568号的标准地图制作，底图无修改。
Figure3. (a) The radial velocity in S-band Doppler radar, the black circle is the position of meso-cyclone feature in water tornado, (b) The radial velocity in X-band phased array radar; the black triangle is the location of Shenzhen airport
图3. (a) S波段多普勒雷达径向速度图，黑色圈为水龙卷对应中气旋位置；(b) X波段相控阵雷达径向速度图；黑色三角为深圳机场位置
然而，对于空间分辨率更精细的相控阵雷达，其径向速度图却未能显示中气旋结构。在图3(b)中，径向速度图表现为大范围的同向运动，原因在于该雷达相对于多普勒雷达，三维各方向上波束宽度均偏窄，因此在天气雷达较高建设海拔的背景下，常规的0.9˚仰角无法对云底高度偏低的水龙卷结构进行扫描。当前，该相控阵雷达布设在海拔318米的求雨坛探测基地，配合20米钢结构基础，若使用常规的0.9˚仰角，在水龙卷距离雷达中心11~14公里处，其探测高度为510米，远高于机场实况报文中的210米云底高度。
因此，在天气雷达建设中，需同步考虑土建海拔高度；在开展径向速度分析时，应选用不同仰角扫描产品，避免龙卷特征出现在雷达高度以下的情况。同时，这也侧面反映出，水龙卷区别于陆龙卷，其螺旋结构主要位于云底及以下，垂直发展高度偏低。
5. 环境场潜势预报
利用8月11日12UTC起报的EC数值预报分析可知，本次过程925 hPa西南急流中心速度为12 m/s，处于中等偏弱强度，但在后半夜至凌晨，由于惯性震荡出现脉动增长，急流核与风速出口区均呈现北推趋势。深圳机场处于西南急流出口处，通过超低空辐合带来垂直上升速度，从而形成动力抬升机制，即从动力条件归类为弱暖区强迫的对流触发机制，即典型的华南暖区对流机制，如图4所示。与此同时，本次过程的出现时间也与华南暖区对流高发的凌晨至上午时段相对应。
注：该图基于自然资源部标准底图服务网站下载的审图号为GS(2022)3124号的标准地图制作，底图无修改。
Figure 4. The prediction of the low-level 925 hPa wind field in South China region at 05:00 on August 12 by EC numerical model. The black triangle is the location of Shenzhen airport, and the black arrow and black arc are the low-level wind flow and the position of the wind convergence
图4. 华南区域EC数值模式对12日05时低空925 hPa风场预报，黑色三角为深圳机场位置，黑色箭头与黑色弧线为低空气流及对应辐合位置
通过图5(a)中的8月11日20时香港地区(45004)实况探空资料来看能量条件，探空图呈现上干下湿层结，500 hPa中层干区温度露点差接近20℃，低层风随高度有显著顺时针旋转，K指数36℃，地面假相当位温大于365 K，对流有效位能达到2800 J/kg，为弱动力强迫背景提供了充沛的能量释放，最终形成强雷雨及列车效应，为华南地区夏季常见强对流天气配置[4]。
Figure 5. (a) The detected air sounding of Hong Kong Region 45004 Radiosonde station at 20:00 on August 11, (b) The air sounding of Shenzhen airport at 05:00 on August 12 predicted by EC numerical model
图5. (a) 香港地区45004站点于8月11日20时实况探空图；(b) EC数值模式对深圳机场12日05时预报探空图
然而，利用龙卷指标特征开展潜势预报时[5]，无论使用探空实况资料或EC探空图预报，如图5(a)和图5(b)所示，0~1公里垂直风切变3 m/s~5 m/s，为弱风切变；风暴相对螺旋度SRH2-4m/s，为弱螺旋度；粗理查森数88，远大于10；仅200 m~437 m较低的LCL有利于龙卷的发生。而单独使用LCL与CCL这类与地面水汽直接相关的高度指标，在业务预报中，通常仅对应指示雷暴云具有较低的云底高度，但无法直接指示龙卷的生成与发展。总的来说，在本次过程中，直接利用常见的龙卷指标开展水龙卷短期潜势预报，难度较大。
6. 临近实况对比订正
对于水龙卷的预警，关键在于临近预报，特别是开展实况和数值模式的对比订正。深圳机场出现水龙卷的时间为06时29分，但如图6(a)所示，上游珠海风廓线雷达自05时30分起，0~1公里垂直风切变逐步增大至10 m/s；如图6(b)所示，上游中山风廓线雷达自06时12分起，0~1公里垂直风切变更增加至28 m/s，属于强烈风切变，能给下游的龙卷短临预报提供充足的提前量。
这强烈的低空风切变主要归因于1公里高度处18 m/s的东南风的入侵，使得底层西南风和东南风形成强烈垂直风切变，将水平涡管倾斜成垂直涡管，即雷雨天气下边界层垂直剖面中的小尺度上升与下沉环流扭转成水平环流，并通过旋转抽吸作用进一步加强垂直抬升运动，从而形成本次水龙卷天气。然而此类小尺度信号无法通过全球数值模式体现，如图5(b)的EC全球预报中，深圳机场低空风场仍为西南风，因此在基于强对流天气预报的背景下，结合上游风廓线雷达资料进行对比订正，是开展龙卷临近预报的关键。
在业务预报，除了需要例行分析本场风廓线特征，还需要通过从雷达回波移动方向或引导气流方向，找到该天气的上游站点，并进一步分析上游站点的特征，从而判断天气。在短临业务系统建设中，不仅需要对本站的气象要素特征开展预警，还需对上游及周边站点的气象要素围绕预报指标进行识别判断，从而提供具有提前量意义的有效预警。
此外，从图7地面风场来看，珠江口06时15分已出现气旋性环流，处于带状列车效应对流区域中。直至06时40分，随着西北气流侵入机场内陆，气旋性环流方才消散，基本与水龙卷观测出现时间对应，反映出加强上游地面风场的监视，对龙卷探测与预报也同样起着重要作用。
Figure 6. (a) The wind field detected by Zhuhai Wind Profiler Radar, (b) The wind field detected by Zhongshan Wind Profiler Radar; the black box area is the period that 0~1 km low altitude vertical wind shear is greater than 10 m/s
图6. (a) 珠海风廓线雷达风场；(b) 中山风廓线雷达风场；黑色框区域为0~1公里低空垂直风切变大于10 m/s时段
注：该图基于自然资源部标准底图服务网站下载的审图号为GS(2019)1719号的标准地图制作，底图无修改。
Figure 7. The wind field averaged by 1 minute on the ground in Guangdong Province, (a) 06:15, (b) 06:40; the black triangle is the location of Shenzhen airport, and the blue vortex and arrow are the location and moving direction of the water tornado
图7. 广东省地面1分钟平均风场，(a) 06时15分，(b) 06时40分；黑三角为深圳机场位置，蓝色漩涡与箭头为水龙卷位置及移动方向
7. 结论与讨论
本文利用天气雷达及环境场资料从水龙卷特征及触发条件对深圳机场2024年8月12日早间周边海域的水龙卷进一步分析，得出了如下结论：
(1) 深圳机场本次水龙卷处于侧向排列的多单体风暴中，无超级单体风暴特征，相对于陆龙卷，水平尺度偏小，为百米级别，强度偏弱，反射率回波小于35 dbz，且龙卷独特的钩状回波特征无法在多普勒雷达上识别，需综合使用空间分辨率仅30米的高分辨率相控阵雷达进行有效探测。
(2) 本次水龙卷在多普勒雷达径向速度图上，旋转速度达18 m/s。然而在相控阵雷达中却无中气旋特征，归因于波束宽度偏窄，常用扫描仰角过高，使得雷达扫描高度在龙卷螺旋云体以上。因此在天气雷达建设中，需考虑土建海拔高度，并合理使用不同仰角扫描产品，避免龙卷特征出现在雷达高度以下的情况。
(3) 本次水龙卷过程的触发机制为在弱暖区强迫下，由风速大小为12 m/s的925 hPa超低层西南急流的脉动增长提供动力辐合抬升启动机制，并配合对流有效位能超过2800 J/kg不稳定层结下的强烈能量条件释放，从而形成强对流天气。在强对流背景下，同时叠加带状列车效应形态下的底层涡旋结构，即西南风和东南风辐合产生的小尺度辐合旋转，触发出本次水龙卷过程。
(4) 在通过环境场潜势预报时，能较好开展强雷雨预报，但在本次过程中使用龙卷判据，即0~1公里垂直风切变3 m/s~5 m/s、相对螺旋度2 m/s ~4 m/s、粗理查森数88远大于10等弱指示意义的龙卷指标，对本次水龙卷开展短期预报难度较大。但在短临预报中，在1公里高度处18 m/s东南风的入侵形成了28 m/s的强烈低空风切变，是本次水龙卷形成的核心关键。因此，在水龙卷临近预报中，需重点利用上游风廓线雷达开展对比订正，如在本次水龙卷过程的短临预报中，上游珠海站指标可提供近1小时提前量，中山站可提供17分钟提前量，为龙卷预警提供了充足的时间。
(5) 针对水龙卷的形成机制今后将继续收集更多案例，从雷达特征、环境条件等角度切入，开展统计研究。同时结合常用陆龙卷指标，进一步开展对比分析，从而寻找更接近水龙卷且具有普适性与代表性的指标判据。此外，围绕水龙卷的形成机制，今后还需结合数值模拟等方式，以本次过程为控制组，通过设计改变下垫面、低空垂直风切变等方案，对水龙卷的精细结构和演变过程进行更深入的研究。
(6) 在新型设备应用中，需加大相控阵雷达的组网建设，及时覆盖高影响地区及生命线工程，同时尽早将该产品数据推送融入至各类短临预警平台，并通过大小雷达融合的方式，结合AI图像识别等算法，进一步开展龙卷雷达特征识别，从而及时提供有效客观预警。此外，在风廓线雷达的应用中，除了关注预报范围内单点风廓线雷达外，还要对周边地区的风廓线雷达特征进行识别，特别是天气上游地区，需重点关注与龙卷形成及加强密切关联的0~1公里低空垂直风切变强度。同时，在业务预警系统中，也需对周边地区的风廓线雷达特征新增预警告警功能，从而使得在短临预报中，即使面对如龙卷这类极端危险天气，也能多争取一点提前量。
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