强龙卷风直接袭击下的多层级原位测量：揭示近地表风速剖面与EF等级评估的关键证据

本文罕见记录了强龙卷风（EF2级）直接袭击气象站的现场观测数据，首次基于100米以下四层级（3/40/60/80米）原位测量构建低空龙卷风风速剖面。测得峰值1秒阵风达53.1 m/s（191.2 km/h）及16.0 hPa地表气压亏缺，证实龙卷风风速随高度降低而增强的雷达理论，为灾害评估（Enhanced Fujita Scale）提供关键科学依据。

　　

引言

龙卷风作为局地性旋转风现象，可产生地球最强风力（Grazulis, 2001）。其强度通常通过增强藤田等级（Enhanced Fujita Scale, EF Scale）基于地表破坏指标（Damage Indicators, DIs）和破坏程度（Degrees of Damage, DOD）进行评估，范围从EF0（最弱）至EF5（最强）（McDonald & Mehta, 2006）。自2013年加拿大采用EF等级以来，共记录981起龙卷风事件，其中161起为EF2-EF3级强龙卷风，2起为EF4级暴力龙卷风（NTP, 2025），造成4人死亡及68人受伤。加拿大历史上唯一记录的F5/EF5级龙卷风发生于2007年曼尼托巴省Elie。

近地表峰值风速测量对EF等级评估至关重要，因其所有风速估算均基于破坏点3秒平均风速。加拿大强风暴实验室（CSSL）的北方龙卷风项目（Northern Tornadoes Project, NTP）通过树倒分析（Butt et al., 2024）、碎片轨迹分析（Miller et al., 2024）及卫星遥感技术提升风速估算精度。美国曾尝试使用便携式移动雷达远程测量近地表龙卷风风速（如Bluestein et al., 1993, 2007; Snyder & Bluestein, 2014; Wurman et al., 2021），Kosiba与Wurman（2023）基于73个龙卷风垂直风剖面生成移动多普勒雷达中值风廓线，表明最强风速出现于近地表。但受建筑物、树木及雷达技术限制，移动雷达难以采样30米以下风速（Wurman et al., 2013; Snyder & Bluestein, 2014）。

龙卷风近地表原位测量极为罕见。Karstens等（2010）列举1894-2008年间美国26例测量，无一为直接袭击（即龙卷风核心区测量），观测气压亏缺范围5-194 hPa。含风速的原位观测更为稀少（Wurman et al., 2007），26例中仅7例记录近地表阵风，最大风速40 m/s（144 km/h）至67 m/s（241 km/h）。此后数例直接袭击记录显示峰值风速58 m/s（209 km/h）至72 m/s（259 km/h），对应3秒平均风速分别为56 m/s（202 km/h）与51 m/s（184 km/h）。

测量方法

研究区域位于加拿大埃塞克斯县风电场，地势平坦，农业为主，森林覆盖率低于10%。80米气象桅杆（42.0219, –82.9838）海拔187米，距伊利湖岸1公里，配备四级测量仪器（3米、40米、60米、80米）。主要仪器包括Vector Instruments A100L2杯式风速计（主备双机）、W200P风向标、Vaisala HMP45C温湿度传感器及RM Young 61302V气压计。数据记录仪以1秒采样间隔计算10分钟平均值，除风向标外所有仪器提供10分钟内1秒极值及标准差。80米主风速计额外记录3秒间隔平均风速。

辅助数据来源包括环境部Harrow自动站（CXHA）小时观测、美国三台多普勒雷达（KDTX S波段、KCLE S波段、TDTW C波段）低层径向速度数据，以及NTP于2023年修订的风暴 damage 调查结果（NTP, 2024）。中气旋旋转速度（V_rot）通过平均最大入流/出流速度绝对值计算。

龙卷风事件

2010年6月5日下午至6日凌晨，加强的低压系统东移经过大湖区，引发具有充足不稳定能量、湿度及垂直风切变的 severe thunderstorms。冷锋提供抬升动力，导致美国爱荷华至宾夕法尼亚州数十起龙卷风爆发，造成7人死亡、数十人受伤及超25万美元损失。

6月6日凌晨2:30（本地时间EDT，0630 UTC）起 severe thunderstorms 影响安大略省西南部。雷达显示一 supercell thunderstorm 于0250 LT（0650 UTC）从伊利湖登陆向东北移动。KDTX雷达在0250 LT（0652 UTC）于龙卷风附近测得最大低层入流速度-20.0 m/s、出流速度+16.5 m/s。中气旋检测算法（Mesocyclone Detection Algorithm, Stumpf et al., 1998）追踪中气旋从伊利湖美国侧持续移动至Harrow以东（ID 108）。KDTX雷达最低波束高度约1100米。

环境部原始调查记录Levergood海滩F0级及Harrow东南F2级龙卷风，路径长度<1000米，最大宽度<350米，未识别风电场区域龙卷风轨迹。NTP重评估通过卫星影像及证人报告确认龙卷风轨迹从Levergood海滩经风电场延伸至Harrow东南，整合原F0与F2路径，形成长度12,700米、最大宽度1000米的F2级龙卷风（图1）。风电场内无观测破坏（含气象桅杆），但西南侧与东北侧分别记录F1级破坏（车库顶掀翻、树木倒伏），轨迹末端存在小范围F2级破坏（两层谷仓摧毁、房屋移位、树木倒伏）。雷达分析支持单一长路径龙卷风，中气旋强度无衰减。该区域另发生短生命史F1级龙卷风及东侧第二起F2级龙卷风（Leamington镇严重破坏），无人员伤亡报告。

基于KDTX径向速度数据，中气旋于06:52:21 UTC经过风电场（V_rot=18 m/s），06:56:37 UTC到达Harrow东南（V_rot=24 m/s）。以5.2公里/256秒计算风暴移速20.3 m/s，假定龙卷风移速相近（路径近直线且垂直取向）。风暴前后风电场与Harrow站气象要素相似：下午西西南风轻风、高温26°C；夜间降温至20°C、相对湿度90-100%、气压下降；风暴过境时气压最低后急速上升，西至北风中等强度，高湿有雾，温度渐降至17°C。6月5-6日总降水量43.0毫米。Leamington的F2级龙卷风在北侧边缘记录近10 hPa气压亏缺（鼓式气压计测量）。

气象桅杆观测

80米层3秒风速数据显示双峰结构（首峰43.1 m/s即155.2 km/h，次峰36.3 m/s即130.7 km/h），表明直接袭击而非擦边（图3）。以龙卷风移速20.3 m/s计，15秒双峰间隔对应移动距离305米，处于风电场区域龙卷风估计宽度（930米）及核心风区直径（F1破坏宽度约490米）范围内。缺乏高分辨率（3秒）气压或风向数据确认直接袭击，但峰值短暂性及间隔时间短排除双子涡旋或龙卷风-下击暴流组合可能性。

首峰较高可能包含龙卷风移速的正向贡献，次峰则为反向风场受移速负向影响（假设轴对称风场）。表2列出40米、60米、80米层级主备风速计1秒峰值风速，最高值53.1 m/s（191.2 km/h）出现于40米层。3米层记录16.0 hPa气压下降（10分钟周期内1秒极值，图3）。80米层1秒峰值风速（44.8 m/s）略高于3秒峰值（43.1 m/s）因平均时长差异。

图4展示60米层10分钟1秒阵风与平均风向变化。supercell逼近时风向从西南西顺转至南风，随后推断经历东南经西北的急速转变（龙卷风旋转影响），引发46.5 m/s（167.4 km/h）峰值风速。supercell及冷锋过境后风向稳定为西风。

风廓线构建与对比

使用80米、60米、40米层主风速计1秒峰值风速，结合3米层观测气压亏缺计算该高度风速。采用Lee与Wurman（2005）方法，假设关键气压观测位于最大风速半径内（80米层3秒风速观测支持），其气压亏缺与最大速度关系式为：$\frac{1}{\rho }\Delta p=?\frac{1}{2}{V}_{\max }^2$，其中空气密度1.144 kg/m3（基于桅杆观测温度21.9°C、气压969 hPa）。16.0 hPa气压下降对应3米层风速52.9 m/s（190.4 km/h）。图5显示3米至80米龙卷风风廓线，表明核心流风速随高度降低而增加。

该结果与Kosiba与Wurman（2023）基于美国大平原龙卷风移动雷达拦截推导的中值近地表风廓线一致（图5，假设140米高度地相对速度40 m/s）。通过最佳拟合线比较廓线斜率（风速随高度变化率）：风电场观测数据拟合方程y=?8.4222x+456.37（R2=0.9258），斜率-8.42秒；移动雷达推导廓线方程y=?7.6255x+405.12（R2=0.9254），斜率-7.63秒。斜率相近（约-8量级）表明移动雷达成功捕获龙卷风近地表环境，风速向地表增强（尽管拦截样本量有限）。

1秒测量风速、地表气压计算及雷达估算风速皆代表峰值瞬时风速而非时间平均值。Kosiba与Wurman（2023）与Snyder与Bluestein（2014）强调移动雷达多普勒速度（小范围门限及高扫描率）对应极短时空尺度（<<1秒）的近瞬时风速，区别于EF等级使用的3秒阵风，但直接捕捉引致龙卷风破坏的 intense brief wind fluctuations。地表气压计算通过 pressure drop 测量推断峰值风速，假设压力梯度与风速直接关联。三种方法（1秒风速计测量、雷达估算风速、气压推导风速）均聚焦捕获峰值瞬时速度，提供龙卷风强度直接对比的一致性。需注意多普勒速度为大气样本体积的功率加权平均，而风速计为点测量，二者时空尺度差异显著。

结论

本研究获得强龙卷风核心区内 unique 原位测量数据集，1秒峰值风速达53.1 m/s（191.2 km/h），为全球首次多层级含高频（3秒）风速的记录。近地表风廓线与美国大平原多龙卷风移动雷达推导的平均近地表风廓线相似，支持龙卷风最强风速 typically occur very close to the surface 的理论。