非超级单体龙卷风暴低层流场特征及模拟分析

赵海军，刁秀广，王庆华，朱义青

（1. 临沂市气象局，山东　临沂　276004；2. 山东省气象台，济南　250031）

非超级单体龙卷风暴低层流场特征及模拟分析

赵海军1，刁秀广2，王庆华1，朱义青1

（1. 临沂市气象局，山东临沂276004；2. 山东省气象台，济南250031）

基于多普勒天气雷达资料，结合中尺度数值模拟结果，对发生在黄淮流域的2次EF2级非超级单体龙卷风暴结构及低层流场结构特征进行了诊断分析。结果表明，2次龙卷过程都发生在副高边缘，低层存在较大的垂直风切变和强烈的水汽辐合；2次龙卷都有多次及地的特征，其母体风暴生命期都在2h以上；低层速度产品上有显著的小尺度涡旋特征，涡旋中心相邻像素之间的速度差＞20m·s-1，对EF2级龙卷预警具有6～20min的时间提前量；风暴后部中下层相对风暴的速度切变显著加强并迅速下传是诱发 20100717龙卷涡旋的主因；风暴内部强烈上升气流导致低层涡旋发展，诱发20120818龙卷涡旋的产生。中尺度WRF模式模拟结果能够较好地再现风暴底部气流结构特征。

龙卷；非超级单体；中气旋；风切变；垂直涡度

引言

龙卷是对流云产生的破坏力极大的小尺度涡旋，是从云底向下伸展及地的高速旋转的漏斗状云柱，没有伸展及地的称为漏斗云，直径一般从几十米到几百米。龙卷分为超级单体龙卷和非超级单体龙卷［1-6］，超级单体龙卷由超级单体风暴产生，通常与中气旋相联系［3］，非超级单体龙卷与非超级单体风暴相联系，通常与边界层内小尺度的涡旋有关［4］。有利于EF2级以上强龙卷生成的两个有利条件是低的抬升凝结高度和较大的低层垂直风切变。目前国际上较为通用的龙卷分级法为EF分级法［5］，EF分级与F分级在破坏程度上基本相同，主要差别是对应的风速EF分级更加合理。气象工作者利用新一代天气雷达探测资料，对龙卷天气过程进行了很多分析研究，大多是超级单体龙卷个例，然而从统计的结果来看，非超级单体龙卷的发生频率远大于超级单体龙卷的发生频率。许多研究结果表明，典型的超级单体龙卷一般都发生在大的垂直风切变环境下，强烈的垂直不稳定、较低的抬升凝结高度和强的垂直风切变都有利于强龙卷的发生［7-9］；强龙卷一般都伴有强中气旋，且中气旋底部明显偏低，发生在距离雷达较近区域的强龙卷还能探测到龙卷涡旋特征［10-12］。非超级单体龙卷可以发生在各种利于对流风暴产生的环境下，对该类龙卷预警非常困难［13-16］。以往的研究大多针对环流形势、物理量参数和回波形态演变等［17-24］，对风暴低层流场结构方面和龙卷形成过程的研究还比较少。

此研究基于多普勒天气雷达资料，结合中尺度数值模拟，对2010年7月17日发生在安徽砀山和2012年8月18日发生在山东宁阳的2次EF2级非超级单体龙卷风暴进行诊断，重点分析非超级单体龙卷的低层流场结构和形成过程，以期寻找一些预警指标，为类似天气过程的临近预警提供一些参考。

1　灾害性天气实况

2010年7月17日18:40—19:50，河南、安徽、江苏3省3个县先后遭受龙卷袭击。18:40左右，河南省夏邑县歧河乡胡店村遭受龙卷风袭击，造成1人死亡，23人受伤；19:30左右，安徽宿州砀山县突发暴雨和龙卷风，19:00—20:00砀山降雨量达92.3mm，瞬间风速达14级以上，其中砀山县良梨、李庄和关帝庙等乡镇受灾最严重，龙卷在砀山及地，产生破坏的影响范围约20km，属于EF2级龙卷。19:50左右风暴移入江苏，在徐州丰县常店镇再次及地，大量树木和电线杆被吹倒。经徐州雷达资料确认，该次龙卷灾害为同一风暴所致（以下简称20100717龙卷），具有多次及地的特征。

2012年8月18日18:50到19:20在山东泰安宁阳县产生龙卷风（以下简称20120818龙卷），灾后调查表明，龙卷先后在周家临邑村、石桥村、西关村和石碣集村造成严重灾害，直径30～40cm的大树被拦腰折断，属于EF2级龙卷。该次龙卷灾害为同一风暴所致，而龙卷风暴路径上的其它地点并没有出现任何灾害，根据实地调查，龙卷产生破坏的范围约12km（表1），具有多次及地的特征。

表1　2次龙卷过程对比

2　中尺度分析

从2010年7月17日08时中尺度分析图可见（图1a），500hPa副热带高压呈带状分布，588dagpm线穿过苏皖中北部，中支槽移动缓慢，低层850hPa上有西南急流，阜阳站风速达14m·s-1，徐州站风速为6m·s-1，低空急流不断为强天气发生区输送水汽和不稳定能量，苏皖北部处于副高边缘和江淮静止锋北侧，低层高温高湿，辐合上升运动强，高层位于200hPa高空急流出口区附近，高层辐散，有利于强天气的发生发展。

2012年8月18日08时（图1b）500hPa副热带高压强盛，呈东西带状分布，588dagpm线穿过山东中部，河套地区有西风槽东移，700hPa低槽位于河套东部，850hPa低槽位于渤海至华北中部，为后倾槽结构，200hPa处于南亚高压脊线附近，有明显的高空辐散，地面观测到 08时山东大部分地区有雾或轻雾，地面露点达22℃，温度露点差普遍在2℃以内，925hPa至地面存在逆温层，有利于不稳定能量的积累，冷锋在 18日下午影响山东，触发强烈对流，造成山东大范围雷暴天气过程。

2次龙卷天气过程早晨探空资料显示的抬升凝结高度都在800～900m之间，是相对较低的一个数值。2010年7月17日18时徐州雷达VWP产品（图略）显示其上空0.3～1.2km的风矢量差为11m·s-1，低层风垂直切变为12.1×10-3s-1，2012 年8月18日17时济南雷达VWP产品（图略）显示0.3～1.2km的风矢量差为13m·s-1，低层风垂直切变为14.1×10-3s-1。

2次龙卷过程都发生在副高边缘，低层高温高湿，低层辐合和高空辐散明显，低层存在较大的垂直风切变，一次发生在静止锋北侧和850hPa切变线之间，一次是锋前暖区内触发的对流天气。

图1　2010年7月17日08:00（a）和2012年8月18日08:00（b）中尺度分析（箭头为急流或显著流线，棕色线为500hPa槽线，棕色双细线为700hPa槽线，红色双细线为850hPa切变线，蓝色线为等高线，绿色断线为850hPa等温度露点差线，红色点线为850hPa温度脊线）

3　雷达回波特征分析

3.1反射率因子

2010年7月17日16时，河南东南部有中β尺度雨带向东北方向移动，东南部发展旺盛，砀山龙卷风暴就产生在雨带南部（图2a），风暴在18:02产生，历时2小时30分钟。从单体演变趋势看出（图2b），顶高维持在6km左右高度，强度维持在53～56dBZ之间，质心和最大反射率核心维持在2～3km高度，18:30—19:50之间产生龙卷天气。

2012年8月18日14时，山东西部开始发生对流，雷达回波呈带状，向偏东方向移动，宁阳龙卷风暴产生在雨带南部，风暴往东偏北方向移动（图2c），该风暴于2012年8月18日18:00生成，历时2h20min。风暴生成后，风暴顶迅速升高，由4.5km上升到10km高度，18:22风暴又一次迅速发展，单体顶高由 9km迅速上升到12.4km，18:53强中心高度由2.0km上升到5.8km，但风暴核强度变化不大（图2d），18:50—19:20之间产生龙卷天气。

从反射率因子演变特征来看，2次龙卷属于长生命期龙卷风暴，均产生在雨带的南部区域，风暴质心高度或强中心高度维持在较低高度。

图2　2010年7月17日18:26徐州雷达组合反射率（a）和18:48—19:42风暴趋势（b）及2012年8月18日18:42济南雷达组合反射率（c）和17:59—18:53风暴趋势（d）

3.2速度产品

图3是20100717徐州雷达探测到的龙卷风暴低层径向速度和速度垂直剖面产品。可以看出，18:31产生明显的龙卷涡旋，相邻方位角之间速度差超过35m·s-1（图3a）；之后这种强切变一直伴随（图3b-e）。18:37—19:30连续10个体扫相邻方位角之间速度差的最小值分别是32m·s-1，45m·s-1，45m·s-1，20m·s-1，30m·s-1，45m·s-1，15m·s-1，15m·s-1，35m·s-1和40m·s-1，期间仅有个别时次出现TVS，图3f和图3g分别是18:31和19:30垂直雷达径向沿龙卷涡旋中心所做的 VCS剖面产品，雷达位置在其外侧，可以看出龙卷涡旋基本位于2km高度以下，涡旋较为浅薄。

图3h和图3i分别是18:14和18:26两个时次1.5º仰角径向速度产品。可以看出，风暴中层存在非常强的径向速度，最大达到35m·s-1以上。两个时次相比，龙卷风暴后部的相对速度明显增大，说明风暴后部中下层相对风暴的速度切变逐渐加强，并迅速下传，在18:31诱发出强的龙卷涡旋（图3a），18:40左右在河南省夏邑县歧河乡胡店村及地，产生破坏性的龙卷灾害。

图3　2010年7月17日徐州雷达18:31（a），18:37（b），18:49（c），19:07（d），19:30（e）龙卷风暴0.5°仰角径向速度和18:31（f），19:30（g）沿龙卷涡旋中心速度剖面及18:14（h），18:26（i）1.5°仰角径向速度（圆圈表示相邻方位角风切变大值区）

图4是20120818济南雷达探测到的龙卷风暴低层径向速度和速度垂直剖面产品。宁阳龙卷发生地距离济南雷达站约110km，对应最低仰角的高度约1.8km，无法探测到边界层内的气流结构。2012年8月18日18:12在0.5°仰角上出现明显的气旋性环流，尺度约 4km，旋转速度约10～15m·s-1（图4a）。18:30—18:42涡旋中心相邻方位角风切变增大到 21～30m·s-1之间（图4b-c）。18:59速度差增大，速度差在25～35m·s-1之间，涡旋强度增强（图 4d），直到 19:23速度差都维持在20m·s-1以上（图4e）。19:29以后低层风切变迅速减小，涡旋环流消失。低层径向速度图上，相邻方位角间出现强风切变约20min后地面出现龙卷。

图4f和图4g分别是18:42和19:11垂直雷达径向沿龙卷涡旋中心所做的 VCS剖面产品，雷达位置在其里侧，可以看出，龙卷涡旋基本位于4km高度以下。由于距离雷达站超过100km，超出了 TVS算法中的距离阈值。图 4h和图 4i分别是18:06和18:12两个时次沿雷达径向经过龙卷涡旋中心的速度剖面，风暴顶高度超过12km，风暴顶存在强的辐散气流，说明风暴内部存在较强的辐合上升运动，强的辐合上升气流诱发龙卷涡旋的产生。

图4　2012年8月18日济南雷达18:12（a），18:30（b），18:42（c），18:59（d），19:23（e）龙卷风暴0.5°仰角径向速度和18:42（f），19:11 （g）沿龙卷涡旋中心的VCS剖面及18:06（h），18:12（i）沿雷达径向经过龙卷涡旋中心的速度剖面（圆圈表示相邻方位角风切变大值区）

非超级单体龙卷涡旋垂直伸展高度较低，同时由于 TVS算法的局限性，对该类龙卷的预警难度较大。因此从龙卷预警的角度，要关注低仰角水平风切变的发展。EF2龙卷在低层速度产品上有显著的小尺度涡旋特征，涡旋中心相邻距离库之间的速度差＞20m·s-1，对EF2级龙卷预警具有6～20min的时间提前量。

4　数值模拟

采用中尺度WRF数值模式对2次龙卷过程进行模拟分析研究，利用龙卷发生当天 14时的NECP0.5°×0.5°再分析资料作为模式的初始资料和边界条件。模式模拟中心区域位置 35°N、 118°E，水平网格间距为45km、15km、5km，选用的物理过程中微物理参数化方案为 Ferrier方案，边界层为 YSU方案，积云参数化方案为浅对流 Kain-Fritsch方案，包括浅对流过程参数化和近地层湍流Monin-Obukhov相似性理论，长波辐射和短波辐射方案分别为Rrtm和Duhia方案。屠妮妮等对WRF模式中不同积云对流参数化方案进行对比实验，指出在发生明显降水的旺盛对流天气中，Kain-Fritsch方案更好地反映了观测事实，结果明显优于其他积云参数化方案［25］。

模拟结果来看，WRF模式可以用于模拟龙卷天气过程，模拟的风暴移动发展与实况相近，对龙卷发生地和流场结构特征的描述有一定参考价值。

4.1砀山龙卷数值模拟

2010年7月17日18:00在河南东部到安徽北部有明显气旋式环流，风暴发展迅速（图5a），徐州北部到宿州存在强的辐合线（图5b），由于前侧为强水汽辐合带，也是风切变大值区，风暴前侧的传播更快发展更强烈。19:00回波前侧明显凸起，对流强度明显强于两侧，从10m风场可以看到西南入流气流加强，风暴存在明显的后侧西南气流入流缺口和前侧偏东气流入流缺口，10m风场上风暴中心附近最大风速达 16m·s-1（图 5c），19:00苏皖北部的低层垂直风切变达到最强，砀山附近强度达30×10-3s-1，是一个非常强的数值，近地面层和中低层在河南东部存在中 β尺度气旋式环流，中尺度气旋上空为强的水汽辐合带，水汽通量散度中心强度达-12×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，强的低层水平风辐合促使风暴迅速加强（图5e）。分析沿34°N（19:00风暴中心所在纬度）的垂直剖面图，在龙卷发生前，近地面层存在强烈的水汽辐合，700hPa已经出现水汽辐散，明显的下湿中干特征（图5f），在强的低层风垂直切变作用下，近地面层上升运动和辐合加强，低层水平涡度逐渐被扭曲为垂直涡度，在上升气流的拉伸下导致低层气压降低，气旋性旋转加强，与雷达观测分析相符（图3b）。风暴发展迅速，30min后砀山出现龙卷，20:00风暴移入徐州，风暴前侧的偏东入流气流减弱，风暴略有减弱，风暴中心附近最大风速达12m·s-1（图5d）。

图5　2010年7月17日要素分析图（a：回波形态变化图，b：18:00反射率因子和10m风场，c：19:00反射率因子和10m风场，d：20:00反射率因子和10m风场，e：19:00　950hPa水汽通量散度（填色）和0～1.5km垂直风切变（等值线），f：19:00沿34.0°N纬向水汽通量散度（等值线）、风场和反射率因子（填色）剖面；水汽通量散度单位：10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，风垂直切变单位：10-3·s-1，▼为龙卷发生地，蓝色短实线为风暴及地路径，黑色细实线为风场辐合线）

4.2宁阳龙卷数值模拟

从数值模拟的结果来看，造成宁阳龙卷的风暴形态和移动与实况相符（图6a），强度上初始阶段一致，后期比实况略弱，能够一定程度反应龙卷小尺度对流系统的特征。

2012年8月18日17:00冷锋南压到山东中北部，地面辐合加强，对流发展加强，山东南部存在弱的风速辐合（图6b），18:00带状风暴前侧为西南东北向的狭长水汽辐合带，有利于风暴快速发展，回波前侧明显凸起，从形态发展来看与雷达观测一致，宁阳附近的带状回波和南部快速移动的回波逐渐合并，强度较雷达观测偏弱，龙卷发生在带状多单体风暴合并加强的区域。同时从10m风场可以看到南北风风力加强，低层水平风速切变增大（图6c），之后18:40—19:20宁阳出现龙卷风，之后风暴沿着地面辐合线进一步向东发展（图6d），造成山东中东部大范围强对流天气。

随着锋区东移南压，到18:00山东中部垂直风切变增大，0～1.5km的低层垂直风切变达以上，沿着冷锋和飑线附近各有1条强水汽辐合带，37°N附近水汽通量散度中心为，宁阳附近为（图6e），从19:00沿宁阳纬向剖面图看出，近地面层存在强烈的水汽辐合抬升，700hPa附近为明显的水汽辐散，明显的下湿中干特征，在较强的低层风切变和强烈的抽吸作用下，近地面层辐合上升运动加强，在上升气流的拉伸下导致低层旋转加强，生成低层中气旋，导致龙卷生成（图6f）。

图6　2012年8月18日要素分析图（a：回波形态变化图，b：17:00反射率因子和10m风场，c：18:00反射率因子和10m风场，d：20:00反射率因子和10m风场，e：18:00　950hPa水汽通量散度（填色）和0～1.5km垂直风切变（等值线），f：19:00沿35.8°E纬向水汽通量散度（等值线）、风场和反射率因子（填色）剖面；水汽通量散度单位：10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，风垂直切变单位：10-3·s-1，▼为龙卷发生地，黑色细实线为风场辐合线）

20100717龙卷发生在近地层气旋性涡旋中心附近，而 20120818龙卷发生在冷锋前方的暖区西南气流区。2次 EF级龙卷都发生在低层垂直风切变大值区和强水汽辐合带叠置区域，龙卷风暴发生在带状回波凸起明显的区域；近地面层存在强烈水汽辐合抬升，700hPa附近为明显的水汽辐散，在上升气流的拉伸下低层降压，气旋性旋转发展加强，导致龙卷生成。

根据20100717和20120818两次龙卷发展过程中低层气流结构的分析，雷暴带的近地层有多个中尺度气旋性涡旋存在，在风暴南部入流气流的作用下旋转急剧加强，在风暴后侧诱发龙卷涡旋环流。许多的观测事实和理论研究证明，龙卷中心外部是上升气流，中心为下沉气流，导致云底向下伸展，近地面弓形回波前侧的入流急流和后侧入流相遇形成更加强烈的水平辐合，中低层的上升运动非常强烈，上升气流拉伸导致近地面层旋转运动加强，低层的涡旋环流不断加强，产生了沿着风暴移动方向倾斜的垂直涡管，从而形成了外部上升内部下沉的具有双层结构的龙卷风。

5　结论与讨论

通过对非超级单体龙卷风暴的分析，得到以下主要结论：

（1）2次龙卷过程都发生在副高边缘，低层高温高湿风切变较大，高层有明显辐散，一次是发生在静止锋北侧、气旋性辐合上升区，一次是发生在锋前暖区内。

（2）2次龙卷过程均具有龙卷涡旋多次及地的特征，均产生于带状回波的南部区域，都属于长生命史龙卷风暴，风暴质心高度或强中心高度维持在较低高度。

（3）EF2龙卷在低层速度产品上有显著的小尺度涡旋特征，涡旋中心相邻距离库之间的速度差＞20m·s-1，该特征对EF2级龙卷预警具有6～20min的时间提前量。

（4）20100717龙卷涡旋是由风暴后部中下层的速度切变显著加强并迅速下传而诱发。20120818龙卷涡旋是由风暴内上升气流的强烈发展导致低层涡旋发展而诱发。

（5）WRF模式可以用于模拟龙卷天气过程，模拟结果能较好地再现风暴低层气流结构特征。

目前中尺度数值模式快速发展，已经能给出发生强对流的潜势预报，有助于提高灾害性天气预警的准确率和预警提前量。此外龙卷的发生发展非常复杂，针对非超级单体龙卷的研究还较少，对龙卷风暴低层流场的分析和所得到的预警结果还是初步的，有待进一步继续探讨。

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P445

B

1005-0582（2016）02-0001-09

2015-04-27

国家自然科学基金项目（41375120）和山东省气象局气象科学技术研究项目（2012sdqxz05）共同资助

赵海军（1984—），男，内蒙古土默特左旗人，本科，高级工程师，主要从事天气分析及预报工作。