利用断头树估计2016年6月23日阜宁县龙卷风强度与尺度

王 蕾，许东峰*

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

我国气象部门在2016年6月23日对江苏北部等地区发布了暴雨黄色预警，局地有大暴雨(100～180 mm)，并伴有8～9级雷暴大风。就在当天下午14时30分左右开始，盐城市阜宁县、射阳县出现了龙卷风天气，同时伴有强雷电、暴雨、大风、冰雹等强对流天气，龙卷风虽然经过的地方不是人口密集的县城，但也导致当地村落99人遇难，846人受伤，房屋等财产损失惨重，树木、良田等自然环境破坏严重。

中国人对龙卷风这一词并不陌生，虽然不像在美国一样经常遭遇龙卷风，但我国仍属于龙卷风多发国家。1981—2010年期间记录显示，美国平均每年发生龙卷风1 122起[1]，我国发生龙卷风频率最高省份——江苏省，在1956—2005年这50 a间，平均每年发生21.4次龙卷风[2]，只要龙卷风发生，所带来的灾难都让人触目惊心。如2007年7月发生在我国苏皖北部地区的龙卷风，共造成14人死亡，182余人受伤，受灾人口两万余人，死亡大牲畜2 344头[3]。

龙卷，是雷暴云底伸展出来并到达地面的漏斗状云，而当其伸展到地面时所引起的强烈旋风，才是龙卷风，一种强烈涡旋[4]。龙卷风的水平尺度很小，一般为几米至几百米，垂直尺度，二至三千米，甚至是十几千米。它的中心气压很低，与外围气压的差值可达2 hPa/m左右，中心风力可达100～200 m/s以上，所以破坏力极大[5]，但是生存时间只有几分钟到几十分钟。

目前国内已有不少学者对龙卷进行过大量研究，并取得了丰硕的成果。从最先仅对龙卷风进行灾后调查[6]，继而到对龙卷风个例的基本特征与结构的分析[7-9]、天气气候背景的诊断分析[10-12]、产生机制的研究[13-14]以及对龙卷风灾害易损性分析[15-16]，再到对多年龙卷风记录进行的统计分析。黄大鹏 等[17]对1984—2013年中国龙卷风发生频次、灾情以及时空分布进行了统计分析，结果显示：龙卷风次数总体上呈明显减少趋势，龙卷风发生均集中在夏季，其次是春季，7月和4月最为频繁和严重，且地理分布上西少东多，江苏和安徽发生较严重。陈正洪 等[18]对湖北核电站周边地区龙卷风时间分布与灾害特征进行了研究，就1956—2000年的龙卷风资料而言，龙卷风发生在午后至傍晚最多，平均持续时间为17 min，蒲福风力最大17级，富士达风力等级最大F3级，风速约为70 m/s，影响宽度一般在0.5 km内，平均带长为10.0 km。范雯杰 等[1]统计研究了1961—2010年间记录到EF2级及其级数以上的强龙卷事件，盐城是发生次数最多的地方。研究方法上，从最初的灾后资料搜集与统计分析，到气象台站常规观测资料再到运用风廓线仪、卫星和多普勒雷达等提供的资料[19]，以及对龙卷风进行的数值模拟[20-22]来对龙卷风进行更深入的研究。但是，这些研究仍缺少精细化空间尺度的灾情分析与评估。

因为龙卷风尺度小，发展迅速，生存时间短，现有的观察技术仍然不能准确预测龙卷风的发生。在龙卷风经过处设置的气象监测站，其相关的测量仪器受到影响和破坏的可能性非常大。郑永光 等[23]主要根据建筑物结构、植被破坏情况估计了阜宁龙卷风的强度，而本文依据断头树的比例，对此次阜宁龙卷风进行了更为详细的调查。

VIROT et al[24]研究发现当大风中风速达到大约42 m/s时，大风经过的树林中被折断树木的百分比急剧升高，达到50%(图1)，而且折断率不受树的高度、直径和弹性特征影响。根据这个研究结论，本文主要通过受灾相对较严重的5个地区断头树的调查资料，来估计风速大于等于42 m/s的龙卷风范围。同时结合天气图和多普勒雷达图等资料对2016年6月23日发生在盐城市阜宁县附近的特大龙卷风进行分析。

图1 断头树比率与大风中最大风速的关系图[24]Fig.1 Correlation between the ratio of broken trees and maximal wind speed[24]

1 资料与方法

1.1 资料来源

从中国气象台官网上获取华东雷达拼图和天气图；从NOAA上获取6月23日的高低空的气象资料；从Wyoming大学官网获取探空资料温度对数压力图(T-lnP)；6月29日和30日到阜宁县受灾相对较严重的5个村落进行调查、取证，用手机软件GPS工具箱进行GPS定位，这也是此次分析龙卷风风速范围最为重要的资料。

1.2 方法

利用Micaps 3.2和GRADS软件绘制高低空及地面图，并配合雷达图和T-lnP图分析环流形势及龙卷风生成的条件；通过Goolge Earth软件标注受灾严重地点，对比2016年5月12日和2016年6月25日、26日受灾前后的影像，分析测量受灾的距离和范围。

2 天气背景

2.1 环流背景场

龙卷风的产生不仅与盐城地势平坦，水网交织的地势条件有关，更和当时大气环流背景场有关。6月23日08时，500 hPa等压面上， 32°N以上为大的低压区，盐城位于大低压槽下方，同时也位于已抬升到浙闽的西太平洋副热带高压(副高)588线西北侧。850 hpa等压面上，由东北冷涡后部南下的强冷空气与副高西侧北上的暖湿空气相遇，盐城恰好位于冷暖气团的交汇位置，且位于东北风与西南风切变线的偏南方，西南风向，并处于气流上升区(图略)。

从6月23日14时的地面气压场(图2)来看，锋面位置依照张小玲 等[25]所确定的来分析，盐城(绿色三角形)正位于暖锋附近(红色粗线)，存在风向的水平切变，冷暖空气团恰好在阜宁县交汇，且温度露点差很大，暗示着上午积聚的不稳定能量即将爆发。

2.2 探空资料

从T-lnP图上可进一步分析诱发龙卷风的大气不稳定层结和不稳定能量。受灾最严重的两个县中只有射阳县有探空资料，而阜宁距射阳站只有36 km[25]，所以分析射阳县的探空资料对于分析此次龙卷风的产生具有一定的参考价值。虽然目前分析的是射阳县6月23日08时的探空资料，但此时不稳定能量的积累也会对下午龙卷风的产生具有影响。通过计算得到，对流有效位能(CAPE)+对流抑制能量(CIN)>0，层结曲线与状态曲线所围成的面积为正(图3)，表明不稳定能量在积聚，预测午后不稳定能量将会增强。低层湿度大，下层风随高度顺转，存在垂直切变，层结稳定度降低[9]。张小玲 等[25]分析射阳6月23日14时的探空资料时认为，抬升凝结高度(LCL)很低，CAPE很大，但对于强龙卷来说，其低层垂直风切变条件相对较弱。

图2 6月23日14时地面天气图(绿色三角形为盐城位置)Fig.2 Surface weather map at 14:00, on June 23(location of Yancheng is marked by a green triangle)

图3 射阳县2016年6月23日08时T-lnP图[26]Fig.3 T-lnP graph at 8:00, on June 23, 2016 in Sheyang County[26]①为露点曲线，②为层结曲线，③为状态曲线①dew-point curve, ②stratification curve, ③condition curve

2.3 多普勒雷达天气图

从雷达图上看(图4)，23日14时18分，苏皖北部地区明显存在一强回波带，最大回波强度为65 dBZ，此时苏北地区出现了强降水。回波带随着时间沿东北方向移动，且回波带在不断增强和扩大。龙卷涡旋一般在钩状回波区域弱回波区附近生成，但图4中钩状回波并不明显。15时06分时，最大回波强度仍维持在65 dBZ左右。

图4 华东雷达拼图[27]Fig.4 Radar mosaic of East China[27]

3 灾情调查

3.1 整体情况

气象部门专家组[28]认定此次龙卷风达到EF-4级，风力超过17级，估计风速达到73 m/s(表1)。龙卷风在淮安涟水与盐城阜宁交界处生成，继而发展向东北方向移动，基本路径为阜宁县的板湖镇—硕集镇—陈良镇—沟墩镇—阜宁开发区—射阳县的海河镇—陈洋镇—黄海(图5)，粗略估计龙卷风的影响长度至少为46.7 km。阜宁县邻近的自动气象站显示，在阜宁县西南部长25 km、宽10 km的范围内，已经测到超过8级(17.2～20.7 m/s)的瞬时风速[23]，我们所要做的是细化风速达到42 m/s的范围。本次实地调查的起点是阜宁县的西南部，实地调查路线：硕集镇计桥村—新沟镇南湾村—陈良镇新涂村—阜宁开发区北陈村—吴滩镇立新村，调查地点均是受灾较为严重的村落，调查总路线至少长达20 km。

图5 龙卷风移动路径图Fig.5 Tornado moving track标记位置为龙卷风影响严重的乡镇，箭头代表龙卷风移动的东北方向Marked locations are villages and towns hit by tornado, arrow represents the northeast direction of the tornado movement

EF级别风速km/hm/s级别EF-0104～13729～3711～13EF-1138～17738～4913～15EF-2178～21750～6015～17EF-3218～26661～7317以下EF-4267～32274～9017以上EF-5>322>90>>17

3.2 各村受灾状况

3.2.1 计桥村

计桥村是受灾最严重的地方之一(图6)，通过灾前(图6a)和灾后的影像(图6b)对比，虽然图6b的影像不清晰(可能受其他因素导致影像模糊)，仍然可见树木(多为杨树)和房屋损毁的严重性。计桥幼儿园受灾严重(图7a，1号位置)，屋顶被完全刮走，符合EF3级灾害表示特征[23]，风速为61～73 m/s，证明风速远远超过42 m/s。幼儿园门前约有20多棵树，几乎全部被折断，树木平均直径约为24.6 cm。图7b为其中一棵直径约为31.5 cm的树被拗断的情形，以绿色矿泉水瓶作为参照物，可对比图中树木粗细程度，树的树皮已被剥离树杆，拗断处树杆被劈成了许多细小的树刺。在幼儿园对面，河另一边10多棵平均直径约为31.2 cm的树(2号位置)也被全部折断。5、6、7、8和9号位置的树木也无一幸免，房屋破损情况严重，到处都是砖石瓦砾，高压输电铁塔也被拧成麻花状摔落地上。7号位置因为紧挨右边的田地，所以土质较为松软，有几棵树直接被连根拔起(图7c)。这些折断的树表明这一地区风速已至少达到42 m/s。

在3号位置有一小片面积不足10 m2的小树林(图7d)，数量约为30棵，这些小树较其他位置的树木要细得多，平均直径只有10 cm左右，毁坏情况不太严重，大部分树倾斜，只有几颗树从根部折断或从树干中间裂开，说明在3号位置受龙卷风的影响不大。10号位置是民宅前面的一小片树林，共有40多棵树，同样受损情况不太严重，大约1/4的小树没有受影响，剩下部分小树被折断枝杆或树杆，而折断位置大多在树的上方。总体来看，调查范围内断头树比例均大于50%，5号到10号位置距离约为308 m，据此，龙卷风在计桥村的影响跨度至少为308 m。在计桥村的调查中，树木折断倾倒的方向大多呈西北方向。

图6 计桥村受灾前后对比图Fig.6 Comparison map before and after the tornado at Jiqiao Village黄色标记为调查的具体位置，下图同Specific locations of the investigation are marked in yellow, and same hereinafter

3.2.2 南湾村

南湾村是所调查村落中树木数量相对较多的，也是树木损害情况相对较严重的地方(图8)，原来整齐的房屋都变成了断壁残垣。南湾村调查点的情况显示，断头树比例达到了90%以上，仅就断头树情况而言，南湾村相对其他村落受灾范围最大。发生龙卷风时雷达图上可以观测到1 km范围内的大风，而图8中11号到19号位置之间的距离恰好在1 km内，约为952 m。通过图9的对比可知，在龙卷风过后，11号位置的东北部和13号河湾的两侧位置，一片茂盛的树林仅剩下被风强力折断的粗壮树干，和散落在河湾、田地里凌乱的树枝。13号位置的两排树密度很大，树间距约为1 m，树龄为12～15 a，直径约为30 cm(图10a)，该位置断头树情况尤其严重。14号位置远看上去也是一片狼藉，仅剩下光秃秃的树干(图10b)。因为到现场调查的时间是发生龙卷风后的第6天，部分树木已被清理，从剩下树木的折断倾倒方向来看，13号和14号位置虽然断树的方向杂乱，但是多数偏向北向。15和16号位置树木折断的情况也很严重，16号位置以东树木倾倒的方向为南向。在17和18号位置的一些老房子也已经坍塌(图10c)。19号位置的房屋相对较新，更加坚固，损毁情况不太严重，但是房屋两边的树也都倾倒甚至折断(图10d)，多数偏向北向。在南湾村，从11号到19号位置范围内风速至少达到了42 m/s，风速大于42 m/s的受灾范围宽度约为952 m。

图9 南湾村部分位置受灾前后对比图Fig.9 Comparison map of part of locations of the investigation before and after the tornado at Nanwan Village

图10 南湾村树木及房屋受灾情况Fig.10 The damage of trees and houses at Nanwan Village

3.2.3 新涂村

对新涂村的调查是沿着东西向路线进行的，所以强风范围最宽也只测到160 m。新涂村的树木并非南北向分布，而是主要集中在图中东西向的河道两旁，图11中21号位置附近许多树木折断和倾倒(图12a)，但是对比图11a和图11b，可见河道两旁的树木密度不像南湾村那样大幅度减少，倾倒情况较多，但折断情况仍大于50%，情况较南湾村轻。在22号位置(图12b)，直径约为63.7 cm左右的树杆被折断，一些较细的树在树干较高位置被折断，损坏情况不像粗壮树木那样从树干中下部被折断。21号和22号位置的树木均大面积倾倒向北。田地旁随处可见被毁坏的房子和一排向东北方向倾斜的电线杆(图12d)，以及当时被龙卷风卷起而又掉进河沟的小轿车(图12c)。

图11 新涂村受灾前后对比图Fig.11 Comparison map before and after the tornado at Xintu Village

图12 新涂村树木及房屋受灾情况Fig.12 The damage of trees and houses at Xintu Village

3.2.4 北陈村

北陈村的西面是阜宁县开发区(图13)，开发区内有许多公司厂房，此次龙卷风事件中，厂房屋顶被破坏，就当地情况而言，风级属于EF3级[23]，风速已经超过42 m/s，达到了61 m/s以上。23号位置为当地受损的民宅，24号位置树的平均直径约为23 cm(图14a)，树木全部被折断倾倒向西。25号位置围墙西向倒塌(图14b)，树木受损比例为13/15，有2棵树未被折断，未被折断树木的直径为16～19 cm，被折断树木的直径为25.5～31.8 cm，但均倾倒向西。在26号位置(图14c)，一些较细的树被折弯，弯向偏东方向，相对较粗的树，如直径约为27.4 cm的树被折断，有些折断的树倒向西向。图13b中27号位置成片的树林被折断，但树木数量众多，各个方向倾倒的情况均大量存在，尚不能确定大体倾倒趋势。对比图13a和13b，且由图14d可见，原来郁郁葱葱的树林，如今仅剩下被折断的树杆，此处断头树比例远大于50%，甚至达到90%，龙卷风风速达到42 m/s的宽度为500 m。

图13 北陈村受灾前后对比图Fig.13 Comparison map before and after the tornado at Beichen Village

图14 北陈村树木及房屋受灾情况Fig.14 The damage of trees and houses at Beichen Village

3.2.5 立新村

立新村是调查路线中最后遭遇龙卷风的村子，风速大于42 m/s的受灾范围宽度约为451 m(图15)。立新村也是当地受灾最严重的村落之一。对比受灾前后的影像，河道两边很多民房被掀顶，老房子损坏得更严重，车辆也被砸坏。一些断墙上挂有红牌，被设为龙卷风受袭遗址(32号位置，图16a)，而此处龙卷风级别达到EF4级，风速为75～78 m/s[23]。立新小学与龙卷风擦身而过，可以认定为龙卷风影响的边界。30号位置开始出现折断的树木，此处往南情况更糟，民房已变成砖石瓦砾(31和32号位置，图16b)，到处可见被拗断的树杆(33和34位置，图16c)。尤其在35号位置附近约有40棵树，损毁情况非常严重，有些受损的树已被锯掉，只剩下树墩，这些树的平均直径约为34.6 cm，另外还有一些被折断而未被锯掉的树，通过测量可知，被折断树木的直径为15.9～57.3 cm，未被折断树木的直径为19.1～25.5 cm，这些树均向东北方向倾倒(图16d只是其中部分场景)。35号和36号位置断头树的比例均大于50%，此处的风速已经达到并远远超过42 m/s。

图15 立新村受灾前后对比图Fig.15 Comparison map before and after the tornado at Lixin Village

图16 立新村树木及房屋受灾情况Fig.16 The damage of trees and houses at Lixin Village

4 讨论与结论

据调查资料显示，此次阜宁县特大龙卷风具备大气不稳定层结，冷、暖湿空气交汇，风的垂直风切变等主要诱发因子，午后于淮安涟水与盐城阜宁交界处生成，向东北方向移动，依次经过阜宁县的板湖镇—硕集镇—沟墩镇—阜宁开发区—陈良镇—射阳县的海河镇—陈洋镇，最后减弱入黄海消失。龙卷风的影响距离至少达到46.7 km，超过了1961—2010年7次EF3或以上级强龙卷的平均路径长(35.7 km)[1]。结合当地调查资料，根据VIROT et al[24]的结论可以估计在调查区域内风速达到42 m/s以上的范围，即受灾范围长度至少达到20 km。在实地调查的村落中各村风速达到42 m/s的范围宽度依次为308、952、160、500和451 m(图17)，所以最大宽度至少达到952 m(保守估计)，也超过了1961—2010年7次EF3或以上级强龙卷的平均宽度(740 m)[1]。依据调查地点断头树倾倒的大致方向，可以初步判定该处较强的风向，但不能完全确定风向，因为龙卷是涡旋结构，在运动和发展过程中其风速和风向在不断变化。

因为本文对风速的判断依据是断头树比例大于等于50%，所以只能粗略估计调查区域内风速大于等于42 m/s的龙卷风所影响的范围，但由于实地调查是在政府进行抢险工作期间开展的，部分受灾地区的调查被限制，所以本次调查没有针对所有受灾乡镇，得出的结果不是所有龙卷风风速达到42 m/s区域的范围，实际影响的长度可能会更长，宽度会更宽。

目前，我国尚未有通过树木折断的受灾现象来定量评估风速强度和强风范围的研究。今后在气象站资料欠缺的情况下，如果利用这种方法来估计龙卷风或台风风速的影响范围，就可为气象灾害研究补充更详细的第一手资料，为龙卷风或台风的灾情调查提供真实的灾后数据，积累宝贵经验。

但是这种方法也存在不足，首先，灾后的实地考察存在一定困难，有些受灾区域的调查工作会受限制。其次基于实地考察的树木受灾程度进行估计，会存在不确定性，而且在房屋附近会出现绕流现象，风速会加大，影响最终结果的准确性。所以今后需要更全面具体的调查资料以及其他方法来相互补充，考虑多方面因素，以增强结果的客观性、确定性和准确性。

图17 各调查村庄龙卷风风速达到42 m/s的宽度Fig.17 The width of range of the tornado wind speed exceeding 42 m/s at each investigated village

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