采用不同背景场的龙卷模拟结果对比分析

黄舒婷,王东海,李国平,张春燕,曾智琳

（1.成都信息工程大学，成都 610225；2.中山大学大气科学学院/广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室，珠海 519082；3.南方海洋科学与工程广东省实验室，珠海 519082）

引言

龙卷风是一种强而小的空气涡旋，它被界定为由积状云向下垂直并延展到地面的剧烈旋转而产生的空气柱，通常表现为漏斗云及/或在地面上旋转的碎片/沙尘[1]。龙卷虽然影响范围很小，但破坏力非常大，其中心最大风速可超过140m/s，持续时间通常是几分钟至十几分钟，在这期间往往会对沿线的建设房屋、农林作物、运输和捕鱼等环境造成巨大损害，严重威胁着人民的生命财产安全[2]。因此，研究龙卷风是当今气象工作中的一个重要课题。

在中国，龙卷高发区主要是广东南部沿海一带、长江中下游平原、黄淮海平原和东北平原[3-4]。王东海等[5]对不同龙卷高发区的龙卷按照触发其的影响系统及天气形势进行了分类，黄先香等[6]则是对发生在佛山市内的龙卷进行分类，这些分类工作都只是针对局地龙卷高发区进行的。从龙卷的影响天气系统来看，国内龙卷主要受副热带系统和西风带系统的影响，因此可以分为两类，一是由热带气旋外围雨带内部的微型超级单体所产生的台风龙卷，二是与西风带系统相伴随的超级单体产生的西风带龙卷[7-9]。

由于龙卷的时空尺度小、突发性与致灾性强，往往很难精准地捕抓到龙卷的发生位置和时间，所以在早期，国内外对龙卷的研究是以灾情调查和雷达观测为主的个例分析[10-12]以及天气背景的统计分析[13-19]。近年来，大气数值模型与计算机科学技术飞速发展，龙卷灾害等级评估标准和现场勘探调查制度日益完善，国内外龙卷的数值模拟研究也随之取得巨大进展[20-21]。Wicker和Wilhelmson[22]通过实验模拟龙卷的精细结构，指出龙卷风开始于低层中气旋的旋转增强至云底时，且旋转的增加会引起向上的气压梯度力，从而在云底附近产生强烈的上升气流。Hu等[23]利用ARPS模型的三维变分法及使用雷达反射率改善云分析过程，准确地捕捉到龙卷风暴的重要特征，说明雷达反射率对龙卷模拟具有正效应。Mashiko[24-25]采用最内层水平分辨率为50m的模式（1km～250m～50m）成功再现了日本的一次EF3级龙卷风暴，研究了其中气旋的涡旋来源与龙卷风形成的机制。

国内气象学者也对龙卷开展了大量研究，但对数值模拟分析相对有限。陈锋等[26]和李佳等[27]对2016年“6.23”江苏阜宁龙卷进行了数值模拟。陈锋等[26]是基于GSI同化系统和WRF模式对雷达资料中反射率因子以及径向速度资料同化进行探讨，结果显示两种资料的同时同化要优于反射率因子和径向速度资料的单独同化，同时同化能改进初始场的动力条件、水汽条件和热力条件。李佳等[27]是基于3km水平分辨率的预报模式系统，对比有无资料同化的模拟结果，发现逐小时循环同化对成功模拟类龙卷母体涡旋结构起着关键作用。唐嘉蕙等[28]针对一次台风龙卷过程进行高分辨率的数值模拟，成功模拟出类龙卷涡旋，对生成龙卷的类龙卷涡旋系统进行细致化分析，发现龙卷发生在相对螺旋度正负高值区交界处。

随着模式版本的不断升级、参数化方案的日益完善、资料同化的种类增多，WRF模拟再现类龙卷涡旋的能力在不断增强。但由于作为模式初始场的再分析资料是由不同的机构提供，他们所使用的数据处理方法和观测数据都存在一定的区别，使得这些资料之间存在一定差异[29]。而在模拟中小尺度的气象特征时，细微的差异都会通过“蝴蝶效应”造成不同的结果，所以不同再分析资料作为初始场对模拟结果的影响还是不容小觑的。袁有林等[30]把ERA-interim和FNL再分析资料作为模式的初始场，发现ERA-interim的降水模拟结果要优于FNL的。屠妮妮等[31]依据MET系统的客观统计检验方法，针对24h降水分别评估SWCWARMS模式、GRAPES模式和ECMWF模式对四川地区的汛期预报能力。邹振操等[29]也对比分析了ERA-interim、FNL及日本气象厅的JRA-55资料，发现ERA-interim与FNL方案在模拟近地面风场精度、反映近地面风向廓线的变化趋势方面要优于JRA-55方案。韩子霏等[32]同样选用了ERA-interim与FNL资料，并且加入了GRAPES_GFS资料，利用三种资料形成的初始场进行模拟，对环流、降水特征进行对比，发现三者的模拟结果中FNL资料最优、GRAPES_GFS资料次之、ERA-interim资料最差。张懿等[33]利用ERA5与FNL资料作为WRF模式的初始场，通过对比分析模式模拟结果的风温湿等变量，发现FNL对平均气温的模拟效果更好，而ERA5资料对平均相对湿度的模拟效果更优。

综上所述，大多数学者主要关注的是美国国家环境预报中心发布的再分析数据（FNL）以及欧洲中期天气预报中心发布的再分析数据（ERA-interim与ERA5）。已知ERA5是继ERA-interim之后发布的第五代再分析资料，与ERA-interim相比，ERA5空间分辨率与时间分辨率都有所提高（0.25°与1h）。因此，本文将对2014年5月21日广州市黄埔龙卷天气过程进行诊断分析，并使用ERA5（下文简称此模拟结果为ERA5）和FNL（下文简称此模拟结果为FNL）再分析资料分别驱动WRF，对龙卷天气过程进行数值模拟，研究不同初、边界场对WRF模式模拟结果的影响，并对其中较好的数值模拟结果进行超级单体的精细化结构演变分析，以期为改进西南区域业务模式、提升天气预报精细化水平提供科学依据。

1 环流背景

2014年5月21日，雷雨云团自西南方向逐渐移动到广东省广州市上空，在本地不断发展加强，受此强雷雨云团的影响，17:40左右在黄埔区出现了龙卷过程（下文简称西风带龙卷，图1），给广州黄竹村、大埔村和向西村造成了严重破坏，其中有部分的农田被水淹没，几处厂房、民居被掀翻屋顶，一处围墙(约20m)倒塌，并且有些村庄还出现停电状况。

图1 2014年5月21日西风带龙卷路径

2014年5月21日，随着雷雨云团在广州上空发展加强，在08时500hPa环流形势（图2a）可以看到，西风带龙卷发生前，华南上空受平直的西风气流控制，龙卷发生地位于短波槽前，且冷舌落后于高度场，在这种温压场配置下，高空槽前为暖平流，偏西气流（10m/s）为龙卷发生地从海上带来暖湿空气。在700hPa的对流层低层（图2b），西风带龙卷主要受偏西急流影响，与此次龙卷过程相距最近的清远站作比较，发现龙卷发生时的低空急流较弱，此时清远站的风速为16m/s，而在850hPa、925hPa（图略）上的风速更低，只有8m/s，且风向是从低层随高度顺转，850hPa和925hPa的风向分别为西南偏西风和西南风。在近地面层，利用24h变温可以有效地说明龙卷发生地在前24h内，是受冷空气影响导致呈负变温状态，还是受暖气团的控制呈正变温状态，从而分析出龙卷发生地温度的变化情况及冷暖气流交汇的剧烈程度。龙卷发生前（17时），有一暖低压自东向西移动，其伴随的偏南气流把海上的暖湿空气带到大陆上来，使西风带龙卷发生地升温，温度升幅为1～2℃（图2c）。因此，在龙卷发生前，龙卷发生地附近的冷暖气流交汇比较明显，而风场为单一的偏南气流。

图2 2014年5月21日08时西风带龙卷的（a）500hPa位势高度（黑色实线，单位：gpm）、风矢量（风向杆，单位：m/s）、温度（红色实线，单位：℃）、地面高度（填色）；（b）700hPa风速大值区，风矢量（风向杆，单位：m/s）、风速（填色，单位：m/s）；（c）17时近地面气压场（黑色实线，单位：hPa）、风矢量（风向杆，单位：m/s）、24h变温（填色，单位：℃），图中红色星号代表龙卷发生地

2 数值模拟对比分析

利用WRF-ARW V4.1.1中尺度数值模式对这次龙卷过程进行模拟，采用的是三层双向嵌套，各嵌套层均具有54层垂直层，实验模拟的网格间距分别为4km（250×200）、800m（451×451）和160m（651×651）（图3）。为了研究FNL和ERA5再分析资料驱动WRF所造成的影响，选用相同的参数化方案（表1）。西风带龙卷积分时间为2014年5月21日00时～22日00时，d01每30min输出一次模拟结果，d02每15min输出一次模拟结果，d03每5min输出一次模拟结果。

表1 模式参数化方案设置

图3 西风带龙卷的3层嵌套区域

比较发现，FNL（图4b）能较好地模拟出对流单体，其最强回波为56.7dBZ与实况的最大回波58dBZ相近，但位置与实况相比偏东；在图4c中，ERA5模拟的龙卷发生地对流单体强度稍弱，为32.7dBZ，与实况相差甚远，且无明显的强回波位于龙卷发生地。图5为两种再分析资料的模拟结果与实况降水的逐小时累计降水图。如图所示，在西风带龙卷发生地附近实况的最大降水量为20mm，FNL（图5b）中的降水量与实况相比偏大，最大降水量可达62.9mm，但其降水中心与实况降水中心较为一致；ERA5则无降水过程（图5c），说明FNL资料对西风带龙卷的降水模拟效果优于ERA5资料。

图4 西风带龙卷发生期间雷达反射率空间分布（a.广州多普勒雷达组合反射率，b.FNL模拟结果，c.ERA5模拟结果，单位：dBZ，红白五角星均代表龙卷发生地）

图5 西风带龙卷发生期间1h累计降水空间分布（a.实况，b.FNL模拟结果，c.ERA5模拟结果，单位：mm，红色五角星代表龙卷发生地）

3 不同初始场对WRF模拟结果的影响

3.1 雷达回波分析

为了研究对流单体中的内部结构以及其发展强度，对160m分辨率的最大雷达回波以及雷达回波的剖面进行分析。

从图6a1～c1可以看到，在FNL模拟结果中，17:35在龙卷发生地的东北方向有一钩状回波状的对流单体，在向东北方向缓慢移动过程中，其中心强回波强度维持在55dBZ，影响范围不断向东北扩展；从图7a1～c1中的雷达回波剖面图可以看到，在17:35的45dBZ回波已经触地，且强回波高达约10km处，在单体东侧为悬挂的穹窿，配合垂直气流可以看到单体东侧有较强的上升气流；在1～3km的强回波处看到风向由近地面北风在3km高度顺转为南风，有学者[34-36]指出在北半球，风向随高度顺时针转变有利于右移气旋式超级单体风暴。在17:40与17:45，强回波在向东北方向扩展的同时，钩状回波特征也逐渐消失。从图7b1～c1中可以看到，强回波逐渐向东移动，其触地强回波范围不断扩大，且强回波中心在向下发展的过程中，在17:40先是50dBZ强度的回波触地，到17:45强度为55dBZ的强回波触地，使得与地面相接触的强回波变粗且加强；与此同时，其东侧的有界弱回波区也在向下发展。

图6 基于FNL（上）与ERA5（下）资料模拟西风带龙卷期间160m分辨率的最大雷达回波（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC，单位：dBZ，紫色点线为龙卷路径）

图6a2～c2为ERA5模拟结果，可以看到在龙卷发生地附近，只有其西南侧有范围较大、回波强度为10dBZ的回波区，这种强度的回波远远达不到对流的强度。从图7a2～c2可以看到，该回波区的高度位于13～14km之间，与地面相距甚远，不足以与地面相互配合，形成对流。

图7 对应图6中沿黑色实线的雷达回波强度（填色，单位：dBZ）及风场（风向杆，单位：m/s）垂直剖面（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC）

3.2 垂直速度和水平风场分析

为了研究风暴低层的环流特征，本文对10m水平风场和2000m高度的垂直速度以及垂直速度的剖面进行分析。FNL的模拟结果（图8a1）可以发现西风带龙卷发生处的垂直速度以上升气流（最大上升速度在8m/s以上）为主，其中心大值区与强回波50dBZ的范围对应，并且近地面风为明显的辐合区，在龙卷西北侧有微弱的下沉气流区，对应近地面的偏西风；从垂直剖面图（图9a1）来看，对流单体的南部有一强上升气流区，在8km高度其风速可以达到12m/s，在强上升区的西侧4km以下高度有一弱下沉气流，其强度为5m/s。17:40可以看到风暴西北侧的下沉中心增强至6m/s，而上升气流速度仍保持在8m/s以上（图8b1）；从图9b1中可以发现，对流单体西侧的上升气流中心有所增强，其中心最强下沉速度达7m/s，而在上升气流上方也有一强下沉气流与之辐合，使9km处出现东风急流。17:45风暴南部的近地面中出现明显的气流辐合区，2km高度上的下沉气流与上升气流在锢囚处形成气旋式环流（图8c1）；从图9c1发现，下沉气流中心强度在4km处增强为8m/s，与6km处强中心为16m/s的上升气流锢囚。

从图8a2～c2中可以看到西风带龙卷的ERA5模拟结果并无明显的上升气流区或下沉气流区，且近地面风场并无明显的气流辐合或辐散，在垂直剖面（图9a2～c2）上也无明显的气流特征。

图8 基于FNL（上）与ERA5（下）资料模拟西风带龙卷期间160m分辨率的2km高度垂直速度（填色，单位:m/s）、近地面10m风场（风向杆，单位：m/s）及反射率（等值线，单位：dBZ）空间分布（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC，红色五角星代表龙卷发生地）

图9 对应图8中沿黑色实线的垂直速度（填色，单位：m/s）和风场（风向杆，单位：m/s）垂直剖面（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC）

3.3 水成物分析

为了研究对流单体对应云体的发展演变过程，对160m分辨率的整层水成物（各个高度层的雨水、云水、云冰、雪、霰粒子混合比含量的总和）平面图与沿单体水成物最大混合比含量（雨水、云水、云冰、雪、霰粒子混合比含量的总和）的垂直结构进行分析。

图10是基于FNL和ERA5资料模拟西风带龙卷期间160m分辨率的整层水成物分布。FNL中的水成物分布（图10a1～c1）与对应的雷达回波结果（图6a1～c1）相吻合，随着对流单体的向东发展，单体南部的水成物中心也向东北方向移动并逐渐增强，其垂直方向的强中心不断向东发展、增强，17:35厚度11km的对流单体不断向上伸展，在17:45厚度增长至约20km，单体高度增长近两倍。在17:40，对流单体西侧云底出现单独的接地水成物，17:45接地水成物加粗且强度增强。水成物中心强度不断的向上和向东发展，西风带龙卷的水成物高值中心从6～7km单一的0.006kg/kg（17:35），增长至17:45的多个高值中心，最高达到13km（0.0095kg/kg）。

反观ERA5中的水成物分布（图10a2～c2）较为均匀，水成物混合比均为0.0005kg/kg，仅在图11a2中3～5km出现了低值中心，但这并不足以形成对流云体。

图10 基于FNL（上）与ERA5（下）资料模拟西风带龙卷期间160m分辨率的整层水成物（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC，单位：kg/kg，紫色点线为龙卷路径）

图11 对应图10中沿黑色实线的水成物垂直剖面（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC，单位：kg/kg）

4 超级单体精细化结构演变

由第3节可知西风带龙卷（2014年5月21日）以FNL作为初始场的模拟结果与实况较为吻合，所以下文针对此次数值模拟结果进行研究，分析此过程中对流风暴的演变过程，并对本次龙卷所在的超级单体风暴的精细化结构进行诊断分析。

4.1 超级单体的形成与减弱过程

从模拟结果来看，对流单体内的出流变化明显。17:20～17:30，对流单体内部的东北气流在南风加持下向西流出，对流单体内没有较强烈的风场辐合，界定这一阶段为超级单体的初期。17:35～18:00，超级单体的出流明显加强，由原来的东北气流逐渐向偏北气流发展，与南边的入流在单体右后侧（相对风暴移动方向）形成强辐合，界定这一阶段为超级单体的发展期。18:05～18:30，超级单体的出流显著减弱，而南风加强，南部辐合区逐渐消散，界定这一阶段为超级单体的衰减期。需要特别指出的是，为了能较清晰地追踪对流单体内部出流与入流的变化情况，图12、图13和图15均是跟随对流单体右后侧强反射率的移动进行绘制，而图14各时次的经纬度与图13保持一致。

图13 基于FNL资料模拟的对流单体发展期0.5km（a1～f1）和1km（a2～f2）高度的雷达反射率（填色，单位：dBZ）和水平风场（风向杆，单位：m/s）空间分布（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC，d1～2.09:50 UTC，e1～2.09:55 UTC，f1～2.10:00 UTC）

图14 基于FNL资料模拟的对流单体发展期海平面扰动气压场（填色，单位：hPa），0.5km（a1～f1）与1km（a2～f2）高度雷达反射率（红色等值线，单位：dBZ）、辐合（蓝色虚线，单位：-0.5s-1）及水平风场（风向杆，单位：m/s）空间分布 （a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC，d1～2.09:50 UTC，e1～2.09:55 UTC，f1～2.10:00 UTC，蓝色框表示有明显风场辐合）

图15 基于FNL资料模拟的对流单体衰减期0.5km（a1～f1）和1km（a2～f2）高度的雷达反射率（填色，单位：dBZ）和水平风场（风向杆，单位：m/s）空间分布（a1～2.10:05 UTC，b1～2.10:10 UTC，c1～2.10:15 UTC，d1～2.10:20 UTC，e1～2.10:25 UTC，f1～2.10:30 UTC）

首先从图12模拟结果中可以看到，2014年5月21日17时20分，在广州市黄埔区上空有大片的对流云系发展，且此对流云系位于实况龙卷发生地的东北侧，模拟结果达50dBZ强度的对流单体与实况龙卷发生地相距约9km。

图12为超级单体初期，17:20～17:30，500m高度与1000m高度的雷达反射率因子位置与强度均十分相似。图12a中，对流单体强度最高达60dBZ，在对流单体中部有明显的入流区，而强回波（＞40dBZ）包围着入流区，单体北部普遍为东北风，在单体左后侧与南部的东南风相遇，使得单体左后方有一类弓状回波产生，且由于单体的出流与入流区在南部的弱回波区相汇，使得此处有风向辐合；图12d的回波位置与强度基本与500m高度相似，但1000m高度风场以南风为主，且风场中没有明显的辐合区出现。在17:25（图12b），对流单体的出流明显增强，使得西侧的强回波逐渐与东部的强回波区靠近，中部回波也有所增强，能达35dBZ以上；在1000m高度处（图12e）则是入流增强明显，使得对流单体西侧以东南风为主。到了17:30，对流单体中的强回波区合并，但强度有所减弱（58dBZ），位于500m高度（图12c）的东北风依旧强劲，而在1000m高度（图12f）上位于单体左后侧的入流明显增强，在此处出现较为明显的辐合区。

图12 基于FNL资料模拟的对流单体初期0.5km（上）和1km（下）高度的雷达反射率（填色，单位：dBZ）和水平风场（风向杆，单位：m/s）空间分布（a、d.09:20 UTC，b、e.09:25 UTC，c、f.09:30 UTC）

图13为超级单体发展期，主要关注的是单体左后侧强回波处的形状变化及风场配置。从图13a1可以看到，在17 :35强回波汇合后，对流单体以北风为主，强回波处为明显的东北风与北风，而单体南部为偏南风，在强回波区的东南侧辐合，有弱涡旋出现；在1000m高度（图13a2），由于偏南风明显加强，此高度上并无明显的涡旋出现。到了17:40（图13b1～2），对流单体逐渐向东移动，位于强回波东侧的涡旋加强，且在1000 m高度上也出现了明显的涡旋。在17:45（图13c1～2），对流单体的反射率因子的形状与Lemon等[37]总结的经典超级单体的概念模型十分相似，单体均为西南向东北方向移动，低层入流方向位于相对风暴移动方向的右后侧，在此处回波出现入流缺口和钩状回波，而模拟结果中的单体回波在右后侧有一入流缺口，且回波形状表现为类钩状回波，说明模拟的对流风暴为超级单体。17:45的小尺度涡旋逐渐发展增强，到了17:50（图13d1～2）涡旋发展到强回波区内，在入流与出流的配合下，在类钩状回波中发展增强，此时的涡旋最为明显且最强盛，龙卷最有可能发生在此刻。到了17:55由于对流单体内的东北风以及单体外部的西南风明显减弱，使得涡旋也出现明显的减弱现象，在500m高度（图13e1）处涡旋特征消失，在1000m高度（图13e2）处，小尺度涡旋明显减弱。在18:00，500m高度（图13f1）与1000m高度（图13f2）上，超级单体仍伴有明显的出流（偏北风）与入流（偏南风），但涡旋特征基本消失。

图14为基于FNL资料模拟的超级单体发展期海平面扰动气压场，0.5km与1km高度雷达反射率、辐合及水平风场的空间分布，目的是为了能更清晰地观察超级单体发展期中的气压配置情况。从图14a1～2中可以发现，强回波区（＞40dBZ）与正扰动气压相配合，50dBZ的回波区气压扰动达到0.8hPa以上，与南风相配合的是负扰动气压（强中心气压达-1hPa），风场辐合区正是位于扰动气压的正负值边界偏正扰动气压处。配合着对流单体的发展，正扰动气压也逐渐增强，17:40的500m（图14b1）与1000m（图14b2）高度中心值都达到了1.2hPa以上，且强中心与55dBZ强度的强回波位置相近，而配合强劲偏南风出现的是负扰动气压，负扰动中心高达-1.4 hPa以下，随着两侧扰动气压的增强，涡旋强度增强，且向负变压处靠近。到了17:45，正负扰动气压中心均有所减弱，但仍然是负扰动气压中心稍强于正扰动气压，所以涡旋强度增强的同时，其中心持续向负扰动气压中心靠近，此时涡旋无论是在500m高度（图14c1）还是在1000m（图14c2）高度上，均位于正负扰动气压的交界处。在17:50（图14d1～2），小尺度涡旋强度在此时发展最为强烈，与之相配合出现的是小尺度涡旋所在地为负扰动气压的强中心处，而对流母体以正扰动气压为主，但南部的强回波处于强负扰动气压中心处（-1.6hPa以下），在强回波与强负扰动气压的相互配合下，强劲的南北风在此处汇合，使得小尺度涡旋在此刻发展最为强烈。到17:55，正负扰动气压中心都有所减弱，而涡旋特征明显减弱，在500m高度（图14e1）上并无明显的涡旋特征出现。到18:00，负扰动气压减弱明显，对流主体受正扰动气压控制为主，此时的风场辐合并不显著，但500m高度（图14f1）的辐合情况要比17:55的稍强。

图15为超级单体的衰减期。在18:05可以看到对流单体内部的偏北风减弱（图15a1），1000 m高度处的对流单体风向变化明显，由东北风转为东南风，在单体南侧的强回波区仍有风向辐合，但此时两个高度层均无明显的涡旋特征。到了18:10（图15b1～2）单体南部的强回波区域减小，且强回波区内的风逐渐转变为偏东风，并无明显的出流，但入流缺口仍很明显，在对流单体的右后侧仍为明显的偏南风，与单体南部的偏东风汇合，在强回波的右侧出现辐合现象。到了18:15（图15c1～2）涡旋现象加强，但对流单体的主体受偏东风影响为主，位于南侧的强回波区则是西北风，与强入流在此处形成涡旋特征。18:20～18:30（图15d～f）期间，对流单体受强劲的东南风影响，在南侧的强回波处虽然有出现风辐合特征，但随着南风的加强，单体的入流缺口逐渐减弱消失，而由南风形成的辐合区持续的时间短暂且强度不大，难以形成龙卷涡旋。

4.2 超级单体的垂直结构

图16给出了超级单体风暴沿图13（a1～f1）风场辐合中心的黑色线段所在垂直剖面内的雷达反射率因子、垂直速度（黑色实线表示垂直上升运动，虚线则表示风场的下沉运动）、径向风与垂直速度的合成风场，目的是为了分析超级单体的垂直结构以及其风场的配置情况。从图16a可以看到，17:35时对流风暴南部具有低层弱回波区和其上部中高层悬垂回波结构特征，其与周海光[38]分析的2016年“6.23”江苏阜宁超级单体风暴结构相似，对流母体的强回波从地面一直伸展到高空11km处，与实况接近，并且本文模拟的最强回波位于地面至6km处；从垂直速度来看，对流母体的右侧为强的上升运动（最强中心达10m/s），而左侧为弱的下沉运动（-2m/s）；从风场来看，2～6km在强劲（风速高达24m/s）的垂直-径向风的作用下，（23.32°N，113.61°E）～（23.32°N，113.63°E）区域之间出现了回波悬挂现象，而在单体西侧（23.32°N，113.59°E）处与强回波一起出现的是下沉运动，已知龙卷形成的必要条件为对流母体的后侧下沉气流，这一般形成于超级单体风暴的成熟期，说明此时的环流特点有利于龙卷的生成。随着对流风暴的增强过程，可以发现在17:40～17:45（图16b～c）中对流单体右侧的垂直速度明显增强，在17:45上升速度演变为两个大值中心，其上升速度随回波向东偏移，在强劲的垂直速度（强中心达到16m/s）作用下，超级单体出现有界弱回波区，配合图13c中的钩状回波以及入流缺口，说明此时的对流单体已发展成为超级单体。17:45是超级单体发展最强烈的时刻，南部母体的垂直速度明显增大且范围随着强回波的扩张向上向东西两侧扩大，其垂直速度的强中心（最大值22m/s）能高达11km，与回波顶高度相近；在近地面处，可以发现垂直运动是下沉-上升-下沉-上升相配合的，与Lemon等[37]建立的超级单体模型相似，因为龙卷系统最有可能生成于超级单体后部底层的云体中，由中部强上升气流携带前侧与后侧的下沉气流相互作用形成。在17:55，超级单体持续向东移动的同时，其强回波也在不断的向上发展，强回波厚度在此时高达15km，伴随着强回波区的是其垂直上升运动的强中心高度也随之抬高，强度也维持在22m/s，但地面的垂直速度变化明显，夹杂在上升气流中的下沉气流消失，只余单体西侧的下沉气流区存在，且两股垂直气流的中心值相距较远，这并不利于涡旋的存在，说明此时的对流特征并不利于龙卷的生成。到了18:00上升气流随着强回波持续向东发展，但强度有所减弱，而近地面的下沉气流明显与上升气流间距拉大，这不利于对流的发展。

图16 对应图13中沿黑色实线的对流单体发展期雷达反射率（填色，单位：dBZ）、垂直速度（实线为正值，虚线为负值，单位：m/s）以及径向风与垂直速度合成风场（风向杆，单位：m/s）的垂直剖面（a.09:35 UTC，b.09:40 UTC，c.09:45 UTC，d.09:50 UTC，e.09:55 UTC，f.10:00 UTC）

图17为基于FNL资料模拟分辨率为160m的不同高度垂直涡度、水平风场及40dBZ雷达反射率的空间分布，目的是为了研究小尺度涡旋发展最强盛的时候（17:50），垂直涡度在各层的一个分布状况。从250m高度层（图17a）就可以看到，在强回波处有气旋辐合出现，伴随在小尺度气旋中心的为正涡度中心，而在小尺度气旋的北部以及南部有负涡度存在，涡旋南北两侧的下沉气流为中心强上升气流不断的提供能量，使得气旋辐合能不断的加深；强回波范围随着高度的增加不断的向北扩展，在500m高度（图17b）以及750m高度层（图17c）中，气旋中心均在钩状回波中的强回波区（＞40dBZ）内发展，且中心为正涡度的环流配置。但随着强回波以及气旋中心的不断北移，北部的负涡度强度也逐渐减弱，到了1.25km高度（图17e）处，北部的负涡度减弱，而气旋中心的正涡度强度也稍有减弱。在1.5～2km（图17f～h）处，南北部的负涡度有所增强，配合正涡度中心，小尺度气旋仍然很明显，但到了2.5km（图17i）处，由于强回波（40dBZ）不断的向东方向收缩，致使涡旋特征消失，但强正涡度已经强负涡度中心仍然配合存在。在3～4km高度层中，与涡度中心配合存在的是强劲的偏东风，并且此高度的强回波区也逐渐向东北方向移动收缩。由此看来，小尺度气旋涡旋是从地面一直延伸至2km的高度，并随着强回波向西北方向倾斜。

图18为模拟的扰动温度、垂直速度、纬向风、风速以及反射率沿图13（a1～f1）中黑色实线的剖面图，目的是为了研究超级单体风暴的温度垂直结构：暖色表示正扰动温度，冷色表示负扰动温度，黑色实线表示＞12m/s的风速区域，红色实线表示强回波所在区域。从图18a可以观察风暴顶为强的正温度扰动，而在风暴底为强的负温度扰动，对比图18a中的温度扰动与图16a中的垂直速度可以发现，在强垂直速度中心处均伴随有一个温度扰动区存在，在单体西侧的近地面处的冷池正好对应下沉气流中心，这是由于近地面的降水以及下沉运动的共同作用使空气变冷，而单体高空中的暖池则是由于东部的上升入流经过冷池的抬升，往高空带来丰富的水汽，水汽在高空凝结释放潜热，使得上升气流中心区为暖中心。随着单体不断的向东北方向移动，高空的暖池也在跟随强回波区向东方向移动，地面的深厚的冷池区是由于强回波不断的向东方向移动，同时其东面在强劲的上升气流逼紧的情况下，使得冷池不断变窄加深（图17b）。到了17:45，由于垂直速度强中心的前倾，连带暖池的减弱与前倾，而近地面高度的冷池中心稳定维持，且地面的风速大值区也跟随单体不断地向东移动。由前文可知，17:50是低层对流发展最强烈的时刻，从图18d也可以发现，配合强回波暖池的范围也相应的增大，但暖池的强中心位于风暴顶50～55dBZ处，而不是与垂直速度相对应了，反观近地面的冷池中心仍然与下沉运动向配合，并且此时的0～4km的垂直速度-纬向风合成的风速达到了12m/s，有利于增强后侧下沉运动，而超级单体的东部风速也相应增大，说明此时的对流十分明显。到了17:55，随着后侧下沉气流的不断增强，冷池被推移出强回波区，位于对流单体的东侧，高空暖池在冷池的正上方，其在强劲的西风作用下伴随强回波向上发展。在18:00，虽然冷池的范围增大，但其深度减小，且风暴顶的暖池明显减弱，说明此时的超级单体呈衰减状态。

图17 基于FNL资料模拟分辨率为160m的不同高度垂直涡度（填色，单位：s-1）、水平风场（风向杆，单位：m/s）及40dBZ雷达反射率（红色等值线，单位：dBZ）空间分布（a.0.25km，b.0.5km，c.0.75km，d.1km，e.1.25km，f.1.5km，g.1.75km，h.2km，i.2.5km，j.3km，k.3.5km，l.4km）

图18 对应图13中沿黑色实线的对流单体发展期扰动温度（填色，单位：℃）、40dBZ雷达反射率（红色等值线，单位：dBZ）、纬向风与垂直速度合成风场（风向杆，单位：m/s）以及12m/s风速（黑色等值线，单位：m/s）垂直剖面（a.09:35 UTC，b.09:40 UTC，c.09:45 UTC，d.09:50 UTC，e.09:55 UTC，f.10:00 UTC）

5 结论

本文利用4km和160m分辨率的数值模拟结果，对产生可能是龙卷母体的对流单体进行综合诊断，从雷达反射率、1h降水量、垂直速度场、风场、水成物这几个方面分析两套再分析资料对龙卷区域模拟效果的差异，以及对利用FNL再分析资料作为背景场的西风带龙卷模拟结果进行超级单体的精细化结构诊断，从雷达反射率、海平面气压扰动、垂直涡度场、扰动温度这几个方面进行分析，结论如下：

（1）通过对模拟结果和实况进行对比，发现FNL资料对西风带龙卷模拟效果较好，但模拟结果与实际结果仍有差异。与ERA5的模拟结果相比，FNL模拟的西风带龙卷的对流单体较大。

（2）FNL再分析资料能较好的从雷达回波、垂直速度、风场以及水成物这几个变量中模拟出对流单体的结构，并且在雷达回波中出现钩状回波特征。

（3）通过对500m与1000m高度的雷达回波反射率平面图以及海平面气压扰动对对流风暴的演变过程进行分析，发现对流单体发展初期，对流单体主要以南风为主，随着回波的合并且东北风的增强，逐渐在单体的左侧出现风的辐合区。在超级单体的发展期时，对流单体内的偏北风与南部的偏南风明显增强，在超级单体的钩状回波处辐合，形成了小尺度气旋特征，在南北风以及负扰动气压的配合下，小尺度涡旋在17:45增强，在17:50小尺度发展最为强烈，随后减弱。超级单体的衰减期，单体内的北风开始减弱消失，南风逐渐占据主导地位，对流单体的入流缺口逐渐消失，超级单体特征也随之减弱。

（4）利用垂直剖面以及各个高度层的气象要素场分析超级单体的垂直结构，发现在17:50超级单体底部的发展最为强烈，其伴随有后侧下沉气流以及强上升气流，各高度层的水平风场均有明显的气旋性涡旋存在，配合出现的是正涡度中心，而涡旋的高度在0.25～2km高度处，由此看来小尺度气旋涡旋是从地面一直延伸至2km的高度，并随着强回波向西北方向倾斜，在这高度层中伴随有深厚的冷池，说明在各种气象要素的配置下，龙卷有可能发生在这小尺度气旋内。