江淮地區(qū)一次農(nóng)業(yè)致災(zāi)龍卷天氣成因分析

吳彩霞 王坤 湯建國 顧天真 袁晶

，

摘要?利用多普勒雷達(dá)資料、NCEP資料和其他常規(guī)資料，從天氣形勢(shì)、物理量、雷達(dá)特征等方面，對(duì)2017年7月2日江淮地區(qū)發(fā)生的一次龍卷過程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，龍卷發(fā)生時(shí)，江淮地區(qū)處在副熱帶高壓邊緣，500??hPa位于華北冷渦底部，渦后不斷有冷空氣南下，700和850??hPa均有切變線和急流，地面有輻合線;龍卷產(chǎn)生在中等大小的對(duì)流有效位能和強(qiáng)垂直風(fēng)切變條件下，同時(shí)抬升凝結(jié)高度較低;龍卷在發(fā)生前、發(fā)生時(shí)在雷達(dá)圖上都探測(cè)到三維相關(guān)切變、中氣旋和龍卷渦旋特征TVS;龍卷發(fā)生前，中氣旋提前0.5?h出現(xiàn)，這對(duì)估計(jì)和預(yù)警龍卷有較好的指示意義。

關(guān)鍵詞?龍卷;天氣形勢(shì);物理量;雷達(dá)特征;江淮地區(qū)

中圖分類號(hào)?P458文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2020）07-0233-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.066

Analysis?of?the?Causes?of?a?Tornado?Process?which?Caused?Agricultural?Disaster?in?Jianghuai?Region

WU?Caixia，?WANG?Kun，?TANG?Jianguo?et?al

（Nantong?Meteorological?Bureau?of?Jiangsu?Province，?Nantong，Jiangsu?226000）

Abstract?Using?Doppler?radar?data，?NCEP?data?and?other?conventional?data，a?tornado?process?that?occurred?in?Jianghuai?region?on?July?2，?2017?was?analyzed?from?the?weather?situation，?physical?quantity，?radar?characteristics，?etc..The?results?showed?that?at?the?time?of?the?tornado，the?Jianghuai?region?was?on?the?edge?of?the?subtropical?high?pressure.500??hPa?was?located?at?the?bottom?of?the?cold?vortex?in?North?China.After?the?vortex，there?was?continuous?cold?air?southward.Both?the?700??hPa?and?850??hPa?had?shear?lines?and?rapids.There?were?convergence?lines?on?the?ground.The?tornado?was?produced?under?medium?size?convective?effective?potential?energy?and?strong?vertical?wind?shear?conditions，while?the?lifting?condensation?height?was?low.Before?and?at?the?time?of?occurrence，the?tornado?detected?threedimensional?correlation?shear，Mesocyclone?and?TVS?characteristics?on?the?Doppler?radar?map.0.5?h?occurred?in?advance?of?the?cyclone，which?had?a?good?indication?for?estimating?and?warning?the?tornado.

Key?words?Tornado;Weather?situation;Physical?quantity;Radar?characteristics;Jianghuai?region

基金項(xiàng)目?江蘇省氣象局預(yù)報(bào)專項(xiàng)科研開發(fā)項(xiàng)目（JSYBY201816）。

作者簡介?吳彩霞（1977—），女，河北唐山人，工程師，從事短期天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和研究工作。

收稿日期?2019-09-12;修回日期?2019-09-27

龍卷與其他對(duì)流天氣相比，屬于小概率事件，具有局地性、突發(fā)性的特點(diǎn)，但它破壞力極大，往往產(chǎn)生重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。2019年來國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)龍卷也做了大量的研究[1-3]。朱文劍等[4]分析了典型臺(tái)風(fēng)龍卷的發(fā)生發(fā)展及其致災(zāi)和中小尺度特征，認(rèn)為龍卷中氣旋在快速發(fā)展階段表現(xiàn)出直徑不斷縮小、底高不斷降低、歸一化切變值不斷增大等特征;許薇等[5]對(duì)2011年6月16日汕頭龍卷天氣分析表明，強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)梯度是導(dǎo)致地面風(fēng)場氣旋性旋轉(zhuǎn)迅速增強(qiáng)而產(chǎn)生龍卷的重要原因;張勁梅等[6]對(duì)2013年3月20日發(fā)生在東莞的一次罕見龍卷、冰雹等致災(zāi)性強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度的對(duì)流有效位能（CAPE）、強(qiáng)的0～6?km深層垂直風(fēng)切變以及較強(qiáng)的0～1?km低層垂直風(fēng)切變?yōu)辇埦懋a(chǎn)生提供了可能性;姚葉青等[7]對(duì)2次強(qiáng)龍卷過程分析認(rèn)為，地面較為暖濕，低層垂直風(fēng)切變較大，2次龍卷雖然回波形態(tài)、強(qiáng)度和高度各異，但都存在強(qiáng)的中氣旋，雷達(dá)超前龍卷發(fā)生約0.5?h識(shí)別出了中氣旋。俞小鼎等[8]對(duì)發(fā)生在安徽無為縣的強(qiáng)烈龍卷過程分析表明，龍卷產(chǎn)生于一團(tuán)狀對(duì)流系統(tǒng)南端的一超級(jí)單體內(nèi)，雷達(dá)速度圖像呈現(xiàn)出一個(gè)強(qiáng)烈的中氣旋包裹著一個(gè)更小尺度的渦旋特征（TVS），導(dǎo)致龍卷的中氣旋局限于4?km以下的低層大氣。吳芳芳等[9]對(duì)2006年8月6日發(fā)生在江蘇鹽城的一次強(qiáng)降水單體龍卷過程分析表明，龍卷發(fā)生在線狀回波階段，出現(xiàn)V形入流缺口及鉤狀回波。鄭媛媛等[10]通過分析3次發(fā)生在安徽的超級(jí)單體龍卷過程，總結(jié)歸納了超級(jí)單體風(fēng)暴的特征與預(yù)警方法，指出超級(jí)單體龍卷產(chǎn)生在中等大小的對(duì)流有效位能和強(qiáng)垂直風(fēng)切變條件下，同時(shí)抬升凝結(jié)高度較低，與強(qiáng)冰雹超級(jí)單體相比，中氣旋底高明顯偏低。2017年7月2日11：00前后，位于江淮地區(qū)的江蘇省東臺(tái)市7個(gè)鎮(zhèn)遭受不同程度的大風(fēng)襲擊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全市受災(zāi)人口17?967人，受傷9人，轉(zhuǎn)移安置人數(shù)365人，無人員死亡;受災(zāi)農(nóng)作物2?230.81?hm2，其中成災(zāi)面積1?295.17?hm2，絕收面積206.25?hm2，另有部分樹木、高壓桿線受損;直接經(jīng)濟(jì)損失4?013.1萬元。根據(jù)房屋損壞、樹木折損、農(nóng)作物等受災(zāi)情況，判斷系龍卷天氣所致，根據(jù)Fujita龍卷等級(jí)定義，此次龍卷為EF0級(jí)，局部EF1級(jí)。筆者利用多普勒天氣雷達(dá)、常規(guī)觀測(cè)、NCEP資料和地面加密觀測(cè)資料對(duì)這次龍卷過程進(jìn)行分析和總結(jié)，探討龍卷發(fā)生機(jī)理，為龍卷預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)。

1?天氣形勢(shì)分析

2017年7月2日?08：00?500?hPa，在115°～120°E、32°～38°N附近有閉合低壓存在，而110°E以東均為西太平洋副熱帶高壓控制，江淮地區(qū)處于低渦前部和西太平洋副熱帶高壓邊緣，渦后不斷有干冷空氣補(bǔ)充南下（圖1a）;700?hPa低渦位置和500?hPa接近重合，并且有一條低空急流帶，此次龍卷就發(fā)生在急流入口區(qū)左側(cè)（圖1b）。7月2日08：00在江淮地區(qū)有地面輻合線，11：00東臺(tái)市處于輻合線附近。此次龍卷過程經(jīng)綜合分析顯示，高層有冷空氣滲透，中低層存在切變、急流，地面有輻合線，這種大尺度背景形勢(shì)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生極為有利。

2?物理量分析

大氣垂直穩(wěn)定度是影響強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生和組織結(jié)構(gòu)的最重要的環(huán)境因素之一。當(dāng)能量不斷堆積，并有一定的條件令其轉(zhuǎn)化和釋放時(shí)，龍卷極易產(chǎn)生。

通過對(duì)比2日08：00和20：00射陽站、南京站和徐州站的探空資料（表1～2）顯示，7月2日全天各站K指數(shù)都不小于35?℃，SI指數(shù)大多數(shù)在0?℃以下，同時(shí)不穩(wěn)定指數(shù)SWEAT也較高，說明全省發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣的概率較大。從射陽站探空指數(shù)來看，08：00?K指數(shù)為37?℃，20：00為43?℃，A指數(shù)一直維持在18?℃以上，說明大氣長時(shí)間處于高溫高濕狀態(tài)，同時(shí)08：00強(qiáng)天氣威脅指數(shù)SWEAT為277.5，20：00增大至303.7，說明不穩(wěn)定能量在不斷釋放，以上跡象均表明2日08：00開始江蘇全省就已經(jīng)處于大氣層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)中，有利于發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

從表1可以得出，射陽上空抬升凝結(jié)高度（LCL_P）08：00為989.0?hPa，抬升凝結(jié)高度低表明江淮地區(qū)大氣底層相對(duì)濕度較大，下沉氣流中氣塊在低層大氣仍然處于恒溫保濕的狀態(tài)，并且具有正浮力，有利于龍卷的生成[11]。

2.1?不穩(wěn)定條件分析?對(duì)流有效位能（CAPE）是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時(shí)的正浮力所產(chǎn)生能量的垂直積分，是風(fēng)暴潛在強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。CAPE值越大，則CAPE能量釋放后形成的上升氣流強(qiáng)度就會(huì)越強(qiáng)。

從圖2可以看出，對(duì)流有效位能CAPE值2日08：00江淮地區(qū)在900?J/kg左右，到了14：00躍增至1?200?J/kg，明顯增大，為龍卷的發(fā)生提供不穩(wěn)定能量。

2.2?水汽條件分析

假相當(dāng)位溫是濕空氣動(dòng)力學(xué)提出的概念，用以表征大氣的能量以及潛在不穩(wěn)定，使用能量學(xué)方法研究強(qiáng)對(duì)流天氣的有效參數(shù)。為了更好地研究此次形成的龍卷不穩(wěn)定條件，沿121°E做垂直剖面，地面到邊界層為假相當(dāng)位溫高值區(qū)，且隨高度遞減，但2日02：00—08：00假相當(dāng)位溫高值區(qū)位于33°N以南（圖3a），08：00—14：00假相當(dāng)位溫高值區(qū)向北抬至35°N附近，并且中心值也在增大（圖3b），說明近地面積蓄了很高的能量，而中高層假相當(dāng)位溫并沒有隨著時(shí)間增大，垂直方向仍是上干下濕的層結(jié)狀態(tài)，存在對(duì)流不穩(wěn)定，一旦有觸發(fā)機(jī)制，即可產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

2.3?動(dòng)力條件分析

2.3.1?散度。從圖4可以看出，7月2日08：00?400?hPa以上均為輻散，為龍卷的產(chǎn)生起到了抽吸作用，而500～700?hPa為輻合，并且600～650?hPa有一個(gè)-50×10-5s-1的輻合中心，大大增強(qiáng)了干冷空氣的吸收和上升氣流，以維持對(duì)流的持續(xù)發(fā)展，700?hPa以下均為輻散，增強(qiáng)了風(fēng)暴下沉氣流，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣，特別是下?lián)舯┝骱痛箫L(fēng)天氣的發(fā)生。14：00輻合中心向低層發(fā)展，說明大氣不穩(wěn)定范圍擴(kuò)大，這種高層輻散、中低層輻合的有效配置，使氣團(tuán)在前期不穩(wěn)定能量積聚、水汽激增的條件下，有利于能量的垂直輸送，對(duì)流不穩(wěn)定性增強(qiáng)，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的環(huán)境條件[12]。

2.3.2?渦度。從圖5可看出，7月2日08：00正渦度區(qū)位于34°N以北，江淮地區(qū)上空為負(fù)渦度區(qū)，到了14：00轉(zhuǎn)為正渦度，正渦度中心在500～700?hPa，且02：00—08：00西南氣流有所增強(qiáng)，較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)與正渦度區(qū)相配合。有研究表明，對(duì)流層低層的水平渦度場越強(qiáng)，在上升氣流中轉(zhuǎn)換成的垂直渦度也越強(qiáng)，隨后垂直渦度在上升氣流中進(jìn)一步被拉伸，從而有利于龍卷天氣的出現(xiàn)[13]。

2.3.3?風(fēng)暴相對(duì)螺旋度。

風(fēng)暴相對(duì)螺旋度（SRH）是診斷和預(yù)報(bào)對(duì)流災(zāi)害性天氣發(fā)生發(fā)展的十分有用的量。它反映了一定氣層厚度內(nèi)環(huán)境風(fēng)場的旋轉(zhuǎn)程度和輸入到對(duì)流體內(nèi)環(huán)境渦度的多少，可以用于估算垂直風(fēng)切變環(huán)境中風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

利用NCEP資料計(jì)算了0～3?km的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度，7月2日08：00江淮地區(qū)SRH值超過150?m2/s2（圖6a），由風(fēng)暴螺旋度的物理意義得知，SRH值較大與較強(qiáng)的風(fēng)垂直切變密切相關(guān)，而強(qiáng)的垂直風(fēng)切變又引起水平渦度的增加，因此SRH的大小也反映了垂直風(fēng)切變的強(qiáng)弱[14]。14：00?SRH的一部分大值區(qū)經(jīng)過東臺(tái)地區(qū)移至海上（圖6b），此時(shí)龍卷已經(jīng)結(jié)束。

2.3.4?較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。

水平切變可產(chǎn)生氣旋式渦旋，輻合產(chǎn)生上升速度區(qū)，當(dāng)氣旋式渦度區(qū)與輻合上升區(qū)遇見預(yù)先存在的渦旋時(shí)，渦旋由于拉伸而加快旋轉(zhuǎn)，由此可以形成龍卷。7月2日02：00在115°～120°E、33°～34°N存在一條NE-SW向的垂直風(fēng)切變矢量差的大值區(qū)（圖7a），08：00風(fēng)切變大值區(qū)明顯東移南壓至東臺(tái)北部地區(qū)，并且增強(qiáng)，中心最大值超過了14?m/s2（圖7b），到了14：00風(fēng)切變值明顯減小。垂直風(fēng)切變的突然增大，破壞了風(fēng)暴的自毀機(jī)制，使得對(duì)流能較長時(shí)間的維持和發(fā)展，在風(fēng)暴的形成、傳播和分裂過程中起到關(guān)鍵作用。

3?雷達(dá)特征分析

3.1?雷達(dá)垂直風(fēng)廓線?從鹽城站雷達(dá)風(fēng)廓線（圖8）分析，中氣旋生成前，從7月2日07：00開始，從地面到10?km處均為一致的西南氣流，風(fēng)速隨高度增大，2.7～3.7?km風(fēng)速增大明顯，一直持續(xù)到09：32。0.3～0.9?km風(fēng)向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的幅度最大，有利于氣旋式右移超級(jí)單體風(fēng)暴的產(chǎn)生。09：37開始2.1～3.0?km處風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，風(fēng)向逆轉(zhuǎn)，一直持續(xù)到10：28風(fēng)向逆轉(zhuǎn)的高度逐漸下降，到龍卷發(fā)生前（10：50），又變?yōu)樯舷乱恢碌奈髂巷L(fēng)。說明中低層有冷空氣滲透，有較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變存在，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了有利的中尺度天氣背景。

3.2?中氣旋

中氣旋是與強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的上升氣流和后側(cè)下沉氣流緊密相連的小尺度渦旋，該渦旋滿足一定的切變、垂直伸展和持續(xù)性判據(jù)。

中氣旋的發(fā)展分為非相關(guān)切變、三維切變和中氣旋3種階段。識(shí)別中氣旋3種分類最重要的特

征值是旋轉(zhuǎn)速度、特征中心最低高度、特征厚度、切變強(qiáng)度、最大切變及其位置等[15]。當(dāng)切變不斷加強(qiáng)，具有明顯的旋轉(zhuǎn)向下發(fā)展的趨勢(shì)，并且垂直深度增加，則表明這是一個(gè)比較強(qiáng)的中氣旋，存在繼續(xù)發(fā)展的可能性[16]。

通過分析此次龍卷發(fā)生前的中氣旋產(chǎn)品特征參數(shù)（表3）來看，這段時(shí)間有多個(gè)中氣旋生成，但除了C4，其他中氣旋I4、F1、B1、J0出現(xiàn)時(shí)間較短，個(gè)別中氣旋底部在4?km左右，旋轉(zhuǎn)和切變發(fā)生在較高的大氣中，由于離地面較高，風(fēng)暴很難接地，不易在地面產(chǎn)生龍卷。

中氣旋的頂高突然下降或最強(qiáng)切變高度下降并逼近底高時(shí)，表明中氣旋明顯加強(qiáng)。7月2日10：56中氣旋C4的最強(qiáng)切變高度明顯上升，此時(shí)龍卷出現(xiàn)，11：01切變達(dá)28×10-3s-1，但是切變高度開始下降，切變值略有減小，11：07以后切變值再次增強(qiáng)，11：13切變達(dá)到最大值31×10-3s-1，切變高度下降逼近底高，11：18中氣旋趨于消亡。

3.3?龍卷渦旋特征（TVS）

在雷達(dá)徑向速度圖上有時(shí)還能識(shí)別一種與龍卷緊密關(guān)聯(lián)的比中氣旋尺度小、旋轉(zhuǎn)快的渦旋，在速度圖上表現(xiàn)為像素到像素的很大風(fēng)切變，稱為龍卷渦旋特征。最近的研究表明，如果探測(cè)到中等強(qiáng)度以上的中氣旋其底到地面的距離小于1?km，龍卷產(chǎn)生的概率可達(dá)40%以上[17]。從7月2日10：56開始，江淮地區(qū)東臺(tái)境內(nèi)出現(xiàn)TVS，一直到11：13消失，持續(xù)了3個(gè)體掃。10：56—11：07平均徑向速度差（AVGDV）、低層徑向速度差（LLDV）和最大徑向速度差（MXDV）在不斷增加，伸展厚度卻在不斷減小（表4），證明了龍卷從發(fā)生到衰亡的過程。

4?結(jié)論

（1）高層有冷空氣滲透，中低層存在切變、急流，地面有輻合線，這種大尺度背景形勢(shì)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生極為有利。

（2）較長時(shí)間的不穩(wěn)定層結(jié)的存在，較低的抬升凝結(jié)高度、低層較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變等為龍卷的發(fā)生和發(fā)展提供很好的動(dòng)力條件。

（3）多普勒雷達(dá)垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品是對(duì)龍卷提前警戒的很好指標(biāo)。

（4）中氣旋產(chǎn)品的出現(xiàn)是強(qiáng)對(duì)流天氣即將發(fā)生的明顯信號(hào)和主要預(yù)警指標(biāo)，龍卷發(fā)生前中氣旋表現(xiàn)出較低的底高、逐漸變小的最強(qiáng)切變高度、降低的頂高、較小的方位角方向直徑和較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變等特征，對(duì)雷雨大風(fēng)、龍卷有很好的預(yù)警作用。

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