遼寧開原龍卷強(qiáng)對(duì)流過程的擾動(dòng)天氣環(huán)境

錢維宏， 艾陽， 陳笑晨

1 北京大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系， 北京 100871 2 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510641 3 廈門市海峽氣象開放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廈門 361013 4 福建省氣候中心， 福州 350001

0 引言

夏季，我國東北常有高空冷渦活動(dòng)(孫力等，1994)，是有可能形成局地強(qiáng)對(duì)流的最大母體天氣系統(tǒng).在常規(guī)天氣圖上，上部對(duì)流層冷渦西側(cè)的橫槽，會(huì)形成冷空氣的堆積，一旦橫槽轉(zhuǎn)豎，冷空氣南下與低層大氣中的暖濕氣團(tuán)交匯形成層結(jié)不穩(wěn)定，其不穩(wěn)定能量的釋放會(huì)形成強(qiáng)對(duì)流天氣.在東北冷渦控制的背景下，冷渦南側(cè)的次天氣尺度短波槽有可能誘發(fā)龍卷(王寧等，2014；王婷婷等，2017).同時(shí)，有研究表明700～500 hPa之間較大的溫差和較強(qiáng)的低空(850～925 hPa)急流都有利于龍卷的發(fā)生(王秀明等，2015).

我國夏季龍卷風(fēng)發(fā)生頻次最高的區(qū)域是江蘇的北部(范雯杰和俞小鼎，2015).蘇北里下河水網(wǎng)地與其北側(cè)黃河故道沙臺(tái)高地，和其東側(cè)黃海沖積臺(tái)地之間存在著下墊面的屬性差異.前者形成的氣流輻合線沿蘇北灌溉渠呈東西走向，而后者形成的海陸風(fēng)輻合線平行于海岸線呈東南至西北走向，蘇北的龍卷風(fēng)多數(shù)發(fā)生在上述兩條近地面氣流輻合帶上(錢維宏等，2017).這樣的氣候環(huán)境條件一旦遇上中尺度渦旋，龍卷和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣就有可能發(fā)生.我國其他地區(qū)發(fā)生的龍卷并不具備蘇北這樣有利的氣候輻合條件，所以龍卷的發(fā)生地理位置相對(duì)分散.開原位于我國東北平原的沈陽與長春兩個(gè)省會(huì)城市之間，東西兩側(cè)是山地，西南暖濕氣流容易從低層進(jìn)入東北平原谷地，遇上對(duì)流層中上部冷渦活動(dòng)時(shí)，對(duì)流天氣極易發(fā)生.

在世界上，龍卷發(fā)生年頻次最高的地區(qū)是美國，2010年前的30年中平均每年發(fā)生1100多個(gè)龍卷.目前，龍卷的預(yù)警仍主要依靠雷達(dá)探測(cè).但由于單個(gè)龍卷的時(shí)空尺度較小，天氣雷達(dá)難以直接觀測(cè)到孕育龍卷發(fā)生的小尺度渦旋特征和更大的渦旋環(huán)境場，如中氣旋的結(jié)構(gòu)特征.與中國的每次單個(gè)龍卷有所不同，美國龍卷多數(shù)成群爆發(fā)，即會(huì)有多個(gè)龍卷風(fēng)形成在一個(gè)天氣尺度或近地面次天氣(百千米)尺度的低壓系統(tǒng)中(Knupp et al., 2014).在美國南部，隨著低壓系統(tǒng)的長距離移動(dòng)，其中可能同時(shí)或先后發(fā)生多個(gè)龍卷，即龍卷群發(fā)(Corfidi et al., 2010；Mercer et al., 2012).

龍卷屬于小概率極端天氣.極端天氣是大氣中擾動(dòng)能量緩慢積累到一個(gè)臨界值時(shí)的快速釋放.觀測(cè)的大氣變量中包含隨太陽高度角與下墊面達(dá)到熱力-動(dòng)力平衡時(shí)的瞬變氣候態(tài)和瞬時(shí)擾動(dòng)分量，兩個(gè)分量都具有真實(shí)的物理含義.所以，極端天氣的發(fā)生與當(dāng)前大氣中的瞬時(shí)擾動(dòng)能量的積累有關(guān)，表現(xiàn)以溫度擾動(dòng)為代表的內(nèi)能擾動(dòng)、以風(fēng)擾動(dòng)為代表的動(dòng)能擾動(dòng)等.怎樣從觀測(cè)的和數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品中分離掉瞬變氣候參考態(tài)，得到瞬時(shí)擾動(dòng)量分布的異常特征呢？2012年以來使用的大氣變量擾動(dòng)分解法提供了這種可能(丑紀(jì)范，2012).利用模式輸出產(chǎn)品，分解法已經(jīng)在國內(nèi)外的多種極端天氣的分析和預(yù)報(bào)中得到了應(yīng)用，如對(duì)北京暴雨(Jiang et al., 2016)、中國東部熱浪(Chen et al., 2017)、東北夏季低溫(Qian and Jiang，2014)和南方雨雪冰凍(錢維宏和張宗婕，2012)等方面的分析研究.因此，對(duì)龍卷風(fēng)這樣的小尺度罕見極端天氣，我們希望在它的發(fā)生之前有可捕捉的中尺度或大尺度擾動(dòng)環(huán)流和擾動(dòng)變量分布的環(huán)境形勢(shì).遼寧開原當(dāng)?shù)赜袣v史觀測(cè)記載的強(qiáng)龍卷例子并不多.對(duì)2019年7月3日下午發(fā)生在遼寧開原的龍卷例子，我們?cè)噲D從實(shí)時(shí)分析的大氣變量和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)模式產(chǎn)品中分離出擾動(dòng)分量，并結(jié)合地面觀測(cè)、雷達(dá)圖像和衛(wèi)星云圖演變的特征，尋找有利于龍卷發(fā)生的擾動(dòng)天氣環(huán)境.

1 龍卷特征與資料和方法

根據(jù)遼寧省氣象局在2019年7月4日的新聞通報(bào)，受東北冷渦及蒙古氣旋前側(cè)低壓帶的共同影響，7月3日下午鐵嶺地區(qū)出現(xiàn)了龍卷、冰雹、短時(shí)雷暴降水等強(qiáng)對(duì)流天氣.天氣雷達(dá)顯示，強(qiáng)回波從昌圖縣進(jìn)入開原市西北部的金鉤子鎮(zhèn)，向東南方向移動(dòng)到開原市區(qū)附近.開原市國家氣象觀測(cè)站在7月3日17時(shí)25分至37分觀測(cè)到開原市區(qū)出現(xiàn)龍卷，氣象站測(cè)得的最大瞬時(shí)風(fēng)速為23 m·s-1，同時(shí)出現(xiàn)了1小時(shí)25 mm的強(qiáng)降水，并且在開原市區(qū)出現(xiàn)了冰雹和雷電.在沈陽雷達(dá)站的7月3日17時(shí)22分0.5°仰角回波圖像上，開原市北部出現(xiàn)鉤狀回波并持續(xù)到17時(shí)44分，回波上呈現(xiàn)出中氣旋結(jié)構(gòu).遼寧省氣象局對(duì)事后的天氣影響評(píng)估中更具體地指出，龍卷始發(fā)于開原市金鉤子鎮(zhèn)金英村北約0.5 km，消失于中固鎮(zhèn)清水溝子村北約1.5 km，全程直線距離約15 km，強(qiáng)度為EF4級(jí).龍卷、鉤狀回波和中氣旋式樣的回波，它們?nèi)叩某叨炔煌?，但出現(xiàn)的時(shí)間和地點(diǎn)一致.此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程導(dǎo)致了人員傷亡和房屋倒塌.

本文使用了多套資料.其一是美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GFS)的實(shí)時(shí)分析資料(https:∥www.emc.ncep.noaa.gov/GFS/.php)，時(shí)間間隔是3 h，水平分辨率為1.0°×1.0°經(jīng)緯格點(diǎn)，垂直分31個(gè)氣壓層，對(duì)風(fēng)場資料內(nèi)插到了0.5 h分辨率上.其二是ECMWF模式產(chǎn)品提供的每天0000和1200世界時(shí)(UTC)分析場和對(duì)未來10天時(shí)間間隔為6 h(0000、0600、1200和1800UTC)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，水平分辨率為0.75°×0.75°經(jīng)緯格點(diǎn)，垂直分8層(http:∥tigge.ecmwf.int/).其三是中國國家氣象中心天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)室對(duì)沈陽氣象雷達(dá)觀測(cè)的圖像分析.其四是日本葵花8氣象衛(wèi)星紅外云圖，時(shí)間間隔是10 min(http:∥www.jma.go.jp/en/gms/).

擾動(dòng)分解方法已經(jīng)在多種類極端天氣的分析中有了介紹(錢維宏，2012a，b；錢維宏和于甜甜，2013；錢維宏等，2016，2017).這一方法的思想來源于中華祖先對(duì)氣候年循環(huán)中24節(jié)氣和72候的時(shí)間段劃分.年循環(huán)的氣候等分成24節(jié)氣和72候，可以稱為古代氣候鐘，它是古代人對(duì)中原地區(qū)地面氣候年循環(huán)的描述.依此，現(xiàn)代人可以利用當(dāng)今全球高時(shí)空分辨率多年觀測(cè)資料的積累，建立一個(gè)現(xiàn)代氣候鐘.它可以把年循環(huán)的氣候態(tài)細(xì)分成365天/年×24個(gè)時(shí)次/天=8760個(gè)時(shí)次的瞬變氣候態(tài)，它包含年循環(huán)過程中的逐日變化和日循環(huán)過程中的逐時(shí)變化.用實(shí)況大氣變量或模式產(chǎn)品變量減去瞬變氣候變量就得到瞬時(shí)擾動(dòng).瞬變氣候和24節(jié)氣氣候都是不需要預(yù)報(bào)的，要預(yù)報(bào)的是相對(duì)瞬變氣候的瞬時(shí)擾動(dòng).雷達(dá)回波和云圖上的對(duì)流實(shí)體可以看作為極端天氣或擾動(dòng)天氣的實(shí)況.

雷達(dá)回波中的反射率因子反映了大氣中的云和降水中的各種水汽凝結(jié)物對(duì)電磁波的后向散射強(qiáng)度，其回波反映了氣象目標(biāo)內(nèi)部降水粒子的尺度和密度分布.圖1a是國家氣象中心天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)室對(duì)2019年7月3日17時(shí)44分32秒沈陽雷達(dá)0.5°仰角觀測(cè)的回波強(qiáng)度分析.雷達(dá)回波呈東西帶狀，最強(qiáng)的回波在最西部分的尖緣.圖1a中的回波總體分布與850 hPa上的擾動(dòng)風(fēng)切變(黃箭頭)均為可分辨的中尺度系統(tǒng).為了細(xì)化回波的特征，圖1b是對(duì)雷達(dá)回波西端部分的放大，鉤狀回波特征明顯.鉤狀回波也對(duì)應(yīng)著一個(gè)擾動(dòng)風(fēng)下的氣旋式擾動(dòng)環(huán)流.所以，鉤狀回波(圖1b)和帶狀回波(圖1a)的形成有著共同的擾動(dòng)大背景.雖然氣象觀測(cè)站在17時(shí)25分至37分觀測(cè)到開原市區(qū)出現(xiàn)龍卷，但在其后的8 min內(nèi)龍卷的鉤狀回波并沒有消失.蘇北阜寧龍卷也有類似的鉤狀回波(錢維宏等，2017)，但開原龍卷在17時(shí)44分32秒沿最強(qiáng)位置線(圖1b中白直線)的回波高度和強(qiáng)度都比阜寧的高和強(qiáng)(回波垂直剖面圖略).圖1b中的鉤狀回波結(jié)構(gòu)和圖1a中的總體回波分布與常規(guī)天氣圖和擾動(dòng)天氣圖上天氣系統(tǒng)之間的聯(lián)系，是需要進(jìn)一步考察的內(nèi)容.

圖1 國家氣象中心天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)室對(duì)2019年7月3日17時(shí)44分32秒沈陽雷達(dá)0.5°仰角觀測(cè)回波的分析：(a)總體回波和(b)局部放大的回波(陰影，10 DBZ間隔). (a)中白色圓圈指示所在的龍卷風(fēng)暴，而(b)中的框區(qū)為龍卷風(fēng)暴主體部分. 黃色箭頭示意17∶ 30 BT 的850 hPa擾動(dòng)風(fēng)矢量Fig.1 0.5° elevated radar echo over Shenyang at 17∶ 44∶ 32 BT 3 July 2019 from (a) regional and (b) local scopes made by the Research and Development Office of Weather Forecast Technology, National Meteorological Center of China. The white solid circle in (a) denotes the location of the tornado and the white rectangle in (b) is the main body of the tornado. The yellow arrows denote the anomalous winds at 17∶ 30 BT at 850 hPa

2 常規(guī)天氣圖上的形勢(shì)分析

來自實(shí)時(shí)分析資料和模式產(chǎn)品繪制的常規(guī)天氣圖仍然是國內(nèi)外氣象業(yè)務(wù)部門預(yù)報(bào)和預(yù)警重要天氣的首選工具.在每天兩個(gè)時(shí)次(北京08和20時(shí))的常規(guī)天氣圖上，我們尋找當(dāng)日龍卷發(fā)生前08時(shí)500和850 hPa以及存在于高空天氣圖和地面形勢(shì)場中可能的強(qiáng)對(duì)流天氣潛在信息.圖2a中，500 hPa層的東北冷渦渦旋中心(C1和L1)位于黑龍江省的中部，冷的溫度中心處于低壓中心的西側(cè)，而蒙古國在高壓系統(tǒng)(H)的控制下，開原(三角)的對(duì)流層中部處于位勢(shì)高度場的西高東低之間的強(qiáng)西北氣流中.這種溫壓場配置很容易在渦旋中心的西側(cè)形成橫槽，并有冷空氣的堆積.在2019年7月3日08時(shí)的500 hPa常規(guī)天氣圖上，三條階梯槽(圖2a中的粗虛線)由北向南分別出現(xiàn)在東北、渤海到江淮地區(qū)，有利于冷空氣南下.

低層850 hPa層上(圖2b)，開原所在緯度帶的天氣形勢(shì)是，蒙古國的西部有一個(gè)氣旋(L2)，蒙古國的東部受高壓脊(H)的影響，而我國東北有一個(gè)冷渦(C1和L1)，開原的西側(cè)有一條低壓槽(低壓帶)或西北風(fēng)與偏西風(fēng)的切變線(粗虛線).這就是氣象部門在新聞通報(bào)中提到的天氣形勢(shì)：開原的龍卷發(fā)生受到了東北冷渦及蒙古氣旋前側(cè)低壓帶的共同影響.東北三省的中東部地區(qū)低層大氣都在西南暖平流的影響下.中低層500 hPa和850 hPa之間的溫壓場與風(fēng)場的配置關(guān)系是有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定度加強(qiáng)的.類似的中低層大氣溫壓場特征在以往的東北冷渦背景下的強(qiáng)對(duì)流天氣形勢(shì)中也有反映(王寧等，2014；王婷婷等，2017).類似的水平階梯槽和垂直不穩(wěn)定形勢(shì)都會(huì)反映在圖2所示的廣大范圍的常規(guī)天氣圖上.但是，預(yù)報(bào)員難以確定圖1中與帶狀回波和鉤狀回波有緊密聯(lián)系的擾動(dòng)系統(tǒng)的具體位置和時(shí)間.

圖2 2019年7月3日08時(shí)ECMWF模式產(chǎn)品中的實(shí)時(shí)分析場(a)500 hPa和(b)850 hPa位勢(shì)高度(黑色等值線，40gpm間隔)、溫度(灰色等值線，4℃間隔)和風(fēng)羽(單位：m·s-1).粗虛線為高度槽或風(fēng)的切變線，字母W和C表示暖和冷的位置，H和L指示高壓脊和低渦. 黑色三角為龍卷發(fā)生地開原Fig.2 Total geopotential height (black contours, 40 gpm interval), total temperature (grey contours, 4 ℃ interval) and wind barbs (unit: m·s-1) at 08∶ 00 BT 3 July 2019 based on the ECMWF analysis products at (a) 500 hPa and (b) 850 hPa. Thick dashed line denotes the height trough or wind shear. The letters W/C and H/L denote the centers of warm/cold masses and the locations of height ridge and low vortex. The black triangle denotes the location of tornado

上述常規(guī)天氣圖形勢(shì)的分析表明，該時(shí)間段內(nèi)東北地區(qū)是有利于強(qiáng)對(duì)流天氣孕育的，但仍然難以推斷極端天氣，如強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴可能發(fā)生的具體位置和時(shí)間.所以，即使這樣的天氣形勢(shì)再次出現(xiàn)在常規(guī)天氣圖上，預(yù)報(bào)員也難以提前做出龍卷可能在哪個(gè)省的哪個(gè)地方發(fā)生的預(yù)報(bào)和預(yù)警.由于極端天氣的發(fā)生反映了大氣中擾動(dòng)能量積累到一定程度時(shí)的快速釋放，我們希望通過擾動(dòng)天氣圖的形勢(shì)分析，尋找可能發(fā)生強(qiáng)風(fēng)暴的局地環(huán)境潛勢(shì).

3 大氣擾動(dòng)變量垂直分布結(jié)構(gòu)

為了節(jié)省篇幅，我們?cè)谝韵碌姆治鲋胁辉倮L制大氣實(shí)時(shí)變量和模式產(chǎn)品的總量(原始場)垂直剖面圖，而是直接給出垂直的和水平的擾動(dòng)變量分析圖，在時(shí)間描述上使用北京時(shí).在現(xiàn)代條件下，如能對(duì)龍卷發(fā)生地有提前幾十個(gè)小時(shí)的預(yù)示征兆和臨近一個(gè)小時(shí)的預(yù)警信號(hào)，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)是很有意義的.從ECMWF模式預(yù)報(bào)時(shí)刻的實(shí)時(shí)分析到每6小時(shí)間隔的模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品，我們逐一做了擾動(dòng)變量的分解分析.該模式提前6、12、18、24、30、36 h都預(yù)報(bào)出了可與實(shí)況比較一致的擾動(dòng)形勢(shì).于是，我們繼續(xù)分析ECMWF模式提前42 h和提前48 h預(yù)報(bào)的擾動(dòng)天氣形勢(shì).圖3是經(jīng)過龍卷發(fā)生地附近，由ECMWF模式提前42 h和提前48 h預(yù)報(bào)的高度擾動(dòng)、溫度擾動(dòng)、比濕擾動(dòng)和西風(fēng)擾動(dòng)，繪制的東西方向和南北方向的垂直剖面分析.從垂直剖面圖3a和3b上看，東北地區(qū)上空的冷渦非常深厚，從700 hPa向上伸展到了整個(gè)對(duì)流層，溫度距平的負(fù)值中心C2在250 hPa，只在對(duì)流層的低層存在弱的擾動(dòng)高壓H1和在近地面水平方向上有冷暖氣團(tuán)的對(duì)比(W1與C1).圖3中，龍卷發(fā)生在模式預(yù)報(bào)的近地面冷暖擾動(dòng)氣團(tuán)的交界處，東北側(cè)是冷氣團(tuán)，西南側(cè)是暖氣團(tuán)，從對(duì)流層延伸下來的擾動(dòng)低壓槽(粗棕虛線)正好分隔了近地面層的冷暖擾動(dòng)氣團(tuán).中國東部地區(qū)夏季的暴雨帶多位于高度擾動(dòng)槽線和擾動(dòng)風(fēng)的輻合線上，但在常規(guī)天氣圖上暴雨帶位于總高度槽和總風(fēng)輻合線的右側(cè)，低空急流的左側(cè)(Qian et al., 2013；Ai and Qian, 2020).它們之間的比較表明，擾動(dòng)天氣圖上的擾動(dòng)變量分布能夠確定地指示暴雨發(fā)生的位置.龍卷發(fā)生位置通常在冷暖氣團(tuán)交界處的偏暖氣團(tuán)一側(cè)，這是在分析美國多次龍卷和蘇北多次龍卷的擾動(dòng)天氣圖時(shí)得到的認(rèn)識(shí)(錢維宏等，2017；Qian et al., 2019).所以，圖3中龍卷發(fā)生前的溫壓場空間配置關(guān)系再次證實(shí)了之前中國龍卷和美國龍卷的分析結(jié)果.同樣，中國東北龍卷與蘇北龍卷的擾動(dòng)形勢(shì)也相同，但它們?cè)诮孛鎸拥睦渑瘹鈭F(tuán)對(duì)比都比美國的弱小，反映的是擾動(dòng)內(nèi)能不如美國的大，所以只發(fā)生了單個(gè)龍卷，而美國的擾動(dòng)氣團(tuán)可以同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)龍卷(Qian et al., 2019).

2019年7月3日20時(shí)，龍卷對(duì)地面的影響已經(jīng)結(jié)束了兩個(gè)半小時(shí)，但龍卷在空中的背景擾動(dòng)渦旋還存在.ECMWF模式預(yù)報(bào)的第48小時(shí)(3日20時(shí))，對(duì)流層中高層的擾動(dòng)冷渦結(jié)構(gòu)在龍卷出現(xiàn)前后的幾個(gè)小時(shí)中沒有大的變化，近地面冷暖氣團(tuán)的交界線和高層延伸下來的擾動(dòng)高度槽線正好就在龍卷發(fā)生地(圖3c和3d).可見，龍卷出現(xiàn)時(shí)，高層高度擾動(dòng)延伸下來的槽線和近地面冷暖氣團(tuán)分界線剛好定位在開原附近.這一結(jié)果表明，當(dāng)前數(shù)值模式可以在短期內(nèi)提前幾十個(gè)小時(shí)預(yù)示有可能孕育強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的時(shí)間和位置.ECMWF模式能夠在短期內(nèi)預(yù)報(bào)出可與實(shí)況較為一致的天氣環(huán)流形勢(shì)，但是預(yù)報(bào)員難以直接從常規(guī)天氣圖上看到可指示有利于龍卷孕育的環(huán)境形勢(shì).龍卷的發(fā)生是局地的，但它的孕育需要一個(gè)大尺度的擾動(dòng)環(huán)境背景.這個(gè)擾動(dòng)環(huán)流系統(tǒng)從較大尺度上提供了局地強(qiáng)對(duì)流天氣可能發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)的預(yù)示，它也為雷達(dá)和衛(wèi)星高時(shí)空分辨率圖像的檢測(cè)與預(yù)警提供了信息.這種預(yù)示信息在常規(guī)天氣圖上和模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品中的表現(xiàn)沒有在擾動(dòng)天氣圖中的清晰.

在實(shí)際的對(duì)流天氣和強(qiáng)降水分析中，人們同時(shí)考慮由總場基本量計(jì)算出的多種物理指標(biāo)和環(huán)流形勢(shì)：如動(dòng)力學(xué)的渦度、散度和上升速度；熱力學(xué)的多種垂直穩(wěn)定度指數(shù)(K指數(shù)和對(duì)流有效位能(CAPE)等)；水汽濕度條件中的溫度露點(diǎn)差、水汽通量、假相當(dāng)位溫、強(qiáng)水汽輻合等要素；中低層大氣中的次天氣或中尺度天氣系統(tǒng)的天氣流型(槽、切變線、急流位置、逆溫層、冷暖鋒面、低層濕舌等)；最后把這些進(jìn)行搭配組合，做出對(duì)流天氣的判斷(唐曉文等，2010；張小玲等，2012；劉國忠等，2013).考慮到這些物理量和流型不是相互獨(dú)立的，擾動(dòng)法直接使用基本量(溫、壓、濕、風(fēng))中的擾動(dòng)分量空間分布組合特征，它們能夠在業(yè)務(wù)中直觀、快捷地指出有利于對(duì)流天氣發(fā)生的位置和強(qiáng)度隨時(shí)間的變化.

圖3e是ECMWF模式從7月1日20時(shí)起報(bào)的第42小時(shí)，即3日14時(shí)的比濕擾動(dòng)在南北剖面上的分布.龍卷發(fā)生日(9個(gè)小時(shí)前)的當(dāng)天上午，近地面層只有弱的正比濕中心(W1).龍卷發(fā)生后的3日20時(shí)，比濕擾動(dòng)的正中心接近地面(圖3f中W1).與以前的分析結(jié)果一致，東北龍卷發(fā)生的低層水汽含量和濕層厚度比江淮和華南龍卷的低(王秀明等，2015；錢維宏等，2017).低層大氣擾動(dòng)風(fēng)上，龍卷發(fā)生日和發(fā)生地的南側(cè)為南風(fēng)擾動(dòng)，北側(cè)為北風(fēng)擾動(dòng).龍卷發(fā)生前，開原上空的對(duì)流層存在異常的西風(fēng)(圖3e中P)，而在北側(cè)有更強(qiáng)的東風(fēng)擾動(dòng)(圖3e中N)，對(duì)流層大氣中存在很強(qiáng)的水平風(fēng)速切變(圖3e中P與N之間的密集風(fēng)速等值線).在850 hPa上，環(huán)繞龍卷發(fā)生地的東西風(fēng)擾動(dòng)切變?nèi)匀磺宄?在龍卷消亡后，這樣的風(fēng)切變也減弱了(圖3f中P與N之間的稀疏風(fēng)速等值線).龍卷是大氣中發(fā)生的擾動(dòng)動(dòng)能高度集中的小尺度環(huán)流系統(tǒng).這種擾動(dòng)動(dòng)能的高度集中必須有一個(gè)更大的擾動(dòng)動(dòng)能環(huán)境，龍卷發(fā)生前的大氣中(圖3e)就具有比龍卷發(fā)生后的大氣中(圖3f)更有利的大尺度擾動(dòng)動(dòng)能環(huán)境.

4 大氣擾動(dòng)變量水平分布

擾動(dòng)天氣圖上的大氣擾動(dòng)系統(tǒng)具有可識(shí)別的空間三維結(jié)構(gòu)特征.我們進(jìn)一步考察龍卷發(fā)生前ECMWF模式提前24 h內(nèi)預(yù)報(bào)的擾動(dòng)形勢(shì)在水平擾動(dòng)天氣圖上的分布.圖4是ECMWF模式預(yù)報(bào)的850 hPa風(fēng)擾動(dòng)和比濕擾動(dòng).3日02時(shí)(圖4a)，東北擾動(dòng)渦旋的低層、吉林省的西北部和渤海三地各有一個(gè)擾動(dòng)比濕中心.一條擾動(dòng)風(fēng)切變線(紅實(shí)線)從東北擾動(dòng)冷渦向西南延伸到開原的北側(cè).3日08時(shí)至14時(shí)(圖4b和圖4c)，擾動(dòng)風(fēng)切變線與其北側(cè)的最強(qiáng)擾動(dòng)風(fēng)(紅箭頭)一起，配合比濕中心到達(dá)開原.3日20時(shí)(圖4d)，擾動(dòng)風(fēng)切變線東移到了吉林省和遼寧省的東部邊境附近.7月3日的四個(gè)時(shí)次，擾動(dòng)風(fēng)切變線的尾端配合最強(qiáng)的擾動(dòng)氣流(紅箭頭)由西北向東南掃過了開原地區(qū).切變線尾端的強(qiáng)偏北擾動(dòng)氣流與切變線南側(cè)的偏西氣流之間具有較大的正渦度擾動(dòng)，它是有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的潛勢(shì)區(qū)域.

ECMWF模式2019年7月1日20時(shí)起報(bào)的3日14時(shí)和20時(shí)的風(fēng)擾動(dòng)和比濕擾動(dòng)也很好地指示了上述850 hPa擾動(dòng)風(fēng)切變線隨時(shí)間掃過了開原地區(qū).3日14時(shí)(圖4e)，ECMWF模式提前42 h預(yù)報(bào)出了擾動(dòng)風(fēng)切變線和一個(gè)弱的濕擾動(dòng)中心位于開原地區(qū).3日20時(shí)(圖4f)，ECMWF模式提前48 h預(yù)報(bào)出了擾動(dòng)風(fēng)切變線向東移動(dòng)到了吉林省和遼寧省的東部邊緣.從單一擾動(dòng)變量看，如擾動(dòng)風(fēng)切變線掃過的范圍遠(yuǎn)比發(fā)生龍卷的地方大，所以單一擾動(dòng)變量難以指示龍卷的發(fā)生地.龍卷的發(fā)生不但需要有氣候環(huán)境條件，還需要多擾動(dòng)變量的綜合環(huán)境條件.擾動(dòng)變量分布上，龍卷發(fā)生在最強(qiáng)擾動(dòng)北風(fēng)與擾動(dòng)西風(fēng)具有最大擾動(dòng)渦度的地方，又配合在一個(gè)正的擾動(dòng)比濕條件的地方.這些中尺度的擾動(dòng)環(huán)境為小尺度龍卷的可能發(fā)生準(zhǔn)備了條件.在很多的類似環(huán)境條件下，發(fā)生的可能不是龍卷，而是冰雹或雷暴等極端天氣.

圖4 ECMWF模式2019年7月2日20時(shí)起報(bào)的3日(a)02時(shí)，(b)08時(shí)，(c)14時(shí)和(d)20時(shí)的850 hPa風(fēng)擾動(dòng)(單位：m·s-1，紅線為切變線，紅色箭頭指示偏北大風(fēng))和比濕擾動(dòng)(陰影，單位：10-3 kg·kg-1，W為濕中心)； (e)和(f)為ECMWF模式2019年7月1日20時(shí)起報(bào)的3日14時(shí)和20時(shí)的風(fēng)擾動(dòng)和比濕擾動(dòng)Fig.4 Anomalous wind vector (units: m·s-1) and anomalous specific humidity (shading, units: 10-3 kg·kg-1) at 850 hPa based on the ECMWF model prediction at (a) 02∶ 00 BT 3, (b) 08∶ 00 BT 3, (c) 14∶ 00 BT 3, (d) 20∶ 00 BT on 3 July 2019 initiated from 20∶ 00 BT on 2 July 2019; (e) and (f) same as (a) except at 14∶ 00 BT on 3 and 20∶ 00 BT on 3 July 2019 initiated from 20∶ 00 BT on 1 July 2019. The red lines are the shear lines of winds at 850 hPa, and the red arrows indicate the strong northerlies. The letter W denotes the wet center of specific humidity anomalies

5 云系演變與擾動(dòng)氣流分布

上述分析的基本大氣擾動(dòng)變量，包括擾動(dòng)風(fēng)分布和擾動(dòng)比濕只是反映有可能出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的環(huán)境條件，尚難以判斷強(qiáng)對(duì)流的性質(zhì)，如龍卷與一般性的對(duì)流，也難以確定強(qiáng)對(duì)流的更具體位置.在可預(yù)見的強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)境條件下，我們?cè)噲D從雷達(dá)回波和衛(wèi)星云圖上加密監(jiān)測(cè)可能出現(xiàn)的龍卷或其他強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生位置.作為在預(yù)報(bào)實(shí)踐中的可能應(yīng)用，圖5給出了2019年7月3日11時(shí)至21時(shí)日本葵花8氣象衛(wèi)星紅外云圖演變與美國GFS實(shí)時(shí)分析的850 hPa擾動(dòng)氣流的對(duì)應(yīng)關(guān)系.國家氣象站觀測(cè)到的龍卷出現(xiàn)時(shí)間在17時(shí)25分到37分，天氣雷達(dá)觀測(cè)到的強(qiáng)鉤狀回波在17時(shí)44分32秒.圖5a是11∶ 00時(shí)的云圖與擾動(dòng)氣流，最強(qiáng)的云帶沿?cái)_動(dòng)氣流輻合線，呈現(xiàn)東西向分布，出現(xiàn)在開原的東北方.12∶ 00時(shí)(圖略)，云帶增強(qiáng)，云帶西端尖緣部分清晰，云帶北側(cè)為東北擾動(dòng)氣流，南側(cè)為偏西擾動(dòng)氣流.在這樣的氣旋式擾動(dòng)氣流下，13∶ 00時(shí)云帶的西端尖緣部分向西南方向發(fā)展(圖5b).從15∶ 00時(shí)(圖5c)，云帶進(jìn)一步增強(qiáng)向西南方向延伸，逐漸向開原靠近，云帶北側(cè)為較強(qiáng)的西北擾動(dòng)氣流，而南側(cè)為較弱的西南擾動(dòng)氣流.17∶ 00時(shí)是氣象站觀測(cè)到龍卷前的25 min，云帶的西端更為強(qiáng)盛，西端尖緣部分到達(dá)開原，西端云帶北側(cè)的強(qiáng)偏北擾動(dòng)氣流與云帶南側(cè)的弱偏西擾動(dòng)氣流之間形成氣旋式的擾動(dòng)渦度(圖5d).17∶ 30時(shí)是氣象站觀測(cè)到龍卷和雷達(dá)上有鉤狀回波的時(shí)刻，最強(qiáng)的云帶西端尖緣部分與擾動(dòng)氣流輻合線一起在開原.從18∶ 00時(shí)(圖5e)至19∶ 00時(shí)，隨著擾動(dòng)氣流輻合線北側(cè)擾動(dòng)氣流的減弱，云帶變寬.云帶在20∶ 00時(shí)(圖5f)至21∶ 00時(shí)變得更松散，云帶西端位置也向南移動(dòng)，離開開原.

在2019年7月3日11∶ 00時(shí)至21∶ 00時(shí)的10個(gè)小時(shí)云圖強(qiáng)度和位置演變與850 hPa擾動(dòng)風(fēng)場的關(guān)系中，我們能夠快速地判斷它們之間的密切聯(lián)系.

圖5 2019年7月3日(a) 11∶ 00時(shí)，(b) 13∶ 00時(shí)，(c) 15∶ 00時(shí)，(d) 17∶ 00時(shí)，(e) 18∶ 00時(shí)和(f) 20∶ 00時(shí)的葵花8云圖與GFS分析產(chǎn)品的850 hPa擾動(dòng)風(fēng)隨時(shí)間的變化. 紅三角指示開原位置. 紅線為偏北風(fēng)與偏西風(fēng)之間的擾動(dòng)氣流輻合線Fig.5 Himawari-8 image and anomalous wind vector at 850 hPa from GFS analysis product at (a) 11∶ 00 BT, (b) 13∶ 00 BT, (c) 15∶ 00 BT, (d) 17∶ 00 BT, (e) 18∶ 00 BT, and (f) 20∶ 00 BT on 3 July 2019. The red triangles denote the location of Kaiyuan and the red lines are convergence line of anomalous winds between northerlies and westerlies

在雷達(dá)回波上，中氣旋的形成(圖1a)和強(qiáng)度變化也反映與這條云帶的演變對(duì)應(yīng).云帶亮度和位置變化也能夠反映對(duì)流的強(qiáng)度和移動(dòng)，而真正背后的動(dòng)力學(xué)機(jī)制是擾動(dòng)氣流的輻合(圖1中的黃箭頭和圖5中的藍(lán)箭頭)，即直接相關(guān)于擾動(dòng)氣流渦度(圖略).這樣的變化關(guān)系能夠反映出對(duì)流天氣強(qiáng)度和位置隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)原因，但困難仍然是，難以確認(rèn)是否會(huì)出現(xiàn)龍卷，還是一般的雷暴天氣.對(duì)照?qǐng)D1a與圖5e和圖5f中各時(shí)刻的東西向雷達(dá)回波與云帶西端的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系，它們都形成在較強(qiáng)的北側(cè)偏北擾動(dòng)氣流與較弱的南側(cè)偏西擾動(dòng)氣流之間的正擾動(dòng)渦度區(qū)中.在龍卷發(fā)生的前后近10個(gè)小時(shí)中，最亮云帶和最強(qiáng)雷達(dá)回波的位置都能用850 hPa上的擾動(dòng)氣流輻合線和動(dòng)力學(xué)指標(biāo)量(擾動(dòng)渦度)來描述.在理論和應(yīng)用上，強(qiáng)對(duì)流性極端天氣(冰雹、龍卷和雷暴)的發(fā)生是潮濕氣團(tuán)受到強(qiáng)烈抬升的結(jié)果.它們是正的擾動(dòng)比濕與正的擾動(dòng)渦度重疊的地方，可用一個(gè)濕渦度擾動(dòng)(MVA)的指標(biāo)量表征(Qian et al., 2015)，它也在本文的圖3至圖4中得到了再次驗(yàn)證.

6 結(jié)論與討論

高影響的極端天氣預(yù)報(bào)是世界性難題，其中龍卷預(yù)報(bào)更是難題中的難題，因?yàn)樗某叨刃?，但引發(fā)的災(zāi)害極大.本文對(duì)遼寧省開原地區(qū)發(fā)生的這例龍卷強(qiáng)對(duì)流過程的分析，從有效預(yù)報(bào)時(shí)間和擾動(dòng)天氣形勢(shì)分析的角度關(guān)注來自數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品中的擾動(dòng)變量空間結(jié)構(gòu)，從天氣過程演變和局地天氣特點(diǎn)的角度關(guān)注衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波隨實(shí)況擾動(dòng)氣流的變化趨勢(shì)，可為相關(guān)部門提供一條預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的參考思路.

(1)綜合比較當(dāng)前常規(guī)與擾動(dòng)天氣分析結(jié)果.我們首先可以從常規(guī)天氣圖上，或中-短期數(shù)值模式產(chǎn)品中，判斷一般性的對(duì)流不穩(wěn)定形勢(shì).從具體的做法出發(fā)，預(yù)報(bào)員可以從圖2中分析500 hPa東北冷渦中心西側(cè)的橫槽與冷氣團(tuán)中心的配置關(guān)系.一旦橫槽帶著冷空氣轉(zhuǎn)豎，同時(shí)低層850 hPa有暖氣團(tuán)的存在或發(fā)展，即表明大氣層結(jié)不穩(wěn)定度在增加.如果又采用擾動(dòng)天氣分析方法，那么擾動(dòng)風(fēng)的強(qiáng)中心、擾動(dòng)風(fēng)切變線(或輻合線)、擾動(dòng)位勢(shì)高度槽、擾動(dòng)比濕的正中心和冷暖擾動(dòng)氣團(tuán)的邊界位置，它們的綜合分析會(huì)大大提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)的判斷.

(2)基于模式產(chǎn)品的擾動(dòng)變量分析.根據(jù)中國氣象局下發(fā)給各省市的ECMWF模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品，地市縣預(yù)報(bào)員可以查看模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品的當(dāng)前時(shí)刻和未來短期時(shí)刻的擾動(dòng)變量垂直分布配置(圖3)和水平分布特征(圖4)，確定本地未來短期內(nèi)是否會(huì)受到多變量擾動(dòng)系統(tǒng)的影響.當(dāng)前ECMWF提供的未來10天模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品中，對(duì)未來6天內(nèi)夏季中國的擾動(dòng)系統(tǒng)對(duì)降水預(yù)報(bào)的指示能力，要大大好于降水產(chǎn)品的直接預(yù)報(bào)(Qian et al., 2013).隨著將來極端天氣預(yù)報(bào)中人工智能技術(shù)的運(yùn)用，建立如本文類似的歷史擾動(dòng)變量空間分布結(jié)構(gòu)與地面極端天氣事件庫，有望在未來對(duì)不同種類的極端天氣環(huán)境形勢(shì)的識(shí)別和預(yù)報(bào)有所幫助.

(3)衛(wèi)星云圖與擾動(dòng)風(fēng)定位極端天氣.衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波上看到的實(shí)體圖像，物理上反映的是大氣中云和降水中的各種水汽凝結(jié)物的存在.但它們也反映了大氣中擾動(dòng)能量緩慢積累到一個(gè)臨界值時(shí)的爆發(fā)或釋放.雷達(dá)回波上看到的實(shí)體已經(jīng)是強(qiáng)天氣爆發(fā)的實(shí)況了(圖1).云圖與擾動(dòng)風(fēng)的綜合分析可以得到一個(gè)隨時(shí)間演變的過程，也就是擾動(dòng)能量集中與釋放的過程(圖5).云圖中，強(qiáng)對(duì)流處云頂溫度低和邊緣清晰，表明強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展強(qiáng)烈，是龍卷、冰雹和雷雨大風(fēng)可以定位的地方.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)云圖和回波與擾動(dòng)風(fēng)場的變化過程，如擾動(dòng)氣流輻合線的變化或濕渦度擾動(dòng)的位置，是臨近龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警的最佳線索.當(dāng)然，用高時(shí)空分辨率的區(qū)域數(shù)值模式預(yù)報(bào)短期的擾動(dòng)風(fēng)分布和計(jì)算擾動(dòng)風(fēng)物理量(如濕渦度擾動(dòng))，對(duì)預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生時(shí)間和位置是有意義的.

(4)擾動(dòng)天氣圖揭示的極端天氣本質(zhì).極端天氣，特別是龍卷的發(fā)生，是大氣中擾動(dòng)能量緩慢積累到一個(gè)臨界值時(shí)的快速釋放.擾動(dòng)能量就體現(xiàn)在溫度擾動(dòng)、位勢(shì)高度擾動(dòng)、風(fēng)擾動(dòng)和比濕擾動(dòng)的分布中.這些基本擾動(dòng)變量對(duì)應(yīng)龍卷發(fā)生時(shí)的空間分布特征能夠很好地反映在擾動(dòng)天氣圖上，也存在于常規(guī)天氣圖中，但難以顯現(xiàn)在常規(guī)天氣圖上.如果模式能在短期內(nèi)正確預(yù)報(bào)出總場變量，那么就可以分解并繪制出擾動(dòng)天氣圖.預(yù)報(bào)員就可以迅速地從擾動(dòng)天氣圖上識(shí)別和預(yù)報(bào)極端天氣的種類和強(qiáng)度.中國和美國的龍卷和暴雨例子中(錢維宏等，2017；Qian et al., 2019)，強(qiáng)對(duì)流天氣也都發(fā)生在高層高度擾動(dòng)延伸下來的槽線和近地面冷暖氣團(tuán)分界線的位置，表明擾動(dòng)變量分布具有動(dòng)力學(xué)意義.溫度擾動(dòng)和高度擾動(dòng)之間滿足靜力平衡關(guān)系，即依據(jù)靜力平衡關(guān)系可以用高度擾動(dòng)計(jì)算出溫度擾動(dòng)，也可以依據(jù)地轉(zhuǎn)關(guān)系用高度擾動(dòng)計(jì)算出風(fēng)擾動(dòng).溫度擾動(dòng)中的冷暖氣團(tuán)強(qiáng)度對(duì)比就是大氣中的不穩(wěn)定能量，它釋放時(shí)產(chǎn)生的對(duì)流運(yùn)動(dòng)與正的水汽異常配合就會(huì)發(fā)生龍卷、冰雹和強(qiáng)降水等極端天氣.

致謝國家氣象中心天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)室朱文劍給予的雷達(dá)圖像支持，遼寧省氣象臺(tái)和科技處給予的開原龍卷相關(guān)實(shí)況信息.