采用不同背景場的龍卷模擬結(jié)果對比分析

黃舒婷,王東海,李國平,張春燕,曾智琳

（1.成都信息工程大學，成都 610225；2.中山大學大氣科學學院/廣東省氣候變化與自然災害研究重點實驗室，珠海 519082；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室，珠海 519082）

引言

龍卷風是一種強而小的空氣渦旋，它被界定為由積狀云向下垂直并延展到地面的劇烈旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的空氣柱，通常表現(xiàn)為漏斗云及/或在地面上旋轉(zhuǎn)的碎片/沙塵[1]。龍卷雖然影響范圍很小，但破壞力非常大，其中心最大風速可超過140m/s，持續(xù)時間通常是幾分鐘至十幾分鐘，在這期間往往會對沿線的建設(shè)房屋、農(nóng)林作物、運輸和捕魚等環(huán)境造成巨大損害，嚴重威脅著人民的生命財產(chǎn)安全[2]。因此，研究龍卷風是當今氣象工作中的一個重要課題。

在中國，龍卷高發(fā)區(qū)主要是廣東南部沿海一帶、長江中下游平原、黃淮海平原和東北平原[3-4]。王東海等[5]對不同龍卷高發(fā)區(qū)的龍卷按照觸發(fā)其的影響系統(tǒng)及天氣形勢進行了分類，黃先香等[6]則是對發(fā)生在佛山市內(nèi)的龍卷進行分類，這些分類工作都只是針對局地龍卷高發(fā)區(qū)進行的。從龍卷的影響天氣系統(tǒng)來看，國內(nèi)龍卷主要受副熱帶系統(tǒng)和西風帶系統(tǒng)的影響，因此可以分為兩類，一是由熱帶氣旋外圍雨帶內(nèi)部的微型超級單體所產(chǎn)生的臺風龍卷，二是與西風帶系統(tǒng)相伴隨的超級單體產(chǎn)生的西風帶龍卷[7-9]。

由于龍卷的時空尺度小、突發(fā)性與致災性強，往往很難精準地捕抓到龍卷的發(fā)生位置和時間，所以在早期，國內(nèi)外對龍卷的研究是以災情調(diào)查和雷達觀測為主的個例分析[10-12]以及天氣背景的統(tǒng)計分析[13-19]。近年來，大氣數(shù)值模型與計算機科學技術(shù)飛速發(fā)展，龍卷災害等級評估標準和現(xiàn)場勘探調(diào)查制度日益完善，國內(nèi)外龍卷的數(shù)值模擬研究也隨之取得巨大進展[20-21]。Wicker和Wilhelmson[22]通過實驗模擬龍卷的精細結(jié)構(gòu)，指出龍卷風開始于低層中氣旋的旋轉(zhuǎn)增強至云底時，且旋轉(zhuǎn)的增加會引起向上的氣壓梯度力，從而在云底附近產(chǎn)生強烈的上升氣流。Hu等[23]利用ARPS模型的三維變分法及使用雷達反射率改善云分析過程，準確地捕捉到龍卷風暴的重要特征，說明雷達反射率對龍卷模擬具有正效應。Mashiko[24-25]采用最內(nèi)層水平分辨率為50m的模式（1km～250m～50m）成功再現(xiàn)了日本的一次EF3級龍卷風暴，研究了其中氣旋的渦旋來源與龍卷風形成的機制。

國內(nèi)氣象學者也對龍卷開展了大量研究，但對數(shù)值模擬分析相對有限。陳鋒等[26]和李佳等[27]對2016年“6.23”江蘇阜寧龍卷進行了數(shù)值模擬。陳鋒等[26]是基于GSI同化系統(tǒng)和WRF模式對雷達資料中反射率因子以及徑向速度資料同化進行探討，結(jié)果顯示兩種資料的同時同化要優(yōu)于反射率因子和徑向速度資料的單獨同化，同時同化能改進初始場的動力條件、水汽條件和熱力條件。李佳等[27]是基于3km水平分辨率的預報模式系統(tǒng)，對比有無資料同化的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)逐小時循環(huán)同化對成功模擬類龍卷母體渦旋結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用。唐嘉蕙等[28]針對一次臺風龍卷過程進行高分辨率的數(shù)值模擬，成功模擬出類龍卷渦旋，對生成龍卷的類龍卷渦旋系統(tǒng)進行細致化分析，發(fā)現(xiàn)龍卷發(fā)生在相對螺旋度正負高值區(qū)交界處。

隨著模式版本的不斷升級、參數(shù)化方案的日益完善、資料同化的種類增多，WRF模擬再現(xiàn)類龍卷渦旋的能力在不斷增強。但由于作為模式初始場的再分析資料是由不同的機構(gòu)提供，他們所使用的數(shù)據(jù)處理方法和觀測數(shù)據(jù)都存在一定的區(qū)別，使得這些資料之間存在一定差異[29]。而在模擬中小尺度的氣象特征時，細微的差異都會通過“蝴蝶效應”造成不同的結(jié)果，所以不同再分析資料作為初始場對模擬結(jié)果的影響還是不容小覷的。袁有林等[30]把ERA-interim和FNL再分析資料作為模式的初始場，發(fā)現(xiàn)ERA-interim的降水模擬結(jié)果要優(yōu)于FNL的。屠妮妮等[31]依據(jù)MET系統(tǒng)的客觀統(tǒng)計檢驗方法，針對24h降水分別評估SWCWARMS模式、GRAPES模式和ECMWF模式對四川地區(qū)的汛期預報能力。鄒振操等[29]也對比分析了ERA-interim、FNL及日本氣象廳的JRA-55資料，發(fā)現(xiàn)ERA-interim與FNL方案在模擬近地面風場精度、反映近地面風向廓線的變化趨勢方面要優(yōu)于JRA-55方案。韓子霏等[32]同樣選用了ERA-interim與FNL資料，并且加入了GRAPES_GFS資料，利用三種資料形成的初始場進行模擬，對環(huán)流、降水特征進行對比，發(fā)現(xiàn)三者的模擬結(jié)果中FNL資料最優(yōu)、GRAPES_GFS資料次之、ERA-interim資料最差。張懿等[33]利用ERA5與FNL資料作為WRF模式的初始場，通過對比分析模式模擬結(jié)果的風溫濕等變量，發(fā)現(xiàn)FNL對平均氣溫的模擬效果更好，而ERA5資料對平均相對濕度的模擬效果更優(yōu)。

綜上所述，大多數(shù)學者主要關(guān)注的是美國國家環(huán)境預報中心發(fā)布的再分析數(shù)據(jù)（FNL）以及歐洲中期天氣預報中心發(fā)布的再分析數(shù)據(jù)（ERA-interim與ERA5）。已知ERA5是繼ERA-interim之后發(fā)布的第五代再分析資料，與ERA-interim相比，ERA5空間分辨率與時間分辨率都有所提高（0.25°與1h）。因此，本文將對2014年5月21日廣州市黃埔龍卷天氣過程進行診斷分析，并使用ERA5（下文簡稱此模擬結(jié)果為ERA5）和FNL（下文簡稱此模擬結(jié)果為FNL）再分析資料分別驅(qū)動WRF，對龍卷天氣過程進行數(shù)值模擬，研究不同初、邊界場對WRF模式模擬結(jié)果的影響，并對其中較好的數(shù)值模擬結(jié)果進行超級單體的精細化結(jié)構(gòu)演變分析，以期為改進西南區(qū)域業(yè)務(wù)模式、提升天氣預報精細化水平提供科學依據(jù)。

1 環(huán)流背景

2014年5月21日，雷雨云團自西南方向逐漸移動到廣東省廣州市上空，在本地不斷發(fā)展加強，受此強雷雨云團的影響，17:40左右在黃埔區(qū)出現(xiàn)了龍卷過程（下文簡稱西風帶龍卷，圖1），給廣州黃竹村、大埔村和向西村造成了嚴重破壞，其中有部分的農(nóng)田被水淹沒，幾處廠房、民居被掀翻屋頂，一處圍墻(約20m)倒塌，并且有些村莊還出現(xiàn)停電狀況。

圖1 2014年5月21日西風帶龍卷路徑

2014年5月21日，隨著雷雨云團在廣州上空發(fā)展加強，在08時500hPa環(huán)流形勢（圖2a）可以看到，西風帶龍卷發(fā)生前，華南上空受平直的西風氣流控制，龍卷發(fā)生地位于短波槽前，且冷舌落后于高度場，在這種溫壓場配置下，高空槽前為暖平流，偏西氣流（10m/s）為龍卷發(fā)生地從海上帶來暖濕空氣。在700hPa的對流層低層（圖2b），西風帶龍卷主要受偏西急流影響，與此次龍卷過程相距最近的清遠站作比較，發(fā)現(xiàn)龍卷發(fā)生時的低空急流較弱，此時清遠站的風速為16m/s，而在850hPa、925hPa（圖略）上的風速更低，只有8m/s，且風向是從低層隨高度順轉(zhuǎn)，850hPa和925hPa的風向分別為西南偏西風和西南風。在近地面層，利用24h變溫可以有效地說明龍卷發(fā)生地在前24h內(nèi)，是受冷空氣影響導致呈負變溫狀態(tài)，還是受暖氣團的控制呈正變溫狀態(tài)，從而分析出龍卷發(fā)生地溫度的變化情況及冷暖氣流交匯的劇烈程度。龍卷發(fā)生前（17時），有一暖低壓自東向西移動，其伴隨的偏南氣流把海上的暖濕空氣帶到大陸上來，使西風帶龍卷發(fā)生地升溫，溫度升幅為1～2℃（圖2c）。因此，在龍卷發(fā)生前，龍卷發(fā)生地附近的冷暖氣流交匯比較明顯，而風場為單一的偏南氣流。

圖2 2014年5月21日08時西風帶龍卷的（a）500hPa位勢高度（黑色實線，單位：gpm）、風矢量（風向桿，單位：m/s）、溫度（紅色實線，單位：℃）、地面高度（填色）；（b）700hPa風速大值區(qū)，風矢量（風向桿，單位：m/s）、風速（填色，單位：m/s）；（c）17時近地面氣壓場（黑色實線，單位：hPa）、風矢量（風向桿，單位：m/s）、24h變溫（填色，單位：℃），圖中紅色星號代表龍卷發(fā)生地

2 數(shù)值模擬對比分析

利用WRF-ARW V4.1.1中尺度數(shù)值模式對這次龍卷過程進行模擬，采用的是三層雙向嵌套，各嵌套層均具有54層垂直層，實驗模擬的網(wǎng)格間距分別為4km（250×200）、800m（451×451）和160m（651×651）（圖3）。為了研究FNL和ERA5再分析資料驅(qū)動WRF所造成的影響，選用相同的參數(shù)化方案（表1）。西風帶龍卷積分時間為2014年5月21日00時～22日00時，d01每30min輸出一次模擬結(jié)果，d02每15min輸出一次模擬結(jié)果，d03每5min輸出一次模擬結(jié)果。

表1 模式參數(shù)化方案設(shè)置

圖3 西風帶龍卷的3層嵌套區(qū)域

比較發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NL（圖4b）能較好地模擬出對流單體，其最強回波為56.7dBZ與實況的最大回波58dBZ相近，但位置與實況相比偏東；在圖4c中，ERA5模擬的龍卷發(fā)生地對流單體強度稍弱，為32.7dBZ，與實況相差甚遠，且無明顯的強回波位于龍卷發(fā)生地。圖5為兩種再分析資料的模擬結(jié)果與實況降水的逐小時累計降水圖。如圖所示，在西風帶龍卷發(fā)生地附近實況的最大降水量為20mm，F(xiàn)NL（圖5b）中的降水量與實況相比偏大，最大降水量可達62.9mm，但其降水中心與實況降水中心較為一致；ERA5則無降水過程（圖5c），說明FNL資料對西風帶龍卷的降水模擬效果優(yōu)于ERA5資料。

圖4 西風帶龍卷發(fā)生期間雷達反射率空間分布（a.廣州多普勒雷達組合反射率，b.FNL模擬結(jié)果，c.ERA5模擬結(jié)果，單位：dBZ，紅白五角星均代表龍卷發(fā)生地）

圖5 西風帶龍卷發(fā)生期間1h累計降水空間分布（a.實況，b.FNL模擬結(jié)果，c.ERA5模擬結(jié)果，單位：mm，紅色五角星代表龍卷發(fā)生地）

3 不同初始場對WRF模擬結(jié)果的影響

3.1 雷達回波分析

為了研究對流單體中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及其發(fā)展強度，對160m分辨率的最大雷達回波以及雷達回波的剖面進行分析。

從圖6a1～c1可以看到，在FNL模擬結(jié)果中，17:35在龍卷發(fā)生地的東北方向有一鉤狀回波狀的對流單體，在向東北方向緩慢移動過程中，其中心強回波強度維持在55dBZ，影響范圍不斷向東北擴展；從圖7a1～c1中的雷達回波剖面圖可以看到，在17:35的45dBZ回波已經(jīng)觸地，且強回波高達約10km處，在單體東側(cè)為懸掛的穹窿，配合垂直氣流可以看到單體東側(cè)有較強的上升氣流；在1～3km的強回波處看到風向由近地面北風在3km高度順轉(zhuǎn)為南風，有學者[34-36]指出在北半球，風向隨高度順時針轉(zhuǎn)變有利于右移氣旋式超級單體風暴。在17:40與17:45，強回波在向東北方向擴展的同時，鉤狀回波特征也逐漸消失。從圖7b1～c1中可以看到，強回波逐漸向東移動，其觸地強回波范圍不斷擴大，且強回波中心在向下發(fā)展的過程中，在17:40先是50dBZ強度的回波觸地，到17:45強度為55dBZ的強回波觸地，使得與地面相接觸的強回波變粗且加強；與此同時，其東側(cè)的有界弱回波區(qū)也在向下發(fā)展。

圖6 基于FNL（上）與ERA5（下）資料模擬西風帶龍卷期間160m分辨率的最大雷達回波（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC，單位：dBZ，紫色點線為龍卷路徑）

圖6a2～c2為ERA5模擬結(jié)果，可以看到在龍卷發(fā)生地附近，只有其西南側(cè)有范圍較大、回波強度為10dBZ的回波區(qū)，這種強度的回波遠遠達不到對流的強度。從圖7a2～c2可以看到，該回波區(qū)的高度位于13～14km之間，與地面相距甚遠，不足以與地面相互配合，形成對流。

圖7 對應圖6中沿黑色實線的雷達回波強度（填色，單位：dBZ）及風場（風向桿，單位：m/s）垂直剖面（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC）

3.2 垂直速度和水平風場分析

為了研究風暴低層的環(huán)流特征，本文對10m水平風場和2000m高度的垂直速度以及垂直速度的剖面進行分析。FNL的模擬結(jié)果（圖8a1）可以發(fā)現(xiàn)西風帶龍卷發(fā)生處的垂直速度以上升氣流（最大上升速度在8m/s以上）為主，其中心大值區(qū)與強回波50dBZ的范圍對應，并且近地面風為明顯的輻合區(qū)，在龍卷西北側(cè)有微弱的下沉氣流區(qū)，對應近地面的偏西風；從垂直剖面圖（圖9a1）來看，對流單體的南部有一強上升氣流區(qū)，在8km高度其風速可以達到12m/s，在強上升區(qū)的西側(cè)4km以下高度有一弱下沉氣流，其強度為5m/s。17:40可以看到風暴西北側(cè)的下沉中心增強至6m/s，而上升氣流速度仍保持在8m/s以上（圖8b1）；從圖9b1中可以發(fā)現(xiàn)，對流單體西側(cè)的上升氣流中心有所增強，其中心最強下沉速度達7m/s，而在上升氣流上方也有一強下沉氣流與之輻合，使9km處出現(xiàn)東風急流。17:45風暴南部的近地面中出現(xiàn)明顯的氣流輻合區(qū)，2km高度上的下沉氣流與上升氣流在錮囚處形成氣旋式環(huán)流（圖8c1）；從圖9c1發(fā)現(xiàn)，下沉氣流中心強度在4km處增強為8m/s，與6km處強中心為16m/s的上升氣流錮囚。

從圖8a2～c2中可以看到西風帶龍卷的ERA5模擬結(jié)果并無明顯的上升氣流區(qū)或下沉氣流區(qū)，且近地面風場并無明顯的氣流輻合或輻散，在垂直剖面（圖9a2～c2）上也無明顯的氣流特征。

圖8 基于FNL（上）與ERA5（下）資料模擬西風帶龍卷期間160m分辨率的2km高度垂直速度（填色，單位:m/s）、近地面10m風場（風向桿，單位：m/s）及反射率（等值線，單位：dBZ）空間分布（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC，紅色五角星代表龍卷發(fā)生地）

圖9 對應圖8中沿黑色實線的垂直速度（填色，單位：m/s）和風場（風向桿，單位：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

為了研究對流單體對應云體的發(fā)展演變過程，對160m分辨率的整層水成物（各個高度層的雨水、云水、云冰、雪、霰粒子混合比含量的總和）平面圖與沿單體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總和）的垂直結(jié)構(gòu)進行分析。

圖10是基于FNL和ERA5資料模擬西風帶龍卷期間160m分辨率的整層水成物分布。FNL中的水成物分布（圖10a1～c1）與對應的雷達回波結(jié)果（圖6a1～c1）相吻合，隨著對流單體的向東發(fā)展，單體南部的水成物中心也向東北方向移動并逐漸增強，其垂直方向的強中心不斷向東發(fā)展、增強，17:35厚度11km的對流單體不斷向上伸展，在17:45厚度增長至約20km，單體高度增長近兩倍。在17:40，對流單體西側(cè)云底出現(xiàn)單獨的接地水成物，17:45接地水成物加粗且強度增強。水成物中心強度不斷的向上和向東發(fā)展，西風帶龍卷的水成物高值中心從6～7km單一的0.006kg/kg（17:35），增長至17:45的多個高值中心，最高達到13km（0.0095kg/kg）。

反觀ERA5中的水成物分布（圖10a2～c2）較為均勻，水成物混合比均為0.0005kg/kg，僅在圖11a2中3～5km出現(xiàn)了低值中心，但這并不足以形成對流云體。

圖10 基于FNL（上）與ERA5（下）資料模擬西風帶龍卷期間160m分辨率的整層水成物（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC，單位：kg/kg，紫色點線為龍卷路徑）

圖11 對應圖10中沿黑色實線的水成物垂直剖面（a1～2.09:35 UTC，b1～2.09:40 UTC，c1～2.09:45 UTC，單位：kg/kg）

4 超級單體精細化結(jié)構(gòu)演變

由第3節(jié)可知西風帶龍卷（2014年5月21日）以FNL作為初始場的模擬結(jié)果與實況較為吻合，所以下文針對此次數(shù)值模擬結(jié)果進行研究，分析此過程中對流風暴的演變過程，并對本次龍卷所在的超級單體風暴的精細化結(jié)構(gòu)進行診斷分析。

4.1 超級單體的形成與減弱過程

從模擬結(jié)果來看，對流單體內(nèi)的出流變化明顯。17:20～17:30，對流單體內(nèi)部的東北氣流在南風加持下向西流出，對流單體內(nèi)沒有較強烈的風場輻合，界定這一階段為超級單體的初期。17:35～18:00，超級單體的出流明顯加強，由原來的東北氣流逐漸向偏北氣流發(fā)展，與南邊的入流在單體右后側(cè)（相對風暴移動方向）形成強輻合，界定這一階段為超級單體的發(fā)展期。18:05～18:30，超級單體的出流顯著減弱，而南風加強，南部輻合區(qū)逐漸消散，界定這一階段為超級單體的衰減期。需要特別指出的是，為了能較清晰地追蹤對流單體內(nèi)部出流與入流的變化情況，圖12、圖13和圖15均是跟隨對流單體右后側(cè)強反射率的移動進行繪制，而圖14各時次的經(jīng)緯度與圖13保持一致。

圖13 基于FNL資料模擬的對流單體發(fā)展期0.5km（a1～f1）和1km（a2～f2）高度的雷達反射率（填色，單位：dBZ）和水平風場（風向桿，單位：m/s）空間分布（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）

圖14 基于FNL資料模擬的對流單體發(fā)展期海平面擾動氣壓場（填色，單位：hPa），0.5km（a1～f1）與1km（a2～f2）高度雷達反射率（紅色等值線，單位：dBZ）、輻合（藍色虛線，單位：-0.5s-1）及水平風場（風向桿，單位：m/s）空間分布 （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，藍色框表示有明顯風場輻合）

圖15 基于FNL資料模擬的對流單體衰減期0.5km（a1～f1）和1km（a2～f2）高度的雷達反射率（填色，單位：dBZ）和水平風場（風向桿，單位：m/s）空間分布（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）

首先從圖12模擬結(jié)果中可以看到，2014年5月21日17時20分，在廣州市黃埔區(qū)上空有大片的對流云系發(fā)展，且此對流云系位于實況龍卷發(fā)生地的東北側(cè)，模擬結(jié)果達50dBZ強度的對流單體與實況龍卷發(fā)生地相距約9km。

圖12為超級單體初期，17:20～17:30，500m高度與1000m高度的雷達反射率因子位置與強度均十分相似。圖12a中，對流單體強度最高達60dBZ，在對流單體中部有明顯的入流區(qū)，而強回波（＞40dBZ）包圍著入流區(qū)，單體北部普遍為東北風，在單體左后側(cè)與南部的東南風相遇，使得單體左后方有一類弓狀回波產(chǎn)生，且由于單體的出流與入流區(qū)在南部的弱回波區(qū)相匯，使得此處有風向輻合；圖12d的回波位置與強度基本與500m高度相似，但1000m高度風場以南風為主，且風場中沒有明顯的輻合區(qū)出現(xiàn)。在17:25（圖12b），對流單體的出流明顯增強，使得西側(cè)的強回波逐漸與東部的強回波區(qū)靠近，中部回波也有所增強，能達35dBZ以上；在1000m高度處（圖12e）則是入流增強明顯，使得對流單體西側(cè)以東南風為主。到了17:30，對流單體中的強回波區(qū)合并，但強度有所減弱（58dBZ），位于500m高度（圖12c）的東北風依舊強勁，而在1000m高度（圖12f）上位于單體左后側(cè)的入流明顯增強，在此處出現(xiàn)較為明顯的輻合區(qū)。

圖12 基于FNL資料模擬的對流單體初期0.5km（上）和1km（下）高度的雷達反射率（填色，單位：dBZ）和水平風場（風向桿，單位：m/s）空間分布（a、d.09:20 UTC，b、e.09:25 UTC，c、f.09:30 UTC）

圖13為超級單體發(fā)展期，主要關(guān)注的是單體左后側(cè)強回波處的形狀變化及風場配置。從圖13a1可以看到，在17 :35強回波匯合后，對流單體以北風為主，強回波處為明顯的東北風與北風，而單體南部為偏南風，在強回波區(qū)的東南側(cè)輻合，有弱渦旋出現(xiàn)；在1000m高度（圖13a2），由于偏南風明顯加強，此高度上并無明顯的渦旋出現(xiàn)。到了17:40（圖13b1～2），對流單體逐漸向東移動，位于強回波東側(cè)的渦旋加強，且在1000 m高度上也出現(xiàn)了明顯的渦旋。在17:45（圖13c1～2），對流單體的反射率因子的形狀與Lemon等[37]總結(jié)的經(jīng)典超級單體的概念模型十分相似，單體均為西南向東北方向移動，低層入流方向位于相對風暴移動方向的右后側(cè)，在此處回波出現(xiàn)入流缺口和鉤狀回波，而模擬結(jié)果中的單體回波在右后側(cè)有一入流缺口，且回波形狀表現(xiàn)為類鉤狀回波，說明模擬的對流風暴為超級單體。17:45的小尺度渦旋逐漸發(fā)展增強，到了17:50（圖13d1～2）渦旋發(fā)展到強回波區(qū)內(nèi)，在入流與出流的配合下，在類鉤狀回波中發(fā)展增強，此時的渦旋最為明顯且最強盛，龍卷最有可能發(fā)生在此刻。到了17:55由于對流單體內(nèi)的東北風以及單體外部的西南風明顯減弱，使得渦旋也出現(xiàn)明顯的減弱現(xiàn)象，在500m高度（圖13e1）處渦旋特征消失，在1000m高度（圖13e2）處，小尺度渦旋明顯減弱。在18:00，500m高度（圖13f1）與1000m高度（圖13f2）上，超級單體仍伴有明顯的出流（偏北風）與入流（偏南風），但渦旋特征基本消失。

圖14為基于FNL資料模擬的超級單體發(fā)展期海平面擾動氣壓場，0.5km與1km高度雷達反射率、輻合及水平風場的空間分布，目的是為了能更清晰地觀察超級單體發(fā)展期中的氣壓配置情況。從圖14a1～2中可以發(fā)現(xiàn)，強回波區(qū)（＞40dBZ）與正擾動氣壓相配合，50dBZ的回波區(qū)氣壓擾動達到0.8hPa以上，與南風相配合的是負擾動氣壓（強中心氣壓達-1hPa），風場輻合區(qū)正是位于擾動氣壓的正負值邊界偏正擾動氣壓處。配合著對流單體的發(fā)展，正擾動氣壓也逐漸增強，17:40的500m（圖14b1）與1000m（圖14b2）高度中心值都達到了1.2hPa以上，且強中心與55dBZ強度的強回波位置相近，而配合強勁偏南風出現(xiàn)的是負擾動氣壓，負擾動中心高達-1.4 hPa以下，隨著兩側(cè)擾動氣壓的增強，渦旋強度增強，且向負變壓處靠近。到了17:45，正負擾動氣壓中心均有所減弱，但仍然是負擾動氣壓中心稍強于正擾動氣壓，所以渦旋強度增強的同時，其中心持續(xù)向負擾動氣壓中心靠近，此時渦旋無論是在500m高度（圖14c1）還是在1000m（圖14c2）高度上，均位于正負擾動氣壓的交界處。在17:50（圖14d1～2），小尺度渦旋強度在此時發(fā)展最為強烈，與之相配合出現(xiàn)的是小尺度渦旋所在地為負擾動氣壓的強中心處，而對流母體以正擾動氣壓為主，但南部的強回波處于強負擾動氣壓中心處（-1.6hPa以下），在強回波與強負擾動氣壓的相互配合下，強勁的南北風在此處匯合，使得小尺度渦旋在此刻發(fā)展最為強烈。到17:55，正負擾動氣壓中心都有所減弱，而渦旋特征明顯減弱，在500m高度（圖14e1）上并無明顯的渦旋特征出現(xiàn)。到18:00，負擾動氣壓減弱明顯，對流主體受正擾動氣壓控制為主，此時的風場輻合并不顯著，但500m高度（圖14f1）的輻合情況要比17:55的稍強。

圖15為超級單體的衰減期。在18:05可以看到對流單體內(nèi)部的偏北風減弱（圖15a1），1000 m高度處的對流單體風向變化明顯，由東北風轉(zhuǎn)為東南風，在單體南側(cè)的強回波區(qū)仍有風向輻合，但此時兩個高度層均無明顯的渦旋特征。到了18:10（圖15b1～2）單體南部的強回波區(qū)域減小，且強回波區(qū)內(nèi)的風逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|風，并無明顯的出流，但入流缺口仍很明顯，在對流單體的右后側(cè)仍為明顯的偏南風，與單體南部的偏東風匯合，在強回波的右側(cè)出現(xiàn)輻合現(xiàn)象。到了18:15（圖15c1～2）渦旋現(xiàn)象加強，但對流單體的主體受偏東風影響為主，位于南側(cè)的強回波區(qū)則是西北風，與強入流在此處形成渦旋特征。18:20～18:30（圖15d～f）期間，對流單體受強勁的東南風影響，在南側(cè)的強回波處雖然有出現(xiàn)風輻合特征，但隨著南風的加強，單體的入流缺口逐漸減弱消失，而由南風形成的輻合區(qū)持續(xù)的時間短暫且強度不大，難以形成龍卷渦旋。

4.2 超級單體的垂直結(jié)構(gòu)

圖16給出了超級單體風暴沿圖13（a1～f1）風場輻合中心的黑色線段所在垂直剖面內(nèi)的雷達反射率因子、垂直速度（黑色實線表示垂直上升運動，虛線則表示風場的下沉運動）、徑向風與垂直速度的合成風場，目的是為了分析超級單體的垂直結(jié)構(gòu)以及其風場的配置情況。從圖16a可以看到，17:35時對流風暴南部具有低層弱回波區(qū)和其上部中高層懸垂回波結(jié)構(gòu)特征，其與周海光[38]分析的2016年“6.23”江蘇阜寧超級單體風暴結(jié)構(gòu)相似，對流母體的強回波從地面一直伸展到高空11km處，與實況接近，并且本文模擬的最強回波位于地面至6km處；從垂直速度來看，對流母體的右側(cè)為強的上升運動（最強中心達10m/s），而左側(cè)為弱的下沉運動（-2m/s）；從風場來看，2～6km在強勁（風速高達24m/s）的垂直-徑向風的作用下，（23.32°N，113.61°E）～（23.32°N，113.63°E）區(qū)域之間出現(xiàn)了回波懸掛現(xiàn)象，而在單體西側(cè)（23.32°N，113.59°E）處與強回波一起出現(xiàn)的是下沉運動，已知龍卷形成的必要條件為對流母體的后側(cè)下沉氣流，這一般形成于超級單體風暴的成熟期，說明此時的環(huán)流特點有利于龍卷的生成。隨著對流風暴的增強過程，可以發(fā)現(xiàn)在17:40～17:45（圖16b～c）中對流單體右側(cè)的垂直速度明顯增強，在17:45上升速度演變?yōu)閮蓚€大值中心，其上升速度隨回波向東偏移，在強勁的垂直速度（強中心達到16m/s）作用下，超級單體出現(xiàn)有界弱回波區(qū)，配合圖13c中的鉤狀回波以及入流缺口，說明此時的對流單體已發(fā)展成為超級單體。17:45是超級單體發(fā)展最強烈的時刻，南部母體的垂直速度明顯增大且范圍隨著強回波的擴張向上向東西兩側(cè)擴大，其垂直速度的強中心（最大值22m/s）能高達11km，與回波頂高度相近；在近地面處，可以發(fā)現(xiàn)垂直運動是下沉-上升-下沉-上升相配合的，與Lemon等[37]建立的超級單體模型相似，因為龍卷系統(tǒng)最有可能生成于超級單體后部底層的云體中，由中部強上升氣流攜帶前側(cè)與后側(cè)的下沉氣流相互作用形成。在17:55，超級單體持續(xù)向東移動的同時，其強回波也在不斷的向上發(fā)展，強回波厚度在此時高達15km，伴隨著強回波區(qū)的是其垂直上升運動的強中心高度也隨之抬高，強度也維持在22m/s，但地面的垂直速度變化明顯，夾雜在上升氣流中的下沉氣流消失，只余單體西側(cè)的下沉氣流區(qū)存在，且兩股垂直氣流的中心值相距較遠，這并不利于渦旋的存在，說明此時的對流特征并不利于龍卷的生成。到了18:00上升氣流隨著強回波持續(xù)向東發(fā)展，但強度有所減弱，而近地面的下沉氣流明顯與上升氣流間距拉大，這不利于對流的發(fā)展。

圖16 對應圖13中沿黑色實線的對流單體發(fā)展期雷達反射率（填色，單位：dBZ）、垂直速度（實線為正值，虛線為負值，單位：m/s）以及徑向風與垂直速度合成風場（風向桿，單位：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）

圖17為基于FNL資料模擬分辨率為160m的不同高度垂直渦度、水平風場及40dBZ雷達反射率的空間分布，目的是為了研究小尺度渦旋發(fā)展最強盛的時候（17:50），垂直渦度在各層的一個分布狀況。從250m高度層（圖17a）就可以看到，在強回波處有氣旋輻合出現(xiàn)，伴隨在小尺度氣旋中心的為正渦度中心，而在小尺度氣旋的北部以及南部有負渦度存在，渦旋南北兩側(cè)的下沉氣流為中心強上升氣流不斷的提供能量，使得氣旋輻合能不斷的加深；強回波范圍隨著高度的增加不斷的向北擴展，在500m高度（圖17b）以及750m高度層（圖17c）中，氣旋中心均在鉤狀回波中的強回波區(qū)（＞40dBZ）內(nèi)發(fā)展，且中心為正渦度的環(huán)流配置。但隨著強回波以及氣旋中心的不斷北移，北部的負渦度強度也逐漸減弱，到了1.25km高度（圖17e）處，北部的負渦度減弱，而氣旋中心的正渦度強度也稍有減弱。在1.5～2km（圖17f～h）處，南北部的負渦度有所增強，配合正渦度中心，小尺度氣旋仍然很明顯，但到了2.5km（圖17i）處，由于強回波（40dBZ）不斷的向東方向收縮，致使渦旋特征消失，但強正渦度已經(jīng)強負渦度中心仍然配合存在。在3～4km高度層中，與渦度中心配合存在的是強勁的偏東風，并且此高度的強回波區(qū)也逐漸向東北方向移動收縮。由此看來，小尺度氣旋渦旋是從地面一直延伸至2km的高度，并隨著強回波向西北方向傾斜。

圖18為模擬的擾動溫度、垂直速度、緯向風、風速以及反射率沿圖13（a1～f1）中黑色實線的剖面圖，目的是為了研究超級單體風暴的溫度垂直結(jié)構(gòu)：暖色表示正擾動溫度，冷色表示負擾動溫度，黑色實線表示＞12m/s的風速區(qū)域，紅色實線表示強回波所在區(qū)域。從圖18a可以觀察風暴頂為強的正溫度擾動，而在風暴底為強的負溫度擾動，對比圖18a中的溫度擾動與圖16a中的垂直速度可以發(fā)現(xiàn)，在強垂直速度中心處均伴隨有一個溫度擾動區(qū)存在，在單體西側(cè)的近地面處的冷池正好對應下沉氣流中心，這是由于近地面的降水以及下沉運動的共同作用使空氣變冷，而單體高空中的暖池則是由于東部的上升入流經(jīng)過冷池的抬升，往高空帶來豐富的水汽，水汽在高空凝結(jié)釋放潛熱，使得上升氣流中心區(qū)為暖中心。隨著單體不斷的向東北方向移動，高空的暖池也在跟隨強回波區(qū)向東方向移動，地面的深厚的冷池區(qū)是由于強回波不斷的向東方向移動，同時其東面在強勁的上升氣流逼緊的情況下，使得冷池不斷變窄加深（圖17b）。到了17:45，由于垂直速度強中心的前傾，連帶暖池的減弱與前傾，而近地面高度的冷池中心穩(wěn)定維持，且地面的風速大值區(qū)也跟隨單體不斷地向東移動。由前文可知，17:50是低層對流發(fā)展最強烈的時刻，從圖18d也可以發(fā)現(xiàn)，配合強回波暖池的范圍也相應的增大，但暖池的強中心位于風暴頂50～55dBZ處，而不是與垂直速度相對應了，反觀近地面的冷池中心仍然與下沉運動向配合，并且此時的0～4km的垂直速度-緯向風合成的風速達到了12m/s，有利于增強后側(cè)下沉運動，而超級單體的東部風速也相應增大，說明此時的對流十分明顯。到了17:55，隨著后側(cè)下沉氣流的不斷增強，冷池被推移出強回波區(qū)，位于對流單體的東側(cè)，高空暖池在冷池的正上方，其在強勁的西風作用下伴隨強回波向上發(fā)展。在18:00，雖然冷池的范圍增大，但其深度減小，且風暴頂?shù)呐孛黠@減弱，說明此時的超級單體呈衰減狀態(tài)。

圖17 基于FNL資料模擬分辨率為160m的不同高度垂直渦度（填色，單位：s-1）、水平風場（風向桿，單位：m/s）及40dBZ雷達反射率（紅色等值線，單位：dBZ）空間分布（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）

圖18 對應圖13中沿黑色實線的對流單體發(fā)展期擾動溫度（填色，單位：℃）、40dBZ雷達反射率（紅色等值線，單位：dBZ）、緯向風與垂直速度合成風場（風向桿，單位：m/s）以及12m/s風速（黑色等值線，單位：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 結(jié)論

本文利用4km和160m分辨率的數(shù)值模擬結(jié)果，對產(chǎn)生可能是龍卷母體的對流單體進行綜合診斷，從雷達反射率、1h降水量、垂直速度場、風場、水成物這幾個方面分析兩套再分析資料對龍卷區(qū)域模擬效果的差異，以及對利用FNL再分析資料作為背景場的西風帶龍卷模擬結(jié)果進行超級單體的精細化結(jié)構(gòu)診斷，從雷達反射率、海平面氣壓擾動、垂直渦度場、擾動溫度這幾個方面進行分析，結(jié)論如下：

（1）通過對模擬結(jié)果和實況進行對比，發(fā)現(xiàn)FNL資料對西風帶龍卷模擬效果較好，但模擬結(jié)果與實際結(jié)果仍有差異。與ERA5的模擬結(jié)果相比，F(xiàn)NL模擬的西風帶龍卷的對流單體較大。

（2）FNL再分析資料能較好的從雷達回波、垂直速度、風場以及水成物這幾個變量中模擬出對流單體的結(jié)構(gòu)，并且在雷達回波中出現(xiàn)鉤狀回波特征。

（3）通過對500m與1000m高度的雷達回波反射率平面圖以及海平面氣壓擾動對對流風暴的演變過程進行分析，發(fā)現(xiàn)對流單體發(fā)展初期，對流單體主要以南風為主，隨著回波的合并且東北風的增強，逐漸在單體的左側(cè)出現(xiàn)風的輻合區(qū)。在超級單體的發(fā)展期時，對流單體內(nèi)的偏北風與南部的偏南風明顯增強，在超級單體的鉤狀回波處輻合，形成了小尺度氣旋特征，在南北風以及負擾動氣壓的配合下，小尺度渦旋在17:45增強，在17:50小尺度發(fā)展最為強烈，隨后減弱。超級單體的衰減期，單體內(nèi)的北風開始減弱消失，南風逐漸占據(jù)主導地位，對流單體的入流缺口逐漸消失，超級單體特征也隨之減弱。

（4）利用垂直剖面以及各個高度層的氣象要素場分析超級單體的垂直結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在17:50超級單體底部的發(fā)展最為強烈，其伴隨有后側(cè)下沉氣流以及強上升氣流，各高度層的水平風場均有明顯的氣旋性渦旋存在，配合出現(xiàn)的是正渦度中心，而渦旋的高度在0.25～2km高度處，由此看來小尺度氣旋渦旋是從地面一直延伸至2km的高度，并隨著強回波向西北方向傾斜，在這高度層中伴隨有深厚的冷池，說明在各種氣象要素的配置下，龍卷有可能發(fā)生在這小尺度氣旋內(nèi)。