雙鋒面相遇對強龍卷風(fēng)環(huán)境場影響的數(shù)值模擬研究

王堅紅　紀(jì)曉涵　王群　王興　苗子書　苗春生

摘要 對2009—2016年江蘇北部龍卷事件的環(huán)境場進行統(tǒng)計與診斷，并對兩次典型龍卷過程環(huán)境場進行數(shù)值模擬，重點探討近海岸平原地區(qū)的江蘇北部在春夏季節(jié)成為中國強龍卷最高頻發(fā)生地的特殊性以及環(huán)境雙鋒面系統(tǒng)相遇對龍卷環(huán)境場的增強機制。分析結(jié)果顯示：蘇北龍卷發(fā)生率占全省58.6%。其中鹽城和徐州又是蘇北龍卷最高發(fā)地區(qū)。春夏季節(jié)，冷暖干濕氣團勢力相近，中尺度鋒面系統(tǒng)多，易發(fā)生雙鋒面匯集造成局地龍卷強對流。對徐州（2009年）和鹽城（2016年）的兩次典型龍卷強對流環(huán)境場分析顯示，徐州龍卷為變形場鋒生和海風(fēng)鋒匯合，鹽城龍卷為氣旋鋒面和岸濱鋒相遇。WRF模擬結(jié)果顯示，雙鋒面系統(tǒng)匯聚以及鋒面二級環(huán)流相遇，可造成局地水平風(fēng)速垂直扭轉(zhuǎn)及垂直速度的水平切變，有利于驅(qū)動和增強區(qū)域正渦度;雙鋒面二級環(huán)流垂直上升支的疊加，可在平坦地區(qū)產(chǎn)生強烈的系統(tǒng)性抬升。這將形成有利龍卷類強對流天氣發(fā)生發(fā)展的環(huán)境場。而各種常用的強對流指標(biāo)均具有較強局地性，需要依據(jù)局地統(tǒng)計特征進行參考使用。

關(guān)鍵詞蘇北龍卷環(huán)境場;雙鋒面相遇;區(qū)域平均的扭轉(zhuǎn)與擾動抬升;數(shù)值模擬與機制分析

龍卷是一種生命期短暫的局地強對流劇烈天氣，其預(yù)報預(yù)警難度較大。范雯杰和俞曉鼎（2015）統(tǒng)計了1951—2010年中國的龍卷，闡明大多數(shù)龍卷發(fā)生在春夏兩季。4—8月龍卷的數(shù)量占全年的87%，且多出現(xiàn)在午后至傍晚，多數(shù)只能維持不到半小時;魏文秀和趙亞民（1995）利用1981—1993年的資料統(tǒng)計了我國龍卷，指出中國龍卷的高發(fā)區(qū)主要有兩個，一個在長三角經(jīng)蘇北平原至黃淮平原，呈南北走向，另一個在廣東和廣西，呈東西走向;其中江蘇是我國龍卷發(fā)生最多的省份，而鹽城則是江蘇記錄到強度在EF3級以上龍卷最多的地區(qū)。事實上，經(jīng)過20多年，這個特征依然保持。

強對流龍卷天氣的產(chǎn)生需要特定的外部旋轉(zhuǎn)性動力驅(qū)動過程和區(qū)域性不穩(wěn)定觸發(fā)機制。這方面的研究多集中在不穩(wěn)定能量、抬升觸發(fā)機制等方面的分析。Ben-Amots（2016）討論了離心力旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，認為龍卷抽吸造成中心低氣壓并維持云底吸附在漏斗頂部，進一步地離心力將龍卷水汽甩出龍卷漏斗，水汽在漏斗周圍釋放潛熱，形成龍卷邊緣暖于中心，更有利于龍卷螺旋上升運動的維持和龍卷的增強。MacGorman and Burgess（1994）、Schumacher and Boustead（2011）、Wapler et al.（2016）以及Belo-Pereira et al.（2017）研究了歐洲地區(qū)的龍卷，并結(jié)合雷達圖像給出龍卷控制區(qū)強烈的不穩(wěn)定性和中尺度氣旋環(huán)流的特征。Rose et al.（2004）、Gaffin and Parker（2006）分析了北美地區(qū)的龍卷天氣學(xué)條件，注意到地面和850 hPa上的露點溫度、500 hPa槽區(qū)和高空250 hPa急流的出口右側(cè)均為影響龍卷的重要因子。Grams et al.（2012）比較分析了美國嚴重龍卷不同參數(shù)及其環(huán)境變量，認為合成參數(shù)具有更好指示性。國內(nèi)的龍卷強對流研究主要集中在龍卷環(huán)境條件方面，主要關(guān)注天氣背景、不穩(wěn)定指標(biāo)、位渦趨勢計算、雷達回波特征、詳細分析龍卷個例過程等（俞小鼎等（2008）、鄭媛媛等（2009）、姚葉青等（2012）、李改琴等（2014）、張小玲等（2016）、陳小宇等（2018）），發(fā)現(xiàn)低層暖濕氣流、中層弱冷空氣、低空急流或低層低渦，與高空急流配合，形成中等強度的對流有效位能和強垂直風(fēng)切變，為強龍卷的產(chǎn)生創(chuàng)造了良好的環(huán)境;觸發(fā)機制往往是地面有弱冷空氣入侵和低層的切變線。小尺度龍卷模擬仍然是目前的難點，李佳等（2017）則采用快速更新循環(huán)同化預(yù)報模式系統(tǒng)模擬出了類似龍卷母體的小尺度渦旋結(jié)構(gòu)。指出逐小時循環(huán)同化對龍卷系統(tǒng)的模擬起著關(guān)鍵作用。

上述研究對龍卷的地域性和季節(jié)性的研究多限于統(tǒng)計結(jié)果，對龍卷強對流天氣的環(huán)境場分析也多基于基本天氣系統(tǒng)特征與常規(guī)強對流指標(biāo)計算。本文將依據(jù)中國龍卷多發(fā)地及強龍卷常發(fā)地——江蘇蘇北地區(qū)的龍卷事件，揭示與龍卷相伴的雙鋒面系統(tǒng)在相遇時，對區(qū)域的正渦度旋轉(zhuǎn)性和擾動抬升力的增強機制作用，進一步通過數(shù)值模擬及驗證，探討江蘇北部龍卷春夏季多發(fā)原因以及影響龍卷強對流環(huán)境場的關(guān)鍵雙鋒面系統(tǒng)特征及其影響過程。

1 資料與方法

采用2009—2016年NCEP/NCAR的FNL資料，水平分辨率為1.0°×1.0°，垂直分辨率為26層，時間間隔為6 h。CMWF Era-interim提供的再分析資料，水平分辨率為0.125°×0.125°，時間間隔為6 h。2009—2016年江蘇省氣候中心強對流天氣年報。江蘇省氣象局的沿海三個風(fēng)塔監(jiān)測數(shù)據(jù)，位置分別為：蘇北沿岸（119°46′E，34°28′N）、蘇中沿岸（120°34′E，33°38′N）、蘇南沿岸（121°25′E，32°15′N），以及金風(fēng)科技公司在江蘇沿岸近海風(fēng)電場的風(fēng)場監(jiān)測資料。

不僅對所研究時段的龍卷強對流天氣進行統(tǒng)計分析，同時考慮龍卷的顯著旋轉(zhuǎn)特性以及對局地環(huán)流的強烈擾動，依據(jù)渦度方程（式（1））診斷龍卷過程環(huán)境場平均的渦度方程各項特征與變化;重點運用中尺度氣象模式WRF（The Weather Research and Forecasting Model）對典型龍卷環(huán)境場中的雙鋒面活動進行模擬、并討論相關(guān)強對流指數(shù)的特征（苗春生等，2018），如對流有效位能（CAPE）、對流抑制能量（CIN）、抬升凝結(jié)高度（LCL）、自由對流高度（LFC）、風(fēng)場相對螺旋度SRH（SRH）等。

區(qū)域范圍渦度變化率為：

其中：ζ為渦度;u，v，w分別為風(fēng)場在x、y、z方向上的三個分量;左側(cè)為低渦強度變率，可以展開為：-Vh·ζ為渦度平流項;-wζz為渦度垂直平流項;-vβ=-vdfdy為地轉(zhuǎn)渦度或牽連渦度的經(jīng)向平流項;右側(cè)各項：-（ζ+f）·Vh為渦度散度項;1ρ2ρxpy-ρypx為斜壓項;uzwy-vzwx為扭轉(zhuǎn)項，該項表示由于垂直速度的水平分布不均勻，使得水平渦度向垂直渦度轉(zhuǎn)換，從而引起渦度垂直分量的變化。這4項是影響局地渦度強度變率的關(guān)鍵因子。

2 蘇北龍卷強對流天氣統(tǒng)計

蘇北地區(qū)地處我國大陸中東部，東臨黃海，地居長江淮河下游，地勢平坦。在南北向上，蘇北地區(qū)處于亞熱帶和北溫帶過渡地帶，是冷暖氣團交匯區(qū)域，在東西向上，蘇北地區(qū)受到海洋氣團和大陸氣團交錯影響。在春夏季節(jié)，南北冷暖氣團和東西干濕氣團勢力接近，相遇對抗，容易造成復(fù)雜的對流性天氣。在這樣的背景下，蘇北地區(qū)成為了全國范圍中強對流龍卷天氣災(zāi)害最高發(fā)地區(qū)。

統(tǒng)計了2009—2016年江蘇省龍卷天氣發(fā)生的地點、頻數(shù)情況，蘇北地區(qū)龍卷占全省龍卷天氣的58.6%，其次是蘇中地區(qū)，占比達到27.5%，發(fā)生龍卷天氣最少的則是蘇南地區(qū)，占比為13.9%。而在蘇北地區(qū)，鹽城和徐州是蘇北地區(qū)最易發(fā)生龍卷天氣的地區(qū)，占比分別為64.7%和23.5%。進一步地，對2009—2016年江蘇省龍卷天氣逐月變化進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示，2009—2016年期間，7、8月是龍卷天氣的高發(fā)月份，天數(shù)達到9 d，其次是6月達3 d，9月平均發(fā)生龍卷的天數(shù)是1 d，其他月份則未有龍卷天氣發(fā)生。因此龍卷天氣發(fā)生的季節(jié)性特征很明顯，主要在春末夏初季節(jié)。

由于龍卷尺度小，生命期短，又具有極強的旋轉(zhuǎn)環(huán)流，因此這種局地強對流需要有環(huán)境場的驅(qū)動與支持。在寒冷季節(jié)，中高緯度西風(fēng)帶冷勢力強大，位置偏南，或者是呈大槽大脊，或者是平直西風(fēng)，江蘇地區(qū)由大尺度系統(tǒng)控制，上升或下沉運動均顯示為大尺度狀態(tài)，各種小尺度對流被抑制。在溫暖季節(jié)，南方暖空氣勢力向北推進，冷氣團北撤，而總體上暖氣團實力較為溫和，因此冷暖空氣的交匯，往往處于勢均力敵的狀態(tài)。并且鋒面系統(tǒng)多，鋒生形勢多現(xiàn)。盡管夏季副熱帶高壓強盛，但是當(dāng)副高在到達華北地區(qū)時往往分離成幾個團塊中心，總體實力被消減?；蛘呤谴箨懴到y(tǒng)入海，副高東退，蘇北地區(qū)則受到離散高壓的南部或西部邊緣影響。而龍卷這種局地強對流活動很容易在這種冷暖勢力強度接近的對抗階段和多鋒面環(huán)境下獲得驅(qū)動。

龍卷有別于其他強對流過程的一個顯著方面是其強烈的小尺度旋轉(zhuǎn)性，這種局地性的災(zāi)害系統(tǒng)，不僅需要局地旺盛的熱對流，還需要強盛的環(huán)境動力旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。是哪些關(guān)鍵系統(tǒng)促成了這種環(huán)境場的垂直對流與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動在局地的結(jié)合與強化，進而有利于龍卷的發(fā)生？這些問題的探討，將促進對龍卷強對流環(huán)境場的作用，以及中小尺度動力學(xué)理論的深入認識。

對2009—2016年發(fā)生在江蘇的龍卷天氣和局地環(huán)境場及其低層影響系統(tǒng)和數(shù)量進行分析與統(tǒng)計，在這些龍卷強對流發(fā)生過程中經(jīng)常出現(xiàn)中尺度鋒面。這些鋒面類別有：海風(fēng)鋒，海上偏冷氣團由海風(fēng)推向陸地，與陸地上的暖空氣匯合，在近海形成鋒生與溫度鋒區(qū);岸濱鋒，由于海上氣團與內(nèi)陸氣團因下墊面熱力差異形成明顯溫差和沿岸鋒區(qū)，此時沒有海風(fēng)配合，鋒區(qū)穩(wěn)定在海岸線附近，稱為岸濱鋒;變形場鋒生，由內(nèi)陸變形場與溫度鋒區(qū)配合，增強等溫線密集帶，形成鋒生與鋒區(qū);中尺度氣旋與氣旋族鋒面，與氣旋配合的溫度鋒區(qū)，有暖鋒鋒區(qū)與冷鋒鋒區(qū)。上述中尺度鋒區(qū)在6、7、8月的暖季，經(jīng)常出現(xiàn)，易于形成相互對抗，相互支撐，總效果將增強局地區(qū)域內(nèi)的不穩(wěn)定。值得注意的是，統(tǒng)計顯示多數(shù)情況下，龍卷發(fā)生在兩個影響鋒面同時存在的環(huán)境場中。統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

為具體研究蘇北龍卷發(fā)生區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵雙鋒面系統(tǒng)的影響活動與作用，選取了兩個典型龍卷事件，一個是徐州龍卷，發(fā)生在2009年6月5日，另一個是鹽城龍卷，發(fā)生在2016年6月23日。對這兩個典型蘇北龍卷事件，進行過程診斷分析與環(huán)境場的數(shù)值模擬，探討龍卷強對流天氣環(huán)境場中雙鋒面系統(tǒng)的重要作用。

3 兩次龍卷環(huán)境場及其關(guān)鍵鋒面系統(tǒng)

兩次龍卷過程均發(fā)生于下午，徐州沛縣龍卷發(fā)生在16：00（北京時，下文中如未特別說明，均為北京時），鹽城阜寧龍卷發(fā)生在14：30。圖1為兩次過程中的地面（1 000 hPa）風(fēng)場與溫度場。圖1a溫度場上沿海岸的等溫線密集帶以及自海上向內(nèi)陸的風(fēng)場構(gòu)成了海風(fēng)鋒，在徐州地區(qū)風(fēng)場是鞍形場（變形場），對應(yīng)鞍形場的經(jīng)向壓縮支，有溫度鋒區(qū)，構(gòu)成典型的變形場鋒生環(huán)境。這兩個鋒面系統(tǒng)相向而行，一個西進，一個東移，因此關(guān)鍵影響系統(tǒng)是相遇的變形場鋒生鋒面和海風(fēng)鋒。圖1b溫度場上沿海岸線的等溫線密集帶沒有向內(nèi)陸的風(fēng)場配合，而是與自南向北的沿海岸南北走向的輻合線配合，所以是岸濱鋒，主要維持在沿岸地區(qū)。同時在鹽城北面有緯向分布的溫度鋒區(qū)，與兩個并列的中尺度氣旋環(huán)流對應(yīng)，因此是氣旋族鋒面，該鋒面隨著氣旋族東移，向岸濱鋒趨近。這樣鹽城阜寧龍卷強對流天氣環(huán)境場的關(guān)鍵系統(tǒng)是相遇的岸濱鋒和氣旋族鋒面。應(yīng)用金風(fēng)科技風(fēng)能公司在鹽城市射陽近海風(fēng)電廠2016年6月23日14時風(fēng)機測風(fēng)數(shù)據(jù)，結(jié)果列于圖1b中，以沿海的風(fēng)向標(biāo)識顯示，近海實測的風(fēng)速風(fēng)向與再分析資料基本一致。

分別對兩龍卷事件環(huán)境場的關(guān)鍵鋒面系統(tǒng)做垂直速度的垂直剖面分析，了解兩系統(tǒng)的強對流特征，如圖2a、b（緯向剖面）和圖3a、b（經(jīng)向剖面）所示。兩龍卷事件中環(huán)境場的海岸帶系統(tǒng)主要平行于海岸線，為南北走向系統(tǒng)，它們的緯向垂直剖面分析均顯示海岸帶鋒面附近的強烈上升運動表現(xiàn)為：強對流龍卷區(qū)（白三角處）有強上升支（綠色虛線），而近岸海域為下沉支（綠色實線）。圖中藍色等值線為u分量，正值區(qū)u>0為西風(fēng)，負值區(qū)u<0指示來自海上的東風(fēng)。在低層兩次過程均有自海上向內(nèi)陸的東風(fēng)分量。而在高層，均有內(nèi)陸向海上的西風(fēng)分量。由此海風(fēng)鋒和岸濱鋒附近的強上升支與下沉支以及下層的東風(fēng)和上層的西風(fēng)，構(gòu)成了沿海鋒面的二級環(huán)流，走向與沿海鋒面相交，偏緯向。

而兩龍卷強對流環(huán)境場的陸上系統(tǒng)主要為變形場鋒生鋒區(qū)和氣旋族鋒區(qū)，這兩個鋒區(qū)是東西走向分布。垂直速度的經(jīng)向分布顯示（圖3a、b），陸上鋒面系統(tǒng)附近的強烈上升運動，在沛縣變形場鋒生鋒區(qū)的南側(cè)為下沉運動區(qū)（ω>0），北側(cè)為上升動區(qū)（ω<0），低層有偏南風(fēng)自南向北，上層有偏北風(fēng)，自北向南，由此構(gòu)成了與內(nèi)陸鋒面相交的經(jīng)向鋒面二級環(huán)流。在阜寧氣旋族鋒面的北側(cè)是下沉運動區(qū)（ω>0），南側(cè)是上升運動區(qū)（ω<0），下層有偏北風(fēng)自北向南（v<0），上層有偏南風(fēng)（v>0），自南向北，也構(gòu)成了與內(nèi)陸鋒面相交的經(jīng)向鋒面二級環(huán)流（圖3b）。

由于蘇北地區(qū)地勢平坦，龍卷強對流環(huán)境場的局地抬升缺乏山脈等地形強迫作用，因此需要天氣系統(tǒng)的抬升效應(yīng)的加持，圖2和圖3顯示，南北走向和東西走向兩類鋒面以及鋒面二級環(huán)流隨雙鋒面相互趨近，在龍卷發(fā)生地區(qū)它們的上升支相互疊加，形成強勢的系統(tǒng)性垂直上升運動區(qū)，可構(gòu)成對局地對流的強烈抬升能力。此外環(huán)境場中的海岸帶鋒面系統(tǒng)和內(nèi)陸鋒面系統(tǒng)及其二級環(huán)流方向不同，或偏經(jīng)向或偏緯向，不同運動方向的鋒面及其二級環(huán)流相互疊加，將產(chǎn)生水平風(fēng)的垂直切變以及垂直運動的水平切變，即產(chǎn)生氣流水平扭轉(zhuǎn)并向垂直方向發(fā)展。此種動態(tài)將加強低層的區(qū)域氣旋式扭轉(zhuǎn)，如徐州龍卷位于鞍型場鋒生區(qū)的氣旋式環(huán)流中（圖1a白三角位置），以及阜寧龍卷出現(xiàn)在沿海漸近線型鋒生輻合線（王堅紅等，2019）左側(cè)的氣旋式切變環(huán)流中（圖1b白三角位置）。雙鋒面系統(tǒng)空間分布經(jīng)緯向度不同，它們的移動方向造成它們的趨近，由此它們的相遇將為強對流龍卷活動提供系統(tǒng)性強抬升與系統(tǒng)性旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，這可能是蘇北地區(qū)龍卷多發(fā)的原因之一。

為驗證此類鋒面二級環(huán)流疊加產(chǎn)生的區(qū)域扭轉(zhuǎn)驅(qū)動及抬升抽吸的增強效應(yīng)，依據(jù)渦度變率方程（式（1））對龍卷發(fā)生地域的區(qū)域平均渦度變化及其分項功能進行診斷計算，結(jié)果如表2所示。

在龍卷發(fā)生前的08時，渦度變率方程各項量值均較小或為負值，龍卷發(fā)生的14時，總渦度變率及其各項在整層都顯得活躍，總渦度變率增量為正，正渦度增加。尤其是扭轉(zhuǎn)項，扭轉(zhuǎn)項的增量為各項中最大，并且在850 hPa層達到增量峰值，超過其低層950 hPa和其高層750 hPa扭轉(zhuǎn)量值，分別為沛縣龍卷的13.77×10-5 s-2和阜寧龍卷的8.97×10-5 s-2。顯示在龍卷發(fā)生地區(qū)的環(huán)境場里，不同方向鋒面二級環(huán)流疊加，形成水平風(fēng)速垂直切變和垂直速度水平切變迅速增大，進而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)項顯著增加，并在中低層最為顯著，貢獻給局地渦旋增長，有利于區(qū)域內(nèi)龍卷強對流活躍發(fā)生。此外兩個龍卷中阜寧龍卷較沛縣龍卷更強，對應(yīng)阜寧龍卷，850 hPa和750 hPa均為扭轉(zhuǎn)項大值層，即扭轉(zhuǎn)項大值層更深厚，而沛縣龍卷對應(yīng)的低層扭轉(zhuǎn)項大值層僅有850 hPa，顯示深厚的扭轉(zhuǎn)項大值層有利于更強的龍卷發(fā)生。

進一步地，采用區(qū)域中尺度數(shù)值模式WRF，對這種雙鋒面系統(tǒng)及其影響進行模擬與分析。

4 兩次龍卷環(huán)境場雙鋒面影響機制模擬

4.1 WRF模式資料與試驗參數(shù)方案

數(shù)值模擬采用的是中尺度模式WRF（The Weather Research and Forecasting Model），模式所使用的初始場和邊界資料是1°×1°的FNL全球再分析資料，兩次個例模擬均采用三層嵌套（圖略;苗春生等，2017;譚偉才等，2018;），模式水平分辨率最高達到4 km。粗網(wǎng)格的中心緯度為（120°E，32°N），模式中的網(wǎng)格eta均為60層，底層垂直分辨率可達10 m。模式參數(shù)方案配置方案，邊界層方案采用的是Eta Mellor-Yamada-Janjic TKE湍流動能方案，微物理過程是Ferrier（new Eta）微物理方案，長波輻射為rrtm方案，短波輻射為Dudhia方案，陸面參數(shù)化采用了Noah方案，近地面層方案則是MYJ Monin-Obukhov方案。對個例1的模擬積分時間為2009年6月4日12時—5日12時（世界時），對個例2的模擬積分時間為2016年6月22日12時—23日12時（世界時）。

4.2 WRF模擬結(jié)果驗證

為檢驗?zāi)Ｊ侥M效果，將采用上述參數(shù)化方案的模式模擬結(jié)果和實測結(jié)果進行對比分析。根據(jù)江蘇省氣象局沿海風(fēng)塔監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取蘇中及蘇北的測風(fēng)塔1（20°34′E，33°38′N）和測風(fēng)塔2（119°46′E，34°28′N）的逐小時風(fēng)速數(shù)據(jù)資料。

圖4為2009年6月5日1—20時10 m高度處風(fēng)速觀測值與數(shù)值模擬值日變化對比結(jié)果，其中細實線為測風(fēng)塔1位置處的模式模擬結(jié)果，細點劃線為測風(fēng)塔1的實測結(jié)果。粗實線為測風(fēng)塔2的模式模擬結(jié)果，粗點劃線為測風(fēng)塔2的觀測結(jié)果?？傮w上模式模擬結(jié)果與測風(fēng)塔實測結(jié)果具有較為一致的演變趨勢，7時之前風(fēng)速較低，在4 m/s以下。接著風(fēng)速逐漸增大，到17時左右達到最大風(fēng)速，6～7 m/s。然后風(fēng)速開始減小，20時下降到5 m/s以下。所以模式對兩個測風(fēng)塔的風(fēng)速演變模擬效果較為理想。而表3給出了風(fēng)場模擬效果的定量比較與統(tǒng)計檢驗，統(tǒng)計檢驗顯示數(shù)值模擬效果較好。

圖5顯示了2016年6月23日14時850 hPa再分析風(fēng)場與數(shù)值模擬風(fēng)場的對比。圖5中數(shù)值模式對環(huán)流系統(tǒng)模擬較好，對東移入海的氣旋位置和尺度大小的模擬與再分析數(shù)據(jù)場比較符合，模式的空間精度高，圖5b已進行稀疏化。氣旋東部風(fēng)速模擬值偏小一些，氣旋以西的風(fēng)，模擬的風(fēng)向偏北分量更明顯一些?？傮w模擬效果較好，顯示模式模擬用所采的參數(shù)化配置比較合適。

4.3 龍卷環(huán)境場雙鋒面系統(tǒng)影響機制數(shù)值模擬

4.3.1 2009年6月5日沛縣龍卷環(huán)境場垂直速度演變

選取34.7°N代表沛縣的緯度地理位置，做垂直速度緯向115°～123°E垂直剖面的時間演變分析，圖6顯示了模擬的2009年6月5日11時、15時、16時、18時在沛縣（34.7°N）的垂直速度緯向分布。

11時（圖6a），在研究區(qū)域海岸線西側(cè)有一處垂直上升運動，沛縣附近沒有上升運動區(qū)。15時（圖6b）海岸線附近的抬升運動中心逐漸西移進入內(nèi)陸，強度和范圍均增加，3.5 km高度處（約700 hPa）垂直速度中心高達120 cm/s，同時沛縣附近也出現(xiàn)了一個較為明顯的抬升中心，2.5 km高度處抬升強度達到40 cm/s，兩個抬升中心正在相向而行，顯示兩個系統(tǒng)性抬升區(qū)在逐步接近。16時（圖6c）兩個抬升中心在沛縣上空匯合加強，垂直上升運動顯著增強，2.5 km高度處垂直速度達160 cm/s，環(huán)境場的劇烈抬升運動有利于龍卷類強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。到18時（圖6d），沛縣附近的龍卷已經(jīng)消亡，從內(nèi)陸沛縣到沿海整個區(qū)域，垂直速度全面降低，僅沛縣附近留存少量弱上升運動，其余地區(qū)上升運動基本趨零。這個過程顯示此次龍卷強對流環(huán)境場的系統(tǒng)性抬升與變形場鋒生和海風(fēng)鋒兩個鋒面系統(tǒng)二級環(huán)流的上升支匯合疊加密切相關(guān)，鋒面匯合將增強區(qū)域內(nèi)垂直抬升強度。

4.3.2 2009年6月5日沛縣龍卷環(huán)境場渦度變率

兩個鋒面系統(tǒng)空間伸展?fàn)顟B(tài)的南北走向和東西走向分布不同，相遇時會形成水平風(fēng)速扭轉(zhuǎn)交匯，二級環(huán)流的垂直扭轉(zhuǎn)交匯，其中氣旋式的交匯部分將有利于局地氣旋式渦度的增加，有利于區(qū)域內(nèi)龍卷的旋轉(zhuǎn)形成。圖7為數(shù)值模擬在116°～120°E、33°～36°N，局地區(qū)域平均渦度及其各分項垂直分布特征。在徐州沛縣龍卷事件發(fā)生的上午11時（圖7a），該地區(qū)平均渦度及其方程各項很弱，尤其是低層，幾乎是零。但是在龍卷即將發(fā)生時刻，16時（圖7b），區(qū)域總渦度變化率和扭轉(zhuǎn)項發(fā)生顯著增長，主要的增長在0.5 km和2.0 km兩個高度。兩層扭轉(zhuǎn)項均達到6.5×10-5 s-2，總渦度變化率分別為4×10-5 s-2和3.5×10-5 s-2。顯示扭轉(zhuǎn)項對局地總渦度變率有重要貢獻，在此次過程中，各層區(qū)域平均總渦度的正增量，主要來自于該層扭轉(zhuǎn)項的正貢獻，以及渦度平流項;渦度垂直輸送項也得益于扭轉(zhuǎn)項的增強。對比a和b兩個時刻，區(qū)域渦度增量整層迅速活躍，有利于區(qū)域強對流龍卷的發(fā)生發(fā)展。

4.3.3 2016年6月23日阜寧龍卷環(huán)境場垂直速度演變

與沛縣龍卷類似，分析阜寧龍卷強對流環(huán)境場的雙鋒面系統(tǒng)垂直上升運動特征，圖8是2016年6月23日11—14時在阜寧（33.8°N）緯向垂直剖面上的垂直速度分布模擬結(jié)果。在11時（9a）該區(qū)域環(huán)境場的抬升特征比較微弱，等值線較稀疏。12時（圖8b）岸濱鋒的抬升逐漸增大，尤其在低層，此時內(nèi)陸的氣旋鋒面的抬升強度也在逐漸增強，主要在中層。到13時（圖8c）內(nèi)陸的抬升中心逐漸東移，影響阜寧與海岸之間區(qū)域抬升運動增強，抬升中心速度達到20 cm/s。14時（圖8d）氣旋鋒面的抬升中心東移至阜寧，氣旋鋒面和岸濱鋒匯合，抬升強度達到最大，為30 cm/s。垂直速度的模擬結(jié)果顯示，此次強對流天氣環(huán)境場中的關(guān)鍵系統(tǒng)是東移氣旋族鋒面和岸濱鋒，兩個鋒面系統(tǒng)匯合疊加作用加強了局地抬升運動，有利于區(qū)域內(nèi)強對流天氣的發(fā)生與發(fā)展。

4.3.4 2016年6月23日阜寧龍卷環(huán)境場渦度變率

阜寧強對流龍卷天氣環(huán)境場的雙鋒面系統(tǒng)中內(nèi)陸鋒面系統(tǒng)（東西向）與海岸帶鋒面系統(tǒng)（南北向）伸展方向不一致（見圖1b），兩系統(tǒng)相遇，鋒面及其二級環(huán)流將造成局地風(fēng)的水平與垂直扭轉(zhuǎn)，同樣根據(jù)渦度方程（式1）計算模式模擬的阜寧龍卷過程渦度變率，圖9為2016年6月23日11時和14時在170°～120°E、32°～35.5°N范圍的區(qū)域平均渦度變率及其各分項值隨高度的變化。圖9顯示，在11時（圖9a）中低層扭轉(zhuǎn)項基本為零，而14時（圖9b），在0.5～1.5 km高度中，扭轉(zhuǎn)項迅速增大為5×10-5 s-2，此時中低層正渦度變率已從負值轉(zhuǎn)為正值，扭轉(zhuǎn)項在中低層多層均增大，扭轉(zhuǎn)項的增大對正渦度變率尤其是正渦度增量作出了主要的貢獻。顯然龍卷過程的區(qū)域平均渦度變率顯示，雙鋒面系統(tǒng)及其二級環(huán)流相遇，因方向不同，造成風(fēng)速垂直切變扭轉(zhuǎn)，有利于區(qū)域環(huán)境強旋轉(zhuǎn)運動旺盛。低層扭轉(zhuǎn)層的厚度增加，有利于龍卷強對流的強度增大。

顯然兩次龍卷環(huán)境場的區(qū)域平均渦度變率均顯示，雙鋒面系統(tǒng)及其二級環(huán)流相遇造成的風(fēng)速水平扭轉(zhuǎn)和垂直扭轉(zhuǎn)，增強了局地正渦度，有利于驅(qū)動局地小尺度強旋轉(zhuǎn)運動;而兩鋒面二級環(huán)流垂直上升支的疊加則造成平原地區(qū)的強烈系統(tǒng)性抬升運動，形成有利于局地強對流活躍的環(huán)境條件。這種局地旋轉(zhuǎn)與系統(tǒng)性抬升環(huán)境將有利于觸發(fā)龍卷類強對流天氣在平坦地區(qū)的發(fā)生發(fā)展。

4.3.5 兩次龍卷環(huán)境場強對流指標(biāo)特征與對比

龍卷等強對流天氣過程中，強對流指數(shù)是指標(biāo)性參數(shù)，依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對各類強對流指數(shù)進行數(shù)理計算，結(jié)果列于表4。表4給出了兩次強對流龍卷過程中各種強對流參數(shù)，2009年6月5日的結(jié)果列于左側(cè)，2016年6月23日的模擬計算結(jié)果列于右側(cè)。其中CAPE為對流有效位能，CIN為對流抑制能量，LCL為抬升凝結(jié)高度，LFC為自由對流高度，SRH（SRH）為風(fēng)場相對螺旋度。

表4顯示，在5種強對流指數(shù)中，它們的演變趨勢在各自單指標(biāo)時的指示性意義可能較好，在同時使用時，它們的表現(xiàn)容易造成某種程度的困惑。如在沛縣龍卷過程中（左側(cè)列）CAPE、CIN、LFC的指示性較一致，在強對流龍卷天氣發(fā)生前為高值，然后不斷減弱，龍卷之后為最低值。如CAPE值在14時高達1 227.3 J·Kg-1，顯示沛縣上空處于較強的對流不穩(wěn)定狀態(tài)中，有利于強對流龍卷天氣的發(fā)生與發(fā)展，而到了16時強對流發(fā)生之時，CAPE大幅度降至223.7 J·Kg-1，顯示沛縣上空的對流不穩(wěn)定能量正在快速釋放，到17時CAPE值降為0，強對流龍卷過程結(jié)束。但是這三個指數(shù)各自應(yīng)以何值為臨界判斷值，不易確定。特別是對應(yīng)不同的龍卷過程，它們的演變趨勢會發(fā)生變化，如CAPE和LFC在阜寧龍卷中的演變趨勢（右側(cè)列）就分別變?yōu)槿鯊娙鹾蛷娙鯊姷牟煌厔荩@示這些強對流指數(shù)的局地性明顯，不合適采用統(tǒng)一的臨界值和統(tǒng)一的演變趨勢進行判斷。對于LCL、SRH兩個強對流指數(shù)，在沛縣龍卷和阜寧龍卷時變化趨勢比較一致，LCL顯示出強弱強的變化趨勢，而SRH則是弱強弱的反向變化趨勢。因此，強對流指數(shù)的應(yīng)用要依據(jù)局地歷史統(tǒng)計特征再進行參考使用。

進一步根據(jù)已有的判別標(biāo)準(zhǔn)（Thompson et al.，2007）：

1）SRH=150～299，容易發(fā)生弱龍卷天氣;

2）SRH=300～499，容易發(fā)生中等強度龍卷天氣;

3）SRH>450，容易發(fā)生強龍卷天氣。

對照表4，2016年6月23日12時SRH為153.4 m2·s-2，屬于容易發(fā)生弱龍卷天氣指標(biāo)，到14：00 SRH增大到315.4 m2·s-2，則屬于容易發(fā)生中等強度龍卷天氣指標(biāo)，因此需要警惕強對流龍卷天氣的發(fā)生與發(fā)展，但是2009年6月5日的SRH指標(biāo)則未達到給定預(yù)警指標(biāo)，再次說明各種強對流指標(biāo)具有局地特征，可能要做局地統(tǒng)計分級分析后再參考使用。

5 結(jié)論

通過診斷分析與數(shù)值模擬，重點探討了近海岸平原地區(qū)的江蘇北部在春夏季節(jié)成為中國強龍卷最高頻發(fā)生地的特殊性。揭示兩個中尺度鋒面系統(tǒng)的相遇，是一類龍卷環(huán)境場的關(guān)鍵系統(tǒng)過程。

1）依據(jù)2009—2016年江蘇省氣候中心年報對江蘇省強對流天氣進行的統(tǒng)計分析，顯示蘇北地區(qū)是江蘇省龍卷的高發(fā)區(qū)，發(fā)生率占全省龍卷天氣的58.6%。鹽城和徐州又是蘇北地區(qū)最易發(fā)生龍卷天氣的地區(qū)，占比分別達到64.7%和23.5%。主要發(fā)生時期為春夏季節(jié)。

2）對鹽城阜寧（2016年）和徐州沛縣（2009年）的兩次典型龍卷強對流環(huán)境場進行診斷分析顯示，龍卷易發(fā)生在冷暖氣團勢力較為均衡的季節(jié)，此時系統(tǒng)的尺度適中，環(huán)境場中多鋒面生成與存在，雙鋒面系統(tǒng)相遇則相互抗衡。兩次龍卷強對流的關(guān)鍵影響系統(tǒng)均為兩個中尺度鋒面相遇，鹽城龍卷環(huán)境場為氣旋鋒面和岸濱鋒，徐州龍卷環(huán)境場為變形場鋒生和海風(fēng)鋒。鋒面附近的垂直剖面均顯示中低層有強烈的二級環(huán)流和垂直上升運動中心。

3）對兩次龍卷環(huán)境場的診斷與WRF模擬結(jié)果證實，相互趨近的雙鋒面系統(tǒng)及其伴隨的不同方向二級環(huán)流相遇造成風(fēng)速水平與垂直扭轉(zhuǎn)，有利于驅(qū)動和增強局地區(qū)域正渦度增量，尤其是渦度扭轉(zhuǎn)項的貢獻;雙鋒面二級環(huán)流垂直上升支的趨近與疊加，可造成平坦地區(qū)強烈的系統(tǒng)性抬升運動，有利于局地整層強對流活躍。這種環(huán)境場的局地旋轉(zhuǎn)與系統(tǒng)性抬升的合成效應(yīng)，將有利于觸發(fā)區(qū)域內(nèi)龍卷類強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。此外各種常規(guī)強對流指標(biāo)的應(yīng)用可能需要考慮指標(biāo)的局地統(tǒng)計特征才能使用。

致謝：南京信息工程大學(xué)高性能計算中心給予了數(shù)值計算支持和幫助，江蘇省氣象局提供了風(fēng)塔歷史資料，金風(fēng)科技提供了近海風(fēng)電場歷史資料，以及美國NCEP/NCAR提供了FNL再分析歷史資料，謹致謝忱。

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The numeric simulation study on influence of double fronts meeting on environment field of the strong tornado

WANG Jianhong1，2，JI Xiaohan1，3，WANG Qun4，WANG Xing1，5，MIAO Zishu6，MIAO Chunsheng1，5

1Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/College of Atmospheric Science，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2School of Marine Sciences，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

3Gaochun Meteorological Bureau，Nanjing 211300，China;

4Yancheng Meteorological Bureau，Yancheng 224005，China;

5Nanjing Xinda Institute of Meteorological Science & Technology，Nanjing 210044，China;

6Baotou Meteorological Observatory，Baotou 014030，China

In this study，two Tornado disasters occurred in northern Jiangsu，Chinafrom 2009 to 2016 were studiedvia numerical simulation.The objective of the study was to explore the reasons of the northern Jiangsu coastal plain area as the most frequent place of strong tornados in China in spring and summer.The mechanism of tornado formation due to emergence of double front systems in the area was discussed.The results showed that the tornado events in northern Jiangsu accounted for 58.6% of that of the whole province.Particularly，Yancheng and Xuzhou are two cities with high incidence of tornadoes.In spring and summer，the intensities of cold，warm，dry，and wet air masses are similarin the area，forming many mesoscale front systems.Thus，the area is prone to local strong convection tornadoscaused by the convergence of two frontsystems.Analysis of two typical strong convection tornado sites in Yancheng （2016） and Xuzhou （2009） showed that the Yancheng tornado was due to the convergence of a cyclone front and a shore front，while the Xuzhou tornado was a result of a deformation field frontogenesis and a sea-breeze front.The WRF simulation results showed that the convergence of the two frontal systems and the encounter of the frontal secondary circulation caused vertical torsion of the local horizontal wind and horizontal shear of the vertical wind，which increased the regional positive vorticity.The superposition of the vertical ascending branches of the double front secondary circulation produced strong systematic uplift in flat areas，resulting in an area favorable for the development of tornados.Moreover，all of the common strong convection indices showed strong local characteristics，which need to be used for reference according to local statistical characteristics.

Tornados in northernJiangsu;Double fronts;Regional mean torsion and disturbance uplift;Numerical simulation;Mechanism

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20180316003

（責(zé)任編輯：袁東敏）