2015年“東方之星”翻沉事件和2016年阜寧EF4級龍卷對流風(fēng)暴環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)特征和機理

鄭永光 朱文劍 田付友

（國家氣象中心，中國氣象局，北京 100081）

0 引言

近年來，龍卷和下?lián)舯┝鲗?dǎo)致的雷暴大風(fēng)等強對流天氣因其強致災(zāi)性受到公眾廣泛關(guān)注，尤其2015年6月1日21：30時（北京時，下同）左右使得“東方之星”客輪翻沉導(dǎo)致四百多人遇難的下?lián)舯┝魇录1-2]（簡稱2015年事件）和2016年6月23日14：00—15：00時造成98人死亡、800多人受傷的江蘇省鹽城市阜寧縣EF4級（最大陣風(fēng)風(fēng)速的下限值為74 m/s）特大龍卷災(zāi)害[3-4]（簡稱2016年事件）更是受到了公眾和眾多科研人員的關(guān)注。

相關(guān)分析已經(jīng)確認導(dǎo)致2015年“東方之星”客輪翻沉的直接原因是一次線狀對流系統(tǒng)中的下?lián)舯┝鱗1-2]，而2016年阜寧龍卷是由一個經(jīng)典超級單體對流風(fēng)暴產(chǎn)生[3-4]，并伴有直徑達2～3 cm的大冰雹天氣。對2015年事件的風(fēng)災(zāi)現(xiàn)場調(diào)查表明，強風(fēng)災(zāi)害具有顯著的小尺度時空分布特征；現(xiàn)場調(diào)查估計該次事件中地面最大風(fēng)速達12級以上（＞32.6 m/s），而該次事件周邊氣象站監(jiān)測到的最大瞬時風(fēng)速僅為16.4 m/s，發(fā)生在距事發(fā)點約35 km的尺八自動氣象站[1]；根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查估計2016年阜寧龍卷為EF4級，其瞬時風(fēng)速的下限值為74 m/s，遠大于周邊氣象站監(jiān)測到的最大瞬時風(fēng)速34.6 m/s（12級）[3]。對2015年事件和2016年事件現(xiàn)場調(diào)查獲得的風(fēng)災(zāi)分布見圖1。對這兩次強對流事件的現(xiàn)場調(diào)查表明，目前我國雖然已經(jīng)布設(shè)完成了較為完備的氣象業(yè)務(wù)觀測體系，但仍然難以全面監(jiān)測該類極端強對流天氣。

圖1 2015年“東方之星”客輪翻沉區(qū)域及周邊衛(wèi)星影像和風(fēng)災(zāi)地點分布[1]（a）、2016年阜寧龍卷災(zāi)害路徑[3]（b）（a中風(fēng)災(zāi)地點按照日期和調(diào)查時間先后編號，如11-4#表示2015年6月11日第4個調(diào)查點，“東方之星”客輪最后定位位置數(shù)據(jù)來自長江海事局）Fig. 1 (a) Survey sites for 2015 event (Survey sites are represented with the date and the survey order, such as 11-4#indicating the fourth survey site on 11 June 2015, the capsizing location of “Oriental Star” is provided by the Yangtze River Maritime Bureau); (b) 2016 Funing tornado damage track

我國強對流天氣通常指的是直徑≥5 mm的冰雹、或者龍卷、或者≥17 m/s（或者8級）的雷暴大風(fēng)、或者小時雨量≥20 mm的短時強降水等天氣[5]，具有時空尺度小、局地性強、持續(xù)時間短等特征，屬于小概率天氣事件。我國重大強對流天氣通常指的是小時雨量≥50 mm的短時強降水、或者直徑≥20 mm的冰雹、或者≥25 m/s（或10級）的雷暴大風(fēng)、或者EF2級（陣風(fēng)可達50 m/s以上）及以上級別龍卷等天氣[6]；這類強度更強的天氣發(fā)生概率更低。2015年事件是長江航運史上從未出現(xiàn)過的極端突發(fā)事件[1]；而2016年EF4級龍卷事件則是1950年以來我國第6個、江蘇省第2個EF4級龍卷[3,7-8]；直到目前，我國尚未記錄到EF5級龍卷[8]。因此，這類天氣事件的預(yù)報預(yù)警難度較通常的強對流天氣更大。

目前，基于“配料法”[9-10]的強對流天氣分析方法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用?！芭淞戏ā本褪腔跇?gòu)成要素的預(yù)報方法，其首先需要確定預(yù)報的基本構(gòu)成要素或“配料”；這些構(gòu)成要素一般是相對獨立的基本氣象變量。該方法給預(yù)報員提供了天氣預(yù)報的一條清晰的思路，與流型辨識方法具有很強的互補性。

基于對流風(fēng)暴和不同類型對流天氣發(fā)生條件[5-6,11]，應(yīng)用“配料法”[9-10]和對流天氣分析思路和規(guī)范[12-13]，綜合使用美國NCEP（國家環(huán)境預(yù)報中心）CFSR（氣候預(yù)報系統(tǒng)再分析）0.5°×0.5°再分析資料、探空資料、自動氣象站觀測資料、地球靜止氣象衛(wèi)星觀測資料、云－地閃電（簡稱地閃）資料和新一代天氣雷達觀測資料，本文來對比分析導(dǎo)致2015年“東方之星”客輪翻沉事件和2016年阜寧EF4級龍卷事件的對流風(fēng)暴環(huán)境條件和中尺度結(jié)構(gòu)特征及其地面大風(fēng)成因，比較二者的異同，從而進一步加深對該類天氣的機理認識和提升對該類事件的業(yè)務(wù)預(yù)報預(yù)警能力。

1 環(huán)流背景和對流環(huán)境條件

2015年事件和2016年事件的大氣環(huán)流背景具有一定的相似性，但差異更為顯著。圖2a和2b表明二者都發(fā)生在500 hPa西太平洋副熱帶高壓邊緣的584dagpm等值線附近，位于北方冷渦環(huán)流的南側(cè)；二者的500hPa溫度都在－4～－2℃。但二者的500hPa環(huán)流也明顯不同，2015年事件地點上空500hPa等位勢高度線更為平直，雖然冷渦較強但中心位置偏北，事件發(fā)生地點上空無明顯急流，風(fēng)速僅為15 m/s左右（見圖2a和圖3a），垂直風(fēng)切變較弱，對我國來說屬于中等強度垂直風(fēng)切變；而2016年事件的500 hPa低槽更為顯著一些，從而更有利于大尺度的上升氣流，冷渦雖然強度較弱但中心位置更偏南，且龍卷事件發(fā)生地點位于急流南側(cè)，風(fēng)速超過20 m/s（見圖2b和圖3b），屬于強度較強垂直風(fēng)切變。從500hPa溫度場來看，2015年事件發(fā)生在500hPa溫度脊北側(cè)，溫度梯度較小，有較顯著的暖平流（見圖2a，且圖3a中風(fēng)向為順轉(zhuǎn)），有利于零度層高度的升高和靜力不穩(wěn)定度的減弱；而2016年事件發(fā)生在500hPa溫度槽附近，溫度梯度較大，但溫度平流不顯著（見圖2b，且圖3b中風(fēng)向變化不明顯），有利于靜力不穩(wěn)定度的維持或者加強。

圖2a和2b還表明二者都發(fā)生在850 hPa低空急流左前側(cè)，并存在明顯的西南風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)的水平風(fēng)切變；二者也都位于850 hPa溫度脊的北側(cè)，溫度約為20℃，并有顯著的暖濕平流（850 hPa比濕分布圖未給出），為強對流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了非常有利的暖濕條件和抬升條件，并有利于靜力不穩(wěn)定度的加強。二者850 hPa風(fēng)場差異主要在于切變線北側(cè)的偏北氣流和西南低空急流的強度與地理分布范圍有所不同，其中2016年事件的切變線北側(cè)的偏北氣流和西南低空急流強度都更強一些。

海平面氣壓分布（圖2c和2d）表明二者都發(fā)生在低壓槽區(qū)，但2015年事件發(fā)生在低壓區(qū)內(nèi)，而2016年事件發(fā)生在低壓和高壓之間的大氣壓梯度區(qū)，這表明2015年事件主要發(fā)生在暖區(qū)，而2016年事件的發(fā)生與東海的冷高壓具有一定關(guān)系，這也可從后文給出的地面自動站溫度場和風(fēng)場分布得出類似結(jié)論。此外，2016年事件的低壓槽區(qū)地理分布范圍更為寬廣，這表明2016年事件的暖濕空氣更為強盛，這與2016年事件中850hPa低空急流更為強盛相一致。

從大氣可降水量（PW）和地面對流有效位能（CAPE）來看（圖2c和2d），兩次強對流天氣事件都發(fā)生在高溫高能區(qū)，PW數(shù)值達到70 mm，CAPE數(shù)值約為2500 J/kg，這都是非常有利于強對流發(fā)展的水汽和能量條件[5-6,14]。但2016年事件中超過70 mm的PW地理分布范圍顯著大于2015年事件，這也表明2016年事件的中暖濕空氣更為強盛。還需要指出的是，圖2c和圖2d是CFSR再分析資料計算的PW和地表CAPE，其與直接根據(jù)探空資料（如圖3）計算的PW和CAPE值存在一些差異，其計算的數(shù)值大于根據(jù)探空資料計算的數(shù)值，這應(yīng)該與CFSR再分析資料的濕度分析偏差相關(guān)，可參見王秀明等[15]分析的NCEP再分析資料的物理量偏差。

從鄰近兩次強對流天氣事件最近探空站的臨近時次傾斜T-log p圖來看（圖3），兩次強對流天氣事件雖然都發(fā)生在具有顯著暖平流（風(fēng)向隨高度順時針轉(zhuǎn)變）、高溫（地表氣溫超過26℃）、高濕（地表露點超過23℃）和高能（CAPE超過1000 J/kg）的環(huán)境大氣中，但是也存在明顯差異。需要說明的是，2016年6月23日14時射陽站探空并沒有完整地探測到整個對流層的數(shù)據(jù)，其最大探測高度僅為374 hPa；為了完整顯示整個對流層的溫濕風(fēng)的垂直分布和方便計算相關(guān)物理量，考慮到對流層上層大氣狀態(tài)變化較為緩慢，本文直接使用了當日08時的374 hPa以上到100 hPa層之間探空數(shù)據(jù)補充為14時的相應(yīng)層次數(shù)據(jù)。

圖2 兩次強對流天氣事件的大氣環(huán)流背景和對流天氣環(huán)境條件（其中圖2a和2c為2015年6月1日20時，圖2b和2d為2016年6月23日14時；黃邊紅心三角形分別表示“東方之星”客輪翻沉位置和阜寧縣城位置；紅色表示距離事件發(fā)生地點最近的探空站位置，圖2a中表示長沙探空站位置，圖2b中表示射陽探空站位置；圖2a和2b中黑色實線為500 hPa位勢高度等值線，單位：dgpm，間隔4 dgpm；紅色劃線為500 hPa等溫線，單位：℃，間隔2 ℃；灰度填色為500 hPa ≥ 15 m/s大風(fēng)速區(qū)，單位：m/s，間隔5 m/s；紫色實線為850 hPa等溫線，單位：℃，間隔2 ℃，其中加粗等值線為20℃等溫線；藍色風(fēng)羽為850 hPa風(fēng)場，長劃線為4 m/s，短劃線為2 m/s；圖2c和2d中藍色等值線為海平面氣壓場，單位：hPa，間隔2.5 hPa；綠色等值線為大氣可降水量場，單位：mm，間隔10 mm；灰度填色為CAPE，單位：J/kg，間隔500 J/kg）Fig. 2 Circulations and environmental conditions(Figs. 2a and 2c are for 20 BT 1June 2015, and Figs.2b and 2d are for 14 BT 23 June 2016. Yellow triangles with red centers respectively“Oriental Star” capsizing location and Funing County. Red cross denotes the nearest locations of sounding stations in the two events: Changsha station in Fig.2a, Sheyang station in Fig.2b In Figs.2a and 2b: black solid lines are 500 hPa geopotential height contour in 4 dgpm interval, unit: dgpm; red lines are 500 hPa isotherm in 2 ℃interval, unit:℃; gray colors indicate≥15 m/s wind speeds at 500 hPa in 5 m/s interval,unit: m/s; purple lines are 850 hPa isotherm in 2 ℃; interval and thick purple lines representing 20 ℃ isotherm, unit:℃; blue barbs are winds at 850 hPa: long line for 4 m/s and short line for 2 m/s. In Figs. 2c and 2d: blue contour for sea level pressure in 2.5 hPa intervals, unit:hPa; green contour for precipitable water in 10 mm intervals, unit: mm; gray colors for CAPE in 500 J/kg intervals, unit: J/kg)

由于2016年事件射陽站大氣底層存在弱的逆溫層，因而地面氣溫低于2015年東方之星事件長沙站地面氣溫，但2016年事件射陽站大氣底層露點顯著高于2015年事件。從探空資料計算的PW數(shù)值來看二者基本相當，都約為60 mm；但計算的CAPE和對流抑制能量（CIN）有較顯著差異：2015年事件計算的最大CAPE值為1335 J/kg，CIN為86 J/kg，而2016年事件計算的最大CAPE值為2705 J/kg，CIN為12 J/kg。如前所述，由于再分析資料存在一定的偏差[15]，CAPE和PW值同CFSR資料計算的相應(yīng)數(shù)值存在一些差異。

圖3 兩次強對流天氣事件的傾斜T-log p圖和風(fēng)矢端圖（其中圖3a為2015年6月1日20時長沙探空，3b為2016年6月23日14時射陽探空，探空站地理位置可見圖2a和2b中的標注；其中紅色實線為溫度廓線，紅色劃線為露點垂直廓線，藍色實線為位溫廓線，紫紅色實線為假相當位溫廓線，深紅色實線為飽和假相當位溫廓線，紅色填充區(qū)域為CAPE；需要注意的是，位溫、假相當位溫和飽和假相當位溫廓線并非使用的是傾斜溫度坐標軸，其使用的坐標軸為標注為θse的坐標軸；紅色風(fēng)羽為風(fēng)的垂直分布，三角為20 m/s，長劃線為4 m/s，短劃線為2 m/s；每幅圖的右上角為風(fēng)矢端圖，單位：m/s）Fig. 3 Skew T-log p and hodograph for the two events(Fig. 3a For Changsha sounding at 20 BT 1 June 2015; Fig. 3b For Sheyang sounding at 14 BT 23 June 2016; the sounding station locations are labeled in Figs. 2a and 2b. Red solid line is temperature profile, red dashed line is dewpoint profile, blue solid line is potential temperature profile, magenta solid line is pseudo equivalent potential temperature profile, deep red solid line is saturated pseudo equivalent potential temperature profile, and red filled area is CAPE.Note that potential temperature, pseudo equivalent potential temperature and saturated pseudo equivalent potential temperature profile are in the coordinate axis labeling θse; red barbs are winds with triangle of 20m/s, long line of 4 m/s,and short line of 2 m/s. Hodograph is shown on the right top corner of each Fig. unit: m/s)

2015年事件沒有冰雹天氣報告，2016年事件伴有顯著的冰雹天氣。不太高的0℃氣溫層高度和較大的垂直減溫率是有利于冰雹天氣的重要環(huán)境條件[11,16-18]。2015年事件0℃層高度約為5.6 km，高度較高，850hPa與500 hPa溫差為22.5℃，垂直減溫率較小；2016年事件則約為5 km，850 hPa與500 hPa溫差為26.3℃，垂直減溫率較大。已有研究表明，0℃層海拔高度平均在4.1～4.3 km[16,18]有利于冰雹天氣的發(fā)生，但這個數(shù)值僅是一個平均值，部分冰雹天氣個例的0℃層海拔高度會超過5 km[18]；而部分冰雹天氣個例的850 hPa與500 hPa的垂直溫差平均值可達29℃[16]（約相當于7 ℃/km），這是相當大的垂直減溫率[6,19]，而曹艷察等[18]較為完整的統(tǒng)計結(jié)果顯示我國第一和第二階段冰雹天氣的垂直減溫率通常的分布范圍為6.3～7.9 ℃/km（換算為850 hPa與500 hPa溫差約為26～32℃）。因此，從0℃氣溫層高度和垂直減溫率來看，2016年事件的環(huán)境條件更有利于冰雹天氣發(fā)生。

從二者氣溫和露點溫度垂直廓線的分布可以看到，2015年事件850 hPa以下層次以及大約550 hPa以上層次存在顯著的干層（相對濕度極低，溫度露點差最大達36℃），且550 hPa以上層次存在一個顯著的下沉逆溫區(qū)，這些特征都是有利于對流風(fēng)暴產(chǎn)生強下沉氣流形成下?lián)舯┝鲝亩鴮?dǎo)致地面雷暴大風(fēng)的非常有利的環(huán)境條件；而2016年事件在925～500 hPa之間也存在兩個顯著的干層，雖然這也是較有利于對流風(fēng)暴產(chǎn)生較強的下沉氣流的溫濕垂直分布條件，但這個有利條件顯著弱于2015年事件的有利條件。這些有利于對流風(fēng)暴產(chǎn)生較強的下沉氣流的環(huán)境條件可以用下沉對流有效位能（DCAPE）這個物理量來表征[5-6,11]。從計算的DCAPE數(shù)值來看，2015年東方之星事件為1158J/kg，而2016年阜寧龍卷事件僅為686 J/kg，因此從該物理量大小的比較來看，2015年事件對流風(fēng)暴產(chǎn)生的下沉氣流強度要顯著強于2016年事件。

強冰雹、F2/EF2級以上龍卷和區(qū)域性的雷暴大風(fēng)天氣通常出現(xiàn)在強垂直風(fēng)切變環(huán)境下[11,20]。2015年事件長沙探空站地表至500 hPa（近似為0～6 km）的垂直風(fēng)切變?yōu)?6.5 m/s，而2016年事件射陽探空站地表至500 hPa的垂直風(fēng)切變?yōu)?7.5 m/s。通常，0～6 km垂直風(fēng)切變達15～20 m/s為中等強度垂直風(fēng)切變，超過20 m/s為強垂直風(fēng)切變[16]；而相關(guān)統(tǒng)計也表明，0～6km垂直風(fēng)切變數(shù)值達到15～20 m/s以上是超級單體形成的必要條件之一[21]，美國F2/EF2級及以上龍卷對流風(fēng)暴的0～6 km垂直風(fēng)差值普遍超過20 m/s[19,22]，最大可超過25 m/s。因此，2016年事件的0～6 km強的垂直風(fēng)切變更有利于龍卷的發(fā)生。

二者的低層垂直風(fēng)切變都較大，但由于2015年事件中長沙探空站位于低空急流核附近，2016年事件射陽探空站位于低空急流的頂端，因此2015年事件的低層垂直風(fēng)切變稍大于2016年事件，其中2015年事件地表至925 hPa（近似為0～1 km）的垂直風(fēng)切變?yōu)?0.3m/s，2016年事件地表至925 hPa的垂直風(fēng)切變?yōu)?7.8m/s，都與美國F2/EF2級及以上龍卷對流風(fēng)暴的0～1km垂直風(fēng)差值普遍達10 m/s以上[22]的結(jié)果接近。

圖4 兩次強對流天氣事件紅外云圖、雷達回波、地閃和紅外TBB分布以及2016年事件的高分辨率可見光云圖（其中圖4a為2015年6月1日21：30時FY-2E紅外云圖與TBB等值線，單位：℃，圖4c和4e為21：26時岳陽雷達0.5°仰角觀測，但二者的地理范圍不同。圖4b為2016年6月23日14：30時FY-2G紅外云圖與TBB等值線，單位：℃，圖4d和4f為14：30時鹽城雷達0.5°仰角觀測，但二者的地理范圍不同。黃邊紅三角分別表示“東方之星”客輪翻沉位置和阜寧縣城位置；圖4c和4d中填色為雷達反射率因子，等值線分別為2015年6月1日21：30時FY-2E TBB、2016年6月23日14：30時FY-2G TBB分布，單位：℃；“+”和“-”符號分別表示2015年6月1日21：00—21：30時和2016年6月23日14：00—14：30時地閃分布，其中“+”表示正地閃，“-”表示負地閃；圖4e和4f中填色圖為雷達徑向速度；需要注意的是，圖4f中氣旋區(qū)域負徑向速度區(qū)包裹的正速度區(qū)為速度模糊區(qū)；其中圖4e和4f中白色實線分別表示圖5中垂直剖面位置；圖4g為2016年6月23日14：30時葵花8號500 m分辨率可見光云圖）Fig. 4 Satellite infrared imageries with TBB contours, and radar echoes with lightning flashes and infrared TBB contours for the two events, and Hamawari-8 satellite visible imagery for the 2016 event(Fig. 4a For FY-2E satellite infrared imagery with TBB contours at 21:30 BT 1 June 2015. Figs.4c and 4e For Yueyang radar observations at 0.5° elevation at 21:26 BT, but they have different geographical areas. Fig. 4b For FY-2G satellite infrared imagery with TBB contours at 14:30 BT 23 June 2016. Figs.4d and 4f For Yancheng radar observations at 0.5° elevation at 14:30 BT 23 June 2016, but they also have different geographical areas. Yellow triangles with red center indicate respectively“Oriental Star”capsizing location and Funing County. In Figs.4c and 4d, shaded colors are radar reflectivity,contours of FY-2E TBB at 21:30 BT 1 June 2015, and FY-2G TBB at 14:30 BT 23 June 2016, respectively, unit:℃; The“+”and“-”symbols represent cloud-ground lightning flashes at 21:00—21:30 BT 1 June 2015, and at 14:00—14:30 BT 23 June 2016, respectively, where“+”denotes positive flashes, and“-”negative flashes. In Figs.4e and 4f, shaded colors are radar radial velocities. Note that the positive radial velocities surrounded by the negative radial velocity zone of the mesocyclone are velocity aliasing in Fig.4f. The white solid lines in Figs.4e and f are locations of vertical cross sections in Fig. 5. Fig. 4g For the Hamawari-8 satellite visible imagery at 500 m horizontal resolution at 14:30 BT 23 June 2016)

圖4 續(xù)Fig. 4 Continued

有利于超級單體風(fēng)暴的環(huán)境條件不僅包括深厚濕對流所需的環(huán)境條件，還包括較大的CAPE和強的0～6 km垂直風(fēng)切變[23]，有利于F2/EF2級及以上中氣旋龍卷的環(huán)境條件不僅需要有利于超級單體風(fēng)暴的環(huán)境條件，還需要較高的0～1 km相對濕度[24]、較低的抬升凝結(jié)高度和較大的低層（0～1 km）垂直風(fēng)切變[19, 22]。對比以上環(huán)境條件可以看到，2016年事件的大氣環(huán)境既滿足了深厚濕對流所需的水汽、抬升和不穩(wěn)定條件，也滿足了較大的CAPE和強的0～6 km垂直風(fēng)切變條件，還滿足了低層高的相對濕度（接近飽和）、較低的抬升凝結(jié)高度（CIN值很小）和較大的低層（0～1 km）垂直風(fēng)切變條件，因此2016年事件的環(huán)境條件非常有利于產(chǎn)生F2/EF2級及以上中氣旋龍卷，而2015年事件則有較多條件沒有滿足，比如CAPE值較小、0～6 km垂直風(fēng)切變條件較弱、低層相對濕度較小等。

2 對流風(fēng)暴演變和結(jié)構(gòu)特征

如引言中所述，已有文獻給出2015年“東方之星”客輪翻沉是由一次線狀對流系統(tǒng)中的下?lián)舯┝魉鶎?dǎo)致[1-2]，2016年阜寧龍卷是由一個超級單體對流風(fēng)暴產(chǎn)生[3-4]。本部分使用自動站觀測資料、地球靜止氣象衛(wèi)星觀測資料、地閃資料和新一代天氣雷達觀測資料來綜合分析兩次事件的中尺度對流系統(tǒng)的演變、結(jié)構(gòu)和地面氣象要素分布特征（圖4、圖5和圖6）。

FY-2E地球靜止氣象衛(wèi)星紅外TBB（相當黑體亮度溫度）演變（圖未全部給出）顯示，導(dǎo)致2015年“東方之星”客輪翻沉的線狀對流系統(tǒng)于6月1日14時左右初生于鄂西山區(qū)與湖南省交界處的湖北省一側(cè)，空間尺度僅約30 km，為近似圓形的β中尺度對流系統(tǒng)，最低TBB約為－48℃，可見光圖像的云頂紋理分布還較為光滑（圖略），雷達觀測為較為分散的團狀對流分布模態(tài)（圖略）；至20時左右（圖略），衛(wèi)星觀測的該對流系統(tǒng)仍保持近似為圓形，－52℃ TBB空間尺度已達到約200 km，已達α中尺度，最低TBB約為－72℃，雷達觀測則表明其已發(fā)展為線狀對流系統(tǒng)（圖略）。至接近于“東方之星”客輪翻沉?xí)r刻的21：26時左右，衛(wèi)星觀測的該對流系統(tǒng)仍保持近似為圓形（圖4a），－52℃ TBB空間尺度約250 km，最低TBB已低于－72℃（圖4a）；雷達觀測表明該對流系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為一個長度約180 km較典型的弓形線狀對流系統(tǒng)（圖4c和4e），其在0.5°仰角負徑向速度區(qū)域表現(xiàn)出的弓形特征（圖4 e）較該仰角反射率因子的特征更為突出和典型。圖4c表明，該線狀對流系統(tǒng)上有多個強對流風(fēng)暴單體，并存在后側(cè)入流槽口[25]，最強反射率因子達50 dBz左右，尤其是掃過長江導(dǎo)致“東方之星”客輪翻沉的對流風(fēng)暴尺度最大、強度最強，并存在多個朝向雷達的大徑向速度中心（圖4e），也就是存在多個下?lián)舯┝鲄^(qū)，最大朝向雷達的徑向速度達19 m/s，這些下?lián)舯┝鲄^(qū)與圖1a中給出的風(fēng)災(zāi)分布[1]基本一致。需要注意的是，在圖4e“東方之星”客輪翻沉地點右側(cè)的大片負徑向速度區(qū)包圍了一個風(fēng)速較小的正徑向速度區(qū)，該區(qū)域并非存在速度模糊，從而與其左側(cè)的負徑向速度形成了一個中渦旋結(jié)構(gòu)，但由于其旋轉(zhuǎn)速度較小并未達到中氣旋的標準。此外，21：00—21：30時地閃分布（圖4c）顯示該對流系統(tǒng)主要產(chǎn)生的為負地閃，表明該系統(tǒng)是主要產(chǎn)生強降水的對流系統(tǒng)，其產(chǎn)生冰雹天氣的可能性較低[26]。

FY-2G地球靜止氣象衛(wèi)星紅外TBB演變（圖未全部給出）表明，產(chǎn)生2016年阜寧龍卷的對流系統(tǒng)于6月23日08時左右初生于安徽北部，位于一個近似橢圓形的、鑲嵌在大片梅雨鋒云系中的α中尺度對流系統(tǒng)（MαCS）南側(cè)，最低TBB達－40℃，可見光圖像可看到發(fā)展高度明顯不同的積云（圖略）；雖然從TBB分布來看，這個對流系統(tǒng)與北側(cè)的MαCS連接在一起，但從雷達觀測來看，為一孤立的β中尺度對流系統(tǒng)（MβCS）；至14時，該對流系統(tǒng)向東向南移動和發(fā)展增強，－52℃ TBB分布顯示此時其與北側(cè)的MαCS已合并發(fā)展成為一個水平尺度約500 km左右、近似圓形的中尺度對流復(fù)合體（MCC），最低TBB低于－72℃（圖4b），可見光圖像（圖4g）可看到其云頂紋理較為粗糙，具有明顯的上沖云頂特征，動畫500 m分辨率的可見光圖像（圖4g）可見顯著的圓形渦旋旋轉(zhuǎn)特征；但雷達反射率因子分布則表明強對流風(fēng)暴排列成為近似為“人”字形的分布形態(tài)（圖4d，需要說明的是該圖受所顯示地理范圍的限制，并未完全展示出“人”字形左側(cè)對流風(fēng)暴的分布形態(tài)），導(dǎo)致阜寧龍卷的經(jīng)典超級單體風(fēng)暴就發(fā)生在“人”字形強對流風(fēng)暴帶右側(cè)的最南端，屬于Grams等[22]對龍卷風(fēng)暴模態(tài)分類中的第3類模態(tài)——團狀模態(tài)[4]，其他兩類模態(tài)分別為孤立對流模態(tài)和線狀對流模態(tài)[22]。該龍卷超級單體風(fēng)暴具有明顯的由強上升入流導(dǎo)致的鉤狀回波特征，其最強反射率因子超過65 dBz（圖5c），超過50 dBz的強反射率因子最大高度將近12 km，大大超過了－20℃層的8.5 km高度，因此具有產(chǎn)生大冰雹對流風(fēng)暴的強反射率因子特征。與超級單體定義[27]相一致，圖4f給出的雷達徑向速度場清楚表明該對流風(fēng)暴的鉤狀回波頂端存在很強的中氣旋和TVS（龍卷渦旋特征）特征，其最大旋轉(zhuǎn)速度超過了26 m/s，需要注意的是圖4f的中氣旋區(qū)域負徑向速度區(qū)包裹的正速度區(qū)為速度模糊區(qū)。這種強旋轉(zhuǎn)特征也從高分辨率靜止氣象衛(wèi)星可見光圖像上得到了驗證（圖4g）。從時間的演變還可以看到中氣旋在14：14時后迅速加強并持續(xù)到14：36時之后，且其底高低于1 km[4]。此外，14：00—14：30時地閃分布（圖4d）表明該超級單體風(fēng)暴主要產(chǎn)生的為正地閃，這也說明該對流風(fēng)暴中存在較多的冰相粒子，與冰雹天氣密切相關(guān)[28-29]。

圖5是穿過對流風(fēng)暴中強反射率因子、大徑向速度區(qū)和中渦旋的垂直剖面分布，其進一步展示了兩次事件對流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的巨大差異。2015年事件反射率因子垂直分布（圖5a）表明，該對流風(fēng)暴為低質(zhì)心強降水風(fēng)暴，最大反射率因子在50 dBz左右，不是特別強，但其產(chǎn)生的最大小時雨量超過90 mm；該對流風(fēng)暴垂直發(fā)展依然非常旺盛，回波頂高超過12 km；0℃氣溫層（海拔高度約5.6 km）至－20℃氣溫層（海拔高度約8.8 km）之間反射率因子在30～50 dBz之間，表明存在液態(tài)過冷水、軟雹等混合相態(tài)水物質(zhì)，有利于較大密度的負地閃產(chǎn)生[30]，并有利于強降水和強下沉氣流的產(chǎn)生[26]。2015年事件徑向速度垂直剖面（圖5b）進一步展示了對流風(fēng)暴的下?lián)舯┝鲄^(qū)域的氣流結(jié)構(gòu)，對流風(fēng)暴的近地面層為下?lián)舯┝鲗?dǎo)致的較淺薄冷池，為朝向雷達站的負徑向速度區(qū)，并在距岳陽雷達站53 km處、方位角344°～346°區(qū)域存在一個較弱的中渦旋（可見前文分析）；2～4 km高度主要為正徑向速度區(qū)，也就是線狀對流系統(tǒng)的暖濕入流上升運動區(qū)；8～10 km高度為顯著的負徑向速度區(qū)，其為高層西風(fēng)氣流區(qū)；值得注意的是，在4～6 km高度、距岳陽雷達站50～51 km處、方位角338°～342°區(qū)域，有一顯著的朝向岳陽雷達的負徑向速度區(qū)域，并與正徑向速度也形成中渦旋結(jié)構(gòu)，此負徑向速度為該線狀對流系統(tǒng)的中層后側(cè)強入流區(qū)域，該強后側(cè)入流把干冷空氣卷入對流系統(tǒng)，使得液態(tài)過冷水、軟雹等混合相態(tài)水物質(zhì)強烈蒸發(fā)、融化或者升華，吸收大量熱量，使得大氣劇烈降溫形成強下沉氣流（下?lián)舯┝鳎亩鴮?dǎo)致地面強風(fēng)。

圖5 兩次強對流天氣事件的對流風(fēng)暴的垂直剖面特征（其中圖5a和5b為2015年6月1日21：26時岳陽雷達觀測，圖5c和5d為2016年6月23日14：30時鹽城雷達觀測，圖5a和5c為雷達反射率因子垂直剖面，圖5b和5d為雷達徑向速度垂直剖面；需要注意的是，5d中2 km高度下方和10 km上方左側(cè)負徑向速度區(qū)包裹的兩個正速度區(qū)為速度模糊區(qū)；橫坐標下方標注的上排數(shù)字是離雷達站的距離，單位：km，標注的下排數(shù)字是方位角，單位：°，正北為0°，順時針增加；左側(cè)縱坐標為海拔高度，單位：km，右側(cè)為相應(yīng)氣壓層，單位：hPa）Fig. 5 Vertical cross sections of convective storms for the two events(Figs.5a and 5b For Yueyang radar observations at 21:26 BT 1 June, 2015 Figs.5c and 5d For Yancheng radar observations at 14:30 BT 23 June 2016. Figs.5a and 5c For reflectivity, and Figs. 5b and 5d For radial velocity. Note that, on the left side of Fig. 5d, two positvie velocity areas below 2 km altitude and above 10 km altitude surrounded by negative radial velocity area are the velocity aliasing.The top digits below the abscissa are distances from radar station,unit: km; and the bottom digits are azimuth angles, unit: °, north 0°, and clockwise increase. Altitudes are on the left side of the ordinate, unit: km, and their corresponding pressures are on the right, unit: hPa)

2016年事件超級單體的結(jié)構(gòu)截然不同于2015年事件的線狀對流系統(tǒng)。該超級單體風(fēng)暴低層具有明顯的穹隆結(jié)構(gòu)，這與鉤狀回波特征相對應(yīng)；回波質(zhì)心較高，最大反射率因子在65 dBz左右，這是產(chǎn)生冰雹天氣的重要特征；該對流風(fēng)暴垂直發(fā)展更為旺盛，超過30 dBz的反射率因子可達16 km高度；0 ℃氣溫層（海拔高度約5.1 km）至－20℃氣溫層（海拔高度約8.5km）之間反射率因子在35～65 dBz，且較多區(qū)域超過55 dBz，表明該高度區(qū)間存在大量以冰相粒子為主的水物質(zhì)，有利于產(chǎn)生正地閃[28-29]和大冰雹。2016年事件超級單體風(fēng)暴徑向速度垂直剖面如圖5d，但需要注意的是，圖5d中2 km高度下方和10 km上方左側(cè)負徑向速度區(qū)包裹的兩個正徑向速度區(qū)為速度模糊區(qū)。圖5d最顯著的特征是該超級單體的中氣旋自下向上向東北方向傾斜，在8 km高度以下存在很強的旋轉(zhuǎn)氣流；8 km高度以上中氣旋明顯減弱，并顯著偏向東北方向，這與該高度以上為強西北風(fēng)（見圖3b）使得干冷空氣卷入對流風(fēng)暴相關(guān)，使得液態(tài)過冷水、冰相粒子等水物質(zhì)蒸發(fā)、融化或者升華，因此從圖5c可以看到該高度附近區(qū)域的反射率因子顯著小于周邊區(qū)域，類似于弓形回波的“后側(cè)入流槽口”[25]，但其位于對流層高層，并不同于弓形回波的位于大氣低層的“后側(cè)入流槽口”。

Lemon等[31]總結(jié)產(chǎn)生龍卷的超級單體風(fēng)暴概念模型時得出：龍卷發(fā)生在鉤狀回波頂端，后側(cè)下沉氣流與前側(cè)上升氣流交界面，也就是壁云的附近。龍卷的生成離不開超級單體風(fēng)暴中的下沉氣流已經(jīng)得到廣泛認可[32-36]。但下沉氣流導(dǎo)致的冷出流與周邊環(huán)境之間的地表大氣溫度差需要有一個平衡點[36]，這個溫度差通常小于4℃[33, 37-38]；而對于非龍卷超級單體地表強冷出流導(dǎo)致的最大溫度差可達20℃以上[33]。因此本文對2015年和2016年這兩次強對流天氣事件的地表氣溫分布特征進行了對比，如圖6。2015年事件冷出流地表氣溫約為24～26℃，周邊環(huán)境氣溫約為28～31℃，二者氣溫差約為5℃；2016年事件冷出流地表氣溫約為25～26℃，周邊環(huán)境氣溫約為28～29℃，二者氣溫差約為3℃；因此從兩次事件的地表冷出流與周邊環(huán)境氣溫的差異也可以看到，2016年事件更有利于龍卷生成。從自動站風(fēng)場分布也可以看到二者地表冷出流的差異，2015年事件對流風(fēng)暴產(chǎn)生的冷出流導(dǎo)致了地面自動站觀測到了較強的偏北風(fēng)，而2016年事件地面自動站觀測到的偏北風(fēng)明顯弱于2015年事件，但觀測到了明顯的地面渦旋風(fēng)場分布。但就如引言中指出的，雖然現(xiàn)場調(diào)查表明2016年事件導(dǎo)致地面災(zāi)害的極端大風(fēng)顯著強于2015年事件，但由于目前的地面自動站分布仍然無法完全捕捉到這些極端大風(fēng)事件，因此從地面自動站觀測的總體風(fēng)場分布來看是2015年事件強于2016年事件，這也是與前文分析的地表氣溫分布特征相一致的，導(dǎo)致該特征的根本原因在于2016年事件的龍卷空間尺度遠小于2015年事件的下?lián)舯┝骺臻g尺度的緣故，這也可由圖6中二者雷達反射率因子分布差異看出。

3 結(jié)論和討論

2015年“東方之星”客輪翻沉事件和2016年阜寧EF4級龍卷事件導(dǎo)致了極大的社會影響。為了更有效地認識到此類天氣的機理，從而為未來發(fā)布相關(guān)預(yù)報和預(yù)警提供幫助，本文總結(jié)和對比分析了2015年導(dǎo)致“東方之星”客輪翻沉的弓形線狀強對流風(fēng)暴和2016年阜寧龍卷超級單體強對流風(fēng)暴的環(huán)流形勢、對流環(huán)境條件和對流風(fēng)暴演變及其結(jié)構(gòu)特征，分析了前者下?lián)舯┝鲗?dǎo)致地面大風(fēng)和后者龍卷的形成機理，得到如下結(jié)論。

1）兩次事件對流風(fēng)暴都發(fā)生在500 hPa冷渦南側(cè)和西北太平洋副高邊緣，850 hPa低空急流和暖舌的左前側(cè)，海平面氣壓的低壓槽中。但2015年事件500hPa無明顯急流，且存在較明顯暖平流；而2016年事件位于500hPa急流的南側(cè)邊緣，溫度平流不明顯，其0～6km垂直風(fēng)切變達到特別強的級別，顯著大于前者。

圖6 兩次強對流天氣事件的雷達0.5°仰角反射率因子和地面自動站觀測（其中圖6a中填色為2015年6月1日21：26時岳陽雷達0.5°仰角反射率因子，不同顏色色塊和數(shù)字為22：00時自動站溫度，風(fēng)羽為22：00時自動站風(fēng)場；圖6b中填色為2016年6月23日14：30時鹽城雷達0.5°仰角反射率因子，不同顏色色塊和數(shù)字為14：30時自動站溫度，風(fēng)羽為14：30時自動站風(fēng)場；風(fēng)羽的表示方式同圖2中風(fēng)場，但偏南風(fēng)為紅色、偏北風(fēng)為藍色或者黑色；黑邊白三角分別表示“東方之星”客輪翻沉位置和阜寧縣城位置）Fig. 6 Reflectivity at 0.5° elevation and AWS temperatures and winds(Fig. 6a For Yueyang radar reflectivity at 0.5° elevation at 21:26 BT 1 June 2015 in shaded colors, rectangles with different colors labeled digits indicate air temperatures from AWS at 22:00 BT, and barbs denote winds from AWS at 22:00 BT. Fig.6b For Yancheng radar reflectivity at 0.5° elevation at 14:30 BT 23 June 2016 in shaded colors rectangles with different colors labeled digits indicate air temperatures from AWS at 14:30 BT, and barbs denote winds from AWS at 14:30 BT. Barbs of wind are the same as Fig. 2, but southerly in red, northerly in blue or black. Black triangles with white center indicate respectively the “Oriental Star” capsizing location and Funing County)

2）兩次事件都發(fā)生在高溫（地表氣溫＞26℃）、高濕（地表露點＞23℃、PW數(shù)值約60 mm）、高能（CAPE＞1000 J/kg）和較大的低層垂直風(fēng)切變的環(huán)境條件下。2015年事件對流層中層的干層是有利于地面大風(fēng)的重要環(huán)境條件，DCAPE較大，但其0℃氣溫層較高、垂直減溫率較??；而2016年事件具備了有利于中氣旋龍卷的所有有利環(huán)境條件：較大的CAPE（＞2000 J/kg）、強的0～6 km垂直風(fēng)切變（27.5 m/s）、低層高的相對濕度（接近飽和）、極低的抬升凝結(jié)高度（CIN值為12 J/kg）和較大的0～1 km垂直風(fēng)切變（約8 m/s）條件，且其0℃氣溫層較低、垂直減溫率較大有利于冰雹天氣。

3）從地球靜止氣象衛(wèi)星紅外圖像來看，導(dǎo)致2015年事件的對流系統(tǒng)為一個近似圓形的α中尺度對流系統(tǒng)，而產(chǎn)生2016年龍卷的對流系統(tǒng)為一個典型的中尺度對流復(fù)合體。雷達觀測資料則表明2015年對流風(fēng)暴為一個β中尺度弓形線狀對流系統(tǒng)，質(zhì)心較低，最大反射率因子約50 dBz，主要伴隨負地閃；而產(chǎn)生2016年龍卷的則為一個β中尺度經(jīng)典超級單體對流風(fēng)暴，具有明顯的鉤狀回波和穹隆結(jié)構(gòu)特征，質(zhì)心高，最大反射率因子超過65 dBz，主要伴隨正地閃。

4）2015年對流風(fēng)暴存在多微下?lián)舯┝鲄^(qū)，最大朝向雷達的徑向速度達19 m/s，并存在強的中層（約5 km高度）后側(cè)強入流區(qū)和中渦旋結(jié)構(gòu)，低層也有一個弱的中渦旋結(jié)構(gòu)；2016年超級單體風(fēng)暴存在很強的中氣旋和TVS（龍卷渦旋特征）特征，最大旋轉(zhuǎn)速度超過26 m/s，其底高低于1 km，且自下向上向東北方向傾斜，在高分辨率可見光圖像上能夠看到明顯的旋轉(zhuǎn)特征。

5）2015年對流風(fēng)暴冷出流明顯強于2016年超級單體風(fēng)暴，2016年事件的不太強下沉氣流導(dǎo)致的冷出流（溫度差小于4℃）是該超級單體風(fēng)暴能夠產(chǎn)生龍卷的重要機制。

本文雖然分析總結(jié)了2015年和2016年兩次重大強對流天氣事件的對流條件和地面大風(fēng)成因，但還有較多科學(xué)問題并不完全清楚，還需要做更進一步的深入研究，比如2015年事件對流風(fēng)暴中低層中渦旋的形成機制及其對對流風(fēng)暴的維持和產(chǎn)生地面大風(fēng)的作用，2016年龍卷生成的關(guān)鍵機制是中氣旋下降導(dǎo)致低層垂直渦度加強、還是地面冷出流導(dǎo)致的垂直渦度生成、還是二者同等重要的作用等。

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