遼寧省溫帶氣旋龍卷的環(huán)境參數(shù)特征

白 華 袁 潮 潘 曉 楊 磊6） 李得勤

1）（中國(guó)氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，沈陽 110166）

2）（遼寧省沈陽市氣象局，沈陽 110068） 3）（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽 110866）

4）（遼寧省康平縣氣象局，沈陽 110500） 5）（遼寧省盤錦市氣象局，盤錦 124010）

6）（遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，沈陽 110166）

引 言

龍卷是從積雨云底伸向地面或水面高速旋轉(zhuǎn)的漏斗狀云柱，其尺度小、突發(fā)性強(qiáng)，常造成災(zāi)害［1-2］。遼寧省是我國(guó)龍卷多發(fā)區(qū)之一［1，3-4］，由于預(yù)警能力低，人口密集，曾多次造成嚴(yán)重災(zāi)害［5-6］。

從龍卷產(chǎn)生的物理機(jī)制通常可將龍卷分為超級(jí)單體龍卷（也稱中氣旋龍卷）和非超級(jí)單體龍卷（或稱非中氣旋龍卷）［7］。超級(jí)單體龍卷中氣旋的渦度來自超級(jí)單體中的上升氣流對(duì)環(huán)境場(chǎng)水平渦度的傾斜和拉伸作用，中層中氣旋形成后，超級(jí)單體后側(cè)下沉氣流對(duì)水平渦管的動(dòng)力作用，即下沉氣流導(dǎo)致的渦管傾斜將中層的渦旋壓低至近地層，從而形成龍卷渦旋［8］。非超級(jí)單體龍卷可分為兩類：第1類出現(xiàn)在颮線或弓形回波前部的γ中尺度渦旋內(nèi)，是準(zhǔn)線狀對(duì)流系統(tǒng)前側(cè)的出流形成的水平渦管，被下沉氣流［9］或上升氣流［10］扭曲而形成；第2類非超級(jí)單體龍卷起源于水平切變不穩(wěn)定導(dǎo)致的邊界層輻合線上的小渦旋，在對(duì)流系統(tǒng)上升氣流的拉伸作用下，低層渦旋的垂直渦度迅速增強(qiáng)，從而形成龍卷［11］。中國(guó)EF1及以上級(jí)別龍卷的雷暴母體中，超級(jí)單體占85%以上［12］。研究發(fā)現(xiàn)，雖然龍卷通常產(chǎn)生于強(qiáng)對(duì)流有效位能和垂直風(fēng)切變的環(huán)境背景下［13］，但非龍卷超級(jí)單體和龍卷超級(jí)單體在對(duì)流有效位能和0～6 km 垂直風(fēng)切變分布特征方面無明顯差異［14］。Brooks等［15］根據(jù)探空數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)指出，對(duì)流有效位能、低層垂直風(fēng)切變、抬升凝結(jié)高度、中層垂直溫度遞減率等環(huán)境參數(shù)能有效區(qū)分龍卷與非龍卷風(fēng)暴產(chǎn)生的環(huán)境條件，利用這些參數(shù)的組合，可改進(jìn)龍卷潛勢(shì)預(yù)報(bào)［16］。

天氣尺度環(huán)境提供了有利于產(chǎn)生龍卷風(fēng)暴的環(huán)境背景［17-19］。美國(guó)是龍卷發(fā)生最多的國(guó)家，其中南部平原被稱為龍卷走廊，溫帶氣旋、鋒面系統(tǒng)、高空槽及其所伴隨的急流有利于該地區(qū)龍卷發(fā)生［20-21］。國(guó)外學(xué)者對(duì)龍卷爆發(fā)與天氣尺度特征的關(guān)系開展了大量統(tǒng)計(jì)分析［22-25］。Mercer等［23］應(yīng)用聚類分析方法對(duì)龍卷爆發(fā)的環(huán)流背景進(jìn)行天氣學(xué)分型，指出龍卷爆發(fā)通常對(duì)應(yīng)更強(qiáng)的高空槽及低層暖平流，同時(shí)高風(fēng)暴相對(duì)螺旋度（storm relative helicity，SRH）對(duì)龍卷爆發(fā)有較好的指示意義。溫帶氣旋水平尺度上千千米，時(shí)間尺度在幾日至1周左右，在中緯度地區(qū)的南北強(qiáng)溫度梯度的斜壓鋒區(qū)上發(fā)展［26-27］。在美國(guó)，大量龍卷出現(xiàn)在溫帶氣旋暖區(qū)（低氣壓中心以南，在冷鋒和暖鋒之間的區(qū)域）［17，28］。溫帶氣旋暖區(qū)提供有利于超級(jí)單體發(fā)生的環(huán)境，位于溫帶氣旋中心附近的高空急流加強(qiáng)了深層垂直風(fēng)切變，并攜帶大量干冷空氣，而低空偏南風(fēng)則向暖區(qū)輸送暖濕空氣，使抬升凝結(jié)高度降低且低層垂直風(fēng)切變強(qiáng)，同時(shí)也造成上干冷下暖濕的不穩(wěn)定大氣層結(jié)。強(qiáng)烈的風(fēng)垂直切變通過水平渦度傾斜促進(jìn)中氣旋形成，有利于產(chǎn)生龍卷。因此，溫帶氣旋暖區(qū)成為龍卷爆發(fā)的有利區(qū)域［17］。Shafer等［24］對(duì)50次有龍卷爆發(fā)的溫帶氣旋和50次無龍卷爆發(fā)的溫帶氣旋進(jìn)行數(shù)值模擬，研究?jī)烧咧g天氣特征差異，發(fā)現(xiàn)以垂直風(fēng)切變?yōu)榇淼膭?dòng)力學(xué)參數(shù)可有效區(qū)分兩者。在日本大量龍卷也與溫帶氣旋有關(guān)，Niino等［29］統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)日本46%的龍卷伴隨著溫帶氣旋形成，其中34%是在暖區(qū)形成。在我國(guó)，溫帶氣旋同樣是造成暴雨（雪）、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害的主要天氣尺度系統(tǒng)［30-34］，目前溫帶氣旋與龍卷生成的相關(guān)性研究尚未形成共識(shí)。

我國(guó)產(chǎn)生龍卷的環(huán)流背景分為熱帶氣旋和西風(fēng)帶系統(tǒng)兩類，西風(fēng)帶系統(tǒng)主要包括梅雨和冷渦天氣背景［2］。人們基于多源觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)此開展了大量研究，也總結(jié)出不同天氣背景下龍卷產(chǎn)生的環(huán)境參數(shù)特 征［5，35］。王 秀明等［35］通 過13個(gè) 典 型 個(gè) 例 分 析 指出，絕大多數(shù)東北龍卷發(fā)生在冷渦背景下，冷渦后部短波槽為直接影響系統(tǒng)，環(huán)境條件表現(xiàn)出溫度直減率大、高低空風(fēng)垂直切變強(qiáng)而低層濕度較小的特點(diǎn)。才奎志等［5］對(duì)1951—2020年遼寧省冷渦背景下龍卷的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與熱帶氣旋龍卷進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)冷渦龍卷的對(duì)流有效位能是熱帶氣旋龍卷的3倍左右，但風(fēng)暴相對(duì)螺旋度僅為熱帶氣旋龍卷的一半。上述研究主要著眼于產(chǎn)生龍卷的環(huán)境參數(shù)閾值及中層大尺度環(huán)境背景，而近地面天氣系統(tǒng)直接制約大氣低層的溫濕條件，對(duì)龍卷的產(chǎn)生起到至關(guān) 重 要 的 作 用［2，17，36］。事 實(shí) 上 相 比 于 臺(tái) 風(fēng) 龍卷［37-40］，大量個(gè)例研究表明：我國(guó)東北地區(qū)龍卷的產(chǎn)生與溫帶氣旋關(guān)系密切［41-44］，但目前基于大樣本的溫帶氣旋龍卷的詳細(xì)分析鮮見報(bào)道?；谝陨鲜聦?shí)，本文主要分析遼寧省溫帶氣旋龍卷的環(huán)境背景和結(jié)構(gòu)特征，尋找溫帶氣旋龍卷生成的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，以期得到溫帶氣旋龍卷的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 龍卷事件數(shù)據(jù)收集與質(zhì)量控制

龍卷事件的數(shù)據(jù)來源包括《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》、《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》、國(guó)家氣象觀測(cè)站人工觀測(cè)龍卷記錄、縣級(jí)歷史氣象災(zāi)情數(shù)據(jù)及《遼寧省志》（氣象志），同時(shí)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、電視、報(bào)紙等媒體展示的龍卷照片和影像等對(duì)龍卷個(gè)例進(jìn)行增補(bǔ)。在此基礎(chǔ)上，采用如下準(zhǔn)則對(duì)龍卷事件可信度等級(jí)進(jìn)行分類：①根據(jù)記錄龍卷事件的時(shí)間及地點(diǎn)，查找附近地面觀測(cè)站有無雷暴和降水，2005年后可加入雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，排除塵卷風(fēng)干擾。②設(shè)置龍卷事件質(zhì)量控制等級(jí)，分為Q0～Q3共4個(gè)等級(jí)：Q0為經(jīng)過第1步質(zhì)量控制后記錄的所有龍卷事件；Q1包括下列描述中至少一條：災(zāi)情記錄中有目擊者描述漏斗云、“黑龍”、“黑色云柱子”等形容龍卷的相關(guān)內(nèi)容，或描述中提到地面有明顯的狹長(zhǎng)的破壞特征，天氣雷達(dá)徑向速度場(chǎng)上識(shí)別低層中氣旋或龍卷渦旋特征（TVS），地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)的人工觀測(cè)記錄；Q2為經(jīng)過核實(shí)的龍卷漏斗云的照片或視頻資料；Q3為有專業(yè)災(zāi)調(diào)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查后形成報(bào)告或公開發(fā)表文獻(xiàn)。為兼顧可信度及樣本量，本文選取Q1質(zhì)量控制等級(jí)的龍卷事件作為研究對(duì)象。

1.2 數(shù)據(jù)可靠性驗(yàn)證及物理量選取

龍卷環(huán)境背景分析采用的數(shù)據(jù)為1979—2020年歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5再分析數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 h，包含地面及37個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等壓層（1000 hPa至1 h Pa），本文選取地面2 m 溫度、露點(diǎn)及各標(biāo)準(zhǔn)等壓層的位勢(shì)高度、溫度、比濕、相對(duì)濕度、散度及相對(duì)渦度等要素對(duì)產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋環(huán)流背景及關(guān)鍵物理量參數(shù)進(jìn)行分析。

人們針對(duì)不同再分析數(shù)據(jù)的適用性評(píng)估開展大量工作［45-46］，王秀明等［46］應(yīng)用NCEP再分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)強(qiáng)對(duì)流天氣的物理量參數(shù)，并與實(shí)況探空進(jìn)行細(xì)致對(duì)比，指出再分析數(shù)據(jù)可用于分析強(qiáng)對(duì)流天氣的環(huán)境背景和大氣層結(jié)條件。本文對(duì)所使用再分析數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)證，選取2020年6—8月錦州站08：00和20：00（北京時(shí)，下同）探空數(shù)據(jù)與同時(shí)間、同地點(diǎn)的ERA5再分析數(shù)據(jù)（圖1）對(duì)比。由圖1可見，在低層ERA5 較實(shí)況溫度略偏低、濕度略偏小，整體誤差較小；中高層則表現(xiàn)為溫度偏高、濕度偏大的特點(diǎn)，尤其中層濕度偏差顯著，各層風(fēng)速ERA5較實(shí)況偏小1.5～2 m·s-1，風(fēng)向無明顯差異（圖略）。物理量場(chǎng)表現(xiàn)為ERA5 的熱力及動(dòng)力條件均較實(shí)況偏弱。需要說明的是，雖然再分析數(shù)據(jù)與實(shí)況的熱動(dòng)力場(chǎng)及物理量在數(shù)值上存在一定偏差，但其分布及變化趨勢(shì)具有較好一致性［45］，故經(jīng)過偏差訂正的再分析數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于龍卷潛勢(shì)預(yù)報(bào)。

圖1 2020年6—8月錦州站探空與ERA5對(duì)比Fig.1 Sounding and ERA5 at Jinzhou Station from Jun to Aug in 2020

為避免地形影響，將900 hPa 渦度最大值配合風(fēng)場(chǎng)的環(huán)流中心定義為溫帶氣旋中心［47］，時(shí)間定義為龍卷產(chǎn)生前1 h。采用動(dòng)態(tài)合成方法統(tǒng)計(jì)溫帶氣旋龍卷的環(huán)境場(chǎng)特征，將每個(gè)龍卷事件的氣旋中心作為中心點(diǎn)，選取17°×17°的正方形區(qū)域進(jìn)行合成，并分析合成后的平均場(chǎng)物理量。其中900 h Pa中心相對(duì)渦度小于3×10-5s-1或中心海平面氣壓高于1008 hPa的溫帶氣旋不被記錄。本文所統(tǒng)計(jì)的溫帶氣旋中心緯度范圍為41°～48.75°N，溫帶氣旋水平尺度約1000 km，不同緯度上等經(jīng)度距離存在差異，在經(jīng)緯網(wǎng)格區(qū)域合成中南北向最大經(jīng)圈距離誤差為10 km，與溫帶氣旋系統(tǒng)尺度相比可以忽略。

在表征風(fēng)暴環(huán)境的眾多動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)中，風(fēng)暴相對(duì)螺旋度代表對(duì)流風(fēng)暴的旋轉(zhuǎn)潛勢(shì)［48］。對(duì)流有效位能是包含低層和高層大氣溫濕特性的參數(shù)，是物理意義最清晰的對(duì)流參數(shù)。此外，Grams等［49］通過對(duì)美國(guó)龍卷個(gè)例的統(tǒng)計(jì)，提出強(qiáng)龍卷參數(shù)（significant tornado parameter，STP）這一對(duì)流指數(shù)概念，并指出其對(duì)強(qiáng)龍卷發(fā)生具有很好的指示意義。

2 結(jié)果分析

2.1 溫帶氣旋龍卷分布特征

根據(jù)上述Q1標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)得到1979—2020年遼寧省溫帶氣旋型龍卷42次（表1），在所有龍卷中占比為40%，EF2及以上級(jí)別［50］龍卷12次，占所有溫帶氣旋龍卷比例高達(dá)28.6%（14 次EF2 及以上級(jí)別龍卷中僅有2 次EF2 級(jí)龍卷為非溫帶氣旋龍卷），而遼寧省龍卷總數(shù)中EF2及以上級(jí)別的龍卷占比為16.2%，可見溫帶氣旋龍卷中強(qiáng)龍卷的比例明顯偏高。溫帶氣旋龍卷產(chǎn)生呈明顯下降趨勢(shì)，月分布特征表現(xiàn)為溫帶氣旋龍卷集中分布于5—9月，其中6—7月占比為62%。與總的龍卷分布（圖略）類似，遼寧省溫帶氣旋龍卷主要分布在遼河平原中西部及渤海灣沿岸，遼寧省東部鮮有發(fā)生（圖2），從龍卷EF 等級(jí)看，EF2及以上級(jí)別的強(qiáng)龍卷主要分布在遼寧省西部沿海到中部平原地區(qū)。

圖2 1979—2020年遼寧省溫帶氣旋龍卷分布（填色為海拔高度；藍(lán)色標(biāo)記為龍卷）Fig.2 Distribution of extratropical cyclone tornado in Liaoning from 1979 to 2020（the shaded denotes altitude；the blue mark denotes tornado）

表1 1979—2020年遼寧省溫帶氣旋龍卷Table 1 Extratropical cyclone tornado in Liaoning from 1979 to 2020

續(xù)表1

由龍卷相對(duì)于溫帶氣旋的分布位置（圖3）可知，大多數(shù)龍卷發(fā)生在溫帶氣旋的西南、東南象限，與冷鋒前暖區(qū)相對(duì)應(yīng)，溫帶氣旋中心附近及遠(yuǎn)離溫帶氣旋的區(qū)域主要是EF1 及以下級(jí)別的弱龍卷。由核密度估計(jì)（圖3中藍(lán)色等值線）可見，密度中心在溫帶氣旋中心相對(duì)距離為-2°～-1°經(jīng)距、-3°～-2°緯距的位置。同時(shí)，由氣旋結(jié)構(gòu)和渦度分布可見，相對(duì)渦度大值區(qū)呈東北—西南向帶狀分布，伴隨高度場(chǎng)西南側(cè)存在明顯的氣旋性曲率大值區(qū)，即低層槽區(qū)，龍卷主要分布于槽線及槽前1°～3°經(jīng)距內(nèi)。

圖3 龍卷相對(duì)溫帶氣旋中心分布（黑色等值線為900 hPa位勢(shì)高度，單位：dagpm；風(fēng)羽為900 hPa風(fēng)場(chǎng)；填色為900 hPa相對(duì)渦度；藍(lán)色標(biāo)記為龍卷；藍(lán)色等值線為龍卷分布的核密度估計(jì)，最內(nèi)圈為90%，最外圈為10%；氣旋中心位于（0，0））Fig.3 Spatial distribution of tornado relative to the center of extratropical cyclone（the black isoline denotes the height at 900 hPa，unit：dagpm；the barb denotes wind at 900 hPa；the shaded denotes relative vorticity at 900 hPa；the blue mark denotes tornado；the blue isoline denotes the kernel density estimation of tornadoes，the innermost（outermost）circle is 90%（10%）；the center of extratropical cyclone is located at（0，0））

2.2 溫帶氣旋龍卷關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)

對(duì)復(fù)合場(chǎng)中尺度環(huán)境參數(shù)分析可知，產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋動(dòng)力學(xué)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)上存在顯著特征。分析以風(fēng)暴相對(duì)螺旋度為代表的動(dòng)力學(xué)參數(shù)（圖4）可見，大值區(qū)分布在氣旋中心東南象限，并延伸至氣旋南側(cè)，呈帶狀分布，對(duì)應(yīng)超低空西南強(qiáng)風(fēng)速帶的位置。中心值為70 m2·s-2，位于氣旋中心相對(duì)距離0°～2°經(jīng)距、-5°～-3°緯距范圍。溫帶氣旋龍卷主要分布于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度大值區(qū)中心及偏西北位置，低空急流左側(cè)。溫帶氣旋中心附近的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度較低，但仍對(duì)應(yīng)相當(dāng)數(shù)量的弱龍卷，其可能原因?qū)⒃谙旅嬲鹿?jié)分析。EF2～EF3級(jí)的強(qiáng)龍卷分布在風(fēng)暴相對(duì)螺旋度大值區(qū)中心及緊鄰中心的西側(cè)位置，由于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度是進(jìn)入對(duì)流風(fēng)暴體內(nèi)的環(huán)境渦度，表征垂直風(fēng)切變環(huán)境中風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)潛勢(shì)，因此對(duì)超級(jí)單體龍卷具有較好的指示意義，這與Brooks等［15］的研究結(jié)果一致。同時(shí)急流軸左側(cè)存在較強(qiáng)的氣旋性切變及天氣尺度上升運(yùn)動(dòng)（圖略），其與龍卷風(fēng)暴產(chǎn)生的內(nèi)在聯(lián)系還需要進(jìn)一步研究。

圖4 產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋附近的0～1 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度（填色）分布（黑色等值線為900 hPa位勢(shì)高度，單位：dagpm；風(fēng)羽為900 hPa風(fēng)場(chǎng)；藍(lán)色標(biāo)記為龍卷；氣旋中心位于（0，0））Fig.4 Distribution of 0-1 km storm relative helicity（the shaded）near tornadic extratropical cyclone（the black isoline denotes the height at 900 hPa，unit：dagpm；the barb denotes wind at 900 hPa；the blue mark denotes tornado；the center of extratropical cyclone is located at（0，0））

產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋附近對(duì)流有效位能分布也存在顯著特征（圖5）。對(duì)流有效位能超過600 J·kg-1的區(qū)域從氣象中心西南側(cè)向東北方向延伸，同樣呈東北—西南向帶狀分布，中心值為1600 J·kg-1，位于氣旋中心相對(duì)距離-6°～-2°經(jīng)距、-7°～-4°緯距范圍，其大值帶與風(fēng)暴相對(duì)螺旋度并不重疊，而是更加偏西偏南。對(duì)應(yīng)龍卷分布可見，更多龍卷分布在對(duì)流有效位能大值區(qū)中心及西側(cè)梯度大值區(qū)附近，幾乎所有的EF2級(jí)強(qiáng)龍卷分布在對(duì)流有效位能大值中心附近。對(duì)流有效位能隨時(shí)間變化（圖略）表明，龍卷發(fā)生前12 h，對(duì)流有效位能存在明顯的增強(qiáng)（可能與午后太陽短波輻射導(dǎo)致的近地面增溫有關(guān)）。因此，在溫帶氣旋中的龍卷生成區(qū)域存在明顯的熱力不穩(wěn)定條件，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生和發(fā)展。

圖5 產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋附近對(duì)流有效位能（填色）分布（其他說明同圖4）Fig.5 Distribution of convective available potential energy（the shaded）near tornadic extratropical cyclone（the others same as in Fig.4）

由強(qiáng)龍卷參數(shù)分布（圖6）可見，最大值超過0.7，強(qiáng)龍卷參數(shù)中心位于氣旋中心相對(duì)距離-2°經(jīng)距、-5°緯距附近。比較其與龍卷分布發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)龍卷參數(shù)大值區(qū)與龍卷密度中心基本在相同經(jīng)度上，但位置并不重疊，其中心位置較龍卷分布更加偏南。同時(shí)，強(qiáng)龍卷參數(shù)大值區(qū)與EF2及以上級(jí)別龍卷分布對(duì)應(yīng)較好，這也驗(yàn)證了該指數(shù)更趨向于表征強(qiáng)龍卷的潛勢(shì)。氣旋中心略偏南位置有較多弱龍卷分布，而無論是以對(duì)流有效位能為代表的熱力條件還是以風(fēng)暴相對(duì)螺旋度為代表的動(dòng)力條件，在該區(qū)域表現(xiàn)均不顯著。

圖6 溫帶氣旋附近的強(qiáng)龍卷參數(shù)（填色）分布（其他說明同圖4）Fig.6 Distribution of strong tonado parameter（the shaded）near tornadic extratropical cyclone（the others same as in Fig.4）

2.3 龍卷溫帶氣旋不同層次物理量場(chǎng)

分析產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋附近地面要素分布（圖7），氣旋中心平均海平面氣壓場(chǎng)為1000 hPa，與900 hPa氣旋中心基本重合，氣壓場(chǎng)呈東北—西南向橢圓形的非對(duì)稱分布，其東南側(cè)等壓線密集，對(duì)應(yīng)風(fēng)場(chǎng)上存在西南偏南的風(fēng)速大值區(qū)。由溫度場(chǎng)（圖7a）可見，氣旋西側(cè)存在強(qiáng)溫度梯度，該位置對(duì)應(yīng)地面氣旋的冷鋒，冷鋒前側(cè)有暖脊從西南方向伸向氣旋中心略偏南區(qū)域，軸心呈西南—東北向，龍卷主要分布在暖脊頂部附近。同樣地面露點(diǎn)溫度場(chǎng)（圖7b）上，冷鋒略偏東位置存在平行于冷鋒的干線，干線前存在濕舌，龍卷主要分布在冷鋒前濕舌頂部附近，這與美國(guó)產(chǎn)生龍卷的典型溫帶氣旋結(jié)構(gòu)相似［28］。分析表明：氣旋冷鋒前側(cè)暖區(qū)，近地面強(qiáng)氣壓梯度所導(dǎo)致的偏南氣流提供了良好的動(dòng)力和濕度條件，造成高溫高濕的環(huán)境背景，而天氣尺度冷鋒提供了強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)條件，以上有利的環(huán)境背景疊加對(duì)龍卷產(chǎn)生起關(guān)鍵作用。

圖7 產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋附近地面2 m 溫度（填色）（a）、2 m 露點(diǎn)（填色）（b）分布（黑色等值線為海平面氣壓場(chǎng)，單位：hPa；風(fēng)羽為地面10 m 風(fēng)場(chǎng)；藍(lán)色標(biāo)記為龍卷；氣旋中心位于（0，0））Fig.7 Distribution of temperature at 2 m（the shaded）（a），dew point temperature at 2 m（the shaded）（b）near tornadic extratropical cyclone（the black isoline denotes the sea level pressure，unit：hPa；the barb denotes the wind at 10 m；the blue mark denotes tornado；the center of extratropical cyclone is located at（0，0））

沿圖7a黑色直線進(jìn)行剖面分析（圖8），分別選取更接近氣旋中心的位置（圖8a，沿圖7a中AA′）及冷鋒尾部地區(qū)（圖8b，沿圖7a中BB′）進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比溫度場(chǎng)可見，溫度垂直分布無明顯差異，近氣旋中心位置緯度偏北，溫度略偏低。而兩者相對(duì)濕度差異顯著，近氣旋中心（東西2.5°經(jīng)距范圍內(nèi)）低層濕層更厚，70%以上的相對(duì)濕度區(qū)從近低層延伸至750 hPa附近。在近地面，冷鋒尾部較氣旋中心的露點(diǎn)溫度（代表絕對(duì)濕度）更大（圖7b），而相對(duì)濕度差別不明顯，至850 hPa以上冷鋒尾部相對(duì)濕度下降顯著，至500 h Pa附近相對(duì)濕度降至30%以下，呈現(xiàn)明顯的干侵入特征。兩剖面所對(duì)應(yīng)的龍卷高密度區(qū)（氣旋中心相對(duì)距離-3°～1°經(jīng)距范圍內(nèi)）整體呈上干下濕的層結(jié)特征，表征該區(qū)域存在較好的對(duì)流性不穩(wěn)定條件。研究表明：濕度分布影響冷池強(qiáng)弱，一定程度上決定了風(fēng)暴中的下沉氣流強(qiáng)度［7，51］，從而影響龍卷低層渦度來源。雷暴冷出流與環(huán)境暖濕入流間強(qiáng)斜壓性使近地面的水平渦度加強(qiáng)，在渦度傾側(cè)和拉伸作用下轉(zhuǎn)換為垂直渦度［7］。冷池過弱，無法通過斜壓作用產(chǎn)生水平渦管，難以形成中氣旋；冷池過強(qiáng)，冷出流將切斷中氣旋的入流，并使低層強(qiáng)渦旋中心的位置遠(yuǎn)離中氣旋的上升氣流軸，進(jìn)而減弱對(duì)龍卷渦旋的拉伸作用，且冷出流的溫度過低，負(fù)浮力將抑制垂直上升氣流而不利于近地面垂直渦度加強(qiáng)，故冷出流與環(huán)境之間形成的溫度差異需要有一個(gè)平衡點(diǎn)［51］。氣旋中心較冷鋒尾部龍卷更多，推測(cè)其可能原因是該位置濕度分布提供了更為合適的下沉氣流強(qiáng)度，當(dāng)然也需要指出，下沉氣流強(qiáng)度還與中層溫度直減率及下沉氣流中水凝物粒子的拖曳作用有關(guān)。此外，由兩者垂直速度（圖8中黑色等值線）可見，近氣旋中心處垂直速度的最大值達(dá)到-4.5 Pa·s-1，接近冷鋒尾部區(qū)域的2倍。天氣尺度的抬升運(yùn)動(dòng)不是強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)的直接影響機(jī)制，其可通過減弱逆溫、減少對(duì)流抑制能方式使大氣變得更加有利于對(duì)流發(fā)生［52］，但對(duì)流能否觸發(fā)，還與地面抬升力大小、對(duì)流抑制強(qiáng)弱及自由對(duì)流高度等有關(guān)，需要今后深入研究。

圖8 沿圖7a中AA′（a）及BB′（b）的空間垂直剖面（紅色等值線為溫度，單位：℃；黑色等值線為垂直速度，單位：10 Pa·s-1；填色代表相對(duì)濕度）Fig.8 Spatial vertical section along AA′（a）and BB′（b）in Fig.7a（the red isoline denotes temperature，unit：℃；the black isoline denotes the vertical speed，unit：10 Pa·s-1；the shaded denotes the relative humidity）

由溫帶氣旋高層環(huán)境場(chǎng)（圖9）可見，200 hPa為寬廣的低壓槽區(qū)，氣旋中心位于200 hPa槽前。高空急流軸位于氣旋中心南側(cè)8°～10°緯距，以往研究指出，高空急流入口區(qū)右側(cè)和出口區(qū)的左側(cè)是高空的強(qiáng)輻散區(qū)，其提供的抽吸效應(yīng)有利于溫帶氣旋的強(qiáng)烈發(fā)展［26］，而本研究中氣旋中心位于高空急流左側(cè)，無明顯風(fēng)速變化，也就難以確定其急流出口區(qū)或入口區(qū)。龍卷分布密集區(qū)位于200 hPa偏西風(fēng)和西北風(fēng)的分流區(qū)，與高空強(qiáng)輻散區(qū)對(duì)應(yīng)較好，同時(shí)龍卷高發(fā)區(qū)對(duì)應(yīng)低層急流左側(cè)氣旋式輻合區(qū)，Rasmussen等［21］同樣發(fā)現(xiàn)高低空急流耦合配合近地面高溫高濕區(qū)是龍卷的易發(fā)區(qū)，與本研究結(jié)果一致。

圖9 產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋附近200 h Pa形勢(shì)場(chǎng)（黑色等值線為200 hPa位勢(shì)高度，單位：dagpm；棕色等值線為200 hPa等風(fēng)速線，單位：m·s-1；藍(lán)色等值線為90%龍卷核密度分布估計(jì)；風(fēng)矢為200 hPa風(fēng)場(chǎng)；填色為200 hPa散度）Fig.9 Distribution of weather situation field at 200 hPa near tornadic extratropical cyclone（the black isoline denotes the height at 200 hPa，unit：dagpm；the brown isoline denotes the velocity at 200 hPa，unit：m·s-1；the blue isoline denotes 90%kernel density estimation of tornadoes；the vector denotes the wind at 200 hPa；the shaded denotes the divergence at 200 hPa）

上述分析的環(huán)境參量均難以解釋溫帶氣旋中心偏南附近區(qū)域存在高密度龍卷。超級(jí)單體龍卷的形成除了需要超級(jí)單體形成的有利環(huán)境條件（合適的對(duì)流有效位能和深層垂直風(fēng)切變），還需要較高的低層相對(duì)風(fēng)暴螺旋度。而非超級(jí)單體龍卷起源于風(fēng)暴上升運(yùn)動(dòng)拉伸邊界層上的微尺度氣旋。因而非超級(jí)單體龍卷形成需要近地面層提供較強(qiáng)的垂直抬升力，該抬升力的一種可能來源為低層的熱力不穩(wěn)定。近地面暖脊和濕舌在一定程度上表征低層的不穩(wěn)定環(huán)境，地面附近的冷鋒和干線作為對(duì)流觸發(fā)條件，通常情況下氣塊自地面附近抬升至自由對(duì)流高度以上，對(duì)流觸發(fā)并發(fā)展，因而抬升力一般指地面到自由對(duì)流高度之間的上升運(yùn)動(dòng)。有研究指出，0～3 km高度對(duì)流有效位能或垂直減溫率可以較好表征氣塊快速抬升和近地面渦度拉伸的潛力［53］。圖10為近地面到3 km 高度的溫差，氣旋中心略偏南的位置確實(shí)存在溫度遞減率大值區(qū)，與龍卷密集區(qū)對(duì)應(yīng)較好，且氣旋中心附近相對(duì)渦度更大（圖3），對(duì)該區(qū)域垂直渦度的拉伸能否作為初始渦度來源還有待進(jìn)一步研究。同時(shí)需要指出的是，遠(yuǎn)離氣旋中心西南方向存在更強(qiáng)的溫度遞減率大值中心，而該地區(qū)確無龍卷發(fā)生，這可能與該區(qū)域的對(duì)流抑制較大（圖略）有關(guān)。

圖10 產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋附近地面至3 km 高度溫差（填色）（其他說明同圖4）Fig.10 Distribution of temperature difference from ground to 3 km（the shaded）near tornadic extratropical cyclone（the others same as in Fig.4）

2.4 溫帶氣旋龍卷的天氣流型配置概念模型

基于上述研究，總結(jié)遼寧省有利于溫帶氣旋龍卷產(chǎn)生的天氣流型配置的主要特征模型（圖11）。龍卷高發(fā)區(qū)上空200 hPa對(duì)應(yīng)寬廣的低壓槽前、高空急流軸左側(cè)氣流分流區(qū)，強(qiáng)高空輻散所造成的抽吸作用有利于低層氣旋發(fā)展；500 hPa位于冷渦底部短波槽前，中層急流軸附近，強(qiáng)西風(fēng)急流代表來自槽后的干冷空氣侵入，同時(shí)加強(qiáng)了深層垂直風(fēng)切變；925 hPa及地面可見龍卷高發(fā)區(qū)位于冷鋒前暖區(qū)內(nèi)，925 h Pa槽前存在較強(qiáng)超低空偏南暖濕氣流，配合地面存在暖脊和濕舌，造成溫帶氣旋內(nèi)較低的抬升凝結(jié)高度和較大的低層溫度直減率。近地面干線、冷暖鋒（有時(shí)還存在雷暴出流邊界）的交匯處是對(duì)流觸發(fā)的有利位置，垂直方向上的配置使龍卷高發(fā)區(qū)內(nèi)風(fēng)向隨高度存在明顯順轉(zhuǎn)。超低空急流進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)暴相對(duì)螺旋度，其左側(cè)的高對(duì)流有效位能及高風(fēng)暴相對(duì)螺旋度提供有利于超級(jí)單體產(chǎn)生的環(huán)境，同時(shí)暖區(qū)內(nèi)氣旋上空的溫濕垂直分布可能導(dǎo)致較為適宜的下沉氣流強(qiáng)度，從而有利于低層斜壓水平渦度的加強(qiáng)。以上有利條件的綜合配置也使該區(qū)域?qū)?yīng)強(qiáng)龍卷參數(shù)的大值區(qū)，遼寧省絕大多數(shù)EF2及以上級(jí)別強(qiáng)龍卷均出現(xiàn)于溫帶氣旋暖區(qū)內(nèi)。

圖11 遼寧省溫帶氣旋龍卷典型天氣流型概念模型Fig.11 Typical synoptic patterns of extratropical cyclone tornado in Liaoning

3 結(jié)論與討論

本文基于多種災(zāi)情數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)1979—2020年遼寧省溫帶氣旋背景下的龍卷天氣，利用ERA5數(shù)據(jù)綜合分析產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋結(jié)構(gòu)和環(huán)境參數(shù)特征，主要結(jié)論如下：

1）1979—2020年遼寧省溫帶氣旋龍卷共出現(xiàn)42次，占龍卷總數(shù)的40%。與總龍卷分布類似，溫帶氣旋龍卷主要分布在遼河平原中西部及渤海灣沿岸。強(qiáng)龍卷（EF2及以上級(jí)別）主要分布在遼寧省西部沿海到中部平原地區(qū)，占所有溫帶氣旋龍卷的28.6%，比例明顯偏高。大多數(shù)龍卷發(fā)生在溫帶氣旋的西南、東南象限，與冷鋒前暖區(qū)相對(duì)應(yīng)。

2）動(dòng)力學(xué)參數(shù)風(fēng)暴相對(duì)螺旋度和熱力學(xué)參數(shù)對(duì)流有效位能的大值區(qū)均出現(xiàn)在氣旋中心的西南、東南象限，呈帶狀分布，中心值分別為70 m2·s-2和1600 J·kg-1，其形成與低空強(qiáng)西南氣流的暖濕輸送有關(guān)。龍卷主要分布于風(fēng)暴相對(duì)螺旋度大值區(qū)中心及偏西北位置，對(duì)流有效位能大值區(qū)的頂端、梯度大值區(qū)附近。龍卷熱動(dòng)力綜合參數(shù)強(qiáng)龍卷參數(shù)最大值達(dá)到0.7，中心位于氣旋中心相對(duì)距離-2°經(jīng)距、-5°緯距，強(qiáng)龍卷參數(shù)大值區(qū)與EF2 及以上級(jí)別龍卷具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3）地面上溫帶氣旋中心平均氣壓場(chǎng)為1000 hPa，呈東北—西南向橢圓形的非對(duì)稱分布，配合溫濕場(chǎng)可分析出冷鋒和干線，是龍卷的關(guān)鍵觸發(fā)條件。龍卷主要分布在冷鋒前溫度場(chǎng)暖脊及濕度場(chǎng)舌頂端附近?？臻g剖面顯示近氣旋中心低層濕層更厚，冷鋒尾部較氣旋中心呈現(xiàn)更加明顯的高層干侵入特征，過強(qiáng)的冷池出流可能不利于龍卷產(chǎn)生。龍卷高密度區(qū)表現(xiàn)出上干下濕層結(jié)，代表該區(qū)域具有較好的對(duì)流性不穩(wěn)定條件。垂直速度中心出現(xiàn)在550～600 hPa附近，近氣旋中心處垂直速度接近冷鋒尾部區(qū)域的2倍。高空急流軸位于氣旋中心南側(cè)相對(duì)距離8°～10°緯距，龍卷密集區(qū)對(duì)應(yīng)高空強(qiáng)輻散區(qū)。氣旋中心位于高空急流左側(cè)，這可能與槽前正渦度平流、偏西風(fēng)和西北風(fēng)的分流及低空急流的耦合作用有關(guān)。

4）溫帶氣旋中心偏南區(qū)域存在高密度弱龍卷分布，可能與非超級(jí)單體龍卷有關(guān)。近地面至700 hPa的溫差代表低層的溫度直減率，其大值區(qū)與氣旋中心附近的弱龍卷密集區(qū)對(duì)應(yīng)較好。

由于雷達(dá)產(chǎn)品時(shí)間尺度所限，本文并未開展龍卷風(fēng)暴形態(tài)學(xué)研究，難以確定前文所述氣旋中心偏南區(qū)域存在的高密度弱龍卷中非超級(jí)單體龍卷所占比例，同時(shí)自由對(duì)流高度、0～3 km 的對(duì)流有效位能、對(duì)流抑制能量等物理量對(duì)于判斷氣旋中心偏南區(qū)域的弱動(dòng)力不穩(wěn)定環(huán)境龍卷潛勢(shì)能力有待進(jìn)一步研究。此外，區(qū)分產(chǎn)生龍卷和不產(chǎn)生龍卷的溫帶氣旋結(jié)構(gòu)及環(huán)境參數(shù)特征仍需選取更多個(gè)例深入研究。