2016年6月江苏阜宁一次超强龙卷的特征分析❋

2018-12-22孙即霖楚合涛

中国海洋大学学报（自然科学版） 2018年2期

顾瑜，孙即霖,2❋ ❋，楚合涛

(1.中国海洋大学海洋与大气学院，山东青岛 266100； 2.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，海洋大气相互作用与气候实验室，山东青岛 266100； 3.莱西市气象局，山东莱西 266600)

顾瑜1，孙即霖1,2❋ ❋，楚合涛3

利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR再分析资料、FY-2E卫星和多普勒雷达等资料，对2016年6月23日江苏省阜宁县一次EF4级超强龙卷天气过程进行了分析。研究表明：(1)龙卷发生前，300 hPa附近的冷平流和850 hPa附近的暖平流增强了大气对流层垂直层结的不稳定性，700和850 hPa低涡切变东移，地面气旋提供的海上水汽输送和天气尺度上升运动抬升触发作用，高低层风速存在强风切变提供有利于中小尺度风暴自组织系统加强等因素，构成了本次龙卷过程发生的环境条件。(2)造成本次龙卷的超级单体风暴持续近4 h，具有典型的钩状回波，有持续强盛的气旋性涡旋存在。(3)造成本次强龙卷的超级单体具有深厚的中气旋，龙卷涡旋特征较强，龙卷发生在3D环流厚度及最大切变剧增的时候。

超强龙卷；环流背景；超级单体；中气旋；龙卷涡旋特征

龙卷风是在极端不稳定天气条件下产生的一种小尺度天气系统，是和强烈对流云相伴出现的具有垂直轴的小范围强烈涡旋，是对流风暴产生的最猛烈的天气现象，其中心最大风速可超过140 m·s-1[1]。过去的研究表明，1961—2010年中国大陆共记录到165次强龙卷，其中EF2级145次、EF3级16次、EF4级只有4次[2]。有研究表明，龙卷发生有三个必要条件，即：非常不稳定的湿润空气；在不稳定空气中形成塔状积雨云；高空风与低空风的方向相反[3-5]。姚叶青等[6]指出，龙卷易发生在中低层有低槽切变、地面低压以及低空急流或较大的垂直风切变等环境中。从雷达回波特征来看，龙卷分为超级单体龙卷和非超级单体龙卷，超级单体龙卷由超级单体风暴产生，强烈的龙卷多数为超级单体龙卷[7-8]。龙卷可以通过中气旋进行预警，探测到强中气旋发生龙卷的概率为40%，如果中等强度中气旋底部到地面距离小于1 km，发生概率超过40%。龙卷除了通过中气旋进行识别和预警，还可以通过龙卷式涡旋特征(Tornado Vortex Characteristics)进行识别[7,9-10]。刁秀广等[11]研究了非超级单体龙卷多普勒天气雷达产品特征及预警，发现非超级单体龙卷有时也有TVS特征。

龙卷风形成后，一般维持20 min左右，袭击范围小，但破坏力巨大[7,12-13]，造成人员财产的巨大损失。龙卷风出现的时空随机性较强，气象探测设备和探测系统都难以有效准确监测和追踪它的发生发展，在美国这样的龙卷风多发、预警较为先进的国家，目前也仍然难以准确对其预报[14]。

2016年6月23日14—15时，江苏盐城阜宁县(见图1)发生了极其罕见的EF4级超强龙卷风，持续约20 min，造成99人死亡，846人受伤，毁坏农业大棚面积3 200 hm2，235 km电缆受损中断。

本文拟利用江苏盐城多普勒雷达资料和其它资料，从天气学的角度出发，分析此次超强龙卷事件发生前的气象条件和阜宁龙卷的超级单体风暴的雷达回波特征，并对中气旋及龙卷涡旋特征演变特征进行了分析，期盼能为极端性天气的预报预警提供有益的参考。

图1 盐城市地图Fig. 1 Map of Yancheng City

1 资料和方法

本文所用的资料有美国国家环境预报中心NCEP的FNL全球格点再分析资料(1°×1°)和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)分析场资料(0.125°×0.125°)，时间间隔为6 h，FY-2E卫星数据资料以及江苏省盐城市多普勒天气雷达资料。对本次超强龙卷风过程主要从天气形势、环境条件和多普勒雷达演变特征三个方面进行分析。

2 天气形势分析

2.1 大气环流背景分析

2016年6月22日20时—23日14时在500 hPa(图略)上中国东北地区高空有一冷涡配合低槽东移南下，6月23日02时冷涡形成，至23日14时继续东移发展。高空槽东移时，伴随着槽后冷空气的加强，使中高层冷平流加强，高低空温差从而增大，大气不稳定度增大；槽前有正涡度平流，使得该槽继续向前发展移动。

6月22日20时—23日14时在700(图略)和850 hPa(见图2)上，对流层中低层江苏省阜宁县附近存在一个向东移动的低涡切变线，850 hPa上来自低纬度西南风和黄海上东南风，向龙卷发生区域输送暖湿空气，为龙卷发生提供了充足的水汽。

特别值得注意的是，自23日02时开始，700和850 hPa上暖锋锋生作用不断加强(风速辐合)，2016年6月23日08时(图略)，200 hPa高层为较强的西北干冷气流，结合500 hPa中层的偏西气流，700和850 hPa的西南、东南湿暖气流，随着高度的上升，风向顺时针旋转，整个高低层间存在很强的风切变，上冷下暖的结构十分明显，使大气对流不稳定度增强。

2.2 龙卷天气过程气象要素变化特征

图3为利用盐城地面自动气象站资料绘制2016年6月23日13—16时气压、气温、风场时间序列图。在龙卷发生的14—16时过程中气压骤降，14:45出现最低值约1 000 hPa，较龙卷发生前气压下降约2.5 hPa，之后气压开始回升。该过程中气温也随时间发展逐渐降低，于龙卷发生后15:35开始出现回升趋势。

图3 2016年6月23日13—16时地面气压、气温和风场随时间变化序列图Fig. 3 Time series of air pressure, air temperature and wind field on the ground from 13 BST to 16 BST 23 June, 2016

3 龙卷过程中环境条件分析

大气垂直稳定度和风的垂直切变是对流产生和组织结构影响最大的两个环境因素[15]。图4为利用江苏射阳站2016年6月22日20时及23日08时探空数据绘制的T-lnP图。从图中可以发现：大气中高层较为干燥，低层较为湿润；6月22日20时—23日08时，对流层低层的逆温层明显发展，6月23日08时在850～925 hPa处存在明显的逆温层，并于850 hPa处形成一暖盖。6月22日20时—23日08时期间，不稳定高度抬升至300 hPa。分析300 hPa温度场和风场(图略)发现，22日20时—23日08时江苏地区上空300 hPa附近的冷平流和850 hPa的暖平流，是形成大气对流层极端不稳定层结的主要原因。利用6月23日08时阜宁站2 m气温(30℃)和距离为30 km的射阳站探空(见图4(b))进行订正，抬升指数LI为-3.5 ℃，大气对流有效位能CAPE值为1 408 J·kg-1，具有一定的不稳定条件。从风场来看，低空为东南风，风向随高度上升顺时针旋转，0～6 km垂直风切变达到17 m·s-1。抬升凝结高度LCL约为700 m。强的低层垂直风切变和低的抬升凝结高度是非常有利于F2级以上强龙卷的形成[15]。6月23日14时(见图5)阜宁上空假相当位温随高度升高而降低，整层有明显的上升运动，在550 hPa附近存在上升运动中心。

龙卷是否能够发展必须依赖于良好的外部水汽环境，对流层低层有充沛的水汽和较强的垂直风切变条件对于龙卷发展至关重要[16]。分析2016年6月23日14时水汽通量散度和风场(见图6)发现，龙卷发生处上空有强的水汽辐合带，925 hPa水汽通量散度达到-6×10-7g·s-1·cm-1·hPa-1，由低层到高层水汽通量散度逐渐升高，至300 hPa开始出现水汽辐散，呈明显的“上干下湿”结构。低层风场辐合，850 hPa存在西南急流(见图6(b))，为龙卷的发生提供了充足的水汽输送，低层存在强的垂直风切变，使近地面层上升运动和辐合加强。

龙卷与雷暴产生的必要条件具有一致性[17]，尽管龙卷尺度小，寿命较短，但仍然可以从FY-2E卫星云图上发现有利于其发生的环境特征。分析2016年6月23日11—16时FY-2E卫星云顶亮温(TBB)(见图7)发现，对流云区面积增长的速度是可能发生强对流天气的重要指标，产生龙卷的整个雷暴云团的TBB在不同时刻所包围的面积变化对龙卷的产生具有一定影响[17]。由图7(a)可见，在龙卷发生前，11时阜宁县附近TBB较低，12—14时(见图7(b)～(d))，阜宁县附近TBB逐渐降低且低亮温区域逐渐扩大，12时TBB为-52 ℃左右，随时间推移，14时TBB已经降至-72 ℃左右，此时阜宁县附近TBB梯度较大，云团在发展。由图7(d)和图7(e)可以发现，14时阜宁县处于-72 ℃的TBB前部，15时阜宁县处于-72 ℃的TBB后部，说明在14—15时期间，最低亮温云团经过了阜宁县，本次强龙卷过程正是在这个时间段发生的。龙卷发生后16时(见图7(f))亮温较上一时次有所回升，强对流活动开始减弱。

图4 射阳站2016年6月22日20时(a),6月23日08时(b)T-lnP图Fig. 4 T-lnP diagram at Sheyang Station at 20 BST 22 (a),08 BST 23 (b) June，2016

图5 2016年6月23日14时假相当位温(阴影), 垂直速度(曲线)沿119.78°E纬向垂直剖面Fig. 5 Potential pseudo-equivalent temperature (shadow) and vertical velocity (curve) vertical profile of the latitude direction along the 119.78°E at 14 BST 23 June，2016

4 雷达回波演变特征

4.1 反射率因子

江苏盐城新一代多普勒天气雷达探测回波显示(见图8)，阜宁龙卷产生于超级单体风暴右后侧，从西往东偏北移动，12:03风暴强中心位于泗阳，阜宁龙卷母体风暴形成于13:06，50 dBZ的强回波于13:40影响阜宁县，16:53消散，中气旋形成于13:28，消散于16:19，阜宁、射阳等部分地区出现龙卷等强对流天气。

图9给出了产生超级单体风暴的组合反射率因子、风暴演变趋势及反射率的垂直剖面图。产生阜宁龙卷的风暴单体随时间发展，13:45最大回波强度为62 dBZ，强回波中心已临近阜宁，在强中心的右后侧已识别出中气旋及龙卷涡旋特征(TVS)，黄色圆圈为识别的中气旋的位置(见图9(a))。风暴演变趋势图(见图9(b))显示，此时风暴单体的液态水含量(VIL)为66 kg·m-2，回波顶高为13.2 km，强中心高度为8.6 km，13:40的反射率垂直剖面图(图略)显示，超过45 dBZ的强回波高度已达12 km，低层存在弱回波区，风暴内部具有强上升气流。伴随风暴发展，13:51，2.4°仰角雷达扫描图出现超级单体典型的钩状回波特征，涡旋向上向下延伸，14:08，0.5°仰角雷达扫描图(见图9(c))，1.5°、2.4°、3.4°仰角雷达扫描图(图略)都出现非常强的钩状回波特征，钩状回波包围的弱回波区为入流区，该风暴自西向东移动，钩状回波位于风暴移动方向的右后侧，识别的中气旋及TVS位于钩状回波的顶端，钩状回波一直维持到15:56，持续时间约2 h，有持续强盛的气旋性涡旋存在。14:08(见图9(b))雷达回波强度最大值为75 dBZ，VIL达101 kg·m-2，强中心高度为7.5 km，剖面图(见图9(d))显示，超过40 dBZ的回波顶高超过16 km，超过60 dBZ的强回波高度超过13 km，强的上升气流继续加强，单体发展旺盛。14:14强回波中心高度由前一个体扫时的7.5 km突然降至3 km，14:19的VIL突然下降为81 kg·m-2，强回波中心高度和累积液态含水量的骤降也是龙卷警戒的参考指标[18]。14:25时，1 km以下存在65 dBZ的强回波，单体底部离地面小于0.7 km，此时冰雹落地，但50 dBZ的强回波高度仍然超过12 km(见图9(e))，VIL仍高达79 kg·m-2(见图9(b))，超级单体还在发展中。从13:40～16:13，超级单体最大回波强度基本维持在60 dBZ以上，持续时间3 h 33 min。根据郑永光等[19]研究，龙卷产生时间为14:30左右，龙卷产生前的5～6个体扫，VIL在77～102 kg·m-2之间，龙卷产生前的2～3个体扫，强回波中心高度和累积液态含水量骤降。

图6 2016年6月23日14时(a)925 hPa,(b)850 hPa,(c)700 hPa,(d)500 hPa,(e)300 hPa水汽通量散度(填色)风场Fig. 6 Water vapor flux divergence (shadow) and wind field at (a) 925 hPa, (b) 850 hPa, (c) 700 hPa, (d) 500 hPa, (e) 300 hPa at 14 BST 23 June，2016

4.2 中气旋和TVS强度演变

强龙卷绝大多数是由超级单体产生的，而超级单体龙卷与持续深厚的中气旋密切相关。根据张小玲等人研究[20]发现阜宁县有明显的中气旋，与阜宁龙卷相关的中气旋基本参数见图10。13:28盐城雷达龙卷母单体风暴识别出涡旋，最大旋转速度为10 m·s-1，距离雷达93 km，垂直延伸厚度超过3 km，已形成弱中气旋。13:40中气旋旋转速度上升为15 m·s-1，距离雷达87 km，已发展为中等强度的中气旋，13:45，0.5°仰角径向速度图上中气旋最大旋转速度约为22 m·s-1，成为强中气旋，此时中气旋底部高度为1.2 km，中气旋继续发展，14:19及14:25在2.4°和3.4°仰角上旋转速度达到最大25.5 m·s-1，中气旋底部高变为0.8和0.6 km，之后中气旋向下伸展，14:31时0.5°、2.4°和3.4°仰角旋转速度都达到最大25.5 m·s-1，中气旋达到最强，中气旋底部已伸展到0.6 km，切变随时间增大，此时达到最大值为80×10-3s-1。对阜宁龙卷灾害的调查结果表明，龙卷产生的时间是14:30左右，最大风速为34.6 m·s-1出现在14:29，由离受灾区最近的新沟镇地面自动站测到深厚的强中气旋持续约40～46 min后诱发了龙卷[19]。中气旋从14:02开始向下发展，底部和顶高不断下降，垂直延伸厚度不断增加，14:19垂直延伸厚度达5.5 km，14:25延伸厚度急剧收缩为3.4 km，最大风切变的高度从14:19开始也逐渐下降，在14:25最大切变高度从前1个体扫的6.3 km骤降到2.5 km，最大切变高度的骤降，中气旋尺度的急剧收缩也预示着龙卷的发生[21]。在龙卷生成后，中气旋又向上延伸，最大风切变位于中气旋底部，14:36垂直厚度达到最大值7.1 km，最大风切变的高度和中气旋底高达到最小值0.6 km。因此阜宁超级单体强龙卷发生前4～5个体扫，强中气旋具有切变不断加强、明显的旋转向下发展并且延伸到了最低层的特征。

图7 2016年6月23日(a)11时,(b)12时,(c)13时,(d)14时,(e)15时,(f)16时在FY-2E卫星云图上的云顶亮温Fig. 7 Equivalent blackbody temperature shown by FY-2E satellite at (a) 11 , (b) 12, (c) 13, (d) 14, (e) 15, (f) 16 BST 23 June，2016

盐城雷达自动识别的龙卷涡旋特征TVS参数[11]见表1。14:08开始，TVS不断加强，3D环流非常深厚，超过5 km，底部小于1 km，14:14龙卷3D涡旋底部径向速度差超过50 m·s-1，在14:25达到最大，最大径向速度差基本等于底部径向速度差54～55 m·s-1，此时最大切变为58×10-3s-1，到14:31，3D环流厚度剧增为8.5 km，底部径向速度差维持最大值54 m·s-1，此时最大切变也激增为70×10-3s-1，结合中气旋的特征，14:25～14:31应该是龙卷发生的可能时间。龙卷出现后，造成计桥村EF3级的龙卷，龙卷继续向东沿偏北方向移动[12]，持续约20多分钟，底部径向速度差逐渐减小，3D环流特征的底部逐渐下降，顶部高度维持在8 km以上，造成王滩村、丹坪村EF3级的龙卷灾害及北陈村、立新村、蔡河村EF4级龙卷灾害。龙卷造成的灾害程度应该和3D环流特征的底部高度及厚度有关。强龙卷发生前3～4个体扫出现TVS，龙卷发生在3D环流厚度及最大切变剧增的时候。

图8 (a)12:03,(b)13:06,(c)13:40,(d)16:58雷达组合反射率因子,(e)13:28,(f)16:19 0.5°仰角径向速度Fig. 8 Radar reflectivity mosaic factor at (a)12:03, (b) 13:06, (c) 13:40, (d) 16:58, angular velocity at 0.5°elevation at (e)13:28,(f)16:19 BST 23 June，2016

图9 2016年6月23日(a)13:45雷达组合反射率因子,(b)13:45～14:36风暴趋势, (c)14:08 0.5°仰角雷达反射率因子,(d)14:08,(e)14:25,(f)14:54反射率垂直剖面Fig. 9 (a) Radar reflectivity mosaic factor at 13:45, (b) storm trend at 13:45～14:36, (c) reflectivity factor at 0.5°elevation at 14:08, reflectance vertical profile at (d) 14:08, (e) 14:25, (f) 14:54 BST 23 June， 2016

图10 2016年6月23日与阜宁龙卷有关的中气旋演变特征Fig.10 Characteristics of cyclone in the Funing tornado in 23 June, 2016

时间Time平均径向速度差AVDGV/m·s-1(最低仰角径向速度差)LLDV/m·s-1最大径向速度差/高度MXDV/HGT/m·s-1/km3D环流特征厚度DEPTH/km3D环流特征底高/顶高BASE/TOP/km3D环流特征最大切变量/高度MXSHR/HGT/10-3·s-1/km14：08301455/3．26．50．8/7．447/3．214：14375353/0．86．00．8/6．848/1．914：19385054/1．75．60．7/6．352/1．714：25395455/4．45．20．7/5．958/4．414：31375463/9．18．50．6/9．170/9．114：36385365/8．37．80．6/8．378/8．314：42355259/8．27．60．5/8．273/8．214：48324652/1．37．50．5/8．164/1．314：54304346/2．17．50．5/8．058/2．1

5 结论

本文对2016年6月23日江苏省阜宁县发生的一次EF4级龙卷天气过程进行了分析,得到的主要结论如下：

(1) 江苏阜宁超强龙卷发生前的大气环流形势特点为：300 hPa附近的冷平流和850 hPa附近的暖平流增强了大气对流层垂直层结的不稳定性，700和850 hPa低涡切变东移，地面气旋提供了海上水汽输送和天气尺度的上升运动抬升触发作用。

(2) 本次龙卷发生的环境条件：龙卷发生前大气对流有效位能CAPE值为1 408 J·kg-1，高低层风速存在强风切变；阜宁上空假相当位温随高度升高而降低，整层有明显的上升运动；存在强的水汽辐合带，850 hPa有西南急流；阜宁上空TBB较低，且梯度较大。

(3) 造成本次龙卷天气的超级单体风暴持续近4 h，最大反射率因子达75 dBZ，超过60 dBZ的强回波高度超过13 km；在风暴单体移动的右后侧低层存在非常强的上升气流，超级单体典型的钩状回波持续约2 h，有持续强盛的气旋性涡旋存在。龙卷产生前的5～6个体扫，VIL高达77～102 kg·m-2，龙卷产生前的2～3个体扫，强回波中心高度和VIL骤降。

(4) 超级单体具有深厚的中气旋，强中气旋持续约40～46 min。TVS特征非常强，最大径向速度差46～63 m·s-1，3D环流非常深厚，强龙卷发生前3～4个体扫出现TVS，龙卷发生在3D环流厚度及最大切变剧增的时候，龙卷发生后，3D环流特征的底部逐渐下降。

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AnalysesofCharacteristicsonASuperTornadoinFuning,JiangsuProvinceinJune,2016

GU Yu1, SUN Ji-Lin1,2, CHU He-Tao3

(1.College of Oceanic and Atmospheric Science, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Laboratory of Physical Oceanography, Ministry of Education, The Laboratory of Ocean-Atmosphere Interaction and Climate, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. Laixi Weather Bureau, Laixi 266600, China)

Based on the conventional meteorological observation data, NCEP / NCAR reanalysis data, FY-2E satellite imagery and Doppler radar data, the EF4 super tornado occurred in Fu-ning County, Jiangsu Province on 23 June, 2016 was analyzed. The results show that: (1) before the tornado generation, the cold advection at 300 hPa and the warm advection at 850 hPa increased the vertical instability of the troposphere. The low vortex sheared eastward at 700 and 850 hPa. The cyclone on the ground provided the sea water vapor transport and the trigger effect of upward movement in the weather scale. The strong wind shearing in high and low layers was conducive to strengthening the storm self-organization system in small and medium scale. It constituted the tornado process of environmental conditions. (2) The super monomer storm causing the tornado lasted nearly 4 hours with the typical hook echo and there was a strong cyclone vortex. (3) The super monomer causing this strong tornado was with a deep cyclone and the tornado vortex characteristic was very strong. The tornado occurred in the surge of 3D circulation thickness and the maximum shear.

super tornado; circulation background; super monomer; cyclone; tornado vortex characteristic

P468.0+26

1672-5174(2018)02-011-11

10.16441/j.cnki.hdxb.20170094

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GU Yu, SUN Ji-Lin, CHU He-Tao.Analyses of characteristics on a super Tornado in Funing， Jiangsu Province in June,2016[J].Periodical of Ocean University of China, 2018, 48(2): 11-21.

国家自然科学重点基金项目(41430963);国家自然科学基金项目(41276012)资助

Supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China (41430963); the National Natural Science Foundation of China (41276012)

2017-04-10；

2017-08-31

顾瑜(1992-),男,硕士生。E-mail: lanbo_wj@163.com

❋ ❋ 通讯作者：E-mail: rainbetimes@163.com

责任编辑庞旻