双锋面相遇对强龙卷风环境场影响的数值模拟研究

王坚红　纪晓涵　王群　王兴　苗子书　苗春生

摘要 对2009—2016年江苏北部龙卷事件的环境场进行统计与诊断，并对两次典型龙卷过程环境场进行数值模拟，重点探讨近海岸平原地区的江苏北部在春夏季节成为中国强龙卷最高频发生地的特殊性以及环境双锋面系统相遇对龙卷环境场的增强机制。分析结果显示：苏北龙卷发生率占全省58.6%。其中盐城和徐州又是苏北龙卷最高发地区。春夏季节，冷暖干湿气团势力相近，中尺度锋面系统多，易发生双锋面汇集造成局地龙卷强对流。对徐州（2009年）和盐城（2016年）的两次典型龙卷强对流环境场分析显示，徐州龙卷为变形场锋生和海风锋汇合，盐城龙卷为气旋锋面和岸滨锋相遇。WRF模拟结果显示，双锋面系统汇聚以及锋面二级环流相遇，可造成局地水平风速垂直扭转及垂直速度的水平切变，有利于驱动和增强区域正涡度;双锋面二级环流垂直上升支的叠加，可在平坦地区产生强烈的系统性抬升。这将形成有利龙卷类强对流天气发生发展的环境场。而各种常用的强对流指标均具有较强局地性，需要依据局地统计特征进行参考使用。

关键词苏北龙卷环境场;双锋面相遇;区域平均的扭转与扰动抬升;数值模拟与机制分析

龙卷是一种生命期短暂的局地强对流剧烈天气，其预报预警难度较大。范雯杰和俞晓鼎（2015）统计了1951—2010年中国的龙卷，阐明大多数龙卷发生在春夏两季。4—8月龙卷的数量占全年的87%，且多出现在午后至傍晚，多数只能维持不到半小时;魏文秀和赵亚民（1995）利用1981—1993年的资料统计了我国龙卷，指出中国龙卷的高发区主要有两个，一个在长三角经苏北平原至黄淮平原，呈南北走向，另一个在广东和广西，呈东西走向;其中江苏是我国龙卷发生最多的省份，而盐城则是江苏记录到强度在EF3级以上龙卷最多的地区。事实上，经过20多年，这个特征依然保持。

强对流龙卷天气的产生需要特定的外部旋转性动力驱动过程和区域性不稳定触发机制。这方面的研究多集中在不稳定能量、抬升触发机制等方面的分析。Ben-Amots（2016）讨论了离心力旋转效应，认为龙卷抽吸造成中心低气压并维持云底吸附在漏斗顶部，进一步地离心力将龙卷水汽甩出龙卷漏斗，水汽在漏斗周围释放潜热，形成龙卷边缘暖于中心，更有利于龙卷螺旋上升运动的维持和龙卷的增强。MacGorman and Burgess（1994）、Schumacher and Boustead（2011）、Wapler et al.（2016）以及Belo-Pereira et al.（2017）研究了欧洲地区的龙卷，并结合雷达图像给出龙卷控制区强烈的不稳定性和中尺度气旋环流的特征。Rose et al.（2004）、Gaffin and Parker（2006）分析了北美地区的龙卷天气学条件，注意到地面和850 hPa上的露点温度、500 hPa槽区和高空250 hPa急流的出口右侧均为影响龙卷的重要因子。Grams et al.（2012）比较分析了美国严重龙卷不同参数及其环境变量，认为合成参数具有更好指示性。国内的龙卷强对流研究主要集中在龙卷环境条件方面，主要关注天气背景、不稳定指标、位涡趋势计算、雷达回波特征、详细分析龙卷个例过程等（俞小鼎等（2008）、郑媛媛等（2009）、姚叶青等（2012）、李改琴等（2014）、张小玲等（2016）、陈小宇等（2018）），发现低层暖湿气流、中层弱冷空气、低空急流或低层低涡，与高空急流配合，形成中等强度的对流有效位能和强垂直风切变，为强龙卷的产生创造了良好的环境;触发机制往往是地面有弱冷空气入侵和低层的切变线。小尺度龙卷模拟仍然是目前的难点，李佳等（2017）则采用快速更新循环同化预报模式系统模拟出了类似龙卷母体的小尺度涡旋结构。指出逐小时循环同化对龙卷系统的模拟起着关键作用。

上述研究对龙卷的地域性和季节性的研究多限于统计结果，对龙卷强对流天气的环境场分析也多基于基本天气系统特征与常规强对流指标计算。本文将依据中国龙卷多发地及强龙卷常发地——江苏苏北地区的龙卷事件，揭示与龙卷相伴的双锋面系统在相遇时，对区域的正涡度旋转性和扰动抬升力的增强机制作用，进一步通过数值模拟及验证，探讨江苏北部龙卷春夏季多发原因以及影响龙卷强对流环境场的关键双锋面系统特征及其影响过程。

1 资料与方法

采用2009—2016年NCEP/NCAR的FNL资料，水平分辨率为1.0°×1.0°，垂直分辨率为26层，时间间隔为6 h。CMWF Era-interim提供的再分析资料，水平分辨率为0.125°×0.125°，时间间隔为6 h。2009—2016年江苏省气候中心强对流天气年报。江苏省气象局的沿海三个风塔监测数据，位置分别为：苏北沿岸（119°46′E，34°28′N）、苏中沿岸（120°34′E，33°38′N）、苏南沿岸（121°25′E，32°15′N），以及金风科技公司在江苏沿岸近海风电场的风场监测资料。

不仅对所研究时段的龙卷强对流天气进行统计分析，同时考虑龙卷的显著旋转特性以及对局地环流的强烈扰动，依据涡度方程（式（1））诊断龙卷过程环境场平均的涡度方程各项特征与变化;重点运用中尺度气象模式WRF（The Weather Research and Forecasting Model）对典型龙卷环境场中的双锋面活动进行模拟、并讨论相关强对流指数的特征（苗春生等，2018），如对流有效位能（CAPE）、对流抑制能量（CIN）、抬升凝结高度（LCL）、自由对流高度（LFC）、风场相对螺旋度SRH（SRH）等。

区域范围涡度变化率为：

其中：ζ为涡度;u，v，w分别为风场在x、y、z方向上的三个分量;左侧为低涡强度变率，可以展开为：-Vh·ζ为涡度平流项;-wζz为涡度垂直平流项;-vβ=-vdfdy为地转涡度或牵连涡度的经向平流项;右侧各项：-（ζ+f）·Vh為涡度散度项;1ρ2ρxpy-ρypx为斜压项;uzwy-vzwx为扭转项，该项表示由于垂直速度的水平分布不均匀，使得水平涡度向垂直涡度转换，从而引起涡度垂直分量的变化。这4项是影响局地涡度强度变率的关键因子。

2 苏北龙卷强对流天气统计

苏北地区地处我国大陆中东部，东临黄海，地居长江淮河下游，地势平坦。在南北向上，苏北地区处于亚热带和北温带过渡地带，是冷暖气团交汇区域，在东西向上，苏北地区受到海洋气团和大陆气团交错影响。在春夏季节，南北冷暖气团和东西干湿气团势力接近，相遇对抗，容易造成复杂的对流性天气。在这样的背景下，苏北地区成为了全国范围中强对流龙卷天气灾害最高发地区。

统计了2009—2016年江苏省龙卷天气发生的地点、频数情况，苏北地区龙卷占全省龙卷天气的58.6%，其次是苏中地区，占比达到27.5%，发生龙卷天气最少的则是苏南地区，占比为13.9%。而在苏北地区，盐城和徐州是苏北地区最易发生龙卷天气的地区，占比分别为64.7%和23.5%。进一步地，对2009—2016年江苏省龙卷天气逐月变化进行了统计分析，结果显示，2009—2016年期间，7、8月是龙卷天气的高发月份，天数达到9 d，其次是6月达3 d，9月平均发生龙卷的天数是1 d，其他月份则未有龙卷天气发生。因此龙卷天气发生的季节性特征很明显，主要在春末夏初季节。

由于龙卷尺度小，生命期短，又具有极强的旋转环流，因此这种局地强对流需要有环境场的驱动与支持。在寒冷季节，中高纬度西风带冷势力强大，位置偏南，或者是呈大槽大脊，或者是平直西风，江苏地区由大尺度系统控制，上升或下沉运动均显示为大尺度状态，各种小尺度对流被抑制。在温暖季节，南方暖空气势力向北推进，冷气团北撤，而总体上暖气团实力较为温和，因此冷暖空气的交汇，往往处于势均力敌的状态。并且锋面系统多，锋生形势多现。尽管夏季副热带高压强盛，但是当副高在到达华北地区时往往分离成几个团块中心，总体实力被消减。或者是大陆系统入海，副高东退，苏北地区则受到离散高压的南部或西部边缘影响。而龙卷这种局地强对流活动很容易在这种冷暖势力强度接近的对抗阶段和多锋面环境下获得驱动。

龙卷有别于其他强对流过程的一个显著方面是其强烈的小尺度旋转性，这种局地性的灾害系统，不仅需要局地旺盛的热对流，还需要强盛的环境动力旋转驱动。是哪些關键系统促成了这种环境场的垂直对流与旋转驱动在局地的结合与强化，进而有利于龙卷的发生？这些问题的探讨，将促进对龙卷强对流环境场的作用，以及中小尺度动力学理论的深入认识。

对2009—2016年发生在江苏的龙卷天气和局地环境场及其低层影响系统和数量进行分析与统计，在这些龙卷强对流发生过程中经常出现中尺度锋面。这些锋面类别有：海风锋，海上偏冷气团由海风推向陆地，与陆地上的暖空气汇合，在近海形成锋生与温度锋区;岸滨锋，由于海上气团与内陆气团因下垫面热力差异形成明显温差和沿岸锋区，此时没有海风配合，锋区稳定在海岸线附近，称为岸滨锋;变形场锋生，由内陆变形场与温度锋区配合，增强等温线密集带，形成锋生与锋区;中尺度气旋与气旋族锋面，与气旋配合的温度锋区，有暖锋锋区与冷锋锋区。上述中尺度锋区在6、7、8月的暖季，经常出现，易于形成相互对抗，相互支撑，总效果将增强局地区域内的不稳定。值得注意的是，统计显示多数情况下，龙卷发生在两个影响锋面同时存在的环境场中。统计结果如表1所示。

为具体研究苏北龙卷发生区域内关键双锋面系统的影响活动与作用，选取了两个典型龙卷事件，一个是徐州龙卷，发生在2009年6月5日，另一个是盐城龙卷，发生在2016年6月23日。对这两个典型苏北龙卷事件，进行过程诊断分析与环境场的数值模拟，探讨龙卷强对流天气环境场中双锋面系统的重要作用。

3 两次龙卷环境场及其关键锋面系统

两次龙卷过程均发生于下午，徐州沛县龙卷发生在16：00（北京时，下文中如未特别说明，均为北京时），盐城阜宁龙卷发生在14：30。图1为两次过程中的地面（1 000 hPa）风场与温度场。图1a温度场上沿海岸的等温线密集带以及自海上向内陆的风场构成了海风锋，在徐州地区风场是鞍形场（变形场），对应鞍形场的经向压缩支，有温度锋区，构成典型的变形场锋生环境。这两个锋面系统相向而行，一个西进，一个东移，因此关键影响系统是相遇的变形场锋生锋面和海风锋。图1b温度场上沿海岸线的等温线密集带没有向内陆的风场配合，而是与自南向北的沿海岸南北走向的辐合线配合，所以是岸滨锋，主要维持在沿岸地区。同时在盐城北面有纬向分布的温度锋区，与两个并列的中尺度气旋环流对应，因此是气旋族锋面，该锋面随着气旋族东移，向岸滨锋趋近。这样盐城阜宁龙卷强对流天气环境场的关键系统是相遇的岸滨锋和气旋族锋面。应用金风科技风能公司在盐城市射阳近海风电厂2016年6月23日14时风机测风数据，结果列于图1b中，以沿海的风向标识显示，近海实测的风速风向与再分析资料基本一致。

分别对两龙卷事件环境场的关键锋面系统做垂直速度的垂直剖面分析，了解两系统的强对流特征，如图2a、b（纬向剖面）和图3a、b（经向剖面）所示。两龙卷事件中环境场的海岸带系统主要平行于海岸线，为南北走向系统，它们的纬向垂直剖面分析均显示海岸带锋面附近的强烈上升运动表现为：强对流龙卷区（白三角处）有强上升支（绿色虚线），而近岸海域为下沉支（绿色实线）。图中蓝色等值线为u分量，正值区u>0为西风，负值区u<0指示来自海上的东风。在低层两次过程均有自海上向内陆的东风分量。而在高层，均有内陆向海上的西风分量。由此海风锋和岸滨锋附近的强上升支与下沉支以及下层的东风和上层的西风，构成了沿海锋面的二级环流，走向与沿海锋面相交，偏纬向。

而两龙卷强对流环境场的陆上系统主要为变形场锋生锋区和气旋族锋区，这两个锋区是东西走向分布。垂直速度的经向分布显示（图3a、b），陆上锋面系统附近的强烈上升运动，在沛县变形场锋生锋区的南侧为下沉运动区（ω>0），北侧为上升动区（ω<0），低层有偏南风自南向北，上层有偏北风，自北向南，由此构成了与内陆锋面相交的经向锋面二级环流。在阜宁气旋族锋面的北侧是下沉运动区（ω>0），南侧是上升运动区（ω<0），下层有偏北风自北向南（v<0），上层有偏南风（v>0），自南向北，也构成了与内陆锋面相交的经向锋面二级环流（图3b）。

由于苏北地区地势平坦，龙卷强对流环境场的局地抬升缺乏山脉等地形强迫作用，因此需要天气系统的抬升效应的加持，图2和图3显示，南北走向和东西走向两类锋面以及锋面二级环流随双锋面相互趋近，在龙卷发生地区它们的上升支相互叠加，形成强势的系统性垂直上升运动区，可构成对局地对流的强烈抬升能力。此外环境场中的海岸带锋面系统和内陆锋面系统及其二级环流方向不同，或偏经向或偏纬向，不同运动方向的锋面及其二级环流相互叠加，将产生水平风的垂直切变以及垂直运动的水平切变，即产生气流水平扭转并向垂直方向发展。此种动态将加强低层的区域气旋式扭转，如徐州龙卷位于鞍型场锋生区的气旋式环流中（图1a白三角位置），以及阜宁龙卷出现在沿海渐近线型锋生辐合线（王坚红等，2019）左侧的气旋式切变环流中（图1b白三角位置）。双锋面系统空间分布经纬向度不同，它们的移动方向造成它们的趋近，由此它们的相遇将为强对流龙卷活动提供系统性强抬升与系统性旋转驱动，这可能是苏北地区龙卷多发的原因之一。

为验证此类锋面二级环流叠加产生的区域扭转驱动及抬升抽吸的增强效应，依据涡度变率方程（式（1））对龙卷发生地域的区域平均涡度变化及其分项功能进行诊断计算，结果如表2所示。

在龙卷发生前的08时，涡度变率方程各项量值均较小或为负值，龙卷发生的14时，总涡度变率及其各项在整层都显得活跃，总涡度变率增量为正，正涡度增加。尤其是扭转项，扭转项的增量为各项中最大，并且在850 hPa层达到增量峰值，超过其低层950 hPa和其高层750 hPa扭转量值，分别为沛县龙卷的13.77×10-5 s-2和阜宁龙卷的8.97×10-5 s-2。显示在龙卷发生地区的环境场里，不同方向锋面二级环流叠加，形成水平风速垂直切变和垂直速度水平切变迅速增大，进而导致扭转项显著增加，并在中低层最为显著，贡献给局地涡旋增长，有利于区域内龙卷强对流活跃发生。此外两个龙卷中阜宁龙卷较沛县龙卷更强，对应阜宁龙卷，850 hPa和750 hPa均为扭转项大值层，即扭转项大值层更深厚，而沛县龙卷对应的低层扭转项大值层仅有850 hPa，显示深厚的扭转项大值层有利于更强的龙卷发生。

进一步地，采用区域中尺度数值模式WRF，对这种双锋面系统及其影响进行模拟与分析。

4 两次龙卷环境场双锋面影响机制模拟

4.1 WRF模式资料与试验参数方案

数值模拟采用的是中尺度模式WRF（The Weather Research and Forecasting Model），模式所使用的初始场和边界资料是1°×1°的FNL全球再分析资料，两次个例模拟均采用三层嵌套（图略;苗春生等，2017;谭伟才等，2018;），模式水平分辨率最高达到4 km。粗网格的中心纬度为（120°E，32°N），模式中的网格eta均为60层，底层垂直分辨率可达10 m。模式参数方案配置方案，边界层方案采用的是Eta Mellor-Yamada-Janjic TKE湍流动能方案，微物理过程是Ferrier（new Eta）微物理方案，长波辐射为rrtm方案，短波辐射为Dudhia方案，陆面参数化采用了Noah方案，近地面层方案则是MYJ Monin-Obukhov方案。对个例1的模拟积分时间为2009年6月4日12时—5日12时（世界时），对个例2的模拟积分时间为2016年6月22日12时—23日12时（世界时）。

4.2 WRF模拟结果验证

为检验模式模拟效果，将采用上述参数化方案的模式模拟结果和实测结果进行对比分析。根据江苏省气象局沿海风塔监测数据，选取苏中及苏北的测风塔1（20°34′E，33°38′N）和测风塔2（119°46′E，34°28′N）的逐小时风速数据资料。

图4为2009年6月5日1—20时10 m高度处风速观测值与数值模拟值日变化对比结果，其中细实线为测风塔1位置处的模式模拟结果，细点划线为测风塔1的实测结果。粗实线为测风塔2的模式模拟结果，粗点划线为测风塔2的观测结果。总体上模式模拟结果与测风塔实测结果具有较为一致的演变趋势，7时之前风速较低，在4 m/s以下。接着风速逐渐增大，到17时左右达到最大风速，6～7 m/s。然后风速开始减小，20时下降到5 m/s以下。所以模式对两个测风塔的风速演变模拟效果较为理想。而表3给出了风场模拟效果的定量比较与统计检验，统计检验显示数值模拟效果较好。

圖5显示了2016年6月23日14时850 hPa再分析风场与数值模拟风场的对比。图5中数值模式对环流系统模拟较好，对东移入海的气旋位置和尺度大小的模拟与再分析数据场比较符合，模式的空间精度高，图5b已进行稀疏化。气旋东部风速模拟值偏小一些，气旋以西的风，模拟的风向偏北分量更明显一些。总体模拟效果较好，显示模式模拟用所采的参数化配置比较合适。

4.3 龙卷环境场双锋面系统影响机制数值模拟

4.3.1 2009年6月5日沛县龙卷环境场垂直速度演变

选取34.7°N代表沛县的纬度地理位置，做垂直速度纬向115°～123°E垂直剖面的时间演变分析，图6显示了模拟的2009年6月5日11时、15时、16时、18时在沛县（34.7°N）的垂直速度纬向分布。

11时（图6a），在研究区域海岸线西侧有一处垂直上升运动，沛县附近没有上升运动区。15时（图6b）海岸线附近的抬升运动中心逐渐西移进入内陆，强度和范围均增加，3.5 km高度处（约700 hPa）垂直速度中心高达120 cm/s，同时沛县附近也出现了一个较为明显的抬升中心，2.5 km高度处抬升强度达到40 cm/s，两个抬升中心正在相向而行，显示两个系统性抬升区在逐步接近。16时（图6c）两个抬升中心在沛县上空汇合加强，垂直上升运动显著增强，2.5 km高度处垂直速度达160 cm/s，环境场的剧烈抬升运动有利于龙卷类强对流天气的发生发展。到18时（图6d），沛县附近的龙卷已经消亡，从内陆沛县到沿海整个区域，垂直速度全面降低，仅沛县附近留存少量弱上升运动，其余地区上升运动基本趋零。这个过程显示此次龙卷强对流环境场的系统性抬升与变形场锋生和海风锋两个锋面系统二级环流的上升支汇合叠加密切相关，锋面汇合将增强区域内垂直抬升强度。

4.3.2 2009年6月5日沛县龙卷环境场涡度变率

两个锋面系统空间伸展状态的南北走向和东西走向分布不同，相遇时会形成水平风速扭转交汇，二级环流的垂直扭转交汇，其中气旋式的交汇部分将有利于局地气旋式涡度的增加，有利于区域内龙卷的旋转形成。图7为数值模拟在116°～120°E、33°～36°N，局地区域平均渦度及其各分项垂直分布特征。在徐州沛县龙卷事件发生的上午11时（图7a），该地区平均涡度及其方程各项很弱，尤其是低层，几乎是零。但是在龙卷即将发生时刻，16时（图7b），区域总涡度变化率和扭转项发生显著增长，主要的增长在0.5 km和2.0 km两个高度。两层扭转项均达到6.5×10-5 s-2，总涡度变化率分别为4×10-5 s-2和3.5×10-5 s-2。显示扭转项对局地总涡度变率有重要贡献，在此次过程中，各层区域平均总涡度的正增量，主要来自于该层扭转项的正贡献，以及涡度平流项;涡度垂直输送项也得益于扭转项的增强。对比a和b两个时刻，区域涡度增量整层迅速活跃，有利于区域强对流龙卷的发生发展。

4.3.3 2016年6月23日阜宁龙卷环境场垂直速度演变

与沛县龙卷类似，分析阜宁龙卷强对流环境场的双锋面系统垂直上升运动特征，图8是2016年6月23日11—14时在阜宁（33.8°N）纬向垂直剖面上的垂直速度分布模拟结果。在11时（9a）该区域环境场的抬升特征比较微弱，等值线较稀疏。12时（图8b）岸滨锋的抬升逐渐增大，尤其在低层，此时内陆的气旋锋面的抬升强度也在逐渐增强，主要在中层。到13时（图8c）内陆的抬升中心逐渐东移，影响阜宁与海岸之间区域抬升运动增强，抬升中心速度达到20 cm/s。14时（图8d）气旋锋面的抬升中心东移至阜宁，气旋锋面和岸滨锋汇合，抬升强度达到最大，为30 cm/s。垂直速度的模拟结果显示，此次强对流天气环境场中的关键系统是东移气旋族锋面和岸滨锋，两个锋面系统汇合叠加作用加强了局地抬升运动，有利于区域内强对流天气的发生与发展。

4.3.4 2016年6月23日阜宁龙卷环境场涡度变率

阜宁强对流龙卷天气环境场的双锋面系统中内陆锋面系统（东西向）与海岸带锋面系统（南北向）伸展方向不一致（见图1b），两系统相遇，锋面及其二级环流将造成局地风的水平与垂直扭转，同样根据涡度方程（式1）计算模式模拟的阜宁龙卷过程涡度变率，图9为2016年6月23日11时和14时在170°～120°E、32°～35.5°N范围的区域平均涡度变率及其各分项值随高度的变化。图9显示，在11时（图9a）中低层扭转项基本为零，而14时（图9b），在0.5～1.5 km高度中，扭转项迅速增大为5×10-5 s-2，此时中低层正涡度变率已从负值转为正值，扭转项在中低层多层均增大，扭转项的增大对正涡度变率尤其是正涡度增量作出了主要的贡献。显然龙卷过程的区域平均涡度变率显示，双锋面系统及其二级环流相遇，因方向不同，造成风速垂直切变扭转，有利于区域环境强旋转运动旺盛。低层扭转层的厚度增加，有利于龙卷强对流的强度增大。

显然两次龙卷环境场的区域平均涡度变率均显示，双锋面系统及其二级环流相遇造成的风速水平扭转和垂直扭转，增强了局地正涡度，有利于驱动局地小尺度强旋转运动;而两锋面二级环流垂直上升支的叠加则造成平原地区的强烈系统性抬升运动，形成有利于局地强对流活跃的环境条件。这种局地旋转与系统性抬升环境将有利于触发龙卷类强对流天气在平坦地区的发生发展。

4.3.5 两次龙卷环境场强对流指标特征与对比

龙卷等强对流天气过程中，强对流指数是指标性参数，依据数值模拟结果，对各类强对流指数进行数理计算，结果列于表4。表4给出了两次强对流龙卷过程中各种强对流参数，2009年6月5日的结果列于左侧，2016年6月23日的模拟计算结果列于右侧。其中CAPE为对流有效位能，CIN为对流抑制能量，LCL为抬升凝结高度，LFC为自由对流高度，SRH（SRH）为风场相对螺旋度。

表4显示，在5种强对流指数中，它们的演变趋势在各自单指标时的指示性意义可能较好，在同时使用时，它们的表现容易造成某种程度的困惑。如在沛县龙卷过程中（左侧列）CAPE、CIN、LFC的指示性较一致，在强对流龙卷天气发生前为高值，然后不断减弱，龙卷之后为最低值。如CAPE值在14时高达1 227.3 J·Kg-1，显示沛县上空处于较强的对流不稳定状态中，有利于强对流龙卷天气的发生与发展，而到了16时强对流发生之时，CAPE大幅度降至223.7 J·Kg-1，显示沛县上空的对流不稳定能量正在快速释放，到17时CAPE值降为0，强对流龙卷过程结束。但是这三个指数各自应以何值为临界判断值，不易确定。特别是对应不同的龙卷过程，它们的演变趋势会发生变化，如CAPE和LFC在阜宁龙卷中的演变趋势（右侧列）就分别变为弱强弱和强弱强的不同趋势，显示这些强对流指数的局地性明显，不合适采用统一的临界值和统一的演变趋势进行判断。对于LCL、SRH两个强对流指数，在沛县龙卷和阜宁龙卷时变化趋势比较一致，LCL显示出强弱强的变化趋势，而SRH则是弱强弱的反向变化趋势。因此，强对流指数的应用要依据局地历史统计特征再进行参考使用。

进一步根据已有的判别标准（Thompson et al.，2007）：

1）SRH=150～299，容易发生弱龙卷天气;

2）SRH=300～499，容易发生中等强度龙卷天气;

3）SRH>450，容易发生强龙卷天气。

对照表4，2016年6月23日12时SRH为153.4 m2·s-2，属于容易发生弱龙卷天气指标，到14：00 SRH增大到315.4 m2·s-2，则属于容易发生中等强度龙卷天气指标，因此需要警惕强对流龙卷天气的发生与发展，但是2009年6月5日的SRH指标则未达到给定预警指标，再次说明各种强对流指标具有局地特征，可能要做局地统计分级分析后再参考使用。

5 结论

通过诊断分析与数值模拟，重点探讨了近海岸平原地区的江苏北部在春夏季节成为中国强龙卷最高频发生地的特殊性。揭示两个中尺度锋面系统的相遇，是一类龙卷环境场的关键系统过程。

1）依据2009—2016年江苏省气候中心年报对江苏省强对流天气进行的统计分析，显示苏北地区是江苏省龙卷的高发区，发生率占全省龙卷天气的58.6%。盐城和徐州又是苏北地区最易发生龙卷天气的地区，占比分别达到64.7%和23.5%。主要发生时期为春夏季节。

2）对盐城阜宁（2016年）和徐州沛县（2009年）的两次典型龙卷强对流环境场进行诊断分析显示，龙卷易发生在冷暖气团势力较为均衡的季节，此时系统的尺度适中，环境场中多锋面生成与存在，双锋面系统相遇则相互抗衡。两次龙卷强对流的关键影响系统均为两个中尺度锋面相遇，盐城龙卷环境场为气旋锋面和岸滨锋，徐州龙卷环境场为变形场锋生和海风锋。锋面附近的垂直剖面均显示中低层有强烈的二级环流和垂直上升运动中心。

3）对两次龙卷环境场的诊断与WRF模拟结果证实，相互趋近的双锋面系统及其伴随的不同方向二级环流相遇造成风速水平与垂直扭转，有利于驱动和增强局地区域正涡度增量，尤其是涡度扭转项的贡献;双锋面二级环流垂直上升支的趋近与叠加，可造成平坦地区强烈的系统性抬升运动，有利于局地整层强对流活跃。这种环境场的局地旋转与系统性抬升的合成效应，将有利于触发区域内龙卷类强对流天气的发生发展。此外各种常规强对流指标的应用可能需要考虑指标的局地统计特征才能使用。

致谢：南京信息工程大学高性能计算中心给予了数值计算支持和帮助，江苏省气象局提供了风塔历史资料，金风科技提供了近海风电场历史资料，以及美国NCEP/NCAR提供了FNL再分析历史资料，谨致谢忱。

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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

（責任编辑：袁东敏）