一次龍卷過程的WRF模擬及多普勒雷達反演風場研究

摘要 利用中尺度WRF數值模式、多普勒雷達資料和4DVar風場反演算法，對2010年7月17日安徽碭山縣、江蘇省豐縣等地發生的伴有龍卷的強對流風暴過程進行了綜合分析。結果表明，此次龍卷風暴過程是在西太平洋副熱帶高壓發展強盛，高空冷槽不斷東移的大尺度環境背景下形成的；龍卷發生前大氣環境具有較大的對流不穩定能量，低層存在大的風垂直切變和豐富的水汽供應；數值模擬顯示，在安徽、江蘇、山東三省交界處存在明顯的風速輻合帶，最大風速達15.5 m/s，且輻合區存在強的正渦度；在雷達回波徑向速度圖上，龍卷風暴中存在較強的中氣旋（MC）和龍卷渦旋信號（TVS），尤其是在20：36，出現了東北—西南走向排列成線狀的4個中氣旋（MC）和一個龍卷渦旋信號（TVS）；從雷達徑向速度圖上看到，TVS處可觀測到正負速度對渦旋結構，正負速度差達64 m/s，說明TVS很強；用基于4DVar的風場反演方法可很好地反演出局地三維風場，并在MC、TVS出現的地方可反演出明顯的小尺度渦旋結構，對龍卷的發生地點和流場結構有較好的描述。

關鍵詞 中氣旋；龍卷；WRF模式；4DVar；風場反演；多普勒雷達

中圖分類號 S161 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）17-05598-06

Abstract Using WRF model，Doppler radar data and 4DVar assimilation method， we analyzed severe convective storms which were combined with tornadoes occurred in Dangshan of northern Anhui Province and Fengxian of northern Jiangsu Province on July 17， 2010. The weather diagnostic results show that the western Pacific subtropical high pressure system is strong， and highaltitude cold trough moves to the east. Before the tornado occurred there was a great convective instability energy in atmospheric environment， large wind vertical shear and abundant vapor supply in the lower level. We use the WRF model to simulate the mesoscale vortex under the large scale environmental conditions， the results show that there are mesoscale vortex systems in northern Anhui and Jiangsu Provinces. From the Doppler radar radial velocity， there are obvious MCs （mesocyclones） and TVS （tornadic vortex signature）， and a positive and negative velocity structure， the speed difference can get 64 m/s， We use a 4DVar assimilation method to achieve wind fields， and have a better description of the tornado point and the vortex wind field.

Key words Mesocyclone； Tornado； WRF model； 4DVar assimilation； Wind retrieval； Doppler radar

2010年7月17日19：00～20：00，在安徽省亳州市的十八里鎮、碭山縣的良梨鎮、江蘇省豐縣的歡口鎮等幾個鄉鎮遭受了暴雨天氣襲擊，且黃樓村、良梨鎮、孫洼村等經受了強龍卷天氣，給當地人民群眾帶來了嚴重的生命財產損失。龍卷是由對流云系統所產生的一種小尺度強災害性天氣。一般地，龍卷的直徑多在十幾至數百米之間，其生命周期較短，一般不會超過30 min，但龍卷內部風速很強，多大于40 m/s，有時甚至可以達140 m/s；龍卷的破壞力極大，所經之地，樹木瞬間折斷、房屋被毀，會給人們的生命財產帶來巨大的損失。

強對流系統的三維風場表現的是大氣的流場狀態，表征的是氣流流動方向及移動速度，流場分布狀況包含大量有用的天氣變化信息，對提高強對流天氣預報的準確性有非常重要的作用。強對流天氣系統的特點是局地性強、突發性強，依靠傳統的常規氣象觀測網，很難及時準確地確定強對流系統的蹤跡，更難提前作出及時、準確的預報。若可以及時得到強對流系統較為準確的三維風場，這將有助于進行及時準確預報預警強對流天氣的發生、發展，有助于盡早識別出颮線、龍卷等強災害性天氣，減少災害天氣所帶來的損失。國外對于龍卷天氣已做過大量研究[1-5]，如Fujita等根據龍卷對地面的破壞程度將龍卷劃分為F0、F1……F5等級別，稱為龍卷的F分級[4-5]，研究表明，利于F2級以上的強龍卷產生的環境條件是強烈的低層垂直風切變（0～1 km）和較低的抬升凝結高度[6-7]。我國對于龍卷的研究也有很多，研究顯示龍卷的產生有些與颮線有關[8-10]，有些與超級單體有關[11-12]，有些與熱帶風暴的形成有關[13-14]。筆者利用徐州雷達站SA多普勒雷達資料、中尺度WRF數值模式，對2010年7月17日安徽碭山縣、江蘇省豐縣發生的伴有龍卷的強對流天氣過程進行觀測分析和數值模擬研究，并用基于4DVar的風場反演方法對此次龍卷過程的三維風場進行反演，以了解龍卷風暴的風場結構特征。

1 環境場分析

1.1 高空環境場分析

2010年7月17日受高空槽和副高邊緣西南氣流的影響，當晚皖北宿州市、亳州市等地突遭龍卷風襲擊。尤其是在安徽北端的碭山縣境內出現了強對流天氣，狂風大作，暴雨如注，龍卷風席卷了該縣所有鄉鎮，最大風力達14級以上。據當地初步統計，當晚的龍卷風襲擊，給皖北宿州市、亳州市等地造成重大經濟損失和人員傷亡，也給當地群眾的生產和生活帶來極大影響。此次風災造成當地1人死亡，30人受傷，直接經濟損失達5.5億元。當日20：00前后，毗鄰碭山縣的江蘇省豐縣也出現強對流天氣，風暴還產生了很強的短時強降水，最大的過程降水量176.3 mm，出現在豐縣歡口鎮，豐縣站1 h內最大降雨量達92.7 mm，李樓閘自動站1 h降水達107.0 mm，10 min最大降水達30.0 mm以上。從災情和強風的實況判斷，此次龍卷為一次伴有強降水的強龍卷過程。

從2010年7月17日08：00天氣圖（圖1）可看到，受2010年2號臺風“康森”的影響，西太平洋副熱帶高壓發展強盛，500 hPa高度上588 dagpm線位置不斷向北抬升。17日08：06，588 dagpm線已移至我國淮河沿線。安徽、江蘇一帶上空，850～500 hPa呈現上下一致的西南風，帶來大量西南暖濕氣流。500 hPa西風槽逐漸東移，貝加爾湖冷渦南部地區存在冷渦低槽，冷空氣自貝加爾湖地區隨西風槽逐漸移至我國淮河一帶。西太平洋副高攜帶的西南暖濕氣流與北方冷空氣相交匯，造成了我國黃淮大部地區的強降水過程。對于安徽省碭山縣及江蘇省豐縣附近發生伴隨龍卷的強對流風暴過程的強中氣旋，將由多普勒雷達所觀測到的雷達反射率因子和徑向速度作進一步分析。

1.2 中尺度WRF模式模擬分析

采用中尺度WRF數值模式（WRF V3.3）進行模擬研究。模式的初始以及邊界條件采用NCEP 1°×1°、時間間隔為6 h的FNL再分析資料。模式

模擬區域如圖2所示，模式中主要物理過程配置為長波輻射

過程采用RRTM方案、短波輻射過程采用Dudhia方案、近地面層過程采用MoninObukhov方案、陸面過程采用Noah方案、邊界層過程采用YSU方案、積云參數化方案采用BMJ方案、云微物理參數化方案選擇WDM6方案。模式采用4層雙向嵌套，水平分辨率分別為30.0、10.0、3.3和1.1 km，垂直方向28層。模擬的初始時間為2010年7月17日08：00，結束時間為2010年7月18日02：00，積分時長18 h。

1.2.1

對流不穩定能量及降水量模擬。一般地，對流不穩定能量及水平風垂直切變可以作為判斷強對流系統發生潛勢的兩項重要指標。由圖3可見，7月17日13：00，安徽省及江蘇部分地區有較大的對流不穩定能量，大部分地區可達1 500 kg/J或以上，19：00降水發生時，對流不穩定能量迅速得到釋放。受副熱帶高壓所產生的西南暖濕氣流影響，此次暴 雨過程主要發生于安徽省和江蘇省的北部地區。從7月17日24 h降水實況及模擬得到的16：00～21：00逐小時累積降水量（圖4）可見，18：00～21：00在安徽省的碭山縣、江蘇省的豐縣、徐州等地有超過100 mm的降水量；16：00～21：00，強降水區域逐漸從西南—東北向的線性走向擴展到覆蓋兩省的北部地區，強降水中心也逐漸發展為北、中、南三部分，在接下來的幾個小時內，強降水區域逐漸移至海上并慢慢減弱。

1.2.2

垂直風切變模擬。從模式模擬的結果（圖5）來看，安徽、江蘇、山東三省交界處存在風速的輻合帶，最大風速15.5 m/s，且輻合線隨強回波區逐漸向西北方向移動。結合渦度場分布（圖6）可明顯看出，三省交界處存在明顯的正渦度，這就促使了對流的形成，進一步加強了強降水過程。以上分析可見，在大尺度環境條件下，風場的輻合造成了此次長時間的強降水，且根據觀測看到，在安徽省碭山縣、江蘇省豐縣等地區產生了龍卷等強烈災害性天氣，徐州站雷達全程觀測到了此次龍卷過程。下面通過雷達觀測資料的分析可獲得此次龍卷風暴的宏觀結構和動力特征。

2 雷達回波特征和風場結構分析

在整個強降水發生過程中，大尺度環流為強降水對流系統的形成和發展提供了有利的環境條件，但龍卷的形成不僅要有大尺度的環境條件、較大的不穩定能量、較大的平均風速，還需有較強的垂直風切變。一般在雷達觀測的回波中，有龍卷出現的風暴均會有典型的強中氣旋（Mesocyclone，簡稱MC）和龍卷渦旋特征信號（Tornadic Vortex Signature，簡稱TVS）出現[15-16]。龍卷渦旋特征信號和中氣旋是在雷達徑向速度圖上能夠識別出的中小尺度渦旋。這2種渦旋與龍卷的發生密切相關，但MC和TVS是相互獨立的，并不總是同時出現，且TVS一般是比MC尺度更小的中小尺度渦旋。龍卷的水平尺度一般較小，垂直發展高度也較低，常通過關注1.5 km高度以下中氣旋發展狀況來進行龍卷的預警。下面將使用徐州S波段雷達資料對此次伴有龍卷的強中氣旋特征進行分析。

徐州SA型S波段雷達位于117°09′07″E、34°17′34″N，海拔高度為189.7 m。亳州市離徐州雷達站相對較遠，雷達沒有探測到17日18：00左右發生在亳州地區的龍卷渦旋。碭山縣、豐縣位于徐州站雷達100 km以內，在17日19：00～20：00雷達觀測到了發生在當地的龍卷過程（圖7）。2010年7月17日19：00左右，位于徐州雷達的西側及西北側，有大片層狀云降水回波正逐漸向東北方向移動，在層狀云降水回波中分布著許多組織化的對流性降水回波。從徐州雷達站不同時次的觀測結果（圖8）可以看出，19：25左右，有幾個發展較強的單體開始形成，從速度圖上可以看到一發展強烈的正負徑向速度對形成（圖8b1中白圈內所示），渦旋速度可達40 m/s，可以判斷此處為一中氣旋，此處正為碭山縣良梨鎮附近的龍卷發生地；19：43左右，有一強的回波區形成，該強回波區由3個發展較強（強度超過50 dBz）的單體回波組成（圖8a2中紫色圈內所示），白色圈內所示渦旋速度可達52.5 m/s，可判斷為龍卷渦旋信號TVS；19：49左右，從速度圖上可明顯看到龍卷渦旋進一步發展變強；20：00左右，3個發展強烈的回波單體已合并為2個（圖8a4紫色圈內所示）；20：36左右，3個強單體回波已全部合并（圖8a5紫色圈內所示），且最終在徐州雷達站的西北側附近形成一條強度55 dBz、長度約為50 km的強回波帶，并在該強回波帶的高層仍然有2個強回波中心，但中低層已合并為一個強回波體，表明該對流系統是由多單體風暴發展而形成的，結合20：36的徑向速度圖，該回波帶與風速的輻合帶相對應，回波帶后部為西南風，前部為很強的偏東氣流，該處形成了強烈風切變，使得該時刻回波帶右側4處出現了中氣旋，4個中氣旋在100 km范圍內呈東北—西南走向排列成線狀，回波帶頂端出現TVS特征（圖8b5白色圈內所示）；21：46左右，高層（1.5°仰角處）2個強回波已經全部合并，且該回波帶在向東北移動的過程中，回波帶的北側逐漸增寬，而南側逐漸變窄，低層尾部呈現明顯的輻散狀態，且回波帶逐漸呈現出明顯的龍卷式的渦旋性質，且強回波一直向上擴展到6°仰角，可判斷此中氣旋為一個非常深厚的中氣旋。從圖8a2、a3中黑色實線處的垂直剖面圖（圖9）可以看到明顯的懸垂回波結構，表明19：43、19：49對流回波發展非常強烈。

4 小結

（1） 通過實況分析，此次伴有強降水的龍卷天氣過程受臺風“康森”的影響，在副熱帶高壓不斷北抬，500 hPa西風槽及貝加爾湖冷渦南部冷槽不斷東移的大尺度環境下形成的，且700 hPa切變線剛好位于安徽-河南一帶，西南暖濕氣流與北方冷空氣相交匯，造成了我國黃淮大部地區的強降水過程，且部分地區出現了龍卷天氣。

（2）中尺度WRF模式對此次強對流天氣的大尺度環境條件模擬較好，強降水落區、降水量與實況相近。模擬顯示，在安徽、江蘇、山東三省交界處的對流不穩定能量非常大，且存在明顯的正渦度區以及風速的輻合帶，最大風速達15.5 m/s，這種環境條件有利于此次伴有強降水的龍卷天氣過程的發生發展。另外，可應用中尺度WRF模式進一步對此次龍卷風暴的中尺度渦旋結構進行分析。

（3） 徐州站雷達觀測到了此次強烈的龍卷天氣過程，文中選取了6個時次的雷達反射率因子及徑向速度圖進行了分析。從6個時次的連續觀測的雷達回波強度可看到此次龍卷過程在不斷發展加強。在雷達徑向速度圖上存在較強的中氣旋（MC）和龍卷渦旋信號（TVS），尤其在17日20：36，出現了東北—西南走向排列成線狀的4個中氣旋（MC）和一個龍卷渦旋信號（TVS）。

（4）由于雷達徑向速度圖不能直觀地反映中氣旋的三維風場結構，筆者進一步通過4DVar風場反演算法，對強對流發展較強的2個時次（19：43、19：49）進行了三維風場反演，模擬結果可以很好地識別出中氣旋特征，且從模擬的垂直速度圖可見，龍卷是伴隨著低層中氣旋（1.6 km以下）的出現而產生的，因此該方法對于對龍卷的發生地點和流場結構有較好的描述。

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