梅雨期龙卷环境条件与典型龙卷对流风暴结构特征分析

利用逐日4次1°×1°FNL/NCEP分析资料及多普勒天气雷达、地面自动气象站等观测资料,在对近十年江苏梅雨期龙卷天气的环境特征进行合成分析并提炼对流参数特征值后,着重对2013年7月7日发生在安徽天长至江苏高邮一带导致龙卷的对流风暴的形成和结构特征演变进行了分析。结果表明:江淮梅雨期间,地面中尺度气旋的右侧附近(100 km)、对流层低层中尺度低涡右下方约200~300km处和低空急流左后侧之间区域是龙卷易发区;梅雨期大气环流背景为龙卷的发生提供了对流层低层充沛的水汽和有利的不稳定层结与动力条件,低层气旋性涡度在龙卷发生前强烈发展,边界层内强的垂直风切变促进了龙卷风暴内气旋性涡度的迅速增强,而对流层低层辐合的增强将有利于初始对流的触发;但梅雨期龙卷对对流不稳定能量蓄积条件要求低于冰雹和雷暴大风;龙卷对流参数特征值及其与气候平均值的差异性为龙卷天气的短期预报提供了参考依据。引发2013年7月7日龙卷的对流风暴起源于地面辐合线附近,地面辐合及中尺度锋区的增强有利于对流风暴的快速发展,此次系列龙卷是由一个生命史较长的超级单体风暴产生,该对流风暴具有典型超级单体的回波特征,风暴内的中气旋维持2h之久,中气旋相关参数的演变对龙卷的临近预警有较高的参考价值,当中气旋底高较低且中气旋切变值明显增强时,发生龙卷天气的可能性较大。     

近年来中尺度涡动力学研究进展

围绕国内外近年来中尺度涡的动力学研究进展,聚焦中尺度对流涡的涡度方程和热量方程,对中尺度对流涡的动力学进展进行了梳理总结,指出环境风切变、垂直运动、平流的动力辐合、风场变形、热力场变化及地形等对中尺度涡的涡度发展均有作用。此外,中尺度涡动力学的研究进展,还体现在能量方程和中尺度垂直运动方程的推导和诊断方面。强对流系统中,垂直运动的变化与不稳定能量及对流层中层水平运动的风速有关。     

安徽一次强烈龙卷的多普勒天气雷达分析

利用多普勒天气雷达资料,对2003年7月8日夜间发生在安徽无为县的强烈龙卷过程进行了详细的分析。该龙卷发生前的主要天气背景是江淮梅雨期暴雨的天气形势:一个东移的高空槽、强烈的对流不稳定和低空的西南风急流。低层垂直风切变很大并且抬升凝结高度较低,有利于强龙卷的产生。产生该强龙卷的对流系统最初是一条位于大片层状云降水区中的长对流雨带。在随后的演变中,对流雨带的南段逐渐消散,北段逐渐变宽,最终成为一个团状的对流系统,而龙卷产生自该系统南端的一个超级单体。最初的中层中气旋形成于7月8日22:49(北京时,下同),相应对流单体的反射率因子尚没有呈现出超级单体的特征。随后中气旋迅速加强,在22:55,反射率因子形态呈现出经典超级单体的特征:明显的低层入流缺口和其左侧的阵风锋,入流缺口位于超级单体移动方向(东北方向)的右后侧,低层的弱回波区和中高层的回波悬垂结构,最大反射率因子超过55 dBz。在龙卷产生前8min,即23:12中气旋达到强中气旋标准,相应的垂直涡度值达到2.3×10-2/s。在龙卷产生前几分钟和龙卷进行过程中,中气旋保持很强,但相应的反射率因子强度减弱,低层入流缺口渐渐消失。在龙卷进行过程中的23:29,雷达速度图像呈现出一个强烈中气旋包裹着一个更小尺度的龙卷式涡旋特征TVS,与TVS对应的垂直涡度值达5.0×10-2/s。上述导致龙卷的中层中气旋局限于4 km以下的低层大气,前后共持续了1 h 49 min,相应超级单体的高反射率因子区局限在6 km以下,属于低质心的对流系统,产生的天气是强烈龙卷,伴随有暴雨,但没有冰雹。文中还对此次龙卷的生成机制进行了探讨。     

季风涡旋对热带气旋生成影响的理想试验研究

利用新一代非静力平衡中尺度数值模式WRF_ARW（3.3.1版本）模拟季风涡旋中热带气旋生成的过程,从动力和热力作用两方面分析大尺度季风涡旋对热带气旋生成的影响。结果表明:从动力学角度来看,能提供较大环境场涡度的季风涡旋不利于扰动涡旋快速发展成热带气旋。初始阶段,由于季风涡旋尺度大,垂直涡度径向梯度弱。而垂直涡度径向梯度的强弱可以通过“涡度隔离”效应影响对流单体向涡旋中心的聚集合并过程。随着扰动的组织化,径向入流对涡度的平流作用越来越重要。对流单体相对最大风速半径的位置对热带气旋生成作用明显,当其集中在最大风速半径附近时涡旋容易快速发展。此外,环境场相对涡度与热带气旋的尺度存在显著正相关。初始尺度大的涡旋最终具有较大的外围尺度,其涡度的分布范围也更广。从热力学角度来说,较大的环境场相对湿度有利于热带气旋的生成。虽然较大的环境场湿度能够诱发较强的外围对流,但同时也会使最大风速半径以内存在丰富的对流,后者能够提供充分的内区非绝热加热,降低中心气压,促进涡旋发展。      

冷涡背景下一次微型超级单体龙卷的雷达特征和物理过程探究

2019年8月16日渤海北部沿岸出现了一次冷涡背景下的EF1级龙卷。利用营口S波段双偏振多普勒天气雷达探测资料、5 min间隔的地面自动气象站观测资料、盘锦风廓线雷达探测资料及ERA5再分析资料,研究了该龙卷风暴产生的环境条件、龙卷风暴结构特征及龙卷形成的可能物理过程。结果表明:此次龙卷过程发生在500 hPa冷涡主体控制下,低空位于“利奇马”台风残涡西侧水汽输送带内,环境条件表现为弱的风垂直切变和强低层热力不稳定。营口双偏振雷达位于距龙卷发生地15 km处,探测到产生龙卷的微型超级单体钩状回波、下沉反射率核心（DRC）、弱回波洞（WEH）、龙卷残片特征（TDS）等结构。处于消亡阶段雷暴的阵风锋出流向西传播,而营口附近海风锋缓慢东移,两条边界层辐合线相遇加强,在水平切变不稳定的作用下,辐合线上有γ中尺度涡旋形成。辐合线相遇造成的辐合抬升、低层强热力不稳定导致的环境正浮力以及中层中气旋扰动低压共同作用产生强上升气流,γ中尺度涡旋与上升气流叠置,强拉伸作用增强了垂直涡度,可能是低层微尺度气旋形成的关键机制。微尺度气旋直径收缩至最小伴随旋转速度达到最大时刻,对应龙卷生成,中层中气旋与微尺度气旋分离导致龙卷消亡。      

山东省2006年4月28日飑线天气过程分析

对2006年4月28日山东省一次飑线天气过程进行诊断分析，应用湿位涡守恒理论研究了飑线的发展机制。结果表明：飑线是由500hPa西风槽影响产生的，为低层增温增湿，高层冷空气南下，低能舌叠加在高能舌之上，导致大气对流性不稳定。850hPa切变线和地面低压槽中的辐合上升运动触发对流不稳定能量释放，产生中尺度对流云团，在热力不稳定和风垂直切变的环境条件下对流云团东移发展，形成飑线。低层大气湿斜压性增强，破坏了地转平衡，倾斜涡度发展，上升运动增强，对流发展；高空高位势涡度下传使得中低层位势涡度增大，导致其垂直涡度增大，有利于对流层低层中尺度涡旋发展，对流增强。较强的上升运动与风垂直切变相互作用，促使对流系统发展形成飑线，产生雷雨大风。     

2020年江苏高邮EF2级龙卷多尺度特征分析和预警思考

综合应用自动站、雷达、卫星、探空等多源观测资料和ERA-5高分辨率再分析资料,详细分析了2020年6月12日江苏高邮EF2级龙卷的天气背景、环境条件、中尺度系统和对流风暴的演变特征,并总结了监测预警经验和预报思考。结果发现:此次高邮龙卷出现在江苏入梅后首场暴雨中,天气形势与2016年6月23日阜宁EF4级龙卷过程有部分相似,具有梅雨锋龙卷典型特征,产生龙卷的对流系统位于500 hPa东移西风槽前,850 hPa低涡西南象限和低空急流左前端,伴有较强对流不稳定能量和较低抬升凝结高度,不同点在于对流有效位能和垂直风切变弱于阜宁龙卷过程;龙卷出现在地面移动的β中尺度低压顶部,处于地面辐合区和暖湿舌内,风暴中心附近辐合急剧增强可能对应于龙卷出现;产生龙卷的风暴具有较长生命史,在龙卷产生前60 min已识别到连续龙卷涡旋特征(TVS),移经高邮湖面风暴加强出现中气旋(M)并与TVS并存8个体扫,龙卷接地前TVS底高明显下降且切变增强,随时间演变中气旋直径呈“倒梯形”垂直结构、速度切变迅速增强下探,这些雷达特征可作为龙卷临近预警的重要参考。     

环境风场与对流风暴相互关系的动力分析

在前期提出大气多尺度分析理论基础上,利用动力学方法研究了大气环境风场与中尺度对流天气系统之间的关系,从微团的分离和运动的角度分析了高空急流、低空急流、水平涡度和垂直涡度在中尺度天气系统的形成和发展中的作用。结果发现,环境风场对微团的动力分离作用主要发生在高、低空急流附近,因为在高、低空急流的下方风动能随高度增加明显,在急流的左侧(背风而立)正涡度与地转涡度迭加使绝对涡度变大,因此,这两个区域是环境场对微团分离力最大的区域,也是对流最容易发展的地区。微团在上升过程中的运动轨迹与其环境密度比率有关,当微团的密度小于(大于)环境密度时,微团运动的旋转方向与水平涡度的方向一致(相反);平衡高度(微团密度与环境密度相等)越高,形成的系统越强,水平、垂直旋转的程度越强,范围越大。因为初始密度和平衡高度的不同,多单体风暴和超级单体中微团的运动形态存在明显区别。根据大气微团的运动方程推出了水平风随高度变化的公式,结果表明,微团水平运动垂直变化的大小与微团环境相对密度比、水平风速、垂直涡度成正比;与垂直运动速度大小成反比;风矢量由低到高的转向与绝对涡度垂直分量的旋转方向相反,即正(负)涡度与亚微团的顺(逆)转相对应。由公式解释了超级单体低空垂直切变明显大于高空的原因。进一步分析认为,风垂直切变对风暴的作用只表现在风速大小随高度的变化和水平涡度的作用上,而风向随高度的变化是大气对流的结果而不是对流的原因,对流越强,风向垂直切变越强。     

热带一次致灾龙卷形成物理过程研究

2016年6月5日海南出现了一个弱风垂直切变背景下的EF2级致灾龙卷。利用海口多普勒天气雷达观测资料、10 min间隔的地面自动气象站观测资料以及风廓线资料,研究了该龙卷风暴的结构、龙卷风暴与龙卷形成的可能物理过程。初始风暴在文昌附近向西传播,而同时海口风暴亦由海风锋触发并向东移动,两风暴下沉气流导致的出流相遇在海风锋辐合线上,触发了龙卷母云体。龙卷初始涡旋在低层两风暴出流相遇的切变辐合线上形成,当初始涡旋与其上方深厚且强烈的上升气流叠置时,拉伸作用加强了垂直涡度,使得龙卷形成。深厚的强上升气流有3个来源:对流风暴的出流边界相遇形成的辐合抬升,环境正浮力造成的对流单体内强上升气流,还可能与中高层强中气旋强迫的扰动低压有关。龙卷形成过程中,中高层强中气旋位于6—9 km高空并向上发展,龙卷初始涡旋先于龙卷母云体出现且比一般微气旋尺度大,伸展至更高的高度,属于非典型中气旋龙卷（或非典型超级单体龙卷）。此次热带强龙卷出现在弱的大尺度系统强迫的天气背景下,水平风垂直切变弱,海风锋、出流边界等边界层β中尺度辐合线边界在龙卷形成过程中可能起决定性作用。      

2019年7月3日辽宁开原伴随EF4级强龙卷的超级单体风暴分析

综合利用多普勒雷达、地面自动气象站以及风廓线等观测资料和ERA5再分析资料,对2019年7月3日发生于辽宁开原的超级单体风暴伴随EF4级强龙卷环境条件、多普勒雷达回波特征和形成机理进行详细分析。结果表明:本次过程发生于低层暖湿高层冷干强的热力不稳定环境条件下,在地面干线汇合流场形成地面辐合线附近触发湿对流并发展为伴有龙卷的超级单体风暴。龙卷发生于低层钩状回波附近,多普勒雷达上呈现经典超级单体风暴雷达回波特征,低层强的垂直风切变将水平涡度转化为对流风暴中垂直涡度,强上升运动使得顺流涡度倾斜拉伸,从而龙卷发生前17 min在多普勒雷达2.4°仰角首先出现中气旋结构,随后风暴向南移动过程中,风暴的后侧下沉气流(RFD)将中低层的涡度“压低”致使龙卷接地,因此龙卷发生后1 min在0.5°仰角也出现强中气旋并有类龙卷涡旋特征(TVS),中气旋最强时的旋转速度达到28 m·s^(-1)(强中气旋标准),因此本次龙卷符合“自上而下”I型龙卷特征。由于环境干燥空气夹卷造成水滴强烈蒸发和冷却,使得地面出现了1 h降温达10℃的强冷池,过强的冷池可能在促使龙卷消亡过程中起到关键作用,致使龙卷持续了约30 min后消亡。     

冷涡背景下辽宁龙卷气候特征和环境条件

为了研究冷涡与辽宁龙卷的关系,揭示冷涡背景下辽宁龙卷发生的特征,利用1951—2020年辽宁省龙卷观测和灾情数据以及欧洲中期天气预报中心ERA5大气再分析资料,收集整理冷涡背景下辽宁龙卷个例,对比冷涡背景下EF2—4级(EF2+)和EF0—1级(EF1?)龙卷物理量参数的差异.结果表明:(1)冷涡背景下辽宁龙卷主要出现...     

辽宁开原强龙卷的卫星云图和雷达回波演变特征分析

利用葵花8号(Himawari-8)卫星资料、沈阳SC天气雷达数据、ERA5再分析资料及常规天气观测资料, 分析了2019年7月3日辽宁开原强龙卷的卫星云图、雷达回波演变及大气环流特征。结果表明: 此次开原强龙卷发生在东北冷涡底部, 低层850 hPa有明显的暖湿气流, 形成了“下湿上干”的垂直结构。3日17:00龙卷初生地0—6 km有22.8 m·s^-1、0—1 km有7.6 m·s^-1强垂直风切变。龙卷生成之前, 初生地西侧比东侧气温偏高, 存在2—5 ℃地面温度差。生成后, 移动路径东侧形成明显冷池, 最低温度19 ℃, 与西侧温差最大达11 ℃。龙卷生成时可见光云图上对流风暴的云砧水平尺度明显增大, 云顶升高、亮温降低。雷达回波演变特征表明, 龙卷对流风暴的发展经历了由多单体非强风暴发展到多单体强风暴再发展到超级单体风暴三个阶段, 龙卷在最强等级时有对流单体的合并。开原龙卷风暴在三个阶段都有中气旋, 17:11中气旋向下伸展到低层, 反射率因子出现指状回波。     

2015年5月华南一次龙卷过程观测分析

利用常规观测、珠江三角洲区域自动气象站、广州多普勒天气雷达、深圳机场风廓线雷达及NCEP/NCAR等资料对2015年5月11日下午发生在深圳宝安机场附近的一次龙卷天气过程进行分析。结果表明:这次龙卷发生在500 hPa槽前、850 hPa切变线南侧以及地面冷锋的暖区一侧,上干冷、下暖湿的结构加剧了条件不稳定,环境对流有效位能很大,风垂直切变强,水汽丰富;产生龙卷的回波快速演变为逗点回波,出现钩状回波,龙卷发生在钩状回波内侧的弱回波区附近;与之对应的中气旋旋转速度不断加大,半径减小,并向低层发展。     

2019年7月3日辽宁开原龙卷灾害现场调查及其所揭示的龙卷演变过程

2019年7月3日,辽宁省铁岭开原市发生了一次具有详细视频记录的强龙卷灾害。基于详细的现场调查和视频资料,得出了该次龙卷的生命史、发生时间、路径、灾害宽度和强度分布,发现龙卷强度的减弱或加强变化与密集高楼和空旷田野区等下垫面状况明显相关联。综合评估本次龙卷最大强度为中国龙卷强度等级的四级（相当于美国的EF4级）,但四级灾害点分布范围非常小,灾害分布宽度和EF4级灾害点范围都显著小于2016年江苏阜宁EF4级龙卷。钢筋混凝土框架结构的居民小区楼房在至少EF3级强度的龙卷风袭击后保持主体结构完好,而大型钢架厂房对龙卷灾害的防御能力远差于居民小区。强龙卷所经地区多为旷野和厂房,受影响人员较少,且龙卷发生时视野极佳,这是该次龙卷没有造成更大灾情的重要原因。由于下垫面状况和致灾机制的复杂性,风灾强度估计必然存在一定的不确定性。     

东北冷涡背景下一次龙卷过程的观测分析

2012年6月12日在吉林省白城市洮北区发生一次龙卷过程 (简称“612”龙卷),对此次龙卷过程天气形势和雷达资料分析结果表明:龙卷发生在高空冷涡的东南象限、中高空急流北侧、低空急流左侧的对流不稳定区域及地面较暖湿的环境中,大气对流参数计算结果显示龙卷过程低层 (0~1 km) 的垂直风切变较强 (为6.0×10-3s-1),抬升凝结高度较低 (低于1 km),且龙卷发生前对流有效位能较大。同时,龙卷过程超过50 dBZ的强核高度均在4 km以下,为低质心的对流系统,龙卷产生于一条带状回波与一近似团状回波合并加强后的强回波带中,并逐渐演变成“S”型,伴有“V”型缺口,中心最强值达61 dBZ。根据多普勒天气雷达导出产品并结合径向速度图反映出“612”龙卷是发生在以龙卷涡旋特征为主的尺度较小且垂直涡度较大 (约为3.65×10-2~3.83×10-2s-1) 的强对流风暴中,持续时间较短。     

福建龙卷风的活动特点

分析福建千余年２５次的龙卷风记载，得出如下几点认识：（１）福建的龙卷均在春夏两季，且几率相近；１９４９年以来的１２次龙卷有１１次出现于１３－１８时（占９２％），另一次是上午９时（占８％）。空间分布为：沿海地区有２０次，占８０％，内陆５次，占２０％，且有多发挥地段，（２）龙卷风多出现于低压，高温，高湿点附近，天空以积雨云占多数，地面多有强风相伴，（３）福建１２次龙卷风的诱发系统为：台风（６次，均在７     

2016年夏季如东一次EF2级龙卷多普勒天气雷达特征分析

利用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、南通多普勒天气雷达资料及GR2analyst分析软件,对2016年7月5日发生在江苏省如东县的一次EF2级超级单体龙卷过程进行特征分析。结果显示：此次龙卷发生在高低空均为一致的西南暖湿气流中,没有明显干冷空气侵入,中低层存在切变、急流,超低空急流,地面有辐合中心;大气具有中等大小的热力不稳定能量、0~1 km强垂直风切变、充足的水汽条件、较低的抬升凝结高度以及较强的辐合上升运动,为此次龙卷过程提供有利的背景条件。当出现连续体扫的中气旋、钩状回波,并且强回波区向移动方向一侧倾斜、垂直剖面存在穹隆结构和有界弱回波区时,在钩状回波处最容易产生龙卷。GRanalyst三维显示中出现的空洞结构,表明超级单体在此处产生强烈涡旋,有利于龙卷的产生;对称的正负速度区中旋转速度持续增大,并且不断向下发展,低仰角探测到紧邻的速度对时,强中气旋也相应出现向下延伸和迅速的收缩,预示着龙卷的发生,为龙卷预报提供一定的指示作用。     

The tornado over Khanty-Mansiysk: An exception or a symptom?

Analyzed are large- and mesoscale atmospheric processes which preceded and accompanied the tornado formation on June 12, 2012 near Khanty-Mansiysk city (61° N) in West Siberia. After the record-breaking hot weather observed in the region during the first half of June 2012, the tornado formation was favored by the passage of the cold front (cold advection at low altitudes), by the wind rotation with height in the lower atmospheric layer of 1.5 km (by more than 180°), and by very high air humidity in the surface layer with the cloud base of about 200 m. Estimated are the possible trends in the nature of the atmospheric circulation over West Siberia at the global warming observed in the 21st century which may contribute to a more regular tornado formation in high-latitudinal regions due to the physiographic peculiarities of the region.