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探讨某次江淮地区农业致灾龙卷天气的形成原因

2020-05-17 284 上传者：管理员

摘要：利用多普勒雷达资料、NCEP资料和其他常规资料，从天气形势、物理量、雷达特征等方面，对2017年7月2日江淮地区发生的一次龙卷过程进行了分析。结果表明，龙卷发生时，江淮地区处在副热带高压边缘，500hPa位于华北冷涡底部，涡后不断有冷空气南下，700和850hPa均有切变线和急流，地面有辐合线；龙卷产生在中等大小的对流有效位能和强垂直风切变条件下，同时抬升凝结高度较低；龙卷在发生前、发生时在雷达图上都探测到三维相关切变、中气旋和龙卷涡旋特征TVs；龙卷发生前，中气旋提前0.5h出现，这对估计和预警龙卷有较好的指示意义。

关键词：
天气形势
气象灾害
江淮地区
物理量
雷达特征
龙卷
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龙卷与其他对流天气相比，属于小概率事件，具有局地性、突发性的特点，但它破坏力极大，往往产生重大的人员伤亡和财产损失。2019年来国内外很多学者对龙卷也做了大量的研究。朱文剑等H1分析了典型台风龙卷的发生发展及其致灾和中小尺度特征，认为龙卷中气旋在快速发展阶段表现出直径不断缩小、底高不断降低、归一化切变值不断增大等特征；许薇等’5o对2011年6月16日汕头龙卷天气分析表明，强垂直运动梯度是导致地面风场气旋性旋转迅速增强而产生龙卷的重要原因；张劲梅等。对2013年3月20日发生在东莞的一次罕见龙卷、冰雹等致灾性强对流天气过程进行了分析，结果发现，中等强度的对流有效位能(CAPE)、强的0～6km深层垂直风切变以及较强的0～1km低层垂直风切变为龙卷产生提供了可能性；姚叶青等。对2次强龙卷过程分析认为，地面较为暖湿，低层垂直风切变较大，2次龙卷虽然回波形态、强度和高度各异，但都存在强的中气旋，雷达超前龙卷发生约0.5h识别出了中气旋。俞小鼎等对发生在安徽无为县的强烈龙卷过程分析表明，龙卷产生于一团状对流系统南端的一超级单体内，雷达速度图像呈现出一个强烈的中气旋包裹着一个更小尺度的涡旋特征(7Ⅳs)，导致龙卷的中气旋局限于4km以下的低层大气。吴芳芳等。对2006年8月6日发生在江苏盐城的一次强降水单体龙卷过程分析表明，龙卷发生在线状回波阶段，出现V形人流缺口及钩状回波。郑媛媛等。10o通过分析3次发生在安徽的超级单体龙卷过程，总结归纳了超级单体风暴的特征与预警方法，指出超级单体龙卷产生在中等大小的对流有效位能和强垂直风切变条件下，同时抬升凝结高度较低，与强冰雹超级单体相比，中气旋底高明显偏低。2017年7月2日11：00前后，位于江淮地区的江苏省东台市7个镇遭受不同程度的大风袭击。据统计，全市受灾人口17967人，受伤9人，转移安置人数365人，无人员死亡；受灾农作物2230.81lnn2，其中成灾面积1295.17hm2，绝收面积206.25hm2，另有部分树木、高压杆线受损；直接经济损失4013.1万元。根据房屋损坏、树木折损、农作物等受灾情况，判断系龙卷天气所致，根据Fujita龙卷等级定义，此次龙卷为EF0级，局部EFl级。笔者利用多普勒天气雷达、常规观测、NCEP资料和地面加密观测资料对这次龙卷过程进行分析和总结，探讨龙卷发生机理，为龙卷预报积累经验。

1、天气形势分析

2017年7月2日08：00500hPa，在115。～120。E、320～38。N附近有闭合低压存在，而110。E以东均为西太平洋副热带高压控制，江淮地区处于低涡前部和西太平洋副热带高压边缘，涡后不断有干冷空气补充南下(图la)；700hPa低涡位置和500hPa接近重合，并且有一条低空急流带，此次龙卷就发生在急流人口区左侧(图1b)。7月2日08：00在江淮地区有地面辐合线，11：00东台市处于辐合线附近。此次龙卷过程经综合分析显示，高层有冷空气渗透，中低层存在切变、急流，地面有辐合线，这种大尺度背景形势对强对流天气的产生极为有利。

2、物理量分析

大气垂直稳定度是影响强对流产生和组织结构的最重要的环境因素之一。当能量不断堆积，并有一定的条件令其转化和释放时，龙卷极易产生。通过对比2日08：00和20：00射阳站、南京站和徐州站的探空资料(表1～2)显示，7月2日全天各站K指数都不小于35℃，sI指数大多数在0℃以下，同时不稳定指数SWEAT也较高，说明全省发生强对流天气的概率较大。从射阳站探空指数来看，08：00K指数为37℃，20：00为43℃，A指数一直维持在18℃以上，说明大气长时间处于高温高湿状态，同时08：00强天气威胁指数SWEAT为277.5，20：00增大至303.7，说明不稳定能量在不断释放，以上迹象均表明2日08：00开始江苏全省就已经处于大气层结不稳定状态中，有利于发生强对流天气。从表1可以得出，射阳上空抬升凝结高度(LCL—P)08：00为989.0hPa，抬升凝结高度低表明江淮地区大气底层相对湿度较大，下沉气流中气块在低层大气仍然处于恒温保湿的状态，并且具有正浮力，有利于龙卷的生成。1“。

2.1不稳定条件分析

对流有效位能(CAPE)是气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生能量的垂直积分，是风暴潜在强度的一个重要指标。CAPE值越大，则CAPE能量释放后形成的上升气流强度就会越强。从图2可以看出，对流有效位能CAPE值2日08：00江淮地区在900J／kg左右，到了14：00跃增至1200J／kg，明显增大，为龙卷的发生提供不稳定能量。

2.2水汽条件分析

假相当位温是湿空气动力学提出的概念，用以表征大气的能量以及潜在不稳定，使用能量学方法研究强对流天气的有效参数。为了更好地研究此次形成的龙卷不稳定条件，沿121。E做垂直剖面，地面到边界层为假相当位温高值区，且随高度递减，但2日02：00—08：00假相当位温高值区位于33。N以南(图3a)，08：00一14：00假相当位温高值区向北抬至35。N附近，并且中心值也在增大(图3b)，说明近地面积蓄了很高的能量，而中高层假相当位温并没有随着时间增大，垂直方向仍是上干下湿的层结状态，存在对流不稳定，一旦有触发机制，即可产生强对流天气。

2.3动力条件分析

2.3.1散度。从图4可以看出，7月2日08：00400hPa以上均为辐散，为龙卷的产生起到了抽吸作用，而500～700hPa为辐合，并且600～650hPa有一个-50x10。S。1的辐合中心，大大增强了干冷空气的吸收和上升气流，以维持对流的持续发展，700hPa以下均为辐散，增强了风暴下沉气流，有利于强对流天气，特别是下击暴流和大风天气的发生。14：00辐合中心向低层发展，说明大气不稳定范围扩大，这种高层辐散、中低层辐合的有效配置，使气团在前期不稳定能量积聚、水汽激增的条件下，有利于能量的垂直输送，对流不稳定性增强，为强对流天气的发生发展创造了极为有利的环境条件。

2.3.2涡度。从图5可看出，7月2日08：00正涡度区位于34。N以北，江淮地区上空为负涡度区，到了14：00转为正涡度，正涡度中心在500～700hPa，且02：0卜08：00西南气流有所增强，较强的上升运动区与正涡度区相配合。有研究表明，对流层低层的水平涡度场越强，在上升气流中转换成的垂直涡度也越强，随后垂直涡度在上升气流中进一步被拉伸，从而有利于龙卷天气的出现。

2.3.3风暴相对螺旋度。风暴相对螺旋度(SRH)是诊断和预报对流灾害性天气发生发展的十分有用的量。它反映了一定气层厚度内环境风场的旋转程度和输入到对流体内环境涡度的多少，可以用于估算垂直风切变环境中风暴运动所产生的旋转趋势。

利用NCEP资料计算了0～3km的风暴相对螺旋度，7月2日08：00江淮地区SRH值超过150in2／s2(图6a)，由风暴螺旋度的物理意义得知，SRH值较大与较强的风垂直切变密切相关，而强的垂直风切变又引起水平涡度的增加，因此SRH的大小也反映了垂直风切变的强弱。1⋯。14：00SRH的一部分大值区经过东台地区移至海上(图6b)，此时龙卷已经结束。

2.3.4较强的垂直风切变。水平切变可产生气旋式涡旋，辐合产生上升速度区，当气旋式涡度区与辐合上升区遇见预先存在的涡旋时，涡旋由于拉伸而加快旋转，由此可以形成龙卷。7月2日02：00在115。～120。E、33。～34。N存在一条NE-SW向的垂直风切变矢量差的大值区(图7a)，08：00风切变大值区明显东移南压至东台北部地区，并且增强，中心最大值超过了14m／s2(图7b)，到了14：00风切变值明显减小。垂直风切变的突然增大，破坏了风暴的自毁机制，使得对流能较长时间的维持和发展，在风暴的形成、传播和分裂过程中起到关键作用。

3、雷达特征分析

3.1雷达垂直风廓线

从盐城站雷达风廓线(图8)分析，中气旋生成前，从7月2日07：00开始，从地面到10km处均为一致的西南气流，风速随高度增大，2.7—3.7km风速增大明显，一直持续到09：32。0.3～0.9km风向顺时针旋转的幅度最大，有利于气旋式右移超级单体风暴的产生。09：37开始2.1～3.0km处风向由西南风转为偏南风，风向逆转，一直持续到10：28风向逆转的高度逐渐下降，到龙卷发生前(10：50)，又变为上下一致的西南风。说明中低层有冷空气渗透，有较强的垂直风切变存在，为强对流天气的发生提供了有利的中尺度天气背景。

3.2中气旋

中气旋是与强对流风暴的上升气流和后侧下沉气流紧密相连的小尺度涡旋，该涡旋满足一定的切变、垂直伸展和持续性判据。中气旋的发展分为非相关切变、三维切变和中气旋3种阶段。识别中气旋3种分类最重要的特征值是旋转速度、特征中心最低高度、特征厚度、切变强度、最大切变及其位置等。当切变不断加强，具有明显的旋转向下发展的趋势，并且垂直深度增加，则表明这是一个比较强的中气旋，存在继续发展的可能性。

通过分析此次龙卷发生前的中气旋产品特征参数(表3)来看，这段时间有多个中气旋生成，但除了c4，其他中气旋14、F1、B1、J0出现时间较短，个别中气旋底部在4km左右，旋转和切变发生在较高的大气中，由于离地面较高，风暴很难接地，不易在地面产生龙卷。中气旋的顶高突然下降或最强切变高度下降并逼近底高时，表明中气旋明显加强。7月2日10：56中气旋c4的最强切变高度明显上升，此时龙卷出现，11：01切变达28×10。3S～，但是切变高度开始下降，切变值略有减小，11：07以后切变值再次增强，11：13切变达到最大值31x10。3S～，切变高度下降逼近底高，11：18中气旋趋于消亡。

3.3龙卷涡旋特征(TVS)

在雷达径向速度图上有时还能识别一种与龙卷紧密关联的比中气旋尺度小、旋转快的涡旋，在速度图上表现为像素到像素的很大风切变，称为龙卷涡旋特征。最近的研究表明，如果探测到中等强度以上的中气旋其底到地面的距离小于1km，龙卷产生的概率可达40％以上0171。从7月2日10：56开始，江淮地区东台境内出现TVs，一直到11：13消失，持续了3个体扫。10：56—11：07平均径向速度差(AVGDV)、低层径向速度差(LLDV)和最大径向速度差(MXDV)在不断增加，伸展厚度却在不断减小(表4)，证明了龙卷从发生到衰亡的过程。4结论(1)高层有冷空气渗透，中低层存在切变、急流，地面有辐合线，这种大尺度背景形势对强对流天气的产生极为有利。(2)较长时间的不稳定层结的存在，较低的抬升凝结高度、低层较强的垂直风切变等为龙卷的发生和发展提供很好的动力条件。(3)多普勒雷达垂直风廓线产品是对龙卷提前警戒的很好指标。(4)中气旋产品的出现是强对流天气即将发生的明显信号和主要预警指标，龙卷发生前中气旋表现出较低的底高、逐渐变小的最强切变高度、降低的顶高、较小的方位角方向直径和较强的垂直风切变等特征，对雷雨大风、龙卷有很好的预警作用。

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