錢(qián)維宏 梁卓軒 羅未萌 杜鈞

（1 北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系，北京 100871；2 美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心，College Park 20740，美國(guó)）

0 引言

龍卷是強(qiáng)對(duì)流天氣中破壞力最強(qiáng)的一種。美國(guó)是龍卷多發(fā)國(guó)家，平均每年發(fā)生一千多個(gè)龍卷，大多是強(qiáng)度較弱的EF-0級(jí)別的龍卷。我國(guó)龍卷主要發(fā)生在東部平原地區(qū)，尤其以江淮地區(qū)為多[1]。龍卷的尺度小、生命史短，預(yù)報(bào)難度極大。目前在美國(guó)只能提前15 min做出定時(shí)、定點(diǎn)的龍卷預(yù)警。美國(guó)龍卷的發(fā)生多與中尺度對(duì)流系統(tǒng)中的超級(jí)單體相聯(lián)系。這些超級(jí)單體[2]有組織地發(fā)生在天氣尺度或近地面次天氣（百千米）尺度的低壓系統(tǒng)中。美國(guó)龍卷常常是多個(gè)同時(shí)發(fā)生，路徑長(zhǎng)達(dá)幾千米到十幾千米，而發(fā)生在中國(guó)的龍卷路徑相對(duì)較短。美國(guó)氣象學(xué)詞典描述的龍卷爆發(fā)（tornado outbreak）為多個(gè)龍卷同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)天氣尺度系統(tǒng)中[3]。可以把這樣的天氣（次天氣）尺度系統(tǒng)稱(chēng)為龍卷和中渦旋發(fā)生的環(huán)境條件。但是，大氣中出現(xiàn)了這樣的環(huán)境（次天氣尺度系統(tǒng)）條件時(shí)可能出現(xiàn)的不一定是龍卷，而可能的是下?lián)舯┝?、冰雹或雷雨大風(fēng)等其他的強(qiáng)對(duì)流天氣。天氣和次天氣尺度系統(tǒng)的形成只可以看作強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的必要（環(huán)境）條件。

ECMWF和GFS中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品已經(jīng)在各地氣象臺(tái)得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)發(fā)生在中國(guó)和美國(guó)的龍卷例子，考察當(dāng)前這兩個(gè)全球模式對(duì)龍卷天氣－次天氣尺度系統(tǒng)的預(yù)報(bào)能力。這兩個(gè)例子分別發(fā)生在美國(guó)南部2011年4月27—28日和中國(guó)東部2016年6月23日[4-5]。

1 資料和方法

使用的資料有三套。美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的美國(guó)國(guó)家氣象局全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GFS）分析資料及預(yù)報(bào)資料（http://www.emc.ncep.noaa.gov/index.php?branch=GFS）。GFS分析場(chǎng)的時(shí)間間隔是6 h，時(shí)間點(diǎn)在00、06、12和18時(shí)（世界時(shí)，下同），水平空間分辨率為0.25°×0.25°的經(jīng)緯格點(diǎn)，垂直分26層（http://www.emc.ncep.noaa.gov/index.php?branch=GFS）。GFS預(yù)報(bào)場(chǎng)提供從每天00、06、12和18時(shí)起報(bào)的15日預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)間間隔為6 h。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的預(yù)報(bào)資料（http://tigge.ecmwf.int/）提供的是每天00和12時(shí)起報(bào)的15日預(yù)報(bào)，時(shí)間間隔為6 h（00、06、12和18時(shí)），水平空間分辨率為0.25°×0.25°經(jīng)緯格點(diǎn)，垂直分8層。ERA Interim的分析場(chǎng)[6]和兩個(gè)模式的預(yù)報(bào)場(chǎng)分別應(yīng)用于分析對(duì)比中。

傳統(tǒng)天氣圖已經(jīng)使用了一個(gè)多世紀(jì)。傳統(tǒng)天氣圖上包含了多時(shí)空尺度的波動(dòng)信息。傳統(tǒng)的做法是用數(shù)學(xué)正交分解的原理得到不同的波動(dòng)分量。由于數(shù)學(xué)分解函數(shù)的不同和選擇區(qū)域的不同，分解的波動(dòng)分量結(jié)果也就不同。為了避免傳統(tǒng)分解上的不唯一，把任一大氣變量場(chǎng)分解成為瞬變氣候分量場(chǎng)和相對(duì)瞬變氣候的瞬時(shí)擾動(dòng)場(chǎng)兩個(gè)部分[7]。前者準(zhǔn)靜態(tài)地反映了地球大氣中一個(gè)固定點(diǎn)上相對(duì)太陽(yáng)輻射年循環(huán)和日循環(huán)與下墊面輻射達(dá)到平衡的狀態(tài)，而后者是相對(duì)這個(gè)平衡態(tài)的偏差。后者的偏差場(chǎng)可以繪制成擾動(dòng)天氣圖。理論上，基于擾動(dòng)場(chǎng)的“擾動(dòng)天氣系統(tǒng)”是產(chǎn)生極端（異常）天氣事件的直接原因。所以，大氣變量分解后的擾動(dòng)場(chǎng)分析是極端天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。

根據(jù)以上的約定，任一大氣變量場(chǎng)如觀測(cè)時(shí)刻t（每年的第d天的第t時(shí)刻，每天24 h）的位勢(shì)高度、溫度和風(fēng)可以分解為瞬變氣候場(chǎng)

和瞬時(shí)擾動(dòng)場(chǎng)，即

這里，λ、φ和p是大氣變量所在點(diǎn)的位置（經(jīng)度、緯度和氣壓層次），下標(biāo)d（1～365 d）是資料所在日相對(duì)每年1月1日的第d日。

固定點(diǎn)上的瞬時(shí)氣候是存在的，但要準(zhǔn)確得到它是困難的。用這個(gè)點(diǎn)上幾百年的逐時(shí)觀測(cè)資料做瞬時(shí)平均（相互抵消掉多變的擾動(dòng)）是估算瞬時(shí)氣候的一種方法。由于受到觀測(cè)資料長(zhǎng)度的限制，研究中的氣候場(chǎng)可由30年（1981—2010年）的再分析資料估算得到

這里假定，在這30年中第d日的同一時(shí)刻，正的和負(fù)的瞬時(shí)擾動(dòng)相互抵消了，得到的是準(zhǔn)平衡的瞬變氣候態(tài)。由式（2）定義的氣候是逐小時(shí)和逐日變化的，它是用歷史資料計(jì)算（估算）出的，不需要預(yù)報(bào)。這一分解方法已經(jīng)在我國(guó)的區(qū)域暴雨和極端溫度事件分析中得到了應(yīng)用[8-10]。所以，在本文后面的分析中所提到的“擾動(dòng)系統(tǒng)”都是指扣除瞬變氣候后的擾動(dòng)天氣圖上的剩余“天氣系統(tǒng)”。

2 中國(guó)東部龍卷擾動(dòng)環(huán)境場(chǎng)的實(shí)況和模式預(yù)報(bào)

2.1 實(shí)況

數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品的天氣圖表達(dá)仍然是常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的基本方法。在以往的暴雨、熱浪和低溫事件分析中，能夠看到地面極端天氣事件發(fā)生地的上空存在著天氣或次天氣尺度的擾動(dòng)系統(tǒng)。為此，用歐洲再分析資料中的基本變量考察當(dāng)時(shí)龍卷發(fā)生地對(duì)流層大氣中是否也存在一個(gè)異常的天氣或次天氣尺度的擾動(dòng)系統(tǒng)。

考察龍卷發(fā)生地（33.5°N，120°E）23日的上空大氣溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)上發(fā)生了什么變化。常規(guī)天氣圖上難以指示龍卷可能發(fā)生的信息，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)天氣圖中除了有擾動(dòng)信息外，還存在著基數(shù)較大的氣候信息，即總場(chǎng)變量中的異常信息難以用一般的繪圖方法表達(dá)出來(lái)。為了突顯出異常信息，圖1是用總場(chǎng)減去了瞬變氣候后的擾動(dòng)變量。00時(shí)（圖1a）龍卷發(fā)生地以南出現(xiàn)了低層高溫異常，整個(gè)對(duì)流層大氣出現(xiàn)了正的高度異常。其中，正高度異常中心就在龍卷發(fā)生地上空的對(duì)流層上部。06時(shí)（圖1b），龍卷地上空出現(xiàn)了上升氣流，800 hPa以下的負(fù)高度擾動(dòng)軸線（虛線）與近地面層上溫度擾動(dòng)的冷暖氣團(tuán)對(duì)比零線對(duì)應(yīng)，龍卷發(fā)生在擾動(dòng)暖氣團(tuán)的一側(cè)。這個(gè)與龍卷對(duì)應(yīng)的地面低壓擾動(dòng)水平尺度達(dá)到600 km，屬于次天氣尺度擾動(dòng)系統(tǒng)。到12時(shí)（圖1c），來(lái)自北方中層的低壓擾動(dòng)到達(dá)阜寧縣。與北京2012年7月21日局地暴雨類(lèi)似的擾動(dòng)環(huán)流形勢(shì)[11]一致，暴雨發(fā)生在低層大氣低壓擾動(dòng)和冷暖氣團(tuán)對(duì)比的邊界線上。擾動(dòng)天氣圖上的溫度擾動(dòng)與高度擾動(dòng)滿足靜力平衡關(guān)系，即這樣的溫度擾動(dòng)可以用靜力平衡方程由高度擾動(dòng)計(jì)算得出[12]。擾動(dòng)天氣圖上的這些擾動(dòng)結(jié)構(gòu)可以從強(qiáng)度和位置上直觀地表達(dá)地面上極端天氣事件可能發(fā)生的信號(hào)。

圖1 基于再分析（ERA Interim）資料沿119.5°E做出的剖面（a為00時(shí)，b為06時(shí)，c為12時(shí)）（等值線為擾動(dòng)天氣圖上的高度擾動(dòng)，單位：gpm；陰影為溫度擾動(dòng)，單位：℃；紫色實(shí)線為上升速度，單位：Pa·s-1；G和D為高度中心；W和C為暖冷中心；粗實(shí)線為正高度擾動(dòng)軸，粗虛線為負(fù)高度擾動(dòng)軸；▲處為龍卷發(fā)生地）[4]Fig. 1 Vertical-latitude cross sections of height anomalies (solid and dashed lines, unit: gpm) and temperature anomalies(shading, unit: ℃) along 119.5°E at 00 UTC (a), 06 UTC (b), and 12 UTC (c) 23 June 2016 (Heavy solid and dashed lines are axes of positive and negative height anomalies while the purple lines indicate the ascending velocity, unit: Pa·s-1.Letters H/L are high/low centers of height and W/C are warm/cold centers of temperature anomalies, respectively. Symbol▲ indicates the location of tornado. The data used are from the ERA Interim)

圖2 基于再分析資料（ERA Interim）的2016年6月18日00時(shí)—25日18時(shí)龍卷發(fā)生地（阜寧）上空6 h間隔的高度擾動(dòng)（等值線，單位：gpm）和溫度擾動(dòng)（陰影，單位：℃）隨時(shí)間的變化[4]Fig. 2 Vertical-time sections of height anomalies (solid and dashed lines, unit: gpm) and temperature anomalies(shading, unit: 0.5℃) averaged over 33.5°N and 119.5°E,where the tornado occurred (Symbol ▲ indicates the occurring time of tornado. The data are derived from the ERA Interim)

圖2是2016年6月18日00時(shí)至25日18時(shí)，經(jīng)過(guò)阜寧龍卷發(fā)生地上空每6 h間隔的高度擾動(dòng)和溫度擾動(dòng)隨時(shí)間的變化，表現(xiàn)出了明顯的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)。20—23日的4天中出現(xiàn)了3次次天氣尺度的高度擾動(dòng)，先是在對(duì)流層中上部出現(xiàn)正高度擾動(dòng)軸線，然后在近地面層出現(xiàn)負(fù)高度擾動(dòng)中心。對(duì)流層上部出現(xiàn)的三個(gè)正高度擾動(dòng)中心，與對(duì)流層中下部的三個(gè)暖中心和地面上的三個(gè)擾動(dòng)低壓是完全對(duì)應(yīng)的。特別是在23日，正高度擾動(dòng)中心（G3）、暖溫度擾動(dòng)中心（W3）和地面低壓擾動(dòng)（D3）都是最強(qiáng)的。這些擾動(dòng)特征是在傳統(tǒng)天氣圖上看不到的。為什么前3日中的2次低壓擾動(dòng)沒(méi)有發(fā)生龍卷呢？細(xì)致考察圖2中的第3次擾動(dòng)中近地面還有兩個(gè)中心，一個(gè)是在中午，強(qiáng)的是在晚上，分別反映的是先龍卷后暴雨的輻合中心。

在中國(guó)東部地區(qū)的區(qū)域暴雨分析中，Qian等[10]提出了擾動(dòng)散度與擾動(dòng)比濕乘積的擾動(dòng)指標(biāo)量（濕散度擾動(dòng)）和擾動(dòng)渦度與擾動(dòng)比濕乘積的擾動(dòng)指標(biāo)量（濕渦度擾動(dòng)）。它們的表達(dá)式分別為

比較23日三個(gè)時(shí)次的850 hPa濕散度擾動(dòng)分布看出，中午時(shí)刻有一個(gè)濕散度擾動(dòng)中心在阜寧上空（圖3b）。同樣，850 hPa濕渦度擾動(dòng)也是在中午時(shí)刻有一個(gè)大值帶經(jīng)過(guò)阜寧的上空（圖3e）。這些擾動(dòng)指標(biāo)量的分布基本上是沿沿海內(nèi)陸地面風(fēng)輻合線走向的并與地面上的輻合線相交于阜寧上空。這里用擾動(dòng)天氣分析的方法得到了近地面擾動(dòng)系統(tǒng)可能發(fā)展的環(huán)境和潛勢(shì)條件。

2.2 模式預(yù)報(bào)

首先考察ECMWF對(duì)阜寧垂直－時(shí)間剖面圖中高度擾動(dòng)和溫度擾動(dòng)（圖2）的預(yù)報(bào)。圖4中清楚地顯示出，歐洲模式提前54 h（圖4a）和提前30 h（圖4b）預(yù)報(bào)出了可與實(shí)況對(duì)比的23日中午的高度擾動(dòng)和溫度擾動(dòng)。提前90和102 h，預(yù)報(bào)出了高度擾動(dòng)和溫度擾動(dòng)，但其擾動(dòng)強(qiáng)度要弱一些。

圖3 基于模式初始場(chǎng)的850 hPa濕散度擾動(dòng)（單位：10-6kg·kg-1·s-1）在2016年6月23日00時(shí)（a），06時(shí)（b）和 12時(shí)（c）的分布，以及對(duì)應(yīng)3個(gè)時(shí)刻的925 hPa高度擾動(dòng)（實(shí)線和虛線，單位：gpm）和850 hPa的濕渦度擾動(dòng)（陰影單位：10-6kg·kg-1·s-1）（d～f，粗黑虛線為高度擾動(dòng)槽線，黑虛線為地面風(fēng)輻合線，☆為阜寧龍卷發(fā)生地）[4]Fig. 3 Moist divergence anomaly (shading, unit: 10-6kg·kg-1·s-1) at 850 hPa at 00 UTC (a), 06 UTC (b), and 12 UTC (c)on 23 June, 2016; (d—f) As same as in (a—c) but for moist vorticity anomaly (unit: 10-6kg·kg-1·s-1) at 850 hPa and height anomaly (solid and dashed lines, unit: gpm) (The black dashed line is the convergence line of the surface wind. The data is derived from the GFS)

圖4 同圖2，但為ECMWF提前54 h（a）和30 h（b）預(yù)報(bào)的高度擾動(dòng)和溫度擾動(dòng)[4]Fig. 4 As same as in Fig. 2 but for height-temperature anomalies of the ECMWF prediction in advance of 54 h (a)and 30 h (b)

分析中，圖3的850 hPa濕散度擾動(dòng)和濕渦度擾動(dòng)在23日中午時(shí)刻指示出了有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的環(huán)境擾動(dòng)條件。如果模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品中也能夠計(jì)算得到這些擾動(dòng)量的位置，這對(duì)預(yù)報(bào)員在考慮局地地面和模式預(yù)報(bào)的高度－溫度擾動(dòng)環(huán)境條件的同時(shí)推斷未來(lái)時(shí)刻可能出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生位置是有幫助的。集中分析和評(píng)估兩個(gè)模式對(duì)925 hPa高度擾動(dòng)和850 hPa濕渦度擾動(dòng)（圖3e）的預(yù)報(bào)。圖5是對(duì)ECMWF預(yù)報(bào)提前102 h到提前6 h預(yù)報(bào)產(chǎn)品的分析[4]。 雖然提前102 和90h預(yù)報(bào)中在925 hPa出現(xiàn)了負(fù)的高度擾動(dòng)，但850 hPa的濕渦度擾動(dòng)都在阜寧以北地區(qū)（圖5a和5b）。從提前78 h開(kāi)始（圖5c）到提前54 h（圖5e），預(yù)報(bào)850 hPa的濕渦度擾動(dòng)軸線穩(wěn)定在阜寧上空。從提前42 h（圖5f）到提前6 h（圖5i）的預(yù)報(bào)，925 hPa層的槽線和850 hPa層的濕渦度擾動(dòng)軸線都穩(wěn)定出現(xiàn)在阜寧上空，與圖3e基本一致?？梢?jiàn)，ECMWF至少提前42 h預(yù)報(bào)出了阜寧低層大氣中強(qiáng)烈的高度擾動(dòng)和濕渦度擾動(dòng)信息。

同樣地，錢(qián)維宏等[4]也分析了GFS預(yù)報(bào)提前102 h到提前6 h預(yù)報(bào)的擾動(dòng)量（圖6）?？梢钥闯?，美國(guó)模式提前102 h到30 h的7個(gè)時(shí)刻，925 hPa的高度擾動(dòng)中心位置是不穩(wěn)定的，阜寧也沒(méi)有出現(xiàn)850 hPa的濕渦度擾動(dòng)。在提前42 h（圖6f）和提前30 h（圖6g），預(yù)報(bào)的925 hPa高度擾動(dòng)槽影響到阜寧。在提前18 h和提前6 h的預(yù)報(bào)圖（圖6h和6i）上，925 hPa上的高度擾動(dòng)中心、槽線和850 hPa上的濕渦度擾動(dòng)都與圖3e一致了。說(shuō)明，GFS提前18 h預(yù)報(bào)出了阜寧低層大氣中強(qiáng)烈的高度擾動(dòng)和濕渦度擾動(dòng)信息。

3 美國(guó)南部龍卷擾動(dòng)環(huán)境場(chǎng)的實(shí)況和模式預(yù)報(bào)

3.1 實(shí)況

圖5 同圖3e，但為ECMWF預(yù)報(bào)：提前102 h（a），90 h（b），78 h（c），66 h（d），54 h（e），42 h（f），30 h（g），18 h（h）和6 h（i）的擾動(dòng)量分析[4]Fig. 5 As same as in Fig. 3e, but for the ECMWF prediction in advance of 102 h (a), 90 h (b), 78 h (c), 66 h (d), 54 h (e),42 h(f), 30 h(g), 18 h (h), and 6 h (i)

2011年4月27—28日美國(guó)南部多龍卷發(fā)生后，美國(guó)研究人員[2]也用傳統(tǒng)的天氣圖做了環(huán)境場(chǎng)的分析。傳統(tǒng)天氣圖上，總高度的時(shí)間變化沒(méi)有清楚的波動(dòng)，只有總溫度垂直剖面上能夠看到一些波動(dòng)，但這些波動(dòng)難以指示27日夜間的龍卷。與傳統(tǒng)天氣圖的表達(dá)不同，圖7a和7b分別是沿88°W和84°W位置上高度異常和溫度異常隨時(shí)間的變化。龍卷發(fā)生在地面附近低壓擾動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)候，也對(duì)應(yīng)高層大氣正的高度擾動(dòng)和低層大氣正溫度擾動(dòng)轉(zhuǎn)為負(fù)溫度擾動(dòng)的時(shí)候。

圖8是2011年4月27—28日美國(guó)南部多龍卷發(fā)生期間4個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的925 hPa（圖8a～8d）和垂直剖面（圖8e～8h）上的高度擾動(dòng)和溫度擾動(dòng)分布。龍卷和降水位置位于925 hPa低壓擾動(dòng)附近靠近暖空氣團(tuán)的一側(cè)。由于降水的原因，925 hPa的暖氣團(tuán)中龍卷發(fā)生地范圍內(nèi)溫度擾動(dòng)為負(fù)值（圖8a和8b）。日常業(yè)務(wù)中，預(yù)報(bào)員很少畫(huà)高度和溫度的垂直剖面圖。關(guān)注圖8e～8h的高度擾動(dòng)和溫度擾動(dòng)的垂直剖面分布。在龍卷和暴雨發(fā)生位置的上空對(duì)流層－平流層大氣中，存在4個(gè)（兩對(duì)）溫度擾動(dòng)氣團(tuán)并與一對(duì)高低壓擾動(dòng)中心對(duì)應(yīng)。在正（負(fù)）的高度擾動(dòng)中心的下方是正（負(fù)）的溫度擾動(dòng)，而在其上（下）方是負(fù)（正）的溫度擾動(dòng)。垂直方向上分布的一對(duì)高度擾動(dòng)與兩對(duì)溫度擾動(dòng)是滿足靜力平衡關(guān)系的，即用高度擾動(dòng)場(chǎng)可以根據(jù)靜力平衡關(guān)系計(jì)算出溫度擾動(dòng)的分布。在一個(gè)有限的范圍內(nèi)，高度擾動(dòng)與溫度擾動(dòng)的強(qiáng)度和對(duì)比越強(qiáng)烈，則暖（冷）氣團(tuán)靠近低壓一側(cè)的上升（下沉）速度會(huì)越大。這是擾動(dòng)大氣中有效位能釋放并轉(zhuǎn)變成動(dòng)能的結(jié)果。于是，在暖氣團(tuán)的一側(cè)會(huì)出現(xiàn)龍卷和暴雨，而在冷氣團(tuán)的一側(cè)會(huì)出現(xiàn)下?lián)舯┝?。圖8c和圖8g是2011年4月27—28日期間龍卷最多和最強(qiáng)的時(shí)刻，擾動(dòng)氣團(tuán)之間的溫度對(duì)比也是最強(qiáng)的。

3.2 模式預(yù)報(bào)

關(guān)注ECMWF對(duì)圖7a和7b的預(yù)報(bào) 。圖9是ECMWF起報(bào)時(shí)間為2011年4月25日00時(shí)（a），23日00時(shí)（b），21日00時(shí)（c）和19日00時(shí)（d）分別提前3、5、7和9 d預(yù)報(bào)的擾動(dòng)場(chǎng)。發(fā)生龍卷和暴雨的擾動(dòng)形勢(shì)是低層大氣出現(xiàn)負(fù)的高度擾動(dòng)，高層大氣出現(xiàn)正的高度擾動(dòng)，溫度擾動(dòng)從正異常轉(zhuǎn)為負(fù)異常。提前3、5和9 d的預(yù)報(bào)都滿足上述擾動(dòng)形勢(shì)，只是提前7 d的溫度擾動(dòng)預(yù)報(bào)沒(méi)有達(dá)到條件。這也說(shuō)明，模式也會(huì)在一些起報(bào)時(shí)刻由于初值誤差會(huì)影響到未來(lái)幾天的環(huán)流形勢(shì)預(yù)報(bào)結(jié)果。

圖6 同圖5和圖3e，但為GFS預(yù)報(bào)的各時(shí)次925 hPa高度擾動(dòng)和850 hPa的濕渦度擾動(dòng)[4]Fig. 6 As same as in Fig. 5 and Fig. 3e, but for the GFS prediction in advance of 102 h (a), 90 h (b), 78 h (c), 66 h (d), 54 h(e) , 42 h (f), 30 h (g), 18 h (h), and 6 h (i)

4 結(jié)論

龍卷屬于小尺度的強(qiáng)對(duì)流性天氣事件，對(duì)其發(fā)生地點(diǎn)（路經(jīng)）預(yù)報(bào)尤為困難。但是這樣的小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣是大氣熱力和動(dòng)力狀態(tài)大大偏移了平衡態(tài)的結(jié)果，即出現(xiàn)了劇烈的次天氣尺度擾動(dòng)系統(tǒng)。這個(gè)平衡態(tài)的瞬變氣候具有日循環(huán)和年循環(huán)的變化，它們是不需要預(yù)報(bào)的，只需要認(rèn)識(shí)。這樣的瞬變氣候是一個(gè)隨時(shí)間變化的參考態(tài)。大氣瞬時(shí)擾動(dòng)變量及其構(gòu)成的擾動(dòng)系統(tǒng)如果接近地面就會(huì)產(chǎn)生地面上的極端天氣事件。因此，需要從觀測(cè)、再分析和模式預(yù)報(bào)的資料中減去瞬變氣候參考態(tài)，得到擾動(dòng)變量并繪制擾動(dòng)天氣圖。后者就可以比較直觀地應(yīng)用于龍卷和暴雨等地面極端天氣事件的落區(qū)預(yù)報(bào)了。由擾動(dòng)基本變量可以構(gòu)造具有物理含義的指標(biāo)量，如擾動(dòng)濕渦度和擾動(dòng)濕散度等[10]。 指標(biāo)量達(dá)到一定的閾值就有可能出現(xiàn)確定的極端天氣事件。

龍卷相對(duì)其他的極端天氣事件，如暴雨、冰雹和雷暴等，其強(qiáng)度更強(qiáng)。近期的比較也可以看出[5]， 龍卷發(fā)生時(shí)和發(fā)生前對(duì)應(yīng)的一對(duì)（兩個(gè)相鄰）的高度擾動(dòng)系統(tǒng)和兩對(duì)（四個(gè)相鄰）的溫度擾動(dòng)系統(tǒng)也特別強(qiáng)烈。這些天氣尺度和次天氣尺度的擾動(dòng)系統(tǒng)說(shuō)明，龍卷發(fā)生前和發(fā)生時(shí)是有大氣擾動(dòng)信號(hào)的。地面上極端天氣事件的發(fā)生是前期大氣擾動(dòng)能量不斷積累到最后迅速釋放的結(jié)果。

對(duì)2016年6月23日發(fā)生在中國(guó)東部阜寧的龍卷事件，ECMWF能夠提前54 h，GFS能夠提前18 h預(yù)報(bào)出了低層大氣的低壓擾動(dòng)和高層大氣的高壓擾動(dòng)以及冷暖擾動(dòng)氣團(tuán)的變化與對(duì)比。對(duì)2011年4月27—28日發(fā)生在美國(guó)南部的多龍卷過(guò)程，ECMWF分別提前3、5、7和 9 d預(yù)報(bào)出了與觀測(cè)對(duì)應(yīng)的高度擾動(dòng)和溫度擾動(dòng)，包括它們的空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化。因此，在全球中期模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品的解釋?xiě)?yīng)用中，強(qiáng)烈建議預(yù)報(bào)員使用擾動(dòng)天氣圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)天氣圖。

圖7 沿32°—38°N平均的垂直－時(shí)間剖面圖： 88°W（a）和84°W（b）位置上高度擾動(dòng)（等值線，單位：dagpm）和溫度擾動(dòng)（陰影，單位：K）（▲為龍卷在2011年4月27日18時(shí)和 4月28日06時(shí)的位置；H/L和W/C為高低壓中心和冷暖中心）[5]Fig. 7 Vertical pressure-time sections of height anomalies (contours, unit: dagpm) and temperature anomalies (shading,unit: K) averaged over latitudes of 32°—38°N at 88°W(a) and at 84°W(b) (Symbol ▲ indicates the central position of tornadoes at 18 UTC 27 and 06 UTC 28 April 2011. The heavy dashed line links two low centers of Lt and L1. Letters H/L and W/C indicate the centers of height and temperature anomalies, respectively)

圖8 2011年4月27日12時(shí)（a），18時(shí)（b）及28日00時(shí)（c）和06時(shí)（d）925 hPa上的高度異常（等值線，單位：dagpm）和溫度異常（陰影，單位：K）[5] ，以及其沿34°N（e），35°N（f）， 38°N（g）和41°N（h）的垂直分布（左側(cè)綠線為降水率（2.5 mm·h-1），粗虛線為高度擾動(dòng)槽，顏色線段為龍卷路徑；▲為擾動(dòng)低壓的中心位置，綠線指示垂直速度（單位：Pa·s-1））Fig. 8 Horizontal height anomalies(contours, unit: dagpm) and temperature anomalies (shading, unit:K) at 925 hPa at 12 UTC 27 April (a),18 UTC 27 April (b), 00 UTC 28 April(c), and 06 UTC 28 April (d) 2011, and vertical distributions along 34°N (e),35°N (f), 38°N (g), and 41°N (h) [5]) (In Figs. 8a-8d, green line indicates the hourly precipitation rate (unit: mm·h-1)and the think dashed line denotes the trough of height anomalies along with the front of temperature anomalies. In Figs. 8e-8h, symbol ▲indicates the central position of low(Lt) in surface anomaly, while think dashed lines indicate the trough axis in height anomalies, the green solid and dashed lines respectively indicate anomalous sinking and rising pressure velocities (unit: Pa·s-1 interval))

圖9 同圖7a沿88°W ，但為ECMWF預(yù)報(bào)，起報(bào)時(shí)間為2011年4月25日 00時(shí)（a），23日00時(shí)（b），21日00時(shí)（c）和19日00時(shí)（d），分別提前3、5、7和9 d預(yù)報(bào)的擾動(dòng)場(chǎng)[5]Fig. 9 As same as in Figure 7a along 88°W, but for ECMWF model prediction initiated at 00 UTC 25 April (a) in advance of 3 days, at 00 UTC 23 April (b) in advance of 5 days, at 00 UTC 21 April (c) in advance of 7 days, and at 00 UTC 19 April (d) in advance of 9 days

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