顧伯輝 黃先香 張少婷 植江玲

（1 廣東省佛山市三水區(qū)氣象局，佛山 528144；2 廣東省佛山市氣象局，佛山 528315；3 廣東省佛山市龍卷風研究中心，佛山 528315）

0 引言

龍卷是最猛烈的大氣對流現(xiàn)象。佛山市地處亞熱帶的平原地帶，是龍卷多發(fā)的區(qū)域。由于龍卷具有尺度小、生命史短等特點，預報難度極大。短臨監(jiān)測預警是目前減少龍卷造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的最有效手段，多普勒雷達通過探測中氣旋和龍卷渦旋特征（TVS）來對龍卷發(fā)生進行提示。然而，90%以上的中氣旋伴隨有強雹（直徑＞2 cm）、強風及龍卷等災害性天氣，但僅有20%～25%左右的中氣旋發(fā)展成龍卷。此外，當雷達探測到TVS時，通常已出現(xiàn)或即將出現(xiàn)龍卷，這給提高龍卷預警發(fā)布的提前量和準確性造成了很大困難[1]。因此，如何提高龍卷的預報預警提前量對防災減災十分重要。

數(shù)值模式已經(jīng)成為了世界各氣象部門的主要預測工具，尤其是強對流天氣的短臨監(jiān)測預警。雖然龍卷警報通常限制在10～20 min，長期大量的研究仍然在尋找有利于龍卷可能發(fā)生的天氣（次天氣）尺度早期信號[2-4]。這樣的天氣（次天氣）尺度環(huán)境條件受到研究和預報人員的廣泛關注[5-8]。這些研究使用傳統(tǒng)天氣圖和動力－熱動力學的診斷方法，來分析龍卷爆發(fā)的例子。然而，由于傳統(tǒng)天氣圖和直接觀測變量揭示的天氣尺度系統(tǒng)也難以精確地確定龍卷的爆發(fā)，這些環(huán)境條件研究的結果在預報業(yè)務中還沒有得到真正的應用[9]。綜上，如何在數(shù)值模式里面提取有效的信息對龍卷發(fā)展的擾動系統(tǒng)進行預報是關鍵的科學問題。

尋找有明確天氣學和動力意義的簡單、快捷和方便的強對流指標量，對科研成果應用到強對流預警業(yè)務有實質性的幫助。近年來有研究將傳統(tǒng)天氣圖上的變量分解為瞬時氣候和擾動后發(fā)現(xiàn)，擾動分量及其指標量對多種地面發(fā)生的極端天氣時間有指示意義[10-12]。錢維宏等[13-14]利用該方法進一步分析和評估業(yè)務模式對兩個江淮龍卷個例發(fā)生前的擾動系統(tǒng)，結果表明歐洲中心數(shù)值（EC）模式可以提前54 h預報出龍卷擾動系統(tǒng)，美國全球預報模式（GFS）則可以提前18 h。類似地，錢維宏將該方法也應用到暴雨環(huán)境背景擾動系統(tǒng)的預報中，取得了良好的預報效果。因此，應用瞬時擾動法提高強對流預報顯示出良好的應用前景。然而，西風帶龍卷與臺風龍卷之間存在諸多區(qū)別，例如臺風龍卷一般由微超級單體產(chǎn)生，具有更高的風暴相對螺旋度以及低空垂直切變，但對流有效位能明顯偏小等。此外，由于影響江淮地區(qū)與珠三角地區(qū)的下墊面以及天氣尺度系統(tǒng)也并不完全相同，常用的業(yè)務數(shù)值模式對佛山地區(qū)產(chǎn)生臺風龍卷的擾動天氣系統(tǒng)的預報能力如何還不清楚。因此，本文基于瞬時擾動法分析佛山臺風龍卷環(huán)境背景的擾動指標量以及評估業(yè)務模式對龍卷發(fā)生前的擾動系統(tǒng)的預報能力。

1 資料和方法

本研究所使用到的模式數(shù)據(jù)為歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的預報資料，從每天00時（北京時，下同）和12時起報的2018年9月17日預報，時間間隔為6 h，水平空間分辨率是0.1°×0.1°經(jīng)緯格點，垂直分17層。再分析數(shù)據(jù)使用ECMWF的ERA5數(shù)據(jù)集，時間間隔為1 h，水平空間分辨率為0.25°×0.25°經(jīng)緯格點，垂直分37層。

分析的個例時間為2018年9月17日09:37—10:00，在登陸臺風“山竹”外圍螺旋雨帶中，具體位置在廣東省佛山市三水區(qū)到肇慶市四會區(qū)發(fā)生的EF2級強龍卷。龍卷路徑長度18 km，持續(xù)時間23 min，平均時速47 km/h，導致不少建筑物損毀。本次過程佛山市進行了龍卷預警試驗，提前37 min發(fā)布了龍卷預警，龍卷沒有造成人員傷亡[7]。

由于傳統(tǒng)天氣分解一般使用正交分解方法，但不同區(qū)域和分解函數(shù)的不同，分解的波動量也不同。為了避免這種不唯一，Qian等[15]把任一大氣變量場分解為瞬變氣候分量場和相對瞬變氣候的瞬時擾動場兩個部分，后者可以反映擾動天氣系統(tǒng)。理論上，基于擾動場的“擾動天氣系統(tǒng)”是產(chǎn)生極端天氣事件的直接原因，所以通過分解得到的擾動天氣場可以作為龍卷發(fā)生發(fā)展的環(huán)境背景預報基礎。

本文擬通過瞬時擾動方法（有關原理參見文獻[13-15]）分解臺風發(fā)生當日和逐時的水平和垂直方向上的高度、溫度、風速風向、濕渦度和濕散度的擾動場，以期分析熱動力擾動條件對臺風龍卷形成的指示作用以及數(shù)值模式對這些擾動天氣系統(tǒng)的預報能力。

2 佛山臺風龍卷擾動環(huán)境場分析

2.1 臺風“山竹”概況

1822號臺風“山竹”最早于9月7日10時在西太平洋生成，16日17時以強臺風級在廣東臺山海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風力14級（45 m/s），登陸后維持西北偏西方向移動，強度不斷減弱，17日14時減弱為熱帶低壓。佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)龍卷發(fā)生在17日09:37前后、距離臺風登陸已有16.5 h，此時臺風中心位于廣西南寧市境內，強度為熱帶風暴級。龍卷產(chǎn)生于距臺風“山竹”中心東北象限約490 km處螺旋雨帶中的一個微型超級單體[7]。

2.2 實況

圖1 基于ERA5資料沿著112.75°E做出的剖面圖，分別是2018年9月17日08時（a）、09時（b）、10時（c）（北京時）的溫度擾動場（陰影填色，單位：℃）、高度擾動場（黑色等值線，單位：gpm）和垂直速度擾動場（紫色等值線，單位：Pa·s-1）。實線為正值，虛線為負值，黑色實心半圓為龍卷發(fā)生緯度Fig. 1 Vertical-latitude cross sections of temperature anomalies (shading, unit: ℃), height anomalies (black contour, unit:gpm) and vertical velocity anomalies (purple contour, unit: Pa·s-1) along 112.75°E at (a) 08:00 BT, (b) 09:00 BT, and(c)10:00 BT 17 September 2018 based on ERA5 reanalysis. Solid lines represent the positive value, while dashed lines indicate the negative value. The black solid semi-circle indicates the location of tornado

臺風外圍螺旋雨帶的龍卷一般出現(xiàn)在臺風的東北側象限[16-17]。2018年9月17日，臺風“山竹”西側外圍螺旋雨帶觸發(fā)的龍卷位于（23°N，112.75°E）附近，雷達回波顯示強對流雨帶呈南北帶狀分布[7]。因此，沿著112.75°E，剖面分析了17日08—10時溫度擾動、高度擾動和垂直速度的垂直分布隨時間的變化（圖1）。在08時（圖1a）在龍卷發(fā)生地南北兩側的低層大氣上均有明顯擾動暖氣團，在上空也有顯著的擾動暖氣團。高空擾動暖氣團對應中低層有明顯的負高度擾動，近地面的負高度擾動中心內有弱的下沉擾動氣流出現(xiàn)，北側低空有明顯的上升擾動氣流，對應近地面有弱的擾動冷氣團出現(xiàn)。09時（圖1b）高空暖氣團略有減弱北移，對應的中低層負高度擾動也有所減弱。然而，負高度擾動中心內下沉擾動氣流、北側上升擾動氣流和擾動冷氣團都繼續(xù)增強，擾動冷暖氣團南側交匯處基本與負高度擾動軸線（虛線）重合。10時（圖1c）高空暖氣團繼續(xù)減弱北移，中低層負高度擾動也減弱，但上升氣流和擾動冷氣團進一步增強，減弱了南側的下沉氣流。綜上所述，高空擾動暖氣團隨時間減弱北移，引起中低空負高度擾動的減弱，但負高度擾動軸線處伴隨的上升氣流，不僅引起低空近地面擾動冷氣團的發(fā)展，還使得南側近地面出現(xiàn)下沉氣流，反映了臺風內微超級單體的發(fā)展過程，下沉氣流北側即為龍卷發(fā)生地。因此，臺風高空擾動暖氣團以及中低空對應的負高度擾動是誘發(fā)龍卷的重要原因，龍卷易發(fā)生于負高度擾動軸線和冷暖氣團對比零線重合之處。

圖2給出了龍卷發(fā)生地上空的溫度擾動和高度擾動的垂直分布在2018年9月15—19日隨時間的變化，發(fā)現(xiàn)在15日08時—16日08時850 hPa以下存在明顯的擾動暖氣團，但16日08時低層擾動暖氣團消失，500 hPa以上開始出現(xiàn)擾動暖氣團并逐漸增強，在16日下午達到最強，此后不斷減弱。對應地，負高度擾動從15日08時不斷發(fā)展增強，并在16日下午達到最強，此后不斷減弱，17日午后基本消失。實際上，溫度擾動與高度擾動隨時間的變化過程是與臺風移動密切相關的，反映的是臺風來臨前的外圍環(huán)流溫壓場擾動形勢。15日08時—16日08時，受臺風“山竹”外圍下沉氣流影響，佛山地區(qū)晴天為主，低層擾動暖氣團和正高度擾動發(fā)展，16日08—17時臺風不斷移近，受外圍螺旋雨帶影響佛山上空云量增多，低空擾動暖氣團減弱，中高空擾動暖氣團和正高度擾動迅速發(fā)展。16日17時臺風登陸廣東臺山，此后向西北向移動，強度逐漸減弱，溫度擾動和高度擾動也相應減弱。值得注意的是，龍卷是在臺風登陸之后高空擾動暖氣團和近地面負高度擾動明顯減弱階段發(fā)生的，在正溫度擾動和正高度擾動的發(fā)展以及最強盛階段并沒有發(fā)生，而且龍卷發(fā)生時對應近地面有擾動冷氣團開始發(fā)展。這里存在著臺風大尺度的溫壓場擾動結構和有利于龍卷發(fā)生的中小尺度溫壓場擾動。

圖2 基于ERA5資料的2018年9月15日08時—19日07時龍卷發(fā)生地上空1 h間隔的高度擾動（等值線，單位：gpm）和溫度擾動（陰影，單位：℃）隨時間的變化。黑色實心半圓是龍卷發(fā)生時間Fig. 2 Vertical-time distribution of height anomalies (black contour, unit:gpm) and temperature anomalies (shading,unit: ℃) over the location of tornado from 8:00 15th to 7:00 19th September 2018 with 1h time interval basing on ERA5 reanalysis. Solid lines represent the positive value, while dashed lines indicate the negative value. Black solid semicircle indicates the arising time of tornado

臺風龍卷的生成，不僅與中氣旋發(fā)展增強有關系，也與地面輻合或者氣旋性渦旋有關系[18]。高空槽引導的冷空氣可以加強登陸后的臺風強度，因此也更容易激發(fā)出龍卷[16,19]。進一步分析了17日02—10時臺風“山竹”登陸之后1000 hPa水平風擾動和250 hPa溫度平流擾動的逐時變化（圖3）。結果表明，1000 hPa風氣旋式切變最大的區(qū)域基本維持在22°—23°N、110°—114°E，隨著臺風往西北向移動并逐漸遠離佛山，17日08—10時佛山地區(qū)也逐漸轉成受較強的東南風和偏南風擾動輻合控制，23°N附近的氣旋式切變已經(jīng)明顯減弱。龍卷發(fā)生地佛山三水白坭金竹村上空持續(xù)有冷平流擾動，有利于該處持續(xù)有深對流發(fā)生。通過分析龍卷發(fā)生地上空的溫度平流擾動垂直分布隨時間的變化（圖4），發(fā)現(xiàn)低層大氣在臺風登陸前主要以暖平流擾動為主，中層以冷平流擾動為主，但由于臺風外圍的下沉氣流影響以及相對濕度持續(xù)偏低，始終無法產(chǎn)生對流。在臺風登陸之后到16日上半夜，低層大氣開始轉受冷平流擾動，中高層大氣轉受暖平流擾動，大氣層結會趨于穩(wěn)定。17日開始，低層大氣又轉受暖平流擾動，這種暖平流擾動主要是由東南風和偏南風擾動帶來的，中層大氣受弱冷平流擾動影響，層結處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，臺風登陸之后，近地面的較強的東南風和偏南風擾動輻合有利于龍卷觸底，中高層大氣受冷平流擾動和低層大氣受暖平流擾動影響的大氣不穩(wěn)定層結配置有利于深對流的發(fā)展，這些熱動力擾動結構都非常有利于臺風龍卷的出現(xiàn)。

圖3 基于ERA5資料在17日02—10時（a—j）的1000 hPa水平風擾動（單位：m/s）和250 hPa溫度平流擾動的逐時變化（陰影，單位：10-5℃·s-1）。黑色點為龍卷發(fā)生地（23°N，112.75°E）Fig. 3 Horizontal distribution of wind anomalies (unit:m/s) at 1000 hPa and temperature advection anomalies (shading,unit: 10-5℃·s-1) at 250 hPa from 2:00 to 10:00 17 September 2018 (a-j) with 1h time interval basing on ERA5 reanalysis. Black dot indicates the location of tornado

圖4 基于ERA5資料的2018年9月15日08時—19日07時龍卷發(fā)生地上空1 h間隔的溫度平流擾動（陰影，單位：10-5℃·s-1）隨時間的變化。黑色實心半圓是龍卷發(fā)生時間Fig. 4 Vertical-time distribution of temperature advection anomalies (shading, unit: 10-5℃·s-1) from 8:00 15th to 10:00 17th September 2018 with 1h time interval basing on ERA5 reanalysis. Black solid semi-circle indicates the location of tornado

濕渦度和濕散度是反映強對流發(fā)生背景的熱動力結構的兩個綜合指標，Qian等[10,14]應用這兩個指標對中國東部地區(qū)的區(qū)域暴雨和2015年阜寧龍卷進行環(huán)境背景分析，效果良好。造成臺風龍卷的微超級單體，水平尺度和伸展高度都很低[20]，因此對“擾動天氣系統(tǒng)”的低空要素場進行分析。圖3的研究結論表明，在17日08—10時佛山地區(qū)已經(jīng)由受氣旋性彎曲擾動氣流轉為受較強的東南風和偏南風擾動氣流影響。由于地面輻合配合中氣旋下降是龍卷觸底的關鍵過程，而下沉氣流又是中氣旋下降的重要原因[18]。根據(jù)圖1的分布，引起龍卷生成的下沉氣流出現(xiàn)在近地面，因此先分析了17日08—10時1000 hPa垂直速度和925 hPa的濕散度（圖5a—5c），結果發(fā)現(xiàn)，在08時的龍卷發(fā)生地上空，雖然有較強的擾動氣流輻合，但正濕散度擾動較弱，對應的下沉氣流也較弱。09時，正濕散度擾動增強，對應的下沉氣流也有所增強，龍卷發(fā)生地位于正、負濕散度擾動交界處。10時，龍卷所在地附近的濕散度擾動變?yōu)樨撝担瑢南鲁翚饬飨?，變?yōu)樯仙龤饬鳌?/p>

接著分析3個時次對應的925 hPa濕渦度擾動和925 hP高度擾動（圖5d—5e），發(fā)現(xiàn)龍卷發(fā)生地上空在3個時次都處于負高度擾動軸線中，對應有正濕渦度擾動，但負高度擾動隨時間減弱西退，正濕渦度在09時比08時要強，10時有所減弱。雖然負高度擾動和正濕渦度擾動有利于微超級單體的發(fā)生發(fā)展，但對下沉氣流起抑制作用。從圖5a—5c可知，并不是所有正濕散度都對應下沉氣流擾動，說明下沉氣流的出現(xiàn)是各種力的綜合結果。綜上所述，負高度擾動和正濕渦度擾動有利于臺風龍卷母體風暴發(fā)生發(fā)展，但會抑制下沉氣流擾動的出現(xiàn)，而正濕散度擾動增大引起的下沉氣流擾動增強。

2.3 模式預報

發(fā)生在臺風外圍螺旋雨帶上的龍卷致災往往具有疊加效應。雖然目前業(yè)內廣泛認可的臨近預報時段是0～6 h，實際上大多數(shù)情況下對雷暴和強對流能夠真正做到定點、定時和定性的有效預報時效大多數(shù)情況下不超過1 h，而對龍卷的提前預警時間平均只有10～20 min，這給防災減災工作的開展制造了很大困難[21]。毫無疑問，數(shù)值模式是增加強對流預報預警提前量最具有潛力的工具，但模式對“擾動天氣系統(tǒng)”的預測能力如何仍不清楚。數(shù)值天氣預報模式對臺風龍卷環(huán)境背景的“擾動天氣系統(tǒng)”的預測能力，決定了臺風龍卷的潛勢預報技巧。為了考察常用業(yè)務數(shù)值模式（EC S2D）對龍卷發(fā)生前的“擾動天氣系統(tǒng)”預測能力，對溫度擾動、高度擾動和垂直速度擾動沿著龍卷發(fā)生經(jīng)度進行垂直剖面，從起報時間為11日08時—16日20時，預報時次為17日08時的12個預報結果中，選取與圖1a垂直結構特征相近的4個預報結果（圖6），分別是11日08時、15日08時、16日08時和16日20時，對應的預報時長為144 h、48 h、24 h和12 h。它們都具有龍卷發(fā)生地的偏北高空有擾動暖氣團，且處于負高度擾動中心和擾動冷暖氣團對比零線之中等特征。其他時次無法預報出17日08日基本特征的主要原因是預報的擾動暖氣團位置偏南，近地面負高度擾動也對應偏南。這4個預報結果，雖然可以基本把徑向的垂直熱動力結構特征預報出來，但負高度擾動僅存在于850 hPa以下，明顯比實況偏弱，使得龍卷南側下沉氣流擾動也明顯偏強。此外，由于高空正溫度擾動的強度以及位置與實況基本吻合，因此與圖1a最接近的是圖6a的預報結果。以上分析說明，雖然業(yè)務數(shù)值模式對這次臺風龍卷的溫度擾動和高度擾動最早可以提前144 h進行預報，但高層大氣溫度梯度刻畫能力仍然有待改進。

圖5 基于ERA5數(shù)據(jù)的1000 hPa風場擾動（單位：m/s）、1000 hPa垂直速度擾動（等值線，單位：Pa·s-1）和925 hPa濕散度擾動（陰影，單位：10-6kg·kg-1·s-1）在17日08時（a）、09時（b）和10時（c）的分布，以及對應三個時刻（d—f）925 hPa高度擾動（等值線，單位：gpm）和925 hPa濕渦度擾動（陰影，單位：10-6kg·kg-1·s-1）。d—f 中，實線為正值，虛線為負值。紅色圓點是龍卷發(fā)生地Fig. 5 Horizontal distribution of wind anomalies (unit:m/s) at 1000hPa, vertical velocity anomalies (contour, unit:Pa·s-1) at 1000 hPa and moist divergence anomalies (shading, unit: 10-6kg·kg-1·s-1) at 925hPa at (a) 08:00 BT，(b) 09:00 BT，and (c)10:00 BT 17 September 2018 based on ERA5 reanalysis. (d-f) are height anomalies (contour,unit: gpm) at 925 hPa and moist vorticity (shading, unit: 10-6kg·kg-1·s-1) at 925 hPa corresponding to (a-c). Solid lines represent the positive value, while dashed lines indicate the negative value. Red dot indicates the location of tornado

類似地，選取了模式預測的1000 hPa風場擾動、1000 hPa垂直速度擾動和925 hPa濕散度擾動分布與圖5a相近的4個預報結果，起報時間分別是11日08時、11日20時、15日08時和16日20時（圖7）。4個預報結果都符合23°N附近有最大風切，龍卷發(fā)生地附近有較強的偏南風和東南風擾動輻合且東側有弱濕散度平流的基本特征。最接近圖5a的預報結果圖7b，起報時間是11日20時，預報提前量為132 h，另外3個是144 h、48 h和12 h。其他預報結果一部分沒有預報出龍卷發(fā)生地東側正濕散度，一部分沒有預報出較強的東南風和偏南風擾動輻合，可能與臺風運動路徑和東南風預報偏差較大有關（圖略）。接著選取了模式預測的925 hPa高度擾動和925 hPa濕渦度擾動分布與圖5d相近的4個預報結果（圖8），這些結果基本符合龍卷發(fā)生地上空存在負高度擾動軸線以及正濕渦度的特征。圖8a—8c的的高度擾動的強度明顯弱于實況，對應的正濕渦度擾動也偏弱。圖8d是最接近圖5d的預報結果，起報時間是16日20時，預報提前量是12 h，另外3個分別為72 h、60 h和36 h。

圖6 同圖1，但數(shù)據(jù)為EC S2D模式輸出結果，時間分別是11日08時（a）、15日08時（b）、16日08時（c）和16日20時（d）。為了突出下沉氣流，a—c中，等值線只顯示正值。d—f中，虛線為負值，實線為正值。紅色圓點是龍卷發(fā)生地Fig. 6 Same as Fig.1, but the data used is basing on the output of EC S2D operational model and times are (a) 08:00 11th，(b) 08:00 15th, (c) 08:00 16th and (d) 20:00 16th, respectively. Solid lines represent the positive value, while dashed lines indicate the negative value. Black solid semi-circle indicates the location of tornado

無論是熱動力擾動的緯向垂直分布（圖6），還是低空風場擾動、濕散度、濕渦度以及高度擾動（圖7和圖8），都是只有4個預報結果符合對應實況的基本特征，而且這4個預報結果的起報時間并不連續(xù)，與實況最接近的并不一定是最臨近的預報結果。需要指出的是，雖然這次龍卷是在臺風登陸之后生成的，但溫度擾動和高度擾動的緯向垂直分布以及近地面風場擾動和濕散度擾動，與實況最接近的預報結果對應的起報時間，都是在臺風登陸之前，說明模式對臺風龍卷的預報性能不夠穩(wěn)定，這在一定程度上影響了臺風龍卷的潛勢預報能力。究其原因，可能是因為業(yè)務數(shù)值模式目前對高層溫度擾動、低層的高度擾動和風場擾動等物理過程刻畫能力仍然不足，同時對臺風登陸后的路徑和強度的預測有偏差。綜合來看，起報時間為16日20時的預報結果預測龍卷發(fā)生前的“擾動天氣系統(tǒng)”基本特征都與實況接近（圖6—圖8），可以有12 h的預報提前量，比分析實況數(shù)據(jù)得到“擾動天氣系統(tǒng)”的提前量要大大增加。因此，預報的時候我們不僅要重點關注最新時次的預報結果，基于瞬時擾動法分解出影響臺風龍卷發(fā)生發(fā)展的“擾動天氣系統(tǒng)”，同時也要配合實況資料去訂正預報結果。通過確定“擾動天氣系統(tǒng)”的發(fā)生發(fā)展時間和落區(qū)，可以在一定程度上提高臺風龍卷的潛勢預報技巧和預警準確率。

3 結論

傳統(tǒng)的大氣變量場分解，一般是基于正交分解或者濾波等數(shù)學方法進行，以此得到不同時空尺度的波動信息。然而，這些分解或者濾波一般都是針對某些區(qū)域進行的，分解函數(shù)的選取不同，分解結果也并不唯一性，這是純數(shù)學分解伴隨的問題。因此，本研究采用Qian等[15]提出的分解方法，把任一大氣變量場分解為瞬變氣候分量場和相對瞬變氣候的瞬時擾動場兩個部分，利用瞬時擾動部分對2018年9月17日臺風“山竹”在佛山市觸發(fā)的EF2級強龍卷的環(huán)境背景進行分析，研究擾動天氣系統(tǒng)熱動力結構特征。該方法具有明顯的物理意義，能夠更好的解釋擾動天氣系統(tǒng)對龍卷生成的影響。本文先基于ERA5再分析數(shù)據(jù)，分析了實況中“擾動天氣系統(tǒng)”的熱動力垂直結構特征，后面基于EC S2D模式輸出結果評估了常用業(yè)務模式對“擾動天氣系統(tǒng)”預報能力，尋找預報誤差的可能來源。

高空正溫度擾動和低空的負高度擾動，是“擾動天氣系統(tǒng)”的主要熱動力結構。高空擾動暖氣團隨時間減弱北移，會引起中低空對應的負高度擾動減弱。負高度擾動軸線處伴隨的上升氣流，不僅引起了低空近地面擾動冷氣團的發(fā)展，還使得南側近地面出現(xiàn)下沉氣流，下沉氣流北側即為龍卷發(fā)生地。龍卷易發(fā)生于負高度擾動軸線和冷暖氣團對比零線重合之處。

溫度擾動與高度擾動隨時間的變化過程與臺風移動密切相關。龍卷是在臺風登陸之后高空擾動暖氣團和近地面負高度擾動明顯減弱階段發(fā)生的，此時近地面有擾動冷氣團開始發(fā)展，而在正溫度擾動和正高度擾動的發(fā)展以及最強盛階段并沒有發(fā)生。

臺風龍卷的生成與觸底，與高層冷空氣和近地面輻合或渦旋關系密切。佛山在龍卷發(fā)生前1 h轉受近地面的較強的東南風和偏南風擾動輻合影響，中高層大氣受冷平流擾動和低層大氣受暖平流擾動影響，大氣層結不穩(wěn)定，高中低空的熱動力配置都非常有利于臺風龍卷的出現(xiàn)。

濕渦度和濕散度是兩個反映“擾動天氣系統(tǒng)”較好的綜合指標。負高度擾動和正濕渦度擾動有利于臺風龍卷母體風暴發(fā)生發(fā)展，但會抑制下沉氣流的出現(xiàn)，而正 濕散度擾動的增大會引起下沉氣流擾動增強。

模式對臺風龍卷的預報能力并不是穩(wěn)定。業(yè)務模式對17日08時的溫度、高度、風場、濕散度和濕渦度等擾動場與實況最接近的預報結果，起報時間并一定是最新時次，有可能是臺風登陸之前。綜合來看，起報時間為最新時次的預報結果對全部擾動場的預報能力是最好的，預報提前量有12 h，比分析實況數(shù)據(jù)得到“擾動天氣系統(tǒng)”的提前量要大大增加。

本研究結果揭示了無論是分析實況數(shù)據(jù)還是業(yè)務模式輸出結果，都可以利用瞬時擾動法尋找到有利于“擾動天氣系統(tǒng)”發(fā)展的前期信號，這些是臺風龍卷的重要可預報源。然而，由于“擾動天氣系統(tǒng)”受臺風移動的影響，熱動力結構變化比較快，在本研究的實況中預報提前量只有1h。雖然借助業(yè)務數(shù)值模式，提前量可增加到12 h，但由于業(yè)務數(shù)值模式目前對高層溫度擾動、低層的高度擾動和風場擾動等物理過程刻畫能力仍然不足，同時對臺風登陸后的路徑和強度的預測有偏差，使得模式對“擾動天氣系統(tǒng)”的預報穩(wěn)定性較差，而這些系統(tǒng)的預報預警準確率又依賴于模式。除此之外，本研究僅用了一個個例進行分析，研究結果仍需用更多的個例去驗證。盡管如此，通過尋找“擾動天氣系統(tǒng)”前期信號來提高臺風龍卷的潛勢預報，是一個值得努力的方向。