鄭永光 劉菲凡 張恒進

1 國家氣象中心，北京 100081 2 中國氣象科學研究院，北京 100081

提 要： 近年來，中國幾個EF3級以上強龍卷導致了嚴重人員傷亡和重大經(jīng)濟損失。龍卷尺度非常小,發(fā)生頻率非常低。中國雖然目前尚不具備業(yè)務預報龍卷能力，但隨著新一代天氣雷達及自動氣象站的觀測網(wǎng)、現(xiàn)場調查和數(shù)值模式的發(fā)展，龍卷研究取得了顯著進展，對中國龍卷時空分布氣候特征和有利的天氣背景以及環(huán)境條件已有較為全面的了解，也認識到不同天氣背景下有利于龍卷產(chǎn)生的環(huán)境條件不盡相同。龍卷風災現(xiàn)場調查流程和分析技術已經(jīng)較為完備， 2016年江蘇阜寧EF4級龍卷等多個強龍卷都得到了詳細規(guī)范的現(xiàn)場調查和分析，為減災防災提供了重要數(shù)據(jù)。對孕生龍卷的超級單體風暴中小尺度特征取得了較為深入的認識，如不太強的地面冷池、中氣旋底高通常低于1 km、強度與龍卷強度正相關、傾斜、龍卷碎片特征、下沉反射率因子核和部分龍卷的多渦旋特征等。使用精細云模式成功對江蘇阜寧和北京通州龍卷分別進行了理想模擬，且使用WRF(Weather Research and Forecasting)模式成功模擬出了2005年臺風麥莎對流眼墻中的龍卷尺度渦旋和2016年阜寧龍卷的多渦旋結構。未來，仍然需要在龍卷探測技術、龍卷對流風暴精細地面要素分布和結構特征、龍卷渦旋和閃電活動特征等方面進行深入研究，更需要通過更高時空分辨率觀測資料分析和極高分辨率的數(shù)值模擬獲取龍卷發(fā)展的關鍵因素和機理，從而為提升龍卷的預報預警能力提供更為堅實的科學基礎。

引 言

龍卷是地球大氣中最為劇烈和最具有破壞性的天氣現(xiàn)象。美國移動多普勒天氣雷達觀測到距地面32 m高度的龍卷最大風速達到135 m·s-1(Wurman et al，2007)，但直接觀測龍卷風速幾乎是不可能的，因此，通常使用不同的級別來估計龍卷強度。龍卷的基本特征是對流活動導致的從空中向下方伸展的強烈旋轉空氣柱，其表現(xiàn)為可以觀測到的漏斗云和/或旋轉的碎片或沙塵等。美國氣象學會(AMS)對龍卷的定義作了多次修訂，最近修訂后定義為“從積狀云下垂伸展至地面的強烈旋轉空氣柱，且經(jīng)?？煽吹铰┒窢钤坪?或地面旋轉的碎片/沙塵(1)英文原文為“A rotating column of air, in contact with the surface, pendant from a cumuliform cloud, and often visible as a funnel cloud and/or circulating debris/dust at the ground” 。來源自AMS網(wǎng)站(https:∥glossary.ametsoc.org/wiki/Tornado)?！?；中國的《大氣科學辭典》中給出的龍卷定義為“從積雨云中伸下的猛烈旋轉的漏斗狀云柱。它有時稍伸即隱，有時懸掛空中或觸及地面?！?(《大氣科學辭典》編委會,1994)。龍卷通常分為兩類：一類為中氣旋龍卷(也稱為超級單體龍卷)，另一類為非中氣旋龍卷(也稱為非超級單體龍卷)(Davies-Jones et al, 2001；Bluestein, 2013；鄭永光等, 2017)，后者通常弱于前者。美國約有25%的中氣旋能夠產(chǎn)生龍卷(Davies-Jones et al, 2001)。非中氣旋龍卷也通常分為兩類(鄭永光等，2018a；俞小鼎和鄭永光, 2020)：一類出現(xiàn)在颮線或者弓形回波前部的γ中尺度渦旋(又稱為中渦旋)內，這類龍卷通常比中氣旋龍卷弱，個別強度可以達到EF3級；另一類通常出現(xiàn)在地面輻合切變線上，這類輻合切變線上產(chǎn)生的瞬變渦旋遇到積雨云或濃積云中上升氣流垂直拉伸渦度加強而形成龍卷(Wakimoto and Wilson,1989)。Agee and Jones(2009)則將龍卷分為三類，分別為超級單體龍卷、線狀對流龍卷和其他類型龍卷，其他類型龍卷包括陸龍卷(landspout，類似于水龍卷的陸地龍卷)、水龍卷(waterspout)、冷空氣漏斗云(cold air funnel)、陣風鋒龍卷(gustnado)、熱帶氣旋眼墻中的中渦旋、反氣旋式次級渦旋等。但Agee(2014)根據(jù)AMS對龍卷的相關定義，從龍卷分類中剔除了熱帶氣旋眼墻中的中渦旋和陣風鋒龍卷。

全球每年僅發(fā)生約2 000個龍卷，發(fā)生概率非常低。美國每年龍卷可超過1 200個(Brooks et al, 2003)，是發(fā)生頻率最高的國家。F4/EF4級及以上等級龍卷發(fā)生頻率極低，美國1950—2011年每年平均發(fā)生約10個這些等級的龍卷；1925年3月18日，美國的一次強龍卷造成了695人死亡(Wurman et al，2007)，是迄今為止導致死亡人數(shù)最多的一次龍卷。

中國龍卷發(fā)生頻率顯著低于美國，每年發(fā)生次數(shù)僅大概為美國的十分之一(范雯杰和俞小鼎，2015)。不過，2015年10月4日“彩虹”臺風外圍佛山EF3級龍卷、2016年6月23日江蘇阜寧EF4級龍卷和2019年7月3日遼寧開原EF4級龍卷等強龍卷由于其極大的破壞性，導致了大量人員傷亡和嚴重經(jīng)濟損失。在俞小鼎和鄭永光(2020)和鄭永光(2020)的基礎上，本文簡述中國龍卷氣候特征和環(huán)境條件研究進展，重點回顧和總結現(xiàn)場調查、龍卷中小尺度特征和數(shù)值模擬研究等方面進展，并給出未來工作展望。

1 氣候特征

鄭永光(2020)總結了Yao et al(2015)、范雯杰和俞小鼎(2015)和Chen et al(2018)分別給出的中國龍卷氣候分布；中國每年發(fā)生約100個龍卷；龍卷主要發(fā)生在中國東部和部分中部平坦地區(qū)，其中江蘇尤其是江蘇北部是中國龍卷最多發(fā)的地區(qū)；但強龍卷基本發(fā)生在中國中東部，年均發(fā)生EF1或以上級龍卷14.3次(范雯杰和俞小鼎，2015；Chen et al，2018)。需要指出的是，河北北部和內蒙古東南部同遼寧交界附近區(qū)域也有一些龍卷發(fā)生；例如，2017年8月11日內蒙古赤峰市克什克騰旗和翁牛特旗EF3級龍卷導致5人死亡；青藏高原也有龍卷發(fā)生，但強度弱。中國尚未記錄到EF5級龍卷；根據(jù)范雯杰和俞小鼎(2015)的統(tǒng)計結果和近年的龍卷發(fā)生情況，1951—2020年共記錄到7次EF4級龍卷(鄭永光，2020)。

Bai et al(2020)調查了2006—2018年中國熱帶氣旋(TC)龍卷的發(fā)生情況, 共獲得64次TC龍卷記錄，平均每年約為5次；中國約三分之一的登陸TC有龍卷生成；TC龍卷主要發(fā)生在距熱帶氣旋中心500 km范圍內，江蘇和廣東是中國TC龍卷發(fā)生頻次最多的兩個省份；中國的TC龍卷主要生成于TC中心的東北象限，少數(shù)生成于TC中心西側。中國大多數(shù)TC龍卷生成于強度相對較弱的熱帶氣旋(如熱帶低壓、熱帶風暴)(鄭媛媛等，2015；Bai et al，2020)。不過，中國TC龍卷強度的氣候分布特征還沒有完全厘清，目前記錄到的中國最強TC龍卷強度為EF3級。

通常TC龍卷發(fā)生在登陸TC的外雨帶中。但美國的一些觀測和颶風現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，TC眼墻強烈對流中也存在著尺度約1 km的龍卷尺度渦旋，其移動非常快速(Wu et al，2018)，Agee and Jones(2009)把它們歸類為第三類龍卷(其他類型龍卷)，不過，Agee(2014)把這類渦旋剔除出了龍卷的范疇。Wu et al(2018)使用最高水平分辨率達37 m的WRF模式加大渦模擬,成功模擬出了2005年臺風麥莎(Matsa)眼墻對流內邊緣的龍卷尺度渦旋，證明這些渦旋在熱帶氣旋中普遍存在。

圖1 中國(未包括臺灣)2004—2013年143次EF1級以上龍卷分布 [填色為地形，根據(jù)范雯杰和俞小鼎(2015)相應圖形改繪]Fig.1 The 143 tornadoes with intensities stronger than EF1 in China in 2004-2013 (color shaded: topography; modified from Fan and Yu, 2015)

2 天氣背景和環(huán)境條件

有利于F2/EF2級及以上中氣旋龍卷的環(huán)境條件不僅需要較大的對流有效位能(CAPE)和強的0～6 km垂直風切變(Brooks et al，2003)，還需要較高的0～1 km相對濕度(Doswell Ⅲ and Evans，2003)、較低的抬升凝結高度和較大的低層(0～1 km)垂直風切變(Craven and Brooks, 2004)?；谶@些環(huán)境條件特征，Brooks et al(2003)利用美國環(huán)境預報中心(NCEP)再分析資料計算了全球龍卷年平均日數(shù)分布，從中可以看到，我國東北和廣東這兩個龍卷日數(shù)的高值區(qū)與前文給出的氣候特征具有較好的一致性，但其給出的圖中并沒有體現(xiàn)江蘇這個龍卷多發(fā)區(qū)，這表明江蘇龍卷的環(huán)境條件與其研究所使用的環(huán)境條件存在差異，可能的差異原因下文進行分析。

鄭永光(2020)總結了中國龍卷的天氣背景和環(huán)境條件。雖然多種天氣尺度背景有利龍卷發(fā)生(魏文秀和趙亞民，1995；王東海等，2018)，但梅雨、冷渦和TC是中國發(fā)生較多龍卷的天氣背景，且這三種背景下龍卷發(fā)生條件存在顯著差異(鄭永光，2020)。

梅雨背景下的強龍卷通常具備了中氣旋龍卷所有有利條件，但不同個例的CAPE值差異較大，一些個例CAPE可達3 000 J·kg-1左右，而有些個例僅超過1 000 J·kg-1(俞小鼎等，2008；鄭媛媛等，2009；鄭永光等，2018b)。不過，需要注意CAPE計算的代表性問題。江蘇龍卷多發(fā)生在梅雨背景下(吳芳芳等，2013；曾明劍等，2016)，此背景下的大氣垂直減溫率通常小于Brooks et al(2003)計算龍卷日數(shù)所用數(shù)值(垂直減溫率至少為6.5 ℃·km-1)，這是一個很大的垂直減溫率數(shù)值(鄭永光等，2017)，因此這很可能是Brooks et al(2003)未能展示江蘇是中國龍卷最主要高發(fā)區(qū)的原因。

冷渦背景下強龍卷的環(huán)境條件，除了較差的低層濕度條件和較高的抬升凝結高度是較不利的條件外(王秀明等，2015；鄭永光等，2020)，其他有利中氣旋龍卷的條件通常都具備；但鄭永光等(2020)指出遼寧開原龍卷發(fā)生前，對流風暴的前部先在開原及周邊地區(qū)產(chǎn)生了降水，迅速改善了濕度條件。

如前所述，廣東是中國龍卷的高發(fā)區(qū)之一，也是TC龍卷高發(fā)區(qū)之一，與Brooks et al(2003)所給出的相應高發(fā)區(qū)基本一致。但據(jù)2002—2012年廣東62次龍卷的統(tǒng)計結果(馮喆，2016)顯示，63%的龍卷發(fā)生在前汛期4—6月，且大部分龍卷并非TC龍卷。因此，雖然廣東龍卷的有利環(huán)境條件尚沒有系統(tǒng)性的統(tǒng)計結果發(fā)表，但這很可能表明廣東非TC龍卷大多符合Brooks et al(2003)給出的龍卷發(fā)生條件。

TC龍卷的環(huán)境條件除了較弱的CAPE(200～1 000 J·kg-1)外(鄭媛媛等，2015)，其他有利條件也都具備。由于臺風背景下龍卷的環(huán)境條件與其他天氣背景存在較明顯差異，因此，龍卷也通常區(qū)分為臺風龍卷和非臺風龍卷，或者稱為熱帶氣旋龍卷和非熱帶氣旋龍卷。由于TC背景下大氣垂直減溫率也通常較小，如前所述，Brooks et al(2003)使用的環(huán)境條件之一是大的垂直減溫率，因此，其所給出的龍卷分布并不能反映TC龍卷分布。

弱垂直風切變的環(huán)境中也會產(chǎn)生超級單體龍卷，這比較罕見。鄭艷等(2017)、王秀明和俞小鼎(2019)分別分析了 2016年6月5日位于熱帶地區(qū)海南文昌的一次EF2級非臺風龍卷過程。王秀明和俞小鼎(2019)認為其是非典型超級單體龍卷。這次龍卷過程發(fā)生在副熱帶高壓邊緣、500 hPa槽前、850 hPa切變線和地面熱低壓的南側；雖然0～1 km和0～6 km垂直風切變非常弱，但由于海陸風效應而顯著增大的0～2 km 垂直風切變，極高的低層濕度和較低的抬升凝結高度，非常大的CAPE 值(達2 900 J·kg-1)為龍卷風暴的生成提供了有利的環(huán)境條件。

非中氣旋龍卷大多與颮線或者地面輻合切變線有關，所以這類非中氣旋龍卷的天氣背景和環(huán)境條件就是有利于出現(xiàn)這些對流風暴的背景和條件。刁秀廣等(2014)分析發(fā)生在山東境內的6個非超級單體龍卷；這些非超級單體龍卷產(chǎn)生于5次天氣過程，其中4次過程屬于后傾槽結構，1次是西北氣流結構；低層大的濕度和0～1 km垂直風切變≥7 m·s-1是這些龍卷發(fā)生的有利條件。吳芳芳等(2019)分析了一次2006年發(fā)生在梅雨鋒上的中尺度對流復合體，雷達探測顯示其實是一條尺度在150～200 km的弓形颮線，該颮線前側產(chǎn)生了7個非超級單體龍卷；其環(huán)境背景和條件包括：中層在副熱帶高壓西北側和500 hPa東移的短波槽前，地面位于鋒面氣旋暖區(qū)內；有中等到強的對流有效位能、強的深層(0～6 km)和低層(0～1 km)風垂直切變。

3 現(xiàn)場災害調查

3.1 概 述

龍卷或者下?lián)舯┝鲗е碌膹妼α黠L災具有顯著的多尺度特征(鄭永光等，2016a)，但強風災害尺度非常小。雖然我國目前已經(jīng)布設完成了較為完備的新一代多普勒天氣雷達監(jiān)測網(wǎng)和稠密的區(qū)域自動氣象站網(wǎng)，但仍然難以全面監(jiān)測該類天氣，因此現(xiàn)場災害調查是必要手段，能夠為確定災害的成因和強度，提供最重要和最為直接的證據(jù)(鄭永光等，2017；2018a)。

Fujita(1971)提出了Fujita等級以估計龍卷、臺風等的風速，現(xiàn)在美國已形成了比較完整規(guī)范的龍卷和下?lián)舯┝魉嘛L災強度等級和現(xiàn)場調查體系(Fujita et al,1970;Fujita,1978；1985；Bunting and Smith,1993;Doswell III and Evans,2003;Edwards et al,2013)。Fujita(1981)總結了強對流風暴導致的龍卷大風、直線大風(2)直線大風不同于龍卷大風，指的是近地面氣流無明顯曲率，近似為直線。、下?lián)舯┝?3)下?lián)舯┝髦傅氖菑妼α魈鞖庀到y(tǒng)中產(chǎn)生的局部性強下沉氣流，到達地面后會產(chǎn)生輻散型或直線型的災害性大風。按照尺度的不同，下?lián)舯┝鞅环譃槲⑾聯(lián)舯┝骱秃晗聯(lián)舯┝?。所致大風共三類災害性大風的地面流場特征：龍卷災害路徑相對狹窄，通常導致輻合旋轉性風場；而下?lián)舯┝魉麓箫L通常是輻散的直線或者曲線型大風(圖2a，2b)(鄭永光等，2016a)。

圖2 龍卷(a)和下?lián)舯┝?b)的不同地面流型(Fujita，1985；Doswell Ⅲ，2003)Fig.2 Different surface flow patterns of tornado (a) and downburst (b) (Fujita, 1985; Doswell Ⅲ,2003)

通過災害程度來評估風速存在較大不確定性，因此需要一定的等級來表征不同物體受災程度所指示的風速范圍。目前得到較多應用的風速等級，包括常用的蒲福風級，主要應用于下?lián)舯┝骱妄埦盹L災估計的T等級、F等級和EF等級，以及美國用于颶風風速估計的S等級(鄭永光等，2016b)。F等級目前仍是最為廣泛被用來估計下?lián)舯┝?、龍卷等的風速等級，而EF等級是改進的F等級。2019年，中國的龍卷強度等級(姚聃等，2019)正式發(fā)布實施，其與EF等級具有對應關系。在此行業(yè)標準基礎上，2021年5月21日，國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會發(fā)布了中華人民共和國國家標準GB/T40243—2021《龍卷風強度等級》(中國氣象局，2021)，于2021年12月1日實施。

20世紀70年代起，中國已有部分文獻給出了龍卷風災個例的調查結果(如：遼寧丹東市氣象臺，1975；楊起華等，1978；林大強等，1984；刁秀廣等，2014)，但這些調查工作相對比較簡單，只有時間、地點、路徑寬度、災害損失等部分相關情況。中國第一次比較規(guī)范的龍卷災情調查是Meng and Yao(2014)對2012年7月21日下午北京特大暴雨期間發(fā)生在通州區(qū)張家灣的超級單體龍卷災情的調查；其后，對2015年6月1日“東方之星”翻沉事件(鄭永光等，2016a)、2015年10月4日“彩虹”臺風龍卷(Bai et al，2017)、2016年江蘇阜寧EF4級龍卷(鄭永光等，2016b；Meng et al，2018)、2019年遼寧開原EF4級龍卷(張濤等，2020)等都做了詳細規(guī)范的現(xiàn)場調查。其中，Bai et al(2017)的災情調查，分析非常深入、清晰和細致；除了使用災害標識物詳細估計龍卷強度外，還通過視頻估計龍卷卷起碎片的旋轉速度進而估計龍卷漏斗云附近的近地面風速。

3.2 調查步驟

由龍卷或者下?lián)舯┝鞯人聫婏L災害調查，通常需要如下步驟：(1)利用政府、新聞媒體或者互聯(lián)網(wǎng)等各種信息，初步確定已知災情、地點和可能的災害發(fā)生時間。(2)利用雷達、衛(wèi)星和閃電等觀測資料，確定可能導致災害的中尺度天氣系統(tǒng)，初步分析判斷其導致風災的可能強度和影響區(qū)域。(3)利用地面自動氣象站觀測風場和雷達觀測徑向風場，進一步綜合判斷明確風災的可能強度、影響區(qū)域和可能成因，結合災害情況綜合確定現(xiàn)場調查的大致區(qū)域和調查路線以及調查計劃、分工等。(4)準備現(xiàn)場調查所需交通工具和裝備，這些裝備包括智能手機(具有無線網(wǎng)絡通信、照相、錄像、百度地圖、指南針、GPS定位等功能)、高清相機、GPS定位儀(指南針)、充電寶、攜帶多塊電源和高清相機的無人機等；目前，無人機航拍已是現(xiàn)場調查的必要手段。(5)在現(xiàn)場調查過程中，除了進行相機和無人機拍攝、定位、確定照片和樹木等的倒伏方向等重要工作外，還需要向相關人員調查和了解災害相關情況、現(xiàn)場監(jiān)控視頻、環(huán)境條件狀況等。(6)現(xiàn)場調查結束后，全面綜合分析氣象資料和現(xiàn)場調查資料，排除虛假或者不準確信息，分析風災成因，形成調查報告，給出最終調查結果和結論。

3.3 江蘇阜寧和遼寧開原龍卷調查

2016年6月23日14：19—15：00左右(北京時，下同)，江蘇省鹽城市阜寧縣部分地區(qū)出現(xiàn)龍卷和冰雹，距離核心災區(qū)6 km的新溝鎮(zhèn)自動站記錄的瞬時極大風速為34.6 m·s-1(風力12級)(鄭永光等，2016b)。2019年7月3日下午約17—18時，遼寧省開原市出現(xiàn)了龍卷、冰雹、短時強降水等強對流天氣；多個龍卷視頻資料、沈陽新一代天氣雷達和FY-4A衛(wèi)星可見光圖像綜合表明此次龍卷為一個孤立的超級單體龍卷(鄭永光等，2020)。國家氣象中心(中央氣象臺)派出專家會同多個單位專家對這兩次龍卷事件都進行了詳細現(xiàn)場天氣調查(鄭永光等，2016b；Meng et al，2018；張濤等，2020)。

現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)江蘇阜寧吳灘中心小學教師用手機拍攝的漏斗云視頻(圖3)，從該視頻可以清晰看到旋轉的漏斗云和正在空中旋轉的被卷到空中的地面物體碎片。結合該視頻和雷達徑向速度的中氣旋和龍卷渦旋(TVS)結構(張小玲等，2016；鄭永光等，2018b；Meng et al，2018)，確定本次災害由超級單體龍卷造成。現(xiàn)場調查結果(鄭永光等，2016b)表明，阜寧龍卷災害區(qū)域(圖3a)東西方向長度超過30 km，最大寬度約為4 km，最窄約為500 m。阜寧受災區(qū)域大部為農村，受災房屋多為磚木結構(屋墻為磚砌、屋頂為木材所制梁和檁)，少部分受災房屋為水泥磚砌和混凝土預制樓板結構；受災樹木多為楊樹。阜寧災區(qū)部分二層房屋的頂層完全被損毀(圖3c)，其為水泥磚砌和混凝土預制樓板結構，墻體中使用了較細的鋼筋加固。根據(jù)EF等級，這些災害可估計為EF4級災害，對應于我國龍卷強度等級的四級。在災害現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，被龍卷拋出的400～500 m重為1～2 t 的空集裝箱有明顯的扭轉痕跡，這為F4(甚至F5級)級災害，但不能用來估計EF級別。因此，綜合分析判斷2016年江蘇阜寧龍卷最大強度為四級(EF4級)(鄭永光等，2016b)。

遼寧開原龍卷路徑全程(圖3d)長約為14 km，歷時約30 min，最強達四級(EF4級)強度(圖3f)(張濤等，2020)。開原龍卷漏斗云于17:15左右在開原市金鉤子鎮(zhèn)金英村北約1 km處開始形成(圖3d)；17:17接地(圖3c)；17:16—17:18，以EF2級強度自北向南方向穿過金英村、農田和高速公路；17:23左右，以EF3級進入并縱貫開原工業(yè)區(qū)北園，17:33進入工業(yè)園南區(qū)，在工業(yè)園南區(qū)中部達到最強四級(EF4級)強度；最后于17:47左右在瓜臺子村南1.8 km附近區(qū)域消散(圖3d)。龍卷自北向南穿過開原工業(yè)園南區(qū)中部的食堂，其為鋼筋混凝土框架結構的二層小樓，框架由鋼筋水泥的柱體和梁體構成，大部折斷倒塌(圖3f)；因此，該處龍卷強度確定為四級(EF4級)。但該次龍卷最強災害影響范圍非常小，顯著小于江蘇阜寧四級(EF4級)龍卷。

圖3 2016年江蘇阜寧龍卷災害路徑(a),阜寧縣吳灘中心小學教師手機拍攝的龍卷 漏斗云視頻截圖(圖中箭頭表示龍卷旋轉方向)(b),立新村受災二層房屋(c) (鄭永光等，2016b)；2019年遼寧開原龍卷路徑和強度(d),頭寨子村監(jiān)控視頻拍攝 的初始龍卷(e),開原工業(yè)園南區(qū)鋼筋混凝土框架結構食堂幾乎被夷為平地(f)(張濤等，2020)Fig.3 Damage track (a), tornado tuba cloud photo taken in Wutan Primary School (arrow: the rotation direction) (b) and the two-story house with top-story collapsed in Lixin Village (c) of the 2016 Funing Tornado (Zheng et al，2016b); Tornado track (d), monitoring video in Touzhaizi Village (e), and reinforced concrete frame structure canteen flattened (f) of the 2019 Kaiyuan Tornado (Zhang et al， 2020)

4 中小尺度特征

龍卷尺度非常小，屬于小尺度天氣系統(tǒng)，其直徑通常小于2 km。李峰等(2020)綜述了近20年美國龍卷雷達探測研究進展，給出了雷達探測技術進步、龍卷對流風暴觀測特征和基于雷達觀測的龍卷發(fā)展機理研究成果等。但目前，地面觀測網(wǎng)依然很難直接觀測到龍卷本身的地面環(huán)流和其他氣象要素特征(鄭永光等，2017)，業(yè)務多普勒天氣雷達也不能直接探測龍卷。

4.1 龍卷風暴組織形態(tài)

龍卷可發(fā)生在不同組織形態(tài)的對流系統(tǒng)中。Trapp et al(2005)發(fā)現(xiàn)1998—2000年美國龍卷中79%為單體結構、18%為準線狀對流系統(tǒng)；Grams et al(2012)則發(fā)現(xiàn)美國2000—2008年龍卷中約70%的EF2級及以上龍卷的對流系統(tǒng)為孤立分散狀組織形態(tài)；準線狀對流系統(tǒng)產(chǎn)生的龍卷強度通常較弱(Trapp et al，2005)。目前，尚未有研究中國龍卷對流風暴組織形態(tài)的統(tǒng)計結果，但從已有中國個例研究來看，孤立對流系統(tǒng)組織形態(tài)較多(如2015年“彩虹”臺風龍卷、2016江蘇阜寧龍卷、2019遼寧開原龍卷)；也有一些線狀對流組織形態(tài)，如臺風螺旋雨帶中的龍卷(鄭媛媛等，2015)和部分非中氣旋龍卷(刁秀廣等，2014；吳芳芳等，2019)等；團狀組織形態(tài)龍卷風暴也有一些個例，如2003年7月8日安徽無為EF3級龍卷(俞小鼎等，2006b)。

4.2 地面場特征

稠密的地面觀測網(wǎng)雖然依然不可能觀測龍卷環(huán)流本身(鄭永光等，2017)，但能夠觀測到龍卷的外圍渦旋環(huán)流。包澄瀾和趙剛然(1964)分析上海1962年和1963年的3次龍卷過程發(fā)現(xiàn)，地面存在30～40 km大小、持續(xù)約3～4 h的準靜止的渦旋流場。黎清才和劉可先(1989)指出龍卷發(fā)生在地面中尺度輻合線中，但并非位于最大輻合中心附近；張一平等(2012)分析指出2010年7月17日和19日河南兩次龍卷發(fā)生在地面β中尺度低壓氣旋的東南象限，距氣旋中心約50 km處。王秀明和俞小鼎(2019)分析2016年6月5日海南文昌龍卷發(fā)現(xiàn)，龍卷風暴形成于前期風暴出流與海風鋒相遇的輻合線上，雖然該文沒有指出地面存在小尺度渦旋流場，但從當時的地面觀測能夠分析出該特征。鄭永光等(2018b；2020)指出，在2016年江蘇阜寧EF4級龍卷和2019年遼寧開原EF4級龍卷過程中，地面自動站網(wǎng)也觀測到了龍卷外圍小尺度渦旋環(huán)流，但這并非是龍卷本身的渦旋環(huán)流。2013年7月7日江蘇高郵龍卷的地面流場具有類似特征(曾明劍等，2016)。

臺風龍卷同樣發(fā)生在輻合線或氣旋性輻合區(qū)中(鄭媛媛等，2015)。2015年“彩虹”臺風順德和番禺龍卷發(fā)生前，在龍卷風暴移動方向上就已存在一條地面風場輻合線，龍卷移動路徑與地面風場輻合線對應較好(朱文劍等，2016)，并形成小尺度低渦環(huán)流(李彩玲等，2016；李兆慧等，2017)。黃先香等(2019)分析的1804號臺風艾云尼產(chǎn)生的廣州市南沙區(qū)橫瀝鎮(zhèn)和佛山市南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)龍卷，同樣具有類似2015年“彩虹”臺風龍卷的地面風場特征。

俞小鼎等(2006b)指出環(huán)境大氣抬升凝結高度越低，表明低層相對濕度越大，下沉氣流中的氣塊在低層大氣被進一步蒸發(fā)降溫的可能性就越小，越有利于強龍卷的形成。鄭永光等(2018b；2020)指出2016年江蘇阜寧EF4級龍卷和2019年遼寧開原EF4級龍卷過程，超級單體風暴不太強下沉氣流導致的冷出流(溫度差小于4 ℃)是其能夠產(chǎn)生龍卷的重要機制。

4.3 中氣旋和龍卷渦旋(TVS)特征

早期中國龍卷研究給出了一些龍卷風暴的中尺度特征，但這些研究受制于當時的觀測能力，不能給出龍卷風暴的更多觀測特征；由于當時沒有徑向速度觀測，以判斷中氣旋或者中渦旋以及TVS等特征難度較大，因此難以判斷其屬于哪類龍卷。包澄瀾和趙剛然(1964)指出上海1962年和1963年的3次龍卷并非發(fā)生在強烈的雷雨云的中心部分，而是在其右后方的邊緣地區(qū)。蔣汝庚(1997)給出了1995年4月19日發(fā)生在廣東番禺洪奇瀝鎮(zhèn)的反氣旋龍卷的衛(wèi)星云圖和常規(guī)天氣雷達回波，俞小鼎和鄭永光(2020)根據(jù)文中的雷達回波判斷此次龍卷應該是由超級單體產(chǎn)生。劉勇等(1998)給出了1983年9月4日發(fā)生陜西中部咸陽附近的一次龍卷的常規(guī)天氣雷達反射率因子回波，龍卷出現(xiàn)在颮線尾部的一個明顯的弓形回波中，俞小鼎和鄭永光(2020)判斷其可能由颮線或者弓形回波上的中渦旋發(fā)展而成，不過，也可能是在颮線陣風鋒上產(chǎn)生的陣風鋒龍卷。

目前，對非中氣旋龍卷，由于業(yè)務多普勒天氣雷達觀測特征不夠顯著，還很難基于業(yè)務雷達探測資料做出有效預警。中氣旋龍卷產(chǎn)生與中氣旋強度和中氣旋底高都相關，而與中氣旋底高的相關程度更高，其臨近預警主要依據(jù)依然是業(yè)務多普勒天氣雷達探測到的中氣旋(俞小鼎等，2006a；2012；鄭永光等，2015；2018a)，或者經(jīng)典超級單體存在的鉤狀回波特征(鄭永光等，2018a)等，但如前所述，美國的統(tǒng)計表明，僅約有25%、甚至更少的雷達探測到的中氣旋會生成龍卷，但當中氣旋底距離地面高度小于1 km時，龍卷的發(fā)生概率則約為40%(Davies-Jones et al，2001；俞小鼎等，2012；鄭永光等，2018a)。多普勒天氣雷達有時能夠探測到的TVS特征是龍卷臨近預警的另一重要依據(jù)(俞小鼎等，2012；鄭永光等，2018a)。

吳芳芳等(2013)通過普查發(fā)現(xiàn)2005—2009年蘇北地區(qū)共產(chǎn)生了72個超級單體，其中超級單體龍卷13個；雖然樣本不夠多，但作為粗略估計，蘇北地區(qū)超級單體(中氣旋)產(chǎn)生龍卷的概率約為18.1%(俞小鼎和鄭永光，2020)；這13個龍卷超級單體中，中氣旋最小直徑分布在2.0～4.2 km，其中最小直徑小于3.5 km的占總數(shù)的92%，且77%的超級單體龍卷中氣旋底高低于1 km，鄭媛媛等(2009)、朱文劍等(2016)、張小玲等(2016)對多個龍卷個例的研究也發(fā)現(xiàn)其中氣旋底高在1 km 以下。

多普勒天氣雷達能夠給出龍卷超級單體的中氣旋或TVS及其強度演變特征。較多研究顯示，產(chǎn)生龍卷的超級單體，通常中層(3～6 km)中氣旋先發(fā)展，然后向下發(fā)展，當中氣旋底距離地面高度小于1 km 時，產(chǎn)生龍卷的可能顯著加大(鄭媛媛等，2009；俞小鼎等，2012)。俞小鼎等(2006b)詳細和深入地分析了2003年7月8日23：20發(fā)生在安徽無為的一次EF3級龍卷的多普勒天氣雷達回波特征：產(chǎn)生該強龍卷的對流系統(tǒng)最初位于大片層狀云降水區(qū)中的強對流雨帶，演變成為一個團狀的對流系統(tǒng)，龍卷產(chǎn)生在該系統(tǒng)南端的一個超級單體；23：29，雷達0.5°仰角徑向速度圖像呈現(xiàn)出一個強烈輻合式中氣旋，包裹著一個更小尺度的TVS。俞小鼎等(2008)利用徐州SA型多普勒天氣雷達資料分析了2005年7月30日11：30安徽靈璧發(fā)生的一次由強降水超級單體導致的EF3級龍卷過程，發(fā)現(xiàn)低層回波形態(tài)層演變?yōu)椤癝”形、中層回波呈現(xiàn)為螺旋型時可形成龍卷。在龍卷出現(xiàn)前，有一個TVS 出現(xiàn)在中氣旋的中心，龍卷地點上空有很強的風暴頂輻散；該強降水超級單體風暴到達最強盛時，通過其前側入流槽口和最強回波中心所做的垂直剖面顯示出非常明顯的與低層入流對應的弱回波區(qū)和位于其上的強回波懸垂，回波懸垂之內 50 dBz的回波擴展至9 km以上，呈現(xiàn)出類似于典型雹暴的高質心回波結構。鄭媛媛等(2009)對發(fā)生在安徽的3次EF2級以上的超級單體龍卷過程的環(huán)境和多普勒天氣雷達回波特征進行了總結，并與超級單體強烈雹暴的環(huán)境和多普勒天氣雷達回波特征做了對比分析。姚葉青等(2012)基于龍卷臨近預警和安徽6次龍卷的雷達特征顯示， TVS底部達到雷達最低仰角探測高度的中氣旋和隨后的TVS是識別龍卷的主要依據(jù)，龍卷觸地前中氣旋的最大速度差增強，其強度與龍卷強度呈正相關。鄭永光等(2018b)指出2016年江蘇阜寧龍卷的則為一個β中尺度經(jīng)典超級單體對流風暴，具有明顯的鉤狀回波和穹隆結構特征，質心高，最大反射率因子超過65 dBz；存在很強的中氣旋和TVS特征，其底高低于1 km，且自下向上并向東北方向傾斜，在高分辨率可見光圖像上能夠看到明顯的旋轉特征，后側入流高度較高(約8 km高度)。Meng et al(2018)則指出2016年江蘇阜寧EF4級龍卷最強盛時對應的低層中氣旋的旋轉速度達42 m·s-1。產(chǎn)生2019年遼寧開原EF4級中氣旋龍卷的風暴為孤立的經(jīng)典超級單體，具有典型的超級單體回波特征；雷達徑向速度觀測雖然存在一些質量問題，但依然可以判斷存在TVS特征，中氣旋旋轉速度超過30 m·s-1(鄭永光等，2020)；但受雷達徑向速度質量的制約，難以分析更多中氣旋和TVS的定量演變特征。

有些中氣旋龍卷個例的超級單體在形成前對流風暴內部中低層已經(jīng)有中渦旋形成，如2016年江蘇阜寧EF4級龍卷(周海光，2018)和2019年遼寧開原EF4級龍卷的對流風暴演變和結構(鄭永光等，2020)；之后，對流風暴的中渦旋逐漸加強為中氣旋形成超級單體。

通過一些龍卷個例研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生龍卷的中氣旋在垂直方向具有傾斜的特征。2015年“彩虹”臺風龍卷超級單體中氣旋隨高度向西北方向傾斜(李兆慧等，2017)；2016年江蘇阜寧龍卷超級單體中氣旋自下向上并向東北方向傾斜(鄭永光等，2018b；周海光，2018)；2019年遼寧開原EF4級中氣旋龍卷超級單體隨高度呈現(xiàn)出向對流層中層風場下風方(東南方向)傾斜的特征(鄭永光等，2020)，這可能是由大氣強垂直風切變所致上升氣流傾斜的結果。2013年美國俄克拉何馬州El Reno龍卷(Bluestein et al,2019)的中氣旋具有隨高度向北傾斜的特征。Yao et al(2018;2019b)和唐嘉蕙等(2019)分別對2016年江蘇阜寧龍卷、2012年北京通州張家灣龍卷、2015年臺風彩虹佛山 EF3 級龍卷進行模擬，結果都顯示中氣旋具有隨高度傾斜的特征。

鄭媛媛等(2015)分析和總結了臺風龍卷的雷達回波特征，指出臺風龍卷超級單體風暴具有很多與經(jīng)典超級單體一致的特征，其他臺風龍卷個例研究也得到了類似結果，如朱文劍等(2016)、李兆慧等(2017)；但導致臺風龍卷的風暴屬于微超級單體風暴，中氣旋水平尺度為2～4 km；垂直渦度限制在海拔4 km以下；風暴單體的質心在2 km左右，風暴伸展到5～7 km海拔高度(鄭媛媛等，2015)。對2015年“彩虹”臺風龍卷，朱文劍等(2016)發(fā)現(xiàn)其中氣旋在快速發(fā)展階段表現(xiàn)出直徑不斷縮小，底高不斷降低，形狀逐漸由橢圓向圓形變化，歸一化切變值不斷增大等特征；李兆慧等(2017)指出在該臺風龍卷發(fā)展過程中伴隨著超級單體風暴頂和風暴底的逐漸下降、單體質心和最強回波高度的下降，中氣旋的頂和底也隨之逐漸下降；Zhao et al(2017)發(fā)現(xiàn)，其TVS主要位于距地面1～3 km的高度，中氣旋最大旋轉速度達30 m·s-1。沈樹勤(1990)初步分析了臺風龍卷的形成條件，認為主要與強對流中的渦度傾斜項有關，這已被其他研究認為是有利于形成中氣旋的重要條件(Davies-Jones，1984)。Zhao et al(2017)使用雙多普勒雷達反演風場揭示了低層水平渦度的垂直方向傾斜與隨之的強上升氣流拉伸是2015年“彩虹”臺風龍卷中氣旋加強的主要原因。

王秀明和俞小鼎(2019)認為2016年6月5日海南文昌龍卷屬于非典型超級單體龍卷，俞小鼎和鄭永光(2020)指出其是一種混合型龍卷，既具有超級單體龍卷特征，也具有非超級單體龍卷特征。該龍卷在形成過程中，中高層強中氣旋位于6～9 km 高空并向上發(fā)展，龍卷初始渦旋先于龍卷風暴出現(xiàn)，且比一般微氣旋尺度大，與其上方深厚且強烈的上升氣流疊置時，拉伸作用加強了垂直渦度，使得低層中氣旋加強、直徑減小，形成深厚的龍卷渦旋特征，伸展至更高的高度。這與鄭艷等(2017)認為中氣旋下降過程中形成龍卷不同。

4.4 龍卷碎片特征(TDS)和下沉反射率因子核(DRC)特征

雙偏振多普勒天氣雷達在法國、美國等國家已經(jīng)實現(xiàn)業(yè)務化應用，且美國已有較多關于使用雙偏振雷達觀測龍卷的研究(鄭永光等，2018a；李峰等，2020)，中國已經(jīng)開始了新一代天氣雷達的雙偏振業(yè)務化升級改造。2018年6月8日，1804號臺風艾云尼螺旋雨帶上的佛山市南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)發(fā)生龍卷；在13：54前后，佛山氣象局X波段雙偏振多普勒天氣雷達清楚地觀測到了TDS特征(黃先香等，2019)。TDS特征是指異常小的差分反射率(ZDR)和低的相關系數(shù)(ρHV)(Ryzhkov et al，2005)，這是因為龍卷所致的碎片尺寸較大、處于米散射區(qū)且有隨機取向的緣故。從圖4可以看出(黃先香等，2019)，在鉤狀回波區(qū)和龍卷風暴渦旋中心位置，探測到低ZDR和低的ρHV特征，ZDR低值區(qū)的值大約為0.5，ρHV低值區(qū)的值為0.73，基本符合 Ryzhkov et al(2005)提出的識別TDS的指標量。Zhang et al(2021)分析了2020年6月1日珠江口一次水龍卷的X波段相控陣雙偏振雷達觀測，發(fā)現(xiàn)該龍卷也具有明顯的TDS特征，但該龍卷位于水面上，不太可能有碎片卷入龍卷中，該TDS特征的形成原因可能與龍卷中的強上升氣流相關，有待進一步分析研究。

圖4 2018年6月8日13:54佛山X波段雷達1.8°仰角反射率因子(a)、 平均徑向速度(b)、ZDR(c)和ρHV(d) (“+”表示TDS位置；黃先香等，2019)Fig.4 Reflectivity (a), mean radial velocity (b), ZDR (c) and ρHV (d) at 1.8° elevation from the X-band radar at Foshan at 13:54 BT 8 June 2018 (“+” denotes TDS； Huang et al，2019)

王秀明和俞小鼎(2019)指出，在2016年6月5日海南龍卷發(fā)展過程中，15:15，過龍卷渦旋中心的徑向速度剖面顯示，在低層龍卷渦旋特征處，反射率因子圖上從4 km左右高空伸下一狹長的(水平尺度為1～2 km)、強度為45 dBz左右的及地回波；Rasmussen et al(2006)稱之為DRC，并認為其有可能是龍卷生成的先兆信號。雖然鄭永光等(2020)沒有給出2019年遼寧開原龍卷的DRC分析，但仔細分析沈陽雷達觀測的該龍卷風暴反射率因子演變，也能夠看到鉤狀回波形成前具有這種DRC特征。Yao et al(2019b)使用Bryan云模式成功模擬了 2012年7月21日北京通州張家灣龍卷演變過程，也發(fā)現(xiàn)了這種DRC特征。Byko et al(2009)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)DRC三種形成機制：由于中層氣流“停滯”形成；通過降水形成，這些降水形成在最終與主上升氣流合并的新上升氣流中，例如與上升氣流共同發(fā)生的中氣旋“循環(huán)”過程；沿增強的低層垂直渦度最大值的軸下降形成。

4.5 龍卷渦旋

Agee et al(1976)和 Fujita(1981)發(fā)現(xiàn)龍卷母渦旋中可存在多個抽吸渦旋，Bluestein(2013)給出了龍卷多渦旋結構的詳細照片和雷達觀測，還有研究給出了一些龍卷個例的高時空分辨率雷達觀測結果(Wurman，2002；Bluestein et al，2018)。由于中國布設的業(yè)務天氣雷達觀測分辨率的限制，尚未有文獻給出中國龍卷的多渦旋結構研究，但李兆慧等(2017)、Bai et al(2017)和Zhao et al(2017)都給出了2015年“彩虹”臺風龍卷存在雙漏斗云結構的視頻，朱文劍等(2016)發(fā)現(xiàn)該次龍卷的低空還有一條近似水平的管狀云圍繞龍卷的主體渦旋在旋轉；Yao et al(2019a)對2018年臺風摩羯中的龍卷災害現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)部分龍卷存在著多渦旋結構。Yao et al(2018)使用25 m水平分辨率的Bryan云模式CM1成功模擬了2016年江蘇阜寧龍卷，模擬結果顯示存在雙螺旋狀渦度分布特征，但尚沒有實測資料來證實。

4.6 閃電活動特征

中國龍卷風暴的閃電活動特征尚缺乏系統(tǒng)性研究。利用閃電VHF輻射源高時空分辨率的三維觀測資料，張義軍等(2004)分析了美國產(chǎn)生龍卷的超級單體雷暴的閃電VHF輻射源的時空分布特征，發(fā)現(xiàn)風暴中存在閃電洞(即閃電空白區(qū))或閃電環(huán)(即環(huán)狀閃電空白區(qū))，其與強上升氣流密切相關，閃電洞的直徑可達5～6 km, 持續(xù)時間有時長達20多分鐘，且出現(xiàn)在龍卷發(fā)生之前；在這些雷暴中主要以大量正地閃為主，正地閃的發(fā)生頻數(shù)最大可達6次·min-1，正地閃峰值有時出現(xiàn)在龍卷風發(fā)生之前、有時在之后。

2016年江蘇阜寧EF4級龍卷發(fā)生時，14—15時，龍卷周邊20 km內正地閃72次，負地閃4次，正地閃比例顯著較高(張小玲等，2016)，這可能與該次龍卷過程中伴隨有冰雹天氣相關，因為已有研究表明產(chǎn)生冰雹天氣對流系統(tǒng)中由于有較多的冰相粒子因而會產(chǎn)生較高比例的正地閃(Carey and Rutledge，1998)。不過，2019年遼寧開原龍卷雖然也有冰雹發(fā)生，但發(fā)生期間僅監(jiān)測到少量地閃，正地閃比例也不顯著；FY-4A LMI(閃電探測儀)觀測到較多的閃電活動，這可能是因為LMI觀測包含地閃、云閃或者云間閃的緣故(鄭永光等，2020)。2015年“彩虹”臺風龍卷則沒有觀測到地閃，2018年“摩羯”臺風龍卷也幾乎沒有地閃發(fā)生。

以上給出的研究結果表明，中國龍卷對流風暴產(chǎn)生地閃數(shù)量多少和正負地閃分布特征可能同樣與風暴中的冰相粒子分布密切相關，但對于張義軍等(2004)分析的美國龍卷風暴中的精細閃電特征，尚未見到針對中國龍卷風暴的類似研究。

5 龍卷模擬和機理研究

數(shù)值模擬是研究龍卷形成、發(fā)展和消亡機制的必要手段。由于龍卷的形成和消亡的關鍵分別是近地面大氣垂直渦度的顯著加強和減弱，因此，這些渦度的變化機理是龍卷數(shù)值模擬研究關注的重點之一，比如下沉氣流與冷池強度(Snook and Xue，2008；Schultz et al，2014；Mashiko，2016)、DRC(Byko et al，2009；Markowski et al，2018；Yao et al，2019b)、近地面摩擦(Schenkman et al，2012；Roberts et al，2016；Roberts and Xue，2017)等在龍卷生成過程中的作用機制研究等。

姚聃(2018)總結了龍卷數(shù)值模擬研究進展，指出龍卷數(shù)值模擬主要分為三類：第一類，針對簡化的類龍卷渦旋進行模擬，不考慮母體風暴；第二類，基于理想化或者實測探空廓線，以水平均勻初始場來模擬強對流和龍卷過程；第三類，基于再分析資料和資料同化，進行接近實際大氣的模擬。

第一類龍卷模擬采用計算流體力學數(shù)值模擬方法。這類模擬高度簡化了龍卷的生成環(huán)境和母體對流風暴，僅關注類龍卷渦旋(tornado-like vortices)的生成和結構，其最主要的局限在于，模擬出的龍卷過程并不是在母體對流風暴中生成的(Rotunno,2013;姚聃,2018)。

第二類龍卷模擬雖然基于探空廓線，但使用精細的云模式進行理想模擬，從而可以研究超級單體風暴和其中生成的龍卷的精細化結構和演變過程，這是其他兩類模擬難以做到的。Yao et al(2018; 2019b)使用Bryan云模式分別成功理想模擬了 2016年江蘇阜寧EF4級龍卷和2012年7月21日北京特大暴雨期間通州張家灣EF3級龍卷演變，給出了模擬的這兩次龍卷過程中龍卷渦旋的形成、發(fā)展和消亡過程，其采用的最高水平分辨率分別達25 m和100 m，都采用均勻下墊面。

對阜寧龍卷模擬結果顯示，龍卷生成信號首先出現(xiàn)在云底的氣壓擾動場中，然后垂直渦度在強上升氣流的作用下向上和向下發(fā)展；當強下沉氣流疊置在最強渦度中心時龍卷消亡(Yao et al，2018)。對通州張家灣龍卷模擬發(fā)現(xiàn)，龍卷的生成包括三步：中層中氣旋向下發(fā)展、近地面龍卷渦旋向上發(fā)展、漏斗云的向下發(fā)展；當強下沉氣流切斷了中層中氣旋和近地面龍卷渦旋時，龍卷消亡(Yao et al，2019b)。

第三類龍卷模擬可研究實際環(huán)境中超級單體風暴觸發(fā)、演變以及龍卷或者龍卷母體渦旋的形成過程，如Schenkman et al(2012)使用100 m 水平分辨率成功模擬了一個類似于龍卷的渦旋。陳鋒等(2019)對2016年阜寧龍卷模擬發(fā)現(xiàn)，雖然模擬的渦旋在強度和結構上與實況還有一定差距，但同化雷達反射率因子和徑向速度后，WRF模式在阜寧附近模擬出了明顯的渦旋結構，且渦旋的發(fā)生發(fā)展過程、路徑、地面小時極大風和降水等模擬，在與實況一致性方面均明顯高于控制試驗；還需指出的是，其研究中使用的WRF模式模擬水平分辨率是3 km，顯著低于Yao et al(2018；2019b)的模擬，并不能模擬阜寧龍卷本身。唐嘉蕙等(2019)使用高分辨率(最高達48 m)WRF模式模擬出了2015年臺風彩虹登陸后螺旋雨帶中廣東佛山強龍卷的類龍卷渦旋；Sun et al(2019)使用49 m水平分辨率WRF模式模擬出了2016年阜寧龍卷的多渦旋結構。

如前所述，Wu et al(2018)用WRF模式成功模擬了2005年位于海上的臺風麥莎中的龍卷尺度渦旋。他們使用了7重嵌套網(wǎng)格，最外層水平分辨率為27 km，最內層達37 m；模式層頂為50 hPa，垂直為75層，其中2 km高度以下19層；當格點距小于1 km 時，使用大渦模擬替換邊界層參數(shù)化。Wu et al(2018)沒有給出這些渦旋的形成機理，但指出它們是強上升/下沉氣流對，具有風速、位置和水平尺度驟然躍增的特點。Montgomery et al(2002)認為這些渦旋類似龍卷中的抽吸渦旋，其形成機理與Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定相關。Wu et al(2018)的工作對龍卷的數(shù)值模擬研究具有很重要的借鑒價值。

需要說明的是，由于龍卷尺度太小，目前的業(yè)務數(shù)值預報尚不可能預報龍卷本身，但水平分辨率達3 km 左右的對流可分辨數(shù)值模擬或預報可以給出龍卷母體渦旋——中氣旋的特征。Kain et al(2008)發(fā)現(xiàn)對流可分辨數(shù)值預報的逐小時最大上升螺旋度(updraft helicity，UH)對中氣旋具有好的預報指示意義；曹艷察等(2021)則發(fā)現(xiàn)GRAPES_MESO 3 km 分辨率模式預報的UH對中國風雹預報也有很好的指示意義。

6 結論和展望

中國龍卷發(fā)生頻率極低且尺度非常小，觀測難度極大，但得益于中國觀測站網(wǎng)、尤其是新一代天氣雷達網(wǎng)，以及現(xiàn)場調查和數(shù)值模式等的發(fā)展進步，中國龍卷研究取得顯著進展?？偨Y中國龍卷研究發(fā)展歷程，大致可分為兩個階段：約2000年之前的傳統(tǒng)研究階段，約2000年至目前伴隨著新一代天氣雷達網(wǎng)布設的發(fā)展階段。取得的主要成果包括以下幾個方面：

(1)獲得了中國龍卷完整的氣候特征和有利于龍卷發(fā)生的天氣背景以及環(huán)境條件。梅雨、冷渦和TC是中國發(fā)生較多龍卷的天氣背景，但不同背景下的龍卷環(huán)境條件存在較大差異。

(2)建立了較為完整的龍卷等風災現(xiàn)場調查流程和分析技術。對2015年“東方之星”翻沉事件、2015年“彩虹”臺風龍卷、2016年江蘇阜寧EF4級龍卷、2019年遼寧開原EF4級龍卷等都作了詳細規(guī)范的現(xiàn)場調查和分析。

(3)龍卷對流風暴的中小尺度特征研究進展明顯，獲得了中國龍卷風暴的組織形態(tài)、地面要素場特征、中氣旋和TVS特征以及龍卷渦旋特征等，尤其中氣旋和TVS特征研究成果更為突出：發(fā)現(xiàn)龍卷風暴的地面冷池通常不太強，產(chǎn)生龍卷的超級單體的中氣旋底高通常低于1 km、強度與龍卷強度正相關、具有傾斜、TDS和DRC等特征，部分龍卷具有顯著的多渦旋特征等。

(4)使用精細云模式對龍卷成功進行了理想模擬，獲得了龍卷發(fā)生發(fā)展的一些機理認識；使用WRF模式成功模擬了接近實際大氣的2005年臺風麥莎中的龍卷尺度渦旋和2016年阜寧龍卷的多渦旋結構。

中國龍卷研究在多個方面還存在很大不足，需要繼續(xù)努力：

(1)由于中國龍卷發(fā)生頻率極低，且受制于觀測條件，因此歷史龍卷記錄存在不確定性?，F(xiàn)場調查存在一定的難度和挑戰(zhàn)，氣象業(yè)務部門人員尚未普遍掌握，也缺乏類似美國的志愿者報告制度，從而難以對部分龍卷進行有效確認。因此，需要加強氣象業(yè)務部門的現(xiàn)場調查能力和氣象信息員隊伍建設，實現(xiàn)更為可靠的龍卷觀測和調查，從而建立一個較為完備的中國龍卷數(shù)據(jù)庫(鄭永光，2020)，尤其是EF2級及以上強度的強龍卷數(shù)據(jù)庫。

(2)中國龍卷對流風暴的組織形態(tài)、閃電活動和地面要素分布等特征尚未有系統(tǒng)性的研究成果，不同天氣背景(梅雨、冷渦、TC等)下的這些特征研究也存在很大不足。未來，隨著更為密集的地面自動氣象站網(wǎng)、更高分辨率的精細雷達觀測和閃電定位系統(tǒng)的發(fā)展，龍卷風暴的精細地面要素分布、細致結構特征、龍卷渦旋和閃電活動特征等將會有更為深入的認識。非中氣旋龍卷由于觀測更為困難，其研究成果更為欠缺(鄭永光，2020)，包括氣候分布、環(huán)境條件、結構特征和形成機理認識等。

(3)不同天氣背景下，龍卷的環(huán)境條件存在較多差異，即使在類似的有利環(huán)境條件背景下，龍卷的形成概率也是極低的，因此，龍卷形成的關鍵機理和因素是什么，還未完全清楚。也就是說，形成龍卷風暴的關鍵物理因子尚未完全清晰，比如梅雨背景下，有利于龍卷的環(huán)境條件通常涵蓋了很大的地理范圍，但通常產(chǎn)生龍卷的數(shù)目只有一個或者幾個，因此，如何判識梅雨龍卷發(fā)生的關鍵條件？再如，登陸臺風的螺旋雨帶中可能會產(chǎn)生很多中氣旋或者中渦旋，但發(fā)展為龍卷數(shù)目通常也僅有一個或者幾個，那么形成臺風龍卷的關鍵條件是什么？此外，現(xiàn)場調查表明2016年阜寧EF4龍卷的消亡過程是非常突然和短暫的，這種突然消亡的機制是什么？這些都是未來值得深入研究的方向。未來，通過更高時空分辨率觀測資料分析和極高分辨率的數(shù)值模擬技術的發(fā)展，這些問題會逐步獲得解答。