遼寧開原龍卷強對流過程的擾動天氣環境

錢維宏， 艾陽， 陳笑晨

1 北京大學大氣與海洋科學系， 北京 100871 2 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區域數值天氣預報重點實驗室， 廣州 510641 3 廈門市海峽氣象開放重點實驗室， 廈門 361013 4 福建省氣候中心， 福州 350001

0 引言

夏季，我國東北常有高空冷渦活動(孫力等，1994)，是有可能形成局地強對流的最大母體天氣系統.在常規天氣圖上，上部對流層冷渦西側的橫槽，會形成冷空氣的堆積，一旦橫槽轉豎，冷空氣南下與低層大氣中的暖濕氣團交匯形成層結不穩定，其不穩定能量的釋放會形成強對流天氣.在東北冷渦控制的背景下，冷渦南側的次天氣尺度短波槽有可能誘發龍卷(王寧等，2014；王婷婷等，2017).同時，有研究表明700～500 hPa之間較大的溫差和較強的低空(850～925 hPa)急流都有利于龍卷的發生(王秀明等，2015).

我國夏季龍卷風發生頻次最高的區域是江蘇的北部(范雯杰和俞小鼎，2015).蘇北里下河水網地與其北側黃河故道沙臺高地，和其東側黃海沖積臺地之間存在著下墊面的屬性差異.前者形成的氣流輻合線沿蘇北灌溉渠呈東西走向，而后者形成的海陸風輻合線平行于海岸線呈東南至西北走向，蘇北的龍卷風多數發生在上述兩條近地面氣流輻合帶上(錢維宏等，2017).這樣的氣候環境條件一旦遇上中尺度渦旋，龍卷和冰雹等強對流天氣就有可能發生.我國其他地區發生的龍卷并不具備蘇北這樣有利的氣候輻合條件，所以龍卷的發生地理位置相對分散.開原位于我國東北平原的沈陽與長春兩個省會城市之間，東西兩側是山地，西南暖濕氣流容易從低層進入東北平原谷地，遇上對流層中上部冷渦活動時，對流天氣極易發生.

在世界上，龍卷發生年頻次最高的地區是美國，2010年前的30年中平均每年發生1100多個龍卷.目前，龍卷的預警仍主要依靠雷達探測.但由于單個龍卷的時空尺度較小，天氣雷達難以直接觀測到孕育龍卷發生的小尺度渦旋特征和更大的渦旋環境場，如中氣旋的結構特征.與中國的每次單個龍卷有所不同，美國龍卷多數成群爆發，即會有多個龍卷風形成在一個天氣尺度或近地面次天氣(百千米)尺度的低壓系統中(Knupp et al., 2014).在美國南部，隨著低壓系統的長距離移動，其中可能同時或先后發生多個龍卷，即龍卷群發(Corfidi et al., 2010；Mercer et al., 2012).

龍卷屬于小概率極端天氣.極端天氣是大氣中擾動能量緩慢積累到一個臨界值時的快速釋放.觀測的大氣變量中包含隨太陽高度角與下墊面達到熱力-動力平衡時的瞬變氣候態和瞬時擾動分量，兩個分量都具有真實的物理含義.所以，極端天氣的發生與當前大氣中的瞬時擾動能量的積累有關，表現以溫度擾動為代表的內能擾動、以風擾動為代表的動能擾動等.怎樣從觀測的和數值模式預報產品中分離掉瞬變氣候參考態，得到瞬時擾動量分布的異常特征呢？2012年以來使用的大氣變量擾動分解法提供了這種可能(丑紀范，2012).利用模式輸出產品，分解法已經在國內外的多種極端天氣的分析和預報中得到了應用，如對北京暴雨(Jiang et al., 2016)、中國東部熱浪(Chen et al., 2017)、東北夏季低溫(Qian and Jiang，2014)和南方雨雪冰凍(錢維宏和張宗婕，2012)等方面的分析研究.因此，對龍卷風這樣的小尺度罕見極端天氣，我們希望在它的發生之前有可捕捉的中尺度或大尺度擾動環流和擾動變量分布的環境形勢.遼寧開原當地有歷史觀測記載的強龍卷例子并不多.對2019年7月3日下午發生在遼寧開原的龍卷例子，我們試圖從實時分析的大氣變量和歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)模式產品中分離出擾動分量，并結合地面觀測、雷達圖像和衛星云圖演變的特征，尋找有利于龍卷發生的擾動天氣環境.

1 龍卷特征與資料和方法

根據遼寧省氣象局在2019年7月4日的新聞通報，受東北冷渦及蒙古氣旋前側低壓帶的共同影響，7月3日下午鐵嶺地區出現了龍卷、冰雹、短時雷暴降水等強對流天氣.天氣雷達顯示，強回波從昌圖縣進入開原市西北部的金鉤子鎮，向東南方向移動到開原市區附近.開原市國家氣象觀測站在7月3日17時25分至37分觀測到開原市區出現龍卷，氣象站測得的最大瞬時風速為23 m·s-1，同時出現了1小時25 mm的強降水，并且在開原市區出現了冰雹和雷電.在沈陽雷達站的7月3日17時22分0.5°仰角回波圖像上，開原市北部出現鉤狀回波并持續到17時44分，回波上呈現出中氣旋結構.遼寧省氣象局對事后的天氣影響評估中更具體地指出，龍卷始發于開原市金鉤子鎮金英村北約0.5 km，消失于中固鎮清水溝子村北約1.5 km，全程直線距離約15 km，強度為EF4級.龍卷、鉤狀回波和中氣旋式樣的回波，它們三者的尺度不同，但出現的時間和地點一致.此次強對流天氣過程導致了人員傷亡和房屋倒塌.

本文使用了多套資料.其一是美國國家環境預報中心(NCEP)提供的全球預報系統(GFS)的實時分析資料(https:∥www.emc.ncep.noaa.gov/GFS/.php)，時間間隔是3 h，水平分辨率為1.0°×1.0°經緯格點，垂直分31個氣壓層，對風場資料內插到了0.5 h分辨率上.其二是ECMWF模式產品提供的每天0000和1200世界時(UTC)分析場和對未來10天時間間隔為6 h(0000、0600、1200和1800UTC)的預報產品，水平分辨率為0.75°×0.75°經緯格點，垂直分8層(http:∥tigge.ecmwf.int/).其三是中國國家氣象中心天氣預報技術研發室對沈陽氣象雷達觀測的圖像分析.其四是日本葵花8氣象衛星紅外云圖，時間間隔是10 min(http:∥www.jma.go.jp/en/gms/).

擾動分解方法已經在多種類極端天氣的分析中有了介紹(錢維宏，2012a，b；錢維宏和于甜甜，2013；錢維宏等，2016，2017).這一方法的思想來源于中華祖先對氣候年循環中24節氣和72候的時間段劃分.年循環的氣候等分成24節氣和72候，可以稱為古代氣候鐘，它是古代人對中原地區地面氣候年循環的描述.依此，現代人可以利用當今全球高時空分辨率多年觀測資料的積累，建立一個現代氣候鐘.它可以把年循環的氣候態細分成365天/年×24個時次/天=8760個時次的瞬變氣候態，它包含年循環過程中的逐日變化和日循環過程中的逐時變化.用實況大氣變量或模式產品變量減去瞬變氣候變量就得到瞬時擾動.瞬變氣候和24節氣氣候都是不需要預報的，要預報的是相對瞬變氣候的瞬時擾動.雷達回波和云圖上的對流實體可以看作為極端天氣或擾動天氣的實況.

雷達回波中的反射率因子反映了大氣中的云和降水中的各種水汽凝結物對電磁波的后向散射強度，其回波反映了氣象目標內部降水粒子的尺度和密度分布.圖1a是國家氣象中心天氣預報技術研發室對2019年7月3日17時44分32秒沈陽雷達0.5°仰角觀測的回波強度分析.雷達回波呈東西帶狀，最強的回波在最西部分的尖緣.圖1a中的回波總體分布與850 hPa上的擾動風切變(黃箭頭)均為可分辨的中尺度系統.為了細化回波的特征，圖1b是對雷達回波西端部分的放大，鉤狀回波特征明顯.鉤狀回波也對應著一個擾動風下的氣旋式擾動環流.所以，鉤狀回波(圖1b)和帶狀回波(圖1a)的形成有著共同的擾動大背景.雖然氣象觀測站在17時25分至37分觀測到開原市區出現龍卷，但在其后的8 min內龍卷的鉤狀回波并沒有消失.蘇北阜寧龍卷也有類似的鉤狀回波(錢維宏等，2017)，但開原龍卷在17時44分32秒沿最強位置線(圖1b中白直線)的回波高度和強度都比阜寧的高和強(回波垂直剖面圖略).圖1b中的鉤狀回波結構和圖1a中的總體回波分布與常規天氣圖和擾動天氣圖上天氣系統之間的聯系，是需要進一步考察的內容.

圖1 國家氣象中心天氣預報技術研發室對2019年7月3日17時44分32秒沈陽雷達0.5°仰角觀測回波的分析：(a)總體回波和(b)局部放大的回波(陰影，10 DBZ間隔). (a)中白色圓圈指示所在的龍卷風暴，而(b)中的框區為龍卷風暴主體部分. 黃色箭頭示意17∶ 30 BT 的850 hPa擾動風矢量Fig.1 0.5° elevated radar echo over Shenyang at 17∶ 44∶ 32 BT 3 July 2019 from (a) regional and (b) local scopes made by the Research and Development Office of Weather Forecast Technology, National Meteorological Center of China. The white solid circle in (a) denotes the location of the tornado and the white rectangle in (b) is the main body of the tornado. The yellow arrows denote the anomalous winds at 17∶ 30 BT at 850 hPa

2 常規天氣圖上的形勢分析

來自實時分析資料和模式產品繪制的常規天氣圖仍然是國內外氣象業務部門預報和預警重要天氣的首選工具.在每天兩個時次(北京08和20時)的常規天氣圖上，我們尋找當日龍卷發生前08時500和850 hPa以及存在于高空天氣圖和地面形勢場中可能的強對流天氣潛在信息.圖2a中，500 hPa層的東北冷渦渦旋中心(C1和L1)位于黑龍江省的中部，冷的溫度中心處于低壓中心的西側，而蒙古國在高壓系統(H)的控制下，開原(三角)的對流層中部處于位勢高度場的西高東低之間的強西北氣流中.這種溫壓場配置很容易在渦旋中心的西側形成橫槽，并有冷空氣的堆積.在2019年7月3日08時的500 hPa常規天氣圖上，三條階梯槽(圖2a中的粗虛線)由北向南分別出現在東北、渤海到江淮地區，有利于冷空氣南下.

低層850 hPa層上(圖2b)，開原所在緯度帶的天氣形勢是，蒙古國的西部有一個氣旋(L2)，蒙古國的東部受高壓脊(H)的影響，而我國東北有一個冷渦(C1和L1)，開原的西側有一條低壓槽(低壓帶)或西北風與偏西風的切變線(粗虛線).這就是氣象部門在新聞通報中提到的天氣形勢：開原的龍卷發生受到了東北冷渦及蒙古氣旋前側低壓帶的共同影響.東北三省的中東部地區低層大氣都在西南暖平流的影響下.中低層500 hPa和850 hPa之間的溫壓場與風場的配置關系是有利于大氣層結不穩定度加強的.類似的中低層大氣溫壓場特征在以往的東北冷渦背景下的強對流天氣形勢中也有反映(王寧等，2014；王婷婷等，2017).類似的水平階梯槽和垂直不穩定形勢都會反映在圖2所示的廣大范圍的常規天氣圖上.但是，預報員難以確定圖1中與帶狀回波和鉤狀回波有緊密聯系的擾動系統的具體位置和時間.

圖2 2019年7月3日08時ECMWF模式產品中的實時分析場(a)500 hPa和(b)850 hPa位勢高度(黑色等值線，40gpm間隔)、溫度(灰色等值線，4℃間隔)和風羽(單位：m·s-1).粗虛線為高度槽或風的切變線，字母W和C表示暖和冷的位置，H和L指示高壓脊和低渦. 黑色三角為龍卷發生地開原Fig.2 Total geopotential height (black contours, 40 gpm interval), total temperature (grey contours, 4 ℃ interval) and wind barbs (unit: m·s-1) at 08∶ 00 BT 3 July 2019 based on the ECMWF analysis products at (a) 500 hPa and (b) 850 hPa. Thick dashed line denotes the height trough or wind shear. The letters W/C and H/L denote the centers of warm/cold masses and the locations of height ridge and low vortex. The black triangle denotes the location of tornado

上述常規天氣圖形勢的分析表明，該時間段內東北地區是有利于強對流天氣孕育的，但仍然難以推斷極端天氣，如強對流風暴可能發生的具體位置和時間.所以，即使這樣的天氣形勢再次出現在常規天氣圖上，預報員也難以提前做出龍卷可能在哪個省的哪個地方發生的預報和預警.由于極端天氣的發生反映了大氣中擾動能量積累到一定程度時的快速釋放，我們希望通過擾動天氣圖的形勢分析，尋找可能發生強風暴的局地環境潛勢.

3 大氣擾動變量垂直分布結構

為了節省篇幅，我們在以下的分析中不再繪制大氣實時變量和模式產品的總量(原始場)垂直剖面圖，而是直接給出垂直的和水平的擾動變量分析圖，在時間描述上使用北京時.在現代條件下，如能對龍卷發生地有提前幾十個小時的預示征兆和臨近一個小時的預警信號，對防災減災是很有意義的.從ECMWF模式預報時刻的實時分析到每6小時間隔的模式預報產品，我們逐一做了擾動變量的分解分析.該模式提前6、12、18、24、30、36 h都預報出了可與實況比較一致的擾動形勢.于是，我們繼續分析ECMWF模式提前42 h和提前48 h預報的擾動天氣形勢.圖3是經過龍卷發生地附近，由ECMWF模式提前42 h和提前48 h預報的高度擾動、溫度擾動、比濕擾動和西風擾動，繪制的東西方向和南北方向的垂直剖面分析.從垂直剖面圖3a和3b上看，東北地區上空的冷渦非常深厚，從700 hPa向上伸展到了整個對流層，溫度距平的負值中心C2在250 hPa，只在對流層的低層存在弱的擾動高壓H1和在近地面水平方向上有冷暖氣團的對比(W1與C1).圖3中，龍卷發生在模式預報的近地面冷暖擾動氣團的交界處，東北側是冷氣團，西南側是暖氣團，從對流層延伸下來的擾動低壓槽(粗棕虛線)正好分隔了近地面層的冷暖擾動氣團.中國東部地區夏季的暴雨帶多位于高度擾動槽線和擾動風的輻合線上，但在常規天氣圖上暴雨帶位于總高度槽和總風輻合線的右側，低空急流的左側(Qian et al., 2013；Ai and Qian, 2020).它們之間的比較表明，擾動天氣圖上的擾動變量分布能夠確定地指示暴雨發生的位置.龍卷發生位置通常在冷暖氣團交界處的偏暖氣團一側，這是在分析美國多次龍卷和蘇北多次龍卷的擾動天氣圖時得到的認識(錢維宏等，2017；Qian et al., 2019).所以，圖3中龍卷發生前的溫壓場空間配置關系再次證實了之前中國龍卷和美國龍卷的分析結果.同樣，中國東北龍卷與蘇北龍卷的擾動形勢也相同，但它們在近地面層的冷暖氣團對比都比美國的弱小，反映的是擾動內能不如美國的大，所以只發生了單個龍卷，而美國的擾動氣團可以同時出現多個龍卷(Qian et al., 2019).

2019年7月3日20時，龍卷對地面的影響已經結束了兩個半小時，但龍卷在空中的背景擾動渦旋還存在.ECMWF模式預報的第48小時(3日20時)，對流層中高層的擾動冷渦結構在龍卷出現前后的幾個小時中沒有大的變化，近地面冷暖氣團的交界線和高層延伸下來的擾動高度槽線正好就在龍卷發生地(圖3c和3d).可見，龍卷出現時，高層高度擾動延伸下來的槽線和近地面冷暖氣團分界線剛好定位在開原附近.這一結果表明，當前數值模式可以在短期內提前幾十個小時預示有可能孕育強對流天氣發生的時間和位置.ECMWF模式能夠在短期內預報出可與實況較為一致的天氣環流形勢，但是預報員難以直接從常規天氣圖上看到可指示有利于龍卷孕育的環境形勢.龍卷的發生是局地的，但它的孕育需要一個大尺度的擾動環境背景.這個擾動環流系統從較大尺度上提供了局地強對流天氣可能發生的時間和地點的預示，它也為雷達和衛星高時空分辨率圖像的檢測與預警提供了信息.這種預示信息在常規天氣圖上和模式預報產品中的表現沒有在擾動天氣圖中的清晰.

在實際的對流天氣和強降水分析中，人們同時考慮由總場基本量計算出的多種物理指標和環流形勢：如動力學的渦度、散度和上升速度；熱力學的多種垂直穩定度指數(K指數和對流有效位能(CAPE)等)；水汽濕度條件中的溫度露點差、水汽通量、假相當位溫、強水汽輻合等要素；中低層大氣中的次天氣或中尺度天氣系統的天氣流型(槽、切變線、急流位置、逆溫層、冷暖鋒面、低層濕舌等)；最后把這些進行搭配組合，做出對流天氣的判斷(唐曉文等，2010；張小玲等，2012；劉國忠等，2013).考慮到這些物理量和流型不是相互獨立的，擾動法直接使用基本量(溫、壓、濕、風)中的擾動分量空間分布組合特征，它們能夠在業務中直觀、快捷地指出有利于對流天氣發生的位置和強度隨時間的變化.

圖3e是ECMWF模式從7月1日20時起報的第42小時，即3日14時的比濕擾動在南北剖面上的分布.龍卷發生日(9個小時前)的當天上午，近地面層只有弱的正比濕中心(W1).龍卷發生后的3日20時，比濕擾動的正中心接近地面(圖3f中W1).與以前的分析結果一致，東北龍卷發生的低層水汽含量和濕層厚度比江淮和華南龍卷的低(王秀明等，2015；錢維宏等，2017).低層大氣擾動風上，龍卷發生日和發生地的南側為南風擾動，北側為北風擾動.龍卷發生前，開原上空的對流層存在異常的西風(圖3e中P)，而在北側有更強的東風擾動(圖3e中N)，對流層大氣中存在很強的水平風速切變(圖3e中P與N之間的密集風速等值線).在850 hPa上，環繞龍卷發生地的東西風擾動切變仍然清楚.在龍卷消亡后，這樣的風切變也減弱了(圖3f中P與N之間的稀疏風速等值線).龍卷是大氣中發生的擾動動能高度集中的小尺度環流系統.這種擾動動能的高度集中必須有一個更大的擾動動能環境，龍卷發生前的大氣中(圖3e)就具有比龍卷發生后的大氣中(圖3f)更有利的大尺度擾動動能環境.

4 大氣擾動變量水平分布

擾動天氣圖上的大氣擾動系統具有可識別的空間三維結構特征.我們進一步考察龍卷發生前ECMWF模式提前24 h內預報的擾動形勢在水平擾動天氣圖上的分布.圖4是ECMWF模式預報的850 hPa風擾動和比濕擾動.3日02時(圖4a)，東北擾動渦旋的低層、吉林省的西北部和渤海三地各有一個擾動比濕中心.一條擾動風切變線(紅實線)從東北擾動冷渦向西南延伸到開原的北側.3日08時至14時(圖4b和圖4c)，擾動風切變線與其北側的最強擾動風(紅箭頭)一起，配合比濕中心到達開原.3日20時(圖4d)，擾動風切變線東移到了吉林省和遼寧省的東部邊境附近.7月3日的四個時次，擾動風切變線的尾端配合最強的擾動氣流(紅箭頭)由西北向東南掃過了開原地區.切變線尾端的強偏北擾動氣流與切變線南側的偏西氣流之間具有較大的正渦度擾動，它是有利于強對流天氣發生的潛勢區域.

ECMWF模式2019年7月1日20時起報的3日14時和20時的風擾動和比濕擾動也很好地指示了上述850 hPa擾動風切變線隨時間掃過了開原地區.3日14時(圖4e)，ECMWF模式提前42 h預報出了擾動風切變線和一個弱的濕擾動中心位于開原地區.3日20時(圖4f)，ECMWF模式提前48 h預報出了擾動風切變線向東移動到了吉林省和遼寧省的東部邊緣.從單一擾動變量看，如擾動風切變線掃過的范圍遠比發生龍卷的地方大，所以單一擾動變量難以指示龍卷的發生地.龍卷的發生不但需要有氣候環境條件，還需要多擾動變量的綜合環境條件.擾動變量分布上，龍卷發生在最強擾動北風與擾動西風具有最大擾動渦度的地方，又配合在一個正的擾動比濕條件的地方.這些中尺度的擾動環境為小尺度龍卷的可能發生準備了條件.在很多的類似環境條件下，發生的可能不是龍卷，而是冰雹或雷暴等極端天氣.

圖4 ECMWF模式2019年7月2日20時起報的3日(a)02時，(b)08時，(c)14時和(d)20時的850 hPa風擾動(單位：m·s-1，紅線為切變線，紅色箭頭指示偏北大風)和比濕擾動(陰影，單位：10-3 kg·kg-1，W為濕中心)； (e)和(f)為ECMWF模式2019年7月1日20時起報的3日14時和20時的風擾動和比濕擾動Fig.4 Anomalous wind vector (units: m·s-1) and anomalous specific humidity (shading, units: 10-3 kg·kg-1) at 850 hPa based on the ECMWF model prediction at (a) 02∶ 00 BT 3, (b) 08∶ 00 BT 3, (c) 14∶ 00 BT 3, (d) 20∶ 00 BT on 3 July 2019 initiated from 20∶ 00 BT on 2 July 2019; (e) and (f) same as (a) except at 14∶ 00 BT on 3 and 20∶ 00 BT on 3 July 2019 initiated from 20∶ 00 BT on 1 July 2019. The red lines are the shear lines of winds at 850 hPa, and the red arrows indicate the strong northerlies. The letter W denotes the wet center of specific humidity anomalies

5 云系演變與擾動氣流分布

上述分析的基本大氣擾動變量，包括擾動風分布和擾動比濕只是反映有可能出現強對流天氣的環境條件，尚難以判斷強對流的性質，如龍卷與一般性的對流，也難以確定強對流的更具體位置.在可預見的強對流天氣環境條件下，我們試圖從雷達回波和衛星云圖上加密監測可能出現的龍卷或其他強對流天氣的發生位置.作為在預報實踐中的可能應用，圖5給出了2019年7月3日11時至21時日本葵花8氣象衛星紅外云圖演變與美國GFS實時分析的850 hPa擾動氣流的對應關系.國家氣象站觀測到的龍卷出現時間在17時25分到37分，天氣雷達觀測到的強鉤狀回波在17時44分32秒.圖5a是11∶ 00時的云圖與擾動氣流，最強的云帶沿擾動氣流輻合線，呈現東西向分布，出現在開原的東北方.12∶ 00時(圖略)，云帶增強，云帶西端尖緣部分清晰，云帶北側為東北擾動氣流，南側為偏西擾動氣流.在這樣的氣旋式擾動氣流下，13∶ 00時云帶的西端尖緣部分向西南方向發展(圖5b).從15∶ 00時(圖5c)，云帶進一步增強向西南方向延伸，逐漸向開原靠近，云帶北側為較強的西北擾動氣流，而南側為較弱的西南擾動氣流.17∶ 00時是氣象站觀測到龍卷前的25 min，云帶的西端更為強盛，西端尖緣部分到達開原，西端云帶北側的強偏北擾動氣流與云帶南側的弱偏西擾動氣流之間形成氣旋式的擾動渦度(圖5d).17∶ 30時是氣象站觀測到龍卷和雷達上有鉤狀回波的時刻，最強的云帶西端尖緣部分與擾動氣流輻合線一起在開原.從18∶ 00時(圖5e)至19∶ 00時，隨著擾動氣流輻合線北側擾動氣流的減弱，云帶變寬.云帶在20∶ 00時(圖5f)至21∶ 00時變得更松散，云帶西端位置也向南移動，離開開原.

在2019年7月3日11∶ 00時至21∶ 00時的10個小時云圖強度和位置演變與850 hPa擾動風場的關系中，我們能夠快速地判斷它們之間的密切聯系.

圖5 2019年7月3日(a) 11∶ 00時，(b) 13∶ 00時，(c) 15∶ 00時，(d) 17∶ 00時，(e) 18∶ 00時和(f) 20∶ 00時的葵花8云圖與GFS分析產品的850 hPa擾動風隨時間的變化. 紅三角指示開原位置. 紅線為偏北風與偏西風之間的擾動氣流輻合線Fig.5 Himawari-8 image and anomalous wind vector at 850 hPa from GFS analysis product at (a) 11∶ 00 BT, (b) 13∶ 00 BT, (c) 15∶ 00 BT, (d) 17∶ 00 BT, (e) 18∶ 00 BT, and (f) 20∶ 00 BT on 3 July 2019. The red triangles denote the location of Kaiyuan and the red lines are convergence line of anomalous winds between northerlies and westerlies

在雷達回波上，中氣旋的形成(圖1a)和強度變化也反映與這條云帶的演變對應.云帶亮度和位置變化也能夠反映對流的強度和移動，而真正背后的動力學機制是擾動氣流的輻合(圖1中的黃箭頭和圖5中的藍箭頭)，即直接相關于擾動氣流渦度(圖略).這樣的變化關系能夠反映出對流天氣強度和位置隨時間變化的動力學原因，但困難仍然是，難以確認是否會出現龍卷，還是一般的雷暴天氣.對照圖1a與圖5e和圖5f中各時刻的東西向雷達回波與云帶西端的位置對應關系，它們都形成在較強的北側偏北擾動氣流與較弱的南側偏西擾動氣流之間的正擾動渦度區中.在龍卷發生的前后近10個小時中，最亮云帶和最強雷達回波的位置都能用850 hPa上的擾動氣流輻合線和動力學指標量(擾動渦度)來描述.在理論和應用上，強對流性極端天氣(冰雹、龍卷和雷暴)的發生是潮濕氣團受到強烈抬升的結果.它們是正的擾動比濕與正的擾動渦度重疊的地方，可用一個濕渦度擾動(MVA)的指標量表征(Qian et al., 2015)，它也在本文的圖3至圖4中得到了再次驗證.

6 結論與討論

高影響的極端天氣預報是世界性難題，其中龍卷預報更是難題中的難題，因為它的尺度小，但引發的災害極大.本文對遼寧省開原地區發生的這例龍卷強對流過程的分析，從有效預報時間和擾動天氣形勢分析的角度關注來自數值模式預報產品中的擾動變量空間結構，從天氣過程演變和局地天氣特點的角度關注衛星云圖和雷達回波隨實況擾動氣流的變化趨勢，可為相關部門提供一條預報強對流天氣發生的參考思路.

(1)綜合比較當前常規與擾動天氣分析結果.我們首先可以從常規天氣圖上，或中-短期數值模式產品中，判斷一般性的對流不穩定形勢.從具體的做法出發，預報員可以從圖2中分析500 hPa東北冷渦中心西側的橫槽與冷氣團中心的配置關系.一旦橫槽帶著冷空氣轉豎，同時低層850 hPa有暖氣團的存在或發展，即表明大氣層結不穩定度在增加.如果又采用擾動天氣分析方法，那么擾動風的強中心、擾動風切變線(或輻合線)、擾動位勢高度槽、擾動比濕的正中心和冷暖擾動氣團的邊界位置，它們的綜合分析會大大提高對強對流天氣發生時間和地點的判斷.

(2)基于模式產品的擾動變量分析.根據中國氣象局下發給各省市的ECMWF模式預報產品，地市縣預報員可以查看模式預報產品的當前時刻和未來短期時刻的擾動變量垂直分布配置(圖3)和水平分布特征(圖4)，確定本地未來短期內是否會受到多變量擾動系統的影響.當前ECMWF提供的未來10天模式預報產品中，對未來6天內夏季中國的擾動系統對降水預報的指示能力，要大大好于降水產品的直接預報(Qian et al., 2013).隨著將來極端天氣預報中人工智能技術的運用，建立如本文類似的歷史擾動變量空間分布結構與地面極端天氣事件庫，有望在未來對不同種類的極端天氣環境形勢的識別和預報有所幫助.

(3)衛星云圖與擾動風定位極端天氣.衛星云圖和雷達回波上看到的實體圖像，物理上反映的是大氣中云和降水中的各種水汽凝結物的存在.但它們也反映了大氣中擾動能量緩慢積累到一個臨界值時的爆發或釋放.雷達回波上看到的實體已經是強天氣爆發的實況了(圖1).云圖與擾動風的綜合分析可以得到一個隨時間演變的過程，也就是擾動能量集中與釋放的過程(圖5).云圖中，強對流處云頂溫度低和邊緣清晰，表明強對流天氣發展強烈，是龍卷、冰雹和雷雨大風可以定位的地方.實時監測云圖和回波與擾動風場的變化過程，如擾動氣流輻合線的變化或濕渦度擾動的位置，是臨近龍卷等強對流天氣預警的最佳線索.當然，用高時空分辨率的區域數值模式預報短期的擾動風分布和計算擾動風物理量(如濕渦度擾動)，對預報強對流天氣的發生時間和位置是有意義的.

(4)擾動天氣圖揭示的極端天氣本質.極端天氣，特別是龍卷的發生，是大氣中擾動能量緩慢積累到一個臨界值時的快速釋放.擾動能量就體現在溫度擾動、位勢高度擾動、風擾動和比濕擾動的分布中.這些基本擾動變量對應龍卷發生時的空間分布特征能夠很好地反映在擾動天氣圖上，也存在于常規天氣圖中，但難以顯現在常規天氣圖上.如果模式能在短期內正確預報出總場變量，那么就可以分解并繪制出擾動天氣圖.預報員就可以迅速地從擾動天氣圖上識別和預報極端天氣的種類和強度.中國和美國的龍卷和暴雨例子中(錢維宏等，2017；Qian et al., 2019)，強對流天氣也都發生在高層高度擾動延伸下來的槽線和近地面冷暖氣團分界線的位置，表明擾動變量分布具有動力學意義.溫度擾動和高度擾動之間滿足靜力平衡關系，即依據靜力平衡關系可以用高度擾動計算出溫度擾動，也可以依據地轉關系用高度擾動計算出風擾動.溫度擾動中的冷暖氣團強度對比就是大氣中的不穩定能量，它釋放時產生的對流運動與正的水汽異常配合就會發生龍卷、冰雹和強降水等極端天氣.

致謝國家氣象中心天氣預報技術研發室朱文劍給予的雷達圖像支持，遼寧省氣象臺和科技處給予的開原龍卷相關實況信息.