王 蕾，許東峰*

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

我國氣象部門在2016年6月23日對江蘇北部等地區(qū)發(fā)布了暴雨黃色預警，局地有大暴雨(100～180 mm)，并伴有8～9級雷暴大風。就在當天下午14時30分左右開始，鹽城市阜寧縣、射陽縣出現(xiàn)了龍卷風天氣，同時伴有強雷電、暴雨、大風、冰雹等強對流天氣，龍卷風雖然經過的地方不是人口密集的縣城，但也導致當?shù)卮迓?9人遇難，846人受傷，房屋等財產損失慘重，樹木、良田等自然環(huán)境破壞嚴重。

中國人對龍卷風這一詞并不陌生，雖然不像在美國一樣經常遭遇龍卷風，但我國仍屬于龍卷風多發(fā)國家。1981—2010年期間記錄顯示，美國平均每年發(fā)生龍卷風1 122起[1]，我國發(fā)生龍卷風頻率最高省份——江蘇省，在1956—2005年這50 a間，平均每年發(fā)生21.4次龍卷風[2]，只要龍卷風發(fā)生，所帶來的災難都讓人觸目驚心。如2007年7月發(fā)生在我國蘇皖北部地區(qū)的龍卷風，共造成14人死亡，182余人受傷，受災人口兩萬余人，死亡大牲畜2 344頭[3]。

龍卷，是雷暴云底伸展出來并到達地面的漏斗狀云，而當其伸展到地面時所引起的強烈旋風，才是龍卷風，一種強烈渦旋[4]。龍卷風的水平尺度很小，一般為幾米至幾百米，垂直尺度，二至三千米，甚至是十幾千米。它的中心氣壓很低，與外圍氣壓的差值可達2 hPa/m左右，中心風力可達100～200 m/s以上，所以破壞力極大[5]，但是生存時間只有幾分鐘到幾十分鐘。

目前國內已有不少學者對龍卷進行過大量研究，并取得了豐碩的成果。從最先僅對龍卷風進行災后調查[6]，繼而到對龍卷風個例的基本特征與結構的分析[7-9]、天氣氣候背景的診斷分析[10-12]、產生機制的研究[13-14]以及對龍卷風災害易損性分析[15-16]，再到對多年龍卷風記錄進行的統(tǒng)計分析。黃大鵬 等[17]對1984—2013年中國龍卷風發(fā)生頻次、災情以及時空分布進行了統(tǒng)計分析，結果顯示：龍卷風次數(shù)總體上呈明顯減少趨勢，龍卷風發(fā)生均集中在夏季，其次是春季，7月和4月最為頻繁和嚴重，且地理分布上西少東多，江蘇和安徽發(fā)生較嚴重。陳正洪 等[18]對湖北核電站周邊地區(qū)龍卷風時間分布與災害特征進行了研究，就1956—2000年的龍卷風資料而言，龍卷風發(fā)生在午后至傍晚最多，平均持續(xù)時間為17 min，蒲福風力最大17級，富士達風力等級最大F3級，風速約為70 m/s，影響寬度一般在0.5 km內，平均帶長為10.0 km。范雯杰 等[1]統(tǒng)計研究了1961—2010年間記錄到EF2級及其級數(shù)以上的強龍卷事件，鹽城是發(fā)生次數(shù)最多的地方。研究方法上，從最初的災后資料搜集與統(tǒng)計分析，到氣象臺站常規(guī)觀測資料再到運用風廓線儀、衛(wèi)星和多普勒雷達等提供的資料[19]，以及對龍卷風進行的數(shù)值模擬[20-22]來對龍卷風進行更深入的研究。但是，這些研究仍缺少精細化空間尺度的災情分析與評估。

因為龍卷風尺度小，發(fā)展迅速，生存時間短，現(xiàn)有的觀察技術仍然不能準確預測龍卷風的發(fā)生。在龍卷風經過處設置的氣象監(jiān)測站，其相關的測量儀器受到影響和破壞的可能性非常大。鄭永光 等[23]主要根據(jù)建筑物結構、植被破壞情況估計了阜寧龍卷風的強度，而本文依據(jù)斷頭樹的比例，對此次阜寧龍卷風進行了更為詳細的調查。

VIROT et al[24]研究發(fā)現(xiàn)當大風中風速達到大約42 m/s時，大風經過的樹林中被折斷樹木的百分比急劇升高，達到50%(圖1)，而且折斷率不受樹的高度、直徑和彈性特征影響。根據(jù)這個研究結論，本文主要通過受災相對較嚴重的5個地區(qū)斷頭樹的調查資料，來估計風速大于等于42 m/s的龍卷風范圍。同時結合天氣圖和多普勒雷達圖等資料對2016年6月23日發(fā)生在鹽城市阜寧縣附近的特大龍卷風進行分析。

圖1 斷頭樹比率與大風中最大風速的關系圖[24]Fig.1 Correlation between the ratio of broken trees and maximal wind speed[24]

1 資料與方法

1.1 資料來源

從中國氣象臺官網上獲取華東雷達拼圖和天氣圖；從NOAA上獲取6月23日的高低空的氣象資料；從Wyoming大學官網獲取探空資料溫度對數(shù)壓力圖(T-lnP)；6月29日和30日到阜寧縣受災相對較嚴重的5個村落進行調查、取證，用手機軟件GPS工具箱進行GPS定位，這也是此次分析龍卷風風速范圍最為重要的資料。

1.2 方法

利用Micaps 3.2和GRADS軟件繪制高低空及地面圖，并配合雷達圖和T-lnP圖分析環(huán)流形勢及龍卷風生成的條件；通過Goolge Earth軟件標注受災嚴重地點，對比2016年5月12日和2016年6月25日、26日受災前后的影像，分析測量受災的距離和范圍。

2 天氣背景

2.1 環(huán)流背景場

龍卷風的產生不僅與鹽城地勢平坦，水網交織的地勢條件有關，更和當時大氣環(huán)流背景場有關。6月23日08時，500 hPa等壓面上， 32°N以上為大的低壓區(qū)，鹽城位于大低壓槽下方，同時也位于已抬升到浙閩的西太平洋副熱帶高壓(副高)588線西北側。850 hpa等壓面上，由東北冷渦后部南下的強冷空氣與副高西側北上的暖濕空氣相遇，鹽城恰好位于冷暖氣團的交匯位置，且位于東北風與西南風切變線的偏南方，西南風向，并處于氣流上升區(qū)(圖略)。

從6月23日14時的地面氣壓場(圖2)來看，鋒面位置依照張小玲 等[25]所確定的來分析，鹽城(綠色三角形)正位于暖鋒附近(紅色粗線)，存在風向的水平切變，冷暖空氣團恰好在阜寧縣交匯，且溫度露點差很大，暗示著上午積聚的不穩(wěn)定能量即將爆發(fā)。

2.2 探空資料

從T-lnP圖上可進一步分析誘發(fā)龍卷風的大氣不穩(wěn)定層結和不穩(wěn)定能量。受災最嚴重的兩個縣中只有射陽縣有探空資料，而阜寧距射陽站只有36 km[25]，所以分析射陽縣的探空資料對于分析此次龍卷風的產生具有一定的參考價值。雖然目前分析的是射陽縣6月23日08時的探空資料，但此時不穩(wěn)定能量的積累也會對下午龍卷風的產生具有影響。通過計算得到，對流有效位能(CAPE)+對流抑制能量(CIN)>0，層結曲線與狀態(tài)曲線所圍成的面積為正(圖3)，表明不穩(wěn)定能量在積聚，預測午后不穩(wěn)定能量將會增強。低層濕度大，下層風隨高度順轉，存在垂直切變，層結穩(wěn)定度降低[9]。張小玲 等[25]分析射陽6月23日14時的探空資料時認為，抬升凝結高度(LCL)很低，CAPE很大，但對于強龍卷來說，其低層垂直風切變條件相對較弱。

圖2 6月23日14時地面天氣圖(綠色三角形為鹽城位置)Fig.2 Surface weather map at 14:00, on June 23(location of Yancheng is marked by a green triangle)

圖3 射陽縣2016年6月23日08時T-lnP圖[26]Fig.3 T-lnP graph at 8:00, on June 23, 2016 in Sheyang County[26]①為露點曲線，②為層結曲線，③為狀態(tài)曲線①dew-point curve, ②stratification curve, ③condition curve

2.3 多普勒雷達天氣圖

從雷達圖上看(圖4)，23日14時18分，蘇皖北部地區(qū)明顯存在一強回波帶，最大回波強度為65 dBZ，此時蘇北地區(qū)出現(xiàn)了強降水。回波帶隨著時間沿東北方向移動，且回波帶在不斷增強和擴大。龍卷渦旋一般在鉤狀回波區(qū)域弱回波區(qū)附近生成，但圖4中鉤狀回波并不明顯。15時06分時，最大回波強度仍維持在65 dBZ左右。

圖4 華東雷達拼圖[27]Fig.4 Radar mosaic of East China[27]

3 災情調查

3.1 整體情況

氣象部門專家組[28]認定此次龍卷風達到EF-4級，風力超過17級，估計風速達到73 m/s(表1)。龍卷風在淮安漣水與鹽城阜寧交界處生成，繼而發(fā)展向東北方向移動，基本路徑為阜寧縣的板湖鎮(zhèn)—碩集鎮(zhèn)—陳良鎮(zhèn)—溝墩鎮(zhèn)—阜寧開發(fā)區(qū)—射陽縣的海河鎮(zhèn)—陳洋鎮(zhèn)—黃海(圖5)，粗略估計龍卷風的影響長度至少為46.7 km。阜寧縣鄰近的自動氣象站顯示，在阜寧縣西南部長25 km、寬10 km的范圍內，已經測到超過8級(17.2～20.7 m/s)的瞬時風速[23]，我們所要做的是細化風速達到42 m/s的范圍。本次實地調查的起點是阜寧縣的西南部，實地調查路線：碩集鎮(zhèn)計橋村—新溝鎮(zhèn)南灣村—陳良鎮(zhèn)新涂村—阜寧開發(fā)區(qū)北陳村—吳灘鎮(zhèn)立新村，調查地點均是受災較為嚴重的村落，調查總路線至少長達20 km。

圖5 龍卷風移動路徑圖Fig.5 Tornado moving track標記位置為龍卷風影響嚴重的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，箭頭代表龍卷風移動的東北方向Marked locations are villages and towns hit by tornado, arrow represents the northeast direction of the tornado movement

EF級別風速km/hm/s級別EF-0104～13729～3711～13EF-1138～17738～4913～15EF-2178～21750～6015～17EF-3218～26661～7317以下EF-4267～32274～9017以上EF-5>322>90>>17

3.2 各村受災狀況

3.2.1 計橋村

計橋村是受災最嚴重的地方之一(圖6)，通過災前(圖6a)和災后的影像(圖6b)對比，雖然圖6b的影像不清晰(可能受其他因素導致影像模糊)，仍然可見樹木(多為楊樹)和房屋損毀的嚴重性。計橋幼兒園受災嚴重(圖7a，1號位置)，屋頂被完全刮走，符合EF3級災害表示特征[23]，風速為61～73 m/s，證明風速遠遠超過42 m/s。幼兒園門前約有20多棵樹，幾乎全部被折斷，樹木平均直徑約為24.6 cm。圖7b為其中一棵直徑約為31.5 cm的樹被拗斷的情形，以綠色礦泉水瓶作為參照物，可對比圖中樹木粗細程度，樹的樹皮已被剝離樹桿，拗斷處樹桿被劈成了許多細小的樹刺。在幼兒園對面，河另一邊10多棵平均直徑約為31.2 cm的樹(2號位置)也被全部折斷。5、6、7、8和9號位置的樹木也無一幸免，房屋破損情況嚴重，到處都是磚石瓦礫，高壓輸電鐵塔也被擰成麻花狀摔落地上。7號位置因為緊挨右邊的田地，所以土質較為松軟，有幾棵樹直接被連根拔起(圖7c)。這些折斷的樹表明這一地區(qū)風速已至少達到42 m/s。

在3號位置有一小片面積不足10 m2的小樹林(圖7d)，數(shù)量約為30棵，這些小樹較其他位置的樹木要細得多，平均直徑只有10 cm左右，毀壞情況不太嚴重，大部分樹傾斜，只有幾顆樹從根部折斷或從樹干中間裂開，說明在3號位置受龍卷風的影響不大。10號位置是民宅前面的一小片樹林，共有40多棵樹，同樣受損情況不太嚴重，大約1/4的小樹沒有受影響，剩下部分小樹被折斷枝桿或樹桿，而折斷位置大多在樹的上方?？傮w來看，調查范圍內斷頭樹比例均大于50%，5號到10號位置距離約為308 m，據(jù)此，龍卷風在計橋村的影響跨度至少為308 m。在計橋村的調查中，樹木折斷傾倒的方向大多呈西北方向。

圖6 計橋村受災前后對比圖Fig.6 Comparison map before and after the tornado at Jiqiao Village黃色標記為調查的具體位置，下圖同Specific locations of the investigation are marked in yellow, and same hereinafter

3.2.2 南灣村

南灣村是所調查村落中樹木數(shù)量相對較多的，也是樹木損害情況相對較嚴重的地方(圖8)，原來整齊的房屋都變成了斷壁殘垣。南灣村調查點的情況顯示，斷頭樹比例達到了90%以上，僅就斷頭樹情況而言，南灣村相對其他村落受災范圍最大。發(fā)生龍卷風時雷達圖上可以觀測到1 km范圍內的大風，而圖8中11號到19號位置之間的距離恰好在1 km內，約為952 m。通過圖9的對比可知，在龍卷風過后，11號位置的東北部和13號河灣的兩側位置，一片茂盛的樹林僅剩下被風強力折斷的粗壯樹干，和散落在河灣、田地里凌亂的樹枝。13號位置的兩排樹密度很大，樹間距約為1 m，樹齡為12～15 a，直徑約為30 cm(圖10a)，該位置斷頭樹情況尤其嚴重。14號位置遠看上去也是一片狼藉，僅剩下光禿禿的樹干(圖10b)。因為到現(xiàn)場調查的時間是發(fā)生龍卷風后的第6天，部分樹木已被清理，從剩下樹木的折斷傾倒方向來看，13號和14號位置雖然斷樹的方向雜亂，但是多數(shù)偏向北向。15和16號位置樹木折斷的情況也很嚴重，16號位置以東樹木傾倒的方向為南向。在17和18號位置的一些老房子也已經坍塌(圖10c)。19號位置的房屋相對較新，更加堅固，損毀情況不太嚴重，但是房屋兩邊的樹也都傾倒甚至折斷(圖10d)，多數(shù)偏向北向。在南灣村，從11號到19號位置范圍內風速至少達到了42 m/s，風速大于42 m/s的受災范圍寬度約為952 m。

圖9 南灣村部分位置受災前后對比圖Fig.9 Comparison map of part of locations of the investigation before and after the tornado at Nanwan Village

圖10 南灣村樹木及房屋受災情況Fig.10 The damage of trees and houses at Nanwan Village

3.2.3 新涂村

對新涂村的調查是沿著東西向路線進行的，所以強風范圍最寬也只測到160 m。新涂村的樹木并非南北向分布，而是主要集中在圖中東西向的河道兩旁，圖11中21號位置附近許多樹木折斷和傾倒(圖12a)，但是對比圖11a和圖11b，可見河道兩旁的樹木密度不像南灣村那樣大幅度減少，傾倒情況較多，但折斷情況仍大于50%，情況較南灣村輕。在22號位置(圖12b)，直徑約為63.7 cm左右的樹桿被折斷，一些較細的樹在樹干較高位置被折斷，損壞情況不像粗壯樹木那樣從樹干中下部被折斷。21號和22號位置的樹木均大面積傾倒向北。田地旁隨處可見被毀壞的房子和一排向東北方向傾斜的電線桿(圖12d)，以及當時被龍卷風卷起而又掉進河溝的小轎車(圖12c)。

圖11 新涂村受災前后對比圖Fig.11 Comparison map before and after the tornado at Xintu Village

圖12 新涂村樹木及房屋受災情況Fig.12 The damage of trees and houses at Xintu Village

3.2.4 北陳村

北陳村的西面是阜寧縣開發(fā)區(qū)(圖13)，開發(fā)區(qū)內有許多公司廠房，此次龍卷風事件中，廠房屋頂被破壞，就當?shù)厍闆r而言，風級屬于EF3級[23]，風速已經超過42 m/s，達到了61 m/s以上。23號位置為當?shù)厥軗p的民宅，24號位置樹的平均直徑約為23 cm(圖14a)，樹木全部被折斷傾倒向西。25號位置圍墻西向倒塌(圖14b)，樹木受損比例為13/15，有2棵樹未被折斷，未被折斷樹木的直徑為16～19 cm，被折斷樹木的直徑為25.5～31.8 cm，但均傾倒向西。在26號位置(圖14c)，一些較細的樹被折彎，彎向偏東方向，相對較粗的樹，如直徑約為27.4 cm的樹被折斷，有些折斷的樹倒向西向。圖13b中27號位置成片的樹林被折斷，但樹木數(shù)量眾多，各個方向傾倒的情況均大量存在，尚不能確定大體傾倒趨勢。對比圖13a和13b，且由圖14d可見，原來郁郁蔥蔥的樹林，如今僅剩下被折斷的樹桿，此處斷頭樹比例遠大于50%，甚至達到90%，龍卷風風速達到42 m/s的寬度為500 m。

圖13 北陳村受災前后對比圖Fig.13 Comparison map before and after the tornado at Beichen Village

圖14 北陳村樹木及房屋受災情況Fig.14 The damage of trees and houses at Beichen Village

3.2.5 立新村

立新村是調查路線中最后遭遇龍卷風的村子，風速大于42 m/s的受災范圍寬度約為451 m(圖15)。立新村也是當?shù)厥転淖顕乐氐拇迓渲?。對比受災前后的影像，河道兩邊很多民房被掀頂，老房子損壞得更嚴重，車輛也被砸壞。一些斷墻上掛有紅牌，被設為龍卷風受襲遺址(32號位置，圖16a)，而此處龍卷風級別達到EF4級，風速為75～78 m/s[23]。立新小學與龍卷風擦身而過，可以認定為龍卷風影響的邊界。30號位置開始出現(xiàn)折斷的樹木，此處往南情況更糟，民房已變成磚石瓦礫(31和32號位置，圖16b)，到處可見被拗斷的樹桿(33和34位置，圖16c)。尤其在35號位置附近約有40棵樹，損毀情況非常嚴重，有些受損的樹已被鋸掉，只剩下樹墩，這些樹的平均直徑約為34.6 cm，另外還有一些被折斷而未被鋸掉的樹，通過測量可知，被折斷樹木的直徑為15.9～57.3 cm，未被折斷樹木的直徑為19.1～25.5 cm，這些樹均向東北方向傾倒(圖16d只是其中部分場景)。35號和36號位置斷頭樹的比例均大于50%，此處的風速已經達到并遠遠超過42 m/s。

圖15 立新村受災前后對比圖Fig.15 Comparison map before and after the tornado at Lixin Village

圖16 立新村樹木及房屋受災情況Fig.16 The damage of trees and houses at Lixin Village

4 討論與結論

據(jù)調查資料顯示，此次阜寧縣特大龍卷風具備大氣不穩(wěn)定層結，冷、暖濕空氣交匯，風的垂直風切變等主要誘發(fā)因子，午后于淮安漣水與鹽城阜寧交界處生成，向東北方向移動，依次經過阜寧縣的板湖鎮(zhèn)—碩集鎮(zhèn)—溝墩鎮(zhèn)—阜寧開發(fā)區(qū)—陳良鎮(zhèn)—射陽縣的海河鎮(zhèn)—陳洋鎮(zhèn)，最后減弱入黃海消失。龍卷風的影響距離至少達到46.7 km，超過了1961—2010年7次EF3或以上級強龍卷的平均路徑長(35.7 km)[1]。結合當?shù)卣{查資料，根據(jù)VIROT et al[24]的結論可以估計在調查區(qū)域內風速達到42 m/s以上的范圍，即受災范圍長度至少達到20 km。在實地調查的村落中各村風速達到42 m/s的范圍寬度依次為308、952、160、500和451 m(圖17)，所以最大寬度至少達到952 m(保守估計)，也超過了1961—2010年7次EF3或以上級強龍卷的平均寬度(740 m)[1]。依據(jù)調查地點斷頭樹傾倒的大致方向，可以初步判定該處較強的風向，但不能完全確定風向，因為龍卷是渦旋結構，在運動和發(fā)展過程中其風速和風向在不斷變化。

因為本文對風速的判斷依據(jù)是斷頭樹比例大于等于50%，所以只能粗略估計調查區(qū)域內風速大于等于42 m/s的龍卷風所影響的范圍，但由于實地調查是在政府進行搶險工作期間開展的，部分受災地區(qū)的調查被限制，所以本次調查沒有針對所有受災鄉(xiāng)鎮(zhèn)，得出的結果不是所有龍卷風風速達到42 m/s區(qū)域的范圍，實際影響的長度可能會更長，寬度會更寬。

目前，我國尚未有通過樹木折斷的受災現(xiàn)象來定量評估風速強度和強風范圍的研究。今后在氣象站資料欠缺的情況下，如果利用這種方法來估計龍卷風或臺風風速的影響范圍，就可為氣象災害研究補充更詳細的第一手資料，為龍卷風或臺風的災情調查提供真實的災后數(shù)據(jù)，積累寶貴經驗。

但是這種方法也存在不足，首先，災后的實地考察存在一定困難，有些受災區(qū)域的調查工作會受限制。其次基于實地考察的樹木受災程度進行估計，會存在不確定性，而且在房屋附近會出現(xiàn)繞流現(xiàn)象，風速會加大，影響最終結果的準確性。所以今后需要更全面具體的調查資料以及其他方法來相互補充，考慮多方面因素，以增強結果的客觀性、確定性和準確性。

圖17 各調查村莊龍卷風風速達到42 m/s的寬度Fig.17 The width of range of the tornado wind speed exceeding 42 m/s at each investigated village

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