姚聃

（中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)重大龍卷災(zāi)害多次發(fā)生，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。例如，2015年6月1日發(fā)生在湖北監(jiān)利的“東方之星”客輪傾覆事件曾經(jīng)被認(rèn)為是由龍卷所造成的，其死亡人數(shù)超過(guò)400人[1]。2016年6月23日發(fā)生在鹽城阜寧的EF4級(jí)強(qiáng)龍卷，死亡人數(shù)高達(dá)98人[2]。迫切需要針對(duì)我國(guó)龍卷發(fā)生機(jī)理和結(jié)構(gòu)演變的理論研究工作，為龍卷預(yù)報(bào)預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

龍卷是劇烈旋轉(zhuǎn)的小尺度渦旋系統(tǒng)。它往往形成于超級(jí)單體風(fēng)暴的對(duì)流云底部，直徑僅有幾十米至幾百米，維持時(shí)間僅有幾分鐘到幾十分鐘。即便是在龍卷災(zāi)害嚴(yán)重、研究較為充分的美國(guó)，針對(duì)龍卷的有效預(yù)警時(shí)間也僅有短短的十幾分鐘，并且預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率十分有限[3-4]。即使采用世界上最先進(jìn)的高分辨率、快速掃描的移動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)于龍卷精細(xì)化結(jié)構(gòu)和演變的分析研究仍然十分困難[5]。對(duì)于龍卷的完整認(rèn)識(shí)，離不開(kāi)重建其近地面層次的三維風(fēng)場(chǎng)和熱力結(jié)構(gòu)，而這正是現(xiàn)有觀測(cè)的難點(diǎn)所在。數(shù)值模擬成為研究龍卷的生成環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及發(fā)生發(fā)展過(guò)程的重要手段。

龍卷的數(shù)值模擬可以劃分為理想模擬與實(shí)際模擬兩大類(lèi)。具體而言又可以細(xì)分為以下幾種類(lèi)型：1）高度簡(jiǎn)化、不考慮母體風(fēng)暴發(fā)展的計(jì)算流體力學(xué)模擬；2）基于理想化或者實(shí)測(cè)探空廓線、考慮母體風(fēng)暴發(fā)展的理想模擬；3）基于再分析資料并結(jié)合資料同化的實(shí)際模擬。幾類(lèi)方法各有其特色與優(yōu)勢(shì)，著眼于解決不同尺度的龍卷動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。本文將首先回顧龍卷數(shù)值模擬的主要方法和研究進(jìn)展，然后討論當(dāng)前龍卷數(shù)值模擬研究中存在的主要問(wèn)題，最后是對(duì)我國(guó)龍卷數(shù)值模擬研究的展望，以期為我國(guó)亟待加強(qiáng)的龍卷數(shù)值模擬研究和龍卷預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)提供參考。

1 龍卷數(shù)值模擬的基本方法與研究成果

1.1 龍卷的計(jì)算流體力學(xué)模擬

最初的龍卷模擬采用的是實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)盤(pán)裝置[6]，隨后衍生出與此相對(duì)應(yīng)的計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法。這類(lèi)模擬高度簡(jiǎn)化了龍卷的生成環(huán)境和母體對(duì)流風(fēng)暴，而僅僅關(guān)注于類(lèi)龍卷渦旋（tornado-like vortices）的生成和結(jié)構(gòu)?；谠摲椒ǖ凝埦頂?shù)值模擬為理解龍卷渦旋的動(dòng)力結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)揭示了僅包含有上升運(yùn)動(dòng)的單核龍卷、包含有中心下沉氣流的雙核龍卷以及圍繞中心旋轉(zhuǎn)的多渦旋龍卷的基本形態(tài)[7]。大量理論和模擬研究表明，龍卷在近地面的旋轉(zhuǎn)可以達(dá)到比中層旋轉(zhuǎn)強(qiáng)兩個(gè)數(shù)量級(jí)的程度[8]。龍卷生成與加強(qiáng)的核心問(wèn)題在于，中層旋轉(zhuǎn)在近地面如何加強(qiáng)。Lewellen等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，近地面旋轉(zhuǎn)與入流之間的拐角氣流（corner flow）的崩潰過(guò)程對(duì)于龍卷的加強(qiáng)十分關(guān)鍵，近地面入流的差異是結(jié)構(gòu)相似的超級(jí)單體能否產(chǎn)生龍卷的可能影響因子。

1.2 基于理想背景的龍卷模擬

盡管龍卷的計(jì)算流體力學(xué)模擬可以給出龍卷渦旋的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，但其最主要的局限在于，模擬出的龍卷過(guò)程并不是在母體風(fēng)暴中孕育形成的。為解決這一問(wèn)題，采用三維非對(duì)稱(chēng)的非靜力平衡模式的數(shù)值模擬工作應(yīng)運(yùn)而生。模擬的方案是在水平均勻初始場(chǎng)上疊加反映對(duì)流觸發(fā)的初始擾動(dòng)。初始場(chǎng)可以采用理想化的探空廓線生成，或者采用實(shí)際觀測(cè)探空以及多探空合成的垂直廓線。前者可以測(cè)試熱力場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)對(duì)于超級(jí)單體和龍卷生成的影響及其機(jī)理，后者則通過(guò)采用實(shí)際龍卷個(gè)例的臨近探空（proximity sounding）來(lái)模擬精細(xì)化的龍卷結(jié)構(gòu)和演變過(guò)程，其優(yōu)勢(shì)在于可以使用有限的運(yùn)算資源針對(duì)龍卷進(jìn)行高分辨率精細(xì)模擬。初始擾動(dòng)的方案有許多，最常用的是旋轉(zhuǎn)橢球形熱泡（warm bubble）。Naylor等[11]提出了強(qiáng)迫抬升（updraft-nudging）方案，控制初始對(duì)流的啟動(dòng)在一段時(shí)間內(nèi)保持恒定。Letkewicz等[12]設(shè)計(jì)了基態(tài)探空替換（base-state substitution）方案，在保留模式積分中已形成擾動(dòng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境場(chǎng)的調(diào)整。

Markowski等[13]使用冷源與熱源相互分離的干過(guò)程模擬測(cè)試了冷池強(qiáng)度與低層垂直風(fēng)切變對(duì)龍卷生成的影響，并指出，中等強(qiáng)度的冷池以及較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變是強(qiáng)近地面類(lèi)龍卷渦旋發(fā)生的必要條件。Nowotarski等[14]研究了切變對(duì)流邊界層中，水平對(duì)流卷（horizontal convective rolls）的存在對(duì)于超級(jí)單體低層中氣旋的影響機(jī)理。與水平均勻初始場(chǎng)相比，當(dāng)超級(jí)單體移動(dòng)方向與對(duì)流卷垂直時(shí)，其低層中氣旋減弱；當(dāng)超級(jí)單體移動(dòng)方向與對(duì)流卷平行時(shí)，其低層中氣旋加強(qiáng)。除了針對(duì)低層旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)機(jī)制的研究以外，Davenport等[15]使用基態(tài)探空替換方案研究了環(huán)境場(chǎng)的不均勻性對(duì)于超級(jí)單體維持和消亡的影響。

Orf等[16]對(duì)于實(shí)際龍卷過(guò)程進(jìn)行了精細(xì)化理想模擬（圖1）。該工作采用CM1模式[17]R16版本進(jìn)行，水平分辨率高達(dá)30 m。模擬初始場(chǎng)的探空廓線來(lái)自美國(guó)快速更新循環(huán)系統(tǒng)（Rapid Update Cycle，RUC）的1 h預(yù)報(bào)中，2011年5月24日俄克拉荷馬州中部地區(qū)的一次EF5級(jí)龍卷過(guò)程的風(fēng)暴右側(cè)區(qū)域。該環(huán)境具有很大的不穩(wěn)定能量（CAPE值為4893 J·kg-1）及垂直風(fēng)切變（0～6 km切變?yōu)?7 m·s-1）。模擬所得到的超級(jí)單體生命期超過(guò)2.5 h，并表現(xiàn)出典型超級(jí)單體特征，與觀測(cè)接近。模擬中的龍卷達(dá)到EF5級(jí)，生命期為118min，移動(dòng)軌跡長(zhǎng)度120 km；觀測(cè)中的龍卷生命期為105min，移動(dòng)軌跡長(zhǎng)度101 km。該模擬完整展現(xiàn)了龍卷的生成、維持和消亡過(guò)程。前側(cè)下沉氣流的出流邊界處交替形成的正負(fù)渦度對(duì)沿著該邊界向后側(cè)移動(dòng)，并在前側(cè)和后側(cè)下沉氣流出流邊界的交匯點(diǎn)聚集，逐漸形成龍卷渦旋。

Yao等[18]針對(duì)造成嚴(yán)重破壞的2016年6月23日江蘇省鹽城市阜寧縣EF4級(jí)龍卷進(jìn)行了數(shù)值模擬（圖2）。模擬使用CM1模式R18版本，采用伸縮網(wǎng)格設(shè)計(jì)將龍卷附近最高分辨率提升至25 m。模擬結(jié)果與雷達(dá)觀測(cè)特征和災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)基本相符。模擬中的龍卷伴隨有清晰的漏斗云，并呈現(xiàn)出已有研究中未受關(guān)注的雙螺旋型結(jié)構(gòu)。龍卷生成過(guò)程中，最初的信號(hào)是在云底降低的擾動(dòng)氣壓，隨之形成同時(shí)向上和向下發(fā)展的強(qiáng)垂直速度和渦度中心。龍卷消亡過(guò)程中，渦度中心出現(xiàn)下沉氣流并顯著增強(qiáng)，其維持受到抑制。分析表明，造成風(fēng)災(zāi)的是超級(jí)單體內(nèi)部相互影響的3個(gè)強(qiáng)風(fēng)區(qū)域，而不僅是龍卷環(huán)流本身。

1.3 基于真實(shí)背景的龍卷模擬

圖1 美國(guó)俄克拉荷馬州“5.24”龍卷數(shù)值模擬結(jié)果示例[16]Fig. 1 Simulated structure of the tornado on 24 May 2011 in El Reno, Oklahoma, U.S.[16]

圖2 江蘇鹽城“6.23”龍卷數(shù)值模擬結(jié)果示例[17]Fig. 2 Simulated structure of the tornado on 23 June 2016 in Funing County, Yancheng, Jiangsu Province[17]

隨著計(jì)算技術(shù)的提升，對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴乃至龍卷過(guò)程的直接模擬逐漸成為可能。Xue等[19]采用ARPS模式對(duì)一次超級(jí)單體龍卷過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，其最內(nèi)層網(wǎng)格的水平分辨率為50 m。通過(guò)在模擬中引入下墊面摩擦過(guò)程，該工作表明，地面摩擦作用產(chǎn)生的水平渦度是龍卷低層渦度的重要來(lái)源。在對(duì)于龍卷的實(shí)際模擬中，多普勒天氣雷達(dá)資料的有效同化是改進(jìn)模擬效果的重要保障。Mashiko[20-21]使用日本氣象廳研發(fā)的非靜力平衡模式對(duì)2012年5月6日發(fā)生在筑波市（Tsukuba）的EF3級(jí)龍卷進(jìn)行了數(shù)值模擬。該模擬采用的地形分辨率高達(dá)50 m，采用三重單向嵌套網(wǎng)格，最內(nèi)層水平分辨率為50 m，近地面垂直分辨率為20m。模式的初始場(chǎng)和邊界條件采用了四維變分同化。對(duì)龍卷生成過(guò)程的環(huán)流分析表明，低層中氣旋的增強(qiáng)來(lái)源于超級(jí)單體前側(cè)陣風(fēng)鋒所造成的斜壓性渦度，以及地表摩擦貢獻(xiàn)[20]；而龍卷形成的觸發(fā)因子則是后側(cè)下沉氣流出流與抬升氣流的交匯對(duì)后側(cè)陣風(fēng)鋒斜壓性渦度的抽吸作用[21]。

在上述工作中，資料同化對(duì)于模擬效果起到了重要的作用。為測(cè)試資料同化對(duì)于龍卷實(shí)際模擬和預(yù)報(bào)的效果，Supinie等[22]采用VORTEX2外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)中得到的多種資料進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明，絕大多數(shù)移動(dòng)雷達(dá)觀測(cè)資料和加密觀測(cè)的臨近探空對(duì)于2009年6月5日Goshen龍卷過(guò)程的模擬都有正效果。具體而言，上游入流區(qū)域的探空會(huì)造成入流速度的減弱，從而造成風(fēng)暴抬升強(qiáng)度的降低。抬升的增強(qiáng)和由此導(dǎo)致的低層渦旋拉伸作用的增大導(dǎo)致了預(yù)報(bào)后期抬升螺旋度（updraft helicity，UH）的增強(qiáng)。

需要指出的是，資料同化對(duì)于龍卷實(shí)際模擬而言并非必不可少。Hanley等[23]采用英國(guó)氣象局一體化模式MetUM，在不應(yīng)用資料同化的條件下使用100 m分辨率模擬對(duì)2013年5月20日美國(guó)Moore龍卷進(jìn)行模擬，成功再現(xiàn)了超級(jí)單體結(jié)構(gòu)、龍卷漏斗云以及近地面強(qiáng)風(fēng)。盡管模擬結(jié)果存在位置和時(shí)間上的偏差，其結(jié)果表明，在缺少雷達(dá)資料進(jìn)行邊界強(qiáng)迫的條件下，對(duì)龍卷性超級(jí)單體的高分辨率實(shí)際模擬是可能的，這對(duì)于龍卷模式預(yù)報(bào)技術(shù)研究有重要意義。

除上述工作外，由于計(jì)算資源的限制，大多數(shù)實(shí)際模擬很難精細(xì)到龍卷的尺度。在這種情況下，超級(jí)單體中所包含的抬升螺旋度及低層中氣旋往往被用來(lái)作為識(shí)別龍卷的指標(biāo)，以研究龍卷形成的環(huán)境以及對(duì)龍卷的預(yù)報(bào)。Yokota等[24]使用350 m分辨率數(shù)值模擬對(duì)發(fā)生在日本的一次龍卷過(guò)程的研究表明，低層中氣旋的模擬強(qiáng)度對(duì)于風(fēng)暴前側(cè)的低層輻合以及風(fēng)暴后側(cè)的低層相對(duì)濕度具有較強(qiáng)的敏感性，近地面觀測(cè)資料的有效同化對(duì)于龍卷的模式預(yù)報(bào)具有十分關(guān)鍵的影響。

此外，也有一些工作采用水平非均勻場(chǎng)的模擬研究地形在龍卷生成過(guò)程中的作用機(jī)制。比如，在同時(shí)受到山地和海氣作用影響的地中海沿岸地區(qū)，地形影響下的龍卷生成機(jī)制與美國(guó)大平原地區(qū)相比更加復(fù)雜。在降低山體高度以后，山后形成的龍卷超級(jí)單體逐漸減弱；當(dāng)山體高度降低至20%以下，背風(fēng)坡渦旋顯著減弱并不再形成超級(jí)單體[25]。而針對(duì)墨西哥一次罕見(jiàn)夜間龍卷過(guò)程的數(shù)值模擬研究則表明，適當(dāng)降低山體高度會(huì)使得對(duì)流增強(qiáng)，但山體高度繼續(xù)降低后對(duì)流不再生成[26]。

2 龍卷數(shù)值模擬的關(guān)鍵問(wèn)題和研究趨勢(shì)

2.1 龍卷的生成機(jī)制

目前比較成熟的理論認(rèn)為，典型的超級(jí)單體性龍卷的形成過(guò)程通常包含3個(gè)關(guān)鍵步驟：1）中層旋轉(zhuǎn)形成中層中氣旋，2）低層旋轉(zhuǎn)形成低層中氣旋，3）近地面旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)生成龍卷[27]。由于中層中氣旋的形成理論已然成熟，研究的焦點(diǎn)在于近地面旋轉(zhuǎn)的來(lái)源和增強(qiáng)機(jī)制[28]。有一些觀測(cè)和模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)了超級(jí)單體冷池所產(chǎn)生的斜壓區(qū)域?qū)埦砩蛇^(guò)程的重要影響[14,29-30]。斜壓理論強(qiáng)調(diào)了下沉氣流的動(dòng)力作用[31-32]。在該理論中，一個(gè)核心問(wèn)題是，相對(duì)于環(huán)境低層風(fēng)切變而言，冷池的強(qiáng)度必須適中：過(guò)弱的冷池不足以形成足夠的近地面渦旋，而過(guò)強(qiáng)的冷池則不利于近地面渦旋維持在中氣旋抽吸作用的范圍內(nèi)[13, 33]。

也有觀點(diǎn)認(rèn)為，經(jīng)典斜壓理論夸大了斜壓渦度生成機(jī)制的作用。在形成龍卷級(jí)別強(qiáng)渦旋的過(guò)程中，下墊面的拖曳作用可能起到?jīng)Q定性的影響[34]。對(duì)于渦度來(lái)源的診斷分析表明，摩擦力的引入會(huì)增強(qiáng)低層垂直風(fēng)切變產(chǎn)生近地面渦度，并進(jìn)一步增強(qiáng)低層中氣旋的輻合，顯著提升數(shù)值模擬中龍卷的強(qiáng)度[35]。除超級(jí)單體性龍卷以外，對(duì)于同樣可能產(chǎn)生龍卷以及近地面大風(fēng)的弓形回波系統(tǒng)（bow echo）的中渦旋結(jié)構(gòu)（mesovortex）的模擬研究也得到了相似的結(jié)果[36-37]。同時(shí)，在下墊面光滑的條件下，垂直渦度在收縮和增強(qiáng)的過(guò)程中會(huì)在達(dá)到旋衡風(fēng)平衡之后不再增長(zhǎng)，而摩擦力的存在則會(huì)破壞旋衡風(fēng)平衡，從而使龍卷渦旋繼續(xù)收縮，垂直渦度顯著加強(qiáng)[27]。這兩種理論的正確性和適用條件仍在爭(zhēng)議之中，目前尚無(wú)定論[38-39]。渦度來(lái)源和增長(zhǎng)機(jī)制的模擬分析仍然是龍卷前沿研究中的焦點(diǎn)。

2.2 湍流過(guò)程與大渦模擬

越來(lái)越多的工作表明，大渦模式的引入對(duì)于龍卷的數(shù)值模擬具有重要的促進(jìn)作用。Rotunno等[40]研究證實(shí)，龍卷模擬中的不穩(wěn)定性和湍流過(guò)程需要真實(shí)解析，僅僅采用大渦模擬和參數(shù)化方案會(huì)帶來(lái)較大差異。然而，現(xiàn)有的龍卷大渦模擬工作中存在的一個(gè)主要問(wèn)題在于，所模擬的流場(chǎng)中（特別是產(chǎn)生關(guān)鍵影響的龍卷低層入流）是否真實(shí)包含了“大渦”過(guò)程[38]。事實(shí)上，在大多數(shù)工作中，這一問(wèn)題的答案是否定的，即模擬中并未真正包含邊界層湍流性渦旋[8]。Bryan等[41]采用將湍流場(chǎng)獨(dú)立模擬并“注入”內(nèi)層網(wǎng)格的方案以保證大渦模式對(duì)渦旋的真實(shí)解析。采用該方案模擬得到的龍卷在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)大渦模擬存在顯著不同。該方案的驗(yàn)證、完善和推廣有助于促進(jìn)對(duì)于龍卷精細(xì)化結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。

基于上述方案，Nolan等[42]采用高度理想化的模擬方案首次研究了在完全解析湍流過(guò)程條件下龍卷渦旋的結(jié)構(gòu)，從而分析環(huán)境強(qiáng)迫機(jī)制、下墊面摩擦與龍卷渦度的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系。分析表明，龍卷內(nèi)部的大渦結(jié)構(gòu)會(huì)降低最大風(fēng)速位置的實(shí)際風(fēng)速，對(duì)龍卷結(jié)構(gòu)和演變過(guò)程的精細(xì)化數(shù)值模擬結(jié)果造成影響。

2.3 數(shù)值敏感性與可預(yù)報(bào)性

龍卷的數(shù)值模擬對(duì)于初始條件和物理參數(shù)化方案有著顯著的敏感性。比如，大量研究表明，龍卷近地面渦度的增強(qiáng)對(duì)云物理參數(shù)化方案的選取十分敏感[43-45]。云物理參數(shù)化方案會(huì)對(duì)數(shù)值模擬中風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和演變過(guò)程產(chǎn)生顯著影響[46]。三階矩（3-moment，又稱(chēng)三參數(shù)）微物理參數(shù)化方案的引入可以使得超級(jí)單體在回波結(jié)構(gòu)、冷池強(qiáng)度以及偏振參數(shù)方面與觀測(cè)更為接近[45,47]。Dawson等[43-44]研究證實(shí)，三階矩方案可以有效改進(jìn)對(duì)水汽相變潛熱釋放的模擬，進(jìn)而顯著調(diào)整龍卷低層入流的熱力性質(zhì)并最終影響龍卷垂直動(dòng)量收支及其對(duì)近地面渦旋的拉伸作用。

對(duì)于實(shí)際模式的龍卷數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)而言，目前最根本的制約還在于超級(jí)單體系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性局限。Markowski等[48]指出，在簡(jiǎn)化的理想環(huán)境下，超級(jí)單體和龍卷的模擬對(duì)于冷池強(qiáng)度和位置的差別都有著很強(qiáng)的敏感性。在實(shí)際模擬中該敏感性將很有可能更大，從而制約其可預(yù)報(bào)性。Zhang等[49]研究表明，模擬時(shí)間和地形設(shè)置等模式參數(shù)的微小改變?cè)趲仔r(shí)的積分過(guò)程中足以產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致龍卷性超級(jí)單體模擬結(jié)果的顯著差異。超級(jí)單體乃至于龍卷的數(shù)值模擬存在著難以克服的可預(yù)報(bào)性問(wèn)題[50]。因此，在實(shí)際的業(yè)務(wù)中，單一確定性預(yù)報(bào)可能是行不通的，而需要集合模式[51]來(lái)預(yù)報(bào)龍卷。

2.4 受損物殘骸與龍卷強(qiáng)度

在現(xiàn)有的模式構(gòu)架中，大氣中的塵埃和受損物殘骸并未予以考慮。然而，對(duì)于實(shí)際龍卷過(guò)程而言，其高度集中的殘骸含量會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響。Lewellen等[52]采用相互耦合的雙流體系統(tǒng)對(duì)氣流和殘骸分別進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)龍卷環(huán)流中殘骸與氣流之間的相互作用十分復(fù)雜，會(huì)造成多普勒天氣雷達(dá)對(duì)于龍卷結(jié)構(gòu)觀測(cè)的偏差。Bodine等[53]使用大量的拉格朗日粒子表征殘骸并進(jìn)行模擬和追蹤。研究表明，大量殘骸的存在對(duì)龍卷最大風(fēng)速的降低作用可以高達(dá)50%。也就是說(shuō)，現(xiàn)有的不包含受損物殘骸的模擬結(jié)果對(duì)龍卷風(fēng)場(chǎng)存在不可忽視的高估。

需要指出的是，實(shí)際龍卷災(zāi)害中，受損物殘骸的形狀、材質(zhì)和質(zhì)量等是復(fù)雜多樣的，難以通過(guò)統(tǒng)一的粒子模型進(jìn)行描述。同時(shí)，即使實(shí)際風(fēng)速下降，殘骸的存在可能會(huì)帶來(lái)相同甚至更大的沖量以及破壞力。更為重要的是，現(xiàn)有的龍卷強(qiáng)度和風(fēng)速估計(jì)主要以災(zāi)害指示物的受損情況與EF等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)所提供的風(fēng)速查算表為依據(jù)，而其中并未考慮（也難以考慮）殘骸存在對(duì)風(fēng)速和實(shí)際破壞力的影響，因此災(zāi)害調(diào)查中對(duì)于龍卷風(fēng)速的估計(jì)也可能存在系統(tǒng)性偏差。合理引入受損指示物殘骸的龍卷數(shù)值模擬對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)龍卷和龍卷等級(jí)評(píng)定而言有著重要意義。

3 結(jié)論與展望

隨著多普勒天氣雷達(dá)站網(wǎng)的建立，我國(guó)龍卷研究逐漸增多，探索龍卷時(shí)空分布特征和發(fā)生規(guī)律[54-55]。近年來(lái)，隨著重大龍卷過(guò)程的發(fā)生，精細(xì)化龍卷災(zāi)害調(diào)查工作開(kāi)始出現(xiàn)，我國(guó)龍卷災(zāi)情信息的完整性和科學(xué)性不斷提升[1,56-60]。有不少工作針對(duì)中氣旋和龍卷式渦旋特征（tornadic vortex signature，TVS）進(jìn)行分析[61-62]，并結(jié)合對(duì)天氣形勢(shì)和探空環(huán)境的診斷分析，研究了我國(guó)不同區(qū)域龍卷個(gè)例的特征[63]、發(fā)生機(jī)制[64-74]以及基于雷達(dá)產(chǎn)品的龍卷監(jiān)測(cè)和預(yù)警方法[75-79]。還有一些工作基于常規(guī)觀測(cè)和再分析資料研究我國(guó)龍卷的生成環(huán)境以及有利于龍卷形成的探空指標(biāo)[80-83]。然而，已有研究工作大多停留于天氣尺度的大氣環(huán)流形勢(shì)分析，受到觀測(cè)資料的限制只能達(dá)到鉤狀回波（hook echo）、中氣旋和TVS的尺度，難以深入到接近龍卷尺度的特征[84-86]。對(duì)龍卷本體結(jié)構(gòu)和演變的直接觀測(cè)仍然十分困難。以現(xiàn)有技術(shù)而言，基于觀測(cè)分析研究龍卷存在短期內(nèi)難以逾越的技術(shù)瓶頸。

在數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)有部分研究工作嘗試針對(duì)龍卷事件的天氣背景和環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行模擬[87-92]。近年來(lái)已有研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始引入資料同化和集合預(yù)報(bào)思想開(kāi)展更為精細(xì)的數(shù)值模擬，可以成功捕捉超級(jí)單體的生成和演變，并且以抬升螺旋度為標(biāo)準(zhǔn)考察中氣旋和近地面渦旋中心的增長(zhǎng)[49-50, 93]。然而，受到模擬技術(shù)和計(jì)算資源的限制，針對(duì)龍卷本體和漏斗云結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究依然十分缺少[18]。可分辨龍卷尺度的數(shù)值模擬目前仍然是我國(guó)龍卷研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)難題。

當(dāng)前，龍卷的研究主要存在以下3個(gè)方面的問(wèn)題。第一，現(xiàn)有的模擬工作往往難以深入到龍卷尺度，部分研究過(guò)度理想化。第二，國(guó)際上對(duì)于龍卷發(fā)生發(fā)展機(jī)理的現(xiàn)有認(rèn)知主要以美國(guó)龍卷個(gè)例為基礎(chǔ)，其規(guī)律是否適用于我國(guó)天氣氣候背景下的龍卷目前還沒(méi)有答案。同時(shí)，針對(duì)龍卷渦度來(lái)源的研究仍沒(méi)有定論，而對(duì)于龍卷維持和消亡的研究則更為不足。第三，我國(guó)的龍卷研究受到觀測(cè)資料和模擬手段的限制，難以深入到龍卷本體的精細(xì)化結(jié)構(gòu)。值得注意的是，我國(guó)龍卷的形成環(huán)境與美國(guó)大平原地區(qū)不同，切變和不穩(wěn)定能量往往較弱，而水汽條件則更為充足，并常伴隨有大范圍強(qiáng)降水發(fā)生。也就是說(shuō)，我國(guó)龍卷的冷池特征與美國(guó)經(jīng)典模型可能不同，其形成機(jī)制也很有可能存在差異。因此，對(duì)于我國(guó)龍卷的研究工作將很有可能對(duì)現(xiàn)有龍卷理論進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

在當(dāng)前條件下，通過(guò)理想模擬與實(shí)際模擬相結(jié)合的研究手段，開(kāi)展針對(duì)我國(guó)龍卷個(gè)例的數(shù)值模擬研究具有較大可行性，可以深入了解我國(guó)典型龍卷的發(fā)生機(jī)理和結(jié)構(gòu)演變，并與美國(guó)龍卷過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，得到我國(guó)典型氣候環(huán)境下的龍卷發(fā)生發(fā)展概念模型。這一方面可以增進(jìn)了解我國(guó)特殊的地理和天氣背景下龍卷的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，還將有可能完善國(guó)際上關(guān)于龍卷形成機(jī)制的現(xiàn)有理論體系，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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