劉達(dá)之 姚聃,2 梁旭東

(1.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081; 2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

引言

龍卷是破壞力極強的小尺度系統(tǒng)，其發(fā)生往往造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，產(chǎn)生重大社會影響[1-5]。龍卷的預(yù)報預(yù)警是氣象科研和業(yè)務(wù)中急需解決的關(guān)鍵性難題[6]。龍卷預(yù)警主要依靠多普勒雷達(dá)對于中氣旋和龍卷渦旋特征(Tornadic Vortex Signature，TVS)的識別。2016年，中國氣象局啟動了龍卷預(yù)警業(yè)務(wù)體系建設(shè)試驗[7]，近幾年該試驗取得了初步成效[8]，并已在2021年5月14日江蘇蘇州、湖北武漢兩例EF3級強龍卷等重大災(zāi)害性天氣過程的預(yù)警中發(fā)揮了重要作用。廣東佛山市龍卷風(fēng)研究中心也開展了針對龍卷的預(yù)警業(yè)務(wù)[9-10]。然而，基于雷達(dá)監(jiān)測的預(yù)警在龍卷母體風(fēng)暴生成和發(fā)展以后才能發(fā)現(xiàn)，預(yù)警時效較短，難以滿足龍卷災(zāi)害防御的需求。

龍卷預(yù)報主要依賴于數(shù)值模式對于龍卷母體風(fēng)暴及其所產(chǎn)生環(huán)境條件的模擬和預(yù)報。數(shù)值模擬對于提高龍卷的預(yù)報時效具有重要意義，但相關(guān)研究難度較大[11]，主要原因有3點：①針對龍卷尺度的模擬技術(shù)和高時空分辨率所需運算資源的限制;②針對龍卷復(fù)雜結(jié)構(gòu)和發(fā)生機理的認(rèn)知不足；③龍卷過程可預(yù)報性的局限。強對流系統(tǒng)的觸發(fā)在數(shù)值模擬和預(yù)報中是難點，尺度更小的龍卷過程和機制則較為復(fù)雜，需要以典型個例作為切入點，開展深入的系統(tǒng)研究。Hanley等[12]以造成嚴(yán)重傷亡的2013年5月20日美國俄克拉荷馬州Moore市EF5級龍卷為切入點，使用100 m分辨率成功模擬出龍卷超級單體以及近地面強風(fēng)，但資料同化的缺少造成位置和時間偏差明顯。Snook等[13]利用集合卡爾曼濾波(Ensemble Kalman Filter，EnKF)同化雷達(dá)資料，成功通過大渦模擬再現(xiàn)出了50 m分辨率的龍卷結(jié)構(gòu)，并基于集合預(yù)報試驗分析了龍卷路徑和強度對于模式的高度敏感性。Zhang等[14-15]同樣以EnKF為基礎(chǔ)，研究模式微小差異在風(fēng)暴發(fā)展期間的非線性增長，并從實際和可預(yù)報性的角度分析了龍卷超級單體數(shù)值模擬和預(yù)報所面臨的核心問題。以上研究為龍卷的數(shù)值模擬和預(yù)報可行性提供了有利參考。

2016年6月23日，江蘇鹽城發(fā)生強度達(dá)到EF4級的超強龍卷過程，在阜寧縣造成98人死亡[2]，是該地區(qū)40多年以來最嚴(yán)重的一次龍卷災(zāi)害[16]。針對該龍卷過程，學(xué)者們采用不同方法開展了數(shù)值模擬研究。Yao等[17]以WRF模式所模擬的環(huán)境場提取垂直廓線生成理想化初始場，驅(qū)動CM1模式開展25 m分辨率的大渦模擬，研究精細(xì)化的龍卷漏斗云三維結(jié)構(gòu)及其演變過程。Sun等[18]采用WRF模式進行龍卷模擬對水平分辨率的依賴性研究，指出在49 m網(wǎng)格上通過大渦模擬可以解析龍卷結(jié)構(gòu)。該結(jié)果為進一步開展的龍卷結(jié)構(gòu)和發(fā)生機理研究提供了參考，但其較大的計算資源消耗難以應(yīng)用于業(yè)務(wù)預(yù)報，同時龍卷發(fā)生位置和時間存在偏差。以雷達(dá)資料同化為基礎(chǔ)，陳鋒等[19]利用雷達(dá)反射率以及徑向風(fēng)資料，對比同化不同資料的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)同化徑向速度的方案能顯著改進阜寧附近渦旋的發(fā)生、發(fā)展過程模擬。李佳等[20]利用華東區(qū)域模式快速循環(huán)同化系統(tǒng)，對阜寧龍卷天氣過程進行模擬，預(yù)報時效為30 min，模擬出具有一定強度的對流單體。但這兩個研究僅使用3 km分辨率進行模擬，并沒有分析在此環(huán)境場能否產(chǎn)生龍卷。

以上研究表明，龍卷的數(shù)值模擬既需要資料同化的改進以減小誤差，也需要百米量級分辨率以解析龍卷尺度結(jié)構(gòu)，龍卷的數(shù)值預(yù)報則更需要在此基礎(chǔ)上兼顧運算效率。本研究基于WRF模式與四維變分同化方案(4DVar)系統(tǒng)，同化高時空分辨率的地面觀測和雷達(dá)徑向風(fēng)資料，開展龍卷可分辨尺度大渦模擬，分析阜寧龍卷及其母體風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展過程，并探討基于粗分辨率判斷龍卷發(fā)生條件的可能，以期為龍卷預(yù)報提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

模式初始場選用了NCEP/GFS再分析資料2016年6月23日03:00 UTC預(yù)報場，以開展2016年6月23日阜寧龍卷的模擬。同化所使用的資料包括全國地面2063站逐小時觀測(氣壓/海平面氣壓、氣溫、露點溫度、2 min平均風(fēng)向和風(fēng)速)以及14部多普勒天氣雷達(dá)(鹽城、連云港、淮安、上海青浦、南京、南通、常州、泰州、宿遷、臨沂、合肥、蚌埠、馬鞍山、銅陵)。天氣形勢分析選用NCEP/FNL最終分析資料。累積降水和地面風(fēng)場分析使用了江蘇省內(nèi)地面分鐘級觀測資料。雷達(dá)觀測分析使用了江蘇、淮安、連云港3部雷達(dá)進行資料合成。

1.2 試驗設(shè)計

采用WRF模式3.9版本，最外層網(wǎng)格的中心點位置為33°N、115°E，水平分辨率為9 km。模擬分為基礎(chǔ)試驗和加密試驗，基礎(chǔ)試驗向內(nèi)依次嵌套3 km，1 km和333 m網(wǎng)格，共計四重。加密試驗分別針對模擬出的兩個對流單體繼續(xù)嵌套111 m最內(nèi)層網(wǎng)格，共計五重(圖1)。垂直方向共設(shè)置51層，其中最低層高度約為33 m。

在物理過程參數(shù)化方面，基于對前人研究[18-20]的綜合測試比較，選取了Morrison雙參云物理方案、RRTMG短波和長波輻射方案、Pleim-Xiu 近地面層方案和陸面過程計算方案、ACM2邊界層方案以及SGS湍流參數(shù)化方案組合，關(guān)閉了積云參數(shù)化。在333 m和111 m分辨率區(qū)域采用大渦模擬。

D01～D04區(qū)域水平分辨率依次為9 km、3 km、1 km和333 m，D05、D06分別為對單體1和單體2進行加密的區(qū)域水平分辨率111 m的最內(nèi)層網(wǎng)格圖1 模式區(qū)域設(shè)置Fig.1 Mode region settings

采用WRF模式的4DVar系統(tǒng)開展同化試驗。在03:00—04:00 UTC同化窗內(nèi)，將初始場與全國地面逐小時觀測資料以及周邊區(qū)域雷達(dá)反演風(fēng)場數(shù)據(jù)融合。雷達(dá)徑向速度的處理采用Liang等[21]的方法，反演產(chǎn)品水平分辨率為0.1°、垂直分辨率為500 m、垂直方向為15層、時間間隔為12 min的三維風(fēng)場資料。

1.3 診斷參量

龍卷的模擬中，兩個常用的垂直積分參量容易混淆，表征龍卷生成環(huán)境條件的風(fēng)暴相對螺旋度(Storm Relative Helicity，SRH)和表征風(fēng)暴單體中旋轉(zhuǎn)強度的上升氣流螺旋度(Updraft Helicity，UH)。SRH為指定垂直層次內(nèi)(通常取0～3 km)水平風(fēng)的垂直切變及其旋轉(zhuǎn)程度[22]，最初用于龍卷臨近探空曲線的診斷，也可以用于判定分析模式場中有利于龍卷生成的范圍。UH計算的則是指定垂直層次內(nèi)(通常選取2～5 km)渦度與垂直速度的乘積[23]，用于表征三維風(fēng)場中已經(jīng)形成的旋轉(zhuǎn)上升氣流的強度，適用于模式分辨率難以解析龍卷的情況下，判定中氣旋及龍卷可能發(fā)生的位置和路徑。

此外，對于龍卷可分辨尺度模擬而言，類龍卷渦旋可以直接作為龍卷近地面環(huán)流的表征。參照Schenkman等[24]研究，本文采用的類龍卷渦旋標(biāo)準(zhǔn)為：低層存在閉合環(huán)流，持續(xù)時間不低于2 min，中心最大垂直渦度大于0.2 s-1，且水平風(fēng)速不小于29 m·s-1。

2 結(jié)果分析

2.1 阜寧龍卷概況

2016年6月23日阜寧龍卷發(fā)生在中國東部的梅雨期，其天氣背景有利于暴雨發(fā)生[25]。地面暖鋒南側(cè)高溫、高濕的不穩(wěn)定氣層提供了良好的熱力條件，高低空急流的耦合提供了良好的動力配置。由NCEP/FNL資料可知(圖2a和圖2b)，伴隨東北冷渦的槽線南端位于渤海灣。阜寧在西太平洋副熱帶高壓北側(cè)，低空受西南暖濕氣流影響，濕度達(dá)80%。而在對流層中上層，江蘇北部受東北氣流控制，高低空不同性質(zhì)的氣流加劇了層結(jié)不穩(wěn)定。這些有利環(huán)境條件在資料同化過程中均得到了改善(圖2c和圖2d)。

陰影區(qū)為850 hPa濕度，單位為%；黑色實線為500 hPa位勢高度，單位為gpm；紅色虛線為500 hPa溫度，單位為℃；箭頭為850 hPa風(fēng)場；藍(lán)色三角為鹽城阜寧縣位置圖2 2016年6月23日 00:00 UTC(a)、06:00 UTC(b)FNL最終分析資料、以及同化前(c)與同化后(d)06:00 UTC高空形勢場模擬結(jié)果Fig.2 FNL final analysis data on 0000 UTC (a) and 0600 UTC (b),and the high-level field on 0600 UTC in pre-assimilation (c) and post-assimilation (d) simulation results on June 23,2016

此次阜寧龍卷發(fā)生于超級單體中，該超級單體位于西北—東南走向的線狀中尺度對流系統(tǒng)南端[4]，與2012年7月21日北京通州張家灣龍卷相似[26]。觀測資料表明，05:00—06:00 UTC時段降水達(dá)到最強，分南北兩個降水極值中心，偏南側(cè)的降水中心影響阜寧，1 h累積降水量達(dá)到25 mm以上；06:00—07:00 UTC降水區(qū)仍然影響阜寧，但強度有所減弱。產(chǎn)生龍卷的超級單體并未發(fā)生在最強降水區(qū)，但地面風(fēng)場有明顯的輻合中心。

產(chǎn)生龍卷的超級單體在發(fā)生發(fā)展過程中先后與多個對流單體合并，其低層有鉤狀回波和入流缺口，可識別出中氣旋和龍卷渦旋特征(TVS)[27]。根據(jù)鹽城、連云港、淮安雷達(dá)合成的1.5 km高度反射率因子，06:00—06:36 UTC，對流系統(tǒng)整體向東北方向移動，區(qū)域內(nèi)具有南北兩個強度達(dá)50 dBz的對流單體，南側(cè)對流單體即為產(chǎn)生龍卷的超級單體。

2.2 龍卷超級單體模擬結(jié)果

觀測資料同化前，2016年6月23日各高度背景場為均勻的偏南風(fēng)。觀測資料同化后，分析場中出現(xiàn)了明顯的中尺度渦旋場。在分析場850 hPa上，山東南部、江蘇北部、渤海灣出現(xiàn)閉合氣旋性風(fēng)場。江蘇境內(nèi)各高度偏北風(fēng)分量明顯增強(圖略)，這使得北方冷空氣進一步南壓，與南方暖濕氣流交匯，促進對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展。降水方面，對比同化前后初始場預(yù)報6 h累計降水可知，同化前，在阜寧附近沒有降水，而同化后出現(xiàn)了降水集中區(qū)域，與觀測更為接近(圖3)。

陰影區(qū)為6 h累積降水量；紅框標(biāo)記所關(guān)注區(qū)域；黑點為阜寧龍卷發(fā)生位置圖3 2016年6月23日03:00—09:00 UTC同化前(a)和同化后(b)模擬的累積降水量及阜寧地區(qū)累積降水量觀測實況(c)Fig.3 Pre-assimilation (a) and post-assimilation (b) simulated accumulated precipitation at 0300-0900 UTC and observations in Funing region (c) on June 23,2016

圖3紅色方框內(nèi)，1.5 km高度上06:30 UTC雷達(dá)反射率因子表明，有兩個對流單體，分別命名為單體1和單體2(圖4)。06:30 UTC，單體2影響阜寧，強度為40 dBz，在時間和空間上與觀測值十分接近。單體1位于阜寧以西，最大回波強度略大于單體2。加密試驗中，盡管單體2是較強的對流單體，但沒有出現(xiàn)類龍卷渦旋。單體1生成了類龍卷渦旋，并出現(xiàn)明顯的鉤狀回波、風(fēng)場輻合和強的上升氣流螺旋度(UH)(圖5)?；A(chǔ)試驗中，單體1的雷達(dá)反射率因子與UH隨時間不斷增強。08:30 UTC，雖然滯后于龍卷發(fā)生的實際時間，但該單體產(chǎn)生了較強的UH并伴有低層風(fēng)的氣旋性輻合，風(fēng)速大于20 m·s-1。在形態(tài)上，單體1的形態(tài)呈鉤狀回波特征。

陰影區(qū)為1.5 km高度雷達(dá)反射率因子；紅色方框分別標(biāo)記單體1和單體2；黑點為阜寧龍卷發(fā)生位置圖4 2016年6月23日06：30 UTC同化后模擬的阜寧地區(qū)雷達(dá)反射率因子Fig.4 Radar reflectance factors at 0630 UTC in post-assimilation simulation in Funning region on June 23,2016

加密試驗的大渦模擬表明，08:30 UTC該單體具有明顯的鉤狀回波結(jié)構(gòu)，并伴有UH大值區(qū)(圖6a和圖6c)，說明存在強烈旋轉(zhuǎn)上升氣流。UH大于400 m2·s-2的極值區(qū)沿著鉤狀回波尾端外側(cè)的輻合線呈環(huán)狀分布，最大值已超過1200 m2·s-2。08:28—08:34 UTC,200 m高度垂直渦度以及模式最低層風(fēng)場逐2 min時間演變表明(圖7)，這個時間段內(nèi)，渦度場分布呈圓環(huán)狀，08:30 UTC渦度最大值達(dá)0.2 s-1并維持4 min，08:30—08:34 UTC渦度極值區(qū)周邊的風(fēng)速達(dá)40 m·s-1，并形成閉合環(huán)流，符合類龍卷渦旋特征。

單體2在基礎(chǔ)試驗和加密試驗中，單體2發(fā)展最強的時段(06:20—06:40 UTC)內(nèi)均未出現(xiàn)鉤狀回波、大于50 m2·s-2的UH或風(fēng)場的氣旋性輻合，無類龍卷渦旋生成。

在阜寧龍卷的已有研究中，Sun等[18]采用未同化觀測資料模擬出了龍卷渦旋結(jié)構(gòu)，07:12 UTC該龍卷渦度中心在144 m水平分辨率上，位于34°11.5′N、118°45′E，與阜寧龍卷相比，時間偏晚、位置偏北。在李佳等[19]、陳鋒等[20]采用資料同化的研究中，阜寧龍卷周邊區(qū)域，在相近的時間出現(xiàn)了較強的對流系統(tǒng)，但沒有模擬出類龍卷渦旋。本文中，資料同化后得到了與阜寧龍卷發(fā)生位置和時間相近的較強對流單體(單體2)，但對其采用高分辨率加密不能模擬出類龍卷渦旋。而在西側(cè)區(qū)域較晚的時間，在對單體1加密后模擬出了類龍卷渦旋。

因此，通過資料同化改進初始場，形成有利于龍卷發(fā)生的環(huán)境場，有利于模擬出類龍卷渦旋。對于龍卷發(fā)生的具體時間和位置，仍具有較大的不確定性。對于以NCEP/GFS預(yù)報場為基礎(chǔ)，嘗試對龍卷進行模擬和預(yù)報的目標(biāo)而言，通過資料同化可以提高對流觸發(fā)及龍卷預(yù)報的技巧，也表明模擬結(jié)果與預(yù)報業(yè)務(wù)目標(biāo)存在較大差距。

陰影區(qū)為1.5 km高度雷達(dá)反射率因子；箭頭為最低層風(fēng)場，等值線UH=800 m2·s-2圖5 2016年6月23日08:20UTC (a)、08:30 UTC (b)、08:40 UTC (c) 阜寧地區(qū)333 m分辨率網(wǎng)格單體1對應(yīng)的雷達(dá)反射率因子、最低層風(fēng)場及上升氣流螺旋度Fig.5 Radar reflectivity factor,wind at the first model level,and updraft helicity of convective cell 1 at 0820 UTC (a),0830 UTC (b) and 0840 UTC (c) on the 333 m grid on June 23,2016 of Funing region

圖a和圖b陰影區(qū)為1.5 km高度雷達(dá)反射率因子；圖c和圖d陰影區(qū)為上升氣流螺旋度；箭頭為最低層風(fēng)場；等值線為40 dBz雷達(dá)反射率因子；圖c和圖d分別為圖a和圖b中黑框范圍圖6 2016年6月23日阜寧地區(qū)111 m分辨率網(wǎng)格雙向嵌套(a)、單向嵌套(b)單體1對應(yīng)的雷達(dá)反射率因子、圖a黑框區(qū)域(c)、圖b黑框區(qū)域(d)最低層風(fēng)場及上升氣流螺旋度Fig.6 Radar reflectivity factor,lowest layer wind and updraft helicity of convective cell 1 in two-way (a) ,one-way(b),black box area of figure 6a (c) and figure 6b (d) nesting on the 111 m grid on June 23,2016 of Funing region

2.3 影響龍卷生成的多尺度條件

2.3.1 有利龍卷生成的環(huán)境條件

不穩(wěn)定能量方面，在模式的起報初始時間(2016年6月23日03:00 UTC)，包括鹽城阜寧區(qū)域在內(nèi)，江蘇大部分區(qū)域CAPE值達(dá)2000 J·kg-1以上(圖略)，超過了龍卷性超級單體發(fā)生條件的中位數(shù)(約1800 J·kg-1)[28]，表明環(huán)境場具備充足的不穩(wěn)定能量。CAPE是龍卷性超級單體生成的基本前提條件，雖然阜寧當(dāng)日大部分區(qū)域CAPE值均超過龍卷性超級單體發(fā)生的中位數(shù)，此次阜寧龍卷并未發(fā)生在CAPE值最大的區(qū)域。

水平風(fēng)矢量的垂直切變方面，單體1和單體2所在區(qū)域的環(huán)境，0～6 km切變均已超過20 m·s-1，而0～1 km切變則差異明顯(圖略)。據(jù)Thompson等[28]統(tǒng)計，0～6 km垂直風(fēng)切變在超級單體與非超級單體間差異顯著，超級單體0～6 km切變中位數(shù)約為22 m·s-1；而強龍卷、弱龍卷、非龍卷性超級單體以及非超級單體對流的0～1 km切變中位數(shù)分別為9.8 m·s-1、8.1 m·s-1、6.4 m·s-1和2.9 m·s-1。本研究中，單體1的0～1 km垂直風(fēng)切變在05:30—07:00 UTC為5～7 m·s-1，在07:10—08:00 UTC為8～15 m·s-1，而單體2在05:30—06:00 UTC僅為1～2 m·s-1。即單體1的環(huán)境有利于龍卷超級單體生成，而單體2的環(huán)境更有利于非超級單體對流的生成。兩個對流單體0～6 km垂直風(fēng)切變均有利于超級單體發(fā)生，但僅在單體1及其周邊范圍內(nèi)，0～1 km垂直風(fēng)切變有利于龍卷的發(fā)生。

相對于低層垂直風(fēng)切變而言，風(fēng)暴相對螺旋度(SRH)則更集中在單體1附近范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出區(qū)別于周邊區(qū)域有利于龍卷生成的環(huán)境(圖8)。 單體1的SRH達(dá)100 m2·s-2以上，單體2的SRH不足25 m2·s-2。根據(jù)Thompson等[28]統(tǒng)計，強龍卷、弱龍卷和非龍卷超級單體的SRH中位數(shù)依次為223 m2·s-2、184 m2·s-2和146 m2·s-2。此次阜寧龍卷SRH隨模擬分辨率提升而提高，但整體分布不變。3 km分辨率中單體1的SRH07:50 UTC超過100 m2·s-2，1 km分辨率達(dá)200 m2·s-2，333 m分辨率達(dá)225 m2·s-2，但是空間分布沒有發(fā)生變化。與之相比，單體2的SRH整個階段在各分辨率區(qū)域均未達(dá)到25 m2·s-2。

陰影區(qū)為0～3 km SRH；三角形(正方形)為單體1(單體2)達(dá)到回波強度最大值位置圖8 2016年6月23日07:50 UTC 3 km(a)、1 km(b)、333 m(c)、111 m(d)、08:00 UTC 3 km(e)、1 km(f)、333 m(g)、111 m(h)、08:10 UTC 3 km(i)、1 km(j)、333 m(k)、111 m(l)分辨率網(wǎng)格阜寧地區(qū)風(fēng)暴相對螺旋度變化Fig.8 Temporal variations in SRH at 0750UTC in grid resolution of 3 km (a),1 km (b),333 m (c) and 111 m (d),0800 UTC in grid resolution of 3 km (e),1 km (f),333 m (g) and 111 m (h),0810 UTC in grid resolution of 3 km (i),1 km (j),333 m (k) and 111 m (l) in Funing region on June 23,2016

此次阜寧龍卷模擬，單體1和單體2前期為強度相似的兩個對流單體。即使在3 km分辨率下，也已表明其中一個單體所在環(huán)境場更有利于龍卷的發(fā)生。這種環(huán)境場的差異，單體1在高分辨率模擬區(qū)域中心出現(xiàn)了類龍卷渦旋。模式分辨率的提升，使得SRH的量值增大，但在分布上沒有明顯差異。表明SRH對于龍卷的生成具有指示性，且在不使用高分辨率的條件下，就可以通過環(huán)境場的模擬分析，為能否生成龍卷提供預(yù)報依據(jù)。這體現(xiàn)了基于數(shù)值模式開展龍卷預(yù)報(如潛勢聯(lián)合概率預(yù)報[29])的可能。

2.3.2 小尺度系統(tǒng)的反饋作用

具備了有利的環(huán)境條件，龍卷不一定發(fā)生，且其中所涉及的過程較為復(fù)雜。為說明這一現(xiàn)象，通過對比測試，分析在完全相同的環(huán)境條件下，單向嵌套網(wǎng)格與雙向嵌套網(wǎng)格所產(chǎn)生模擬結(jié)果之間的差異。即在以上針對單體1加密試驗的基礎(chǔ)上，關(guān)閉內(nèi)層網(wǎng)格對外層網(wǎng)格的反饋，分析高分辨率模擬產(chǎn)生的小尺度過程對龍卷超級單體的影響。

采用單向嵌套后，加密試驗的1.5 km高度，UH最大值達(dá)600 m2·s-2(圖6b和圖6d)，遠(yuǎn)低于雙向嵌套試驗中UH最大值(圖6a和圖6c)。在1.5 km高度回波反射率因子形態(tài)結(jié)構(gòu)上未出現(xiàn)明顯鉤狀回波，未出現(xiàn)持續(xù)時間超2 min、強度大于0.2 s-1的垂直渦度，未達(dá)到類龍卷渦旋標(biāo)準(zhǔn)。對比1 km、333 m和111 m不同分辨率下模式最低層最大垂直渦度可知(圖9)，隨著分辨率的提高，垂直渦度的強度也逐步提高?？傮w上，雙向嵌套的垂直渦度大于單向嵌套的垂直渦度。111 m分辨率下，雙向嵌套下垂直渦度的最大值于08:30 UTC達(dá)到0.2 s-1，維持4 min。單向嵌套時僅在08:40 UTC后有短暫的時間段達(dá)到0.2 s-1。

圖9 2016年6月23日不同分辨率雙向嵌套與單向嵌套的垂直渦度最大值變化Fig.9 Temporal variations in the maximum vertical vorticity of two-way and one-way nesting on June 23,2016

以上結(jié)果表明，即使在環(huán)境條件有利于龍卷生成的情況下，類龍卷渦旋的生成也需要小尺度系統(tǒng)的反饋作用，甚至超級單體的維持和發(fā)展也可能受到影響。這其中可能反映了龍卷生成理論中近地面渦旋增強機制的作用[11]，以及摩擦和湍流等物理過程的影響[24]。

3 結(jié)論與討論

(1)同化高頻次的地面觀測和雷達(dá)風(fēng)場資料，能有效改進模式初始場，優(yōu)化環(huán)境條件的模擬，從而提升強對流系統(tǒng)生成位置和持續(xù)時間的模擬效果，以及對生成龍卷的超級單體風(fēng)暴發(fā)生、發(fā)展的模擬能力。

(2)盡管風(fēng)暴相對螺旋度等環(huán)境參量值隨模式分辨率有所提高，但其空間分布并無顯著差異。與對流有效位能(CAPE)和垂直風(fēng)切變相比，風(fēng)暴相對螺旋度的高值分布更為集中，是區(qū)分相似對流單體能否產(chǎn)生龍卷的較好指示因子。

(3)復(fù)雜的小尺度過程對龍卷的實際發(fā)生具有重要影響。在缺少小尺度系統(tǒng)的反饋作用時，即使有利于龍卷生成的環(huán)境場也可能模擬不出類龍卷渦旋。這既涉及龍卷發(fā)生的復(fù)雜機理，也對龍卷預(yù)報具有重要參考意義，需深入開展研究。

(4)基于數(shù)值模式開展龍卷預(yù)報的主要難點在于，風(fēng)暴單體的對流觸發(fā)問題已十分復(fù)雜，在此基礎(chǔ)上還要準(zhǔn)確篩選出可能產(chǎn)生龍卷的單體。在此過程中，無論大尺度環(huán)境場、中尺度母體風(fēng)暴還是小尺度龍卷的觸發(fā)，均存在難以忽視的不確定性和可預(yù)報性問題[6]。開展基于集合的數(shù)值模擬研究很可能是解決龍卷模式預(yù)報難題的有效途徑。