徐敬涵, 冉令坤, 炎利军, 等. 2024. 台风“山竹”外围强龙卷的结构和机理分析[J]. 大气科学, 48(3): 843−858. XU Jinghan, RAN Lingkun, YAN Lijun, et al. 2024. Analysis of the Structure and Mechanism of the Tornado at the Periphery of Typhoon Mangkhut [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 48(3): 843−858.
DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2205.2203
龙卷是强烈旋转的空气柱，通常与超级单体风暴（supercell）相联系，其空间尺度小、生命史短暂、破坏力极强。提出了龙卷超级单体概念模型，指出超级单体内存在中部上升气流（UD）、前部下沉气流（FFD）和后部下沉气流（RFD），龙卷形成于UD和RFD之间的垂直速度水平梯度大值区。龙卷超级单体的另一个典型结构是后部云墙（Wall Cloud），主要由FFD内的蒸发冷却气流沿前侧阵风锋（FFGF）进入UD，上升过程中遇云底饱和的湿空气而形成。本文利用中尺度数值模式WRFV3.6.1对2018年9月17日上午发生在佛山市三水区的EF2级龙卷过程开展数值模拟，利用模式数据，分析了龙卷超级单体的结构特征，并对低层类龙卷涡旋TLV进行涡度方程的诊断分析，得到如下结论：
图 2018年9月17日02:00～02:30 49 m分辨率模拟的类龙卷涡旋（TLV）区域10 m（a）最大涡度（单位：s−1）、（b）最大风速（单位：m s−1）随时间的演变；（c）实况龙卷路径（红色折线）和49 m分辨率模拟的02:18 370 m高度雷达回波（填色，单位：dBZ）及240 m高度TLV路径（蓝色折线）。
（1）此次龙卷过程发生在有利的环境条件下，低层辐合高层辐散的流场创造了动力抬升条件，低层来自海洋的暖湿气流提供了充沛的水汽输送。弱的对流抑制能量、低的抬升凝结高度和大的风暴相对螺旋度反映了层结的不稳定性，表明了龙卷风暴发生的巨大潜势。
图 2018年09月17日02:18 49 m分辨率模拟的反射率沿112.82°E的经向剖面，单位：dBZ。
（2）此次龙卷由台风“山竹”螺旋雨带内的超级单体风暴产生。该单体自东南向西北方向移动，水平和垂直尺度均较小，质心高度较低。雷达回波图上，单体具有钩状回波、入流缺口、有界弱回波区和回波悬垂等典型特征。单体内部垂直环流由中部上升气流UD、前部下沉气流FFD和后部下沉气流RFD构成。水成物图上可见上冲云顶和向后伸展的云砧，两支触地水成物分别与强降水回波和钩状回波相对应。
（3）类龙卷涡旋TLV发生在低层上升气流UD和后部下沉气流RFD之间，随高度向西北方向倾斜。发展期TLV中心垂直涡度快速增大至0.3 s−1以上，水平方向直径缩小，垂直方向向上伸展。成熟期内部为下沉气流，外部为上升气流，涡度大值区集中在TLV东侧，呈半环状，强度总体上有减弱趋势。
图 2018年09月17日02:18 49 m分辨率模拟的经（23.24°N，112.83°E）的水成物混合比（填色，单位：g kg−1）、垂直涡度（蓝色等值线，从外到内数值为0.04、0.08、0.12、0.16、0.20 s−1）、风场（矢量，垂直速度扩大至15倍，单位：m s−1）的西北—东南向剖面，红线为RFD大致范围。
（4）涡度方程反映了水平涡管扭转为垂直涡管和涡度的垂直拉伸这两种物理过程对垂直涡度的贡献，揭示了TLV发生发展的关键物理过程。涡度方程诊断分析表明，初始阶段和发展阶段，TLV在两项共同作用下，由近地面自下而上发展，其中扭转项随着升降气流的加强而急剧增大，对TLV的加强上传更为关键；成熟阶段，TLV内部下沉、外部上升的结构及其随高度向西北方向倾斜的形态导致拉伸项呈东南正、西北负分布，主导了TLV的强度和形态变化，扭转项则起到弱的抑制作用；减弱阶段，TLV的消散与升降气流的减弱分离有关。
图 根据模拟结果得出的TLV概念模型。
本文成功模拟了龙卷母体风暴和产生龙卷的TLV系统，TLV的位置、移向和生命史均和实际龙卷十分相似。本文与上述文献的差异在于，本文主要关注类龙卷涡旋系统的精细化结构演变，利用涡度方程诊断分析了类龙卷涡旋TLV强度和形态变化的原因，揭示了拉伸项在龙卷形成过程中的重要作用。在以往研究中，拉伸项通常表现为上升运动随高度增强引起的涡度在垂直方向的拉伸，本文指出TLV随高度的倾斜也是拉伸项产生的重要原因，具体表现为TLV成熟期具有内部下沉、外部上升的结构，在TLV沿倾斜方向一侧（下界面）拉伸项为负，涡度减小，倾斜方向的反方向一侧（上界面）拉伸项为正，涡度增大。
