2016年阜宁龙卷超级单体风暴及龙卷的数值模拟研究

【摘要】：2016年6月23日江苏省盐城市阜宁县出现了一次EF4级龙卷过程,共造成99人死亡,846人受伤,是1950年以来江苏省第二个EF4龙卷。本文利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)模式,采用水平分辨率分别为9 km、1 km、250 m和75 m的四层单向嵌套对该龙卷过程进行了数值模拟研究。在75-m网格成功模拟出一个EF4级龙卷,相较于实际阜宁龙卷过程,位置偏北约25 km,时间延后约30 min。利用敏感性试验研究了雷达资料同化和滴径分布(DSD)对龙卷风暴和龙卷模拟的影响,采用75-m分辨率模拟资料分析了龙卷的三维精细化结构,并结合涡度方程进行了涡度收支诊断,得到以下主要结论:(1)1 km分辨率可以满足模拟龙卷超级单体的要求,并且模拟的龙卷风暴结构比较清晰,有明显的钩状回波特征,但无法模拟龙卷涡旋和类龙卷涡旋(TLV)等中-γ尺度特征;250-m网格能模拟出TLVs,TLVs呈现单涡旋到双涡旋结构的演变,强度弱于龙卷涡旋强度;75-m网格下模拟的龙卷涡旋最初呈现单涡旋和双涡旋,最后演变为多涡旋结构。(2)雷达资料同化有利于龙卷风暴的模拟,同时同化雷达反射率和径向速度能在热力和动力方面改善龙卷风暴发生的环境条件,从而更早地产生龙卷风暴和强度较强的低层中气旋。(3)调整DSD对冷池范围和强度有明显影响,而对环境气流影响较小。当冷池具有合适的强度,冷池产生的地面出流和环境入流达到平衡,使低层与中层阵风锋移动相对一致,锋面倾斜较小,低层和中层中气旋中心在水平方向上距离相近,呈垂直结构;且阵风锋跟随龙卷风暴的中气旋稳定移动,为中气旋提供稳定、垂直的上升气流,增强中气旋对低层涡旋的抽吸作用,有利于龙卷产生。(4)龙卷涡旋生成机制方面,前侧阵风锋(FFGF)、后侧阵风锋(RFGF)以及后侧下沉气流(RFD)的次级出流产生一系列小涡旋,龙卷涡旋最初由若干个强度较强的小涡旋合并产生,在此过程中由涡旋合并产生的辐合以及辐合导致的强上升气流均对龙卷涡旋的增强起重要作用;涡旋合并后次级出流阵风锋产生的辐合进一步加强了龙卷涡旋强度。