白 华 袁 潮 潘 晓 杨 磊6） 李得勤

1）（中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳 110166）

2）（辽宁省沈阳市气象局，沈阳 110068） 3）（沈阳农业大学农学院，沈阳 110866）

4）（辽宁省康平县气象局，沈阳 110500） 5）（辽宁省盘锦市气象局，盘锦 124010）

6）（辽宁省气象灾害监测预警中心，沈阳 110166）

引 言

龙卷是从积雨云底伸向地面或水面高速旋转的漏斗状云柱，其尺度小、突发性强，常造成灾害［1-2］。辽宁省是我国龙卷多发区之一［1，3-4］，由于预警能力低，人口密集，曾多次造成严重灾害［5-6］。

从龙卷产生的物理机制通常可将龙卷分为超级单体龙卷（也称中气旋龙卷）和非超级单体龙卷（或称非中气旋龙卷）［7］。超级单体龙卷中气旋的涡度来自超级单体中的上升气流对环境场水平涡度的倾斜和拉伸作用，中层中气旋形成后，超级单体后侧下沉气流对水平涡管的动力作用，即下沉气流导致的涡管倾斜将中层的涡旋压低至近地层，从而形成龙卷涡旋［8］。非超级单体龙卷可分为两类：第1类出现在飑线或弓形回波前部的γ中尺度涡旋内，是准线状对流系统前侧的出流形成的水平涡管，被下沉气流［9］或上升气流［10］扭曲而形成；第2类非超级单体龙卷起源于水平切变不稳定导致的边界层辐合线上的小涡旋，在对流系统上升气流的拉伸作用下，低层涡旋的垂直涡度迅速增强，从而形成龙卷［11］。中国EF1及以上级别龙卷的雷暴母体中，超级单体占85%以上［12］。研究发现，虽然龙卷通常产生于强对流有效位能和垂直风切变的环境背景下［13］，但非龙卷超级单体和龙卷超级单体在对流有效位能和0～6 km 垂直风切变分布特征方面无明显差异［14］。Brooks等［15］根据探空数据和再分析数据指出，对流有效位能、低层垂直风切变、抬升凝结高度、中层垂直温度递减率等环境参数能有效区分龙卷与非龙卷风暴产生的环境条件，利用这些参数的组合，可改进龙卷潜势预报［16］。

天气尺度环境提供了有利于产生龙卷风暴的环境背景［17-19］。美国是龙卷发生最多的国家，其中南部平原被称为龙卷走廊，温带气旋、锋面系统、高空槽及其所伴随的急流有利于该地区龙卷发生［20-21］。国外学者对龙卷爆发与天气尺度特征的关系开展了大量统计分析［22-25］。Mercer等［23］应用聚类分析方法对龙卷爆发的环流背景进行天气学分型，指出龙卷爆发通常对应更强的高空槽及低层暖平流，同时高风暴相对螺旋度（storm relative helicity，SRH）对龙卷爆发有较好的指示意义。温带气旋水平尺度上千千米，时间尺度在几日至1周左右，在中纬度地区的南北强温度梯度的斜压锋区上发展［26-27］。在美国，大量龙卷出现在温带气旋暖区（低气压中心以南，在冷锋和暖锋之间的区域）［17，28］。温带气旋暖区提供有利于超级单体发生的环境，位于温带气旋中心附近的高空急流加强了深层垂直风切变，并携带大量干冷空气，而低空偏南风则向暖区输送暖湿空气，使抬升凝结高度降低且低层垂直风切变强，同时也造成上干冷下暖湿的不稳定大气层结。强烈的风垂直切变通过水平涡度倾斜促进中气旋形成，有利于产生龙卷。因此，温带气旋暖区成为龙卷爆发的有利区域［17］。Shafer等［24］对50次有龙卷爆发的温带气旋和50次无龙卷爆发的温带气旋进行数值模拟，研究两者之间天气特征差异，发现以垂直风切变为代表的动力学参数可有效区分两者。在日本大量龙卷也与温带气旋有关，Niino等［29］统计发现日本46%的龙卷伴随着温带气旋形成，其中34%是在暖区形成。在我国，温带气旋同样是造成暴雨（雪）、强对流等灾害的主要天气尺度系统［30-34］，目前温带气旋与龙卷生成的相关性研究尚未形成共识。

我国产生龙卷的环流背景分为热带气旋和西风带系统两类，西风带系统主要包括梅雨和冷涡天气背景［2］。人们基于多源观测数据对此开展了大量研究，也总结出不同天气背景下龙卷产生的环境参数特 征［5，35］。王 秀明等［35］通 过13个 典 型 个 例 分 析 指出，绝大多数东北龙卷发生在冷涡背景下，冷涡后部短波槽为直接影响系统，环境条件表现出温度直减率大、高低空风垂直切变强而低层湿度较小的特点。才奎志等［5］对1951—2020年辽宁省冷涡背景下龙卷的环境参数进行统计，并与热带气旋龙卷进行对比，发现冷涡龙卷的对流有效位能是热带气旋龙卷的3倍左右，但风暴相对螺旋度仅为热带气旋龙卷的一半。上述研究主要着眼于产生龙卷的环境参数阈值及中层大尺度环境背景，而近地面天气系统直接制约大气低层的温湿条件，对龙卷的产生起到至关 重 要 的 作 用［2，17，36］。事 实 上 相 比 于 台 风 龙卷［37-40］，大量个例研究表明：我国东北地区龙卷的产生与温带气旋关系密切［41-44］，但目前基于大样本的温带气旋龙卷的详细分析鲜见报道。基于以上事实，本文主要分析辽宁省温带气旋龙卷的环境背景和结构特征，寻找温带气旋龙卷生成的关键环境参数，以期得到温带气旋龙卷的预报着眼点。

1 数据与方法

1.1 龙卷事件数据收集与质量控制

龙卷事件的数据来源包括《中国气象灾害大典》、《中国气象灾害年鉴》、国家气象观测站人工观测龙卷记录、县级历史气象灾情数据及《辽宁省志》（气象志），同时结合网络、电视、报纸等媒体展示的龙卷照片和影像等对龙卷个例进行增补。在此基础上，采用如下准则对龙卷事件可信度等级进行分类：①根据记录龙卷事件的时间及地点，查找附近地面观测站有无雷暴和降水，2005年后可加入雷达数据进行判断，排除尘卷风干扰。②设置龙卷事件质量控制等级，分为Q0～Q3共4个等级：Q0为经过第1步质量控制后记录的所有龙卷事件；Q1包括下列描述中至少一条：灾情记录中有目击者描述漏斗云、“黑龙”、“黑色云柱子”等形容龙卷的相关内容，或描述中提到地面有明显的狭长的破坏特征，天气雷达径向速度场上识别低层中气旋或龙卷涡旋特征（TVS），地面气象观测站点的人工观测记录；Q2为经过核实的龙卷漏斗云的照片或视频资料；Q3为有专业灾调团队经过详细的现场灾情调查后形成报告或公开发表文献。为兼顾可信度及样本量，本文选取Q1质量控制等级的龙卷事件作为研究对象。

1.2 数据可靠性验证及物理量选取

龙卷环境背景分析采用的数据为1979—2020年欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据，水平分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h，包含地面及37个标准等压层（1000 hPa至1 h Pa），本文选取地面2 m 温度、露点及各标准等压层的位势高度、温度、比湿、相对湿度、散度及相对涡度等要素对产生龙卷的温带气旋环流背景及关键物理量参数进行分析。

人们针对不同再分析数据的适用性评估开展大量工作［45-46］，王秀明等［46］应用NCEP再分析数据统计强对流天气的物理量参数，并与实况探空进行细致对比，指出再分析数据可用于分析强对流天气的环境背景和大气层结条件。本文对所使用再分析数据的可靠性进行简单验证，选取2020年6—8月锦州站08：00和20：00（北京时，下同）探空数据与同时间、同地点的ERA5再分析数据（图1）对比。由图1可见，在低层ERA5 较实况温度略偏低、湿度略偏小，整体误差较小；中高层则表现为温度偏高、湿度偏大的特点，尤其中层湿度偏差显著，各层风速ERA5较实况偏小1.5～2 m·s-1，风向无明显差异（图略）。物理量场表现为ERA5 的热力及动力条件均较实况偏弱。需要说明的是，虽然再分析数据与实况的热动力场及物理量在数值上存在一定偏差，但其分布及变化趋势具有较好一致性［45］，故经过偏差订正的再分析数据可以应用于龙卷潜势预报。

图1 2020年6—8月锦州站探空与ERA5对比Fig.1 Sounding and ERA5 at Jinzhou Station from Jun to Aug in 2020

为避免地形影响，将900 hPa 涡度最大值配合风场的环流中心定义为温带气旋中心［47］，时间定义为龙卷产生前1 h。采用动态合成方法统计温带气旋龙卷的环境场特征，将每个龙卷事件的气旋中心作为中心点，选取17°×17°的正方形区域进行合成，并分析合成后的平均场物理量。其中900 h Pa中心相对涡度小于3×10-5s-1或中心海平面气压高于1008 hPa的温带气旋不被记录。本文所统计的温带气旋中心纬度范围为41°～48.75°N，温带气旋水平尺度约1000 km，不同纬度上等经度距离存在差异，在经纬网格区域合成中南北向最大经圈距离误差为10 km，与温带气旋系统尺度相比可以忽略。

在表征风暴环境的众多动力学和热力学参数中，风暴相对螺旋度代表对流风暴的旋转潜势［48］。对流有效位能是包含低层和高层大气温湿特性的参数，是物理意义最清晰的对流参数。此外，Grams等［49］通过对美国龙卷个例的统计，提出强龙卷参数（significant tornado parameter，STP）这一对流指数概念，并指出其对强龙卷发生具有很好的指示意义。

2 结果分析

2.1 温带气旋龙卷分布特征

根据上述Q1标准，统计得到1979—2020年辽宁省温带气旋型龙卷42次（表1），在所有龙卷中占比为40%，EF2及以上级别［50］龙卷12次，占所有温带气旋龙卷比例高达28.6%（14 次EF2 及以上级别龙卷中仅有2 次EF2 级龙卷为非温带气旋龙卷），而辽宁省龙卷总数中EF2及以上级别的龙卷占比为16.2%，可见温带气旋龙卷中强龙卷的比例明显偏高。温带气旋龙卷产生呈明显下降趋势，月分布特征表现为温带气旋龙卷集中分布于5—9月，其中6—7月占比为62%。与总的龙卷分布（图略）类似，辽宁省温带气旋龙卷主要分布在辽河平原中西部及渤海湾沿岸，辽宁省东部鲜有发生（图2），从龙卷EF 等级看，EF2及以上级别的强龙卷主要分布在辽宁省西部沿海到中部平原地区。

图2 1979—2020年辽宁省温带气旋龙卷分布（填色为海拔高度；蓝色标记为龙卷）Fig.2 Distribution of extratropical cyclone tornado in Liaoning from 1979 to 2020（the shaded denotes altitude；the blue mark denotes tornado）

表1 1979—2020年辽宁省温带气旋龙卷Table 1 Extratropical cyclone tornado in Liaoning from 1979 to 2020

续表1

由龙卷相对于温带气旋的分布位置（图3）可知，大多数龙卷发生在温带气旋的西南、东南象限，与冷锋前暖区相对应，温带气旋中心附近及远离温带气旋的区域主要是EF1 及以下级别的弱龙卷。由核密度估计（图3中蓝色等值线）可见，密度中心在温带气旋中心相对距离为-2°～-1°经距、-3°～-2°纬距的位置。同时，由气旋结构和涡度分布可见，相对涡度大值区呈东北—西南向带状分布，伴随高度场西南侧存在明显的气旋性曲率大值区，即低层槽区，龙卷主要分布于槽线及槽前1°～3°经距内。

图3 龙卷相对温带气旋中心分布（黑色等值线为900 hPa位势高度，单位：dagpm；风羽为900 hPa风场；填色为900 hPa相对涡度；蓝色标记为龙卷；蓝色等值线为龙卷分布的核密度估计，最内圈为90%，最外圈为10%；气旋中心位于（0，0））Fig.3 Spatial distribution of tornado relative to the center of extratropical cyclone（the black isoline denotes the height at 900 hPa，unit：dagpm；the barb denotes wind at 900 hPa；the shaded denotes relative vorticity at 900 hPa；the blue mark denotes tornado；the blue isoline denotes the kernel density estimation of tornadoes，the innermost（outermost）circle is 90%（10%）；the center of extratropical cyclone is located at（0，0））

2.2 温带气旋龙卷关键环境参数

对复合场中尺度环境参数分析可知，产生龙卷的温带气旋动力学参数和热力学参数上存在显著特征。分析以风暴相对螺旋度为代表的动力学参数（图4）可见，大值区分布在气旋中心东南象限，并延伸至气旋南侧，呈带状分布，对应超低空西南强风速带的位置。中心值为70 m2·s-2，位于气旋中心相对距离0°～2°经距、-5°～-3°纬距范围。温带气旋龙卷主要分布于风暴相对螺旋度大值区中心及偏西北位置，低空急流左侧。温带气旋中心附近的风暴相对螺旋度较低，但仍对应相当数量的弱龙卷，其可能原因将在下面章节分析。EF2～EF3级的强龙卷分布在风暴相对螺旋度大值区中心及紧邻中心的西侧位置，由于风暴相对螺旋度是进入对流风暴体内的环境涡度，表征垂直风切变环境中风暴运动所产生的旋转潜势，因此对超级单体龙卷具有较好的指示意义，这与Brooks等［15］的研究结果一致。同时急流轴左侧存在较强的气旋性切变及天气尺度上升运动（图略），其与龙卷风暴产生的内在联系还需要进一步研究。

图4 产生龙卷的温带气旋附近的0～1 km风暴相对螺旋度（填色）分布（黑色等值线为900 hPa位势高度，单位：dagpm；风羽为900 hPa风场；蓝色标记为龙卷；气旋中心位于（0，0））Fig.4 Distribution of 0-1 km storm relative helicity（the shaded）near tornadic extratropical cyclone（the black isoline denotes the height at 900 hPa，unit：dagpm；the barb denotes wind at 900 hPa；the blue mark denotes tornado；the center of extratropical cyclone is located at（0，0））

产生龙卷的温带气旋附近对流有效位能分布也存在显著特征（图5）。对流有效位能超过600 J·kg-1的区域从气象中心西南侧向东北方向延伸，同样呈东北—西南向带状分布，中心值为1600 J·kg-1，位于气旋中心相对距离-6°～-2°经距、-7°～-4°纬距范围，其大值带与风暴相对螺旋度并不重叠，而是更加偏西偏南。对应龙卷分布可见，更多龙卷分布在对流有效位能大值区中心及西侧梯度大值区附近，几乎所有的EF2级强龙卷分布在对流有效位能大值中心附近。对流有效位能随时间变化（图略）表明，龙卷发生前12 h，对流有效位能存在明显的增强（可能与午后太阳短波辐射导致的近地面增温有关）。因此，在温带气旋中的龙卷生成区域存在明显的热力不稳定条件，有利于强对流发生和发展。

图5 产生龙卷的温带气旋附近对流有效位能（填色）分布（其他说明同图4）Fig.5 Distribution of convective available potential energy（the shaded）near tornadic extratropical cyclone（the others same as in Fig.4）

由强龙卷参数分布（图6）可见，最大值超过0.7，强龙卷参数中心位于气旋中心相对距离-2°经距、-5°纬距附近。比较其与龙卷分布发现，强龙卷参数大值区与龙卷密度中心基本在相同经度上，但位置并不重叠，其中心位置较龙卷分布更加偏南。同时，强龙卷参数大值区与EF2及以上级别龙卷分布对应较好，这也验证了该指数更趋向于表征强龙卷的潜势。气旋中心略偏南位置有较多弱龙卷分布，而无论是以对流有效位能为代表的热力条件还是以风暴相对螺旋度为代表的动力条件，在该区域表现均不显著。

图6 温带气旋附近的强龙卷参数（填色）分布（其他说明同图4）Fig.6 Distribution of strong tonado parameter（the shaded）near tornadic extratropical cyclone（the others same as in Fig.4）

2.3 龙卷温带气旋不同层次物理量场

分析产生龙卷的温带气旋附近地面要素分布（图7），气旋中心平均海平面气压场为1000 hPa，与900 hPa气旋中心基本重合，气压场呈东北—西南向椭圆形的非对称分布，其东南侧等压线密集，对应风场上存在西南偏南的风速大值区。由温度场（图7a）可见，气旋西侧存在强温度梯度，该位置对应地面气旋的冷锋，冷锋前侧有暖脊从西南方向伸向气旋中心略偏南区域，轴心呈西南—东北向，龙卷主要分布在暖脊顶部附近。同样地面露点温度场（图7b）上，冷锋略偏东位置存在平行于冷锋的干线，干线前存在湿舌，龙卷主要分布在冷锋前湿舌顶部附近，这与美国产生龙卷的典型温带气旋结构相似［28］。分析表明：气旋冷锋前侧暖区，近地面强气压梯度所导致的偏南气流提供了良好的动力和湿度条件，造成高温高湿的环境背景，而天气尺度冷锋提供了强对流的触发条件，以上有利的环境背景叠加对龙卷产生起关键作用。

图7 产生龙卷的温带气旋附近地面2 m 温度（填色）（a）、2 m 露点（填色）（b）分布（黑色等值线为海平面气压场，单位：hPa；风羽为地面10 m 风场；蓝色标记为龙卷；气旋中心位于（0，0））Fig.7 Distribution of temperature at 2 m（the shaded）（a），dew point temperature at 2 m（the shaded）（b）near tornadic extratropical cyclone（the black isoline denotes the sea level pressure，unit：hPa；the barb denotes the wind at 10 m；the blue mark denotes tornado；the center of extratropical cyclone is located at（0，0））

沿图7a黑色直线进行剖面分析（图8），分别选取更接近气旋中心的位置（图8a，沿图7a中AA′）及冷锋尾部地区（图8b，沿图7a中BB′）进行对比。对比温度场可见，温度垂直分布无明显差异，近气旋中心位置纬度偏北，温度略偏低。而两者相对湿度差异显著，近气旋中心（东西2.5°经距范围内）低层湿层更厚，70%以上的相对湿度区从近低层延伸至750 hPa附近。在近地面，冷锋尾部较气旋中心的露点温度（代表绝对湿度）更大（图7b），而相对湿度差别不明显，至850 hPa以上冷锋尾部相对湿度下降显著，至500 h Pa附近相对湿度降至30%以下，呈现明显的干侵入特征。两剖面所对应的龙卷高密度区（气旋中心相对距离-3°～1°经距范围内）整体呈上干下湿的层结特征，表征该区域存在较好的对流性不稳定条件。研究表明：湿度分布影响冷池强弱，一定程度上决定了风暴中的下沉气流强度［7，51］，从而影响龙卷低层涡度来源。雷暴冷出流与环境暖湿入流间强斜压性使近地面的水平涡度加强，在涡度倾侧和拉伸作用下转换为垂直涡度［7］。冷池过弱，无法通过斜压作用产生水平涡管，难以形成中气旋；冷池过强，冷出流将切断中气旋的入流，并使低层强涡旋中心的位置远离中气旋的上升气流轴，进而减弱对龙卷涡旋的拉伸作用，且冷出流的温度过低，负浮力将抑制垂直上升气流而不利于近地面垂直涡度加强，故冷出流与环境之间形成的温度差异需要有一个平衡点［51］。气旋中心较冷锋尾部龙卷更多，推测其可能原因是该位置湿度分布提供了更为合适的下沉气流强度，当然也需要指出，下沉气流强度还与中层温度直减率及下沉气流中水凝物粒子的拖曳作用有关。此外，由两者垂直速度（图8中黑色等值线）可见，近气旋中心处垂直速度的最大值达到-4.5 Pa·s-1，接近冷锋尾部区域的2倍。天气尺度的抬升运动不是强对流触发的直接影响机制，其可通过减弱逆温、减少对流抑制能方式使大气变得更加有利于对流发生［52］，但对流能否触发，还与地面抬升力大小、对流抑制强弱及自由对流高度等有关，需要今后深入研究。

图8 沿图7a中AA′（a）及BB′（b）的空间垂直剖面（红色等值线为温度，单位：℃；黑色等值线为垂直速度，单位：10 Pa·s-1；填色代表相对湿度）Fig.8 Spatial vertical section along AA′（a）and BB′（b）in Fig.7a（the red isoline denotes temperature，unit：℃；the black isoline denotes the vertical speed，unit：10 Pa·s-1；the shaded denotes the relative humidity）

由温带气旋高层环境场（图9）可见，200 hPa为宽广的低压槽区，气旋中心位于200 hPa槽前。高空急流轴位于气旋中心南侧8°～10°纬距，以往研究指出，高空急流入口区右侧和出口区的左侧是高空的强辐散区，其提供的抽吸效应有利于温带气旋的强烈发展［26］，而本研究中气旋中心位于高空急流左侧，无明显风速变化，也就难以确定其急流出口区或入口区。龙卷分布密集区位于200 hPa偏西风和西北风的分流区，与高空强辐散区对应较好，同时龙卷高发区对应低层急流左侧气旋式辐合区，Rasmussen等［21］同样发现高低空急流耦合配合近地面高温高湿区是龙卷的易发区，与本研究结果一致。

图9 产生龙卷的温带气旋附近200 h Pa形势场（黑色等值线为200 hPa位势高度，单位：dagpm；棕色等值线为200 hPa等风速线，单位：m·s-1；蓝色等值线为90%龙卷核密度分布估计；风矢为200 hPa风场；填色为200 hPa散度）Fig.9 Distribution of weather situation field at 200 hPa near tornadic extratropical cyclone（the black isoline denotes the height at 200 hPa，unit：dagpm；the brown isoline denotes the velocity at 200 hPa，unit：m·s-1；the blue isoline denotes 90%kernel density estimation of tornadoes；the vector denotes the wind at 200 hPa；the shaded denotes the divergence at 200 hPa）

上述分析的环境参量均难以解释温带气旋中心偏南附近区域存在高密度龙卷。超级单体龙卷的形成除了需要超级单体形成的有利环境条件（合适的对流有效位能和深层垂直风切变），还需要较高的低层相对风暴螺旋度。而非超级单体龙卷起源于风暴上升运动拉伸边界层上的微尺度气旋。因而非超级单体龙卷形成需要近地面层提供较强的垂直抬升力，该抬升力的一种可能来源为低层的热力不稳定。近地面暖脊和湿舌在一定程度上表征低层的不稳定环境，地面附近的冷锋和干线作为对流触发条件，通常情况下气块自地面附近抬升至自由对流高度以上，对流触发并发展，因而抬升力一般指地面到自由对流高度之间的上升运动。有研究指出，0～3 km高度对流有效位能或垂直减温率可以较好表征气块快速抬升和近地面涡度拉伸的潜力［53］。图10为近地面到3 km 高度的温差，气旋中心略偏南的位置确实存在温度递减率大值区，与龙卷密集区对应较好，且气旋中心附近相对涡度更大（图3），对该区域垂直涡度的拉伸能否作为初始涡度来源还有待进一步研究。同时需要指出的是，远离气旋中心西南方向存在更强的温度递减率大值中心，而该地区确无龙卷发生，这可能与该区域的对流抑制较大（图略）有关。

图10 产生龙卷的温带气旋附近地面至3 km 高度温差（填色）（其他说明同图4）Fig.10 Distribution of temperature difference from ground to 3 km（the shaded）near tornadic extratropical cyclone（the others same as in Fig.4）

2.4 温带气旋龙卷的天气流型配置概念模型

基于上述研究，总结辽宁省有利于温带气旋龙卷产生的天气流型配置的主要特征模型（图11）。龙卷高发区上空200 hPa对应宽广的低压槽前、高空急流轴左侧气流分流区，强高空辐散所造成的抽吸作用有利于低层气旋发展；500 hPa位于冷涡底部短波槽前，中层急流轴附近，强西风急流代表来自槽后的干冷空气侵入，同时加强了深层垂直风切变；925 hPa及地面可见龙卷高发区位于冷锋前暖区内，925 h Pa槽前存在较强超低空偏南暖湿气流，配合地面存在暖脊和湿舌，造成温带气旋内较低的抬升凝结高度和较大的低层温度直减率。近地面干线、冷暖锋（有时还存在雷暴出流边界）的交汇处是对流触发的有利位置，垂直方向上的配置使龙卷高发区内风向随高度存在明显顺转。超低空急流进一步加强风暴相对螺旋度，其左侧的高对流有效位能及高风暴相对螺旋度提供有利于超级单体产生的环境，同时暖区内气旋上空的温湿垂直分布可能导致较为适宜的下沉气流强度，从而有利于低层斜压水平涡度的加强。以上有利条件的综合配置也使该区域对应强龙卷参数的大值区，辽宁省绝大多数EF2及以上级别强龙卷均出现于温带气旋暖区内。

图11 辽宁省温带气旋龙卷典型天气流型概念模型Fig.11 Typical synoptic patterns of extratropical cyclone tornado in Liaoning

3 结论与讨论

本文基于多种灾情数据统计1979—2020年辽宁省温带气旋背景下的龙卷天气，利用ERA5数据综合分析产生龙卷的温带气旋结构和环境参数特征，主要结论如下：

1）1979—2020年辽宁省温带气旋龙卷共出现42次，占龙卷总数的40%。与总龙卷分布类似，温带气旋龙卷主要分布在辽河平原中西部及渤海湾沿岸。强龙卷（EF2及以上级别）主要分布在辽宁省西部沿海到中部平原地区，占所有温带气旋龙卷的28.6%，比例明显偏高。大多数龙卷发生在温带气旋的西南、东南象限，与冷锋前暖区相对应。

2）动力学参数风暴相对螺旋度和热力学参数对流有效位能的大值区均出现在气旋中心的西南、东南象限，呈带状分布，中心值分别为70 m2·s-2和1600 J·kg-1，其形成与低空强西南气流的暖湿输送有关。龙卷主要分布于风暴相对螺旋度大值区中心及偏西北位置，对流有效位能大值区的顶端、梯度大值区附近。龙卷热动力综合参数强龙卷参数最大值达到0.7，中心位于气旋中心相对距离-2°经距、-5°纬距，强龙卷参数大值区与EF2 及以上级别龙卷具有较好的对应关系。

3）地面上温带气旋中心平均气压场为1000 hPa，呈东北—西南向椭圆形的非对称分布，配合温湿场可分析出冷锋和干线，是龙卷的关键触发条件。龙卷主要分布在冷锋前温度场暖脊及湿度场舌顶端附近。空间剖面显示近气旋中心低层湿层更厚，冷锋尾部较气旋中心呈现更加明显的高层干侵入特征，过强的冷池出流可能不利于龙卷产生。龙卷高密度区表现出上干下湿层结，代表该区域具有较好的对流性不稳定条件。垂直速度中心出现在550～600 hPa附近，近气旋中心处垂直速度接近冷锋尾部区域的2倍。高空急流轴位于气旋中心南侧相对距离8°～10°纬距，龙卷密集区对应高空强辐散区。气旋中心位于高空急流左侧，这可能与槽前正涡度平流、偏西风和西北风的分流及低空急流的耦合作用有关。

4）温带气旋中心偏南区域存在高密度弱龙卷分布，可能与非超级单体龙卷有关。近地面至700 hPa的温差代表低层的温度直减率，其大值区与气旋中心附近的弱龙卷密集区对应较好。

由于雷达产品时间尺度所限，本文并未开展龙卷风暴形态学研究，难以确定前文所述气旋中心偏南区域存在的高密度弱龙卷中非超级单体龙卷所占比例，同时自由对流高度、0～3 km 的对流有效位能、对流抑制能量等物理量对于判断气旋中心偏南区域的弱动力不稳定环境龙卷潜势能力有待进一步研究。此外，区分产生龙卷和不产生龙卷的温带气旋结构及环境参数特征仍需选取更多个例深入研究。