龙卷爆发事件通常指在同一个天气系统中出现10个或以上的龙卷。龙卷爆发事件在美国比较多见。我国到目前为止仅发生过两次，碰巧的是，这两次事件的龙卷高发地都出现在山东省。
龙卷爆发事件的天气背景多为温带气旋（EC）和热带气旋（TC）。我国仅有的这两次龙卷爆发事件就分别发生在EC和TC环境中。其中一次是发生在2021年7月11日至12日的EC（后面简称EC711）（图1a,b），共产生了13个龙卷，特别是在山东省西部和河南省南部连续2小时内产生了5个龙卷（时段A），在山东省北部连续1.5小时内产生了3个龙卷（时段B）。另一次是2018年8月的TC摩羯（图1c,d），共产生了11个龙卷，特别是在山东省北部连续3.5小时内产生了6个龙卷（时段C）。
图1 （a）EC711的路径（紫红色线）、（b）EC711产生的龙卷位置（红色倒三角）、（c）TC摩羯的路径（紫红色线）和（d）TC摩羯产生的龙卷位置（红色倒三角）。其中白色点表示每6小时间隔的TC中心位置，深蓝色点表示用于分析相应龙卷母体风暴的雷达位置。图中阴影为地形高度（单位：m），蓝色细线为海岸线。
前人的研究表明，中层干空气侵入对龙卷的爆发具有促进作用。比如，Curtis（2004）发现，在美国的13次龙卷爆发事件中，有11次龙卷发生在中层相对湿度梯度较高的地区。目前，中层干空气侵入对龙卷爆发的作用有多种假设。一种假设是中层干空气侵入会导致对流云周围环境的蒸发冷却增加，从而增大环境温度递减率；另一种假设是中层干空气的侵入会侵蚀对流层中上层的云层，增加地面太阳辐射，从而增大环境温度递减率。然而，以往对干空气侵入的分析多是基于时空分辨率都较粗的探空观测的定性分析。
本文利用葵花8号卫星资料、ERA5再分析数据以及地基天气雷达数据，对我国这两次龙卷爆发事件中龙卷密集发生的时段A、B、C的环境进行了诊断研究。结果表明，两次事件中，龙卷爆发区域附近400hPa高度都出现了明显的干空气（图2）。但在EC711中，干空气并未直接影响龙卷爆发的热力环境。距离龙卷最近网格点的参数的小时演变（图3a-d）显示，时段A和B中龙卷发生前E-CAPE（考虑了夹卷效应的对流有效位能）有1-5小时的增加，但低层温度递减率并未增大。E-CAPE的增加主要归因于低层湿度的增加, 这在龙卷发生位置的分析场探空中也十分清晰（图4a,b）。时段A中龙卷产生前400hPa相对湿度基本未发生变化（图3a），预示干空气并未到达龙卷产生位置。而时段B中400hPa相对湿度在龙卷产生前虽然有所降低（图3c），但由于龙卷发生时刻是在夜间，不存在因侵蚀云层增加地面太阳辐射的可能。
图2 日本气象卫星Himawari-8的水汽通道9（在约400 hPa附近）的亮温（阴影；K），以及400hPa处的风（矢量；m s–1），分别为（a）2021年7月11日18:00 BJT和（b）19:00 BJT，代表A时段；（c）2021年7月12日03:00 BJT和（d）05:00 BJT，代表B时段；以及（e）2018年8月14日08:00 BJT和（f）10:00 BJT，代表C时段。倒三角形表示每个时段发生的龙卷风，其中白色三角形表示在该图对应时间发生的龙卷风。白色十字表示在图4斜温图的E1、E6和T6位置。
图3 （a-b）时段A、（c-d）时段B和（e-f）时段C的（第一行）400、700、850、1000 hPa相对湿度、整层含水量（tcw）以及（第二行）2m温度、E-CAPE、基于地面气块的CAPE（SBCAPE）和500 hPa与2m的温度差的逐小时变化。X轴的“0”代表龙卷的发生时间，负数代表龙卷发生前的小时数。
图4 （a）图2b中E1点在2021年7月11日18:00（实线）和19:00（虚线）的斜温图；（b）图2d中E6点在2021年7月12日03:00（实线）和05:00（虚线）的斜温图；（c）图2f中T6点在2018年8月14日08:00（实线）和10:00（虚线）的斜温图。其中红色线代表考虑了夹卷效应的气块温度，黑色线为环境温度，绿色线为露点温度。半风杆、全风杆、三角旗分别代表2、4、20m s-1。图中左下角的数字为两个时次的E-CAPE数值。
然而，在TC摩羯中，干空气侵入对龙卷爆发区域的热力环境产生了积极的作用。在龙卷产生前1小时，TC摩羯C时段龙卷位置的400hPa湿度明显下降（图3e），龙卷位置的探空显示高层环境从龙卷产生前2小时接近饱和的状态变成了龙卷产生时非常干的状态（图4c）。随着南风输送干空气侵入到山东省北部（图2e、f），周围的层状降水被干空气侵蚀而从南往北消散（图5a-f），地面接受的太阳照射增加，地表温度升高（图3f；图4c；图5g-l），因而地面到中层的温度递减率增加，随之E-CAPE增加，从而为龙卷爆发提供了更好的热力环境。
该研究预示，干空气侵入对龙卷爆发环境的影响具有较小的时空尺度，龙卷发生在相对湿度的高梯度区附近，并不意味着干空气对龙卷的发生有积极影响，有很大的可能性是高相对湿度区的水汽贡献。另一方面，高相对湿度梯度区两侧的探空代表的湿度特征差异很大，对环境的代表性有很大的不确定性。因此，使用时空分辨率较粗的常规探空数据来分析干侵入对龙卷爆发的影响需要十分谨慎。
图5 （a-c）山东滨州雷达0.5°仰角基本反射率（dBZ）、（d-f）日本气象卫星Himawari-8可见光云图、（g-i）400 hPa相对湿度（等值线；间隔为10%；青色等值线为50%相对湿度）和2m温度（阴影；K）以及（j-l）400 hPa相对湿度（等值线；间隔为10%；青色等值线为50%相对湿度）、550 hPa和2m的温度差（阴影；K）在2018年8月14日08:00（第一列）、09:00（第二列）和10:00（第三列）的分布图。倒三角形表示每个时段发生的龙卷风，其中红色的倒三角形表示在该图对应时间发生的龙卷风。
上述研究成果以“A Comparison between the Only Two Documented Tornado Outbreak Events in China: Tropical Cyclone versus Extratropical Cyclone Environments”为题在Weather and Forecasting 2024年第四期发表（https://doi.org/10.1175/WAF-D-23-0083.1）。论文第一作者为北京大学大气与海洋科学系博士生温靖怡，通讯作者为北京大学大气与海洋科学系孟智勇教授；合作者还包括佛山龙卷风研究中心的白兰强副研究员和北京大学重庆大数据研究院的周瑞琳博士。
