论文推荐 | 龙卷风入侵城市的超高分辨率数值模拟

论文作者：孔祥锐，陈桂兴，白兰强，冉令坤，张少婷，孟智勇

（加粗字体表示龙卷风重点开放实验室成员）

龙卷风入侵城市造成巨大破坏并不只是灾难片里的场景，也出现在现实世界中。再现这种场景，才能让我们更好地理解龙卷的演变和致灾机制。除了像电影那样放一堆探测小球以外，用超级计算机去算也是种不错的办法……

从广东佛山，到辽宁开原，再到山东东明……每当龙卷风入侵城市，目击者拍摄的龙卷视频都会在互联网上流传。在这些视频里，龙卷漏斗云在楼群间穿梭的时候其结构似乎还会发生变化。由此便引出一个有趣的问题：城市建筑究竟会怎样影响龙卷风的结构呢？

为了探究这个问题，我们在超级计算机的帮助下试图重现龙卷风入侵城市的物理过程。2015年10月4日入侵佛山城市建成区的一次台风外围EF3级强龙卷风个例被选取为研究个例。首先，我们用常规的中尺度天气模式模拟这次龙卷风过程。由于中尺度模式使用的最细148米分辨率尚无法全面描述真实龙卷风的结构，为严谨起见，最终模拟出来的龙卷涡旋被称为“类龙卷涡旋”（tornado-like vortex，下文缩写为“TLV”）。

接着，中尺度天气模式对TLV的模拟结果被输入到另一个大涡模式中进行下一步模拟。这个大涡模式可直接分辨建筑物造成的扰动，分辨率达6米。这样的模式配置对于真实龙卷风入侵城市的过程的再现效果到底怎么样呢？我们引入了本个例中目击者拍摄的龙卷穿越佛山市博澳城住宅小区高层建筑群的视频作为对比参照（图1右列图）。

图1 左列子图为大涡模式模拟的TLV三维流线，填色为垂直速度（m/s）。中列子图为模拟的三维垂直涡度0.125 s-1等值面，每一时次的绘制角度与左列图相同。右列子图为目击者拍摄的视频截图，其中“CF”代指龙卷漏斗云，“BAC”代指博澳城小区建筑群。

从视频截图可以看到，在15:32:05，当龙卷漏斗云（“CF1”）接近博澳城小区（“BAC”）时，其结构仍保持完整。之后，随着龙卷风接触并穿越小区，从15:32:14到15:32:23，可以看到原漏斗云逐渐变得稀疏乃至消散，同时另一个新的漏斗云（“CF2”）则逐渐增长并接地。

这个过程在我们的模式模拟结果中也有相应体现（图1左列和中列）。可以看到，TLV在穿越高层建筑群“A”的时候，其低层涡旋结构在建筑群的阻挡下也消散了（见第131到143秒的流线），但这并不妨碍TLV在离开建筑群后仍重建起了低层涡旋结构。

无论是视频里漏斗云的重建，还是模拟结果流线的涡旋结构的重建，我们发现都离不开建筑群背风面局地涡旋的参与。早在TLV靠近建筑群的时候，这个局地背风涡旋便已在建筑群的背风面被水平风切变“喂养”，并被对流上升气流“拔高”（见图1中列，第115秒垂直涡度）。接着，在TLV穿越建筑群的过程中，这个局地背风涡旋在建筑群下游取代上游处原TLV消散的低层涡旋，与TLV未受建筑阻挡的上层结构结合，并在之后随着TLV一起向下游移动（第131到143秒垂直涡度）。借助超高分辨率数值模拟，我们不仅再现了龙卷风结构在穿越小区时肉眼“看得见”的演变，还让背后“看不见”的机理也一一“显影”了。

龙卷风在穿越小区前后的结构变化，会对小区及其周边的强风分布有什么影响呢？基于模拟结果，现在我们得以评估城市中的局地强风分布（图2）。为了更有条理性，我们将模拟结果中与TLV相关的局地强风分成了如下三类。

图2 左列子图为大涡模式模拟全程中不同高度层上的最大水平风速（m/s，填色）和某格点达到最大风速时刻的风向。右列子图为模拟全程中不同高度层上的最大垂直风速（m/s，填色）。超过绘制平面高度的建筑用黑色填色表示。第一类、第二类、第三类TLV相关的局地强风（左列）及对应的强垂直运动（右列）分别用黑色、红色、蓝色曲线圈出。

第一类是天气系统直接在无建筑空旷地带导致的强风（见图2左列图中黑圈标记）。在此案例中，它可被认为主要是TLV自身的强风，而台风提供的背景东南风则使得TLV呈现出了风速在其东北象限偏强、西南象限偏弱的不对称性。第二类是在建筑群的两个侧翼被建筑直接强迫出的侧流加速（见红圈标记）。这种局地加速分布在城市气候学的理想风洞或数值模拟试验结果中已为标配，在涡旋型背景气流中亦不特殊。

有意思的是第三类，当TLV穿过建筑群后，在建筑群之间的空旷区域所产生的局地强风（见蓝圈标记）。这种强风的重要动量输送来源是TLV低层的入流在建筑群间形成的风道，故其特征也会受到建筑群的调制。敏感性试验表明，更高的建筑群或可通过更集中的动量输送可使得此类局地强风更强。另外，此类局地强风对TLV具体路径的微小变化也不太敏感。此类强风的存在体现了龙卷风穿过小区后，在不同小区之间时重新加强的风险。

最后，我们得到了如图3所示的概念图。图3a和图3b展示的是TLV在穿越建筑群前后的涡旋结构重建过程，表现为在低层建筑群下游背风面的局地涡旋对建筑群上游的TLV原低层涡旋的“置换”。图3c和图3d则展示了在此过程中与TLV相关的三类局地强风。当龙卷风入侵城市时，高层小区的侧翼和小区之间的空旷地带都有强风分布，且还有龙卷风穿过小区后重新加强的风险，及时躲到坚固的混凝土建筑内部或地下室才是较安全的选择。

图3 本个例TLV在穿越建筑群前后发生结构重建，以及过程中相关局地强风的示意图。

上述研究成果以“A Mesoscale-to-LES Modeling of Tornado-Like Vortex and Associated Local Strong Winds in Urban Area”为题于2025年9月8日在Journal of Geophysical Research: Atmospheres 在线发表（https://doi.org/10.1029/2025JD044574）。

论文第一作者为中山大学大气科学学院博士研究生孔祥锐，通讯作者为中山大学大气科学学院陈桂兴教授，佛山市龙卷风研究中心白兰强副研究员。研究合作者还包括中国科学院大气物理研究所冉令坤研究员、佛山市气象局张少婷和北京大学孟智勇教授。

作者｜孔祥锐

编辑｜曹桂梅

审核｜白兰强