江蘇省龍卷發(fā)生特征及其在年際尺度上與ENSO的關(guān)系研究

汪寧 許遐禎 項(xiàng)瑛

(江蘇省氣候中心，南京 210019)

引 言

龍卷是一種猛烈的對流天氣現(xiàn)象，它是由雷暴云底伸展至地面的漏斗狀云產(chǎn)生的強(qiáng)烈旋風(fēng)[1]。雖然發(fā)生時間較短，但通常伴有雷雨大風(fēng)、冰雹和短時強(qiáng)降水等天氣現(xiàn)象，能造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。江蘇省地形較為平坦，水網(wǎng)眾多，有利于龍卷的形成和發(fā)展，是我國龍卷發(fā)生數(shù)最多的省份之一。

龍卷生命史較短，持續(xù)時間大多在20 min以內(nèi)，很難直接探測到龍卷的實(shí)際風(fēng)速、氣壓等氣象要素值，氣象觀測站中也很少能直接觀測到龍卷[2]。隨著科技的發(fā)展，新的氣象觀測手段的出現(xiàn)大大提高了氣象資料的精度[3-4]，諸多學(xué)者利用多普勒雷達(dá)等多種資料，從天氣學(xué)角度分析了龍卷生成的動力和熱力學(xué)特征[5-11]。如潘文卓[12]利用江蘇省50 a的統(tǒng)計資料分析了江蘇省龍卷的分布特征，并利用災(zāi)情資料進(jìn)行了評估。許遐禎等[13-14]建立了應(yīng)用于江蘇省的龍卷災(zāi)害風(fēng)險評價模型，利用主成分分析方法對江蘇省龍卷災(zāi)害易損性進(jìn)行了綜合評估，并對江蘇省各市易損度進(jìn)行了分級區(qū)劃。黃大鵬等[15]通過對我國不同地區(qū)龍卷統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)龍卷的發(fā)生和致災(zāi)程度具有明顯的年際變化特征。但是，由于龍卷的生命史較短、空間范圍小，對研究數(shù)據(jù)分辨率要求極高，目前尚未有研究從氣候?qū)W角度分析龍卷發(fā)生數(shù)的變化與大尺度大氣環(huán)流之間的聯(lián)系。

發(fā)生在熱帶太平洋的厄爾尼諾—南方濤動(ENSO)是氣候年際尺度的強(qiáng)信號。ENSO事件的不同位相對亞洲季風(fēng)系統(tǒng)以及季風(fēng)降水有重要影響[16-19]，并且能夠影響登陸我國的熱帶氣旋數(shù)[20-25]。ENSO事件對我國極端天氣氣候事件的發(fā)生影響顯著。李威等[26]發(fā)現(xiàn)中國極端強(qiáng)降水事件更易發(fā)生在ENSO暖位相年的冬春季和ENSO冷位相年的夏秋季。此外，ENSO事件還能影響對流活動[27]。江蘇省位于沿海地區(qū)，熱帶太平洋海溫異常對其天氣氣候影響顯著。作為年際變率的重要信號，ENSO與具有明顯年際變率的龍卷發(fā)生數(shù)是否有聯(lián)系呢？本文從ENSO事件的不同位相出發(fā)，探討年際尺度江蘇省龍卷發(fā)生數(shù)與ENSO事件的關(guān)系，揭示ENSO事件對江蘇省龍卷發(fā)生的影響。

1 資料和方法

本文使用的龍卷資料長度為1976—2005年共30 a，資料來源為江蘇省各地氣象報表、各級氣象部門的災(zāi)情簡報、民政廳災(zāi)害及安保及各地氣象工作人員的實(shí)地調(diào)查報告。對江蘇省龍卷資料進(jìn)行檢查時發(fā)現(xiàn)，1976年以前龍卷記錄不完整，2005年后的部分資料沒有經(jīng)過現(xiàn)場核查，具有較大不準(zhǔn)確性，存在很大漏報的可能性。本研究在對龍卷記錄進(jìn)行再次梳理、核查后，僅選用1976—2005年的龍卷資料用作本文分析，該時間段龍卷資料經(jīng)過江蘇省氣候中心多次調(diào)查確認(rèn)，能夠保證科學(xué)研究的準(zhǔn)確性和客觀性。

ENSO事件的劃分采取中國氣象局提出的國標(biāo)《厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法》[28]，1976—2005年期間該標(biāo)準(zhǔn)中給出的ENSO暖事件和冷事件的持續(xù)時間見表1。

表1 1976—2005年歷次ENSO事件的持續(xù)時間Table 1 The duration time of ENSO events from 1976 to 2005

為討論江蘇省龍卷發(fā)生活動與ENSO的關(guān)系，本文采用了每天4時次0.5°×0.5°的CFSR再分析資料，時間段與龍卷資料一致。

2 龍卷的分布特征

江蘇省龍卷多發(fā)，1976—2005年共發(fā)生龍卷531個，平均每年17.7個(圖1實(shí)線)，龍卷的發(fā)生數(shù)年際變化明顯，同時也存在年代際變化特征，1990s龍卷發(fā)生數(shù)較高。從圖1滑動平均(虛線)結(jié)果可以看出，1970s后期，龍卷發(fā)生數(shù)表現(xiàn)出輕微的減少趨勢，1982年達(dá)到最低值，僅有3個，對比表1，此年為ENSO暖事件年。1982之后年龍卷的發(fā)生數(shù)呈明顯增加趨勢，1989年為龍卷發(fā)生數(shù)次多年，為35個，此年為ENSO冷事件年，至1990年龍卷發(fā)生數(shù)達(dá)到最多，為51個，之后再次減少。2000年之后龍卷的發(fā)生數(shù)略有增加。

圖1 1976—2005年江蘇省龍卷發(fā)生數(shù)(柱形圖，單位：個)(實(shí)線為30 a平均；虛線為9 a滑動平均)Fig.1 The occurrence of tornado in Jiangsu Province from1976 to 2005 (bar chart，unit: n)(30-year average (solid line)and running average (dashed line))

從月累計結(jié)果(圖2)來看，龍卷的發(fā)生主要集中在夏季6—8 3個月，各月累計發(fā)生龍卷數(shù)均大于90個，其中7月累計可達(dá)到200個以上，為全年最多。11—次年2月沒有龍卷發(fā)生。3月和10月發(fā)生數(shù)較少，均在5個以內(nèi)。

圖2 1976—2005年月累計龍卷發(fā)生數(shù)(單位：個)Fig.2 The occurrence of tornado on monthly meanaveraged from 1976 to 2005 (unit: n)

龍卷的分布(圖3)具有空間不均勻性，江蘇省龍卷主要發(fā)生在鹽城南部、南通沿海地區(qū)以及徐州北部，累計發(fā)生數(shù)大于12個，其中南通中部地區(qū)可達(dá)到20個以上。宿遷大部、連云港中部和淮安西部地區(qū)龍卷發(fā)生數(shù)較少，均小于4個。

圖3 1976—2005年江蘇省龍卷發(fā)生數(shù)空間分布(單位：個)Fig.3 The spatial distribution of tornado in Jiangsu Provincefrom 1976 to 2005(unit: n).

3 龍卷與ENSO的關(guān)系討論

由本文第2部分分析可知，江蘇省龍卷發(fā)生主要集中在夏季，另外4、5月和9月龍卷的累計發(fā)生數(shù)都大于20個。為最大限度保留龍卷樣本，本文在研究中選取4—9月為研究時段，討論在該時段持續(xù)的ENSO事件對同時段江蘇省龍卷發(fā)生數(shù)的影響及可能原因。持續(xù)的ENSO事件指在該時段內(nèi)ENSO同一位相持續(xù)連續(xù)兩個月以上。

3.1 統(tǒng)計特征

表2給出了4—9月不同強(qiáng)度ENSO暖事件和冷事件狀態(tài)下江蘇省龍卷的統(tǒng)計特征。可以看出，1976—2005，ENSO暖事件共發(fā)生38個月，相應(yīng)江蘇省龍卷發(fā)生數(shù)為81個，平均每月2.1個。冷事件持續(xù)月份為18個月，共發(fā)生龍卷為59個，平均每月發(fā)生3.3個，高出暖事件平均水平1.2個/月(通過α=0.05置信度檢驗(yàn))。另外，4—9月中沒有發(fā)生冷暖ENSO事件的月份總共為124個，在此期間江蘇省共發(fā)生龍卷381個，平均每月為3.0個，大于暖事件龍卷發(fā)生數(shù)，小于冷事件龍卷數(shù)?？梢姡瑥慕y(tǒng)計結(jié)果來看，ENSO事件處于冷位相時，江蘇省更易發(fā)生龍卷，而暖事件時則相反。值得注意的是，ENSO暖事件情況下龍卷平均發(fā)生數(shù)較低，因此暖事件情況下龍卷在時間尺度上更為分散，會對龍卷災(zāi)害的防御和預(yù)報工作帶來一定難度。

表2 不同ENSO事件下龍卷發(fā)生特征對比Table 2 The characteristics of tornado in different ENSO events

以上分析可知，不同位相的ENSO事件對江蘇省龍卷的發(fā)生數(shù)有明顯影響，那么ENSO信號是如何與發(fā)生范圍小且發(fā)生時間短的龍卷現(xiàn)象聯(lián)系起來的呢？為了分析這一問題，以下分別從環(huán)流特征和物理量場兩個方面進(jìn)行分析。

3.2 環(huán)流特征

江蘇省位于西南低空急流的出口區(qū)左側(cè)，上升運(yùn)動強(qiáng)烈，低空急流的變化對江蘇省的對流活動有重要影響。低空急流是對流層中下層存在的低層風(fēng)速大值區(qū)，在其區(qū)域有明顯的風(fēng)速垂直切變。東亞地區(qū)的低空急流表現(xiàn)為西南風(fēng)，因此也被稱為西南低空急流。低空急流會引發(fā)強(qiáng)烈的水汽輸送，與高空急流相配合能夠激發(fā)對流層上下一致的上升運(yùn)動，加之低空急流中強(qiáng)的風(fēng)速切變會造成大氣不穩(wěn)定，從而為對流活動的發(fā)展和維持提供有力的動力和熱力條件，因而與暴雨、冰雹、龍卷等強(qiáng)對流天氣密切相關(guān)[29-30]。另外，有研究指出，低空急流是聯(lián)系大尺度環(huán)流和劇烈天氣現(xiàn)象的紐帶[31]。可見，低空急流與暴雨、龍卷等極端天氣緊密相關(guān)，其變化能對強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供必要的環(huán)流基礎(chǔ)。因此，在研究中首先給出ENSO不同事件下西南低空急流發(fā)生頻率的分布(圖4)。參照Stensrud[32]的研究，西南低空急流定義為：(1)在850 hPa高度風(fēng)速大于10 m·s-1，并且風(fēng)向角在180°～270°之間(西南風(fēng))；(2)850 hPa風(fēng)速大于其上層和下層風(fēng)速。

圖4 ENSO暖事件(a)和冷事件(b)下西南低空急流發(fā)生頻率分布(單位：%，灰色叉號為通過α=0.05信度檢驗(yàn)的格點(diǎn))Fig.4 The occurrence of south-westerly low-level jet during positive and negative ENSO phase (unit：%; the gray cross dot is the grid points that exceed 95% confidence level)

由圖4可以看出，西南低空急流在我國長江中下游地區(qū)和華南地區(qū)都有分布，主要發(fā)生區(qū)域集中于23°～30°N之間。ENSO暖事件時(圖4a)，低空急流發(fā)生頻率明顯偏少，急流中心位于江西、浙江、安徽、福建等地，急流發(fā)生頻率最高僅有9%；冷事件時(圖4b)，西南低空急流發(fā)生頻率明顯增加，最高可達(dá)到15%以上，并且低空急流發(fā)生頻率大于9%以上的區(qū)域較暖事件明顯增加。由于ENSO冷事件時西南低空急流明顯增多，與西南低空急流發(fā)生相伴隨的氣象條件有利于對流活動的發(fā)生，從而導(dǎo)致龍卷在江蘇地區(qū)的多發(fā)。因此，與ENSO相聯(lián)系的低空急流的變化是其引起江蘇省龍卷數(shù)變化的橋梁。下面分別計算與龍卷發(fā)生關(guān)系密切的大氣不穩(wěn)定條件、動力條件和水汽條件的物理量，探討ENSO冷事件下的物理量場是否有利于龍卷的發(fā)生。

3.3 物理量特征

對流有效位能是強(qiáng)對流天氣的重要指標(biāo)，它能表征大氣的不穩(wěn)定程度。圖5a、b給出了ENSO冷事件與暖事件時對流有效位能的空間分布。為了更清晰地表現(xiàn)ENSO不同位相下江蘇地區(qū)對流有效位能的差別，本文計算了平均對流有效位能在不同區(qū)間值的出現(xiàn)頻率，圖5c給出了ENSO冷事件與暖事件的頻率之差?？臻g分布能夠明顯看出，暖事件時江蘇上空的對流有效位能明顯低于冷事件(圖6)。根據(jù)王毅等[33]研究，龍卷更易出現(xiàn)在對流有效位能梯度較大的地方?？梢钥闯?，冷事件時江蘇上空對流有效位能等值線較為密集，梯度較大，更有利于龍卷的發(fā)生。龍卷多發(fā)區(qū)的對流有效位能通常能夠達(dá)到2 400 J·kg-1以上[33]。由圖5c可以看出，大于2 400 J·kg-1以上對流有效位能頻率基本為正值，說明冷事件情況下，對流有效位能較大值的出現(xiàn)頻率高于暖事件。

圖5 ENSO暖事件(a)和冷事件(b)對流有效位能空間分布(單位：J·kg-1，灰色叉號為通過0.05信度檢驗(yàn)的格點(diǎn))；(c)江蘇省區(qū)域平均對流有效位能頻率分布(ENSO冷位相與暖位相之差，單位：%)Fig.5 The spatial distribution of convective available potential energy in positive (a) and negative (b) ENSO phases (The gray cross dot is the grid points that exceed 95% confidence level)； (c) the difference of spatial averaged CAPE inJiangsu Province between negative and positive ENSO phases (unit：%)

圖6 同圖5，但為垂直風(fēng)切變Fig.6 The same as fig.5， but for the vertical wind sheer

較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變和垂直速度是龍卷得以發(fā)生必需的動力條件。圖6、7分別給出了ENSO暖事件和冷事件情況下垂直風(fēng)切邊和垂直速度的空間分布以及江蘇區(qū)域平均的垂直風(fēng)切變和垂直速度在不同值下出現(xiàn)的頻率分布(冷事件減去暖事件，圖6a、b)。可以看出，ENSO暖事件時，大于11 m·s-1的垂直風(fēng)切變僅出現(xiàn)在江蘇中部區(qū)域，而冷事件時，其分布區(qū)域明顯增加，大值區(qū)幾乎覆蓋整個江蘇，垂直風(fēng)切變更強(qiáng)。全省平均來看，較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變(>20 m·s-1)在ENSO冷事件情況下發(fā)生頻率(圖6c)更高。垂直速度的空間分布也能看出，上升運(yùn)動速度大于0.15 Pa·s-1的覆蓋面積(圖7a、b)在冷事件時更大。垂直速度(ω)的頻率分布(圖7c)也表明，ENSO冷事件時江蘇省區(qū)域相比于ENSO暖事件有更強(qiáng)的上升運(yùn)動(ω<0)。

圖7 同圖5，但為垂直速度Fig.7 The same as fig.5， but for the vertical wind omega

江蘇處于我國東部太平洋西海岸，空氣濕度大，不穩(wěn)定能量相對堆積較多，加上水汽潛熱釋放的影響，更有利于在此地產(chǎn)生龍卷[34]。較濕的大氣也是龍卷得以形成的必要條件。大氣可降水量能夠反映出大氣的濕度以及大氣中潛在凝結(jié)潛熱儲備量。從其空間分布(圖8a、b)可以看出，在ENSO冷事件情況下，江蘇省上空大氣可降水量更大，空氣濕度大于ENSO暖事件情況。ENSO不同位相下江蘇省區(qū)域平均的大氣可降水量之差的頻率分布(圖8c)也可以看出，大氣可降水量數(shù)值大于40 kg·m-2的除60 kg·m-2為較小的負(fù)值外其他均為正值，說明ENSO 冷事件時大氣中水汽較暖事件更充足，從而有利于龍卷的發(fā)生。

4 結(jié)論

本項(xiàng)研究首先利用江蘇省龍卷準(zhǔn)確可信的30 a資料，探討了江蘇省龍卷發(fā)生的氣候?qū)W特征，然后結(jié)合高分辨率再分析資料著眼于大尺度氣候異常外強(qiáng)迫，分析了ENSO事件與江蘇省龍卷活動的聯(lián)系，主要結(jié)論如下：

(1)1976—2005年，江蘇省共發(fā)生龍卷531個，平均每年發(fā)生17.7個，龍卷的發(fā)生數(shù)年際變化明顯，同時也存在年代際變化特征。1990s龍卷發(fā)生數(shù)較多，其中1990最多年達(dá)到51個。7月為江蘇省龍卷發(fā)生次數(shù)最多的月份，30 a累計發(fā)生龍卷兩百多次。鹽城南部和南通沿海地區(qū)是龍卷較為多發(fā)的區(qū)域，宿遷大部、連云港中部和淮安西部地區(qū)龍卷發(fā)生數(shù)較少。

(2)1976—2005年這30 a，ENSO暖事件共發(fā)生38個月，平均每月發(fā)生龍卷2.1個。冷事件發(fā)生為17個月，發(fā)生龍卷較多，平均每月為3.3個。非ENSO事件時龍卷發(fā)生數(shù)處于冷暖位相之間，平均每月3.1個。

(3)ENSO事件對江蘇省龍卷活動的影響主要是通過引起低空急流的變化實(shí)現(xiàn)的。ENSO暖事件時，低空急流發(fā)生頻率明顯偏少，冷事件時急流發(fā)生頻率明顯增加。ENSO冷事件時由于西南低空急流發(fā)生頻率明顯增加，導(dǎo)致位于急流出口區(qū)左側(cè)的江蘇省地區(qū)大氣不穩(wěn)定能量較大，垂直速度和垂直風(fēng)切變較強(qiáng)，水汽供應(yīng)增強(qiáng)，均有利于龍卷的發(fā)生，從而導(dǎo)致在ENSO冷事件情況下江蘇省龍卷發(fā)生數(shù)偏多。

本文的研究初步討論了ENSO不同位相對江蘇省龍卷發(fā)生數(shù)的影響和可能原因，全球尺度的ENSO事件和小區(qū)域的龍卷之間聯(lián)系的物理本質(zhì)還需要今后進(jìn)一步研究。