1971—2020年遼寧龍卷的氣候特征及環(huán)境條件分析*

袁 潮 楊文艷 李得勤 楊 磊 王式功

1 中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所,沈陽(yáng) 110166 2 中國(guó)氣象局龍卷風(fēng)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,廣東佛山 528315 3 遼寧省盤(pán)錦市氣象局,盤(pán)錦 124010 4 遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中心,沈陽(yáng) 110166 5 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,成都 610225

提 要：為了解遼寧龍卷氣候特征,基于《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》和其他相關(guān)資料,根據(jù)“改進(jìn)藤田分級(jí)”龍卷級(jí)別分類標(biāo)準(zhǔn),對(duì)1971—2020年遼寧龍卷進(jìn)行強(qiáng)度分類和時(shí)空分布特征統(tǒng)計(jì),并對(duì)比我國(guó)遼寧與美國(guó)龍卷高發(fā)區(qū)環(huán)境背景差異,分析遼寧龍卷典型的環(huán)流形勢(shì)、物理量特征。得到以下主要結(jié)論:1971—2020年遼寧地區(qū)共記錄到97個(gè)龍卷日發(fā)生龍卷105次,年均為2.1次,年平均龍卷生成密度為1.4×10-5個(gè)·km-2,約為美國(guó)的1/10。EF2及以上級(jí)別強(qiáng)龍卷共記錄到17次,年均出現(xiàn)0.3次。95%的龍卷出現(xiàn)在5—9月,67%出現(xiàn)在14—19時(shí)。EF2及以上級(jí)別強(qiáng)龍卷主要分布在遼寧中部以西地區(qū),東南沿海地區(qū)多為弱龍卷,遼寧西北部龍卷季明顯早于東南部。對(duì)流有效位能和中低層風(fēng)切變隨季節(jié)呈反相位變化,兩者的合適配置是龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生的前提條件。低層風(fēng)暴相對(duì)螺旋度偏小是我國(guó)遼寧較美國(guó)龍卷高發(fā)區(qū)龍卷密度明顯偏小的主要原因。遼寧87%的龍卷與冷渦相關(guān),分為低層鋒生主導(dǎo)的冷渦底部短波槽和冷渦前部型(65%)、中高空干冷氣流主導(dǎo)的冷渦后部型(12%)以及強(qiáng)熱力不穩(wěn)定條件下中尺度近風(fēng)暴環(huán)境主導(dǎo)的冷渦主體型(6%)。遼寧龍卷高發(fā)區(qū)典型環(huán)境條件具有以下特征:中層影響系統(tǒng)為冷渦,地面對(duì)應(yīng)鋒面氣旋;龍卷常出現(xiàn)于低層風(fēng)暴相對(duì)螺旋度中心偏西北象限,對(duì)流有效位能梯度大值區(qū)內(nèi),對(duì)應(yīng)地面冷鋒和干線的東側(cè)、溫度脊頂部。

引 言

龍卷是在不穩(wěn)定大氣層結(jié)條件下由于強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的強(qiáng)烈渦旋,通常伴隨著高速旋轉(zhuǎn)的漏斗狀云柱,是猛烈的對(duì)流天氣現(xiàn)象之一,迄今為止記錄到的最強(qiáng)龍卷的地面極大陣風(fēng)風(fēng)速介于 125～140 m·s-1(Davies-Jones et al,2001;俞小鼎和鄭永光,2020)。由于龍卷的空間尺度小,幾乎難以經(jīng)過(guò)地面氣象觀測(cè)站,即便是恰巧經(jīng)過(guò)觀測(cè)站,觀測(cè)儀器也會(huì)被摧毀而無(wú)法得到氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),因此通過(guò)災(zāi)情來(lái)判斷龍卷強(qiáng)度就顯得尤為重要(張雪芬等,2013)。為了界定龍卷強(qiáng)度,Fujita(1971)基于龍卷路徑上地面建筑物、樹(shù)木、汽車等造成的損害程度和風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將龍卷分為從F0到F5級(jí)的共6個(gè)等級(jí),即“藤田分級(jí)”(Fujita scale)。之后為更準(zhǔn)確地反映龍卷風(fēng)破壞力與風(fēng)速之間的關(guān)系,美國(guó)國(guó)家氣象局對(duì)“藤田分級(jí)”風(fēng)速的上下限進(jìn)行了調(diào)整,采用美國(guó)常見(jiàn)的28種標(biāo)志物受損情況確定龍卷強(qiáng)度等級(jí),稱為EF級(jí)(enhanced Fujita scale)(Wind Science and Engineering Center,2006),同樣是從EF0到EF5級(jí)。近年來(lái),我國(guó)也逐漸建立起龍卷災(zāi)害調(diào)查體系,2019年制定了中國(guó)《龍卷強(qiáng)度等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)(中國(guó)氣象局,2019),其共分為四級(jí),一級(jí)對(duì)應(yīng)EF0級(jí),二級(jí)對(duì)應(yīng)EF1級(jí),三級(jí)對(duì)應(yīng)EF2、EF3級(jí),四級(jí)對(duì)應(yīng)EF4、EF5級(jí)。

就全球而言,美國(guó)是發(fā)生龍卷頻率最高的國(guó)家,每年有1000多個(gè)龍卷生成(王東海等,2018)。Brooks et al(2003)研究發(fā)現(xiàn),龍卷與地形及海陸分布存在一定聯(lián)系,在大地形以東,并且南面臨海的區(qū)域是龍卷的多發(fā)區(qū),Markowski and Richardson(2010)同樣指出墨西哥灣暖濕氣流北上與來(lái)自落基山東側(cè)的下山暖干氣流在美國(guó)大平原地區(qū)交匯,為龍卷的發(fā)生提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。高低空急流耦合及地面高溫高濕區(qū)是龍卷的易發(fā)區(qū)(Rasmussen et al,2000),并且龍卷風(fēng)暴通常是在干線、暖鋒以及干線與暖鋒形成的錮囚鋒三種天氣尺度邊界線上發(fā)展起來(lái)的(Hamill et al,2005;Lee et al,2006)。對(duì)于龍卷天氣的環(huán)境參數(shù)研究,Johns et al(1990)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),在美國(guó)對(duì)流有效位能(CAPE)和垂直風(fēng)切變與龍卷的產(chǎn)生關(guān)系最為密切,之后Brooks et al(2003)根據(jù)探空數(shù)據(jù)和再分析資料指出,CAPE、低層垂直風(fēng)切變、抬升凝結(jié)高度、中層垂直溫度遞減率等環(huán)境參數(shù)是龍卷發(fā)生與否的重要影響因子,并且在進(jìn)一步的研究中發(fā)現(xiàn),將這些參數(shù)進(jìn)行組合,能較好地應(yīng)用于龍卷落區(qū)的潛勢(shì)預(yù)報(bào)(Craven and Brooks,2004)。

對(duì)于我國(guó)而言,強(qiáng)龍卷主要發(fā)生在東部平原、華南、東北等地勢(shì)平坦的地區(qū)(范雯杰和俞小鼎,2015;馮佳瑋等,2017;鄭永光,2020;鄭永光等,2021),江河湖泊、海陸分布等下墊面差異也對(duì)強(qiáng)龍卷生成有一定的促進(jìn)作用。朱紅蕊等(2015)統(tǒng)計(jì)黑龍江省近60年龍卷事件指出,黑龍江省龍卷主要發(fā)生在松嫩平原腹地,綏化及齊齊哈爾地區(qū)為主要高發(fā)地。王秀明等(2015)選取近年發(fā)生在東北地區(qū)的13次龍卷典型個(gè)例,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)東北龍卷發(fā)生在冷渦背景下,冷渦后部短波槽為直接影響系統(tǒng),環(huán)境條件表現(xiàn)出溫度直減率大,高低空垂直風(fēng)切強(qiáng)而低層相對(duì)較干的特點(diǎn)。才奎志等(2022)收集了冷渦背景下遼寧77個(gè)龍卷個(gè)例,并對(duì)冷渦背景下龍卷與熱帶氣旋龍卷的熱力、動(dòng)力環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)于華南地區(qū),臺(tái)風(fēng)龍卷主要發(fā)生在臺(tái)風(fēng)外圍云帶中,臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向東北側(cè)的強(qiáng)低空急流帶來(lái)充沛的水汽和強(qiáng)低空垂直風(fēng)切變,是龍卷生成的有利條件,龍卷風(fēng)暴多為淺對(duì)流風(fēng)暴或微型超級(jí)單體(黃先香等,2019a;2019b)。江淮平原地區(qū),冷渦后部龍卷和臺(tái)風(fēng)外圍龍卷均有出現(xiàn)(姚葉青等,2012;鄭媛媛等,2015;徐芬等,2021;慕瑞琪等,2022),江蘇北部為龍卷多發(fā)地,龍卷常常出現(xiàn)在梅雨期典型的暴雨天氣形勢(shì)中,對(duì)流有效位能通常較東北和華南龍卷更高(曾明劍等,2016)。

遼寧地處東北平原下游,該地區(qū)是我國(guó)三大龍卷易發(fā)區(qū)之一(Yao et al,2015),其地形及海陸分布與美國(guó)大平原地區(qū)有著相似之處。遼寧地區(qū)幾乎每年都會(huì)有龍卷生成(白華等,2023),如2019年7月3日和8月16日,龍卷分別穿過(guò)開(kāi)原及營(yíng)口市區(qū),造成重大的財(cái)產(chǎn)損失甚至是人員傷亡(袁潮等,2021;2022;張濤等,2020;鄭永光等,2020),因此對(duì)遼寧地區(qū)龍卷進(jìn)行研究是十分必要的。目前中國(guó)的龍卷氣候統(tǒng)計(jì)主要基于《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》(溫克剛,2008;丁一匯,2008)及《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》(中國(guó)氣象局,2005—2020),有相當(dāng)多的龍卷并未被收錄,故本文擬利用多途徑收集遼寧龍卷資料,對(duì)遼寧地區(qū)龍卷進(jìn)行相對(duì)系統(tǒng)全面的統(tǒng)計(jì),在此基礎(chǔ)上研究本地區(qū)龍卷時(shí)空分布、環(huán)流背景等特征,并與美國(guó)龍卷高發(fā)區(qū)的氣候背景進(jìn)行對(duì)比,最后總結(jié)典型環(huán)流背景下遼寧龍卷的概念模型,以期為遼寧龍卷預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。

1 資料來(lái)源與方法

1.1 資料來(lái)源及選取依據(jù)

2000年以前,我國(guó)尚未建立完整詳盡的龍卷事件記錄,為龍卷研究造成一定困難。為盡可能對(duì)遼寧龍卷進(jìn)行詳細(xì)而全面的統(tǒng)計(jì),較之前學(xué)者的研究擴(kuò)大了資料搜索范圍,收集龍卷事件的參考資料包括:《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》(綜合卷)(丁一匯,2008),選取時(shí)段為1971—2000年;《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》(遼寧卷)(溫克剛,2008),選取時(shí)段為1971—1983年;《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》(中國(guó)氣象局,2005—2020年),選取時(shí)段為2004—2019年;國(guó)家氣象觀測(cè)站人工觀測(cè)龍卷記錄,選取時(shí)段為1971—2008年;縣級(jí)歷史氣象災(zāi)情資料,統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1984—2020年;《遼寧省志(氣象志)》(遼寧省人民政府地方志辦公室,2005),統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1971—2005年。同時(shí)結(jié)合各級(jí)氣象網(wǎng)站、電視、報(bào)紙等媒體所公布的龍卷圖片和視頻等對(duì)龍卷個(gè)例進(jìn)行了補(bǔ)充。在上述龍卷數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上,采用如下準(zhǔn)則來(lái)判別記錄龍卷個(gè)例的真?zhèn)巍?/p>

首先,所有龍卷事件根據(jù)時(shí)間及地點(diǎn)查找當(dāng)日附近地面觀測(cè)站點(diǎn)記錄的雷暴及降水情況(2005年之后加入雷達(dá)反射率因子資料),用以排除可能的塵卷風(fēng)等干擾。

之后將龍卷事件設(shè)置質(zhì)量控制等級(jí),分別為QC0～QC3四個(gè)等級(jí)來(lái)代表質(zhì)量依次遞增:QC0為經(jīng)過(guò)第一步質(zhì)量控制后所有資料來(lái)源范圍內(nèi)記錄的龍卷事件,共138次;QC1包括災(zāi)情記錄中有目擊者描述漏斗云、“黑龍”“黑柱子”等形容龍卷的相關(guān)內(nèi)容,災(zāi)情中有明顯的狹長(zhǎng)的破壞特征,雷達(dá)回波經(jīng)過(guò)災(zāi)情記錄地點(diǎn),在多普勒天氣雷達(dá)徑向速度圖上有明顯低層中氣旋或龍卷渦旋特征(TVS)與之對(duì)應(yīng),地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)的人工觀測(cè)記錄;QC2為經(jīng)過(guò)核實(shí)過(guò)的龍卷漏斗云的照片或視頻資料;QC3為有專門(mén)的氣象專家經(jīng)過(guò)詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)調(diào)形成報(bào)告或公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn),該部分不再進(jìn)行重新定級(jí)。

為兼顧龍卷事件的真實(shí)性和全面性,選取QC1質(zhì)量控制龍卷事件作為本文研究的對(duì)象,值得指出的是,該質(zhì)量控制等級(jí)仍可能包含小部分下?lián)舯┝?、陣風(fēng)鋒龍卷(gustnado)等非龍卷事件,但在一定程度上能夠較好表征遼寧龍卷的氣候分布特征。同時(shí)需要說(shuō)明的是水龍卷未包含在本文統(tǒng)計(jì)范圍之內(nèi),但不排除水龍卷上岸登陸后造成災(zāi)害而被記錄。

本文使用的氣象數(shù)據(jù)資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECWMF)提供的第五代0.25°×0.25°全球分析格點(diǎn)資料(以下簡(jiǎn)稱 ERA5 資料),時(shí)間分辨率為1 h,包含了地面及 37 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等壓層(1000～1 hPa)。

前文提到,龍卷與地形及海陸分布存在一定聯(lián)系,美國(guó)中南部平原為強(qiáng)龍卷的高發(fā)區(qū),因此也被稱為“龍卷走廊”。該地區(qū)存在適合長(zhǎng)生命史超級(jí)單體風(fēng)暴生成的環(huán)境條件:高空偏西急流、低層?xùn)|南側(cè)來(lái)自墨西哥灣的暖濕氣流、中層西南側(cè)來(lái)自新墨西哥州的干暖氣流以及西北側(cè)翻山南下的干冷氣流交匯,造成了強(qiáng)的動(dòng)力和熱力不穩(wěn)定環(huán)境條件(Schultz et al,2014;王東海等,2018)。對(duì)比發(fā)現(xiàn),東北平原地區(qū)地形及海陸分布與美國(guó)“龍卷走廊”有著相似之處,比如低層南側(cè)有來(lái)自渤海灣的暖濕氣流,西側(cè)存在翻越大興安嶺余脈后下沉的干暖氣流,且該地區(qū)地勢(shì)低洼平坦、江河湖泊水網(wǎng)交織,在合適的熱動(dòng)力條件下,大氣對(duì)流強(qiáng)烈發(fā)展利于龍卷產(chǎn)生。

為研究中美龍卷環(huán)境背景差異,選取美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局風(fēng)暴預(yù)測(cè)中心龍卷數(shù)據(jù)庫(kù)(https:∥www.spc.noaa.gov/climo/online/sp3)中所記錄的龍卷事件(記錄了自1950年以來(lái)由美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心和風(fēng)暴預(yù)測(cè)中心收集的龍卷事件)。本文選取美國(guó)4°×4°的三個(gè)龍卷高發(fā)代表區(qū)域(圖1),分別為:36°～40°N、97°～101°W,該區(qū)域?yàn)槊绹?guó)龍卷走廊的代表區(qū)域,亦是強(qiáng)龍卷高發(fā)區(qū),以下簡(jiǎn)稱UC;31°～35°N、86°～90°W,主要包括田納西州及密西西比州,是美國(guó)龍卷高致死率的地區(qū)(黃大鵬等,2017),以下簡(jiǎn)稱USE;38°～42°N、75°～79°W,選取該區(qū)域的主要原因是其與我國(guó)遼寧緯度相近,地形方面,西側(cè)為東北—西南走向的阿巴拉契亞山脈,南側(cè)為切薩皮克灣,東側(cè)為海洋,同樣與遼寧類似,以下簡(jiǎn)稱UE。并選取39°～44°N、119°～124°E作為遼寧龍卷高發(fā)代表區(qū)(以下簡(jiǎn)稱LN,包括遼寧除東部山區(qū)外的大部分地區(qū),也包括內(nèi)蒙古東部的部分地區(qū)),與美國(guó)龍卷高發(fā)區(qū)進(jìn)行對(duì)比。需要說(shuō)明的是,選取比美國(guó)略大的區(qū)域,一方面是因?yàn)楸M可能包括遼寧龍卷的高發(fā)區(qū)域;另一方面由于所選區(qū)域內(nèi)包含一部分海洋,略微擴(kuò)大區(qū)域也可以使得對(duì)比地區(qū)的實(shí)際面積盡量一致。

1.2 龍卷定級(jí)方法

由于目前我國(guó)的《龍卷強(qiáng)度等級(jí)》(中國(guó)氣象局,2019)給出的災(zāi)害指示物較少,災(zāi)害特征描述較為模糊,本文仍采用美國(guó)的龍卷強(qiáng)度分級(jí)方法。用以確定龍卷EF等級(jí)的28種指示物很多具有美國(guó)特點(diǎn),本文采用范雯杰和俞小鼎(2015)提出的定強(qiáng)方法,保留原有確定F等級(jí)的一些判據(jù),與新的28種標(biāo)志物判據(jù)適當(dāng)結(jié)合,形成遼寧地區(qū)關(guān)于龍卷強(qiáng)度EF級(jí)別的判據(jù);為盡量減小個(gè)人主觀判斷的誤差,采取多位氣象學(xué)者進(jìn)行獨(dú)立判別,差異個(gè)例進(jìn)行二次判別?？紤]到早期東北農(nóng)村木質(zhì)電桿與美國(guó)金屬電桿抗風(fēng)能力相差較大,電線桿倒伏、折斷定為EF1級(jí)(高壓電桿除外),此外,對(duì)災(zāi)情描述不詳、無(wú)有效災(zāi)情指示物的個(gè)例,其強(qiáng)度按照較低級(jí)別判定。通常將EF0和EF1級(jí)龍卷稱為弱龍卷,將EF2級(jí)或以上級(jí)龍卷稱為強(qiáng)龍卷(significant tornado)。

2 遼寧龍卷時(shí)空分布特征

2.1 龍卷等級(jí)特征

根據(jù)QC1質(zhì)量控制等級(jí),1971—2020年遼寧地區(qū)共記錄到龍卷105次,EF2或以上級(jí)強(qiáng)龍卷17次(包含 EF4級(jí)1次、EF3級(jí)2次),Brooks et al(2003)研究指出,龍卷強(qiáng)度分布存在一定的規(guī)律性,F(n+1)與F(n)強(qiáng)度的比值一般在0.1～0.36,且超級(jí)單體龍卷越多,其比值越高(非超級(jí)單體產(chǎn)生龍卷通常較弱),該特征可用來(lái)檢驗(yàn)龍卷記錄資料的可靠性。以EF3級(jí)與EF2級(jí)之比為例,1961—2010年全國(guó)范圍內(nèi)比值為0.11(范雯杰和俞小鼎,2015),本文統(tǒng)計(jì)的遼寧地區(qū)比值為0.14,可能與我國(guó)華南地區(qū)多臺(tái)風(fēng)龍卷,強(qiáng)度通常較弱有關(guān)。遼寧與UE區(qū)的龍卷強(qiáng)度分布特征較為相似(圖2),USE區(qū)EF2及以上級(jí)別龍卷比例最高。除UC區(qū)以外,其他地區(qū)EF1級(jí)與EF0級(jí)龍卷數(shù)量大致相等,這可能是因?yàn)镋F0級(jí)弱龍卷更難被監(jiān)測(cè)和記錄下來(lái)。

注:UC區(qū):36°～40°N、97°～101°W;USE區(qū):31°～35°N、86°～90°W;UE區(qū):38°～42°N、75°～79°W。圖1 (a)我國(guó)遼寧龍卷高發(fā)代表區(qū)域與(b)美國(guó)龍卷高發(fā)代表區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of the representative regions with high incidence of tornadoes in (a) Liaoning Province of China and (b) the United States

2.2 龍卷空間分布

遼寧龍卷整體上分布于低海拔地區(qū),主要包括遼寧東、西部沿海及遼河平原地區(qū),EF2及以上級(jí)別強(qiáng)龍卷主要分布在遼寧中部以西地區(qū),遼寧東南沿海地區(qū)也是龍卷多發(fā)地,但整體強(qiáng)度偏弱(圖3a)。龍卷分布呈現(xiàn)出明顯季節(jié)變化特征(圖3b),遼寧汛期之前(5—6月)龍卷主要發(fā)生在西部地區(qū),高發(fā)區(qū)位于遼西走廊至西北部的阜新地區(qū),呈東北—西南帶狀,同時(shí)值得指出的是,遼寧西部山區(qū)汛前也偶有龍卷發(fā)生,而在汛期及汛期之后鮮有發(fā)生,這一氣候特點(diǎn)可作為業(yè)務(wù)上對(duì)該地區(qū)龍卷預(yù)報(bào)的重要參考;7—8月隨著副熱帶夏季風(fēng)的北推,遼寧進(jìn)入主汛期,龍卷數(shù)量增多,分散地分布于低海拔地區(qū),以遼西走廊及遼河平原中下游地區(qū)為主;9—10月龍卷數(shù)量明顯減少,主要分布于遼寧東部沿海地區(qū)。

注:龍卷強(qiáng)度按照EF等級(jí)劃分。圖2 1979—2020年我國(guó)遼寧與美國(guó)代 表區(qū)域龍卷強(qiáng)度分布Fig.2 Probability distribution of tornado intensity in the representative regions of Liaoning Province of China and the United States from 1979 to 2020

注:填色為海拔高度。圖3 1979—2020年遼寧龍卷空間分布 (a)龍卷強(qiáng)度(彩色圓點(diǎn)),(b)龍卷發(fā)生時(shí)間(彩色圓點(diǎn))Fig.3 Spatial distribution of tornadoes in Liaoning Province from 1979 to 2020 (a) tornado intensity (colored dot), (b) occurrence time of tornado (colored dot)

2.3 龍卷時(shí)間分布

統(tǒng)計(jì)得到1971—2020年97個(gè)龍卷日共發(fā)生105次龍卷事件(圖4),其中90個(gè)龍卷日記錄到1次龍卷,最多單日記錄到3個(gè)龍卷。年均龍卷數(shù)量為2.1個(gè),年平均龍卷生成密度為1.4×10-5個(gè)·km-2。美國(guó)每年有多于1000個(gè)龍卷生成,同時(shí),相比中國(guó)遼寧地區(qū)(最多單日記錄到3個(gè)龍卷),美國(guó)龍卷日的龍卷發(fā)生頻次也明顯偏高,例如2008年5月23日UC區(qū)記錄到當(dāng)日發(fā)生70次龍卷事件。美國(guó)全境年均龍卷密度為1.33×10-4個(gè)·km-2,UC區(qū)年均龍卷密度為3.7×10-4個(gè)·km-2,USE區(qū)年均龍卷密度為3.2×10-4個(gè)·km-2,UE區(qū)年均龍卷密度為1.5×10-4個(gè)·km-2,與美國(guó)全境及UE區(qū)相比,遼寧龍卷密度約為其1/10。

遼寧龍卷存在明顯的季節(jié)變化(圖5),多發(fā)于每年的5—9月,占全年總數(shù)的95%,高發(fā)時(shí)段相對(duì)集中,1—3月及11—12月無(wú)龍卷記錄,這與美國(guó)龍卷的季節(jié)分布特征差別很大。美國(guó)龍卷整體上多發(fā)于晚春時(shí)節(jié)(4—6月),并在全年均有出現(xiàn)。值得指出的是,美國(guó)東部與我國(guó)東北處于同緯度的地區(qū)(以圖5中UE區(qū)為例),但其一年中幾乎每個(gè)月都會(huì)有龍卷發(fā)生。

圖4 1971—2020年遼寧龍卷個(gè)數(shù)年變化Fig.4 Annual variation of tornadoe number in Liaoning Province from 1971 to 2020

圖5 1971—2020年我國(guó)遼寧(折線)與 美國(guó)代表區(qū)域(柱狀)龍卷個(gè)數(shù)月變化Fig.5 Monthly changes of tornadoes in Liaoning Province of China (line) and the representative regions of United States (histogram) from 1971 to 2020

遼寧龍卷有明確開(kāi)始時(shí)間的記錄共70次,大多出現(xiàn)在午后到傍晚(圖6),14—19時(shí)出現(xiàn)的龍卷個(gè)數(shù)占總個(gè)數(shù)的67%,17—18時(shí)是多發(fā)時(shí)段。美國(guó)龍卷主要出現(xiàn)在下午和晚上,約一半以上龍卷出現(xiàn)在15—20時(shí)(地方時(shí)),其最高發(fā)時(shí)段同樣也出現(xiàn)在17—18時(shí)(王東海等,2018)。龍卷的這種日變化特征一方面是由于太陽(yáng)輻射,午后近地面層溫度的升高,易形成強(qiáng)烈的不穩(wěn)定層結(jié),大量不穩(wěn)定能量的積累和釋放為龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生提供了有利的環(huán)境條件,另一方面00—05時(shí)無(wú)龍卷記錄也與夜間觀測(cè)缺失有關(guān)。

3 我國(guó)遼寧與美國(guó)龍卷高發(fā)區(qū)環(huán)境特征對(duì)比

3.1 龍卷高發(fā)季關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比分析

前文提到,遼寧龍卷密度不及美國(guó)的1/10。誠(chéng)然,由于在地形、海洋尺度方面,我國(guó)東北地區(qū)相比美國(guó)都較小,可能導(dǎo)致不同性質(zhì)氣流的強(qiáng)度相對(duì)較弱,氣團(tuán)屬性差異不顯著,表現(xiàn)為單次對(duì)流事件的環(huán)境參數(shù)值較美國(guó)明顯偏小,但基于大尺度環(huán)境背景分析遼寧龍卷仍具有重要意義。

龍卷生成有利環(huán)境條件包括強(qiáng)垂直風(fēng)切變、充足的水汽條件以及足夠的能量條件。強(qiáng)龍卷參數(shù)(STP)是最能表征龍卷潛勢(shì)的環(huán)境參數(shù)(公式如下),該參數(shù)被美國(guó)業(yè)務(wù)上用于預(yù)報(bào)龍卷發(fā)生的可能性(Grams et al,2012),當(dāng)STP大于1時(shí),易發(fā)生EF2以上級(jí)別強(qiáng)龍卷。

注:龍卷發(fā)生在當(dāng)前時(shí)間到前1 h時(shí)段內(nèi)。圖6 1971—2020年遼寧龍卷頻次逐小時(shí)變化Fig.6 Hourly changes of tornadoes in Liaoning Province from 1971 to 2020

式中:MLCAPE代表近地面150 hPa混合后對(duì)流有效位能,MLLCL代表混合后的抬升凝結(jié)高度,SRH1代表0～1 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度,SHR6為0～6 km垂直風(fēng)切變。

統(tǒng)計(jì)1979—2018年美國(guó)三個(gè)代表地區(qū)(UC、USE、UE)的龍卷事件,UC區(qū)發(fā)生龍卷2381次,主要集中于4—6月(1834次,77%);USE區(qū)發(fā)生龍卷2072次,主要集中于3—5月(922次,44%);UE區(qū)發(fā)生龍卷978次,主要集中于5—7月(528次,54%),LN區(qū)主要集中于6—8月(72次,71%)。為探求中美龍卷環(huán)境背景差異,選取上述地區(qū)龍卷高發(fā)季節(jié)環(huán)境參數(shù)均值進(jìn)行對(duì)比分析(圖7),可見(jiàn)四個(gè)區(qū)域龍卷環(huán)境背景具有較大差異性,UC區(qū)龍卷發(fā)生次數(shù)最多,環(huán)境背景條件表現(xiàn)為強(qiáng)熱力及動(dòng)力不穩(wěn)定(高SHR6、高SRH1、高CAPE);USE區(qū)表現(xiàn)為高SHR6、中等SRH1、低CAPE,低CAPE與該地區(qū)龍卷季更早有關(guān);UE區(qū)表現(xiàn)為中等SHR6、較低SRH1、低CAPE;LN區(qū)表現(xiàn)為低SHR6、低SRH1、高CAPE。分析LN區(qū)明顯偏少的原因,可能是因?yàn)檫|寧主汛期處于副熱帶高壓外圍維持高溫高濕環(huán)境中,CAPE平均值偏高,表現(xiàn)為低動(dòng)力不穩(wěn)定、高熱力不穩(wěn)定的環(huán)境背景,但多數(shù)情況下缺少對(duì)流觸發(fā)機(jī)制。東北地區(qū)典型龍卷個(gè)例(王秀明等,2015;袁潮等,2021;蔡康龍等,2021)發(fā)生的環(huán)境背景表現(xiàn)為中等到強(qiáng)的CAPE和強(qiáng)中、低層風(fēng)垂直切變,也有少數(shù)出現(xiàn)于弱風(fēng)垂直切變環(huán)境下(王秀明等,2015;王婷婷等,2017,袁潮等,2022)。而相比之下,美國(guó)相當(dāng)一部分龍卷產(chǎn)生于強(qiáng)風(fēng)垂直切變和相對(duì)較低的CPAE的環(huán)境條件下(Sherburn and Parker,2014),同樣多見(jiàn)于我國(guó)臺(tái)風(fēng)外圍龍卷(黃先香等,2019a;李彩玲等,2019,Bai et al,2020;鄭永光,2020;鄭永光等,2021)。

整體來(lái)看,美國(guó)三個(gè)區(qū)域復(fù)合參數(shù)STP與龍卷數(shù)體現(xiàn)出很高的一致性,而中國(guó)LN區(qū)因?yàn)楦逤APE、低SRH1,呈現(xiàn)出STP指數(shù)略高于UE區(qū),但是龍卷發(fā)生概率低。分析STP差異不明顯而LN區(qū)概率偏低的原因,可能與STP閾值設(shè)定有關(guān),該閾值是Grams et al(2012)基于美國(guó)龍卷發(fā)生各環(huán)境參數(shù)均值所設(shè)定,與中國(guó)遼寧龍卷的環(huán)境參數(shù)存在差異(王秀明等,2015;才奎志等,2022)。本文統(tǒng)計(jì)2018年夏季(6—8月)遼寧錦州站探空資料,對(duì)比ERA5再分析資料發(fā)現(xiàn),ERA5資料925 hPa風(fēng)速偏小約2 m·s-1,環(huán)境溫度垂直遞減率較實(shí)況探空低1.5℃,另外中層干層亦不如觀測(cè)探空顯著,表明ERA5資料顯著低估了龍卷發(fā)生的概率,其或許是基于ERA5的復(fù)合參數(shù)STP與龍卷數(shù)并未體現(xiàn)出很高的一致性的原因之一。此外鄭永光等(2021)和袁潮等(2021)研究指出,2019年開(kāi)原發(fā)生EF4級(jí)龍卷,再分析資料表征中等到弱低層風(fēng)垂直切變,而風(fēng)廓線雷達(dá)在臨近時(shí)刻顯示出強(qiáng)的0～1 km垂直風(fēng)切變。綜上所述,雖然再分析資料顯示,遼寧在氣候態(tài)上表現(xiàn)為相對(duì)小的SRH1,王秀明等(2015)、袁潮等(2021)、蔡康龍等(2021)、徐玥等(2022)研究表明,925 hPa的超低空急流是東北龍卷的環(huán)流特征之一。此外,Roebber(2009)研究美國(guó)STP中單獨(dú)各項(xiàng)對(duì)于龍卷預(yù)報(bào)的評(píng)分時(shí)指出,0～500 m的SRH評(píng)分最高,MLCAPE評(píng)分最低。同樣對(duì)于LN區(qū)而言,70%龍卷發(fā)生于夏季(6—8月),高溫高濕的環(huán)境背景使得以CAPE為代表的熱力條件不是制約龍卷生成的主要因子。

圖7 1979—2018年各區(qū)域龍卷高發(fā)季環(huán)境參數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison of environmental parameters in the high-incidence season of tornadoes in various regions from 1979 to 2018

3.2 龍卷關(guān)鍵參數(shù)變化趨勢(shì)分析

強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生需要良好的熱力和動(dòng)力條件配合(Brooks et al,2003),但在氣候態(tài)上以CAPE為代表的熱力不穩(wěn)定和以SHR6為代表的動(dòng)力不穩(wěn)定卻呈現(xiàn)反位相的變化趨勢(shì)(圖8a),兩者的配置是強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生的關(guān)鍵。美國(guó)各代表區(qū)龍卷季均早于LN區(qū)(即便是同緯度地區(qū),圖5),這與其熱力和動(dòng)力條件能夠更早達(dá)到合適的配置有關(guān)。由圖8b可見(jiàn),美國(guó)春季CAPE增長(zhǎng)迅速,且SHR6仍維持相對(duì)較高數(shù)值,因而很好對(duì)應(yīng)美國(guó)龍卷的高發(fā)季(圖5),而中國(guó)LN區(qū)5月之前CAPE明顯偏低,表明熱力條件差,即使SHR6與美國(guó)地區(qū)相差不大(甚至更高),能量條件制約強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。暖季(6—8月)受副熱帶夏季風(fēng)的影響,遼寧地區(qū)CAPE較前期迅速增大(圖8a),LN區(qū)比同緯度UE區(qū)的CAPE明顯偏高,但龍卷個(gè)數(shù)卻明顯偏少(圖5),同樣表征CAPE為代表的熱力條件對(duì)龍卷的指示意義相對(duì)較差(Roebber,2009)。綜上所述,CAPE與SHR6的氣候態(tài)能表征強(qiáng)風(fēng)暴(通常以超級(jí)單體風(fēng)暴為代表)發(fā)生的可能性(Brooks et al,2003),但龍卷并不僅產(chǎn)生于超級(jí)單體風(fēng)暴之中,故CAPE和SHR6僅能部分地解釋不同地區(qū)龍卷季節(jié)差異性特征。

圖8 各區(qū)域龍卷高發(fā)季環(huán)境參數(shù)對(duì)比 (a)MLCAPE和0～6 km垂直風(fēng)切變,(b)925 hPa風(fēng)速和0～1 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度,(c)925 hPa比濕Fig.8 Comparison of environmental parameters in the high-incidence season of tornadoes in various regions (a) MLCAPE and SHR6, (b) wind speed and 0-1 km relative helicity at 925 hPa, (c) specific humidity at 925 hPa

美國(guó)龍卷最高發(fā)的“龍卷走廊”(以UC區(qū)為代表)SRH1較其他三個(gè)地區(qū)明顯偏高,這與低層風(fēng)速的大小和風(fēng)向隨高度變化有關(guān)(圖8b),各地區(qū)在其他環(huán)境參量無(wú)明顯差異的情況下,SRH1對(duì)于龍卷生成的至關(guān)重要(Lu et al,2015;Tippett et al,2016;Coffer et al,2019)。此外,同緯度的LN區(qū)與UE區(qū)相比,暖季LN區(qū)CAPE比UE區(qū)更高,低層風(fēng)速及SRH1明顯偏低,對(duì)應(yīng)的龍卷密度也偏低(圖5),在一定程度上表征動(dòng)力條件是中國(guó)LN區(qū)較美國(guó)龍卷高發(fā)區(qū)龍卷明顯偏少的重要因素。同時(shí)需要指出的是,USE區(qū)在暖季(6—8月)相較其他月份SRH1同樣偏低,龍卷發(fā)生次數(shù)比LN區(qū)更多(圖5,USE區(qū)年均為4.3次)。這與上述分析并不矛盾,首先6—8月的確是USE區(qū)龍卷最少的時(shí)段(圖5,僅占年總數(shù)8%),同時(shí),6—8月USE區(qū)的CAPE較其他地區(qū)顯著偏大(圖8a),對(duì)比USE區(qū)與LN區(qū),推測(cè)在低SRH1條件下,顯著偏大的CAPE對(duì)龍卷產(chǎn)生有一定貢獻(xiàn)(這其中可能有相當(dāng)一部分是非中氣旋龍卷),但影響相對(duì)較小。綜上分析,在滿足強(qiáng)風(fēng)暴的發(fā)生的環(huán)境背景下,SRH1是LN區(qū)龍卷生成的主要制約條件。

低層水汽含量對(duì)東北龍卷發(fā)生極為重要(王秀明等,2015)。對(duì)比不同區(qū)域的低層濕度(圖8c),925 hPa比濕(q925)均存在明顯的季節(jié)變化趨勢(shì),而其中LN區(qū)季節(jié)變化最為明顯,龍卷高發(fā)季(6—8月)對(duì)應(yīng)低層濕度最大季節(jié),平均值為11.1 g·kg-1。美國(guó)三個(gè)代表區(qū)同樣在6—8月低層濕度達(dá)到最大,除6—8月之外,三個(gè)代表區(qū)的低層濕度較LN區(qū)明顯更大。但與LN區(qū)不同的是,各代表區(qū)龍卷高發(fā)季與低層濕度最大季節(jié)并不重合。UC、USE、UE區(qū)的龍卷高發(fā)季925 hPa比濕的平均值分別為8.6、7.1、8.6 g·kg-1,明顯小于LN區(qū)龍卷高發(fā)季的低層濕度。結(jié)合上述分析,表明從氣候背景的角度分析,夏季中國(guó)LN區(qū)與美國(guó)龍卷高發(fā)區(qū)龍卷數(shù)量明顯差異可能由動(dòng)力不穩(wěn)定條件主導(dǎo),而春季低層濕度過(guò)小是LN區(qū)龍卷數(shù)量偏少的原因之一。

此外,需要指出的是,本文還對(duì)LN區(qū)龍卷高發(fā)季(6—8月)STP和龍卷個(gè)數(shù)的時(shí)間序列及相關(guān)性進(jìn)行了分析(圖9),圖9a顯示的一個(gè)顯著特征是多龍卷年份(如1985、1990和2005年)均與STP大值對(duì)應(yīng),但部分STP大值年份并未對(duì)應(yīng)多龍卷,如1994年、2017年,其是否與龍卷樣本的完整度有關(guān)還有待進(jìn)一步研究。同時(shí),相關(guān)分析(圖9b)可見(jiàn)兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.63,且通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn),表明兩者存在一定的正相關(guān)。分析相關(guān)性不甚顯著的可能原因是龍卷日樣本過(guò)少,過(guò)多的非龍卷日影響了STP季節(jié)平均值與龍卷個(gè)數(shù)之間相關(guān)性,并且相較于整體氣候背景的研究,時(shí)間序列相關(guān)性可能對(duì)個(gè)別樣本的缺失更為敏感。

圖9 1979—2018年遼寧龍卷個(gè)數(shù)和STP的(a)年變化及(b)相關(guān)性Fig.9 (a) Annual variation and (b) correlation of tornado number and STP in Liaoning Province from 1979 to 2018

4 遼寧龍卷環(huán)流背景及物理量場(chǎng)

4.1 遼寧龍卷環(huán)流背景特征

基于500 hPa高空形勢(shì)場(chǎng)分析產(chǎn)生龍卷的天氣尺度環(huán)流特征,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)87%的遼寧龍卷個(gè)例與冷渦有著直接或間接的關(guān)系,其次為高空槽(占8%),1次為北上變性臺(tái)風(fēng)影響,其余個(gè)例無(wú)明顯影響系統(tǒng)?；邶埦戆l(fā)生地相對(duì)于冷渦的位置的差異,主要包括以下幾種形勢(shì):冷渦后部型、冷渦前部型、冷渦底部短波槽型、冷渦主體型及其他型(包含2次冷渦東北象限)。其中冷渦后部型占12%,冷渦底部短波槽型占49%,冷渦前部型占16%,冷渦主體型占6%。

若以對(duì)流觸發(fā)的物理機(jī)制作為著眼點(diǎn),冷渦后部型主要機(jī)制為高空干冷氣流強(qiáng)迫,冷渦后部橫槽引導(dǎo)冷空氣東移南下,低層有暖舌或熱低壓配合,中高層干冷氣流提供了強(qiáng)熱力及動(dòng)力不穩(wěn)定條件;冷渦主體型最主要特征為龍卷發(fā)生區(qū)域強(qiáng)熱力不穩(wěn)定層結(jié),冷渦處于減弱期,環(huán)境垂直風(fēng)切變較弱,前期以晴好天氣為主,午后近地面的輻射加熱進(jìn)一步加強(qiáng)熱力不穩(wěn)定層結(jié),雷暴出流與各類邊界層輻合線(干線、海風(fēng)鋒等)相遇時(shí),容易發(fā)展成龍卷風(fēng)暴。兩者共同點(diǎn)表現(xiàn)為:一是低層的天氣尺度強(qiáng)迫較弱,多為中尺度邊界層輻合線;二是代表龍卷潛勢(shì)的大尺度環(huán)境參數(shù)在上述兩種龍卷天氣中表現(xiàn)并不好,這可能是中尺度近風(fēng)暴環(huán)境對(duì)兩類龍卷影響更大,并且其中有相當(dāng)一部分為非超級(jí)單體龍卷。上述兩種類型占比不大(共18%),且無(wú)論是潛勢(shì)預(yù)報(bào)或是短時(shí)臨近預(yù)警在現(xiàn)階段難度都極大,故本文只作簡(jiǎn)要分析,重點(diǎn)對(duì)余下兩類龍卷加以研究。

冷渦底部短波槽及低渦前部型主要機(jī)制為低層鋒生作用。冷渦前部型及冷渦底部短波槽型為代表的龍卷天氣主要發(fā)生在高空冷渦東南象限或冷渦底部短波槽前。冷渦前部型環(huán)流形勢(shì)特點(diǎn)表現(xiàn)為500 hPa 在貝加爾湖東南部有低渦處于強(qiáng)烈發(fā)展階段,配合高空強(qiáng)冷中心,環(huán)流中心距離遼寧地區(qū)大約8～10個(gè)緯距,整層系統(tǒng)發(fā)展深厚并隨高度略向西北傾斜;冷渦底部短波槽型與低渦前部型相似,只是通常冷渦強(qiáng)度較后者略弱,但高空冷渦位于吉林西部到黑龍江中西部一帶,冷渦底部短波槽快速移過(guò)遼寧,有時(shí)在短波槽也伴有α中尺度低渦,整層系統(tǒng)近于垂直。兩者相同點(diǎn)為地面有鋒面氣旋發(fā)展,天氣尺度鋒面對(duì)龍卷風(fēng)暴觸發(fā)起到關(guān)鍵作用,龍卷多出現(xiàn)在冷鋒前側(cè),下文將對(duì)其加以詳細(xì)分析。

4.2 典型環(huán)流背景下遼寧龍卷環(huán)境條件分析

依據(jù)前文研究結(jié)果,選取龍卷典型天氣背景,即冷渦前部型及冷渦底部短波槽型龍卷個(gè)例(大約占遼寧龍卷總數(shù)65%),其中共45例有明確記錄時(shí)間。以龍卷發(fā)生地為中心,將龍卷發(fā)生前1 h的環(huán)流背景及物理量參數(shù)的空間分布做合成分析(圖10)。圖10a可見(jiàn),龍卷高發(fā)中心位于500 hPa冷渦底部,以偏西氣流為主,距冷渦中心約9個(gè)緯距,處于位勢(shì)梯度的大值區(qū)內(nèi),0～6 km垂直風(fēng)切變的分布相對(duì)較為分散,龍卷中心均值為17 m·s-1。

分析925 hPa低空形勢(shì)場(chǎng)(圖10b),龍卷位于低空低渦西南側(cè),同樣處于強(qiáng)位勢(shì)梯度區(qū)內(nèi)。西南氣流風(fēng)速平均值超過(guò)8 m·s-1,對(duì)應(yīng)0～1 km的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度大值區(qū)。相較中層垂直風(fēng)切變,SRH1分布更為集中,龍卷高發(fā)區(qū)位于SRH1核心的西北象限,平均值約為70 m2·s-2,同樣為低層大風(fēng)速核的左側(cè),分析其可能原因是:急流出口區(qū)左側(cè)氣旋性輻合,伴隨低層抬升運(yùn)動(dòng),有利于對(duì)流的觸發(fā);同時(shí)急流軸左側(cè)具有明顯的氣旋性切變渦度,這可能會(huì)為伴隨旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)風(fēng)暴提供一定的初始渦度貢獻(xiàn)。

圖10c、10d可見(jiàn)龍卷高發(fā)區(qū)位于地面氣旋底部偏西約4～5個(gè)緯距,地面冷鋒前側(cè)1～2.5個(gè)經(jīng)距,地面溫度脊頂部,干線東側(cè)1～1.5個(gè)經(jīng)距,地面濕舌附近,露點(diǎn)溫度為18℃。綜上所述,得到遼寧典型環(huán)流背景下龍卷概念模型示意圖(圖11)。

同時(shí)圖10e可見(jiàn),冷鋒前側(cè)對(duì)流有效位能呈現(xiàn)東北—西南的帶狀分布特征,龍卷高發(fā)區(qū)并不在CAPE最大值附近,而是位于大值中心的左前側(cè),即CAPE梯度的大值區(qū)內(nèi),平均值約為1300 J·kg-1。最后給出綜合參數(shù)STP分布(圖10f),其與SRH1分布較為類似,這也在一定程度上反映出SRH1對(duì)于遼寧龍卷的關(guān)鍵作用。龍卷中心STP約為0.3,其東南側(cè)存在STP為0.7的相對(duì)大值中心,但分布范圍較小。若以STP來(lái)代表適宜龍卷發(fā)生的環(huán)境背景,其范圍過(guò)小表征遼寧龍卷生成更為苛刻,這可能是導(dǎo)致遼寧龍卷相較美國(guó)明顯偏少且龍卷日龍卷頻次明顯偏低的原因之一。

圖10 以龍卷為中心(黑點(diǎn))的物理量場(chǎng)分布 (a)500 hPa高度場(chǎng)(等值線,單位:dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)及0～6 km垂直風(fēng)切變(填色) (棕色虛線:槽線),(b)925 hPa高度場(chǎng)(黑色等值線,單位:dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)及0～1 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度(填色) (藍(lán)色等值線:等風(fēng)速線,紅色箭頭:顯著流線),(c)海平面氣壓場(chǎng)(等值線,單位:hPa)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)及 地面2 m氣溫(填色)(藍(lán)色虛線:冷鋒,紅色虛線:暖鋒,黑色點(diǎn)線:地面暖溫度脊),(d)海平面氣壓場(chǎng) (等值線,單位:hPa)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)及地面2 m 露點(diǎn)溫度(填色)(棕色點(diǎn)劃線:干線,綠色箭頭:濕舌),(e)925 hPa高度場(chǎng) (等值線,單位:dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)及MLCAPE(填色),(f)925 hPa高度場(chǎng)(等值線,單位:dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)及STP(填色)Fig.10 Distribution of the environmental parameters centered on the tornado (black point) (a) 500 hPa height (isoline, unit: dagpm), wind (barb) and 0-6 km vertical wind shear (colored) (brown dashed line: trough line), (b) 925 hPa height (isoline, unit: dagpm), wind (barb) and relative helicity of the 0-1 km (colored) (blue isoline: isowind line; red arrow: significant streamline), (c) sea level pressure (isoline, unit: hPa), wind (barb) and 2 m temperature (colored) (blue dotted line: cold front, red dotted line: warm front, black dotted line: surface warm temperature ridge), (d) sea level pressure (isoline, unit: hPa), wind (barb) and 2 m dew point temperature (colored) (brown dot dashed line: the dry line, green arrow: wet tongue), (e) 925 hPa height (isoline, unit: dagpm), wind (barb) and CAPE (colored), (f) 925 hPa height (isoline, unit: dagpm), wind (barb) and STP (colored)

5 結(jié)論與討論

本文統(tǒng)計(jì)了1971—2020年遼寧龍卷強(qiáng)度等級(jí)、時(shí)空分布特征,分析了中國(guó)遼寧與美國(guó)龍卷高發(fā)區(qū)環(huán)境背景差異以及遼寧龍卷的環(huán)流型、關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)分布特征,得到以下主要結(jié)論。

(1)1971—2020年遼寧地區(qū)共記錄龍卷105次(年均為2.1次),其中EF2及以上級(jí)別強(qiáng)龍卷17次(年均為0.3次),相鄰強(qiáng)度等級(jí)龍卷比例基本符合0.1～0.36區(qū)間,但EF0級(jí)弱龍卷可能因難以監(jiān)測(cè)而被顯著低估。遼寧龍卷年平均龍卷生成密度為1.4×10-5個(gè)·km-2,95%龍卷出現(xiàn)在5—9月,日變化特征顯示67%龍卷出現(xiàn)在14—19時(shí),17—18時(shí)是遼寧龍卷明顯高發(fā)時(shí)段?？臻g分布特征表現(xiàn)為遼寧龍卷整體上發(fā)生于低海拔地區(qū),EF2級(jí)以上強(qiáng)龍卷主要分布在遼寧中部以西地區(qū),東南沿海地區(qū)多為弱龍卷,遼寧西北部龍卷季明顯早于遼寧東南部。

(2)相比于美國(guó)龍卷代表區(qū)域,遼寧環(huán)境參數(shù)氣候態(tài)表現(xiàn)為高CAPE、低SRH1、低SHR6,STP相近時(shí),龍卷概率遠(yuǎn)低于美國(guó)龍卷高發(fā)地區(qū)。以CAPE為代表的熱力不穩(wěn)定和以SHR6為代表的動(dòng)力不穩(wěn)定隨季節(jié)呈現(xiàn)反相位的變化趨勢(shì),兩者的配置對(duì)于龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生至關(guān)重要。環(huán)境參數(shù)平均值與遼寧龍卷個(gè)數(shù)在年際變化的時(shí)間序列上存在正相關(guān)。年尺度上美國(guó)龍卷多發(fā)區(qū)的能量條件和動(dòng)力條件能夠更早達(dá)到合適的配置,中國(guó)遼寧地區(qū)能量條件增長(zhǎng)較晚、春季低層濕度條件差且SRH1最低,是造成遼寧龍卷密度明顯偏小的主要原因。

(3)87%的龍卷個(gè)例與中層冷渦相關(guān),基于龍卷發(fā)生地相對(duì)于冷渦位置的差異,統(tǒng)計(jì)得到冷渦后部型占12%,冷渦底部短波槽型占49%,冷渦前部型占16%,冷渦主體型占6%。冷渦后部型龍卷生成機(jī)制為中高空干冷氣流強(qiáng)迫,冷渦底部短波槽及冷渦前部型龍卷生成要機(jī)制為低層鋒生作用,冷渦主體型龍卷產(chǎn)生于強(qiáng)熱力、弱動(dòng)力大尺度環(huán)境條件下,近風(fēng)暴環(huán)境對(duì)龍卷生成具有重要作用。

(4)遼寧龍卷典型環(huán)流特征為:500 hPa高度上龍卷位于冷渦底部,距冷渦中心約9個(gè)緯距,0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?7 m·s-1。925 hPa高度上龍卷位于低渦西南側(cè),≥8 m·s-1大風(fēng)速核的左側(cè),SRH1核心附近偏西北象限,平均值約為70 m2·s-2。龍卷中心位于東北—西南的帶狀分布的CAPE梯度大值區(qū)內(nèi),平均值約為1300 J·kg-1。地面上龍卷位于氣旋底部偏西大概4～5個(gè)緯距,地面冷鋒前側(cè)1～2.5個(gè)經(jīng)距,溫度脊頂部,干線東側(cè)1～1.5個(gè)經(jīng)距,地面濕舌附近。龍卷位于STP核心西北側(cè),均值約為0.3。

需要說(shuō)明的是,雖然盡可能地?cái)U(kuò)大了資料搜集范圍,仍有大量的龍卷未被記錄,并且因?yàn)槿鄙僭攲?shí)的災(zāi)情信息,龍卷強(qiáng)度的估計(jì)應(yīng)該較實(shí)際情況偏低。龍卷屬于極小概率事件,樣本量過(guò)少難免對(duì)物理量等統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可信度產(chǎn)生影響,并且給今后進(jìn)一步分季節(jié)、分類型及與非龍卷強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)比等研究工作帶來(lái)挑戰(zhàn)。此外,雖然STP在年際變化上與龍卷數(shù)量呈現(xiàn)出正相關(guān),但依據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)結(jié)果或不足開(kāi)展龍卷年變化的預(yù)測(cè),通過(guò)建立更加合理完善的龍卷個(gè)例庫(kù),今后或可能開(kāi)展龍卷年際或年代際變化的氣候研究。