中国龙卷时空分布及其环境物理量特征

冯佳玮; 闵锦忠; 庄潇然

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2017.04.010

中国龙卷时空分布及其环境物理量特征

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.04.010

冯佳玮^{1, 2},
闵锦忠^{1, 2, ,},
庄潇然^{1, 2}

1.
南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京 210044
2.
南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，江苏南京 210044

基金项目:

国家重点基础研究发展计划项目 2013CB430102

国家自然科学基金重点项目 41430427

江苏省高校自然科学重大基础研究项目 11KJA170001

详细信息

通讯作者:
闵锦忠，男，江苏省人，教授，博士，主要从事中小尺度数值模拟与资料同化、风暴尺度集合预报、气候变化与区域响应等方面的研究。E-mail: minjz@nuist.edu.cn

中图分类号: P445.1
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出版历程
- 收稿日期: 2016-01-30
- 修回日期: 2017-04-18
- 刊出日期: 2017-08-01

THE SPATIAL AND TEMPORAL DISTRIBUTION OF CHINESE TORNADOS AND THEIR CHARACTERISTICS ANALYSIS OF ENVIRONMENTAL PHYSICAL VARIATIONS

Jia-wei FENG^{1, 2},
Jin-zhong MIN^{1, 2
, ,},
Xiao-ran ZHUANG^{1, 2}

1.
Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
2.
Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University ofInformation Science & Technology, Nanjing 210044, China

摘要

摘要: 利用2004—2012年《中国气象灾害年鉴》和CFSR再分析资料，研究中国龙卷的时空分布以及三个龙卷频发区的环流背景场和环境物理量特征，并比较他们之间的区域差异。结果表明：中国龙卷多发生于春夏季，午后傍晚较多，江苏和广东等平原地区出现龙卷概率最高。龙卷临近时，“江苏及其邻近地区”位于500 hPa槽前，850 hPa上有西南急流，造成了较强的低层垂直风切变；“广东及其邻近地区”在龙卷发生前地面对流有效位能均值达997.3 J/kg，0~1 km螺旋度均值达91 m²/s²，层结不稳定，动力抬升强；“东北地区”受深厚东北冷涡控制，整层水汽含量低，中低层比湿均值小于10 g/kg。通过比较环境物理量平均场的分布特征发现：螺旋度、垂直风切变、能量螺旋度指数和强龙卷参数对分析龙卷发生有很好的指示意义。“东北地区”对流有效位能和比湿均值远低于“江苏及其邻近地区”和“广东及其邻近地区”，但高低空的温度直减率大、中低层的垂直风切变强，该地区也会产生龙卷。
- 龙卷 /
- 环境参量 /
- 时空分布 /
- 对流有效位能 /
- 螺旋度
Abstract: Using data of Chinese Meteorological Disasters Yearbook for 2004 to 2012 and CFSR reanalysis, this paper analyzes the spatial and temporal distribution characteristics of tornadoes in China, circulation background field and the characteristics of environmental physical variations in three tornado-prone regions, and compares their regional differences. The results showed that tornadoes occurred most frequently in spring and summer, and in the afternoon and at dust. Probabilities of tornado occurrence over plains in Jiangsu and Guangdong are the highest. When tornadoes are approaching, Jiangsu and its adjacent regionsare located before a trough at 500 hPa level, and a 850 hPa southwest jet leads to a strong low-level vertical wind shear; the mean CAPE value of Guangdong and its adjacent regions preceding to tornado events is 997.3 J/kg and the mean 0~1 km helicity value is 91 m²/s², indicating stratification instability and strong dynamic lifting. Northeast China is controlled by a deep Northeast cold vortex, the moisture content of the whole layer is low, and the mean specific humidity value in the middle and lower atmosphere is lower than 10 g/kg. By comparing the distribution characteristics of the mean environmental physical variations field, it is demonstrated that helicity, vertical wind shear, EHI and STP are good indicators to tornado occurrence. The mean CAPE and helicity values of Northeast Chinaare far lower than those of the Jiangsu and its adjacent regions and Guangdong and its adjacent regions.With higher upper and lower-level lapse rates and strong middle and lower-level vertical wind shear, however, there is also possibility for tornado occurrence.
- tornado /
- environmental parameter /
- spatial and temporal distribution /
- CAPE /
- helicity

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图 1 2004—2012年中国龙卷天数和频数变化趋势

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图 2 2004—2012年中国龙卷频数逐月分布

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图 3 2004—2012年中国龙卷频数逐时分布

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图 4 2004—2012年中国龙卷频次分布

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图 5 2004—2012年中国龙卷密度分布

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图 6 2004—2012年中国龙卷密度逐季分布

左、中、右图分别代表春、夏、秋季。

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图 7 2004—2012中国龙卷逐月分布

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图 8 “江苏及其邻近地区”(a，b)、“广东及其邻近地区”(c，d)、“东北地区”(e，f)500 hPa和850 hPa的龙卷发生前最近一时次合成环流场

a、c、e. 500 hPa的合成环流场；b、d、f. 850 hPa的合成环流场

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图 9 “江苏及其邻近地区”(a~c)、“广东及其邻近地区”(d~f)和“东北地区”(g~i)龙卷发生前最近一时次变量合成场

a、d、g.地面CAPE值(填色)和0~3 km螺旋度(等值线)；b、e、h. 700~925 hPa风切变图(填色表示风速大小)；c、f、i.地面比湿(填色)和850 hPa风场。

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图 10 龙卷频发地区龙卷发生前最近一时次的EHI和STF合成分布

a、d. “江苏及其邻近地区”；b、e. “广东及其邻近地区的”；c、f. “东北地区”。

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表 1 强天气参数说明

参数	公式	公式说明	物理意义
对流有效位能 (CAPE)	$\int_{{Z_f}}^{{Z_n}} {g\left( {\frac{{{T_{v,{\rm{parcel}}}} - {T_{v,env}}}}{{{T_{v,env}}}}} \right)} {\rm{d}}z$	Z_f是自由对流高度，Z_n是平衡层, T_{v, parcel}是气块虚温，T_{v, env}是环境虚温	表征空气不稳定性
对流抑制能量 (CIN)	$\int_{{Z_b}}^{{Z_f}} {g\left( {\frac{{{T_{v,{\rm{parcel}}}} - {T_{v,env}}}}{{{T_{v,env}}}}} \right)} {\rm{d}}z$	Z_b是大气底部高度，Z_f是自由对流高度, T_{v, parcel}是气块虚温，T_{v, env}是环境虚温	表征大气底部的气块达到自由对流高度需要的能量
风暴相对螺旋度 (SRH)	$\int {\left( {\overrightarrow {{V_h}} - \overrightarrow C } \right)} \cdot \nabla \times \overrightarrow {{V_h}} {\rm{d}}z$	V_h为气块水平风速，C为风暴移动速度	对流运动中环境空气到气块的涡度转变
抬升凝结高度 (LCL)	$123\left( {{T_0} - {T_d}} \right)$	T₀和T_d分别为地面气温和露点	粗略估算云底高度
能量螺旋度指数 (EHI)	$\frac{{{\rm{CAPE}} \cdot {\rm{SRH}}}}{{160\;000}}$	CAPE和SRH分别为对流有效位能和风暴相对螺旋度	把浮力能和动力参数有效结合起来
强龙卷参数 (STP)	$\begin{array}{l} \left( {\frac{{sb{\rm{CAPE}}}}{{1500}}} \right) \times \left( {\frac{{2000 - sb{\rm{lcl}}}}{{1000}}} \right)\\ \quad \quad \times \left( {\frac{{{\rm{SRH}}}}{{150}}} \right)\left( {\frac{{{\rm{BWD}}}}{{20}}} \right) \end{array}$	sbCAPE为地面对流有效位能，sblcl为地面抬升凝结高度，SRH为风暴相对螺旋度，BWD是近地面的风切变	强龙卷参数STP常被美国业务上用来预报龙卷发生的可能性，当STP大于1时，易发生EF2及以上的强龙卷

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表 2 各区域龙卷发生前最近一时次的热力学合成变量

地区	对流有效位能 /(J/kg)		对流抑制能 /(-J/kg)		925~850 hPa 温度直减率 /(K/(100 hPa))		850~700 hPa 温度直减率 /(K/(100 hPa))		925~700 hPa 温度直减率 /(K/(100 hPa))		925~500 hPa 温度直减率 /(K/(100 hPa))
地区	均值	置信区间	均值	置信区间	均值	置信区间	均值	置信区间	均值	置信区间	均值	置信区间
江苏及其邻近	571.1	449~692	72	84~61	5.5	5.2~5.8	6.0	5.8~6.2	5.9	5.6~6.1	6.6	6.4~6.7
广东及其邻近	997.3	874~1 119	46	61~31	4.9	4.5~5.3	5.7	5.5~5.9	5.4	5.2~5.7	6.4	6.3~6.5
东北	158.6	123~194	55	85~24	5.6	5.2~6.0	7.1	6.9~7.2	6.6	6.4~6.8	7.1	7.0~7.2

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表 3 各区域龙卷发生前最近一时次的动力学合成变量

地区	0~1 km螺旋度/(m²/s²)		925~850 hPa垂直风切变/(m/s)		850~700 hPa垂直风切变/(m/s)		925~700 hPa垂直风切变/(m/s)
地区	均值	置信区间	均值	置信区间	均值	置信区间	均值	置信区间
江苏及其邻近	66	58~73	1.9	1.5~2.2	2.5	1.8~3.1	4.2	3.7~4.7
广东及其邻近	91	84~98	2.6	2.0~3.2	3.2	2.6~3.8	5.5	4.7~6.3
东北	99	87~111	3.3	2.7~3.9	2.7	2.1~3.4	5.3	4.6~6.1

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表 4 各区域龙卷发生前最近一时次的水汽合成变量

地区	抬升凝结高度/gpm		925 hPa比湿/(g/kg)		850 hPa比湿/(g/kg)		700 hPa比湿/(g/kg)		600 hPa比湿/(g/kg)
地区	均值	置信区间	均值	置信区间	均值	置信区间	均值	置信区间	均值	置信区间
江苏及其邻近	462	317~606	14.0	13.1~14.9	12.0	11.1~12.9	7.8	7.2~8.4	5.2	4.6~5.9
广东及其邻近	412	353~471	14.2	13.6~14.7	12.2	12.0~12.4	7.9	7.7~8.4	5.2	4.9~5.5
东北	1 092	844~1 340	10.0	9.3~10.7	8.5	7.9~9.0	5.7	5.5~5.8	3.2	3.0~3.5

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参考文献(16)

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doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.04.010

通讯作者:
闵锦忠，男，江苏省人，教授，博士，主要从事中小尺度数值模拟与资料同化、风暴尺度集合预报、气候变化与区域响应等方面的研究。E-mail: minjz@nuist.edu.cn

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