中國(guó)龍卷風(fēng)等級(jí)分布研究

趙鑫樾，陳 石，張曉杰，胡凌生

（華龍國(guó)際核電技術(shù)有限公司，北京 100037）

龍卷風(fēng)是產(chǎn)生在強(qiáng)對(duì)流天氣的一種特殊天氣，一般維持時(shí)間短，破壞強(qiáng)，因其發(fā)生有時(shí)空隨機(jī)性，難以預(yù)測(cè)。龍卷風(fēng)的發(fā)生與地理氣候相關(guān)性大，因此歷年經(jīng)常發(fā)生龍卷風(fēng)的地區(qū)復(fù)現(xiàn)龍卷風(fēng)的可能性大，并且發(fā)生過(guò)高級(jí)別龍卷風(fēng)的地方更有可能發(fā)生龍卷風(fēng)。

1 龍卷風(fēng)的形成原理

龍卷形成的主要物理過(guò)程是強(qiáng)上升氣流對(duì)低層小尺度渦旋的拉伸作用，造成空氣強(qiáng)烈擾動(dòng)。

上升氣流的拉伸作用是龍卷形成的主要物理過(guò)程，風(fēng)暴出流邊界輻合抬升造成低層淺薄氣旋式切變加強(qiáng)為中氣旋的上升氣流；低層中氣旋加強(qiáng)為龍卷強(qiáng)烈的上升氣流除了邊界層輻合抬升外，還可能由環(huán)境正浮力產(chǎn)生龍卷風(fēng)的云體內(nèi)的強(qiáng)上升氣流抬升；以及由中高層強(qiáng)中氣旋強(qiáng)迫的垂直擾動(dòng)低壓梯度力產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)[1]。

總體來(lái)說(shuō)，龍卷風(fēng)發(fā)生在極端氣象條件時(shí)，表現(xiàn)為大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，具有極強(qiáng)的抬升力，水汽條件充沛和垂直風(fēng)切變極強(qiáng)。

2 龍卷風(fēng)的強(qiáng)度等級(jí)

對(duì)龍卷風(fēng)強(qiáng)度的劃分，廣泛采用1971年美國(guó)芝加哥大學(xué)的美籍日裔氣象學(xué)家藤田哲提出的“藤田級(jí)數(shù)”。2007年“增強(qiáng)藤田級(jí)數(shù)（Enhanced F-scale）”被啟用。它分為6 個(gè)等級(jí)，如表1所示。

3 龍卷風(fēng)災(zāi)害情況及分析

根據(jù)《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》2005—2016年龍卷風(fēng)災(zāi)害的記錄，龍卷風(fēng)災(zāi)害造成的損失呈逐年減少的趨勢(shì)，一定程度上是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生活水平的提高，構(gòu)筑物等設(shè)施質(zhì)量 得到提升。因此利用藤田級(jí)數(shù)對(duì)龍卷風(fēng)進(jìn)行分級(jí)的方法來(lái)確定龍卷風(fēng)的級(jí)別存在一定誤差，需要未來(lái)有更準(zhǔn)確的分級(jí)方法替代。

本文研究的是中國(guó)地區(qū)龍卷風(fēng)的分布情況，在使用藤田級(jí)數(shù)分級(jí)時(shí)，發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)災(zāi)害造成的損失有減少的趨勢(shì)。

近十年來(lái)中國(guó)各地的氣候地質(zhì)條件沒(méi)有發(fā)生顛覆性變化，預(yù)計(jì)未來(lái)幾十年也不會(huì)發(fā)生大的變化。所以地域與氣候相關(guān)聯(lián)，而氣候地質(zhì)與龍卷風(fēng)的形成有密切聯(lián)系。具有形成龍卷風(fēng)氣候條件的地區(qū)在近十幾年來(lái)一直是龍卷風(fēng)多發(fā)地帶，地域與龍卷風(fēng)強(qiáng)度有很大關(guān)系，因此可以通過(guò)建立地域與龍卷風(fēng)級(jí)數(shù)的關(guān)系來(lái)研究中國(guó)龍卷風(fēng)的分布情況。

應(yīng)用MATLAB 軟件對(duì)中國(guó)龍卷風(fēng)災(zāi)害等級(jí)分布情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，擬合得出分布圖。由于對(duì)龍卷風(fēng)的形成機(jī)理了解不夠透徹，不能通過(guò)公式擬合，只能采用插值法擬合。中國(guó)龍卷風(fēng)災(zāi)害等級(jí)分布如圖1所示。

圖1 中國(guó)龍卷風(fēng)災(zāi)害等級(jí)分布圖

由圖1可知各地區(qū)可能出現(xiàn)的最大龍卷風(fēng)，顏色由淺到深依次為EF4、EF3、EF2、EF1、EF0 和無(wú)龍卷風(fēng)。

從空間上看，中國(guó)記錄的龍卷風(fēng)集中在東部地區(qū)，江浙一帶發(fā)生頻繁。較強(qiáng)的龍卷風(fēng)（≥EF3）發(fā)生在東北、東中、南方地區(qū)，在東經(jīng)115°線(xiàn)上多處出現(xiàn)強(qiáng)龍卷風(fēng)（≥EF4）。根據(jù)擬合結(jié)果，理論上強(qiáng)龍卷風(fēng)集中發(fā)生在北緯25°～30°，東經(jīng)117°～120°區(qū)域。實(shí)測(cè)中強(qiáng)龍卷風(fēng)（≥EF4）在北緯30°～35°，東經(jīng)110°～120°，且北緯20°～25°，東經(jīng)110°～120°比較集中。理論與實(shí)際有差別，因?yàn)閿?shù)據(jù)相對(duì)較少所以擬合出的結(jié)果有誤差，但趨勢(shì)是正確的。為什么可能出現(xiàn)最強(qiáng)龍卷風(fēng)的地方反而連龍卷風(fēng)都沒(méi)有發(fā)生，取中間點(diǎn)北緯27.5°，東經(jīng)118.5°，經(jīng)過(guò)觀測(cè)衛(wèi)星地圖可以發(fā)現(xiàn)，這一片地區(qū)都是丘陵地帶，不利于龍卷風(fēng)的形成，即使發(fā)生龍卷風(fēng)也不利于龍卷風(fēng)的移動(dòng)，沒(méi)有給周?chē)迩f造成影響，因此沒(méi)有記錄。北緯27.5°，東經(jīng)118.5°衛(wèi)星地圖如圖2所示。

圖2 北緯27.5°，東經(jīng)118.5°衛(wèi)星地圖

結(jié)合衛(wèi)星地形圖分析并初步預(yù)測(cè)，河南省南陽(yáng)市內(nèi)鄉(xiāng)縣棗園鎮(zhèn)附近、河南省信陽(yáng)市息縣附近、廣東省惠東紅海灣和東山海海域附近具備發(fā)生EF4 級(jí)龍卷風(fēng)的可能。

4 總結(jié)

中國(guó)龍卷風(fēng)分布可以依據(jù)擬合結(jié)果劃分區(qū)域等級(jí)，這個(gè)結(jié)果較為粗略，目前關(guān)于龍卷風(fēng)的研究還很粗略，對(duì)龍卷風(fēng)的預(yù)測(cè)更是難上加難。本文所述的研究方法可以為龍卷風(fēng)分析研究提供一個(gè)思路。待后續(xù)龍卷風(fēng)分級(jí)更加科學(xué)合理準(zhǔn)確化、數(shù)據(jù)記錄更多更詳實(shí)后，利用這個(gè)方法可以準(zhǔn)確得出中國(guó)的龍卷風(fēng)等級(jí)分布圖。各工程項(xiàng)目可以依據(jù)中國(guó)龍卷風(fēng)等級(jí)分布圖進(jìn)行龍卷風(fēng)災(zāi)害防護(hù)設(shè)計(jì)。