江苏省龙卷发生特征及其在年际尺度上与ENSO的关系研究

汪宁 许遐祯 项瑛

(江苏省气候中心，南京 210019)

引 言

龙卷是一种猛烈的对流天气现象，它是由雷暴云底伸展至地面的漏斗状云产生的强烈旋风[1]。虽然发生时间较短，但通常伴有雷雨大风、冰雹和短时强降水等天气现象，能造成重大的人员伤亡和财产损失。江苏省地形较为平坦，水网众多，有利于龙卷的形成和发展，是我国龙卷发生数最多的省份之一。

龙卷生命史较短，持续时间大多在20 min以内，很难直接探测到龙卷的实际风速、气压等气象要素值，气象观测站中也很少能直接观测到龙卷[2]。随着科技的发展，新的气象观测手段的出现大大提高了气象资料的精度[3-4]，诸多学者利用多普勒雷达等多种资料，从天气学角度分析了龙卷生成的动力和热力学特征[5-11]。如潘文卓[12]利用江苏省50 a的统计资料分析了江苏省龙卷的分布特征，并利用灾情资料进行了评估。许遐祯等[13-14]建立了应用于江苏省的龙卷灾害风险评价模型，利用主成分分析方法对江苏省龙卷灾害易损性进行了综合评估，并对江苏省各市易损度进行了分级区划。黄大鹏等[15]通过对我国不同地区龙卷统计研究发现龙卷的发生和致灾程度具有明显的年际变化特征。但是，由于龙卷的生命史较短、空间范围小，对研究数据分辨率要求极高，目前尚未有研究从气候学角度分析龙卷发生数的变化与大尺度大气环流之间的联系。

发生在热带太平洋的厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)是气候年际尺度的强信号。ENSO事件的不同位相对亚洲季风系统以及季风降水有重要影响[16-19]，并且能够影响登陆我国的热带气旋数[20-25]。ENSO事件对我国极端天气气候事件的发生影响显著。李威等[26]发现中国极端强降水事件更易发生在ENSO暖位相年的冬春季和ENSO冷位相年的夏秋季。此外，ENSO事件还能影响对流活动[27]。江苏省位于沿海地区，热带太平洋海温异常对其天气气候影响显著。作为年际变率的重要信号，ENSO与具有明显年际变率的龙卷发生数是否有联系呢？本文从ENSO事件的不同位相出发，探讨年际尺度江苏省龙卷发生数与ENSO事件的关系，揭示ENSO事件对江苏省龙卷发生的影响。

1 资料和方法

本文使用的龙卷资料长度为1976—2005年共30 a，资料来源为江苏省各地气象报表、各级气象部门的灾情简报、民政厅灾害及安保及各地气象工作人员的实地调查报告。对江苏省龙卷资料进行检查时发现，1976年以前龙卷记录不完整，2005年后的部分资料没有经过现场核查，具有较大不准确性，存在很大漏报的可能性。本研究在对龙卷记录进行再次梳理、核查后，仅选用1976—2005年的龙卷资料用作本文分析，该时间段龙卷资料经过江苏省气候中心多次调查确认，能够保证科学研究的准确性和客观性。

ENSO事件的划分采取中国气象局提出的国标《厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法》[28]，1976—2005年期间该标准中给出的ENSO暖事件和冷事件的持续时间见表1。

表1 1976—2005年历次ENSO事件的持续时间Table 1 The duration time of ENSO events from 1976 to 2005

为讨论江苏省龙卷发生活动与ENSO的关系，本文采用了每天4时次0.5°×0.5°的CFSR再分析资料，时间段与龙卷资料一致。

2 龙卷的分布特征

江苏省龙卷多发，1976—2005年共发生龙卷531个，平均每年17.7个(图1实线)，龙卷的发生数年际变化明显，同时也存在年代际变化特征，1990s龙卷发生数较高。从图1滑动平均(虚线)结果可以看出，1970s后期，龙卷发生数表现出轻微的减少趋势，1982年达到最低值，仅有3个，对比表1，此年为ENSO暖事件年。1982之后年龙卷的发生数呈明显增加趋势，1989年为龙卷发生数次多年，为35个，此年为ENSO冷事件年，至1990年龙卷发生数达到最多，为51个，之后再次减少。2000年之后龙卷的发生数略有增加。

图1 1976—2005年江苏省龙卷发生数(柱形图，单位：个)(实线为30 a平均；虚线为9 a滑动平均)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))

从月累计结果(图2)来看，龙卷的发生主要集中在夏季6—8 3个月，各月累计发生龙卷数均大于90个，其中7月累计可达到200个以上，为全年最多。11—次年2月没有龙卷发生。3月和10月发生数较少，均在5个以内。

图2 1976—2005年月累计龙卷发生数(单位：个)Fig.2 The occurrence of tornado on monthly meanaveraged from 1976 to 2005 (unit: n)

龙卷的分布(图3)具有空间不均匀性，江苏省龙卷主要发生在盐城南部、南通沿海地区以及徐州北部，累计发生数大于12个，其中南通中部地区可达到20个以上。宿迁大部、连云港中部和淮安西部地区龙卷发生数较少，均小于4个。

图3 1976—2005年江苏省龙卷发生数空间分布(单位：个)Fig.3 The spatial distribution of tornado in Jiangsu Provincefrom 1976 to 2005(unit: n).

3 龙卷与ENSO的关系讨论

由本文第2部分分析可知，江苏省龙卷发生主要集中在夏季，另外4、5月和9月龙卷的累计发生数都大于20个。为最大限度保留龙卷样本，本文在研究中选取4—9月为研究时段，讨论在该时段持续的ENSO事件对同时段江苏省龙卷发生数的影响及可能原因。持续的ENSO事件指在该时段内ENSO同一位相持续连续两个月以上。

3.1 统计特征

表2给出了4—9月不同强度ENSO暖事件和冷事件状态下江苏省龙卷的统计特征。可以看出，1976—2005，ENSO暖事件共发生38个月，相应江苏省龙卷发生数为81个，平均每月2.1个。冷事件持续月份为18个月，共发生龙卷为59个，平均每月发生3.3个，高出暖事件平均水平1.2个/月(通过α=0.05置信度检验)。另外，4—9月中没有发生冷暖ENSO事件的月份总共为124个，在此期间江苏省共发生龙卷381个，平均每月为3.0个，大于暖事件龙卷发生数，小于冷事件龙卷数。可见，从统计结果来看，ENSO事件处于冷位相时，江苏省更易发生龙卷，而暖事件时则相反。值得注意的是，ENSO暖事件情况下龙卷平均发生数较低，因此暖事件情况下龙卷在时间尺度上更为分散，会对龙卷灾害的防御和预报工作带来一定难度。

表2 不同ENSO事件下龙卷发生特征对比Table 2 The characteristics of tornado in different ENSO events

以上分析可知，不同位相的ENSO事件对江苏省龙卷的发生数有明显影响，那么ENSO信号是如何与发生范围小且发生时间短的龙卷现象联系起来的呢？为了分析这一问题，以下分别从环流特征和物理量场两个方面进行分析。

3.2 环流特征

江苏省位于西南低空急流的出口区左侧，上升运动强烈，低空急流的变化对江苏省的对流活动有重要影响。低空急流是对流层中下层存在的低层风速大值区，在其区域有明显的风速垂直切变。东亚地区的低空急流表现为西南风，因此也被称为西南低空急流。低空急流会引发强烈的水汽输送，与高空急流相配合能够激发对流层上下一致的上升运动，加之低空急流中强的风速切变会造成大气不稳定，从而为对流活动的发展和维持提供有力的动力和热力条件，因而与暴雨、冰雹、龙卷等强对流天气密切相关[29-30]。另外，有研究指出，低空急流是联系大尺度环流和剧烈天气现象的纽带[31]。可见，低空急流与暴雨、龙卷等极端天气紧密相关，其变化能对强对流天气的发生提供必要的环流基础。因此，在研究中首先给出ENSO不同事件下西南低空急流发生频率的分布(图4)。参照Stensrud[32]的研究，西南低空急流定义为：(1)在850 hPa高度风速大于10 m·s-1，并且风向角在180°～270°之间(西南风)；(2)850 hPa风速大于其上层和下层风速。

图4 ENSO暖事件(a)和冷事件(b)下西南低空急流发生频率分布(单位：%，灰色叉号为通过α=0.05信度检验的格点)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)

由图4可以看出，西南低空急流在我国长江中下游地区和华南地区都有分布，主要发生区域集中于23°～30°N之间。ENSO暖事件时(图4a)，低空急流发生频率明显偏少，急流中心位于江西、浙江、安徽、福建等地，急流发生频率最高仅有9%；冷事件时(图4b)，西南低空急流发生频率明显增加，最高可达到15%以上，并且低空急流发生频率大于9%以上的区域较暖事件明显增加。由于ENSO冷事件时西南低空急流明显增多，与西南低空急流发生相伴随的气象条件有利于对流活动的发生，从而导致龙卷在江苏地区的多发。因此，与ENSO相联系的低空急流的变化是其引起江苏省龙卷数变化的桥梁。下面分别计算与龙卷发生关系密切的大气不稳定条件、动力条件和水汽条件的物理量，探讨ENSO冷事件下的物理量场是否有利于龙卷的发生。

3.3 物理量特征

对流有效位能是强对流天气的重要指标，它能表征大气的不稳定程度。图5a、b给出了ENSO冷事件与暖事件时对流有效位能的空间分布。为了更清晰地表现ENSO不同位相下江苏地区对流有效位能的差别，本文计算了平均对流有效位能在不同区间值的出现频率，图5c给出了ENSO冷事件与暖事件的频率之差。空间分布能够明显看出，暖事件时江苏上空的对流有效位能明显低于冷事件(图6)。根据王毅等[33]研究，龙卷更易出现在对流有效位能梯度较大的地方。可以看出，冷事件时江苏上空对流有效位能等值线较为密集，梯度较大，更有利于龙卷的发生。龙卷多发区的对流有效位能通常能够达到2 400 J·kg-1以上[33]。由图5c可以看出，大于2 400 J·kg-1以上对流有效位能频率基本为正值，说明冷事件情况下，对流有效位能较大值的出现频率高于暖事件。

图5 ENSO暖事件(a)和冷事件(b)对流有效位能空间分布(单位：J·kg-1，灰色叉号为通过0.05信度检验的格点)；(c)江苏省区域平均对流有效位能频率分布(ENSO冷位相与暖位相之差，单位：%)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：%)

图6 同图5，但为垂直风切变Fig.6 The same as fig.5， but for the vertical wind sheer

较强的垂直风切变和垂直速度是龙卷得以发生必需的动力条件。图6、7分别给出了ENSO暖事件和冷事件情况下垂直风切边和垂直速度的空间分布以及江苏区域平均的垂直风切变和垂直速度在不同值下出现的频率分布(冷事件减去暖事件，图6a、b)。可以看出，ENSO暖事件时，大于11 m·s-1的垂直风切变仅出现在江苏中部区域，而冷事件时，其分布区域明显增加，大值区几乎覆盖整个江苏，垂直风切变更强。全省平均来看，较强的垂直风切变(>20 m·s-1)在ENSO冷事件情况下发生频率(图6c)更高。垂直速度的空间分布也能看出，上升运动速度大于0.15 Pa·s-1的覆盖面积(图7a、b)在冷事件时更大。垂直速度(ω)的频率分布(图7c)也表明，ENSO冷事件时江苏省区域相比于ENSO暖事件有更强的上升运动(ω<0)。

图7 同图5，但为垂直速度Fig.7 The same as fig.5， but for the vertical wind omega

江苏处于我国东部太平洋西海岸，空气湿度大，不稳定能量相对堆积较多，加上水汽潜热释放的影响，更有利于在此地产生龙卷[34]。较湿的大气也是龙卷得以形成的必要条件。大气可降水量能够反映出大气的湿度以及大气中潜在凝结潜热储备量。从其空间分布(图8a、b)可以看出，在ENSO冷事件情况下，江苏省上空大气可降水量更大，空气湿度大于ENSO暖事件情况。ENSO不同位相下江苏省区域平均的大气可降水量之差的频率分布(图8c)也可以看出，大气可降水量数值大于40 kg·m-2的除60 kg·m-2为较小的负值外其他均为正值，说明ENSO 冷事件时大气中水汽较暖事件更充足，从而有利于龙卷的发生。

4 结论

本项研究首先利用江苏省龙卷准确可信的30 a资料，探讨了江苏省龙卷发生的气候学特征，然后结合高分辨率再分析资料着眼于大尺度气候异常外强迫，分析了ENSO事件与江苏省龙卷活动的联系，主要结论如下：

(1)1976—2005年，江苏省共发生龙卷531个，平均每年发生17.7个，龙卷的发生数年际变化明显，同时也存在年代际变化特征。1990s龙卷发生数较多，其中1990最多年达到51个。7月为江苏省龙卷发生次数最多的月份，30 a累计发生龙卷两百多次。盐城南部和南通沿海地区是龙卷较为多发的区域，宿迁大部、连云港中部和淮安西部地区龙卷发生数较少。

(2)1976—2005年这30 a，ENSO暖事件共发生38个月，平均每月发生龙卷2.1个。冷事件发生为17个月，发生龙卷较多，平均每月为3.3个。非ENSO事件时龙卷发生数处于冷暖位相之间，平均每月3.1个。

(3)ENSO事件对江苏省龙卷活动的影响主要是通过引起低空急流的变化实现的。ENSO暖事件时，低空急流发生频率明显偏少，冷事件时急流发生频率明显增加。ENSO冷事件时由于西南低空急流发生频率明显增加，导致位于急流出口区左侧的江苏省地区大气不稳定能量较大，垂直速度和垂直风切变较强，水汽供应增强，均有利于龙卷的发生，从而导致在ENSO冷事件情况下江苏省龙卷发生数偏多。

本文的研究初步讨论了ENSO不同位相对江苏省龙卷发生数的影响和可能原因，全球尺度的ENSO事件和小区域的龙卷之间联系的物理本质还需要今后进一步研究。