中國龍卷氣候特征和環境條件研究進展綜述

鄭永光

（國家氣象中心，北京 100081）

0 引言

龍卷發生概率極低，但是地球大氣中最為劇烈和最具有破壞性的天氣現象，其預報預警依然存在極大的困難。全球每年僅約2000個龍卷發生。美國是龍卷發生頻率最高的國家，每年可超過1200個。中國龍卷每年的發生次數僅約美國的十分之一[1]，顯著低于美國，但近年來，2015年10月4日臺風彩虹外圍佛山EF3級龍卷、2016年6月23日江蘇阜寧EF4級龍卷和2019年7月3日遼寧開原EF4級龍卷都造成了嚴重的人員傷亡和巨大經濟損失，引起了極大 關注。

龍卷通常分為兩類：一類為中氣旋龍卷（也稱為超級單體龍卷），另一類非中氣旋龍卷（也稱為非超級單體龍卷）[2-3]。但對美國龍卷的統計發現，僅約有25%的中氣旋能夠產生龍卷[2]。非中氣旋龍卷通常比中氣旋中龍卷弱，也可分為兩類[4-5]：一類非中氣旋龍卷出現在颮線或者弓形回波前部的γ中尺度渦旋（又稱為中渦旋）內；另一類非中氣旋通常出現在地面輻合切變線上，由瞬變渦旋被對流中的強上升氣流垂直拉伸加強形成[4]。已經得到廣泛認可，EF2級及以上強度中氣旋龍卷除了要求有利于超級單體風暴的環境條件，也就是一定的對流有效位能（CAPE）和強的0～6 km垂直風切變外，還包 括 低的抬升凝結高度和較大的低層（0～1 km）垂直風切變[4-5,5-6]。

最近，俞小鼎等[5]回顧了中國包括了龍卷的強對流天氣研究和業務進展，但有關龍卷的研究綜述篇幅有限。因此，非常有必要進一步回顧和總結中國龍卷的研究成果。由于篇幅所限，本文僅總結中國龍卷氣候特征和環境條件研究成果；由于中氣旋龍卷強度通常較強，且多普勒天氣雷達觀測特征較為明顯[4,5,7]，研究較多，因此，本文環境條件研究成果總結只針對中氣旋龍卷。

1 氣候特征

1.1 總體氣候特征

包澄瀾等[7]給出了1962年和1963年上海的7次龍卷記錄；徐良炎[8]展示了1987年我國的龍卷災害情況；魏文秀和趙亞民[9]綜合給出了中國1980—1993年災害性龍卷風的部分記錄分布，指出有2個龍卷風多發帶，一是自長江三角洲經蘇北平原至黃淮海平原，另一個是在廣東和廣西，呈東西走向。這些分析雖然具有一定的學術價值，但受資料限制，工作還比較初步。

Yao等[10]、范雯杰等[1]和Chen等[11]分別給出了非常詳細的中國龍卷氣候分布。王東海等[12]則利用已有文獻結果對比分析了中國與歐美龍卷氣候統計特 征。Yao等[12]使用中國氣象觀測站的天氣現象觀測資料給出了1960—2009年中國龍卷氣候分布，但該研究不能給出龍卷強度信息。范雯杰等[1]則使用了《中國氣象災害大典》《中國氣象災害年鑒》、氣候影響評價、臺站地面氣象觀測月報表、地方志、媒體和互聯網等信息，給出了1961—2013年中國龍卷及其強度氣候分布。Chen等[13]給出了1948—2012年中國龍卷氣候分布，使用的資料與范雯杰等[1]所用資料基本一致，但還包括了現場調查和中國部分核電廠周邊的龍卷調查結果資料。這些研究給出了基本一致的中國龍卷地理分布、月變化和日變化特征。范雯杰等[1]和Chen等[13]都大致估計中國每年發生約100個龍卷。中國龍卷大多發生在4—9月；具有明顯的日變化特征，大多發生在15—19時（北京時，下同），少量發生在午夜后。中國龍卷主要發生在東部和部分中部平坦地區，包 括江淮地區、兩湖平原、華南地區、東北地區和華北地區東南部等平原地區，其中江蘇和珠三角尤其是江蘇北部是中國龍卷最多發的地區，但強龍卷基本發生在中國中東部[1,13]。

姚葉青等[12]利用196 0—2009年氣象觀測資料，發現安徽省128次龍卷多發于4—9月平原丘陵地帶的江淮東部，山區極少。范雯杰等[1]的分析結果表明：1）1961—2010年共記錄到165次強龍卷，含EF2級145次、EF3級16次、EF4級4次，年均3.3次；2）2004—2013年共記錄到143次EF1或以上級龍卷，其中EF1級121次、EF2級19次、EF3級3次，年均EF1或以上級龍卷14.3次。Chen等[13]給出的1948—2012年中國F0、F1、F2和不小于F3強度的龍卷數目分別為 4676、2467、555和42，但他們沒有對不小于F3強度的龍卷進行區分。

黃先香等[13]給出2018年 中國可確認的龍卷天氣過程有10次、共產生 22個龍卷；其中，EF1 級或以上強度的龍卷有19個，EF1 級或以上強度龍卷數量明顯多于 2004—2013 年的龍卷記錄年平均值[1]；臺風相關的龍卷天氣過程是 2018 年龍卷事件的主要特征，臺風龍卷有16個，占到總數的 73%。而2019年，綜合佛山市龍卷風研究中心的統計結果和相關新聞報道，中國可確認的龍卷僅10個，其中，EF4級龍卷1個，EF3級龍卷1個和EF2級龍卷2個次。

但需要指出的是，從圖1可以看到，河北北部和內蒙古的東南同遼寧交界附近區域也有較多龍卷發生；比如，據新聞報道，2017年8月11日16時許，內蒙古赤峰市克什克騰旗和翁牛特旗遭受龍卷襲擊，造成5人死亡，50余人受傷，該龍卷至少達EF3級；2019年6月17日，河北張家口尚義縣發生龍卷。圖1a和1c還顯示，中國西部也有一定數量的龍卷發生；但Chen等[13]指出這些龍卷的強度都很弱。比如，據新聞報道，2010年9月1日，青海湖一天內兩次發生龍吸水（水龍卷）現象。不過，圖1b顯示2004—2013年中國西部也有兩個達到EF1級的龍卷發生。

到目前為止，中國未記錄到EF5級龍卷。結合范雯杰等[1]的統計結果和近幾年的龍卷發生情況，1951—2020年共記錄到EF4級龍卷7次（見表1）。此外，1977年4月16日湖北安陸等地EF3級龍卷造成118人死亡，1978年4月14日陜西省乾縣EF3級龍卷造成84人死亡。

1.2 熱帶氣旋（TC）龍卷氣候特征

圖1 中國龍卷氣候分布（未統計臺灣地區）（a）1960—2009年國家基本氣象站（黑點）觀測的龍卷發生次數（黑色數字）（彩色填充為地形）[12]；（b）2004—2013年143次EF1級以上龍卷分布圖（彩色填充為地形）[1]；（c）1948—2012年中國龍卷發生地點分布（紅點） [13]；（d）1948—2012年中國1°×1°網格的龍卷發生數目分布 [13]Fig. 1 Climatological distribution of tornado in China (excluding Taiwan)(a) Tornado occurrences (black numbers) observed at the national principal observation stations (dark blue dots)during the period of 1960-2009 (Color shaded: topography) [12]; (b) 143 tornadoes with intentisities of no less than EF1 during the period of (Color shaded: topography) [1]; (c) Distribution of tornado occurrence (red dots) during the period of 1948-2012 [13]; (d) Frequency numbers in 1° (longitude) × 1° (latitude) grids, inverse-square-distance interpolated results during the period o f 1948-2012 [13]

沈樹勤[14]分析了1962—1984年在江蘇境內產生的11個TC外圍雨帶上龍卷過程，發現TC龍卷大致為兩年一遇，發生在TC的迅速減弱階段和臺風運動方向的右前象限。鄭媛媛等[15]分析了10次TC龍卷過程，同樣發現大多數出現在臺風前進方向的東北側?；贑hen等[13]所用龍卷資料、其他相關論文和日本氣象廳最佳臺風路徑資料等，白蘭強等[16]全面調查了2006—2018年中國TC龍卷的發生情況（圖2），共獲得64次TC龍卷記錄，平均每年發生約5次；中國2018年的TC龍卷尤其活躍[15,18]，共有24次TC龍卷記錄，占總樣本數的37.5%。但尚沒有研究給出TC龍卷強度的氣候分布特征。

中國最近明確記錄到的TC龍卷爆發事件發生于2018年登陸臺風摩羯中，至少有11個龍卷生成[15,18-17]；而2006 年8月4日10：50—15：28，位于登陸臺風派比安外圍的佛山市南海與三水區約30～40 km的范圍內發生了5個龍卷[18]。

約1/3的中國登陸TC至少有一個龍卷生成[18]，而美國約59%登陸TC[19]和日本約40%登陸TC至少生成一個龍卷[20]。TC龍卷主要發生于距離TC中心500 km范圍內，江蘇和廣東是中國TC龍卷發生頻次最多的兩個省份；中國的TC龍卷主要生成于TC中心的東北象限，而非TC移動方向的右前象限；中國大多數TC龍卷生成于強度相對較弱的TC（如熱帶低壓、熱帶風暴）[18]，這可能是因為TC登陸后通常強度迅速減弱[21]的緣故。

表1 中國EF4級龍卷的災情統計特征（根據范雯杰等[1]整理和補充）Table 1 Table of disaster situations of the EF4 tornadoes in China

圖2 2006—2018年中國TC龍卷分布[18]（a）TC龍卷（紅點）的地理分布，灰度陰影為地形海拔高度（單位：m）；（b） TC龍卷（圓點）相對于TC中心（五角星）的空間分布，百分數分別表示各象限的龍卷樣本占總樣本的比例Fig. 2 TC tornadoes in China during 2006-2018 [18](a) Locations of TC tornadoes (red dots). The region around the Pearl River Delta is enlarged in the upper-left corner.Terrain heights (shaded) are also shown for reference; (b) Locations of TC tornadoes (dots) relative to the eye of their parent TC (star) at the time of each tornado shown on Earth-relative coordinates

2 環流背景和環境條件

如引言中所述，非中氣旋龍卷大多與颮線或者地面輻合切變線有關，所以這類非中氣旋龍卷的天氣背景和環境條件就是有利于出現這些對流風暴的背景和條件。有利于超級單體風暴的環境條件是一定的CAPE和強的0～6 km垂直風切變[4-5,7-8,22]。有利于F2/EF2級及以上中氣旋龍卷的環境條件不僅需要有利于超級單體風暴的環境條件，還需要較高的0～1 km相對濕度[23]、較低的抬升凝結高度和較大的低層（0～1 km）垂直風切變[4-5,7-8,24]。

中國龍卷雖然可發生在多種有利的天氣尺度背景下[11,14]，但發生較多龍卷的天氣背景是梅雨[25-26]、冷渦[27]和TC[17-18,30]，這是因為在這樣的天氣形勢經常會存在低空急流（即低空垂直風切變較大）和較低的抬升凝結高度的緣故[4]，不過，冷渦背景下的抬升凝結高度偏高[32-28]。

早在1964年，包澄瀾等[9]根據稠密測站網的資料分析了1962和1963年上海3次龍卷過程，發現龍卷發生在高空槽和地面冷鋒前方的對流性不穩定的氣團之中，其上游方向存在著一條明顯的低空急流。但他們沒有給出深層垂直風切變的情況。

梅雨期的強龍卷通常具備了有利于超級單體龍卷的所有有利條件。不過，不同個例CAPE數值存在差異。2003年7月8日23時20分發生在安徽無為的一次EF3級龍卷CAPE達2800 J/kg[27]，2016年江蘇阜寧EF4級龍卷的CAPE達2705 J/kg[29]；不過，2005年7月30日11時30分安徽靈璧發生的一次由強降水超級單體導致的EF3級龍卷[28,30]和2007年7月3日下午發生在安徽天長到江蘇高郵的一次EF3級龍卷[29,35]也都發生在梅雨期暴雨背景下，具有類似2003年7月8日安徽無為龍卷的環境條件，然而其CAPE值顯著偏小，僅達1000多J/kg，為中等強度，但與美國龍卷的CAPE中值大致相當[26,31]。姚葉青等[30]分析了1960—2009年安徽省128次龍卷環流背景，發現龍卷與冰雹、雷雨大風在4個方面存在明顯差異：中低層比濕、中低層垂直風切變、風暴相對螺旋度和0 ℃層以下的對流有效位能與整層對流有效位能比值，前3個量均是龍卷最大，龍卷是冰雹和雷雨大風的2～3倍，對流有效位能主要集中在0 ℃層以下，而冰雹和雷雨大風主要集中在0 ℃層以上。

冷渦背景下不利龍卷的環境條件是低層濕度較差。王秀明等[32]分析了2002—2013年東北1 3個龍卷個例的環境特征，發現：1）龍卷多發生在東北冷渦背景下，直接影響系統為冷渦南側次天氣尺度短波槽，且常出現在槽區或前傾槽后；2）東北龍卷環境溫度直減率較大，850～500 hPa溫差達30～33℃；3）低層水汽含量及濕層厚度較之江淮及華南龍卷顯著偏低，地面露點溫度可低至13℃，850 hPa 露點多在8 ℃以下；4）龍卷環境中常出現強低空急流和對流層中層急流，且對流層中層急流通常與干下沉氣流相伴；5）東北地區龍卷風暴主要由干線及其伴隨的強邊界層輻合觸發。鄭永光等[33]分析發現，2019年7月3日遼寧開原EF4級龍卷發生在前傾槽系統中，地面西南暖濕氣流風速大，地面露點達19 ℃左右；地面露點顯著高于王秀明等[32]統計的多數東北龍卷相應數值；該次龍卷滿足了有利于超級單體龍卷的大CAPE值（達3450 J/kg）、強0～6 km垂直風切變條件、較小對流抑制能量（CIN）和較強0～1 km垂直風切變條件；但0～1 km垂直風切變的增強具有中尺度特征；本次龍卷發生的不利環境條件與王秀明等[32]的相應統計結果較為一致，即開原附近區域對流層中低層存在干層，相對濕度低，抬升凝結高度較高；但分析發現，龍卷產生前，對流風暴的前部先在開原及周邊地區產生了降水迅速改善了濕度條件。

TC龍卷的環境條件一個重要的特征是CAPE較低。鄭媛媛等[17]發現TC龍卷的環境條件（圖3）為弱CAPE（200～1000 J/kg）和風隨高度強烈順轉的強低空風的垂直切變環境，0～1 km風的垂直切變超過10 m/s，風暴的相對螺旋度很大，粗理査孫數很小。白蘭強等[18]發現中國的TC龍卷傾向于在具有較大低層風暴相對螺旋度、較小的CIN和較大的考慮夾卷效應的對流有效位能的環境中產生（圖4）。但需要指出的是，較大的考慮夾卷效應的CAPE實際上是考慮環境自由大氣總體的相對濕度較高對CAPE數值影響的反映。

圖3 TC外圍龍卷高空形勢綜合圖（a）和5次TC龍卷過程探空風垂直廓線（b）[17]Fig. 3 Composite analysis on the upper-level circulation of TC tornadoes (a), and wind profiles of five TC tornado processes (b) [17]

圖4 中國2006—2018年TC龍卷個例的環境場合成[18]：0～1 km（a）和0～3 km（b）的風暴相對螺旋度、CAPE（c）和CIN（d）（五角星表示TC中心, 圓點為相對TC中心的龍卷位置）Fig. 4 Composite horizontal distributions [18] of the (a) 0～1 km and (b) 0～3 km SRH, CAPE (c) and CIN (d) around the TC eyes (blue stars). The solid gray circles represent the locations of TC tornadoes during 2006—2018 relative to the eye of their parent TC. The X (Y) axis is arranged in the TC eye relative longitude (latitude) for convenience

3 總結和討論

中國龍卷為發生概率極低的小尺度天氣系統，觀測和預報都非常困難。盡管如此，通過收集文獻、現場調查等手段，中國龍卷的氣候特征已經非常清晰，易于發生龍卷的環流背景和環境條件也已獲得。

Yao等[12]、范雯杰等[1]和Chen等[13]分別給出了中國龍卷氣候特征。中國龍卷主要發生在東部和部分中部平坦地區，其中江蘇和珠三角尤其是江蘇北部是中國龍卷最多發的地區。強龍卷基本發生在中國中東部。但河北北部和內蒙古的東南同遼寧交界附近區域也有較多龍卷發生，中國西部青藏高原也有龍卷發生。中國尚未記錄到EF5級龍卷；1951—2020年共記錄到EF4級龍卷7次。

2006—2018年中國共獲得64次TC龍卷記錄，平均每年約5次；約1/3的中國登陸TC至少有一個龍卷生成；TC龍卷主要生成于TC中心的東北象限[18]。

中國發生較多龍卷的天氣背景是梅雨、冷渦和TC。梅雨背景下的強龍卷通常具備了中氣旋龍卷所有有利條件，但不同個例的CAPE值差異較大，一些個例CAPE可達3000 J/kg左右， 而有些個例CAPE達1000多J/kg。冷渦背景下強龍卷的環境條件除了較差的低層濕度條件較不利和較高的抬升凝結高度外，其他有利中氣旋龍卷條件通常都具備。而TC龍卷的環境條件除了較弱的 CAPE（200～10 00 J/kg）外，其他有利條件也都具備。

但需要指出的是，在進行龍卷氣候特征分析時，由于歷史條件、觀測數據和文獻資料的限制，歷史龍卷的確定存在一定的不可靠性，因此，從目前開始，通過現場調查、新聞報道和互聯網圖片、視頻等手段，建立一個可靠的中國龍卷個例數據庫非常必要。建立這樣的數據庫需要全國各氣象部門的共同 努力。該數據庫除了包括龍卷本身的相關信息外，還應包括各種觀測數據資料，從而為完善中國龍卷的氣候特征、環境條件和機理研究等奠定堅實的基礎。

中國龍卷的環境條件研究需要進一步完善深入，比如，冷渦背景下龍卷的大氣低層濕度條件通常較差，其在發生龍卷時是否會有改善？TC龍卷的CAPE通常較低，是否其是產生TC龍卷對流風暴的強上升氣流的主要原因？考慮夾卷效應的CAPE是否更具有代表性？還是有其他的因素導致了TC龍卷風暴中的強上升氣流？此外，針對中國非中氣旋龍卷研究還非常欠缺，既包括氣候分布特征，也包括環境條件和機理研究等。