中国龙卷风等级分布研究

赵鑫樾，陈 石，张晓杰，胡凌生

（华龙国际核电技术有限公司，北京 100037）

龙卷风是产生在强对流天气的一种特殊天气，一般维持时间短，破坏强，因其发生有时空随机性，难以预测。龙卷风的发生与地理气候相关性大，因此历年经常发生龙卷风的地区复现龙卷风的可能性大，并且发生过高级别龙卷风的地方更有可能发生龙卷风。

1 龙卷风的形成原理

龙卷形成的主要物理过程是强上升气流对低层小尺度涡旋的拉伸作用，造成空气强烈扰动。

上升气流的拉伸作用是龙卷形成的主要物理过程，风暴出流边界辐合抬升造成低层浅薄气旋式切变加强为中气旋的上升气流；低层中气旋加强为龙卷强烈的上升气流除了边界层辐合抬升外，还可能由环境正浮力产生龙卷风的云体内的强上升气流抬升；以及由中高层强中气旋强迫的垂直扰动低压梯度力产生的上升运动[1]。

总体来说，龙卷风发生在极端气象条件时，表现为大气层结极不稳定，具有极强的抬升力，水汽条件充沛和垂直风切变极强。

2 龙卷风的强度等级

对龙卷风强度的划分，广泛采用1971年美国芝加哥大学的美籍日裔气象学家藤田哲提出的“藤田级数”。2007年“增强藤田级数（Enhanced F-scale）”被启用。它分为6 个等级，如表1所示。

3 龙卷风灾害情况及分析

根据《中国气象灾害年鉴》2005—2016年龙卷风灾害的记录，龙卷风灾害造成的损失呈逐年减少的趋势，一定程度上是由于经济发展及生活水平的提高，构筑物等设施质量 得到提升。因此利用藤田级数对龙卷风进行分级的方法来确定龙卷风的级别存在一定误差，需要未来有更准确的分级方法替代。

本文研究的是中国地区龙卷风的分布情况，在使用藤田级数分级时，发现龙卷风灾害造成的损失有减少的趋势。

近十年来中国各地的气候地质条件没有发生颠覆性变化，预计未来几十年也不会发生大的变化。所以地域与气候相关联，而气候地质与龙卷风的形成有密切联系。具有形成龙卷风气候条件的地区在近十几年来一直是龙卷风多发地带，地域与龙卷风强度有很大关系，因此可以通过建立地域与龙卷风级数的关系来研究中国龙卷风的分布情况。

应用MATLAB 软件对中国龙卷风灾害等级分布情况进行数据分析，拟合得出分布图。由于对龙卷风的形成机理了解不够透彻，不能通过公式拟合，只能采用插值法拟合。中国龙卷风灾害等级分布如图1所示。

图1 中国龙卷风灾害等级分布图

由图1可知各地区可能出现的最大龙卷风，颜色由浅到深依次为EF4、EF3、EF2、EF1、EF0 和无龙卷风。

从空间上看，中国记录的龙卷风集中在东部地区，江浙一带发生频繁。较强的龙卷风（≥EF3）发生在东北、东中、南方地区，在东经115°线上多处出现强龙卷风（≥EF4）。根据拟合结果，理论上强龙卷风集中发生在北纬25°～30°，东经117°～120°区域。实测中强龙卷风（≥EF4）在北纬30°～35°，东经110°～120°，且北纬20°～25°，东经110°～120°比较集中。理论与实际有差别，因为数据相对较少所以拟合出的结果有误差，但趋势是正确的。为什么可能出现最强龙卷风的地方反而连龙卷风都没有发生，取中间点北纬27.5°，东经118.5°，经过观测卫星地图可以发现，这一片地区都是丘陵地带，不利于龙卷风的形成，即使发生龙卷风也不利于龙卷风的移动，没有给周围村庄造成影响，因此没有记录。北纬27.5°，东经118.5°卫星地图如图2所示。

图2 北纬27.5°，东经118.5°卫星地图

结合卫星地形图分析并初步预测，河南省南阳市内乡县枣园镇附近、河南省信阳市息县附近、广东省惠东红海湾和东山海海域附近具备发生EF4 级龙卷风的可能。

4 总结

中国龙卷风分布可以依据拟合结果划分区域等级，这个结果较为粗略，目前关于龙卷风的研究还很粗略，对龙卷风的预测更是难上加难。本文所述的研究方法可以为龙卷风分析研究提供一个思路。待后续龙卷风分级更加科学合理准确化、数据记录更多更详实后，利用这个方法可以准确得出中国的龙卷风等级分布图。各工程项目可以依据中国龙卷风等级分布图进行龙卷风灾害防护设计。