中国龙卷特征及其潜势预报之初探

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龙卷是一种伴随高速旋转的漏斗状云柱的强风涡旋。龙卷的尺度小、生命周期短,不易被常规观测手段捕捉,更不易提前预报和预警,给所经之处造成重大人员伤亡和财产损失。中国是受龙卷影响较为严重的国家之一,尤其是东部地区更是龙卷多发。现今,我国发生的龙卷已引起国内学者们的关注,但仍没有很好的办法对其作出精确预测和预警。为将来能够及时有效地预报龙卷以降低龙卷所造成的影响和损失,本文首先利用现有的指标参数调查近十年中国龙卷的发生环境,进而分析中国实际发生龙卷的天气背景和环境条件,定量地分析龙卷与非龙卷之间指标的差异,总结并建立适用于整个中国地区的龙卷潜势预报通用指标。此外,初步探讨了气溶胶通过云微物理过程对龙卷的可能影响。  通过对2002-2009年的再分析资料分析,发现中国龙卷高发区在东部的华南、华北、华东和东北等地。从季节看,春季龙卷极易在华南地区发生且潜在发生的个数最多,夏季易在东北、华北、华东发生;从年际变化来看,8年间整个中国龙卷的潜在发生区域在缩小,数量也有明显减少的趋势。通过分区域的实发龙卷合成分析发现,不同地区利于龙卷发生的天气形势不同,华南地区为为“副高外缘暖高前缘型”,华东地区为“副高外缘冷涡型”,另外有台风引发的龙卷和少数其他地区发生的龙卷。适宜龙卷发生的总体环境场特征为:下湿上干的不稳定层结;一定的对流有效位能(大于1500J kg-1);0-6km风切变接近超级单体风暴所需的风切下限(3×10-3s-1);0-1km风切变超过超级单体风暴所需的风切下限(5×10-3s-1)。  根据中国龙卷个例及对应的非龙卷平均态进行分析,初步建立起一个适用于中国的龙卷潜势预报通用指标:首先需要满足强雷暴的条件:①CAPE≥550J kg-1,②1.637 log(S6)+2.316 log(CAPE)≥8.30,其次是引入可以区分强雷暴中龙卷与非龙卷环境的参数条件:③250S1-mlLCL≥1000,④S1≥5m s-1,⑤mlLCL≤1000m,其中,CAPE为对流有效位能,S1和S6为0-1km和0-6 km水平风垂直风切变,mlLCL为抬升凝结高度。该指标在2004-2011年间的命中率为23%左右,比旧指标提高了十几个百分点。在空间范围上,预报的高值区与实际的高发区域吻合,只在广西、浙江等省份空报较多,而内陆的个别省份有漏报的现象。  为探讨气溶胶通过云微物理过程对龙卷发生的可能影响,利用ARPS模式,针对2003年7月8日安徽无为超级单体龙卷过程,通过设置三种云滴浓度(3000cm-3、1000 cm-3和100cm-3)模拟研究气溶胶浓度变化对超级单体风暴和龙卷的影响。结果表明,在三种云滴浓度背景下,虽然超级单体风暴的结构和演变有一定差异,但均有龙卷产生,且在高云滴浓度的试验中,产生的龙卷更强、持续时间更长,表明气溶胶变化对龙卷有影响。  通过本文的研究,建立了一个适用于中国的龙卷潜势预报通用指标,并探讨了云微物理过程对龙卷发生发展的影响。后续研究将把云微物理方面的影响加入指标,并综合利用卫星云图和雷达资料等进行研究分析。
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