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中国龙卷风的时空特征研究：基于气象站观测数据的分析

1. 研究作者及发表信息
本研究的作者包括Xiaoying Xue（中国气象科学研究院、中国地质大学（武汉））、Guoyu Ren（中国地质大学（武汉）、国家气候中心）、Xiangde Xu（中国气象科学研究院、中国地质大学（武汉））和Siqi Zhang（中国地质大学（武汉）、国家气候中心）。研究论文《Spatial-temporal characteristics of tornadoes in China based on observational data of meteorological stations》发表于期刊《Climate Research》（Clim Res）2023年第91卷，出版日期为2023年9月21日。

2. 学术背景与研究目标
龙卷风（tornado）是一种剧烈的对流天气现象，表现为从积雨云延伸至地面的高速旋转空气柱，常造成严重的人员伤亡和经济损失。尽管中国的龙卷风数量和强度均低于北美，但随着经济快速发展和城市化进程，龙卷风的影响日益显著（如2016年江苏阜宁龙卷风导致99人死亡）。然而，由于观测数据的不一致性和记录标准的差异，全球范围内龙卷风的长期趋势仍存在争议。

本研究旨在利用中国国家气象观测站1961–2013年的数据，分析中国龙卷风的时空分布特征及长期变化趋势，并探讨其与大气环境因子的关联，为灾害风险评估和气候变化研究提供科学依据。

3. 研究流程与方法
3.1 数据来源与处理
研究数据来自中国气象局国家气象信息中心（NMIC）发布的《中国每日天气现象数据集》，涵盖2422个气象站。龙卷风记录以“龙卷风日”（tornado day，单日单站观测到至少一次龙卷风）为单位。数据经过质量控制，并剔除了因站点迁移或观测人员变动可能导致的非均一性影响。

3.2 研究区域与时段
研究选取1961–2013年（2014年后停止人工观测）的龙卷风记录，共498个站点报告过至少一次龙卷风事件。根据空间分布特征，重点分析了三个高频区域：华南（16–24°N, 108–118°E）、华东（27–34°N, 115–123°E）和东北（41–49°N, 121–131°E）。

3.3 统计与趋势分析方法
- 趋势计算：采用Theil-Sen估计器（非参数线性回归方法）计算龙卷风日数的长期趋势，并通过Mann-Kendall检验评估显著性（p<0.05）。
- 环境因子分析：利用ERA5再分析数据（1979–2013年）计算对流有效位能（CAPE, Convective Available Potential Energy）、0–6 km垂直风切变、925 hPa相对湿度和低层大气稳定性（LTS, Lower-Troposphere Stability）等参数，分析其与龙卷风减少的关联。

4. 主要研究结果
4.1 时空分布特征
- 空间分布：1961–2013年共记录1082个龙卷风日，年均20.42天。高频中心位于华南（215天）、华东（286天）和东北（204天），其中广东、江苏和黑龙江三省记录最多。单位面积龙卷风日数最高的是上海，而重庆无记录。
- 时间分布：夏季（6–8月）占比72.6%，7月为峰值（占全年31.8%）。最早记录为1983年2月1日（河北献县），最晚为1977年12月20日（内蒙古青龙山）。

4.2 长期变化趋势
- 全国龙卷风日数以每十年-10.00天的速率显著减少（p<0.05），2010–2013年无记录。三大高频区域均呈现显著下降趋势（华南-2.00天/十年、华东-2.22天/十年、东北-1.60天/十年）。
- 其他对流天气（雷暴、闪电日数）同期也显著减少，佐证了龙卷风趋势的可靠性。

4.3 环境因子关联
- CAPE与垂直风切变：华南和华东的CAPE及0–6 km垂直风切变显著下降，与龙卷风减少呈正相关。
- 低层湿度与稳定性：925 hPa相对湿度在三大区域均降低，而LTS在华东和东北显著增加（大气稳定性增强），抑制了对流发展。

5. 结论与意义
本研究首次基于均一化的气象站数据揭示了中国龙卷风的长期减少趋势，并指出大气环境条件的变化（如CAPE下降、垂直风切变减弱）是主要驱动因素。这一发现为理解区域气候变化对极端天气的影响提供了新证据，同时为灾害防御政策的制定提供了科学支持。

6. 研究亮点
- 数据创新：采用高密度气象站观测数据，弥补了灾害年鉴记录的不一致性。
- 方法综合：结合非参数统计和再分析数据，明确了环境因子的作用机制。
- 区域特异性：首次对比了中国三大龙卷风高频区的差异，指出华东的减少与LTS增加密切相关。

7. 其他价值
研究还提出，城市化导致的表面摩擦增加和气溶胶浓度上升可能通过削弱地表加热和局部对流，间接影响龙卷风发生频率，这一假设需未来研究验证。