重慶 2010年 5月 6日強(qiáng)風(fēng)雹和暴雨天氣過(guò)程的螺旋度分析

徐進(jìn)明,李 愉,張 葵

(1.重慶市涪陵區(qū)氣象局,重慶 涪陵 408000;2.成都市氣象局,四川 成都 610071)

重慶 2010年 5月 6日強(qiáng)風(fēng)雹和暴雨天氣過(guò)程的螺旋度分析

徐進(jìn)明1,李 愉2,張 葵2

(1.重慶市涪陵區(qū)氣象局,重慶 涪陵 408000;2.成都市氣象局,四川 成都 610071)

該文通過(guò)探空資料計(jì)算重慶 2010年 5月 6日強(qiáng)風(fēng)雹和暴雨天氣過(guò)程前后的相對(duì)風(fēng)暴水平螺旋度 (SRH)發(fā)現(xiàn),區(qū)域范圍內(nèi)的 SRH數(shù)值的分布及其大小的變化,可以比較清晰地反映造成此次對(duì)流天氣過(guò)程的天氣系統(tǒng)移動(dòng)路徑和對(duì)流天氣發(fā)生的強(qiáng)度,在實(shí)際應(yīng)用中可以幫助預(yù)報(bào)員對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣可能發(fā)生的區(qū)域和量級(jí)大小進(jìn)行判斷。

風(fēng)雹;暴雨;螺旋度

1 引言

80年代后期,Lilly[1]提出了一個(gè)反映風(fēng)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)性的新的物理概念——螺旋度 (helicity)。螺旋度不僅能表達(dá)風(fēng)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)性的強(qiáng)弱,而且還能反映出對(duì)旋轉(zhuǎn)的輸送。Lilly將它引入到了強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴研究中,他的研究指出：強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴具有高螺旋度特征,它的螺旋度從環(huán)境場(chǎng)中獲得并在浮力效應(yīng)下增強(qiáng)。同時(shí),高螺旋度阻礙了擾動(dòng)能量耗散,對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴的維持有重要作用;穩(wěn)定的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴常發(fā)生在螺旋度值大的地方。中國(guó)氣象學(xué)者也較早對(duì)螺旋度的性質(zhì)、應(yīng)用做了研究,基于螺旋度的理論研究及后來(lái)的常規(guī)觀測(cè)資料分析和各種數(shù)值模式模擬結(jié)果,螺旋度逐漸成為引入天氣分析預(yù)報(bào)中的一個(gè)重要物理量。楊越奎等[2]用逐日的實(shí)時(shí)觀測(cè)資料計(jì)算螺旋度和 z-h螺旋度對(duì)梅雨鋒期間的暴雨進(jìn)行了螺旋度分析,發(fā)現(xiàn) 500hPa面上的螺旋度的演變同其后 24h降水量變化有較好地對(duì)應(yīng)關(guān)系,這可能有助于暴雨的預(yù)報(bào);江敦雙、李瑜修等[3]和孫蘭東、徐建芬[4]利用 T106數(shù)值預(yù)報(bào)模式計(jì)算垂直螺旋度,發(fā)現(xiàn)垂直螺旋度的分布可以反映高空天氣系統(tǒng)的位置及其演變情況,對(duì)暴雨的落區(qū)和強(qiáng)度有較好的指示性。

2010年 5月 5日夜間開(kāi)始,重慶出現(xiàn)了強(qiáng)風(fēng)雹和暴雨天氣過(guò)程,本文通過(guò)探空資料計(jì)算得到的相對(duì)風(fēng)暴水平螺旋度對(duì)此次過(guò)程了分析。

2 實(shí)況

2010年 5月 5日夜間開(kāi)始,重慶出現(xiàn)了強(qiáng)風(fēng)雹和暴雨天氣過(guò)程。墊江沙坪鎮(zhèn)和梁平回龍鎮(zhèn)分別于 6日 1時(shí)和 2時(shí)左右出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)雹和強(qiáng)降雨天氣,瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)到 11級(jí),梁平回龍鎮(zhèn)還出現(xiàn)了冰雹。5日 20時(shí)—6日 20時(shí),重慶中部和東南部出現(xiàn)區(qū)域性暴雨,共有 112個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)暴雨,22個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)大暴雨,最大降水量出現(xiàn)在彭水 158.8mm。此次強(qiáng)風(fēng)雹暴雨過(guò)程造成墊江縣、梁平縣、涪陵區(qū)、彭水縣和長(zhǎng)壽區(qū)等地共 32人死亡,383人受傷,8014間房屋垮塌,電力、通信、交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施和工礦商貿(mào)企業(yè)不同程度受損。全市因?yàn)?zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失 6億余元,經(jīng)濟(jì)損失巨大。

2 環(huán)流背景

受中高緯大環(huán)流形勢(shì)影響,重慶市 5月 5日出現(xiàn)晴熱高溫天氣,氣溫迅速回升,各地最高氣溫普遍超過(guò) 30℃,本地不穩(wěn)定能量急劇積累。從 2010年 5月 5日 NCEP的 500hPa高度場(chǎng) (圖略 )可以看出,歐亞環(huán)流經(jīng)向性很強(qiáng),為一槽一脊,高脊位于烏拉爾山,貝加爾湖向南延伸到華北為槽區(qū),從烏拉爾山東部到長(zhǎng)江流域?yàn)榇蠓秶奈鞅睔饬鳌?00hPa西北到華北為較強(qiáng)的偏北風(fēng),貴州到四川盆地北部為偏南風(fēng),兩者在四川盆地北部形成強(qiáng)烈的切變,重慶主要為偏南風(fēng)控制,有暖濕平流輸送。850hPa重慶中部和東南部主要受倒槽控制。在地面圖上,高空西北氣流帶來(lái)的冷空氣在地面逐漸加強(qiáng)南下,5日 20時(shí)冷鋒到四川盆地北部地區(qū)?？偟膩?lái)看,此次災(zāi)害是由于前期增溫快,不穩(wěn)定能量積累,在冷空氣的觸發(fā)下形成了強(qiáng)雷雨大風(fēng)和冰雹過(guò)程。

3 螺旋度分析

3.1 螺旋度原理

3.1.1 螺旋度概念 螺旋度是表征對(duì)流系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)性和上升運(yùn)動(dòng)的重要物理量,從定義上看,螺旋度是表示流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)特性的物理量,在等熵流體中具有守恒性。其嚴(yán)格的表達(dá)式為：而通常氣象上所使用的螺旋度是指局地螺旋度 h,定義為：

式 (2)中右端 3項(xiàng)分別把x,y,z方向的風(fēng)速和渦度的分量聯(lián)系在一起,相應(yīng)稱(chēng)為x螺旋度、y螺旋度、z螺旋度。x,y方向螺旋度合稱(chēng)為水平螺旋度,z方向稱(chēng)為垂直螺旋度。它們對(duì)螺旋度有共同的作用,但各項(xiàng)本身也有其明確的物理意義。

垂直螺旋度是垂直渦度和垂直速度的積。垂直渦度大的系統(tǒng)與劇烈天氣現(xiàn)象聯(lián)系緊密,如中尺度氣旋,故垂直渦度變化在氣象研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中一向是重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。另一方面,垂直速度是實(shí)際大氣中造成天氣現(xiàn)象的最直接原因。單有渦旋缺乏垂直上升運(yùn)動(dòng)、大氣輻散輻合,天氣現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生;而單有垂直上升運(yùn)動(dòng)、大氣輻散輻合,運(yùn)動(dòng)難以維持,系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)、影響小。因此,盡管垂直螺旋度的量級(jí)一般比水平螺旋度小,但它充分反映了兩個(gè)與天氣現(xiàn)象緊密聯(lián)系的物理量的配合情況,在一定程度上不僅能反映系統(tǒng)的維持狀況,還能反映系統(tǒng)發(fā)展、天氣現(xiàn)象的劇烈程度。不少實(shí)際診斷表明垂直螺旋度的分布對(duì)降水落區(qū)有一定預(yù)測(cè)作用[5-7]。

水平螺旋度即水平風(fēng)速和水平渦度的積。其正值的異常增大可能是水平風(fēng)速增大也可能是水平渦度增大或二者都增大,都會(huì)對(duì)應(yīng)大氣的異常狀態(tài),與預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的一些參數(shù)聯(lián)系,具有預(yù)示性。從量級(jí)上看 (至少在風(fēng)暴初期),水平螺旋度比垂直螺旋度大,較大程度上決定了總螺旋度的情況,同時(shí),其預(yù)示性和重要性充分體現(xiàn)在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中。通常人們計(jì)算的螺旋度實(shí)質(zhì)上是水平螺旋度,確切地說(shuō)是忽略垂直運(yùn)動(dòng)水平分布不均勻的相對(duì)風(fēng)暴水平螺旋度(Stor m Relative Helicity)。由于水平風(fēng)場(chǎng)資料較易獲取及其數(shù)值的可定量化 (國(guó)外一般將螺旋度h=150 m2/s2作為強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展的臨界值),在我國(guó) SRH已被一些氣象部門(mén)作為一項(xiàng)預(yù)報(bào)因子引入到短期 (短時(shí))預(yù)報(bào)系統(tǒng)中[7-8],提高了天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。從預(yù)報(bào)時(shí)效角度出發(fā),本文只計(jì)算相對(duì)風(fēng)暴水平螺旋度,下文簡(jiǎn)稱(chēng)螺旋度 (SRH)。

3.1.2 水平相對(duì)螺旋度計(jì)算方法 考慮到風(fēng)暴入流空氣主要來(lái)自于對(duì)流層低層幾公里范圍內(nèi),故將SRH定義為如下形式,在 Z坐標(biāo)系中：

上式中：(un,vn)為各高度層上的水平風(fēng),(Cx,Cy)為風(fēng)暴移動(dòng)速度。因?yàn)榱魅腼L(fēng)暴的氣流來(lái)自低層,一般取 t=3～4Km,本文取 3Km。我們利用tlogp探空資料計(jì)算實(shí)況 SRH時(shí),各站高空層次略有不同,一般來(lái)看,n=12;由于風(fēng)暴的移動(dòng)主要受中低層平流運(yùn)動(dòng)和自身傳播效應(yīng)的共同影響,本文以各高度層的平均風(fēng)風(fēng)向右移 30°,風(fēng)速的 75%來(lái)確定風(fēng)暴的移動(dòng)速度。

3.2 相對(duì)風(fēng)暴水平螺旋度分析

我們利用 T-logp探空資料計(jì)算過(guò)程前后(2010年 5月 4日 08時(shí)到 6日 20時(shí))共計(jì) 6個(gè)時(shí)次的水平相對(duì)螺旋度 (圖略),并與 5月 4日到 6日全國(guó)自動(dòng)站降水觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比：4日 08時(shí)青藏高原到盆地內(nèi)為 SRH值負(fù)值區(qū),而甘肅陜西南部到重慶一帶 SRH值為大片正值區(qū)域,與之相對(duì)應(yīng) 4日 08時(shí)到 20時(shí)的 12h降水主要區(qū)域主要集中在上述區(qū)域 SRH值正值區(qū)域附近;到了 4日 20時(shí)甘肅中部、陜西南部以及四川盆地和重慶區(qū)域均為 SRH值負(fù)值區(qū)域,離此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程發(fā)生區(qū)域較近的達(dá)州站 SRH值為-61.2,重慶本站為-47.2,同時(shí)地面冷空氣前鋒移動(dòng)到甘肅中部,冷鋒后部為較大SRH值正值區(qū)域,SRH值在甘肅境內(nèi)的正負(fù)數(shù)值的區(qū)域分布和變化顯著地表明了鋒線(xiàn)的位置以及移動(dòng)的路徑;5日 08時(shí)隨著新疆地區(qū)地面冷空氣南下,甘肅寧夏陜西一帶的 SRH值由負(fù)轉(zhuǎn)正,盆地到重慶一帶依然為 SRH值的負(fù)值區(qū)。從 SRH值的物理意義來(lái)看,其負(fù)值區(qū)存在說(shuō)明該區(qū)域上空無(wú)明顯氣流的旋轉(zhuǎn)輻合以下沉氣流為主,因此此次過(guò)程前期川渝地區(qū)出現(xiàn)了地面迅速增溫現(xiàn)象,與之相對(duì)應(yīng)上述地區(qū)在 4日到 5日白天也只出現(xiàn)了分散不均勻的零星陣雨天氣。到了過(guò)程發(fā)生前的 5日 20時(shí)川渝地區(qū) SRH值顯著增大 (SRH＞30),其后 6日 08時(shí)渝黔地區(qū) SRH值繼續(xù)增大,達(dá)州站 SRH值達(dá)到108.1,湖北的黔西站為 86.5,重慶本站則上升到43.8,相對(duì)于前日 08時(shí) 3站 SRH值平均增幅均 ＞50,達(dá)州、黔西和重慶增幅分別為 119、115以及 55。與之對(duì)應(yīng),6日 00時(shí)開(kāi)始到 6日白天上述 SRH值顯著增大的區(qū)域均出現(xiàn)了較強(qiáng)對(duì)流和降水天氣過(guò)程,距離相對(duì)達(dá)州較近的墊江、彭水、涪陵等區(qū)縣的 18個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了大暴雨;而盆地內(nèi)成都站 08時(shí)以后的SRH值減小到-0.8,因此盆地內(nèi)較強(qiáng)降水時(shí)段集中在 5日夜間到 6日凌晨,而其 6日白天的雨區(qū)面積和降水強(qiáng)度明顯弱于高 SRH值的渝黔地區(qū)。6日 20時(shí)這次強(qiáng)對(duì)流天氣基本結(jié)束,上述地區(qū) SRH值依然維持 ＞40的正值,但相對(duì) 08時(shí)的 SRH值,安康、鄂西和達(dá)州 3站 SRH值減小得十分明顯。

根據(jù) SRH值的定義和物理意義的說(shuō)明,我們知道當(dāng)區(qū)域上空氣團(tuán)性質(zhì)單一的時(shí)候 SRH值應(yīng)該相對(duì)較小,而在冷暖空氣的交匯區(qū)域由于有明顯的水平風(fēng)垂直切變或者暖濕急流 SRH值就會(huì)顯著增大。通過(guò)前面對(duì) 4日到 6日白天 SRH值變化分析,我們發(fā)現(xiàn) SRH值在川渝陜黔地區(qū)的分布及其變化清晰地反映了過(guò)程前后來(lái)自新疆地區(qū)的冷空氣南壓過(guò)程中冷暖風(fēng)切變的移動(dòng)路徑。在過(guò)程前期,重慶地區(qū)由于受較強(qiáng)偏南暖濕氣流控制在南風(fēng)較強(qiáng)的時(shí)次本地 SRH值呈現(xiàn)較大正值 (4日 08時(shí)),但隨著中低層南風(fēng)急流的減弱,4日 20時(shí)和 5日 08時(shí)重慶地區(qū)及附近站點(diǎn)的 SRH值呈現(xiàn)負(fù)值分布,與此同時(shí)在北方冷空氣南壓過(guò)程中鋒面附近的站點(diǎn)的SRH值有著明顯的正負(fù)分布形勢(shì),即鋒前為較大負(fù)值鋒后則為較大的正值。當(dāng)冷暖風(fēng)切變逼近并逐步壓過(guò)川渝地區(qū)時(shí) (5日 20時(shí)到 6日 20時(shí)),該區(qū)域的 SRH值呈現(xiàn)了一個(gè)由負(fù)轉(zhuǎn)正并顯著增長(zhǎng)再顯著減小的過(guò)程。

綜上所述,區(qū)域范圍內(nèi) SRH值的正負(fù)分布變化比較清晰地反映造成此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的天氣系統(tǒng)移動(dòng)路徑,同時(shí)區(qū)域范圍內(nèi) SRH的數(shù)值大小的變化特征在很大程度上也能夠反映其后 6～12h內(nèi)發(fā)生的對(duì)流天氣或者降水的強(qiáng)弱,說(shuō)明區(qū)域范圍內(nèi)SRH值的分布和大小變化有助于預(yù)報(bào)員對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣可能發(fā)生的區(qū)域和量級(jí)大小進(jìn)行判斷。

值得注意的是 SRH數(shù)值本身的大小對(duì)于這次過(guò)程中和對(duì)流天氣發(fā)生區(qū)域以及降水強(qiáng)度的指示作用不明顯,初步分析看來(lái)是由于其數(shù)值大小由水平渦度和水平風(fēng)速?zèng)Q定,如果僅僅是因?yàn)槠渲幸豁?xiàng)數(shù)值較大引起的 SRH大值,并不能完全表征測(cè)站上空的氣流輻合和抬升情況的異常,同時(shí) SRH描述的只是大氣的動(dòng)力特征,并未考慮對(duì)對(duì)流天氣和降水強(qiáng)度影響同樣的重要的熱力條件。因此,在今后將SRH值應(yīng)用于預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)注意關(guān)注其數(shù)值的異常增大或減小,并結(jié)合其他資料綜合應(yīng)用。

4 結(jié)論

①區(qū)域范圍內(nèi) SRH值的正負(fù)分布變化可以比較清晰地反映此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的系統(tǒng)移動(dòng)路徑。

②區(qū)域范圍內(nèi) SRH的數(shù)值大小的變化特征在很大程度上也能夠反映對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi) 6～12h內(nèi)發(fā)生的對(duì)流天氣或者降水的強(qiáng)弱,有助于預(yù)報(bào)員對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣可能發(fā)生的區(qū)域和量級(jí)大小進(jìn)行判斷。

③SRH數(shù)值本身的大小在這次過(guò)程中對(duì)于對(duì)流天氣發(fā)生區(qū)域以及降水強(qiáng)度的指示作用并不明顯。因此,在 SRH值應(yīng)用于預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)注意關(guān)注其數(shù)值的異常增大或減小,并結(jié)合其他資料綜合應(yīng)用。

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1003-6598(2010)增刊-0069-03

2010-09-10

徐進(jìn)明 (1980-),男,工程師,主要從事中短期預(yù)報(bào)服務(wù)工作。