重庆 2010年 5月 6日强风雹和暴雨天气过程的螺旋度分析

徐进明,李 愉,张 葵

(1.重庆市涪陵区气象局,重庆 涪陵 408000;2.成都市气象局,四川 成都 610071)

重庆 2010年 5月 6日强风雹和暴雨天气过程的螺旋度分析

徐进明1,李 愉2,张 葵2

(1.重庆市涪陵区气象局,重庆 涪陵 408000;2.成都市气象局,四川 成都 610071)

该文通过探空资料计算重庆 2010年 5月 6日强风雹和暴雨天气过程前后的相对风暴水平螺旋度 (SRH)发现,区域范围内的 SRH数值的分布及其大小的变化,可以比较清晰地反映造成此次对流天气过程的天气系统移动路径和对流天气发生的强度,在实际应用中可以帮助预报员对于强对流天气可能发生的区域和量级大小进行判断。

风雹;暴雨;螺旋度

1 引言

80年代后期,Lilly[1]提出了一个反映风场旋转性的新的物理概念——螺旋度 (helicity)。螺旋度不仅能表达风场旋转性的强弱,而且还能反映出对旋转的输送。Lilly将它引入到了强对流风暴研究中,他的研究指出：强对流风暴具有高螺旋度特征,它的螺旋度从环境场中获得并在浮力效应下增强。同时,高螺旋度阻碍了扰动能量耗散,对超级单体风暴的维持有重要作用;稳定的强对流风暴常发生在螺旋度值大的地方。中国气象学者也较早对螺旋度的性质、应用做了研究,基于螺旋度的理论研究及后来的常规观测资料分析和各种数值模式模拟结果,螺旋度逐渐成为引入天气分析预报中的一个重要物理量。杨越奎等[2]用逐日的实时观测资料计算螺旋度和 z-h螺旋度对梅雨锋期间的暴雨进行了螺旋度分析,发现 500hPa面上的螺旋度的演变同其后 24h降水量变化有较好地对应关系,这可能有助于暴雨的预报;江敦双、李瑜修等[3]和孙兰东、徐建芬[4]利用 T106数值预报模式计算垂直螺旋度,发现垂直螺旋度的分布可以反映高空天气系统的位置及其演变情况,对暴雨的落区和强度有较好的指示性。

2010年 5月 5日夜间开始,重庆出现了强风雹和暴雨天气过程,本文通过探空资料计算得到的相对风暴水平螺旋度对此次过程了分析。

2 实况

2010年 5月 5日夜间开始,重庆出现了强风雹和暴雨天气过程。垫江沙坪镇和梁平回龙镇分别于 6日 1时和 2时左右出现强风雹和强降雨天气,瞬时最大风速达到 11级,梁平回龙镇还出现了冰雹。5日 20时—6日 20时,重庆中部和东南部出现区域性暴雨,共有 112个乡镇暴雨,22个乡镇大暴雨,最大降水量出现在彭水 158.8mm。此次强风雹暴雨过程造成垫江县、梁平县、涪陵区、彭水县和长寿区等地共 32人死亡,383人受伤,8014间房屋垮塌,电力、通信、交通、水利等基础设施和工矿商贸企业不同程度受损。全市因灾直接经济损失 6亿余元,经济损失巨大。

2 环流背景

受中高纬大环流形势影响,重庆市 5月 5日出现晴热高温天气,气温迅速回升,各地最高气温普遍超过 30℃,本地不稳定能量急剧积累。从 2010年 5月 5日 NCEP的 500hPa高度场 (图略 )可以看出,欧亚环流经向性很强,为一槽一脊,高脊位于乌拉尔山,贝加尔湖向南延伸到华北为槽区,从乌拉尔山东部到长江流域为大范围的西北气流。700hPa西北到华北为较强的偏北风,贵州到四川盆地北部为偏南风,两者在四川盆地北部形成强烈的切变,重庆主要为偏南风控制,有暖湿平流输送。850hPa重庆中部和东南部主要受倒槽控制。在地面图上,高空西北气流带来的冷空气在地面逐渐加强南下,5日 20时冷锋到四川盆地北部地区。总的来看,此次灾害是由于前期增温快,不稳定能量积累,在冷空气的触发下形成了强雷雨大风和冰雹过程。

3 螺旋度分析

3.1 螺旋度原理

3.1.1 螺旋度概念 螺旋度是表征对流系统旋转性和上升运动的重要物理量,从定义上看,螺旋度是表示流体边旋转边沿旋转方向运动特性的物理量,在等熵流体中具有守恒性。其严格的表达式为：而通常气象上所使用的螺旋度是指局地螺旋度 h,定义为：

式 (2)中右端 3项分别把x,y,z方向的风速和涡度的分量联系在一起,相应称为x螺旋度、y螺旋度、z螺旋度。x,y方向螺旋度合称为水平螺旋度,z方向称为垂直螺旋度。它们对螺旋度有共同的作用,但各项本身也有其明确的物理意义。

垂直螺旋度是垂直涡度和垂直速度的积。垂直涡度大的系统与剧烈天气现象联系紧密,如中尺度气旋,故垂直涡度变化在气象研究和业务预报中一向是重点关注对象。另一方面,垂直速度是实际大气中造成天气现象的最直接原因。单有涡旋缺乏垂直上升运动、大气辐散辐合,天气现象不会发生;而单有垂直上升运动、大气辐散辐合,运动难以维持,系统持续时间不长、影响小。因此,尽管垂直螺旋度的量级一般比水平螺旋度小,但它充分反映了两个与天气现象紧密联系的物理量的配合情况,在一定程度上不仅能反映系统的维持状况,还能反映系统发展、天气现象的剧烈程度。不少实际诊断表明垂直螺旋度的分布对降水落区有一定预测作用[5-7]。

水平螺旋度即水平风速和水平涡度的积。其正值的异常增大可能是水平风速增大也可能是水平涡度增大或二者都增大,都会对应大气的异常状态,与预报强对流风暴的一些参数联系,具有预示性。从量级上看 (至少在风暴初期),水平螺旋度比垂直螺旋度大,较大程度上决定了总螺旋度的情况,同时,其预示性和重要性充分体现在业务预报中。通常人们计算的螺旋度实质上是水平螺旋度,确切地说是忽略垂直运动水平分布不均匀的相对风暴水平螺旋度(Stor m Relative Helicity)。由于水平风场资料较易获取及其数值的可定量化 (国外一般将螺旋度h=150 m2/s2作为强对流风暴发生发展的临界值),在我国 SRH已被一些气象部门作为一项预报因子引入到短期 (短时)预报系统中[7-8],提高了天气预报的准确率。从预报时效角度出发,本文只计算相对风暴水平螺旋度,下文简称螺旋度 (SRH)。

3.1.2 水平相对螺旋度计算方法 考虑到风暴入流空气主要来自于对流层低层几公里范围内,故将SRH定义为如下形式,在 Z坐标系中：

上式中：(un,vn)为各高度层上的水平风,(Cx,Cy)为风暴移动速度。因为流入风暴的气流来自低层,一般取 t=3～4Km,本文取 3Km。我们利用tlogp探空资料计算实况 SRH时,各站高空层次略有不同,一般来看,n=12;由于风暴的移动主要受中低层平流运动和自身传播效应的共同影响,本文以各高度层的平均风风向右移 30°,风速的 75%来确定风暴的移动速度。

3.2 相对风暴水平螺旋度分析

我们利用 T-logp探空资料计算过程前后(2010年 5月 4日 08时到 6日 20时)共计 6个时次的水平相对螺旋度 (图略),并与 5月 4日到 6日全国自动站降水观测资料进行对比：4日 08时青藏高原到盆地内为 SRH值负值区,而甘肃陕西南部到重庆一带 SRH值为大片正值区域,与之相对应 4日 08时到 20时的 12h降水主要区域主要集中在上述区域 SRH值正值区域附近;到了 4日 20时甘肃中部、陕西南部以及四川盆地和重庆区域均为 SRH值负值区域,离此次强对流天气过程发生区域较近的达州站 SRH值为-61.2,重庆本站为-47.2,同时地面冷空气前锋移动到甘肃中部,冷锋后部为较大SRH值正值区域,SRH值在甘肃境内的正负数值的区域分布和变化显著地表明了锋线的位置以及移动的路径;5日 08时随着新疆地区地面冷空气南下,甘肃宁夏陕西一带的 SRH值由负转正,盆地到重庆一带依然为 SRH值的负值区。从 SRH值的物理意义来看,其负值区存在说明该区域上空无明显气流的旋转辐合以下沉气流为主,因此此次过程前期川渝地区出现了地面迅速增温现象,与之相对应上述地区在 4日到 5日白天也只出现了分散不均匀的零星阵雨天气。到了过程发生前的 5日 20时川渝地区 SRH值显著增大 (SRH＞30),其后 6日 08时渝黔地区 SRH值继续增大,达州站 SRH值达到108.1,湖北的黔西站为 86.5,重庆本站则上升到43.8,相对于前日 08时 3站 SRH值平均增幅均 ＞50,达州、黔西和重庆增幅分别为 119、115以及 55。与之对应,6日 00时开始到 6日白天上述 SRH值显著增大的区域均出现了较强对流和降水天气过程,距离相对达州较近的垫江、彭水、涪陵等区县的 18个乡镇出现了大暴雨;而盆地内成都站 08时以后的SRH值减小到-0.8,因此盆地内较强降水时段集中在 5日夜间到 6日凌晨,而其 6日白天的雨区面积和降水强度明显弱于高 SRH值的渝黔地区。6日 20时这次强对流天气基本结束,上述地区 SRH值依然维持 ＞40的正值,但相对 08时的 SRH值,安康、鄂西和达州 3站 SRH值减小得十分明显。

根据 SRH值的定义和物理意义的说明,我们知道当区域上空气团性质单一的时候 SRH值应该相对较小,而在冷暖空气的交汇区域由于有明显的水平风垂直切变或者暖湿急流 SRH值就会显著增大。通过前面对 4日到 6日白天 SRH值变化分析,我们发现 SRH值在川渝陕黔地区的分布及其变化清晰地反映了过程前后来自新疆地区的冷空气南压过程中冷暖风切变的移动路径。在过程前期,重庆地区由于受较强偏南暖湿气流控制在南风较强的时次本地 SRH值呈现较大正值 (4日 08时),但随着中低层南风急流的减弱,4日 20时和 5日 08时重庆地区及附近站点的 SRH值呈现负值分布,与此同时在北方冷空气南压过程中锋面附近的站点的SRH值有着明显的正负分布形势,即锋前为较大负值锋后则为较大的正值。当冷暖风切变逼近并逐步压过川渝地区时 (5日 20时到 6日 20时),该区域的 SRH值呈现了一个由负转正并显著增长再显著减小的过程。

综上所述,区域范围内 SRH值的正负分布变化比较清晰地反映造成此次强对流天气过程的天气系统移动路径,同时区域范围内 SRH的数值大小的变化特征在很大程度上也能够反映其后 6～12h内发生的对流天气或者降水的强弱,说明区域范围内SRH值的分布和大小变化有助于预报员对于强对流天气可能发生的区域和量级大小进行判断。

值得注意的是 SRH数值本身的大小对于这次过程中和对流天气发生区域以及降水强度的指示作用不明显,初步分析看来是由于其数值大小由水平涡度和水平风速决定,如果仅仅是因为其中一项数值较大引起的 SRH大值,并不能完全表征测站上空的气流辐合和抬升情况的异常,同时 SRH描述的只是大气的动力特征,并未考虑对对流天气和降水强度影响同样的重要的热力条件。因此,在今后将SRH值应用于预报时应注意关注其数值的异常增大或减小,并结合其他资料综合应用。

4 结论

①区域范围内 SRH值的正负分布变化可以比较清晰地反映此次强对流天气过程的系统移动路径。

②区域范围内 SRH的数值大小的变化特征在很大程度上也能够反映对应区域内 6～12h内发生的对流天气或者降水的强弱,有助于预报员对于强对流天气可能发生的区域和量级大小进行判断。

③SRH数值本身的大小在这次过程中对于对流天气发生区域以及降水强度的指示作用并不明显。因此,在 SRH值应用于预报时应注意关注其数值的异常增大或减小,并结合其他资料综合应用。

[1] LillyD K.The structure,energetics and propagation of rotating convective storm,Part 2：Helicity and storm stabilization[J].J Atomos.Sci.,1986,43(2)：126-140.

[2] 杨越奎,刘玉玲 .“9.17”梅雨锋暴雨的螺旋度分析 [J].气象学报,1994,52(3)：379-384.

[3] 江敦双,李瑜修 .青岛市初夏一次暴雨过程的螺旋度分析[J].海岸工程,2001,20(3)：69-73.

[4] 孙兰东,徐建芬 .西北地区东部三次暴雨天气的螺旋度分析[J].甘肃气象,2000,18(4)：20-23.

[5] 陆慧娟,高守亭 .螺旋度及螺旋度方程的讨论[J].气象学报 ,2003,61(6)：684-691.

[6] 刘惠敏,郑兰芝 .螺旋度诊断分析与短时强降水面雨量预报[J].气象,2002,28(10)：3740.

[7] 杜秉玉,官莉 .上海地区强对流天气短时预报系统[J].南京气象学院学报,2000,23(2)：242-250.

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1003-6598(2010)增刊-0069-03

2010-09-10

徐进明 (1980-),男,工程师,主要从事中短期预报服务工作。