徐進明,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日強風(fēng)雹和暴雨天氣過程的螺旋度分析

徐進明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)

該文通過探空資料計算重慶 2010年 5月 6日強風(fēng)雹和暴雨天氣過程前后的相對風(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流天氣過程的天氣系統(tǒng)移動路徑和對流天氣發(fā)生的強度,在實際應(yīng)用中可以幫助預(yù)報員對于強對流天氣可能發(fā)生的區(qū)域和量級大小進行判斷。

風(fēng)雹;暴雨;螺旋度

1 引言

80年代后期,Lilly[1]提出了一個反映風(fēng)場旋轉(zhuǎn)性的新的物理概念——螺旋度 (helicity)。螺旋度不僅能表達風(fēng)場旋轉(zhuǎn)性的強弱,而且還能反映出對旋轉(zhuǎn)的輸送。Lilly將它引入到了強對流風(fēng)暴研究中,他的研究指出：強對流風(fēng)暴具有高螺旋度特征,它的螺旋度從環(huán)境場中獲得并在浮力效應(yīng)下增強。同時,高螺旋度阻礙了擾動能量耗散,對超級單體風(fēng)暴的維持有重要作用;穩(wěn)定的強對流風(fēng)暴常發(fā)生在螺旋度值大的地方。中國氣象學(xué)者也較早對螺旋度的性質(zhì)、應(yīng)用做了研究,基于螺旋度的理論研究及后來的常規(guī)觀測資料分析和各種數(shù)值模式模擬結(jié)果,螺旋度逐漸成為引入天氣分析預(yù)報中的一個重要物理量。楊越奎等[2]用逐日的實時觀測資料計算螺旋度和 z-h螺旋度對梅雨鋒期間的暴雨進行了螺旋度分析,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應(yīng)關(guān)系,這可能有助于暴雨的預(yù)報;江敦雙、李瑜修等[3]和孫蘭東、徐建芬[4]利用 T106數(shù)值預(yù)報模式計算垂直螺旋度,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,對暴雨的落區(qū)和強度有較好的指示性。

2010年 5月 5日夜間開始,重慶出現(xiàn)了強風(fēng)雹和暴雨天氣過程,本文通過探空資料計算得到的相對風(fēng)暴水平螺旋度對此次過程了分析。

2 實況

2010年 5月 5日夜間開始,重慶出現(xiàn)了強風(fēng)雹和暴雨天氣過程。墊江沙坪鎮(zhèn)和梁平回龍鎮(zhèn)分別于 6日 1時和 2時左右出現(xiàn)強風(fēng)雹和強降雨天氣,瞬時最大風(fēng)速達到 11級,梁平回龍鎮(zhèn)還出現(xiàn)了冰雹。5日 20時—6日 20時,重慶中部和東南部出現(xiàn)區(qū)域性暴雨,共有 112個鄉(xiāng)鎮(zhèn)暴雨,22個鄉(xiāng)鎮(zhèn)大暴雨,最大降水量出現(xiàn)在彭水 158.8mm。此次強風(fēng)雹暴雨過程造成墊江縣、梁平縣、涪陵區(qū)、彭水縣和長壽區(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。全市因災(zāi)直接經(jīng)濟損失 6億余元,經(jīng)濟損失巨大。

2 環(huán)流背景

受中高緯大環(huán)流形勢影響,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 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 (圖略 )可以看出,歐亞環(huán)流經(jīng)向性很強,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江流域為大范圍的西北氣流。700hPa西北到華北為較強的偏北風(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,高空西北氣流帶來的冷空氣在地面逐漸加強南下,5日 20時冷鋒到四川盆地北部地區(qū)。總的來看,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)下形成了強雷雨大風(fēng)和冰雹過程。

3 螺旋度分析

3.1 螺旋度原理

3.1.1 螺旋度概念 螺旋度是表征對流系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)性和上升運動的重要物理量,從定義上看,螺旋度是表示流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運動特性的物理量,在等熵流體中具有守恒性。其嚴格的表達式為：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)稱為x螺旋度、y螺旋度、z螺旋度。x,y方向螺旋度合稱為水平螺旋度,z方向稱為垂直螺旋度。它們對螺旋度有共同的作用,但各項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)報中一向是重點關(guān)注對象。另一方面,垂直速度是實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動、大氣輻散輻合,天氣現(xiàn)象不會發(fā)生;而單有垂直上升運動、大氣輻散輻合,運動難以維持,系統(tǒng)持續(xù)時間不長、影響小。因此,盡管垂直螺旋度的量級一般比水平螺旋度小,但它充分反映了兩個與天氣現(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。不少實際診斷表明垂直螺旋度的分布對降水落區(qū)有一定預(yù)測作用[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,都會對應(yīng)大氣的異常狀態(tài),與預(yù)報強對流風(fēng)暴的一些參數(shù)聯(lián)系,具有預(yù)示性。從量級上看 (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,其預(yù)示性和重要性充分體現(xiàn)在業(yè)務(wù)預(yù)報中。通常人們計算的螺旋度實質(zhì)上是水平螺旋度,確切地說是忽略垂直運動水平分布不均勻的相對風(fēng)暴水平螺旋度(Stor m Relative Helicity)。由于水平風(fēng)場資料較易獲取及其數(shù)值的可定量化 (國外一般將螺旋度h=150 m2/s2作為強對流風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展的臨界值),在我國 SRH已被一些氣象部門作為一項預(yù)報因子引入到短期 (短時)預(yù)報系統(tǒng)中[7-8],提高了天氣預(yù)報的準確率。從預(yù)報時效角度出發(fā),本文只計算相對風(fēng)暴水平螺旋度,下文簡稱螺旋度 (SRH)。

3.1.2 水平相對螺旋度計算方法 考慮到風(fēng)暴入流空氣主要來自于對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)暴移動速度。因為流入風(fēng)暴的氣流來自低層,一般取 t=3～4Km,本文取 3Km。我們利用tlogp探空資料計算實況 SRH時,各站高空層次略有不同,一般來看,n=12;由于風(fēng)暴的移動主要受中低層平流運動和自身傳播效應(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%來確定風(fēng)暴的移動速度。

3.2 相對風(fēng)暴水平螺旋度分析

我們利用 T-logp探空資料計算過程前后(2010年 5月 4日 08時到 6日 20時)共計 6個時次的水平相對螺旋度 (圖略),并與 5月 4日到 6日全國自動站降水觀測資料進行對比：4日 08時青藏高原到盆地內(nèi)為 SRH值負值區(qū),而甘肅陜西南部到重慶一帶 SRH值為大片正值區(qū)域,與之相對應(yīng) 4日 08時到 20時的 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值負值區(qū)域,離此次強對流天氣過程發(fā)生區(qū)域較近的達州站 SRH值為-61.2,重慶本站為-47.2,同時地面冷空氣前鋒移動到甘肅中部,冷鋒后部為較大SRH值正值區(qū)域,SRH值在甘肅境內(nèi)的正負數(shù)值的區(qū)域分布和變化顯著地表明了鋒線的位置以及移動的路徑;5日 08時隨著新疆地區(qū)地面冷空氣南下,甘肅寧夏陜西一帶的 SRH值由負轉(zhuǎn)正,盆地到重慶一帶依然為 SRH值的負值區(qū)。從 SRH值的物理意義來看,其負值區(qū)存在說明該區(qū)域上空無明顯氣流的旋轉(zhuǎn)輻合以下沉氣流為主,因此此次過程前期川渝地區(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。到了過程發(fā)生前的 5日 20時川渝地區(qū) SRH值顯著增大 (SRH＞30),其后 6日 08時渝黔地區(qū) SRH值繼續(xù)增大,達州站 SRH值達到108.1,湖北的黔西站為 86.5,重慶本站則上升到43.8,相對于前日 08時 3站 SRH值平均增幅均 ＞50,達州、黔西和重慶增幅分別為 119、115以及 55。與之對應(yīng),6日 00時開始到 6日白天上述 SRH值顯著增大的區(qū)域均出現(xiàn)了較強對流和降水天氣過程,距離相對達州較近的墊江、彭水、涪陵等區(qū)縣的 18個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了大暴雨;而盆地內(nèi)成都站 08時以后的SRH值減小到-0.8,因此盆地內(nèi)較強降水時段集中在 5日夜間到 6日凌晨,而其 6日白天的雨區(qū)面積和降水強度明顯弱于高 SRH值的渝黔地區(qū)。6日 20時這次強對流天氣基本結(jié)束,上述地區(qū) SRH值依然維持 ＞40的正值,但相對 08時的 SRH值,安康、鄂西和達州 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明,我們知道當區(qū)域上空氣團性質(zhì)單一的時候 SRH值應(yīng)該相對較小,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值就會顯著增大。通過前面對 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程前后來自新疆地區(qū)的冷空氣南壓過程中冷暖風(fēng)切變的移動路徑。在過程前期,重慶地區(qū)由于受較強偏南暖濕氣流控制在南風(fēng)較強的時次本地 SRH值呈現(xiàn)較大正值 (4日 08時),但隨著中低層南風(fēng)急流的減弱,4日 20時和 5日 08時重慶地區(qū)及附近站點的 SRH值呈現(xiàn)負值分布,與此同時在北方冷空氣南壓過程中鋒面附近的站點的SRH值有著明顯的正負分布形勢,即鋒前為較大負值鋒后則為較大的正值。當冷暖風(fēng)切變逼近并逐步壓過川渝地區(qū)時 (5日 20時到 6日 20時),該區(qū)域的 SRH值呈現(xiàn)了一個由負轉(zhuǎn)正并顯著增長再顯著減小的過程。

綜上所述,區(qū)域范圍內(nèi) SRH值的正負分布變化比較清晰地反映造成此次強對流天氣過程的天氣系統(tǒng)移動路徑,同時區(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)生的對流天氣或者降水的強弱,說明區(qū)域范圍內(nèi)SRH值的分布和大小變化有助于預(yù)報員對于強對流天氣可能發(fā)生的區(qū)域和量級大小進行判斷。

值得注意的是 SRH數(shù)值本身的大小對于這次過程中和對流天氣發(fā)生區(qū)域以及降水強度的指示作用不明顯,初步分析看來是由于其數(shù)值大小由水平渦度和水平風(fēng)速決定,如果僅僅是因為其中一項數(shù)值較大引起的 SRH大值,并不能完全表征測站上空的氣流輻合和抬升情況的異常,同時 SRH描述的只是大氣的動力特征,并未考慮對對流天氣和降水強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)報時應(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值的正負分布變化可以比較清晰地反映此次強對流天氣過程的系統(tǒng)移動路徑。

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應(yīng)區(qū)域內(nèi) 6～12h內(nèi)發(fā)生的對流天氣或者降水的強弱,有助于預(yù)報員對于強對流天氣可能發(fā)生的區(qū)域和量級大小進行判斷。

③SRH數(shù)值本身的大小在這次過程中對于對流天氣發(fā)生區(qū)域以及降水強度的指示作用并不明顯。因此,在 SRH值應(yīng)用于預(yù)報時應(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

徐進明 (1980-),男,工程師,主要從事中短期預(yù)報服務(wù)工作。