周顯偉,祝玉梅,時剛

（齊齊哈爾市氣象局，黑龍江齊齊哈爾 161006）

齊齊哈爾一次暴雨的螺旋度診斷分析

周顯偉,祝玉梅,時剛

（齊齊哈爾市氣象局，黑龍江齊齊哈爾 161006）

本文利用NCEP再分析資料和實測資料對2009年8月19-20日齊齊哈爾暴雨過程進行垂直螺旋度診斷分析，分別對垂直螺旋度水平分布和垂直分布特征進行分析，求出垂直螺旋度在預(yù)報暴雨中的貢獻。結(jié)果表明：根據(jù)垂直螺旋度的水平分布特征,可以預(yù)報暴雨移動方向和影響區(qū)域；螺旋度的垂直分布可以表明氣旋發(fā)展和降水強度不同階段。

診斷分析;暴雨;垂直螺旋度

1 引言

長期以來，氣象工作者們從各個角度對暴雨進行了大量的研究工作,并取得了許多豐碩的成果。其中許多研究[1-5]表明,螺旋度對大范圍暴雨的分析與預(yù)報有一定的實用價值。氣象學(xué)中的螺旋度是一個用于衡量環(huán)境風(fēng)場具有多大沿氣流方向的水平渦度及其貢獻的參數(shù),它的大小反映了旋轉(zhuǎn)與沿旋轉(zhuǎn)軸方向運動的強弱程度[6]。眾所周知,一方面垂直渦度大的系統(tǒng)與劇烈天氣現(xiàn)象（如中尺度氣旋）聯(lián)系密切;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。因此,垂直螺旋度（是指螺旋度在垂直方向的分量或投影即垂直渦度和垂直速度的積）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[7]。本文利用NCEP再分析資料和實測資料對2009年8月19～20日齊齊哈爾暴雨過程進行垂直螺旋度診斷分析，得到垂直螺旋度在預(yù)報暴雨中的貢獻。

2 天氣概況和環(huán)流形勢分析

2.1 降水實況

2009年8月19日08:00（北京時,以下同）至20日08:00內(nèi)蒙古東北部和黑龍江西南部出現(xiàn)大范圍的暴雨天氣過程（見圖1），其中齊齊哈爾大部分地區(qū)出現(xiàn)了暴雨～大暴雨,7個縣站和70個鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量達50 mm以上，達100 mm以上的有13個鄉(xiāng)鎮(zhèn),其中泰來縣平陽鄉(xiāng)最大雨量達128.8 mm。

2.2 天氣背景

2009年8月19日20：00 500 hPa高度場上歐亞中高緯地區(qū)為兩槽一脊型,從巴爾客什湖至貝加爾湖為一寬廣的冷渦控制,冷空氣沿我國西北地區(qū)和蒙古國弱脊下滑，副熱帶高壓北抬，588dgpm線至38°N附近，使日本海至黑龍江東部為高脊，阻擋冷空氣東移，至使冷空氣在貝加爾湖以東堆積，使內(nèi)蒙古東北部和黑龍江西部的槽加深。與高空槽相配合的是黃河氣旋東移北上而形成的東北氣旋，中心995 hPa正位于齊齊哈爾南部。從850 hPa風(fēng)場上看,黑龍江西部至吉林西部有一α尺度切變線，兩股暖濕空氣分別經(jīng)渤海和日本海北上，在黑龍江西南部和冷空氣交匯爬升凝結(jié)，為降水提供了良好的動力和水汽條件（見圖2）。

圖1 24h實況降水量分布（單位:mm） 8月19日08：00～20日08：00

圖2 8月19日20：00實況圖（實線為500 hPa等高線，風(fēng)向風(fēng)速為850 hPa風(fēng)場，點線為地面等壓線）

3 垂直螺旋度（又稱k或z-螺旋度）

螺旋度其嚴(yán)格的定義式為風(fēng)速和渦度點積的體積分[8]:

根據(jù)Woodall[9]的觀點,p坐標(biāo)的局地垂直螺旋度可定義為

4 螺旋度診斷分析

4.1 暴雨區(qū)及附近螺旋度的水平分布

8月19日14:00 500 hPa（圖略）上正螺旋中心位于蒙古國和內(nèi)蒙古東北部邊界上（118°E,48°N）,中心強度為1.800×10-4m·s-2，但是由于水汽條件不充分，內(nèi)蒙古東北部西側(cè)開始產(chǎn)生弱降水。6 h后，500 hPa（見圖3）上正螺旋分裂成兩個強度為8.000×10-5m·s-2、3.000×10-5m·s-2的中心，分別位于兩個暴雨中心（120°E,49°N和120°E, 48°N）上空,500 hPa冷渦中心和西風(fēng)槽前與從渤海和日本海兩股暖濕空氣交匯，降水強度開始變強。在正螺旋的西南有一個負(fù)螺旋中心相配合，中心強度為-3.000× 10-5m·s-2。到20日02：00，500 hPa（見圖4）上正螺旋度變成一個強中心位于齊齊哈爾市上空，中心強度增加到1.800×10-4m·s-2，在正螺旋的西南也有一個負(fù)螺旋中心相對應(yīng)，中心強度增加為-5.000×10-5m·s-2，而500 hPa冷渦也發(fā)展加強移到齊齊哈爾上空，降水強度達到最大。此后螺旋度開始逐漸減弱，降水強度也開始減弱，到20日14：00降水主體結(jié)束。從圖3可以看出,500 hPa正螺旋度呈橢圓型分布,長軸為東北-西南向,500 hPa冷渦向螺旋度長軸方向的右側(cè)移動。從圖4上看,500 hPa正螺旋度中心加強，說明貝加爾湖西部冷空氣下滑補充使高空冷渦再度加強。500 hPa正螺旋度也呈橢圓型分布,長軸為西北-東南向,在500 hPa冷渦也向螺旋度長軸方向的右側(cè)移動。由此可以得出，500 hPa正螺旋度的分布與500 hPa冷渦和西風(fēng)槽配合的很好，強正螺旋中心和暴雨落區(qū)相對應(yīng)，在強正螺旋度長軸方向的左側(cè)存在負(fù)螺旋度與之相配合，隨正螺旋度的增強而增強；500 hPa低渦向著正螺旋度長軸方向的右側(cè)移動。

8月19日14 ：00 850 hPa（圖略）上正螺旋中心位于內(nèi)蒙古東北部（120°E,48°N）和地面氣旋中心相吻合，中心強度為9.000×10-5m·s-2；經(jīng)過6 h發(fā)展移動，到20：00 850 hPa螺旋度分布圖（見圖5）上正螺旋度中心（強度為1.000×10-4m·s-2）位于500 hPa正螺旋度中心的南側(cè)，相差1～2個緯度和地面氣旋中心相吻合；在20日02：00 （見圖6），850 hPa和500 hPa上正負(fù)螺旋度中心重疊于齊齊哈爾市的上空，此時高空冷渦和地面氣旋也重疊與此，使齊齊哈爾市區(qū)產(chǎn)生短時強降水。這表明850 hPa螺旋度和地面氣旋配合的較好。

圖3 2009年8月19日20：00 500 hPa螺旋度分布（單位:10-5m·s-2）等值線間隔1.0×10-5m·s-2箭頭為低渦移動方向

圖4 2009年8月20日02：00 500 hPa螺旋度分布（單位:10-5m·s-2）等值線間隔1.0×10-5m·s-2箭頭為低渦移動方向

圖5 2009年8月19日20：00 850 hPa螺旋度分布（單位:10-5m·s-2）等值線間隔1.0×10-5m·s-2

圖6 2009年8月20日02：00 850 hPa螺旋度分布（單位:10-5m·s-2）等值線間隔1.0×10-5m·s-2

4.2 暴雨區(qū)上空螺旋度的垂直分布

由于降水過程總體是東西走向，所以穿越暴雨中心（齊齊哈爾市區(qū)附近）做南-北向（123°E）垂直螺旋度的垂直剖面圖。8月19日20：00,從圖7可見，氣旋上空600 hPa以下為較強的正螺旋度,800 hPa正強度中心為6.500×10-5m·s-2,以上存在一個負(fù)螺旋中心,650 hPa負(fù)強度中心為-3.000×10-5m·s-2,高低空的正負(fù)螺旋度中心相對應(yīng)。高層負(fù)渦度輻散與中低層正渦度輻合相疊置,有利于地面氣旋發(fā)展。經(jīng)過6 h的發(fā)展加強，20日02：00（見圖8）從低層到高層均為正螺旋度，700 hPa正強度中心達到2.200×10-4m·s-2,在正螺旋南北兩側(cè)分別存在負(fù)螺旋，尤其南側(cè)從低層到高層均為負(fù)渦度，700 hPa和500 hPa兩個負(fù)中心強度都為-5.000×10-5m·s-2。如螺旋度123°E垂直剖面示意圖所示（見圖9）,在500 hPa上,暴雨區(qū)從低層到高層均為正渦度，說明后部冷空氣的補充使得500 hPa冷渦達到最強；另外，垂直螺旋度上負(fù)下正的結(jié)構(gòu)使得地面氣旋發(fā)展到最旺盛時期，高空冷渦和地面氣旋重疊，產(chǎn)生短時最強降水。此后由于垂直螺旋度上負(fù)下正垂直結(jié)構(gòu)受阻，螺旋度強度開始逐漸減弱，過程和降水也開始減弱。

5 小結(jié)

（1）根據(jù)螺旋度的水平分布特征,可以預(yù)報暴雨移動方向和影響區(qū)域。500 hPa螺旋度的分布和500 hPa冷渦和西風(fēng)槽配合的很好，在強正螺旋度長軸方向的左側(cè)存在負(fù)螺旋度與之相配合，隨正螺旋度的增強而增強，暴雨落區(qū)和強正螺旋中心相對應(yīng)；500 hPa冷渦是向著正螺旋度長軸方向的右側(cè)移動，也是暴雨落區(qū)移動方向。

圖7 2009年8月19日20：00螺旋度123°E垂直剖面圖（單位:10-5m·s-2）等值線間隔0.5×10-5m·s-2

圖8 2009年8月20日02：00螺旋度123°E垂直剖面圖（單位:10-5m·s-2）等值線間隔1.0×10-5m·s-2

圖9 螺旋度123°E垂直剖面示意圖

（2）螺旋度的垂直分布可以表明氣旋發(fā)展和降水強度的不同階段。當(dāng)?shù)蛯邮钦菪?高層負(fù)螺旋度,高低空的負(fù)正螺旋度中心相對應(yīng)時，高層負(fù)渦度輻散與中低層正渦度輻合相疊置,有利于地面氣旋發(fā)展，降水強度也逐漸增大；從低層到高層均為正渦度，說明地面氣旋發(fā)展到最旺盛，高空冷渦和地面氣旋重疊，上升輻合氣流達到對流層頂，降水強度達到最大。此后由于垂直螺旋度上負(fù)下正垂直結(jié)構(gòu)受阻，螺旋度強度開始逐漸減弱，過程和降水也開始減弱。

（3）螺旋度是表征流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運動的動力性質(zhì)的物理量,它反應(yīng)了暴雨區(qū)附近的動力場特征，可把螺旋度、熱力不穩(wěn)定和水汽條件相結(jié)合更好用于暴雨分析和預(yù)報中。

[1]楊越奎,劉玉玲,萬振拴，等.“91.7”梅雨鋒暴雨的螺旋度分析[J].氣象學(xué)報,1994,52（3）:379-384.

[2]鄭蓉.1998年夏季長江山峽區(qū)間致洪暴雨分析[J].湖北氣象,2002,（4）:6-9.

[3]江敦雙,李瑜修,凌藝，等.青島市初夏一次暴雨過程的螺旋度分析[J].海岸工程,2001,20（3）:69-72.

[4]孫蘭東,徐建芬.西北地區(qū)東部三次暴雨天氣的螺旋度分析[J].甘肅氣象,2000,18（4）:20-23.

[5]許美玲,段旭,孫績?nèi)A.云南初夏罕見暴雨的螺旋度分析[J].熱帶氣象學(xué)報,2003,19（2）:184-190.

[6]岳彩軍，壽亦萱,壽紹文，等.我國螺旋度的研究及應(yīng)用[J].高原氣象，2006，25（4）:754-762.

[7]陸慧娟,高守亭.螺旋度及螺旋度方程的討論[J].氣象學(xué)報,2003,61（6）:684-691.

[8]伍榮生,談?wù)苊?廣義渦度與位勢渦度守恒定律及其應(yīng)用[J].氣象學(xué)報,1989,47（4）:436-442.

[9]Woodll G R.Qualitative forecasting of tornatic activiry using storm一relative environmental helicity[J].Preprint, 16thconferenceonseverelocalstorm,Oct,22一26,1990.311一315.

A Rainstorm Helicity Diagnosis of Qiqihar

ZHOU Xian-wei Zhu Yu-mei SHI Gang
（1.Qiqihar Municipal Meteorological Bureau,Hei Longjiang Qiqihar 161006）

By using NCEP reanalysis data and the real time data in August 2009 during heavy rain 19-20 Qiqihar vertical helicity diagnosis,respectively,the level of vertical helicity distribution and vertical distribution characteristics of analysis,find the vertical helicity in the the contribution of heavy rain in the forecast.The results showed that:According to the level of the vertical distribution of helicity can forecast the direction of movement and impact of the storm area;the vertical distribution of helicity cyclone may indicate different stages of development.

diagnostic analysis;storm;vertical helicity

P458.1+21.1

A

1002－252X（2010）02－0001－04

2010－3－6

周顯偉（1982-），男，黑龍江省訥河市人，成都信息工程學(xué)院，本科生，助理工程師.