趙金霞，范蘇丹，徐靈芝

(1. 天津濱海新區(qū)氣象局 天津300457；2. 南京信息工程大學 江蘇南京210044)

垂直螺旋度在京津特大暴雨中的診斷分析

趙金霞1，范蘇丹2，徐靈芝1

(1. 天津濱海新區(qū)氣象局 天津300457；2. 南京信息工程大學 江蘇南京210044)

利用 NCEP的 1,°×1,°格點資料，計算北京和天津地區(qū)平均垂直螺旋度；配合常規(guī)觀測資料及多普勒雷達資料，對2012年7月21—22日京津特大暴雨進行診斷分析，結果表明：在高空槽與低空氣旋性渦旋配合的形勢下，平均垂直螺旋度對特大暴雨的發(fā)生發(fā)展有很好的診斷作用。

垂直螺旋度 特大暴雨 診斷分析

螺旋度是一個描述環(huán)境風場氣流沿運動方向旋轉程度和運動強弱的物理參數(shù)，它反映了大氣的運動場特征，能夠很好地描述大氣運動的性質和特點。[1]近年來螺旋度被廣泛用于天氣動力學研究，特別是強對流天氣預報，中小尺度暴雨、臺風暴雨、沙塵暴等的研究。[2-4]在暴雨形成的物理機制以及強度和落區(qū)方面也得到了一些有意義的結論。許美玲等[5]用螺旋度對云南初夏罕見暴雨進行了分析，指出低層700,hPa的P坐標系的垂直螺旋度的演變對未來12,h暴雨的發(fā)生有指示意義，這些研究表明螺旋度對暴雨和強對流天氣的預報具有一定的指示意義。

1 特大暴雨產(chǎn)生的天氣形勢和實況

2012年7月21日的影響系統(tǒng)是蒙古冷渦、東亞副高和南海東部氣旋。21日08時貝加爾湖冷空氣隨高空槽東移南壓到河套地區(qū)，副高東退受南海熱帶氣旋阻擋，導致河套地區(qū)的高空槽東移緩慢。西南和東南急流將孟加拉灣及我國東南沿海地區(qū)的暖濕空氣源源不斷地向北輸送。700,hPa以下在河套東部、南部有低渦生成并緩慢向東北移動。低渦形成的人字形切變在京津地區(qū)將暖濕氣流不斷匯聚。到21日20時，如圖 1(b)所示，700,hPa的高度上西南急流達20,m/s，在京津地區(qū)形成風向、風速輻合。低層風場在北京南部地區(qū)形成氣旋式環(huán)流達到最強，并有大濕區(qū)與人字形切變相配合；氣旋性環(huán)流和切變線長時間維持，使京津地區(qū)有源源不斷的暖濕水汽匯集。高低空的水汽輸送匯集與抬升是本次暴雨產(chǎn)生的重要條件。

21日午后至22日凌晨，北京中南部地區(qū)出現(xiàn)了特大暴雨；全市最大降雨量在房山區(qū)河北鎮(zhèn)，為460,mm，接近 500年一遇；全市出現(xiàn)大范圍積水，遇難人數(shù)達 79人。21日傍晚降水云系逐漸影響到天津，到22日05時天津西北部出現(xiàn)特大暴雨，全市最大雨量出現(xiàn)在寶坻大白莊為 297.5,mm，沿海地區(qū)出現(xiàn)海水倒灌現(xiàn)象。大暴雨區(qū)呈東北西南走向，與氣旋式環(huán)流沿切變線傳播方向一致，如圖1(a)所示。

圖1 2014年7月21日天氣形勢Fig.1 Weather situation on July 21，2014

2 垂直螺旋度的時空演變

2.1 螺旋度表達式

在 P坐標垂直方向上的 k-螺旋度 Hp＝-ξω。只計算有上升運動時的 Hp。由于垂直螺旋度是渦度和垂直速度的乘積，其大小反映氣塊旋轉強度和上升強度兩個動力因素；因此對高空槽系統(tǒng)影響下的雨量大小、降水強度有很好的指示意義。

2.2 平均垂直螺旋度的時空分布

利用 NCEP 的 1,°×1,°格點資料計算 39～41,°N、115～118,°E 北京區(qū)域的平均垂直螺旋度時間序列垂直剖面(見圖 2a)。由圖2a可見，21日北京特大暴雨過程中，08時到14時正平均垂直螺旋度逐漸增大到50×10-8,hPa·s-2。到20時正平均垂直螺旋度增大 90×10-8,hPa·s-2，其伸展高度達到最高350,hPa，此時北京降水強度和降水范圍達到最大。之后3,h正平均垂直螺旋度逐漸減小，降水強度逐漸減弱。圖(2b)是計算 38～40,°N、116～119,°E 天津區(qū)域的平均垂直螺旋度時間序列垂直剖面圖。由圖 2b可見：從21日14時到20時正平均垂直螺旋度迅速增大到 40×10-8,hPa·s-2，天津西北部降水迅速加強。22日 02時正平均垂直螺旋度緩慢增大到最大值45×10-6,hPa·s-2，其伸展高度達到最高 320,hPa，中心最大值明顯下傳；受正平均垂直螺旋度中心的影響天津降水強度和降水范圍達到最大。之后正平均垂直螺旋度大值區(qū)逐漸減小，天津降水也隨之結束。由此可以看出正垂直螺旋度的大小與降水量呈正相關。

圖2 2012年7月21-22日垂直螺旋度時間序列剖面圖Fig.2 Cross-sectional view on time series of vertical helicity，July 21-22 ，2012

2.3 垂直螺旋度的水平分布與風場特征

21日北京暴雨過程從等壓面上看，700,hPa高度上垂直螺旋度分布與天氣系統(tǒng)有較好的對應關系。從700,hPa垂直螺旋度和流場合成圖(見圖3a)可見，暴雨過程中垂直螺旋度正值區(qū)長軸始終與切變輻合線走向一致。21日20時在700,hPa垂直螺旋度的大值中心 240×10-8,hPa·s-2與氣旋性環(huán)流中心重合；垂直螺旋度大值中心覆蓋的區(qū)域普降大暴雨，最強降雨出現(xiàn)在垂直螺旋度的大值中心西南方，即北京南部西北氣流與西南氣流的交匯處。21日 20～21時，1小時降水量達100.3,mm，為歷史罕見。從22日02時圖(見圖 3b)可見，700,hPa風場中的氣旋性環(huán)流消失，演變?yōu)槲鞅憋L與西南風的切變線；垂直螺旋度的大值中心逐漸減小到 110×10-8,hPa·s-2，大值區(qū)沿切變線向東北擴展，移速加快；螺旋度正值中心在天津覆蓋的區(qū)域普降暴雨，最大強降水出現(xiàn)在垂直螺旋度的大值中心的西南方，22日 02～03時，1小時降水量達90.8,mm。

圖3 2014年7月21—22日垂直螺旋度和風場Fig.3 Vertical helicity and wind field，July 21-22，2014

由分析可以看出，垂直螺旋度水平分布的正值中心越大，風場輻合越強，降水強度越大；暴雨區(qū)與垂直螺旋度的大值中心相對應，特大暴雨出現(xiàn)在垂直螺旋度的正值中心南部、西北氣流與西南氣流交匯處。

3 雷達回波的演變與垂直螺旋度關系

從多普勒雷達 1.5,°反射率因子圖看，降水回波由北京的西南向東北方移動，在片狀回波中有大于50,dbz強回波發(fā)展，圖4中14∶00時在北京南部強垂直螺旋度迅速增大的地區(qū)，有鉤狀回波迅速發(fā)展，并有大于 55,dbz超級單體生成，對應此回波的站點出現(xiàn)1小時80,mm的強降水，到20時整個北京地區(qū)自西向東有大于 50,dbz強回波呈東北西南向的帶狀分布，穩(wěn)定少動；超級單體沿強回波帶自西南向東北移動，產(chǎn)生的強降水出現(xiàn)了列車效應，此時最強降雨出現(xiàn)在平谷掛甲峪，21日 20～21時達 100.3,mm/h，為歷史罕見。之后強回波隨垂直螺旋度大值區(qū)緩慢東移并減弱，21日 23時強回波呈片狀分布，西南方仍有大于 50,dbz強回波發(fā)展；到 22日 02時雖然垂直螺旋度大值中心減小，但冷空氣強度加大，回波移速加快、強回波帶發(fā)展為弓形回波，最大回波強度達55,dbz。受其影響22日02～03時天津最強降水出現(xiàn)在武清，為 90.8,mm/h，成為該站 1小時降水強度歷史極值。03∶48時強回波帶到達塘沽雷達站，雖然回波移速加快，但在強回波帶中不斷有大于 50,dbz回波自西南向東北輸送，因此塘沽站出現(xiàn) 1小時40,mm強降水。05時以后強回波帶移到海上，天津地區(qū)降水逐漸結束。

圖4 2012年7月21—22日基本雷達反射率因子圖(1.5,°仰角)Fig.4 Basic radar reflectivity factor graph(1.5,° elevation)，July 21-22，2012

由分析可以看出強回波產(chǎn)生位置與垂直螺旋度迅速增大地區(qū)相對應，強回波的走向與傳播沿垂直螺旋度長軸方向；特大暴雨的產(chǎn)生是由鉤狀回波、弓狀回波以列車效應的方式自西南向東北方向傳播造成的。

4 結 論

①平均垂直螺旋度呈上負、下正配置，暴雨出現(xiàn)前中低層正平均垂直螺旋度大值區(qū)與水汽通量及水汽通量散度大值區(qū)相對應。當中低層正垂直螺旋度迅速增大時，會有鉤狀回波迅速發(fā)展，對應降水強度迅速增強。

②700,hPa等壓面上平均垂直螺旋度分布和天氣系統(tǒng)有較好的對應關系。當中低層平均螺旋度大值區(qū)呈東北至西南向穩(wěn)定移動時，超級單體呈帶狀分布，其移動與傳播一致，回波出現(xiàn)列車效應；此時強降水范圍達到最大。正平均垂直螺旋度大小與降水量級呈正相關。

③垂直螺旋度水平分布的正值中心越大，風場輻合越強，降水強度就越大；特大暴雨出現(xiàn)在垂直螺旋度的正值中心南部，即西北氣流與西南氣流交匯處。因此平均垂直螺旋度對京、津特大暴雨的發(fā)生發(fā)展有很好的診斷作用。

［1］ 呂克利，徐銀梓，談哲敏. 動力氣象學[M]. 南京：南京大學出版社，1997：94-97.

［2］ 申紅喜，李秀連，石步鳩. 北京地區(qū)兩次沙塵(暴)天氣過程對比分析[J]. 氣象，2004，30(2)：12-16.

［3］ 譚志華，楊曉霞. “99. 8”山東特大暴雨的螺旋度分析[J]. 氣象，2000，26(9)：7-11.

［4］ 蘇小山. 茂名市一次特大暴雨的診斷分析[J]. 廣東氣象，2004(2)：22-24.

［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]. 熱帶氣象學報，2003，19(2)：184-190.

Diagnostic Analysis on Vertical Helicity in a Torrential Rainstorm That Took Place in the Beijing-Tianjin Region

ZHAO Jinxia1，F(xiàn)AN Sudan2，XU Lingzhi1
(1. Meteorological Bureau of Tianjin Binhai New Area，Tianjin 300457，China；2. Nanjing Information Engineering University，Nanjing 210044，China)

The NCEP 1°×1° grid data was used in the calculation of the average vertical helicity in the Beijing-Tianjin region；based on diagnostic analysis on both conventional observation data and Doppler radar data，a diagnostic analysis on an extraordinary rainstorm took place in the Beijing-Tianjin region from July 21-22，2012 was performed.The results showed that，with the coordination of upper-level trough and lower-level cyclonic vortex，the average vertical helicity plays an important role in the diagnosis of the development and progressing of an extraordinary rainstorm.

vertical helicity；extraordinary storm；diagnostic analysis

P404

A

1006-8945(2014)06-0061-04

2014-05-09