收稿日期：2024-01-14

作者簡介：劉淇淇（1997—），女，甘肅慶陽人，助理工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)預(yù)警及災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研究。

摘 要：利用ERA5再分析資料，選取廊坊市2012—2021年共15次雷雨大風(fēng)共存?zhèn)€例，計(jì)算了其過程中風(fēng)暴相對螺旋度和垂直螺旋度的發(fā)展演變規(guī)律及與過程和影響系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明：（1）過程發(fā)生前SRH高和SRH低多為正值，至少提前1 h的SRH低為正值，在降水持續(xù)時刻SRH大多維持在正值。總的來看低層SRH的指示意義更好。（2）強(qiáng)對流發(fā)生在水平螺旋度分布的中心區(qū)域附近和強(qiáng)梯度帶附近，并與對流活動結(jié)束時間對應(yīng)較好，總體看水平螺旋度對強(qiáng)對流發(fā)生具有一定的指示意義。（3）垂直螺旋度的大值中心和強(qiáng)梯度帶與對流活動區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系，中高層500 hPa和200 hPa系統(tǒng)與垂直螺旋度并沒有很好的對應(yīng)關(guān)系，而中低層700 hPa切變線、低渦等影響系統(tǒng)與之對應(yīng)關(guān)系均較好。垂直螺旋度對低層系統(tǒng)的生成和發(fā)展具有較好的指示意義，與風(fēng)暴相對螺旋度有所區(qū)別，垂直螺旋度更傾向于反映系統(tǒng)維持、發(fā)展?fàn)顩r的研究。

關(guān)鍵詞：螺旋度；雷雨大風(fēng)；強(qiáng)對流天氣

中圖分類號：P458.121 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–0-03

短時強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣一直都是短時預(yù)報(bào)的難點(diǎn)，螺旋度是一種描述大氣動力性質(zhì)的一個重要物理量，表征了流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動的動力性質(zhì)。岳彩軍等[1]對螺旋度在災(zāi)害性天氣中的應(yīng)用做了歸納總結(jié)，并介紹了常用的幾種螺旋度；很多學(xué)者和專家研究表明：風(fēng)暴相對螺旋度（SRH）和垂直螺旋度對雷暴、大范圍暴雨等災(zāi)害性天氣的分析預(yù)報(bào)有較好作用[2-3]。其中，譚志強(qiáng)等[4]對寧夏一次強(qiáng)對流過程的螺旋度特征演變進(jìn)行分析，表明螺旋度對強(qiáng)對流發(fā)生有一定的預(yù)測能力。螺旋度在京津冀地區(qū)的強(qiáng)對流天氣中的應(yīng)用也有了初步進(jìn)展。石燕茹

等[5]通過分析石家莊27次強(qiáng)對流天氣過程的SRH特征，找出了預(yù)報(bào)指標(biāo)，并得到了驗(yàn)證。以上研究多是通過對風(fēng)暴相對螺旋度的分析，且缺乏針對廊坊市當(dāng)?shù)氐难芯?。有學(xué)者研究表明，垂直螺旋度也是表征螺旋度的重要指標(biāo)。因此，在上述研究的基礎(chǔ)上，對廊坊市2011—2021年強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)共存天氣過程的風(fēng)暴相對螺旋度和垂直螺旋度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找到其時空演變規(guī)律，找到螺旋度對此類天氣的預(yù)報(bào)具有指示意義。

1 資料來源與方法

選用ERA5再分析資料（0.25°×0.25°，1 h）中的

1 000～100 hPa等壓面風(fēng)矢量場和垂直速度等資料、地面國家氣象觀測站降水量、風(fēng)場資料等對廊坊市2012—2021年的強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)共存天氣過程的風(fēng)暴相對螺旋度和垂直螺旋度進(jìn)行計(jì)算分析，找出其時空演變規(guī)律，找出螺旋度對此類天氣的預(yù)報(bào)指示意義。

螺旋度的嚴(yán)格定義為風(fēng)速與渦度點(diǎn)積的體積分，表征了流體旋轉(zhuǎn)與沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動特性的物理量，用來衡量風(fēng)暴入流強(qiáng)弱和沿入流方向的水平渦度分量，其中V為三維風(fēng)速矢量如下：

（1）

1.1 風(fēng)暴相對螺旋度

風(fēng)暴相對螺旋度（SRH）由Woodall提出，他認(rèn)為只有相對于風(fēng)暴的螺旋度才對風(fēng)暴維持發(fā)展具有實(shí)際意義，其公式如下：

（2）

式（2）中，V為環(huán)境風(fēng)矢量，C為風(fēng)暴傳播速度，考慮風(fēng)暴入流空氣主要來自對流層低層幾公里范圍內(nèi)，Davies Jones等將氣層厚度為h的風(fēng)暴相對螺旋度定義為：

（3）

式（3）中，ωh為水平渦度矢量，h為氣層厚度，在實(shí)際工作中，常將式（3）轉(zhuǎn)換為：

（4）

式（4）中，C大小取為850～300 hPa的平均風(fēng)，方向定為平均風(fēng)的方向右偏40°；N為計(jì)算SRH時垂直方向上的層數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)等壓面（1 000、925、850、700、500、400、300、200 hPa等）風(fēng)場資料進(jìn)行計(jì)算。由于雷雨大風(fēng)這類強(qiáng)對流天氣主要是由低層輻合引起，因此采用石燕茹等的方法將SRH分為上、下兩層計(jì)算。上層取2.1 km以下，下層取2.1～6.1 km，兩層相對螺旋度分別用SRH低和SRH高來表示。

1.2 垂直螺旋度

垂直螺旋度是垂直渦度和垂直速度的積，大小反映了垂直方向上旋轉(zhuǎn)與沿旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動的強(qiáng)弱程度，結(jié)合了渦旋與上升運(yùn)動的配合情況，可以反映系統(tǒng)發(fā)展、維持的狀況。式（4）為垂直螺旋度在p坐標(biāo)系中的表達(dá)式，在實(shí)際應(yīng)用中，為了計(jì)算方便，采用式（5）計(jì)算垂直螺旋度[6]。

（4）

（5）

2 風(fēng)暴相對螺旋度在雷雨大風(fēng)天氣中的應(yīng)用

選取廊坊市2012—2021年共15次雷雨大風(fēng)共存?zhèn)€例，計(jì)算其風(fēng)暴相對螺旋度，可以發(fā)現(xiàn)在過程發(fā)生前SRH高和SRH低多為正值，至少提前1 h SRH低為正值。簡要分析天氣區(qū)與相對螺旋度的對應(yīng)關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)對流發(fā)生在水平螺旋度分布的中心區(qū)域附近和強(qiáng)梯度帶附近，并與對流活動結(jié)束時間對應(yīng)較好?？傮w來看，水平螺旋度對強(qiáng)對流發(fā)生具有一定的指示意義（圖略）。

以2012年7月21日、2013年7月4日、2016年7月19日、2017年7月14日、2019年6月18日這5次強(qiáng)降水與大風(fēng)共存天氣過程為例，具體分析其風(fēng)暴相對螺旋度的演變規(guī)律。

2.1 2012年7月21—22日的強(qiáng)對流

受高空槽和低空低渦和切變線共同影響，2012年7月21日出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)與強(qiáng)降水共存強(qiáng)對流天氣，強(qiáng)降水出現(xiàn)時刻為21日21：00—22日01：00。由圖1可以看出，在19：00之前，高、低層SRH均有正有負(fù)，從17：00開始低層SRH開始維持正值，到22：00均呈增大的趨勢，而高層SRH在20：00之后才維持正值，一直到23：00都為增大的趨勢，低層比高層SRH增加的時間早，兩者在強(qiáng)降水期間均維持正值，到02：00降水減弱后轉(zhuǎn)負(fù)，04：00降水結(jié)束。低層SRH的最高值出現(xiàn)在強(qiáng)降水發(fā)生時刻，高層SRH最高值出現(xiàn)在強(qiáng)降水發(fā)生后2 h。

2.2 2013年7月4日的強(qiáng)對流

受低空切變影響，2013年7月4日出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)與強(qiáng)降水共存強(qiáng)對流天氣，強(qiáng)降水出現(xiàn)時刻為4日19：00。

由圖2可以看出，低層SRH在18：00以后轉(zhuǎn)為正值并維持，直至23：00都呈增大的趨勢，18：00以前為正負(fù)擺動的狀態(tài)，而高層SRH從12：00開始低層SRH一直維持正值，且在18：00以前呈增大的趨勢，21：00此次降水結(jié)束，22：00以后高層SRH轉(zhuǎn)負(fù)。高層SRH的最高值出現(xiàn)在強(qiáng)降水發(fā)生前1 h，低層SRH最高值出現(xiàn)在強(qiáng)降水發(fā)生后的2 h。

2.3 2016年7月19日的強(qiáng)對流

受西南渦北上和切變影響，2016年7月19—20日出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)與強(qiáng)降水共存強(qiáng)對流天氣，強(qiáng)降水出現(xiàn)時刻為20日06：00～08：00，此次過程降水從19日22：00持續(xù)到20日15：00。由圖3可以看出，從20日00：00開始低層SRH一直維持正值，05：00突增，雖然06：00～07：00有所下降，但05：00～10：00總體維持較高的態(tài)勢，正值的低層SRH一直維持到16：00，之后轉(zhuǎn)為負(fù)值，15：00降水結(jié)束，對降水具有較好的指示意義；06：00高層SRH突增，09：00以后正負(fù)擺動，對于此次過程而言，在降水開始前高層SRH突增，降水結(jié)束后轉(zhuǎn)負(fù)，對強(qiáng)降水時段具有較好的指示意義。

2.4 2017年7月14日的強(qiáng)對流

受高空槽和低空切變共同影響，2017年7月15日廊坊市文安縣出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)與強(qiáng)降水共存強(qiáng)對流天氣，15日05：00出現(xiàn)強(qiáng)降水，降水持續(xù)時間較短，從15日04：00持續(xù)到10：00，從14日23：00開始低層SRH一直維持正值，在降水結(jié)束后仍維持正值，17：00轉(zhuǎn)負(fù)；15日00：00高層SRH轉(zhuǎn)正后一直維持，但總體值較小，降水結(jié)束以后，低層SRH開始轉(zhuǎn)負(fù)，隨后正負(fù)擺動，對于本次過程而言，高、低層SRH均對降水具有較好的指示意義（圖4）。

2.5 2019年6月18日的強(qiáng)對流

受高空西北氣流和低層切變的影響，2019年6月18日20：00廊坊市文安縣出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)與強(qiáng)降水共存強(qiáng)對流天氣，19日00：00以前，低層SRH一直維持正值，但數(shù)值較小，一直到19日00：00，低層SRH開始轉(zhuǎn)負(fù)，對于降水開始的時間指示意義不大，但在降水期間均維持正值。高層SRH一直在正負(fù)擺動，18日21：00

—19日00：00為正值，降水結(jié)束后依然維持正負(fù)擺動（圖5）。

3 垂直螺旋度在雷雨大風(fēng)天氣中的應(yīng)用

垂直螺旋度能反映天氣系統(tǒng)的生成與發(fā)展?fàn)顩r及天氣現(xiàn)象的劇烈程度，選取廊坊市2012—2021年共15次雷雨大風(fēng)共存?zhèn)€例，計(jì)算其過程中垂直螺旋度，簡要分析天氣與垂直螺旋度的對應(yīng)關(guān)系，垂直螺旋度的大值中心和強(qiáng)梯度帶與對流活動區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系。從主要影響系統(tǒng)來看，中高層500 hPa和200 hPa系統(tǒng)與垂直螺旋度并沒有很好的對應(yīng)關(guān)系，而中低層700 hPa 切變線、低渦等影響系統(tǒng)與之對應(yīng)均較好（圖略）。

總的來說，對流層中高層垂直螺旋度與強(qiáng)對流活動對應(yīng)較差，垂直螺旋度對低層系統(tǒng)的生成和發(fā)展具有較好的指示意義，與風(fēng)暴相對螺旋度有所區(qū)別，垂直螺旋度更傾向于反映系統(tǒng)維持、發(fā)展?fàn)顩r的研究。

4 結(jié)論

利用ERA5再分析資料、地面國家氣象觀測站降水量、風(fēng)場資料等，選取廊坊市2012—2021年共15次雷雨大風(fēng)共存?zhèn)€例，計(jì)算了其過程中風(fēng)暴相對螺旋度和垂直螺旋度的發(fā)展演變規(guī)律和過程與影響系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)論如下：

（1）不同過程高、低層SRH對于降水的指示意義不同，但過程發(fā)生前SRH高和SRH低多為正值，至少提前1 h的SRH低為正值。在降水持續(xù)時刻SRH大多維持正值。每次過程高、低層的SRH對過程的指示程度不同，總的來看，低層SRH的指示意義更好。

（2）強(qiáng)對流發(fā)生在水平螺旋度分布的中心區(qū)域附近和強(qiáng)梯度帶附近，并與對流活動結(jié)束時間的對應(yīng)關(guān)系較好，總體來看，水平螺旋度對強(qiáng)對流發(fā)生具有一定的指示意義。

（3）垂直螺旋度能反映天氣系統(tǒng)的生成與發(fā)展?fàn)顩r及天氣現(xiàn)象的劇烈程度，垂直螺旋度的大值中心和強(qiáng)梯度帶與對流活動區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系，從主要影響系統(tǒng)來看，中高層500 hPa和200 hPa系統(tǒng)與垂直螺旋度并沒有很好的對應(yīng)關(guān)系，而中低層700 hPa切變線、低渦等影響系統(tǒng)與之對應(yīng)均較好。垂直螺旋度對低層系統(tǒng)的生成和發(fā)展具有較好的指示意義，與風(fēng)暴相對螺旋度有所區(qū)別，垂直螺旋度更傾向于反映系統(tǒng)維持、發(fā)展?fàn)顩r的研究。

參考文獻(xiàn)

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