垂直螺旋度在京津特大暴雨中的診斷分析

趙金霞，范蘇丹，徐靈芝

(1. 天津?yàn)I海新區(qū)氣象局 天津300457；2. 南京信息工程大學(xué) 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?yàn)I海新區(qū)氣象局 天津300457；2. 南京信息工程大學(xué) 江蘇南京210044)

利用 NCEP的 1,°×1,°格點(diǎn)資料，計(jì)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(dá)資料，對2012年7月21—22日京津特大暴雨進(jìn)行診斷分析，結(jié)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(fēng)場氣流沿運(yùn)動方向旋轉(zhuǎn)程度和運(yùn)動強(qiáng)弱的物理參數(shù)，它反映了大氣的運(yùn)動場特征，能夠很好地描述大氣運(yùn)動的性質(zhì)和特點(diǎn)。[1]近年來螺旋度被廣泛用于天氣動力學(xué)研究，特別是強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)，中小尺度暴雨、臺風(fēng)暴雨、沙塵暴等的研究。[2-4]在暴雨形成的物理機(jī)制以及強(qiáng)度和落區(qū)方面也得到了一些有意義的結(jié)論。許美玲等[5]用螺旋度對云南初夏罕見暴雨進(jìn)行了分析，指出低層700,hPa的P坐標(biāo)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(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)具有一定的指示意義。

1 特大暴雨產(chǎn)生的天氣形勢和實(shí)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(dǎo)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(dá)20,m/s，在京津地區(qū)形成風(fēng)向、風(fēng)速輻合。低層風(fēng)場在北京南部地區(qū)形成氣旋式環(huán)流達(dá)到最強(qiáng)，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(dá) 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(dá)式

在 P坐標(biāo)垂直方向上的 k-螺旋度 Hp＝-ξω。只計(jì)算有上升運(yùn)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(zhuǎn)強(qiáng)度和上升強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)資料計(jì)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(dá)到最高350,hPa，此時北京降水強(qiáng)度和降水范圍達(dá)到最大。之后3,h正平均垂直螺旋度逐漸減小，降水強(qiáng)度逐漸減弱。圖(2b)是計(jì)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(qiáng)。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(dá)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(qiáng)度和降水范圍達(dá)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(jié)束。由此可以看出正垂直螺旋度的大小與降水量呈正相關(guān)。

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(fēng)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(yīng)關(guān)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(qiáng)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(dá)100.3,mm，為歷史罕見。從22日02時圖(見圖 3b)可見，700,hPa風(fēng)場中的氣旋性環(huán)流消失，演變?yōu)槲鞅憋L(fēng)與西南風(fēng)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(kuò)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(qiáng)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(dá)90.8,mm。

圖3 2014年7月21—22日垂直螺旋度和風(fēng)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(fēng)場輻合越強(qiáng)，降水強(qiáng)度越大；暴雨區(qū)與垂直螺旋度的大值中心相對應(yīng)，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(dá)回波的演變與垂直螺旋度關(guān)系

從多普勒雷達(dá) 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(qiáng)回波發(fā)展，圖4中14∶00時在北京南部強(qiáng)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(yīng)此回波的站點(diǎn)出現(xiàn)1小時80,mm的強(qiáng)降水，到20時整個北京地區(qū)自西向東有大于 50,dbz強(qiáng)回波呈東北西南向的帶狀分布，穩(wěn)定少動；超級單體沿強(qiáng)回波帶自西南向東北移動，產(chǎn)生的強(qiáng)降水出現(xiàn)了列車效應(yīng)，此時最強(qiáng)降雨出現(xiàn)在平谷掛甲峪，21日 20～21時達(dá) 100.3,mm/h，為歷史罕見。之后強(qiáng)回波隨垂直螺旋度大值區(qū)緩慢東移并減弱，21日 23時強(qiáng)回波呈片狀分布，西南方仍有大于 50,dbz強(qiáng)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(qiáng)度加大，回波移速加快、強(qiáng)回波帶發(fā)展為弓形回波，最大回波強(qiáng)度達(dá)55,dbz。受其影響22日02～03時天津最強(qiáng)降水出現(xiàn)在武清，為 90.8,mm/h，成為該站 1小時降水強(qiáng)度歷史極值。03∶48時強(qiáng)回波帶到達(dá)塘沽雷達(dá)站，雖然回波移速加快，但在強(qiáng)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(qiáng)降水。05時以后強(qiáng)回波帶移到海上，天津地區(qū)降水逐漸結(jié)束。

圖4 2012年7月21—22日基本雷達(dá)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(qiáng)回波產(chǎn)生位置與垂直螺旋度迅速增大地區(qū)相對應(yīng)，強(qiáng)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(yīng)的方式自西南向東北方向傳播造成的。

4 結(jié) 論

①平均垂直螺旋度呈上負(fù)、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(yīng)。當(dāng)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(yīng)降水強(qiáng)度迅速增強(qiáng)。

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(yīng)關(guān)系。當(dāng)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(yīng)；此時強(qiáng)降水范圍達(dá)到最大。正平均垂直螺旋度大小與降水量級呈正相關(guān)。

③垂直螺旋度水平分布的正值中心越大，風(fēng)場輻合越強(qiáng)，降水強(qiáng)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?wù)苊? 動力氣象學(xué)[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，1997：94-97.

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［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(xué)報(bào)，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