2次持續(xù)性暴雨天氣的螺旋度對比分析

蒙 軍，徐良軍，李啟芬，鄧世有，金凡琦

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

安順市地處青藏高原東側的云貴高原，容易出現范圍大、持續(xù)時間長、累計雨量大的暴雨天氣，常常造成嚴重的災害，給人民的生產和生活帶來很大的影響。持續(xù)性暴雨天氣成因復雜，預報難度大，國內外學者對暴雨天氣進行了大量的研究，發(fā)現系統的螺旋度和暴雨有著密切的聯系。盧小丹等[1]提出相對風暴螺旋度在臺風暴雨中與強降雨落區(qū)有很好的對應關系，并且對預報臺風暴雨有至少6 h的提前量。宋雯雯等[2]對四川低渦暴雨的研究指出，低渦類影響系統的渦度作用比散度更明顯，這使得垂直螺旋度的垂直結構從低層到高層均變得更為明顯。李琴等[3]研究指出垂直螺旋度、質量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度等和降雨的相關系數較大。隨著科技的發(fā)展，利用衛(wèi)星資料對暴雨天氣的預報和研究越來越多，陳傳雷等[4]利用TBB衛(wèi)星資料對遼寧長歷時暴雨的中尺度對流系統進行了分析，指出一般性對流云團、暖云和深對流云團均可造成長歷時暴雨。王寧等[5]、黎惠金等[6]對暴雨天氣過程中的MCC特征進行了研究，指出MCC發(fā)展移動和暴雨的強度降雨時長密切相關。然而大部分學者對暴雨的研究僅針對單日暴雨，對超過2 d以上的持續(xù)性暴雨天氣的研究較少。

2019年6月5—11日和9月5—10日安順市出現了持續(xù)性暴雨天氣，造成安順市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同程度的洪澇災害。為了提升對持續(xù)性暴雨天氣的認識，分析持續(xù)性暴雨天氣的不同，提高本地暴雨預報能力，本文利用NCEP 1°× 1°逐6 h再分析資料、常規(guī)觀測資料、地面自動站觀測資料等對這2次持續(xù)性暴雨天氣的螺旋度、TBB特征和環(huán)流形勢等進行對比分析。

1 降雨實況

1.1 過程降雨量分析

根據中國氣象局對暴雨的定義，24 h內降雨量達50 mm以上即為暴雨。本文將安順市范圍內的區(qū)域自動站中，有1個站出現24 h降雨量超過50 mm定為暴雨天氣過程開始日；如連續(xù)出現2 d以上超過1個站24 h降雨量≥50 mm，則為持續(xù)性暴雨天氣過程；將安順市范圍內有0站出現24 h降雨量>50 mm的前1 d定為暴雨天氣過程結束日，本文中24 h內降雨量統計時間為前1 d 20時—當日20時。

根據安順市區(qū)域自動站24 h降雨量資料顯示，2019年6月5—11日和9月5—10日安順市分別出現了持續(xù)性暴雨天氣過程(圖1)。6月5—11日天氣過程的暴雨集中時段在6月6—7日，最強時段為6月6日，有2站24 h降雨超過200 mm。9月5—10日天氣過程的暴雨集中時段在9月8—10日，最強時段為9月9日，有2站24 h降雨超過300 mm，16站24 h降雨超過200 mm，其中鎮(zhèn)寧炳云24 h降雨量達到368.8 mm，為2019年貴州省單日單站最大降雨量。

圖1 6月5—11日(a)、9月5—11日(b)區(qū)域自動站24 h降雨站數

從過程累計降雨量來看(圖2)：6月5—11日安順市有2個監(jiān)測站累計降雨量超過300 mm，19個監(jiān)測站累計降雨量超過200 mm，累計降雨量最大的西秀區(qū)巖臘達到369.3 mm，大暴雨的落區(qū)主要分布在安順市中東部；9月5—10日安順市有1個監(jiān)測站累計降雨量超過400 mm，有2個監(jiān)測站累計降雨量超過300 mm，有19個監(jiān)測站累計降雨量超過200 mm，累計降雨量最大的普定白巖降雨量達到490.9 mm，大暴雨的落區(qū)主要分布在安順市西南部。

圖2 6月5—11日(a)、9月5—10日(b)累計降雨量(單位：mm)

1.2 逐小時降雨量分析

從逐小時降雨量(圖略)看到，6月5—8日期間西秀區(qū)巖臘和紫云翁弄的降雨主要為對流性降雨。巖臘有4個時次小時雨量超過20 mm(每小時降雨量大于20 mm即為短時強降雨)，其中有2個時次的小時雨量超過80 mm，最大小時雨量為89.7 mm，降雨主要出現在夜間。9月7—10日普定白巖和鎮(zhèn)寧炳云為混合性降雨。白巖有6個時次小時雨量超過20 mm，最大小時雨量為46.7 mm；炳云有8個時次小時雨量超過20 mm，最大小時雨量為70 mm，降雨全天都有出現。6月4—9日相比9月6—10日的降雨對流性更強，小時雨強更強，而9月6—10日的短時強降雨持續(xù)時間更長。

2 環(huán)流背景分析

6月5—11日期間500 hPa上歐亞為兩槽一脊形勢，高原上多短波槽活動，貴州處于南亞高壓和副熱帶高壓之間的西南水汽輸送帶中。700 hPa和850 hPa上貴州受到西南氣流影響，四川東部有切變維持，這有利于貴州地區(qū)的水汽不斷積累。地面上在云南東北部有輻合中心維持。貴州西部處于輻合中心東南側，貴州東部受西南氣流影響，輻合中心進入貴州之后沿著西南氣流北側移動，使得安順中東部出現了大范圍的暴雨天氣。

9月5—10日期間受到臺風法茜影響，500 hPa上副熱帶高壓脊線退至130°E附近，沒有副高的阻擋，高原西側的短波槽易越過青藏高原向四川盆地及以南地區(qū)移動，這有利于西南渦的形成[7]。在700 hPa和850 hPa上偏南氣流自南海到34°N以北維持，流經貴州地區(qū)，孟加拉灣到貴州也有西南氣流輸送，四川南部維持有低渦發(fā)展，使得低渦進入貴州之后可以長時間停留，并且水汽源源不斷地向貴州地區(qū)輸送。地面上輻合中心維持在四川南部，貴州大部分地區(qū)受到輻合中心南側和東側的偏南氣流影響，由于偏南氣流的阻擋，輻合中心向南緩慢移動，并且偏南氣流不斷向輻合中心南側輸送水汽，使輻合中心得以維持。所以9月5—10日降雨量比6月5—11日更強，降雨時間更長，并且暴雨落區(qū)主要分布在安順西部。

2次持續(xù)性暴雨天氣期間在四川南部都有弱冷空氣向貴州輸送，貴州西部受到靜止鋒的影響，冷暖氣流在貴州西部交匯，均為降雨提供了有利條件。

3 螺旋度分析

Lilly[8-9]研究指出，強對流風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下增強，同時高螺旋度阻礙了擾動能量耗散，對超級單體風暴的維持有重要作用，穩(wěn)定的強對流風暴常發(fā)生在螺旋度值大的地方。陸慧娟等[10]研究表明，垂直螺旋度更傾向為反映系統維持狀況和系統發(fā)展、天氣現象劇烈程度的一個參數。冉令坤等[11]在垂直螺旋度的基礎上引入水汽和低渦對暖濕氣流的抽吸作用，從而提出了質量垂直螺旋度和水汽垂直螺旋度。本文利用(表1)垂直螺旋度、質量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度3個螺旋度因子，對6月5—11日和9月5—10日2次持續(xù)性暴雨天氣進行對比分析。

表1 螺旋度簡介

質量垂直螺旋度[3,11-12]表示低渦對暖濕氣流的抽吸作用，水汽垂直螺旋度[2,11]表示水汽通量渦度的垂直輸送。當垂直螺旋度為正值時表示反氣旋性渦度垂直向上輸送，當垂直螺旋度為負值時表示氣旋性渦度的垂直向上輸送。本文對垂直螺旋度取絕對值后積分，綜合考慮反氣旋性渦度和氣旋性渦度的垂直向上輸送。

3.1 垂直螺旋度分析

6月5日14時(圖3)在貴州西北部出現大于100 m2·s-2的垂直螺旋度中心，5日20時中心向南移，安順西部一直位于強中心附近，5日22時紫云翁弄出現56.4 mm·h-1的降雨。6日02—08時垂直螺旋度減弱，6日14時貴州西部再次出現30～40 m2·s-2的垂直螺旋度中心，6日20時中心值依然維持在20～30 m2·s-2，6日21時在西秀區(qū)巖臘出現89.7 mm·h-1的降雨。7日02—08時垂直螺旋度中心減弱，7日14時—8日02時貴州中西部僅出現了20 m2·s-2的螺旋度中心，此時段是本次過程中降雨最弱的時段。8日08—14時貴州中西部的垂直螺旋度中心從20 m2·s-2增強至70 m2·s-2，到8日20時繼續(xù)增強至100 m2·s-2，8日19時西秀區(qū)巖臘出現85.1 mm·h-1的降雨。

9月6日14時—7日08時(圖3)貴州境內沒有大的垂直螺旋度中心，此時段降雨也較弱；7日14—20時在貴州中西部出現了20～30 m2·s-2的垂直螺旋度中心，7日22時普白巖出現26.9 mm·h-1的降雨。8日02時垂直螺旋度減弱至0，8日08時貴州西部再次出現20 m2·s-2的垂直螺旋度中心，8日14—20時中心仍維持在貴州西部但中心值有所減弱，8日13時、16時、17時、18時鎮(zhèn)寧炳云分別出現了短時強降雨，其中8日17時出現70 mm·h-1的降雨。9日02時垂直螺旋度弱中心維持在貴州中部，但中心值僅為5 m2·s-2，炳云在8日22時—9日01時連續(xù)出現4個時次的短時強降雨，但最大小時雨量僅為38.2 mm·h-1；9日08時垂直螺旋度減弱至0，此時段降雨也較弱；9日14時貴州西部出現了40 m2·s-2的垂直螺旋度中心，9日20時中心強度減弱為10 m2·s-2，9日14時普定白巖出現46.7 mm·h-1的降雨。

圖3 垂直螺旋度垂直積分(單位：m2·s-2)第1行為6月5—9日，第2行為9月6—10日

對比巖臘和炳云的垂直螺旋度垂直分布(圖4)還可以看到：巖臘在6月5—6日和6月8—9日期間分別出現了20 m2·s-2左右的垂直螺旋度中心，高度在800～200 hPa之間，與巖臘出現大于80 mm·h-1的降雨時間吻合，說明渦度的迅速垂直輸送有利于產生強短時強降雨；炳云在9月8—9日期間出現了20～50 m2·s-2的垂直螺旋度中心，50 m2·s-2的垂直螺旋度中心最先出現且位于300 hPa，中心高度不斷降低，中心值不斷減小，說明渦度的強垂直輸送使得降雨系統強度得以維持，導致了炳云持續(xù)出現短時強降雨。

圖4 6月4—9日西秀區(qū)巖臘(a)、9月5—10日鎮(zhèn)寧炳云(b)垂直螺旋度(單位：m2·s-2)

對比2次過程的垂直螺旋度可以看到，垂直螺旋度垂直積分值越大造成的短時強降雨越強，并且在降雨出現前就有明顯的增長。垂直螺旋度強中心維持在固定區(qū)域有利于垂直螺旋度向上增大，會造成持續(xù)時間長的短時強降雨。垂直螺旋度的迅速增大—減小易造成強的短時強降雨。

3.2 質量垂直螺旋度分析

6月5日14時(圖5)四川南部到貴州西部有22 kg2·m-4·s-2·10-3的質量垂直螺旋度中心，5日20時四川西部的質量垂直螺旋度中心減弱，貴州西部的質量垂直螺旋度中心值增強至11 kg2·m-4·s-2·10-3，5日21—22時西秀區(qū)巖臘和紫云翁弄出現了短時強降雨(翁弄56.4 mm·h-1)。6日20時貴州西部有2個值為3 kg2·m-4·s-2·10-3的質量垂直螺旋度中心，7日08時2個中心均減弱為0，7日05時西秀巖臘出現了89.7 mm·h-1的降雨，7日05—08時紫云翁弄持續(xù)出現了4 h的短時強降雨。8日20時在貴州西部出現了22 kg2·m-4·s-2·10-3的質量垂直螺旋度中心，9日02時中心減弱為6 kg2·m-4·s-2·10-3且移到貴州西北部，9日08時中心繼續(xù)減弱消失，9日03時西秀巖臘出現85.1 mm·h-1的降雨，9日04時紫云翁弄出現36.2 mm·h-1的降雨。

9月5日20時(圖5)在貴州西北部有3 kg2·m-4·s-2·10-3的質量垂直螺旋度中心，6日02時中心向南移動，中心值減弱為2 kg2·m-4·s-2·10-3，普定白巖出現54.3 mm·h-1的降雨。6日08時中心值減弱為0，6日07時白巖出現20.6 mm·h-1的降雨。7日14時貴州中部偏西南區(qū)域出現了3 kg2·m-4·s-2·10-3的質量垂直螺旋度中心，7日20時貴州西北部出現5 kg2·m-4·s-2·10-3的質量垂直螺旋度中心。8日02時貴州西部的質量螺旋度值減小為1 kg2·m-4·s-2·10-3，8日08時貴州西北部再次出現3 kg2·m-4·s-2·10-3的質量垂直螺旋度中心，8日20時貴州西南部仍有5 kg2·m-4·s-2·10-3的質量垂直螺旋度中心，8日08時西秀區(qū)七眼橋出現64.3 mm·h-1的降雨。9日02—08時貴州大部分區(qū)域質量垂直螺旋度為0，但在9日00—09時鎮(zhèn)寧炳云連續(xù)出現了7 h的短時強降雨，其中9日01時出現70 mm·h-1的降雨。9日14時貴州西部出現7 kg2·m-4·s-2·10-3的質量垂直螺旋度中心，9日20時中心值減小為1 kg2·m-4·s-2·10-3，10日02時質量垂直螺旋度中心維持，10日08時中心值加強為3 kg2·m-4·s-2·10-3，9日22時普定白巖出現46.7 mm·h-1的降雨，10日04時關嶺谷目長沖出現33.7 mm·h-1的降雨。

圖5 質量垂直螺旋度垂直積分(單位：kg2·m-4·s-2·10-3)第1行為6月5—9日，第2行為9月6—10日

以上分析說明，在短時強降雨前期到短時強降雨發(fā)生期間，質量垂直螺旋度會出現增大—減小的過程，增大—減小得越明顯出現的短時強降雨強度越強，這個特征在6月5—11日天氣過程中更為顯著。

3.3 水汽垂直螺旋度分析

6月5日08時(圖6)貴州中部偏南區(qū)域出現了100 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心，5日14時中心范圍擴大至整個貴州中西部，5日20時中心范圍縮小，但依然維持在貴州西部。6日02—08時貴州境內水汽垂直螺旋度均較小。6日14時貴州西部再次出現水汽垂直螺旋度中心，中心最大值為60 kg·m-1·10-1，6日20時水汽垂直螺旋度中心值減小到40 kg·m-1·10-1。7日02—08時水汽垂直螺旋度繼續(xù)減小。7日14—20時貴州西部水汽垂直螺旋度值增加，且出現了40 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心。8日02—20時貴州西部分水汽垂直螺旋度值不斷增大，8日20時中心值增大到100 kg·m-1·10-1且覆蓋了貴州西部。9日02—08時水汽垂直螺旋度減小到0。結合圖1逐小時降雨進行分析可以看到，西秀區(qū)巖臘在6月7日05時出現89.7 mm·h-1降雨和6月9日03時出現85.1 mm·h-1降雨前期到出現降雨期間，水汽垂直螺旋度值均出現了增大—增大—減小的過程。說明在降雨前期低渦對暖濕氣流的抽吸不斷加強，在降雨出現后抽吸作用迅速減弱。

9月5日14時(圖6)貴州西部出現中心值為60 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心，5日20時中心值減小為40 kg·m-1·10-1。6日02時—7日08時貴州大部分地區(qū)水汽垂直螺旋度均較小。7日14時，貴州出現了東北西南向2個水汽垂直螺旋度中心，西部的中心值為50 kg·m-1·10-1，7日20時西部的水汽垂直螺旋度中心值增大為80 kg·m-1·10-1，且中心移至貴州西北部。8日02時水汽垂直螺旋度中心值減小為30 kg·m-1·10-1,8日08時中心值增大為50 kg·m-1·10-1，8日14時水汽垂直螺旋度值有所減小，中心值依然為40 kg·m-1·10-1。8日20時水汽垂直螺旋度中心值增大至60 kg·m-1·10-1，中心移至貴州西南部。9日02—08時水汽垂直螺旋度減小為0。9日14時貴州西北部出現了100 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心，9日20時—10日02時水汽垂直螺旋度值減小。

圖6 水汽垂直螺旋度垂直積分(單位：kg·m-1·10-1)第1行為6月5—9日，第2行為9月6—10日

對比2次天氣過程，在出現較強短時強降雨前期和降雨期間水汽垂直螺旋度均有增大—增大—減小的過程。9月5—10日天氣過程水汽垂直螺旋度增大和減小的幅度相比6月5—11日天氣過程要小，6月5—11日天氣過程水汽垂直螺旋度中心最大值比9月5—10日天氣過程要大。結合逐小時降雨量分析，9月5—10期間最大小時降雨量為西秀區(qū)七眼橋9月8日08時的64.3 mm·h-1，而6月4—9日期間最大小時降雨量為西秀區(qū)巖臘6月7日05時的89.7 mm·h-1。可以看到，水汽垂直螺旋度增大—增大—減小的幅度越大造成的短時強降雨強度越強。

4 結論

本文利用常規(guī)觀測資料、逐小時區(qū)域自動站觀測資料、NCEP 1°× 1°再分析資料等對安順市2019年6月5—11日和9月5—10日持續(xù)性暴雨天氣進行對比分析，對天氣過程的環(huán)流背景、垂直螺旋度、質量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度等進行詳細分析，得出以下結論：

①6月5—11日期間，500 hPa安順市位于兩高之間，700 hPa和850 hPa上維持有西南氣流，且不斷有東移的短波槽影響，為對流系統不斷發(fā)展創(chuàng)造了條件；9月5—10日期間，700 hPa和850 hPa上強偏南氣流向北輸送，西南渦在貴州西部長時間維持，為對流系統穩(wěn)定維持提供了條件。

②垂直螺旋度的垂直積分越大，低渦的垂直輸送越強，造成的小時雨強越強；垂直螺旋度迅速增大—減小，低渦迅速垂直輸送，造成的短時強降雨就越強；垂直螺旋度在固定區(qū)域不斷增大,中心強度越強，低渦垂直輸送的高度就越高，對降雨系統強度的維持越有利，使得短時強降雨持續(xù)不斷地產生。

③水汽垂直螺旋度在2次天氣過程期間都出現了增大—增大—減小的過程，在短時強降雨前期能夠很好地提示短時強降雨的發(fā)生，且根據水汽垂直螺旋度增大—減小的幅度可以推斷短時強降雨的強弱。