齐齐哈尔一次暴雨的螺旋度诊断分析

周显伟,祝玉梅,时刚

（齐齐哈尔市气象局，黑龙江齐齐哈尔 161006）

齐齐哈尔一次暴雨的螺旋度诊断分析

周显伟,祝玉梅,时刚

（齐齐哈尔市气象局，黑龙江齐齐哈尔 161006）

本文利用NCEP再分析资料和实测资料对2009年8月19-20日齐齐哈尔暴雨过程进行垂直螺旋度诊断分析，分别对垂直螺旋度水平分布和垂直分布特征进行分析，求出垂直螺旋度在预报暴雨中的贡献。结果表明：根据垂直螺旋度的水平分布特征,可以预报暴雨移动方向和影响区域；螺旋度的垂直分布可以表明气旋发展和降水强度不同阶段。

诊断分析;暴雨;垂直螺旋度

1 引言

长期以来，气象工作者们从各个角度对暴雨进行了大量的研究工作,并取得了许多丰硕的成果。其中许多研究[1-5]表明,螺旋度对大范围暴雨的分析与预报有一定的实用价值。气象学中的螺旋度是一个用于衡量环境风场具有多大沿气流方向的水平涡度及其贡献的参数,它的大小反映了旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度[6]。众所周知,一方面垂直涡度大的系统与剧烈天气现象（如中尺度气旋）联系密切;另一方面垂直速度是实际大气中造成天气现象的最直接原因。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涡度和垂直速度的积）充分反映了两个与天气现象紧密联系的物理量的配合情况,在一定程度上不仅能反映系统的维持状况,还能反映系统发展、天气现象的剧烈程度[7]。本文利用NCEP再分析资料和实测资料对2009年8月19～20日齐齐哈尔暴雨过程进行垂直螺旋度诊断分析，得到垂直螺旋度在预报暴雨中的贡献。

2 天气概况和环流形势分析

2.1 降水实况

2009年8月19日08:00（北京时,以下同）至20日08:00内蒙古东北部和黑龙江西南部出现大范围的暴雨天气过程（见图1），其中齐齐哈尔大部分地区出现了暴雨～大暴雨,7个县站和70个乡镇雨量达50 mm以上，达100 mm以上的有13个乡镇,其中泰来县平阳乡最大雨量达128.8 mm。

2.2 天气背景

2009年8月19日20：00 500 hPa高度场上欧亚中高纬地区为两槽一脊型,从巴尔客什湖至贝加尔湖为一宽广的冷涡控制,冷空气沿我国西北地区和蒙古国弱脊下滑，副热带高压北抬，588dgpm线至38°N附近，使日本海至黑龙江东部为高脊，阻挡冷空气东移，至使冷空气在贝加尔湖以东堆积，使内蒙古东北部和黑龙江西部的槽加深。与高空槽相配合的是黄河气旋东移北上而形成的东北气旋，中心995 hPa正位于齐齐哈尔南部。从850 hPa风场上看,黑龙江西部至吉林西部有一α尺度切变线，两股暖湿空气分别经渤海和日本海北上，在黑龙江西南部和冷空气交汇爬升凝结，为降水提供了良好的动力和水汽条件（见图2）。

图1 24h实况降水量分布（单位:mm） 8月19日08：00～20日08：00

图2 8月19日20：00实况图（实线为500 hPa等高线，风向风速为850 hPa风场，点线为地面等压线）

3 垂直螺旋度（又称k或z-螺旋度）

螺旋度其严格的定义式为风速和涡度点积的体积分[8]:

根据Woodall[9]的观点,p坐标的局地垂直螺旋度可定义为

4 螺旋度诊断分析

4.1 暴雨区及附近螺旋度的水平分布

8月19日14:00 500 hPa（图略）上正螺旋中心位于蒙古国和内蒙古东北部边界上（118°E,48°N）,中心强度为1.800×10-4m·s-2，但是由于水汽条件不充分，内蒙古东北部西侧开始产生弱降水。6 h后，500 hPa（见图3）上正螺旋分裂成两个强度为8.000×10-5m·s-2、3.000×10-5m·s-2的中心，分别位于两个暴雨中心（120°E,49°N和120°E, 48°N）上空,500 hPa冷涡中心和西风槽前与从渤海和日本海两股暖湿空气交汇，降水强度开始变强。在正螺旋的西南有一个负螺旋中心相配合，中心强度为-3.000× 10-5m·s-2。到20日02：00，500 hPa（见图4）上正螺旋度变成一个强中心位于齐齐哈尔市上空，中心强度增加到1.800×10-4m·s-2，在正螺旋的西南也有一个负螺旋中心相对应，中心强度增加为-5.000×10-5m·s-2，而500 hPa冷涡也发展加强移到齐齐哈尔上空，降水强度达到最大。此后螺旋度开始逐渐减弱，降水强度也开始减弱，到20日14：00降水主体结束。从图3可以看出,500 hPa正螺旋度呈椭圆型分布,长轴为东北-西南向,500 hPa冷涡向螺旋度长轴方向的右侧移动。从图4上看,500 hPa正螺旋度中心加强，说明贝加尔湖西部冷空气下滑补充使高空冷涡再度加强。500 hPa正螺旋度也呈椭圆型分布,长轴为西北-东南向,在500 hPa冷涡也向螺旋度长轴方向的右侧移动。由此可以得出，500 hPa正螺旋度的分布与500 hPa冷涡和西风槽配合的很好，强正螺旋中心和暴雨落区相对应，在强正螺旋度长轴方向的左侧存在负螺旋度与之相配合，随正螺旋度的增强而增强；500 hPa低涡向着正螺旋度长轴方向的右侧移动。

8月19日14 ：00 850 hPa（图略）上正螺旋中心位于内蒙古东北部（120°E,48°N）和地面气旋中心相吻合，中心强度为9.000×10-5m·s-2；经过6 h发展移动，到20：00 850 hPa螺旋度分布图（见图5）上正螺旋度中心（强度为1.000×10-4m·s-2）位于500 hPa正螺旋度中心的南侧，相差1～2个纬度和地面气旋中心相吻合；在20日02：00 （见图6），850 hPa和500 hPa上正负螺旋度中心重叠于齐齐哈尔市的上空，此时高空冷涡和地面气旋也重叠与此，使齐齐哈尔市区产生短时强降水。这表明850 hPa螺旋度和地面气旋配合的较好。

图3 2009年8月19日20：00 500 hPa螺旋度分布（单位:10-5m·s-2）等值线间隔1.0×10-5m·s-2箭头为低涡移动方向

图4 2009年8月20日02：00 500 hPa螺旋度分布（单位:10-5m·s-2）等值线间隔1.0×10-5m·s-2箭头为低涡移动方向

图5 2009年8月19日20：00 850 hPa螺旋度分布（单位:10-5m·s-2）等值线间隔1.0×10-5m·s-2

图6 2009年8月20日02：00 850 hPa螺旋度分布（单位:10-5m·s-2）等值线间隔1.0×10-5m·s-2

4.2 暴雨区上空螺旋度的垂直分布

由于降水过程总体是东西走向，所以穿越暴雨中心（齐齐哈尔市区附近）做南-北向（123°E）垂直螺旋度的垂直剖面图。8月19日20：00,从图7可见，气旋上空600 hPa以下为较强的正螺旋度,800 hPa正强度中心为6.500×10-5m·s-2,以上存在一个负螺旋中心,650 hPa负强度中心为-3.000×10-5m·s-2,高低空的正负螺旋度中心相对应。高层负涡度辐散与中低层正涡度辐合相叠置,有利于地面气旋发展。经过6 h的发展加强，20日02：00（见图8）从低层到高层均为正螺旋度，700 hPa正强度中心达到2.200×10-4m·s-2,在正螺旋南北两侧分别存在负螺旋，尤其南侧从低层到高层均为负涡度，700 hPa和500 hPa两个负中心强度都为-5.000×10-5m·s-2。如螺旋度123°E垂直剖面示意图所示（见图9）,在500 hPa上,暴雨区从低层到高层均为正涡度，说明后部冷空气的补充使得500 hPa冷涡达到最强；另外，垂直螺旋度上负下正的结构使得地面气旋发展到最旺盛时期，高空冷涡和地面气旋重叠，产生短时最强降水。此后由于垂直螺旋度上负下正垂直结构受阻，螺旋度强度开始逐渐减弱，过程和降水也开始减弱。

5 小结

（1）根据螺旋度的水平分布特征,可以预报暴雨移动方向和影响区域。500 hPa螺旋度的分布和500 hPa冷涡和西风槽配合的很好，在强正螺旋度长轴方向的左侧存在负螺旋度与之相配合，随正螺旋度的增强而增强，暴雨落区和强正螺旋中心相对应；500 hPa冷涡是向着正螺旋度长轴方向的右侧移动，也是暴雨落区移动方向。

图7 2009年8月19日20：00螺旋度123°E垂直剖面图（单位:10-5m·s-2）等值线间隔0.5×10-5m·s-2

图8 2009年8月20日02：00螺旋度123°E垂直剖面图（单位:10-5m·s-2）等值线间隔1.0×10-5m·s-2

图9 螺旋度123°E垂直剖面示意图

（2）螺旋度的垂直分布可以表明气旋发展和降水强度的不同阶段。当低层是正螺旋度,高层负螺旋度,高低空的负正螺旋度中心相对应时，高层负涡度辐散与中低层正涡度辐合相叠置,有利于地面气旋发展，降水强度也逐渐增大；从低层到高层均为正涡度，说明地面气旋发展到最旺盛，高空冷涡和地面气旋重叠，上升辐合气流达到对流层顶，降水强度达到最大。此后由于垂直螺旋度上负下正垂直结构受阻，螺旋度强度开始逐渐减弱，过程和降水也开始减弱。

（3）螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力性质的物理量,它反应了暴雨区附近的动力场特征，可把螺旋度、热力不稳定和水汽条件相结合更好用于暴雨分析和预报中。

[1]杨越奎,刘玉玲,万振拴，等.“91.7”梅雨锋暴雨的螺旋度分析[J].气象学报,1994,52（3）:379-384.

[2]郑蓉.1998年夏季长江山峡区间致洪暴雨分析[J].湖北气象,2002,（4）:6-9.

[3]江敦双,李瑜修,凌艺，等.青岛市初夏一次暴雨过程的螺旋度分析[J].海岸工程,2001,20（3）:69-72.

[4]孙兰东,徐建芬.西北地区东部三次暴雨天气的螺旋度分析[J].甘肃气象,2000,18（4）:20-23.

[5]许美玲,段旭,孙绩华.云南初夏罕见暴雨的螺旋度分析[J].热带气象学报,2003,19（2）:184-190.

[6]岳彩军，寿亦萱,寿绍文，等.我国螺旋度的研究及应用[J].高原气象，2006，25（4）:754-762.

[7]陆慧娟,高守亭.螺旋度及螺旋度方程的讨论[J].气象学报,2003,61（6）:684-691.

[8]伍荣生,谈哲敏.广义涡度与位势涡度守恒定律及其应用[J].气象学报,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

周显伟（1982-），男，黑龙江省讷河市人，成都信息工程学院，本科生，助理工程师.