垂直螺旋度和TBB特征在暴雨、暴雪中的应用

杨保成

（呼伦贝尔市气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008）

0 引言

呼伦贝尔市位于内蒙古自治区东北部，因地理位置处在温带北部，全年平均气温较低。暴雨、暴雪是该地区主要灾害性天气，对农牧业生产及交通运输造成严重的影响。

近年来，许多专家对不同区域的暴雨、暴雪天气进行了研究，如姜学恭等［1］对一次阻塞型华北对流性暴雨过程进行了诊断分析，指出了高低空急流对暴雨的作用；张桂莲等［2］对内蒙古中西部地区极端大暴雨特征进行了分析，指出极端暴雨下的中尺度对流特征；孙永刚等［3］研究指出高低空急流位置及其耦合作用对暴风雪的形成至关重要；张桂莲等［4］对大兴安岭地区暴雪天气进行了诊断分析，表明湿位涡密集带与暴雪有一定的对应关系；黄晓璐等［5］对2020 年初内蒙古一次暴雪天气的成因进行了分析，揭示了强锋生区与暴雪落区的相关关系；李娜等［6］对乌鲁木齐暴雪的锋面进行了分析，指出了锋面对暴雪过程中水汽辐合和动力抬升的重要作用；李桉孛等［7］对新疆北部暴雪动力特征进行了分析，阐述了垂直螺旋度在暴雪过程中的重要作用。

总体而言，针对区域性暴雨、暴雪天气成因的机理研究很多，但通过垂直螺旋度和相当黑体亮温（Black Body Temperature，TBB）特征方面诊断研究呼伦贝尔地区暴雨、暴雪天气的比较少。鉴于此，本研究以呼伦贝尔地区2018 年7 月7 日至8 日暴雨天气和2017 年2 月15 日至16 日暴雪天气为例，重点分析垂直螺旋度特征和云图TBB 特征，探讨其在暴雨、暴雪天气方面的应用，期望能够为这类天气过程预报提供科学合理的参考依据。

1 资料选取与研究方法

1.1 资料选取

本研究利用NCEP 资料（网格距1°×1°经纬度，6 h 一次全球再分析资料）；观测资料选用呼伦贝尔地区气象站降水量、高度场、风场等资料；暴雨、暴雪相应时段的FY-2E云图TBB资料。

1.2 研究方法

1.2.1 垂直螺旋度。螺旋度是描述环境风场气流沿运动方向旋转程度和运动强弱的物理量，能够较好描述大气运动特征，近年来被广泛用于天气动力学研究，特别是暴雨和暴雪等研究中。本研究将借助垂直螺旋度，研究呼伦贝尔地区暴雨、暴雪的动力学特征。在等压坐标系中，垂直螺旋度计算方式如式（1）。

式中：u，v，w分别为等压坐标系中x方向，y方向和垂直方向的速度，z为垂直方向上的涡度。

1.2.2 云图TBB 特征。云图的TBB 特征，可以揭示云发展的一些特征,直观地展示出中、小尺度天气系统中的云演变特征。暴雨、暴雪等天气一般出现在中尺度云团边缘TBB 等值线梯度最大处或云团合并的地方。

2 天气过程概述

2018 年7 月7 日至8 日，呼伦贝尔地区出现暴雨天气，在241 个气象监测站中有232 个站出现降水，其中38 个站出现暴雨，降水超过50 mm。此次强降水落区主要出现在大兴安岭岭东地区，以阵性降水为主，除强降水外局地还伴有冰雹灾害。本研究选取暴雨中4 个典型站（兴隆水库站、坤密尔堤办事处新农村站、成吉思汗站和萨满街站）进行分析，兴隆水库站本次过程降雨量最大为83.5 mm，作为典型站1，坤密尔堤本次过程降雨66.2 mm，作为典型站2，成吉思汗站和萨满街站作为本次暴雨小时雨强最大的代表站，小时雨强分别为27.5 mm 和20.7 mm，分别作为典型站3和典型站4。从8日05:00至20:00逐小时降雨量分析（见图1），雨强比较大的时段为5:00至6:00，8:00至9:00，12:00至14:00，17:00至19:00四个时段，其中前三个时段为混合型降雨（稳定性降雨中也伴随雨强突然增强的对流性降雨），最后一个时段为中尺度对流云团造成的对流性降雨。

图1 2018年7月8日05:00至8日20:00各站逐小时降雨量

2017 年2 月15 日至16 日呼伦贝尔地区出现暴雪天气，集中在呼伦贝尔中部地区。全市共20个气象观测站出现降雪，其中呼伦贝尔市中部的陈巴尔虎旗出现暴雪，降雪量为11 mm，积雪深度净增9 cm；鄂温克旗、牙克石市、海拉尔区及西部的满洲里市出现大雪，降雪量为5.2~7. 3 mm。陈巴尔虎旗15 日14：00 至16 日02：00 逐小时降雪量（见图2）分布表明，降雪最强时段出现在15日16：00 至18：00，雪强达1.7 mm·h-1。本次过程降雪强度大，伴随局地较强阵风，呼伦贝尔中部地区出现暴风雪，海拉尔区、陈巴尔虎旗及新巴尔虎右旗出现白毛风等灾害性天气，野外能见度不足100 m。

图2 2017年2月15日14：00至16日02：00陈巴尔虎旗(119.4°E，49.3°N)逐小时降雪量

3 环流形势特征

3.1 暴雨过程环流特征

分析2018 年7 月7 日08：00 高空环流场，500 hPa 亚欧大陆为两槽一脊型，贝加尔湖地区（以下简称贝湖）有一深槽，槽前疏散结构表明槽进一步发展。同时，位于呼伦贝尔下游的鄂霍茨克海（以下简称鄂海）高压异常强盛，使冷涡呈准静止状态。8 日08：00 呼伦贝尔东南部地区处于西南暖湿急流中。200 hPa 高空风场表明降水典型站处于高空急流出口区左侧，高空抽吸作用显著，利于水汽的动力抬升。同时08：00 低层850 hPa 呼伦贝尔地区偏南风速达到18 m·s-1，高、低空急流的耦合作用显著，利于暴雨等极端性天气出现。14：00 由于鄂海阻高的影响，冷涡继续维持准静止状态，呼伦贝尔地区整层处于偏南风场之中。20：00呼伦贝尔西南部处于偏西气流中，降水减弱。9 日08：00 随着冷空气不断加强渗透，呼伦贝尔地区逐渐被干冷空气控制，暴雨过程趋于结束。

3.2 暴雪过程环流特征

分析2017 年2 月12 日08：00 高空场500 hPa环流形式，亚洲中高纬地区呈两脊一槽形，乌拉尔山和鄂霍茨克海分别为长波脊影响，西西伯利亚北部存在温度场为-46 ℃的极涡，强度为5 000 gpm。随着系统发展，乌拉尔山长波脊进一步东移，脊前偏北气流引导极地冷空气南下，促使高空冷涡东移加强。15 日08：00 高空冷涡移到贝加尔湖北部，分裂的冷空气开始影响呼伦贝尔地区，为本次暴雪天气过程提供了冷空气源。

随着冷空气的不断渗透，15 日14：00 500 hPa冷涡底部的浅槽发展加深，呼伦贝尔地区处于槽前西南暖湿气流中，暖湿气流为降雪过程提供大量的水汽输送，配合西北部冷平流，呼伦贝尔地区冷、暖空气交汇，降雪得以增强；15 日14：00 呼伦贝尔地区850 hPa 为低槽前部西南急流控制，西南急流从锡林郭勒盟北部一直延伸到呼伦贝尔市南部，中心风速高达22 m·s-1。由于西南低空急流的存在，为暴雪过程提供充足的水汽和能量条件，呼伦贝尔地区处于高空急流出口区左侧，高、低空急流耦合作用，进一步促进了空气柱的上升运动，利于暴雪天气出现。

4 垂直螺旋度特征

4.1 暴雨过程垂直螺旋度特征

分析此次暴雨天气中的垂直螺旋度平面图特征（图略），850 hPa 垂直螺旋度正的大值落区呈近似椭圆状，对比实况降雨量，暴雨典型站处于螺旋度正的大值落区之中。

对垂直螺旋度做空间剖面分析（见图3）,表明在暴雨区上空850 hPa 和700 hPa 各存在一个大的正值中心,说明垂直螺旋度伸展较高，正涡度与垂直速度都较大，这些都有利于垂直运动的增强，利于暴雨的产生。

图3 8日08:00沿124°E垂直螺旋度剖面（单位：10-6 m·s-2）（黑色粗直线为强降雨区）

4.2 暴雪过程垂直螺旋度特征

2 月15 日14：00 在呼伦贝尔西部地区出现100×10-6m·s-2的正值中心，与之对应呼伦贝尔中、西部开始出现降雪。20：00 中心值加强达到140×10-6m·s-2，同时正值长轴继续呈南北走向并略有东移，对比实况降雪，14：00 至20：00 正是呼伦贝尔中部降雪最强的时段。

垂直螺旋度沿49°N 的纬向剖面（见图4），反映了强降雪期间相应地区垂直螺旋度的特征。14：00 在呼伦贝尔中部（115°E~119°E）上空出现正的垂直螺旋度，且伸展较高，达到400 hPa；20：00正的垂直螺旋度区域进一步东移，正值区域在900~500 hPa 之间，伸展高度明显降低，但强度增强，中心强度达到180×10-6m·s-2，且位于呼伦贝尔中部强降雪区域上方850 hPa处。造成这一现象的原因表现为：14：00 至20：00 是强降雪集中时段，强降雪在降落过程产生的拖曳作用使得上升运动中心高度迅速下降，降雪效率提高，从而使垂直伸展高度下降。16 日08：00，正的垂直螺旋度明显东移且强度减弱，实况显示降雪已趋于结束。垂直螺旋度剖面分析表明：强降雪发生时段，在高层有冷空气的不断侵入，低层配合东南急流的暖湿输送，进一步加剧了降雪区的不稳定因素，使得垂直涡度和上升速度加大，垂直螺旋度强度加强，这对强降雪的产生提供了一定的指示意义。

图4 15日14：00沿49°N垂直螺旋度剖面（单位：10-6 m·s-2）（黑色实点为强降雪区）

5 卫星云图TBB特征

5.1 暴雨过程云图TBB特征

云图TBB(相当黑体亮温)资料可以揭示出云的存在和云所处演变阶段中的一些显著特征。TBB特征可以直观地展示出各种不同天气系统的云型特征,从而可以推演发生在大气中的动力和热力过程。

从FY2E 红外云图的TBB 特征分析（图略），06：00 站1 和站2 处于TBB 大值区向小值区过渡的边缘，TBB 值在-45~-50 ℃之间，TBB 梯度较大。13：00 站1 和站2 同样处于TBB 大值区底部梯度过渡带中，对比实况降雨，06：00 站1 小时降雨17.3 mm，13：00 站1 降雨18.4 mm，14：00 站2 降雨17.1 mm。17：00在呼伦贝尔东南部出现对流云团，18：00 对流云团进一步发展，TBB 特征分析表明，18：00对流云顶亮温达到-50~-55 ℃之间，站3和站4 均处于TBB 大值区底部梯度过渡带中，且梯度异常大。19：00 对流云团进一步东移，TBB 大值区有所扩大且呈南北走向，站3 依然处于TBB 大值区底部梯度过渡带中，对比实况降雨，站3 在18：00 至19：00 降雨达到27.5 mm，站4 在17：00 至19：00 降雨达到31 mm，说明TBB 梯度值异常大，对应能量锋区较强，利于中、小尺度天气系统剧烈发展，对流增强，易出现短历时强降雨。

5.2 暴雪过程云图TBB特征

分析此次降雪的FY2E红外云图TBB（相当黑体亮温）特征，15:30 陈巴尔虎旗站TBB 值在-45~-50 ℃区域内，16:30 随着云团北移，陈巴尔虎旗站南侧TBB 梯度进一步加大，对比实况降雪，15:00、16:00 陈巴尔虎旗站降雪强度分别为1.3 mm·h-1和0.9 mm·h-1。17:30和18:30陈巴尔虎旗站南侧有云团发展，云团的云顶亮温低值（-45~-50 ℃）范围进一步扩大，陈巴尔虎旗站处于南北向TBB 梯度异常大值带中，降雪强度达到最大1.7 mm·h-1。后期冷空气不断渗透，低层逐渐被冷空气取代，TBB 大值范围也整体减小东北移，降雪趋于结束。

6 结论

①鄂海阻塞形式的存在，使高空冷涡维持稳定，地面至高空存在冷空气与槽前暖湿气流汇合。无论暴雨还是暴雪天气，都存在高空急流与低空急流的耦合作用，利于系统的增强。

②暴雨（雪）发生时段，高层有冷空气的不断侵入，低层配合东南急流的暖湿输送，进一步加剧暴雨（雪）区的不稳定因素，使得垂直涡度和上升速度加大，垂直螺旋度强度加强，垂直螺旋度大的正值落区对预测暴雨（雪）的产生提供了一定的指示意义。

③一般在暴雨（雪）集中时段，暴雨（雪）在降落过程产生的拖曳作用使得垂直螺旋度上升运动中心高度迅速下降，暴雨（雪）降水效率也随之提高。

④TBB 特征等值线高、低值过渡带中，如果TBB 梯度值异常大，一般对应能量锋区较强，利于中、小尺度天气系统剧烈发展，对流增强，易出现暴雨（雪）天气。