2020年8 月11 日至12 日阿拉善地區(qū)暴雨螺旋度特征分析

陳艷萍

內蒙古自治區(qū)阿拉善盟氣象局，內蒙古阿拉善 750306

國內研究表明，螺旋度是一個與暴雨相關性較強的參數(shù)。有學者通過實例分析，將各層次局地螺旋度水平分布與暴雨的滯后相關關系進行對比分析，指出暴雨一般發(fā)生在局地螺旋度的大值區(qū)里[1-3]。眾多研究表明，螺旋度的空間分布可以確定暴雨影響系統(tǒng)的位置、降水落區(qū)，同時螺旋度的強度也與降水強度成正比[4-6]。對阿拉善地區(qū)2020年8月11日白天至12日夜間的強降水天氣進行螺旋度分析，對阿拉善地區(qū)暴雨具有指示意義，也可以為阿拉善地區(qū)降水預報提供參考。

1 資料和方法

選用阿拉善地區(qū)2020年8月11日08:00—12日20:00地面常規(guī)觀測資料、自動站逐時降水資料，以及NCAR全球4 h再分析資料對影響該次降水的天氣系統(tǒng)和要素進行分析。螺旋度的定義為速度矢量和渦度矢量的協(xié)方差[7-9]，它的大小可以反映旋轉和沿旋轉軸運動的強弱，通常螺旋度指局地或單位體積內包含的螺旋度。

(1)在P坐標系中螺旋度的公式可以表示為：

式(1)中：u、v為水平風速，單位為m/s；w為垂直速度，單位為0.1×10 Pa/s；hx，hy為垂直螺旋度。

(2)由于垂直速度在水平方向上變化較小，式(1)可以簡化為：

式(2)中：hxy為水平螺旋度，是水平風速與水平渦度的乘積，與天氣系統(tǒng)相對應，對暴雨有預示性；hp為垂直螺旋度，是垂直速度和垂直渦度的乘積，與暴雨落區(qū)和強度相對應，反映天氣系統(tǒng)的生成和發(fā)展，以及天氣現(xiàn)象劇烈程度[10-12]。

2 天氣實況

2020年8月11日—8月12日，受冷空氣影響，阿拉善地區(qū)出現(xiàn)暴雨并伴有雷電、短時大風強對流天氣，阿拉善地區(qū)14個站點達到中雨量級，共有6個站點達到大雨量級，7個站點達到暴雨量級。本次降水雨勢猛烈，暴發(fā)山洪，并造成了嚴重損失。

3 螺旋度分析

分別分析暴雨區(qū)(30～50°N、80～110°E)的垂直螺旋度、水平螺旋度、垂直速度、散度、相對濕度物理量的緯度剖面圖[13-15]。

3.1 垂直螺旋度hp水平分布與暴雨落區(qū)的關系

從中低層垂直螺旋度hp來看(圖1)，暴雨發(fā)生前，8月11日14:00，500 hPa在103°E和100°E垂直螺旋度形成大值區(qū)，數(shù)值分別為170×10-6Pa/s2、120×10-6Pa/s2；700 hPa在103°E垂 直螺旋度形成大值區(qū)，數(shù)值為210×10-6Pa/s2。臨近暴雨發(fā)生，受低渦系統(tǒng)控制，8 月11 日20:00，500 hPa 在102°E位于垂直螺旋度正值中心區(qū)，中心值為90×10-6Pa/s2。700 hPa 在105°E處在垂直螺旋度正值中心區(qū)，中心值＞310×10-6Pa/s2；8 月12 日02:00，500 hPa在阿拉善地區(qū)位于垂直螺旋度0區(qū)，700 hPa在105°E出現(xiàn)垂直螺旋度負值，12日08:00，500 hPa在105°E垂直螺旋度形成大值中心，數(shù)值為70×10-6Pa/s2，700 hPa 在105°E垂 直螺旋度為10×10-6Pa/s2，99°E垂直螺旋度為40×10-6Pa/s2，12日20:00，阿拉善地區(qū)上空500 hPa位于垂直螺旋度0值線，700 hPa在101°E垂直螺旋度值為70×10-6Pa/s2。8月13日02:00，阿拉善地區(qū)上空500 hPa和700 hPa均位于垂直螺旋度0值線，短時強降水結束。由此得出，700 hPa的垂直螺旋度演變趨勢與強降水的落區(qū)和降水強度變化有較好的一致性。

圖1 8月11日20時500 hPa、700 hPa垂直螺旋度圖

根據(jù)沿暴雨區(qū)(40.2°N)上空作垂直螺旋度的剖面圖(圖略)可見，8月11日14:00，700 hPa附近103°E有一270×10-6Pa/s2的正值中心，在600 hPa 附近有-40×10-6Pa/s2的負值中心。8月11日20:00正值中心值減小60×10-6Pa/s2，并且位于105°E附近的正值中心增大360×10-6Pa/s2。8 月12 日02:00，600 hPa以下中心值為40×10-6Pa/s2，600 hPa出現(xiàn)-20×10-6Pa/s2,低層正高層負的垂直螺旋度中心，低層有強的正渦度輻合上升，高層有強的負渦度輻散，低層輻合，高層輻散配置。

3.2 水平螺旋度hxy分布特征

hxy為正有利于對流活動的發(fā)生。暴雨期間，hxy在8月11日20時和12日08:00出現(xiàn)了大值，且8月11日20:00比12日08:00hxy值更大，和暴雨過程的強降水時間段一致。hxy值在8月11日14:00(即暴雨發(fā)生前)已經(jīng)開始出現(xiàn)增長，暴雨區(qū)內大氣開始發(fā)生了變化，與垂直螺旋度不同。103°E強降水發(fā)生前，對流層低層hxy強度為100×10-2Pa/s2，正值分布呈自西向東減小趨勢，1 000 hPa在105°E為正hxy，強度為60×10-2Pa/s2。8月12日02：00強降水發(fā)生時，降水區(qū)上空1 000h Pa為hxy正值區(qū)。105°E有一個強度為70×10-2Pa/s2的正hxy中心，105°E為暴雨區(qū)，正好處于1 000 hPa，強度大于70×10-2Pa/s2，暴雨區(qū)與1 000hPahxy的極值中心有對應關系，08：00時降水趨于結束對流層中低層的hxy正值減小，14:00阿拉善大部地區(qū)1 000 hPa轉為負值(圖2)。

圖2 8月11日14:00、20:00水平螺旋度圖

4 動力條件分析

4.1 散度

沿暴雨區(qū)(40.2°N)上空作散度的垂直剖面圖(圖略)，8月11日20:00最強輻合中心位于850 hPa附近，散度中心值達-14×10-9g/(cm2·hPa·s)，500～650 hPa為輻散區(qū)，最強輻散中心位于600 hPa，散度中心值達8×10-9g/(cm2·hPa·s)。高層輻散與低層輻合的相互作用，加強了大氣的垂直上升運動。在650 hPa以下是輻合，650 hPa以上是輻散，且低層負的輻合值比高層正的輻散值大，這種大氣的抽吸作用有利于水汽的抬升，輻合產(chǎn)生強降水。

4.2 垂直速度

沿暴雨區(qū)(40.2°N)上空作垂直速度的垂直剖面圖(圖略)，8月11日20:00—12日08:00，104°E和105°E附近700 hPa 為負值，暴雨期間暴雨區(qū)存在強的上升運動，最強上升速度出現(xiàn)在700 hPa，垂直速度達-8 Pa·s-1。由此可見，散度、垂直速度與強降水出現(xiàn)時間、落區(qū)一致。

4.3 相對濕度

8 月11 日20:00、8 月12 日02:002個時次的500～1 000 hPa相對濕度緯向40.2°N剖面演變特征。8月11日20:00，105°E附近500 hPa層以下相對濕度較大，有1個大的濕中心、中心位于600 hPa附近，中心值為100%，在低層700 hPa、800 hPa附近分別存在大的濕中心，其值均＞70%。8月12日02:00，濕層厚度迅速增加，500 hPa以下生成了1個大于90%的濕中心。這充分說明強降水期間不僅中低層空氣濕度會提高，＞80%的濕中心還會抬升到500 hPa以上。

5 結論

(1)8月11日—12日為強降水階段，主要以對流性降水為主，700 hPa垂直螺旋度與對流性降水一致，8月11日14:00，103°E垂直螺旋度形成一個大值區(qū)，數(shù)值為210×10-6Pa/s2，8月11日20:00，105°E處在垂直螺旋度正值中心區(qū)，中心值＞310×10-6Pa/s2，8月12日20:00，103°E垂直螺旋度值為70×10-6Pa/s2，8月13日02:00，短時強降水結束。中低層正垂直螺旋度強度的增強對應著降水區(qū)雨量的增強。

(2)對流層中下層的水平螺旋度強度正值區(qū)的移動與強降水落區(qū)對應較好，水平螺旋度強度為100×10-2Pa/s2，正水平螺旋度對強降水落區(qū)有預示性。

(3)沿暴雨區(qū)40.2°N上空作垂直螺旋度剖面圖，可知8月11日14:00，700 hPa在103°E附近有一270×10-6Pa/s2的正值中心，8月11日20:00，105°E正值中心增大至360×10-6Pa/s2，400 hPa附近有負值中心，中心值為-30×10-6Pa/s2，低層輻合，高層輻散，有利于垂直運動的發(fā)生發(fā)展。

(4)沿40.2°N上空作散度的垂直剖面圖，8月11日20:00最強輻合中心位于850 hPa附近，散度中心值達-14×10-9g/(cm2·hPa·s)，500～650 hPa為輻散區(qū)，最強輻散中心位于600 hPa，散度中心值達8×10-9g/(cm2·hPa·s)，650 hPa以下是輻合，650 hPa以上是輻散，且低層負的輻合值比高層正的輻散值大，有利于水汽的抬升輻合產(chǎn)生強降水。

(5)沿40.2°N作垂直速度的垂直剖面圖，8月11日20:00—12日08:00，104°E和105°E附近700 hPa為負值。暴雨期間暴雨區(qū)存在強的上升運動，最強上升速度出現(xiàn)在700 hPa，垂直速度達-8 Pa/s。

(6)500 hPa層以下相對濕度較大，有1個大的濕中心、中心位于600 hPa附近，中心值為100%，在低層700 hPa、800 hPa附近分別存在大的濕中心，其值均＞70% 。