廊坊市雷雨大風天氣螺旋度統計分析

收稿日期：2024-01-14

作者簡介：劉淇淇（1997—），女，甘肅慶陽人，助理工程師，主要從事天氣預報預警及災害性天氣預報技術研究。

摘 要：利用ERA5再分析資料，選取廊坊市2012—2021年共15次雷雨大風共存個例，計算了其過程中風暴相對螺旋度和垂直螺旋度的發展演變規律及與過程和影響系統的對應關系，結果表明：（1）過程發生前SRH高和SRH低多為正值，至少提前1 h的SRH低為正值，在降水持續時刻SRH大多維持在正值。總的來看低層SRH的指示意義更好。（2）強對流發生在水平螺旋度分布的中心區域附近和強梯度帶附近，并與對流活動結束時間對應較好，總體看水平螺旋度對強對流發生具有一定的指示意義。（3）垂直螺旋度的大值中心和強梯度帶與對流活動區域有很好的對應關系，中高層500 hPa和200 hPa系統與垂直螺旋度并沒有很好的對應關系，而中低層700 hPa切變線、低渦等影響系統與之對應關系均較好。垂直螺旋度對低層系統的生成和發展具有較好的指示意義，與風暴相對螺旋度有所區別，垂直螺旋度更傾向于反映系統維持、發展狀況的研究。

關鍵詞：螺旋度；雷雨大風；強對流天氣

中圖分類號：P458.121 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–0-03

短時強降水、冰雹、雷暴大風等強對流天氣一直都是短時預報的難點，螺旋度是一種描述大氣動力性質的一個重要物理量，表征了流體邊旋轉邊沿旋轉方向運動的動力性質。岳彩軍等[1]對螺旋度在災害性天氣中的應用做了歸納總結，并介紹了常用的幾種螺旋度；很多學者和專家研究表明：風暴相對螺旋度（SRH）和垂直螺旋度對雷暴、大范圍暴雨等災害性天氣的分析預報有較好作用[2-3]。其中，譚志強等[4]對寧夏一次強對流過程的螺旋度特征演變進行分析，表明螺旋度對強對流發生有一定的預測能力。螺旋度在京津冀地區的強對流天氣中的應用也有了初步進展。石燕茹

等[5]通過分析石家莊27次強對流天氣過程的SRH特征，找出了預報指標，并得到了驗證。以上研究多是通過對風暴相對螺旋度的分析，且缺乏針對廊坊市當地的研究。有學者研究表明，垂直螺旋度也是表征螺旋度的重要指標。因此，在上述研究的基礎上，對廊坊市2011—2021年強降水和雷暴大風共存天氣過程的風暴相對螺旋度和垂直螺旋度進行統計分析，找到其時空演變規律，找到螺旋度對此類天氣的預報具有指示意義。

1 資料來源與方法

選用ERA5再分析資料（0.25°×0.25°，1 h）中的

1 000～100 hPa等壓面風矢量場和垂直速度等資料、地面國家氣象觀測站降水量、風場資料等對廊坊市2012—2021年的強降水和雷暴大風共存天氣過程的風暴相對螺旋度和垂直螺旋度進行計算分析，找出其時空演變規律，找出螺旋度對此類天氣的預報指示意義。

螺旋度的嚴格定義為風速與渦度點積的體積分，表征了流體旋轉與沿旋轉方向運動特性的物理量，用來衡量風暴入流強弱和沿入流方向的水平渦度分量，其中V為三維風速矢量如下：

（1）

1.1 風暴相對螺旋度

風暴相對螺旋度（SRH）由Woodall提出，他認為只有相對于風暴的螺旋度才對風暴維持發展具有實際意義，其公式如下：

（2）

式（2）中，V為環境風矢量，C為風暴傳播速度，考慮風暴入流空氣主要來自對流層低層幾公里范圍內，Davies Jones等將氣層厚度為h的風暴相對螺旋度定義為：

（3）

式（3）中，ωh為水平渦度矢量，h為氣層厚度，在實際工作中，常將式（3）轉換為：

（4）

式（4）中，C大小取為850～300 hPa的平均風，方向定為平均風的方向右偏40°；N為計算SRH時垂直方向上的層數，采用標準等壓面（1 000、925、850、700、500、400、300、200 hPa等）風場資料進行計算。由于雷雨大風這類強對流天氣主要是由低層輻合引起，因此采用石燕茹等的方法將SRH分為上、下兩層計算。上層取2.1 km以下，下層取2.1～6.1 km，兩層相對螺旋度分別用SRH低和SRH高來表示。

1.2 垂直螺旋度

垂直螺旋度是垂直渦度和垂直速度的積，大小反映了垂直方向上旋轉與沿旋轉軸方向運動的強弱程度，結合了渦旋與上升運動的配合情況，可以反映系統發展、維持的狀況。式（4）為垂直螺旋度在p坐標系中的表達式，在實際應用中，為了計算方便，采用式（5）計算垂直螺旋度[6]。

（4）

（5）

2 風暴相對螺旋度在雷雨大風天氣中的應用

選取廊坊市2012—2021年共15次雷雨大風共存個例，計算其風暴相對螺旋度，可以發現在過程發生前SRH高和SRH低多為正值，至少提前1 h SRH低為正值。簡要分析天氣區與相對螺旋度的對應關系可以發現，強對流發生在水平螺旋度分布的中心區域附近和強梯度帶附近，并與對流活動結束時間對應較好。總體來看，水平螺旋度對強對流發生具有一定的指示意義（圖略）。

以2012年7月21日、2013年7月4日、2016年7月19日、2017年7月14日、2019年6月18日這5次強降水與大風共存天氣過程為例，具體分析其風暴相對螺旋度的演變規律。

2.1 2012年7月21—22日的強對流

受高空槽和低空低渦和切變線共同影響，2012年7月21日出現了雷暴大風與強降水共存強對流天氣，強降水出現時刻為21日21：00—22日01：00。由圖1可以看出，在19：00之前，高、低層SRH均有正有負，從17：00開始低層SRH開始維持正值，到22：00均呈增大的趨勢，而高層SRH在20：00之后才維持正值，一直到23：00都為增大的趨勢，低層比高層SRH增加的時間早，兩者在強降水期間均維持正值，到02：00降水減弱后轉負，04：00降水結束。低層SRH的最高值出現在強降水發生時刻，高層SRH最高值出現在強降水發生后2 h。

2.2 2013年7月4日的強對流

受低空切變影響，2013年7月4日出現了雷暴大風與強降水共存強對流天氣，強降水出現時刻為4日19：00。

由圖2可以看出，低層SRH在18：00以后轉為正值并維持，直至23：00都呈增大的趨勢，18：00以前為正負擺動的狀態，而高層SRH從12：00開始低層SRH一直維持正值，且在18：00以前呈增大的趨勢，21：00此次降水結束，22：00以后高層SRH轉負。高層SRH的最高值出現在強降水發生前1 h，低層SRH最高值出現在強降水發生后的2 h。

2.3 2016年7月19日的強對流

受西南渦北上和切變影響，2016年7月19—20日出現了雷暴大風與強降水共存強對流天氣，強降水出現時刻為20日06：00～08：00，此次過程降水從19日22：00持續到20日15：00。由圖3可以看出，從20日00：00開始低層SRH一直維持正值，05：00突增，雖然06：00～07：00有所下降，但05：00～10：00總體維持較高的態勢，正值的低層SRH一直維持到16：00，之后轉為負值，15：00降水結束，對降水具有較好的指示意義；06：00高層SRH突增，09：00以后正負擺動，對于此次過程而言，在降水開始前高層SRH突增，降水結束后轉負，對強降水時段具有較好的指示意義。

2.4 2017年7月14日的強對流

受高空槽和低空切變共同影響，2017年7月15日廊坊市文安縣出現了雷暴大風與強降水共存強對流天氣，15日05：00出現強降水，降水持續時間較短，從15日04：00持續到10：00，從14日23：00開始低層SRH一直維持正值，在降水結束后仍維持正值，17：00轉負；15日00：00高層SRH轉正后一直維持，但總體值較小，降水結束以后，低層SRH開始轉負，隨后正負擺動，對于本次過程而言，高、低層SRH均對降水具有較好的指示意義（圖4）。

2.5 2019年6月18日的強對流

受高空西北氣流和低層切變的影響，2019年6月18日20：00廊坊市文安縣出現了雷暴大風與強降水共存強對流天氣，19日00：00以前，低層SRH一直維持正值，但數值較小，一直到19日00：00，低層SRH開始轉負，對于降水開始的時間指示意義不大，但在降水期間均維持正值。高層SRH一直在正負擺動，18日21：00

—19日00：00為正值，降水結束后依然維持正負擺動（圖5）。

3 垂直螺旋度在雷雨大風天氣中的應用

垂直螺旋度能反映天氣系統的生成與發展狀況及天氣現象的劇烈程度，選取廊坊市2012—2021年共15次雷雨大風共存個例，計算其過程中垂直螺旋度，簡要分析天氣與垂直螺旋度的對應關系，垂直螺旋度的大值中心和強梯度帶與對流活動區域有很好的對應關系。從主要影響系統來看，中高層500 hPa和200 hPa系統與垂直螺旋度并沒有很好的對應關系，而中低層700 hPa 切變線、低渦等影響系統與之對應均較好（圖略）。

總的來說，對流層中高層垂直螺旋度與強對流活動對應較差，垂直螺旋度對低層系統的生成和發展具有較好的指示意義，與風暴相對螺旋度有所區別，垂直螺旋度更傾向于反映系統維持、發展狀況的研究。

4 結論

利用ERA5再分析資料、地面國家氣象觀測站降水量、風場資料等，選取廊坊市2012—2021年共15次雷雨大風共存個例，計算了其過程中風暴相對螺旋度和垂直螺旋度的發展演變規律和過程與影響系統的對應關系，結論如下：

（1）不同過程高、低層SRH對于降水的指示意義不同，但過程發生前SRH高和SRH低多為正值，至少提前1 h的SRH低為正值。在降水持續時刻SRH大多維持正值。每次過程高、低層的SRH對過程的指示程度不同，總的來看，低層SRH的指示意義更好。

（2）強對流發生在水平螺旋度分布的中心區域附近和強梯度帶附近，并與對流活動結束時間的對應關系較好，總體來看，水平螺旋度對強對流發生具有一定的指示意義。

（3）垂直螺旋度能反映天氣系統的生成與發展狀況及天氣現象的劇烈程度，垂直螺旋度的大值中心和強梯度帶與對流活動區域有很好的對應關系，從主要影響系統來看，中高層500 hPa和200 hPa系統與垂直螺旋度并沒有很好的對應關系，而中低層700 hPa切變線、低渦等影響系統與之對應均較好。垂直螺旋度對低層系統的生成和發展具有較好的指示意義，與風暴相對螺旋度有所區別，垂直螺旋度更傾向于反映系統維持、發展狀況的研究。

參考文獻

[1] 岳彩軍，郭煜，壽紹文，等.螺旋度在我國多種災害性天氣研究中的應用進展[J].暴雨災害，2011，30（2）：107-116.

[2] 路志英，陳靖，田碩，等.基于風暴相對螺旋度的降雨預報模型檢驗[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（3）：9-14.

[3] 王麗榮，胡志群，匡順四.應用雷達產品計算風暴相對螺旋度[J].氣象，2006（4）：45-51.

[4] 譚志強，王敏，李婷，等.2014年8月15—16日寧夏強對流天氣螺旋度分析[J].干旱氣象，2015，33（6）：926-933.

[5] 石燕茹，壽紹文，王麗榮，等.風暴相對螺旋度與強對流天氣類型的關系分析[J].氣象與環境學報，2011，27（1）：65-71.

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[7] 柳宏英，余建華，擺琰，等.風暴相對螺旋度在昌吉州大降水中的應用分析[J].沙漠與綠洲氣象，2013，7（5）：40-43.