兩次氣旋暴雨過程風(fēng)廓線特征分析

孫貞，徐曉亮，盛春巖，李德萍，王建林，高榮珍，李斌

（1.青島市氣象局，山東青島266003；2.山東省氣象科學(xué)研究所，山東濟(jì)南 250031）

兩次氣旋暴雨過程風(fēng)廓線特征分析

孫貞1，徐曉亮1，盛春巖2，李德萍1，王建林1，高榮珍1，李斌1

（1.青島市氣象局，山東青島266003；2.山東省氣象科學(xué)研究所，山東濟(jì)南 250031）

利用對流層風(fēng)廓線雷達(dá)的高時空分辨風(fēng)場數(shù)據(jù)，對2008年8月17日、30～31日分別從東西兩個不同路徑經(jīng)過青島的氣旋暴雨過程，計算了高中低不同層次風(fēng)暴相對螺旋度（SRH）、最大風(fēng)速及其高度等。經(jīng)過分析和對比，得出中低層SRH對氣旋的移近和降水的開始具有一定的預(yù)示作用。越接近氣旋中心低層暖平流越強(qiáng)。中低層SRH在兩次氣旋暴雨過程作用各有不同。氣旋暴雨過程中較強(qiáng)的雨強(qiáng)出現(xiàn)在中層SRH增大至峰值和低層SRH迅速增大的過程，也就是中層SRH向低層擴(kuò)展的過程。中低層間的急流軸變窄的過程與暴雨的強(qiáng)度密切相關(guān)。

風(fēng)廓線雷達(dá)；風(fēng)暴相對螺旋度；暴雨

1 引言

2008年8月17日，2008年8月30～31日有兩次江淮氣旋北上，分別從青島東部和西部經(jīng)過，給青島全區(qū)造成了暴雨，局部大暴雨。本文利用上馬對流層風(fēng)廓線資料，結(jié)合上馬自動氣象站降雨數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析這兩次經(jīng)過東、西不同路徑氣旋的風(fēng)廓線特征。

由于風(fēng)廓線雷達(dá)的時間和空間分辨能力超過任何一種高空風(fēng)測量系統(tǒng)，其探測的資料在局地暴雨、冰雹等夏季強(qiáng)對流天氣預(yù)報中的應(yīng)用越來越受到人們的重視。劉淑媛等[1～6]等利用風(fēng)廓線雷達(dá)對暴雨過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。楊引明等[5～6]著重討論了強(qiáng)對流天氣過程風(fēng)廓線雷達(dá)資料的特征。張京英、漆梁波等用雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品分析一次暴雨與高低空急流的關(guān)系[23]。黃偉、張勇等[7～9]也利用風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行了應(yīng)用研究。在大多數(shù)的文獻(xiàn)中利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料多為定性分析，定量分析少，特別是對江淮氣旋的分析甚少。

本文利用位于青島上馬的對流層風(fēng)廓線資料計算了高、中、低不同層次的風(fēng)暴相對螺旋度、最大風(fēng)速及其高度、急流強(qiáng)度等定量指標(biāo)，試圖找出兩次不同江淮氣旋暴雨過程風(fēng)廓線特征的相同點和不同點。為了充分利用高時空的資料，同時也為了盡量減少原始資料信息的損耗，對5分鐘的探測資料采用6點平滑處理，得到間隔5分鐘的半小時平均資料。由于風(fēng)廓線探測得到的垂直速度是探測的降水粒子與大氣運動的合成，為了嚴(yán)謹(jǐn)起見本文未對此進(jìn)行分析。

2 降水過程簡述

2008年8月17日8時～22時受北上江淮氣旋影響，青島全區(qū)普降大到暴雨[14]。從南到北造成超過100 mm的大暴雨帶，青島60.4 mm，上馬站及周邊5～8 km范圍內(nèi)共3個自動氣象站平均降雨量為52.2 mm，上馬站降雨量為49.8 mm。這次氣旋是從青島的上馬站西部移過，從上馬站氣壓曲線圖中（圖略）可以看出氣旋中心在17日21:05時最低，表明此時氣旋中心距離上馬以西大約20 km，之后向山東半島的東北方向移去。

2008年8月30日18時～31日15時同樣受北上江淮氣旋影響，青島全區(qū)也是普降大到暴雨，超過100 mm的大暴雨站點為點狀沿海岸線分布[10]，青島84.8 mm，上馬周邊3個自動氣象站平均降雨量為57.8 mm，上馬站降雨量為51.2 mm。這次氣旋是從青島東部海上經(jīng)過,同樣從上馬站氣壓曲線圖中（圖略）可以看出氣旋中心在31日8時35分時最低，表明此時氣旋中心距離上馬以東大約200 km海上，之后氣壓逐漸上升，云圖顯示氣旋離開青島附近海域向黃海東部、朝鮮半島南部移去。兩次氣旋路徑圖見圖1。圖中實線部分為氣旋造成青島暴雨時段的路徑。

3 風(fēng)廓線特征分析

3.1 風(fēng)暴相對螺旋度（SRH）定義

螺旋度是表征流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運動的動力特性的物理量，氣象學(xué)家將螺旋度引入到天氣學(xué)領(lǐng)域，定義水平方向上的螺旋度為風(fēng)暴相對螺旋度（Storm Relative Helicity），即水平相對速度和水平渦度的積：

SRH單位：m2·s-2，V為環(huán)境風(fēng)速，C為風(fēng)暴傳播速度，ωH為水平渦度。

SRH是研究風(fēng)暴的重要物理量，在風(fēng)暴初期SRH比垂直螺旋度更具預(yù)示性，中低層大的SRH的輸送和變形,有助于垂直螺旋度的形成和增長，SRH的大值區(qū)與風(fēng)暴的運動、風(fēng)暴的發(fā)展增強(qiáng)有很好的相關(guān)性。章東華等[11～15]先后采用螺旋度對強(qiáng)對流天氣和暴雨進(jìn)行了診斷分析，得出其與暴雨的相關(guān)性。王麗榮應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)提供的垂直風(fēng)廓線(VWP)計算了暴雨、冰雹、大風(fēng)等個例的風(fēng)暴相對螺旋度，并指出風(fēng)暴相對螺旋度在短時預(yù)報中有實際應(yīng)用價值，對預(yù)報強(qiáng)風(fēng)暴有重要意義，有研究把SRH＞150 m2·s-2作為警戒值。

圖1 兩次江淮氣旋中心移動路徑圖

Davies-Jones等（1990）發(fā)展了利用單站探空風(fēng)資料計算風(fēng)暴相對螺旋度公式[21]：

式中：un、vn為相應(yīng)層上的風(fēng)分量，cx、cy是風(fēng)暴傳播速度C的分量，C的取法：取各層平均風(fēng)速的75%，且風(fēng)向右偏40°。

本文依據(jù)該公式利用風(fēng)廓線資料計算得到高分辨的風(fēng)暴相對螺旋度數(shù)據(jù)，分析氣旋暴雨過程中風(fēng)暴相對螺旋度的演變特征。

3.2 風(fēng)暴相對螺旋度（SRH）的變化分析

由風(fēng)暴相對螺旋度的定義可知，風(fēng)暴相對螺旋度不僅表征了環(huán)境場的旋轉(zhuǎn)程度，而且還表示輸入到對流系統(tǒng)中的環(huán)境渦度的多少。同時風(fēng)暴相對螺旋度為正值表明風(fēng)順高度順轉(zhuǎn)，有暖平流。風(fēng)暴相對螺旋度為負(fù)值表明風(fēng)順高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流。風(fēng)暴相對螺旋度即相對風(fēng)暴系統(tǒng)的水平風(fēng)速和水平渦度的積。由文獻(xiàn)[17]可知其正值異常增大(即二者同號，相互配合)可能是相對于風(fēng)暴的水平風(fēng)速增大，也可能是水平渦度增大或二者都增大，都會對應(yīng)大氣的異常狀態(tài)。

圖2 2008年8月17日(a)、30～31日(b)氣旋暴雨過程的風(fēng)暴相對螺旋度(SRH)(圖中柱狀圖為雨量，下同)

為了清楚分析氣旋影響時高、中、低空三層的SRH的變化情況，本文將0～2 km規(guī)定為低層，2～6 km為中層，6～8 km為高層，分別計算了三層SRH。圖2（a、b）為8月17日、31日三層SRH序列圖。圖中柱狀為上馬站周邊三個自動氣象站平均降水量（下同）。

圖2 a為8月17日的SRH圖。從圖中可以看出，降水開始前，中層在100 m2·s-2左右，高層70 m2·s-2，低層SRH比中高層SRH都小，在0線以下為負(fù)值。降水開始后，高層呈下降趨勢，逐漸下降到0線附近振蕩，降水前降為負(fù)值。而降水開始后，中低層逐漸升高，分別到達(dá)到各自最高點后逐漸下降。中層SRH于13:05時達(dá)到最高355.7 m2·s-2。之后呈波狀逐漸下降。低層SRH于14:55時達(dá)到最高376.2 m2·s-2，并超過中層。之后與中層SRH呈交替逐漸下降。20:50時中層SRH已到0線附近，達(dá)到本次降水的最小值。低層從20:35分開始迅速下降，降水結(jié)束后降到負(fù)值。

圖2 b為8月30日08:25時～31日21:05時的SRH圖。從圖中可以看出，30日下午降水開始前，中層在100 m2·s-2左右，這與17日過程相似。高層、低層在0線附近。降水開始后中低層始終逐漸上升。中層在31日2:45時達(dá)到本次降水的最高值571.5 m2·s-2，5:25時達(dá)到本次降水的次高值570 m2·s-2，之后迅速下降一直到降水結(jié)束。低層SRH于7:20時達(dá)到最高507.3 m2·s-2，超過中層，之后逐漸下降。在31日11:00～13:30時第二次降水期間低層再次上升，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中層和高層，達(dá)到310 m2·s-2。降水結(jié)束后，中層SRH降為三層中最小，低于0線以下。

比較來看，兩次氣旋暴雨的風(fēng)暴相對螺旋度各層SRH表現(xiàn)有相同點，也有不同點。

兩次氣旋暴雨在降雨開始前數(shù)小時中層SRH都達(dá)到了100 m2·s-2并且較為穩(wěn)定，表明在發(fā)展的氣旋逐漸移近時，環(huán)境場的中層2～6 km的暖平流較強(qiáng)。隨著氣旋系統(tǒng)的移近，中低層SRH逐漸上升，說明中低層暖平流越來越強(qiáng)，從環(huán)境場流入氣旋系統(tǒng)的環(huán)境水平渦度越來越多，通過上升運動將進(jìn)入系統(tǒng)的中低層水平渦度轉(zhuǎn)化為垂直渦度的越來越多，有利于垂直運動的維持，有利于氣旋環(huán)流發(fā)展[24]。這表明中低層SRH的變化對氣旋降水系統(tǒng)的移近和降水的開始具有一定的預(yù)示作用。這個結(jié)論在一定程度上印證了陸慧娟等[17]所指出的“水平螺旋度更具預(yù)示性，對預(yù)報強(qiáng)風(fēng)暴有指示意義”的論斷。

由準(zhǔn)地轉(zhuǎn)傾向方程可知，暖平流使低層氣旋環(huán)流發(fā)展，高層反氣旋環(huán)流發(fā)展。兩次暴雨期間先是中層SRH增大到最大后，之后低層SRH增大，中層SRH降低。說明較強(qiáng)的中層暖平流先是使得中層氣旋環(huán)流逐漸加強(qiáng)。隨著中層SRH由高走低，低層SRH增大，中層氣旋環(huán)流減弱，低層氣旋環(huán)流增強(qiáng)，表明氣旋影響時存在著中層SRH向低層的傳遞的過程，從后面分析可以知道這個過程還對應(yīng)著降雨強(qiáng)度的增強(qiáng)。

從圖2還可看出，兩次氣旋暴雨過程時高層SRH在0線附近甚至為負(fù)值小于0，說明高空有水平渦度流出氣旋降水系統(tǒng)，反映出高層氣流處于輻散狀態(tài)。我們知道在成熟氣旋中低層有輔合，高層有輻散[25]。這種高層SRH與中低層SRH的配置正是與低層輻合高層輻散的抽吸機(jī)制相對應(yīng)，有利于上升運動的發(fā)展，從而導(dǎo)致暴雨的發(fā)生。

再對比兩次氣旋暴雨的SRH和雨強(qiáng)變化，還可以發(fā)現(xiàn)雨強(qiáng)與中低層SRH的峰值關(guān)系密切。兩次暴雨過程中較強(qiáng)的雨強(qiáng)都出現(xiàn)在中層SRH兩個峰值之間和低層SRH迅速增大的過程。例如：17日13:55～14:55時和31日4:00～5:00時。

從曲線形態(tài)上還可以看到，在氣旋離開后各層SRH都迅速下降，曲線形態(tài)較為平滑，與上升階段明顯不同。表明暖平流影響期間環(huán)境氣流中存在著頻率較高的脈動，而冷平流影響期間環(huán)境氣流風(fēng)速較為一致脈動較小。

進(jìn)一步分析兩次暴雨過程的SRH與降水的關(guān)系，可以看到中低層SRH在兩次氣旋暴雨過程中的作用是不同的。

17日主要降水時段為9:25～21:10時。低層SRH于14:25時超過中層SRH，14:55時低層SRH達(dá)到最高376.2 m2·s-2，此時距離21:05時氣旋中心最近時刻大約有6個小時左右時間，這段時間的降水量為45 mm。在這段時間里低層SRH的數(shù)值雖呈逐漸下降趨勢，但是下降趨勢比中層下降趨勢要小，數(shù)值上也比中層SRH總體上要大。氣旋中心于21:05時開始向東北移動遠(yuǎn)離上馬站后，受氣旋后部冷平流影響低層SRH迅速降低到0線以下，這次過程的降水也停止。表明17日的降水過程中低層SRH作用大于中層SRH。

圖3 2008年8月17日高、中、低三層最大風(fēng)速(a)、最大風(fēng)速高度(b)和31日高、中、低三層最大風(fēng)速(c)、最大風(fēng)速高度(d)

圖4 2008年8月17日急流強(qiáng)度(a)和31日急流強(qiáng)度(b)

在31日過程的主要降水時段30日23:05～31日10:15時中，低層SRH在31日7:20時才達(dá)到最高值507.3 m2·s-2，此時距離8:35時氣旋中心最近時，只有約1小時左右時間，距離第一次降水停止10:15時，大約有2個半小時。在30日23:05～31日7:00時這段降水期間中層SRH大于低層SRH，表明中層SRH起著主要作用。另外從圖中還可以看出在31日11:05～13:30時的降水時段中則主要是低層SRH在起作用。

以上分析說明17日氣旋影響時的低層SRH對降水起的作用大于中層SRH。31日的主要降水過程則是中層SRH作用大于低層SRH。從另外一個角度來說，17日的中低層SRH特征表明在氣旋中心附近，環(huán)境場的低層SRH要大于中層SRH，說明氣旋中心的低層暖平流大于中層暖平流。31日的中低層SRH特征表明，在氣旋中心的西側(cè)，中層SRH要大于低層SRH，表明在氣旋中心的西側(cè)的中層暖平流要大于低層暖平流。上述分析表明越接近氣旋中心低層暖平流越強(qiáng)，強(qiáng)暖平流的高度越低。

3.3 急流的變化特征

低空急流對于暴雨的形成，一方面起著輸送水汽和能量的作用，另一方面又有助于維持必要的動力學(xué)條件[17]。劉淑媛[1]、朱乾根、孫淑清、張京英、曹春燕、金巍[19～25]等分別分析了低空急流脈動與暴雨過程關(guān)系，指出低空急流的脈動及向地面擴(kuò)展程度與暴雨之間存在密切關(guān)系。低空急流到達(dá)測站上空不一定立刻引發(fā)強(qiáng)降水，每次強(qiáng)降水或強(qiáng)烈天氣的發(fā)生都對應(yīng)一次西南急流的迅速脈動加強(qiáng)和向下擴(kuò)展。

為了分析17、31日兩次暴雨過程急流，計算了高中低三層的最大風(fēng)速，以及最大風(fēng)速的高度，以此來對比各層急流的變化。

由圖3可以看到，17日降水開始前，低層最大風(fēng)速平均10 m/s左右，中高層平均15 m/s左右。降水開始后，低層風(fēng)速逐步增大15 m/s以上，最大達(dá)到了18 m/s，三層最大風(fēng)速逐漸趨于一致，差距不明顯。隨著氣旋于21:05時以后逐漸離開上馬，低層最大風(fēng)速迅速降低，以后隨著冷空氣的到來又逐漸回升。

從各層最大風(fēng)速的高度來看，17日6 km以上高層的最大風(fēng)速高度變化不大，總體趨勢略呈下降趨勢。在降水期間中層最大風(fēng)速高度先是下降然后向上升高，低層最大風(fēng)速高度則先是向上升高，之后在降水后期向下降低。降水結(jié)束后，高層的高度下降，中層升高，低層最大風(fēng)速高度回升。

值得注意的是在降水期間，中低層最大風(fēng)速高度逐漸靠近，之后又逐漸分開。從中低層SRH和最大風(fēng)速的對比看到，14:40時低層SRH開始超過中層SRH時，中低層最大風(fēng)速高度相差最小，說明中低層急流的急流高度逐漸靠近。在中低兩層最大風(fēng)速高度靠近時雨強(qiáng)也較強(qiáng)。

31日的降水中同樣在降水前低層最大風(fēng)速在三層中最小，隨著降水的開始低層逐漸增大，最終在8:35時氣旋最近時，超過高中層的最大風(fēng)速。在降水過程中隨著氣旋的靠近，中低層最大風(fēng)速的高度逐漸靠近，雨強(qiáng)也較大。隨著氣旋的離開，中低層最大風(fēng)速的高度迅速拉開了距離。

以上分析顯示出，兩次氣旋暴雨中在中低層的最大風(fēng)速高度差距縮小時，表明中低層急流軸的變窄。急流軸的變窄的過程主要是中層最大風(fēng)速高度的降低，表明偏南氣流從中層向下的擴(kuò)展程度，反映了動量的下傳過程。這個過程對應(yīng)著地面降雨強(qiáng)度的增大。說明中層急流向低層擴(kuò)展的程度與降水的強(qiáng)度有密切關(guān)系。

根據(jù)以上分析可以定義急流強(qiáng)度=中層最大風(fēng)速/（中低層最大風(fēng)速高度差）。圖4給出兩次暴雨的急流強(qiáng)度。可以看出中層的急流強(qiáng)度與降水強(qiáng)度有著較好的對應(yīng)關(guān)系。

4 小結(jié)

（1）利用風(fēng)廓線資料計算的風(fēng)暴相對螺旋度能夠清楚地反映出中低層暖平流的變化。中低層SRH的變化對氣旋降水系統(tǒng)的移近和降水的開始具有一定的預(yù)示作用。高中低三層SRH的配置與低層輻合高層輻散的抽吸機(jī)制相對應(yīng)；

（2）在氣旋暴雨過程中低層的SRH的作用各不相同。氣旋中心附近的低層暖平流大于中層暖平流。在氣旋的西側(cè)，中層暖平流要大于低層暖平流，表明越接近氣旋中心低層暖平流越強(qiáng)，強(qiáng)暖平流的高度越低。兩次暴雨過程中較強(qiáng)的雨強(qiáng)出現(xiàn)在中層SRH兩個峰值之間和低層SRH迅速增大的過程；

（3）在兩次氣旋暴雨過程中存在中低層的最大風(fēng)速高度差距縮小，也即中低層急流軸變窄的過程。這個過程與暴雨的強(qiáng)度密切相關(guān)。據(jù)此計算得到的急流強(qiáng)度與降水強(qiáng)度有著較好的對應(yīng)關(guān)系。

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A

1003-0239（2011）02-0028-07

2009-10-12

山東省科技發(fā)展計劃項目“山東省極端災(zāi)害性天氣特征分析及臨近預(yù)警技術(shù)研究”（2009GG10008001）

孫貞（1973-），女，高級工程師，從事天氣氣候工作。E-mail:wiwix@126.com