垂直螺旋度和TBB特征在暴雨、暴雪中的應(yīng)用

楊保成

（呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008）

0 引言

呼倫貝爾市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，因地理位置處在溫帶北部，全年平均氣溫較低。暴雨、暴雪是該地區(qū)主要災(zāi)害性天氣，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)及交通運(yùn)輸造成嚴(yán)重的影響。

近年來，許多專家對不同區(qū)域的暴雨、暴雪天氣進(jìn)行了研究，如姜學(xué)恭等［1］對一次阻塞型華北對流性暴雨過程進(jìn)行了診斷分析，指出了高低空急流對暴雨的作用；張桂蓮等［2］對內(nèi)蒙古中西部地區(qū)極端大暴雨特征進(jìn)行了分析，指出極端暴雨下的中尺度對流特征；孫永剛等［3］研究指出高低空急流位置及其耦合作用對暴風(fēng)雪的形成至關(guān)重要；張桂蓮等［4］對大興安嶺地區(qū)暴雪天氣進(jìn)行了診斷分析，表明濕位渦密集帶與暴雪有一定的對應(yīng)關(guān)系；黃曉璐等［5］對2020 年初內(nèi)蒙古一次暴雪天氣的成因進(jìn)行了分析，揭示了強(qiáng)鋒生區(qū)與暴雪落區(qū)的相關(guān)關(guān)系；李娜等［6］對烏魯木齊暴雪的鋒面進(jìn)行了分析，指出了鋒面對暴雪過程中水汽輻合和動力抬升的重要作用；李桉孛等［7］對新疆北部暴雪動力特征進(jìn)行了分析，闡述了垂直螺旋度在暴雪過程中的重要作用。

總體而言，針對區(qū)域性暴雨、暴雪天氣成因的機(jī)理研究很多，但通過垂直螺旋度和相當(dāng)黑體亮溫（Black Body Temperature，TBB）特征方面診斷研究呼倫貝爾地區(qū)暴雨、暴雪天氣的比較少。鑒于此，本研究以呼倫貝爾地區(qū)2018 年7 月7 日至8 日暴雨天氣和2017 年2 月15 日至16 日暴雪天氣為例，重點(diǎn)分析垂直螺旋度特征和云圖TBB 特征，探討其在暴雨、暴雪天氣方面的應(yīng)用，期望能夠為這類天氣過程預(yù)報提供科學(xué)合理的參考依據(jù)。

1 資料選取與研究方法

1.1 資料選取

本研究利用NCEP 資料（網(wǎng)格距1°×1°經(jīng)緯度，6 h 一次全球再分析資料）；觀測資料選用呼倫貝爾地區(qū)氣象站降水量、高度場、風(fēng)場等資料；暴雨、暴雪相應(yīng)時段的FY-2E云圖TBB資料。

1.2 研究方法

1.2.1 垂直螺旋度。螺旋度是描述環(huán)境風(fēng)場氣流沿運(yùn)動方向旋轉(zhuǎn)程度和運(yùn)動強(qiáng)弱的物理量，能夠較好描述大氣運(yùn)動特征，近年來被廣泛用于天氣動力學(xué)研究，特別是暴雨和暴雪等研究中。本研究將借助垂直螺旋度，研究呼倫貝爾地區(qū)暴雨、暴雪的動力學(xué)特征。在等壓坐標(biāo)系中，垂直螺旋度計算方式如式（1）。

式中：u，v，w分別為等壓坐標(biāo)系中x方向，y方向和垂直方向的速度，z為垂直方向上的渦度。

1.2.2 云圖TBB 特征。云圖的TBB 特征，可以揭示云發(fā)展的一些特征,直觀地展示出中、小尺度天氣系統(tǒng)中的云演變特征。暴雨、暴雪等天氣一般出現(xiàn)在中尺度云團(tuán)邊緣TBB 等值線梯度最大處或云團(tuán)合并的地方。

2 天氣過程概述

2018 年7 月7 日至8 日，呼倫貝爾地區(qū)出現(xiàn)暴雨天氣，在241 個氣象監(jiān)測站中有232 個站出現(xiàn)降水，其中38 個站出現(xiàn)暴雨，降水超過50 mm。此次強(qiáng)降水落區(qū)主要出現(xiàn)在大興安嶺嶺東地區(qū)，以陣性降水為主，除強(qiáng)降水外局地還伴有冰雹災(zāi)害。本研究選取暴雨中4 個典型站（興隆水庫站、坤密爾堤辦事處新農(nóng)村站、成吉思汗站和薩滿街站）進(jìn)行分析，興隆水庫站本次過程降雨量最大為83.5 mm，作為典型站1，坤密爾堤本次過程降雨66.2 mm，作為典型站2，成吉思汗站和薩滿街站作為本次暴雨小時雨強(qiáng)最大的代表站，小時雨強(qiáng)分別為27.5 mm 和20.7 mm，分別作為典型站3和典型站4。從8日05:00至20:00逐小時降雨量分析（見圖1），雨強(qiáng)比較大的時段為5:00至6:00，8:00至9:00，12:00至14:00，17:00至19:00四個時段，其中前三個時段為混合型降雨（穩(wěn)定性降雨中也伴隨雨強(qiáng)突然增強(qiáng)的對流性降雨），最后一個時段為中尺度對流云團(tuán)造成的對流性降雨。

圖1 2018年7月8日05:00至8日20:00各站逐小時降雨量

2017 年2 月15 日至16 日呼倫貝爾地區(qū)出現(xiàn)暴雪天氣，集中在呼倫貝爾中部地區(qū)。全市共20個氣象觀測站出現(xiàn)降雪，其中呼倫貝爾市中部的陳巴爾虎旗出現(xiàn)暴雪，降雪量為11 mm，積雪深度凈增9 cm；鄂溫克旗、牙克石市、海拉爾區(qū)及西部的滿洲里市出現(xiàn)大雪，降雪量為5.2~7. 3 mm。陳巴爾虎旗15 日14：00 至16 日02：00 逐小時降雪量（見圖2）分布表明，降雪最強(qiáng)時段出現(xiàn)在15日16：00 至18：00，雪強(qiáng)達(dá)1.7 mm·h-1。本次過程降雪強(qiáng)度大，伴隨局地較強(qiáng)陣風(fēng)，呼倫貝爾中部地區(qū)出現(xiàn)暴風(fēng)雪，海拉爾區(qū)、陳巴爾虎旗及新巴爾虎右旗出現(xiàn)白毛風(fēng)等災(zāi)害性天氣，野外能見度不足100 m。

圖2 2017年2月15日14：00至16日02：00陳巴爾虎旗(119.4°E，49.3°N)逐小時降雪量

3 環(huán)流形勢特征

3.1 暴雨過程環(huán)流特征

分析2018 年7 月7 日08：00 高空環(huán)流場，500 hPa 亞歐大陸為兩槽一脊型，貝加爾湖地區(qū)（以下簡稱貝湖）有一深槽，槽前疏散結(jié)構(gòu)表明槽進(jìn)一步發(fā)展。同時，位于呼倫貝爾下游的鄂霍茨克海（以下簡稱鄂海）高壓異常強(qiáng)盛，使冷渦呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。8 日08：00 呼倫貝爾東南部地區(qū)處于西南暖濕急流中。200 hPa 高空風(fēng)場表明降水典型站處于高空急流出口區(qū)左側(cè)，高空抽吸作用顯著，利于水汽的動力抬升。同時08：00 低層850 hPa 呼倫貝爾地區(qū)偏南風(fēng)速達(dá)到18 m·s-1，高、低空急流的耦合作用顯著，利于暴雨等極端性天氣出現(xiàn)。14：00 由于鄂海阻高的影響，冷渦繼續(xù)維持準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，呼倫貝爾地區(qū)整層處于偏南風(fēng)場之中。20：00呼倫貝爾西南部處于偏西氣流中，降水減弱。9 日08：00 隨著冷空氣不斷加強(qiáng)滲透，呼倫貝爾地區(qū)逐漸被干冷空氣控制，暴雨過程趨于結(jié)束。

3.2 暴雪過程環(huán)流特征

分析2017 年2 月12 日08：00 高空場500 hPa環(huán)流形式，亞洲中高緯地區(qū)呈兩脊一槽形，烏拉爾山和鄂霍茨克海分別為長波脊影響，西西伯利亞北部存在溫度場為-46 ℃的極渦，強(qiáng)度為5 000 gpm。隨著系統(tǒng)發(fā)展，烏拉爾山長波脊進(jìn)一步東移，脊前偏北氣流引導(dǎo)極地冷空氣南下，促使高空冷渦東移加強(qiáng)。15 日08：00 高空冷渦移到貝加爾湖北部，分裂的冷空氣開始影響呼倫貝爾地區(qū)，為本次暴雪天氣過程提供了冷空氣源。

隨著冷空氣的不斷滲透，15 日14：00 500 hPa冷渦底部的淺槽發(fā)展加深，呼倫貝爾地區(qū)處于槽前西南暖濕氣流中，暖濕氣流為降雪過程提供大量的水汽輸送，配合西北部冷平流，呼倫貝爾地區(qū)冷、暖空氣交匯，降雪得以增強(qiáng)；15 日14：00 呼倫貝爾地區(qū)850 hPa 為低槽前部西南急流控制，西南急流從錫林郭勒盟北部一直延伸到呼倫貝爾市南部，中心風(fēng)速高達(dá)22 m·s-1。由于西南低空急流的存在，為暴雪過程提供充足的水汽和能量條件，呼倫貝爾地區(qū)處于高空急流出口區(qū)左側(cè)，高、低空急流耦合作用，進(jìn)一步促進(jìn)了空氣柱的上升運(yùn)動，利于暴雪天氣出現(xiàn)。

4 垂直螺旋度特征

4.1 暴雨過程垂直螺旋度特征

分析此次暴雨天氣中的垂直螺旋度平面圖特征（圖略），850 hPa 垂直螺旋度正的大值落區(qū)呈近似橢圓狀，對比實況降雨量，暴雨典型站處于螺旋度正的大值落區(qū)之中。

對垂直螺旋度做空間剖面分析（見圖3）,表明在暴雨區(qū)上空850 hPa 和700 hPa 各存在一個大的正值中心,說明垂直螺旋度伸展較高，正渦度與垂直速度都較大，這些都有利于垂直運(yùn)動的增強(qiáng)，利于暴雨的產(chǎn)生。

圖3 8日08:00沿124°E垂直螺旋度剖面（單位：10-6 m·s-2）（黑色粗直線為強(qiáng)降雨區(qū)）

4.2 暴雪過程垂直螺旋度特征

2 月15 日14：00 在呼倫貝爾西部地區(qū)出現(xiàn)100×10-6m·s-2的正值中心，與之對應(yīng)呼倫貝爾中、西部開始出現(xiàn)降雪。20：00 中心值加強(qiáng)達(dá)到140×10-6m·s-2，同時正值長軸繼續(xù)呈南北走向并略有東移，對比實況降雪，14：00 至20：00 正是呼倫貝爾中部降雪最強(qiáng)的時段。

垂直螺旋度沿49°N 的緯向剖面（見圖4），反映了強(qiáng)降雪期間相應(yīng)地區(qū)垂直螺旋度的特征。14：00 在呼倫貝爾中部（115°E~119°E）上空出現(xiàn)正的垂直螺旋度，且伸展較高，達(dá)到400 hPa；20：00正的垂直螺旋度區(qū)域進(jìn)一步東移，正值區(qū)域在900~500 hPa 之間，伸展高度明顯降低，但強(qiáng)度增強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)到180×10-6m·s-2，且位于呼倫貝爾中部強(qiáng)降雪區(qū)域上方850 hPa處。造成這一現(xiàn)象的原因表現(xiàn)為：14：00 至20：00 是強(qiáng)降雪集中時段，強(qiáng)降雪在降落過程產(chǎn)生的拖曳作用使得上升運(yùn)動中心高度迅速下降，降雪效率提高，從而使垂直伸展高度下降。16 日08：00，正的垂直螺旋度明顯東移且強(qiáng)度減弱，實況顯示降雪已趨于結(jié)束。垂直螺旋度剖面分析表明：強(qiáng)降雪發(fā)生時段，在高層有冷空氣的不斷侵入，低層配合東南急流的暖濕輸送，進(jìn)一步加劇了降雪區(qū)的不穩(wěn)定因素，使得垂直渦度和上升速度加大，垂直螺旋度強(qiáng)度加強(qiáng)，這對強(qiáng)降雪的產(chǎn)生提供了一定的指示意義。

圖4 15日14：00沿49°N垂直螺旋度剖面（單位：10-6 m·s-2）（黑色實點(diǎn)為強(qiáng)降雪區(qū)）

5 衛(wèi)星云圖TBB特征

5.1 暴雨過程云圖TBB特征

云圖TBB(相當(dāng)黑體亮溫)資料可以揭示出云的存在和云所處演變階段中的一些顯著特征。TBB特征可以直觀地展示出各種不同天氣系統(tǒng)的云型特征,從而可以推演發(fā)生在大氣中的動力和熱力過程。

從FY2E 紅外云圖的TBB 特征分析（圖略），06：00 站1 和站2 處于TBB 大值區(qū)向小值區(qū)過渡的邊緣，TBB 值在-45~-50 ℃之間，TBB 梯度較大。13：00 站1 和站2 同樣處于TBB 大值區(qū)底部梯度過渡帶中，對比實況降雨，06：00 站1 小時降雨17.3 mm，13：00 站1 降雨18.4 mm，14：00 站2 降雨17.1 mm。17：00在呼倫貝爾東南部出現(xiàn)對流云團(tuán)，18：00 對流云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展，TBB 特征分析表明，18：00對流云頂亮溫達(dá)到-50~-55 ℃之間，站3和站4 均處于TBB 大值區(qū)底部梯度過渡帶中，且梯度異常大。19：00 對流云團(tuán)進(jìn)一步東移，TBB 大值區(qū)有所擴(kuò)大且呈南北走向，站3 依然處于TBB 大值區(qū)底部梯度過渡帶中，對比實況降雨，站3 在18：00 至19：00 降雨達(dá)到27.5 mm，站4 在17：00 至19：00 降雨達(dá)到31 mm，說明TBB 梯度值異常大，對應(yīng)能量鋒區(qū)較強(qiáng)，利于中、小尺度天氣系統(tǒng)劇烈發(fā)展，對流增強(qiáng)，易出現(xiàn)短歷時強(qiáng)降雨。

5.2 暴雪過程云圖TBB特征

分析此次降雪的FY2E紅外云圖TBB（相當(dāng)黑體亮溫）特征，15:30 陳巴爾虎旗站TBB 值在-45~-50 ℃區(qū)域內(nèi)，16:30 隨著云團(tuán)北移，陳巴爾虎旗站南側(cè)TBB 梯度進(jìn)一步加大，對比實況降雪，15:00、16:00 陳巴爾虎旗站降雪強(qiáng)度分別為1.3 mm·h-1和0.9 mm·h-1。17:30和18:30陳巴爾虎旗站南側(cè)有云團(tuán)發(fā)展，云團(tuán)的云頂亮溫低值（-45~-50 ℃）范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，陳巴爾虎旗站處于南北向TBB 梯度異常大值帶中，降雪強(qiáng)度達(dá)到最大1.7 mm·h-1。后期冷空氣不斷滲透，低層逐漸被冷空氣取代，TBB 大值范圍也整體減小東北移，降雪趨于結(jié)束。

6 結(jié)論

①鄂海阻塞形式的存在，使高空冷渦維持穩(wěn)定，地面至高空存在冷空氣與槽前暖濕氣流匯合。無論暴雨還是暴雪天氣，都存在高空急流與低空急流的耦合作用，利于系統(tǒng)的增強(qiáng)。

②暴雨（雪）發(fā)生時段，高層有冷空氣的不斷侵入，低層配合東南急流的暖濕輸送，進(jìn)一步加劇暴雨（雪）區(qū)的不穩(wěn)定因素，使得垂直渦度和上升速度加大，垂直螺旋度強(qiáng)度加強(qiáng)，垂直螺旋度大的正值落區(qū)對預(yù)測暴雨（雪）的產(chǎn)生提供了一定的指示意義。

③一般在暴雨（雪）集中時段，暴雨（雪）在降落過程產(chǎn)生的拖曳作用使得垂直螺旋度上升運(yùn)動中心高度迅速下降，暴雨（雪）降水效率也隨之提高。

④TBB 特征等值線高、低值過渡帶中，如果TBB 梯度值異常大，一般對應(yīng)能量鋒區(qū)較強(qiáng)，利于中、小尺度天氣系統(tǒng)劇烈發(fā)展，對流增強(qiáng)，易出現(xiàn)暴雨（雪）天氣。