2次持续性暴雨天气的螺旋度对比分析

时间：2024-08-31

蒙军，徐良军，李启芬，邓世有，金凡琦

(1.贵州省安顺市气象局，贵州安顺 561000；2.贵州省气象服务中心，贵州贵阳 550002)

0 引言

安顺市地处青藏高原东侧的云贵高原，容易出现范围大、持续时间长、累计雨量大的暴雨天气，常常造成严重的灾害，给人民的生产和生活带来很大的影响。持续性暴雨天气成因复杂，预报难度大，国内外学者对暴雨天气进行了大量的研究，发现系统的螺旋度和暴雨有着密切的联系。卢小丹等[1]提出相对风暴螺旋度在台风暴雨中与强降雨落区有很好的对应关系，并且对预报台风暴雨有至少6 h的提前量。宋雯雯等[2]对四川低涡暴雨的研究指出，低涡类影响系统的涡度作用比散度更明显，这使得垂直螺旋度的垂直结构从低层到高层均变得更为明显。李琴等[3]研究指出垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度等和降雨的相关系数较大。随着科技的发展，利用卫星资料对暴雨天气的预报和研究越来越多，陈传雷等[4]利用TBB卫星资料对辽宁长历时暴雨的中尺度对流系统进行了分析，指出一般性对流云团、暖云和深对流云团均可造成长历时暴雨。王宁等[5]、黎惠金等[6]对暴雨天气过程中的MCC特征进行了研究，指出MCC发展移动和暴雨的强度降雨时长密切相关。然而大部分学者对暴雨的研究仅针对单日暴雨，对超过2 d以上的持续性暴雨天气的研究较少。

2019年6月5—11日和9月5—10日安顺市出现了持续性暴雨天气，造成安顺市部分乡镇不同程度的洪涝灾害。为了提升对持续性暴雨天气的认识，分析持续性暴雨天气的不同，提高本地暴雨预报能力，本文利用NCEP 1°× 1°逐6 h再分析资料、常规观测资料、地面自动站观测资料等对这2次持续性暴雨天气的螺旋度、TBB特征和环流形势等进行对比分析。

1 降雨实况

1.1 过程降雨量分析

根据中国气象局对暴雨的定义，24 h内降雨量达50 mm以上即为暴雨。本文将安顺市范围内的区域自动站中，有1个站出现24 h降雨量超过50 mm定为暴雨天气过程开始日；如连续出现2 d以上超过1个站24 h降雨量≥50 mm，则为持续性暴雨天气过程；将安顺市范围内有0站出现24 h降雨量>50 mm的前1 d定为暴雨天气过程结束日，本文中24 h内降雨量统计时间为前1 d 20时—当日20时。

根据安顺市区域自动站24 h降雨量资料显示，2019年6月5—11日和9月5—10日安顺市分别出现了持续性暴雨天气过程(图1)。6月5—11日天气过程的暴雨集中时段在6月6—7日，最强时段为6月6日，有2站24 h降雨超过200 mm。9月5—10日天气过程的暴雨集中时段在9月8—10日，最强时段为9月9日，有2站24 h降雨超过300 mm，16站24 h降雨超过200 mm，其中镇宁炳云24 h降雨量达到368.8 mm，为2019年贵州省单日单站最大降雨量。

图1 6月5—11日(a)、9月5—11日(b)区域自动站24 h降雨站数

从过程累计降雨量来看(图2)：6月5—11日安顺市有2个监测站累计降雨量超过300 mm，19个监测站累计降雨量超过200 mm，累计降雨量最大的西秀区岩腊达到369.3 mm，大暴雨的落区主要分布在安顺市中东部；9月5—10日安顺市有1个监测站累计降雨量超过400 mm，有2个监测站累计降雨量超过300 mm，有19个监测站累计降雨量超过200 mm，累计降雨量最大的普定白岩降雨量达到490.9 mm，大暴雨的落区主要分布在安顺市西南部。

图2 6月5—11日(a)、9月5—10日(b)累计降雨量(单位：mm)

1.2 逐小时降雨量分析

从逐小时降雨量(图略)看到，6月5—8日期间西秀区岩腊和紫云翁弄的降雨主要为对流性降雨。岩腊有4个时次小时雨量超过20 mm(每小时降雨量大于20 mm即为短时强降雨)，其中有2个时次的小时雨量超过80 mm，最大小时雨量为89.7 mm，降雨主要出现在夜间。9月7—10日普定白岩和镇宁炳云为混合性降雨。白岩有6个时次小时雨量超过20 mm，最大小时雨量为46.7 mm；炳云有8个时次小时雨量超过20 mm，最大小时雨量为70 mm，降雨全天都有出现。6月4—9日相比9月6—10日的降雨对流性更强，小时雨强更强，而9月6—10日的短时强降雨持续时间更长。

2 环流背景分析

6月5—11日期间500 hPa上欧亚为两槽一脊形势，高原上多短波槽活动，贵州处于南亚高压和副热带高压之间的西南水汽输送带中。700 hPa和850 hPa上贵州受到西南气流影响，四川东部有切变维持，这有利于贵州地区的水汽不断积累。地面上在云南东北部有辐合中心维持。贵州西部处于辐合中心东南侧，贵州东部受西南气流影响，辐合中心进入贵州之后沿着西南气流北侧移动，使得安顺中东部出现了大范围的暴雨天气。

9月5—10日期间受到台风法茜影响，500 hPa上副热带高压脊线退至130°E附近，没有副高的阻挡，高原西侧的短波槽易越过青藏高原向四川盆地及以南地区移动，这有利于西南涡的形成[7]。在700 hPa和850 hPa上偏南气流自南海到34°N以北维持，流经贵州地区，孟加拉湾到贵州也有西南气流输送，四川南部维持有低涡发展，使得低涡进入贵州之后可以长时间停留，并且水汽源源不断地向贵州地区输送。地面上辐合中心维持在四川南部，贵州大部分地区受到辐合中心南侧和东侧的偏南气流影响，由于偏南气流的阻挡，辐合中心向南缓慢移动，并且偏南气流不断向辐合中心南侧输送水汽，使辐合中心得以维持。所以9月5—10日降雨量比6月5—11日更强，降雨时间更长，并且暴雨落区主要分布在安顺西部。

2次持续性暴雨天气期间在四川南部都有弱冷空气向贵州输送，贵州西部受到静止锋的影响，冷暖气流在贵州西部交汇，均为降雨提供了有利条件。

3 螺旋度分析

Lilly[8-9]研究指出，强对流风暴具有高螺旋度特征，它的螺旋度从环境场中获得并在浮力效应下增强，同时高螺旋度阻碍了扰动能量耗散，对超级单体风暴的维持有重要作用，稳定的强对流风暴常发生在螺旋度值大的地方。陆慧娟等[10]研究表明，垂直螺旋度更倾向为反映系统维持状况和系统发展、天气现象剧烈程度的一个参数。冉令坤等[11]在垂直螺旋度的基础上引入水汽和低涡对暖湿气流的抽吸作用，从而提出了质量垂直螺旋度和水汽垂直螺旋度。本文利用(表1)垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度3个螺旋度因子，对6月5—11日和9月5—10日2次持续性暴雨天气进行对比分析。

表1 螺旋度简介

质量垂直螺旋度[3,11-12]表示低涡对暖湿气流的抽吸作用，水汽垂直螺旋度[2,11]表示水汽通量涡度的垂直输送。当垂直螺旋度为正值时表示反气旋性涡度垂直向上输送，当垂直螺旋度为负值时表示气旋性涡度的垂直向上输送。本文对垂直螺旋度取绝对值后积分，综合考虑反气旋性涡度和气旋性涡度的垂直向上输送。

3.1 垂直螺旋度分析

6月5日14时(图3)在贵州西北部出现大于100 m2·s-2的垂直螺旋度中心，5日20时中心向南移，安顺西部一直位于强中心附近，5日22时紫云翁弄出现56.4 mm·h-1的降雨。6日02—08时垂直螺旋度减弱，6日14时贵州西部再次出现30～40 m2·s-2的垂直螺旋度中心，6日20时中心值依然维持在20～30 m2·s-2，6日21时在西秀区岩腊出现89.7 mm·h-1的降雨。7日02—08时垂直螺旋度中心减弱，7日14时—8日02时贵州中西部仅出现了20 m2·s-2的螺旋度中心，此时段是本次过程中降雨最弱的时段。8日08—14时贵州中西部的垂直螺旋度中心从20 m2·s-2增强至70 m2·s-2，到8日20时继续增强至100 m2·s-2，8日19时西秀区岩腊出现85.1 mm·h-1的降雨。

9月6日14时—7日08时(图3)贵州境内没有大的垂直螺旋度中心，此时段降雨也较弱；7日14—20时在贵州中西部出现了20～30 m2·s-2的垂直螺旋度中心，7日22时普白岩出现26.9 mm·h-1的降雨。8日02时垂直螺旋度减弱至0，8日08时贵州西部再次出现20 m2·s-2的垂直螺旋度中心，8日14—20时中心仍维持在贵州西部但中心值有所减弱，8日13时、16时、17时、18时镇宁炳云分别出现了短时强降雨，其中8日17时出现70 mm·h-1的降雨。9日02时垂直螺旋度弱中心维持在贵州中部，但中心值仅为5 m2·s-2，炳云在8日22时—9日01时连续出现4个时次的短时强降雨，但最大小时雨量仅为38.2 mm·h-1；9日08时垂直螺旋度减弱至0，此时段降雨也较弱；9日14时贵州西部出现了40 m2·s-2的垂直螺旋度中心，9日20时中心强度减弱为10 m2·s-2，9日14时普定白岩出现46.7 mm·h-1的降雨。

图3 垂直螺旋度垂直积分(单位：m2·s-2)第1行为6月5—9日，第2行为9月6—10日

对比岩腊和炳云的垂直螺旋度垂直分布(图4)还可以看到：岩腊在6月5—6日和6月8—9日期间分别出现了20 m2·s-2左右的垂直螺旋度中心，高度在800～200 hPa之间，与岩腊出现大于80 mm·h-1的降雨时间吻合，说明涡度的迅速垂直输送有利于产生强短时强降雨；炳云在9月8—9日期间出现了20～50 m2·s-2的垂直螺旋度中心，50 m2·s-2的垂直螺旋度中心最先出现且位于300 hPa，中心高度不断降低，中心值不断减小，说明涡度的强垂直输送使得降雨系统强度得以维持，导致了炳云持续出现短时强降雨。

图4 6月4—9日西秀区岩腊(a)、9月5—10日镇宁炳云(b)垂直螺旋度(单位：m2·s-2)

对比2次过程的垂直螺旋度可以看到，垂直螺旋度垂直积分值越大造成的短时强降雨越强，并且在降雨出现前就有明显的增长。垂直螺旋度强中心维持在固定区域有利于垂直螺旋度向上增大，会造成持续时间长的短时强降雨。垂直螺旋度的迅速增大—减小易造成强的短时强降雨。

3.2 质量垂直螺旋度分析

6月5日14时(图5)四川南部到贵州西部有22 kg2·m-4·s-2·10-3的质量垂直螺旋度中心，5日20时四川西部的质量垂直螺旋度中心减弱，贵州西部的质量垂直螺旋度中心值增强至11 kg2·m-4·s-2·10-3，5日21—22时西秀区岩腊和紫云翁弄出现了短时强降雨(翁弄56.4 mm·h-1)。6日20时贵州西部有2个值为3 kg2·m-4·s-2·10-3的质量垂直螺旋度中心，7日08时2个中心均减弱为0，7日05时西秀岩腊出现了89.7 mm·h-1的降雨，7日05—08时紫云翁弄持续出现了4 h的短时强降雨。8日20时在贵州西部出现了22 kg2·m-4·s-2·10-3的质量垂直螺旋度中心，9日02时中心减弱为6 kg2·m-4·s-2·10-3且移到贵州西北部，9日08时中心继续减弱消失，9日03时西秀岩腊出现85.1 mm·h-1的降雨，9日04时紫云翁弄出现36.2 mm·h-1的降雨。

9月5日20时(图5)在贵州西北部有3 kg2·m-4·s-2·10-3的质量垂直螺旋度中心，6日02时中心向南移动，中心值减弱为2 kg2·m-4·s-2·10-3，普定白岩出现54.3 mm·h-1的降雨。6日08时中心值减弱为0，6日07时白岩出现20.6 mm·h-1的降雨。7日14时贵州中部偏西南区域出现了3 kg2·m-4·s-2·10-3的质量垂直螺旋度中心，7日20时贵州西北部出现5 kg2·m-4·s-2·10-3的质量垂直螺旋度中心。8日02时贵州西部的质量螺旋度值减小为1 kg2·m-4·s-2·10-3，8日08时贵州西北部再次出现3 kg2·m-4·s-2·10-3的质量垂直螺旋度中心，8日20时贵州西南部仍有5 kg2·m-4·s-2·10-3的质量垂直螺旋度中心，8日08时西秀区七眼桥出现64.3 mm·h-1的降雨。9日02—08时贵州大部分区域质量垂直螺旋度为0，但在9日00—09时镇宁炳云连续出现了7 h的短时强降雨，其中9日01时出现70 mm·h-1的降雨。9日14时贵州西部出现7 kg2·m-4·s-2·10-3的质量垂直螺旋度中心，9日20时中心值减小为1 kg2·m-4·s-2·10-3，10日02时质量垂直螺旋度中心维持，10日08时中心值加强为3 kg2·m-4·s-2·10-3，9日22时普定白岩出现46.7 mm·h-1的降雨，10日04时关岭谷目长冲出现33.7 mm·h-1的降雨。

图5 质量垂直螺旋度垂直积分(单位：kg2·m-4·s-2·10-3)第1行为6月5—9日，第2行为9月6—10日

以上分析说明，在短时强降雨前期到短时强降雨发生期间，质量垂直螺旋度会出现增大—减小的过程，增大—减小得越明显出现的短时强降雨强度越强，这个特征在6月5—11日天气过程中更为显著。

3.3 水汽垂直螺旋度分析

6月5日08时(图6)贵州中部偏南区域出现了100 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心，5日14时中心范围扩大至整个贵州中西部，5日20时中心范围缩小，但依然维持在贵州西部。6日02—08时贵州境内水汽垂直螺旋度均较小。6日14时贵州西部再次出现水汽垂直螺旋度中心，中心最大值为60 kg·m-1·10-1，6日20时水汽垂直螺旋度中心值减小到40 kg·m-1·10-1。7日02—08时水汽垂直螺旋度继续减小。7日14—20时贵州西部水汽垂直螺旋度值增加，且出现了40 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心。8日02—20时贵州西部分水汽垂直螺旋度值不断增大，8日20时中心值增大到100 kg·m-1·10-1且覆盖了贵州西部。9日02—08时水汽垂直螺旋度减小到0。结合图1逐小时降雨进行分析可以看到，西秀区岩腊在6月7日05时出现89.7 mm·h-1降雨和6月9日03时出现85.1 mm·h-1降雨前期到出现降雨期间，水汽垂直螺旋度值均出现了增大—增大—减小的过程。说明在降雨前期低涡对暖湿气流的抽吸不断加强，在降雨出现后抽吸作用迅速减弱。

9月5日14时(图6)贵州西部出现中心值为60 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心，5日20时中心值减小为40 kg·m-1·10-1。6日02时—7日08时贵州大部分地区水汽垂直螺旋度均较小。7日14时，贵州出现了东北西南向2个水汽垂直螺旋度中心，西部的中心值为50 kg·m-1·10-1，7日20时西部的水汽垂直螺旋度中心值增大为80 kg·m-1·10-1，且中心移至贵州西北部。8日02时水汽垂直螺旋度中心值减小为30 kg·m-1·10-1,8日08时中心值增大为50 kg·m-1·10-1，8日14时水汽垂直螺旋度值有所减小，中心值依然为40 kg·m-1·10-1。8日20时水汽垂直螺旋度中心值增大至60 kg·m-1·10-1，中心移至贵州西南部。9日02—08时水汽垂直螺旋度减小为0。9日14时贵州西北部出现了100 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心，9日20时—10日02时水汽垂直螺旋度值减小。

图6 水汽垂直螺旋度垂直积分(单位：kg·m-1·10-1)第1行为6月5—9日，第2行为9月6—10日

对比2次天气过程，在出现较强短时强降雨前期和降雨期间水汽垂直螺旋度均有增大—增大—减小的过程。9月5—10日天气过程水汽垂直螺旋度增大和减小的幅度相比6月5—11日天气过程要小，6月5—11日天气过程水汽垂直螺旋度中心最大值比9月5—10日天气过程要大。结合逐小时降雨量分析，9月5—10期间最大小时降雨量为西秀区七眼桥9月8日08时的64.3 mm·h-1，而6月4—9日期间最大小时降雨量为西秀区岩腊6月7日05时的89.7 mm·h-1。可以看到，水汽垂直螺旋度增大—增大—减小的幅度越大造成的短时强降雨强度越强。