水汽螺旋度及其在一次江淮暴雨分析中的应用.doc

水汽螺旋度及其在一次江淮暴雨分析中的应用王颖 1 , 寿绍文 2 , 周军 2(南京信息工程大学 1. 江苏省气象灾害重点实验室 ; 2. 大气科学学院 , 江苏 南京 210044 )摘要 :构造了新的诊断量 水汽螺旋度 ,并对影响水汽螺旋度变化的因子做了分析 。利用 MM 5模式输出资料对 2003年 7月 4 日的暴雨过程进行诊断分析 ,结果表明 : 水汽螺旋度与暴雨强度和暴雨落区都有较好的相关 ,螺旋度通量散度和湿螺旋散度对暴雨也有比较明显的指示作用 ,其中螺旋度通量散度对暴雨落区和强度的指示作用都很好 ,而湿螺旋散度与暴雨落区对应得稍差 。关键词 :水汽螺旋度 ;螺旋度通量散度 ;湿螺旋散度中图分类号 : P458. 121. 1文献标识码 : A文章编号 : 1000 22022 ( 2007 ) 01 20101 206M o isture Helic ity and Its Applica tionin D iagnostic Ana lysis of a Heavy Ra in in J iang2Hua i Ba sinWAN G Ying1 , SHOU Shao2wen2 , ZHOU J un2( 1. J iangsu Key L abo ra to ry of M e teo ro logica l D isaste r; 2. Schoo l of A tmo sp he ric Sc ience s, NU IST, N an jing 210044 , Ch ina)A b stra c t:A new d iagno stic quan titymo istu re he lic ity is de rived from the mo istu re equa tion, and the d if2in ition of he lic ity, and its influence fac to rs a re ana lyzed in de ta ils by the d im en siona l ana lysis. The sim u la2 ted re su lts by the num e rica l mode lMM 5 of the ra in sto rm p roce ss on 4 th to 5 th J u ly 2003 a re d iagno stica l2 ly ana lyzed, and re su lts show tha t the mo istu re he lic ity is we ll co rre la ted. Bo th the he lic ity flux d ive rgence and the hum id he lica l d ive rgence have ind ica tion fo r heavy ra in, and the fo rm e r ha s be tte r ind ica ting effec t fo r bo th the loca tion and in ten sity of heavy ra infa ll, wh ile the la tte r is on ly be tte r co rrec la ted w ith the in2 ten sity of heavy ra infa ll.Key word s:mo istu re he lic ity; he lic ity flux d ive rgence; hum id he lic ity d ive rgence度带 ,垂直结构是一对符号相反而又互伴的螺旋度柱 ;此外还得出了强动能及强梯度区和强螺旋度区 基本一致的结论 。李耀辉等 6 利用中尺度有限区域模式 MM 4对 1991 年 7 月 5 6 日的江淮梅雨锋暴雨过程进行数值模拟 ,根据螺旋度理论分析得出 , 正的旋转风螺旋度大值中心及其演变较好地反映了 暴雨中心及造成暴雨的中尺度涡旋的发生位置及演变 ,螺旋度的强度变化对暴雨以及低层中尺度低涡 和地面气旋有指示作用 。在此基础上 ,许多科研工 作者将螺旋度和其他诊断量结合 ,分析诊断暴雨的 发生发展 ,例如能量螺旋度 7 , 就是将螺旋度与反 映能量作用的对流有效位能结合起来进行应用 ,反映动力和能量对强对流天气发展的共同效应 ,综合0 引言从 20 世纪 80 年代后期 ,螺旋度的概念被引入 气象研究 , 20 多年来已经取得不断的发展 。伍荣生 等 1 推导出完全的螺旋度方程 , 并指出在无摩擦 、 准地转的条件下 ,螺旋度具有守恒性 。 Tan 等 2 研 究了螺旋度在边界层和锋区动力性质 ,指出最大螺 旋度通常在边界层区 。杨越奎等 3 、吴宝俊等 4 都 曾使用螺旋度理论对暴雨过程的模拟结果进行诊断 分析 ,证 明 了 垂 直 螺 旋 度 与 暴 雨 的 联 系 。侯 瑞 钦 等 5 对“98. 7 ”特大暴雨过程相关的 700 hPa切变线 低涡进行螺旋度诊断分析 ,结果表明与强暴雨区和 切变线低涡相应的是一对符号相反而又紧邻的螺旋收稿日期 : 2005 205 223;改回日期 : 2005 211 215基金项目 :国家自然科学基金资助项目 ( 40405009; 40075009; 40205008 ) ;江苏省气象局科技开发项目 ( 200406 ) ; 江苏省气象灾害重点实验 室资助项目 ( KLM E050201 ) ; 国家重点基础研究发展计划项目 ( 2004CB418301 ) ; 江苏省自然科学基金资助项目 (B K2005141 )作者简介 :王颖 ( 1980 2) ,女 ,黑龙江齐齐哈尔人 ,硕士 ,研究方向 :中尺度气象学 , wangy2003 y nu ist. edu. cn.了动力和热力两方面的因子 ,对强风暴及其类型的预报有指示意义 8 。李耀东等 9 分析了螺旋度作 为一个动力学参数与热力场的关系 ,得到可以把地面相对螺旋度视为地转风或实际风引起的温度平流的一个量度的结论等 。这些对研究暴雨灾害性天气 和进行业务预报有着极为重要的作用 。但降水的产 生要有两个基本条件 : 水汽条件和动力条件 。螺旋 度只是一个作用比较显著的动力学诊断量 ,如将其与水汽条件结合 ,对暴雨发生发展的指示作用可能 会更加明显 。钮学新等 1 ) (以下简称钮文 ) 提出 的 “湿螺旋散度 ”就是将水汽与螺旋度相结合的一个有用的诊断量 。本文尝试在此基础上构造一个新的诊断量“水汽螺旋度 ”, 并将其应用于 2003 年 7 月4 5日一次江淮暴雨过程的诊断分析 。此外 ,本文 还对湿螺旋散度的不同计算方法进行了比较分析 。将 ( 5 )式代入 ( 6 )式 ,得 5M 5h= q + h q v V - h v ( qV ) 。 ( 7 )5t5t又因为在无摩擦 、准地转运动中 ,大气的螺旋度具有守恒性 ,也就是 :d h 5h +(V v ) h = 0,( 8 )=d t 5t将 ( 8 )式代入 ( 7 )式得5M= - q (V v ) h +5th q v V - h v ( qV ) 。由于 (V v ) h = - ( v h ) V ,则上式可化为( 9 ) 5M= q ( v h ) V + h q v V - h v ( qV ) 。5t再根据矢量恒等式 ,最后化简得5M= q v ( hV ) - h v ( qV ) 。( 10 )5t1 “水汽螺旋度 ”的构造及演变1. 1 公式推导为了同时考虑水汽与螺旋度对暴雨的影响 ,构 造了一个新诊断量 “水汽螺旋度 ”M :由此可见 ,影响水汽螺旋度随时间变化的因子有两项 :第 1 项表示螺旋度通量散度的作用 。第 2 项表示湿螺旋散度的影响 。下面分别讨论方程各项 在暴雨过程中的指示作用 。1. 2 量纲分析首先 ,对螺旋度 7 进行量纲分析 。h = V ( v V ) =M = q h,其中 : q为比湿 , h为螺旋度 。 下面讨论影响水汽螺旋度 M 变化的因子 。 首先 ,由水汽方程出发 :( 1 ) 5w5v 5u5w 5v5uu+ v+ w=-5z - 5v5x - 5 (q ) 5 55y 5w5z5x5y= - 5x (q u )- 5y (q v) -5t 5w 5v 5u5uu- v+ w- u+ v。-25 (qw ) - c +K5 q,5y5x5z5z5x5y( 2 )q5z5z2( 11 ) 对于中尺度系统来说 ,水平风速 U 为 10 m / s, 垂直尺度 D 为 104 m ,由连续方程得到 L 与 W 的关引入连续方程 d ivV + d = 0 ,不考虑蒸发凝结和d t湍流扩散作用 ,对 ( 2 )式进行化简 ,得 UD4系为 : W ,中尺度系统的水平尺度为 2 10 25qL105 m ,对应垂直速度量级是 : 100 10 - 1 m / s,方程( 11 )的后两项较大 ,由此可以确定螺旋度的量纲为= - V v q。( 3 )5t引入水汽通量散度 :1 v ( qV ) = 1 V v q + q v V ,( 4 )U2ggg。D设 g 为常数 ,并将 ( 4 )式代入 ( 3 )式 ,得引入风暴移动速度 ,使用 700 400 hPa平均风速的 75 %作为风暴的移动速度 , 风向为平均风向5q= q v V- v ( qV ) 。( 5 )5t 8 29 右转 30 ,则本文螺旋度计算公式如下 :引入水汽螺旋度 M 随时间的变化 :5u -5v5M5h 5q( u - c x) 。h = ( v - c y)( 12 )= q 5t + h 5 t,( 6 )5z5z5t下面讨论 ( 10 )式的量纲情况 。 ( 10 ) 式右端两qU3 qWU21 )钮学新 ,董加斌 ,杜惠良. 华东地区台风降水及造成异常降水机制的分析 C / /第十三届全国热带气旋科学讨论会文集. 浙江岱 山 , 2004. UD项的量纲分别是,两式相比得 :1 ,所D2DLWL以水平通量的作用相对重要 。由文献 1 24 可知 ,暴第 1 期王颖 ,等 :水汽螺旋度及其在一次江淮暴雨分析中的应用103雨区上空 700 hPa 对应螺旋度的正值区 , 所以在此重点关注正螺旋度的影响 : 若正的螺旋度在某处堆 积 ,则螺旋度通量散度为负 ,湿螺旋散度为正 ,两者 对水汽螺旋度 M 的变化趋势的作用是相反的 。下 面通过实际个例来比较两项的作用 。的指示作用 ,逐时次输出 900 hPa水汽螺旋度 ,并将其与逐时降水量进行对比分析 , 结果表明 : 在强度 上 ,水汽螺旋度的增加伴随降水的增幅 (图 1 ) ;在位 置上 ,水汽螺旋度中心多位于雨区的南侧 (图 2 ) ,与700 hPa低空急流有很好的对应 (图 3 ) 。2 数值模拟及诊断分析2. 1 暴雨过程及环流背景2003年 7月 4日 12时 5日 12时 (世界时 ,下 同 ) ,暴雨过程发生在安徽中东部和江苏中南部 ,滁州 、南 京 江 浦 和 丹 阳 分 别 有 356 mm、286 mm 和270 mm 的降水纪录 。这次暴雨持续时间长 ,雨区自 西向东发展 ,造成长江中下游沿岸严重内涝 。在本 次过程中 , 500 hPa西太平洋副热带高压东移南撤 , 乌拉尔山和鄂霍次克海上空均有阻塞高压影响 ,西伯利亚上空为低压 , 极地冷空气较 强 。 700 hPa 暖 湿气流沿切变线输送到江淮地区 ,切变线南侧有一 支与之近乎平行的西南低空急流 ,为这次暴雨形成 提供了充足的水汽 。地面图 (图略 )上 ,长江流域一 直维持着一条静止锋 ,江淮地区是一个低压区 ,东西向切变线位于江淮之间 ,形成了一个典型的江淮气 旋 。2. 2 资料及数值模拟用 NCEP /NCAR1 1 资料 作 为初 始场 , 在 模 拟过程中使用 C re ssm an插值方案 ,用高空和地面常规实况资料对模式第 1猜测场进行订正处理 。 利用非静力中尺度数值预报模式 MM 5V 3. 6 对这次过程进行模拟 。模式积分起始时间为 7月 4 日12时 ,积分 24 h,时间步长 90 s,每 1 h 输出一次结 果 。采用二重双向嵌套方案 ,模拟区域粗网格中心定于 ( 120 E, 34 N ) , 细 网 格 中 心 定 于 ( 119 E,33 N ) ,粗细网格水平格距分别为 54 km 和 18 km , 垂直方向是 p坐标 ,共 19层 。动力学过程采用流体 非静力平衡方案 ,模式使用云层大气辐射冷却及简 单冰相显示水汽方案 ,采用 Gre ll积云对流参数化方案 、高分辨率 B lackada r行星边界层参数化方案 。与 实况对比后表明 ,模拟结果是可靠的 (图略 ) 。使用 模式输出资料对 ( 10 ) 式左右两端分别进行诊断分 析 ,研究水汽螺旋度对暴雨发生 、发展的指示作用 。2. 3 诊断分析首先对方程的左端进行诊断分析 。计算过程中 采取区域平均 ,并将资料标准化处理 。水汽螺旋度 M 中包含了表征水汽条件的比湿和表征动力学条 件的螺旋度两个重要因子 ,为了反映 M 对暴雨诊断图 1 2003年 7月 4日 12时 5日 12时逐时 900 hPa水汽螺旋度 (空心点 )和降水量 (实心点 ) F ig. 1 Con tra st of the hou rly ra infa ll ( so lid do ts)and 900 hPa mo istu re he lic ity ( ho llow do ts)in a heavy p rec ip ita tion p roce ss in A nhu i2J iangsu from 12: 00U TC 4 th12: 00U TC 5 th J u ly 2003图 2 4日 18时 900 hPa水汽螺旋度(等值线 ,单位 : 10 - 4 m s- 2 )与降水区 (阴影区 ,单位 : mm )F ig. 2 900 hPa mo istu re he lic ity( so lid line; con tou r in te rva l: 3 10 - 4 m s- 2 )and ra infa ll ( shad ing; un its: mm )a t 18: 00U TC 4 th J u ly 2003众所周知 , 低空急流与暴雨的 关系 十分 密 切 。研究表明 , 低 空 急 流 的 左 右 两 侧 有 很 强 的 切 变 涡 度 10 ,而低空急流整个系统可以看成是一个沿急流图 3 4日 18时 700 hPa全风速场 (阴影区 ,单位 : m / s)与 900 hPa水汽螺旋度 (等值线单位 : 10 - 4 m s- 2 ) F ig. 3 700 hPa w ind sp eed ( shad ing; un its: m / s)and 900 hPa mo istu re he lic ity( so lid line; con tou r in te rva l: 3 10 - 4 m s- 2 )a t18: 00U TC 4 th J u ly 2003轴顺时针旋转的涡管 11 。低空急流北侧伴有上升运动 ,加之急流带来丰富的水汽 ,是暴雨易于发生的 地带 。螺旋度恰好是一个用来衡量风暴入流强弱以 及沿入流方向涡度分量大小的参数 12 ,再配合水汽 条件 ,即可得到水汽螺旋度与低空急流的对应关系 , 进而也可用来诊断暴雨的发生和发展 。下面分析方程 ( 10 )式右边两项 ,研究影响水汽螺旋度变化的因子以及和暴雨的关系 。使用模式输 出资料对 24个时次的螺旋度通量散度和湿螺旋度散度进行计算 ,结果如图 4所示 。由图 4 可知 ,螺旋度通量散度对暴雨落区和强 度都有很好的指示作用 ,湿螺旋散度与大范围暴雨 落区对应稍差 ,但对强降水区有很好的指示 。两项对暴雨的诊断产生差异的原因主要是 : ( 1 ) 螺旋度 通量散度项中的动力因子是螺旋度通量散度 ,在正螺旋度的堆积区有产生降水的可能 (负值区 ) ,除了 降水区对应的负值区外仍有好几个虚假的降水区 (图 4 b) 。而水汽因子是比湿 ,从水汽条件上不能给 动力因子以很好的限制 。对降水区指示较好的实际 上是动力因子在起决定性作用 。 ( 2 )湿螺旋散度项的动力因子是螺旋度 ,它本身就能对暴雨的强度和 落区有指示作用 ,而水汽因子是水汽通量散度 ,两因子共同作用无疑会突出强降水区 。综上所述 ,水汽螺旋度与暴雨的对应关系应是螺旋度通量散度和湿 螺旋散度共同作用的结果 。若分别对螺旋度通量散 度和湿螺旋散度进行诊断 ,再综合分析 ,可达到最好图 4 4日 18时降水量 ( a,单位 : mm ) ,900 hPa螺旋度通量散度 ( b)和湿螺旋散度 ( c)(单位 : 10 - 8 gm - 1 s- 3 hPa - 1 )F ig. 4 ( a) 1 2h accum u la tive ra infa ll (mm ) , ( b) 900 hPa he lic ity flux d ive rgenceand ( c) hum id he lic ity d ive rgence( 10 - 8 gm - 1 s- 3 hPa - 1 ) a t 18: 00U TC 4 th J u ly 2003的效果 。用细网格资料进行分析得到的结果与上述结论 一致 ,但在精度上更高 ,特别是螺旋度通量散度与暴雨落区的对应更加明显 (图略 ) 。2. 4 对比分析钮文中湿螺旋散度的表达式为第 1 期王颖 ,等 :水汽螺旋度及其在一次江淮暴雨分析中的应用105= v V q =F700 5u - 5v 5u q + 5vq 。( 13 )5y5x5x5y仔细比较其与本文使用的计算公式 ,不难发现有两点不同 : ( 1 )计算的高度场不同 ,钮文中 700 hPa 上 的特征最为明显 , 而本文在 900 hPa 上的特征最为显著 ; ( 2 )螺旋度的计算方法不同 ,钮文中的螺旋度是垂直螺旋度 ,而本文的螺旋度是水平螺旋度在垂 直方向上的影响分量 。比较图 5与图 4 c可以看出 ,雨区的大体位置和降水中心都有较好的对应 ,但图 5 的对应效果更好 些 ,特别是强降雨区的位置 。但在模拟的 24 h降水 过程中 ,开始的几个时次 ,钮文的诊断效果就没有本 文湿螺旋散度的效果好 ,主要表现在雨区的范围和 中心对应不上 (图 6 ) 。分析原因 ,主要是水平螺旋度是水平风速和水平涡度的积 ,而水平涡度主要由 水平风场的垂直切变来决定 ,所以在风暴初期 ,含有 水平风速的垂直切变作用的诊断量 (本文 ) 的指示 作用就相对明显 。在风暴发展过程中 ,水平涡度通 过对流上升运动发生扭转使得垂直涡度增大 ,水平涡度大表明在适当的情况下空气形成垂直环流的趋 势大 ,并在对流发生后有助于垂直环流的维持 , 这 时 ,含有垂直涡度的诊断量 (钮文 )的指示作用就相 对明显 。尽管两者有上述细微差异 ,但对雨区和雨 强的诊断作用的意义都很大 ,选择哪一个要根据具体情况进行分析 。图 6 4日 15时降水量 ( a,单位 : mm ) ,螺旋度通量散度( b,据方程 ( 10)计算 , 900 hPa,单位 : 10 - 8 gm - 1 s- 3 hPa - 1 )和 湿螺旋散度 ( c,据方程 ( 13)计算 , 700 hPa, 单位 : 10 - 14 gcm - 2 s- 3 )F ig. 6 ( a) 1 2h accum u la tive ra infa ll (mm ) , and ( b) 900 hPa he lic ity flux d ive rgence( from equa tion 10; un its: 10 - 8 gm - 1 s- 3 hPa - 1 ) ,and ( c) 700 hPa hum id he lica l d ive rgence( from equa tion 13; un its: 10 - 14 gcm - 2 s- 3 )a t 15: 00U TC 4 th J u ly 2003图 5 4日 18时 700 hPa湿螺旋散度(据方程 ( 13 )计算 ,单位 : 10 - 14 gcm - 2 s- 3 ) F ig. 5 H um id he lic ity d ive rgence( from equa tion 13; un its: 10 - 14 gcm - 2 s- 3 )a t 700 hPa a t 18: 00U TC 4 th J u ly 2003 J . 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