螺旋度方法

螺旋度及其应用一螺旋度概念的提出及研究回顾二螺旋度的计算表达式及物理意义2.1垂直螺旋度(又称k或z-螺旋度)2.2水平螺旋度2.3完全(或总)螺旋度三范例一螺旋度概念的提出及研究回顾1961年Betch首先提出了螺旋度的概念。自那以后,气象学者们进行了一系列的发展。1978年Moffert将螺旋度定义为风速度矢和涡度矢点积的体积分。而将风速度矢和涡度矢的点积称为局地螺旋度。Lilly(1986)最早将螺旋度正式地引入到强对流风暴研究中。Brandes(1989)提出了风暴相对螺旋度的概念。国外:Lilly(1986)讨论了螺旋度在形成超级雷暴单体中的作用,证明较大的螺旋度抑制了湍流扩散,使得超级单体稳定,生命期延长;Woodall(1990)将螺旋度应用于龙卷的预报;RobertDavies-Jones(1990)等人的观测研究得到螺旋度可以作为一个强对流风暴的预报参数;P.W.Leftwich(1990)研究了螺旋度量值的大小对实际业务工作中不同强对流天气预报的指示意义;美国国家风暴中心(NSSFC)开发了应用于业务的螺旋度分析和预报程序(HAFP)。国内很多研究表明螺旋度对暴雨是一个相关性较强的参数。有人通过实例分析,将各层次局地螺旋度水平分布与暴雨的滞后相关关系进行对比分析,并指出暴雨一般发生在局地螺旋度的大值区里。分析还表明,螺旋度作为一个诊断量,其极值和暴雨的极值存在大约2～4h的滞后相关,其中400hPa、500hPa高度的局地螺旋度的这种相关较明显且稳定。此外,有人将螺旋度与对流有效位能等其它物理量相结合组成“能量螺旋度”等新参数来使用,对未来暴雨落区的指示意义更为明确。这些结果说明螺旋度对未来暴雨的落区具有一定的预报意义。二螺旋度的计算表达式及意义Lilly提出螺旋度的物理概念,其严格定义为风速和涡度点积的体积分:式中V为三维的环境风矢量,C为研究对象（风暴、强对流体等,以下统称为对流系统）的移动速度,为三维的相对涡度,则(V-C)就是相对于对流系统的速度,因而有人把式(1)也叫做相对风暴螺旋度(storm-relativeHelicity)。由式(1)可见,螺旋度不仅表征了环境场的旋转程度，而且还表示输入到对流系统中的环境涡度的多少。其大小反映了旋转与沿着旋转方向运动的强弱程度(图1)以式(1)为基本依据,在具体应用中,螺旋度的计算方法很多,其中广为采用的是Davies-Jones等使用探空资料根据解析几何性质得出的计算公式:并把H≥H0(H0=150)作为强对流性风暴发生的判据,上式中H为相对风暴螺旋度,un、vn为相应层上的风分量,cx、cy是C的分量,C的取法可根据实际观测资料,也可根据经验假设,例如取为850～400hPa气层内平均风速的75%且风向右偏40°。螺旋度大的环境有利于强对流系统以及低涡气旋的生成和发展。2.1垂直螺旋度(又称k或z-螺旋度)（Ｈ3）垂直螺旋度就是指螺旋度在垂直方向的分量或投影即垂直涡度和垂直速度的积。众所周知,一方面垂直涡度大的系统与剧烈天气现象(如中尺度气旋)联系密切;另一方面垂直速度是实际大气中造成天气现象的最直接原因。因此,垂直螺旋度充分反映了两个与天气现象紧密联系的物理量的配合情况,在一定程度上不仅能反映系统的维持状况,还能反映系统发展、天气现象的剧烈程度。垂直螺旋度是国内在螺旋度研究和应用中较有特色的,这也与国外的螺旋度研究侧重点有别。在实际应用过程中明显有两类不同的计算方法:一类是在垂直方向逐层计算；另一类的计算则是沿垂直方向积分。因此可将它们分别称为局地垂直螺旋度和积分垂直螺旋度来进行分析。2.1.1局地垂直螺旋度（Ｈ3z）局地垂直螺旋度的计算表达式为：其中,ω为P坐标系中的垂直速度，是相对涡度的垂直分量,其余为气象上常用物理量符号。对于(3)式来讲,在上升运动区(ω0),若有正涡度(ζ0),则有正H3z螺旋度;若有负涡度(ζ0),则有负H3z螺旋度。(2)式中H3z的单位为m/s^2。局地垂直螺旋度的具体应用杨越奎等对1991年7月时段梅雨锋暴雨H3z螺旋度进行了分析,发现螺旋度的水平分布同当时雨区的恰当配合,有利于暴雨系统的发展及暴雨的维持。吴宝俊等运用H3z螺旋度分析了1982年7月16日三峡区间出现的一次大暴雨。郑蓉对1998年夏季长江山峡区间致洪暴雨进行了H3z螺旋度分析。杨晓霞等利用常规探空资料,对山东省3次不同系统产生的大暴雨天气过程进行了H3z螺旋度分析。江敦双等利用H3z螺旋度对青岛市2000年6月25～27日的暴雨过程进行了诊断分析。王厚广等分析了青岛地区2000年汛期6次暴雨的H3z螺旋度特征。孙兰东等利用T106数值预报模式产品,计算了k-螺旋度,对近年西北地区东部的三次暴雨天气过程进行了H3z螺旋度分析。许美玲等应用螺旋度理论,对2001年初夏(5～6月)云南罕见的暴雨天气过程进行了诊断分析。潘志祥等对“玛丽亚”台风暴雨天气过程进行了H3z螺旋度分析。王劲松等及陶健红等利用不同资料,对2000年发生在中国西北的“4.12”强沙尘暴进行了H3z螺旋度的诊断分析。2.1.2积分垂直螺旋度(H3i)积分垂直螺旋度的计算表达式为:其中，ω为P坐标系中的垂直速度,其余为气象上常用物理量符号;H3i的单位为hPa^2/s^2。根据有利于暴雨发生的天气学模型,为简化计算，在具体应用时,又将(4)式分为低层螺旋度和高层螺旋度来计算,并附加一定的约束条件。2.1.2.1低层螺旋度(H3il)低层螺旋度表达式为：式中Pu是在积分下限1000hPa以上,在散度D必须小于零的条件下,由下而上积分的第一个无辐散层的位势高度,并只对ω0，时进行计算。2.1.2.2高层螺旋度(H3ih)高层螺旋度表达式为：式中Pu是在积分上限100hPa以下,在散度D必须小于零的条件下,由下而上积分的第一个无辐散层的位势高度,并只对ω0，时进行计算。不符合上述条件的垂直螺旋度置为零。上述计算方案表明，H3il就是从下向上积分到第一个无辐散层高度的垂直螺旋度，H3ih是从上向下积分到第一个无辐散层高度的垂直螺旋度。H3il往往与低槽前部切变、低涡等联系在一起，H3ih与具有微弱上升气流的高压后部形势及高空急流配合。二者耦合表示的结构是:低层为具有正涡度的辐合上升区,高层配合有较深厚的辐散区。这显然是一种典型的天气学降水的垂直模型。其耦合强度越大越有利于强降水的发生。H3il,H3ih的高值轴(即各经度上垂直螺旋度相对高值点的连线)常用来研究暴雨的落区。积分垂直螺旋度的具体应用王淑静等(1996)利用T42数值分析场资料,计算了直方向的高、低空H3i螺旋度。王新生等(1999)利用1997年三次沿江暴雨过程前一日资料,进行了H3i螺旋度的时空分布和变化特征的诊断合成分析。江敦双(2002)等利用螺旋度对青岛市2001年汛期暴雨落区进行了研究。熊方(2003)等利用H3i螺旋度对贵州省2002年6月17～20日出现的一次暴雨—大暴雨天气过程进行分析研究。朱海利(2003)等分析了陕西省20世纪80年代11次突发性暴雨过程的高低空螺旋度的配置。赵光平(2000)等则应用H3i螺旋度修正方案,建立了宁夏地区自动、客观化的暴雨落区预报系统。刘慧敏(2002)等还将H3i螺旋度作为短时强降水面雨量的一个预报因子。曹晓岗等(2000)将H3i螺旋度用于1998年江西连续暴雨过程诊断分析。杜晓玲等(2003)预报强对流风暴的一个重要参数,与大气不稳定强对流天气联系紧密。赵光平等(2001)应用H3i螺旋度修正方案确定强沙尘暴落区,建立自动、客观化的宁夏强沙尘暴天气监测和预报系统。2.2水平螺旋度(H12)水平螺旋度是螺旋度在水平方向上的分量即水平风速和水平涡度的乘积。其正值异常增大(即二者同号,相互配合)可能是水平风速增大,也可能是水平涡度增大或二者都增大,都会对应大气的异常状态,与预报强对流风暴的一些参数联系,具有预示性。由于目前国内研究人员在对水平螺旋度的计算过程中对水平风速因子考虑的方式不同,因此下面将水平螺旋度分为水平局地螺旋度和水平相对螺旋度。2.2.1水平局地螺旋度(H12a)在P坐标系中,水平局地螺旋度的计算表达式为:H12a=H1+H2=(6)式中水平风速u,v为相对于地面的环境实测风速。李英(1999)用H12a螺旋度对1997年3月发生在滇南的冰雹大风天气进分析。结果表明:低层螺旋度的演变对冰雹大风天气有一定的指示意义;低层螺旋度的大值中心与降雹区比较靠近;螺旋度的垂直分布反映了降雹区大气的一些动力和热力特征。2.2.2水平相对螺旋度(H12r)水平相对螺旋度的计算表达式:式中V≡(u(z),v(z))为环境风场；C≡(Cx,Cy)为风暴传播速度,通常将C取为1.5～7.0km气层间的平均风速的75%且向右偏转40°；ω为水平涡度矢量;h为气层厚度,通常取h=3km。水平相对螺旋度的具体应用H12r螺旋度作为作短时的冰雹、大风等一个强对流性天气的预报因子,具有一定的实用意义。章东华(1994)等利用北京地区测风资料,计算了6个强对流典型个例发生前夕的H12r螺旋度。张苏等(1995)应用常规探空资料,对皖西南地区强风暴天气的螺旋度进行了计算分析。丁金才等(1997)将H12r螺旋度应用到上海地区包括龙卷风在内的各种强对流天气的预的H12r螺旋度进行了分析。郑传新(2002)利用H12r螺旋度对0103号和0104号台风过程进行分析。2.2完全(或总)螺旋度(H123)根据Ｗoodal的观点，可将Ｚ坐标中完全螺旋度定义为＝Ｈ1＋Ｈ2+H3完全螺旋度或总的螺旋度即包括垂直螺旋度(H3)又包括水平螺旋度(H12)的计算。三范例2016年长江流域(6月30日~7月5日)有强降水过程：安徽、湖北、江苏、湖南这四省的平均降雨量在历史同期为第一或第二多，安徽平均降水230.1毫米。此次降水是由高原槽、低空急流、东移低涡和切变线共同作用造成的。本文将利用螺旋度对6月30日~7月5日过程分析。1实况2016年7月初长江流域遭遇建国以来的最强降雨。6月30号到7月4号，长江一线暴雨倾盆，从贵州、重庆到江苏，大范围地区的降雨在100-250毫米，湖北省、安徽省有些地方高达300-500毫米，降雨在100毫米以上的面积约21万平方公里。湖北红安县天台山，这几天下了796毫米，堪称天漏！此次降雨涉及11个省(自治区、直辖市)86个市(自治州)440个县(市、区)，多地发生洪涝灾害。截至7月6日9时，6月30日以来长江中下游等地遭受的洪涝、风雹、滑坡、泥石流等灾害已造成江苏、安徽、江西、河南、湖北、湖南、广西、重庆、四川、贵州、云南11省(自治区、直辖市)2676.9万人受灾，140人死亡，41人失踪，162.4万人紧急转移安置，76万人需紧急生活救助图12016年6月30日-7月5的日降水量（08-08）30日08时-1日08时1日08时-2日08时2日08时-3日08时3日08时-4日08时4日08时-5日08时5日08时-6日08时2螺旋度诊断分析根据Woodall的观点，可以定义具有实际意义的风暴相对螺旋度为图22003年7月03日-0５日螺旋度时间演变图图32016年07月02日-04日200hpa,700hpa垂直螺旋度分布2016年7月2日风场分布纬向32°N(08h,14h)垂直螺旋度的垂直剖面图7月1日00时6月30日12时6月30日18时7月1日06时7月2日12时7月3日00时7月2日18时7月3日12时7月3日18时7月4日00时6月30日12时-7月5日18时垂直速度w和螺旋度时间演变6月30日12时-7月5日18时涡度δ*100000时间演变3结论通过分析发现200hpa,700hpa垂直螺旋度的水平结构发现上下层都有很好的正负配置，一般螺旋度为下正上负(图中符号相反)，且最大值在暴雨区附近。从图3中可看到3日的最大中心