我国螺旋度的研究及应用

对自20世纪90年代以来至今国内关于螺旋度理论及应用研究工作进行了较系统地总结,将螺旋度归类为垂直螺旋度、水平螺旋度及完全螺旋度,同时又将垂直螺旋度划分为局地垂直螺旋度和积分垂直螺旋度,详细介绍并给出了每一类螺旋度的计算表达式以及其在天气诊断分析中的应用状况,对螺旋度的应用研究现状进行了简单地分析与讨论,最后展望了未来螺旋度研究与应用的发展方向。

“2002．3”华北地区强沙尘暴天气的螺旋度分析

利用MM5非静力中尺度模式和螺旋度计算结果,对2002年3月18—22日华北地区发生的一次强沙尘暴过程进行了分析研究,重点分析了北京及周边地区水平与垂直方向螺旋度和完全螺旋度的结构变化及演变特征,结果表明:螺旋度的演变与强沙尘暴天气的发生、发展有较好的对应关系,将中尺度模式和螺旋度计算结合起来可以有效提高沙尘暴天气的预报准确度。

切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度,并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上,切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积,表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应,由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式,其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度,热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可,避免了垂直差分计算,这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足,使得计算大大简化,便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上,选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟,利用模式输出的中尺度资料,诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明,降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界,与降水的强度变化一致;而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项(即热成风螺旋度),与切变风螺旋度相似,也能较好地诊断降水和对流(尤其是强降水和强对流)的发展,而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。

水汽螺旋度和热力螺旋度在华北强“桑拿天”过程中的分析及应用

"桑拿天"是发生在夏季高温、高湿环境之下的重要天气现象.而过去单靠温度这一变量来诊断预报"桑拿天",有较大难度.而且从已有的研究中,"桑拿天"多发生在下沉运动或相对稳定的环流背景下.因此,寻找一个简单有效、且使用方便的物理变量来揭示"桑拿天"高湿、高湿的综合特征,显得特别重要.本文在前人研究的基础上,将以往暴雨研究中的IM(Ingredients-based Methodology)理论方法拓展至"桑拿天"的研究,将过去表征桑拿天高温、高湿、下沉运动环流特点的这些单个物理量综合进IM方法,尝试性地引入热力螺旋度(TH)、水汽螺旋度(MH)、以及湿热力螺旋度(MTH)等,对发生在2002年7月30日—8月4日和2009年7月7—9日的两次华北地区高温高湿的强"桑拿天"过程进行动力识别和诊断,并与广义湿位涡(GMPV)进行对比分析.分析结果表明,MH的异常大值区相对集中在北京及其周边的华北地区的对流层低层,并维持.而TH的异常大值区涵盖的范围远大于我们要研究的华北地区"桑拿天"的爆发范围.即使结合了温、湿效应的MTH和GMPV的异常大值区,其涵盖的范围亦逊于MH对"桑拿天"的动力识别.可见,在夏季普遍高温的大环境下,湿度是华北闷热的"桑拿天"爆发的一个决定性因素.结合了环流特征与湿度效应的MH,是对"桑拿天"进行动力识别的一个优化因子,具有较大的实际应用价值.

一次三峡大暴雨的地转螺旋度分析

本文引入了地转螺旋度概念，并将其用于一次大暴雨的分析，结果发现：在地转螺旋度垂直剖面图上，在雨区上空300hPa附近有一个负的极小值中心，在500hPa附近有一个正的极大值中心，该分布形成原因可用图6解释。

水汽螺旋度及其在一次江淮暴雨分析中的应用

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MM5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。

河西走廊一次强沙尘暴天气的螺旋度诊断

应用NCEP再分析资料计算了螺旋度,通过总螺旋度、螺旋度的水平和垂直分布特征对河西走廊一次区域性强沙尘暴天气进行了诊断分析。结果表明:沙尘区位于总螺旋度负值区或零线附近;沙尘暴爆发区水平螺旋度高层300 hPa为负螺旋度控制,低层700 hPa为正螺旋度控制;在沙尘暴发生时,高层负螺旋度中心有一个明显增大的过程,沙尘暴爆发区对应高空低层螺旋度强梯度区内;沙尘暴爆发区的垂直螺旋度分布特征是上负下正;螺旋度对沙尘暴爆发区有较好的指示意义。

一次暴雪天气过程的螺旋度分析

2009年3月19—20日新疆中天山出现暴雪天气,本文采用NCEP再分析资料计算和分析了这次暴雪天气过程的850～200 hPa范围内的垂直、水平螺旋度和总螺旋度,结果表明:暴雪区上空垂直螺旋度呈上负下正分布,有利于暴雪的发生;暴雪发生在低层水平螺旋度负值中心和整层螺旋度正值中心的东南边缘;总螺旋度强弱的变化反映了暴雪天气系统的趋势。分析表明螺旋度能较好地反映新疆暴雪天气的发展、维持状况及强弱程度,并对暴雪落区的预报有一定的指示意义。

廊坊市雷雨大风天气螺旋度统计分析

利用ERA5再分析资料,选取廊坊市2012—2021年共15次雷雨大风共存个例,计算了其过程中风暴相对螺旋度和垂直螺旋度的发展演变规律及与过程和影响系统的对应关系,结果表明:(1)过程发生前SRH高和SRH低多为正值,至少提前1 h的SRH低为正值,在降水持续时刻SRH大多维持在正值。总的来看低层SRH的指示意义更好。(2)强对流发生在水平螺旋度分布的中心区域附近和强梯度带附近,并与对流活动结束时间对应较好,总体看水平螺旋度对强对流发生具有一定的指示意义。(3)垂直螺旋度的大值中心和强梯度带与对流活动区域有很好的对应关系,中高层500 hPa和200 hPa系统与垂直螺旋度并没有很好的对应关系,而中低层700 hPa切变线、低涡等影响系统与之对应关系均较好。垂直螺旋度对低层系统的生成和发展具有较好的指示意义,与风暴相对螺旋度有所区别,垂直螺旋度更倾向于反映系统维持、发展状况的研究。

“09.5”广东特大暴雨过程的螺旋度特征

分析"09.5"广东特大暴雨过程的水平螺旋度和垂直螺旋度分布特征,结果表明:两者的作用有所不同。水平螺旋度有较好的预示性,与天气系统相对应;垂直螺旋度与暴雨的落区和强度有良好的对应,反映了天气系统的维持和发展状况以及天气现象的剧烈程度。螺旋度作为一个重要的物理量,对暴雨的分析预报有一定的指示作用和应用价值。

2011-06-23豫南暴雨成因及完全螺旋度诊断分析

利用常规气象观测资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2011年6月22-23日豫南暴雨过程进行分析,结果表明:此次河南区域暴雨是由高空后倾槽、中低层冷式切变线以及西路冷空气共同影响所致。夏季冷式切变线暴雨的低层有明显北风冷垫作用,水汽主要来源于对流层中低层。水平螺旋度的变化对天气系统的移动和发展具有较好的指示作用;垂直螺旋度的变化对降水的落区和强度预报具有较好的参考价值;暴雨区主要发生在高螺旋度与较高对流有效位能(h垂直>10×10-8hPa.s-2、CAPE<1500 J.kg-1)相配合的环境中。

2次持续性暴雨天气的螺旋度对比分析

该文利用常规观测资料、逐小时区域自动站观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料等对安顺2019年6月5-11日和9月5-10日的持续性暴雨天气进行分析。结果表明:①6月5-11日天气过程主要是由于两高之间不断有短波槽东移造成的,9月5-10日天气过程主要是由于副高稳定少动,西南涡在副高外围稳定维持较造成的;②垂直螺旋度垂直积分越大越有利于产生强的短时强降雨,垂直螺旋度强中心发展高度越高越有利于短时强降雨持续不断的产生;③水汽垂直螺旋度在这2次持续性暴雨天气过程中对短时强降雨的发生和降雨强度有很好的指示,水汽垂直螺旋度在短时强降雨出现前6 h出现增大,且中心值越大短时强降雨强度越强,在短时强降雨发生期间迅速减小;④6月5-11日天气过程中,质量垂直螺旋度值增大-减小得越多,出现的短时强降雨强度越强。

2016年7月24日宁夏中北部暴雨螺旋度特征分析

利用宁夏加密自动站观测资料、欧洲中心格点再分析资料等气象资料,对2016年7月24日宁夏全区性强降水天气过程的螺旋度特征进行分析。结果表明,对流层中低层的垂直螺旋度与强降水的强弱变化有良好的对应关系,强降水区对应600 hPa正垂直螺旋度的强梯度区;正水平螺旋度的发展对强降水有预示性;强降水落区与700 hPa水平螺旋度强度正极值区有较好的对应关系。

广东清远2007年6月连续性暴雨过程螺旋度分析

本文对2007年6月清远发生的连续性暴雨过程进行螺旋度诊断分析,结果表明:垂直螺旋度呈上负下正、正负螺旋度中心基本重合的耦合配置,对暴雨的产生十分有利,螺旋度中心的移动与强降水落区有很好的一致关系;水平螺旋度中心的变化有利于判断影响系统未来的发展移向等变化,水平螺旋度大的地区有利于出现强降水,水平螺旋度的强度变化对未来的暴雨落区有一定的指示作用。

超强台风“圣帕”(0709)特大暴雨过程的完全螺旋度分析

采用NCEP/NCAR 1°×1°最后分析资料(final analysis,FNL)计算"圣帕"台风螺旋度,探讨各垂直层上水平螺旋度与强降水时间演变的关系、水平螺旋度与强降水落区的关系以及垂直螺旋度时间演变与强降水发生、发展的关系。结果表明,700 hPa螺旋度最能反映强降水时间演变,正螺旋度大值中心附近与暴雨落区一致,同区域内螺旋度中心值的强弱与该区域内降水的强弱关系密切;若垂直方向上高低层的螺旋度同时由负值转为正值,则强降水发生,反之降水减弱、停止;对于预报台风强降水时效,水平螺旋度远比垂直螺旋度、散度、垂直速度具有更多有效预报时间;对于预报台风强降水落区,垂直螺旋度比水平螺旋度更具有优势,若能利用垂直螺旋度对水平螺旋度预报强降水作出订正可能将有助于提高台风强降水预报准确率。

水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究

应用2002～2006年高空流场和地面观测资料,计算近地面至500hPa水平螺旋度的大小.结果表明:水平螺旋度负值中心值越大,500hPa到近地面风速越大,西风增强,风速垂直切变越大,辐合上升运动越强,形成沙尘暴的强度就越强.水平螺旋度负值中心常常在河西走廊附近最强,导致其下游东南方发生沙尘暴.水平螺旋度负值中心与其下游沙尘暴发生强度有一致的对应关系:当水平螺旋度负值中心≤-200m2/s2时,未来24小时内该区下游将有沙尘天气出现,当≤-600m2/s2时,6小时内该区下游将有能见度小于500m的强沙尘暴天气出现,当≤-1000m2/s2时,6小时内该区下游将有能见度小于50m的特强沙尘暴天气出现.

螺旋度在分析一次三峡大暴雨中的应用

用螺旋度分析了１９８２年７月１６日三峡区间出现的近２７年来最大一次暴雨．结果表明：①在垂直剖面图上，在雨区上空３００ｈＰａ附近，螺旋度有一个负的极小值中心；在６００ｈＰａ附近，有一个正的极大值中心②３００ｈＰａ螺旋度分布图上的极小值中心位置，与主要雨区中心位置非常靠近，相距约６０ｋｍ．

“4.29”中国西北强沙尘暴数值模拟及螺旋度分析

利用实况观测资料对2009年4月28~30日中国西北出现的区域性强沙尘暴过程进行了天气分析,并用GRAPES_SDM沙尘模式对此次过程进行了数值模拟,然后利用螺旋度理论研究了沙尘暴的动力场结构。结果表明,500 hPa高空槽及高空锋区、地面冷锋及热低压等是形成此次强沙尘暴的主要天气系统。此次沙尘暴过程中在新疆北部和高原上存在两个有利于强对流天气发生的｜▽θ｜大值带,分别与冷锋和热低压影响区域相对应,是沙尘天气主要的发生区域。GRAPES_SDM模式较准确地模拟出强沙尘暴过程的动力结构,是西北地区沙尘暴预报业务及科研中可依靠的沙尘暴预报模式。强沙尘暴过程中总螺旋度负值中心与500 hPa低压槽密切相关。负值中心轴线位于高空槽附近略偏前的位置,对高空槽的发展变化有较好的指示意义。沙尘天气出现在总螺旋度零线附近的等值线密集处。水平螺旋度作为总螺旋度的重要组成部分,对强对流具有预示性,并为垂直螺旋度的形成或增长提供了有利条件。hpx负值中心的位置和走向与500 hPa低压槽也具有一致性。沙尘天气主要发生在低压槽前、高压脊后hpx负值与hpy正值相重叠的区域。hpz及ω的垂直结构随时间的变化特征可以反映出沙尘天气强弱的演变过程。沙尘暴区上空有一对正、负螺旋度中心相配合,中低层旋转上升运动出现并发展、高层下沉运动逐渐达到最强的时段,往往对应着沙尘暴出现的时段。

98.7"特大暴雨低涡的螺旋度和动能诊断分析

"98.7"特大暴雨过程与700hPa低涡切变线的强烈发展以及丰沛的水汽和强垂直运动密切相关。螺旋度的诊断结果揭示,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度带,它们的垂直结构是一对符号相反而又互伴的螺旋度柱;螺旋度及其诸分量的量级是相同的。这表明,垂直运动的水平切变和水平速度的垂直切变以及水平速度的水平切变对螺旋度有相同大小的贡献,也意味着强垂直运动和低空急流对暴雨的发生和发展极其重要。动能的诊断结果显示,强动能区与暴雨区和低涡切变线有很好的对应关系,在中、低空的强动能中心也正是强降雨中心;动能最强的700hPa也是低涡切变线发展最强的层面。强动能及其强梯度区和强螺旋度区基本一致。表明强动能及其强梯度对螺旋度变率及其通量有重要贡献。

华北一次暴雨过程的螺旋度分析

采用ARPS数值模式对华北的一次暴雨过程进行了数值模拟,详细分析了该过程螺旋性结构的建立与发展过程。结果表明:螺旋度的高低空配置对诊断对流系统的发生发展和暴雨的落区有重要的指导意义;xy-螺旋度锋区内靠近正值区的一侧有利于暴雨的发生,但反映的降水落区范围较实际的要大;高层z-螺旋度负值区范围及数值的明显增大预示着对流系统的发展和降水率的增大;低层z-螺旋度在3.25 km高度处的正值中心区与降水落区对应较好;与xy-螺旋度相比,z-螺旋度给出了更为精准的降水位置,是一个能够综合反映系统维持、发展以及天气现象剧烈程度的参数。