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渔屈
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1 第 51 卷第 3 期 2008 年 5 月地球物理学报 CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICS Vol.51,No.3 May,2008 李岩瑛, 张强, 李耀辉等. 水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究. 地球物理学报,2008,51(3):692~703 LiY Y,Zhang Q,LiY H,etal.Dynamicrelationshipsbetweenthehorizontalhelicityandthesandstorm. 犆犺犻狀犲狊犲犑. 犌犲狅狆犺狔狊.(inChinese),2008,51(3):692~703 水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究李岩瑛 1,2,3, 张强 2,1, 李耀辉 2, 孙爱芝 4, 尚宝玉 1, 陈龙泉 3 1 兰州大学大气科学学院, 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室, 兰州中国气象局兰州干旱气象研究所, 兰州甘肃省武威市气象局, 武威西南大学地理科学学院, 重庆摘要应用 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 -200 m 2 /s 2 时, 未来 24 小时内该区下游将有沙尘天气出现, 当 -600m 2 /s 2 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 -1000m 2 /s 2 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. 关键词水平螺旋度, 近地面风场, 沙尘暴, 强度, 动力学关系文章编号 (2008) 中图分类号 P445 收稿日期 , 收修定稿犇狔狀犪犿犻犮狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆狊犫犲狋狑犲犲狀狋犺犲犺狅狉犻狕狅狀狋犪犾犺犲犾犻犮犻狋狔犪狀犱狋犺犲狊犪狀犱狊狋狅狉犿 LIYan Ying 1,2,3,ZHANG Qiang 2,1,LIYao Hui 2,SUN Ai Zhi 4, SHANGBao Yu 1,CHEN Long Quan 3 1 犆狅犾犲犵犲狅犳犃狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮犛犮犻犲狀犮犲狊, 犔犪狀狕犺狅狌犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔, 犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犃狉犻犱犆犾犻犿犪狋犲犆犺犪狀犵犲犪狀犱犚犲犱狌犮犻狀犵犇犻狊犪狊狋犲狉, 犔犪狀狕犺狅狌 , 犆犺犻狀犪 2 犔犪狀狕犺狅狌犃狉犻犱犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵狔, 犆犺犻狀犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犃犱犿犻狀犻狊狋狉犪狋犻狅狀, 犔犪狀狕犺狅狌 , 犆犺犻狀犪 3 犠狌犠犲犻犆犻狋狔犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犅狌狉犲犪狌犻狀犌犪狀狊狌犘狉狅狏犻狀犮犲, 犠狌狑犲犻 , 犆犺犻狀犪 4 犛犮犺狅狅犾狅犳犌犲狅犵狉犪狆犺狔犛犮犻犲狀犮犲, 犛狅狌狋犺狑犲狊狋犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔, 犆犺狅狀犵狇犻狀犵 , 犆犺犻狀犪犃犫狊狋狉犪犮狋 Wecalculatedtheaveragehorizontalhelicitiesfromthesurfaceto500hPabasedon daily08hand20hupper windandsurface winddataobtainedin2002~2006.thecalculated resultsshowthatthemorenegativethehorizontalhelicityis,thehigherthewindvelocitiesfrom thesurfaceto500 hpaareandthestrongerthe westerly windis.consequently,theshear strengthoftheverticalairflowincreasesandtheconvergentverticalairflowisthusenhanced, resultingintheformationofextremelysevereduststorms.thenegativecore(orcenter)ofthe aforementionedhorizontalhelicityisoften strongestnearthe HexiCorridor,leadingtothe frequentoccurrenceofsandstormsinitsdownstreamareastowardsthesoutheast.ourcalculated resultsdemonstrateastrongrelationshipbetweenthenegativityofthehelicitiesandtheintensity oftheresultedsandstorms.forexample,ifthehorizontalhelicityinitscoreis -200 m 2 /s 2, 基金项目国家自然科学基金项目西北沙尘暴关键区近地面起沙特征的观测与数值研究 ( ) 和国家重点基础研究项目 (G ) 共同资助. 作者简介李岩瑛, 女,1970 年生, 理学硕士, 副研级高工, 兰州大学在读博士, 主要从事天气预报和研究工作.E mail:lyyqxj@163.com

2 3 期李岩瑛等 : 水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究 693 sand dustwilprobablyoccur within24hours withabeter (>500 m)visibility.whenthe horizontalhelicityinitscoreis -600 m 2 /s 2,strongsandstormsarelikelytooccurwithin6 hourswithavisibilityoflessthan500m.whenthehorizontalhelicityinitscore(orcenter)is -1000m 2 /s 2,extremelystrongsandstormsare mostlikelytooccur within6hours witha visibilityoflessthan50m. 犓犲狔狑狅狉犱狊 Horizontal helicity, Near surface wind field,sandstorm,intensity, Dynamic relationship 1 引言 20 世纪 90 年代后期以来, 随着全球气候的变暖, 沙尘暴影响明显增强, 如何做好沙尘暴的预报, 有效地减轻沙尘暴的危害, 已成为当前全球气候变化的重点工作之一. 在通常的沙尘暴预报中集中考虑冷空气的强度高低空风速变高场地面气压场 [1~5] 的变化, 而在实际预报中, 发现上述这些因素还远不能满足定量的沙尘暴预报需要. 沙尘暴动力学研究表明, 沙尘暴的起沙过程主要由中小尺度风暴系统引起, 而在中小尺度系统中, 螺旋度是一个用来衡量风暴入流气流强弱以及沿入流方向上涡度分布状况的参数. 它不仅表达了风场旋转的强弱, 而且反映了对旋转性的输送, 是一个反映动力条件的物理参数. 许多研究发现, 螺旋度能够较好地刻画强对流天气的空间物理结构, 对雷暴龙卷大范围暴雨等强对流天气的发生发展和分析预报有一定的指示作用 [6~8]. 螺旋度是一个十分重要的动力学指标, 重要性还在于它比涡度包含了更多的辐散风效应, 更能体现大气的运动状况, 其值的正负情况反映了涡度和速度的配合程度. 自 20 世纪 80 年代以来, 气象学者将螺旋度应用到对强对流风暴的旋转发展维持机制和其他相关的大气现象研究中, 并对其在强对流天气分析预报中的应用进行了数值试验诊断分析 [9,10] [11~16]. 赵光平等通过强沙尘暴典型个例将垂直螺旋度应用到沙尘暴研究中, 得出沙尘暴区上空垂直螺旋度分布的特征是高层为负值, 低层为正值, 对流层中低层螺旋度正的大值区与沙尘暴发生区具有较好的一致性, 可以进一步判断沙尘暴的爆发时间持续过程和移动路径, 为准确预报沙尘暴提供参考依据. 从量级上看 ( 至少在风暴初期 ), 水平螺旋度的量级远大于垂直螺旋度, 较大程度上决定了总螺旋度的情况, 其预示性和重要性充分体现在预报中 [17] [18]. 岳平等通过民勤沙尘暴典型个例分析, 水平相对风暴螺旋度与沙尘暴的强度在时间上依然具有很好的对应关系, 但应用水平螺旋度长期计算, 来追踪沙尘暴天气并做详细分析预报尚不多见. 本文使用的水平螺旋度值是在近地面 925hPa 850 hpa 700hPa 三层高低空相对风暴水平螺旋度值的叠加和, 既有水平方向上相对风暴水平螺旋度值的范围, 又有垂直方向上相对风暴水平螺旋度值的强度, 因而在沙尘暴的范围和强度预报上比垂直螺旋度更直观简洁. 沙暴初期发生的范围和强度主要取决于相对风暴水平螺旋度, 本文主要讨论相对风暴水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系, 侧重沙尘暴范围和强度的预报. 甘肃省河西走廊东部是我国乃至中亚地区沙尘暴天气的高发区之一, 这里北临巴丹吉林沙漠, 东接腾格里沙漠, 境内戈壁沙地广为分布. 该区北部东与腾格里沙漠接壤, 境内多新月形沙丘和沙丘链, 常年降水稀少, 气候干燥, 多年平均气温达 8 左右, 降雨量仅 110~160mm, 蒸发量高达 2600~3000mm, 大风沙尘暴日数较多, 盛行风向为西北风至西北西风, 年均八级以上大风达 25 天左右, 民勤年最多沙尘暴日数达 59 天 (1953 年 ), 武威 34 天 (1953 年 ), 为沙尘暴天气的发生提供了较为丰富的沙源动力和热力条件, 其中民勤县是中国沙尘暴出现最多的地 [19~21] 方 ( 图 1). 该区出现的区域性强沙尘暴常常向下游移动, 是影响中国北方乃至日本等地大气环境的重要沙尘源地 [22~24]. 本文旨在应用高空流场资料和地面观测资料, 计算近地面层水平螺旋度, 探讨我国沙尘暴发生中心之一的甘肃河西走廊东部水平螺旋度与沙尘暴的关系, 及其在沙尘暴预报中的意义. 2 资料 (1) 计算分析资料 :2002~2006 年逐日 08 时和 20 时 925hPa 850hPa 700hPa 500hPa 四层流场客观分析资料, 在 12 N~80 N,32 E~160 E 范围内, 对个格距为 4 的格点资料进行计算分析.

3 694 地球物理学报 (ChineseJ.Geophys.) 51 卷图 ~2000 年河西走廊东部春季 (a) 和年均沙尘暴日数 (b) 分布图 Fig.1 Spring (a,dashedline)andannual(b,solidline)mean sandstormdaysofhexicorridorin1971~2000 一个格距的水平距离在中纬度大约为 400km. 此资料在气象信息综合分析处理系统 (MICAPS) 中每天 08 时和 20 时分发, 数据稳定可靠. 由于沙尘暴发生范围在数百公里到上千公里, 应用本资料有利于监测大范围强沙尘暴的发生发展, 在计算水平螺旋度与沙尘暴动力尺度特征资料分析中是可行的. (2) 沙尘暴实况资料 :2002~2006 年 (12 N~ 80 N,32 E~160 E) 范围内高空 08 时和 20 时, 地面每隔 3 小时或每隔 1 小时加密实况观测资料 ;1 小时内的详细资料来自甘肃省武威市五个气象观测站点 2002~2006 年地面气象观测月报表及天气实况图表, 这五个站为 : 民勤凉州区永昌古浪和乌鞘岭. 3 计算方法及理论依据螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力特性的物理量, 最早用来研究流体力学中的湍流问题, 在等墒流体中具有守恒性质. 其严格定义为犺犲 = 犞 ( 犞 )dτ, (1) 通常人们所说的螺旋度是局地螺旋度犺犲, 定义为 Δ 犺犲 = 犞 ( 犞 ). (2) 根据向量分析的定义, 螺旋度属于假标量 : Δ 犺犲 = 犞 ( 狑犞 )= 狌 - 狏狑 - 狏 - 狌狔狕狓狕 Δ ( ) ( ) 狏 - 狌 ( ). (3) + 狑狓狔 (3) 式右端项各有不同的意义, 它们分别与狓, 狔, 狕方向的风速和涡度的分量联系在一起, 其值相同时也可能会有不同的运动形式. 可分别称为狓 - 螺旋度, 狔 - 螺旋度 ( 合称为水平螺旋度 ), 狕 - 螺旋度, 分别记为犺犲 1, 犺犲 2, 犺犲 3. 水平螺旋度, 确切地说, 是忽略垂直运动水平分布不均下的相对风暴水平螺旋度. 计算公式如下 : 犺犺犲 = ( 犞 -犆) ωd 狕, (4) 0 式中犞 = ( 犝, 犞 ) 为环境风场, 犆 = ( 犆狓, 犆狔 ) 为风暴移动速度, 犺为气层厚度, 犺犲的单位为 m 2 /s 2. 由于垂直速度的水平切变小于水平速度的垂直切变, 所以 ω 主要决定于风的垂直切变.ω 为水平涡度矢量, 可化简为 ω = 犽犞犎狕 = 狌狕犼 - 狏犻.(4) 式变为狕犺犺犲 = ( 犞 - 犆狔 ) 狌 - ( 犝 - 犆狓 ) 狏 )d 狕. 0 狕狕 (5) 在实际中, 犺通常取 3km, 将 (5) 式用求和近似代替, 计算公式如下 : 狀犺犲 = [ ( 狏犽 ( 犻, 犼 )- 犆狔 ( 犻, 犼 ) ( 狌犽 ( 犻, 犼 )- 狌犽 -1( 犻, 犼 ) 犽 =1 - ( 狌犽 ( 犻, 犼 )- 犆狓 ( 犻, 犼 ) ( 狏犽 ( 犻, 犼 )- 狏犽 -1( 犻, 犼 ))], (6) 式中 :( 狌犽, 狏犽 ) 为各高度层上的水平风. 在甘肃河西地区, 犽 =1,2,3 分别取近地面层 925hPa 850hPa 700hPa 三层. 水平螺旋度取决于水平涡度和风暴相对风的大小, 通常在计算中, 风暴移速采用 Maddox [25] 1976 年的计算方法, 他在研究中以平均风速的 75%, 风向向右偏转 30 估算风暴移速, 其中平均风向风速是取 850hPa 至 300hPa 气层中的平均风计算出的. 由于我国沙尘暴主要出现在中纬度 35 N~50 N 之间, 沙暴出现在近地面层 850hPa 左右, 因而在本

4 3 期李岩瑛等 : 水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究 695 文中风暴移速以平均风速乘以 850hPa 与 500hPa 的实际风速比值, 风向右移 850hPa 与 500hPa 的偏转角度来确定, 平均风向风速取近地面 925hPa 850hPa 和 700hPa 三层中的平均风计算. 计算公式如下, 其中犽 =1,2,3,4 分别为 925hPa 850hPa 700hPa 和 500hPa: 3 犆犆狓 ( 犻, 犼 )= 狌 ( 犻, 犼, 犽 )/3, 犽 =1 3 犆犆狔 ( 犻, 犼 )= 狏 ( 犻, 犼, 犽 )/3, 犽 =1 犆犆狔 ( α( 犻, 犻, 犼犼 )=arctg ( 犆犆狓 ( 犻, 犼 ), α( 犻, 犼 )=180/3.14 α( 犻, 犼 ), ( ) β ( 犻, 犞 ( 犻, 犼,2) 犼,2)=arctg 犝 ( 犻, 犼,2 ), β ( 犻, 犼,2)=180/3.14 β ( 犻, 犼,2), β ( 犻, 犞 ( 犻, 犼,4) 犼,4)=arctg 犝 ( 犻, 犼,4 ), ( ) β ( 犻, 犼,4)=180/3.14 β ( 犻, 犼,4), δ( 犻, 犼 )=β ( 犻, 犼,2)-β ( 犻, 犼,4), λ( 犻, 槡犝 2 ( 犻, 犼,2)+ 犞 2 ( 犻, 犼,2 ) 犼 )= 槡犝 2 ( 犻, 犼,4)+ 犞 2 ( 犻, 犼,4 ), ( 犆犆狓 ( 犻, 犼 ) 0, 犆犆狔 ( 犻, 犼 ) 0) 时, θ( 犻, 犼 )=α( 犻, 犼 )-δ( 犻, 犼 ), ( 犆犆狓 ( 犻, 犼 ) 0, 犆犆狔 ( 犻, 犼 ) 0) 时, θ( 犻, 犼 )=180-α( 犻, 犼 )-δ( 犻, 犼 ), ( 犆犆狓 ( 犻, 犼 ) 0, 犆犆狔 ( 犻, 犼 ) 0 ) 时, θ( 犻, 犼 )=180+α( 犻, 犼 )-δ( 犻, 犼 ), ( 犆犆狓 ( 犻, 犼 ) <0, 犆犆狔 ( 犻, 犼 ) 0 ) 时, θ( 犻, 犼 )=270+α( 犻, 犼 )-δ( 犻, 犼 ), 犆狓 ( 犻, 犼 )= 槡 ( 犆犆 2 ( 狓犻, 犼 )+ 犆犆 2 ( 狔犻, 犼 )) cos(θ( 犻, 犼 ) π/180) λ( 犻, 犼 ), 犆狔 ( 犻, 犼 )= 槡 ( 犆犆 2 ( 狓犻, 犼 )+ 犆犆 2 ( 狔犻, 犼 )) sin(θ( 犻, 犼 ) π/180) λ( 犻, 犼 ), (7) 式中 β ( 犻, 犼,2), β ( 犻, 犼,4) 分别代表 850hPa 和 500 hpa 的风向,δ( 犻, 犼 ) 为风向差值,λ( 犻, 犼 ) 为 850hPa 与 500hPa 的风速比值, 当风速比值 1 时按 1 计算, θ( 犻, 犼 ) 为风暴风向, 犆狓 ( 犻, 犼 ) 和犆狔 ( 犻, 犼 ) 为风暴的水平移速. 格点资料中, 所应用的风向与风速的关系如图 2 所示, 其中犝 >0 为西风, 犞 >0 为南风. 当每天的高空天气报文收齐后, 利用 (7) (6) 式, 可计算出 (12 N~80 N,32 E~160 E) 范围内的相对风暴水平螺旋度. 图 2 风向与风速的关系 α 为风向, 犝为纬向风, 犞为经向风. Fig.2 Relationbetweenwinddirectionandvelocity αiswinddirection, 犝 iswindalonglatitude, 犞 iswindalonglongitude. 3 犺犲 ( 犻, 犼 )= ( 狌 ( 犻, 犼, 犽 +1)- 犆狓 ( 犻, 犼 )) ( 狏 ( 犻, 犼, 犽 ) 犽 =1 - 犆狔 ( 犻, 犼 )))- ( 狏 ( 犻, 犼, 犽 +1)- 犆狔 ( 犻, 犼 )) ( 狌 ( 犻, 犼, 犽 )- 犆狓 ( 犻, 犼 ))), (8) 式中, 犺犲 ( 犻, 犼 ) 表示近地面 925hPa 850hPa 700hPa 三层高低空的垂直水平螺旋度和. 水平螺旋度主要与水平方向的力管涡度与气压梯度相联系, 较强的负水平螺旋度中心常常与正的 3 小时变压中心相伴. 水平螺旋度的负值中心越大说明高层经向风与低层风暴的经向风垂直切变大, 低层中纬向风与风暴的纬向风水平切变大, 形成逆时针螺旋式的辐合上升运动. 经向风垂直切变和纬向风水平切变越大, 风速越大旋转速度越快, 辐合上升运动越强 ; 同样高空风速越大, 风暴的东移速度越快 ( 图 3). 而沙尘暴的大小除沙源外主要取决于高低空风速的大小和强烈的辐合上升运动, 因而水平螺旋度的负中心值越大, 沙尘暴越强. 相反, 当水平螺旋度为正值时, 高层纬向风与低层风暴的纬向风垂直切变大, 低层中经向风与风暴的经向风水平切变大, 形成顺时针螺旋式的辐散下沉运动, 不利于沙尘暴的发生. 4 螺旋度与近地面风场的关系春季是沙尘暴发生的主要季节, 区域性强沙尘暴和沙暴灾情均出现在春季, 所以重点选取 2002~ 2006 年春季 08 时和 20 时 1469 个典型个例, 水平螺旋度值按每隔 50m 2 /s 2 计算不同水平螺旋度值范

5 696 地球物理学报 (ChineseJ.Geophys.) 51 卷图 3 负值螺旋度时近地面至 500hPa 风暴的垂直风场结构图 (a) 一致辐合 ;(b) 低层辐合, 高层辐散. Fig.3 Windstorm sverticalwindstructuresofnegativehelicityvaluefromthesurfaceto500hpa (a)wholeconvergence;(b)convergenceinlow,divergenceinupperair. 围内各要素的平均值, 得出水平螺旋度值与高低空各气象要素之间的关系. 由于沙尘暴是风暴的直接产物, 以下风暴用沙暴表示. 4.1 水平风速和风向如图 4, 分别计算不同水平螺旋度强度 (-1000,-600] (-600,-200] (-200,200] 和 1000m 2 /s 2 的风场垂直结构, 水平螺旋度强度平均值分别为 m 2 /s 2 和 m 2 /s 2, 得出不同水平螺旋度强度下的风场垂直结构特征 : -200 m 2 /s 2 时在 850hPa 以下逆转, 以上顺转 ;(-200,200]m 2 /s 2 时在 850hPa 以下顺转, 以上逆转 ; 1000m 2 /s 2 时在 700hPa 以下顺转, 以上逆转. 螺旋度负值越大, 沙暴的风速越大, 其近地面层风速越大, 尤其是当螺旋度值 -1000m 2 /s 2 时沙暴 hPa 和 500hPa 的风速值分别在 m/s 和 47m/s 左右 ; 相反, 当螺旋度值 1000m 2 /s 2 时沙暴 hPa 和 500hPa 的风速值分别在 m/s 和 29m/s 左右. 相同条件下, 负值螺旋度的风速旋转角度和垂直风切变要大于正值螺旋度的. 如图 5, 随着螺旋度绝对值的增大, 高低层风速也在增大, 其中与 700hPa 和 500hPa 的风速较为密切 : 犞 7 = 犡犡 , 犚 2 = 0.65, (9) 犞 5 = 犡犡 , 犚 2 = 0.65, (10) (9) 和 (10) 两式中犡为螺旋度值, 犚为相关系数, 下同. 风向中, 螺旋度值除与沙暴和 500hPa 呈线性正相关外, 其他呈负相关, 与 850hPa 的风向关系较为密切, 其次是 500hPa 的风向 : α8 = 犡犡 , 犚 2 = 0.76, (11) α5 = 犡犡 , 犚 2 = (12) 纬向风犝分量中, 螺旋度与沙暴风速呈线性增加 ( 正相关 ), 西风增强, 但 925~850hPa 呈线性减小 ( 负相关 ), 西风减小, 而在 700~500hPa 中随着螺旋度绝对值的增大, 风速也在增大 ; 而经向风犞分量中与沙暴和 500hPa 呈线性减小, 即螺旋度值越大南风减弱, 而在 925~700hPa 中呈线性增加, 即螺旋度值越大南风加强. 其中螺旋度与 850hPa 中的犝和犞分量关系较为密切 : 犝 8= 犡犡 +5.11, 犚 2 = 0.67, (13) 犞 8= 犡犡 , 犚 2 = 0.85, (14) 与 500hPa 中的犞分量关系也较为密切 : 犞 5= 犡犡 , 犚 2 = (15) 4.2 垂直风切变如图 6, 螺旋度负值越大, 近地面层的高低空垂直风速切变越大, 尤其是当螺旋度负值 -1000m 2 /s 2 时 700hPa 以下经向风切变均为负值, 即低层北风较强,500~700hPa 的纬向风垂直切变在 18m/s, 经向风垂直切变接近 30m/s. 相反, 当螺旋度值 1000m 2 /s 2 时,850hPa 以下经向风垂直切变值在 12 m/s 左右,

6 3 期李岩瑛等 : 水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究 697 图 4 不同水平螺旋度强度下风场的垂直结构剖面图 (a),(b),(c),(d) 和 (e) 的水平螺旋度强度值分别为 m 2 /s 2 和 m 2 /s 2. Fig.4 Verticalwindstructuresectionsofdiferenthorizontalhelicityintensities Thehorizontalhelicityintensitiesof(a),(b),(c),(d)and(e)are-1416,-797.8, ,0.0m 2 /s 2 and1206.4m 2 /s 2,respectively. 850hPa 以上经向风垂直切变值为负, 经向风减小, 高层北风较强. 螺旋度绝对值较大时,850hPa 以上负螺旋度值的风速切变显著大于正螺旋度值的风速切变. 犝分量垂直切变中螺旋度与 925hPa 沙暴呈线性减小, 其他高层随着螺旋度绝对值的增大, 风速垂直切变值也在增大, 其中与 925hPa 沙暴关系较密切 : 犝 9 沙 = 犡 , 犚 2 =0.67.(16) 犞分量垂直切变中 850hPa 以下略呈线性增加,850hPa 以上呈显著线性减小, 其中螺旋度与 500~700hPa 关系较为密切 : 犞 5-7= 犡犡 , 犚 2 = (17) 4.3 垂直旋转角度和西风指数强度如图 7, 螺旋度绝对值越大, 近地面层的高低空旋转角度越大, 贴地层较小, 但 500~700hPa 最大, 尤其是当螺旋度负值 m 2 /s 2 时, 各层的左右旋转角度较大. 螺旋度值为负时,850hPa 以下逆转,850hPa 以上顺转 ; 螺旋度值为正时,700hPa 以下顺转, 以上逆转. 螺旋度与 500~700hPa 的角度关系密切 : α5-7 = 犡犡 , 犚 2 = 0.59, (18) 其次是与 700~850hPa 的角度 : α7-8 = 犡犡 , 犚 2 = (19) 我们用地面到高空的纬向风犝的矢量和来表 [26] 征近地面层西风指数强度, 通过对比分析得出 : 螺旋度与地面到 500hPa 的纬向风犝的矢量和呈线性减少关系, 尤其与 925hPa 和 850hPa 纬向风犝的矢量和较为密切 : 犝 9+8= 犡 , 犚 2 = (20) 这说明近地面层西风指数越强, 螺旋度负值越大.

7 ６９８地球物理学报ＣｈｎｅｓｅｊＧｅｏｐｈｙｓ图５近地面层至５００ｈＰ中水平风速风向以及纬向风速犝和经向风速犞与水平螺旋度值的关系Ｆ５Ｃｏｅｏｎｂｅｗｅｅｎｈｏｚｏｎｗｎｄｖｅｏｄｅｏｎｖｅｏｏｎｇｕｄｅｓｗｅｓｖｅｏｇｙｙ犝ｙ犞ｏｎｇｏｎｇｕｄｅｎｄｈｏｚｏｎｈｅｅｓｆｏｍｈｅｓｕｆｅｏ５００ｈｐ图６近地面层至５００ｈＰ中水平风速犝分量和犞分量垂直切变值与水平螺旋度值的关系Ｆ６Ｃｏｅｏｎｓｂｅｗｅｅｎｈｏｚｏｎｗｎｄｖｅｏｓｗｅｓ犞ｖｅｇｙ犝ｓｈｅｖｕｅｓｎｄｈｏｚｏｎｈｅｅｓｆｏｍｈｅｓｕｆｅｏ５００ｈｐ５１卷

8 3 期李岩瑛等 : 水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究 699 图 7 近地面层至 500hPa 中垂直旋转角度值 ( 正值为逆时针旋转 ) 西风指数与水平螺旋度值的关系 Fig.7 Correlationsbetweenwindverticalrotateangles(anticlockwiserotationispositivevalue), westerlyindexesandhorizontalhelicitiesfromthesurfaceto500hpa 综合上述分析, 负值螺旋度越大, 相应近地面层风速越大, 西风增强, 垂直风切变越强, 逆时针旋转辐合上升运动越强, 因而沙尘暴发生的可能性越大, 强度越强. 螺旋度值综合体现了近地面层到 500hPa 的水平风速垂直风切变和辐合上升运动, 在预报沙尘暴方面, 比风速有更大的优越性. 5 螺旋度与沙尘暴的关系 5.1 空间分布对比 2002 年 3 月 18~22 日在我国北方发生的沙尘暴是 20 世纪 90 年代以来范围最大强度最强持续时间最长和影响最严重的沙尘暴过程, 西北华北及东北部分地区出现了强沙尘暴. 如北京 3 月 20 日发生了有历史记录以来最大的沙尘暴, 总悬浮颗粒物浓度达 10.9 mg/m 3, 高出国家颗粒物污染标准 54 倍, 其他金属元素是平日的 10 倍以上 ; 而青岛总悬浮颗粒物浓度比平时增加了 4.1 倍 [27~29]. 我们对这一发生在中国北方区域的沙尘暴强度与螺旋度最小负值中心等值线进行对比发现, 强沙尘暴中心出现在最大螺旋度负值中心下游的东南方向, 与其螺旋度的负中心等值线相对应, 负中心值越大, 对应沙尘暴强度越强, 螺旋度负值中心 m 2 /s 2 与强沙尘暴中心相对应 ( 图 8). 进一步对 2002 年 3 月 18~21 日的沙尘暴过程进行螺旋度间隔为 12 小时, 地面图间隔为 3 小时的移动跟踪分析, 发现大风沙尘暴天气区域常出现在螺旋度负值中心的右前方. 螺旋度负值中心从新疆西北部进入 (18 日 08 时达 m 2 /s 2, 中心在 52 N,76 E), 向东南方逐渐增强 (18 日 20 时达 m 2 /s 2, 中心在 48 N,88 E), 到河西走廊北部一带达最强 (19 日 08 时达 m 2 /s 2, 中心在 44 N,100 E), 然后移向宁夏附近减弱 (19 日 20 时达 m 2 /s 2, 中心在 44 N,104 E), 向东南再度增强 (20 日 08 时达 m 2 /s 2, 中心在 40 N, 112 E);20 日 20 时继续东移增强达 m 2 /s 2, 中心在 (40 N,120 E);21 日后逐渐减弱东移入海. 相应地, 沙尘暴首先于 18 日 20 时在新疆北部国境线以北生成, 于 19 日 08 时影响甘肃河西中北部, 然后迅速横扫中国北方大部于 19 日 20 时到达东北, 20~21 日整个华北东北处于大风沙暴中,21 日 08 时沙暴南下到达韩国,22 日 05 时沙暴完全移出我国, 如图年 7 月 20 日上午南疆盆地出现扬沙, 其东部及青藏高原北部出现 8~9 级大风, 下午至夜间河西走廊六站出现了近 10 年来少见的区域性夏季大风沙尘暴天气过程,(30 N~50 N,80 E~100 E) 最小水平螺旋度值由 08 时的 m 2 /s 2 中心在 (40 N,88 E) 减弱东移为 20 时的 m 2 /s 2 中心在 (40 N,92 E)( 图略 ). 5.2 水平螺旋度与沙尘暴强度的对应关系通过计算 2002~2006 年春季 3~5 月共 448 个个例逐日 08 时 40 N~50 N,90 E~105 E 范围内的最小水平螺旋度值, 与河西走廊东部沙尘天气实

9 700 地球物理学报 (ChineseJ.Geophys.) 51 卷图 8 中国北方区域 2002 年 3 月 18~22 日强沙尘暴天气过程沙尘暴强度与其对应水平螺旋度的负值中心等值线对比图箭头表示 <-1000m 2 /s 2 水平螺旋度负值中心对应的强沙尘暴区域. Fig.8 Comparisonbetweensandstormoccurringintensityofonestrongsandstorm weatherprocess anditsminimumhorizontalhelicityvaluesduring Mar.18~22,2002innorthernChina Arrowshowshorizontalhelicitynegativevaluecentersoflessthan -1000m 2 /s 2 pointatstrongsandstormoccurringareas. 图年 3 月 18~21 日我国北方的一次强沙尘暴天气过程间隔为 12 小时的最大负值水平螺旋度中心 ( 实线,h 为北京时 ) 和沙尘暴前锋移动路径 ( 虚线 ). Fig.9 Maximumnegativehorizontalhelicityvaluecenters(solidline,histimeofBeijing) andsandstormfront(dashedline)movingtracksofonestrongsandstorm weather processevery12hoursduring Mar.18~21,2002innorthernChina 况进行对应分析, 找出沙尘暴强度与水平螺旋度负值中心的关系, 见图 10. 从图 10 分析知, 当水平螺旋度负值中心 -1000m 2 /s 2 时, 其下游出现强沙尘暴的概率是

10 3 期李岩瑛等 : 水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究 701 图 10 河西走廊东部 (40 N~50 N,90 E~105 E)2002~2006 年春季 3~5 月逐日 08 时不同沙尘强度天气在最小水平螺旋度范围值中出现的概率分布图 Fig.10 Occurringprobabilitiesofsand dustintensitiesinvariousminimumhelicityvaluesatdaily 08hinspringof2002~2006overeastofHexiCorridor(40 N~50 N,90 E~105 E) 100%; 在 -1000~ -600 m 2 /s 2 之间时, 强沙尘暴一般沙尘暴和沙尘出现在下游处的概率各占 33.3 %; 在 -600~-200m 2 /s 2 之间时, 强沙尘暴一般沙尘暴发生的概率分别是 5.3% 和 7.9%, 无沙尘概率接近 65%; 在 -200m 2 /s 2 以上时沙尘暴发生的概率不足 4%, 无沙尘概率接近 84%. 以上说明水平螺旋度负值中心越大, 沙尘暴出现的可能性越大, 强度越强, 但在实际预报中需要与高空冷温槽中冷空气和大风的强度地面冷锋前后 3 小时变压差地表干旱和植被状况配合综合判断. 在 2001~2006 年长期的预报中发现当水平螺旋度负值中心 -1000m 2 /s 2 时, 其下游有三站以上区域性特强沙尘暴 ( 黑风 ) 发生, 概率为 100%. 6 结论水平螺旋度值与高低层风速呈指数分布, 随着水平螺旋度绝对值的增大, 风速增大, 旋转角度加大, 高低空垂直风速切变越大, 辐合辐散加强. 负值水平螺旋度越大, 相应的近地面层风速越大, 西风增强, 垂直风切变越强, 逆时针旋转辐合上升运动越强. 负值水平螺旋度与沙尘暴的关系较为密切, 水平螺旋度负值中心越大, 表明该区近地面层风速越大, 高低空垂直风切变大, 辐合上升运动越强, 因而沙尘暴越强. 而其负值中心常常在河西走廊附近最强, 而河西走廊东部的民勤县是我国沙尘暴天气发生最多强度最强的地方, 这在天气意义上揭示了河西走廊东部是我国四大沙尘暴策源地之一的重要原因. 沙尘暴多发生在水平螺旋度负值中心的下游东南方, 当有 -200 m 2 /s 2 水平螺旋度中心时, 未来 24 小时内该区下游将有沙尘天气出现 ; 当有 -600m 2 /s 2 水平螺旋度中心时,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 ; 当有 -1000m 2 /s 2 水平螺旋度中心时,700hPa 风速达 30m/s 左右,6 小时内该区下游将有能见度小于 50m 的特强沙尘暴 ( 黑风 ) 天气出现. 审图号 GS(2006)2125 号.

11 702 地球物理学报 (ChineseJ.Geophys.) 51 卷参考文献 (References) [1] 李岩瑛, 李耀辉, 罗晓玲等. 河西走廊东部沙尘暴预报方法研究. 中国沙漠,2004,24(5):607~610 LiY Y,LiY H,Luo X L,etal.Studyonforecasting methodsofsand duststormineastofhexicorridor. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犇犲狊犲狉狋犚犲狊犲犪狉犮犺 (inchinese),2004,24(5):607~610 [2] 钱正安, 蔡英, 刘景涛等. 中蒙地区沙尘暴研究的若干进展. 地球物理学报,2006,49(1):83~92 QianZA,CaiY,LiuJT,etal.Someadvancesinduststorm research over China Mongolia areas. 犆犺犻狀犲狊犲犑狅狌狉狀犪犾狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮狊 (inchinese),2006,49(1):83~92 [3] 岳虎, 王锡稳, 李耀辉. 甘肃强沙尘暴个例分析研究 ( ). 北京 : 气象出版社,2003 年 9 月 YueH,WangX W,LiY H.GansuStrongSandstormTypical ProcessAnalysisandResearch(1955~2002)(inChinese). Beijing:ChinaMeteorologicalPress,2003,9 [4] 周秀骥, 徐祥德, 颜鹏等.2000 年春季沙尘暴动力学特征. 中国科学 (D 辑 ),2002,32(4):327~334 Zhou XJ,Xu X D,YanP,etal.Dynamicalpropertiesof sandstorminspringof2000. 犛犮犻犲狀犮犲犻狀犆犺犻狀犪 ( 犛犲狉犻犲狊犇 )(in Chinese),2002,32(4):327~334 [5] 范可, 王会军. 北京沙尘频次的年际变化及其全球环流背景分析. 地球物理学报,2006,49(4):1006~1014 Fan K,Wang H J.Interannualvariabilityofdustweather frequencyin Beijinganditsglobalatmosphericcirculation. 犆犺犻狀犲狊犲犑. 犌犲狅狆犺狔狊.(inChinese),2006,49(4):1006~1014 [6] Lily D K.The structure,energetics and propagation of rotating convective storms.part I:Helicity and storm stabilization. 犑. 犃狋犿狅狊. 犛犮犻.,1986,43:126~140 [7] WoodalG R.Qualitativeforecastingoftornaticactivityusing storm relative environmental helicity.in:preprint,16th ConferenceonSevereLocalStorm ~315 [8] Davies JonesR,PonaldBurgess.Testofhelicityastornado forecastingparameter.in:preprint,16thconferenceonsevere LocalStorm ~593 [9] 黄勇, 张晓芳, 陆汉城. 平均螺旋度在强降水过程中的诊断分析. 气象科学,2006,26(2):171~176 HuangY,ZhangXF,LuH C.Diagnosisofaheavyrainby useofaveragestorm relativehelicity. 犛犮犻犲狀狋犻犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪 (inchinese),2006,26(2):171~176 [10] 杨越奎, 刘玉玲, 万振拴等梅雨锋暴雨的螺旋度分析. 气象学报,1994,52(3):379~384 YangY K,LiuY L,WanZS,etal.Analysisonhelicityof 91.7 MeiYufrontrainstorm. 犃犮狋犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪 (in Chinese),1994,52(3):379~384 [11] 赵光平, 王连喜, 杨淑萍. 宁夏区域性沙尘暴短期预报系统. 中国沙漠,2001,21(2):178~183 ZhaoG P,WangL X,YangSP.Ninxiaregionalsandstorm short termforecastsystem. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犇犲狊犲狉狋犚犲狊犲犪狉犮犺 (in Chinese),2001,21(2):178~183 [12] 陶健红, 王劲松, 冯建英. 螺旋度在一次强沙尘暴天气分析中的应用. 中国沙漠,2004,24(1):83~87 TaoJH,WangJS,FengJY.Applyingofhelicityinanalysis ofa severe sandstorm. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犇犲狊犲狉狋犚犲狊犲犪狉犮犺 (in Chinese),2004,24(1):83~87 [13] 王劲松, 李耀辉, 康凤琴等沙尘暴天气的数值模拟及诊断分析. 高原气象,2004,23(1):89~96 WangJS,LiY H,KangFQ,etal.Numericalsimulationand diagnoseanalysison 4.12 sandstorm. 犘犾犪狋犲犪狌犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵狔 (inchinese),2004,23(1):89~96 [14] 申红喜, 李秀连, 石步鸠. 北京地区两次沙尘 ( 暴 ) 天气过程对比分析. 气象,2004,30(2):12~16 ShenH X,LiX L,ShiBJ.Comparisonwithtwosandstorm weatherprocessesin Beijing. 犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵狔 (in Chinese), 2004,30(2):12~16 [15] 张海霞, 尤凤春, 周伟灿等. 强沙尘暴天气形成机制个例分析. 气象科技,2007,35(1):101~106 Zhang H X,You F C,Zhou W C,etal.Dynamicaland thermodynamic mechanisms of a severe dust storm. 犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔 (inchinese),2007, 35(1):101~106 [16] 王建鹏, 沈桐立, 刘小英等. 西北地区一次沙尘暴过程的诊断分析及地形影响的模拟试验. 高原气象,2006,25(2):259~267 WangJP,ShenTL,LiuXY,etal.Diagnosinganalysesand topography simulation of a sand dust storm event in northwestchina. 犘犾犪狋犲犪狌犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵狔 (inchinese),2006, 25(2):259~267 [17] 陆慧娟, 高守亭. 螺旋度及螺旋度方程的讨论. 气象学报, 2003,61(6):684~691 LuHJ,GaoST.Onthehelicityandthehelicityequation. 犃犮狋犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪 (inchinese),2003,61(6):684~691 [18] 岳平, 牛生杰, 张强. 民勤一次沙尘暴天气过程的稳定度分析. 中国沙漠,2007,27(4):668~671 YueP,NiuSJ,ZhangQ.Analysisonstabilityofasand dust storm weatherin Minqinstation. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犇犲狊犲狉狋犚犲狊犲犪狉犮犺 (inchinese),2007,27(4):668~671 [19] 李岩瑛, 杨晓玲, 王式功. 河西走廊东部近 50a 沙尘暴成因危害及防御对策. 中国沙漠,2002,22(3):283~286 LiY Y,Yang X L,Wang S G.Thecause,disasterand countermeasureofsandstormintheeastof HexiCorridor duringthelater50 years. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犇犲狊犲狉狋犚犲狊犲犪狉犮犺 (in Chinese),2002,22(3):283~286 [20] 王式功, 王金艳, 周自江等. 中国沙尘天气的区域特征. 地理学报,2003,58(2):193~200 WangSG,WangJY,ZhouZJ,etal.Regionalcharacteristics of dust events in China. 犃犮狋犪犌犲狅犵狉犪狆犺犻犮犪犛犻狀犻犮犪 (in Chinese),2003,58(2):193~200 [21] 赵兴梁. 甘肃特大沙尘暴的危害与对策. 中国沙漠,1993,13 (3):1~5 Zhao X L. The disaster and countermeasure of super sandstormin Gansu Province. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犇犲狊犲狉狋犚犲狊犲犪狉犮犺 (inchinese),1993,13(3):1~5 [22] 张小曳, 沈志宝, 张光字等. 青藏高原远源西风粉尘与黄土堆

12 3 期李岩瑛等 : 水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究 703 积. 中国科学 (D 辑 ),1996,26(2):147~153 Zhang X Y,ShenZ B,Zhang G Z,etal.Remotesource westerlypowderandloess deposit over Tibetan Plateau. 犛犮犻犲狀犮犲犻狀犆犺犻狀犪 ( 犛犲狉犻犲狊犇 )(inchinese),1996,26(2):147~ 153 [23] IwasakaY,MinouraH,NagayaK.Thetransportandspecial scaleofasiandust storm clouds:acasestudyofthedust stormeventofapril1979. 犜犲犾狌狊,1983,35B:189~196 [24] 刘红年, 蒋维楣. 沙尘表面非均相化学过程的气候效应的初步模拟研究. 地球物理学报,2004,47(3):417~422 Liu H N,Jiang W M.A preliminary study on the heterogeneouschemicalprocessesonthedustsurfaceand theirefectonclimate. 犆犺犻狀犲狊犲犑. 犌犲狅狆犺狔狊.(in Chinese), 2004,47(3):417~422 [25] Maddox.An evaluation of tornado proximity wind and stabilitydata. 犕狅狀. 犠犲犪. 犚犲狏.,1976,104:133~142 [26] 刘飞, 何金海, 姜爱军. 亚洲夏季西风指数与中国夏季降水的关系. 南京气象学院学报,2006,29(4):517~525 LiuF,HeJH,JiangAJ.RelationshipbetweenAsiansummer westerlywindindexandsummerrainfalinchina. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犖犪狀犼犻狀犵犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵狔 (inchinese),2006,29 (4):517~525 [27] 赵琳娜, 孙建华, 赵思雄.2002 年 3 月 20 日沙尘暴天气的影响系统起沙和输送的数值模拟. 干旱区资源与环境,2004,18 (1):72~79 ZhaoL N,Sun J H,Zhao S X.Numericalsimulation of synopticbackground,sourcesemissionsandtransportofdust stormsduring20 March,2002in China. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犃狉犻犱犔犪狀犱犚犲狊狅狌狉犮犲狊犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋 (inchinese),2004,18(1): 72~79 [28] 孙业乐, 庄国顺, 袁惠等.2002 年北京特大沙尘暴的理化特性及其组分来源分析. 科学通报,2004,49(4):340~346 SunY L,ZhuangGS,Yuan H,etal.Analysisononevery strongsandstorm s physic chemicalcharacteristicsandits componentsresources of Beijingin 犆犺犻狀犲狊犲犛犮犻犲狀犮犲犅狌犾犲狋犻狀 (inchinese),2004,49(4):340~346 [29] 盛立芳, 耿敏, 王园香等.2002 年春季沙尘暴对青岛大气气溶胶的影响. 环境科学研究,2003,16(5):11~13 ShengLF,Gen M,WangYX,etal.Efectsofduststorms onatmosphericaerosolsinqingdaoinspring2002. 犚犲狊犲犪狉犮犺狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犛犮犻犲狀犮犲狊 (inchinese),2003,16(5):11~13 ( 本文编辑何燕 )

JournalofSoiland WaterConservation Vol.32No.1 Feb.,2018!"#$%&' 1, 2, 3, 1, 4, 5, 1 ( , :;, ; ( ),0 5 <-. 4, ;3

321 20182 JournalofSoiland WaterConservation Vol.32No.1 Feb.,2018!"#$%&' 1, 2, 3, 1, 4, 5, 1 (1. 23 4,567089 :;, 100083; 2. 23 ( ),0 5 4,?@ 750021; 4.A-2

3 期 李岩瑛等 : 水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究 693 sand dustwilprobablyoccur within24hours withabeter (>500 m)visibility.whenthe horizontalhelicityinitscoreis -600 m 2

3 期李岩瑛等 : 水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究 693 sand dustwilprobablyoccur within24hours withabeter (>500 m)visibility.whenthe horizontalhelicityinitscoreis -600 m 2