2安徽高考文科数学试题及答案

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风暴相对螺旋度在龙岩前汛期单站短时暴雨预报中的应用 张维1，罗小金1，胡海洋2，李剑刚1，冯晋勤1‎ ‎（1龙岩市气象局，364000 2 武平县气象局，364300）‎ 摘要：风暴相对螺旋度(SRH) 是一个衡量环境风场具有多大沿气流方向的水平涡度及其贡献的参数,对短时暴雨的分析与预报有一定的实用价值。读取雷达风廓线产品，计算分析龙岩11次暴雨过程中的风暴相对螺旋度与降水量之间的变化关系，结果表明SRH增量超前于强降水量增量，这对短时暴雨的临近预报有一定的指导意义。‎ 关键词：短时暴雨；垂直风廓线(VWP)产品；风暴相对螺旋度(SRH)‎ The application of storm relative helicity in short-time rainstorm at Longyan station before the flood season ‎ Zhang Wei1,Luo Xiaojin1,Hu Haiyang2,Li Jiangang1,Feng Jinqin1‎ ‎（1 Longyan Meteorological Bureau，364000 2 Wuping Meteorological Bureau,364300）‎ Abstract：The storm relative helicity reflects how much horizontal eddies on the direction of airflow contained in environment wind field, which is useful to l to analyze and forecast short-time rainstorm. The paper analyze the relationship between storm relative helicity and precipitation of eleven rainstorm process at Longyan. The result turns out that: the time that SRH increases serious is in the previous of the time that precipitation increases serious.‎ ‎ Keywords：short-time rainstorm ;vertical wind profile (VWP);　storm relative helicity (SRH)‎ 引言 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，最早用于流体力学的研究。20世纪80年代开始，气象学者将螺旋度应用到强天气分析预报中，气象学中的螺旋度是一个衡量环境风场具有多大沿气流方向的水平涡度及其贡献的参数，其大小反映了旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度。国外许多研究[1-5]表明，螺旋度对雷暴、龙卷、大范围暴雨的分析预报有一定的指示作用，并将其投入业务使用。‎ 螺旋度根据其在水平方向上的分量和垂直方向上的分量，可以分为水平螺旋度和垂直螺旋度。从量级上看，水平螺旋度比垂直螺旋度大，较大程度上决定了螺旋度的情况。水平和垂直方向上的螺旋度既相互区别又相互联系，它们在暴雨、强对流天气过程中表现出不同的作用。特别在强风暴发生前，涡度的垂直分量一般比风的垂直切变小一个量级以上，水平螺旋度对预报强风暴的指示意义更强。后Woodall[2]提出了风暴相对螺旋度（SRH）的概念，认为只有相对于风暴的螺旋度才真正对风暴维持和发展有实际意义，风暴相对螺旋度与局地螺旋度的区别在于用相对于风暴的风速代替水平风速。风暴相对螺旋度主要反映环境垂直风切变对移动风暴的影响，近年来，国内气象学者通过研究表明[7-8]，风暴相对螺旋度对于冰雹、大风、暴雨天气的发生有一定的指示意义。‎ 文章利用龙岩新一代天气雷达的风廓线（VWP）产品作为风场资料计算本站上空的风暴相对螺旋度，并选取2005至2009年3到7月龙岩测站的11次短时暴雨过程进行风暴相对螺旋度分析，通过分析风暴相对螺旋度变化与降水变化之间的关系，从中得出风暴相对螺旋度对短时暴雨预报的指标，用以提高短时暴雨的预报时效。‎ ‎1 风暴相对螺旋度(SRH)及计算方法 风暴相对螺旋度描述了沿气流方向上的水平涡度大小与入流强度对风暴旋转性的贡献,其表达式为:‎ SRH= (1)‎ 式中:V=(u (z), v (z))为环境风场；C为风暴运动速度；为h高度的水平涡度矢量；h为气层厚度；SRH的单位是m2/s2。从式(1)可以看出，风暴相对螺旋度的增大有两个因素，其一是环境风场的增大，其二是水平涡度的增大，而环境风场的增大对应于暴雨联系的急流，水平涡度的增大则由水平风场的垂直切变决定，而风的垂直切变是预报强对流风暴的一个重要因素，因此风暴螺旋度类似于能量和涡度拟能，是一个强对流天气预报的极好动力因子。‎ ‎ 在实际工作中，Davies-jones等[4]将式(1)转换为 SRH= (2)‎ 式中：（un,vn）为各高度层上的水平风，（Cx，Cy）为风暴移动速度，由于流入风暴的气流来自低层，h通常取3000m。由于目前确定风暴运动速度C有多种方法，这里采用Davies和Johns1993年提出的一种修正预报方法，即：若平均风速小于15 m/s，以平均风速的75%、风向右方30°作为风暴移速C；否则以平均风速的85%、风向右方20°作为C带入公式计算。‎ 本文在应用公式（2）计算风暴相对螺旋度时，各高度层水平风利用新一代天气雷达风廓线产品提供的风场资料得到，由于龙岩雷达站海拔1500m左右，实际取1500-3000m高度层的风场数据，高度层间隔300m，共6层风速资料代入计算风暴相对螺旋度。新一代天气雷达每6分钟得到一组风廓线产品数据，但由于单时次雷达风廓线产品的风速、风向值可能变化较大，在计算时将每6分钟计算得到的风暴相对螺旋度进行半小时平均，即得到半小时平均的风暴相对螺旋度进行分析。在风廓线产品中，如果与某高度相应的斜距圈上有资料，但资料点少于25个，则在该高度上用“ND”字样显示，如果没有资料可供分析，则用“．”表示，所以在计算时，如果从风廓线产品中获得的风场资料少于3层时，则该时次不进行计算。‎ ‎2 风暴相对螺旋度在龙岩前汛期短时暴雨的应用 本文中短时暴雨定义为任意三小时雨量达到30 mm，2005到2009年3到7月龙岩测站共出现20次短时暴雨过程，其中有3次是台风过境造成、4次是局地的强对流造成、2次是狭长的带状回波造成，其余11次是大范围降水过程，且这11次过程都是在低层有切变系统影响且高空有槽配合的天气系统下产生的。‎ 由于计算龙岩风暴相对螺旋度所用的层数相对较少，如果低层的风速出现“ND”或“.”字样时，所计算出来的SRH不准确，对暴雨无指示意义。龙岩出现的4次局地强对流和2次狭长带状回波过程中低层资料较少，VWP产品中出现“ND” 或“.”字样，因此不予以分析。而台风过程出现次数较少，且计算出来的SRH对暴雨的指示意义变化较大，无明显规律。因此本文主要分析11次大范围降水的短时暴雨过程。‎ ‎2.1 05至09年3到7月短时暴雨过程中SRH和降水量的特征及二者之间的统计分析 ‎2005.6.1‎ ‎2005.5.9‎ ‎2005.3.29‎ ‎2006.6..1‎ ‎2005.6..22‎ ‎2005.6..20‎ ‎2009.6..13‎ ‎2008.5..29‎ ‎2007.4.24‎ ‎2006.6..8‎ ‎2009.7..2‎ 图1 11次暴雨过程中的SRH和雨量随时间的变化图 ‎（左侧的坐标轴为雨量，单位0.1mm，右侧的坐标轴为SRH，单位m2／s2）‎ 通过分析11次短时暴雨过程的SRH和雨量随时间的变化（图1），可以得出一个共同规律：当SRH逐渐增大，预示降水开始逐渐增大；SRH出现跃增，雨量随之跃增；SRH达到最大，降水强度也随之达到最大；SRH减小雨强也随之减小。但SRH数值大小与降水量大小没有明显的线性关系。‎ 为了进一步说明这一共同规律，表一中的数据体现了变化过程中的一些具体数值，即:11次过程中SRH和降水量的特征量及二者之间的关系比对。表中“跃增时间”指开始增大过程中变化最大的时间，有暴雨跃增时间和SRH跃增时间两种。从表中可以看出“SRH最大值时间”对“雨强最大值时间”的“最大值提前量”有8次是有提前量（“0小时”表示没有提前量）。而“SRH跃增时间”对“雨强跃增时间”的“SRH跃增提前量”基本上都在1个小时2个小时之间，只有06年6月1日的提前量较长。‎ 在实际应用中，我们要用到的恰恰是“SRH跃增”，从表中最后一项还看出，在“SRH跃增”预示的“雨强跃增”后的三个小时都是雨量最大的时段。因此我们有必要进一步分析“SRH跃增”后的“SRH大值范围”、“850Hpa风速”和“雨强跃增后3小时雨量”三者之间的关系。表中05.5.9过程中“SRH大值范围”为42-108m2/s2，对应的“雨强跃增后3小时雨量”为61.1mm，而09.6.13过程的“SRH大值范围”为-1到3m2/s2，3小时雨量同样达到59.1mm，因此可以说SRH的大值并没有对应更大的雨量。究其主要原因是：SRH只是反映风暴旋转的参量，旋转特征在强风暴中是很重要的。而强降水与风暴旋转有关系，但并非起决定的因素。比如有的干型强风暴，旋转强烈，其降水量却不大；或有的强降水并不需要很强的旋转，只要低层有水汽辐合上升即可，文中部分个例就属于这类。还有一个原因可能是：SRH的取值很大程度上取决于低层的风速，风暴相对螺旋度的公式（1）可以很好解释这点——SRH的取值正比于环境风场V，从表一中的数据也可以证实即：2005.3.29、2008.5.29和2009.6.13三次过程中的低层风速都小于12m/s，对应的“SRH大值范围”也都是较小，最大值都小于30m2/s2，而其他八次过程的SRH最小值都大于30m2/s2（2005.6.20和2005.6.22例外）。‎ 暴雨日期 ‎850hpa风速 m/s SRH最大值时间 雨强最大值时间 最大值提前量 SRH跃增时间 雨强跃增时间 SRH跃增提前量 SRH大值范围m2／s2‎ 雨强跃增后3小时雨量 ‎2005.3.29‎ ‎6‎ ‎4:30‎ ‎6:00‎ ‎2小时 ‎2:30‎ ‎4:30‎ ‎2小时 ‎16-27‎ ‎29.3m ‎2005.5.9‎ ‎12‎ ‎10:00‎ ‎10:00‎ ‎0小时 ‎6:00‎ ‎9:00‎ ‎3小时 ‎42-108‎ ‎61.1mm ‎2005.6.1‎ ‎12‎ ‎23:30‎ ‎0:30‎ ‎1小时 ‎23:00‎ ‎0:00‎ ‎1小时 ‎31-34‎ ‎27.9mm ‎2005.6.20‎ ‎16‎ ‎15:00‎ ‎15:00‎ ‎0小时 ‎13:30‎ ‎14:00‎ ‎1小时 ‎26-41‎ ‎40.6mm ‎2005.6.22‎ ‎16‎ ‎3:30‎ ‎4:30‎ ‎1小时 ‎2:00‎ ‎3:00‎ ‎2小时 ‎29-91‎ ‎42.7mm ‎2006.6.1‎ ‎16‎ ‎10:30‎ ‎12:30‎ ‎2小时 ‎6:30‎ ‎10:00‎ ‎3.5小时 ‎32-57‎ ‎32.3mm ‎2006.6.8‎ ‎14‎ ‎6:30‎ ‎8:00‎ ‎1.5小时 ‎4:30‎ ‎6:00‎ ‎1.5小时 ‎30-48‎ ‎37.8mm ‎2007.4.24‎ ‎16‎ ‎8:00‎ ‎11:00‎ ‎3小时 ‎7:00‎ ‎9:00‎ ‎2小时 ‎43-55‎ ‎56.6mm ‎2008.5.29‎ ‎8‎ ‎6:30‎ ‎8:00‎ ‎1.5小时 ‎5:00‎ ‎6:00‎ ‎1小时 ‎25-28‎ ‎33.5mm ‎2009.7.2‎ ‎10‎ ‎14:00‎ ‎14:00‎ ‎0小时 ‎11:30‎ ‎13:30‎ ‎2小时 ‎35-48‎ ‎49.3mm ‎2009.6.13‎ ‎<8‎ ‎4:30‎ ‎5:00‎ ‎0.5小时 ‎4:00‎ ‎4:30‎ ‎0.5小时 ‎-1到3‎ ‎59.1mm 表一：暴雨过程中SRH和降水量的特征及二者之间的关系 ‎2.2 2005年5月9日短时暴雨个例分析 ‎ 下面以2005年5月9日这个典型个例来说明分析过程。2005年5月9日低层850hPa处于切变南侧的南风急流下，850hPa至700hPa的平均风速在20m/s左右，这次过程龙岩出现大暴雨，强降水时段主要出现在7时到12时这段时间，如图2所示。从图中可以看出，在9日3：30之前SRH都小于50m2.s-2，对应的雨量也为0。从6：00开始SRH出现跃增，从49增大到91。对应大的降水9：00‎ 出现跃增，半小时雨量从6mm增到到12mm。到了10:00SRH达到最大108，半小时雨量也达到最大22mm。因此可以由SRH大致估计降水加强的时间：SRH开始跃增时，环境风或者水平涡度开始加强，大的降水将至。10:00以后,SRH开始减小，与之对应，降水强度也开始减小。‎ 图2 2005年5月9日1时至15时逐半小时雨量和风暴相对螺旋度变化 ‎3 结论 ‎（1）本文应用新一代天气雷达风廓线产品时间分辨率高的特点，尝试计算得到的风暴相对螺旋度，通过11次短时暴雨过程的分析表明，虽然SRH值大小与降水量大小相关性不好，但SRH增量超前于强降水量增量，这对短时暴雨的临近预报有一定的指导意义。‎ ‎（2）在实际应用中可以根据风暴相对螺旋度的跃增来预示强降水的开始，风暴相对螺旋度的跃增对短时暴雨的提前量在1到2个小时左右。在低层有急流存在时，对应的风暴相对螺旋度较大，反之，低层无急流时，风暴相对螺旋度较小。‎ ‎（3）在同样的天气过程下，龙岩的风暴相对螺旋度值比其他地方风暴相对螺旋度值偏低，分析原因可能是：本文计算SRH时由于雷达资料限制，积分下限取1.5km，而相对入流主要在低层，这可能导致SRH的计算结果较低。‎ ‎（4）本文仅对2005到2009年3-7月龙岩大范围降水过程中的短时强降水进行分析，今后将进一步对其他强对流天气分析。‎ 参考文献:‎ ‎[1]　Lilly D K. The structure, energetics and propagation of rota-ting convective storms. Part II: Helicity and storm stabiliza-tion[J]. J Atmos Sci, 1986, 43: 126-140‎ ‎[2]　Woodall G R. Qualitative forecasting of tornadic activity usingstorm-relative environmental helicity[C]. Preprint of the 16thConference on Severe Local Storm, Kananaskis, Alta, Cana-da. Amer. Meteor. Soc., Oct 22-26, 1990. 311-315‎ ‎3]　Lazarus S M, K K Droegemeier. The influence of helicity onthe stability and morphology of numerically simulated storms[C]. Preprint of the 16th Conference on Severe Local Storm,Kananaskis, Alta‎, ‎Canada. Amer Meteor Soc, Oct 22-26,1990. 269-275‎ ‎[4]　Davies-Jones R, Ponald Burgess. Test of helicity as a tornadoforecast parameter[C]. Preprint of the 16th conference on se-vere Local Storm, Kananaskis, Alta‎, ‎Canada. Amer. Meteor.Soc., Oct 22-26, 1990. 588-593‎ ‎[5]　Leftwich P W. On the use of helicity in operational assessmentof severe local storm potential[C]. Preprint of the 16thConference on Severe Local Storms, Kananaskis, Alta, Cana-da. Amer. Meteor. Soc., Oct 22-26, 1990. 306-310‎ ‎[7] 王珏,张家国,王佑兵,等.鄂东地区雷雨大风多普勒天气雷达回波特征[J].暴雨灾害,2009,28(2)：143-146.‎ ‎[8] 王丽荣,胡志群，匡顺四.应用雷达产品计算风暴相对螺旋度[J].气象,2006,32(4)：45-51.‎