引言

四川盆地处青藏高原东麓，地形十分复杂，其暴雨突发性强、时空分布不均匀，如何准确预报一直是相关科技工作者长期探索的科学难题，并在暴雨的发生发展机理、数值模拟及预报方法等方面取得了一些可喜的成果(陶诗言等，1980；四川省气象台，2011)。早期的工作多集中在暴雨天气系统的分析总结方面，其后多集中在不稳定理论的研究方面，近期研究主要集中在湿位涡、倾斜涡度发展和数值模拟分析等方面(陈静等，2002；肖洪郁等，2003；汪丽等，2007；缪强等，2009；王中等，2008；顾清源等, 2008, 2009；陈永仁等，2013；康岚等，2013)。在业务天气预报中如何采用新诊断量，如何有效地结合预报员经验和数值预报产品，稳步提高四川盆地暴雨的预报准确率是我们现在及以后关注的重点。螺旋度是表征流体旋转和沿旋转方向运动的动力特性的物理量(陆慧娟等，2003)。自20世纪80年代以来国内外气象学者对螺旋度进行了相关理论及数值模拟的研究(Lilly, 1986a, 1986b；Davies-Jones et al，1990；Brooks et al，1990；1993；Fei et al，2001；李岩瑛等，2012)。随着螺旋度的理论研究、数值模拟和观测资料分析的逐步深入，螺旋度逐渐成为引入天气分析特别是强降水分析预报中的一个重要物理量。陆慧娟等(2003)认为水平螺旋度反映了环境风场的变化对预报强天气走向及分布有指示意义，而垂直螺旋度在一定程度上反映了系统的维持、发展以及天气现象的剧烈程度。王淑静(1998)研究了垂直螺旋度的高低空耦合区与区域暴雨的关系。刘惠敏等(2009)利用T106数值预报产品，分别计算高、低空的Z螺旋度结合相对湿位涡、Q矢量等物理量场，采用动态逐步回归统计方法预报未来6 h的降水面雨量，获得很好的效果。不少实际天气过程的个例诊断也表明螺旋度的分布与雨区配合较好(寿绍文等，1998；谭志华等，2000；王丽荣等，2006；尤红等，2007；黄楚惠等，2009；2010)。目前，螺旋度诊断用于强降水的研究多见于个例的诊断分析，而用于实际天气预报业务工作的比较少见。

本文从天气预报角度考虑常规的表征大气动力条件的物理量如涡度、散度和垂直速度，表征水汽条件的物理量如水汽通量及水汽通量散度等表现的特征单一化，且各物理量相互对应区并不一致，这样预报员在参考时耗费时间较多，对落区把握准确度不高。文中涉及的湿螺旋度诊断量将产生强降水的水汽和动力条件进行耦合能将更多的信息集中到一个变量上，为预报员确定强降水落区及走向节约了宝贵的时间，加深对强降水发生发展机制的认识，同时将归纳总结的判据和指标每天实时在省台会商图形显示系统展示，供市(州)局调阅，亦可为预报会商提供材料。因此采用新型的综合物理量诊断方法来研究四川盆地强降水过程是非常必要的，对于提高高原东侧地区的天气预报水平具有实际意义。

1 判据指标 1.1 湿螺旋度介绍

在上升运动ω < 0的情况下，P坐标系下P-螺旋度计算公式为：

$ h = \omega \left({\frac{{\partial v}}{{\partial x}} - \frac{{\partial u}}{{\partial y}}} \right) $

(1)

钮学新等(2004)指出由于垂直速度是造成天气现象的直接原因，加之垂直涡度大的系统与强对流天气有密切联系，所以使用垂直螺旋度计算出来的湿螺旋散度对强降水有很好的指示作用。该文中湿螺旋度散度(F)计算公式为：

$ F = \omega \left({\frac{{\partial v}}{{\partial x}} - \frac{{\partial u}}{{\partial y}}} \right)\left({\frac{{\partial uq}}{{\partial x}} + \frac{{\partial vq}}{{\partial y}}} \right) $

(2)

只考虑有上升运动ω < 0以及正涡度ζ> 0时的情况下，则当有水汽通量散度的辐合$\nabla \bullet $(Vq) < 0时，湿螺旋度为正值；反之当有水汽通量散度的辐散$\nabla \bullet $(Vq) > 0时，湿螺旋度为负值。本文采用欧洲中期数值预报中心(ECMWF)高分辨率预报场(0.25°×0.25°)计算的湿螺旋度，其单位为10^-11 Pa·s^-3。

1.2 判据指标的选取

研究表明，湿螺旋度对于强降水落区及走向具有较好的指示性(钮学新等，2004；王颖等2007；雷正翠等，2006；黄楚惠等，2011)。因此根据式(2)，采用ECMWF细网格数据(0.25°×0.25°)以20时作为初值起报的24 h预报，计算每3 h间隔的湿螺旋度数量值分布。选取2011年汛期7—9月和2012年5—7月共计20个强降水个例进行统计分析(其中暴雨出现时间定为20—20时)，将前述模式计算的3 h间隔湿螺旋度数量值分布中持续2个时次或以上的湿螺旋度正值区与24 h内暴雨或大暴雨落区对应进行统计，最后将20个个例得到的值取平均，得出24 h湿螺旋度指标阈值如表 1；对于6 h的指标值也是选取任一时刻湿螺旋度正值与其后6 h内降水分布相对应进行选取统计，最后再取平均值作为6 h产生大雨或暴雨的指标(表 1)。其中大雨、暴雨和大暴雨定义按照GB/T28592-2012的规定划分为25.0~49.9、50~99.9和100~249.0 mm。

根据各指标阈值，划定了四川盆地24 h发生暴雨、大暴雨及6 h发生暴雨的湿螺旋度数量值判据(表 2)。

由ECMWF细网格模式湿螺旋度指标及判据分布(表 1和表 2)可知：(1)700 hPa湿螺旋度数量值指标均大于850 hPa数量值指标。这是因为多数个例中，西南急流对水汽的输送常在700 hPa表现最强，故指标也最大。(2)700和850 hPa湿螺旋度正值区大于20×10^-11 Pa·s^-3的区域即有利于暴雨的发生，表明湿螺旋度对24 h内暴雨发生的指示意义较好。(3) 以上指标值是20个个例的统计结果，从分析来看700或850 hPa湿螺旋度正值区的分布均与相应时段强降水落区、分布较为一致，表明湿螺旋度分布对于强降水的落区和走向确实具有较好的指示性。若湿螺旋度数量值在短时间内骤增，将有利于短时强降水的发生。本文分别选取两例发生在四川盆地的强降水过程利用上述湿螺旋度判据指标进行检验分析(区域性降水过程指盆地5个及以上地市分别有1/4县站达到暴雨及以上量级指标，未达到则为非区域降水过程)。

2 个例检验 2.1 2012年8月30日至9月1日盆地区域性降水过程

选取2012年8月31日20时至9月1日20时降水时段进行分析，对比24~48 h的降水量预报场(图 1a)与实况降水(图 1b)，ECMWF细网格模式对降水落区预报与实况落区基本吻合，但暴雨落区范围显著偏小，量级偏弱，强降水中心位置偏西位于广元中部，而实况强降水中心位于广元、巴中、南充，遂宁、广安五市的交界处及南部的宜宾、泸州、自贡、内江一带，预报场漏报了南部的强降水。以下通过湿螺旋度判据指标进行分析可以重新判定降水落区及强度。

8月30日20时起报的24~48 h预报场中700和850 hPa(图 2a~2e)湿螺旋度正值区呈东北—西南向带状分布，自西往东缓慢移动，大于20×10^-11 Pa·s^-3的正值区域与暴雨落区基本一致，表明湿螺旋度对未来48 h内暴雨发生有较好的指示意义，其中心区始终维持在盆地北部到中部一带，这与大暴雨落区的分布有较好对应。此外，正值湿螺旋度大值分布在700 hPa要比850 hPa强，表明低空急流对水汽的输送在低层较强，这是强降水发生的有利条件。1日02时(30 h，图略)，700和850 hPa自陕甘一带有正值湿螺旋度下沿至盆地北部，到1日11时(39 h)，700 hPa湿螺旋度正极值达到480×10^-11 Pa·s^-3(图 2a)，而850 hPa湿螺旋度极值也达到400×10^-11 Pa·s^-3(图 2d)，到1日14时(42 h，图 2b和2e)，700 hPa湿螺旋度极值达580×10^-11 Pa·s^-3位于巴中以北，850 hPa维持400×10^-11 Pa·s^-3，以上两时次较强的正值湿螺旋度维持，远远超过了前述大暴雨发生的指标，利于大暴雨或以上量级强降水的发生。1日17时(45 h，图 2c)，700 hPa湿螺旋度值迅速减弱为240×10^-11 Pa·s^-3，且850 hPa(图略)降水落区已完全为负值，表明低层动力和水汽条件已经开始衰竭，降水也迅速减弱。

盆地北部到中部降水时段主要集中在1日上午，到1日17时迅速减弱，此时宜宾、自贡一带有极值中心达40×10^-11 Pa·s^-3的湿螺旋度区产生，也达到了暴雨的指标(图略)，至1日20时(48 h，图 2f)乐山到宜宾一带有湿螺旋度的迅速增加，其值达200×10^-11 Pa·s^-3，超过了大暴雨的湿螺旋度指标，配合风场辐合的位置，表明在该时段内有利于盆地南部强降水的发生。即盆地南部湿螺旋度正值区迅速增强，并超过了暴雨及大暴雨的指标，弥补了数值预报降水对盆地南部大暴雨中心漏报的不足，为盆地南部强降水发生提供了很好的预报参考效果。

此外，还可以利用31日20时起报的24 h间隔3 h的湿螺旋度分布图与其后6 h降水的关系为短临预报提供参考。从图 3a和3b可知，1日08时(12 h)及11时(15 h)预报场700 hPa的正值湿螺旋度大于140×10^-11 Pa·s^-3的区域和未来6 h即1日08—14时的暴雨落区(图 3a和3b中阴影)对应较好，范围比雨区略宽，主要位于盆地北部到中部，大值区分别达到了400×10^-11和300×10^-11 Pa·s^-3，且大值区与大暴雨区对应较好。因此，3 h间隔预报场的湿螺旋度可作为未来6 h强降水发生的短临参考指标。

通过对比30日20时起报的24~48 h时效预报场与31日20时起报的0~24 h时效内3 h间隔预报场同一时次700或850 hPa湿螺旋度分布可知：24~48 h时效的700或850 hPa湿螺旋度正值分布要比0~24 h时效的降雨区偏西，也比实况降水落区偏西，如图 2a~2c中700 hPa正值湿螺旋度区域包括了风场辐合区内偏北气流的区域，考虑到8月该模式对四川盆地降水落区预报总是偏西，则降水落区应该定在700 hPa风场辐合区的偏南风一侧，图 2a中椭圆部分为重新划定的降水落区(仅标注盆地降水)。而图 3b中正值湿螺旋度的分布区域与降水对应较好，表明0~24 h预报场比24~48 h预报场更接近实况。

由以上分析可知：该个例低层湿螺旋度大于20×10^-11 Pa·s^-3的区域对24 h暴雨发生的指示意义较好，弥补了数值预报降水对盆地南部大暴雨中心漏报的不足，为盆地南部强降水发生提供了很好的预报参考效果。20时为初值的0~24 h内湿螺旋度3 h间隔分布图与相邻6 h降水分布有较好指示，可作为短临参考。当模式预报降水比实况偏西时应进行相应调整，降水落区可定在低层正值湿螺旋度带的风场辐合区的偏南风一侧。

2.2 2012年9月7—8日盆地东北部降水过程(非区域降水过程)

由图 4可知，ECWMF模式24 h时效预报24~48 h降水落区较接近实况，但强降水量级较实况偏弱，达州北部和遂宁的大暴雨区均未报出(箭头所指)，实况达州北部和遂宁大暴雨主要降雨时段在8日上午。下文中由湿螺旋度分布进行订正。

图 5中，无论是6日20时起报或7日08时起报的700或850 hPa湿螺旋度正值大于20×10^-11 Pa·s^-3的分布区域均对暴雨的落区指示较好，且湿螺旋度大值中心始终位于巴中、达州的北部，与大暴雨区对应。存在显著差异的是6日20时起报的比7日08时起报的相应时次预报场湿螺旋度正极值要弱，6日20时起报的8日08和11时(32和35 h，图 5a和5b)预报场中700 hPa极值中心分别为60×10^-11和120×10^-11 Pa·s^-3，正值湿螺旋度范围较小，正极值中心仅08时位于达州北部，11时南移，因此漏报了达州北部的大暴雨。而7日08时起报的8日08时(24 h)预报场中700 hPa湿螺旋度正极值达240×10^-11 Pa·s^-3(图 5c)，位于达州北部，850 hPa也达到120×10^-11 Pa·s^-3(图 5e)。8日11时(27 h)，湿螺旋度正值区东移北收并继续加强，700 hPa正值达到了320×10^-11 Pa·s^-3(图 5d)位于达州和重庆两市北部，利于该时段内达州北部大暴雨的出现。但是，7日08时起报的预报场对于遂宁大暴雨并未有明确体现，仅08时(24 h，图 5c和5e)湿螺旋度正值区伸展到了遂宁附近，距离遂宁大暴雨出现点仍然存在偏差，表明该物理量分布仍依赖于数值模式的预报准确率。

由以上分析可知：6日20时及7日08时起报的相应预报时次中低层700或850 hPa湿螺旋度正值区的分布及数量值均达到了6 h及24 h暴雨发生的判据指标值，对暴雨落区均指示较好。7日08时起报的27 h预报场正值湿螺旋度分布对达州北部大暴雨的预报参考性好，但对遂宁大暴雨无明显展示，表明7日08时起报的3 h间隔预报场亦可作为短临预报参考，该物理量一定程度上仍然依赖于数值模式的预报准确性。

2.3 应用检验及推广

目前，湿螺旋度诊断方法已于2012年汛期投入四川省气象台业务预报工作中，每天实时自动展示物理量图片，方便省、市(州)局预报员调用及制作会商材料。我们对2013年汛期6—8月发生在四川盆地的12次(其中区域性暴雨6次)强降水个例进行了检验，仅对24 h内出现暴雨进行评定。当ECMWF模式预报降水3/5以上市(州)出现暴雨即评为正确，未出现或未达3/5个市(州)即为漏报，若预报的3/5个市(州)非实况落区即为空报。由表 3可知，根据前述暴雨发生时湿螺旋度阈值及落区订正后的湿螺旋度预报对于暴雨发生的TS评分达69.2%，远高于ECMWF模式预报降水的TS评分。因此，该方法对于暴雨的发生有很好的预报效果。

此外，通过对多个例的研究分析发现，湿螺旋度分布除了能应用于四川盆地的强降水研究之外，还可应用于西南地区和我国别的省(区、市)。图 6给出了ECMWR细网格模式预报场(初值为25日20时)计算的2012年6月26日08时700 hPa湿螺旋度和观测降雨量的对比。由图可知，700 hPa湿螺旋度正值区的分布与降水落区较为一致，且暴雨中心也与湿螺旋度的正大值中心相对应。从图 7的分布也可以看出，2012年7月12日20时起报的湿螺旋度正值区的分布与我国长江流域的降水落区分布一致，且强降水中心值也与湿螺旋度正极值中心对应较好。因此，湿螺旋度不仅对四川盆地强降水指示较好，而且对西南地区及长江流域地区的强降水均有较好的指示性。可以尝试在这些地区进行推广或进行合作研究。

3 结论

(1) 对于两个个例，低层700或850 hPa湿螺旋度正值区的分布对强降水落区分布指示较好；当强降水发生时，24 h时效预报的24~48 h 3 h间隔预报场湿螺旋度数量值超过了指标值并持续了2个时次以上，达到了强降水发生的要求。零场起报的0~24 h及12 h时效起报的12~36 h 3 h间隔预报场图片可作为短临参考。

(2) 对于模式预报降水场均比实况偏弱的情况下可以根据湿螺旋度的判据指标进行订正，更好地分析暴雨落区及大暴雨落区分布。

(3) 对于模式预报降水落区偏西的情况下可以通过分析低层湿螺旋度正值分布区域结合风场辐合的位置进行判定。通常，强降水带位于辐合区内偏南风气流一侧，而不是辐合区内偏北风气流一侧，从而对数值预报降水落区进行订正。

(4) 湿螺旋度等诊断量的研究已投入四川预报业务工作中，且湿螺旋度订正预报暴雨发生的TS评分远高于ECMWF模式，在实际预报中我们可以根据前述三点结论进行分析预报。应用该物理量研究四川盆地强降水的分析方法对于西南地区及我国其他地区的强降水也具有一定指示性，可考虑推广或合作研究。

本文仅对四川盆地强降水进行了研究，而对于川西高原及西南山地的强降水仍值得进一步的分析。针对汛期不同月份(5、6、9和10月，7和8月)及盆地强降水发生的短临指标(3、6和12 h)的选取应用还需总结。此外，结合能量、水汽及动力条件的综合物理量的开发仍待进一步研究。