基于潰變理論的V-3θ圖在貴州3次轉折性天氣中的應用

顧天紅，朱育雷，李彥霖，李 力，武正敏

(1.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002；2.貴州省遵義市氣象局，貴州 遵義 563000)

0 引言

V-3θ圖是歐陽首承等[1-3]設計的一種圖像結構預測方法，既能反映濕度和層結條件，對轉折性天氣又有一定預示作用。經過國內多地多年的預報應用，證明其對轉折性天氣特別是災害性天氣有較好的預測能力，如毛列尼·阿依提看等[4]基于T-lnP 圖和 V-3θ圖研究了新疆短時強降水的大氣能量結構特征；杜遠林等[5]、陳禎烈等[6]采用V-3θ圖輔助判斷區域性暴雨的發生和落區；張洪衛等[7]指出V-3θ圖在暴雨預報的提前量上有較好表現；鄭傳新等[8]發現V-3θ圖對冰雹大風的可預測性較好；翟麗萍[9]指出V-3θ圖能較好反映華北地區暴雨和暴雪的大氣能量結構演變。但V-3θ圖在貴州氣象業務中應用不多，故本文選取2018年貴州冰雹、暴雨和大雪3次天氣個例對 V-3θ圖進行特征檢驗和簡單應用(貴州只有貴陽和威寧兩個探空站)，在了解貴州不同降水相態的大氣能量結構特征的同時，也為這類轉折性天氣預報提供一些新思路和線索。

1 V-3θ圖簡介

1.1 設計原理

V-3θ圖采用P-T 坐標，根據風、溫、壓、濕的垂直分布來預報轉折性天氣[1-3]。其中V是風向、風速，3θ分別為θ(位溫)、θsed(以Td計算的假相當位溫)和θ*(理想狀態下水汽飽和時的假相當位溫)，3條曲線的間隔可反映實際大氣的水汽分布。

1.2 結構特征

轉折性強天氣在V-3θ圖上有3個典型特征[1-3]：對流層中上層存在超低溫，說明高層有利于深對流發展的大氣結構(超低溫結構是指在300～100 hPa之間θ值偏低的現象，即θ線陡然左折或準平行于P軸)；垂直風上有順滾流，預示著天氣轉差，即風向順轉則存在潛在的順滾流；強烈非均勻態，表明大氣層結不穩定。θ線近垂直于T軸，θsed和θ*與T軸成大角度鈍角；水汽分布也極不均勻，θsed和θ*圍成的面積有中間濕度大、上下濕度小的“蜂腰”或上干下濕的“大肚子”圖像特征。

2 一次冰雹過程的V-3θ圖特征分析

2.1 天氣概況與環流形勢

2018年4月4日16時50分—21時，畢節、遵義和貴陽共有7縣(市、區)出現冰雹，其中8站次冰雹直徑超過2 cm，最大直徑冰雹為5 cm(金沙縣嵐頭鄉)。

4日08時(圖略)，200 hPa貴州處于偏西急流入口右側的輻散區，500 hPa中高緯呈“兩槽一脊”型，584線位于廣西中部，南支槽位于95°E附近，夜間一高原槽位于川東南；700 hPa貴州東南部有切變存在，夜間西南急流建立；850 hPa川東南有切變存在，南風維持，貴州中部—廣西北部有溫度脊。08時地面冷鋒西段位于湖南東北部，14時貴州處在強大熱低壓控制下，增強的南風與偏東路徑滲透而下的弱冷空氣在貴州中部以北地區交匯[10]。

2.2 對流參數及溫濕廓線形態

4日08時(表1、圖1)貴陽探空站的CAPE就達到了870 J/kg，午后訂正為2 249 J/kg(14時溫度為25 ℃)，SI<-3 ℃，有很強的對流潛勢。0 ℃、-20 ℃層高度分別為4.5 km、7.2 km，0～6 km垂直風切變適宜，“上干下濕”明顯，有利于大冰雹生成。探空訂正后的威寧站情況與之類似，且DCAPE值有670 J/kg，可能有冰雹大風出現。

表1 2018年4月4日08時貴陽、威寧站對流特征參量Tab.1 Partial Sounding data of Guiyang and Weining station at 08∶00 on April 4,2018

圖1 2018年4月4日08時貴陽站(a)和威寧站(b)T-lnP圖(探空訂正)Fig.1 The T-lnP of Guiyang (a)and Weining station (b)at 08∶00 on April 4,2018 (The revised Sounding data)

2.3 V-3θ圖特征分析

在降雹前的貴陽站 V-3θ圖上(圖2a)可見：風場近地面為偏南風，700 hPa以上為偏西風或偏西南風，風矢的垂直結構呈順滾流，有利于垂直運動的發展。300 hPa左右有弱的超低溫存在，850～700 hPa之間θsed與T軸成很大角度的鈍角(接近700 hPa處約為180°)；θ線在730 hPa處明顯左傾，在700～600 hPa、400 hPa、300 hPa多處近垂直T軸，呈“鑼鍋”結構。θsed和θ*線在500 hPa以上、750 hPa以下靠得近，而在750～600 hPa離得遠，呈現“大肚子”特征，表明中層水汽條件差，預測此次過程應主要以冰雹大風為主[11]。同時段的威寧站V-3θ圖(圖2b)也類似分析，得到同樣的結論，滿足3個典型的 V-3θ圖結構特征，有利于強對流(冰雹)的出現。

注：3條線從左至右分別為θ線(位溫)、θsed線(以Td計算的假相當位溫)和θ*線(理想狀態下水汽飽和時的假相當位溫)(下同)圖2 2018年4月4日08時貴陽站(a)和威寧站(b)V-3θ圖Fig.2 The V-3θ of Guiyang (a)and Weining station (b)at 08∶00 on April 4,2018

3 一次暴雨過程的V-3θ圖特征分析

3.1 降水概況及環流形勢

2018年6月21日08時—22日08時，貴州共出現7站特大暴雨(最大降水量為麻江縣255.3 mm)，大暴雨119站，暴雨390站，暴雨以上降水主要出現省的中部及以南地區(圖3)。

圖3 24 h累計降水量(a)、21日20時—22日02時降水量(b)和22日02時—08時降水量(c)(單位：mm)Fig.3 Accumulated precipitation for 24 hours (a)、precipitation from June 21,20∶00 to June 22 02∶00 (b)and precipitation from June 22,02∶00 to 08∶00 (c)(Unit:mm)

21日20時，500 hPa(圖略)中高緯呈兩槽一脊形勢，高原槽位于重慶—貴州中部，槽后有溫度槽，588線位于華南沿海；700 hPa切變位于重慶—貴州西北部，貴州受西南暖濕氣流影響；850 hPa切變位于貴州中部，比濕達到16～18 g/kg；白天熱低壓發展，地面輻合線位于貴州中部，夜間輻合線南移至貴州南部[12]。

3.2 暴雨出現前V-3θ圖特征

分析暴雨出現前的威寧站V-3θ圖(圖4a)：700～600 hPa θ*線右傾，說明低層有逆溫，其高度即為層云的高度[2]，600～500 hPa出現冷層云，500 hPa以上水汽含量豐富。超低溫存在(θ線在250 hPa與T軸垂直)，大氣層結很不穩定，加強了對流發展的高度和上升的強度，也促使了大暴雨的發生[13]。風向整層順滾流，預示著天氣轉差。

與威寧站相比，貴陽站(圖4b)超低溫特征不夠明顯，且250 hPa以上出現逆滾流，壞天氣還未有預示，而實況上也是畢節中西部先出現較大量級的降水。

圖4 2018年6月21日08時威寧站(a)和貴陽站(b)V-3θ圖Fig.4 The V-3θ of Weining (a)and Guiyang (b)at 08∶00 on June 21,2018

3.3 暴雨增強過程中V-3θ圖特征

由21日20時威寧站(圖5a)可知：θsed與θ*線由08時600 hPa以上準平行過渡為整層都是準平行且二者近重合，說明整層水汽飽和。對流層頂超低溫更加明顯，整層仍為顯著順滾流，近地層仍為偏南風。

貴陽站(圖5b)同08時相比：對流層頂超低溫較之前明顯，大氣高層傾向垂直對流發展，符合高層“抽氣”原理[14]。600 hPa上有多層左傾，表明積云生成并伸展到對流層上層，不穩定能量快速集聚并被“冷蓋”封印，降水性質也將由層狀云降水轉為對流性與穩定性結合的混合型降水[15]。整層變為順滾流，有利于暖濕氣流的爬升和垂直運動的發展。

圖5 2018年6月21日20時威寧站(a)和貴陽站(b)V-3θ圖Fig.5 The V-3θ of Weining (a)and Guiyang station (b)at 20∶00 on June 21,2018

3.4 暴雨結束V-3θ圖特征

22日白天暴雨過程趨于結束，以威寧站和貴陽站22日08時V-3θ圖(6a、6b)為例分析暴雨趨于結束時的特征變化：威寧站整層轉為東北風或偏北風，出現逆滾流且厚度達到400 hPa，惡劣天氣將結束，實況顯示畢節地區降水減弱停止。貴陽站700 hPa以下仍為順滾流，但700 hPa以上出現逆滾流，強降水也將告一段落。

4 一次持續性降雪過程的V-3θ圖特征分析

4.1 降雪概況

本次降雪過程從2018年12月28日持續到2019年1月2日，具有范圍廣、持續時間長、強度大的特點。逐日降雪情況如表2所示：

圖6 2018年6月22日08時威寧站(a)和貴陽站(b)V-3θ圖Fig.6 The V-3θ of Weining (a)and Guiyang station (b)at 08∶00 on June 22,2018

表2 2018年12月28日—2019年1月2日逐日降雪情況Tab.2 The details of daily snowfall from December 28,2018 to January 2,2019

4.2 環流形勢

27日20時—30日20時(圖略)，500 hPa南支槽發展并同高原冷槽一起緩慢東移，兩槽于30日08時—31日08時過境貴州，之后南支槽活躍，多小槽波動；700 hPa川東有切變，貴州受西南急流影響，29日夜間南壓至貴州西北部，30日白天切變東移加深，夜間位于貴州中東部—湖南中部，西南急流位置也隨之東南移；850 hPa上29—30日白天，川東低渦切變維持，貴州境內溫度槽加深，31日冷空氣大舉南下；地面場上蒙古冷高壓強盛并長時間維持，28日夜間起1 040 hPa等壓線開始進入貴州，強冷空氣走東北路徑源源不斷入侵，整個過程中云貴靜止鋒不斷西進[16]。

4.3 降雪過程能量演變的V-3θ圖分析

2018年12月27日20時—28日20時，貴州的中部以東以北地區出現12站降雪。從27日20時貴陽站V-3θ圖(圖7)分析：整層順滾流但高空的超低溫結構不明顯，θ線多折拐。θsed與θ*線呈“大肚子”結構，表明水汽含量還不夠充沛。850 hPa附近有一淺層逆溫，代表有暖云發展。

圖7 2018年12月27日20時貴陽站V-3θ圖Fig.7 The V-3θ of Guiyang station at 20∶00 on December 27,2018

28日20時—29日20時，降雪站數增加至78站，覆蓋貴州各市州，積雪站數56站，最大雪深度為水城站5 cm。選取上游的威寧站28日20時和29日08時的V-3θ圖(圖8a、8b)分析：28日20時威寧站雖為整層順滾流，但θ線較平滑無不穩定能量；中低層大氣水汽含量一般，高層也無明顯超低溫層，實況顯示威寧下游僅為弱降水。29日08時，200 hPa附近出現明顯超低溫，中高層風速增大，θ線折拐明顯增多，不穩定能量開始積聚；θsed與θ*線準平行近重合，整層大氣水汽含量增加；700 hPa附近暖云發展，600 hPa為冷層云，冷、暖層云過程降水，“播種—供給”云體系明顯，將會加大降水量級[17]。值得注意的是，降雪開始前，大范圍的暖層云發展起到了增溫增濕的作用，同時也促進了對流發展。當高空冷空氣下沉時，使低層的不穩定能量得以釋放，暖濕空氣被強迫抬升的同時釋放潛熱，進而又反作用于暖云的發展，形成了正反饋從而延長降雪時間[18-19]。

圖8 2018年12月28日20時(a)和29日08時(b)威寧V-3θ圖Fig.8 The V-3θ of Weining station at 20∶00 on December 28,2018 (a)and 08∶00 on December 29,2018 (b)

29日20時—30日20時，降雪77站，積雪73站，貴州的東部地區為積雪深度大值區，最大積雪深度14 cm(銅仁、松桃站)。選取上游的貴陽站分析，因29日20時探空資料不全，著重分析30日08時的V-3θ圖(圖9)：30日08時，200 hPa附近出現超低溫結構，θ線多折拐，整層順滾流結構，不穩定能量繼續釋放，降水過程仍在繼續。θsed與θ*線準平行近重合，整層大氣水汽充沛；850～700 hPa為逆溫層，深厚暖層云發展，700～500 hPa為密實冷層云，并且300 hPa以下存在較厚低溫層，代表冷濕空氣勢力強盛，與其下的不穩定能量在垂直方向上穩定對峙，降雪進一步加強[20]。

圖9 2018年12月30日08時貴陽站V-3θ圖Fig.9 The V-3θ of Guiyang station at 08∶00 on December 30,2018

此次降雪過程一直持續到2019年1月2日夜間，反映在對應的貴陽站V-3θ(圖略)主要為：低層風場轉變，順滾流被破壞，冷層云消失，暖層云減弱，降水(雪)趨于停止。

5 小結與討論

①在本文選取的3次過程中，V-3θ圖均能較好反映大氣能量結構變化，其各項典型特征均有較好體現：超低溫結構、順滾流、θ線多折拐等。但仍存在樣本少、樣本選取典型化等問題，后期將擴大樣本容量對不同天氣類型的V-3θ圖特征進行分析，進一步驗證V-3θ圖在貴州轉折性天氣預報中的適用性。

②不同類型的天氣過程其V-3θ圖特征也有所不同：冰雹天氣的滾流效應最突出，暴雨、大雪依次減弱；暴雨和大雪對θsed與θ*線準平行且近重合要求更高；而冰雹天氣過程對對流層頂出現深厚超低溫結構更為敏感。

③當環流形勢較弱，從常規天氣分析角度難以判斷轉折性天氣時，可嘗試利用 V-3θ圖特性層的非均勻性和不連續性進行輔助預報，也許能得到一些指示信息。

④由于貴州僅有威寧和貴陽兩個探空站，空間分布稀疏且時間分辨率低，因此V-3θ圖結構分析法在貴州的業務應用有一定的局限性，預報員可結合衛星云圖、多普勒天氣雷達、風廓線雷達等資料對某地區多時次多層次的高空特性層資料進行補充，再根據V-3θ圖的能量結構特征，以期達到提前12 h甚至24～36 h預測轉折性天氣的效果。