東北冷渦背景下V-3θ 圖在錦州市強對流天氣提前判斷中的應用

婁芳蕾，孫銘謙，史虹婷，周福然，白 雪

（1.盤山縣氣象局，遼寧 盤錦 124100；2.盤錦市氣象局，遼寧 盤錦 124000；3.錦州市氣象局，遼寧 錦州 121000）

東北冷渦是造成東北地區低溫冷害、持續陰雨洪澇、冰雹和雷雨大風等突發性強對流天氣的重要天氣系統，對東北地區的天氣氣候有重大影響，與中國北方的強對流天氣過程密切相關。同時遼寧省錦州市地形復雜，西北部有松嶺山脈，中部為醫巫閭山，南鄰渤海，形成由西北向東南傾斜的地勢，依次為低山區、丘陵區、平原區［1］，與東北冷渦相配合導致錦州市強對流天氣頻發。但當前的預報水平下，強對流天氣的預報準確率仍然不高，空、漏報時有發生，如何做好此類天氣的預報仍是未來較長一段時間內需要解決的難題。

V-3θ圖是歐陽首承等［2］設計出來的運用圖像結構預測天氣的結構預測方法，與傳統的T-lnP圖相比，除了能反映層結穩定性、濕度條件外，“滾流效應”還能反映出天氣過程的轉折性變化。該方法在國內多地開展了研究并被證實對強對流天氣預報具有一定的指示意義。有研究認為，V-3θ圖能較好地對暴雨、短時強降水過程做出預報［3-6］，對冰雹天氣也具有一定的預報能力；毛列尼·阿依提看等［7］利用T-lnP圖和V-3θ圖研究了中亞低渦背景下新疆短時強降水的濕度特征和大氣能量結構特征。楊麗杰等［8］通過樣本特征檢驗，表明潰變理論對隴東強對流預報有一定的指導性。潰變理論-結構預測法是針對轉折性災害性天氣預報較有效的一種預報方法，V-3θ圖和潰變圖是其主要的分析工具。V-3θ圖主要是以結構方式揭示非規則信息的結構特征及其作用［9］，V-3θ圖在針對大暴雨及以上量級的強降水、局地的強對流降水天氣、冰雹、大風、預測區域性霧的分布和量級以及長期預報等方面的分析中應用廣泛［4，6，10-12］。然而該方法在東北地區開展的研究較少，且以天氣個例分析為主缺乏系統的研究，該方法的適用性及濕度因子如低層θ*-θsed的本地閾值尚不明確，因此，對其開展研究非常有必要。本研究統計錦州市2010—2019 年東北冷渦背景下強對流天氣個例，通過分析其V-3θ圖變化特征，利用箱線圖求出適用于當地的濕度閾值，以期為提高錦州市的強對流天氣預報準確率提供依據。

1 資料與方法

1.1 資料選取

利用常規觀測資料、歐洲中心數值預報模式資料以及錦州站的探空資料，統計了錦州市2010—2019 年5—10 月近10 年東北冷渦過程，同時找到東北冷渦背景下強對流天氣（冰雹、短時強降水、陣性大風、雷暴）過程的V-3θ圖特征進行對比分析。得到69 個短時強降水個例（小時雨量≥10 mm），61 個陣性大風個例（風速≥17.2 m∕s），7 個冰雹個例，89 個雷暴個例。

1.2 研究方法

V-3θ圖是歐陽首承等［2］基于潰變理論，以風場、氣壓場、θ、θsed和θ*為要素，P-T為坐標所構成的一種氣象要素圖像結構。其中V是探空資料中風向、風速的直接觀測數據，并且設置在θ*線上。θ是位溫，θ*是人為按假定為水汽飽和狀態下的假相當位溫計算值，而θsed是以露點溫度計算的假相當位溫。與傳統的氣象預測相比，構成了風向、風速、濕度、溫度和氣壓的反序構，并以風向為核心。其特征包括以下3 個方面的內容：①若對流層內上下層風向不一致時，風場在中、下層為偏南風（或偏東風），上層為偏北風（或偏西風）時，為順時針滾流，反之為逆時針滾流；當對流層內上、下層風向一致時，因為一般高空風速大、低層風速小，因此風速的切變也可產生滾流。一致偏西或偏南風時為順時針滾流，一致偏東或偏北風時為逆時針滾流。②若3 條θ曲線隨P呈線性增長，則表示運動大氣在對流層結構是均勻的；若3 條θ曲線隨P向左呈線性增長或者隨P是不變的，則表示運動大氣的垂直結構是極度的非均勻。③超低溫，在V-3θ圖中的3 條曲線，特別是θ線在500 hPa 以上表現為陡然左傾或準平行于P軸（與T軸成鈍角）或右傾中偏左有拐角，表明對流層頂附近有超低溫現象存在。當θsed和θ*曲線較為靠近時，表示水汽充沛。

本研究采用統計學方法，分析不同強對流天氣過程V-3θ圖的演變情況，歸納出不同類型強對流天氣的區別；利用箱線圖確定不同強對流天氣低層濕度條件的閾值；通過個例分析，對比V-3θ圖和T-lnP圖在強對流天氣發生前的預報能力。

2 結果與分析

2.1 對流性天氣V-3θ 圖特征統計

2.1.1 短時強降水 東北冷渦背景下產生的短時強降水有69 個樣本。結果發現（表1、表2），有35 個樣本有逆溫層，占總樣本的50.7%，有58 個樣本出現超低溫，占樣本的84.1%，θ曲線有明顯拐點的樣本50個，占總樣本的72.5%，θsed和θ*與T軸成鈍角占85.5%，風場上為順滾流的樣本占比為75.4%，逆滾流的樣本占比為24.6%。700 hPaθ*-θsed分布集中在3～13 ℃，850 hPaθ*-θsed分布高度集中在3～17 ℃（圖1、圖2），發現75.0%的樣本濕層厚度伸展至700 hPa，說明短時強降水發生時濕度條件較好，容易與雷暴、冰雹區分。從V-3θ圖形狀分析來看，發生短時強降水時為“大肚型”有29 個樣本，占總樣本的42.0%，其次為“蜂腰型”，“整層濕層”和“喇叭型”較少。

圖1 不同類型強對流天氣下700 hPa θ*-θsed數值

圖2 不同類型強對流天氣下850 hPa θ*-θsed數值

表1 不同類型對流天氣過程V-3θ 圖特征

表2 不同類型對流天氣過程V-3θ 圖形狀

2.1.2 陣性大風 東北冷渦背景下導致錦州市風速大于17.2 m∕s 以上的樣本有61 個。結果發現（表1、表2），有31 個樣本有逆溫層，占總樣本的50.8%，有52 個樣本出現超低溫，占總樣本的85.2%，θ曲線出現明顯拐點的樣本有55 個，占總樣本的90.2%，θ*和θsed與T軸成鈍角的占比為83.6%，風場上形成順滾流的樣本占比為62.3%。陣性大風發生時700 hPaθ*-θsed的25%～75%分位數位于3～11 ℃，850 hPaθ*-θsed的25%～75%分位數集中在7～23 ℃（圖1、圖2）。從V-3θ圖形狀分析來看，發生陣性大風時“喇叭型”有37 個樣本，占總樣本的60.6%。

2.1.3 冰雹 冰雹樣本較少，僅有7 個，不具有普適性，但對于此類天氣的V-3θ圖特征也有一定程度的反映。通過對7 個冰雹過程的統計分析，結果發現（表1、表2），有5 個樣本出現了超低溫，6 個樣本θ曲線出現了明顯的拐點，分別占總樣本的71.4%和85.7%，全部樣本θ*和θsed在低層以準平行的方式與T軸成鈍角，冰雹發生時的潛在流場較不均勻；冰雹發生時700 hPaθ*-θsed的分布范圍較大（圖1、圖2），其25%～75%分位數位于6～15 ℃，850 hPaθ*-θsed的25%～75%分位數集中在18～21 ℃。冰雹樣本的滾流效應在4 類強對流天氣中較為突出，順滾流的樣本有6 個，占總樣本的85.7%。從V-3θ圖形狀分析來看，發生冰雹時“蜂腰型”有3 個樣本，占總樣本的42.9%，其次為“喇叭型”。

2.1.4 雷暴 通過對89 個雷暴個例的V-3θ圖特征進行分析，結果發現（表1、表2），有62 個樣本出現超低溫，占總數的69.7%；θ曲線表現出較弱的非均勻結構，其中70 個樣本有明顯的拐點，占總數的78.7%，有79 個樣本θ*和θsed與T軸成鈍角，占總數的88.8%，700 hPaθ*-θsed的25%～75%分位數集中在4～12 ℃，850 hPaθ*-θsed的25%～75%分位數集中在7～21 ℃（圖1、圖2）。而從滾流效應來看，順滾流的有63 個樣本，占總數的70.8%。從V-3θ圖形狀分析來看，發生雷暴時“大肚型”有37 個樣本，占總數的41.6%，其次為“喇叭型”，有34 個樣本，占總數的38.2%，“整層濕層”和“蜂腰型”較少。

2.2 V-3θ 圖與T-lgP 圖在不同強對流性天氣的指示對比分析

2.2.1 短時強降水 2015 年6 月11 日錦州市出現一次東北冷渦背景下區域性對流性降水，其中錦州市區降水量為44.8 mm、義縣28.1 mm、北鎮市20.9 mm、凌海市14.0 mm。從11 日8：00T-lnP圖（圖3a）可見，CAPE只有56.5 J∕kg，K指數為-8，能量條件一般，水汽條件也只在925 hPa 有濕層，無明顯對流潛勢；從V-3θ圖（圖3b）可以看出，自925 hPa 以上θ*曲線幾乎垂直于T軸，且在925 hPa 多次折拐，有明顯的觸發對流條件，θsed和θ*曲線在925 hPa 以下、500 hPa以上較靠近，表現為“大肚型”，400～300 hPa 雖無明顯超低溫層，但也存在較低的溫度結構，同時除地面為偏北風以外，整層高空為順滾流，具有良好的強對流觸發條件。

圖3 2015 年6 月11 日8：00 錦州站T-lnP 圖（a）與V-3θ 圖（b）對比

2.2.2 雷暴 2013 年6 月18 日，錦州市全區都出現雷暴，同時此日無較強降水，從18 日8：00T-lnP圖（圖4a）可見，CAPE只有80 J∕kg，K指數為35，對流條件一般，水汽條件自500 hPa 以下都較好；從V-3θ圖（圖4b）可以看出，925～500 hPaθ*曲線與T軸夾角遠大于90°，有明顯不穩定條件，θsed和θ*曲線在700 hPa較為靠近，表現為“蜂腰型”，500 hPa 和250 hPa 附近出現超低溫層，同時整層探空為北風，風速隨高度增大，為順滾流，具有良好的強對流觸發條件。

圖4 2013 年6 月18 日8：00 錦州站T-lnP 圖（a）與V-3θ 圖（b）對比

2.2.3 冰雹 2014 年6 月18 日，凌海市、義縣、錦州市區出現冰雹天氣，同時凌海市出現12.2 mm 降水，從18 日8：00T-lnP圖（圖5a）可見，無CAPE，K指數為34，對流條件一般，水汽條件自500 hPa 以下都較好；從V-3θ圖（圖5b）可以看出，925～250 hPaθ*曲線與T軸夾角整體大于90°，有明顯不穩定條件，θsed和θ*曲線在700 hPa 和925 hPa 較靠近，表現為“蜂腰型”和“大肚型”，500 hPa 附近出現超低溫層，同時整層探空為偏西風，風速隨高度增大，為順滾流，具有良好的強對流觸發條件。

圖5 2014 年6 月18 日8：00 錦州站T-lnP 圖（a）與V-3θ 圖（b）對比

2.2.4 陣性大風 2017 年5 月11 日，錦州市區、凌海市、北鎮市出現陣性大風，從5 月10 日20：00TlnP圖（圖6a）可以看出，CAPE為70 J∕kg，K指數為27，對流條件一般，水汽條件除1 000 hPa 附近外，自700 hPa 以下都較差，925 hPa 附近有明顯逆溫層；從V-3θ圖（圖6b）可以看出，925～700 hPaθ*曲線與T軸夾角整體大于90°，有明顯不穩定條件，θsed和θ*曲線在700 hPa 較靠近，表現為“喇叭型”，同時1 000～925 hPa 為逆滾流，925～400 hPa 為順滾流，既有抑制條件又具有良好的強對流觸發條件。

圖6 2017 年5 月11 日8：00 錦州站T-lnP 圖（a）與V-3θ 圖（b）對比

3 結論與展望

本研究利用常規觀測資料、歐洲中心數值預報模式資料以及錦州站的探空資料，對錦州市2010—2019 年5—10 月近10 年東北冷渦背景下強對流天氣（冰雹、短時強降水、陣性大風、雷暴）過程的V-3θ圖特征進行分析，得出以下結論。

1）超低溫、θ曲線有拐點及θsed和θ*與T軸成鈍角可作為預報強對流天氣的初始條件。出現超低溫以及θ曲線有拐點的概率超過70%，θ*和θsed與T軸成鈍角的概率超過80%。

2）從V-3θ圖上分析來看，就滾流效應而言，冰雹最強，短時強降水、雷暴、陣性大風逐漸減弱。就形狀而言，短時強降水發生時多為“大肚型”和“蜂腰型”，陣性大風發生時多為“喇叭型”，冰雹發生時多為“蜂腰型”，雷暴產生時多為“大肚型”。

3）當低層θ*-θsed≤3 ℃時，若濕層伸展的高度低于700 hPa 時，預報陣性大風，否則預報短時強降水；而當低層θ*-θsed≥12 ℃時，則重點分析滾流效應，滾流較強時預報為冰雹，否則為雷暴。

4）V-3θ圖與T-lnP圖相比，V-3θ圖因特殊層的存在能夠提前判斷強對流天氣的發生發展，同時能夠在T-lnP圖上部分對流指標不明顯的時候提供較好的對流潛勢判斷。