基于溃变理论的v-3θ图在陇东强对流天气中的应用

杨丽杰 路亚奇 张可心

摘要 [目的]驗证v-3θ图在陇东地区强对流天气预报中的适用性。[方法]利用常规观测资料、灾情月报及上游平凉站的探空资料，对庆阳市2012—2018年172个强对流天气样本的v-3θ图特征进行分析，通过箱线图确定了湿度阈值，并对比不同类型强对流天气发生前v-3θ图与T-lnP图特征。[结果]v-3θ图对于陇东地区的对流性天气的指示意义较好;超低温、θ曲线有拐点及θsed和θ*与T轴成钝角可作为强对流天气的起报条件;就滚流效应而言，冰雹天气过程最明显，对流性暴雨、阵性大风、干雷暴依次减弱;对流性暴雨及阵性大风发生前低层湿度条件好，但前者湿层伸展高度高;当起报条件满足时，首先利用低层θ*-θsed判断对流天气类型：其数值≥10 ℃时，若滚流效应较为显著，则预报冰雹，否则为干雷暴;其数值≤3 ℃时，则需进一步分析湿层伸展的高度，位于700 hPa以下则预报阵性大风，否则为对流性暴雨;对流强度越弱时，v-3θ图相较于T-lnP图优势越突出。[结论]该研究为提高该地区的强对流天气预报准确率提供依据。

关键词 强对流天气;溃变理论;v-3θ图;陇东地区

中图分类号 P481.1文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）22-0214-05

Abstract [Objective] The research aimed to verify the applicability of v3θ diagram in severe convective weather prediction in the eastern Gansu.[Method] Using conventional observation data， disaster monthly report and sounding data of upstream Pingliang station， the v3θ diagram characteristics of 172 severe convective weather samples from 2012 to 2018 in Qingyang City were analyzed.The humidity threshold is determined by the box plot and the characteristics of the v3θ and TlnP maps before the occurrence of different types of severe convective weather are compared.[Result]The v3θ diagram was a good indicator of convective weather in the eastern Gansu; cryogenic， inflection point on the θ curve and θsed and θ* parallel obtuse angles to the T axis could be used as initial conditions for severe convective weather; in terms of rolling effect， hail weather process was the most obvious， convective rainstorm， gusty wind ，dry thunderstorm weakened successively; before the occurrence of convective rainstorm and gusty wind， low level humidity condition was well， but the former wet layer extends higher; when reporting conditions were met，firstly， use the lower stage θsedθ* to determine the type of convective weather： when the value is greater than or equal to 10 ℃， if the rolling effect was more significant， hail was predicted; otherwise， it was a dry thunderstorm; When its value was less than or equal to 3 ℃， the height of wet layer extension needs to be further analyzed. If it was below 700 hPa， gusty wind was predicted; otherwise， it was a convective rainstorm; When the convective intensity was weaker， the advantage of v3θ diagram over TlnP diagram was more prominent.[Conclusion] This study provides a basis for improving the accuracy of strong convective weather forecasting in the region.

Key words Severe convective weather;Collapse theory;v3θ diagram;Eastern Gansu

庆阳市地处半干旱区的黄土高原东部，习称陇东，为大陆季风气候。西接六盘山，北靠羊圈山，东依子午岭，形成了三面隆起、中南部低缓的开口向东的喇叭口地形。受特殊的地形地貌特征影响，该地夏季强对流天气频发，且呈现出落区分散、局地性强、突发性高等特点，极易造成严重的人员伤亡和财产损失。如2005年5月30日的特大冰雹过程[1]，造成庆阳市51 453.4 hm2作物受灾，绝收面积高达13 052.1 hm2，水毁房屋、道路，直接经济损失达1.3亿元。对此，气象工作者从系统配置[2-3]、发展机理[4]、雷达[5]及卫星资料[6]分析、数值模拟[7]等多个角度开展了研究并取得了丰硕的成果，然而，目前的预报水平下，强对流天气的预报准确率仍然不高，空、漏报时有发生，如何做好此类天气的预报仍是未来较长一段时间内预报员需要解决的难题。

v-3θ图是欧阳首承等[8]设计出来的运用图像结构来预测天气的结构预测方法，与传统的T-lgP图相比，除了能反映层结稳定性、湿度条件外，θ线的“顺滚流”还能反映出天气过程的转折性变化。该方法在国内多地开展了研究并被证实对于强对流天气预报具有一定的指示意义，如有研究认为，v-3θ图能较好地对暴雨、短时强降水过程做出预报[9-14]，对冰雹天气也具有一定的预报能力[15-18];毛列尼·阿依提看等[19]利用T-lnP图和v-3θ图研究了中亚低涡背景下新疆短时强降水的湿度特征和大气能量结构特征;陆雅君等[20]分析了不同类型云的v-3θ图特征。然而该方法在西北地区开展的研究较少，且以天气个例分析为主[21]缺乏系统的研究，该方法的适用性及湿度因子如低层的θ*-θsed的本地阈值尚不明确，因此，对其开展研究是非常有必要的。

笔者基于地处甘肃陇东的慶阳市2012—2018年172个强对流天气个例，通过分析过程前后的v-3θ图变化特征及演变状况，旨在明确该方法在本地的适用性，利用箱线图求出适用于本地的湿度阈值，为提高该地区的强对流天气预报准确率提供依据。

1 资料与方法

1.1 资料选取

使用的资料包括：①地面天气现象观测资料及灾情月报：当连续2 d及以上均出现同一种类型的对流活动时，计一次天气过程;当有多种灾害性天气发生时，按照危害程度最高的一种天气进行分类。②MICAPS自带的平凉站的探空资料。

资料时段均为2012—2018年。最终得到105个雷暴样本、36个冰雹样本、27个对流性暴雨（过程中出现1站以上小时雨量≥20 mm的短时强降水且24 h降水量≥50 mm）及4个阵性大风样本（最大瞬时风速≥17.2 m/s）。

1.2 研究方法

v-3θ图是欧阳首承等[8]基于溃变理论，以风场、气压场、θ、θsed和θ*为要素，P-T为坐标所构成的一种气象要素图像结构。其中v即为探空资料中风向、风速的直接观测数据，并且设置在θ*线上。θ是位温，θ*是人为按假定为水汽饱和状态下的假相当位温计算值，而θsed是以露点温度计算的假相当位温。与传统的气象预测相比，构成了风向、风速、湿度、温度和气压的反序构，并以风向为核心。其特征包括以下3个方面的内容：

（1）现有流场的滚流效应。

若对流层内，上下层风向不一致时，风场在中、下层为偏南风（或偏东风），上层为偏北风（或偏西风）时，为顺时针滚流，反之为逆时针滚流;当对流层内上下层风向一致时，因为一般高空风速大、低层风速小，因此风速的切变也可产生滚流。一致偏西或偏南风时为顺时针滚流，一致偏东或偏南风时为逆时针滚流。

（2）潜在流场的滚流效应。

若3条θ曲线随P呈线性增长，则表示运动大气在对流层结构是均匀的。若3条θ曲线随P向左呈线性增长，或者随P是不变的，则表示运动大气的垂直结构是极度的非均匀。

（3）超低温。

在v-3θ图中的3条曲线，特别是θ线在300～100 hPa表现为陡然左倾或准平行于P轴（与T轴成钝角），或右倾中偏左有拐角，表明对流层顶附近有超低温现象存在。当θsed曲线和θ*曲线较为靠近时，表示水汽充沛，而当θsed和θ曲线较为靠近时，则说明水汽含量低。

采用统计学方法，分析不同强对流天气过程前后v-3θ图的演变情况，用以验证该方法在庆阳强对流天气预报中的适用性，并归纳出其在不同类型强对流间的区别;利用箱线图确定不同强对流天气低层湿度条件的阈值;通过个例分析，对比v-3θ图和T-lnP在强对流天气发生前的预报能力。

2 对流性天气v-3θ特征统计检验

2.1 干雷暴

通过对2012—2018年105个雷暴个例发生前后的v-3θ图特征进行分析，结果发现（表1），过程前有95个样本出现超低温，占总比90.5%，而过程结束后维持超低温仍有80个样本（占总比76.2%）;θ曲线表现出较弱的非均匀结构，其中80站次有明显的拐点，占总数的76.2%，过程结束后，随着不稳定能量的释放，有拐点的样本减少至37个（占总比35.2%）;过程前有78个样本θsed和θ*与T轴呈钝角占总比74.3%，700 hPa以下θ*和θsed的25%～75%分位数集中在10～20 ℃;而从滚流效应来看，过程前，风场上表现为整层顺滚流的有45个样本，占总数的42.9%，而表现为顺滚流和逆滚流交替出现的多层滚流的有33个样本，占总比31.4%。此外，风场上由过程前的顺滚流转为过程后的逆滚流的样本为7个，占总比6.7%;由顺滚流转为多层滚流的样本有24个，占总比22.9%;多层滚流转为逆滚流的样本13个，占总比12.4%;过程中始终维持多层滚流的样本17个，占总比16.2%。

2.2 冰雹天气

通过对36个冰雹过程的统计分析，结果发现（表1、2），过程前有34个样本出现了超低温，且32站次θ曲线出现了明显的拐点，分别占总比的94.4%及88.9%，且有33个样本θsed和θ*在低层以准平行的方式与T轴成钝角，占总比91.7%，可见冰雹发生时的潜在流场是极不均匀的;冰雹发生时前低层（近地面～700 hPa）θ*-θsed的分布范围较大（图1），其25%～75%分位数位于10～30 ℃;干雷暴和冰雹的箱线图交叉范围较大，利用θ*-θsed的数值难以对二者做出区分。冰雹样本的滚流效应在4类强对流天气中较为突出，过程前为顺滚流的样本有30个，占总比83.3%，多层滚流样本有6个，占总比16.7%，且过程前后由顺滚流转为多层滚流的样本最多为24个，占样本总数的66.7%。

2.3 短时强降水或暴雨

与雷暴及冰雹相比，短时强降水及对流性暴雨的超低温、滚流特征均强于干雷暴而弱于雷暴大风和冰雹，过程前有25个样本出现超低温，占总比926%，θ曲线出现明显拐点的样本23个，占总比85.2%，风场上形成顺滚流的样本51.9%（表1），且由顺滚流转为多层滚流的样本占总比37.0%（表2）。中低层θ*-θsed分布高度集中在2～3 ℃（图1），且统计过程中发现有75%的样本湿层厚度自近地面伸展至700 hPa以上，说明此类强对流天气发生时湿度条件较好，据此可以与干雷暴、冰雹进行区分。

2.4 阵性大风

单一的雷暴大风样本较少仅有4个，统计结果不具有普适性，但对于该类天气的v-3θ图特征也有一定程度的反应。此类天气发生时，θ曲线表现为有明显的拐点，层结较不稳定;低层的水汽特征较为突出，θ*-θsed的25%～75%分位数集中在0～3 ℃，但湿层厚度自地面伸展至850 hPa附近，即阵性大风发生在低层湿、中高层干且湿层浅薄的层结中。

通过以上分析可以看出，v-3θ图对于陇东地区的强对流天气具有一定的指示意义，且在不同类型强对流天气间的分布特征有所不同：不同类型的强对流天气，在过程前出现超低温的概率超过90%，而θ曲线有拐点及θsed和θ*与T轴成钝角的概率在70%以上，故这三者可作为强对流天气的起报条件;仅就过程前后的滚流效应而言，冰雹最强，其在过程前θ曲线出现拐点、风场上顺滚流概率高及过程后风场上转为逆滚流或多层滚流的概率均达到最高，对流性暴雨、干雷暴逐渐减弱;干雷暴、冰雹发生时低层湿度小，且当10 ℃≤θ*-θsed≤20 ℃时，两者难以区分，而當θ*-θsed>20 ℃时，冰雹发生的概率较高;而对流性暴雨及阵性大风发生前θ*-θsed≤3 ℃，湿度条件好（图2）。

以上分析为利用v-3θ图进行强对流天气预报的思路：当过程前出现超低温、θ曲线有拐点且θsed和θ*与T轴成钝角时，即考虑即将有对流天气发生;进一步分析低层θ*-θsed，若其数值≤3 ℃时，若湿层伸展的高度低于700 hPa时，预报阵性大风，否则预报对流性暴雨;而当低层θ*-θsed≥10 ℃时，则重点分析滚流效应，滚流较强时预报为冰雹，否则为干雷暴。

3 v-3θ图与T-lnP图对不同强对流性天气的指示对比

3.1 干雷暴

2018年4月26日下午庆阳市出现了一次干雷暴天气。过程前24～48 h，在v-3θ图和T-lnP图上均未出现强对流天气特征。到了26日08：00（图3a），平凉站上空的θ曲线在700～600、400及300～250 hPa准垂直于T轴，说明此时低层对流发展且有超低温存在。θsed和θ* 曲线在600 hPa附近较靠近，说明湿度较大;且在700～600 hPa与T轴成钝角，水汽分布极不均匀，中间湿、上下干，有利于对流的发展。但低层θsed和θ*差值较大，受偏西风控制，水汽通道未建立且湿度较差。风场上850～400 hPa的西北风、400～300 hPa的西北—西南及300 hPa以上随高度不断增强的一致西南风构成了多层滚流，故过程前的v-3θ图对于雷暴的指示效果较好。T-lnP图上（图3b），风场结构与v-3θ图类似。层结曲线在850 hPa附近有一浅薄的逆温层存在，露点曲线呈分裂的喇叭状，同样反映出中间干、上下湿的湿度垂直分布。状态曲线和层结曲线之间的正、负面积均为0，结合物理量资料，K指数为12 ℃，SI指数5.97 ℃，可见此次过程中的不稳定能量条件较差。在这种情况下，仅依赖T-lnP图预报干雷暴较为困难。

3.2 冰雹

2014年8月16日16：00左右，庆阳市环县天池、演武、河道等11个乡镇遭受冰雹袭击，持续40 min左右，最大冰雹直径3 cm左右。

过程前48 h，15日08：00的v-3θ图上已有超低温存在，且风场为整层顺滚流，而同一时次的T-lnP图则无明显对流发展潜势。到了16日08：00的v-3θ图上（图4a），θ曲线在250 hPa附近有超低温;3θ曲线在400 hPa以下出现多处左倾，且700 hPa以下θsed和θ*曲线准平行的与T轴成钝角;θsed和θ*曲线在600 hPa附近较靠近，即湿度较大，θ*-θsed≥15 ℃，有明显的“蜂腰”结构，呈现出中间湿、上下干的湿度垂直分布;风场上为整层顺滚流。同时次的T-lnP图上（图4b），层结曲线和露点曲线在600 hPa以下近于重合，600 hPa以上则呈分裂的喇叭状，同样反映了水汽垂直分布的不均匀;700～500 hPa有南-西风之间的垂直风切变，结合物理量数据，K指数为30 ℃，SI指数-0.14 ℃，0 ℃及-20 ℃层高度分别为4 698.2和7 700 m，符合庆阳市发生冰雹的阈值。

3.3 对流性暴雨

2017年8月19—20日庆阳市出现了一次区域性短时暴雨。19日17：00—18：00正宁县董庄、移风小时雨量分别为22.5、20.4 mm，19：00—20：00正宁县董庄小时雨量26.3 mm，20：00—21：00宁县莲花池小时雨量22.2 mm。20日06：00—07：00庆城县蔡口集小时雨量46.5 mm，09：00—10：00庆阳市南湖、市区小时雨量分别为26.7和22.2 mm，之后转为稳定性降水。截至21日08：00，最大累积降水量为庆城蔡口集站89.7 mm。

18日08：00，平凉的v-3θ图上出现超低温、顺滚流，而T-lnP图上对流发展潜势弱。在19日08：00平凉的v-3θ图（图5a），θ曲线在250、150 hPa附近存在薄层状超低温;θ曲线整体右倾，层结相对较稳定;水汽由低层的西南风提供，但厚度仅达700 hPa，湿层浅薄;θsed和θ* 曲线在650、500 hPa较靠近，即有2个湿度较大处，表现为“蜂腰”和“大肚子”结构;此时925～700 hPa的东南—西南风、700～500 hPa的西南—西北风及500 hPa以上随高度不断增大的一致西北风构成了整层顺滚流。同时次的T-lnP图上，700 hPa以下露点曲线与状态曲线、层结曲线近于重合，650 hPa附近有一浅薄的逆温层存在，700 hPa以上露点曲线同样呈现出分裂的喇叭状，有利于对流发展。低层有风切变存在，物理量上K指数达36 ℃，SI指数0.64 ℃。

3.4 阵性大风

2012年5月10日下午到夜间，环县、庆城等地出现雷电活动，并伴有阵性大风及降水，最大瞬时风速出现在环县（15.1 m/s），全市中雨。

过程前10日08：00（图6a）平凉站上空已出现了薄层状超低温;θ曲线右倾中有向左的折角，层结弱不稳定;低层θ*-θsed≤2 ℃，风场上为顺滚流;而同时次的T-lnP图（图6b）上最突出的特征则是除850 hPa附近露点曲线与层结预先较为接近外，随着高度的升高两者的距离迅速增大，说明大风发生时的层结为近地面层较湿，中高空湿度迅速下降。物理量参数上，K指数为26 ℃，SI指数1.91 ℃，层结不稳定，较冰雹、暴雨弱。

4 结论

（1）通过对2012—2018年172个对流性天气样本的v-3θ图特征的分析及检验，发现该方法对于庆阳强对流天气预报的指示作用较好：过程前有超过90%的样本出现了超低温，过程后概率降至70%，故超低温是强对流天气的必要非充分条件;超过60%的样本θ曲线有拐点且θsed和θ*曲线准平行的与T轴成钝角，可作为对流天气的起报条件。

（2）不同类型的强对流天气v-3θ图特征有所不同：冰雹天气的滚流效应最突出，对流性暴雨、干雷暴及阵性大风依次减弱。

（3）冰雹、干雷暴发生前低层湿度条件较差，当10 ℃≤θ*-θsed≤20 ℃时，两者难以区分，而当θ*-θsed>20 ℃时，冰雹发生的概率较高;而对流性暴雨和阵性大风发生时低层的湿度条件较好θ*-θsed≤3 ℃可以作为其预报的阈值。

（4）该研究为利用v-3θ图进行强对流天气的预报提供了一种思路：当出现超低温现象时，进一步分析θ曲线是否有拐点、θ*和θsed是否准平行的与T轴成钝角时，条件成立时，若低层θ*-θsed≤3 ℃，湿层伸展的高度在700 hPa以下时预报阵性大风，否则为对流性暴雨;若低层θ*-θsed≥10 ℃且风场上的滚流效应较为明显时，预报冰雹，否则为干雷暴。

（5）v-3θ和T-lnP图对于不同类型的强对流天气均具有一定的指示意义，其对于湿度条件的垂直分布反应较为一致。前者重点关注对于滚流效应的分析，而后者则侧重于垂直风切变、急流等。通过对比发现，在越弱的对流天气中，v-3θ图的超低温及滚流效应相较于T-lnP图的优势更突出，可提前实况24～48 h。故在日常预报中，v-3θ图的作用应当引起关注，对传统的环流形势、物理量垂直分布等分析进行补充，用于提高强对流天气的预报准确率。

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