基于溃变理论的V-3θ图在贵州3次转折性天气中的应用

顾天红，朱育雷，李彦霖，李 力，武正敏

(1.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002；2.贵州省遵义市气象局，贵州 遵义 563000)

0 引言

V-3θ图是欧阳首承等[1-3]设计的一种图像结构预测方法，既能反映湿度和层结条件，对转折性天气又有一定预示作用。经过国内多地多年的预报应用，证明其对转折性天气特别是灾害性天气有较好的预测能力，如毛列尼·阿依提看等[4]基于T-lnP 图和 V-3θ图研究了新疆短时强降水的大气能量结构特征；杜远林等[5]、陈祯烈等[6]采用V-3θ图辅助判断区域性暴雨的发生和落区；张洪卫等[7]指出V-3θ图在暴雨预报的提前量上有较好表现；郑传新等[8]发现V-3θ图对冰雹大风的可预测性较好；翟丽萍[9]指出V-3θ图能较好反映华北地区暴雨和暴雪的大气能量结构演变。但V-3θ图在贵州气象业务中应用不多，故本文选取2018年贵州冰雹、暴雨和大雪3次天气个例对 V-3θ图进行特征检验和简单应用(贵州只有贵阳和威宁两个探空站)，在了解贵州不同降水相态的大气能量结构特征的同时，也为这类转折性天气预报提供一些新思路和线索。

1 V-3θ图简介

1.1 设计原理

V-3θ图采用P-T 坐标，根据风、温、压、湿的垂直分布来预报转折性天气[1-3]。其中V是风向、风速，3θ分别为θ(位温)、θsed(以Td计算的假相当位温)和θ*(理想状态下水汽饱和时的假相当位温)，3条曲线的间隔可反映实际大气的水汽分布。

1.2 结构特征

转折性强天气在V-3θ图上有3个典型特征[1-3]：对流层中上层存在超低温，说明高层有利于深对流发展的大气结构(超低温结构是指在300～100 hPa之间θ值偏低的现象，即θ线陡然左折或准平行于P轴)；垂直风上有顺滚流，预示着天气转差，即风向顺转则存在潜在的顺滚流；强烈非均匀态，表明大气层结不稳定。θ线近垂直于T轴，θsed和θ*与T轴成大角度钝角；水汽分布也极不均匀，θsed和θ*围成的面积有中间湿度大、上下湿度小的“蜂腰”或上干下湿的“大肚子”图像特征。

2 一次冰雹过程的V-3θ图特征分析

2.1 天气概况与环流形势

2018年4月4日16时50分—21时，毕节、遵义和贵阳共有7县(市、区)出现冰雹，其中8站次冰雹直径超过2 cm，最大直径冰雹为5 cm(金沙县岚头乡)。

4日08时(图略)，200 hPa贵州处于偏西急流入口右侧的辐散区，500 hPa中高纬呈“两槽一脊”型，584线位于广西中部，南支槽位于95°E附近，夜间一高原槽位于川东南；700 hPa贵州东南部有切变存在，夜间西南急流建立；850 hPa川东南有切变存在，南风维持，贵州中部—广西北部有温度脊。08时地面冷锋西段位于湖南东北部，14时贵州处在强大热低压控制下，增强的南风与偏东路径渗透而下的弱冷空气在贵州中部以北地区交汇[10]。

2.2 对流参数及温湿廓线形态

4日08时(表1、图1)贵阳探空站的CAPE就达到了870 J/kg，午后订正为2 249 J/kg(14时温度为25 ℃)，SI<-3 ℃，有很强的对流潜势。0 ℃、-20 ℃层高度分别为4.5 km、7.2 km，0～6 km垂直风切变适宜，“上干下湿”明显，有利于大冰雹生成。探空订正后的威宁站情况与之类似，且DCAPE值有670 J/kg，可能有冰雹大风出现。

表1 2018年4月4日08时贵阳、威宁站对流特征参量Tab.1 Partial Sounding data of Guiyang and Weining station at 08∶00 on April 4,2018

图1 2018年4月4日08时贵阳站(a)和威宁站(b)T-lnP图(探空订正)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图特征分析

在降雹前的贵阳站 V-3θ图上(图2a)可见：风场近地面为偏南风，700 hPa以上为偏西风或偏西南风，风矢的垂直结构呈顺滚流，有利于垂直运动的发展。300 hPa左右有弱的超低温存在，850～700 hPa之间θsed与T轴成很大角度的钝角(接近700 hPa处约为180°)；θ线在730 hPa处明显左倾，在700～600 hPa、400 hPa、300 hPa多处近垂直T轴，呈“锣锅”结构。θsed和θ*线在500 hPa以上、750 hPa以下靠得近，而在750～600 hPa离得远，呈现“大肚子”特征，表明中层水汽条件差，预测此次过程应主要以冰雹大风为主[11]。同时段的威宁站V-3θ图(图2b)也类似分析，得到同样的结论，满足3个典型的 V-3θ图结构特征，有利于强对流(冰雹)的出现。

注：3条线从左至右分别为θ线(位温)、θsed线(以Td计算的假相当位温)和θ*线(理想状态下水汽饱和时的假相当位温)(下同)图2 2018年4月4日08时贵阳站(a)和威宁站(b)V-3θ图Fig.2 The V-3θ of Guiyang (a)and Weining station (b)at 08∶00 on April 4,2018

3 一次暴雨过程的V-3θ图特征分析

3.1 降水概况及环流形势

2018年6月21日08时—22日08时，贵州共出现7站特大暴雨(最大降水量为麻江县255.3 mm)，大暴雨119站，暴雨390站，暴雨以上降水主要出现省的中部及以南地区(图3)。

图3 24 h累计降水量(a)、21日20时—22日02时降水量(b)和22日02时—08时降水量(c)(单位：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时，500 hPa(图略)中高纬呈两槽一脊形势，高原槽位于重庆—贵州中部，槽后有温度槽，588线位于华南沿海；700 hPa切变位于重庆—贵州西北部，贵州受西南暖湿气流影响；850 hPa切变位于贵州中部，比湿达到16～18 g/kg；白天热低压发展，地面辐合线位于贵州中部，夜间辐合线南移至贵州南部[12]。

3.2 暴雨出现前V-3θ图特征

分析暴雨出现前的威宁站V-3θ图(图4a)：700～600 hPa θ*线右倾，说明低层有逆温，其高度即为层云的高度[2]，600～500 hPa出现冷层云，500 hPa以上水汽含量丰富。超低温存在(θ线在250 hPa与T轴垂直)，大气层结很不稳定，加强了对流发展的高度和上升的强度，也促使了大暴雨的发生[13]。风向整层顺滚流，预示着天气转差。

与威宁站相比，贵阳站(图4b)超低温特征不够明显，且250 hPa以上出现逆滚流，坏天气还未有预示，而实况上也是毕节中西部先出现较大量级的降水。

图4 2018年6月21日08时威宁站(a)和贵阳站(b)V-3θ图Fig.4 The V-3θ of Weining (a)and Guiyang (b)at 08∶00 on June 21,2018

3.3 暴雨增强过程中V-3θ图特征

由21日20时威宁站(图5a)可知：θsed与θ*线由08时600 hPa以上准平行过渡为整层都是准平行且二者近重合，说明整层水汽饱和。对流层顶超低温更加明显，整层仍为显著顺滚流，近地层仍为偏南风。

贵阳站(图5b)同08时相比：对流层顶超低温较之前明显，大气高层倾向垂直对流发展，符合高层“抽气”原理[14]。600 hPa上有多层左倾，表明积云生成并伸展到对流层上层，不稳定能量快速集聚并被“冷盖”封印，降水性质也将由层状云降水转为对流性与稳定性结合的混合型降水[15]。整层变为顺滚流，有利于暖湿气流的爬升和垂直运动的发展。

图5 2018年6月21日20时威宁站(a)和贵阳站(b)V-3θ图Fig.5 The V-3θ of Weining (a)and Guiyang station (b)at 20∶00 on June 21,2018

3.4 暴雨结束V-3θ图特征

22日白天暴雨过程趋于结束，以威宁站和贵阳站22日08时V-3θ图(6a、6b)为例分析暴雨趋于结束时的特征变化：威宁站整层转为东北风或偏北风，出现逆滚流且厚度达到400 hPa，恶劣天气将结束，实况显示毕节地区降水减弱停止。贵阳站700 hPa以下仍为顺滚流，但700 hPa以上出现逆滚流，强降水也将告一段落。

4 一次持续性降雪过程的V-3θ图特征分析

4.1 降雪概况

本次降雪过程从2018年12月28日持续到2019年1月2日，具有范围广、持续时间长、强度大的特点。逐日降雪情况如表2所示：

图6 2018年6月22日08时威宁站(a)和贵阳站(b)V-3θ图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日逐日降雪情况Tab.2 The details of daily snowfall from December 28,2018 to January 2,2019

4.2 环流形势

27日20时—30日20时(图略)，500 hPa南支槽发展并同高原冷槽一起缓慢东移，两槽于30日08时—31日08时过境贵州，之后南支槽活跃，多小槽波动；700 hPa川东有切变，贵州受西南急流影响，29日夜间南压至贵州西北部，30日白天切变东移加深，夜间位于贵州中东部—湖南中部，西南急流位置也随之东南移；850 hPa上29—30日白天，川东低涡切变维持，贵州境内温度槽加深，31日冷空气大举南下；地面场上蒙古冷高压强盛并长时间维持，28日夜间起1 040 hPa等压线开始进入贵州，强冷空气走东北路径源源不断入侵，整个过程中云贵静止锋不断西进[16]。

4.3 降雪过程能量演变的V-3θ图分析

2018年12月27日20时—28日20时，贵州的中部以东以北地区出现12站降雪。从27日20时贵阳站V-3θ图(图7)分析：整层顺滚流但高空的超低温结构不明显，θ线多折拐。θsed与θ*线呈“大肚子”结构，表明水汽含量还不够充沛。850 hPa附近有一浅层逆温，代表有暖云发展。

图7 2018年12月27日20时贵阳站V-3θ图Fig.7 The V-3θ of Guiyang station at 20∶00 on December 27,2018

28日20时—29日20时，降雪站数增加至78站，覆盖贵州各市州，积雪站数56站，最大雪深度为水城站5 cm。选取上游的威宁站28日20时和29日08时的V-3θ图(图8a、8b)分析：28日20时威宁站虽为整层顺滚流，但θ线较平滑无不稳定能量；中低层大气水汽含量一般，高层也无明显超低温层，实况显示威宁下游仅为弱降水。29日08时，200 hPa附近出现明显超低温，中高层风速增大，θ线折拐明显增多，不稳定能量开始积聚；θsed与θ*线准平行近重合，整层大气水汽含量增加；700 hPa附近暖云发展，600 hPa为冷层云，冷、暖层云过程降水，“播种—供给”云体系明显，将会加大降水量级[17]。值得注意的是，降雪开始前，大范围的暖层云发展起到了增温增湿的作用，同时也促进了对流发展。当高空冷空气下沉时，使低层的不稳定能量得以释放，暖湿空气被强迫抬升的同时释放潜热，进而又反作用于暖云的发展，形成了正反馈从而延长降雪时间[18-19]。

图8 2018年12月28日20时(a)和29日08时(b)威宁V-3θ图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时—30日20时，降雪77站，积雪73站，贵州的东部地区为积雪深度大值区，最大积雪深度14 cm(铜仁、松桃站)。选取上游的贵阳站分析，因29日20时探空资料不全，着重分析30日08时的V-3θ图(图9)：30日08时，200 hPa附近出现超低温结构，θ线多折拐，整层顺滚流结构，不稳定能量继续释放，降水过程仍在继续。θsed与θ*线准平行近重合，整层大气水汽充沛；850～700 hPa为逆温层，深厚暖层云发展，700～500 hPa为密实冷层云，并且300 hPa以下存在较厚低温层，代表冷湿空气势力强盛，与其下的不稳定能量在垂直方向上稳定对峙，降雪进一步加强[20]。

图9 2018年12月30日08时贵阳站V-3θ图Fig.9 The V-3θ of Guiyang station at 08∶00 on December 30,2018

此次降雪过程一直持续到2019年1月2日夜间，反映在对应的贵阳站V-3θ(图略)主要为：低层风场转变，顺滚流被破坏，冷层云消失，暖层云减弱，降水(雪)趋于停止。

5 小结与讨论

①在本文选取的3次过程中，V-3θ图均能较好反映大气能量结构变化，其各项典型特征均有较好体现：超低温结构、顺滚流、θ线多折拐等。但仍存在样本少、样本选取典型化等问题，后期将扩大样本容量对不同天气类型的V-3θ图特征进行分析，进一步验证V-3θ图在贵州转折性天气预报中的适用性。

②不同类型的天气过程其V-3θ图特征也有所不同：冰雹天气的滚流效应最突出，暴雨、大雪依次减弱；暴雨和大雪对θsed与θ*线准平行且近重合要求更高；而冰雹天气过程对对流层顶出现深厚超低温结构更为敏感。

③当环流形势较弱，从常规天气分析角度难以判断转折性天气时，可尝试利用 V-3θ图特性层的非均匀性和不连续性进行辅助预报，也许能得到一些指示信息。

④由于贵州仅有威宁和贵阳两个探空站，空间分布稀疏且时间分辨率低，因此V-3θ图结构分析法在贵州的业务应用有一定的局限性，预报员可结合卫星云图、多普勒天气雷达、风廓线雷达等资料对某地区多时次多层次的高空特性层资料进行补充，再根据V-3θ图的能量结构特征，以期达到提前12 h甚至24～36 h预测转折性天气的效果。