基于溃变理论对河西走廊西段一次极端暴雨的研究

王海燕，田庆明，刘新雨

(酒泉市气象局，酒泉 735000)

0 引言

气候变化的日益加剧对天气、气候过程的精细化预报预测服务提出了更高的要求[1]。暴雨是造成洪涝、滑坡和泥石流等地质灾害的重要气象诱因，也是天气预报业务的难点和重点[2]。暴雨的形成机理、发展过程以及范围、落区、强度的预报一直是科研和业务领域重视的问题[3]。产生暴雨的主要物理条件是充足的水汽、强盛而持久的上升运动和大气层结构的不稳定，而地形对暴雨的发生也有显著影响[4，5]。河西走廊位于中国甘肃省西北部，祁连山以北，合黎山以南，乌鞘岭以西，甘肃新疆边界以东，长约1000 km，宽数公里至200 km，为西北至东南走向的长条堆积平原。酒泉市位于河西走廊西段，南依祁连山，北靠天山余脉马鬃山，中间大量分布着戈壁和沙漠，人口主要集中在小块绿洲上，典型的“狭管”地形。酒泉市暴雨出现次数稀少且降水量不大，但阵性降水多发且强度大，在一定条件下会出现雨急量大的超常暴雨。近年来，极端强降水在酒泉地区发生频繁，如玉门市2012-06-05暴雨，破60 a以来日降水极值；玉门市2016-06-01降水量48.7 mm；敦煌市和瓜州县2016-08-17的日降水量分别是31.1 mm和31.6 mm；酒泉市2019-06-20，日降水量为79.6 mm，突破建站以来日降水量极值(1983-08-04，44.2 mm)。与普通暴雨相比，极端强降水在降水的时间、强度和空间分布上有较大的不均匀性。

大气温度和湿度廓线在天气预报、人工影响天气、短期或临近灾害天气监测等方面都有着非常重要的意义[6-8]。酒泉市极端暴雨具有区域范围小、离散性大的特点，为解决此困难，文章提出基于溃变理论，制作5种廓线，衍生为69个特征量，以此描述V-3θ图，以期为预报暴雨发生和落区提供依据。

1 资料与研究原理

1.1 资料

2019-06-20—2019-06-21，甘肃省酒泉市出现极端暴雨天气过程，由于对流天气的突发性、局地性较强，数值模式对暴雨时间和强度的预报难度加大。文章利用气象观测资料和NCEP/NCAP(1°×1°)再分析资料，分析此次过程中连续触发强对流天气的环境场演变特征差异。

1.2 研究原理

V-3θ图是欧阳首承[9，10]设计的溃变原理的图象结构，用来分析预测天气转折性变化。V-3θ图是在P-T坐标系下，θ、θse、θ*和风矢的结构图，其中V是指风矢量，是探空资料中的风向风速观测数据，θ是位温，θse 是以露点温度计算的假相当位温，θ*是人为定义的假定饱和状态下的位温，其作用是比较大气结构中的水汽状态。V-3θ结构图是带有各层风矢的3条曲线。V-3θ图是尽可能地利用现有资料的真实信息而设计的分析工具，其核心作用是通过每个站点的V-3θ结构，可以分析出该站垂直方向上的涡旋流即风矢的差异所构成的滚流，和潜在的滚流效应即垂直方向上温度的差异，以及在水平方向上的次涡旋。

降水是受多种因素影响的随机过程[11]，常规的V-3θ使用单站探空资料，是将真实的探空信息进行天气学分析。θ、θse、θ*可在对数压力图上取得[12]，因此获取θ、θse及θ*需要花费一定的时间，对于暴雨的预报提前性较差，文章为减小序列的波动性，消除偶然因素和异常值的影响。将真实的资料换为再分析资料，并将风向风速省去(风向和风速在机器学习里面不好量化)，增加比湿和垂直速度(弥补风向和风速资料缺失的不足)，通过位温(θ)、假相当位温(θse)、饱和假相当位温(θ*)、比湿和垂直速度5种气象要素，逐层计算θse-θ、θ*-θse、θ850-500和θse850-500，同时衍生出69种气象特征量。通过此特征量绘制降水预报图，以此提高暴雨预报的提前量及准确度。

2 天气实况及河西地区降水标准

2.1 天气实况

2019-06-20T08：00，酒泉市自西向东逐渐出现了降水天气，降水主要时段为20日14：00—20：00。肃州区、金塔县、玉门市、肃北县、阿克塞县和瓜州县南部出现中到大雨，肃州区部分区域和金塔县局地出现暴雨，酒泉观测站日降水量为79.6 mm，突破建站以来日降水量极值(1983-08-04，44.2 mm)。

2.2 河西地区降水标准

此次极端降水发生在河西走廊西部，由于酒泉市年平均降水量为83 mm，故本地区使用河西地区降水标准。该标准出自DB62/T 1732-2008《甘肃省河西地区降雨等级》。

3 环流背景

2019-06-20T08：00，500 hPa欧亚中高纬度地区为“两槽一脊”型，中西伯利亚高压发展加强，使得新地岛低涡稳定，河套地区到额济纳旗有一个高压脊向西北突出，在河西西部形成偏东风与南部偏西风低槽切变。酒泉市在高压脊阻挡作用下，风场强烈辐合，对地面抬升引起的强降水很有利。700 hPa青海低涡发展加强，在低涡东侧沿高原边坡地带形成低空急流带，将有利于孟加拉湾水汽输送至河东地区并累积，敦煌到河套地区一致为偏东风，敦煌站最大风速达20 m/s。总体来说，此次极端暴雨天气受高压脊的阻挡，及青海低涡前部动力抬升的共同配合，出现了历史罕见降水天气(图1)。

图1 2019-06-20T08：00环流背景(a)500 hPa位势高度场；(b)700 hPa位势高度场

4 V-3θ衍生预报图与酒泉市降水实况对比

6日08：00酒泉市自西向东开始出现降水，将实况与预报进行对比，本地5日成功预报了降水开始的时间；14：00—17：00，玉门市、金塔县、肃州区出现累积降水，其中酒泉观测站出现22.5 mm降水，对比本地预报工具预报范围，预报工具预报范围较大，但降水量大的位置与实况相对应；17：00—20：00受偏东气流影响，全市出现降水，其中酒泉观测站出现45.2 mm降水，突破建站以来3 h降水量极值。实况和预报对应较好，20：00—23：00降水逐渐减小，降水主要集中在肃州区、金塔县，降水模式区域范围较大；23：00至21日02：00降水范围减小，且累积降水量也减少，降水预报模式预报降水范围较大。综合对比发现：V-3θ降水预报图准确地预报了降水的时间，但对降水范围、降水量级的预报能力有待提高。

5 结束语

文章基于溃变理论对河西走廊西段一次极端暴雨进行研究，得出结论如下：

1)此次极端降水天气受河套地区高压脊的阻挡，同时受青海低涡前部动力抬升影响，出现了历史罕见降水天气；

2)基于溃变理论，制作5种廓线，衍生为69个特征量，以此描述V-3θ图，确定此次暴雨过程的时间和提前量；

3)V-3θ衍生降水预报图的应用可提高暴雨预报的提前量及准确度。