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(shè)計(jì)的一種圖像結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，既能反映濕度和層結(jié)條件，對轉(zhuǎn)折性天氣又有一定預(yù)示作用。經(jīng)過國內(nèi)多地多年的預(yù)報(bào)應(yīng)用，證明其對轉(zhuǎn)折性天氣特別是災(zāi)害性天氣有較好的預(yù)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(shí)強(qiáng)降水的大氣能量結(jié)構(gòu)特征；杜遠(yuǎn)林等[5]、陳禎烈等[6]采用V-3θ圖輔助判斷區(qū)域性暴雨的發(fā)生和落區(qū)；張洪衛(wèi)等[7]指出V-3θ圖在暴雨預(yù)報(bào)的提前量上有較好表現(xiàn)；鄭傳新等[8]發(fā)現(xiàn)V-3θ圖對冰雹大風(fēng)的可預(yù)測性較好；翟麗萍[9]指出V-3θ圖能較好反映華北地區(qū)暴雨和暴雪的大氣能量結(jié)構(gòu)演變。但V-3θ圖在貴州氣象業(yè)務(wù)中應(yīng)用不多，故本文選取2018年貴州冰雹、暴雨和大雪3次天氣個(gè)例對 V-3θ圖進(jìn)行特征檢驗(yàn)和簡單應(yīng)用(貴州只有貴陽和威寧兩個(gè)探空站)，在了解貴州不同降水相態(tài)的大氣能量結(jié)構(gòu)特征的同時(shí)，也為這類轉(zhuǎn)折性天氣預(yù)報(bào)提供一些新思路和線索。

1 V-3θ圖簡介

1.1 設(shè)計(jì)原理

V-3θ圖采用P-T 坐標(biāo)，根據(jù)風(fēng)、溫、壓、濕的垂直分布來預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)折性天氣[1-3]。其中V是風(fēng)向、風(fēng)速，3θ分別為θ(位溫)、θsed(以Td計(jì)算的假相當(dāng)位溫)和θ*(理想狀態(tài)下水汽飽和時(shí)的假相當(dāng)位溫)，3條曲線的間隔可反映實(shí)際大氣的水汽分布。

1.2 結(jié)構(gòu)特征

轉(zhuǎn)折性強(qiáng)天氣在V-3θ圖上有3個(gè)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(fā)展的大氣結(jié)構(gòu)(超低溫結(jié)構(gòu)是指在300～100 hPa之間θ值偏低的現(xiàn)象，即θ線陡然左折或準(zhǔn)平行于P軸)；垂直風(fēng)上有順滾流，預(yù)示著天氣轉(zhuǎn)差，即風(fēng)向順轉(zhuǎn)則存在潛在的順滾流；強(qiáng)烈非均勻態(tài)，表明大氣層結(jié)不穩(wěn)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(huán)流形勢

2018年4月4日16時(shí)50分—21時(shí)，畢節(jié)、遵義和貴陽共有7縣(市、區(qū))出現(xiàn)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(xiāng))。

4日08時(shí)(圖略)，200 hPa貴州處于偏西急流入口右側(cè)的輻散區(qū)，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(fēng)維持，貴州中部—廣西北部有溫度脊。08時(shí)地面冷鋒西段位于湖南東北部，14時(shí)貴州處在強(qiáng)大熱低壓控制下，增強(qiáng)的南風(fēng)與偏東路徑滲透而下的弱冷空氣在貴州中部以北地區(qū)交匯[10]。

2.2 對流參數(shù)及溫濕廓線形態(tài)

4日08時(shí)(表1、圖1)貴陽探空站的CAPE就達(dá)到了870 J/kg，午后訂正為2 249 J/kg(14時(shí)溫度為25 ℃)，SI<-3 ℃，有很強(qiáng)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(fēng)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(fēng)出現(xiàn)。

表1 2018年4月4日08時(shí)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(shí)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(fēng)場近地面為偏南風(fēng)，700 hPa以上為偏西風(fēng)或偏西南風(fēng)，風(fēng)矢的垂直結(jié)構(gòu)呈順滾流，有利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)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(jié)構(gòu)。θsed和θ*線在500 hPa以上、750 hPa以下靠得近，而在750～600 hPa離得遠(yuǎn)，呈現(xiàn)“大肚子”特征，表明中層水汽條件差，預(yù)測此次過程應(yīng)主要以冰雹大風(fēng)為主[11]。同時(shí)段的威寧站V-3θ圖(圖2b)也類似分析，得到同樣的結(jié)論，滿足3個(gè)典型的 V-3θ圖結(jié)構(gòu)特征，有利于強(qiáng)對流(冰雹)的出現(xiàn)。

注：3條線從左至右分別為θ線(位溫)、θsed線(以Td計(jì)算的假相當(dāng)位溫)和θ*線(理想狀態(tài)下水汽飽和時(shí)的假相當(dāng)位溫)(下同)圖2 2018年4月4日08時(shí)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(huán)流形勢

2018年6月21日08時(shí)—22日08時(shí)，貴州共出現(xiàn)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(xiàn)省的中部及以南地區(qū)(圖3)。

圖3 24 h累計(jì)降水量(a)、21日20時(shí)—22日02時(shí)降水量(b)和22日02時(shí)—08時(shí)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(shí)，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(dá)到16～18 g/kg；白天熱低壓發(fā)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(xiàn)前V-3θ圖特征

分析暴雨出現(xiàn)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(xiàn)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(jié)很不穩(wěn)定，加強(qiáng)了對流發(fā)展的高度和上升的強(qiáng)度，也促使了大暴雨的發(fā)生[13]。風(fēng)向整層順滾流，預(yù)示著天氣轉(zhuǎn)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(xiàn)逆滾流，壞天氣還未有預(yù)示，而實(shí)況上也是畢節(jié)中西部先出現(xiàn)較大量級的降水。

圖4 2018年6月21日08時(shí)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(qiáng)過程中V-3θ圖特征

由21日20時(shí)威寧站(圖5a)可知：θsed與θ*線由08時(shí)600 hPa以上準(zhǔn)平行過渡為整層都是準(zhǔn)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(fēng)。

貴陽站(圖5b)同08時(shí)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(fā)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(wěn)定能量快速集聚并被“冷蓋”封印，降水性質(zhì)也將由層狀云降水轉(zhuǎn)為對流性與穩(wěn)定性結(jié)合的混合型降水[15]。整層變?yōu)轫槤L流，有利于暖濕氣流的爬升和垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

圖5 2018年6月21日20時(shí)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(jié)束V-3θ圖特征

22日白天暴雨過程趨于結(jié)束，以威寧站和貴陽站22日08時(shí)V-3θ圖(6a、6b)為例分析暴雨趨于結(jié)束時(shí)的特征變化：威寧站整層轉(zhuǎn)為東北風(fēng)或偏北風(fēng)，出現(xiàn)逆滾流且厚度達(dá)到400 hPa，惡劣天氣將結(jié)束，實(shí)況顯示畢節(jié)地區(qū)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(xiàn)逆滾流，強(qiáng)降水也將告一段落。

4 一次持續(xù)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(xù)到2019年1月2日，具有范圍廣、持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)度大的特點(diǎn)。逐日降雪情況如表2所示：

圖6 2018年6月22日08時(shí)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(huán)流形勢

27日20時(shí)—30日20時(shí)(圖略)，500 hPa南支槽發(fā)展并同高原冷槽一起緩慢東移，兩槽于30日08時(shí)—31日08時(shí)過境貴州，之后南支槽活躍，多小槽波動(dòng)；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(nèi)溫度槽加深，31日冷空氣大舉南下；地面場上蒙古冷高壓強(qiáng)盛并長時(shí)間維持，28日夜間起1 040 hPa等壓線開始進(jìn)入貴州，強(qiáng)冷空氣走東北路徑源源不斷入侵，整個(gè)過程中云貴靜止鋒不斷西進(jìn)[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(shí)—28日20時(shí)，貴州的中部以東以北地區(qū)出現(xiàn)12站降雪。從27日20時(shí)貴陽站V-3θ圖(圖7)分析：整層順滾流但高空的超低溫結(jié)構(gòu)不明顯，θ線多折拐。θsed與θ*線呈“大肚子”結(jié)構(gòu)，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(fā)展。

圖7 2018年12月27日20時(shí)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(shí)—29日20時(shí)，降雪站數(shù)增加至78站，覆蓋貴州各市州，積雪站數(shù)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(shí)和29日08時(shí)的V-3θ圖(圖8a、8b)分析：28日20時(shí)威寧站雖為整層順滾流，但θ線較平滑無不穩(wěn)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(shí)況顯示威寧下游僅為弱降水。29日08時(shí)，200 hPa附近出現(xiàn)明顯超低溫，中高層風(fēng)速增大，θ線折拐明顯增多，不穩(wěn)定能量開始積聚；θsed與θ*線準(zhǔn)平行近重合，整層大氣水汽含量增加；700 hPa附近暖云發(fā)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(huì)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(fā)展起到了增溫增濕的作用，同時(shí)也促進(jìn)了對流發(fā)展。當(dāng)高空冷空氣下沉?xí)r，使低層的不穩(wěn)定能量得以釋放，暖濕空氣被強(qiáng)迫抬升的同時(shí)釋放潛熱，進(jìn)而又反作用于暖云的發(fā)展，形成了正反饋從而延長降雪時(shí)間[18-19]。

圖8 2018年12月28日20時(shí)(a)和29日08時(shí)(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(shí)—30日20時(shí)，降雪77站，積雪73站，貴州的東部地區(qū)為積雪深度大值區(qū)，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(shí)探空資料不全，著重分析30日08時(shí)的V-3θ圖(圖9)：30日08時(shí)，200 hPa附近出現(xiàn)超低溫結(jié)構(gòu)，θ線多折拐，整層順滾流結(jié)構(gòu)，不穩(wěn)定能量繼續(xù)釋放，降水過程仍在繼續(xù)。θsed與θ*線準(zhǔn)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(fā)展，700～500 hPa為密實(shí)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(qiáng)盛，與其下的不穩(wěn)定能量在垂直方向上穩(wěn)定對峙，降雪進(jìn)一步加強(qiáng)[20]。

圖9 2018年12月30日08時(shí)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(xù)到2019年1月2日夜間，反映在對應(yīng)的貴陽站V-3θ(圖略)主要為：低層風(fēng)場轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)變化，其各項(xiàng)典型特征均有較好體現(xiàn)：超低溫結(jié)構(gòu)、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(kuò)大樣本容量對不同天氣類型的V-3θ圖特征進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證V-3θ圖在貴州轉(zhuǎn)折性天氣預(yù)報(bào)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(yīng)最突出，暴雨、大雪依次減弱；暴雨和大雪對θsed與θ*線準(zhǔn)平行且近重合要求更高；而冰雹天氣過程對對流層頂出現(xiàn)深厚超低溫結(jié)構(gòu)更為敏感。

③當(dāng)環(huán)流形勢較弱，從常規(guī)天氣分析角度難以判斷轉(zhuǎn)折性天氣時(shí)，可嘗試?yán)?V-3θ圖特性層的非均勻性和不連續(xù)性進(jìn)行輔助預(yù)報(bào)，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(gè)探空站，空間分布稀疏且時(shí)間分辨率低，因此V-3θ圖結(jié)構(gòu)分析法在貴州的業(yè)務(wù)應(yīng)用有一定的局限性，預(yù)報(bào)員可結(jié)合衛(wèi)星云圖、多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)等資料對某地區(qū)多時(shí)次多層次的高空特性層資料進(jìn)行補(bǔ)充，再根據(jù)V-3θ圖的能量結(jié)構(gòu)特征，以期達(dá)到提前12 h甚至24～36 h預(yù)測轉(zhuǎn)折性天氣的效果。