基于潰變理論的v-3θ圖在隴東強對流天氣中的應用

楊麗杰 路亞奇 張可心

摘要?[目的]驗證v-3θ圖在隴東地區強對流天氣預報中的適用性。[方法]利用常規觀測資料、災情月報及上游平涼站的探空資料，對慶陽市2012—2018年172個強對流天氣樣本的v-3θ圖特征進行分析，通過箱線圖確定了濕度閾值，并對比不同類型強對流天氣發生前v-3θ圖與T-lnP圖特征。[結果]v-3θ圖對于隴東地區的對流性天氣的指示意義較好;超低溫、θ曲線有拐點及θsed和θ*與T軸成鈍角可作為強對流天氣的起報條件;就滾流效應而言，冰雹天氣過程最明顯，對流性暴雨、陣性大風、干雷暴依次減弱;對流性暴雨及陣性大風發生前低層濕度條件好，但前者濕層伸展高度高;當起報條件滿足時，首先利用低層θ*-θsed判斷對流天氣類型：其數值≥10 ℃時，若滾流效應較為顯著，則預報冰雹，否則為干雷暴;其數值≤3 ℃時，則需進一步分析濕層伸展的高度，位于700 hPa以下則預報陣性大風，否則為對流性暴雨;對流強度越弱時，v-3θ圖相較于T-lnP圖優勢越突出。[結論]該研究為提高該地區的強對流天氣預報準確率提供依據。

關鍵詞?強對流天氣;潰變理論;v-3θ圖;隴東地區

中圖分類號?P481.1文獻標識碼?A

文章編號?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

慶陽市地處半干旱區的黃土高原東部，習稱隴東，為大陸季風氣候。西接六盤山，北靠羊圈山，東依子午嶺，形成了三面隆起、中南部低緩的開口向東的喇叭口地形。受特殊的地形地貌特征影響，該地夏季強對流天氣頻發，且呈現出落區分散、局地性強、突發性高等特點，極易造成嚴重的人員傷亡和財產損失。如2005年5月30日的特大冰雹過程[1]，造成慶陽市51 453.4 hm2作物受災，絕收面積高達13 052.1 hm2，水毀房屋、道路，直接經濟損失達1.3億元。對此，氣象工作者從系統配置[2-3]、發展機理[4]、雷達[5]及衛星資料[6]分析、數值模擬[7]等多個角度開展了研究并取得了豐碩的成果，然而，目前的預報水平下，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預報員需要解決的難題。

v-3θ圖是歐陽首承等[8]設計出來的運用圖像結構來預測天氣的結構預測方法，與傳統的T-lgP圖相比，除了能反映層結穩定性、濕度條件外，θ線的“順滾流”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于強對流天氣預報具有一定的指示意義，如有研究認為，v-3θ圖能較好地對暴雨、短時強降水過程做出預報[9-14]，對冰雹天氣也具有一定的預報能力[15-18];毛列尼·阿依提看等[19]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;陸雅君等[20]分析了不同類型云的v-3θ圖特征。然而該方法在西北地區開展的研究較少，且以天氣個例分析為主[21]缺乏系統的研究，該方法的適用性及濕度因子如低層的θ*-θsed的本地閾值尚不明確，因此，對其開展研究是非常有必要的。

筆者基于地處甘肅隴東的慶陽市2012—2018年172個強對流天氣個例，通過分析過程前后的v-3θ圖變化特征及演變狀況，旨在明確該方法在本地的適用性，利用箱線圖求出適用于本地的濕度閾值，為提高該地區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

使用的資料包括：①地面天氣現象觀測資料及災情月報：當連續2 d及以上均出現同一種類型的對流活動時，計一次天氣過程;當有多種災害性天氣發生時，按照危害程度最高的一種天氣進行分類。②MICAPS自帶的平涼站的探空資料。

資料時段均為2012—2018年。最終得到105個雷暴樣本、36個冰雹樣本、27個對流性暴雨（過程中出現1站以上小時雨量≥20 mm的短時強降水且24 h降水量≥50 mm）及4個陣性大風樣本（最大瞬時風速≥17.2 m/s）。

1.2?研究方法

v-3θ圖是歐陽首承等[8]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即為探空資料中風向、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）現有流場的滾流效應。

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，一致偏東或偏南風時為逆時針滾流。

（2）潛在流場的滾流效應。

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300～100 hPa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曲線和θ*曲線較為靠近時，表示水汽充沛，而當θsed和θ曲線較為靠近時，則說明水汽含量低。

采用統計學方法，分析不同強對流天氣過程前后v-3θ圖的演變情況，用以驗證該方法在慶陽強對流天氣預報中的適用性，并歸納出其在不同類型強對流間的區別;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在強對流天氣發生前的預報能力。

2?對流性天氣v-3θ特征統計檢驗

2.1?干雷暴

通過對2012—2018年105個雷暴個例發生前后的v-3θ圖特征進行分析，結果發現（表1），過程前有95個樣本出現超低溫，占總比90.5%，而過程結束后維持超低溫仍有80個樣本（占總比76.2%）;θ曲線表現出較弱的非均勻結構，其中80站次有明顯的拐點，占總數的76.2%，過程結束后，隨著不穩定能量的釋放，有拐點的樣本減少至37個（占總比35.2%）;過程前有78個樣本θsed和θ*與T軸呈鈍角占總比74.3%，700 hPa以下θ*和θsed的25%～75%分位數集中在10～20 ℃;而從滾流效應來看，過程前，風場上表現為整層順滾流的有45個樣本，占總數的42.9%，而表現為順滾流和逆滾流交替出現的多層滾流的有33個樣本，占總比31.4%。此外，風場上由過程前的順滾流轉為過程后的逆滾流的樣本為7個，占總比6.7%;由順滾流轉為多層滾流的樣本有24個，占總比22.9%;多層滾流轉為逆滾流的樣本13個，占總比12.4%;過程中始終維持多層滾流的樣本17個，占總比16.2%。

2.2?冰雹天氣

通過對36個冰雹過程的統計分析，結果發現（表1、2），過程前有34個樣本出現了超低溫，且32站次θ曲線出現了明顯的拐點，分別占總比的94.4%及88.9%，且有33個樣本θsed和θ*在低層以準平行的方式與T軸成鈍角，占總比91.7%，可見冰雹發生時的潛在流場是極不均勻的;冰雹發生時前低層（近地面～700 hPa）θ*-θsed的分布范圍較大（圖1），其25%～75%分位數位于10～30 ℃;干雷暴和冰雹的箱線圖交叉范圍較大，利用θ*-θsed的數值難以對二者做出區分。冰雹樣本的滾流效應在4類強對流天氣中較為突出，過程前為順滾流的樣本有30個，占總比83.3%，多層滾流樣本有6個，占總比16.7%，且過程前后由順滾流轉為多層滾流的樣本最多為24個，占樣本總數的66.7%。

2.3?短時強降水或暴雨

與雷暴及冰雹相比，短時強降水及對流性暴雨的超低溫、滾流特征均強于干雷暴而弱于雷暴大風和冰雹，過程前有25個樣本出現超低溫，占總比926%，θ曲線出現明顯拐點的樣本23個，占總比85.2%，風場上形成順滾流的樣本51.9%（表1），且由順滾流轉為多層滾流的樣本占總比37.0%（表2）。中低層θ*-θsed分布高度集中在2～3 ℃（圖1），且統計過程中發現有75%的樣本濕層厚度自近地面伸展至700 hPa以上，說明此類強對流天氣發生時濕度條件較好，據此可以與干雷暴、冰雹進行區分。

2.4?陣性大風

單一的雷暴大風樣本較少僅有4個，統計結果不具有普適性，但對于該類天氣的v-3θ圖特征也有一定程度的反應。此類天氣發生時，θ曲線表現為有明顯的拐點，層結較不穩定;低層的水汽特征較為突出，θ*-θsed的25%～75%分位數集中在0～3 ℃，但濕層厚度自地面伸展至850 hPa附近，即陣性大風發生在低層濕、中高層干且濕層淺薄的層結中。

通過以上分析可以看出，v-3θ圖對于隴東地區的強對流天氣具有一定的指示意義，且在不同類型強對流天氣間的分布特征有所不同：不同類型的強對流天氣，在過程前出現超低溫的概率超過90%，而θ曲線有拐點及θsed和θ*與T軸成鈍角的概率在70%以上，故這三者可作為強對流天氣的起報條件;僅就過程前后的滾流效應而言，冰雹最強，其在過程前θ曲線出現拐點、風場上順滾流概率高及過程后風場上轉為逆滾流或多層滾流的概率均達到最高，對流性暴雨、干雷暴逐漸減弱;干雷暴、冰雹發生時低層濕度小，且當10 ℃≤θ*-θsed≤20 ℃時，兩者難以區分，而當θ*-θsed>20 ℃時，冰雹發生的概率較高;而對流性暴雨及陣性大風發生前θ*-θsed≤3 ℃，濕度條件好（圖2）。

以上分析為利用v-3θ圖進行強對流天氣預報的思路：當過程前出現超低溫、θ曲線有拐點且θsed和θ*與T軸成鈍角時，即考慮即將有對流天氣發生;進一步分析低層θ*-θsed，若其數值≤3 ℃時，若濕層伸展的高度低于700 hPa時，預報陣性大風，否則預報對流性暴雨;而當低層θ*-θsed≥10 ℃時，則重點分析滾流效應，滾流較強時預報為冰雹，否則為干雷暴。

3?v-3θ圖與T-lnP圖對不同強對流性天氣的指示對比

3.1?干雷暴

2018年4月26日下午慶陽市出現了一次干雷暴天氣。過程前24～48 h，在v-3θ圖和T-lnP圖上均未出現強對流天氣特征。到了26日08：00（圖3a），平涼站上空的θ曲線在700～600、400及300～250 hPa準垂直于T軸，說明此時低層對流發展且有超低溫存在。θsed和θ* 曲線在600 hPa附近較靠近，說明濕度較大;且在700～600 hPa與T軸成鈍角，水汽分布極不均勻，中間濕、上下干，有利于對流的發展。但低層θsed和θ*差值較大，受偏西風控制，水汽通道未建立且濕度較差。風場上850～400 hPa的西北風、400～300 hPa的西北—西南及300 hPa以上隨高度不斷增強的一致西南風構成了多層滾流，故過程前的v-3θ圖對于雷暴的指示效果較好。T-lnP圖上（圖3b），風場結構與v-3θ圖類似。層結曲線在850 hPa附近有一淺薄的逆溫層存在，露點曲線呈分裂的喇叭狀，同樣反映出中間干、上下濕的濕度垂直分布。狀態曲線和層結曲線之間的正、負面積均為0，結合物理量資料，K指數為12 ℃，SI指數5.97 ℃，可見此次過程中的不穩定能量條件較差。在這種情況下，僅依賴T-lnP圖預報干雷暴較為困難。

3.2?冰雹

2014年8月16日16：00左右，慶陽市環縣天池、演武、河道等11個鄉鎮遭受冰雹襲擊，持續40 min左右，最大冰雹直徑3 cm左右。

過程前48 h，15日08：00的v-3θ圖上已有超低溫存在，且風場為整層順滾流，而同一時次的T-lnP圖則無明顯對流發展潛勢。到了16日08：00的v-3θ圖上（圖4a），θ曲線在250 hPa附近有超低溫;3θ曲線在400 hPa以下出現多處左傾，且700 hPa以下θsed和θ*曲線準平行的與T軸成鈍角;θsed和θ*曲線在600 hPa附近較靠近，即濕度較大，θ*-θsed≥15 ℃，有明顯的“蜂腰”結構，呈現出中間濕、上下干的濕度垂直分布;風場上為整層順滾流。同時次的T-lnP圖上（圖4b），層結曲線和露點曲線在600 hPa以下近于重合，600 hPa以上則呈分裂的喇叭狀，同樣反映了水汽垂直分布的不均勻;700～500 hPa有南-西風之間的垂直風切變，結合物理量數據，K指數為30 ℃，SI指數-0.14 ℃，0 ℃及-20 ℃層高度分別為4 698.2和7 700 m，符合慶陽市發生冰雹的閾值。

3.3?對流性暴雨

2017年8月19—20日慶陽市出現了一次區域性短時暴雨。19日17：00—18：00正寧縣董莊、移風小時雨量分別為22.5、20.4 mm，19：00—20：00正寧縣董莊小時雨量26.3 mm，20：00—21：00寧縣蓮花池小時雨量22.2 mm。20日06：00—07：00慶城縣蔡口集小時雨量46.5 mm，09：00—10：00慶陽市南湖、市區小時雨量分別為26.7和22.2 mm，之后轉為穩定性降水。截至21日08：00，最大累積降水量為慶城蔡口集站89.7 mm。

18日08：00，平涼的v-3θ圖上出現超低溫、順滾流，而T-lnP圖上對流發展潛勢弱。在19日08：00平涼的v-3θ圖（圖5a），θ曲線在250、150 hPa附近存在薄層狀超低溫;θ曲線整體右傾，層結相對較穩定;水汽由低層的西南風提供，但厚度僅達700 hPa，濕層淺薄;θsed和θ* 曲線在650、500 hPa較靠近，即有2個濕度較大處，表現為“蜂腰”和“大肚子”結構;此時925～700 hPa的東南—西南風、700～500 hPa的西南—西北風及500 hPa以上隨高度不斷增大的一致西北風構成了整層順滾流。同時次的T-lnP圖上，700 hPa以下露點曲線與狀態曲線、層結曲線近于重合，650 hPa附近有一淺薄的逆溫層存在，700 hPa以上露點曲線同樣呈現出分裂的喇叭狀，有利于對流發展。低層有風切變存在，物理量上K指數達36 ℃，SI指數0.64 ℃。

3.4?陣性大風

2012年5月10日下午到夜間，環縣、慶城等地出現雷電活動，并伴有陣性大風及降水，最大瞬時風速出現在環縣（15.1 m/s），全市中雨。

過程前10日08：00（圖6a）平涼站上空已出現了薄層狀超低溫;θ曲線右傾中有向左的折角，層結弱不穩定;低層θ*-θsed≤2 ℃，風場上為順滾流;而同時次的T-lnP圖（圖6b）上最突出的特征則是除850 hPa附近露點曲線與層結預先較為接近外，隨著高度的升高兩者的距離迅速增大，說明大風發生時的層結為近地面層較濕，中高空濕度迅速下降。物理量參數上，K指數為26 ℃，SI指數1.91 ℃，層結不穩定，較冰雹、暴雨弱。

4?結論

（1）通過對2012—2018年172個對流性天氣樣本的v-3θ圖特征的分析及檢驗，發現該方法對于慶陽強對流天氣預報的指示作用較好：過程前有超過90%的樣本出現了超低溫，過程后概率降至70%，故超低溫是強對流天氣的必要非充分條件;超過60%的樣本θ曲線有拐點且θsed和θ*曲線準平行的與T軸成鈍角，可作為對流天氣的起報條件。

（2）不同類型的強對流天氣v-3θ圖特征有所不同：冰雹天氣的滾流效應最突出，對流性暴雨、干雷暴及陣性大風依次減弱。

（3）冰雹、干雷暴發生前低層濕度條件較差，當10 ℃≤θ*-θsed≤20 ℃時，兩者難以區分，而當θ*-θsed>20 ℃時，冰雹發生的概率較高;而對流性暴雨和陣性大風發生時低層的濕度條件較好θ*-θsed≤3 ℃可以作為其預報的閾值。

（4）該研究為利用v-3θ圖進行強對流天氣的預報提供了一種思路：當出現超低溫現象時，進一步分析θ曲線是否有拐點、θ*和θsed是否準平行的與T軸成鈍角時，條件成立時，若低層θ*-θsed≤3 ℃，濕層伸展的高度在700 hPa以下時預報陣性大風，否則為對流性暴雨;若低層θ*-θsed≥10 ℃且風場上的滾流效應較為明顯時，預報冰雹，否則為干雷暴。

（5）v-3θ和T-lnP圖對于不同類型的強對流天氣均具有一定的指示意義，其對于濕度條件的垂直分布反應較為一致。前者重點關注對于滾流效應的分析，而后者則側重于垂直風切變、急流等。通過對比發現，在越弱的對流天氣中，v-3θ圖的超低溫及滾流效應相較于T-lnP圖的優勢更突出，可提前實況24～48 h。故在日常預報中，v-3θ圖的作用應當引起關注，對傳統的環流形勢、物理量垂直分布等分析進行補充，用于提高強對流天氣的預報準確率。

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