東北冷渦背景下V-3θ 圖在錦州市強(qiáng)對(duì)流天氣提前判斷中的應(yīng)用

婁芳蕾，孫銘謙，史虹婷，周福然，白 雪

（1.盤(pán)山縣氣象局，遼寧 盤(pán)錦 124100；2.盤(pán)錦市氣象局，遼寧 盤(pán)錦 124000；3.錦州市氣象局，遼寧 錦州 121000）

東北冷渦是造成東北地區(qū)低溫冷害、持續(xù)陰雨洪澇、冰雹和雷雨大風(fēng)等突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流天氣的重要天氣系統(tǒng)，對(duì)東北地區(qū)的天氣氣候有重大影響，與中國(guó)北方的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程密切相關(guān)。同時(shí)遼寧省錦州市地形復(fù)雜，西北部有松嶺山脈，中部為醫(yī)巫閭山，南鄰渤海，形成由西北向東南傾斜的地勢(shì)，依次為低山區(qū)、丘陵區(qū)、平原區(qū)［1］，與東北冷渦相配合導(dǎo)致錦州市強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)。但當(dāng)前的預(yù)報(bào)水平下，強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率仍然不高，空、漏報(bào)時(shí)有發(fā)生，如何做好此類(lèi)天氣的預(yù)報(bào)仍是未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)需要解決的難題。

V-3θ圖是歐陽(yáng)首承等［2］設(shè)計(jì)出來(lái)的運(yùn)用圖像結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)天氣的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法，與傳統(tǒng)的T-lnP圖相比，除了能反映層結(jié)穩(wěn)定性、濕度條件外，“滾流效應(yīng)”還能反映出天氣過(guò)程的轉(zhuǎn)折性變化。該方法在國(guó)內(nèi)多地開(kāi)展了研究并被證實(shí)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)具有一定的指示意義。有研究認(rèn)為，V-3θ圖能較好地對(duì)暴雨、短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程做出預(yù)報(bào)［3-6］，對(duì)冰雹天氣也具有一定的預(yù)報(bào)能力；毛列尼·阿依提看等［7］利用T-lnP圖和V-3θ圖研究了中亞低渦背景下新疆短時(shí)強(qiáng)降水的濕度特征和大氣能量結(jié)構(gòu)特征。楊麗杰等［8］通過(guò)樣本特征檢驗(yàn)，表明潰變理論對(duì)隴東強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)有一定的指導(dǎo)性。潰變理論-結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)法是針對(duì)轉(zhuǎn)折性災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)較有效的一種預(yù)報(bào)方法，V-3θ圖和潰變圖是其主要的分析工具。V-3θ圖主要是以結(jié)構(gòu)方式揭示非規(guī)則信息的結(jié)構(gòu)特征及其作用［9］，V-3θ圖在針對(duì)大暴雨及以上量級(jí)的強(qiáng)降水、局地的強(qiáng)對(duì)流降水天氣、冰雹、大風(fēng)、預(yù)測(cè)區(qū)域性霧的分布和量級(jí)以及長(zhǎng)期預(yù)報(bào)等方面的分析中應(yīng)用廣泛［4，6，10-12］。然而該方法在東北地區(qū)開(kāi)展的研究較少，且以天氣個(gè)例分析為主缺乏系統(tǒng)的研究，該方法的適用性及濕度因子如低層θ*-θsed的本地閾值尚不明確，因此，對(duì)其開(kāi)展研究非常有必要。本研究統(tǒng)計(jì)錦州市2010—2019 年?yáng)|北冷渦背景下強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例，通過(guò)分析其V-3θ圖變化特征，利用箱線(xiàn)圖求出適用于當(dāng)?shù)氐臐穸乳撝担云跒樘岣咤\州市的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料選取

利用常規(guī)觀測(cè)資料、歐洲中心數(shù)值預(yù)報(bào)模式資料以及錦州站的探空資料，統(tǒng)計(jì)了錦州市2010—2019 年5—10 月近10 年?yáng)|北冷渦過(guò)程，同時(shí)找到東北冷渦背景下強(qiáng)對(duì)流天氣（冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水、陣性大風(fēng)、雷暴）過(guò)程的V-3θ圖特征進(jìn)行對(duì)比分析。得到69 個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例（小時(shí)雨量≥10 mm），61 個(gè)陣性大風(fēng)個(gè)例（風(fēng)速≥17.2 m∕s），7 個(gè)冰雹個(gè)例，89 個(gè)雷暴個(gè)例。

1.2 研究方法

V-3θ圖是歐陽(yáng)首承等［2］基于潰變理論，以風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、θ、θsed和θ*為要素，P-T為坐標(biāo)所構(gòu)成的一種氣象要素圖像結(jié)構(gòu)。其中V是探空資料中風(fēng)向、風(fēng)速的直接觀測(cè)數(shù)據(jù)，并且設(shè)置在θ*線(xiàn)上。θ是位溫，θ*是人為按假定為水汽飽和狀態(tài)下的假相當(dāng)位溫計(jì)算值，而θsed是以露點(diǎn)溫度計(jì)算的假相當(dāng)位溫。與傳統(tǒng)的氣象預(yù)測(cè)相比，構(gòu)成了風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、溫度和氣壓的反序構(gòu)，并以風(fēng)向?yàn)楹诵?。其特征包括以? 個(gè)方面的內(nèi)容：①若對(duì)流層內(nèi)上下層風(fēng)向不一致時(shí)，風(fēng)場(chǎng)在中、下層為偏南風(fēng)（或偏東風(fēng)），上層為偏北風(fēng)（或偏西風(fēng)）時(shí)，為順時(shí)針滾流，反之為逆時(shí)針滾流；當(dāng)對(duì)流層內(nèi)上、下層風(fēng)向一致時(shí)，因?yàn)橐话愀呖诊L(fēng)速大、低層風(fēng)速小，因此風(fēng)速的切變也可產(chǎn)生滾流。一致偏西或偏南風(fēng)時(shí)為順時(shí)針滾流，一致偏東或偏北風(fēng)時(shí)為逆時(shí)針滾流。②若3 條θ曲線(xiàn)隨P呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，則表示運(yùn)動(dòng)大氣在對(duì)流層結(jié)構(gòu)是均勻的；若3 條θ曲線(xiàn)隨P向左呈線(xiàn)性增長(zhǎng)或者隨P是不變的，則表示運(yùn)動(dòng)大氣的垂直結(jié)構(gòu)是極度的非均勻。③超低溫，在V-3θ圖中的3 條曲線(xiàn)，特別是θ線(xiàn)在500 hPa 以上表現(xiàn)為陡然左傾或準(zhǔn)平行于P軸（與T軸成鈍角）或右傾中偏左有拐角，表明對(duì)流層頂附近有超低溫現(xiàn)象存在。當(dāng)θsed和θ*曲線(xiàn)較為靠近時(shí)，表示水汽充沛。

本研究采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析不同強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程V-3θ圖的演變情況，歸納出不同類(lèi)型強(qiáng)對(duì)流天氣的區(qū)別；利用箱線(xiàn)圖確定不同強(qiáng)對(duì)流天氣低層濕度條件的閾值；通過(guò)個(gè)例分析，對(duì)比V-3θ圖和T-lnP圖在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前的預(yù)報(bào)能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)流性天氣V-3θ 圖特征統(tǒng)計(jì)

2.1.1 短時(shí)強(qiáng)降水 東北冷渦背景下產(chǎn)生的短時(shí)強(qiáng)降水有69 個(gè)樣本。結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表1、表2），有35 個(gè)樣本有逆溫層，占總樣本的50.7%，有58 個(gè)樣本出現(xiàn)超低溫，占樣本的84.1%，θ曲線(xiàn)有明顯拐點(diǎn)的樣本50個(gè)，占總樣本的72.5%，θsed和θ*與T軸成鈍角占85.5%，風(fēng)場(chǎng)上為順滾流的樣本占比為75.4%，逆滾流的樣本占比為24.6%。700 hPaθ*-θsed分布集中在3～13 ℃，850 hPaθ*-θsed分布高度集中在3～17 ℃（圖1、圖2），發(fā)現(xiàn)75.0%的樣本濕層厚度伸展至700 hPa，說(shuō)明短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)濕度條件較好，容易與雷暴、冰雹區(qū)分。從V-3θ圖形狀分析來(lái)看，發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)為“大肚型”有29 個(gè)樣本，占總樣本的42.0%，其次為“蜂腰型”，“整層濕層”和“喇叭型”較少。

圖1 不同類(lèi)型強(qiáng)對(duì)流天氣下700 hPa θ*-θsed數(shù)值

圖2 不同類(lèi)型強(qiáng)對(duì)流天氣下850 hPa θ*-θsed數(shù)值

表1 不同類(lèi)型對(duì)流天氣過(guò)程V-3θ 圖特征

表2 不同類(lèi)型對(duì)流天氣過(guò)程V-3θ 圖形狀

2.1.2 陣性大風(fēng) 東北冷渦背景下導(dǎo)致錦州市風(fēng)速大于17.2 m∕s 以上的樣本有61 個(gè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表1、表2），有31 個(gè)樣本有逆溫層，占總樣本的50.8%，有52 個(gè)樣本出現(xiàn)超低溫，占總樣本的85.2%，θ曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)的樣本有55 個(gè)，占總樣本的90.2%，θ*和θsed與T軸成鈍角的占比為83.6%，風(fēng)場(chǎng)上形成順滾流的樣本占比為62.3%。陣性大風(fēng)發(fā)生時(shí)700 hPaθ*-θsed的25%～75%分位數(shù)位于3～11 ℃，850 hPaθ*-θsed的25%～75%分位數(shù)集中在7～23 ℃（圖1、圖2）。從V-3θ圖形狀分析來(lái)看，發(fā)生陣性大風(fēng)時(shí)“喇叭型”有37 個(gè)樣本，占總樣本的60.6%。

2.1.3 冰雹 冰雹樣本較少，僅有7 個(gè)，不具有普適性，但對(duì)于此類(lèi)天氣的V-3θ圖特征也有一定程度的反映。通過(guò)對(duì)7 個(gè)冰雹過(guò)程的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表1、表2），有5 個(gè)樣本出現(xiàn)了超低溫，6 個(gè)樣本θ曲線(xiàn)出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，分別占總樣本的71.4%和85.7%，全部樣本θ*和θsed在低層以準(zhǔn)平行的方式與T軸成鈍角，冰雹發(fā)生時(shí)的潛在流場(chǎng)較不均勻；冰雹發(fā)生時(shí)700 hPaθ*-θsed的分布范圍較大（圖1、圖2），其25%～75%分位數(shù)位于6～15 ℃，850 hPaθ*-θsed的25%～75%分位數(shù)集中在18～21 ℃。冰雹樣本的滾流效應(yīng)在4 類(lèi)強(qiáng)對(duì)流天氣中較為突出，順滾流的樣本有6 個(gè)，占總樣本的85.7%。從V-3θ圖形狀分析來(lái)看，發(fā)生冰雹時(shí)“蜂腰型”有3 個(gè)樣本，占總樣本的42.9%，其次為“喇叭型”。

2.1.4 雷暴 通過(guò)對(duì)89 個(gè)雷暴個(gè)例的V-3θ圖特征進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表1、表2），有62 個(gè)樣本出現(xiàn)超低溫，占總數(shù)的69.7%；θ曲線(xiàn)表現(xiàn)出較弱的非均勻結(jié)構(gòu)，其中70 個(gè)樣本有明顯的拐點(diǎn)，占總數(shù)的78.7%，有79 個(gè)樣本θ*和θsed與T軸成鈍角，占總數(shù)的88.8%，700 hPaθ*-θsed的25%～75%分位數(shù)集中在4～12 ℃，850 hPaθ*-θsed的25%～75%分位數(shù)集中在7～21 ℃（圖1、圖2）。而從滾流效應(yīng)來(lái)看，順滾流的有63 個(gè)樣本，占總數(shù)的70.8%。從V-3θ圖形狀分析來(lái)看，發(fā)生雷暴時(shí)“大肚型”有37 個(gè)樣本，占總數(shù)的41.6%，其次為“喇叭型”，有34 個(gè)樣本，占總數(shù)的38.2%，“整層濕層”和“蜂腰型”較少。

2.2 V-3θ 圖與T-lgP 圖在不同強(qiáng)對(duì)流性天氣的指示對(duì)比分析

2.2.1 短時(shí)強(qiáng)降水 2015 年6 月11 日錦州市出現(xiàn)一次東北冷渦背景下區(qū)域性對(duì)流性降水，其中錦州市區(qū)降水量為44.8 mm、義縣28.1 mm、北鎮(zhèn)市20.9 mm、凌海市14.0 mm。從11 日8：00T-lnP圖（圖3a）可見(jiàn)，CAPE只有56.5 J∕kg，K指數(shù)為-8，能量條件一般，水汽條件也只在925 hPa 有濕層，無(wú)明顯對(duì)流潛勢(shì)；從V-3θ圖（圖3b）可以看出，自925 hPa 以上θ*曲線(xiàn)幾乎垂直于T軸，且在925 hPa 多次折拐，有明顯的觸發(fā)對(duì)流條件，θsed和θ*曲線(xiàn)在925 hPa 以下、500 hPa以上較靠近，表現(xiàn)為“大肚型”，400～300 hPa 雖無(wú)明顯超低溫層，但也存在較低的溫度結(jié)構(gòu)，同時(shí)除地面為偏北風(fēng)以外，整層高空為順滾流，具有良好的強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)條件。

圖3 2015 年6 月11 日8：00 錦州站T-lnP 圖（a）與V-3θ 圖（b）對(duì)比

2.2.2 雷暴 2013 年6 月18 日，錦州市全區(qū)都出現(xiàn)雷暴，同時(shí)此日無(wú)較強(qiáng)降水，從18 日8：00T-lnP圖（圖4a）可見(jiàn)，CAPE只有80 J∕kg，K指數(shù)為35，對(duì)流條件一般，水汽條件自500 hPa 以下都較好；從V-3θ圖（圖4b）可以看出，925～500 hPaθ*曲線(xiàn)與T軸夾角遠(yuǎn)大于90°，有明顯不穩(wěn)定條件，θsed和θ*曲線(xiàn)在700 hPa較為靠近，表現(xiàn)為“蜂腰型”，500 hPa 和250 hPa 附近出現(xiàn)超低溫層，同時(shí)整層探空為北風(fēng)，風(fēng)速隨高度增大，為順滾流，具有良好的強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)條件。

圖4 2013 年6 月18 日8：00 錦州站T-lnP 圖（a）與V-3θ 圖（b）對(duì)比

2.2.3 冰雹 2014 年6 月18 日，凌海市、義縣、錦州市區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣，同時(shí)凌海市出現(xiàn)12.2 mm 降水，從18 日8：00T-lnP圖（圖5a）可見(jiàn)，無(wú)CAPE，K指數(shù)為34，對(duì)流條件一般，水汽條件自500 hPa 以下都較好；從V-3θ圖（圖5b）可以看出，925～250 hPaθ*曲線(xiàn)與T軸夾角整體大于90°，有明顯不穩(wěn)定條件，θsed和θ*曲線(xiàn)在700 hPa 和925 hPa 較靠近，表現(xiàn)為“蜂腰型”和“大肚型”，500 hPa 附近出現(xiàn)超低溫層，同時(shí)整層探空為偏西風(fēng)，風(fēng)速隨高度增大，為順滾流，具有良好的強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)條件。

圖5 2014 年6 月18 日8：00 錦州站T-lnP 圖（a）與V-3θ 圖（b）對(duì)比

2.2.4 陣性大風(fēng) 2017 年5 月11 日，錦州市區(qū)、凌海市、北鎮(zhèn)市出現(xiàn)陣性大風(fēng)，從5 月10 日20：00TlnP圖（圖6a）可以看出，CAPE為70 J∕kg，K指數(shù)為27，對(duì)流條件一般，水汽條件除1 000 hPa 附近外，自700 hPa 以下都較差，925 hPa 附近有明顯逆溫層；從V-3θ圖（圖6b）可以看出，925～700 hPaθ*曲線(xiàn)與T軸夾角整體大于90°，有明顯不穩(wěn)定條件，θsed和θ*曲線(xiàn)在700 hPa 較靠近，表現(xiàn)為“喇叭型”，同時(shí)1 000～925 hPa 為逆滾流，925～400 hPa 為順滾流，既有抑制條件又具有良好的強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)條件。

圖6 2017 年5 月11 日8：00 錦州站T-lnP 圖（a）與V-3θ 圖（b）對(duì)比

3 結(jié)論與展望

本研究利用常規(guī)觀測(cè)資料、歐洲中心數(shù)值預(yù)報(bào)模式資料以及錦州站的探空資料，對(duì)錦州市2010—2019 年5—10 月近10 年?yáng)|北冷渦背景下強(qiáng)對(duì)流天氣（冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水、陣性大風(fēng)、雷暴）過(guò)程的V-3θ圖特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1）超低溫、θ曲線(xiàn)有拐點(diǎn)及θsed和θ*與T軸成鈍角可作為預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣的初始條件。出現(xiàn)超低溫以及θ曲線(xiàn)有拐點(diǎn)的概率超過(guò)70%，θ*和θsed與T軸成鈍角的概率超過(guò)80%。

2）從V-3θ圖上分析來(lái)看，就滾流效應(yīng)而言，冰雹最強(qiáng)，短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴、陣性大風(fēng)逐漸減弱。就形狀而言，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)多為“大肚型”和“蜂腰型”，陣性大風(fēng)發(fā)生時(shí)多為“喇叭型”，冰雹發(fā)生時(shí)多為“蜂腰型”，雷暴產(chǎn)生時(shí)多為“大肚型”。

3）當(dāng)?shù)蛯应?-θsed≤3 ℃時(shí)，若濕層伸展的高度低于700 hPa 時(shí)，預(yù)報(bào)陣性大風(fēng)，否則預(yù)報(bào)短時(shí)強(qiáng)降水；而當(dāng)?shù)蛯应?-θsed≥12 ℃時(shí)，則重點(diǎn)分析滾流效應(yīng)，滾流較強(qiáng)時(shí)預(yù)報(bào)為冰雹，否則為雷暴。

4）V-3θ圖與T-lnP圖相比，V-3θ圖因特殊層的存在能夠提前判斷強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展，同時(shí)能夠在T-lnP圖上部分對(duì)流指標(biāo)不明顯的時(shí)候提供較好的對(duì)流潛勢(shì)判斷。