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]設計的一種圖像結構預測方法，既能反映濕度和層結條件，對轉折性天氣又有一定預示作用。經過國內多地多年的預報應用，證明其對轉折性天氣特別是災害性天氣有較好的預測能力，如毛列尼·阿依提看等[4]基于T-lnP 圖和 V-3θ圖研究了新疆短時強降水的大氣能量結構特征；杜遠林等[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圖在暴雨預報的提前量上有較好表現(xiàn)；鄭傳新等[8]發(fā)現(xiàn)V-3θ圖對冰雹大風的可預測性較好；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構演變。但V-3θ圖在貴州氣象業(yè)務中應用不多，故本文選取2018年貴州冰雹、暴雨和大雪3次天氣個例對 V-3θ圖進行特征檢驗和簡單應用(貴州只有貴陽和威寧兩個探空站)，在了解貴州不同降水相態(tài)的大氣能量結構特征的同時，也為這類轉折性天氣預報提供一些新思路和線索。

1 V-3θ圖簡介

1.1 設計原理

V-3θ圖采用P-T 坐標，根據風、溫、壓、濕的垂直分布來預報轉折性天氣[1-3]。其中V是風向、風速，3θ分別為θ(位溫)、θsed(以Td計算的假相當位溫)和θ*(理想狀態(tài)下水汽飽和時的假相當位溫)，3條曲線的間隔可反映實際大氣的水汽分布。

1.2 結構特征

轉折性強天氣在V-3θ圖上有3個典型特征[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)展的大氣結構(超低溫結構是指在300～100 hPa之間θ值偏低的現(xiàn)象，即θ線陡然左折或準平行于P軸)；垂直風上有順滾流，預示著天氣轉差，即風向順轉則存在潛在的順滾流；強烈非均勻態(tài)，表明大氣層結不穩(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50分—21時，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(圖略)，200 hPa貴州處于偏西急流入口右側的輻散區(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，南風維持，貴州中部—廣西北部有溫度脊。08時地面冷鋒西段位于湖南東北部，14時貴州處在強大熱低壓控制下，增強的南風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(表1、圖1)貴陽探空站的CAPE就達到了870 J/kg，午后訂正為2 249 J/kg(14時溫度為25 ℃)，SI<-3 ℃，有很強的對流潛勢。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，可能有冰雹大風出現(xiàn)。

表1 2018年4月4日08時貴陽、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：風場近地面為偏南風，700 hPa以上為偏西風或偏西南風，風矢的垂直結構呈順滾流，有利于垂直運動的發(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”結構。θsed和θ*線在500 hPa以上、750 hPa以下靠得近，而在750～600 hPa離得遠，呈現(xiàn)“大肚子”特征，表明中層水汽條件差，預測此次過程應主要以冰雹大風為主[11]。同時段的威寧站V-3θ圖(圖2b)也類似分析，得到同樣的結論，滿足3個典型的 V-3θ圖結構特征，有利于強對流(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計算的假相當位溫)和θ*線(理想狀態(tài)下水汽飽和時的假相當位溫)(下同)圖2 2018年4月4日08時貴陽站(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—22日08時，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累計降水量(a)、21日20時—22日02時降水量(b)和22日02時—08時降水量(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，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)，大氣層結很不穩(wěn)定，加強了對流發(fā)展的高度和上升的強度，也促使了大暴雨的發(fā)生[13]。風向整層順滾流，預示著天氣轉差。

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，壞天氣還未有預示，而實況上也是畢節(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 暴雨增強過程中V-3θ圖特征

由21日20時威寧站(圖5a)可知：θsed與θ*線由08時600 hPa以上準平行過渡為整層都是準平行且二者近重合，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。

貴陽站(圖5b)同08時相比：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，降水性質也將由層狀云降水轉為對流性與穩(wěn)定性結合的混合型降水[15]。整層變?yōu)轫槤L流，有利于暖濕氣流的爬升和垂直運動的發(fā)展。

圖5 2018年6月21日20時威寧站(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 暴雨結束V-3θ圖特征

22日白天暴雨過程趨于結束，以威寧站和貴陽站22日08時V-3θ圖(6a、6b)為例分析暴雨趨于結束時的特征變化：威寧站整層轉為東北風或偏北風，出現(xiàn)逆滾流且厚度達到400 hPa，惡劣天氣將結束，實況顯示畢節(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)時間長、強度大的特點。逐日降雪情況如表2所示：

圖6 2018年6月22日08時威寧站(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—30日20時(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—31日08時過境貴州，之后南支槽活躍，多小槽波動；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，貴州境內溫度槽加深，31日冷空氣大舉南下；地面場上蒙古冷高壓強盛并長時間維持，28日夜間起1 040 hPa等壓線開始進入貴州，強冷空氣走東北路徑源源不斷入侵，整個過程中云貴靜止鋒不斷西進[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—28日20時，貴州的中部以東以北地區(qū)出現(xiàn)12站降雪。從27日20時貴陽站V-3θ圖(圖7)分析：整層順滾流但高空的超低溫結構不明顯，θ線多折拐。θsed與θ*線呈“大肚子”結構，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—29日20時，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時和29日08時的V-3θ圖(圖8a、8b)分析：28日20時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，實況顯示威寧下游僅為弱降水。29日08時，200 hPa附近出現(xiàn)明顯超低溫，中高層風速增大，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，同時也促進了對流發(fā)展。當高空冷空氣下沉時，使低層的不穩(wěn)定能量得以釋放，暖濕空氣被強迫抬升的同時釋放潛熱，進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間[18-19]。

圖8 2018年12月28日20時(a)和29日08時(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—30日20時，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時探空資料不全，著重分析30日08時的V-3θ圖(圖9)：30日08時，200 hPa附近出現(xiàn)超低溫結構，θ線多折拐，整層順滾流結構，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，降雪進一步加強[20]。

圖9 2018年12月30日08時貴陽站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，反映在對應的貴陽站V-3θ(圖略)主要為：低層風場轉變，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構變化，其各項典型特征均有較好體現(xiàn)：超低溫結構、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，后期將擴大樣本容量對不同天氣類型的V-3θ圖特征進行分析，進一步驗證V-3θ圖在貴州轉折性天氣預報中的適用性。

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最突出，暴雨、大雪依次減弱；暴雨和大雪對θsed與θ*線準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)深厚超低溫結構更為敏感。

③當環(huán)流形勢較弱，從常規(guī)天氣分析角度難以判斷轉折性天氣時，可嘗試利用 V-3θ圖特性層的非均勻性和不連續(xù)性進行輔助預報，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探空站，空間分布稀疏且時間分辨率低，因此V-3θ圖結構分析法在貴州的業(yè)務應用有一定的局限性，預報員可結合衛(wèi)星云圖、多普勒天氣雷達、風廓線雷達等資料對某地區(qū)多時次多層次的高空特性層資料進行補充，再根據V-3θ圖的能量結構特征，以期達到提前12 h甚至24～36 h預測轉折性天氣的效果。